KR101605971B1 - 유지 보수기능이 개선된 토로이드 타입 초전도 마그넷 구조 - Google Patents

유지 보수기능이 개선된 토로이드 타입 초전도 마그넷 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토로이드 타입의 초전도 마그넷에 관한 것으로서, 중앙을 형성하는 제1 열 교환기, 상기 제1 열 교환기의 상단/하단에 위치하는 제2 열 교환기 및 제3 열 교환기, 상기 제1 열 교환기의 외주면에 장착되는 단일 초전도 코일들, 상기 제2 열 교환기 및 제3 열 교환기의 서로 마주 보는 면에 형성되고 상기 단일 초전도 코일이 끼움 고정되는 결합부, 상기 결합부의 일단에 고정되는 볼트탭 블록, 및 상기 결합부에 끼움 고정된 단일 초전도 코일에 압력을 가하여 추가 고정하는 압착 패드를 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 따르면 단일 초전도 코일의 교체가 필요한 경우 해당하는 단일 초전도 코일만을 용이하게 교체할 수 있는 이점이 있다.

Description

유지 보수기능이 개선된 토로이드 타입 초전도 마그넷 구조{The improved maintenance function of toroid type superconduction}
본 발명은 초전도 마그넷에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초전도 마그넷의 구성 전부를 분해하지 않고서도 교체가 필요한 단일 초전도 코일만을 용이하게 교체할 수 있도록 한 유지 보수기능이 개선된 토로이드 타입 초전도 마그넷에 관한 것이다.
초전도선의 응용은 얇은 초전도선을 원형 또는 특정한 형태의 보빈에 감아 하나의 마그넷으로 제작하여 사용된다. 그리고 마그넷은 형태에 따라 솔레노이드형 초전도 마그넷과 토로이드형 초전도 마그넷으로 구분할 수 있다.
그 중 토로이드형 초전도 마그넷은 형태나 조립 구조가 복잡하다는 단점이 있지만, 운전 전류를 감소시키는 수직자장의 크기가 매우 작으며 마그넷에서 발생하는 모든 자속이 토로이드형 초전도 마그넷의 형상 내부에 모두 구속되기 때문에 외부로 누출되는 자속이 극히 작다는 장점을 가진다. 따라서 누설 자속의 상쇄 공간까지 고려해서 설치해야 하는 솔레노이드형 초전도 마그넷에 비해 상대적으로 좁은 공간에서도 설치 및 운전이 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따른 토로이드형 초전도 마그넷을 보인 사시도이다.
토로이드형 초전도 마그넷(1)은 중심축을 기준으로 초전도 코일 구조체가 원형으로 배치된 마그넷(10)과, 마그넷(10)의 상단과 하단에 구성되는 제1 열교환기(20) 및 제2 열교환기(30)를 포함하는 구성이다. 초전도 코일 구조체는 복수 개의 초전도 코일(2)로 이루어지는데, 통상 30개의 더블 팬케익 코일(double pancake coil)이 사용된다. 복수 개의 초전도 코일(2)들의 집합을 초전도 코일 구조체라 한다. 이러한 초전도 코일 구조체는 제1 열교환기(20) 및 제2 열교환기(30)와 볼트와 같은 체결수단이 이용되어 조립된다.
하지만, 도 1과 같은 구조의 토로이드형 초전도 마그넷(1)은, 초전도 코일 구조체를 구성하는 단일 초전도 코일(2)의 교체가 필요한 경우 토로이드형 초전도 마그넷(1)을 구성하는 구성부품을 전부 분해해야만 했다. 즉, 마그넷(10)의 상단과 하단에 위치한 제1 열교환기(20) 및 제2 열교환기(30)와 단일 초전도 코일(2)을 연결하는 체결수단을 모두 제거해야만 단일 초전도 코일(2)을 교체할 수가 있었다.
이처럼 마그넷(10)을 분해하고 조립해야 하기 때문에 작업이 번거롭고 불편하였으며, 아울러 분해/조립시 수반되는 위험 요소를 감수할 수밖에 없었다. 예컨대, 분해/조립시 작업자가 상해를 입을 수 있거나 또는 정확한 재조립이 되지 않을 경우 정상적인 기능 수행 불가로 인하여 점검 및 보수 등에 시간 및 비용이 추가로 소요되는 문제가 초래되었던 것이다.
한국공개특허 2011-0083045호(2011. 07. 20. 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈)
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 토로이드형 초전도 마그넷을 분해하지 않고서도 손상된 단일 초전도 코일을 용이하게 교체할 수 있도록 유지 보수기능이 개선된 토로이드 타입 초전도 마그넷 구조를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 중앙을 형성하는 제1 열 교환기; 상기 제1 열 교환기의 상단에 위치하는 제2 열 교환기; 상기 제1 열 교환기의 하단에 위치하는 제3 열 교환기; 상기 제1 열 교환기의 외주면에 장착되는 단일 초전도 코일들; 상기 제2 열 교환기 및 제3 열 교환기의 서로 마주 보는 면에 형성되고 상기 단일 초전도 코일이 끼움 고정되는 결합부; 상기 결합부의 일단에 고정되는 볼트탭 블록; 및 상기 결합부에 끼움 고정된 단일 초전도 코일에 압력을 가하여 추가 고정하는 압착 패드를 포함하는 유지 보수기능이 개선된 토로이드 타입 초전도 마그넷 구조를 제공한다.
상기 결합부는 V자 형상이고, 중심으로 갈수록 좁아지는 형상이다.
상기 압착 패드는 스테인레스 스틸 또는 GFRP로 형성되고, 상기 볼트탭 블록은 스테인레스로 형성된다.
상기 볼트탭 블록은, ㄷ자 형상이고, 상기 결합부의 단부에 끼워지도록 절개부가 형성된다.
상기 단일 초전도 코일은, 중앙에 위치하는 센터 지그; 상기 센터 지그의 둘레를 감싸는 초전도 권선; 상기 초전도 권선의 후방, 상부 및 하부에 위치하여 상기 단일 초전도 코일의 외형을 이루는 제1 전도 바 내지 제 3 전도 바; 상기 제1 전도 바 내지 제3 전도 바의 일부를 양측에서 덮으면서 체결되는 알루미늄 플레이트를 포함하여 구성된다.
상기 열 교환기들과 접촉하는 상기 제1 전도 바 내지 제3 전도 바의 접촉 면은 인듐시트 또는 써멀 그리스로 형성된다.
상기 제2 전도 바 및 제3 전도 바의 일면 및 좌우 측면은 경사면으로 형성된다.
이와 같은 본 발명에 따른 유지 보수기능이 개선된 토로이드 타입 초전도 마그넷 구조는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 토로이드형 초전도 마그넷의 구조를 개선함으로써, 단일 초전도 코일이 손상되었거나 제작 불량으로 인해 교체가 필요한 경우, 토로이드형 초전도 마그넷을 전부 분해하지 않고서도 교체가 가능하다. 따라서 운용 및 교체 비용을 감소시킬 수 있고, 작업자의 안전을 도모할 수 있다.
그리고 토로이드형 초전도 마그넷의 경우 단일 초전도 코일을 조립하기 위한 볼트탭이 교체 가능하기 때문에 새로운 볼트 탭을 이용하여 단일 초전도 코일을 체결할 수 있다.
또한 단일 초전도 코일들마다 상호 간에 공극이 형성되기 때문에 단일 초전도 코일에서 켄치(quench)가 발생하더라도 인접한 초전도 코일들에 영향을 미치지 않는다.
그리고 3개의 열교환기를 사용하기 때문에 전자기력 방향이 초전도 마그넷의 중심으로 집중될 수 있으며, 이로 인해 단일 초전도 코일들이 고정된 상태를 유지할 수 있어 구조적으로 안정도가 향상된다.
또한 토로이드형 초전도 마그넷이 전도 냉각으로 냉각될 경우 마그넷 중앙에 위치한 원통형 무산소동을 이용하면 마그넷 상부와 하부를 동시에 냉각할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 토로이드형 초전도 마그넷을 보인 사시도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 토로이드형 초전도 마그넷을 보인 사시도
도 3a 및 도 3b는 도 2의 분해 사시도
도 4 및 도 5는 볼트 탭 블록의 장착 전후 상태를 보인 도면
도 6a 내지 도 6c는 단일 초전도 코일의 사시도 및 측면도
도 7 및 도 8은 토로이드형 초전도 마그넷의 구성 일부를 조립 및 분해하는 예를 설명하는 도면
본 발명은 토로이드형 초전도 마그넷을 구성하는 단일 초전도 코일이 손상되었거나 문제가 발생한 경우, 해당하는 단일 초전도 코일만 쉽게 교체할 수 있도록 초전도 마그넷의 구조를 개선하는 것을 기본적인 기술적 요지로 한다.
다만, 본 발명은 토로이드형 초전도 마그넷을 실시 예로 설명하지만, 저온 초전도선과 고온 초전도선을 이용하여 제작된 모든 마그넷에 적용할 수 있으며, 액체 냉매 침전방식, 고체한제 냉각방식 그리고 전도냉각 방식과 같은 초전도 마그넷을 냉각하기 위한 다양한 냉각방식에도 적용이 가능하다.
이하 본 발명에 의한 토로이드형 초전도 마그넷의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 토로이드형 초전도 마그넷을 보인 사시도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 분해 사시도이다.
도 2를 보면, 토로이드형 초전도 마그넷(100)은, 초전도 마그넷의 중앙을 형성하는 제1 열교환기(110)가 구성된다. 제1 열교환기(110)는 원통형 또는 다각형으로 형성될 수 있다. 그리고 제1 열교환기(110)의 외주면에는 복 수개의 단일 초전도 코일(140, 도 3b 참조)이 장착된다.
제1 열교환기(110)의 상단과 하단에는 제2 열교환기(또는 상부 열교환기)(120) 및 제3 열교환기(또는 하부 열교환기)(130)가 구성된다. 제2 열교환기(120) 및 제3 열교환기(130)는 도넛 형상으로 형성되며, 동일한 직경을 가진다.
이러한 구성에 따르면 제1 열교환기(110)는 단일 초전도 코일(140)들을 지지하는 역할을 하며, 3개의 열교환기(110)(120)(130)를 이용하여 단일 초전도 코일(140)을 냉각하고 고정하는 구조로 볼 수 있다.
토로이드형 초전도 마그넷(100)의 내부 구조는 도 3a 및 도 3b을 참조한다.
도 3a와 같이 토로이드형 초전도 마그넷(100)은 제1 열교환기(110) 및 그 상단과 하단에 위치하는 제2 열교환기(120)와 제 3 열교환기(130)로 구분할 수 있다. 이들 각각의 열 교환기들은 서로 분해/조립이 가능하다.
제1 열교환기(110)에는 단일 초전도 코일(140)을 조립하기 위한 체결공(111)이 형성된다. 체결공(111)은 세로 방향으로 형성된 하나의 라인마다 복수 개가 형성되며, 라인 개수는 조립하고자 하는 단일 초전도 코일(140)의 개수와 대응된다.
제2 열교환기(120) 및 제3 열교환기(130)의 서로 마주보는 면에는 단일 초전도 코일(140)의 상단 및 하단 일부가 끼워지는 결합부(150)가 형성된다. 결합부(150)는 각 열 교환기(120)(130)의 중앙을 중심으로 방사형으로 배치되며 단일 초전도 코일(140)및 하단 모양과 대응되는 형상으로서 평면으로 봤을 때 V 자 형상이다. 안쪽이 좁고 바깥쪽이 넓어지는 구조이다.
결합부(150)에 끼워진 단일 초전도 코일(140)을 단단하게 고정하기 위한 구조가 필요하다. 이는 도 3b에 도시된 볼트탭 블럭(160) 및 압착 패드(170)를 이용한다. 볼트탭 블럭(160) 및 압착 패드(170)는 단일 초전도 코일(140) 개수와 대응되고, 단일 초전도 코일(140)이 결합부(150)에 끼워진 상태에서 압착 패드(170)를 결합하면 된다. 이때 볼트탭 블럭(160)는 결합부(150)에 이미 고정된 상태이며, 물론 볼트탭 블럭(160)도 착탈 가능하다.
볼트탭 블럭(160)은 대략 'ㄷ' 형상이며 결합부(150)의 단부에 끼워질 수 있도록 절개부(162)가 형성되어 있다. 이러한 볼트탭 블럭(160)은 제2 열교환기(120) 및 제3 열교환기(130)와 탈부착 가능한 구조이며, 압착 패드(170)를 이용하여 단일 초전도 코일(140)을 조립시에 발생하는 압력에 의해 고정된 상태를 유지하게 된다. 그리고 압착 패드(170)와의 결합을 위해 볼트탭 블럭(160)에는 다수의 체결공(163)이 형성된다. 볼트탭 블록(160)은 스테인레스와 같은 강성이 높은 재질로 제조되는 것이 좋다. 한편, 볼트 탭 블록*160)의 장착 전후 상태의 예는 도 4 및 도 5를 참조하면 된다.
압착 패드(170)는 단일 초전도 코일(140)을 압착하여 고정시키는 역할을 한다. 이렇게 고정하게 되면 단일 초전도 코일(140)을 구성하는 전도 바와 제1 열교환기(110) 사이의 접촉면에 추가적인 압력을 인가할 수 있어 전도 냉각시 열 교환이 더욱 원활하게 이루어질 수 있다. 그리고 압착 패드(170)는 강도가 높은 스테인레스 스틸 또는 GFRP(Glass-fiber reinforced plastics)로 제조되는 것이 바람직하다. 압착 패드(170)에도 볼트탭 블록(160) 및 단일 초전도 코일(140)에 형성된 체결공(163)(142)과 대응되는 위치에 체결공들(172)이 형성된다. 그리고 단일 초전도 코일(140)은 압착 패드(170)에 있는 체결공(172)부터 볼트와 같은 체결수단이 볼트탭 블록(160)과 단일 초전도 코일(140)에 형성된 체결공(163)(142)까지 관통하여 끼워지면 고정된다.
다음에는 단일 초전도 코일의 구조에 대해 설명한다.
도 6a 및 도 6b는 단일 초전도 코일의 사시도, 도 6c는 단일 초전도 코일의 측면 구성도이다.
단일 초전도 코일(140)은 중앙에 센터 지그(141)가 구성되고, 센터 지그(141)의 둘레를 감싸는 초전도 권선(142)이 위치한다. 초전도 권선(142)은 2개가 한 쌍으로 이루어지고, 일면에는 조인트 패드(143)가 부착된다.
초전도 권선(142)의 후방, 상부 및 하부에는 전도 바가 장착된다. 이들 각각을 제1 전도 바(144), 제2 전도바(145) 및 제3 전도 바(146)라 하기로 한다. 제1 전도 바 내지 제3 전도 바(144)(145)(146)가 모두 결합하여 단일 초전도 코일(140)의 외형을 이루게 된다. 제1 전도 바(144)에는 단일 초전도 코일(140)의 후방을 형성하며 제1 열교환기(110)의 체결공(111)과 대응되는 위치에 체결공(144a)이 형성된다. 각각의 체결공(111)(144a)을 통해 서로 나사 결합한다. 제2 전도 바(145) 및 제3 전도 바(146)는 동일한 형상이고 단일 초전도 코일(140)의 상부와 하부를 형성한다. 그리고 제2 전도 바(145) 및 제3 전도 바(146)가 결합부(150)에 끼워져야 하기 때문에, 결합부(150)의 형상과 대응되게 형성되어야 한다. 또한 열 교환기(110)(120)(130)들과 접촉하는 전도 바(144)(145)(146)들의 접촉 면은 인듐시트 또는 써멀 그리스로 형성되는 것이 좋다. 이는 열 교환 동작이 원활하게 이루어질 수 있도록 하기 위함이다. 이와 같이 단일 초전도 코일(140)을 구성하는 전도 바(144)(145)(146)들은 상기 단일 초전도 코일(140)을 전도 냉각 시에 냉각 루트를 제공하는 것이고, 아울러 초전도 권선(142)을 지지하게 된다.
한편, 초전도 권선(142)의 양측에는 알루미늄 플레이트(147)가 결합한다. 알루미늄 플레이트(147)는 제1 전도 바 내지 제3 전도 바(144)(145)(146)의 일부를 덮으면서 그 제1 전도 바 내지 제3 전도 바(144)(145)(146)들과 볼트 체결되는 구조이고, 센터 지그(141)가 외부로 노출되도록 중앙부분에는 홀이 형성되어 있다.
도 7 및 도 8은 토로이드형 초전도 마그넷의 구성 일부를 조립 및 분해하는 예를 설명하는 도면이다.
도 7a와 도 7b에서는 제1 열 교환기(110)와 단일 초전도 코일(140)의 조립 상태를 확인할 수 있다. 제1 열교환기(110)와 단일 초전도 코일(140)의 제1 전도 바(144)에는 대응되는 위치에 체결공(111)(144a)이 각각 형성되어 있기 때문에, 체결공(111)(144a)을 이용하여 조립할 수 있다. 즉 도 7b의 나사 체결 방향인 화살표 방향을 참조하면, 제1 열교환기(110)의 중심에서 바깥 방향으로 체결 수단(즉 볼트)을 체결할 수 있고, 이에 단일 초전도 코일(140)과 조립이 가능하다. 물론 단일 초전도 코일(140)은 결합부(150)에 각각 끼워진 상태에서 제1 열교환기(110)와의 조립이 이루어진다.
단일 초전도 코일(140)이 제1 열 교환기(110)와 조립된 이후에는, 블록탭 블록(160) 및 단일 초전도 코일의 외측에서 압착 패드(170)를 체결하면 된다. 이 상태는 도 8에 도시하고 있다. 즉 압착 패드(170)를 블록 탭 블록(160)과 단일 초전도 코일(140)의 외면에 부착한 상태에서 볼트를 체결하면 압착 패드(170)는 제2 전도 바(145) 및 제 3 전도 바(146)와 조립되며, 제2 전도 바(145) 및 제 3 전도 바(146)는 결합부(150)에서 이탈되지 않게 조립이 완료된다.
그리고 단일 초전도 코일(140)을 교체할 경우에는 역순으로 하면 된다. 즉, 압착 패드(170)를 제거하고 제1 열 교환기(110)와의 결합도 제거하면 단일 초전도 코일(140)을 결합부로부터 빼낼 수 있게 된다. 제거된 단일 초전도 코일(140) 대신 새로운 단일 초전도 코일을 결합하는 경우에는 위에서 설명한 순서대로 하면 된다.
한편 본 실시 예에 따른 토로이드형 초전도 마그넷은 정상 운전시 자장 및 전자기력이 제1 열교환기(110)의 중심으로 집중되는 형태이기 때문에 마그넷의 구조적인 강도가 더 개선될 수 있다.
이와 같이 본 실시 예는 단일 초전도 코일을 쉽게 교체할 수 있도록 토로이드 초전도 마그넷의 구조를 개선한 것임을 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 : 제1 열교환기 120: 제2 열교환기
130 : 제3 열교환기 140 : 단일 초전도 코일
144, 145, 146 : 제1 내지 제 3 전도 바
150 : 결합부
160 : 볼트탭 블록
170 : 압착 패드

Claims (7)

  1. 중앙을 형성하는 제1 열 교환기;
    상기 제1 열 교환기의 상단에 위치하는 제2 열 교환기;
    상기 제1 열 교환기의 하단에 위치하는 제3 열 교환기;
    상기 제1 열 교환기의 외주면에 장착되는 단일 초전도 코일들;
    상기 제2 열 교환기 및 제3 열 교환기의 서로 마주 보는 면에 형성되고 상기 단일 초전도 코일이 끼움 고정되는 결합부;
    상기 결합부의 일단에 고정되는 볼트탭 블록; 및
    상기 결합부에 끼움 고정된 단일 초전도 코일에 압력을 가하여 추가 고정하는 압착 패드를 포함하는 토로이드 타입 초전도 마그넷.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합부는 V자 형상이고,
    중심으로 갈수록 좁아지는 형상인 토로이드 타입 초전도 마그넷.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압착 패드는 스테인레스 스틸 또는 GFRP로 형성되고,
    상기 볼트탭 블록은 스테인레스로 형성되는 토로이드 타입 초전도 마그넷.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 볼트탭 블록은 ㄷ자 형상이고,
    상기 결합부의 단부에 끼워지도록 절개부가 형성되는 토로이드 타입 초전도 마그넷.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 초전도 코일은,
    중앙에 위치하는 센터 지그;
    상기 센터 지그의 둘레를 감싸는 초전도 권선;
    상기 초전도 권선의 후방, 상부 및 하부에 위치하여 상기 단일 초전도 코일의 외형을 이루는 제1 전도 바 내지 제 3 전도 바; 및
    상기 제1 전도 바 내지 제3 전도 바의 일부를 양측에서 덮으면서 체결되는 알루미늄 플레이트를 포함하는 토로이드 타입 초전도 마그넷.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열 교환기들과 접촉하는 상기 제1 전도 바 내지 제3 전도 바의 접촉 면은 인듐시트 또는 써멀 그리스로 형성되는 토로이드 타입 초전도 마그넷.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 전도 바 및 제3 전도 바의 일면 및 좌우 측면은 경사면으로 형성되는 토로이드 타입 초전도 마그넷.
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