KR100465023B1 - 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 극저온 냉매로 직접 냉각시키는 방식에 비하여 매우 간단한 구조가 가능하며 극저온 냉매의 누설을 획기적으로 감소시킬 수 있으며 고 신뢰도를 가진 초전도 계자코일을 냉각할 수 있는 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템을 제공하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템은, 외부전원에 의하여 강한 자장을 발생시키기 위한 초전도 계자코일과, 상기 계자코일을 지지하면서 그 내부가 중공(中空)의 밀폐공간으로 이루어진 계자코일 지지부를 포함하는 초전도 회전자와; 상기 계자코일을 냉각하기 위해 상기 계자코일 지지부의 중공에 삽입된 전도냉각봉과; 상기 전도냉각봉을 냉각하는 냉각수단과; 상기 전도냉각봉 내부를 통하여 상기 계자코일 지지부의 중공에 냉매를 공급하기 위한 냉매공급관을 포함하여 구성된다.

Description

내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템 {Internal Condensation Type Cooling System for High Temperature Superconducting Rotor}

본 발명은 초전도 회전자 냉각방식에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정지해 있는 전도형 냉각봉을 회전자 내부로 직접 삽입하고, 회전자의 내부에는 운전온도(30K) 부근에서 극저온 냉매의 상변화를 일으키는 물질을 주입하여 회전자의 내부를 고르게 냉각시키는 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적으로 구리선 대신에 초전도선을 사용하여 계자코일을 구성한 회전기를 초전도 회전기라 하며, 도 1은 종래의 냉각 시스템 내장형 냉매급배형 초전도 회전자의 구성을 도시하였다.

종래의 초전도 회전자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 높은 자장을 발생시키기 위해 초전도선으로 권선된 초전도 계자코일(10)과; 상기 계자코일(10)을 지지하기 위한 계자코일지지부(11); 상기 계자코일지지부(11)와 연결되어 상기 계자코일(10)에서 외부로 회전력을 전달하기 위한 토크 튜브(Torque Tube)(12); 적어도 상기 계자코일(10)을 포함한 상기 계자코일지지부(11)를 둘러싸고 있는 회전자 내통(13); 상기 회전자 내통(13)을 둘러싸고 있는 회전자 외통(14); 상기 회전자 내통(13)과 상기 회전자 외통(14) 사이에 설치된 열차폐판(15); 상기 계자코일(10)을 냉각하여 초전도화 하기 위해 저온의 냉매를 상기 회전자 내통(13)으로 공급하고 고온의 냉매 가스를 회수하기 위한 냉매 공급/회수 장치(20)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 상기 회전자 외통(14)과 상기 회전자 내통(13) 사이는 외부와의 단열을 위하여 고진공층(18)으로 형성되어 있다.

상기 냉매 공급/회수 장치(20)는 상기 계자코일(10)을 냉각시켜 초전도 상태로 유지하기 위하여 설치된 것으로서, 상기 회전자 내통(13)에 연결되어 냉매를 상기 회전자 내통(13)의 내부로 공급하기 위한 내측관(냉매가스 공급관)(21)과, 상기 내측관(21)의 외측에 동심원상으로 설치되어 상기 회전자 내통(13)으로부터 고온의 냉매가스를 배출하기 위한 외측관(가스배출관)(22)으로 구성된 2중관을 포함하여 구성된다.

또, 상기 냉매 공급/회수 장치(20)에는 상기 비회전부인 냉매 공급/회수 장치(20)를 상기 회전자의 내통(13)과 외통(14)이 구비된 회전부측에 연결 설치할 때, 회전부측의 고진공층(18)과 비회전부측의 진공층(28)이 계속하여 진공상태를 유지할 수 있도록 하기 위하여, 자성유체실링(Ferro-fluid Magnetic Sealing)장치(30)가 설치되어 있다.

도 1의 종래 초전도 회전자에서 상기 계자코일(10)의 초전도화를 위한 냉각 메카니즘은, 저장탱크(25)에 저장된 극저온 냉매(23)(액체네온 27Kelvin,-250℃, 액체수소 20Kelvin, -253℃ 등 주로 고온초전도선재 계자코일의 냉각온도인 20∼30 Kelvin이 비등점인 냉매)가 냉매공급관(26)과 자성유체실링장치(30) 및 내측관(21)을 통하여 상기 회전자 내통(13)의 내부로 공급되고, 이 극저온의 액체 냉매에 의해 상기 초전도 계자코일(10)이 냉각되어 초전도 상태가 된다. 또한, 상기계자코일(10)을 냉각시키면서 기화된 냉매는 상기 외측관(22)과 자성유체실링장치(30) 및 냉매회수관(27)을 통하여 극저온 냉동기의 냉각단(24)으로 회수되어 냉각단(24)에 의하여 응축되고, 이 응축된 극저온 냉매는 상기 저장탱크(25)에 저장되었다가 다시 초전도 계자코일의 냉매로 사용되게 된다.

상기 배출되는 기화 냉매에 의해 상기 회전자내통(13)과 상기 열차폐판(15) 및 상기 토크 튜브(12) 등이 냉각된다.

도 1의 작용을 간단히 설명하면, 먼저 극저온 냉매를 내측관(21)을 통해서 회전자내통(13)에 연속적으로 공급하여 상기 계자코일(10)을 초전도화 시키고, 냉매로부터 증발한 기화 냉매를 외측관(22)을 통해 배출한다. 이와 동시에, 외부의 전원으로부터 상기 계자코일(10)이 여자되어 강자장을 발생시키고, 상기 계자코일(10)에 의하여 발생된 강자장에 의해 토크튜브(12)가 회전하게 되고 상기 회전자계에 의하여 상기 회전자 외통과 일정 간극을 유지하고서 감겨져 있는 전기자에서 전류가 발생되도록 하거나(발전기), 또는 역으로 상기 전기자에 전류를 인가하여 상기 토크튜브(12)에 회전력을 발생시키도록 한다(전동기).

이상 설명된 종래의 초전도 회전자를 사용한 초전도 발전기 및 모터는, 기존의 상전도 발전기 및 모터에 비해 손실을 50% 이상 줄일 수 있고, 계자코일에 대용량의 전류를 통전할 수 있기 때문에 동일 크기에서 용량을 2배 이상 키우거나 동일 용량에서 크기를 절반으로 줄일 수 있어 대용량화 및/또는 소형화가 가능한 등의 장점을 가지고 있다. 최근에 사용 온도가 높은 산화물계의 초전도선의 성능이 급격히 향상되면서 중소 용량 발전기 및 산업용 모터가 급격히 개발되어 보급될 것으로전망되고 있다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 초전도 회전자는, 계자코일(10)의 초전도화를 위하여 복잡한 다중 원통 구조를 가진 냉매 공급/회수 장치(20)가 필요하고, 냉매의 공급/회수/재응축의 과정에서 극저온 유로가 매우 길게 되어 단열구조가 불가피하게 길게 되어 냉각효율이 급격하게 떨어지게 된다. 또한 회전부와 비회전부의 진공 상태를 유지하기 위하여 자성유체실링장치 등이 필수적으로 필요하기 때문에, 상기 냉매 공급/회수 장치(20)의 다중관(22)의 각 원통의 온도차이에 의한 열수축량의 차이로 인하여 회전시에 진동을 야기시킬 수 있고, 고진공을 유지하면서 회전부와 비회전부를 연결하는 부위에서 장시간 운전시 신뢰성에 문제가 발생할 수 있는 단점이 있다.

즉, 지금까지의 고온초전도 전동기의 계자코일 냉각방식은 고온초전도 계자코일을 운전온도(30 K)이하로 유지하기 위해 고온초전도 회전자 외부로부터의 열 침입에 의한 냉동부하를 회전하는 고온초전도 회전자의 축과 정지하고 있는 냉동기 사이를 자성유체 실링을 이용하여 커플링하고 회전하는 회전자의 축에 냉매 공급관을 설치하여 액체헬륨을 이용하여 초전도 계자코일을 냉각하는 방식이다. 따라서, 복잡한 냉배 급배장치인 자성유체 실링과 같은 구조에서는 외부의 상온부와 내부의 저온부에는 극심한 온도차이로 열적, 기계적 문제의 발생이 우려되어 고온초전도 회전기 운전의 신뢰도가 위협받게 된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기존의 극저온 냉매로 직접 냉각시키는 방식에 비하여 매우 간단한 구조가 가능하며 극저온 냉매의 누설을 획기적으로 감소시킬 수 있으며 고 신뢰도를 가진 초전도 계자코일을 냉각할 수 있는 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템과 이를 이용한 초전도 발전기 및 전동기를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템은, 외부전원에 의하여 강한 자장을 발생시키기 위한 초전도 계자코일과, 상기 계자코일을 지지하면서 그 내부가 중공(中空)의 밀폐공간으로 이루어진 계자코일 지지부를 포함하는 초전도 회전자와; 상기 계자코일을 냉각하기 위해 상기 계자코일 지지부의 중공에 삽입된 전도냉각봉과; 상기 전도냉각봉을 냉각하는 냉각수단과; 상기 전도냉각봉 내부를 통하여 상기 계자코일 지지부의 중공에 냉매를 공급하기 위한 냉매공급관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 계자코일은 상기 계자코일 지지부의 수직방향 외측에 설치되어 있고, 상기 전도냉각봉은 상기 계자코일 지지부의 내부 중공에 수평방향으로 삽입결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 전도냉각형 고온초전도 회전자 냉각시스템은, 적어도 상기 계자코일을 포함한 상기 계자코일지지부를 둘러싸고 있는 회전자 내통과, 상기 회전자 내통을 둘러싸고 있는 회전자 외통 및, 상기 회전자 내통과 상기 회전자 외통 사이에 설치된 열차폐판을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 계자코일 지지부의 상기 전도냉각봉이 결합된 반대측은 상기 계자코일에서 외부로 회전력을 전달하거나 또는 외부로부터 회전력을 전달받기 위한 토크 튜브가 결합되어 있고, 상기 전도냉각봉의 상기 계자코일지지부와 결합된 부분의 반대측은 기밀이 유지되면서 회전이 가능한 메커니컬 실링(Mechanical sealing)장치 또는 자성유체 실링(Ferrofluid sealing)에 의하여 상기 냉각수단에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각수단은 상기 전도냉각봉의 일단에 연결되어 상기 전도냉각봉을 냉각하기 위한 극저온 냉동기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 전도냉각봉은 무산소(無酸素) 동(Cu)으로 이루어지고, 상기 냉매는 네온으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고온초전도 회전자 냉각시스템내장형 초전도 발전기는, 상기에서 규정된 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템과, 상기 초전도 회전자의 외주에 상기 초전도 회전자와 일정 간격을 유지하고 설치된 전기자를 포함하여 구성되고, 상기 초전도 회전자의 계자코일에 발생된 회전자계에 의하여 상기 초전도 회전자가 회전함에 따라 상기 전기자에 전류가 유기되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온초전도 회전자 냉각시스템내장형 초전도 전동기는, 상기에서 규정한 내부응축형 고온초전도 회전자 냉각시스템과, 상기 초전도 회전자의 외주에 상기 초전도 회전자와 일정 간격을 유지하고 설치된 전기자를 포함하여 구성되고, 상기 전기자에 전류를 인가하여 상기 초전도 회전자의 계자코일에 발생된 회전자계에 의하여 상기 초전도 회전자가 회전함에 따라 이 회전력을 외부로 전달하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 고온초전도 계자코일을 냉각하기 위해 기존의 방식인 냉매유동에 의한 방식을 대체하여 냉동기의 콜드헤드로서 전도냉각봉을 고온초전도 회전자 내부에 삽입하고 회전자 내부에 상변화 냉매로서 네온을공급해서 회전자 내부에서 상변화를 통한 큰 잠열을 이용하여 고온초전도 계자코일을 직접 냉각하게 된다.

도 1은 종래의 초전도 회전자의 종단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템의 요부 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템의 전체구성을 도시한 도면이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

101 : 전도 냉각봉 102 : 고온초전도 계자코일

103 : 회전자 외통 104 : 열 차폐판

105 : 회전자 내통 106 : 토오크 튜브

107 : 진공부 108 : 냉매 공급관

109 : 극저온 냉동기 110 : 메카니컬 실링 또는 자성유체 실링

113 : 계자코일지지부

이하, 본 발명의 실시예에 따른 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템 및 이를 이용한 초전도 발전기 및 전동기에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템의 요부 구성도이다.

동 도면에 도시한 바와 같이, 초전도선을 사용하여 높은 자장을 발생시키는 초전도 계자코일(102)이 계자코일지지부(113)의 수직방향의 외주에 설치되어 있다.상기 초전도 계자코일(102)은 산화물계의 초전도선으로 구성함이 바람직하다. 상기 계자코일(102)을 냉각하기 위해 계자코일지지부(113)의 내측의 밀폐된 중공(中空)에는 수평방향으로 전도냉각봉(101)이 삽입되어 있다. 여기서 전도냉각봉은 열전도율이 높은 무산소(無酸素)동(銅)으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 전도냉각봉(101)의 내부에는 냉매공급관(108)이 매설되어 있고, 이 냉매공급관(108)을 통하여 상기 계자코일지지부(113)의 내측의 밀폐된 중공(中空)에 냉매로서 예를 들면 네온이 공급된다. 상기 계자코일지지부(113)의 내측의 밀폐된 중공(中空)에 냉매를 냉매공급관(108)을 통하여 일단 공급한 상태에서는 상기 냉매공급관(108)을 막아두고, 필요할 경우 냉매를 추가로 공급하는 것이 바람직하다.

상기 계자코일지지부(113)의 일측단에는 상기 계자코일(102)의 강자계에 의하여 발생되는 회전력을 외부로 전달하기 위한 토크 튜브(Torque Tube)(106)가 일체로 설치되어 있고, 상기 계자코일지지부(113)의 외측에는 적어도 상기 계자코일(102)을 포함한 상기 계자코일지지부(113)를 둘러싸도록 회전자 내통(105)이 설치되어 있으며, 상기 회전자 내통(105)의 외측에는 이 회전자 내통(105)과 토크튜브(106)를 둘러싸도록 회전자 외통(103)이 설치되어 있다. 상기 회전자 내통(105)과 상기 회전자 외통(103) 사이는 외부로부터의 열침입을 최소화할 수 있도록 고진공 상태의 진공부로 형성되고, 그 진공부내에는 외부로부터의 복사열 침입을 차단할 수 있는 열차폐판(104)이 설치되어 있으며, 상기 열차폐판(104)의 주위에는 여러 겹의 슈퍼인슐레이션(superinsulation)(미도시함)을 설치하여 복사에 의한 열전달을 최소화한다. 또, 상기 회전자 외통(103)에는 진공배기를 위한 진공포트(미도시함)가 설치되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템의 전체구성을 도시한 도면이다.

동 도면에 도시한 바와 같이, 전도냉각봉(101)의 타측은 기밀이 유지되면서회전이 가능한 메캐니컬 실링(mechanical sealing)장치(110)(또는 자성유체실링장치) 를 통해서 냉각시스템측에 결합되어 있다. 상기 냉각 시스템은 극저온 냉각기(109)로 구성되며, 상기 전도냉각봉(101)은 상기 극저온 냉각기(109)의 콜드헤드로 작용한다.

상기 전도냉각봉(101)의 단열구조는 전도냉각봉(101)과 회전자 사이에 진공 층을 설치하여 대류나 전도 열손실을 줄이고, 또한 전도냉각봉(101)에 다층진공단열재를 시공하여 복사열손실을 최소화하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 내부응축형 고온초전도 회전자 냉각시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.

회전자 내부에 직접 삽입된 전도냉각봉(101)을 극저온 냉동기(109)의 콜드헤드를 이용하여, 냉매공급관(108)을 통하여 계자코일지지부(113)의 내부 중공에 위치한 극저온 상변화 냉매로서 예를 들면 네온를 응축시킨다. 이와 같이 응축된 극저온 냉매는 회전자 내부의 회전에 의한 원심력으로 회전자의 계자코일지지부()113)의 중공 외벽에 응축된 냉매가 공급되어 외부로부터 침입한 열량을 제거하므로 고온초전도 계자코일(102)을 운전온도(30K)이하로 냉각시킨다. 열 교환을 통해 기화된 기체상태의 극저온 냉매는 밀도가 감소하여 중심부로 모이게 되고, 이러한 냉매는 콜드헤드로서 전도냉각봉(101)에 의해서 냉각되어 응축되는 자연적인 냉각순환경로를 가지게 된다. 초기 냉각시에는 온도강하 및 응축에 의해 수축된 만큼의 냉매가스를 외부로부터 냉매공급관(108)을 이용하여 공급하여 응축이 원활하게 해 주는 것이 바람직하다.

상기한 실시예들에서는 내부응축형 고온초전도 회전자 냉각시스템에 한정하여 설명하였지만, 본 발명에서는 고온초전도 계자코일에 의하여 발생된 강자장에 의해 토크튜브가 회전하게 되고 상기 회전자계에 의하여 상기 회전자 외통과 일정 간극을 유지하고서 감겨져 있는 전기자에서 전류가 발생되도록 하면 초전도 발전기를 구성할 수 있으며, 또한 역으로 상기 전기자에 전류를 인가하여 상기 토크튜브에 회전력을 발생시키도록 하면 초전도 전동기를 구성할 수 있다.

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기존의 냉매 직접순환방식에 의한 냉각시스템에 비해 구조가 간단하고, 회전자 콜드헤드를 회전자 내부에 직접 삽입함으로써 냉매유동에 의한 열 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 회전자 내부에서 상변화를 이용한 열 교환이 이루어지므로 냉각효율을 극대화시킬 수 있으므로 고온초전도 계자코일의 온도를 운전온도(30K)이하로 효과적으로 냉각할 수 있는 냉각시스템이 가능한 매우 유용한 발명이다.

Claims (9)

1. 외부전원에 의하여 강한 자장을 발생시키기 위해 수직방향 외측에 설치된 초전도 계자코일과, 상기 계자코일을 지지하면서 그 내부가 중공(中空)의 밀폐공간으로 이루어진 계자코일 지지부를 포함하는 초전도 회전자와;

   상기 계자코일을 냉각하기 위해 상기 계자코일 지지부의 내부 중공에 수평방향으로 삽입결합되어 있는 전도냉각봉과;

   상기 전도냉각봉의 일단에 연결되어 상기 전도냉각봉을 냉각하기 위한 극저온 냉동기와;

   상기 전도냉각봉 내부를 통하여 상기 계자코일 지지부의 중공에 냉매를 공급하기 위한 냉매공급관을 포함하여 구성되고,

   상기 계자코일 지지부의 상기 전도냉각봉이 결합된 반대측은 상기 계자코일에서 외부로 회전력을 전달하거나 또는 외부로부터 회전력을 전달받기 위한 토크 튜브가 결합되어 있고,

   상기 전도냉각봉의 상기 계자코일지지부와 결합된 부분의 반대측은 기밀이 유지되면서 회전이 가능한 실링(sealing)장치에 의하여 상기 극저온 냉동기에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   적어도 상기 계자코일을 포함한 상기 계자코일지지부를 둘러싸고 있는 회전자 내통과,

   상기 회전자 내통을 둘러싸고 있는 회전자 외통 및,

   상기 회전자 내통과 상기 회전자 외통 사이에 설치된 열차폐판을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 전도냉각봉은 무산소(無酸素) 동(Cu)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템.
7. 삭제
8. 제 1항과 제 3항 및 제 6항에서 규정된 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템과, 상기 초전도 회전자의 외주에 상기 초전도 회전자와 일정 간격을 유지하고 설치된 전기자를 포함하여 구성되고,

   상기 초전도 회전자의 계자코일에 발생된 회전자계에 의하여 상기 초전도 회전자가 회전함에 따라 상기 전기자에 전류가 유기되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초전도 발전기.
9. 제 1항과 제 3항 및 제 6항에서 규정된 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템과, 상기 초전도 회전자의 외주에 상기 초전도 회전자와 일정 간격을 유지하고 설치된 전기자를 포함하여 구성되고,

   상기 전기자에 전류를 인가하여 상기 초전도 회전자의 계자코일에 발생된 회전자계에 의하여 상기 초전도 회전자가 회전함에 따라 이 회전력을 외부로 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초전도 전동기.