KR101151482B1 - 초전도 전력 기기용 극저온 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 전력 기기용 극저온 용기에 관한 것으로 저장 용기부재의 저장부 내에 상기 저장 용기부재의 내주면과 수 mm 이격되게 배치되는 레벨 측정용 도체부재를 삽입하여 상기 저장 용기부재의 내주면과 상기 레벨 측정용 도체부재의 사이에서 정전 용량 차이를 측정, 상기 저장 용기부재 내의 극저온 액체의 레벨을 감지하는 것이다.

Description

초전도 전력 기기용 극저온 용기{A Cryostat for High-voltage applications}

본 발명은 초전도 전력 기기용 극저온 용기에 관한 것으로 더 상세하게는 용기 내에 저장된 극저온 액체의 레벨을 정확하게 측정할 수 있도록 발명된 것이다.

초전도 전력 기기에 있어서, 초전도 소자의 초전도 상태를 유지하기 위해서 극저온 액체를 냉매로 사용한다.

극저온 용기는 상기 극저온 액체가 채워지는 것으로 내부에 초전도 소자를 수용한다.

극저온 액체란 -170℃ 이하 온도의 액체를 말한다. 1기압 하에 물이 100℃ 이상에서는 기체이고 100℃ 이하에서는 액체인 것과 마찬가지로 각 물질들은 고유의 비등점이 존재한다. 그 비등점이 물은 100℃ 인 것이다. 극저온 액체는 그 비등점이 -200℃, -250℃ 같이 매우 낮은 물질들로서, 그 비등점 이하로 온도를 낮추어야 얻을 수 있다. 이러한 극저온 액체 중 대표적인 것으로서 액체 질소를 예로 들 수 있다.

상기한 바와 같이 초전도 전력 기기는 액체질소를 채운 극저온 용기에 초전도 소자를 넣어서 냉각시킨다. 초전도 소자의 동작은 반드시 임계 온도 이하에서만 이루어지기 때문에 초전도 소자의 온도를 유지하기 위한 액체 질소 레벨의 측정은 매우 중요하다.

액체 질소 레벨의 측정은 보통 콘덴서 형태의 레벨 센서를 이용한다.

기존의 레벨 센서는 가늘고 긴 원통형 도체 두 개(1, 2)를 동심 축에 고정시키고 극저온 용기에 세로로 삽입하여 두 도체(1, 2)가 갖는 도면 1처럼 정전용량을 이용하여 측정한다.

액체 질소와 기체 질소의 유전율이 다르기 때문에 액체 질소 레벨이 변하면 두 도체 사이의 유효 유전율이 변화하므로 다음의 수학식 1에 의하여 정전용량이 변하게 된다. 이를 이용하여 액체 질소의 레벨을 측정한다.

L : 실린더 길이, a : 안쪽 도체 판 직경, b : 바깥쪽 도체 판 내경

액체 질소의 레벨이 변하면, 액체 질소가 담겨있는 부분의 C1과 기체 질소가 있는 부분의 C2의 합성 정전용량을 계산하고, 측정한 값을 비교하면 질소의 레벨을 측정할 수 있다.

기존의 레벨 센서는 바깥쪽 도체 판 직경이 수 mm에 불과하여 도면 1에서의 b/a가 작기 때문에 정전용량이 크지 않아 측정값의 오차가 생기면 측정 레벨의 오차가 커지는 단점이 있으며, 고전압 환경에서는 레벨 센서의 형태상 침전극 형상을 띄기 때문에 전계가 집중되어 고전압 초전도 소자와 레벨 센서 간의 절연 파괴를 유발할 가능성이 있어서 기존의 레벨 센서는 고전압 환경에서는 사용이 불가능하다. 따라서 초전도 기기의 운전 중 냉매의 레벨을 모니터링 함으로써 신뢰성을 확보하기 위해서는 전계 집중 문제를 해소하고, 센서의 해상도를 높이기 위한 큰 정전용량을 갖는 레벨 센서가 필요하다.

본 발명의 목적은 큰 정전 용량을 확보하여 용기 내에 저장된 극저온 액체의 레벨을 정확하게 확인할 수 있는 레벨 센서를 포함한 초전도 전력 기기용 극저온 용기를 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명의 목적은 내부에 극저온 액체가 저장되며, 초전도 소자가 삽입되는 저장부가 형성된 저장 용기부재와, 상기 저장 용기부재의 내부 직경보다 작은 외경을 가지고 상기 저장 용기의 내주면을 감싸는 형상을 가지며 상기 저장 용기부재의 내주면과 이격되게 상기 저장부 내에 배치되는 레벨 측정용 도체부재를 포함하며, 상기 저장 용기부재의 내주면과 상기 레벨 측정용 도체부재 사이에서 정전 용량 차이를 측정하여 상기 저장 용기부재 내의 상기 극저온 액체의 레벨을 감지하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 기기용 극저온 용기를 제공함으로서 해결되는 것이다.

상기 저장 용기부재는 내부가 빈 공간인 외부 케이싱부와, 외측면이 상기 외부 케이싱부의 안쪽면과 이격되게 상기 외부 케이싱부의 내부에 장착되며 내부에 극저온 액체가 저장되는 저장부가 형성되고 도체 재질인 내부 케이싱부를 포함하며, 상기 외부 케이싱부와 상기 내부 케이싱부의 사이 공간은 밀폐되며 진공 상태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 외부 케이싱부는 바닥면이 있고 상부가 개방된 원통 형이고, 상기 내부 케이싱부는 상기 외부 케이싱부의 내경보다 작으며 바닥면이 있고 상부가 개방된 원통 형으로 상기 외부 케이싱부의 내부에 상기 외부 케이싱부의 안쪽 면과 이격되게 배치되며, 상기 레벨 측정용 도체부재는 상기 내부 케이싱부의 직경보다 작은 외경을 가지며, 상, 하부가 관통된 원통 형상을 가지고 상기 내부 케이싱부와 동심상에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 레벨 측정용 도체부재의 외경은 상기 내부 케이싱부의 내경보다 1 ~ 7mm 이내로 작게 형성되된 것을 특징으로 한다.

상기 레벨 측정용 도체부재가 연결되며 상기 저장 용기부재의 상부를 덮는 용기 커버부재를 더 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 저장부 내에서 상기 레벨 측정용 도체부재의 위치를 고정하며 절연 재질로 형성된 간격 유지부재를 더 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 레벨 측정용 도체부재에는 복수의 연통 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전계 집중을 극도로 완화시킨 센서 구조를 포함하여 고전압 환경에서 용기 내에 저장된 극저온 액체의 레벨을 절연 파괴의 위험 없이 안전하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

또 본 발명은 정전용량의 값이 큰 센서 구조를 포함하여 측정 오차 및 외부 노이즈에 의한 극저온 액체의 레벨 감지 오차를 크게 줄여 정확한 레벨을 측정하고, 측정 정확도를 향상시키는 효과가 있다.

또한 본 발명은 용기 내에 초전도 소자를 삽입할 수 있는 충분한 공간을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 레벨 센서 구조를 도시한 개략도
도 2는 본 발명의 분해 사시도
도 3 내지 도 4는 본 발명의 실시 예를 도시한 단면도
도 5는 본 발명의 다른 실시 예를 도시한 분해 사시도
도 6은 도 5의 단면도

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

이하, 도 2 내지 도 4에서 도시한 바와 같이 본 발명은 부에 극저온 용기가 저장되는 저장부(10a)가 형성된 저장 용기부재(10)를 포함한다.

상기 저장 용기부재(10)는 내부가 빈 공간인 외부 케이싱부(11)와, 외측면이 상기 외부 케이싱부(11)의 안쪽면과 이격되게 상기 외부 케이싱부(11)의 내부에 장착되며 내부에 극저온 액체가 저장되는 저장부(10a)가 형성된 내부 케이싱부(12)를 포함한다.

상기 극저온 액체는 액체 질소인 것을 일 예로 하여 설명한다.

상기 저장부(10a) 내에는 액체 질소가 저장되며, 초전도 소자(초전도 소자)가 삽입되는 것이다.

상기 외부 케이싱부(11)는 바닥면이 있고 상부가 개방된 원통 형이고, 상기 내부 케이싱부(12)는 상기 외부 케이싱부(11)의 내경보다 작으며 바닥면이 있고 상부가 개방된 원통 형으로 상기 외부 케이싱부(11)의 내부에 상기 외부 케이싱부(11)의 안쪽 면과 이격되게 배치된다.

상기 내부 케이싱부(12)는 외측면 및 바닥면이 상기 외부 케이싱부(11)의 외측면과 바닥면에 이격되게 배치된다.

상기 외부 케이싱부(11)와 상기 내부 케이싱부(12)의 간격 상부에는 상기 외부 케이싱부(11)와 상기 내부 케이싱부(12)가 각각 연결되어 상기 외부 케이싱부(11)와 상기 내부 케이싱부(12)의 간격 상부를 덮어 간격 내부를 밀폐시키는 환형 커버 패널부(13)가 구비된다.

상기 외부 케이싱부(11)와 상기 내부 케이싱부(12)의 사이 공간은 상기 환형 커버 패널부(13)에 의해 밀폐되며 진공 상태로 형성되는 것이다.

상기 내부 케이싱부(12)는 스테인레스 스틸과 같은 금속으로 제조되는 것을 일 예로 하며, 이외에도 도체 금속으로 제조되는 것을 기본으로 한다.

상기 내부 케이싱부(12)는 접지된다.

본 발명은 상기 저장 용기부재(10)의 내부 직경보다 작은 외경을 가지고 상기 저장 용기의 내주면을 감싸는 형상을 가지며 상기 저장 용기부재(10)의 내주면과 이격되게 상기 저장부(10a) 내에 배치되는 레벨 측정용 도체부재(20)를 더 포함하다.

상기 레벨 측정용 도체부재(20)는 상기 내부 케이싱부(12)의 형상과 대응되는 형상으로 직경만 작게 형성되는 것으로 상기 내부 케이싱부(12)와 동심 상으로 배치되어 외주면 둘레로 상기 내부 케이싱부(12)의 내주면과 일정한 간격이 형성되게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부 케이싱부(12)는 바닥면을 가지며 상부가 개방된 원통 형상을 가지며 상기 레벨 측정용 도체부재(20)는 상기 내부 케이싱부(12)의 직경보다 작은 외경을 가지며, 상, 하부가 관통된 원통 형상을 가지는 것이 바람직한 것이다.

상기 레벨 측정용 도체부재(20)의 외경은 상기 내부 케이싱부(12)의 내경보다 수mm(1 ~ 7mm) 이내로 작게 형성되어 상기 레벨 측정용 도체부재(20)의 면적 즉, 전극 면적을 매우 크게 하는 것이다.

본 발명은 도 3에서 도시한 바와 같이 상기 레벨 측정용 도체부재(20)가 연결되며 상기 저장 용기부재(10)의 상부를 덮는 용기 커버부재(30)를 더 포함한다.

상기 레벨 측정용 도체부재(20)는 상기 용기 커버부재(30)의 하부면에 연결되어 상기 저장 용기부재(10)의 저장부(10a) 내에서 상기 저장 용기부재(10)의 내주면과 간격을 유지한 상태로 배치되는 것이다.

또 본 발명은 도 4에서 도시한 바와 같이 상기 내부 케이싱부(12)와 상기 레벨 측정용 도체부재(20)의 사이에서 상기 내부 케이싱부(12)와 상기 레벨 측정용 도체부재(20)를 연결하여 상기 레벨 측정용 도체부재(20)의 위치를 고정하며 절연 재질로 형성된 간격 유지부재(40)를 더 포함한다.

상기 간격 유지부재(40)는 전기가 통하지 않는 절연 재질로 형성되어야 하는 것이다.

상기 간격 유지부재(40)는 상기 내부 케이싱부(12)의 내주면에 고정된 너트(41a)와, 상기 레벨 측정용 도체부재(20)를 관통하여 체결되는 고정 볼트(41)를 사용하는 것을 일 예로 한다.

상기 고정 볼트(41)와, 너트(41a)는 전기가 통하지 않는 절연 재질로 이루어진다.

상기 너트(41a)는 상기 내부 케이싱부(12)의 내주면에 고정되어 상기 고정 볼트(41a)가 상기 내부 케이싱부(12)를 관통하여 장착되지 않는 것이다.

이는 상기 고정 볼트(41a)가 상기 내부 케이싱부(12)를 관통하는 경우 극저온의 액체인 액체 질소를 저장하는 상기 내부 케이싱부(12)의 실링 확보에 어려움이 있기 때문인 것이다.

상기 간격 유지부재(40)는 상기 내부 케이싱부(12)와 상기 레벨 측정용 도체부재(20)의 사이에 끼워져 상기 레벨 측정용 도체부재(20)의 위치를 고정하는 끼움 고정구(42)를 사용할 수 도 있다.

상기 간격 유지부재(40)는 상기 저장 용기부재(10)의 내주면 즉, 상기 내부 케이싱부(12)의 내주면에서 상기 레벨 측정용 도체부재(20)를 이격되게 위치 고정할 수 있는 어떠한 것으로도 변형 실시할 수 있음을 밝혀둔다.

도 5 내지 도 6에서 도시한 바와 같이 상기 레벨 측정용 도체부재(20)에는 복수의 연통 구멍(21)이 형성될 수도 있다.

상기 저장 용기부재(10)의 크기가 작은 경우 냉동기(50)로 인한 절연 파괴의 위험으로 냉동기(50)를 옆으로 설치하는 경우에 상기 레벨 측정용 도체부재(20)가 냉각에 영향을 줄 수 있는 것이다.

냉각 시 상기 냉동기(50)에 의해 냉각된 액체 질소는 하강하고 중심부에서 액체 질소가 상승하는 자연 대류가 발생하면서 중앙에 있는 초전도 소자를 냉각하게 되는데, 삽입된 내부의 도체 판이 자연 대류를 방해하게 되므로 상기 연통 구멍(21)을 뚫어 자연 대류를 방해하지 않고 냉각이 원활하게 되도록 하는 것이 바람직한 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같이 접지된 도체 재질의 상기 내부 케이싱부(12) 내부에 하나의 도체 판 즉, 상기 레벨 측정용 도체부재(20)를 삽입하여 상기 저장부(10a) 내 극저온 액체인 액체 질소의 레벨을 정확하게 측정하는 것이다.

본 발명은 상기 내부 케이싱부(12) 내부에 수 mm로 이격되어 넓은 면적을 가지는 상기 레벨 측정용 도체부재(20)로 전계 집중을 극도로 완화시켜서 절연 파괴의 위험을 최소화하는 것이다.

또, 본 발명은 정전 용량 값이 커져 액체 질소의 레벨의 측정 오차 및 외부 노이즈에 의한 오차를 크게 줄여 정확한 질소의 레벨의 측정 값을 안정적으로 확보할 수 있는 것이다.

또한 본 발명은 저장부 내의 초전도 소자를 삽입할 수 있는 충분한 공간 확보가 가능한 것이다.

상기 내부 케이싱부(12)는 접지되며, 상기 레벨 측정용 도체부재(20)는 출력을 증촉하고, 정전 용량의 변화량을 전압 변화로 바꾸어 출력하는 전하 증폭부에 연결되어 전류가 통하게 되는 것이다.

상기 내부 케이싱부(12)와 상기 레벨 측정용 도체부재(20)의 사이에서 상기 액체 질소와 기체 질소의 유전율이 다르기 때문에 액체 질소 레벨이 변하면 두 도체 사이의 유효 유전율이 변화되고, 상기 수학식 1에 의하여 정전용량이 변하게 된다. 이를 이용하여 액체 질소의 레벨을 측정하는 것이다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.

10 : 저장 용기부재 11 : 외부 케이싱부
12 : 내부 케이싱부 20 : 레벨 측정용 도체부재

Claims (8)

1. 내부에 극저온 액체가 저장되며, 초전도 소자가 삽입되는 저장부가 형성된 저장 용기부재와;
   상기 저장 용기부재의 내부 직경보다 작은 외경을 가지고 상기 저장 용기의 내주면을 감싸는 형상을 가지며 상기 저장 용기부재의 내주면과 이격되게 상기 저장부 내에 배치되는 레벨 측정용 도체부재를 포함하며,
   상기 저장 용기부재의 내주면과 상기 레벨 측정용 도체부재 사이에서 정전 용량 차이를 측정하여 상기 저장 용기부재 내의 상기 극저온 액체의 레벨을 감지하고,
   상기 레벨 측정용 도체부재에는 복수의 연통 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 전력 기기용 극저온 용기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 저장 용기부재는,
   내부가 빈 공간인 외부 케이싱부와;
   외측면이 상기 외부 케이싱부의 안쪽면과 이격되게 상기 외부 케이싱부의 내부에 장착되며 내부에 극저온 액체가 저장되는 저장부가 형성되고 도체 재질인 내부 케이싱부를 포함한 것을 특징으로 하는 초전도 전력 기기용 극저온 용기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 외부 케이싱부와 상기 내부 케이싱부의 사이 공간은 밀폐되며 진공 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 기기용 극저온 용기.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 외부 케이싱부는 바닥면이 있고 상부가 개방된 원통 형이고,
   상기 내부 케이싱부는 상기 외부 케이싱부의 내경보다 작으며 바닥면이 있고 상부가 개방된 원통 형으로 상기 외부 케이싱부의 내부에 상기 외부 케이싱부의 안쪽 면과 이격되게 배치되며,
   상기 레벨 측정용 도체부재는 상기 내부 케이싱부의 직경보다 작은 외경을 가지며, 상, 하부가 관통된 원통 형상을 가지고 상기 내부 케이싱부와 동심상에 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 기기용 극저온 용기.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 레벨 측정용 도체부재의 외경은 상기 저장 용기부재의 내경보다 1 ~ 7mm 이내로 작게 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 전력 기기용 극저온 용기.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 레벨 측정용 도체부재가 연결되며 상기 저장 용기부재의 상부를 덮는 용기 커버부재를 더 포함한 것을 특징으로 하는 초전도 전력 기기용 극저온 용기.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 저장부 내에서 상기 레벨 측정용 도체부재의 위치를 고정하며 절연 재질로 형성된 간격 유지부재를 더 포함한 것을 특징으로 하는 초전도 전력 기기용 극저온 용기.
8. 삭제

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