KR101502234B1 - D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터 - Google Patents

D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터 Download PDF

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김석호
이상진
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Abstract

본 발명은 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터에 관한 것으로, 직류 리액터는 D 형상의 초전도 코일 구조체를 이용하여 마그넷을 형성하고, 그 마그넷은 토로이드 형태로 배치한다. 그리고 마그넷에 전류를 공급하는 전류 리드는 일반금속과 HTS를 이용하여 하이브리드 형태로 구성하였다. 뿐만 아니라 직류 리액터 내부에 2 개의 극저온 냉동기를 이용하여 전도 냉각 시스템을 제공하고 있다. 따라서 본 발명은 종래 직류 리액터에 비해 부피는 작아지고 인덕턴스는 증가하는 직류 리액터를 제공할 수 있다. 또한 운전전류의 크기 증대 및 마그넷 자체의 전기적인 안정도 및 냉각 안정도가 향상되는 이점이 있다.

Description

D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터{Toroid-type HTS DC Reactor using D-shape superconducting coil}
본 발명은 직류 리액터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 D 형상의 초전도 코일을 이용하고, 토로이드 형태로 마그넷을 배치함으로써, 서로 인접한 리액터에서 발생하는 누설 자속을 방지하고 리액터의 설치 공간을 감소시키는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터에 관한 것이다.
100여 년간 전력의 생산이나 운반, 판매시 용이하게 전압을 바꿀 수 있는 교류 전력 송전 시스템이 활용되었다. 하지만 최근 반도체 스위칭 소자의 발달로 인하여 고압의 교류를 고압의 직류로 바꿀 수 있는 변환장치가 개발되면서부터 직류 송전 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이와 같은 연구에 의해 HVDC(HyperVoltage Direct Current) 송전 시스템이 개발되었다.
HVDC 송전 시스템은 고압의 교류 전력을 반도체 스위칭 소자를 이용한 변환장치를 사용하여 고압의 직류로 변환하여 송전한다. 상기 HVDC 송전 시스템은 교류 송전 시스템에 대해 여러 장점을 갖는다. 첫째, 직류 전압은 교류 전압의 최대값에 비해 크기가 약 70%에 불과하여 기기의 절연이 용이하고, 전압이 낮기 때문에 각 기기에 설치되어 있는 절연체의 수량 및 철탑의 높이를 줄일 수 있다. 둘째, 동일한 전력을 송전하는 경우 교류 방식에 비해 직류 방식이 송전 손실이 적기 때문에 송전 효율이 좋아진다. 기존 직류 송전시 전압을 크게 변화시킬 수 없어 송전손실이 증가하였으나 HVDC 송전 시스템의 개발로 인하여 고압의 직류 전압을 만들 수 있기 때문에 송전효율이 좋아진다. 또한, 송전거리에 대한 제약이 없고, 특히 500km가 넘는 육지 전력전송이나 40km가 넘는 해저를 통한 전력전송에 있어서 교류 송전에 비해 직류 송전 시스템이 건설비가 저렴하다.
도 1은 종래의 직류 리액터를 포함하는 HVDC 송전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, HVDC 송전 시스템은 직류 송전선로 측에 직류 리액터(DC reactor)가 구비되어야 한다. 직류 리액터는 교류회로에 있어서 큰 유도 리액턴스를 이용하여 무효전력을 흡수한다. 특히, 교류-직류 전력 변환 장치인 인버터 등에 있어, 3상 정류회로의 교류회로에 적용하여 직류로 변환되는 전류의 리플(ripple) 및 고조파를 감소시키는 역할을 한다. 이와 같은 직류 리액터를 통해, 전류의 파형을 개선하고, 전체 역률(Power Factor)을 향상시킨다.
다만, HVDC 송전 시스템은 고압의 직류 전류를 송전하는 기술로, HVDC 송전 시스템에서 사용되는 직류 리액터는 큰 인덕턴스 값을 가져야 한다. 즉, 상기 직류 리액터는 대용량 직류 리액터가 되어야 한다.
따라서 종래의 대용량 직류 리액터의 경우, 구리 코일로 구성되어 상기 구리 코일의 저항에 의해 많은 전력 손실이 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 직류 리액터의 전체 부피 및 무게도 매우 컸다. 이는 그만큼 큰 설치 공간이 요구되기 때문에 설치 비용이 증가하게 되었다.
또한, 대한민국 공개특허문헌 제10-004-0108474호에는 초전도 테이프 권선을 이용하는 직류 리액터에 대해 개시되어 있으나, 직류 리액터 자체의 인덕턴스를 향상시킬 수 있는 기술적 방법에 대해서는 제시되어 있지 않다.
대한민국 공개특허문헌 제10-2004-0108474호
따라서 본 발명의 목적은, 직류 리액터 내 코일의 저항에 의한 전력 손실량을 감소시켜 HVDC 송전 시스템에 효율적으로 적용가능한 직류 리액터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 종래 HVDC 송전 시스템에 사용되던 직류 리액터보다 부피 및 무게가 줄어들어 사용이 용이한 직류 리액터를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 냉동기와 연결축을 통해 장착되는 제1 냉동기 헤드 및 제2 냉동기 헤드; 상기 냉동기로부터 복사되는 열의 전달을 차단하도록 상기 제1 냉동기 헤드와 연결되는 차폐판; 상기 차폐판 상에 위치하며 상기 제1 냉동기 헤드를 감싸는 쿨링 블록; 상기 쿨링 블록에 각각 결합하는 커런트 리드 및 쿨링 스틱; 상기 제2 냉동기 헤드에 장착된 패드; 상기 패드와 일단이 연결되는 블레이드; 상기 블레이드의 타단과 연결되어 상기 제2 냉동기 헤드와 연결되는 열교환기 상부판; 상기 열교환기 상부판과 이격 설치되는 열교환기 하부판; 상기 열교환기 상부판과 상기 열교환기 하부판 사이에 제공되는 마그넷; 상기 마그넷에 전류 공급을 위하여 상기 쿨링 스틱과 상기 마그넷을 상호 연결하는 연결부재를 포함하는 직류 리액터를 제공한다.
상기 제1 냉동기 헤드는 상기 커런트 리드, 쿨링 블록, 쿨링 스틱 및 차폐판의 냉각을 수행하고, 상기 제2 냉동기 헤드는 상기 마그넷의 냉각을 수행한다.
상기 커런트 리드는 직류 리액터의 운전전류는 통전시키고 열전달은 차단하기 위해 황동으로 구성된다.
상기 쿨링 블록과 상기 쿨링 스틱 사이에는 캡톤 테이프(kapton tape)가 설치되고, 상기 쿨링 스틱의 외측에는 볼트에 의해 FRP 패드가 결합한다.
상기 패드 및 블레이드는, OFHC 재질로 구성되고, 상기 블레이드는 십자 모양으로 상기 열교환기 상부판 상에 구성된다.
상기 제2 냉동기 헤드, 상기 패드 및 블레이드, 상기 열교환기 상부판, 상기 열교환기 하부판을 통해 전도 냉각을 위한 냉각 루트가 형성된다.
상기 연결부재는 HTS 리드(lead)이고, 내부 중앙을 형성하며 다각형 모양의 GFRP 스틱; 상기 GFRP 스틱의 외면에 결합하는 HTS 와이어; 상기 HTS 와이어를 감싸는 GFRP 커버부재; 상기 GFRP 스틱의 양 단에 각각 결합하는 터미널을 포함하여 구성된다.
상기 마그넷은 D 형상의 초전도 코일 구조체가 복수 개가 제공되어 토로이드 형태로 형성된다.
상기 D 형상의 초전도 코일 구조체는 더블 팬케익 코일이고, 상기 더블 팬케익 코일을 형성하는 싱글 팬케익 코일들은 모두 균일한 각도로 간격을 유지한다.
상기 초전도 코일 구조체는, 대략 D 형상을 가지는 센터 지그; 상기 센터 지그의 둘레를 감싸는 D형상의 초전도 권선; 상기 초전도 권선의 양측에 각각 결합하는 내측 전도 플레이트; 상기 내측 전도 플레이트의 바깥 측에 각각 결합하는 D형 코일틀; 상기 D형 코일틀의 외측에 각각 결합하며 조인트 패드가 장착되는 외측 전도 플레이트; 상기 센터 지그의 상부 및 하부에 제공되며 상기 외측 전도 플레이트들 사이가 소정 각도로 이격되게 단면이 V자 형상으로 형성되는 금속 지그; 및 상기 금속 지그의 양측에 제공되어 초전도 코일 구조체의 상부와 하부를 형성하는 전도 패드를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 직류 리액터에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 초전도체를 이용하여 직류 리액터를 구성하고 있기 때문에 기존에 구리나 알루미늄과 같은 상전도체로 제작도는 직류 리액터에 비해 부피는 감소되고 인덕턴스는 증가하는 직류 리액터를 제공할 수 있다.
그리고 D 형상의 초전도 코일 구조체를 적용함으로써 종래 원형의 초전도 코일로 제작되는 마그넷과 비교할 때, 코일에서 발생하는 수직, 수평 자장이 감소하는 효과가 있다. 이는 자장 크기에 따른 초전도선의 임계전류의 감소를 줄일 수 있어 운전전류의 크기를 크게 할 수 있음은 물론 마그넷 자체의 전기적인 안정도를 향상시킬 수 있다. 또한 코일 내부의 전자기력 크기를 완화할 수 있고 구조적인 안정도로 향상되는 기대가 있다.
또한, 마그넷을 토로이드 형태로 배치함으로써 누설자속이 감소되며, 따라서 종래 솔레노이드 타입의 직류 리액터에 비해 설치 면적을 줄일 수 있어 비용을 절감할 수 있다. 그리고 마그넷의 중심 반경이 감소하기 때문에 마그넷의 임계전류의 마진을 증가시킬 수 있다.
이외에도, 마그넷에 전류를 공급하는 연결 부재인 전류 리드를 일반 금속과 HTS를 이용한 하이브리드 타입으로 형성하고 있어 상온부에서 마그넷으로 전달되는 열 침입이 감소하고 냉동기의 부하가 감소하여 냉각 안정도가 향상되는 효과도 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 직류 리액터를 포함하는 HVDC 송전 시스템을 나타낸 도면
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 직류 리액터의 전체 구조를 보인 구성도
도 3은 본 발명에 따라 쿨링 스틱과 쿨링 블록 사이의 냉각 및 절연을 제공하기 위한 절연 구조를 보인 도면
도 4는 본 발명에 따른 HTS 리드의 구조를 보인 구성도
도 5a 및 도 5b는 토로이드 마그넷을 형성하는 초전도 코일 구조체를 도시한 분해 사시도 및 조립 사시도
본 발명은 기존의 상전도체로 제작된 직류 리액터에 비해 부피 감소 및 인덕턴스 증가 효과를 기대하고, 또한 기존 솔레노이드 타입의 직류 리액터와 비교하여 누설 자속 감소와 설치면적을 최소화하면서도 상온부에서 초전도 마그넷으로 전달되는 열 전달 및 냉동기 부하도 함께 감소할 수 있도록 한 직류 리액터를 제공함을 기술적 특징으로 한다.
이하 본 발명에 의한 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 직류 리액터의 전체 구조를 보인 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 직류 리액터(100)의 외형 및 골격은 몸체(110)가 형성한다. 몸체(110)는 대략 원기둥 형상의 크라이오스탯(cryostat)(112)과, 상기 크라이오스탯(112)의 상부를 덮는 상부판(114)을 포함한다. 여기서 크라이오스탯(112)은 극저온에서 실온까지의 큰 온도 변화에 견딜 수 있는 특성을 제공함은 물론 직류 리액터(100)의 내부를 진공으로 만들어 대류 열전달을 차단하는 역할을 한다.
상부판(114)의 상면에는 냉동기(cryo- cooler)(120) 및 한 쌍의 제1 커런트리드(current lead)(130)가 장착된다. 제1 커런트 리드(130)은 하측 일부가 상부판(114)을 관통하게 된다.
냉동기(120)의 하측에는 크라이오스탯(112)의 저면까지 연장되는 하나의 쿨러 축(140)이 장착된다. 이러한 쿨러 축(140)은 실질적으로 제1 냉동기 헤드(1st stage cold head)(142) 및 제2 냉동기 헤드(2nd stage cold head)(144), 그리고 제1 냉동기 헤드(142)와 제2 냉동기 헤드(144), 제2 냉동기 헤드(144)와 크라이오스탯(112)의 저면 사이를 연결하는 연결 축(146)(148)이 일체로 형성되는 구조로 구성된다. 그리고 제1 냉동기 헤드(142)는 아래에서 설명하는 제1, 제2 커런트 리드(130)(150), 쿨링 블록(160), 쿨링 스틱(170), 제1 차폐판(180)의 냉각을 수행하는 역할을 하고, 제2 냉동기 헤드(144)는 마그넷(250)의 냉각을 수행하는 역할을 한다.
한편 본 발명의 직류 리액터(100)는 2단 극저온 냉동기를 이용한 전도냉각 시스템을 사용하는 것으로, 제1 냉동기 헤드(142) 및 제2 냉동기 헤드(144)를 기준으로 하여 냉동 영역을 제1 영역(A)과 제2 영역(B)으로 구분하고 있다.
상기 제1 영역(A)과 제2 영역(B)의 구성을 구체적으로 살펴본다.
먼저 상기 제1 영역(A)에는 상술한 제1 커런트 리드(130)가 포함된다.
그리고 제1 커런트 리드(130)의 일단과 결합하는 한 쌍의 제2 커런트 리드(150)가 구성된다. 제2 커런트 리드(150)는 충분한 전기 전도도를 제공함은 물론 구리(cu)보다 열전도도는 대략 6배 낮은 황동(brass)으로 제조된다. 그렇기 때문에 제2 커런트 리드(150)는 운전전류를 흘림과 동시에 상온에서는 직류 리액터(100) 내부로의 열전달을 차단하는 역할을 수행할 수 있게 된다.
또한 제2 커런트 리드(150)가 일면에 결합하는 쿨링 블록(cooling block)(160)이 구성된다. 실시 예에서 쿨링 블록(160)은 제1 냉동기 헤드(142)의 외주면을 감싸면서 장착되는 대략 사각 형상이다.
그리고 쿨링 블록(160)의 다른 면에는 한 쌍의 쿨링 스틱(cooling stick)(170)이 연결된다.
한편 쿨링 스틱(170)에는 운전 전류가 흐르기 때문에 쿨링 스틱(160)과 쿨링 블록(160) 사이는 냉각을 수행함과 동시에 전기적으로 절연되어야 한다. 이처럼 쿨링 스틱(170)과 쿨링 블록(160) 사이의 냉각 및 절연을 제공하기 위한 구조는 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 쿨링 블록과 쿨링 스틱 사이의 절연 구조를 나타낸 도면으로, 쿨링 블록(160)과 쿨링 스틱(170) 사이에 전기적 절연체인 캡톤 테이프(kapton tape)(172)가 구비되고, 쿨링 스틱(170)의 외측 방향에는 볼트(176)에 의해 FRP(Fiber reinforced plastics) 패드(174)가 결합하는 구조이다. 이처럼 캡톤 테이프(172)와 FRP 패드(174)에 의해 쿨링 스틱(160)과 쿨링 블록(160) 사이는 절연되게 된다.
계속해서 제2 커런트 리드(150), 쿨링 블록(160), 쿨링 스틱(170)의 하측에는 제1 차폐판(Radiation shield)(180)이 제공된다. 제1 차폐판(180)은 제1 냉동기 헤드(142)의 외주면을 감싸면서 제2 커런트 리드(150), 쿨링 블록(160) 및 쿨링 스틱(170)을 모두 지지하면서도, 특히 복사되는 열의 전달을 차단하여 냉동기(120)로부터의 전도에 의한 냉각을 수행하는 역할을 한다. 이러한 제1 차폐판(180)은 후술하는 제2 차폐판과 함께 외형을 원통형으로 형성한다.
다음에는 제2 영역(B)에 구비된 구성들을 살펴본다.
먼저 쿨링 스틱(170)의 일단이 연결되며 제1 차폐판(180)을 관통하여 구성되는 바(bar) 형상의 HTS 리드(190)가 제공된다. HTS 리드(190)은 쿨링 스틱(170)과 후술하는 마그넷을 서로 연결하는 연결부재로서 마그넷에 전류를 공급하는 역할을 수행한다. 여기서 HTS 리드(190)의 구조는 도 4를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 4를 보면 HTS 리드(190)의 중심은 다각형상이면서 양 측면에 결합홈(192a)이 형성된 GFRP(Glass-fiber reinforced plastics) 스틱(191)이 구성한다. 그리고 GFRP 스틱(191)의 외면에는 HTS 와이어(192)가 결합한다. HTS 와이어(192)는 대략 판 형상으로 이루어지고, GFRP 스틱(191)의 외면을 형성하는 각각의 면에 결합한다. 그리고 HTS 와이어(192)를 감싸는 GFRP 커버부재(193)가 HTS 리드(190)의 외면을 형성한다. 한편 GFRP 스틱(191)의 양 단에는 터미널(194)이 각각 결합한다. 터미널(194)은 결합 홈(191a)과 결합하는 돌출부(194a) 및 넓은 면적의 접촉부(194b)가 일체로 형성된다. 이와 같은 HTS 리드(190)는 전기적 저항이 0(zero)인 HTS 와이어(192)를 이용하기 때문에 제1 냉동기 헤드(142)로부터 쿨링 스틱(170)을 통해 마그넷으로 전송되는 전류를 손실 없이 전달하게 된다. 또한 열전도가 낮으면서 극저온 상태에서도 강성을 유지하는 GFRP 스틱(191)에 의하여 제1 영역(A)에서 제2 영역(B)으로 전달되는 열전달을 차단할 수 있다. 따라서 제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 열적으로 차폐시키는 역할을 제공한다. 그렇기 때문에 제2 냉동기 헤드(144)가 부담해야할 열 부하뿐만 아니라 이외의 불필요한 부하 발생을 차단할 수 있다.
다시 도 2를 보면, 제2 영역(B)에는 원형의 열교환기(200)가 구성된다. 열교환기(200)는 열교환기 상판(210)과 열교환기 하판(220)의 결합에 의해 외형은 원통형으로 구성된다.
열교환기 상판(210)은 중앙이 제2 냉동기 헤드(144)를 감싸면서 제공된다. 그리고 열교환기 상판(210)에는 상기 HTS 리드(190)의 일부가 마그넷을 구성하는 코일 구조체와 연결되도록 연결 경로를 제공하는 홀(212)이 형성되어 있다. 또한 열교환기 상판(210) 상에는 십자모양의 OFHC(Oxygen-Free High-Conductivity Copper) 패드(230)가 제2 냉동기 헤드(144)와 연결되게 장착된다. 그리고 OFHC 패드(230)와 동일한 재질인 블레이드(blade)(240)가 십자 모양으로 배치된다. 이러한 블레이드(240)은 계단 형상으로 형성되어, 일단은 OFHC 패드(230)에 연결되고, 타단은 열교환기 상판(210)에 연결되게 된다.
열교환기 하판(220)은 크라이오 스탯(112)의 저면에 위치한다. 그리고 열교환기 하판(220)의 하측에는 제2 차폐판(270)이 위치한다.
이러한 구조에 따르면 제2 냉동기 헤드(144)로부터 열교환기 상판(210)과 열교환기 하판(220)으로의 전도 냉각 경로를 확보할 수 있게 된다. 따라서 열교환기 상판(210)과 열교환기 하판(220) 사이에 아래에서 설명하는 마그넷(250)을 배치하면, 마그넷(250)을 구성하는 D 형상의 초전도 코일 구조체의 상하로부터 동일한 열 유속을 가지고 전도에 의한 냉각을 수행할 수 있게 된다.
한편 열교환기 상판(210)과 열교환기 하판(220) 사이에는 마그넷(250)이 구성된다. 마그넷(250)은 D 형상의 초전도 코일 구조체(260)를 복수 개 제공하여 토로이드 형상을 가진다. 이에 마그넷(250)을 토로이드 마그넷으로 칭하여 설명한다.
실시 예에 따르면 토로이드 마그넷(250)에 사용되는 초전도 코일구조체(260)는 총 30개의 더블 팬케익 코일(Double pancake coil)이 사용되고 있다. 이러한 더블 팬케익 코일(260)은 기존의 코일과 코일 사이가 붙어있는 더블 팬케익 코일과 달리 토로이드 마그넷(250)을 형성하였을 때 모든 초전도 코일구조체(260)가 균일한 각도를 가지고 배치가 될 수 있는 구조를 가진다. 즉 하나의 더블 팬 케익 코일은 두 개의 싱글 팬케익 코일로 구성되기 때문에 각 코일 사이는 6°로 균일한 간격을 유지하게 된다.
초전도 코일 구조체(260)의 구조는 도 5를 참조한다. 도 5a 및 도 5b는 토로이드 마그넷을 형성하는 초전도 코일 구조체를 도시한 분해 사시도 및 조립 사시도이다.
이에 도시된 바와 같이 초전도 코일 구조체(260)는 중앙에 센터지그(261)가 제공된다.
그리고 센터지그(261)의 둘레를 감싸면서 장착되는 초전도 권선(262)이 구성된다. 초전도 권선(262)은 대략 D형상을 가진다. 따라서 일반적인 O형 초전도 코일과 비교하면 코일에서 발생하는 수직 및 수평자속의 밀도를 감소시켜 임계전류의 감소를 줄일 수 있다. 또한 낮아진 자속밀도는 코일이 부담해야할 전자기력의 감소를 초래하기 때문에 코일의 구조적인 안정성을 향상시킬 수도 있다.
계속해서 센터지그(261)를 포함한 초전도 권선(262)의 양측과 결합하는 내측 전도 플레이트(263)가 각각 제공된다. 여기서 내측 전도 플레이트(263)는 센터지그(261)의 양면 일부가 노출되도록 중앙은 개방된 홀 형상을 가진다.
그리고 내측 전도 플레이드(263)의 바깥 측에 D형 코일틀(264)이 결합한다. D형 코일틀(264)은 센터지그(261)의 형상과 유사하며, 상기 내측 전도 플레이트(263)의 홀 형상 부분에 장착된다.
또한 D형 코일틀(264)의 외측에는 외측 전도 플레이트(265)가 결합한다. 외측 전도 플레이트(265) 역시 중앙은 개방된 홀 형상을 가진다. 따라서 D형 코일틀(264)의 일면은 외부에 노출되게 된다.
그리고 외측 전도 플레이트(265)의 외면 일부에는 조인트 패드(266)가 결합한다
한편, 센터지그(261)의 상부와 하부에는 금속지그(267)가 제공된다. 이때 금속지그(267)는 그 두께가 균일하게 형성되는 것이 아니고, 토로이드 마그넷(250)을 형성하였을 때 외측 전도 플레이트(265)들 사이가 소정 각도로 이격되도록 경사되게 형성된다. 즉 단면을 보면 V자형을 이루는 형상이다. 따라서 초전도 코일 구조체(260)들 사이는 균일한 각도를 가지고 배치가 된다. 실시 예에 따르면 초전도 코일 구조체(260)는 서로 6°의 균일한 각을 가진다.
그리고 금속지그(267)와 외측 전도 플레이트(265) 사이에는 초전도 코일 구조체(260)의 상부와 하부를 형성하는 전도 패드(268)가 결합한다. 전도 패드(268)는 모두 4개가 제공된다.
한편, 본 발명의 직류 리액터는 기존의 HVDC 송전 시스템에 사용되던 직류 리액터보다 부피 및 설치공간을 줄일 수 있다고 상술한 바 있다. 이는 다음의 표 1 및 표 2를 통해 확인할 수 있다. 표 1은 종래 직류 리액터에 대한 스펙이고, 표 2는 본 발명의 직류 리액터에 대한 스펙이다.
Inductance 60 [mH]
Operating current 840 [A]
Operating temp Room temp.
Cooling type Dry, Air cooled
Height (without insulator) 1600 [mm]
Outer diameter of reactor core 2000 [mm]
Volume 20 [m3]
Inductance 400 [mH]
Operating current 400 [A]
Operating temp 20 [K]
Cooling type Conduction cooled
Height (without insulator) 1045 [mm]
Outer diameter of reactor core 890 [mm]
Volume 0.65 [m3]
표 1 및 표 2를 보면 본 발명의 직류 리액터가 기존의 직류 리액터에 비해 크기 및 설치 면적을 작게 하면서도 높은 인덕턴스를 제공함을 알 수 있다. 즉 종래의 직류 리액터의 경우 솔레노이드 형상이기 때문에 각각의 리액터에서 발생하는 누설 자속의 영향을 최소화하기 위해 적정 이상의 공간이 필수적이었다. 반면 본 발명은 토로이드 형태의 마그넷을 배치하여 리액터를 제조함으로써 서로 인접한 리액터에 영향을 주는 누설 자속을 방지할 수 있어 설치 공간을 감소시킬 수 있는 것이다.
이와 같이 본 실시 예는 기존의 직류 리액터에 비해 각종 손실 등을 줄이면서도 크기 및 설치 공간 또한 감소시키기 위하여 D 형상의 초전도 코일을 이용하면서 토로이드 형태로 마그넷을 배치한 직류 리액터를 제공하는 것을 기본적인 기술적 요지로 하고 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110 : 몸체 112 : 크라이오스탯(cryostat)
114 : 상부판 120 : 냉동기
130, 150 : 커런트 리드 140 : 쿨러 축
142 : 제1 냉동기 헤드 144 : 제2 냉동기 헤드
160 : 쿨링 블록 170 : 쿨링 스틱
172 : 캡톤 테이프(kapton tape) 174 : FRP 패드
180 : 제1 차폐판 190 : HTS 리드
191: GFRP 스틱 192 : HTS 와이어
193 : GFRP 커버부재 194 : 터미널
210 : 열교환기 상판 220 : 열교환기 하판
230 : OFHC 패드 240 : 블레이드(blade)
250 : 마그넷 260 : 초전도 코일 구조체
261 : 센터 지그 262 : 초전도 권선
263 : 내측 전도 플레이트 264 : D형 코일틀
265 : 외측 전도 플레이트 266 : 조인트 패드
267 : 금속 지그 268 : 전도 패드
270 : 제2 차폐판

Claims (10)

  1. 냉동기와 연결축을 통해 장착되는 제1 냉동기 헤드 및 제2 냉동기 헤드;
    상기 냉동기로부터 복사되는 열의 전달을 차단하도록 상기 제1 냉동기 헤드와 연결되는 차폐판;
    상기 차폐판 상에 위치하며 상기 제1 냉동기 헤드를 감싸는 쿨링 블록;
    상기 쿨링 블록에 각각 결합하는 커런트 리드 및 쿨링 스틱;
    상기 제2 냉동기 헤드에 장착된 패드;
    상기 패드와 일단이 연결되는 블레이드;
    상기 블레이드의 타단과 연결되어 상기 제2 냉동기 헤드와 연결되는 열교환기 상부판;
    상기 열교환기 상부판과 이격 설치되는 열교환기 하부판;
    상기 열교환기 상부판과 상기 열교환기 하부판 사이에 제공되는 마그넷;
    상기 마그넷에 전류 공급을 위하여 상기 쿨링 스틱과 상기 마그넷을 상호 연결하는 연결부재를 포함하는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 냉동기 헤드는 상기 커런트 리드, 쿨링 블록, 쿨링 스틱 및 차폐판의 냉각을 수행하고,
    상기 제2 냉동기 헤드는 상기 마그넷의 냉각을 수행하는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커런트 리드는 직류 리액터의 운전전류는 통전시키고 열전달은 차단하기 위해 황동으로 구성되는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 쿨링 블록과 상기 쿨링 스틱 사이에는 캡톤 테이프(kapton tape)가 설치되고,
    상기 쿨링 스틱의 외측에는 FRP 패드가 결합하는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패드 및 블레이드는, OFHC 재질로 구성되고,
    상기 블레이드는 십자 모양으로 상기 열교환기 상부판 상에 구성되는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 냉동기 헤드, 상기 패드 및 블레이드, 상기 열교환기 상부판, 상기 열교환기 하부판을 통해 전도 냉각을 위한 냉각 루트가 형성되는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 연결부재는 HTS 리드(lead)이고,
    내부 중앙을 형성하며 다각형 모양의 GFRP 스틱;
    상기 GFRP 스틱의 외면에 결합하는 HTS 와이어;
    상기 HTS 와이어를 감싸는 GFRP 커버부재; 및
    상기 GFRP 스틱의 양 단에 각각 결합하는 터미널을 포함하여 구성되는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그넷은 D 형상의 초전도 코일 구조체가 복수 개가 제공되어 토로이드 형태로 형성되는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 D 형상의 초전도 코일 구조체는 더블 팬케익 코일이고, 상기 더블 팬케익 코일을 형성하는 싱글 팬케익 코일들은 모두 균일한 각도로 간격을 유지하는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 초전도 코일 구조체는,
    D 형상을 가지는 센터 지그;
    상기 센터 지그의 둘레를 감싸는 D형상의 초전도 권선;
    상기 초전도 권선의 양측에 각각 결합하는 내측 전도 플레이트;
    상기 내측 전도 플레이트의 바깥 측에 각각 결합하는 D형 코일틀;
    상기 D형 코일틀의 외측에 각각 결합하며 조인트 패드가 장착되는 외측 전도 플레이트;
    상기 센터 지그의 상부 및 하부에 제공되며 상기 외측 전도 플레이트들 사이가 소정 각도로 이격되게 단면이 V자 형상으로 형성되는 금속 지그; 및
    상기 금속 지그의 양측에 제공되어 초전도 코일 구조체의 상부와 하부를 형성하는 전도 패드를 포함하는 D형 초전도 코일을 이용한 토로이드 타입 고온 초전도 직류 리액터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0521229A (ja) * 1991-03-07 1993-01-29 Hitachi Ltd 超電導エネルギー貯蔵装置
JP2007227771A (ja) * 2006-02-24 2007-09-06 Toshiba Corp 超電導コイル装置
KR101091199B1 (ko) * 2010-01-13 2011-12-09 한국전기연구원 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈
KR20130086744A (ko) * 2012-01-26 2013-08-05 창원대학교 산학협력단 초전도 직류 리액터

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