A Protomodel Space Infrared Cryogenic System (PSICS) cooled by a stirling cryocooler was designed. The PSICS has an IR sensor inside a cold box which is cooled by a stilting cryocooler with refrigeration capacity of 500mw at 80K in a vacuum vessel. It is important to minimize heat load for reducing background thermal noise. In order to design the cryogenic system of low heat load and to reduce heat load, we did several numerical analyses and tested using boil-off calorimetry with liquid nitrogen to measure the heat leak of the system. In this paper, we present the results obtained by thermal analysis and heat load measurement for designing the PSICS.
It is widely acknowledged that the value of critical current in High Temperature Superconducting (HTS) tape has a great influence on B. Therefore, when HTS cable is designed, a method to reduce the B should be considered in order to improve the capacity. This paper deals with the influence of the space between each HTS tape by using 2D analytical method. From the analysis results, it is found that the decrease of the space causes the decrease of B. Moreover, another HTS cable, which has a very small space, is analyzed by 3D analytical method and it is manufactured. The validity of these analysis results are verified by comparison with experimental results.
A rotating cryogenic system was designed similar to the cooling system for the rotor of a superconducting generator. The experimental rotor has an inner vessel which simulates the winding space of an actual superconducting rotor, and a torque tube of comparable design. This paper describes the evaluation of the total heat leak into the inner vessel that leads to the study of the jheat transfer characteristic of the rotating cryogenic system.
We designed a large bore superconducting solenoid as a source of magnetic field inside liquid-nitrogen-jacketed liquid helium dewar. The diameter of the sample space in the dewar is about 10.0 cm. Considering the space for thermal insulation between liquid helium and the sample tube, the solenoid bobbin has been designed to be 12.0 cm and the most inner layer of the solenoid 13.0 cm. The desired uniformity of the field, which is ~ $\pm$0.1% of the central field amplitude deviation within ~5.0$^2$$\times$3.6 ㎤ with the shortest dimension along the solenoidal axis, restricted the length of the solenoid to be at least 41.14 cm.
The split-type free displacer Stirling refrigerators have been widely used for the cooling of infrared sensors and HTS filters. The thermodynamic and electric performance of the Stirling refrigerator is depending on the design and operating parameters. In the Stirling refrigerator with a free displacer, the refrigeration power is a function of the pressure wave in the expansion space, dynamics of a displacer, driving frequency, and etc.. In this study, the analysis of the small Stirling refrigerator was performed to investigate the effects of design parameters on the cooling capacity. The results show the effects of charging pressure, driving frequency, cold end temperature, natural frequency of a displacer and volume of expansion space on the performance of the Stirling refrigerator.
In this paper, a hybrid method is proposed to design an air-core superconducting solenoid system for 6 T axial uniform magnetic field using Niobium Titanium (NbTi) superconducting wire. In order to minimize the volume of conductor, the hybrid optimization method including a linear programming and a nonlinear programming was adopted. The feasible space of solenoid is divided by several grids and the magnetic field at target point is approximated by the sum of magnetic field generated by an ideal current loop at the center of each grid. Using the linear programming, a global optimal current distribution in the feasible space can be indicated by non-zero current grids. Furthermore the clusters of the non-zero current grids also give the information of probable solenoids in the feasible space, such as the number, the shape, and so on. Applying these probable solenoids as the initial model, the final practical configuration of solenoids with integer layers can be obtained by the nonlinear programming. The design result illustrates the efficiency and the flexibility of the hybrid method. And this method can also be used for the magnet design which is required the high homogeneity within several ppm (parts per million).
Water issue, especially water pollution, is a serious issue of 21st century. Being an significant technique for securing water resources, superconducting magnetic separation wastewater system was indispensable. A large bore conduction-cooled magnet was custom-tailored for wastewater treatment. The superconducting magnet has been designed, fabricated and tested. The superconducting magnet was composed of NbTi solenoid coils with an effective horizontal warm bore of 400 mm and a maximum central field of 2.56T. The superconducting magnet system was cooled by a two-stage 1.5W 4K GM cryocooler. The NbTi solenoid coils were wound around an aluminum former that is thermally connected to the second stage cold head of the cryocooler through a conductive copper link. The temperature distribution along the conductive link was measured during the cool-down process as well as at steady state. The magnet was cooled down to 4.8K in approximately 65 hours. The test of the magnetic field and quench analysis has been performed to verify the safe operation for the magnet system. Experimental results show that the superconducting magnet reached the designed magnetic performance.
Kim, Youngcheol;Seo, Mansu;Yoo, Donggyu;Jeong, Sangkwon
한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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제16권4호
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pp.71-77
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2014
For a long-term space mission, filling process of cryogenic liquid propellant is operated on a space vehicle in space. A vent process during transfer and filling of cryogenic propellant is needed to maintain the fuel tank pressure at a safe level due to its volatile characteristic. It is possible that both liquid and vapor phases of the cryogenic propellant are released simultaneously to outer space when the vent process occurs under low gravity environment. As a result, the existing filling process with venting not only accompanies wasting liquid propellant, but also consumes extra fuel to compensate for the unexpected momentum originated from the vent process. No-Vent Fill (NVF) method, a filling procedure without a venting process of cryogenic liquid propellant, is an attractive technology to perform a long-term space mission. In this paper, the preliminary experimental results of the NVF process are described. The experimental set-up consists of a 9-liter cryogenic liquid receiver tank and a supply tank. Liquid nitrogen ($LN_2$) is used to simulate the behavior of cryogenic propellant. The whole situation in the receiver tank during NVF is monitored. The major experimental parameter in the experiment is the mass flow rate of the liquid nitrogen. The experimental results demonstrate that as the mass flow rate is increased, NVF process is conducted successfully. The quality and the inlet temperature of the injected $LN_2$ are affected by the mass flow rate. These parameters determine success of NVF.
An integral crank driven Stirling cryocooler is solidly based on concepts of direct IR detector mounting on the cryocooler's cold finger, and the integral construction of the cryocooler and Dewar envelope. Performance factors of the cryocooler depend on operating conditions of the cryocooler such as a cyclic mean pressure of the working fluid, a rotational speed of driving mechanism, a thermal environment, a targeted operation temperature and etc.. At given charging condition of helium gas, the cyclic mean pressure of helium gas in the cryocooler changes with temperatures of the cold end and the environment. In this study, effects of the cyclic mean pressure of helium gas on performances of the Stirling cryocooler were investigated by numerical analyses using the Sage software. The simulation model takes into account thermodynamic losses due to an inefficiency of regenerator, a pressure drop, a shuttle heat transfer and solid conductions. Simulations are performed for the performance variation according to the cyclic mean pressure induced by the temperature of the cold end and the environment. This paper presents P-V works in the compression and expansion space, cooling capacity, contribution of losses in the expansion space.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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