KR101836550B1 - 초전도 기계용 냉각제 공급 라인의 감쇠식 비접촉 지지를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 기계(100)를 위한 냉각제 공급 라인(310)을 지지하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 지지 장치는 중공 샤프트(320)를 포함하고, 이 중공 샤프트는 제1 영역(320')에서 초전도 기계(100)와 연결 가능하며, 상기 중공 샤프트의 내부에는 냉동 유닛(200)에서 초전도 기계(100)로 냉각제를 안내하기 위한 냉각제 공급 라인(310)이 배치된다. 중공 샤프트(320)의 제1 영역(320")에는 반경 방향으로 향하면서 그에 따라 운동 감쇠하고 센터링하는 힘이 냉각제 공급 라인(310)에 인가되도록 배치되는 자기식 베어링(400)이 제공된다. 자기식 베어링(400)은 제1 자기 실린더(410) 및 제2 자기 실린더(420)를 포함하고, 제1 자기 실린더(410)는 냉각제 공급 라인(310)의 외피부에, 그리고 제2 자기 실린더(420)는 중공 샤프트(320)의 내측면에 배치된다. 제1 자기 실린더(410)는 옴 저항을 가지며 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 실린더이다.

Description

초전도 기계용 냉각제 공급 라인의 감쇠식 비접촉 지지를 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR THE DAMPED, NON-CONTACT SUPPORT OF A COOLANT FEED LINE FOR SUPERCONDUCTING MACHINES}

본 발명은 초전도 기계를 위한 냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따라 초전도 기계를 위한 길이가 긴 냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 장치에 관한 것이다. 전제부에 따르는 상기 유형의 지지 장치는 DE 103 58 341 A1호로부터 공지되었다.

초전도 로터 권선을 포함하는, 예컨대 동기 모터나 제너레이터와 같은 초전도 기계는 77K의 작동 온도에서 초전도 효과를 발휘하는 YBCO 및 BiSCO와 같은 재료에서 고온 초전도성을 발견한 이후에 경제적으로 이용될 수 있게 되었다. 상기 초전도 기계는 예컨대 DE 103 58 341 A1호로부터 공지되었다.

도 1에는 냉동 유닛(200)이 연결되어 있는 상기 초전도 기계(100)의 가능한 구성이 도시되어 있다. 초전도 기계(100)가 그 자체로서 기능하도록 하기 위해, 기계 내에 존재하는 초전도 권선이 앞서 77K 또는 그 미만의 자체 작동 온도로 냉각되어야만 한다. 이를 위해 적합한 냉각제가, 샤프트로서 형성되는 기계(100)의 로터(110)의 내부 공간 내로 유입된다. 이를 위해 로터의 내부 공간은 상응하는 수단(300)을 통해 냉동 유닛(200)과 연결된다. 냉동 유닛(200)은 기계(100)와 직접 연결될 수 없다. 오히려 주변에 대해 로터 내부 공간의 적합한 밀봉이 보장되어야 하며, 그럼으로써 열 누출이 발생하지 않으며, 이와 결부되어 초전도 효과의 영향이 발생하게 된다. 그 외에도 자체의 축을 중심으로 회전하는 로터 샤프트(110)와 고정된 냉동 장치(200) 사이의 적합한 밀봉도 제공되어야만 한다. 이는 그에 상응하게 형성되는 중공 샤프트(320)에 의해 달성된다. 열 누출을 방지하기 위해, 상기 중공 샤프트(320)는 횡단면이 지정된 조건이지만 그에 상응하게 길게 형성되어야만 한다. 중공 샤프트(320)의 내부에는, 냉동 유닛(200)과 견고하게 결합되어 냉동 유닛(200)에서 로터(110)의 중공 공간 내로 냉각제를 안내하는 냉각제 공급 라인(310)이 위치한다. 이 경우 중공 샤프트(320)는 일측 측면(320")에서, 회전하는 로터 샤프트(110)와 견고하게 결합된다. 타측 측면(320')에서는 회전하는 중공 샤프트(320)와 고정된 냉각제 공급 라인(310) 사이에 적합한 밀봉 장치가 제공된다. 냉각제 공급 라인(310)의 내부에는 예컨대 소위 가열 관들(311)이 제공될 수 있으며, 이들 가열 관은 냉각제의 실질적인 이송을 수행한다.

중공 샤프트(320)의 내부에서 냉각제 공급 라인(310)은 일측 측면(320') 상에서 밀봉 장치에 의해 지지되고 그에 따라 공간상 고정된다. 타측 측면, 즉 기계 측면(320") 상에서 냉각제 공급 라인(310)은 자기식 베어링(400)을 통해 공간상 고정된다. 자기식 베어링(400)은 초전도 및/또는 영구 자석 지지부를 기반으로 한다. 초전도 베어링은 매우 비용이 많이 소모되는데, 그 이유는 초전도 재료가 고가이면서 그 제조가 복잡하기 때문이다. 추가의 단점은 초전도 베어링의 기능성을 보장하도록 하기 위해 초전도 재료의 전이 온도 미만의 온도로 냉각해야 하는 점에 있다. 이는 베어링이 쉽게 고장 날 수 있게 하고 기계(100) 내에서 베어링의 공간상 배치를 제한한다. 영구 자석 베어링들은 무거운 중량을 가지며 마찬가지로 비용이 많이 소모된다. 영구 자석들의 중량은 기계 측면(320")에 위치하는 냉각제 공급 라인(310)의 단부에 하중을 가하며, 그에 따라 상기 단부의 안정화를 방해한다. 불안정화를 상쇄하도록 하기 위해, 냉각제 공급 라인(310) 및 중공 샤프트(320)는 육중하게 구성되어야만 한다. 이는 비용을 증가시키고 기계 특성의 저하를 초래한다.

기계 측면(320") 상에 자기식 베어링(400)을 포함하지 않는 기계(100)에서는 공간상 고정 없이 기계 측면(320") 상에서 냉각제 공급 라인(310)이 자유롭게 움직이게 된다. 냉각제 공급 라인(310)은 일측에서만 고정되지만, 중공 샤프트의 타측 단부에서는 자유롭게 움직일 수 있게 됨으로써, 냉각제 공급 라인(310)은 진동하게끔 촉진될 수 있다. 초전도 기계에서 바로 중공 샤프트(320)에 대해 요구되는 길이의 경우에, 상기 진동에 의해 야기되는 냉각제 공급 라인(310)의 공진 주파수는 기계(100)의 회전 주파수의 작동 영역 이내에 위치할 수 있다. 그에 상응하게 상기 주파수는 기계(100)의 작동 주파수로서 분명하게 배제되어야 한다. 따라서 냉각제 공급 라인(310)에 대한 상응하는 구조적인 조치를 통해 로터 샤프트(110)의 회전 주파수 범위 외부에서, 그에 따라 기계(100)의 허용 작동 영역 외부에서 공진 주파수를 유지하고자 하는 시도를 할 수는 있다. 그러나 이는 초전도 기계의 점점 더 작아지는 장착 크기와 그에 따라 점점 더 얇아지는 중공 샤프트 및 점점 더 얇아지는 냉각제 공급 라인에 따르는 요구에 의해 점차 더욱 어려워지고 있으며, 그와 동시에 더욱 높은 회전 속도에 대한 요구도 존재하고 있다.

그러므로 본 발명의 목적은, 작은 장착 크기 및 더욱 높은 회전 속도 조건에서도, 초전도 기계의 허용 작동 영역이 냉각제 공급 라인의 공진 주파수에 의해 제한되는 점을 방지하면서, 냉각제 공급 라인에서의 무거운 영구 자석들 또는 고가의 초전도체들을 포함하는 베어링을 단념하도록 하는 상응하는 장치 및 그 방법을 제시하는 것에 있다.

상기 목적은 청구항 제1항의 특징들을 포함하는, 냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 장치뿐 아니라, 청구항 제8항의 특징들을 포함하는, 전술한 지지 장치를 이용하기 위한 방법에 의해 달성된다.

냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 본 발명에 따르는 장치 및 본 발명에 따르는 방법의 바람직한 구현예들은 각각 연계되는 종속 청구항들로부터 제시된다. 이 경우 주 청구항의 특징들은 종속항들의 특징들과 조합될 수 있고 종속항들의 특징들은 상호 간에 조합될 수 있다.

초전도 기계용 냉각제 공급 라인, 특히 길이가 긴 냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 본 발명에 따르는 장치는 중공 샤프트를 포함하고, 이 중공 샤프트는 제1 영역에서 초전도 기계와 연결될 수 있으며, 중공 샤프트의 내부에는 냉동 유닛에서 초전도 기계로 냉각제를 안내하기 위한 냉각제 공급 라인이 배치된다. 이 경우 냉각제 공급 라인은 중공 샤프트의 제2 영역에서 냉동 유닛과 연결될 수 있으면서 상기 중공 샤프트 내에서 고정된다. 중공 샤프트의 제1 영역 내 냉각제 공급 라인을 위해 자기식 베어링이 제공되어, 반경 방향으로 향하면서 그에 따라 감쇠하고, 그리고/또는 센터링하는 힘이 냉각제 공급 라인에 인가되도록 배치된다. 자기식 베어링은 제1 자기 실린더 및 제2 자기 실린더를 포함하며, 제1 및 제2 자기 실린더가 반경 방향으로 서로 마주보고 위치하도록, 제1 자기 실린더는 냉각제 공급 라인의 외피부에, 그리고 제2 자기 실린더는 중공 샤프트의 내측면에 배치된다. 제1 자기 실린더는 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 실린더이다.

본 발명의 토대는 냉각제 공급 라인의 운동 또는 진동의 감쇠가, 장기간 작동 가능한 기계를 제공하기 충분한지를 확인하는 것이었다. 초전도 재료를 갖는 순수 영구 자석 베어링 또는 자기 베어링을 통해 냉각제 공급 라인을 큰 힘으로 센터링하고 그에 따라 강하게 고정하여 센터링하는 점은 배제할 수 있다. 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료, 다시 말하면 비초전도체 재료 내에서 운동으로 유도되는 와전류는 충분히 냉각제 공급 라인의 자유 단부의 진동을 충분한 크기로 감쇠하는 것을 보장한다. 따라서 냉각제 공급 라인의 단부의 진동에 의한 기계의 파괴가 이루어지지 않는 확실한 기능이 영속적으로 보장된다.

전기 전도성이 우수한 재료는 구리, 은, 금 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 알루미늄은 예컨대 적은 중량만을 가지며, 그에 따라 기계의 바람직한 특성을 달성한다. 전기 전도성이 우수한 재료의 박층들만이 필요하기 때문에, 상기 박층들은 간편하면서도 경제적으로 제조될 수 있다.

전기 전도성이 우수한 재료는 99.9 부피%를 초과하는 순도를 갖는 고순도의 구리, 은, 금 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 상기 재료들은 시판되고 있으며, 극저온 온도에서 높은 전기 전도도를 가능하게 한다. 따라서 전기 전도성이 우수한 재료는 극저온 온도에서, 특히 77°K 이하의 온도에서 100μΩ㎠/m 미만, 특히 10μΩ㎠/m 미만의 비전기 저항을 갖는다. 그럼으로써 밀리미터에서 마이크로미터까지 범위의 매우 얇은 박층들만으로도, 냉각제 공급 라인의 운동 시 우수한 감쇠를 위한 와전류를 생성하기에 충분하다. 특히 얇은 냉각제 공급 라인에서 전기 전도성이 우수한 재료의 낮은 추가 중량에 의해서는, 냉각제 공급 라인의 중력에 의한 굽힘이 허용 한계 이내에서 유지될 수 있다.

제2 자기 실린더는 축 방향으로 상호 간에 나란하게 배치되는 복수의 동심 영구 자석 링들로 구성될 수 있다. 제2 자기 실린더에서 영구 자석 링들은 냉각제 공급 라인의 기계적 하중을 야기하지 않으며, 그에 따라 앞서 설명한 장점들이 유지된다. 영구 자석들에 의해서는, 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 층에 상대적으로 영구 자석들이 운동할 시에, 전기 코일을 통한 자계 생성의 경우에 필요할 수 있는 것과 같은 전기적 복잡성 없이 간단하게 전기 전도성이 우수한 재료 내에서 와전류가 생성될 수 있다. 와전류를 통해서는, 앞서 목표하는 장점들과 함께 설명한 것처럼, 운동의 감쇠가 달성된다.

중공 샤프트의 내측면과 동심 영구 자석 링들 사이에는 강자성 재료로 이루어진 제2 실린더가 배치될 수 있다. 대체되거나 추가되는 방식으로 축 방향으로 상호 간에 나란하게 위치하는 영구 자석 링들은 각각 강자성 재료로 이루어진 링에 의해 상호 간에 분리될 수 있다. 강자성 재료는 냉각제 공급 라인에서 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 층에 대한 영구 자석들의 자계의 강화된 작용을 실현하며, 그에 따라 강화된 운동 감쇠를 실현한다.

앞서 설명한 장치를 이용하기 위한 본 발명에 따르는 방법은, 냉각제 공급 라인이 중공 샤프트에 상대적인 기계적 운동에 대해 감쇠되는 점을 포함한다. 기계적 운동의 감쇠는 제1 자기 실린더의 전기 전도성 재료 내에서 운동으로 유도되는 와전류에 의해 이루어질 수 있다. 본원의 방법 및 본원의 장치는 초전도 기계에서 이용될 수 있다.

냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 방법과, 냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 방법 및 장치의 이용과 결부되는 장점들은 앞서 장치 자체와 관련하여 설명한 장점들과 유사하다.

냉각제 공급 라인이 일측 단부에서 자기식 베어링에 의해, 그리고 타측 단부에서는 이미 제공되어 있는 실링 장치에 의해 중공 샤프트 내에서 지지됨으로써, 중공 샤프트 내에서는 냉각제 공급 라인의 양측 고정이 달성된다. 그럼으로써 냉각제 공급 라인의 공진 주파수는 훨씬 더 높은 주파수 쪽으로, 그에 따라 초전도 기계의 작동 영역으로부터는 멀어지는 쪽으로 변위된다. 따라서 초전도 기계를 위해 요구되는 것처럼 중공 샤프트가 길고 그에 따라 냉각제 공급 라인이 긴 경우, 상기 기계의 허용 작동 영역의 제한은 방지될 수 있다. 자기식 지지부는 바람직하게는 로터 샤프트와 연결되는 중공 샤프트의 단부에, 또는 심지어 안쪽으로 냉각제 공급 라인도 내부 돌출되어 있는 로터 구멍 자체 내부에도 제공되기 때문에, 자기식 베어링은, 내부에 냉각제를 포함하는 로터에 매우 가깝게, 그에 따라 매우 낮은 온도를 갖는 영역에 위치하게 된다. 그러나 상기 온도가 77°K 안팎이거나 그 미만인 경우, 현재는 자기식 베어링만 이용할 수 있다. 그 외에도 자기식 베어링은, 종래의 기계식 베어링들에 비해서 더욱 낮은 손실을 갖는다는 장점이 있다. 그와 동시에 기계 구성을 바탕으로 베어링의 공간상 영역에서 발생하는 극저온 온도는 전기 전도성이 우수한 고순도 재료 내 우수한 전도성을 통해 양호한 운동 감쇠를 달성하도록 하기 위해 이용될 수 있으며, 그에 따라 전기 전도성이 조금 우수한 재료만을 이용하기만 하면 된다. 전기 전도성이 조금 우수한 재료는 냉각제 공급 라인의 중량 힘이 소소하고 그에 따라 중량 하중 및 경우에 따른 굽힘도 소소하다는 점과 같은 의미이다.

또한, 반경 방향에서 서로 마주보고 위치하는 두 자기 실린더로서, 냉각제 공급 라인의 외피부에 배치되는 제1 자기 실린더와 중공 샤프트의 내측면에 배치되는 제2 자기 실린더로 자기식 베어링을 형성하는 것을 통해서는, 냉각제 공급 라인의 간단한 장착도 가능하다. 두 자기 실린더 사이에 존재하는 갭을 통해서는 장착 시 기계적 제한이 발생하지 않는다. 오히려 냉각제 공급 라인은 지금까지처럼 더욱 큰 문제 없이 중공 샤프트 내로 삽입되고 그에 따라 냉동 유닛은 초전도 기계와 연결될 수 있다.

또한, 자기식 베어링은 초전도 기계의 로터 샤프트를 위한 냉각제와 동일한 중공 공간 내에 위치하기 때문에, 초전도 자기 실린더는 냉각제에 의해서도 77°K 또는 그 미만의 온도로 냉각될 수 있다. 그러나 초전도 재료 대신에, 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료를 이용하는 것을 통해, 자기식 베어링의 작용과 그에 따라 자기식 베어링에 의한 냉각제 공급 라인의 운동 감쇠는 77°K 이하의 작동 온도에서만 달성되는 것은 아니다. 이는 냉각 장치가 고장인 경우에도 자기식 베어링의 작용의 신뢰도를 증가시킨다.

종속 청구항들의 특징들에 따르는 바람직한 개선 실시예들을 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예들은 다음에서 도들에 따라 더욱 상세하게 설명되지만, 그 실시예들로만 제한되지는 않는다.

도 1은 종래 기술에 따라 냉각 장치가 연결되어 있는 초전도 기계로 이루어진 배치 구조를 도시한 도이다.
도 2는 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 실린더를 포함하는 본 발명에 따르는 장치의 자기식 지지부의 제1 실시예를 도시한 도이다.
도 3은 도 2에 도시된 장치와 유사하지만 구조적으로 약간 변경이 이루어진 본 발명에 따르는 장치의 자기식 지지부의 제2 실시예를 도시한 도이다.

도 1에는 종래 기술과 관련하여 도입부에 설명한, 냉동 유닛(200)을 포함하는 초전도 기계(100)의 기본 구성이 재차 도시되어 있다. 본 실례에서는 동기 모터(100)인 기계가 특히 중공 샤프트(320) 및 냉각제 공급 라인(310)인 수단들(300)을 통해 냉동 유닛(200)과 연결된다. 냉동 유닛 내에서는 냉각제가 77K로 냉각되어 냉각제 공급 라인(310)을 통해 동기 모터(100)의 로터 샤프트(110)로 공급된다. 동기 모터(100)에서 열 누출을 방지하기 위해, 중공 샤프트(320)는 그에 상응하게 길게 형성된다. 중공 샤프트는 일측 측면에서, 다시 말하면 영역(320")에서 로터 샤프트(110)와 견고하게 결합되며, 그럼으로써 중공 샤프트는 동기 기계의 작동 중에 로터(110)와 동일한 회전 속도로 회전한다. 중공 샤프트(320) 내에는 냉각제 공급 라인(310)이 배치된다. 동기 모터(100)의 반대 방향으로 향해 있는 중공 샤프트(320)의 단부, 다시 말해 영역(320')에는, 예컨대 자성 유체 실링, 래버린스 실링 또는 갭 실링으로서 형성되는 밀봉 장치가 제공된다. 상기 밀봉 장치는 주변에 대해 로터(110) 및 이와 연결된 중공 샤프트(320)의 내부 공간 용적을 밀봉한다. 아울러 상기 밀봉 장치를 통해서는 냉각제 공급 라인(310)이 안내되고 그에 따라 지지되면서 고정된다. 그런 다음 중공 샤프트(320)의 외부에서 냉각제 공급 라인(310)은 적합한 방식으로, 예컨대 플랜지 결합을 통해 냉동 유닛(200)과 연결된다. 이후 냉각제 공급 라인(310) 내 하나 이상의 이른바 가열 관(311)을 통해서는 냉각제가 냉동 유닛(200)으로부터 로터 샤프트(110)의 내부에 도달할 수 있으며, 그리고 그 반대로도 이동된다. 초전도 기계, 냉동 유닛, 및 중공 샤프트의 구성 및 작동 방법에 대한 추가의 상세한 설명은 여기서는 배제된다. 오히려 이에 대해서는 DE 102 31 434 A1호가 참조 된다.

다음에서는 도 1에 도시된 것처럼, 종래 기술에 따라서, 기계로 향해 있는 중공 샤프트(320)의 단부(320")에 자기식 베어링(400)이 제공되며, 그리고 반경 방향으로 반발하면서 그에 따라 센터링하는 힘이 냉각제 공급 라인(310) 상에 인가되도록 배치된다. 종래 기술에 따르는 자기식 베어링(400)은 순수하게 영구 자석들을 기반으로 하거나, 또는 초전도 재료와 상호 작용하는 영구 자석들을 기반으로 한다. 상기 자기식 지지부(400) 및 밀봉 장치 내 지지부를 통해서는 이전에 일측에서만 지지되던 냉각제 공급 라인(310)이 이제 중공 샤프트(320) 내에서 양측에서 지지 및 고정된다. 추가적인 고정을 통해서, 기계 측에서 이전에 자유롭게 부유하고 그에 따라 진동 가능한 냉각제 공급 라인(310)의 단부는 이제 고정되며 그에 따라 냉각제 공급 라인(310)의 공진 주파수는 더욱 높은 주파수 범위 쪽으로 변위되는 점이 달성된다. 이 경우 중공 샤프트(320) 내에서 자기식 지지부(400)의 정확한 위치는, 종래 기술에서, 냉각제 공급 라인(310)의 양측 고정에 의해 초전도 기계(100)의 작동 영역으로부터 멀어지게끔 냉각제 공급 라인의 공진 주파수의 변위가 달성되고 초전도 재료의 이용 시 극저온 온도가 존재하도록, 자기식 베어링이 배치되어야만 하는 점에 한해서만 중요하다. 이 경우 바람직하게는 자기식 베어링(400)은 중공 샤프트의 단부에, 예컨대 중공 샤프트와 로터 샤프트 사이의 플랜지에 제공되거나, 로터 샤프트 자체 내에 제공된다.

자기식 베어링(400)은 제1 자기 실린더(410)와 제2 자기 실린더(420)로 구성되며, 제1 자기 실린더(410)는 냉각제 공급 라인(310)의 외피부에, 그리고 제2 자기 실린더(420)는 중공 샤프트(320)의 내측면에 배치된다. 이 경우 두 자기 실린더(410 및 420)는 반경 방향으로 서로 마주보고 위치하도록 배치된다. 이 경우 두 자기 실린더(410 및 420)의 치수는, 제1 자기 실린더(410)의 외부면과 제2 자기 실린더(420)의 내부면 사이에 아직 갭이 존재하도록 선택된다. 두 자기 실린더(410, 420)는 자체의 자계를 이용하여, 갭 내에서 서로 반발하는 힘을 야기하도록 정렬된다. 서로 반발하는 상기 힘에 의해서는 냉각제 공급 라인(310)이 제1 자기 실린더(410)와 함께 제2 자기 실린더의 자유 내부 공간 내에서 부유 상태로 전환되며, 야기되는 반발력에 의해 상기 내부 공간 내에서 센터링된다. 그럼으로써 냉각제 공급 라인(310)은 중공 샤프트(320) 내에서 양측에서 고정되며, 그럼으로써 냉각제 공급 라인(310)의 공진 주파수는 더욱 높은 주파수 쪽으로, 그에 따라 모터(100)의 회전 주파수 범위로부터 멀어지게끔 변위된다.

앞서 이미 설명한 것처럼, 자기식 베어링(400) 내에 초전도 재료를 이용할 경우, 베어링(400)은 극저온 온도로 냉각되는 공간 영역 내에 배치되어야 하며, 베어링(400)은 냉각부의 고장 또는 차단 시 기능하지 않는다. 이는 특히 냉동 유닛(200)에서 결함이 발생할 때 기계(100) 및/또는 냉각제 공급 라인(310)의 파괴까지에 이르는 돌이킬 수 없는 변형을 초래할 수 있다. 순수하게 영구 자석들로 이루어진 자기식 베어링들(400)을 이용할 경우에는 영구 자석들의 상대적으로 무거운 중량이 냉각제 공급 라인(310)의 변형을 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는, 비용이 많이 소모되면서 작동 중에 기계(100)의 특성의 저하를 초래할 수 있는 보강된 재료 사용이 필요하다.

종래 기술에서의 문제들을 방지하기 위해, 냉각제 공급 라인(310)의 운동 내지 기계적 진동의 감쇠만으로도 충분히 기계(100) 및/또는 냉각제 공급 라인(310)의 손상을 방지할 수 있다는 인식에서 출발하여, 냉각제 공급 라인(310)의 일측에서의 지지를 위해 영구 자석들 및 초전도 재료를 사용하지 않는 본 발명의 개념에 이르게 되었다. 극저온 온도보다 더욱 높은 온도에서도 중량 감소와 더욱 확실한 운동 감쇠는 작동 중 기계 특성의 향상과, 냉동 유닛(200)과 연결되는 기계(100)의 결함 가능성의 감소를 달성한다.

도 2에는 냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 본 발명에 따르는 장치의 제1 실시예가 도시되어 있으며, 이 경우 제1 자기 실린더(410)는 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 실린더이다. 여기서 중공 샤프트(320)는 외피부(321)(outer jacket), 예컨대 NDE 중공 샤프트와 내피부(322)(inner jacket)로 구성된다. 이 경우 외피부와 내피부 사이에는 절연 진공부가 위치한다. 내피부(322) 내에는 중공 샤프트(320)의 단부(320')에서 외부로부터 밀봉 장치를 통해 삽입되는 냉각제 공급 라인(310)이 위치한다. 냉각제 공급 라인 내 가열 관(311)을 통해서는 냉각제가 중공 샤프트의 영역(320") 내로, 그에 따라 상기 영역에 연결되는 중공 샤프트(320) 내로도 유입된다. 자성 유체로 이루어진 밀봉 장치는 중공 샤프트(320)의 영역(320')에서 냉각제 공급 라인(310)을 지지한다. 이에 반대 방향으로 향해 있는 중공 샤프트(320)의 측면(320") 상에는 본 발명에 따라 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료로 구성된 실린더를 포함하는 자기식 베어링(400)이 냉각제 공급 라인(310)의 외부 둘레에 제공된다. 축 방향에서 중공 샤프트(320)의 내측면 상의 동일한 위치에는 복수의 영구 자석 링들이 축 방향으로 서로 나란하게 배치된다. 그런 다음 상기 복수의 자석 링은 제2 자기 실린더(420)를 형성하고, 이 제2 자기 실린더는 자체의 자유 내부 공간 내에서, 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 제1 실린더(410)의 운동을 가능하게 한다. 제2 실린더(420) 내에서 제1 실린더(410)의 운동은 소정의 한계 이내에서 비접촉식으로 가능하며, 그럼으로써 냉각제 공급 라인(310)과 중공 샤프트(320) 또는 로터 샤프트(110) 사이에서는 복사가 없는 직접적인 열 전도가 이루어지지 않게 된다.

측면(320") 상에서 중공 샤프트(320)에 상대적인 냉각제 공급 라인(310)의 운동 또는 기계적 진동 시, 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 제2 자기 실린더(420)의 위치에서 제1 자기 실린더(410)의 예컨대 영구 자석들의 공간상 변하는 자계에 의해, 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료 내에서 와전류가 생성되며, 이 와전류의 자계는 제1 자기 실린더(410)의 자계와 상호 작용하면서 상기 운동 또는 기계적 진동의 감쇠를 달성한다. 양쪽 측면, 즉 제1 자기 실린더뿐 아니라 제2 자기 실린더 내에서 영구 자석들을 통한, 또는 베어링(400) 내 초전도 재료의 이용을 통한, 더욱 큰 자계를 이용한 고정 또는 지지는 운동 또는 기계적 진동의 충분한 감쇠를 달성하기 위해 필요하지는 않다. 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료 내에서의 와전류와 그 자계만으로도 충분하게 냉각제 공급 라인(310)의 운동 또는 기계적 진동의 충분한 감쇠를 달성하며, 이런 감쇠는 냉각제 공급 라인의 돌이킬 수 없는 기계적 손상을 방지한다.

초전도 기계(100)의 경우 77°K 또는 그 미만의 작동 온도에 도달한다면, 제1 자기 실린더(410)도 매우 높은 전도성을 띠는데, 그 이유는 특히 매우 순수한 금속의 경우 옴 저항이 온도와 더불어 강하게 저온에서의 낮은 값으로 감소하기 때문이다. 따라서 작동 온도에서 앞서 일측에서 고정되는, 다시 말해 인장되는 냉각제 공급 라인(310)은 양측에서 지지되는 배치 구조가 되고, 측면(320") 상에서 상기 냉각제 공급 라인의 운동은 강하게 감쇠된다. 작동 중에 중공 샤프트(320)와 그에 따라 초전도성 제2 자기 실린더(420)도, 고정된 냉각제 공급 라인(310)과 이 냉각제 공급 라인에 배치되는 제1 자기 실린더(410)를 중심으로 회전한다. 그런 다음 두 자기 실린더(410 및 420)의 자계에 의해 발생하는, 반경 방향으로 작용하는 힘은, 냉각제 공급 라인(310)이 중공 샤프트(320)의 상기 단부(320")에서도 운동에 대해 감쇠되게끔 한다.

도 3에 도시된 실시예의 경우, 도 2에 도시된 자기식 지지부와 동일하게, 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 제1 자기 실린더(410)와, 복수의 영구 자석(410)을 포함하는 제2 자기 실린더(420)로 구성되는 자기식 베어링(400)은 소위 넥 튜브 플랜지로서 형성되는 중공 샤프트(320)의 영역(320") 내 위치에 배치된다.

도 2 및 도 3에 도시된 자기식 베어링(400)의 두 실시예는 특히 초전도 기계(100)에 대한 냉동 유닛(200) 및 냉각제 공급 라인(310)의 조립이 실질적으로 추가의 자기식 베어링(400)에 의해 영향을 받지 않는다는 장점이 있다. 두 실린더들(410 및 420) 사이의 베어링 갭이 상대적으로 크게 선택될 수 있기 때문에, 중공 샤프트(320) 내로의 냉각제 공급 라인(310)의 삽입은 본 발명에 따르는 장치에서도 아무런 문제가 없다. 그러나 베어링 작용을 개선시키기 위해 작은 베어링 갭도 선택할 수 있다.

개별 영구 자석 링들 사이에는 흐름 안내를 위한 강자성 디스크들이 삽입될 수 있다. 개별 영구 자석 링들은 바람직하게는 Nd-B-Fe 또는 Sm-Co로 이루어진다. 상기 디스크들과 영구 자석 링들 사이에는 추가로 도 2에는 도시되어 있지 않은 강자성 재료 소재의 박판들이 삽입될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 배치 구조의 경우 자기식 베어링(400)의 최적화된 작용을 위해 에어 갭은 축 방향에서 개별 영구 자석 링들의 폭(L)의 약 0.1 - 0.3배에 상응하는 높이를 보유하게끔 해야 한다. 자기 실린더의 반경 방향 두께는 약 (L/2 내지 4xL)의 값에 상응하게끔 해야 한다. 예컨대 초전도 모터 또는 제너레이터와 같은 초전도 기계를 위한 전형적인 적용에서 냉각제 공급 라인(310)의 지름은 1 - 3㎝의 값을 보유하게 된다. 그에 상응하게 영구 자석 링들은 약 0.4 - 1㎝의 폭과 0.2 - 2.5㎝의 반경 방향 두께를 보유하게 된다. 강자성 디스크들은 1 - 4㎜의 두께를 보유하게끔 하고, 고정된 제1 실린더(410)와 회전하는 제2 자기 실린더(420) 사이의 에어 갭은 0.7 - 2.5㎜의 높이를 보유하게끔 해야 한다.

비록 제1 실린더(410)는 자기 실린더라고 설명하기는 했지만, 이런 점은 실린더가 영구 자성을 띤다는 것을 의미하는 것이 아니라, 제2 자기 실린더(420)에 대해 상대적으로 운동할 시에 생성되는 와전류에 의해, 운동에 반작용하는, 다시 말해 운동을 감쇠하는 자계가 생성되는 것을 의미한다. 따라서 지지부 또는 베어링(400)의 개념은 기계(100)에 대한 냉각제 공급 라인(310)의 공간상 상대 운동과 회전에 반작용하지만 이를 완전하게 억제하지 못하는 감쇠 장치로서 간주해야 한다. 오히려 중공 샤프트의 측면(320") 상에서 발생하는 냉각제 공급 라인(310)의 기계적 진동은 로터 샤프트 쪽으로 갈수록 감쇠되며, 공진의 경우에 돌이킬 수 없는 파괴를 초래하지 않게 된다.

제2 자기 실린더(420)는 영구 자석들로 이루어지는 구성에 대체되는 방식으로 전류가 관류하는 코일들 또는 도체 루프들을 포함할 수 있거나, 자계를 생성하는 또 다른 장치들을 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시되는, 냉각제 공급 라인을 지지하기 위한 장치의 실시예들이 본 발명을 제한하는 것으로 간주해서는 안 되며, 서로 조합될 수 있고, 그리고/또는 미도시한 또 다른 실시예들과도 조합될 수 있다.

Claims (10)

1. 초전도 기계(100)를 위한 냉각제 공급 라인(310)을 지지하기 위한 장치(300)이며, 상기 지지 장치(300)는 중공 샤프트(320)를 포함하고, 중공 샤프트는 제1 영역(320")에서 초전도 기계(100)와 연결될 수 있고, 중공 샤프트의 내부에는 냉동 유닛(200)에서 초전도 기계(100)로 냉각제를 안내하기 위한 냉각제 공급 라인(310)이 배치되고, 냉각제 공급 라인(310)은 중공 샤프트(320)의 제2 영역에서 냉동 유닛(200)과 연결될 수 있으면서 상기 중공 샤프트(320) 내에서 고정되고, 이때
   ● 냉각제 공급 라인(310)을 위해 중공 샤프트(320)의 제1 영역(320")에는 자기식 베어링(400)이 제공되어, 반경 방향으로 향하면서 그에 따라 감쇠하는 힘 및 센터링하는 힘 중 적어도 하나의 힘이 냉각제 공급 라인(310) 상에 인가되도록 배치되며,
   ● 자기식 베어링(400)은 제1 자기 실린더(410)와 제2 자기 실린더(420)를 포함하고, 제1 자기 실린더(410) 및 제2 자기 실린더(420)가 반경 방향으로 서로 마주보고 위치하도록, 제1 자기 실린더(410)는 냉각제 공급 라인(310)의 외피부에, 그리고 제2 자기 실린더(420)는 중공 샤프트(320)의 내측면에 배치되는, 지지 장치에 있어서,
   제1 자기 실린더(410)는 옴 저항을 가지면서 전기 전도성이 우수한 재료로 이루어진 실린더이고, 전기 전도성이 우수한 재료는 극저온 온도에서 100μΩ㎠/m 미만의 비전기 저항을 갖는 것을 특징으로 하는, 지지 장치.
2. 제1항에 있어서, 전기 전도성이 우수한 재료는 구리, 은, 금 또는 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 지지 장치.
3. 제2항에 있어서, 전기 전도성이 우수한 재료는 99.9 부피%를 초과하는 순도를 갖는 고순도의 구리, 은, 금 또는 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 지지 장치.
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 자기 실린더(420)는 축 방향으로 서로 나란하게 배치되는 복수의 동심 영구 자석 링들로 구성되는 것을 특징으로 하는, 지지 장치.
6. 제5항에 있어서, 중공 샤프트(320)의 내측면과 동심 영구 자석 링들 사이에는 강자성 재료로 이루어진 제2 실린더가 배치되는 것을 특징으로 하는, 지지 장치.
7. 제6항에 있어서, 축 방향으로 서로 나란하게 위치하는 영구 자석 링들은 각각 강자성 재료로 이루어진 링에 의해 서로 분리되는 것을 특징으로 하는, 지지 장치.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따르는 지지 장치의 이용 방법에 있어서,
   냉각제 공급 라인(310)은 중공 샤프트(320)에 상대적인 기계적 운동에 대해 감쇠되는 것을 특징으로 하는, 지지 장치의 이용 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 기계적 운동의 감쇠는 제1 자기 실린더(410)의 전기 전도성 재료 내에서 운동으로 유도되는 와전류에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 지지 장치의 이용 방법.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따르는 지지 장치를 포함하는 초전도 기계.

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