KR101178260B1 - 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펌프에 관한 것으로, 액체유입구 및 액체유출구가 구비되고 날개수용부가 형성된 펌프 하우징과; 상기 펌프 하우징의 내부에 설치되고, 회전축의 중심이 되는 축부와 상기 날개수용부에 수용되는 날개부가 형성되고, 회전됨에 의해 액체유입구로 유입되는 액체를 액체유출구측으로 유동시키는 임펠러와; 상기 임펠러의 날개부 단부 인접부에 설치된 영구자석과; 다수의 초전도 코일 형태로 형성되고, 상기 펌프하우징 내부에 임펠러 날개부의 회전 궤적 대응부위에 환형으로 설치되어, 외부에서 공급되는 전류에 의해 상기 영구자석과의 극성 교번에 의해 상기 임펠러를 회전시키는 초전도 전동 코일부와; 다수의 초전도 코일 형태로 형성되고, 상기 펌프하우징 내부의 날개 수용부에 수용된 상기 임펠러의 날개부에 설치된 영구자석을 감싸는 형태로 설치된 간극조절 초전도 코일부; 그리고, 상기 임펠러의 축부에 설치되는 베어링;을 포함하여 구성되는 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 초전도 전자석을 이용하여 모터와 펌프역할을 동시에 수행할 수 있으며, 임펠러에 초전도 전자석을 적용하여 임펠러를 안정되게 회전시켜 액체를 펌핑함에 의해 구조적으로 안정하며 전기적 효율이 향상되는 이점이 있다.
하우징 초전도체 모터 결합 펌프

Description

초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프{pump for using superconducting electromagnet and magnet}
본 발명은 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 극저온 액체 펌프의 임펠러에 초전도 전자석을 적용하여 임펠러를 안정되게 회전시켜 액체를 펌핑함에 의해 구조적으로 안정하며 전기적 효율이 향상되는 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프에 관한 것이다.
일반적으로, 극저온 액체 또는 액체를 이송하기 위해서는 펌프가 사용되며, 기존의 펌프인 경우에는 임펠러가 형성된 회전자에 영구자석을 설치하고, 상기 회전자를 회전시키기 위한 고정자는 보빈에 권취된 계자코일인 2상 내지 4상의 계자철심을 사용한다.
그러나 상기와 같이 고정자에 일반 코일을 권선하여 계자 철심으로 사용하는 경우에는 코일에서 열이 발생되어 발열문제가 발생한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 극저온 액체 펌프의 임펠러에 초전도 전자석을 적용하여 임펠러를 안정되게 회전시켜 액체를 펌핑시킴에 의해 구조적으로 안정하며 전기적 효율이 향상되는 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 액체유입구 및 액체유출구가 구비되고 날개수용부가 형성된 펌프 하우징과; 상기 펌프 하우징의 내부에 설치되고, 회전축의 중심이 되는 축부와 상기 날개수용부에 수용되는 날개부가 형성되고, 회전됨에 의해 액체유입구로 유입되는 액체를 액체유출구측으로 유동시키는 임펠러와; 상기 임펠러의 날개부 단부 인접부에 설치된 영구자석과; 다수의 초전도 코일 형태로 형성되고, 상기 펌프하우징 내부에 임펠러 날개부의 회전 궤적 대응부위에 환형으로 설치되어, 외부에서 공급되는 전류에 의해 상기 영구자석과의 극성 교번에 의해 상기 임펠러를 회전시키는 초전도 전동 코일부와; 다수의 초전도 코일 형태로 형성되고, 상기 펌프하우징 내부의 날개 수용부에 수용된 상기 임펠러의 날개부에 설치된 영구자석을 감싸는 형태로 설치된 간극조절 초전도 코일부; 그리고, 상기 임펠러의 축부에 설치되는 베어링;을 포함하여 구성되는 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 날개부는 2단 내지 4단으로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 초전도 코일은 보빈에 테이프 형상의 초전도 선재가 권취되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 초전도 코일은 상기 펌프하우징 내부에 유입되는 액체에 의해 냉각되어 초전도 현상이 나타나는 것이 바람직하다.
이에 따라, 초전도 전자석을 적용하여 임펠러를 안정되게 회전시켜 액체를 펌핑시킴에 의해 구조적으로 안정하며 전기적 효율이 향상되는 이점이 있다.
상기의 구성에 의한 본 발명은 초전도 전자석을 적용하여 임펠러를 안정되게 회전시켜 액체를 펌핑시킴에 의해 구조적으로 안정하며 전기적 효율이 향상되는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프의 개략 단면도이고, 도 2는 본 발명의 초전도 전동 코일부와 간극조절 초전도 코일부의 설치형상을 나타낸 요부 단면도이고, 도 3은 1단으로 형성된 초전도 코일 단위체의 사시도이고, 도 4는 다단으로 형성된 초전도 코일 단위체의 사시도이며, 도 5는 다단 날개가 형성된 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프의 개략 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프는 크게 펌프하우징(100)과, 임펠러(200)와, 영구자석(300)과, 초전도 전동 코일 부(400)와 간극조절 초전도 코일부(450) 그리고 베어링(600)으로 구성된다.
먼저 펌프하우징(100)에 대해 설명한다.
상기 펌프하우징(100)은 극저온 액체인 천연액화가스(LNG), 액체질소, 액체산소, 액체헬륨 등이 유입되는 액체유입구(101)가 일측에 형성되며, 액체유입구(101) 반대측에는 극저온 액체가 배출되는 액체유출구(102)가 형성되게 구성된다. 그리고 상기 펌프 하우징(100)에는 후술하는 임펠러의 날개부가 수용되는 날개수용부(110)가 형성된다.
여기서 최근에는 초전도체 중 고온 초전도체가 개발되고 있는 실정이며, 이중 대표적인 경우가 비스무스(Bi)계 초전도체, 탈륨(Tl)계 초전도체, 수은(Hg)계 초전도체로써, 이들이 고온 초전도체의 대표적인 예이며, 비스무스(Bi)계 초전도체의 임계온도는 약 110K 정도이고, 탈륨(Tl)계 초전도체의 임계온도는 약 125K 정도이며, 수은(Hg)계 초전도체의 임계온도는 약 135K 정도로 알려져 있다. 그리고 극저온 액체인 천연액화가스(LNG)는 액화온도가 약 111K 정도이고, 액체질소의 액화온도는 약 77K 정도이고, 액체산소의 액화온도는 약 90K 정도이며, 액체헬륨의 액화온도는 약 268K 정도로 알려져 있다. 따라서 상기 비스무스(Bi)계 초전도체, 탈륨(Tl)계 초전도체, 수은(Hg)계 초전도체는 상기의 극저온 액체에서는 대부분 초전도 현상을 나타냄을 알 수 있다. 따라서 상기 극저온 액체를 수용하는 탱크 내부에서는 상기에서 예를 든 재질로 형성된 코일은 초전도 현상을 나타냄을 알 수 있다. 상기의 점에 착안하여 본 발명을 착안하게 되었다.
상기 임펠러(200)는 크게 축부(210)와 날개부(220)로 구성되어 상기 펌프하 우징(100) 내부에 수용되어 외부의 외력에 의해 회전되며, 상기 외력이 초전도 현상에 의해 발현되는 힘과 연관되는바, 상기와 같이 초전도체에 대해 간단히 설명한 이유이다.
상기 축부(210)는 일정직경을 가지는 원통형상으로 형성되고, 상기 축부(210)의 외주면에 외측으로 돌출된 형상으로 날개부(220)가 다수개 형성된다. 외력에 의해 상기 임펠러(200)가 회전하게 되면 상기 날개부(200)의 회전작용에 의해 상기 액체유입구(10)측으로 유입된 극저온 액체가 상기 액체유출구(102)측으로 배출되게 되며, 상기 임펠러(200)의 회전력을 주는 외력으로 초전도체를 이용한 자기력을 이용할 수 있다. 상기 날개부(220)는 도 1과 같이 1단으로 형성하거나 필요시, 도 5와 같이 2단 또는 3단 형태로 형성하여도 무방하다.
상기 임펠러(200)의 날개부(220) 단부 인접부에는 날개부(220)의 외측면에 영구자석(300)이 설치될 수 있고, 여기서 상기 영구자석(300)은 통상적인 형태의 영구자석(300)인바 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 초전도 전동 코일부(400)는 중앙에 통공(412)이 형성된 보빈(411)의 외주면에 초전도 테이프(413)가 레이스 트랙형으로 다수회 감겨진 형태의 초전도 코일 단위체(410)가 집합체로 형성된다. 상기 초전도 전동 코일부(400)는 초전도 코일 단위체(410)가 방사상으로 배열되는 형태로 형성되며, 상기 펌프하우징(100) 내부에 상기 임펠러 날개부(220)의 회전 궤적 대응부위에 방사형으로 설치되어, 외부에서 전류가 공급된다. 여기서 상기 초전도 전동 코일부(400)는 상기 펌프하우징(100) 내부의 극저온 액체가 수용되는 공간 내부에 설치되는바, 상기 극저온 액 체인 액체질소, 액체산소, 액체헬륨 등의 열전도에 의해 상기 초전도 코일 단위체(410)의 초전도 테이프(413) 각각이 초전도 현상을 일으키게 된다.
따라서 상기 각각의 초전도 코일 단위체(410)에 인가되는 전류 또는 전류의 위상을 제어함에 의해 상기 영구자석(300)과 극성 교번시키는 방법으로 상기 임펠러(200)를 회전시키게 되는 것이다. 여기서 상기 초전도 코일 단위체(410)는 초전도체이므로 전류가 가해지더라도 열 발생이 되지 않는 바, 상기 펌프하우징(100) 내부에 수용된 극저온 액체에 대한 열 전달이 없게 되어 열교란 현상이 없게 된다.
상기 간극조절 초전도 코일부(450)는 중앙에 통공(412)이 형성된 보빈(411)의 외주면에 초전도 테이프(413)가 레이스 트랙형으로 다수회 감겨진 형태의 초전도 코일 단위체(410)의 집합체로 형성되어 상기 펌프하우징(100) 내부에 설치되는 바, 상기 초전도 코일 단위체(410)가 상기 펌프하우징(100) 내부의 상기 임펠러(200)의 영구자석(300) 형성부위 상하부에 원형상으로 다수개 형성되어 간극조절 초전도 코일부(400)가 형성된다. 여기서 상기 초전도 코일 단위체(410)는 특정위치에 상하로 설치된 초전도 코일 단위체(410)가 한 쌍을 이루는 형태로 구성되며, 상기 임펠러 날개부(220)의 영구자석 형성부위를 상하에서 감싸는 형상으로 설치된다.
상기와 같이 설치된 간극조절 초전도 코일부(450)는 각 쌍의 초전도 코일 단위체(410)에 인가되는 전류 또는 전류의 위상을 제어함과 동시에 상기 영구자석(300)과의 극성을 매칭시키는 방법으로 상기 임펠러(200)를 부상(浮上)시켜 상기 임펠러의 날개부(220)와 펌프하우징(100) 날개수용부(110)와의 상하 간극을 적절히 제어하여 임펠러(200)의 회전을 용이하게 한다.
상기에서 초전도 코일 단위체(410)를 1단 형태로 설명하였으나 도 4와 같이, 다단형태의 보빈(411) 외주면에 초전도 테이프(413)가 레이스 트랙형으로 다수회 감겨진 형태로 구성 하여도 무방하다.
상기 베어링(600)은 상기 임펠러(200)의 축부(2100를 감싸는 형태로 상기 펌프하우징(100)의 내부에 설치되어 상기 임펠러(200)의 회전을 용이하게 하며, 상기 베어링(600)은 공지의 기술이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기의 구성에 의한 작동효과는 후술하는 바와 같다.
극저온 액체를 펌핑하고자 하는 경우, 사용자는 상기 펌프를 상기 극저온 액체가 수용된 탱크에 결합시킨다. 그런 다음, 상기 초전도 전동 코일부(400)에 전류를 공급함과 동시에 상기 초전도 전동 코일부(400)의 자극극성을 제어함에 의해 상기 영구자석(300)과 극성 교번시키는 방법으로 상기 임펠러(200)를 회전시킨다. 동시에 상기 간극조절 초전도 코일부(450)의 초전도 코일 단위체(410)에 인가되는 전류 또는 전류의 위상을 제어하여 상기 영구자석(300)과의 극성을 매칭시키는 방법으로 상기 임펠러(200)를 부상(浮上)시키게 되면, 상기 임펠러(200)는 상기 임펠러 날개부(220)와 펌프하우징(100) 날개수용부(110)와의 상하 간극을 적절히 유지한 상태에서 회전되게 한다.
상기 임펠러(200)가 회전하게 되면 상기 펌프하우징(100)의 액체유입구(101)로 유입된 극저온 액체는 임펠러(200)의 회전력에 의해 상기 액체유출구(102)를 통하여 배출되는 것이다.
이상에서와 같이 초전도 전자석을 이용하여 모터와 펌프역할을 동시에 수행할 수 있게 되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프의 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 초전도 전동 코일부와 간극조절 초전도 코일부의 설치형상을 나타낸 요부 단면도.
도 3은 1단으로 형성된 초전도 코일 단위체의 사시도.
도 4는 다단으로 형성된 초전도 코일 단위체의 사시도.
도 5는 다단 날개가 형성된 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프의 개략 단면도.
〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉
100 : 펌프하우징 101 : 액체유입구
102 : 액체유출구 110 : 날개수용부
200 : 임펠러 210 : 축부
220 : 날개부 300 : 영구자석
400 : 초전도전동코일부 410 : 초전도코일단위체
411 : 보빈 412 : 통공
413 : 초전도테이프 450 : 간극조절초전도코일부
600 : 베어링

Claims (4)

  1. 액체유입구 및 액체유출구가 구비되고 날개수용부가 형성된 펌프 하우징과; 상기 펌프 하우징의 내부에 설치되고, 회전축의 중심이 되는 축부와 상기 날개수용부에 수용되는 날개부가 형성되고, 회전됨에 의해 액체유입구로 유입되는 액체를 액체유출구측으로 유동시키는 임펠러와; 상기 임펠러의 날개부 단부 인접부에 설치된 영구자석과; 다수의 초전도 코일 형태로 형성되고, 상기 펌프하우징 내부에 임펠러 날개부의 회전 궤적 대응부위에 환형으로 설치되어, 외부에서 공급되는 전류에 의해 상기 영구자석과의 극성 교번에 의해 상기 임펠러를 회전시키는 초전도 전동 코일부와; 다수의 초전도 코일 형태로 형성되고, 상기 펌프하우징 내부의 날개 수용부에 수용된 상기 임펠러의 날개부에 설치된 영구자석을 감싸는 형태로 설치된 간극조절 초전도 코일부; 및, 상기 임펠러의 축부에 설치되는 베어링;을 포함하여 구성되는 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프에 있어서,
    상기 날개부는 2단 내지 4단으로 형성됨을 특징으로 하는 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 초전도 코일은 보빈에 테이프 형상의 초전도 선재가 권취됨을 특징으로 하는 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 초전도 코일은 상기 펌프하우징 내부에 유입되는 액체에 의해 냉각되어 초전도 현상이 나타남을 특징으로 하는 초전도 전자석을 이용한 모터 결합형 펌프.
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