The purpose of this thesis is to experimentally investigate a feasibility of on-board cooling system that operates stably in the rotating system. When a cryocooler is mounted on a superconducting rotor, the following two factors should be critically considered. First, the cryocooler should not interrupt high-speed revolution of the rotor. Second, the high-speed revolution of the rotor should not deteriorate the performance of the cryocooler. These mutual requirements restrict the type of cryocooler suitable for high-speed revolution ; Stirling-type pulse tube cryocooler. The Stirling-type pulse tube cryocooler can have an axisymmetric structure. Hence, when it is mounted on the rotor, its axis of symmetry can be aligned to axis of rotation. This characteristic makes the Stirling-type pulse tube cryocooler surpass the other cryocoolers in on-board operation. Moreover, the pulse tube cryocooler has no mechanical displacer at an expansion part.
Based on adiabatic model and loss mechanism analysis, the pulse tube cryocooler which will be configured in on-board system was designed and fabricated. The fabricated pulse tube cryocooler reached about 100 K without external heat load and consumed 100 - 150 W of electrical power.
Then it was mounted on the rotor. Though the cryocooler itself was axisymmetric, the rotor had a balancing problem with the auxiliary equipments such as, vacuum valve, signal feedthrough, etc. However, with the appropriate balancing, it could achieve 1800 rpm of rotation. Therefore, it was verified that the cryocooler does not interrupt high-speed revolution of the rotor. Moreover, the high-speed revolution of the rotor does not deteriorate the performance of the cryocooler. Therfore, it is valuable to fabricate on-board cooling system with Stirling-type pulse tube refrigerator on a real scale.
Even if the performance of the pulse tube cryocooler was not satisfactory, achieving about 100 K, the feasibility of new method for cooling the superconducting rotor, the on-board cryocooler, was confirmed.
이 논문의 목적은 고온 초전도 모터의 냉각 시스템을 안정적으로 구현하기 위한 탑재형 극저온 냉동기의 축소 모델을 구현하는 것이다. 극저온 냉동기의 회전자 탑재시 고려할 사항은 다음의 두 가지이다. 첫째, 냉동기의 작동이 회전자의 고속 회전에 큰 영향을 미쳐서는 안 된다는 것과, 둘째, 고속 회전 상태에서 냉동기의 성능 저하가 크지 않아야 한다는 것이다. 본 연구에서는 축 대칭 구조를 갖는 스털링형 맥동관 냉동기를 탑재형 냉동기로 선택하여 이를 실험적으로 검증하였다. 이를 위해 130 W급의 선형 압축기를 이용하여 맥동관 냉동기를 설계, 제작하였고, 회전자 탑재형 냉동기를 구성하였다. 맥동관 냉동기의 설계에 있어서는 단열 모델 해석과 손실 해석을 이용하였고, 1800 rpm의 고속 회전에서 성능을 확인하였다. 그 결과, 냉동기의 최저 도달 온도는 100 K 부근으로, 실제 냉각 시스템과는 성능면에서 차이를 보였지만, 실제와 같은 회전 조건에서 높은 회전 안정성 및 성능 안정성을 보여주었다. 즉, 스털링형 맥동관 냉동기가 탑재형 냉동기로 매우 적합한 구조라는 것이다.
