KR20060051770A - 고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템 및 이시스템을 이용하는 예비 극저온 냉장 제공 방법 - Google Patents

고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템 및 이시스템을 이용하는 예비 극저온 냉장 제공 방법 Download PDF

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론 클락 리
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더 비오씨 그룹 인코포레이티드
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Abstract

예비 냉장이 단일 예비 냉각제 저장 용기를 사용하여 다중 냉각 루프를 포함하는 극저온 냉장 시스템에 제공된다. 예비 냉각제 저장 용기는 냉각 루프 중 하나와 유체 소통을 이루며, 냉각 루프는 서로 유체 소통을 이룬다. 냉각 루프 각각은 냉장 유닛과 유체 소통을 이룬다. 상기 루프 중 어느 하나로부터 냉각제가 손실되는 경우에, 예를 들어 액화 질소와 같은 냉각제는 다른 루프로부터 손실된 루프로 냉각제가 이송되며, 상기 예비 냉각제 저장 용기는 예비 냉각제를 상기 시스템 내로 방출한다.

Description

고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템 및 이 시스템을 이용하는 예비 극저온 냉장 제공 방법{BACKUP CRYOGENIC REFRIGERATION SYSTEM}
도 1a는 다중 냉각 루프용 기초적 예비 극저온 냉장 시스템에 대한 개략도,
도 1b는 냉장 유닛 각각이 하나 이상의 냉각 루프를 담당하는 도 1a의 개략도에 대한 변형예,
도 2a는 다중 세그먼트식 HTS 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템에 대한 일 실시예의 개략도,
도 2b는 하나의 열 사이펀(thermosyphon) 및 냉각 회로가 2개의 기계적 냉장 유닛을 사용하여 냉장되는 도 2a의 개략도에 대한 변형예,
도 3은 간단한 대향류 열 교환기에 대한 개략도,
도 4는 냉장원이 벌크 액화 질소인 열 교환기에 대한 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 저장 용기 11 : 재응축 코일
12 : 상부 공간 13 : 액화 질소
15, 16 : 액화 질소 라인 21, 22 : 냉각 루프
23, 24 : 냉장 유닛 25 : 연결 파이프(도관)
본 발명은 극저온 냉장 시스템(cryogenic refrigeration system)에 관한 것이다. 일 측면에서, 본 발명은 극저온 냉장 시스템용 예비(backup) 또는 보존 시스템에 관한 것이며, 또 다른 측면에서 본 발명은 고온 초전도(HTS) 케이블을 위한 극저온 냉장 시스템용 예비 시스템에 관한 것이다. 또 다른 측면에서, 본 발명은 극저온 냉장 시스템에 대한 예비 극저온 냉장 성능을 제공하는 방법에 관한 것이다.
고온 초전도(HTS) 장치용 극저온 냉장 시스템은 잘 알려져 있다. 하나의 기본적인 형태에 있어서, 이러한 시스템은 냉각 루프, 냉장 유닛 및 냉각제를 포함한다. 냉각 루프, 예를 들어 파이프 또는 도관의 구성체는 냉각을 요하는 장치, 예를 들어 HTS 케이블 주변에 배열되며 상기 루프는 냉장 유닛과 유체 소통(fluid communication)된다. 냉장 유닛은 산업계에 잘 알려져 있는 기계적 냉장 장치이다. 냉각제, 예를 들어 액화질소는 냉장 유닛으로부터 냉각 루프 내로 유동하고 상기 장치로부터 열을 추출하는 냉각 루프를 통해 순환하며, 그 후에 열 제거용 냉장 유닛으로 복귀하고 냉각 루프로 복귀 순환한다.
극저온 냉각 시스템은 주 유닛이 고장을 일으킨 경우에 예비 또는 보존 냉장 유닛이 장착될 수 있다. 냉장 유닛의 고장이나 통상적인 보수의 경우에 있어서의 이러한 완벽한 보충성을 제공하는 것은 일반적으로 비용면에서 비효율적이며 시스템의 복잡성 및 물리적 크기의 증대를 야기한다.
HTS 케이블과 결합되어 사용되는 것과 같은 2개 이상의 냉각 루프를 포함하는 극저온 냉장 시스템은 일반적으로 각 냉각 루프당 하나의 예비 냉장 유닛을 요구한다. 각 냉각 루프당 하나의 예비 유닛을 구비하는 것은 효율적인 반면에, 전체 냉장 시스템의 기본 비용 및 작업 복잡성을 증가시킨다.
전달 케이블의 HTS 전력은 잘 알려져 있다. 이러한 케이블은 극저온 냉각을 요구하며, 대표적인 HTS 전력 또는 전달 케이블은 미국 특허 제 3,946,141 호, 제 3,950,606 호, 제 4,020,274 호, 제 4,020,275 호, 및 제 4,176,238 호 및 보다 최근의 제 5,858,386 호, 제 6,342,673 호 및 제 6,512,311 호에 개시된다. 통상의 HTS 케이블의 구성은 HTS 전도체(들)이며, 상기 전도체는 그 외측면 둘레의 유체 통로 내 또는 중공 전도체 코어를 통해 흐르는 액화질소에 의해 냉각된다. 동일한 크기의 종래 케이블에 대한 HTS 케이블의 이점은 HTS 케이블이 전기 용량을 거의 손실하지 않고 종래 케이블보다 여러배의 전력을 운반할 수 있다는 것이다.
HTS 케이블을 냉각하는 일반적인 방식은 순수 과냉각 액화 질소의 폐쇄 루프를 냉각하기 위해, 산업계에 잘 알려진 기계적 냉장 유닛을 제공하는 것이다. "과냉각(subcooled)"액화 질소는 작동 압력에 종속하는 비등점 이하의 온도까지 냉각된 질소이다. 예를 들어, 5 바아(bar)의 폐루프 작동 압력에서, 액화 질소의 절대 비등점(abs the boiling point)은 94K이다. 70 내지 75K의 통상 냉각제 온도에서, 액화 질소는 19 내지 24도로 과냉될 것이다. 통상적으로, 단일 과냉 액체 루프로 는 케이블의 전체 길이를 냉각할 수 없으며, 따라서 다중 제어식 세그먼트가 있어야 한다. 본 배열체에서, 각각의 세그먼트 기반 상에 예비 냉장 성능이 제공된다. 예시는 유럽 특허 공개 제 1,355,114 A2 호에 기술된 냉각 시스템 및 HTS 케이블이다.
유럽 특허 공개 제 1,355,114 A2 호의 극저온 냉각 시스템 및 HTS 케이블은 HTS 케이블 주변에 제 1 및 제 2 냉각 채널(4, 5)을 포함한다. 액화 질소는 이러한 채널을 통해 순환되며, 상기 채널 내에서 케이블로부터 열을 얻고, 저압 비등 액화 질소 배드(9), 즉 과냉기로 유동하며, 상기 과냉기 내에서 액화 질소로부터 열이 제거되며 그 후에, 액화 질소는 채널로 복귀 순환된다. 만약, 액화 질소가 어떠한 이유로 시스템으로부터 손실된다면, 보충(makeup) 질소는 저장 탱크(1)로부터 상기 시스템에 추가된다. 저장 탱크 및 연결 하드웨어는 냉각 시스템을 충전하도록 그리고 필요에 따라 보충하도록 요구되는 초기 질소를 제공하도록 설계된다. 저장 탱크는 또한 초기 케이블 냉각을 위해 요구되는 냉각제를 액체 또는 가스 상태의 질소 혼합 시스템을 통해 제공한다.
본 발명은 시스템의 복잡성 및 전체 크기의 감소뿐만 아니라 시스템의 전력 소비 및 기본 비용을 감소시킴으로써 공지된 예비 냉장 시스템의 문제점들을 해결하고자 한다.
본 발명에 따라, 예비 냉장은 단일 예비 냉장 용기를 사용하는 다중 냉각 루 프를 포함하는 극저온 냉장 시스템에 제공된다. 예비 냉장 용기는 냉각 루프 중 하나 이상과 유체 소통하며, 상기 냉각 루프는 서로 유체 소통한다. 각 냉각 루프는 냉장 유닛과 유체 소통한다. 상기 유닛용 냉장원은 기계적, 예를 들어 헬륨 사이클 냉장 시스템이거나 액화 가스, 예를 들어 액화질소의 벌크 증발을 통해 이루어 질 수 있다. 작동시, 액체 냉각제, 예를 들어 액화 질소는 냉각이 필요한 장치, 예를 들어 케이블 주변에 또는 관통하여 구성되는 냉각 루프 각각을 통해 순환되며, 냉각 루프로 복귀하기 전에 재응축 또는 열 제거용 냉장 유닛으로 순환된다. 만약, 냉각제가 어떠한 이유로 인해 하나 또는 그 이상의 루프로부터 손실된다면, 냉각제는 상기 냉각제를 손실한 루프에 직접 또는 간접적으로 연결된 다른 루프로부터 이송되며, 예비 냉각제가 저장 용기로부터 상기 용기에 직접 연결된 루프(들) 내로 방출된다. 예비 냉각제의 이러한 추가는 극저온 냉장 시스템이 계속적으로 작동하는 동안 달성된다.
일 실시예에서, 액체 냉각제는 정상 압력 생성 코일과 협력하는 단일 용기 내에 저장된다. 선택적으로, 용기는 용기 내용물의 손실 없이 용기 내에 요구되는 상부 압력을 유지하도록 제어되는 재응축 코일과도 협력할 수 있다. 선택적인 재응축 코일로, 액체 냉각제 충당은 보충에 대한 필요나 손실 없이 무기한 유지될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 예비 액체 냉각제 용기는 (ⅰ) 과냉 액체 냉각제 루프에 연결되고, (ⅱ) 상기 루프의 정상 작동을 위한 버퍼 용기(buffer vessel)로서 작용하며, 그리고 (ⅲ) 이러한 루프를 바람직한 압력으로 유지한다. 정상 작동시, 각각의 과냉 세그먼트 루프는 서로 간에 냉각제를 이송한다. 오히려, 루프 각각은 동일한 명목상의 일정 압력으로 유지된다. 그러나, 하나 이상의 냉각 루프 세그먼트가 어떠한 이유에서 냉각제를 손실하게 될 때, 보충 냉각제는 저장 용기로부터 냉각 세그먼트로 이송되며, 냉각제는 자연적으로 액체 냉각제 재고를 저장할 필요에 따라 냉각 세그먼트 사이에서 이송된다.
또 다른 실시예에서, 고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템이 제공되며, 이러한 시스템은,
A. 예비 재응축 코일을 선택적으로 포함하는 예비 냉장 용기,
B. 제 1 냉장 유닛과 냉각 관계를 이루는 제 1 열 교환 코일을 포함하는 제 1 열 교환기,
C. 상기 케이블의 제 1 세그먼트 및 제 1 열 교환기 모두와 냉각 관계를 이루는 제 1 순환 루프,
D. 제 2 냉장 유닛과 냉각 관계를 이루는 제 2 열 교환 코일을 포함하는 제 2 열 교환기,
E. 상기 케이블의 제 2 세그먼트 및 상기 제 2 열 교환기 모두와 냉각 관계를 이루는 제 2 순환 루프, 및
F. 상기 제 1 및 제 2 순환 시스템을 연결하는 파이프를 포함하며, 상기 예비 냉장 용기는 상기 제 1 및 제 2 순환 루프 중 하나 이상과 유체 소통한다. 일 실시예에서, 제 1 및 제 2 냉장 유닛은 기계적 냉장 유닛이다. 만약, 선택적인 예비 재응축 코일이 예비 냉장 용기에 존재한다면, 상기 시스템은 예비 재응축 코일 과 냉각 관계에 있는 예비 냉장 유닛, 일반적으로 기계적 냉장 유닛을 더 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 냉장 유닛은 또한 예비 냉장 유닛로서 제공될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장을 제공하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 액체 극저온 냉각제를 수용하는 액체 극저온 예비 용기를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 예비 용기는 케이블용 다중-세그먼트식 냉각 시스템 중 하나 이상의 세그먼트와 유체 소통하고, 상기 액체 극저온 냉각제는 각각의 세그먼트 내에서 순환하며 냉각 시스템의 각각의 세그먼트는 서로 유체 소통하고, 예비 용기는 연결된 세그먼트 중 어느 하나에 있어 냉각제의 손실시 냉각제가 예비 용기로부터 냉각제를 손실한 세그먼트로 이송되도록 냉각 시스템의 세그먼트 중 하나 이상과 유체 소통한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 극저온 냉장 시스템은 다중-세그먼트식 HTS 케이블에 주(예비에 반대 개념) 냉각을 제공할 수 있다. 이러한 실시예에서, 세그먼트 각각을 위한 냉장 유닛은 과냉기이며 냉각제가 상기 유닛으로부터 손실(이에 따라 케이블 세그먼트로부터 손실)됨에 따라, 손실된 냉각제는 액체 저장 용기로부터 냉각제가 대체된다.
동일한 도면 부호가 동일한 부분을 나타내는 도면을 참조하여 본 발명에 대한 다양한 실시예들이 설명된다. 설명을 명료하게 하기 위해, 결합 요소, 장착 요소, 센서, 밸브 등과 같은 여러 장치들이 생략되었다. 그러나, 이러한 종래의 장 치 및 상기 장치의 사용은 당업자들에게 잘 알려져 있으며, 이러한 장치는 필요에 따라 사용될 수 있다. 더 나아가, 비록 본 발명이 다중 세그먼트식 HTS 케이블(multi-segment HTS cable)의 냉각(cooling)과 관련하여 이하 설명되지만, 당업자들은 본 발명이 과냉각된 액화 질소 냉각 시스템을 위한 예비 극저온 냉장 성능(backup cryogenic refrigeration capability)을 요구하는 다른 장치에도 적용된다는 것을 인식할 것이다.
도 1a는 본 발명의 가장 기본적인 요소들을 포함하는 본 발명에 대한 개략도이다. 예비 냉각제 저장 용기(10)(또한 예비 냉장 용기라고도 함)는 냉각 루프(21)와 유체 소통하며, 상기 냉각 루프(21)는 냉각 루프(22)와 유체 소통한다. 냉각 루프(21, 22)는 각각 냉장 유닛(23, 24)과 유체 소통하며, 냉각 루프 각각은 파이프(25)를 통해 서로 유체 소통한다.
작동시, 냉각 루프 각각은 둘러싸고, 애워싸며, 관통하거나 또 다른 구성에 있어서는 어떠한 장치(도시되지 않음), 예를 들어 HTS 케이블 세그먼트 주위에 위치하며 냉각 루프를 통해 냉각제, 예를 들어 액화 질소와 같은 휘발성 액체 냉각제를 순환시킴으로써 상기 장치에 냉기를 제공한다. 각각의 루프에서 나온 냉각제는 소정의 유형, 예를 들어 기계적 냉장기, 과냉기 등과 같은 유형의 냉장 유닛을 통해 순환되며, 냉각제는 상기 냉각 유닛 내에서 냉각되거나 재응축되고 상기 루프로 되돌아 간다. 통상적으로, 루프 각각은 동일한 평균 압력에서 작동되며, 이로 인해 냉각제는 파이프(25)를 통해 하나의 루프로부터 다른 루프로 진행하지 않는다. 그러나, 만약 냉각제의 누설 또는 그 외 다른 손실이 어느 한 쪽의 루프에서 발생 되면, 그 결과 발생하는 압력 손실은 액체 냉각제 저장 용기(10)로부터 시스템 내로의 예비 냉각제의 배출을 야기한다. 이는 시스템 압력 또는 냉각제 재고를 모니터링할 수 있는 밸브 배열체 및 제어 시스템의 작동을 통해서 또는 자연적으로 발생할 수 있다. 만약, 상기 손실이 냉각 루프(21)에서 발생된다면, 예비 냉각제는 저장 용기(10)로부터 냉각 루프(21) 내로 유동한다. 만약, 상기 손실이 냉각 루프(22)에서 발생된다면, 루프(21)로부터의 냉각제는 루프(22) 내로 유동하고, 저장 용기(10)로부터의 냉각제는 루프(21) 내로 유동한다. 2개의 루프의 압력 균형이 요구될 때, 냉각제가 하나의 루프로부터 다른 루프로 이동한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 2개보다 많은 수의 냉각 루프가 일렬로 연결되고 냉장 유닛 각각이 하나보다 많은 수의 냉각 루프를 담당한다면, 이러한 냉각제 이송 메커니즘은 동일한 방식으로 작동한다.
도 2a는 도 1의 상세도이다. 도 2a는 HTS 케이블용 다중-세그먼트식, 과냉 액체 루프를 도시한다. 비록, 도 2a가 2개의 세그먼트만을 나타내고 있지만, 이는 간단화를 위한 것이다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 소정의 개수의 세그먼트를 포함하는 시스템에 적용할 수 있다. 더 나아가, 비록 세그먼트의 길이가 대략 동일한 것으로 도시되었지만, 세그먼트는 길이에 있어서, 또는 예를 들어 파이프 크기나 구성 등과 같은 다른 특성에 있어서 다양할 수 있다. 또한, 다양한 세그먼트가 예를 들어, 케이블 및 다른 HTS 장치와 같은 다양한 유형의 장치들을 포함할 수 있다.
도 2a에서, 예비 냉장 용기(10)는 상부 공간(12)에 위치되는 선택적인 예비 재응축 코일(11)을 포함하며 액화 질소(13)를 수용한다. 압력 조정기(18)는 일반적인 방법으로 액화 질소가 라인(15, 16)을 통해 증발 코일(20) 내로 유동할 수 있도록 작동하며, 여기서 가압 질소 가스는 상부 공간(12) 내로 순환하여 용기(10)의 요구되는 상단 압력 유지를 보조한다. 재응축 코일(11)은 예비 기계적 냉장 유닛(14)과 냉각 관계에 있으며, 즉 기계적 냉장 유닛(14)은 재응축 코일(11)이 액화 질소(13)로부터 증발하는 질소를 응축시키고 상기 질소를 액체질소(13)로 환원시키도록 재응축 코일(11)을 충분히 냉각시킨다. 이와 달리, 재응축 코일(11)은 도시되지 않은 별도의 기계적 냉장 유닛과 냉각 관계에 있을 수 있다.
케이블 세그먼트 또는 순환 루프(21)와 유체 결합하는 전술된 예비 냉장 용기 조립체를 제외하고, 케이블 세그먼트(21, 22)는 본질적으로 서로 거울상을 이룬다. HTS 케이블 자체는 도시되지 않는다. 케이블 세그먼트(21, 22)의 과냉 조립체 각각은 열 교환기, 보다 구체적으로 재응축 열 사이펀(re-condensing thermosyphons)(23, 24)을 포함한다. 열 사이펀 각각은 재응축 코일(23b, 24b) 각각이 예비 재응축 코일과 예비 냉장 유닛 사이에서 개시된 것과 유사한 냉각 관계로 연장하는 상부 공간(23a, 24a)을 포함한다. 도 2a의 실시예에 있어, 재응축 코일(23b)은 예비 냉장 유닛(14) 내로 연장한다. 이러한 바람직한 구성에 있어, 하나의 냉장 유닛은 2개의 재응축 코일에 작용하고, 따라서 기본 비용 및 작동 비용을 절감한다. 도시되지 않은 대안적 실시예에 있어, 재응축 코일(11, 23b) 각각은 별도의 냉장 유닛이 담당한다. 또 다른 실시예에서, 단일 냉장 유닛이 3개 또는 그 이상의 재응축 코일에 작용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 2개 또는 그 이상 의 기계적 냉장 유닛이 하나의 열 사이펀에 작용할 수 있다. 재응축 코일(24b)을 담당하기 위한 냉장 유닛은 도시되지 않는다. 액화 질소(23c, 24c)는 각각 용기(23,24)내에 수용된다. 당업자들은 응축 코일(11, 23b, 24b)이 각각의 압력 용기의 외부에 위치되나 유체 소통할 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 도시된 코일은 기계적 냉장 유닛 내에 사용된 순환 냉장 유체(예를 들어, 헬륨)에 의해 냉각될 수 있으며, 또는 간단하게 기계적 냉장 유닛의 작동을 통해 감소된 온도로 유지되는 냉각 표면("냉각 헤드")일 수 있다.
액화 질소는 각각의 케이블 세그먼트(21, 22), 각각의 파이프(23d, 23e, 24d, 24e)를 통해 순환된다. 파이프(23d, 23e, 24d, 24e) 각각은 펌프(23f, 24f)에 의해 연결된다. 파이프(23e, 24e)는 상호연결 파이프(25)에 의해 연결된다. 파이프(16, 23e)는 개방 교차점(26)을 형성하며, 예비 용기(10)는 상기 교차점을 통해 케이블 세그먼트(21)와 유체 소통한다. 교차점(26)은 예비 용기(10)가 순환 루프에서 압력을 유지하며 또한 자연적 액체 팽창 및 수축이 팽창 탱크로서의 용기(10)의 사용을 통해 허여되는 지점으로서 작용하는 위치이다.
케이블 세그먼트(21, 22)용 과냉 루프의 정상 작동에 있어, 과냉 액화 질소는 각각의 펌프(23f, 24f)에 의해 파이프(23d, 23e, 24d, 24e)를 통해 순환된다. 액화 질소의 온도는 상기 액화 질소가 각각의 열 사이펀을 이탈할 때 가장 냉각되고, 각각의 열 사이펀으로 복귀할 때 가장 많이 데워진다. 액화 질소가 케이블 세그먼트 각각의 길이에 걸쳐 통과하면서, 각각의 케이블 세그먼트로부터 열을 흡수하여 데워지고 이에 따라 열 사이펀으로의 복귀 시, 이러한 열을 완화할 필요가 있 다. 이는 열 사이펀 내부의 증발 코일(23m, 24m)을 통해 데워진 액체를 통과시킴으로써 달성된다. 데워진 액체는 냉각된 액체(23c, 24c)와 열 교환에 의해 냉각될 것이며, 이로써 액체(23c, 24c)의 일부가 비등하게 될 것이다. 증발 코일(23m, 24m)의 작용으로 인해, 액화 질소는 열 사이펀 각각의 상부 공간 내로 일정하게 증발한다. 이러한 증발은 열 사이펀 내의 압력 상승을 야기하며, 이는 재응축 코일(23b, 24b) 각각의 작용을 통해 방지된다. 재응축 코일(23b, 24b)은 요구되는 열 사이펀 온도 및 압력을 유지하고 증발 액체를 응축시키기에 충분한 속도로 기계적 냉장 유닛[예를 들어, 재응축 코일(23b)용 기계적 냉장 유닛(14)]으로부터 냉장이 공급된다. 기계적 냉장 유닛으로부터의 냉장은 열 사이펀 압력, 또는 대안적인 냉각 루프 온도 중 하나를 유지하기 위한 양 및 속도로 제어된다. 이러한 제어 작동은 잘 알려진 온/오프 또는 비례-적분-미분(proportional-integral-differntial, PID) 유형의 제어 논리를 통해 이루어진다. 질소가 이러한 작동 방식 동안 열 사이펀 용기(23, 24)로부터 손실 또는 획득되기 때문에, 열 사이펀 내의 액화 질소의 높이는 일정하게 유지된다. 정상적이고 안정적인 작동 동안, 액화 질소는 파이프(23e, 24e)로부터 및/또는 상기 파이프를 향해 상호연결 도관(25)을 통해 이동하지 않는데, 이는 명목상 일정한 압력이 양 루프 내에 유지되기 때문이다(순환 유체에 의한 압력 강하는 제외). 루프(21, 22) 내 액화 질소의 확장 또는 수축을 야기할 수 있는 작동 온도 또는 조건의 변화에 대한 응답으로 일반적인 작동 동안 적은 양의 액화 질소가 도관(25)을 통해 모든 방향으로 이동할 수 있으며 유사하게 교차점(26)을 통해 이동할 수 있다.
열 사이펀 중 하나 내에 액화 질소를 유지하는 역할을 하는 냉장 유닛 중 하나가 고장난 경우, 한 세트의 밸브 쌍(23h/j 또는 24h/j)은 실질적으로 루프가 냉장원을 상실하였는지에 따라 활성화되는 상기 밸브 쌍을 활성화할 것이다. 설명을 위해, 만약 열 사이펀(24) 내 액화 질소를 유지하는 냉장 유닛에 고장이 발생하면, 일반적으로 비등 및 응축 사이의 균형을 통해 일정한 압력으로 유지되는 열 사이펀(24) 내의 액화 질소의 폐쇄 배드(closed bath)는 압력이 상승하는 경향을 나타낼 것이다. 열 사이펀(24)과 관련되는 냉장 유닛의 고장에 있어, 상승 압력으로 인해 밸브(24j)가 개방될 것이며 진공 펌프(24k)가 작동하기 시작할 것이다. 밸브(24j)의 개방 및 펌프(24k)의 작동은 일정 속도 및 요구되는 값에 이를 때까지 상승 압력을 복귀시키는 양으로 제어될 것이다. 이러한 제어 작용은 잘 알려진 온/오프 또는 PID 유형 제어 논리를 통해 이루어진다. 진공 펌프(24k)의 사용은 대기압 이하의 압력으로 열 사이펀(24)을 유지하기 위해 요구되는 것으로 가정한다. 만약, 유지될 압력이 통상적인 대기압이거나 그 이상인 경우에, 진공 펌프(24k)는 제거될 것이다. 도시된 바와 같이, 진공 펌프(23k, 24k)는 저온 상태에서 작동되어야 한다. 만약, 파이프(23l, 24i)를 통과하는 벤트 기류(vent stream)가 데워지면, 상기 진공 펌프는 데워진 상태에서 작동할 수 있다. 밸브(24j) 및 진공 펌프(24k)의 연합 작동은 배드 압력을 유지할 것이지만, 액체 높이는 강하할 것이며 궁극적으로 케이블 세그먼트(22)용 과냉 액체 루프를 냉각시키는 능력을 상실하게 될 것이다.
액화 질소(24c)의 높이는 개방 밸브(24h)에 의해 열 사이펀(24) 내에 유지되며, 상기 밸브는 루프(22)로부터의 고압 액화 질소의 배드 내로의 이동을 허용할 것이다. 밸브(24h)의 개방은 액화 질소(24c)의 낮아진 높이를 요구되는 높이까지 복귀시킬 정도의 양 및 속도로 제어될 것이다. 이러한 제어 작용은 잘 알려진 온/오프 또는 PID 유형 제어 논리를 통해 이루어진다. 열 사이펀 및 상기 공정의 속도는 보충 액체, 즉 액화 질소의 질량 유동이 순환 과냉 액화 질소의 유속보다 훨씬 느릴 것을 보장한다. 질량 보존으로 인해, 동일한 양의 액체가 케이블 세그먼트(22)의 과냉 루프로부터 인출될 것이며, 이에 따라 연결 파이프(25)에 의해 케이블 세그먼트(21)용 과냉 루프로부터 보충된다. 이에 따라, 액화 질소는 파이프(15) 및 교차점(26)을 통해 예비 냉장 용기(10)로부터 인출된다. 전체 공정은 추가로 요구되는 제어 논리없이 이루어지며, 과냉 액체 루프의 케이블 냉각 특성에는 전혀 영향을 미치지 않거나 미소의 영향만을 미치게된다. 원한다면, 냉각 회로(21, 22)를 통해 순환되는 액체의 양은 예비 작업동안 이러한 공정에 의해 유발되는 유동에 있어서의 작은 변화를 보충하기 위해 펌프(23f, 24f)로 조절될 수 있다. 유일하게 상당한 효과는 일반적 압력 생성 코일(20)을 광범위하게 작동시키게될 액체 예비의 손실이다. 또한, 동시에 용기의 크기 및 인출되는 액체의 양에 종속하게 될, 예비 용기(10)의 액체 재고를 보충하고자 하는 요구가 있다.
도 2b는 각각의 열 사이펀 및 냉각 회로가 2개(또는 그 이상)의 기계적 냉장 유닛을 사용하여 냉장되는 대안적 실시예를 도시한다. 도 2b에서, 열 사이펀(23)은 기계적 냉장 유닛(14a, 14b)으로부터 상부 공간(23a)으로 연장하는 재응축 코일(23b, 23b')를 구비한다. 이러한 배열체에서, 하나의 냉장 유닛의 고장 또는 요구되는 보수는 일반적으로 예비 냉장 시스템이 불활성 상태의 기계적 냉장 유닛의 냉 장 능력을 대체할 것만을 요구할 것이다. 이러한 경우에, 예비 냉장 유닛 및 잔존 활성 기계적 냉장 유닛 모두는 함께 작동할 것이다. 또 하나의 실시예에서, 냉각 루프를 활성화하는 기계적 냉장 유닛 또는 다수의 유닛들은 예비 냉장 시스템과 연합 작동되어 요구 사항이 증가함에 따라 예를 들어 과부하 전력 소요 분담 상태(peak-shaving situation)에서 증가된 전체 냉장 능력을 증가시킬 수 있다.
전술된 과냉 액화 질소 루프는 혼합 열 교환기, 즉 열 사이펀에 의해 냉각된다. 대안적인 열 교환기 역시 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 이러한 교환기들이 열 사이펀의 듀얼 냉각 모드 적응성(flexibility)을 제공하지 않는 반면, 이들은 냉각 모드 각각을 위한 동등하게 실행 가능한 열 교환기 선택사항이다. 각각은 그 자체의 특별한 냉각원에 초점이 맞춰져 있기 때문에, 제안된 열 사이펀의 듀얼 작동 모드의 예시가 된다.
도 3은 기계적 냉장원을 위한 간단하고 일반적인 대향류 열 교환기에 대한 개략도이다. 이러한 기계적 냉장원의 특징은 본 발명과 관련하여 중요하지 않으며, 본 발명의 목적을 위해 냉각제, 예를 들어 헬륨 가스가 기술된 온도 및 유속으로 열 교환기로 유입한다. 열 교환기 내에서 이러한 냉각을 수행한 후에, 냉각제는 열 교환기에 유입할 때의 온도보다 낮은 온도로 열 교환기를 빠져나오며, 정확한 출구 온도는 냉각제의 특성, 유속 및 냉각 효율(cooling duty)[통상 와트(watt)로 측정됨]과 같은 변수에 종속한다. 다른 유형의 열 교환기가 기계적 냉장 유닛의 특성에 따른 본 발명의 실례에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 기계적 냉장원이 "저온 헤드"를 사용하는 경우에, 열 교환기는 저온 헤드 주위의 배관의 코일만큼 간단해질 수 있다.
도 4는 냉장원이 벌크 액화 질소(bulk liquid nitrogen)인 가장 간단한 열 교환기를 도시한다. 일반적인 과냉각기의 이러한 형태는 산업계에 잘 알려져 있다. 본 발명의 실례에서, 배드는 일반적이지 않은 저압(대기 온도보다 낮은 77K 이하의 배드 온도)에서 작동된다. 액체 공급(배드 압력보다 높은 임의 공급 압력에서 발생될 수 있음)은 기술된 배드 높이를 유지하도록 작동한다. 배드는 일반적으로 포화 상태, 즉 액체가 배드 압력에만 종속하는 비등점에 있게되는 상태에서 작동할 것이다.
가장 간단한 가능한 과냉기에 있어서, 배드는 주변 조건 및 벤트에 노출되며, 증기는 개구를 통해 외부로 간단하게 배출된다. 이러한 경우에, 압력은 대기압이며 비등점은 약 77K이다. 감소된 압력에서 작동하기 위해(이는 낮은 배드 온도를 의미함), 진공 펌프/송풍기가 기술된 배드 압력을 유지하기 위해 조절된다. 도 3의 간단한 열 교환기와 달리, 열역학적 공정은 보다 복잡하다. 배드가 냉각될 유입 액체보다 일반적으로 더 낮은 온도의 비등점에 있을 때, 요구되는 냉각양에 비례하는 연료 증발(boil-off)이 발생한다. 펌프/송풍기를 통하는 벤트 유속이 2개의 흐름의 합이되는 적당한 복잡성이 제시된다. 첫번째는 열 교환기 코일로부터 배드에 발생하는 연료 증발로부터 발생하며, 두번째는 배드가 꽉 차도록 유지하기 위해 공급되는 액화 질소로부터 발생한다. 공급 액화 질소 온도 및 압력에 종속하여, 액화 질소는 배드의 낮은 압력 환경 내로 감압됨에 따라 "갑작스런 증발(flash)"을 일으킬 것이다. 열역학적으로, 이는 등엔트로피(일정한 엔트로피) 확 장이라 불린다. 일부 "갑작스런 증발" 가스는 또한 액화 질소 배관 내 상류에서 형성될 수 있다. 충전 라인(fill line)으로부터 배드로 들어가는 후속하는 액체 플러스 증기는 포화되고 배드 온도와 동일한 온도에서 있게된다.
비록, 본 발명이 실시예를 통해 상당히 상세하게 설명되었지만, 이러한 상세는 설명을 목적으로 하는 것이다. 많은 변형례 및 개조례들이 계류중인 청구범위에 기술된 것과 같은 본 발명의 범위 및 취지로부터 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 전술된 모든 미국 특허 및 허여된 미국 출원은 본원에 참조로서 인용된다.
본 발명은 단일 예비 냉장 용기를 사용하는 다중 냉각 루프를 포함하는 극저온 냉장 시스템에 예비 냉장이 제공되어, 시스템의 복잡성 및 전체 크기의 감소뿐만 아니라 시스템의 전력 소비 및 기본 비용을 감소시킴으로써, 종래의 예비 또는 보존 냉장 유닛이 가지고 있던 비용 비효율성, 시스템의 복잡성, 물리적 크기의 증대 등의 공지된 예비 냉장 시스템의 문제점들을 해결한다.

Claims (10)

  1. 고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템에 있어서,
    A. 예비 냉장 용기와,
    B. 제 1 냉장 유닛과 냉각 관계를 이루는 제 1 열 교환 코일을 포함하는 제 1 열 교환기와,
    C. 상기 케이블의 제 1 세그먼트 및 상기 제 1 열 교환기 양자와 냉각 관계를 이루는 제 1 순환 루프와,
    D. 제 2 냉장 유닛과 냉각 관계를 이루는 제 2 열 교환 코일을 포함하는 제 2 열 교환기와,
    E. 상기 케이블의 제 2 세그먼트 및 상기 제 2 열 교환기 양자와 냉각 관계를 이루는 제 2 순환 루프와, 및
    F. 상기 제 1 및 제 2 순환 시스템을 연결하는 파이프를 포함하며,
    상기 예비 냉장 용기는 상기 제 1 및 제 2 순환 루프 중 적어도 하나와 유체 소통하는
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 냉장 유닛은 기계적 냉장 유닛인
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 예비 냉장 용기가 예비 재응축 코일을 더 포함하는
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 예비 재응축 코일은 예비 냉장 유닛과 냉각 관계에 있는
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 예비 냉장 유닛이 제 1 및 제 2 냉장 유닛인
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 예비 냉장 용기가 압력-생성 코일을 더 포함하는
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환기중 적어도 하나는 열 사이펀인
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 교환기중 적어도 하나는, (ⅰ) 상기 순환 루프와 상기 기계적 냉장 유닛 사이의 직접적인 열 교환용 수단과, (ⅱ) 상기 순환 루프와 열 교환 관계를 이루는 휘발성 냉각제 유체의 배드와의 조합체인
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    극저온 냉각제를 포함하는
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 사용하는
    고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장을 제공하는 방법.
KR1020050090656A 2004-09-29 2005-09-28 고온 초전도 케이블용 예비 극저온 냉장 시스템 및 이시스템을 이용하는 예비 극저온 냉장 제공 방법 KR20060051770A (ko)

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