KR101317322B1 - 초전도체 요소를 위한 전기적 연결 구조 - Google Patents

초전도체 요소를 위한 전기적 연결 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온 유체(31)에 의해 냉각되고 전기적 부싱(10,39)에 연결되는 초전도체 요소(30)를 위한 전기적 연결 구조에 관한 것으로, 상기 부싱은 대기 온도와 극저온 유체 온도 사이의 중간 온도의 외장(12) 및 대기 온도 외장(15)을 연속적으로 통과하고, 상기 부싱(10)은 대기 온도 외장의 외측으로 돌출되는 초전도체 요소(30)를 위한 전기적 연결 구조에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 중간 외장(12)은 적어도 일부분이 폴리우레탄 폼 또는 셀룰라 글라스 폼과 같은 낮은 열전도율을 갖는 고체 물질로 채워진다. 본 발명은 극저온의 초전도체 케이블을 대기 온도의 설비 장치에 연결하는데 적용될 수 있다.

Description

초전도체 요소를 위한 전기적 연결 구조{AN ELECTRICAL CONNECTION STRUCTURE FOR A SUPERCONDUCTOR ELEMENT}
도 1은 본 발명의 원리를 설명하는 도면; 및
도 2는 본 발명의 일 실시예의 길이방향 단면도이다.
본 발명은 중간 또는 높은 전압하에서 전기를 이송하는 케이블과 같은 초전도체 요소를 위한 전기적 연결 구조에 관한 것이다. 상기 구조는 일반적으로 야외에서 극저온(cryogenic temperature)의 초전도체 단부를 대기 온도의 설비 또는 장치의 일부에 결합시킬 수 있다.
초전도체 요소와 이 요소에 결합되는 설비 사이에는 큰 온도차, 즉 대기 온도와 약 -200℃에 달하는 극저온 사이의 온도차가 존재하기 때문에, 열손실을 최소화하면서 그리고 케이블의 고압 등으로 인한 전기적 제약에 대응하면서 온도를 변화시키기 위해, 상기 요소와 설비 사이에는 연결 구조(connection structure)를 개 재하는 것이 필요하다. 이러한 구조는 초전도체 케이블에서 대기 온도의 출력 연결부로 전기를 전달하기 위하여 절연 덮개로 둘러싸인 중심 도체를 포함하는 전기적 부싱(electrical bushing)을 포함한다. 이러한 구조는, 케이블을 냉각하는 극저온 유체가 끓는 것을 피하고 및/또는 케이블의 냉각 비용이 증가하는 것을 피하기 위해, 적당한 길이에 걸쳐 열전도에 대한 손실을 낮게 유지하면서 온도를 변화시켜야 한다.
이 문제에 대한 해결책은, 극저온의 부분과 연결 구조의 대기 온도 부분 사이에 위치하는 단열 중간 외장, 말하자면 기밀(airlock) 또는 "버퍼(buffer)" 외장(enclosure)을 가진 연결 구조를 제공하는 것이다. 전기적 부싱은 중간 외장을 통과한다. 이 해결책은 예컨대 유럽 특허 출원 EP 1 283 576에 개시되어 있다. 중간 외장의 측벽은 저온 유지 장치(cryostat)의 측벽으로 구성된다. 하부 벽과 상부 벽은 전기적 부싱이 통과하는 고정 플랜지를 구비한다. 상기 하부 벽은 극저온 부분에 인접하며, 상부 벽은 대기 온도 부분에 인접한다. 중간 외장은 진공으로 되거나 혹은 가스로 채워진다. 따라서, 전기적 부싱이 하부 및 상부 벽들을 통과하는 부분에서 밀폐가 보장될 것이 요구되며, 이로 인해 제조가 어렵고 제조 비용이 증가된다. 예를 들어, 극저온 부분 및 중간 외장 사이에서 매우 작은 양의 누수(예: 10-8mbar/L.s(millibars per liter second))가 발생한다 하더라도, 이는 불가피하게 가스의 조성을 변화시키거나 중간 외장의 진공 수준을 낮추게 된다. 만일 극저온 유체가 액체 질소이면, 누수로 인해 중간 외장 내부에 가스 질소가 존재하게 되며, 따라서 우선 추가적인 액체 질소의 소비가 발생하고, 다음으로 중간 외장의 단열 효과가 감소한다. 그러한 누수로 인해 발생하는 중간 외장의 초과 압력은 안전 밸브에 의해서는 제어될 수 없다. 밸브를 개방하면 단열 매체(진공 또는 가스)가 파괴되기 때문이다. 또한, 이러한 연결 구조를 작업장으로부터 떨어져 현장 정비(on site maintenance)하는 것도 쉽지 않다. 예를 들면, 중간 외장의 진공을 다시 형성하거나 가스를 다시 채우는 것은 특별한 설비 및 특별히 교육된 작업자를 필요로 하기 때문이다.
본 발명은 이러한 기술적 문제에 대해 중간 외장 내에 가스 또는 진공을 사용하지 않고도 해결책을 제공한다.
보다 상세하게는, 본 발명은 극저온 유체에 의해 냉각되고 전기적 부싱에 연결되는 초전도체 요소를 위한 전기적 연결 구조로서, 상기 부싱은 대기 온도와 극저온 유체 온도 사이의 중간 온도의 외장 및 대기 온도 외장을 연속적으로 통과하고, 상기 부싱은 대기 온도 외장의 외측으로 돌출되는 초전도체 요소를 위한 전기적 연결 구조에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 중간 외장은 적어도 일부분이 낮은 열전도율을 갖는 고체 물질로 채워진다.
바람직하게는, 상기 물질은 폴리 우레탄 폼(polyurethane foam) 또는 셀룰라 글라스 폼(cellular glass foam)과 같은 폼(foam) 형태이다.
바람직한 실시 형태에서, 중간 외장은 안전 밸브와 적어도 일부가 전기적 절 연 액체로 채워진 대기 온도 외장이 제공된 저온 유지 장치(cryostat)를 형성한다. 상기 대기 온도 외장의 외벽은 전기적으로 절연되는 물질로 만들어진다. 상기 액체는 오일인 것이 바람직하다.
일 실시 형태에 의하면, 상기 전기적 부싱은 전기적 절연 덮개에 의해 둘러싸인 중심 도체를 포함하며, 그 양단부 중 하나는 상기 극저온 유체로 돌출되는 구형부(42)로 형성된다.
이하에서는, 본 발명의 다른 장점들 및 특징들을 첨부된 도면을 참조한 비한정적 실시예를 통하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초전도체 케이블(도시되지 않음)을 연결하는 구조는, 극저온의 외장(11)에 위치하는 하부 단부를 통해 초전도체 요소(superconductor element)에 연결되는 전기적 부싱(10)을 포함한다. 극저온 외장(11)에 인접한 중간 외장(12)은 낮은 열전도율을 갖는 고체 물질로 채워진다. 이러한 물질은, 예를 들면 폼글라스(Foamglass)라는 상표명으로 상업적으로 구할 수 있는 것과 같은, 폴리우레탄 폼(polyurethane foam) 또는 셀룰라 글라스 폼(cellular glass foam)과 같은 폼(foam) 형태인 것이 바람직하다. 상기 전기적 부싱(10)은 밀폐 고정 플랜지(13)를 통해 중간 외장(11)의 하부 벽을 통과하며, 밀폐 고정 플랜지(14)를 통해 상부 벽을 통과한다. 전기적 부싱(10)은 중간 외장(12)을 지나 대기 온도의 외장(15)으로 연결되며, 그 단부에는 부싱을 적당한 장치 또는 설비에 연결 하고 이에 따라 초전도체를 적당한 장치 또는 설비에 연결하는 전기적 연결 수단(16)이 구비된다. 따라서, 상기 중간 외장은 대기 온도 및 극저온 유체 온도 사이의 온도에 놓인다. 극저온 외장(11) 및 중간 외장(12)의 각각의 벽들(17,18)은 우수한 단열 효과를 얻기 위한 저온 유지 장치의 벽(cryostat wall)을 형성한다. 중간 외장은 밀폐가 유지되기 때문에, 플랜지(13, 14)를 통한 누수가 발생하는 경우 생성될 수 있는 초과 압력을 처리하기 위하여 안전 밸브(19)가 결합되는 것이 바람직하다.
본 발명은 플랜지(13 또는 14)의 작은 누수 문제를 극복할 수 있다. 이러한 누수는 중간 외장을 채우고 있는 고체 물질의 단열 성능에 아무런 영향을 미치지 않기 때문에, 플랜지(13 또는 14)에서 작은 누수가 발생하는 경우에도 단열의 효과는 상대적으로 일정하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 길이 방향 단면도로서, 외벽(34) 및 내벽(35)을 갖는 저온 유지 장치(33, cryostat)에 담긴 극저온 유체(31), 예를 들면 액체 질소에 의해 냉각되는 초전도체 케이블(30)을 도시하고 있다. 이러한 두 벽 사이의 진공은, 예를 들면 약 10-5 밀리바(mbar)일 수 있다. 도면 부호 36으로 지시된 영역은, 소위 "고온" 초전도체에 대하여 약 -200℃의 극저온에 놓인다.
초전도체 케이블의 단부는 전기적 연결부(37)를 통해 전기적 부싱(39)의 하측 단부(38)에 연결된다. 상기 부싱은 주로 알루미늄 또는 구리 합금의 중심 도체(40)로 구성되며, 상기 도체는 예를 들면 에폭시(epoxy) 등으로 만들어진 사출된 전기적 절연 덮개(41)를 구비한다. 상기 덮개는 하측 단부에 고정 칼라(43)를 포함하는 구형부(42, bulb)을 갖는다. 플랜지(44)는 상기 구형부(42)를 저온 유지 장치(33)의 내벽에 밀폐가 유지되게 결합한다. 절연 덮개의 외측 표면은 전기적인 도전 물질 층(63), 예를 들면 금속이 입혀진 층으로 덮인다. 이 물질은 전기적 접지(ground electrical potential)에 연결되기 때문에, 그리고 상기 초전도체 케이블은 높은 전압하에 있기 때문에, 상기 절연 덮개의 하측 단부(38)는, 접지와 고압 사이의 연면거리(creepage distance)를 증가시키고 이로써 단부(38)에서의 전기적 절연 파괴(electrical breakdown)를 방지하기 위해, 구형부 형태를 갖는 것이 유리하다.
저온 유지 장치의 내벽(35) 및 외벽(34)은 중간 외장(45)의 측벽을 형성하도록 수직으로 연장된다. 따라서 이 외장은 단열 효과가 매우 우수하다. 이 중간 외장의 하부는 구형부(42)에 의해 밀폐가 유지된 채 폐쇄되고, 외장의 상부는 금속 합금(예를 들면, 스테인레스 강 또는 알루미늄 합금)으로 만들어진 플레이트(46)로 폐쇄된다. 중간 외장은 낮은 열전도율을 갖는 고체 물질로 채워진다. 이 물질은 폴리우레탄 폼(polyurethane foam) 또는 예컨대 폼글라스(Foamglass)라는 상표명으로 판매되는 셀룰라 글라스 폼(cellular glass foam)과 같은 폼(foam) 형태인 것이 바람직하다. 중간 외장은 이러한 고체 물질로 완전히 채우는 것이 바람직하지만, 일 부분만을 채우는 것도 가능하다. 중간 외장을 채우기 위해서는, 하나 또는 그 이상의 고체 폼(solid foam) 블럭들(blocks), 예를 들면 반 쉘(half-shell) 형태의 2개의 블럭, 또는 중간 외장(45) 내에 위치되는 전기적 부싱(39) 부분의 형상과 상보 적인 중심 구멍이 기계 가공된 단일 블럭이 형성(기계 가공)될 수 있다. 상기 블럭(들)은 이어서 중간 외장에 위치될 수 있다. 영역(47)의 온도는 대기 온도 및 극저온 사이에 놓인다.
중간 외장(45)의 위쪽에는 대기 온도 외장(48)이 플레이트(46)에 고정된다. 상기 플레이트는 공기 중의 대기 온도와 대기 온도 외장(48)의 바닥면 사이의 우수한 열교환이 발생되도록 우수한 열전도율을 갖는다. 전기적 부싱(39)은 고정 및 실링(sealing) 플랜지(49)에 의해 밀폐가 유지되도록 이 상부 벽(46)을 통과하며, 상기 대기 온도 외장의 상부 벽(50)을 통해 외장(48)의 외측을 관통한다. 측벽은 전기적 절연체(51), 예를 들면 보통 섬유 강화 폴리머(fiber reinforced polymer, FRP)라고 불리는 유리 섬유 강화 에폭시로 구성된다. 이 벽의 외측 표면은, 실리콘 등과 같은 절연물질로 된 일련의 핀들(52)을 포함하는데, 이는 상기 표면에 둘러싼 오염 물질 및 비에 의해 증착된 불순물로 인한 표면상 누수 전류의 이동 길이를 길게하기 위함이다. 대기 온도 외장(48)은 실리콘 오일과 같은 우수한 전기적 절연체인 액체(54)가 일정 높이(53)까지 채워진다. 상기 액체(54)는 전기적 부싱(39)의 우수한 절연성을 제공할 뿐 아니라, 대기 온도 외장의 온도를 안정화시키는 것을 용이하게 한다. 따라서 영역(55)은 대기 온도에 가까운 온도에 놓인다.
대기 온도 외장(48) 내부에 놓인 스트레스 콘(stress cone, 56)은, 금속이 입혀진 층(63)의 틈에서 전기적 부싱(39)를 감싸며, 예컨대 초전도체 테이프로 만들어진 테이핑(57)에 의해 전기적으로 상기 전기적 부싱에 연결되고 또한 밀폐 고정 플랜지(49)에 연결된다. 이러한 스트레스 콘은 전기적 절연 파괴(electrical breakdown)를 일으킬 수 있는 불연속을 피하기 위해 금속이 입혀진 층의 단부에서 전기력선(electric field line)을 퍼트리거나 또는 벌어지게 하는 기능을 한다. 상기 전기적 부싱(39)은, 중간 또는 높은 전압 하에서 초전도체 케이블에 전기를 공급하기 위해 또는 초전도체 케이블(30)에서 전달되는 중간 또는 높은 전압하에서 대기 온도 공급 장치에 전기를 공급하기 위해 연결 탭(58)에 의해 대기 온도 외장(48)의 외측에서 종결된다.
상기 플레이트(46)에는 칼라(43) 및 고정 플랜지(44)를 통과하는 냉각 액체(cooling liquid)의 누수로 인해 발생할 수 있는 중간 외장(45)으로부터의 초과 압력을 통과시키기 위해 안전 밸브(62)가 제공되는 것이 바람직하다. 누수된 상기 냉각 액체는 중간 외장 내부에서 가스 형태로 변화된다.
대기 온도 외장은 또한 오일로 채워지게 할 수 있는 2개의 연결 밸브(59, 60)와 외장 내의 오일 깊이를 모니터링 하기 위해 제공하는 폴리에틸렌(polyethylene) 익스텐더(61)에 연결되는 밸브(58)를 구비한다.
우수한 단열재인 고체 물질로 적어도 일부가 채워진 중간 외장을 포함하는 전술한 전기적 연결 구조는, 극저온 부분과 대기 온도 부분 사이의 우수한 온도 변화를 제공하며, 극저온 유체 내의 열 흐름은 제한되고 설비의 작동 조건 및 현장(on site)과 작업장(workshop)에서 유지의 용이성과 양립할 수 있다. 상기 구조의 높이, 특히 중간 외장의 높이는 극저온 부분과 대기 온도 부분 사의의 온도 차이 조건, 및 전압과 전류 값과 같은 전기적 조건에 의해 용이하게 수정될 수 있다.
설명된 실시예는 초전도체 케이블의 연결에 관한 것이다. 그러나, 본 발명이 대기 온도에서 장치(device or apparatus) 또는 설비(equipment)에 연결되어야 하는 임의의 극저온 초전도체의 연결에 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (10)

  1. 저온 유지 장치에 담긴 극저온 유체(31)에 의해 냉각되고 전기적 부싱(10,39)에 연결되는 초전도체 요소(30)를 위한 전기적 연결 구조로서, 상기 전기적 부싱은 전기적 절연 덮개에 의해 둘러싸인 중심 도체를 포함하고, 상기 전기적 부싱은 대기 온도와 극저온 유체 온도 사이의 중간 온도의 중간 외장(12,45) 및 상기 중간 외장(12,45) 위에 배치된 대기 온도 외장(15,48) 내에 위치되며, 상기 전기적 부싱(10,39)은 대기 온도 외장의 외측으로 돌출되는 초전도체 요소(30)를 위한 전기적 연결 구조에 있어서, 상기 중간 외장(12,45)은 적어도 일부분이 단열성 고체 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물질은 폼(foam) 형태인 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 물질은 셀룰라 글라스 폼(cellular glass foam) 또는 폴리우레탄 폼(polyurethane foam)인 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간 외장(12,45)의 측벽들(18,34,35)은 저온 유지장치의 벽에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간 외장(12,45)에는 안전 밸브(19,62)가 구비되는 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 대기 온도 외장(15,48)은 적어도 부분적으로 전기적 절연 액체(54)로 채워지고, 상기 외장의 측벽들은 전기적 절연 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액체(54)는 오일인 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기적 부싱(10, 39)은 전기적 절연 덮개(41)에 의해 둘러싸인 중심 도체(40)를 포함하며, 그 양단부 중 하나(38)는 상기 극저온 유체(31)로 돌출되는 구형부(42) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구형부(42)는 상기 중간 외장에 고정시키기 위한 밀폐 고정 플랜지(43) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연결 구조.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초전도체 요소는 케이블(30)인 것을 특징으로 하는 연결 구조.
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