KR101376708B1

KR101376708B1 - 열전도 개폐스위치를 이용한 초전도 회전기의 비상 냉각 제어 시스템

Info

Publication number: KR101376708B1
Application number: KR1020120115773A
Authority: KR
Inventors: 김호민; 김지형
Original assignee: 제주대학교 산학협력단
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-03-20

Abstract

본 발명은 열전도 개폐스위치를 이용한 초전도 회전기의 비상 냉각 제어 시스템에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 초전도 회전기의 운전 중 냉동기 고장 혹은 전원공급 중단 시, 열전도 개폐스위치와 열용량이 큰 냉매 저장 냉각조를 이용하여 냉동기와 열 교환기를 분리할 수 있도록 함으로써, 상온의 열이 열교환기를 통해 냉매 저장 냉각조로 침입하는 것을 방지하고, 냉매 저장 냉각조 안의 극저온 냉매가 구리 냉각핀을 일정시간까지 운전 온도 이하로 유지시켜 초전도 회전기를 계속 운전 가능하게 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

열전도 개폐스위치를 이용한 초전도 회전기의 비상 냉각 제어 시스템{Cooling system of super conduction generator using heat conduction switch gear}

본 발명은 초전도 회전기의 운전 중 냉동기 고장 혹은 전원공급 중단 시, 열전도 개폐스위치와 열용량이 큰 냉매 저장 냉각조를 이용하여 냉동기와 열 교환기를 분리할 수 있도록 함으로써, 상온의 열이 열교환기를 통해 냉매 저장 냉각조로 침입하는 것을 방지하고, 냉매 저장 냉각조 안의 극저온 냉매가 구리 냉각핀을 일정시간까지 운전 온도 이하로 유지시켜 초전도 회전기를 계속 운전 가능하게 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 열전도 개폐스위치를 이용한 초전도 회전기의 비상 냉각 제어 시스템에 관한 것이다.

현재 국내외에서 개발 중인 초전도 발전기의 냉각방식은 특허 출원 제 10-1992-0010892호에 기재되어 있는 바와 같이, 전도냉각방식과 자연대류방식을 이용하는데 모든 냉각장치는 냉동기를 이용하도록 형성된다.

이때, 전도 냉각방식은 냉동기 헤드에 냉각 대상을 직접 접촉시켜 냉각하는 방식으로 액체 냉각방식에 비해 어느 곳에서나 전원만 연결하면 초전도 시스템을 운전할 수 있고, 저온 액체나 고압가스 등에 대한 전문 인력이 필요 없으며, 액체의 저장이나 순환에 따른 열손실을 줄일 수 있고, 시스템의 소형, 경량화가 가능함은 물론 설치 위치나 각도에 있어서도 유연한 구성을 할 수 있는 등 여러 가지의 장점을 구비하는 특징이 있다.

그러나, 이러한 전도 냉각방식은 냉매 순환형 냉각 방식에 비해 열적 안정성이 떨어지는 바, 이는 냉매 순환형 냉각방식의 경우 냉각되는 초전도 도체 주위온도가 기본적으로 액체의 포화 온도로 일정한 반면 극저온 냉동기의 온도는 부하에 따라 크게 변화할 수 있어 열적 안정성이 극저온 냉동기의 냉동 특성과 초전도 도체의 발열 특성에 좌우된다.

한편, 냉매 순환형 냉각방식은 저온 액체 혹은 기체를 순환시켜 냉각하는 방식으로 열적 안정성이 우수하다.

즉, 초전도 시스템에 열적 교란에 의한 발열이 있을 때 초전도 도체 표면에서 저온 액체 냉매의 비등(boiling)을 동반한 열전달이 이루어지므로, 단위 면적당 열전달이 매우 크고, 일정한 압력 하에서는 액체의 포화 온도로 일정하게 유지된다.

반면, 액체 냉각방식은 저온 액체의 저장이나 이송에 따른 열손실이 존재하고, 저온 액체 용기에 대한 열 부하로 인해 냉각 시스템 효율이 떨어짐은 물론 시스템의 소형, 경량화가 어려운 문제가 발생된다.

이에, 종래의 초전도 회전기기용 냉각장치는 냉동기를 이용하여 서모 사이폰(Thermo-siphon) 방식으로 기체 냉매를 10~30K 온도로 냉각시켜 회전자에 설치된 초전도 계자 코일을 냉각하는 방식을 사용하고 있다.

여기서 냉동기는 전도냉각 방식을 이용하여 구리 냉각핀과 직접적으로 연결되어 극저온 냉매의 열을 흡수하도록 형성된다.

그러나, 냉동기가 고장나거나 전원공급이 중단되었을 경우 상온에서의 열 침입에 의해 초전도 냉각장치의 온도는 빠르게 상승하고 초전도 계자 코일은 운전 온도 범위를 벗어나 더 이상 운전이 불가능하게 된다.

따라서, 냉각장치 보수 및 수리를 요하는 시간을 확보하기 위해 최소 12시간에서 24시간 정도 초전도 냉각시스템을 정상운전 상태로 유지시켜 주는 기술이 초전도 회전기기를 운전하는데 있어 필수적으로 요구되는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 초전도 발전기 운전 중 냉동기 고장 혹은 전원공급 중단 시 열전도 개폐스위치를 이용하여 냉동기와 열 교환기를 분리할 수 있도록 함으로써, 상온의 열이 열교환기를 통해 혼합냉매 냉각조로 침입하는 것을 방지하고, 고화냉매 자켓 안의 고화냉매가 구리냉각핀을 일정시간까지 운전 온도 이하로 유지시켜 초전도 발전기를 계속 운전 가능하게 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 발전기용 레이스 트랙형 코일 냉각시스템의 열전도 개폐스위치를 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 내부가 밀폐된 냉각 탱크(100)가 형성되고, 상기 냉각 탱크(100)의 상부 일측에는 냉동기(200)가 결합되며, 상기 냉동기(200)의 하부 측단에는 열전달용 브레이드(300)가 결합되고, 상기 열전달용 브레이드(300) 일측에는 구동장치(400)에 의해 상하로 인출되는 열전도 개폐스위치(500)가 결합되어 고화 냉매 자켓(600)에 구비된 멀티 램 소켓(610)과 대응되면서 접속 시 냉매 공급을 제공하도록 하되, 열전도 개폐스위치(500)의 분리시에는 고화 냉매 자켓(600)으로 상온의 열 침입이 차단되도록 하면서 냉동기(200)와 분리된 상태에서 일정시간 동안 초전도 회전기가 운전 온도를 유지할 수 있도록 구성된다.

이때, 상기 열전도 개폐스위치(500)는 외주면에 다수개의 절개홈(510)이 형성되어 멀티 램 소켓(610) 내에 인입시 원주방향을 따라 신축하면서 열전도용 금속 패킹(611)과 밀착되어 밀폐를 조장하도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고화 냉매 자켓(600)은 내부에 무산소 동선(620)을 부착하여 고화냉매의 열 수축에 의한 공극 발생을 방지함으로써 냉각 효율이 떨어지는 것을 방지하고, 극저온 냉매 저장 냉각조 내부를 연결하여 냉각열이 전도될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 고화 냉매 자켓(600)은 하부에 응축 파트의 구리 냉각핀(630)이 구비되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명은 냉매 저장 냉각조에 접속 및 분리식 열전도 개폐스위치를 사용하도록 함으로써, 냉동기의 고장 혹은 전원공급 중단 등에 따른 초전도 발전기의 운전 불능 상태인 비상 시에 열 교환기로 침입하는 열손실을 최소화하고, 극저온 냉매 저장 냉각조를 통해 냉각장치 보수 및 수리를 요하는 시간을 확보할 수 있도록 함으로써, 최소 12시간 이상의 시간동안 냉각시스템을 정상운전 상태로 유지시킬 수 있도록 형성되어 초전도 코일의 재냉각 시간을 확보할 수 있음은 물론 각종 사후 처리 비용의 절감을 도모하고, 시스템의 소형화와 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 초전도 회전기용 냉각장치의 개략적 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 열전도 개폐스위치의 개략적 구성을 나타낸 예시도,
도 4는 콜드박스 내에서 발생되는 서모 사이폰 작용을 나타낸 예시도이다.

다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.

먼저, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 내부가 밀폐된 냉각 탱크(100)가 형성되고, 상기 냉각 탱크(100)의 상부 일측에는 냉동기(200)가 결합되며, 상기 냉동기(200)의 하부 측단에는 열전달용 브레이드(300)가 결합되고, 상기 열전달용 브레이드(300) 일측에는 구동장치(400)에 의해 상하로 인출되는 열전도 개폐스위치(500)가 결합되어 고화 냉매 자켓(600)에 구비된 멀티 램 소켓(610)과 대응되면서 접속 시 냉매 공급을 제공하도록 하되, 열전도 개폐스위치(500)의 분리시에는 고화 냉매 자켓(600)으로 상온의 열 침입이 차단되도록 하면서 냉동기(200)와 분리된 상태에서 일정시간 동안 초전도 회전기가 운전 온도를 유지할 수 있도록 구성된다.

이를 보다 자세히 살펴보면, 본 발명의 열전도 개폐스위치(Multi-ram plug)는 멀티 램 소켓(Multi-ram socket)과 결합되는 일종의 열전도 개폐기로서, 냉동기와 구리 냉각핀이 부착된 열교환기 사이에 위치시켜 냉동기나 컴프레셔가 고장 시 또는 전원공급 중단 시 이를 자동으로 판별하여 냉동기와 열 교환기를 분리시켜 상온의 열 침입을 차단하고 냉동기와 분리된 상태에서도 일정시간 동안 운전온도를 유지할 수 있도록 형성된다.

이때, 상기 극저온 냉매 저장 냉각조는 냉각효율의 저하를 방지하도록 내부에 무산소 동선(620)을 포함하는 것이 바람직하다.

이에, 상기 극저온 냉매 저장 냉각조는 외부에서 유입되는 열 부하로 인해 극저온 냉매저장 냉각조를 냉각하는 시간이 오래 걸리게 되는 것을 방지하도록 열전도 개폐스위치를 구리 냉각핀 상단에 부설하여 외부에서 냉각조로 유입되는 열 부하를 차단시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 열전도 개폐스위치는 폐로 상태가 되면 극저온 냉매 저장 냉각조가 고화 냉매 자켓에 의하여 1차로 냉각되고, 열전도 개폐스위치가 개로되면 외부에서 냉각조로 유입되는 열 부하가 2차로 차단되면서 극저온 냉매 저장 냉각조가 냉각된 후에 열전도 개폐스위치에 의해 다시 폐로되어 열 부하를 냉각하도록 형성된다.

이때, 냉각된 구리 냉각핀은 외부에서 유입되는 헬륨(He)이나 네온(Ne) 등을 냉각하여 냉매 탱크로 흐르게 한 뒤 극저온 펌프에 의해 초전도 발전기 회전자에 설치된 고온 초전도 레이스 트랙형(Race-Track) 계자 코일을 극저온으로 냉각하도록 하는 것이 바람직하다.

다시 말해, 본 발명의 비상 냉각 제어 시스템은 초전도 발전기를 최대한 안정된 온도에서 운전할 수 있도록 2단계 전도 냉각 방식을 사용한다.

먼저, 1단계 냉각 단계에서 냉매를 70~80K으로 냉각한 후 2단계 냉각 단계에서 최저 4.2K까지 냉각을 한다.

이처럼 냉동기 헤드(Cold head)를 통해 1, 2단계에 걸쳐 냉각된 열전도 개폐스위치(Multi-ram plug)는 고화 냉매 자켓에 형성된 멀티 램 소켓(multi-ram socket)과 폐로되면서 구리 냉각핀과 극저온 냉매저장 냉각조를 포함한 열 교환기를 냉각시킨다.

여기서 냉동기 헤드(Cold head) 열전도가 높은 구리 다발(Copper braid)을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 극저온 냉매 저장 냉각조 안에 들어 있는 기체 혹은 액체 냉매가 고화냉매로 냉각(10K 이하)되어 열전도 개폐스위치가 개로한 비상시에도 고화냉매 량을 조절하여 냉각 부하에 따라 냉각시간을 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 고화냉매의 열 수축에 의해 냉매와 고화냉매용 극저온 냉매저장 냉각조 사이에는 공극이 생겨 냉각 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위해 극저온 냉매저장 냉각조 내부를 연결하여 냉각열이 전도될 수 있도록 무산소 동선을 부착한다.

즉, 고화냉매가 열 수축 시 무산소 동선에 고화냉매가 달라 붙어서 공극에 의해 열전도도가 떨어져 구리 냉각핀을 포함한 열 교환기의 냉각이 덜 되는 것을 어느 정도 보상해 준다.

또한, 멀티 램 소켓과 열전도 개폐스위치로 구성된 열전도 개폐기는 냉동기와 구리 냉각핀이 부착된 열교환기 사이에 위치시켜 냉동기나 컴프레셔가 고장 시 또는 전원공급 중단 시를 자동으로 판별하여 냉동기와 열 교환기를 분리시켜 상온의 열 침입을 차단하고 냉동기와 분리된 상태에서도 일정시간 운전온도를 유지할 수 있도록 하는 고화냉매용 극저온 냉매저장 냉각조를 열 교환기에 포함시킨다.

또한, 극저온 냉매저장 냉각조의 냉각효율이 떨어지는 것을 방지하기 위해 무산소 동선을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일 냉각 시스템을 기술적 요지로 한다.

한편, 본 발명은 고화냉매용 극저온 냉매저장 냉각조 안에 멀티 필라멘트 구조의 무산소 동선 혹은 얇은 박막을 부착시켜 고화냉매의 열 수축에 의해 극저온 고체 냉매와 극저온 냉매저장 냉각조 사이에 공극이 생겨 냉각효율이 떨어지는 것을 방지하도록 형성된다.

이때, 극저온 냉매저장 냉각조의 크기가 커지면 외부에서 들어오는 열 부하로 인해 극저온 냉매저장 냉각조를 냉각하는 시간이 오래 걸리게 되는 것을 방지하기 위해 열전도 개폐스위치를 구리 냉각핀 상단에 한 개를 더 위치시켜 외부에서 냉각조로 유입되는 열 부하를 차단시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 10MW 이상급 초전도 풍력발전기 냉각 시스템에 적용하는 것을 예시로 수반되어야 하는 기술적 사상을 설명하면, 냉동기의 고장 발생 시, 외부의 열 부하를 최소화할 수 있도록 열전도 개폐스위치를 사용하기 위해서는 고장 발생 시점에서 최소한의 전력공급이 유지되도록 하여야 하며, 이에 따라 전력제어기와 함께 UPS등의 외부전원장치의 제어기술이 확보되는 것이 바람직하다.

또한, 냉동기의 컴프레셔(compressor)는 용량이 크기 때문에 적정한 동작 운전 시간과 제어 방식이 요구된다.

또한, 냉동기 고장 혹은 전원공급이 중단되는 시점을 자동으로 판별하고 열전도 개폐스위치의 동작과 응축기의 온/오프 제어를 수행할 수 있는 시퀸스가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 수 KW급 응축기 제어를 위해서는 대 전력용 반도체를 이용한 전력전자 응용기술을 도입하여 전체 냉각시스템과 연동될 수 있도록 하는 제어기가 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100 ... 냉각 탱크 200 ... 냉동기
300 ... 열전달용 브레이드 400 ... 구동장치
500 ... 열전도 개폐스위치 600 ... 고화 냉매 자켓
610 ... 멀티 램 소켓 620 ... 무산소 동선
630 ... 구리 냉각핀

Claims

내부가 밀폐된 냉각 탱크(100)가 형성되고, 상기 냉각 탱크(100)의 상부 일측에는 냉동기(200)가 결합되며, 상기 냉동기(200)의 하부 측단에는 열전달용 브레이드(300)가 결합되고, 상기 열전달용 브레이드(300) 일측에는 구동장치(400)에 의해 상하로 인출되는 열전도 개폐스위치(500)가 결합되어 고화 냉매 자켓(600)에 구비된 멀티 램 소켓(610)과 대응되면서 접속 시 냉매 공급을 제공하도록 하되, 열전도 개폐스위치(500)의 분리시에는 고화 냉매 자켓(600)으로 상온의 열 침입이 차단되도록 하면서 냉동기(200)와 분리된 상태에서 일정시간 동안 초전도 회전기가 운전 온도를 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 열전도 개폐스위치를 이용한 초전도 회전기의 비상 냉각 제어 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 열전도 개폐스위치(500)는 외주면에 다수개의 절개홈(510)이 형성되어 멀티 램 소켓(610) 내에 인입시 원주방향을 따라 신축하면서 열전도용 금속 패킹(611)과 밀착되어 밀폐를 조장하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열전도 개폐스위치를 이용한 초전도 회전기의 비상 냉각 제어 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 고화 냉매 자켓(600)은 내부에 무산소 동선(620)을 부착하여 고화냉매의 열 수축에 의한 공극 발생을 방지함으로써 냉각 효율이 떨어지는 것을 방지하고, 극저온 냉매 저장 냉각조 내부를 연결하여 냉각열이 전도될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 열전도 개폐스위치를 이용한 초전도 회전기의 비상 냉각 제어 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 고화 냉매 자켓(600)은 하부에 응축 파트의 구리 냉각핀(630)이 구비되는 것을 특징으로 하는 열전도 개폐스위치를 이용한 초전도 회전기의 비상 냉각 제어 시스템.