KR101507307B1 - 초전도 회전기기 및 그것의 냉각 방법 - Google Patents
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Abstract
회전자의 초기 냉각 시간을 단축하고, 냉매의 자연순환 및 강제순환이 가능하여 회전자의 냉각효율을 향상시키는 초전도 회전기기가 제공된다. 초전도 회전기기는 회전축을 중심으로 회전하도록 지지되고 적어도 하나의 초전도 코일을 가지며 중앙 캐비티를 가지는 회전자 및 회전자의 외측에 캐비티와 연통하도록 배치되는 냉각장치를 포함한다. 냉각장치는 가스 냉매 공급관을 통해 공급되는 가스 냉매를 응축하여 응축 냉매를 생성하는 응축부, 응축 냉매를 캐비티로 공급하고 캐비티 내에서 증발된 증발 냉매를 응축부로 회수하는 방식으로 냉각제를 순환시키는 냉매순환튜브유닛 및 회전자의 기울어짐 발생시 응축 냉매를 캐비티 내로 강제 공급하는 강제순환유닛을 포함한다.
Description
본 발명은 초전도 회전기기 및 그것의 냉각 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초전도 코일을 포함하는 회전자를 냉각시키는 냉매가 자연순환 및 강제순환 가능토록 구성된 초전도 회전기기 및 그것의 냉각 방법에 관한 것이다.
초전도 회전기기는 기계의 작동중에 확실하게 냉각되어야만 하는 초전도 코일을 포함한다. 77K보다 높은 전이 온도를 가지는 금속 산화물 초전도 재료가 알려져 있다. 이러한 재료를 함유하는 초전도 코일을 포함하는 기계는 예컨대 액상 질소에 의해 냉각될 수 있다.
종래에는 초전도 회전기기의 회전자를 냉각시키는 냉각 기술이 알려져 있다.
회전자는 열 전도성으로 형성된 회전자 몸체 및 코일 지지부에 설치되는 초전도 도체로 이루어진 초전도 코일로 이루어진다.
회전자 몸체는 축 방향으로 연장되는 원통형의 중앙 캐비티를 구비하며, 이 중앙 캐비티의 측면에는 코일 지지부로부터 유도되어 나오는 냉매 라인 부재들이 연결된다. 이러한 라인 부재들은 측지학적으로 더 높게 위치하는 냉각장치의 응축기 챔버로 이어지면서, 응축기 챔버 및 중앙 캐비티와 함께 폐쇄된 단일-튜브 라인 시스템을 형성한다.
냉각제는 서모사이펀(thermosiphon) 효과에 의해 라인 시스템 내를 순환한다. 응축기 챔버 내에서 응축되는 냉각제는 냉매 라인 부재를 통해 중앙 캐비티로 흐르고, 중앙 캐비티 내에서 냉각제는 코일 지지부 뿐만 아니라 초전도 코일에 열적 결합되는 것으로 인해 열을 흡수하여 증발한다. 다음 증발된 냉각 유체는 다시 동일 라인 부재를 통해 응축기 챔버 내로 도달하고, 이 응축기 챔버 내에서 냉각제가 다시 응축된다.
서모사이펀 효과에 의해 냉각이 이루어지는 경우, 액상 냉각제의 운반은 중력을 이용하는 조건에서만 이루어지므로, 냉각 장치 또는 응축기 챔버가 코일 지지부 보다 높게 위치되어야만 한다.
또한 서모사이펀 효과에 의해 냉각이 이루어지는 경우 냉매의 자연순환을 이용하여 회전자를 냉각하므로 초기 냉각 시간이 많이 소요된다.
본 발명의 목적은 냉매를 자연순환방식 및 강제순환방식을 이용하여 회전자의 냉각 효율을 향상시키는 초전도 회전기기 및 그것의 냉각방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 초전도 회전기기의 회전자의 초기 냉각시 외부 액체 냉매를 강제 공급하도록 구성된 초전도 회전기기 및 그것의 냉각방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점을 따르면 회전축을 중심으로 회전가능케 지지되고 적어도 하나의 초전도 코일을 가지며 중앙 캐비티를 가지는 회전자 및 상기 회전자의 외측에 상기 캐비티와 연통하도록 배치되는 냉각장치를 포함하며, 상기 냉각장치는 가스 냉매 공급라인을 통해 공급되는 가스 냉매를 응축하여 응축 냉매를 생성하는 응축부, 상기 응축 냉매를 상기 캐비티로 공급하고 캐비티 내에서 증발된 증발 냉매를 상기 응축부로 회수하는 방식으로 냉각제를 순환시키는 냉매순환유닛 및 상기 회전자의 기울어짐 발생시 상기 응축 냉매를 상기 캐비티 내로 강제 공급하는 강제순환유닛을 포함하는 초전도 회전기기가 제공된다.
상기 냉매순환유닛은 상기 응축 냉매를 상기 캐비티 내로 공급하는 적어도 하나의 내부냉매공급라인 및 상기 증발 냉매를 상기 응축부로 회수하는 적어도 하나의 냉매회수라인을 포함할 수 있다.
상기 강제순환유닛은 상기 응축부와 상기 내부냉매공급라인의 사이에 연결되어 상기 응축부로부터의 상기 응축 냉매를 상기 내부냉매공급라인을 통해 상기 캐비티 내로 강제 공급하는 펌프를 포함할 수 있다.
상기 초전도 회전기기는 상기 회전자의 초기냉각 시 외부 액체 냉매를 상기 캐비티 내로 강제 공급하는 외부액체냉매공급유닛을 더 포함할 수 있으며, 상기 외부액체냉매공급유닛은 상기 캐비티 내로 상기 외부 액체 냉매를 공급하는 적어도 하나의 외부냉매공급라인 및 상기 펌프 및 상기 외부냉매공급라인을 연결하는 연결라인을 포함할 수 있다.
상기 초전도 회전기기는 상기 연결라인에 구비되어 상기 외부 액체 냉매가 상기 외부냉매공급라인 측으로 흐르는 한 방향 흐름을 유도하는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 내부냉매공급라인, 상기 냉매회수라인 및 상기 외부냉매공급라인은 상기 회전축을 중심으로 동심원 형태로 배치될 수 있다.
상기 초전도 회전기기는 상기 냉각 장치측에 연결되어 상기 내부냉매공급라인, 상기 냉매회수라인, 및 상기 외부냉매공급라인을 에워싸는 제1 연결라인 진공부, 상기 회전자측에 연결되며 상기 제1 연결라인 진공부를 에워싸는 제2연결라인진공부 및 상기 제1,2 연결라인 진공부의 사이에 구비된 미케니컬 씰을 더 포함할 수 있다.
상기 초전도 회전기기는 상기 회전자의 기울어짐을 감지하는 기울기 감지센서 및 상기 기울기 감지센서로부터 기울임 신호 수신 시 상기 펌프를 구동하는 구동신호를 출력하도록 구성된 콘트롤 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 초전도 회전기기는 외부냉매공급라인을 통해 상기 외부 액체 냉매가 공급되어 상기 회전자가 초기냉각온도에 도달했는지 여부를 판단하는 초기 냉각상태감지기를 더 포함하고, 상기 콘트롤유닛은 상기 회전자가 상기 초기 냉각온도에 도달한 경우 상기 펌프의 구동을 멈추고 상기 가스 냉매공급라인을 통해 가스 냉매가 공급되도록 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 초기냉각상태감지기는 초기냉매순환시간을 카운팅하는 시간카운터, 회전자의 온도를 감지하는 온도측정센서, 또는 상기 회전자의 회전수를 체크하는 회전수감지기를 포함할 수 있다.
상기 외부 액체 냉매는 액체 질소를 포함할 수 있다.
상기 가스 냉매는 네온, 수소, 헬륨 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 초전도 회전기기는 상기 응축부 및 상기 펌프를 에워싸는 진공하우징을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점을 따르면, 가스 냉매가 냉각장치의 응축부를 통해 응축되고, 상기 응축부를 통해 생성된 응축 냉매가 적어도 하나의 내부냉매공급라인을 통해 회전자의 캐비티 내로 중력에 의해 공급되고, 상기 캐비티 내로 공급된 상기 응축냉매가 증발되어 적어도 하나의 냉매회수라인을 통해 증발 냉매가 상기 응축부로 회수되는 서모사이펀 방식에 의한 냉매자연순환과정; 상기 회전자의 기울어짐을 판단하는 회전자 기울어짐 판단과정; 및 상기 회전자의 기울어짐 판단 시 상기 응축냉매를 강제 공급하는 응축 냉매 강제순환과정을 포함하는 초전도 회전기기의 냉각방법이 제공된다.
상기 응축 냉매 강제순환과정은 상기 내부냉매공급라인 및 상기 응축부의 사이에 구비되는 펌프의 강제 펌핑력에 의해 수행될 수 있다.
상기 응축 냉매 강제순환과정은 상기 냉매자연순환과정이 수행되는 동안 상기 회전자의 기울어짐을 판단하는 기울어짐 판단과정 및 상기 회전자의 기울어짐 판단 시 상기 펌프를 구동시키는 펌프구동과정을 포함할 수 있다.
상기 초전도 회전기기의 냉각 방법은 상기 냉매자연순환과정이전에 상기 회전자의 캐비티 내로 상기 외부 액체 냉매를 강제 공급하여 상기 회전자의 초기 냉각을 수행하는 초기 냉매 강제순환과정을 더 포함할 수 있다.
상기 초기 냉매 강제순환과정은 펌프의 강제 펌핑력에 의하여 적어도 하나의 외부냉매공급라인을 통하여 외부 액체 냉매를 공급하는 외부 액체 냉매 강제공급과정, 상기 회전자가 초기 냉각온도로 도달했는지 여부를 초기냉각상태감지기를 이용하여 판단하는 초기냉각상태판단과정 및 상기 회전자가 상기 초기 냉각온도에 도달한 경우 상기 펌프의 구동을 멈추고 상기 가스 냉매를 상기 냉각유닛으로 공급하는 가스냉매공급과정을 포함할 수 있다.
상기 응축 냉매 및 상기 외부 액체 냉매는 동일한 단일 펌프에 의해 강제될 수 있다.
상기 내부냉매공급라인, 상기 냉매회수라인, 및 상기 외부냉매공급라인은 상기 회전자의 중심축을 중심으로 동심으로 배치될 수 있다.
상기 펌프의 구동에 의하여 상기 외부냉매공급라인을 통해 상기 외부 액체 냉매를 공급하는 동안 체크밸브에 의하여 상기 외부 액체 냉매가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
상기 외부 액체 냉매는 액체 질소를 이용할 수 있다.
상기 가스 냉매는 네온, 수소, 헬륨 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다.
상기 초기냉각상태판단은 초기냉매순환시간 카운팅, 상기 회전자의 온도감지, 또는 상기 회전자의 회전수 체크에 의할 수 있다.
본 발명을 따르면, 냉매를 자연순환방식 및 강제순환방식에 의해 순환가능토록 구성하여 회전자의 불 균일 상태에서도 냉매가 원활하게 순환될 수 있다.
본 발명을 따르면, 회전기기의 냉각 초기에 액체 질소를 이용하여 강제순환시키도록 구성함에 초전도 회전기기의 초기 냉각 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예를 따른 초전도 회전기기의 구성을 도시한 전체구성도이다.
도 2는 도 1의 화살표 Ⅱ를 따라 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예를 따른 초전도 회전기기의 냉각 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 도 3의 초기 냉매 강제 순환 과정을 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1의 화살표 Ⅱ를 따라 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예를 따른 초전도 회전기기의 냉각 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 도 3의 초기 냉매 강제 순환 과정을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예를 따른 초전도 회전기기의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 초전도 회전기기(1)는 외부 하우징(3), 외부 하우징(3)에 설치된 고정자 코일(5) 및 외부 하우징(3)의 내부에 위치하며 고정자 코일(5)로 둘러싸인 회전자(10)를 포함한다.
회전자(10)는 베어링(7)에 의해 회전축(A)을 중심으로 외부 하우징(3)에 회전가능하게 지지되는 진공 하우징(11) 및 초전도 코일(12)을 가지며 진공 하우징(11)의 내부에서 예컨대 중공의 원통형 토크 전달 지지부재(13)로 지지되는 코일 지지부(15)를 포함한다.
코일 지지부(15)는 회전축(A)과 동심으로 배치되고 회전축(A) 방향을 따라 신장하는 중앙 캐비티(17)를 포함한다. 캐비티(17)는 원통형을 가질 수 있다. 캐비티(17)는 코일 지지부(15)에 의해 진공상태를 유지한다. 회전자(10) 일측은 회전축(19)에 의하여 외부 하우징(3)에 지지된다.
회전자(10)의 외측에는 예컨대 수 미터를 두고 냉각장치(30)가 배치될 수 있다.
냉각장치(30)는 초전도 코일(12)을 열전도 부재를 통하여 간접적으로 냉각하는 냉동기(31)를 포함한다. 도면에서는 냉동기(31)의 콜드 헤드(31a)만 도시된다. 냉동기(31)는 지포드 맥마혼 (Gifford-McMahon) 타입 또는 스털링(stirling) 타입으로 형성되거나 펄스 튜브 타입으로 형성될 수 있다.
냉각장치(30)는 콜드 헤드(31a)와 결합된 열 전도부재(미도시)와 열적으로 결합되어 가스 냉매 공급 라인(33)을 통해 공급되는 가스 냉매를 응축하는 응축부(35) 및 캐비티(17) 및 응축부(35)를 연결하는 냉매순환유닛(37)을 포함할 수 있다.
냉매순환유닛(37)은 응축부(35)에서 응축되는 응축 냉매(L1)를 캐비티(17)로 흐르게 하고, 캐비티(17) 내에서 응축 냉매(L1)가 코일 지지부(15) 뿐만 아니라 초전도 코일(12)에 열적 결합되는 것으로 인해 열을 흡수하여 증발된 증발 냉매(V)를 응축부(35)로 회수한다.
냉매순환유닛(37)은 응축부(35)로부터 응축 냉매(L1)를 캐비티(17) 내로 공급하는 적어도 하나의 내부냉매공급라인(37a) 및 캐비티(17) 내에서 증발된 증발 냉매(V)를 응축부(35)로 회수하는 적어도 하나의 냉매회수라인(37b)을 포함하여 냉각제가 서모사이펀 효과에 의해 순환하도록 할 수 있다.
냉매회수라인(37b) 및 응축부(35)의 사이에는 연결라인(37c)이 추가로 구비될 수 있다.
여기서, 내부냉매공급라인(37a) 및 냉매회수라인(37b)은 동일 라인으로 구성되어 응축 냉매(L1) 및 증발 냉매(V)가 동일 라인을 통해 순환하도록 구성할 수 있다.
냉각장치(30)는 회전자(10)의 기울어짐 발생 시 응축 냉매(L1)를 캐비티(17) 내로 강제공급하는 강제순환유닛(38)을 포함할 수 있다.
회전자(10)의 기울어짐이란 예컨대, 선박이나 근해 시설에서 초전도 회전기기(1)가 채용된 경우 초전도 회전기기(1)가 수평상태(H)로부터 일정각도(α°) 이상 기울어진 불균형 상태를 의미하는 것으로서, 캐비티(17) 보다 응축부(35)가 아래에 위치되는 모든 경우를 의미한다.
즉, 회전자(10)의 기울어짐이란 순수하게 중력에 의해서만 응축 냉매가 흐르는 흐름에서 문제가 발생하는 모든 경우를 의미한다.
강제순환유닛(38)은 응축부(35)와 내부냉매공급라인(37a)의 사이에 연결되어 응축부(35)로부터 공급되는 응축 냉매(L1)를 내부냉매공급라인(37a)을 통해 캐비티(17) 내로 강제공급하는 펌프(38a)를 포함할 수 있다.
회전자(10)의 기울어짐 판단을 위하여 초전도 회전기기(1)는 기울기 감지 센서(21)를 더 포함할 수 있다. 기울기 감지센서(21)는 예컨대 외부 하우징(3)의 상측에 부착될 수 있다.
초전도 회전기기(1)는 기울기 감지 센서(21)로부터 회전자(10)의 기울어짐 신호를 수신하면, 펌프(38a)가 구동되도록 구동신호를 출력하는 콘트롤 유닛(23)을 포함할 수 있다.
냉각장치(30)는 회전자(10)의 초기 냉각 시 외부 액체 냉매를 캐비티(17) 내로 강제 공급하는 외부액체공급유닛(39)을 더 포함할 수 있다.
외부 액체 공급 유닛(39)은 캐비티(17) 내로 외부 액체 냉매(L2)를 공급하는 적어도 하나의 외부 냉매 공급 라인(39a) 및 펌프를 포함할 수 있다. 여기서 펌프는 강제순환유닛(38)을 이루는 펌프(38a)와 동일한 것을 이용할 수 있다. 즉, 펌프(38a)는 응축부(35)로부터의 응축 냉매(L1) 및 외부 냉매 공급라인(39a)을 통해 공급되는 외부 액체 냉매(L2)를 강제 공급할 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 외부 냉매 공급라인(39a) 및 펌프(38a)의 사이에는 연결라인(39c)이 추가로 구비될 수 있으며, 연결라인(39c)은 외부 액체 냉매(L2)를 공급하는 메인 공급관(39e)과 연결될 수 있다.
메인 공급관(39e)에는 조절밸브(45)가 개폐가능케 구비되어 외부 액체 냉매(L2)의 공급 및 차단을 조절할 수 있다.
외부 액체 냉매(L2)는 액체 질소와 같은 극저온 액체 냉매를 포함할 수 있다.
연결라인(39c)에는 펌프(38a) 구동에 의해 외부 액체 냉매(L2)가 외부 냉매 공급라인(39a)을 통해 공급되는 경우, 외부 액체 냉매(L2)가 연결라인(39c)을 통해 외부냉매공급라인(39a)을 따르는 한 방향 흐름을 유도하고, 그 역방향으로 흐르는 것을 저지하도록 체크밸브(32)가 구비될 수 있다.
외부 액체 공급 유닛(39)은 외부 냉매 공급 라인(39a)을 통해 외부 액체 냉매(L2)가 공급되어 회전자(10)가 초기 냉각 온도에 도달했는지 여부를 감지하는 초기냉각상태감지기(25)를 더 포함할 수 있다.
초기냉각상태감지기(25)는 외부 액체 냉매(L2)가 공급되어 순환하는 초기냉매순환시간을 카운팅 하는 시간 카운터, 회전자(10)의 온도를 감지하는 온도 측정센서, 또는 회전자(10)의 회전수를 체크하는 회전감지기를 포함할 수 있다.
콘트롤 유닛(23)은 초기냉각상태감지기(25)로부터 전달된 신호를 통하여 회전자(10)가 초기 냉각 온도에 도달한 것으로 판단된 경우 펌프(38a)의 구동을 멈추고 가스 냉매공급라인(33)을 통해 가스 냉매(G)가 공급되도록 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
가스 냉매는 네온, 수소, 헬륨 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
응축부(35), 펌프(38a)는 외부와의 단열을 위하여 냉각장치 진공하우징(36)으로 에워싸인다.
진공 하우징(36)의 일측에는 내부냉매공급라인(37a), 냉매회수라인(37b) 및 외부냉매공급라인(39a)을 에워싸 외부와 단열하는 제1 연결라인 진공부(36a)가 구비될 수 있다.
회전자 진공하우징(11)의 일측에는 단열을 위하여 제1 연결라인 진공부(36a)를 에워싸는 제2 연결라인 진공부(11a)가 구비될 수 있다.
제1 연결라인 진공부(36a) 및 제2 연결라인 진공부(11a)의 사이에서 냉각장치 진공 하우징(36)과 근접한 측에는 자성 유체 씰(41)이 구비되고, 자성 유체씰(41)과 대향하는 제1 연결라인 진공부(36a) 및 제2 연결라인 진공부(11a)의 사이에는 미케니컬 씰(43)이 추가로 구비될 수 있다.
자성유체 씰(41) 및 미케니컬 씰(43)은 일정 간격을 두고 배치되어 냉각제가 누설되는 것을 이중으로 방지한다. 특히, 미케니컬 씰(43)은 냉각제가 회전자(10)측으로부터 누설됨을 1차적으로 방지하여 자성유체 씰(41)이 냉각제에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 도 1의 화살표 Ⅱ를 따라 바라본 도면이다.
도 2를 참조하면, 회전축(A)을 중심으로 내부냉매공급라인(37a), 냉매회수라인(37b) 및 외부냉매공급라인(39a)이 동심으로 배치된다.
내부 냉매 공급 라인(37a)은 적어도 하나로 마련되고, 그 중심이 회전축(A)과 일치하도록 배치될 수 있다.
내부냉매공급라인(37a)은 적어도 하나로 마련되고, 내부냉매공급라인(37a)을 중심으로 일정 간격을 두고 원형으로 배치될 수 있다.
외부냉매공급라인(39a)은 내부냉매공급라인(37a) 및 냉매회수라인(37b) 사이에 배치되고 일정 간격을 두고 원형으로 배치될 수 있다.
다음은 본 발명의 일 실시 예를 따른 초전도 회전기기의 냉각 방법에 관해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예를 따른 초전도 회전기기의 냉각과정을 도시한 순서도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 초전도 회전기기의 냉각 방법은 냉매자연순환과정(S30), 회전자 기울어짐 판단과정(S50) 및 응축 냉매 강제 순환 과정(S70)을 포함할 수 있다.
냉매 자연 순환 과정(S30)에서는 가스 냉매(G)가 가스 냉매 공급라인(33)을 통해 공급되어 냉각장치(30)의 응축부(35)를 통해 응축된다. 응축부(35)를 통해 응축된 응축 냉매(L1)는 내부냉매공급라인(37a)을 통해 회전자(10)의 캐비티(17) 내로 중력에 의해 공급된다.
캐비티(17) 내로 공급된 응축 냉매(L1)는 증발된다. 열을 흡수하면서 증기 형태로 증발된 증발 냉매(V)는 냉매 회수 라인(37b)를 통해 응축부(35)로 유입된다. 여기서, 냉각제의 순환은 이른바 서모 사이펀 효과를 이용하는 조건에서 이루어진다.
회전자 기울어짐 판단 과정(S50)에서는 기울기 감지 센서(21)에 의해 회전자(10)의 기울어짐이 감지된다.
기울기 감지 센서(21)를 통해 수신된 신호를 기초로 콘트롤 유닛(23)은 회전자(10)의 기울어짐 여부를 판단하고 회전자(10)가 일정 각도(α°) 이상 기울어져 응축 냉매(L1)가 캐비티(17)로 중력에 의해 공급이 불가능한지 여부를 판단한다.
이와 같이 회전자 기울어짐 판단 과정(S50)에서 회전자(10)가 기울어진 경우 로 판단되면, 콘트롤 유닛(23)은 펌프(38a) 구동 신호를 출력하여 펌프(38a)를 구동한다.
그에 따라 응축부(35)에 수용된 액체 냉매(L1)는 펌프(38a)의 구동력에 의하여 캐비티(17) 내로 강제 공급된다. 캐비티(17) 내로 공급된 응축 냉매(L1)는 열을 흡수하면서 증기 형태로 증발되고, 증발된 증발 냉매(V)는 냉매회수라인(37b)을 통해 응축부(35)로 유입된다.
이에 더하여, 냉매자연순환과정(S30) 이전에 외부 액체 냉매(L2)를 강제 순환 시키는 초기 냉매 강제 순환 과정(S10)을 더 포함할 수 있다.
도 4는 초기 냉매 순환 과정(S10)을 도시한 순서도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 초기 냉매 강제 순환 과정(S10)은 외부 액체 냉매 공급과정(S11), 초기 냉각 상태 판단 과정(S13) 및 가스 냉매 공급 과정(S15)을 포함한다.
외부 액체 냉매 공급 과정(S11)에서는 펌프(38a)가 구동되고, 조절밸브(45)가 개방되어 외부 액체 냉매(L2)인 액체 질소가 메인 공급관(39e)을 통해 공급된다. 이때, 조절밸브(45)는 콘트롤 유닛(23)의 신호에 의해 개방된다.
연결라인(39c)을 통해 외부 냉매 공급라인(39a)을 통해 외부 액체 냉매(L2)가 이동하여 캐비티(17) 내로 공급된다.
캐비티(17) 내로 공급된 외부 액체 냉매(L2)는 열을 흡수하면서 증기 상태로 증발하고 증발된 증발 냉매는 냉매회수라인(37b)을 통해 응축부(35)로 유입되어 재응축된다. 재응축된 응축 냉매(L1)는 내부냉매공급라인(37a)을 통해 캐비티(17) 내로 공급된다.
이와 같이 외부 액체 냉매(L2)가 펌프(38a)의 구동력에 의해 강제 펌핑됨에 있어서, 연결라인(39c)에 구비된 체크 밸브(32)에 의해 외부 액체 냉매(L2)는 연결라인(39c)을 통하여 외부 냉매 공급 라인(39a)을 따라 흐르는 한 방향 흐름이 유도되고, 그 역방향으로 흐르는 것이 저지된다.
이와 같이 외부 액체 냉매(L2)는 펌프(38a)의 구동력에 의해 캐비티(17) 내로 강제 공급됨에 따라 회전자(10)의 초기 냉각 시간을 단축할 수 있다.
여기서, 외부 액체 냉매(L2)를 순환시키는 구동력이 응축 냉매(L1)를 강제 펌핑하는 펌프(38a)에 의하여 제공되는 것이 설명되었으나, 펌프(38a)와 다른 별개의 펌프에 의할 수 있음은 물론이다.
초기 냉각 상태 판단 과정(S13)에서는 외부 액체 냉매(L2)가 캐비티(17) 내로 공급되어 증발하고, 증발 냉매가 응축부(35)로 회수된 후 재응축되어 캐비티(17) 내로 재공급되는 초기 냉매 순환 동작을 이루는 동안 초기냉각상태감지기(25)를 통해 회전자(10)의 초기냉각상태가 감지된다.
초기냉각상태 감지는 초기 냉매 순환 시간을 카운팅하거나, 회전자(10)의 온도를 감지하거나, 회전자(10)의 회전수를 체크하는 것에 의할 수 있다.
가스 냉매 공급 과정(S15)에서는 초기냉각상태감지기(25)를 통해 수신된 데이터를 기초로 콘트롤 유닛(23)은 회전자(10)가 원하는 초기 냉각 온도에 도달했는지 여부를 판단한다.
회전자(10)가 원하는 초기 냉각 온도에 도달하였다고 판단된 경우, 콘트롤 유닛(23)은 펌프(38a)가 정지하도록 구동신호를 출력하고, 가스 냉매공급라인(33)을 통해 예컨대, 네온, 수소, 헬륨 등 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 냉매(G)가 공급되도록 한다.
이와 같이 액체 질소를 통해 회전자(10)가 초기 냉각되면, 가스 냉매(G)가 가스 냉매공급라인(33)을 통해 공급되고, 응축부(35)를 통해 응축된 후 캐비티(17) 내로 중력에 의해 공급되어 회전자(10)를 목표 온도로 냉각시킨다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술하는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
1: 초전도 회전기기 10: 회전자
15: 코일 지지부 17: 캐비티
21: 기울기 감지 센서 23: 콘트롤 유닛
25: 초기냉각상태감지기 30: 냉각장치
33: 가스냉매공급라인 35: 응축부
37: 냉매순환유닛 38a: 펌프
37a: 내부냉매공급라인 37b:냉매회수라인
39: 외부액체공급유닛 39a: 외부냉매공급라인
41: 자성유체씰 43: 미케니컬 씰
15: 코일 지지부 17: 캐비티
21: 기울기 감지 센서 23: 콘트롤 유닛
25: 초기냉각상태감지기 30: 냉각장치
33: 가스냉매공급라인 35: 응축부
37: 냉매순환유닛 38a: 펌프
37a: 내부냉매공급라인 37b:냉매회수라인
39: 외부액체공급유닛 39a: 외부냉매공급라인
41: 자성유체씰 43: 미케니컬 씰
Claims (25)
- 회전축을 중심으로 회전가능케 지지되고 적어도 하나의 초전도 코일 및 캐비티를 가지는 회전자; 및
상기 회전자의 외측에 상기 캐비티와 연통하도록 배치되는 냉각장치를 포함하며,
상기 냉각장치는
가스냉매공급라인을 통해 공급되는 가스냉매를 응축하여 응축냉매를 생성하는 응축부;
상기 응축냉매를 상기 캐비티로 공급하고 상기 캐비티 내에서 증발된 증발냉매를 상기 응축부로 회수하는 방식에 의해 냉각제를 순환시키는 냉매순환유닛;
상기 회전자의 기울어짐 발생시 상기 응축냉매를 상기 캐비티 내로 강제 공급하는 강제순환유닛; 및
상기 냉매순환유닛을 통해 상기 냉각제가 상기 캐비티 내로 공급되기 전에 상기 응축부와 다른 공급원으로부터 외부액체냉매를 상기 캐비티 내로 공급하여 상기 회전자를 초기 냉각시키도록 구성된 외부액체냉매공급유닛을 포함하는 초전도 회전기기. - 제1항에 있어서,
상기 냉매순환유닛은
상기 응축 냉매를 상기 캐비티 내로 공급하는 적어도 하나의 내부냉매공급라인; 및
상기 증발 냉매를 상기 응축부로 회수하는 적어도 하나의 냉매회수라인;
을 포함하는 초전도 회전기기. - 제2항에 있어서,
상기 강제순환유닛은 상기 응축부와 상기 내부냉매공급라인의 사이에 연결되어 상기 응축부로부터의 상기 응축냉매를 상기 내부냉매공급라인을 통해 상기 캐비티 내로 강제 공급하는 펌프를 포함하는 초전도 회전기기. - 삭제
- 제3항에 있어서,
상기 외부액체냉매공급유닛은
상기 캐비티 내로 상기 외부 액체냉매를 공급하는 적어도 하나의 외부냉매공급라인; 및
상기 펌프 및 상기 외부냉매공급라인을 연결하는 연결라인;
을 포함하는 초전도 회전기기. - 제5항에 있어서,
상기 연결라인에 구비되어 상기 외부 액체 냉매가 상기 외부냉매공급라인 측으로 흐르는 한 방향 흐름을 유도하는 체크밸브를 더 포함하는 초전도 회전기기. - 제5항에 있어서,
상기 내부냉매공급라인, 상기 냉매회수라인 및 상기 외부냉매공급라인은 상기 회전축을 중심으로 동심원 형태로 배치된 초전도 회전기기. - 제7항에 있어서,
상기 냉각 장치측에 연결되어 상기 내부냉매공급라인, 상기 냉매회수라인, 및 상기 외부냉매공급라인을 에워싸는 제1 연결라인 진공부;
상기 회전자측에 연결되며 상기 제1 연결라인 진공부를 에워싸는 제2 연결라인 진공부; 및
상기 제1,2 연결라인 진공부의 사이에 구비된 미케니컬 씰;
을 더 포함하는 초전도 회전기기. - 제5항에 있어서,
상기 회전자의 기울어짐을 감지하는 기울기 감지센서; 및
상기 기울기 감지센서로부터 기울임 신호 수신 시 상기 펌프를 구동하는 구동신호를 출력하도록 구성된 콘트롤유닛;
을 더 포함하는 초전도 회전기기. - 제9항에 있어서,
상기 외부냉매공급라인을 통해 상기 외부 액체 냉매가 공급되어 상기 회전자가 초기냉각온도에 도달했는지 여부를 판단하는 초기냉각상태감지기를 더 포함하고,
상기 콘트롤유닛은 상기 회전자가 상기 초기냉각온도에 도달한 경우 상기 펌프의 구동을 멈추고 상기 가스 냉매공급라인을 통해 가스 냉매가 공급되는 신호를 출력하도록 구성된 초전도 회전기기. - 제10항에 있어서,
상기 초기냉각상태감지기는 초기냉매순환시간을 카운팅하는 시간카운터, 상기 회전자의 온도를 감지하는 온도측정센서, 또는 상기 회전자의 회전수를 체크하는 회전수감지기를 포함하는 초전도 회전기기. - 제5항에 있어서,
상기 외부 액체 냉매는 액체 질소를 포함하는 초전도 회전기기. - 제1항에 있어서,
상기 가스 냉매는 네온, 수소, 헬륨 중 적어도 어느 하나를 포함하는 초전도 회전기기. - 제5항에 있어서,
상기 응축부 및 상기 펌프를 에워싸는 진공 하우징을 더 포함하는 초전도 회전기기. - 가스 냉매가 냉각장치의 응축부를 통해 응축되고, 상기 응축부를 통해 생성된 응축냉매가 적어도 하나의 내부냉매공급라인을 통해 회전자의 캐비티 내로 중력에 의해 공급되고, 상기 캐비티 내로 공급된 상기 응축 냉매가 증발되어 적어도 하나의 냉매회수라인을 통해 상기 응축부로 증발 냉매가 회수되는 서모사이펀 방식에 의한 냉매자연순환과정;
상기 회전자의 기울어짐 여부를 판단하는 회전자 기울어짐 판단과정; 및
상기 회전자의 기울어짐 판단 시 상기 응축 냉매를 강제 공급하는 응축 냉매 강제순환과정;
을 포함하고,
상기 냉매자연순환과정 이전에 상기 회전자의 상기 캐비티 내로 상기 응축부와 다른 공급원으로부터 외부액체냉매를 강제 공급하여 상기 회전자의 초기 냉각을 수행하는 초기 냉매 강제순환과정을 더 포함하는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 제15항에 있어서,
상기 응축 냉매 강제순환과정은
상기 내부냉매공급라인 및 상기 응축부의 사이에 구비되는 펌프의 강제 펌핑력에 의해 수행되는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 제16항에 있어서,
상기 응축 냉매 강제순환과정은
상기 냉매자연순환과정이 수행되는 동안 상기 회전자의 기울어짐 여부를 판단하는 기울어짐 판단과정; 및
상기 회전자의 기울어짐 판단 시 상기 펌프를 구동시키는 펌프구동과정;
을 포함하는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 삭제
- 제17항에 있어서,
상기 초기 냉매 강제순환과정은
펌프의 강제 펌핑력에 의하여 적어도 하나의 외부냉매공급라인을 통하여 외부액체 냉매를 공급하는 외부 액체 냉매 강제공급과정;
상기 회전자가 초기 냉각온도로 도달했는지 여부를 초기냉각상태감지기를 이용하여 판단하는 초기냉각상태판단과정; 및
상기 회전자가 상기 초기 냉각온도에 도달한 경우 상기 펌프의 구동을 멈추고 상기 가스 냉매를 상기 냉각장치로 공급하는 가스 냉매공급과정;
을 포함하는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 제19항에 있어서,
상기 응축 냉매 및 상기 외부 액체 냉매를 단일 펌프에 의해 강제공급하는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 제19항에 있어서,
상기 내부냉매공급라인, 상기 냉매회수라인, 및 상기 외부냉매공급라인은 상기 회전자의 중심축을 중심으로 동심원 형태로 배치되는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 제20항에 있어서,
상기 펌프의 구동에 의하여 상기 외부냉매공급라인을 통해 상기 외부 액체 냉매를 공급하는 동안 체크밸브에 의하여 상기 외부 액체 냉매가 역류하는 것을 방지하는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 제15항에 있어서,
상기 외부 액체 냉매는 액체 질소를 이용하는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 제15항에 있어서,
상기 가스 냉매는 네온, 수소, 헬륨 중 적어도 어느 하나를 이용하는 초전도 회전기기의 냉각방법. - 제19항에 있어서,
상기 초기냉각상태판단은 초기냉매순환시간 카운팅, 상기 회전자의 온도감지, 또는 상기 회전자의 회전수 체크에 의하는 초전도 회전기기의 냉각방법.
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Patent Citations (2)
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