KR101165229B1

KR101165229B1 - 열발생 방지를 위한 초전도 회전기

Info

Publication number: KR101165229B1
Application number: KR1020100124302A
Authority: KR
Inventors: 주진홍; 김영춘; 이정현; 권운식; 박희주
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-07-16
Also published as: KR20120063221A

Abstract

본 발명이 해결하려는 과제는 전류도입선에서 발생하는 줄열을 방지하기 위한 열발생 방지를 위한 초전도 회전기를 제공하는 것이다. 본 발명인 열발생 방지를 위한 초전도 회전기는, 극저온 환경을 유지하기 위한 저온용기; 상기 저온용기 내부에 구비되어, 자기장을 발생시키는 초전도 코일; 상기 초전도 코일에 전류를 공급하기 위한 전류도입선; 및 상기 전류도입선에서 발생하는 줄열(Joule's heat)을 방지하기 위한 줄열방지부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 전기저항이 제로인 고온초전도 벌크를 전류도입선에 구비함으로써, 전기저항에 의한 유효전력의 손실이 발생하지 않으므로 줄열의 발생을 방지할 수 있으며, 이로 인해 초전도 코일의 안정성이 향상되는 장점이 있다.

Description

열발생 방지를 위한 초전도 회전기{Superconducting generators to prevent heat generation}

본 발명은 열발생 방지를 위한 초전도 회전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류도입선에서 발생하는 줄열을 방지하여 초전도 코일의 안정성을 향상시키기 위한 열발생 방지를 위한 초전도 회전기에 관한 것이다.

초전도 현상이란 어떤 물질을 극저온까지 냉각시켰을 경우에 전기저항이 0이 되는 현상으로 일단 흐르기 시작한 전류는 감소하지 않고 영구히 흐르게 된다. 이러한 초전도 현상을 이용하면 전력의 손실이 없기 때문에 에너지 분야에서 활발히 연구되고 있으며, 특히 초전도 모터, 발전기와 같은 초전도 회전기는 종래의 회전기에 비하여 전력손실이 약 40%로 줄어드는 장점이 있다.

이러한 초전도 회전기의 원리는 종래의 회전기와 동일하지만, 회전자에 자성체를 사용하지 않고 초전도 코일을 사용하여 전기저항을 0으로 함으로써 매우 강력한 자기장을 발생시킨다. 상기 초전도 코일은 극저온상태를 유지하기 위하여 저온용기(Cryostat) 내부에 위치하며, 초전도 코일에 전류를 공급하기 위하여 외부에 위치한 전원공급장치와 연결되는 전류도입선을 사용한다.

즉 전류도입선은 저온용기의 내부에 위치한 초전도 코일과 외부에 위치한 전원공급장치를 연결하는 것으로, 종래 전류도입선은 저항이 낮고 열전도도가 매우 우수한 무산소 동 또는 구리 합금을 사용하였다. 또한 전류도입선은 비열과 열용량이 매우 작고 열전도가 매우 크기 때문에 외부 열이 초전도 코일로 전도되는 것을 방지하기 위하여 가늘고 긴 형태로 제작하여 사용하였다.

그러나 가늘고 긴 형태의 전류도입선에 의하여, 전류도입선 내부의 전기저항이 크게 증가하고 이로 인해 대전류 통전에 의한 전압강하로 인하여 상당히 많은 양의 줄열(Joule's heating)이 발생하는 문제점이 있었다.

또한 줄열으로 인하여 비열과 열용량이 작은 전류도입선의 온도가 급격히 상승하므로, 초전도 코일의 안정도가 저하되는 문제점이 있었다.

또한 전류도입선을 통해 외부의 열이 저온용기의 내부로 유입되어 저온용기 내부의 온도가 상승하므로, 초전도 코일의 안정도가 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하려는 과제는 전류도입선에서 발생하는 줄열을 방지하기 위한 열발생 방지를 위한 초전도 회전기를 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 해결하려는 과제는 전류도입선으로부터 유입되는 열을 방지하기 위한 열발생 방지를 위한 초전도 회전기를 제공하는 것이다.

열발생 방지를 위한 초전도 회전기는, 극저온 환경을 유지하기 위한 저온용기; 상기 저온용기 내부에 구비되어, 자기장을 발생시키는 초전도 코일; 상기 초전도 코일에 전류를 공급하기 위한 전류도입선; 및 상기 전류도입선에서 발생하는 줄열(Joule's heat)을 방지하기 위한 줄열방지부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전류도입선으로부터 유입되는 열을 방지하기 위한 열앵커(Thermal anchor)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 줄열방지부재는, 극저온 환경에서 전기저항이 제로가 되는 고온초전도 벌크를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 줄열방지부재는, 상기 초전도 코일과 상기 열앵커의 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

또한 상기 줄열방지부재는, 이트륨(Yttrium)계 화합물 또는 희토류(Rare earth)계 화합물로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 전기저항이 제로인 고온초전도 벌크를 전류도입선에 구비함으로써, 전기저항에 의한 유효전력의 손실이 발생하지 않으므로 줄열의 발생을 방지할 수 있으며, 이로 인해 초전도 코일의 안정성이 향상되는 장점이 있다.

또한 초저온 상태를 유지시키는 열앵커를 전류도입선에 구비함으로써, 전류도입선으로부터 유입되는 열을 방지하고 고온초전도 벌크를 초전도 상태로 유지할 수 있으며, 이로 인해 초전도 코일의 안정성이 더욱 향상되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명인 열발생 방지를 위한 초전도 회전기의 일 실시예를 도시한 구성도.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기서 설명하는 일 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 고안을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명인 열발생 방지를 위한 초전도 회전기의 일 실시예를 도시한 구성도로, 본 발명은 극저온 환경을 유지하기 위한 저온용기(10); 상기 저온용기(10) 내부에 구비되어, 자기장을 발생시키는 초전도 코일(20); 상기 초전도 코일(20)에 전류를 공급하기 위한 전류도입선(30); 및 상기 전류도입선(30)에서 발생하는 줄열(Joule's heat)을 방지하기 위한 줄열방지부재(40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전류도입선(30)으로부터 유입되는 열을 방지하기 위한 열앵커(50)를 더 포함한다.

상기 저온용기(10)는 극저온 환경을 유지하기 위한 것으로, 저온용기(10) 내부에는 초전도 코일(20), 전류도입선(30), 줄열방지부재(40) 및 열앵커(50)가 구비된다. 일반적으로 극저온(Super low temperature)이란, 액체 질소의 비등점(-196℃)보다 낮은 온도를 말한다.

저온용기(10)는 냉매를 이용하여 극저온 환경을 유지시키는 것이 바람직하며, 상기 냉매로 액체 헬륨이나 액체 질소 등이 사용된다. 즉 액체 헬륨이나 액체 질소가 저온용기(10)에 담겨져 극저온 환경을 유지한다. 또한 저온용기(10)는 외부로부터 열의 유입을 방지하기 위하여 상기 저온용기(10)의 외벽과 내벽 사이에 진공층 및 냉매층을 형성하는 것이 바람직하며, 복사열을 막기 위한 슈퍼 절연층이 더 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 저온용기(10)에 의하여 내부는 -196℃ 이하의 극저온 환경이 유지되며, 초전도 코일(20), 전류도입선(30), 줄열방지부재(40) 및 열앵커(50)는 극저온 환경이 유지되는 저온용기(10) 내에 위치하므로 전기저항이 매우 감소하게 된다.

상기 초전도 코일(20)은 저온용기(10) 내부에 구비되어, 전원공급장치(60)로부터 공급받은 전류을 기반으로 자기장을 발생시킨다. 초전도(Superconductivity)란, 일정 온도에서 전기저항이 전혀 없이 전류가 흘러가는 현상으로, 어떤 종류의 금속이나 합금을 극저온 가까이 냉각하는 경우에 이러한 현상이 나타난다. 이러한 초전도 현상을 가지는 금속 또는 합금을 이용하여 초전도 코일(20)을 제작하며, 초전도 코일(20)은 극저온 환경이 유지되는 저온용기(10) 내부에 위치하므로, 극저온 환경에서 전기저항이 제로인 상태로 전류가 흐르게 된다.

여기서 극저온이란 -196℃ 이하를 말하며, 초전도 코일(20)의 경우에 고온초전도 선재로 구성된 코일은 -196℃ 이하에서 전기저항이 제로가 되는 초전도 현상이 나타나고, 저온초전도 선재로 구성된 코일은 -243℃ 이하에서 초전도 현상이 나타난다.

상기 전류도입선(30)은 초전도 코일(20)에 전류를 공급하기 위한 것으로, 전원공급장치(60)에서 발생한 전류를 초전도 코일(20)에 공급한다. 즉 전류도입선(30)의 일단은 저온용기(10)의 내부에 위치하고 타단은 저온용기(10)의 외부에 위치하여 전원공급장치(60)에서 발생한 전류를 초전도 코일(20)에 공급한다.

또한 전류도입선은 저항이 낮고 열전도도가 우수한 무산소 동 또는 구리합금을 사용하며, 이러한 전류도입선은 비열과 열용량은 매우 작고 열전도는 매우 큰 특성을 갖기 때문에 외부 열이 초전도 코일로 전도되는 것을 방지하기 위하여 가늘고 긴 형태로 제작하여 사용하고 있다.

상기 줄열방지부재(40)는 전류도입선(30)에서 발생하는 줄열(Joule's heat)을 방지하기 위한 것으로, 극저온 환경에서 전기저항이 제로가 되는 고온초전도 벌크를 사용하는 것이 바람직하며, 고온초전도 벌크는 전류도입선(30) 상에 위치한다. 또한 고온초전도 벌크는 자체의 비열과 열용량이 매우 크므로 온도변화가 매우 적으며 열전도도도 매우 적고 극저온 환경에서 전기저항이 제로가 되는 특성을 가지고 있다.

즉 고온초전도 벌크의 비열과 열용량이 매우 크므로 외부에서 유입되는 열을 차단할 수 있고, 또한 극저온 환경에서 전기저항이 제로가 되므로 무산소 동 또는 구리합금이 사용되는 전류도입선(30)에서 발생하는 유효전력의 손실이 발생하지 않으며, 이로 인해 줄열이 발생하지 않는다.

이러한 고온초전도 벌크의 특성에 의해 열의 유입과 열의 발생을 방지하므로 초전도 코일(20)의 안전성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 줄열방지부재(40)는 이트륨(Yttrium)계 화합물 또는 희토류(Rare earth)계 화합물로 구성되는 것이 바람직하며, 줄열방지부재(40)는 초전도 코일(20)과 열앵커(50)의 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 열앵커(50)는 전류도입선(30)으로부터 유입되는 열을 방지하기 위한 것으로, 전류도입선(30) 상에 위치한다. 열앵커(50)는 극저온인 -196℃ 이하로 유지되는 특성을 가지고 있으며, 이러한 특성에 의해 전류도입선(30)으로부터 유입되는 열을 차단하고 줄열방지부재(40)가 초전도 상태를 유지하도록 한다.

즉 열앵커(50)가 전류도입선(30) 상에 구비되므로 전류도입선(30)을 통해 유입되는 열을 차단할 수 있으며, 또한 줄열방지부재(40)는 극저온 상태에서 초전도 특성을 가지고, 열앵커(50)에 의해 -196℃ 이하의 극저온 상태를 유지하게 되므로, 초전도 특성에 의해 전기저항이 제로가 되어 줄열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한 열앵커(50)는 이러한 기능을 효과적으로 발휘하기 위하여, 줄열방지부재(40)와 전원공급장치(60)의 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 즉 일차적으로 열앵커(50)에 의해 외부에서 유입되는 열이 차단되고, 이차적으로 줄열방지부재(40)에 의해 열의 발생이 방지되므로, 초전도 코일(20)의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이상 본 발명인 열발생 방지를 위한 초전도 회전기의 구성과 기능에 대하여 상세하게 설명하였다. 이하 본 발명인 열발생 방지를 위한 초전도 회전기의 동작상태에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저 전원공급장치(60)에 의해 전류가 발생하고, 상기 전류는 전류도입선(30)을 거쳐 저온용기(10)의 내부에 위치하는 초전도 코일(20)에 공급된다. 이때 전류도입선(30)의 일단은 저온용기(10)의 내부에 위치하고 타단은 저온용기(10)의 외부에 위치하므로, 전류가 전류도입선(30)으로 공급되는 동시에 외부의 열도 유입된다. 종래에는 이러한 열에 의해 저온용기(10)의 내부 온도가 급격히 상승하였으나, 본 발명의 일 실시예에 의하면 열앵커(50)에 의해 열의 유입이 차단되어 온도상승을 방지한다.

즉 열앵커(50)가 전류도입선(30) 상에 구비되고, 이러한 열앵커(50)는 극저온 환경인 -196℃를 유지하는 특성을 가지고 있으므로, 열의 유입을 일차적으로 차단한다.

상기 열앵커(50)에 의해 외부에서 유입되는 열은 차단되나, 전류도입선(30)의 특성상 전원공급장치(60)에서 공급되는 전류에 의해 자체적으로 열이 발생하게 된다. 즉 전류도입선(30)은 외부의 열의 유입을 방지하기 위하여 가늘고 긴 형태를 가지기 때문에, 전기저항이 증가되어 줄열이 발생하여 저온용기(10) 내부의 온도가 급격히 상승한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 초전도 코일(20)과 열앵커(50)의 사이에 줄열방지부재(40)가 구비되며, 이러한 줄열방지부재(40)는 비열과 열용량이 매우 큰 특징을 가지며 극저온 상태에서 전기저항이 제로가 되는 특성을 가진다. 따라서 줄열방지부재(40)가 전류도입선(30) 상에 위치함으로써, 전류도입선(30)의 특성에 따른 줄열의 발생을 방지할 수 있다.

즉 일차적으로 열앵커(50)에 의해 열의 유입이 차단되고, 이차적으로 줄열방지부재(40)에 의해 열의 발생이 방지되어 저온용기(10) 내부의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 이로 인해 초전도 코일(20)의 안전성을 향상시킬 수 있다. 따라서 줄열방지부재(40)와 열앵커(50)에 의해 저온용기(10)의 내부 상태는 극저온 상태가 유지되며, 이러한 극저온 상태 하에서 초전도 코일(20)은 전기저항이 제로가 되어 초전도 상태에서 전류가 흐르게 된다.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 일 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있고, 이러한 구현은 앞서 설명한 일 실시예의 기재로부터 본 고안이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있다.

또한, 이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

10… 저온용기
20… 초전도 코일
30… 전류도입선
40… 줄열방지부재
50… 열앵커
60… 전원공급장치

Claims

극저온 환경을 유지하기 위한 저온용기;
상기 저온용기 내부에 구비되어, 자기장을 발생시키는 초전도 코일;
상기 초전도 코일에 전류를 공급하고, 무산소 동 또는 구리합금으로 구성된 전류도입선; 및
상기 전류도입선에서 발생하는 줄열(Joule's heat)을 방지하기 위한 줄열방지부재를 포함하며,
상기 줄열방지부재는,
이트륨(Yttrium)계 화합물 또는 희토류(Rare earth)계 화합물로 구성되며,
상기 저온용기는,
외벽과 내벽 사이에 진공층, 냉매층, 복사열을 막기 위한 절연층이 포함되는 것을 특징으로 하는 열발생 방지를 위한 초전도 회전기.
제1항에 있어서,
상기 전류도입선으로부터 유입되는 열을 방지하기 위한 열앵커(Thermal anchor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열발생 방지를 위한 초전도 회전기.
제1항에 있어서, 상기 줄열방지부재는,
극저온 환경에서 전기저항이 제로가 되는 고온초전도 벌크를 사용하는 것을 특징으로 하는 열발생 방지를 위한 초전도 회전기.
제2항에 있어서, 상기 줄열방지부재는,
상기 초전도 코일과 상기 열앵커의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 열발생 방지를 위한 초전도 회전기.
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