• 한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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• 제17권3호
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• pp.41-46
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• 2015

Recently, the development of the HTS power cable is actively promoted. As the length of HTS power cable increases, there have been many efforts to develop large capacity cryocooler. Among the various cryocooler, the Brayton refrigerator is the most competitive for HTS power cable. The Brayton refrigerator is composed of recuperative heat exchangers, a compressor, and a cryogenic turbo expander. In these components, the cryogenic turbo expander is a part to decrease the temperature and it is the most significant component that is closely related with overall system efficiency. It rotates with high speed using a high-pressure helium or neon gas at cryogenic temperature. This paper describes the design of a 10 kW class Brayton refrigeration cycle and the cryogenic turbo expander. Flow and structural analysis are performed for the rotating impeller and nozzle to verify the efficiency and the design performance.

• 전기전자학회논문지
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• 제28권2호
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• pp.174-179
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• 2024

본 논문에서는 극저온 냉동기를 사용하여 양자 컴퓨터 제어 및 read-out을 위한 CMOS 기반의 집적회로 측정 셋업을 제시한다. CMOS 회로는 큐비트 안정성과 잡음 감소를 위해 3~5 K의 극저온에서 작동해야한다. 기존의 극저온 측정 시스템은 액체 헬륨 담금질이며, 이는 소모성 자원을 장기간 사용하기에 비용이 많이 소모된다. 따라서 헬륨 가스를 장기간 사용해도 비용이 들지 않는 폐쇄 사이클 냉동기(Closed Cycle Refrigerator, CCR) 기반의 극저온 측정 시스템에 대해 설명한다. Gifford-Mcmahon(G-M) 방식의 극저온 냉각기를 이용하여 4.7 K에 도달할 수 있는 냉동기를 구축하였다. 이는 가격 경쟁력이 우수한 극저온 냉동기 셋업이 될 것으로 기대된다.

• 한국진공학회지
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• 제16권2호
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• pp.153-159
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• 2007

KSTAR 장치의 저온 component에 헬륨을 공급하기 위한 헬륨라인은 크게 두 가지로 이루어져 있다. 냉동기에서 KSTAR 저온용기 외부까지의 트랜스퍼 라인과, 저온용기 내부의 헬륨라인이다. KSTAR 장치는 3가지 종류의 헬륨을 사용하여 각 저온 component를 냉각하는데, 초전도 자석 시스템과 버스라인에는 초임계 헬륨, 전류인입장치에는 액체 헬륨, 열차폐체에는 가스 헬륨을 공급한다. 저온용기 내부의 헬륨라인은 냉동기에서 저온용기 근처까지 연결된 배관을 저온용기 내부의 각 장치에 최단거리로 열손실 없이 설치하여 각 장치가 정상 작동하도록 하는데 그 목적이 있다. 저온용기 내부의 헬륨라인은 최대 20bar로 가압되는 운전시간 동안에 헬륨누설 없이 설치되어야 한다. 그리고 상온으로 부터의 복사열을 차단하기 위하여 다층절연제로 배관을 감싸주어야 하고 고전압 부분은 프리프레그 테잎으로 절연되어야 한다. 전기절연체는 세라믹과 스테인레스 스틸 튜브를 브레이징 접합 방법으로 연결하여 만들어진 것으론 배관과 배관, 배관과 저온 component간의 절연을 위해 사용되고, 헬륨라인과 동일하게 4.5K 초임계 헬륨온도에서 누설이 없어야 한다. 따라서 모든 전기절연체는 액체질소에 침전시켜 열충격을 가하고, 내부에 30 bar를 가압하여 진공 누설시험을 한다. 그리고 초전도 자석과 배관의 절연체로 사용되므로 15kV 고전압 절연 검사를 한다. 전기절연체의 세라믹 부분은 구조적 보강을 위하여 추가적으로 표면에 절연 작업을 한다. 현재 대부분의 저온용기 내부의 헬륨 라인은 설치 완료되어 있으며, 최종 검사가 진행 중이다.

• 한국항공우주학회지
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• 제43권12호
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• pp.1108-1115
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• 2015

본 연구에서는 마우스피스 방법을 이용하여 산소의 질량유량 측정과 헬륨의 체적유량 측정에 대한 관계식을 정리하였다. 마우스피스 방법은 상사된 실험식을 이용함으로써 시험비용을 절감할 수 있다. 마우스피스 방법에서는 기체헬륨을 측정하여 용이하게 액체산소의 누설량을 측정할 수 있다. 시제품의 누설량 측정에서 상온과 극저온 상태의 헬륨과 산소간의 누설량 관계를 이해하기 위해 실험을 수행하여 비교하였다. 헬륨의 누설 체적유량[$A.m{\ell}/s$]은 액체상태의 산소 누설의 질량유량[g/s]에 대비하여 174배였다. 실험식과 비교된 계산식은 미국 국립기술표준원의 자료를 이용하여 증명하였다.

• 한국추진공학회지
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• 제12권4호
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• pp.33-41
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• 2008

외부로부터 일정한 열유속을 받으면서 발사대기 중인 액체추진 로켓의 극저온 산화제 탱크 내 열적거동에 대하여 열역학 방정식과 열 및 물질 전달 관계식을 이용하여 수치적으로 해석하였다. 발사대기 단계는 헬륨가스에 의한 가압과정을 포함하여 이상적인 다섯 단계로 구성된다고 하였다. 얼리지 기체영역의 해석에는 Peng-Robinson 상태방정식을 사용하였고, 액체 영역은 열적 성층화를 고려할 수 있도록 균일한 성질을 갖는 여러 개의 수평층으로 나누어 해석하였다. 전형적인 경우에 대한 계산 결과에 의하면 액체산화제의 온도상승은 1K 미만이고 액체에 녹아드는 헬륨의 양은 10g 정도였다.

• 한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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• 제26권1호
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• pp.25-30
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• 2024

High-temperature superconducting rotors offer advantages in terms of output-to-weight ratio and efficiency compared to conventional phase conduction motors or generators. The rotor can be cooled by conduction cooling, which attaches a cryocooler, and by refrigerant circulation, which uses circulating liquid or gas neon, helium and hydrogen. Recent work has focused on environmental issues and on high-temperature superconducting motors cooled with liquid hydrogen that can be combined with fuel cells. However, to ensure smooth supply and return of the cryogenic cooling fluid, a cryogenic rotational coupling between the rotating and stationary parts is necessary. Additionally, the development of a sealing structure to minimize fluid leakage applicable to the coupling is essential. This study describes the design and performance evaluation of a non-contact sealing method, specifically a labyrinth seal, which avoids power loss and heat load caused by friction in contact sealing structures. The seal design incorporates a spiral flow path to reduce leakage using centrifugal force, and computational fluid dynamics (CFD) simulations were conducted to analyze the flow path and rotational speed. A performance evaluation device was configured and employed to evaluate the designed seal. The results of this study will be used to develop a cryogenic rotational coupling with supply and return flow paths for cryogenic applications.

• 한국추진공학회:학술대회논문집
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• 한국추진공학회 2003년도 제21회 추계학술대회 논문집
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• pp.238-241
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• 2003

터보펌프식 기체 공급계의 액체산소 탱크는 저압이 유지됨에 따라 탱크 내에서 추진제의 기화가 활발히 이루어지게 되며, 이러한 경향은 가압 기체의 온도가 높아짐에 따라 커지게 된다. 가압헬륨의 충진량을 결정하기 위해서는 이에 대한 정밀한 해석이 필요하다. 본 연구에서는 탱크내의 유동현상을 이상유동(two phase flow) 형태로 모델링 하여 탱크 내에서의 액체산소의 증발현상에 대하여 고찰하고 가압기체 온도 및 표면 열전달 계수에 따른 필요 헬륨 가스량을 예측한다.

• 한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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• 제15권4호
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• pp.6-9
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• 2013

Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) has a helium refrigeration system (HRS) with the cooling capacity of 9 kW at 4.5 K. Main cold components are composed of 300 tons of superconducting (SC) magnets, main cryostat thermal shields, and SC current feeder system. The HRS comprises six gas storage tanks, a liquid nitrogen tank, the room temperature compression sector, the cold box (C/B), the 1st stage helium distribution box (DB#1), the PLC base local control system interconnected to central control tower and so on. Between HRS and cold components, there's another distribution box (DB#2) nearby the KSTAR device. The entire KSTAR device was constructed in 2007 and has been operated since 2008. This paper will present the maintenance result of the KSTAR HRS during the campaign and discuss the operation record and maintenance history of the KSTAR HRS.

• 한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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• 제25권3호
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• pp.49-55
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• 2023

This paper presents the design of a re-liquefaction system as a BOG (boil-off gas) handling process in liquid hydrogen transport vessels. The total capacity of the re-liquefaction system was assumed to be 3 ton/day, with a BOR (boil-off rate) of 0.2 %/day inside the cargo. The re-liquefaction cycle was devised using the He-Brayton Cycle, incorporating considerations of BOG capacity and operational stability. The primary components of the system, such as compressors, expanders, and heat exchangers, were selected to meet domestically available specifications. Case studies were conducted based on the specifications of the components to determine the optimal design parameters for the re-liquefaction system. This encompassed variables such as helium mass flow rate, the number of compressors, compressor inlet pressure and compression ratio, as well as the quantity and composition of expanders. Additionally, an analysis of exergy destruction and exergy efficiency was carried out for the components within the system. Remarkably, while previous design studies of BOG re-liquefaction systems for liquid hydrogen vessels were confined to theoretical and analytical realms, this research distinguishes itself by accounting for practical implementation through equipment and system design.

• KEPCO Journal on Electric Power and Energy
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• 제2권2호
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• pp.299-305
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• 2016

초전도 전력 케이블의 상용화 노력에 따라 점차 장선화 되면서, 단위 냉각 시스템당 냉각용량이 큰 대용량 냉동기의 필요성이 증가하고 있다. 국내에서는 극저온 냉동기에 대한 기술 부족으로 인해 현재 극저온 냉동기는 해외 선진사로부터 고가의 비용으로 수입되고 있다. 초전도 전력 케이블의 상용화를 위해서는 대용량 브레이튼 냉동기의 국내 개발이 시급하다. 대용량 브레이튼 냉동기의 구성은 복열식 열교환기, 압축기, 극저온 터보 팽창기로 구성되어 있으며, 냉동기 효율과 가장 직접적인 연관이 있는 것은 극저온 터보 팽창기이다. 극저온 터보 팽창기는 극저온에서 고속으로 회전하면서 고압의 헬륨 혹은 네온 가스를 팽창시켜 온도를 낮추는 역할을 한다. 본 논문에서는 역브레이튼 냉동 사이클을 설계하고, 이에 적합한 극저온 터보 팽창기를 설계하였다.