SMES systems need cryogenic cooling systems. Conduction cooling system has more effective, compact structure than cryogen. In general, 2 stage GM cryocoolers are used for conduction cooling of HTS SMES system. 1st stages of cryocoolers are used for the cooling of current leads and radiation shields, and 2nd stages of cryocoolers for HTS coil. For the effective conduction cooling of the HTS SMES system, the temperature difference between the cryocooler and HTS coil should be minimized. In this paper, a cryogenic conduction cooling system for HTS SMES is analyzed to evaluate the performance of the cooling system. The analysis is carried out for the steady state with the heat generation of the HTS coil and effects of the thermal contact resistance. The results show the effects of the heat generation and thermal contact resistance on the temperature distribution.
A superconducting magnetic energy storage (SMES) system has shorter response time and longer life time, and is more economical, and environment-friendly than other uninterruptible power supply (UPS). A conduction cooling system is well answer for the high temperature superconductor (HTS) SMES system. Because the conduction cooling system is simple, light and small structure. The purpose of this paper is to design and verify the effective conduction cooling system for the HTS SMES system. The analysis of heat loads in cryostat is performed. Thermal shield heat loads, temperatures of HTS coil surface and conduction Cu plate are estimated and measured.
Intermediate cooling for current lead is used of thermal link in conduction cooling and cooled of itself in liquid cooling because it is put in liquid. If a existing formula for cooling load and optimal diameter-length of current lead is applied, it generate some more cooling load. Therefore, variation of thermal link height and holding depth in liquid is considered. This result is used of reducing cooling load of current lead occupying most of superconducting system load and applying liquid/conduction cooling systems.
The characteristic of the superconducting magnetic energy storage(SMES) system is faster response, longer life time, more economical, and environment friendly than other uninterruptible power supply(UPS) using battery. So, the SMES system can be used to develop methods for improving power quality where a short interruption of power could lead to a long and costly shutdown. Recently, cryogen free SMES has developed using BSCCO(Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide) wire. We fabricated and tested the conduction cooling system for the 600 kJ class HTS SMES. The experiment was accomplished for the simulation coils. The simulation coils were made of aluminium, it is equivalent to thermal mass of 600 kJ HTS SMES coil. The coil is cooled with two GM coolers through the copper conduction bar. In this paper, we report that the test results of cool-down and heat loads characteristics of the simulation coils. The developed conduction cooling system adapted to 600 kJ HTS SMES system and cope with the unexpected sudden heat impact, too.
Chae, Yoon Seok;Kim, Ji Hyung;Quach, Huu Luong;Lee, Sung Hoon;Kim, Ho Min
한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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제23권4호
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pp.61-69
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2021
This paper presents the analysis and experiment results on the electrical and thermal characteristics of metal insulation (MI) REBCO racetrack coil, which was wound with stainless steel (SS) tape between turn-to-turn layers, under rotating magnetic field and conduction cooling system. Although the field windings of superconducting rotating machine are designed to operate on a direct current, they may be subjected to external magnetic field due to the unsynchronized armature windings during electrical or mechanical load fluctuations. The field windings show the voltage and magnetic field fluctuations and the critical current reduction when they are exposed to an external magnetic field. Moreover, the cryogenic cooling conditions are also identified as the factors that affect the electrical and thermal characteristics of the HTS coil because the characteristic resistance changes according to the cryogenic cooling conditions. Therefore, it is necessary to investigate the effect of external magnetic field on the electrical and thermal characteristics of MI-SS racetrack coil for further development reliable HTS field windings of superconducting rotating machine. First, the major components of the experiment test (i.e., HTS racetrack coil construction, armature winding of 75 kW class induction motor, and conduction cooling system) were fabricated and assembled. Then, the MI racetrack coil was performed under liquid nitrogen bath and conduction cooling conditions to estimate the key parameters (i.e., critical current, time constant, and characteristic resistance) for the test coil in the steady state operation. Further, the test coil was charged to the target value under conduction cooling of 35 K then exposed to the rotating magnetic field, which was generated by three phrase armature windings of 75 kW class induction motor, to investigate the electrical and thermal characteristics during the transient state.
In, Sehwan;Hong, Yong-Ju;Yeom, Hankil;Ko, Junseok;Kim, Hyobong;Park, Seong-Je
한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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제18권1호
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pp.59-63
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2016
The superconducting NMR magnets have used cryogen such as liquid helium for their cooling. The conduction cooling method using cryocoolers, however, makes the cryogenic cooling system for NMR magnets more compact and user-friendly than the cryogen cooling method. This paper describes the thermal and structural analysis of a cryogenic conduction cooling system for a 400 MHz HTS NMR magnet, focusing on the magnet assembly. The highly thermo-conductive cooling plates between HTS double pancake coils are used to transfer the heat generated in coils, namely Joule heating at lap splice joints, to thermal link blocks and finally the cryocooler. The conduction cooling structure of the HTS magnet assembly preliminarily designed is verified by thermal and structural analysis. The orthotropic thermal properties of the HTS coil, thermal contact resistance and radiation heat load are considered in the thermal analysis. The thermal analysis confirms the uniform temperature distribution for the present thermal design of the NMR magnet within 0.2 K. The mechanical stress and the displacement by the electromagnetic force and the thermal contraction are checked to verify structural stability. The structural analysis indicates that the mechanical stress on each component of the magnet is less than its material yield strength and the displacement is acceptable in comparison with the magnet dimension.
In order to cool the SMES coil to the operating temperature, conduction cooling is generally used. However, it often consumes a large amount of electric power because of it's continuous cryocooler operation. This can also lead to poor thermal stability and serious protection problems of the system. Solid nitrogen (SN2) can counter those disadvantages in the conduction cooling system because it has a large heat capacity. Particularly, a large amount of enthalpy with a minimal weight to the cold body of SN2 makes a compact and portable system by increase a recooling to recooling time period (RRTP) value. A conceptual design of the proto-type SN2 cooling system for a portable HTS superconducting magnetic energy storage (SMES) system will be introduced in this paper.
이 논문에서는 대 전류, 고온 초전도 직류 리액터를 위한 전도 냉각 시스템의 구조 설계에 대해 논의하고자 한다. 초전도 자석, 보 빈, 전류 리드, 고정용 구조물 그리고 열 교환기가 포함된 전도 냉각 시스템 부품의 크기를 3D CAD 프로그램을 사용하여 계산하였다. 또한, 최적의 설계 변수를 결정하고 열적-기계적 특성을 분석하기 위해서 유한 요소법 모델을 제작하였다. 리액터 자석의 운전 전류와 인덕턴스는 각각 1,500 A 400 mH이며, 이에 따른 극저온 냉동기의 냉각 용량을 결정하기 위해 초전도 직류 리액터에서 발생하는 열 부하를 계산하였다. 또한, 대 전류가 흐르는 1 단부전도 냉각 시스템의 작동 테스트를 수행하였다. 구리 바는 40 K까지 냉각되었고 초전도 리드는 안정적으로 작동했다. 실험 결과로써, 1 단부 영역의 총 열 부하는 190 W였다. 본 연구 결과는 상용 초전도 직류 리액터의 설계 및 제조에 있어 효과적으로 활용 될 것이다.
A conduction-cooled superconducting magnet system is developed for material separation. The superconducting magnet for material separation has to be designed to have a strong magnetic field in a control volume. Since the magnetic field gradient is larger at the end rather than at the center of the magnet, we developed a design method to optimize the superconducting magnet for material separation. The safety of the superconducting magnet is evaluated, taking into account the electro-magnetic field, heat and structure. The superconducting coil is successfully wound by the wet-winding method. The superconducting coil is installed in a cryostat maintaining high vacuum, and cooled down to approximately 4 K by a two-stage GM cryocooler. The performance of the conduction-cooled superconducting magnet system is discussed with respect to the supplied current, cooling medium and cooling power of a cryocooler.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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