KR101215552B1 - ６４ｋ운전 초전도 자기분리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초전도 자기분리 장치에 관한 것으로서, Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선(Coated Conductor)으로 이루어진 초전도 코일을 초전도 자석으로 사용하고, 이에 대한 냉매로 액체질소를 사용하되, 액체질소의 단열팽창에 의한 끓는점(77K) 보다 온도를 낮춘 64K에서 운전되도록 하는 것을 특징으로 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 경제적이면서 장치의 소형화를 도모하고 빠른 자기분리 처리가 가능하도록 하며, 보통의 액체질소(77K)보다 낮은 온도에서 운전되도록 하여 임계전류를 높일 수 있어 자기분리 장치의 효율을 높이면서 시스템의 안정적인 작동을 도모하는 이점이 있다.

Description

６４Ｋ운전 초전도 자기분리 장치{Magnetic separator operated at 64K}
본 발명은 초전도 자기분리 장치에 관한 것으로서, Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선(Coated Conductor)으로 초전도 코일을 제작하여 64K에서 운전되도록 하여 초전도 운전이 안정적으로 이루어지도록 하고 자기분리 처리효율을 높인 64K 운전 초전도 자기분리 장치에 관한 것이다.
근래 들어 초전도와 저온 발생기술이 크게 진보하여 경제성과 조작성이 우수한 초전도 마그넷이 실용화되고 있다. 이러한 초전도 마그넷을 자기분리 장치에 응용하면 현탁 미립자를 대량으로 고속 처리할 수 있으며, 에너지가 절약되고 적은 면적에서 소형장치로 처리할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 초전도 자기분리 장치는 초전도 자석을 이용하여 공장이나 가정에서 발생하는 폐수를 정화시키기 위한 장치의 일종으로써, 폐수 중에 포함된 분리를 원하는 물질을 자화시킨 후, 초전도 자석 사이에 삽입된 자기 필터에 폐수를 통과시키면 폐수에 포함된 분리시키고자 하는 물질이 필터에 흡착되어 분리되게 되는 것이다.
이러한 초전도 자기분리 장치를 사용하기 위해서는 초전도 운전을 위한 냉각장치가 기본적으로 구비되어 있어야 하며, 냉매로 사용되는 액체 질소는 대부분 끓는점(77K)의 온도에서 냉각재로 사용된다.
그리고, 액체질소를 밀폐한 상태에서 압력을 낮추면 단열팽창에 의해 온도가 내려가는데, 액체질소의 어는점(63.5K) 이하부터는 액체질소가 고체질소로 변하게 된다. 일반적으로 단열팽창에 의해 온도를 내리게 되면 어는점 근처까지 내려가게 되고, 흔히 압력을 낮추어 단열팽창에 의해 끓는점 보다 낮은 온도의 액체질소를 이용하는 경우 어는점 근처인 "64K 또는 65K 운전"이라는 표현을 사용한다.
한편, Re(Y, Sm, Ga, Ho, Yt 등)-123계 박막형 고온 초전도 테이프 선(CC-Coated Conductor)의 개발로 액체질소 온도(77K)에서도 우수한 특성을 나타낸다. 즉, 92~95K 임계온도보다 조금 낮은 온도인 77K 부근에서도 외부 자장의 증가에 따른 임계전류 값의 저하가 다른 고온 초전도선, 즉, Bi-2223 또는 Bi-2212 보다 적다. 그러나, 77K에서의 운전보다는 이보다 낮은 온도인 64K에서의 초전도 자석의 운전은 임계전류 밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이 초전도 운전을 위한 냉각을 냉동기를 사용하지 않고 냉매를 이용하여 냉각하는 초전도 자석은, 초전도 코일이 냉매와 직접 접촉하므로 코일의 안정성이 뛰어나고, 냉각속도가 빠르며, 켄치(quench)가 발생하더라도 열 발생 때문에 타버릴 염려가 없어 전류를 더 높일 수 있고, 전도냉각을 위한 전도성 금속을 사용할 필요가 없어 사이즈 축소가 가능하고, 가격이 비교적 저렴하며 줄열 발생을 줄이기 위한 초전도 전류 도입선을 사용하지 않아 장치가 간단한 장점이 있다.
따라서, Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선(Coated Conductor)으로 코일을 제작하여 64K에서 운전하면 현재의 초전도 선의 수준에서는 약 3T 정도의 자장을 발생시킬 수 있으며, 이 정도의 자장을 발생시킬 수 있다면 범용의 초전도 자기분리기용 자석(2T~3T)으로도 충분히 사용할 수 있는 자장의 세기를 가지고 있어, 기존의 초전도 자기분리 장치의 단점인 냉동기 사용에 따른 경제적, 공간적, 시간적 낭비에 대한 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명은 상기 필요성에 의해 고안된 것으로서, Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선(Coated Conductor)으로 초전도 코일을 제작하여 64K에서 운전되도록 하여 초전도 운전이 안정적으로 이루어지도록 하고 자기분리 처리효율을 높인 64K 운전 초전도 자기분리 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
또한, 코일챔버, 레벨미터 및 온도센서, 보조챔버의 구성으로 이루어져 자동으로 연속적인 작업이 이루어져 자기분리 처리효율을 보다 높인 64K 운전 초전도 자기분리 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선(Coated Conductor)으로 이루어진 초전도 코일을 초전도 자석으로 사용하고, 이에 대한 냉매로 액체질소를 사용하되, 액체질소의 단열팽창에 의한 끓는점(77K) 보다 온도를 낮춘 64K에서 운전되도록 하는 것을 특징으로 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 64K 운전 초전도 자기분리 장치는, 내부에 액체질소 및 상기 초전도 코일이 포함되며, 상기 초전도 코일의 축방향 중심에는 폐수의 유출입이 가능한 공간부가 형성된 코일챔버와; 상기 코일챔버 내부에 형성되며, 코일챔버 내부의 액체질소 레벨 및 온도를 측정하는 레벨미터 및 온도센서와; 상기 코일챔버 내부에 포함되며, 상기 코일챔버 내부의 액체질소 레벨보다 높은 위치에 형성되어 외부에서 공급되는 액체질소를 1차로 저장하여 상기 레벨미터에 따른 액체질소 레벨이 일정한 값 이하가 되면 상기 코일챔버에 액체질소를 자동 보충하도록 형성된 보조챔버;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 코일챔버에는 진공배기구가 형성되어, 액체질소를 단열팽창시켜 64K에 도달할 때까지 진공배기가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 보조챔버 내부에 레벨미터가 형성되어 액체질소의 레벨을 측정하여 일정한 값 이하가 되면 액체질소가 보조챔버로 자동공급되도록 하여 연속적인 작업이 이루어지도록 하며, 상기 보조챔버에는 기화된 질소가스를 외부에 배출하는 배출밸브가 형성되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 초전도 코일의 축방향은 사용환경이나 설치공간을 고려하여 수평 또는 수직으로 형성할 수 있다.
상기 과제 해결 수단에 의해, Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선(Coated Conductor)으로 초전도 코일을 초전도 자석으로 사용하고, 냉동기가 아닌 액체질소를 냉각수단으로 사용하여 경제적이면서 장치의 소형화를 도모하고 빠른 자기분리 처리가 가능하도록 하였으며, 보통의 액체질소(77K)보다 낮은 온도에서 운전되도록 하여 임계전류를 높일 수 있어 자기분리 장치의 효율을 높이면서 시스템이 안정적인 작동을 도모하는 효과가 있다.
또한, 액체질소의 레벨 및 온도 관리가 자동으로 이루어져 작업의 끊김이 없이 연속적으로 이루어지게 되어 자기분리 처리시간을 단축시키고 처리효율을 보다 높이는 효과가 있다.
도 1 - 본 발명의 제1실시예에 따른 64K 운전 초전도 자기분리 장치에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명의 제2실시예에 따른 64K 운전 초전도 자기분리 장치에 대한 모식도.
본 발명은 Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선(Coated Conductor)으로 초전도 코일을 초전도 자석으로 사용하고, 냉매로 단열팽창된 액체질소를 사용하여 64K에서 운전되도록 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치에 관한 것으로, 냉동기가 아닌 액체질소를 냉각수단으로 사용하여 경제적이면서 장치의 소형화를 도모하고 빠른 자기분리 처리가 가능하도록 하였으며, 보통의 액체질소(77K)보다 낮은 온도에서 운전되도록 하여 임계전류를 높일 수 있어 자기분리 장치의 효율을 높이면서 시스템이 안정적으로 작동되도록 한 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하고자 한다.
<제1실시예>
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 64K 운전 초전도 자기분리 장치에 대한 모식도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예는 코일챔버(100), 레벨미터 및 온도센서(200) 그리고 보조챔버(300)로 크게 구성된다. 여기에서 Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선으로 이루어진 초전도 코일을 초전도 자석으로 사용하였으며, 이에 대한 냉매로 액체질소(10)를 사용하였다.
본 발명에 따른 제1실시예는 초전도 코일의 축방향이 수직으로 형성된 경우, 즉, 초전도 코일의 상온 보아(코일 챔버 중심부에 형성된 공간부)가 수직으로 길게 형성된 경우이다.
먼저, 상기 코일챔버(100)는 내부에 액체질소(10) 및 상기 초전도 코일(20)이 포함되며, 상기 초전도 코일(20)의 축방향 중심에는 폐수의 유출입이 가능한 공간부(110)가 형성된다. 여기에서 상기 공간부(110)는 솔레노이드 형태로 감긴 초전도 코일(20)의 상온보아(warm bore) 역할을 하게 되며, 이 부분에 고구배의 고자장이 발생되므로 상기 공간부(110)로 폐수의 유출입이 이루어져 효율적인 자기분리가 실현되도록 한다. 물론 상기 공간부(110)에는 상용화된 자기필터(미도시)가 삽입되어져 있으며, 본 발명에서는 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상기 코일챔버(100)에는 진공배기구(120)가 형성되어 액체질소(10)를 단열팽창시켜 64K에 도달할 때까지 진공배기가 이루어지도록 한다. 즉, 본 발명은 액체질소(10)의 끓는점(77K) 보다 낮고 어는점(63.5K) 보다 높은 온도에서 운전되도록 하여 임계전류를 높여 고자장을 발생시키고자 하는 것이다. 이러한 코일챔버(100) 내부의 온도는 후술할 온도센서에 의해 코일챔버(100) 내부의 액체질소(10)의 온도를 측정하여 일정 온도 이하가 되면 자동으로 진공배기가 멈추도록 한다.
그리고, 상기 레벨미터 및 온도센서(200)는 상기 코일챔버(100) 내부에 형성되며, 코일챔버(100) 내부의 액체질소(10)의 레벨 및 온도를 측정하여 액체질소(10)의 양이 줄어들거나 온도가 상승하는 경우에 액체질소(10)의 보충이 이루어지도록 하고 진공배기 등의 냉각처리가 이루어지도록 보조하게 된다. 상기 레벨미터 및 온도센서(200)에 대한 출력값은 코일챔버(100) 외부에서 인지할 수 있도록 외부에 노출된 게시창이 형성된다.
다음으로, 상기 보조챔버(300)는 상기 코일챔버(100) 내부에 포함되며, 상기 코일챔버(100) 내부의 액체질소(10) 레벨보다 높은 위치에 형성되어 외부에서 공급되는 액체질소(10)를 1차로 저장하여 상기 레벨미터에 따른 액체질소(10) 레벨이 일정한 값 이하가 되면 상기 코일챔버(100)에 액체질소(10)를 자동으로 보충할 수 있도록 형성된다.
상기 보조챔버(300)는 액체질소(10)가 외부로부터 파이프를 통해 코일챔버(100) 내부로 바로 공급되게 되면 파이프에 있는 기체와 파이프 라인의 온도가 높아 재냉각이 이루어게 지게 되고, 그 동안 액체질소(10)의 기화에 의한 많은 가스가 코일챔버(100)로 유입되어 코일챔버(100) 내부의 온도 상승을 초래하게 되므로, 코일챔버(100) 내부의 온도 상승을 막기 위해 보조챔버(300)에서 기화된 질소가스는 밖으로 배출시키고 액체질소(10)만 코일챔버(100)에 공급되도록 하는 역할을 하게 된다. 그리고 코일챔버(100)의 액체질소(10) 레벨이 일정한 값 이하가 되면 상기 보조챔버(300)에 부착된 밸브가 자동개폐되어 상기 코일챔버(100)에 액체질소(10)를 자동으로 보충되도록 한다.
또한, 상기 보조챔버(300)에는 배출밸브(320)가 형성되어 기화된 질소가스를 외부에 배출할 수 있도록 하며, 상기 배출밸브(320)는 배출만 가능한 일방향밸브(one-way valve)로써, 외부 공기의 주입은 방지하도록 형성된다.
또한, 상기 보조챔버(300) 내부에도 레벨미터(310)가 형성되어 액체질소(10)의 레벨을 측정하여 기화되거나 코일챔버(100)로 액체질소(10)가 보충된 경우 일정한 값 이하가 되면 보조챔버(300) 내부로 액체질소(10)가 자동으로 공급되도록 한다.
<제2실시예>
도 2는 본 발명의 제2실시예에 대한 모식도를 나타낸 것이다. 상기 제1실시예와 모든 구성 및 작용이 동일하나 초전도 코일(20)의 축방향이 수평방향으로 형성된 경우로써, 상기 코일챔버(100)의 공간부(110)가 수평방향으로 형성된다. 이는 사용환경이나 설치공간을 고려하여 초전도 코일(20)의 상온보아를 수평으로 형성한 경우이며, 폐수의 유출입도 수평 방향으로 이루어지게 된다.
이와 같이 본 발명은 64K에서 운전되어 임계전류 향상에 따른 보다 고자장을 발생시켜 자기분리 효율을 높이면서, 액체질소의 레벨 및 온도 관리가 자동으로 이루어져 작업의 끊김이 없이 연속적으로 이루어지게 되어 처리시간을 단축시키고 안정적인 초전도 작동이 가능하도록 한다.
10 : 액체질소 20 : 초전도 코일
100 : 코일챔버 110 : 공간부
120 : 진공배기구 200 : 레벨미터 및 온도센서
300 : 보조챔버 310 : 레벨미터
320 : 배출밸브

Claims (6)

  1. Re계-123계 박막형 고온 초전도 테이프선(Coated Conductor)으로 이루어진 초전도 코일(20)을 초전도 자석으로 사용하고, 냉매로 액체질소(10)를 사용하며, 액체질소(10)의 단열팽창에 의한 끓는점(77K) 보다 온도를 낮춘 64K에서 운전되도록 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치에 있어서,
    상기 64K 운전 초전도 자기분리 장치는,
    내부에 액체질소(10) 및 상기 초전도 코일(20)이 포함되며, 상기 초전도 코일(20)의 축방향 중심에는 폐수의 유출입이 가능한 공간부(110)가 형성된 코일챔버(100)와;
    상기 코일챔버(100) 내부에 형성되며, 코일챔버(100) 내부의 액체질소(10) 레벨 및 온도를 측정하는 레벨미터 및 온도센서(200)와;
    상기 코일챔버(100) 내부에 포함되며, 상기 코일챔버(100) 내부의 액체질소(10) 레벨보다 높은 위치에 형성되어 외부에서 공급되는 액체질소(10)를 1차로 저장하여 상기 레벨미터에 따른 액체질소(10) 레벨이 일정한 값 이하가 되면 상기 코일챔버(100)에 액체질소(10)를 자동 보충하도록 형성된 보조챔버(300);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 코일챔버(100)에는 진공배기구(120)가 형성되어, 액체질소(10)를 단열팽창시켜 64K에 도달할 때까지 진공배기하는 것을 특징으로 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 보조챔버(300) 내부에 레벨미터(310)가 형성되어 액체질소(10)의 레벨을 측정하여 일정한 값 이하가 되면 액체질소(10)가 보조챔버(300)로 자동공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 보조챔버(300)에는 기화된 질소가스를 외부에 배출하는 배출밸브(320)가 형성된 것을 특징으로 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치.
  6. 제 1항, 제 3항, 제 4항, 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 초전도 코일(20)의 축방향은 수평 또는 수직으로 형성된 것을 특징으로 하는 64K 운전 초전도 자기분리 장치.
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