KR100985824B1

KR100985824B1 - 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도에너지저장시스템

Info

Publication number: KR100985824B1
Application number: KR1020080070237A
Authority: KR
Inventors: 이해근; 고득용; 송정빈; 황승재; 성기철; 김호민
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-10-08
Also published as: KR20100009383A

Abstract

본 발명은 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템에 관한 것으로서, 시스템 가동 시 외부로부터의 열 침입에 의해 정해진 동작온도 범위를 초과하여 냉매를 재냉각할 경우 그 냉매로 액체 냉매를 사용하는 대신 고화 냉매를 이용함을 특징으로 한다. 보다 상세하게는 고화 냉매의 열용량이 크다는 점을 이용하여 원하는 동작온도에서 장시간 유지가 가능하게 함으로서 냉각 비용의 절감 및 시스템의 소형화가 가능하고, 냉매의 기화가 일어나지 않아 시스템의 안정성이 향상되는 효과를 가지도록 하며, 고화 냉매의 큰 정압비열과 외부로부터의 열 침입을 고려하여 최적 부피의 냉매용기를 설계하게 되면 냉동기를 계속적으로 작동시켜줄 필요가 없고 초전도 코일에 전기저항이 없기 때문에 발열에 의한 에너지 손실이 없어 영구전류 모드의 에너지 저장 시스템을 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 이에 따라 독도 같은 전력 송전이 어려운 지역에 자유롭게 시스템을 이동시켜 전력을 공급하는 포터블 시스템의 설계가 가능하고 냉동기에 의한 소음 문제를 해결할 수 있으며, 초전도 코일의 갑작스러운 켄치에 의한 줄열이 발생하거나 외부 열 침입에 의해 시스템의 온도가 동작 온도 범위를 초과할 경우 시스템을 정해진 동작온도로 재냉각하는 시간을 단축시키기 위하여 고화 냉매 용기 내부 초전도 코일 외곽에는 메쉬를 설치해서 열전달을 최대화하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템에 관한 것이다.

고온 초전도 에너지저장시스템, 고온 초전도 코일, 고화 냉매, 메쉬, 냉각

Description

고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템{PORTABLE HTS-SMES HAVING COOLING SYSTEM USING THE SOLID CRYOGEN}

본 발명은 고화 냉매를 이용한 냉각시스템을 고온 초전도 에너지저장시스템에 적용하여 이동형으로 제작 가능하기 위한 것으로, 고화 냉매를 사용하여 기존의 액체 냉매 및 전도냉각방식만을 사용하던 기존의 기술에 비해 냉각 비용을 절감하고 시스템의 안정성을 높이며 시스템의 소형화 및 이동이 가능한 고온 초전도 에너지저장시스템(HTS SMES)에 관한 것이다.

순간적인 정전 및 전력의 품질 저하는 민감한 전자기기, 제어장치 및 정보기기 등에는 심각한 문제를 일으킬 수 있어 종래에는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 축전지를 이용한 무정전 전원장치를 사용하였다.

그러나 축전지를 이용한 무정전 전원장치는 수명이 짧고, 환경오염을 야기하며, 넓은 설치공간이 필요하다는 단점을 지니고 있어 이러한 단점을 보완하기 위한 대용량의 전력 저장장치로 초전도 자석을 이용한 에너지저장(SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage) 시스템의 필요성이 대두되고 있다.

이 중, 저온 초전도 에너지저장시스템(LTS SMES)에 비하여 냉각 비용이 절감 되는 고온 초전도 에너지저장시스템(HTS SMES)에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 대표적인 고온 초전도체인 BSCCO-2223 선재는 질소의 액체 영역 온도에서 낮은 임계전류 밀도와 자기장하에서 임계전류밀도의 갑작스러운 감소로 인하여 에너지 저장량이 냉각에 소요되는 전력량에 비해 상당히 떨어지기 때문에 최소 30K이하로 초전도 선재가 냉각되어야 효과적인 에너지 저장장치로서의 역할을 할 수 있게 된다. 이러한 냉각을 위한 냉각방식에는 저온의 액체, 특히 액체 헬륨 또는 액체 네온을 이용하여 초전도체를 냉각하는 액체 냉각 방식과 극저온 냉동기 헤드에 냉각 대상을 직·간접적으로 접촉시켜 냉각하는 전도냉각 방식이 있다.

현재 이러한 두 가지 냉각 방식 중에서 액체 냉매를 사용할 시에는 헬륨 또는 네온을 이용하며, 이것은 액체 냉매를 고온초전도체 코일 사이로 주입시켜 30K이하의 온도로 냉각시켜 초전도체가 효과적인 에너지 저장원으로써의 역할을 수행할 수 있게 한다.

그러나 이러한 냉각방식에서 몇 가지 문제점이 발생할 수 있는데, 액체 냉매 사용 시 동작온도는 냉매 자체의 기화 온도로 정해지게 되므로 압력을 조절하지 않고서는 30K 정도의 원하는 온도로 맞추기 힘들고, 또한 약간의 온도 상승에서도 쉽게 기화되므로 갑작스러운 초전도체의 켄치가 발생할 경우 시스템 내부의 온도상승으로 액체 냉매가 기화되어 시스템 내부가 순간적으로 압력이 상승함으로써 시스템의 안정성에 문제가 생길 수 있다.

또한, 외부 열 침입으로 인해 액체 냉매가 기화될 경우, 기화된 양 만큼의 액체 냉매를 계속적으로 공급해야 하는 번거로움 때문에 시스템의 사이즈가 커진다 는 단점이 있다. 또 다른 냉각방법으로는 Cryocooler라는 냉동기를 사용하여 초전도체 시스템을 냉각하는 전도냉각 방식이 있다. 이 경우에는 원하는 동작온도로 시스템을 자유롭게 냉각시킬 수는 있으나 Cryocooler를 항시 작동시켜주어야 하기 때문에 전기료 등 경제적인 단점이 생기며 또한 Cryocooler 자체 진동과 소음이 문제가 될 수 있으며, 액체 냉각 방식과 마찬가지로 시스템의 이동이 불가능하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고온 초전도 에너지저장시스템 내 고온 초전도 코일의 냉각을 위한 냉매로 액체 냉매나 Cryocooler 만을 사용하는 대신에 초전도 코일 용기 내에 액체 냉매(질소, 아르곤, 네온, 수소, 및 혼합냉매)를 주입한 후, 냉동기를 이용하여 이들을 어는점 미만으로 온도를 낮추어 액체 냉매를 고화시킨 후 시스템의 온도를 원하는 동작온도 즉 30K이하로 유지시킬 수 있도록 한 것으로,

첫째, 고화 냉매의 열용량이 액체 냉매에 비해 매우 크다는 점을 이용하여 원하는 동작온도에서 장시간 유지가 가능하게 되어 냉각 비용의 절감 및 시스템의 소형화가 가능하고,

둘째, 냉매의 기화가 일어나지 않아 시스템의 안정성이 향상되며,

셋째, 다양한 냉매를 사용할 수 있으며,

넷째, 재 냉각기간만을 고려하여 Cryocooler를 재가동해주면 되기 때문에 이동형 시스템의 제작이 가능해지는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 하우징과; 상기 하우징에 내설되는 고단열부와; 상기 고단열부 내부에 설치되며 외부로 돌출되는 접촉부재가 형성되는 냉매 용기부와; 상기 냉매 용기부 내부에 수용되는 고온 초전도 코일과; 상기 냉매 용기부에 냉매를 주입, 배출하기 위한 주입구 및 배출구와; 상기 고온 초전도 코일과 연결되어 전류를 통전시키는 전류인입부와; 상기 냉매를 고화시키기 위한 냉동기와; 상기 냉동기와 냉매를 접촉되도록 하는 작동부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 시스템의 소형화 및 간편화 측면에 있어서,

액체 헬륨이나 액체 네온의 경우 30K에서 액체 상태를 유지하려면 감압시스템(10-6torr이하)을 설치하게 되며 계속적으로 냉매의 재공급 과 냉동기 및 진공펌프를 돌려줘야 하는 번거로움이 있다. 하지만, 고화 질소를 사용하면 재 냉각기간(Recooling-to-Recooling Time Period, RRTP) 외에는 냉동기를 탈착시킬 수 있어서 냉동기로 들어오는 열 침입을 막을 수 있을 뿐만 아니라 냉매의 재공급과 진공시스템이 필요 없게 되는 등 단순한 구조를 갖는 냉각시스템 구현이 가능하다. 또한, 고온 초전도 에너지저장시스템은 영구전류모드로 운전하기 때문에 영구자장을 발생시킬 경우 한번 여자 시켜 자장을 발생시키면 따로 냉각을 위한 냉동기나 다른 어떤 냉매 공급 없이도 장시간 자장을 유지할 수 있는 이동형 시스템을 설계할 수가 있다. 이로 인하여 정전 같은 사고 발생 시 시스템의 온도 상승에 대한 걱정을 하지 않아도 되며, 냉동기 등의 소음에도 해방될 수 있고 실외에서도 사용 가능하다. 또한, 고화 질소는 밀도가 납에 비해 10분에 1밖에 되지 않아 냉각시스템 무게가 가벼워지고, Cu, Ag 등의 금속재료보다 열용량이 높으며, 전기적 절연성도 아주 우수하여 시스템의 소형화도 가능한 효과가 있다.

둘째, 경제적인 측면에 있어서,

고온 초전도 에너지저장시스템을 에너지 저장 효율이 좋은 25~30 K 범위의 동작온도를 만족시켜주기 위해 냉동기만을 통한 직접 냉각방식을 이용할 경우 상시적으로 냉동기를 동작시켜주어야 하기 때문에 이에 따른 전력손실의 영향으로 비용적인 손해가 매우 크다. 반면 고화 냉매를 이용한 냉각시스템에서는 재 냉각기간만을 고려하여 시스템이 동작온도 범위를 초과했을 경우에만 냉동기를 재 가동시켜주면 되므로 전기료 등의 운전비용을 절감될 수 있다. 또한, 액체 냉매를 사용하여 시스템을 냉각시킬 경우에 25~30K의 동작온도범위에서는 액체 네온이 가장 유력하다고 할 수 있지만 액체상을 유지시키기 위해 시스템의 감압을 필요로 하고 액체 네온의 기화로 인하여 냉매를 계속적으로 공급시켜주어야 한다. 액체 네온은 L당 약 300,000원으로 매우 고가이며 이를 적용하여 냉각 시스템을 제작할 시 많은 유지비의 어려움이 예상되기 때문에 고화 냉매를 이용하여 시스템을 냉각시키는 것이 경제적으로 매우 유리한 효과가 있다.

셋째, 시스템 안정도 측면에 있어서,

냉동기를 통한 초전도체의 전도냉각방식에서는 상시적으로 냉동기를 작동시켜주어야 한다. 하지만, 예기치 못한 정전이 발생할 경우에는 냉동기의 작동이 불가능하기 때문에 시스템의 정해진 동작온도를 초과하여 결국 초전도체의 켄치가 일어날 수 있고, 상시적으로 외부로부터 냉동기를 통해 열 침입이 일어나는 등 시스템의 안정적인 운용이 매우 어려워진다. 또한, 액체 네온을 이용하여 초전도체를 냉각시킬 경우 25K 이상의 온도에서 액체상 그리고 27K 이상에서 기체상으로의 상변화가 일어나는데 반해 시스템의 동작온도는 30K이다. 현재 이러한 점을 고려해 감압시스템을 사용하여 30K에서도 액체상의 네온을 유지할 수 있게 하고 있다. 하지만, 갑작스런 켄치에 의한 줄열 발생 또는 외부로부터의 열침입 등에 의해 시스템의 온도가 올라가게 되면 액체 네온이 기체상으로 상변화하게 된다. 이 경우, 상온에서 기체상의 네온은 액체상일 때에 비해 그 부피가 1436배로 증가하기 때문에, 갑작스런 부피증가로 인한 시스템의 안정성의 문제를 야기시키며, 감압시스템을 사용하는 네온을 냉매로 사용할 경우에는 압력조절 밸브 등 여러 가지 안정화 장치를 갖춘다 하더라도 상당히 위험하다.

그 반면에, 본 발명은 재 냉각기간을 고려하여 시스템을 냉각시켜주고, 동작기간 동안 냉동기를 통한 외부로부터의 열 침입을 제한하기 위해 냉동기와 고화 질소 용기 사이에 결합을 해체시키면 보다 안정적인 시스템의 운용이 가능해진다. 또한, 질소는 액화되는 온도가 63K 그리고 기화되는 온도가 77K으로 네온에 비해 매우 높아서 시스템의 동작온도(30K)에서 켄치가 발생하여 시스템의 온도가 올라가더라도 고화 질소가 기화되기까지 흡수하는 열량이 네온의 경우에 비해 훨씬 크기 때 문에 고화 질소가 기화될 때까지 걸리는 시간은 엄청나게 길다. 또한, 고화 질소는 35.6K 근처에서의 solid-solid phase 전이가 일어나 단위부피(cm³)당 8.3J 추가적인 열에너지를 흡수할 수 있는 장점이 있고 따라서 기체상으로 상변화 하는데 걸리는 시간은 그만큼 더 길어질 것이다. 그러므로 본 발명의 고화 질소를 이용한 에너지 저장 시스템은 액체 네온의 경우에 비해 매우 안정된 시스템을 구축할 수 있으며, 고화 질소가 기화한다고 해도 네온에 비해 액체상에 대한 기체상의 부피가 690배로 그 값이 네온의 값(1436배)에 비해 절반도 안 된다는 점 역시 시스템의 안정성 측면에서 매우 유리한 효과가 있다.

넷째, 시스템의 관리 및 운전비용적인 측면에 있어서,

고화 질소가 갖는 높은 열용량 때문에 원하는 동작온도(30K)에서 장시간 유지가 가능하게 되어서 시스템의 안정성 향상으로 인한 차후 시스템 관리가 간편해 지며, 온도가 상승하였을 경우 별도의 냉매 없이 재냉각과 재충전이 가능하기 때문에 재냉각비용이 거의 들지 않는 반영구적인 냉각시스템의 효과가 있다.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)" 등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템을 상세히 설명하도록 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템은 하우징(10), 고단열부(Super insulation layers, 20), 고온 초전도 코일(High Temperature Superconducting Coil, HTS Coil, 40), 주입구(50), 배출구(51), 전류인입부(Current lead, 60, 61), 냉동기(Cryocooler, 70), 작동부(80), 메쉬(Mesh, 90), 브레이드(Braid, 91), 베플(Baffles, 11), 보강부재(Volume control block, 100, 101), 열전대(Thermocouple, 110, 111), 열전대 홀더(Thermocouples Holder, 112)를 포함한다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 에너지저장시스템의 작동을 나타낸 일실시예의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 냉매 용기부를 나타낸 확대 상세도이고, 도 4는 본 발명에 따른 접촉부재 부위에 대한 확대 입면도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이,

상기 하우징(10)은 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부가 비어있는 원통형의 형상을 가지고 있으며, 후술 될 다른 구성요소들이 내부에 설치되도록 한다.

상기 고단열부(20)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(10)의 내부 하단에 설치되는 것으로, 상단은 개구되고, 하단은 밀폐되어 있으며, 내부는 비어있는 원통형의 형상을 가지는 것으로, 후술 될 냉매 용기부(30) 내로 복사열침입을 방지하기 위한 것이다.

상기 냉매 용기부(30)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고단열부(20) 내부에 설치되는 것으로, 폐쇄형 원통형 형상으로 구성하는 것이 가장 바람직하며, 일단은 냉매 용기부(30) 내부에 내입되되, 타단은 상단 외부로 돌출되는 접촉부재(31)를 더 구비한다.

상기 복수개의 베플(11)은 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(10)의 내부에 지면과 수평을 이루며 다수개가 상호간 등간격으로 이격되어 설치되되, 상기 고단열부(20)의 상단에 위치되도록 하여, 상기 냉매 용기부(30) 내부로 복사열이 전달되지 않도록 하기 위함이다.

상기 두 개의 전류인입부(60, 61)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 냉매 용기부(30) 내부에 전류를 통전시키기 위한 것으로, 두 개의 전류인입부(60, 61)가 냉매 용기부(30) 내부에 인입되도록 설치한다.

상기 주입구(50) 및 배출구(51)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 냉매가 유입되고 배출되는 부분으로서, 상기 주입구(50) 및 배출구(51) 모두가 상기 하우징(10)의 상단 외측에서 냉매 용기부(30) 측으로 관통되어 일단이 냉매 용기부(30) 내부에 위치되도록 한다. 즉, 외부에서 주입구(50)를 통해 냉매를 냉매 용기부(30) 내부로 주입하면, 소정의 수준까지 냉매가 공급된 후엔 상기 냉매 용기 부(30)에 일단이 내입된 배출구(51)를 통해 냉매가 하우징(10) 외부로 배출되도록 한 것이다. 이를 위해, 상기 주입구(50)는 냉매 용기부(30)의 최하단에 가깝게 일단을 내입하고, 배출구(51)는 사용자가 원하는 소정수준까지 냉매가 냉매 용기부(30)에 찬 후에 배출되어야 하기 때문에 상기 냉매 용기부(30)의 상단에 인접하게, 상기 주입구(50)의 일단보다 상대적으로 짧은 길이로 냉매 용기부(30) 내부에 일단이 내입되도록 한다.

상기 냉매 용기부(30)에 액체 상태의 냉매를 공급할 경우, 상기 냉매 용기부(30)에 액체 질소(본 발명에서는 고화시키기 위한 냉매로 질소, 아르곤, 네온, 수소, 고화 질소와 액체 네온의 혼합상 냉매, 고화 아르곤과 냉각 액체 질소의 혼합상 냉매 들 중 하나가 사용되지만, 설명의 편의를 위해, 이후에는 액체 질소를 냉매로 사용함을 예시로 들겠다.)를 가득 채우기 위해서는 상기 배출구(51)로 액체 냉매가 배출될 때까지 공급함을 원칙으로 한다. 이는 액체 냉매를 냉매 용기부(30)에 투입을 할 시, 냉매 용기부(30) 내부는 상온이고, 액체 냉매 자체가 기화되기 때문이다.

상기 고온 초전도 코일(40)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 냉매 용기부(30) 내부 정중앙에 고정되는 것으로, 이때, 상기 냉매 용기부(30) 내주연에 접촉되지 않도록 설치한다.

상기 메쉬(90)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고온 초전도 코 일(40)의 외곽에 설치되는 것으로, 상기 고온 초전도 코일(40)과 냉매 용기부(30) 모두와 접촉되지 않도록 한다. 또한, 상기 메쉬(90)는 상단에 접촉부재(31)와 연결되는 브레이드(91)를 더 연장형성한다. 상기 메쉬(90)와 브레이드(91)의 역할은 냉매를 하기에서 설명될 냉동기(70)를 통해 냉각시, 냉동기(70)와 냉매 용기부(30) 내에 주입된 냉매와의 열 접촉 및 열교환 면적을 크게 하여 냉매를 보다 효과적으로 빠르게 냉각시키기 위한 것이다. 더불어, 상기 메쉬(90)와 브레이드(91)의 재질로는 구리(Copper)가 사용되도록 한다.

상기 냉동기(70)는 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 냉동기의 모터부는 상온에 위치하고, 타단(냉동기의 냉각부)은 상기 하우징(10)의 상면과 다수개의 베플(11)을 연속관통 후, 상기 고단열부(20) 내부에 위치되도록 한 것으로, 상기 냉동기(70)는 냉매 용기부(30) 내부에 주입된 냉매를 냉각시키기 위한 것이다. 더불어, 상기 고단열부(20)에 위치되는 냉동기(70)의 일단에는 상기 접촉부재(31)와 접촉되기 위해, 상기 냉동기(70)의 일단에서 직각으로 꺾여 상기 접촉부재(31) 상단측으로 연장되는 연결부재(72)를 더 연장형성한다.

상기 작동부(80)는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉동기(70)와 마찬가지로, 상기 하우징(10)의 상단면과 다수개의 베플(11)을 관통시켜 일단이 고단열부(20) 내에 위치되도록 하되, 하우징(10)의 상단 외측에 위치되는 타단에는 회전부재(81)가 구비되어,(상기 회전부재(81)로는 스크류 등이 사용될 수 있다.) 상기 작동부(80)를 상, 하로 승강운동가능토록 한다. 상기 도 1 내지 도 4, 특히 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 고단열부(20) 내에 위치되어 있는 작동부(80)의 일단 하측에는 상기 냉동기(70)의 연결부재(72) 일단이 일정간격 이격되어 대응되며 위치되어 있고, 상기 연결부재(72) 일단의 하단부에는 접촉부재(31)가 위치되어 있도록 한다. 즉, 상기 작동부(80)의 일단, 연결부재(72)의 일단, 접촉부재(31)는 수직으로 상호간 이격되되, 상호간 순차적으로 대응되는 위치에 있게 되는 것이다.

이로써, 상기 냉매 용기부(30) 내의 냉매를 최초 냉각시키는 경우나, 또는, 냉각 이후 상기 고온 초전도 코일(40)의 갑작스러운 켄치(Quench)나 외부 열 침입에 의해 고온 초전도 코일(40) 주위의 고화된 냉매가 이러한 열을 흡수하여 시스템의 온도가 정해진 동작온도 범위를 초과했을 경우 고화된 고화 냉매를 다시 원하는 동작온도로 재 냉각이 필요할 경우,

상기 작동부(80)의 타단, 즉, 하우징(10)의 상면 외측에 위치된 회전부재(81)를 회전시키게 되면, 상기 작동부(80)는 수직으로 하강하게 되고, 하강된 작동부(80)는 작동부(80)의 타단 아래에 대응되며 위치되어 있는 냉동기(70)의 연결부재(72)를 하단으로 밀게 된다. (물론, 실시예에 따라, 상기 연결부재(72)가 하단으로 밀림으로 인해 냉동기(70) 자체도 수직으로 소정깊이 하강하거나, 또는 냉동기(70)를 차량의 안테나처럼 전체 길이의 인장 및 축소가 가능해지는 형태를 가지도록 하여 상기 하우징(10)의 상면 외부에 위치되는 제어스위치(71)는 움직이지 않고 고정되되, 상기 하우징(10)에 내입되어 있는 몸체만이 하강하는 등 다양하게 적용할 수도 있음이다.)

하단으로 밀리게 된 연결부재(72)는 하강하면서 다시, 상기 연결부재(72)의 하단에 대응되며 위치되어 있는 접촉부재(31)와 접촉하게 된다. 이후, 상기 냉동기(70)를 작동시키면, 상기 냉동기(70)는 접촉부재(31)를 통해 냉매 용기부(30) 내부와 연결되고 그 안의 액체 냉매를 냉각하여 고화 냉매로 만들게 된다. 이때, 냉매를 보다 신속하게 냉각시키기 위한 것이 액체 냉매 중에 설치되어 있는 상기에서 설명된 브레이드(91)와 메쉬(90)이다.

즉, 상기 작동부(80)로 인해 냉동기(70)와 냉매의 접촉이 항상되어 있는 것이 아닌, 냉각이 필요할 때만 접촉되도록 한 구성으로, 이는 냉동기(70)를 가동하지 않을 때, 냉동기(70)를 통한 전도 열 침입을 제한하기 위함으로, 상기 회전부재(81)를 회전시키면 냉동기(70)와 냉매 용기부(30)의 접촉부재(31) 상호간의 결속이 결합되거나 끊어져서, 재 냉각기간을 제외한 시스템 동작기간 동안 외부로부터의 열 침입을 줄여 전체적인 고화 냉매 시스템의 온도 상승을 막을 수 있도록 한 것이다.

상기 보강부재(100, 101)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 냉매 용기부(30) 내주연에 설치되는 것으로, 하단에는 원판형의 보강부재(100)를, 상기 내주면에는 중단이 관통된 파이프 형태의 보강부재(101)를 사용한다. 상기 보강부재(100, 101)는 외부로부터의 힘 또는 외부압력에 냉매 용기부(30)가 저항할 수 있도록 함과 동시에 절연의 효과를 가지도록 하기 위한 것으로, 본 발명에서는 상기 보강부재(100, 101)의 재질로 전기절연성, 기계적 강도, 내열성이 우수한 베이클라 이트(Bakelite)를 사용하도록 한다.

더불어, 상기 보강부재(100, 101)는 냉매 용기부(30) 내에서 입출이 가능하도록 하여, 상기 냉매 용기부(30) 부피를 변화시킬 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 냉매 용기부(30) 하단은 착탈이 가능토록 구성하고, 상기 냉매 용기부(30) 하단에 결합공(32)을 천공 후, 상기 결합공(32)에 나사부재(33)를 체결하도록 한다.(상기 나사부재(33)로는 복수개의 구성요소를 상호간 체결할 수 있는 볼트 등이 사용될 수 있다.) 즉, 상기 나사부재(33)를 푼 후, 상기 냉매 용기부(30)의 하단에서 보강부재(100, 101)를 빼냄으로 인해 상기 냉매 용기부(30) 내의 부피 조절이 가능해지는 것이다.

상기 복수개의 열전대(Thermocouple, 110, 111)와 다수개의 열전대 홀더(Thermocouple Holder, 112)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고온 초전도 코일(40)을 기준으로, 고온 초전도 코일(40)로부터의 거리에 따른 고화된 냉매의 온도변화를 측정하여 고온 초전도 코일(40)과 고화 냉매간의 열 접촉이나 냉매의 상변화 여부를 예측하기 위한 것으로, 상기 고온 초전도 코일(40)의 수평방향과 수직 아래 방향으로 복수개의 열전대(110, 111)를 설치하고, 상기 열전대(110, 111)를 지지해주기 위해 상기 냉매 용기부(30) 내부에 수평과 수직으로 배치되는 다수개의 열전대 홀더(112)를 설치하도록 한다. 더불어, 본 발명에서는 상기 열전대 홀더(112)의 재질로 G10(강화 플라스틱 라미네이트)을 사용한다.

물론, 상기 하우징(10)의 형상을 도면에서는 원통형으로 도시하였고, 원통형인 하우징(10)으로 인해 하기에 설명될 냉매 용기부(30)와 고단열부(20) 또한 원형으로 도시되었지만, 상기에서 설명된 구성 및 효과가 동일하다면 그 형상은 사용자의 선택에 의해 다양하게 변경가능함은 당연할 것이다.

도 5는 고화 질소와 고화 네온의 온도에 따른 정압비열 변화를 나타낸 그래프로서, 동 도면에서 보는 바와 같이, 본 발명의 고온 초전도 에너지저장시스템에 적용 가능한 다양한 고화 냉매 중 대표적인 2가지 고화 냉매들의 specific heat(비열) 값을 온도에 대한 그래프로 나타낸 것이다.

고화 네온과 고화 질소는 대표적으로 사용 가능성이 높은 냉매들이다. 고화 네온은 동일 온도에서 가장 큰 열용량을 가지고 있고, 고화 질소보다 specific heat enhancer로서 비교우위에 있다. 그러나 고화 질소보다 200~300배 정도 비싸다는 경제적인 단점과 낮은 녹는점(25K)으로 고화 냉매로 사용할 경우 시스템의 감압장치가 없는 한 운전 온도를 25K 이하로 낮춰줘야 하는 문제점이 대두 된다. 그에 비해 고화 질소의 경우에는 64K 이하에서 고체상태가 되어 운전온도 범위가 넓고, 밀도가 납에 비해 10분에 1밖에 되지 않아 냉각시스템 무게가 가벼워지고, 전기적 절연성도 아주 우수하다. 또한, 효과적인 에너지 저장장치로서의 역할이 가능한 30K 이하에서 온도증가 시 35.6K 근처에서 solid-solid phase 전이가 발생하여 추 가적으로 8.3 J/cm³ 의 에너지를 흡수 가능하게 되어 열역학적 안정성에도 많은 이점을 지니고 있다.

도 6은 시간에 따른 주기적인 재 냉각기간을 나타낸 그래프로서, 동 도면에서 보는 바와 같이, 본 발명의 고온 초전도 에너지저장시스템에서 고화 냉매의 온도가 열 침입 및 열 접촉 등으로 상승하여 효과적인 에너지 저장장치로서 역할을 할 수 없게 되는 온도에 이르게 되면(상부 동작온도) 주기적인 재냉각이 필요하게 된다.

상기 도 6에서 보여지는 바와 같이 이때의 주기를 시스템 동작기간 또는 재 냉각기간(Recooling-to-Recooling Time Period, RRTP)이라 하며 이것은 고화 냉매 냉각기술에 있어서 매우 중요한 파라미터이며, 이동형 시스템 제작이 가능하게 하는 특징이기도 하다.

재 냉각기간은

1) 사용되는 냉매의 종류,

2) 동작온도범위에서 냉각 체의 총 엔탈피,

3) 동작온도범위,

4) 시스템 내부에서의 총 열손실 등에 의존하게 된다.

냉매의 heat capacity를 C_cb, 시스템 외부로부터 들어오는 총 열 유입을 Q_in 라 하면 냉각 체 안에서의 power balance equation은 하기 제 1식으로 주어진다.

(제 1식)

여기서 dT_op는 동작온도범위이므로 초기 동작온도, T_op ₍ _min ₎로 부터 시작하여 상부 동작온도, T_op( _max ₎까지 상기 제 1식의 양변을 적분하여 하기의 제 2식을 유도하면 동작기간(Δt_op) 즉 재 냉각기간(RRTP)을 예측할 수 있다.

(제 2식)

상기 제 2식에서 <Q_in>는 동작온도범위에서의 평균 열 유입 값이며, ΔH_cb(T_op _min, T_op _max)는 냉매의 초기 동작온도와 상부 동작온도에서의 엔탈피 차이를 의미하며 다음의 제 3식과 같이 나타낼 수 있다.

(제 3식)

그러므로 상기 제 2식에서 보는 바와 같이 시스템의 동작기간을 늘리기 위한 방법으로는 다음과 같다.

1) 동작온도범위 즉 Δt_op을 가능하면 크게 만든다.

2) 가능하면 엔탈피 차이 즉 ΔH_cb(T_op _min, T_op _max)가 큰 냉매를 사용한다.

3) 극저온 냉각시스템을 디자인할 때 시스템 안으로 들어오는 전체 열 침입을 최소화하는 방법을 취한다.

즉, 상기 3가지 요인들을 고려하여 재 냉각기간을 결정하면 원하고자 하는 기간의 이동형 시스템 제작이 가능하다.

한편, 고온 초전도 에너지저장장치 시스템에 국부적인 열 발생으로 인한 초전도 켄치가 일어날 수도 있기 때문에 최적화된 고화 냉매의 부피는 시스템의 안정성과 소형화에 있어서 매우 중요하다. 원하고자 하는 재 냉각기간을 정하여 전체 열 침입 및 엔탈피 값을 고려하면 하기 제 4식과 같이 나타낼 수 있다.

(제 4식)

여기서 △t는 원하고자 하는 재 냉각기간(RRTP), △H는 작동온도 범위에서의 엔탈피 변화량이며(단, 여기서 엔탈피 값 계산에 쓰이는 C_p 값은 heat capacity가 아닌 specific heat 값이다), Q_in은 고화 냉매 냉각시스템으로 들어오는 전체 열 침입 의미하고 하기 제 5식과 같이 나타낼 수 있다.

(제 5식)

여기서,

저온부 T_cl과 고온부 T_wm를 갖는 하나의 표면에서의 경우 평형판재형상의 복사 율이 각각 [e_r]_cl과 [e_r]_wm일 때 유효전체 복사율 [e_r]_cw은 다음의 제 6식과 같으며,

(제 6식)

그러므로 상기 제 6식은 하기의 제 7식과 같이 수정된다.

(제 7식)

즉, 상기 제 4식을 고려하여 계산된 용기의 부피(V_sol)는 총 열 침입과 재 냉각기간에 따른 최소부피라고 할 수 있으므로 고화 냉매 용기의 부피는 V > V_sol가 되어야 한다. ················(Ⅰ)

또한, 고온초전도 에너지저장장치 냉각시스템 안에서 외부로부터 열 침입이 없다고 가정할 때 고온초전도 마그넷과 고화 냉매에서 발생하는 열 접촉으로 발생하는 joule heat가 thermal diffusion에 의해 전달된다고 할 때, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

········ (Ⅱ)

여기서, T_sd는 고화 냉매의 어느 한 지점에서 3차원적으로 δ_sd만큼 떨어진 곳까지 열이 전달되는데 걸리는 시간이며, D_th 는 고화 냉매의 열확산계수이다.

결국, (Ⅰ)과 (Ⅱ)의 경우를 모두 고려함으로써 고화 냉매 냉각 시스템의 최적부피를 결정할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 에너지저장시스템의 작동을 나타낸 일실시예의 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 냉매 용기부를 나타낸 확대 상세도.

도 4는 본 발명에 따른 접촉부재 부위에 대한 확대 입면도.

도 5는 고화 질소와 고화 네온의 온도에 따른 정압비열 변화를 나타낸 그래프.

도 6은 시간에 따른 주기적인 재 냉각기간을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 표시>

10: 하우징 11: 베플

20: 고단열부 30: 냉매 용기부

31: 접촉부재 32: 결합공

33: 나사부재 40: 고온 초전도 코일

50: 주입구 51: 배출구

60, 61: 전류인입부 70: 냉동기

72: 연결부재 80: 작동부

81: 회전부재 90: 메쉬

91: 블레이드 100, 101: 보강부재

110, 111: 열전대 112: 열전대 홀더

Claims

하우징(10)과;

상기 하우징(10)에 내설되는 고단열부(20)와;

상기 고단열부(20) 내부에 설치되며 외부로 돌출되는 접촉부재(31)가 형성되는 냉매 용기부(30)와;

상기 냉매 용기부(30) 내부에 수용되는 고온 초전도 코일(40)과;

상기 냉매 용기부(30)에 냉매를 주입, 배출하기 위한 주입구(50) 및 배출구(51)와;

상기 고온 초전도 코일(40)과 연결되어 전류를 통전시키는 전류인입부(60, 61)와;

상기 냉매를 고화시키기 위한 냉동기(70)와;

상기 냉동기(70)와 냉매를 접촉되도록 하는 작동부(80);를 포함하고,

상기 냉동기(70)는 일단을 고단열부(20)로 내설하되, 연결부재(72)를 연장 형성하여 상기 접촉부재(31)의 상단에 일단이 위치될 수 있도록 구성되고,

상기 작동부(80)는 일단이 고단열부(20) 내에 위치되도록 하되, 상, 하로 승강운동이 가능해지도록 타단에 회전부재(81)를 설치하여, 상기 작동부(80)를 하강시킬 경우 연결부재(72)가 접촉부재(31) 측으로 하강되어 상호간 접촉되도록 하고, 상기 작동부(80)를 상승시킬 경우 연결부재(72)와 접촉부재(31)가 이격되도록 하여, 상기 냉동기(70)와 접촉부재(31)의 탈착 제어가 가능토록 하는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템은

상기 고온 초전도 코일(40) 외곽에 설치되는 메쉬(90)와, 상기 메쉬(90)의 상부로 연장되며 상기 접촉부재(31)와 연결되는 브레이드(91)를 더 구비하여, 상기 냉동기(70)와 냉매와의 열접촉 및 열교환 면적을 크게 함으로서, 상기 냉매 용기부(30) 내의 냉매를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 하고, 상기 메쉬(90)와 브레이드(91)의 재질로는 구리가 사용되는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
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제 1항에 있어서,

상기 작동부(80)는 냉매의 최초 냉각시 또는 냉매가 주위의 열을 흡수하여 온도가 정해진 동작온도범위를 초과함으로 인해 냉매의 재냉각이 필요할 경우에만 상기 작동부(80)를 하강시키고, 상기 작동부(80)의 하강시에만 냉동기(70)가 작동되도록 하는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 하우징(10)은 내부에 다수개의 베플(11)을 개재시키되, 상기 베플(11)은 하우징(10)의 내부에서 고단열부(20)의 상부에 상호간 이격배치되어, 상기 냉매 용기부(30) 내로 복사열이 전달되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 메쉬(90)는 고온 초전도 코일(40) 및 냉매 용기부(30) 내주면과 접촉되 지 않도록 하고, 상기 메쉬는 열전달을 최대화하는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 냉매 용기부(30)는 원판형상과 파이프형상의 보강부재(100, 101)를 내부 하단면와 내주연에 각각 설치하여, 단열 및 외부로부터 힘 또는 압력에 견딜 수 있도록 하되, 상기 보강부재(100, 101)의 재질로는 전기절연성, 기계적 강도, 내열성이 우수한 베이클라이트(Bakelite)가 사용되는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 8항에 있어서,

상기 냉매 용기부(30)는 하단면이 착탈될 수 있도록 구성하고, 상기 냉매 용기부(30) 하단에 결합공(32)을 천공한 후 내부 하단면의 보강부재(100)와 연결되는 나사부재(33)를 체결하여, 상기 나사부재(33)를 풀 경우 보강부재(100, 101)의 유입출이 가능해져 상기 냉매 용기부(30)의 부피를 변화시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템은

상기 고온 초전도 코일(40)의 측면과 하단에 일단이 각각 연결되는 복수개의 열전대(110, 111)와, 상기 열전대(110, 111)를 지지하는 열전대 홀더(112)를 냉매 용기부(30) 내에 다수개 더 구비하여, 상기 고온 초전도 코일(40)을 기준으로 고온 초전도 코일(40)로부터의 거리에 따른 고화 냉매의 온도 변화를 측정하여, 상기 고온 초전도 코일(40)과 고화된 냉매간의 열 접촉 또는 냉매의 상변화 여부를 예측할 수 있도록 하며, 상기 열전대 홀더(112)의 재질로는 G10 이 사용되는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 냉매로는 질소, 아르곤, 네온, 수소, 고화 질소와 액체 네온의 혼합냉매, 고화 아르곤과 과냉각 액체 질소의 혼합냉매 중 어느 하나가 사용되며, 상기 냉매를 액체 상태로 냉매 용기부(30)에 주입 후, 상기 냉동기(70)를 이용하여 냉매를 냉매의 어는점보다 낮은 온도까지 낮추어 고화시키는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 냉매 용기부(30)는 사용자가 원하는 냉매의 재 냉각기간과 동작 온도범위를 계산 한 후, 고화된 냉매의 정압비열값과 열전달계수를 고려하여 냉매 용기부(30)의 부피를 결정하는 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템은 전기저항이 없는 고온 초전도 코일(40)을 사용함으로 인해, 발열에 의한 에너지 손실이 없어 영구전류모드로 운전되며, 영구자장을 발생시킬 경우 한번 여자시켜 자장을 발생시키게 되면 냉각을 위한 냉동기(70) 또는 별도의 다른 냉매의 공급 없이도 장시간 자장을 유지할 수 있어, 냉동기(70)가 착탈되는 이동형으로도 제작이 가능한 것을 특징으로 하는 고화 냉매를 이용한 냉각시스템이 적용된 고온 초전도 에너지저장시스템.