냉동기를 부착한 극저온 용기의 온도 특성 연구

工學碩士學位論文

냉동기를 부착한 극저온 용기의 온도 특성 연구

A Study on the Thermal Characteristics of Cryostat with a Cryocooler

國民大學校 大學院

機 械 工 學 科

金 景 漢

2 0 0 2

냉동기를 부착한 극저온 용기의 온도 특성 연구

A Study on the Thermal Characteristics of Cryostat with a Cryocooler

指導敎授 鄭 泰 勇

이 論文을 碩士學位 請求論文으로 提出함

2002 年 8 月 日

國民大學校 大學院

機 械 工 學 科

金 景 漢

2 0 0 2

金 景 漢의

工學碩士學位 請求論文을 認准함

2002 年 8月 日

審査委員長

審 査 委 員

審 査 委 員

國民大學校 大學院

목 차

List of figures, photographs and tables ··· Ⅲ Nomenclature and greek symbols ··· Ⅴ 국문 요약 ··· Ⅶ

Ⅰ 서 론 ··· 1

1.1 연구 배경 및 목적 ··· 1

1.2 연구 내용 ··· 2

Ⅱ 이론적 고찰 ··· 3

2.1 초전도와 극저온의 개념 ··· 3

2.1.1 초전도의 정의 ··· 3

2.1.2 극저온의 정의 ··· 4

2.2 극저온 냉동기의 종류 및 원리 ··· 4

2.3 극저온 용기 ··· 10

2.3.1 극저온 구조 재료 ··· 10

2.3.2 극저온 용기의 단열 방법 ··· 11

2.3.3 극저온 용기의 열 전달 분류 ··· 12

2.3.4 극저온 용기의 열 침입량 계산 ··· 14

2.3.5 실드의 온도분포 해석 절차 ··· 21

Ⅲ 실험 장치 및 실험 방법 ··· 24

3.1 실험 장치 ··· 24

3.1.1 진공펌프 ··· 25

3.1.2 액체 헬륨 액면 모니터 ··· 25

3.1.3 진공 게이지 컨트롤러 ··· 26

3.1.4 온도센서 ··· 27

3.1.5 온도기록계 ··· 28

3.1.6 극저온 냉동기 ··· 29

3.2 실험 방법 ··· 29

3.2.1 진공 배기 과정 ··· 29

3.2.2 액체 헬륨 주입 및 저온 시험 ··· 30

Ⅳ 실험 결과와 온도 분포 해석 ··· 32

4.1 실드의 냉각 실험 결과 ··· 32

4.2 실드의 온도분포 해석 ··· 35

Ⅴ 결론 ··· 40

References ··· 41

Abstract ··· 42

List of figures, photographs and tables

Fig. 1 Stirling cryocooler ··· 5

Fig. 2 Solvay cryocooler ··· 7

Fig. 3 G-M cryocooler ··· 8

Fig. 4 Pulse tube cryocooler ··· 9

Fig. 5 Structure of the cryostat ··· 19

Fig. 6 Cryostat 3-D model ···20

Fig. 7 3-D modeling and mesh for thermal analysis ···22

Fig. 8 Schematic diagram of the experimental setup ···24

Fig. 9 The variation of 20K shield 2 mm temperature ···33

Fig. 10 The variation of 80K shield 2 mm temperature ···33

Fig. 11 The variation of 20K shield 5 mm temperature ···34

Fig. 12 The variation of 80K shield 5 mm temperature ···34

Fig. 13 20K shield 2 mm temperature distribution ···36

Fig. 14 80K shield 2 mm temperature distribution ···36

Fig. 15 20K shield 5 mm temperature distribution ···37

Fig. 16 80K shield 5 mm temperature distribution ···37

Photo. 1 Vacuum gauge monitor ···26

Photo. 2 Temperature monitor and L-He level monitor ···28

Photo. 3 The process of charging L-He ···30

Table. 1 The sum of cryostat heat transfer ···18

Table. 2 Dimensions of the model ···21

Table. 3 Specification of Pumps ···25

Table. 4 Sensor data ···27

Table. 5 Sensor input performance chart ···28

Table. 6 Comparison of shield temperature experimental ···35

Table. 7 Comparison of shield 2 mm temperatures ···38

Table. 8 Comparison of shield 5 mm temperatures ···38

Nomenclature

Symbol Brief definition Unit

A1

A2

E L OD

ID PH

PL

QR

QS

QH

QL

rpm S SI T1, TL

T2, TH

TC

t

area of low temperature part area of high temperature part effictive emissivity

length of the two ends outer diameter

inside diameter high pressure low pressure

rate of radiant heat transfer rate of conductive heat transfer heat transfer of high temperature heat transfer of low temperature Revolutions of Per Minute displacement

Super Insulation low temperature high temperature critical temperature thickness

[m²] [m²]

[m]

[m]

[m]

[Pa]

[Pa]

[W]

[W]

[W]

[W]

[r/min]

[m]

[K]

[K]

[K]

[mm]

Greek symbols

Symbol Brief definition Unit

ε1

ε2

λ σ

emissivity of low temperature part emissivity of high temperature part thermal conductivity

Stefan-Boltzman constant

[ / m⋅K]

[ / m²⋅K⁴]

국문 요약

극저온 냉각기술은 초전도체가 4 K 근처까지 도달하게 되는 매우 낮은 온 도에서 초전도 상태로 만들어 주는 중요한 기술이다. 극저온용기의 실드 열 전 달 해석은 모든 초전도 시스템에 공통적으로 적용되는 중요한 기술이다.

본 연구는 초전도 마그넷에 사용되는 극저온 용기를 제작하기 위해 다음과 같 은 요소실험을 하였다. 실드의 두께가 2 mm, 5 mm인 경우에 대하여, 실드의 냉각시간과 초전도 시스템에 사용되는 극저온 냉동기의 냉동능력에 대한 실험 과 실드의 온도 분포를 해석 함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 극저온 용기의 20 K, 80 K실드의 두께가 2 mm 인 경우 300 K 에서 실드 의 온도인 20 K, 80 K 까지 도달되는 시간이 27 시간이 지난후에 정상상태가 되었다. 20 K, 80 K실드의 두께가 5 mm인 경우에는 정상상태까지 도달하는 시간이 약 1.8배인 50 시간이 걸렸다.

2. 실드 냉각용 냉동기의 용량이 80 K 실드 부분 즉 1단에서 54 W - 20 K 2 단에서 5 W - 80 K 이다. 실험을 통해서, 냉동기헤드의 온도가 정상상태에서 각각 14 K, 70 K가 되었다. 즉, 극저온 용기의 열침입량에 맞는 냉동기의 성능 을실험을 통해 검증하였다.

3. 극저온 용기의 20 K, 80 K실드가 정상상태 일때의 온도 분포 해석을 통해 간접적으로, 냉동기 헤드에서 멀리 떨어져 있는 실드의 아래 부분을 단열 시공 시 좀더 보완 해야함을 알 수 있다.

Ⅰ 서 론

1.1 연구 배경 및 목적

초전도체(superconductors)는 매우 낮은 온도에서만 초전도 상태(super conducting state)를 유지할 수 있으므로, 안정적이며 효율적으로 극저온을 유 지하는 기술은 초전도체의 산업적 적용에 핵심이 되는 중요한 기술이다.

특히 에너지를 절약하기 위해 사용되는 초전도 시스템의 경우, 소비되는 대 부분의 에너지는 극저온 냉동기(cryocooler)를 가동하거나 저온유체(cryogenic fluid)를 액화하는데 사용되고 있다. 따라서 극저온 냉각(cryogenic cooling)기술 은 이러한 초전도 시스템의 에너지 효율을 결정짓는 중요한 요소이다.

극저온 냉각기술 중에서도 극저온용기(cryostat)의 설계를 위한 열 전달 해석 은 모든 초전도 시스템에 공통적으로 적용되는 기술이다. 따라서, 본 논문에서 는 냉동기를 부착한 극저온용기의 온도 특성을 실험을 통해서 실드 두께 에 따 른 냉각시간을 검토해 보고 유한요소 해석프로그램에 의한 용기내의 온도분포 를 해석해 봄으로써 실제 초전도 마그넷을 운용하기 위한 극저온 용기를 제작 하는데 필요한 설계자료를 제공하고자 한다.

1.2 연구 내용

극저온 냉각 기술 중에서도 극저온용기의 설계를 위한 열 전달 해석은 모든 초전도 시스템에 공통적으로 적용되는 기반 기술이다.

본 연구에서는 실제 초전도 시스템을 산업적으로 응용하기 위한 요소 실험으 로써, 극저온 용기 내에 초전도 마그넷을 포함하지 않고, 다층단열 (multi-layer insulation)도 하지 않은 상태에서, 극저온 용기의 실드두께에 따른 극저온 용기 의 온도 특성과 냉각 시간과 다시 냉각상태에서 상온까지 올라가는 시간을 실 험을 통하여 알아보고, 실제 초전도 시스템에 적용되는 실드 냉각용 냉동기의 성능을 살펴보기 위하여 본 실험에서 사용되는 극저온 용기 내로의 열 침입량 을 냉동기 용량에 맞도록 제작하여 실험을 하였다.

Ⅱ 이론적 고찰

2.1 초전도와 극저온의 개념

2.1.1 초전도의 정의 ⁽¹⁾

초전도란 어떤 금속에서 그들이 극저온으로 냉각될 때 나타나는 전기적 자기 적 특성에 대하여 복합적으로 주어진 이름이다. 극저온은 1908년 Leiden 대학 의 Kamerlingh Onnes가 헬륨을 액화시키는데 성공한 이후로 얻을 수 있었다.

Onnes가 새롭게 얻은 저온 영역을 이용하여 최초에 수행한 실험중의 하나는 온도에 따른 금속의 전기저항에 관한 연구였다. 그는 매우 낮은 온도에서 저항 이 측정하기 힘들 정도로 작게 되는 것을 알았는데 이것은 놀랄 만한 일은 아 니었지만, 1911년 그는 곧 저항이 없어져 버리는 완전히 예상치 못했던 사실을 발견하였다.

온도가 0 K 로 감소함에 따라 저항이 서서히 떨어지는 대신에 약 4 K에서 저항이 급속하게 떨어지고 그 이하의 온도에서는 수은의 저항이 사라져 버렸 다. 더구나 저항이 없는 상태로의 갑작스러운 전이(transition)는 순수한 금속에 만 한정된 것이 아니라 불순물을 아주 많이 함유한 수은에서도 나타났다.

Onnes는 4 K 이하에서 수은이 이전에 알려져 있었던 것과는 아주 다른 전기 적 특성을 가진 새로운 상태로 변하였다는 것을 인식하였는데, 이러한 상태를

“초전도 상태” 라 불린다. 초전도체가 저항을 잃는 온도를 초전도 전이온도 또 는 임계온도라 부르고 Tc로 표시한다. 이 온도는 금속에 따라 다르며 각 금속 원소들에서의 전이온도를 나타낸다.

2.1.2 극저온의 정의

극저온의 범위는 통상적으로 120 K 이하의 온도에서 발생하는 모든 현상들 로서 일반적인 상온 냉동분야에서 다루는 것보다 훨씬 낮은 온도 영역이다.

일상적으로 주위에서 볼 수 있는 물질들이 저온에서는 부서지기 쉽게 된다. 저 온유체의 증발열 또는 잠열은 상온의 액체들보다 훨씬 작으며, 그 비등점이 낮 은 것일수록 그 경향은 커진다. 순수 금속의 전기 저항은 저온에서 매우 작으 며, 일부 물질은 전기저항이 완전히 없어져 버리는 초전도현상을 저온에서 보 이기도 한다. 전기에서의 초전도와 유사한 초유동 현상을 He⁴-Ⅱ에서 관찰할 수 있다. He⁴-Ⅱ는 끓는점이 4.2 K 이며, 임계점 이하에서 초유동 현상이 일어 난다. 대부분의 순수 금속과 단결정 고체의 열전도율은 저온으로 갈수록 증가 하여 매우 높은 극대치를 갖기도 한다. 온도가 낮아질수록 모든 액체와 고체의 비열은 크게 감소한다. 모든 저온장비에서 단열은 가장 큰 문제이므로 고진공 기술은 저온학 연구에 매우 중요한 것이다. 단열문제와 관련하여 평소에 무시 될 수 있을 정도의 열복사 에너지도 저온에서 중요하다. 상온에서 사용되는 많 은 종류의 온도계가 저온에서는 사용불가능 해질 수 있으므로 특수한 온도측정 방법이 요구된다.

2.2 극저온 냉동기의 종류 및 원리 ⁽²⁾

극저온 냉동기의 작동원리상의 분류로 크게 1 K 이상의 냉동에 쓰이는 냉동 기는 크게 열 교환기형과 열 재생기로 분리될 수 있으며, 일반 열 교환기는 두 개나 그 이상의 열 유동 매체가 서로 다른 통로를 이동하며 열을 교환하지만 열 재생기는 하나의 통로를 시간 간격을 두고 고온과 저온의 유체가 교대로 흐

르며 재생기 재료에 열을 흡수, 방출하여 열을 교환한다. 대체적으로 열 재생기 형 냉동기는 소용량이며, 10 K 이상의 냉동에 쓰여지고, 열 교환기형 냉동기는 대용량이거나 10 K 이하의 온도에 많이 쓰여지고 있다.

(1) 스터링(Stirling) 및 VM 냉동기

스터링 냉동기는 열역학적 효율이 극저온 냉동기중 가장 높고 제작이 대체로 용이하며 체적이 작으므로 소용 량에서 대용량까지 널리 사용되고 있다. 그러 나 작동현상이 복잡하여 해석과 설계가 어려우며 10 K 이하의 냉동에는 사용 할 수 없다. 스터링 냉동기는 압축기와 팽창기의 위치를 역으로 하면 스터링 엔진이 되는데 외부에 열원이 있을 때에 엔진을 냉동기에 부착하여 냉동기의 압축 구동용으로 한 것이 VM(Vuillermier)냉동기이다. 냉동기의 작동원리와 냉 동기의 구조적인 계략도는 Fig. 1 에 나타나 있다.

Fig. 1 Stirling cryocooler

작동 원리로는 두 개의 등온과정과 두 개의 정적과정으로 설명된다. 재생기 내 부의 빈 간극체적(void volume)을 무시하였을 때 모든 작동유체는 1-2 과정 동 안 재생기의 고온 부에 있는 압축기를 통해 냉각되며 저온 부의 팽창기로 등적 이동된다. 3-4 과정에서 저온의 유체가 외부에 일을 하며 등온 팽창을 통해 냉 동효과를 얻고 4-1 과정에서 재생기를 통해 등적 가열된다. 이때 2-3 과정에서 재생기에 축열되는 양은 4-1 과정에서 방열되는 양과 같고 두 등온과정을 통해 외부와 열 전달이 이루어지므로 스터링 냉동기는 이상적인 Carnot 냉동효율을 갖게된다. 실용적이 스터링 냉동기는 위와 같은 이상적인 운전을 하지 못하나, 열 재생기의 열효율이 대단히 높고 저온 부에서 외부에 일을 하며 냉각을 하므 로 냉동효율은 다른 냉동기에 비해 월등히 높다.

(2) Solvay 및 G-M 냉동기

Fig. 2 에서 Solvay 냉동기는 고압 흡입용과 저압 배기용 밸브 두 개로 압축 기를 열 재생기 와 팽창기로 분리 시켰다. 이 분리는 압축기의 기하학적 분리 라는 점 이외에, 압축 구동의 선택에 폭을 넓혔다는 점에서 대단히 큰 의미가 있다. 스터링 냉동기에서는 압축기와 팽창기가 하나의 조합으로 작동하므로 구 동장치의 운전속도, 용량의 선택이 다양하지 못 했으나, Solvay 냉동기에서는 적당한 밸브의 조작으로 대량 생산되는 많은 공조용 혹은 냉동냉장용 압축장치 로 대치 가능해졌다. 그 결과 설계의 다양성은 물론 경제적으로 냉동기의 단가 가 많이 절감되었다.

Fig. 2 Solvay cyocooler

Solvay 냉동기에 간단하지만 대단히 중요한 수정이 1995년 W. Gifford와 H.

McMahon에 의하여 제시되었다. 이는 Fig. 3 에서 보여주듯이 열 재생의 고온 부와 팽창기의 상단 공간을 연결함으로써 팽창 피스톤을 양단의 압력 차가 거 의 없는 왕복기(displacer)로 바꾼 G-M(Gifford-McMahon) 냉동기이다.

G-M 냉동기의 작동순서는 다음과 같다. 왕복기가 하단에 위치한 상태에서 고압흡입밸브가 열리면 고압냉매는 왕복기의 상단 공간에 채워지고, 왕복기가 상향운동을 하면 고압냉매는 재생기를 통해 냉각되며 왕복기의 하단공간으로 이동한다. 그 동안 계속해서 열려있는 고압흡입밸브를 통해 냉매의 냉각에 의 한 부피 축소량 만큼 더 흡입된다. 고압상태에서 왕복기가 상단에 도달하면 흡 입밸브는 닫히고 저압배기밸브가 열린다. 이 때 왕복기 하단공간의 저압고압 냉매는 팽창하며 냉동효과를 얻고 왕복기의 하향운동으로 재생기를 통해 가열 되며 배기 된다.

Fig. 3 G-M cryocooler

G-M 냉동기는 Fig. 3 과 같이 왕복 기는 전 사이클에 걸쳐 양단의 압력 차 가 열 재생을 통한 냉매의 압력강하 양만큼 매우 작으므로 그 운동장치가 크게 간략해지는 장점이 있다. 반면, 저온의 고압냉매가 외부에 일을 거의 하지 않고 밸브와 재생기에서의 손실로 소모되므로 열역학적 효율이 낮다. 그러나 현대의 많은 응용분야에서는 냉동기의 효율보다도 신뢰도가 더욱 중요하므로 G-M 냉 동기는 20 K와 80 K 사이의 소형 냉동기의 거의 전부를 차지하고 있다.

Fig. 4 Pulse tube cryocooler

(3) 맥동관 냉동기

열 재생기를 사용한 냉동기로 팽창 부의 운동장치가 전혀 없는 것이 맥동관 (pulse tube)냉동기다. Fig. 4와 같이 열 재생기를 통해 저온으로 냉각된 냉매는 상단이 상온으로 유지되는 밀패공간(맥동관)에 압축되면서 온도가 상승한다. 이 때의 상단의 열 교환기를 통해 외부로 열 전달이 이루어진다. 그 후 압력이 강 하 하면 냉매는 압축시보다 더 낮은 온도로 재생기 쪽으로 팽창하며 이를 냉동 에 이용한다. 맥동관 냉동기는 일체의 운동장치가 없으므로 신뢰성 면에서는 가장 우수하나 실용화를 위해서는 개선의 여지가 많다.

2.3 극저온 용기

초전도 자석을 초전도 상태로 유지하기 위하여 사용되는 저온의 냉매로서 액 체 헬륨 이나 액체 질소는 비등점이 극도로 낮은 액체이기 때문에 보통의 용기 에 저장하는 것은 불가능하고, 특수한 구조를 가진 단열 용기가 필요하다. 특히 비등점이 낮고, 기화열이 매우 작은 액체 헬륨의 경우는 충분한 단열방식이 필 요하다. 즉 이때 피냉각체를 담은 극저온 용기를 cryostat라고 한다. 기본적인 구조는 동일하며, 극저온 용기에 있어서 단열방법이 가장 중요한 핵심 기술이 라고 할 수 있다.

2.3.1 극저온 구조 재료

초전도 마그냇에서 코일을 지지하는 구조 재를 충분히 고려하지 않으면 코일 은 열화 되어 최악의 경우 파손될 수도 있다. 즉 초전도 코일의 전자력을 지지 하는 구조재가 갖추어야할 특성을 요약하면 다음과 같다. 극저온에서 기계적 강도가 높고 저온 취성이 없고, 반복 응력에 의한 피로가 적어야 하며, 비자성 체 이어야 한다. 가공 면에서는, 기계적 가공과 용접이 용이하고 변형이 되지 않아야 한다. 극저온 용기의 특성과 용도에 따라서, 비중과 열전도율이 작고, 전기저항이 높아야 한다. 이상과 같은 조건을 만족하는 구조 재로는 금속재료 와 강화합성수지와 같은 2종류 이상의 다른 물질을 조합한 복합재가 있다.

2.3.2 극저온 용기의 단열방법^{(3 - 6)}

(1) 진공 단열

액체 헬륨을 사용하는 극저온 기기나 초전도 기기에서는 단열 성능이 기기의 성능을 좌우하는 중용한 요소이다. 예를 들면 액체질소 온도(77 K)에서는 1 W 의 열 침입을 제거하기 위하여 10 W 의 냉동기 동력이 소요되나, 액체 헬륨 온도 (4.2 K) 에서는 400 - 800 W 의 동력이 필요하게 된다. 액체 헬륨의 증 발잠열이 액체 질소의 1/100 정도이고 더욱이 피냉각 물체인 고체의 비열이 실 온의 1/100 - 1/10000 로 작게 되어 매우 적은 열 침입에도 피냉각 물체의 온 도가 급상승한다. 진공단열에는 복사에 의한 열전달이 중요하게 되는데 실효방 사율이 작아지는 정도에 따라 복사열전달도 작아지기 때문에 저온단열용기의 설계의 경우에는 실효방사율이 중요한 역할을 하고 있다. 방사율은 물질에 따 라 다를 뿐만 아니라, 표면상태, 결정조직에 따라서도 달라진다.

(2) 다층단열

다층단열 (multi - layer insulation)은 진공단열보다도 우수한 단열특성을 나 타내고 있는데, 다층단열 또는 당열재는 진공 공간에 수층의 복사 반사용의 금 속박막을 넣고 층 간에 유리섬유, 나일론 등을 넣어 금속간의 열 접촉을 방지 하거나, 유리섬유막의 표면에 알루미늄을 증착 피막한 박막을 저온유체의 표면 에 여러층 감는 방법도 있다.

2.3.3. 극저온 용기의 열 전달 분류

(1) 기체에 의한 열 전달

통상의 극저온 용기의 단열 진공부에서의 압력이 10^-2 Pa 이하로 되어 있다 면, 잔류가스는 자유분자 기체로 볼 수 있기 때문에 이것에 의한 열 전달은 압 력에 비례한다. 다른 열 전달 기구에 비하여 잔류가스에 의한 열 전달은 압력 에 비례한다.

다른 열 전달 기구에 비하여 잔류가스에 의한 열전달량을 무시할 수 있는 정 도로 되는 것은 10^-3 Pa 이하의 압력 영역이기 때문에 이 이하로 진공도를 유 지하는 것이 반드시 필요하다. 단열 진공부를 설치하여 사용하는 극저온 용기 에서는 표면에 흡착되기 쉬운 가스를 탈착하기 위하여 충분한 시간동안 진공 배기 시키거나 단열진공부를 가열하여 진공 시키는 것이 필요하다. 표면에 흡 착되기 쉬운 것은 물, 공기, 탄화수소 계의 가스등이 있으나, 수분의 양이 가장 많고 제거하기도 어렵다. 수분의 탈 착에는 250℃까지 가열할 필요가 있다. 또 한 금속 중에 흡착되기 쉬운 수소, 산소는 이것을 제거하기 위하여 보다 높은 온도에서 장시간 배기 시켜야 한다. 단 다층단열의 경우는 고온에 약한 알루미 늄 박판이나 스페이서에 미치는 영향을 고려해야 한다. 위에서 언급한 잔류가 스의 탈착방법을 사용하여도 잔류가스를 완전히 제거하기는 어렵고 또 하나의 방법으로는 진공단열 저온 면에 활성 탄을 부착하여 저온 액화가스를 충진할시 냉각되어진 활성 탄의 흡착작용에 의하여 단열진공부의 진공 도를 향상시키는 방법이 사용된다.

(2) 복사에 의한 열 전달 ^{(7 - 8)}

극저온 용기에 많이 사용되어 지고있는 중심이 같은 두 실린더 혹은 두 구의 면사 이에 둘러 싸여진 복사열전달에 의한 저온 면의 단위 면적당의 복사 열전 달량은 다음 식으로 표현되어진다.

Q_{R =} σ A₁E ( T₂⁴ - T ₁⁴) [ ] (2-1)

E = ε₁ ε₂ ε₂+ A₁

A₂ ( 1 - ε₂) ε₁

(2-2)

여기서, E는 실효방사율, ε는 방사율, A는 각각의 면의 표면적, σ는 Stefan-Boltzmann 상수( 5.67 × 10^{- 8} / m²K⁴) 첨자 1은 저온면, 첨자 2는 고온 면을 각각 나타낸다.

(3) 전도에 의한 열 전달

단면 A가 일정한 고체를 통한 전도열전달은 다음 식으로 표현된다.

Q_{S =} A L

⌠⌡

T2

T1

λ ( T ) dT (2-3)

여기서 T1, T2는 길이 L인 고체 양단의 온도, λ(T)는 온도가 T인 고체의 전 도열전달율 이다. λ는 일반적으로 온도에 따라서 큰 폭으로 변하기 때문에 윗 식의 적분은 λ-T 열전도 적분 식의 표를 참조하여 구한다.

2.3.4 극저온 용기의 열 침입량 계산

극저온 용기의 열침입량을 구하기 위해서 다음과 같은 가정을 한다. 위에서 서술한 것처럼 극저온 용기는 고진공 단열 용기이므로, 대류에 의한 열 전달은 무시하고 복사 와 전도에 의한 열 전달만을 고려한다. 또 한가지로는 다층단열 구조에 사용되는 단열재(super insulation, SI) 의 시공을 하지 않은 상태의 열 침입량을 계산한다. 즉 SI 의 효과는 무시한 상태의 열침입량을 계산한다. 극저 온 용기의 열 침입 경로를 살펴보면, 극저온 용기의 지지 대에 의한 전도에 의 한 열 침입과 통로관 에서의 전도에 의한 열 침입과 진공조와 80 K 실드80 K 실드 와 20 K 실드, 20 K 실드 와 헬륨조 사이의 복사열전달을 계산한다. 다음 은 열침량의 계산을 위해 사용되는 극저온 용기의 구조와 각 실드의 온도센서 위치를 함께 표시하였다. 계략도를 보면 Fig. 5, Fig. 6 과 같다.

Fig. 5에서 극저온 용기 각 구성요소의 열침입량을 구하면 다음과 같다.

(1) 80K 실드로의 열침입

80 K 실드로의 열침입은 전도에 의한 열침입과 복사에의한 열침입이 있다.

전도에 의한 열전달은 80 K 지지대에 의한 전도 열전달, 신호선에 의한 전도 열전달이 있으며, 300 K에서 80 K로 열전달이 된다. 80 K 지지대는 재질이 황 동이며, 외경이 10 mm, 길이 167 mm 이고 4개로 구성되어진다. 전도 열전달 식은 다음과 같다.

Q_{S =} A L ⌠

⌡

T2

T1

λ ( T ) dT = A L ( ⌠⌡

T2

4 λ ( T ) dT - ⌠⌡

T1

4 λ ( T ) dT ) [ ] (2-4) A ≒ 78.5 X 10^-6 m², L = 167 X 10^-3 m, T1 = 80 K, T2 = 300 K를 식

(2-4)에 대입하면, Qs는 다음과 같다.

Q_S ≒ 7.25 X 4 ≒ 29W

80 K 실드의 온도센서의 신호선은 재질이 구리 이며, 외경이 0.2 mm, 길이 1500 mm 이고 10 개로 구성되어진다. A ≒ 0.0314 X 10^-6 m² L = 1500 X 10^-3 m T1 = 80 K, T2 = 300 K를 식(2-4)에 대입하면, Qs는 다음과 같다.

Q_S ≒ 0.0019 X 10 ≒ 0.019 W

복사에 의한 열전달은 진공조를 300 K로 가정하고, 80 K 실드로의 복사 열 전달을 계산한다. 진공조는 재질이 스테인레스(SUS 304)이며, 외경이 500 mm, 길이가 1510 mm, 80 K 실드는 재질이 알루미늄(A1050)이며, 외경이 436 mm, 길이가 1292 mm이다. A1 ≒ 1.77 m² , A2 ≒ 2.37 m², ε1 = 0.04 , ε2 = 0.2, T1 = 80 K T2 = 300 K를 식(2-1), 식(2-2)에 대입하면 QR은 다음과 같다.

QR ≒ 18.6 W

(2) 20K 실드로의 열 침입

20 K 실드로의 열침입은 전도에 의한 열침입과 복사에의한 열침입이 있다.

전도에 의한 열전달은 20 K 지지대에 의한 전도 열전달, 신호선에 의한 전도 열전달이 있으며, 80 K에서 20 K로 열전달이 된다. 20 K 지지대는 재질이 황 동이며, 외경이 10 mm, 길이 170 mm 이고 4개로 구성되어진다.

A ≒ 78.5 X 10^-6 m², L = 170 X 10^-3 m, T1 = 20 K, T2 = 80 K를 식(2-4) 에 대입하면 Q_S는 다음과 같다.

Q_S ≒ 0.77 X 4 ≒ 3.06 W

20 K 실드의 온도센서의 신호선은 재질이 구리이며, 외경이 0.2 mm, 길이 1500 mm 이고 10 개로 구성되어진다. A ≒ 0.0314 X 10^-6 m², L = 1500 X 10^-3 m, T1 = 20 K, T2 = 300 K를 식(2-4)에 대입하면, Qs는 다음과 같다.

Q_S ≒ 0.0029 X 10 ≒ 0.029 W

복사에 의한 열전달은 80 K 실드를 80 K로 하고, 20 K 실드로의 복사 열전 달을 계산한다. 80 K 실드는 재질이 알루미늄(A1050)이며, 외경이 436 mm, 길 이가 1292 mm, 20 K 실드는 재질이 알루미늄(A1050)이며, 외경이 372 mm, 길 이가 1088 mm,이다. A1 ≒ 1.27 m² , A2 ≒ 1.77 m² , ε1 = 0.03 , ε2 = 0.03, T1 = 20 K, T2 = 80 K를 식(2-1), 식(2-2)에 대입하면 QR은 다음과 같다.

QR ≒ 0.05 W

(3) L-He 조로의 열침입

L-He 조의 열침입은 전도에 의한 열침입과 복사에의한 열침입이 있다.

전도에 의한 열전달은 통로관에 의한 전도 열전달, L-He 조 지지대에 의한 전 도 열전달, 신호선에 의한 전도 열전달이 이 있다. 통로관의 재질은 스테인레스 (SUS 304)이며, 외경이 48.6 mm, 길이 170 mm, 두께 2 mm로 구성 되어진다.

A ≒ 15.24 X 10^-6 m² L = 1354 X 10^-3 m, T1 = 4.2 K, T2 = 300 K를 식 (2-4)에 대입하면, Qs는 다음과 같다.

Q_S ≒ 0.03 W

L-He 조 지지대는 재질이 FRP이며, 외경이 16 mm, 내경이 8 mm, 길이 158 mm 이고 4개로 구성되어진다. A ≒ 188.49 X 10^-6 m² L = 158 X 10^-3 m T1

= 4.2 K T2 = 20 K

Q_S ≒ 0.002 X 4 ≒ 0.008 W

L-He 조의 온도센서의 신호선은 재질이 구리 이며, 외경이 0.2 mm, 길이 1500 mm 이고 10 개로 구성되어진다. A ≒ 0.0314 X 10^-6 m² L = 1500 X 10^-3 m T1 = 300 K T2 = 4.2 K를 식(2-4)에 대입하면 Q_S는 다음과 같다.

Q_S ≒ 0.0034 X 10 ≒ 0.034 W

복사에 의한 열전달은 20 K 실드를 20 K로 하고, L-He 조가 4.2 K일 때의 복사 열전달을 계산한다. 20 K 실드는 재질이 알루미늄(A1050)이며, 외경이 372 mm, 길이가 1088 mm, L-He 조는 재질이 스테인레스(SUS 304)이며, 외경 이 300 mm, 길이가 859 mm, 이다. A1 ≒ 0.809 m² , A2 ≒ 1.27 m² , ε1 = 0.2 , ε2 = 0.03, T1 = 300 K T2 = 4.2 K를 식(2-1), 식(2-2)에 대입하면 QR

은 다음과 같다.

QR ≒ 0.00013 W

Table 1 The sum of cryostat heat transfer conduction

heat (W)

radiation heat (W)

sum heat (W) 80K Shield 29.019 18.16 47.179 20K Shield 3.089 0.05 3.139 L-He vessel 0.042 0.1 0.14

결과적으로 극저온 용기 각부의 열침입량 총량을 표로 정리하면, Table 1과 같다. 위와 같이 계산된 열침입량의 계산은 실제 시스템에 적용되는 실드 냉각 용 냉동기의 용량이 80 K 실드 부분 즉 1단에서 54 W, 20 K 실드 부분 즉 2 단에서 5 W 의 용량을 가지는 냉동기의 성능을 시험하기위하여, 극저온 용기 의 열침입량을 냉동기의 용량에 맞추기위한 재질을 선택하였다.

실제 극저온 용기의 제작에 있어서는 열침입량을 줄이기 위해서는 구조적 이 면에서도 강하고, 열전도 도가 낮은 재질을 FRP 로 바꾸어야 한다. 본 연구에 서는 실제 극저온 용기를 제작하기 위한 요소 실험을 하기 위하여, 실드부분의 지지대의 재질을 황동 으로 하였다.

Fig. 5 Structure of the cryostat

Fig. 6 Cryostat 3-D model

Table 2 Dimensions of the model unit(mm) vacuum

vessel 80K shield 20K shield L-He vessel

OD 500 436 372 300

t 3 2, 5 2, 5 2

L 1510 1292 1088 860

2.3.5 실드의 온도분포 해석 절차

극저온용기 실드내로의 열침입량을 줄이기 위하여, 단열재를 효과적으로 사 용해야 한다. 따라서, 실드의 열침입이 가장 많은곳을 찾기 위하여, 유한요소 해석프로그램인 ANSYS를 사용하였다. 극저온 용기는 진공 단열 구조이므로 대류를 무시하고 전도와 복사만을 고려하였다. 극저온 용기내의 실드에 부착된 냉동기의 1단과 2단의 온도가 정상상태인 경우에 대하여, 실드의 온도분포를 해석하였다. 복사열전달 해석시 형상계수의 계산은 복사열이 미치는 곳과 미치 지 않는 곳을 검색하여 복사열이 미치는 부분만을 해석하는 ANSYS에서의 해 석방법을 이용하여, 비선형 정상상태 해석을 하였다. 해석순서는 다음과 같다.

(1) 해석 모델

실드통의 온도분포만을 구하기 위하여 진공조, 80 K 실드, 20 K 실드, 액체 헬륨조 통만을 모델링 하였다. 해석모델의 치수는 Table 2에 나타나 있다.

(2) 재료상수 기입 ⁽⁷⁾

각각의 모델에 대해 열전달 계수와 방사 율을 재료상수의 표를 참조하여 기 입한다. 온도에 따라 거의 일정한 방사 율은 일정한 값으로 기입하고, 열전달 계수만을 온도에 따라 기입하였다.

(3) 유한요소 메쉬(Mesh) ⁽⁹⁾

요소는 8절점 등매개 변수 3차원 열요소인, SOLID 70을 사용하였으며, 모델 은 총 11120개의 절점과 10000개의 요소로 구성 되어있다.

유한요소 모델의 온도 구속조건이 80K, 20K 실드의 냉동기 헤드 부착부위만 적용하기 때문에 3차원 모델링 과 메쉬를 하였다. 3차원 모델링과 메쉬는 Fig. 7 과 같다.

Fig. 7 3-D modeling and mesh for thermal analysis

(4) 경계조건

L-He 조에 L-He이 가득차 있고 실드 냉동기의 1단, 2단의 헤드가 각각 80 K, 20 K라 가정한다. 이때 경계조건은 다음과 같다. L-He조 내측은 4.2 K로 하고, 80 K 냉동기 헤드가 80 K, 20 K 냉동기 헤드가 20 K, 진공조 외측을 300 K라 할 때 정상상태 비선형 복사열전달 해석을 하였다.

Ⅲ 실험 장치 및 실험 방법

3.1 실험 장치

본 실험 장치는 진공펌프, 액체헬륨 전달튜브, 극저온 냉동기 등으로 구성되 어있다. 실제 사용하기위한 극저온 용기는 초전도 마그넷을 초전도 상태로 만 들기 위하여, 액체헬륨을 액체헬륨 전달튜브를 이용하여, 액체헬륨통에서 극저 온 용기의 액체헬륨조안으로 주입하여야 한다. 극저온 용기는 대류에 의한 열 침입을 막기위하여 진공펌프를 이용하여, 극저온 용기내를 고진공 상태로 만들 어야 한다. Fig. 7은 실험장치의 개략도 이다.

Fig.8 Schematic diagram of the experimental setup

Table 3 Specification of Pumps

Pump Ultimate pressure Rotational speed Rotary pump 2 × 10^-4 mbar 1800 rpm

Roots pump 2 × 10^-4 mbar 3600 rpm Turbo molecular pump 5 × 10^-8 mbar 43,000 rpm

3.1.1 진공 펌프

극저온을 유지하기 위하여 고진공 상태의 진공 단열 층이 필요하며, 이를 위 하여 진공 펌프로 고진공을 만들기 위한 장비이다. 고진공을 만들기 위하여, 로 터리 펌프(Rotary pump, ALCATEL 2033), 루츠펌프(Roots pump, ALCATEL RSV 150), 터보펌프(Turbo molecular pump, ALCATEL ATH 1600M)를 사용 하였다. 진공펌프의 제원은 Table 3에 나타나 있다.

3.1.2 액체 헬륨 액면 모니터( Level monitor, AMI Model 125)

극저온 용기 내부에 들어있는 액체헬륨의 액면을 최저수준 이상으로 유지하 기 위해서 액체헬륨의 액면을 측정하는 장치이다. 액체헬륨의 액면을 측정하기 위한 센서의 총길이는 787 mm 실제 측정길이가 762 mm인 액체헬륨 액면 센 서를 사용하였다. 액체헬륨의 액면은 4단자법으로 측정되며, 액면센서는 재질이 Nb-Ti인 초전도 필라멘트로 구성 되어있다. 엑체헬륨의 액면센서는 70 mA, 30 V를 흘려서 액면값이 읽혀지도록 되어있다.

Photo 1 Vacuum gauge monitor

3.1.3 진공 게이지 컨트롤러 (ALCATEL μPascal)

초전도 응용분야 연구인 극저온 실험의 경우 열전열을 위해 열전열층의 진공 도를 측정하고자 하는 장비이다. 컨트롤러의 압력범위는 1 × 10^-8 ∼1 × 10³ mbar 이고, 동작온도는 0 - 50℃ 에서 사용된다. 진공도를 측정하기 위해 게이 지는 피라니 게이지 (Pirani Gauge, ALCAEL PA101), 페닝 게이지(Penning gauge, ALCAEL FA101)를 사용하였다.

피라니 게이지의 압력범위는 1 × 10^-2∼100 mbar 이고, 페닝게이지의 압력 범위는 1 × 10^-7-1 × 10^-2 mbar 이다.

3.1.4 온도센서(Silicon Diode: LakeShore DT-470)

극저온을 측정하는 온도 센서로 Table 4는 온도센서의 특성을 전압에 따른 온도값으로 나타낸 것이다.

Table 4 Sensor data

DT-470

T(K) V(volts) dV/dT(mv/K)

1.4 1.69812 -13.1

4.2 1.62602 -33.6

10 1.42013 -28.7

20 1.2144 -17.6

30 1.10702 -2.34

50 1.07053 -1.75

77.35 1.02032 -1.92

100 0.9755 -2.04

150 0.86873 -2.19

200 0.75554 -2.31

250 0.63841 -2.37

300 0.51892 -2.4

350 0.39783 -2.44

400 0.27456 -2.49

450 0.14985 -2.46

475 0.09062 -2.22

3.1.5 온도기록계( LakeShore Model-218 temperature monitor)

극저온의 온도를 기록하기 위하여, 본 실험에서는 LakeShore사의 Model-218 을 사용하였다. 제원은 Table 5와 같다.

Table 5 Senser input performance chart

Sensor type silicondiode Temperature coefficient Volts(v)

Input range 0 ∼ 2.5V

Sensor excitation

(constant current) 10μA ± 0.01％

Display resolution

sensor units 100μV

Temperature range 1.4∼475K Interface IEE-488 interface

serial I/O or printerinterface

Photo 2 Temperature monitor and L-He level monitor

3.1.6 극저온 냉동기 (DAIKEN V204CL)

극저온 용기의 실드 온도를 일정 수준으로 낮추기 위해 DAIKEN사의 V204CL인 극저온 냉동기를 사용하였다. 극저온 냉동기의 냉동능력은 1단에서 54 W - 80 K, 2단에서 5 W - 20 K 의 냉동능력을 가진 냉동기이다.

출구쪽의 압력은 2 - 2.5 Mpa, 입구쪽의 압력은 0.5 - 1.0 Mpa 로 유지되어야 한다.

3.2 실험 방법

본 실험에서는 극저온 용기의 온도 특성과 함께 냉동기의 성능을 파악하는데 목적이 있다. 따라서, 극저온 용기의 실드 두께에 따른 온도 변화를 관찰하고 정상상태에 도달 할 때까지의 냉각 시간을 알아내어 차후 극저온 용기의 제작 에 기본적인 자료를 제공하도록 실험을 수행하였다. 실험을 수행하기위해 극저 온 용기의 진공배기 과정을 수행한후 액체헬륨을 주입하여, 극저온 용기의 실 드온도를 시간에 따라 측정 하였다. 실험 순서는 다음과 같이 실험을 진행한다.

3.2.1 진공 배기 과정

로터리 펌프를 구동시켜 진공을 약10^-2 torr 정도까지 펌핑 한 다. 진공을 약10^-2 torr 까지 배기 시킨 후 고진공을 만들기 위해 터보 펌프 로 교체하고, 보조 펌프로 루츠 펌프 와 로터리 펌프를 함께 구동 시킨다. 고진 공 펌프로 약 10^-6 torr 까지 진공 배기를 시킨 후 저온 냉매인 액체헬륨을 주 입할 준비를 한다.

Photo 3 The process of charging L-He

3.2.2 액체 헬륨 주입 및 저온 시험

초전도 마그넷을 초전도 상태로 유지하기 위해 저온 냉매인 액체헬륨을 주입 한다. 액체헬륨을 주입하는 과정이 사진 3에 나타나 있다. 비열이 작은 액체 헬 륨을 상온 상태의 극저온 용기 속에 바로 주입을 하게되면 값비싼 액체 헬륨의 소모가 많다. 따라서 예냉 과정이 필요하다.

액체 헬륨을 주입하기 전에 77 K의 액체 질소를 주입하여 헬륨조 내를 77 K 정도로 유지 시킨다. 액체 질소의 주입이 끝나는 데로 실드의 온도도 미리 낮 추기 위하여, 실드냉동기를 동작시킨다. 충분히 예냉이 되었는가를 온도 기록계 로 관찰할 때, 온도가 정상상태가 되었는가를 확인한다. 온도가 올라가려고 하

기 전에 액체 질소를 뽑아낸다. 액체질소를 뽑아낼 경우에는 불활성 가스인 질 소 가스 또는 헬륨 가스로 가압 하여 액체 질소를 뽑아낸다.

액체 헬륨을 넣기 전에 퍼징을 시행한다. 퍼징은 액체 헬륨조안에 헬륨 가 스를 주입하여 헬륨조 안에 가두어 두었다가 다시 배출시킨다. 헬륨가스를 주 입하는 과정을 3회 정도 반복하여 액체 헬륨조 안의 불순한 가스를 제거한 후 액체헬륨을 주입한다. 극저온 용기의 상온 상태에서 액체 헬륨 온도까지의 온 도 분포를 온도 기록계로 관찰한 후 정상 상태에 도달할 때까지의 시간과 온도 변화를 관찰한다. 온도 기록계에서 읽어지는 온도 데이터는 GPIB 인터페이스 를 통하여 30초 단위로 온도 데이터가 컴퓨터에 저장 되도록 하였다.

Ⅳ 실험 결과와 온도 분포 해석

4.1 실드의 냉각실험 결과

본 실험결과를 그래프에서 보듯이 실드의 두께가 2 mm일 경우와 5 mm일 경우에 대한 저온 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 극저온 용기 내 의 20 K, 80 K 실드 내에는 각각 온도 센서 6개를 부착하여 측정을 하였는데, 각각의 온도 센서 위치는 Fig. 5에 나타나 있다.

실드냉동기 의 20 K, 80 K헤드 부분에 각각 한 개를 부착하고, 20 K, 80 K 실드통의 중간 부분에 한 개 20 K, 80 K 실드통의 아래 플레이트 쪽에 각각 1 개 총 6개의 온도 센서를 부착하여 온도를 측정하였다.

20 K, 80 K실드의 두께가 5 mm인 경우에 상온에서 온도가 정상상태 까지 내려가는 시간이 약 50 시간이 지난 후에 온도 그래프가 정상상태가 되었고, 실드두께가 2 mm인 경우에는 약 27 시간이 지난 후에 온도 그래프가 정상상 태가 됨을 알 수 있다. 20 K, 80 K 실드 각각의 온도 분포가 안정화 된 상태 즉 정상상태가 되어짐을 약 20시간 정도 관찰한 후 극저온용 실드 냉동기를 정 지시킨 상태에서 온도가 상승되어지는 경향을 살펴보면, 실드 두께가 2 mm인 경우에는 80시간이 지나게 되면, 실드 내의 온도 차이가 거의 없음을 알 수 있 다. 실드 두께가 5 mm인 경우는 100시간 이상이 지나야, 실드 내의 온도 차이 가 거의 없음을 알 수 있다.

이번 요소 실험을 통하여, 정상상태에서 80 K, 20 K 실드의 온도를 Table 6 에서보면, 냉동기 헤드 부위의 온도가 각각 80 K 20 K 이하까지 떨어짐을 실 험을 통하여 얻었다.

Fig. 9 The variation of 20K shield 2 mm temperature

Fig. 10 The variation of 80K shield 2 mm temperature

Fig. 11 The variation of 20K shield 5 mm temperature

Fig. 12 The variation of 80K shield 5 mm temperature

Table 6 Comparison of shield temperature experimental

Sensor position 80 K(2 mm) 80 K(5 mm) 20 K(2 mm) 20 K(5 mm) Cryocooler

head 69 K 71 K 14 K 14 K

Shield middle 89 K 88 K 16.8 K 18 K Shield bottom 98 K 117 K 17 K 21 K

Fig. 9 - Fig. 12는 시간에 따라서 실드의 온도변화를 그래프로 그린 것이다.

결과적으로 실제 시스템에 부착하기 위한 실드 냉각용 냉동기의 냉동능력을 검 증할 수 있었다. 80 K 실드 와 20 K 실드의 시간에 따른 온도변화 그래프에서 정상상태에서의 실드 두께 2 mm인 경우와 실드 두께 5 mm인 경우를 비교해 보면 Table 6과 같다.

4.2 실드의 온도분포 해석

극저온 용기 실드의 온도분포 해석을 수행하기 위해 유한요소 해석프로그램 인 ANSYS를 사용하였다. 극저온 용기는 진공 단열 구조이므로 대류를 무시하 고 전도와 복사만을 고려하여, 비선형 정상상태 일 때 열 해석을 수행하였다.

각 실드에 대한 온도 분포 결과는 Fig. 13 - Fig. 16과 같다. 정상상태 에서 해 석 결과 와 실험 결과를 비교해 보면 냉동기의 헤드부위의 온도가 가장 낮고, 실드아래 부분이 가장 높음을 알 수 있다. 실드의 온도분포는 Fig. 13 - Fig.

16과 같다.

Fig. 13 20K shield 2 mm temperature distribution

Fig. 14 80K shield 2 mm temperature distribution

Fig. 15 20K shield 5 mm temperature distribution

Fig. 16 80K shield 5 mm temperature distribution

Table 7 Comparison of shield 2 mm temperatures

Temp. (K)

experimentation analysis

80 K shield 20 K shield 80 K shield 20 K shield Cryocooler

head 69 14 80 20

Shield

bottom 98 17 158.6 24.5

Temp.

disparity 29 3 78.6 4.5

Table 8 Comparison of shield 5 mm temperatures

Temp. (K)

experimentation analysis

80 K shield 20 K shield 80 K shield 20 K shield Cryocooler

head 71 14 80 20

Shield

bottom 117 21 233.7 28.6

Temp.

disparity 46 7 153.7 8.6

80 K, 20 K 실드의 해석과 실험 결과를 비교해 보면 Table 7, Table 8과 같 다. 위 결과를 비교해 볼 때 20 K 실드 에서는 실제 실험에서의 경계조건과, 비슷하기 때문에 온도차가 실험 값과 근사적으로 맞았으나, 80 K 실드 에서는 진공조 외측 모두를 300 K 로 경계조건을 주었기 때문에 오차가 많이 생겼다.

80 K 실드와 20 K 실드두께가 2 mm, 5 mm일 경우 온도분포는 비슷함을 알 수 있고, 위 온도 분포 결과에서 알 수 있듯이, 실드내로의 열 침을 줄이기 위하여 실드의 아랫부분을 단열재로 좀더 보강을 해야한다.

Ⅴ 결론

본 연구는 실제 초전도 시스템에 사용되는 극저온 용기를 제작하기 위해 다 음과 같은 과정을 수행 하였다.

실드의 두께가 2 mm, 5 mm인 경우에 대하여, 실드의 냉각시간과 초전도 시 스템에 사용되는 극저온 냉동기의 냉동능력에 대한 실험과 실드의 온도 분포를 해석 함으로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

1. 극저온 용기의 20 K, 80 K실드의 두께가 2 mm 인 경우 300 K 에서 실드의 온도인 20 K, 80 K 까지 도달되는 시간이 27 시간이 지난후에 정상상태가 되 었다. 20 K, 80 K실드의 두께가 5 mm인 경우에는 정상상태까지 도달하는시간 이 약 1.8배인 50 시간이 걸렸다.

2. 실드 냉각용 냉동기의 용량이 80 K 실드 부분 즉 1단에서 54 W - 20 K 2 단에서 5 W - 80 K 이다. 실험을 통해서, 냉동기헤드의 온도가 정상상태에서 각각 14 K, 70 K가 되었다. 즉, 극저온 용기의 열침입량에 맞는 냉동기의 성능 을실험을 통해 검증하였다.

3. 극저온 용기의 20 K, 80 K 실드가 정상상태 일때의 온도 분포 해석을 통해 간접적으로, 냉동기 헤드에서 멀리 떨어져 있는 실드의 아래 부분을 단열 시공 시 좀더 보완 해야함을 알 수 있다.

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Abstract

A Study on the Thermal Characteristics of Cryostat with a Cryocooler

by kim, kyung-han

Dept. of Mechanical Engineering,

Graduate School of Kookmin University, Seoul, Korea

(Directed by

prof. Chung, Tae-yong, Ph. D.)

The technique of cooling down cryogen is important to make superconducting system get to superconducting state at very low temperature, 4 K. Therefore, heat transfer analysis for the thermal shield which is a part of the cryostat is also important in the designing process of the superconducting system. This dissertation is about the heat analysis and cooling experiment of the thermal shield and their comparison results.

Two thermal shields with 2 mm and 5 mm thickness were fabricated and cooled down with the GM cryocooler. The cooling time of each shiled and the cooling capacity of the cryocooler were measured

through the experiment. The temperature distribution on the shield was obtained by the thermal analysis. The results of this study are as follows.

1. In the case of shield with 2 mm thickness, it takes 27 hours to reach its steady state temperature, 80 K from 300 K. But, the cooling time of the 5 mm shield was about 50 hours, 1.8 times of the former case.

2. The cooling capacity of the cryocooler is 54 W at 20 K in the first stage and 5 W at 80 K in the second stage and the temperature of the cryocooler's head was respectively 14 K and 70 K after the shields had reached their steady state.

It was verified that the cooling capacity of the cryocooler is enough to absorb the heat transferred from the out side of the cryocooler.

3. Through the steady state thermal analysis, it is recommended that the more super-insulation must be wound around the bottom of the shield.

감사의 글

조금은 늦은 나이에 대학원에 들어가 이제서야 부끄러운 저의 논문을 완성하게 되었습니다. 처음에는 무사히 대학원생활을 잘 해 낼수 있을까 하는 걱정이 많았으나, 2년이라는 시간이 흘러 이제는 무사히 졸업을 할 수 있게된 것이 제 주위의 많은 사람들 덕분이라 생각합니다. 제 주위의 모든 분들께 정말로 감사 드립니다.

2년 동안의 대학원 생활에서 저에게 많은 것을 도와주신 정태용 교수 님, 부끄러운 저의 논문을 성심껏 지도해 주신 김석현 교수님, 강병하 교 수님 정말로 감사드립니다. 학교에서의 생활을 많이 도와준 우리 전열방 식구들께 감사드립니다.

제가 대학원에 진학하도록 계기를 만들어 주고, 여러 가지 경험을 할수 있도록 기회를 주신 권영길 박사님, 조전욱 박사님, 배준한 박사님, 학교 에 다닐수 있도록 많은 것을 배려해 주신 진홍범 박사님, 내게 많은 얘기 를 해주고, 친구같은 심기덕씨 그외 연구소의 많은 분들께 진심으로 감사 드립니다.

제가 논문을 쓰도록 도와주신 CVE의 류충식 부장님 이홍주 차장님, 현 장에서 많은 것을 알려주신 김성래 과장님, 저에게 많은 조언을 해주신 오원균 대리님, 저를 따뜻하게 대해주신 주진득 형님, 문승식 형님께 진 심으로 감사드립니다.

함께 일하고 있는 초전도 사업부의 진홍범 박사님, 심기덕씨, 한호환 씨, 김형진씨, 최석진씨, 그외 모든분들께도 진심으로 감사드립니다.

저를 뒷바라지 하시느라 많이 늙으신 어머님 정말로 감사드립니다. 이 제 어머님께 효도하는 아들이 되도록 노력하겠습니다.

끝으로 언급은 하지 못했지만, 제 주위의 모든 분들에게 진심으로 감사드 립니다.