KR101967475B1 - 초전도기기의 전류도입선 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매를 냉각 및 순환시키는 냉동부, 냉동부에 연결되어 있고 냉매가 순환할 수 있는 유로가 형성되어 있으며 일부분에 관통홀이 형성되어 있는 격벽 및 격벽의 관통홀을 통하여 격벽을 관통하면서 배치되어, 격벽을 흐르는 냉매에 노출되는 열교환부를 구비하고, 일단이 초전도 소자에 연결된 전류도입선을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치이다.

Description

초전도기기의 전류도입선 냉각장치{APPARATUS FOR COOLING CURRENT LEADS OF SUPERCONDUCTING MACHINE}

본 발명은 초전도기기의 전류도입선 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류도입선의 중간 부분을 비접촉식으로 냉각시키는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치를 제공함으로써, 냉각효율을 높여 소비전력을 절감하고 운용비의 절약 및 경제성을 향상시키기 위한 초전도기기의 전류도입선 냉각장치에 관한 것이다.

전력기기에 있어서 전류가 흐르는 전류도입선은 필수적인 구성요소이다. 특히 초전도체를 사용하는 전력기기의 경우, 내부가 -180℃ 이하의 극저온이며 외부는 25℃ 정도의 실온으로 온도차이가 크다. 따라서 전류도입선을 통해 많은 열이 내부로 들어가게 된다.

초전도 전력기기에서는 극저온인 내부로 침입하는 열유입량을 최소화하는 것이 기기의 경제성과 직결된다. 내부로 열이 많이 침하면 이를 제거하기 위해 더 많은 전력을 소모해야 하기 때문이다.

특히 154kV 이상의 대용량 고전압 초전도 전력기기의 경우에는, 높은 전류의 통전으로 인해 열유입량도 기하급수적으로 증가하나, 이에 상응하는 냉동기 개발수준이 미진하여 냉각 설비 비용도 크게 증가한다.

따라서, 전류도입선의 효율적인 냉각을 통한 열유입량의 최소화의 필요성이 대두되어 왔다.

도 1은 종래의 초전도기기의 전류도입선의 개략도를 도시한다.

종래에는, 25℃와 같이 상온에서 유입되는 전류도입선(100)의 경우, -184℃의 극저온의 액체질소 등의 냉매를 통과하게 되면 액체질소에 전류도입선의 높은 온도로 인하여 열이 유입된다.

따라서 액체질소의 온도가 대폭 상승하게 되고 이로 인해 냉각효율이 저감되게 된다.

한편, 한국공개특허공보 제2010-0030840호는 초전도 회전기기의 전류도입선 냉각장치를 개시하고 있다. 하지만, 상기와 같은 구성에 의하더라도 고전압 전력기기에서는 전류도입선에 높은 전압이 인가되므로 접지 상태의 냉동기와 전류도입선이 접촉할 수 없어, 고전압 전력기기에서 사용할 수 없는 한계가 있다.

본 발명의 목적은, 전류도입선의 중간 부분을 비접촉식으로 냉각시키는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치로써, 냉각효율을 높여 소비전력을 절감하고 운용비의 절약 및 경제성을 향상시키기 위한 초전도기기의 전류도입선 냉각장치를 제공하고자 함에 있다.

이와 같은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치는, 냉매를 냉각 및 순환시키는 냉동부; 상기 냉동부에 연결되어 있고, 상기 냉매가 순환할 수 있는 유로가 형성되어 있으며, 일부분에 관통홀이 형성되어 있는 격벽; 및 상기 격벽의 관통홀을 통하여 격벽을 관통하면서 배치되어, 상기 격벽을 흐르는 냉매에 노출되는 열교환부를 구비하고, 일단이 초전도 소자에 연결된 전류도입선을 포함하고, 상기 격벽의 내부에는 냉매가 상기 냉동부로부터 나오는 제1 유로 및 냉매가 상기 냉동부로 들어가는 제2 유로가 서로 평행하게 배치되어 형성되며, 상기 관통홀은 상기 제1 유로 및 제2 유로의 동일한 부분에 형성되고, 상기 열교환부는 상기 전류도입선이 상기 격벽을 관통하는 부분에 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 냉동부는 냉매를 냉동시키는 냉동기; 상기 냉동기와 상기 격벽 사이에 배치되어 있는 냉각챔버; 및 상기 냉각챔버의 내부에 배치되어 냉매를 순환시키는 팬을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 격벽에는 냉매가 냉동부로부터 나오는 제1 유로 및 냉매가 냉동부로 들어가는 제2 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 제1 유로와 제2 유로는 격벽의 냉동부측 반대측 단부에서 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 전류도입선의 열교환부에는 냉매의 이동방향으로 전류도입선을 관통하는 다수의 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 슬릿의 단면은 원형 혹은 타원형인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 전류도입선의 열교환부에는 열교환부를 감싸는 메쉬부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 메쉬부재는 다수의 공극을 가지는 금속메쉬망인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치는, 전류도입선에 부착되어 전류도입선의 온도를 측정하는 온도센서 및 전류도입선의 온도를 기설정된 범위로 유지하기 위하여, 온도센서의 측정값에 기초하여 냉동기의 동작을 피드백 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치는, 전류도입선에 부착되어 전류도입선의 온도를 측정하는 온도센서 및 전류도입선의 온도를 기설정된 범위로 유지하기 위하여, 온도센서의 측정값에 기초하여 팬의 동작을 피드백 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치는, 격벽의 관통홀과 전류도입선 사이에 배치된 실링부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전류도입선의 중간부를 냉각하여 액체질소내의 열유입을 최소화하여 냉각효율을 상승시키고 효과적인 열교환이 이루어지는 효과가 있다.

또한, 특히 고전압 전력기기에서 직접적인 접촉 없이 비접촉식으로 냉각이 가능하여 안전성을 높이고 더욱 효율적으로 전류도입선을 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 고전압 전류도입선에서 발생하는 열을 최소화하기 위해 전류도입선 중간을 접촉없이 냉각함으로써 고전압 절연을 확보함과 동시에 단순한 구조로 냉각이 가능한 효과가 있다.

또한, 전류도입선의 중간부의 열교환면적, 즉 표면적이 넓어지게 되어 열효율이 향상되고 고전압하에서 전계 집중이 되지 않는 효과가 있다.

도 1은 종래의 초전도기기의 전류도입선의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 개략도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초전도기기의 전류도입선 냉각장치의 열교환부의 확대도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 초전도기기의 전류도입선(100) 냉각장치는 냉매를 냉각 및 순환시키는 냉동부(20), 냉동부(20)에 연결되어 있고 냉매가 순환할 수 있는 유로가 형성되어 있으며, 일부분에 관통홀이 형성되어 있는 격벽(30) 및 격벽(30)의 관통홀을 통하여 격벽(30)을 관통하면서 배치되어, 격벽(30)을 흐르는 냉매에 노출되는 열교환부(40)를 구비하고, 일단이 초전도 소자에 연결된 전류도입선(100)을 포함한다.

냉동부(20)는 전류도입선(100)을 냉각시킨다. 냉동부(20)는 냉매를 냉동시키는 냉동기(21), 냉동기(21)와 격벽(30)사이에 배치된 냉각챔버(25) 및 팬(24)을 구비한다.

냉동기(21)는 전류도입선(100)을 냉각시키기 위한 냉매를 냉동시킨다. 냉동기(21)에서 냉각된 냉매는 냉동기(21)에 연결된 냉동기연결관(22)을 따라 하강한다.

냉동기연결관(22)을 따라 하강한 냉매는 냉동기연결관(22) 끝단에 연결된 냉매토출구(23)를 통하여 배출된다. 냉동기연결관(22)의 끝단에는 냉각챔버(25)가 형성되어 냉매토출구(23)를 통하여 배출된 냉매가 밖으로 빠져나가지 않도록 한다. 냉각챔버(25)는 냉동기(21)와 격벽(30) 사이에 배치된다.

냉매토출구(23)를 통하여 배출된 냉매는 냉각챔버(25) 내부를 순환하다가, 냉각챔버(25) 내부에 배치된 팬(24)을 통하여 전류도입선(100)의 열교환부(40)로 냉매를 이동시킨다.

격벽(30)은 냉동부(20)에 연결되어 냉매토출구(23)를 통하여 나온 저온의 냉매가 순환할 수 있도록 유로가 형성되어 있다.

격벽(30)에는 제1 유로(31) 및 제2 유로(32)가 형성된다. 제1 유로(31) 및 제2 유로(32)는 격벽(30) 내부에 형성되어 서로 평행하게 배치된다. 제1 유로(31)는 냉매토출구(23)에서 나온 냉매가 냉각챔버(25)로부터 전류도입선(100)으로 나가는 통로이며, 제2 유로(32)는 제1 유로(31)를 통과한 냉매가 다시 냉각챔버(25)로 들어가는 통로이다. 즉, 제1 유로(31) 및 제2 유로(32)는 격벽(30)의 냉동부측 반대측 단부에서 서로 연결된다.

제1 유로(31) 및 제2 유로(32)의 중앙에는 관통홀이 형성된다. 관통홀은 제1 유로(31)와 제2 유로(32)의 동일한 부분에 형성된다.

전류도입선(100)은 관통홀을 통하여 제1 유로(31) 및 제2 유로(32)를 관통하도록 배치된다. 전류도입선(100)의 중간에는 열교환부(40)가 구비된다. 즉, 전류도입선(100)이 격벽(30)을 관통하는 부분에 열교환부(40)가 구비되는 것이다. 냉각챔버(25)를 빠져나온 냉매는 열교환부(40)를 통하여 전류도입선(100)을 냉각한다.

관통홀과 전류도입선(100) 사이에는 실링부재(33)가 배치되어 냉매가 빠져나가는 것을 차단한다.

온도센서(50)는 전류도입선(100)에 부착되어 전류도입선(100)의 온도를 측정한다.

전류도입선(100)의 일단은 냉매(13) 속에 배치된 초전도소자(200)와 연결되고, 전류도입선(100)의 타단은 전류도입선(100)의 제어부(60)와 연결된다.

제어부(60)는 전류도입선(100)의 온도를 기설정된 온도 범위로 유지하기 위해서, 온도센서(50)의 측정값에 기초하여 냉동기(21)의 동작을 피드백 제어한다. 기설정된 온도에 비하여 온도가 높은 경우 냉동기(21)를 강하게 동작시키고, 기설정된 온도에 비하여 온도가 낮은 경우에는 냉동기(21)를 약하게 동작시킨다.

제어부(60)는 전류도입선(100)의 온도를 기설정된 온도 범위로 유지하기 위해서, 온도센서(50)의 측정값에 기초하여 팬(24)의 동작을 피드백 제어한다. 기설정된 온도에 비하여 온도가 높은 경우 팬(24)을 강하게 동작시키고, 기설정된 온도에 비하여 온도가 낮은 경우에는 팬(24)을 약하게 동작시킨다.

냉동기(21)나 팬(24)의 동작을 제어하는 것은 PID 제어 또는 On / Off 제어로 제어할 수 있다.

전류도입선(100)의 열교환부(40)에는 다수의 슬릿(41)이 형성된다. 냉매는 냉각챔버(25)에서 빠져나와 전류도입선(100)의 열교환부(40)에 형성된 다수의 슬릿(41)을 통하여 전류도입선(100)을 관통한다.

이와 같이 슬릿(41)에 의해 냉매가 전류도입선(100)을 관통하는 경우, 슬릿(41)에 의해 냉매와 전류도입선(100) 간에 접촉면적이 증가하므로 열전달이 활발하게 일어나는 효과가 있다.

슬릿(41)의 단면은 원형 또는 타원형인 것이 바람직하다. 고전압 환경에서는 전계집중을 막기위해 슬릿(41)의 단면은 원형, 타원형 등의 모서리가 없는 구조로 형성하는 것이 바람직하다.

전류도입선(100)의 열교환부(40)에는 열교환부(40)를 감싸는 메쉬부재(42)가 구비될 수도 있다. 메쉬부재(42)는 다수의 공극을 가지는 금속메쉬망인 것이 바람직하다.

메쉬는 전류도입선(100)과 납땜하여 접촉되어 있으며, 메쉬사이로 냉매가 지나가면서 넓은 면적으로 접촉하여 열을 활발히 교환할 수 있다. 메쉬 이외에도 구형의 수많은 공극을 가진 구조체가 전류도입선(100) 주변에 둘러 접합되거나, 전류도입선(100) 표면을 물결 모양의 핀형 열교환기 형상으로 가공할 수도 있다.

냉각챔버(25)에서 배출된 냉매는 제1 유로(31)를 따라 열교환기의 슬릿(41) 또는 메쉬망을 통과하면서 전류도입선(100)과 열교환하여 전류도입선(100)을 냉각시킨다.

전류도입선(100)을 냉각시켜 온도가 상승한 냉매는 격벽(30)을 따라 흘러 제1 유로(31)에서 제2 유로(32)로 이동하여 다시 냉각챔버(25)로 들어간다.

냉각챔버(25)로 돌아간 냉매는 다시 냉매토출구(23)에서 배출된 냉매에 의하여 온도가 하강하여 다시 제1 유로(31)로 유입되어 전류도입선(100)의 냉각을 반복한다.

초전도기기의 전류도입선(100) 냉각장치의 우측에 배치된 저온조(10)는 극저온의 냉매(13)를 저장한다. 저온조(10)에 담긴 극저온의 냉매(13) 내에는 초전도소자(200)가 배치되어 있고, 초전도소자(200)는 전류도입선(100)과 연결되어 있다.

저온조(10)는 진공단열층(11)과 주냉동기(12)를 포함한다. 저온조(10)에 담긴 극저온의 냉매(13)의 극저온 상태를 유지하기 위하여 저온조(10)는 진공단열층(11)로 구성되어 있다. 주냉동기(12)는 저온조(10)에 담긴 극저온의 냉매(13)를 냉각시키는 역할을 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도기기의 전류도입선(100) 냉각장치는 2개의 전류도입선(100)을 냉각하는 구조를 도시하고 있다. 이와 같이 전류도입선(100) 냉각장치는 2개의 전류도입선(100)이 각각 다른 초전도소자(200)에 연결되는 경우 이를 동시에 하나의 격벽(30)을 따라 냉각할 수 있으므로 냉각 효율이 극대화되는 효과가 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전류도입선의 중간부를 냉각하여 액체질소내의 열유입을 최소화하여 냉각효율을 상승시키고 효과적인 열교환이 이루어지는 효과가 있다. 또한, 특히 고전압 전력기기에서 직접적인 접촉 없이 비접촉식으로 냉각이 가능하여 안전성을 높이고 더욱 효율적으로 전류도입선을 냉각시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 고전압 전류도입선에서 발생하는 열을 최소화하기 위해 전류도입선 중간을 접촉없이 냉각함으로써 고전압 절연을 확보함과 동시에 단순한 구조로 냉각이 가능한 효과가 있다. 또한, 전류도입선의 중간부의 열교환면적, 즉 표면적이 넓어지게 되어 열효율이 향상되고 고전압하에서 전계 집중이 되지 않는 효과가 있다.

상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 저온조 11: 진공단열층
12: 주냉동기 13: 냉매
14: 분리벽 20: 냉동부
21: 냉동기 22: 냉동기연결관
23: 냉매토출구 24: 팬
25: 냉각챔버 30: 격벽
31: 제1 유로 32: 제2 유로
33: 실링부재 40: 열교환부
41: 슬릿 42: 메쉬부재
50: 온도센서 60: 제어부
100: 전류도입선 200: 초전도소자

Claims (11)

1. 냉매를 냉각 및 순환시키는 냉동부;
   상기 냉동부에 연결되어 있고, 상기 냉매가 순환할 수 있는 유로가 형성되어 있으며, 일부분에 관통홀이 형성되어 있는 격벽; 및
   상기 격벽의 관통홀을 통하여 격벽을 관통하면서 배치되어, 상기 격벽을 흐르는 냉매에 노출되는 열교환부를 구비하고, 일단이 초전도 소자에 연결된 전류도입선을 포함하고,
   상기 격벽의 내부에는 냉매가 상기 냉동부로부터 나오는 제1 유로 및 냉매가 상기 냉동부로 들어가는 제2 유로가 서로 평행하게 배치되어 형성되며,
   상기 관통홀은 상기 제1 유로 및 제2 유로의 동일한 부분에 형성되고,
   상기 열교환부는 상기 전류도입선이 상기 격벽을 관통하는 부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉동부는,
   냉매를 냉동시키는 냉동기;
   상기 냉동기와 상기 격벽 사이에 배치되어 있는 냉각챔버; 및
   상기 냉각챔버의 내부에 배치되어 냉매를 순환시키는 팬을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 상기 격벽의 상기 냉동부측의 반대측 단부에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 전류도입선의 열교환부에는 상기 냉매의 이동방향으로 상기 전류도입선을 관통하는 다수의 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 슬릿의 단면은 원형 혹은 타원형인 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 전류도입선의 열교환부에는 상기 열교환부를 감싸는 메쉬부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 메쉬부재는 다수의 공극을 가지는 금속메쉬망인 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
9. 청구항 2에 있어서,
   상기 전류도입선에 부착되어 전류도입선의 온도를 측정하는 온도센서; 및
   상기 전류도입선의 온도를 기설정된 범위로 유지하기 위하여, 상기 온도센서의 측정값에 기초하여 상기 냉동기의 동작을 피드백 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
10. 청구항 2에 있어서,
    상기 전류도입선에 부착되어 전류도입선의 온도를 측정하는 온도센서; 및
    상기 전류도입선의 온도를 기설정된 범위로 유지하기 위하여, 상기 온도센서의 측정값에 기초하여 상기 팬의 동작을 피드백 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽의 관통홀과 상기 전류도입선 사이에 배치된 실링부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도기기의 전류도입선 냉각장치.

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