KR102449789B1 - 액체수소를 이용한 초전도 모터 구동시스템 - Google Patents

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Abstract

액체수소를 이용한 초전도 모터 구동시스템은 챔버부, 초전도 구동부, 회수배관 및 연료전지를 포함한다. 상기 챔버부는 하부에는 액체수소가, 상부에는 기체수소가 저장되는 수납부를 포함한다. 상기 초전도 구동부는 상기 액체수소가 자중에 의해 제공되도록 상기 수납부의 하부에 위치한다. 상기 회수배관은 상기 초전도 구동부를 냉각함에 따라 상변화된 기체수소를 회수한다. 상기 연료전지는 상기 회수배관을 통해 회수된 기체수소를 제공받아 상기 초전도 구동부의 구동에 필요한 전력을 발생시킨다.

Description

액체수소를 이용한 초전도 모터 구동시스템{SUPERCONDUCTION MOTOR DRIVING SYSTEM USING LIQUID HYDROGEN}
본 발명은 초전도 모터 구동시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체수소가 사용되는 연료전지를 통해 초전도 모터가 구동되며, 액체수소를 이용하여 초전도 모터의 냉각이 수행됨으로써, 선박을 비롯한, 차량, 비행기, 드론 등을 냉각과 동시에 구동할 수 있는 액체수소를 이용한 초전도 모터 구동시스템에 관한 것이다.
종래의 화석연료를 대신한 청정연료로서 수소연료를 선박이나, 차량, 비행기는 물론 드론 등에 적용하기 위한 다양한 연구개발이 수행되고 있다.
특히, 최근에는 상기 수소연료를 상기 선박, 차량, 비행기 또는 드론에 적용이 가능한 초전도 모터와 연계한 동력 발생 시스템에 대한 연구도 수행되고 있다.
관련하여, 대한민국 등록특허 제10-0571679호에서는, 연료전지가 결합된 초전도 모터에 대한 기술을 개시하고 있으며, 액체수소를 이용하여 초전도 모터를 냉각시키면서, 이와 동시에 액체수소가 증발하여 발생되는 수소가스를 공급받아 연료전지를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
그러나, 종래의 액체수소를 이용한 초전도 모터의 구동 시스템에서는, 단순히 액체수소를 초전도 모터의 구동에 적용하는 개념만 개시되고 있는 것으로, 실제 액체수소를 초전도 모터의 구동 시스템에 적용하기 위한 액체수소의 저장, 공급 또는 기체수소의 회수 등의 일련의 시스템과 관련하여는 추가적인 연구개발이 필요한 상황이다.
즉, 액체소수를 이용한 초전도 모터 구동 시스템을 실제로 구현하기 위해서는, 상기 액체수소의 저장, 공급 및 회수를 위한 시스템의 설계에 있어, 극저온 상태의 액체수소를 효과적으로 저장하면서 모터의 구동이 필요한 경우 기체수소를 효과적으로 공급하기 위한 시스템이 설계되어야 하지만, 현재까지 그러한 연구 개발은 미흡한 상황이다.
대한민국 등록특허 제10-0571679호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 액체수소의 효과적인 저장 및 필요한 경우의 선택적 공급이 가능하며, 회수되는 기체수소를 연료전지에 사용하기 위한 최적의 열교환 시스템을 구현할 수 있는 액체수소를 이용한 초전도 모터 구동시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템은 챔버부, 초전도 구동부, 회수배관 및 연료전지를 포함한다. 상기 챔버부는 하부에는 액체수소가, 상부에는 기체수소가 저장되는 수납부를 포함한다. 상기 초전도 구동부는 상기 액체수소가 자중에 의해 제공되도록 상기 수납부의 하부에 위치한다. 상기 회수배관은 상기 초전도 구동부를 냉각함에 따라 상변화된 기체수소를 회수한다. 상기 연료전지는 상기 회수배관을 통해 회수된 기체수소를 제공받아 상기 초전도 구동부의 구동에 필요한 전력을 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 챔버부는, 상기 수납부를 진공상태 및 단열상태로 유지하는 진공부, 및 상기 챔버부의 압력을 유지하기 위해 필요에 따라 상기 수납부에 저장되는 액체수소를 기체수소로 기화시키는 열원부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초전도 구동부는, 상기 진공부의 외부 또는 상기 진공부 내부에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초전도 구동부가 상기 진공부 내부에 위치하는 경우, 상기 초전도 구동부는 열전도(heat conduction)에 의해 냉각될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체수소와 상기 초전도 구동부를 연결하여, 상기 액체수소를 상기 초전도 구동부로 공급하는 유출배관, 상기 초전도 구동부의 구동력을 전달하는 구동력 전달부, 및 상기 구동력 전달부에 의해 구동력을 제공받아 회전구동하는 회전유닛을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회전유닛이 선박의 프로펠러인 경우, 상기 유출배관 및 상기 구동력 전달부는 하부 방향으로 연장되며, 상기 회전유닛이 구동바퀴인 경우, 상기 유출배관은 측하부 방향으로 연장되며, 상기 구동력 전달부는 측부 방향으로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초전도 구동부 상에 구비되며, 상기 액체수소가 공급됨에 따라 냉각열을 상기 초전도 구동부로 제공하는 냉각핀 또는 냉각채널을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회수배관은, 상기 초전도 구동부를 냉각하고 증발되는 기체수소가 밀도 차이에 의해 상부로 회수되는 증발배관, 상기 증발되는 기체수소를 상기 수납부의 기체수소로 제공하는 관통배관, 및 상기 수납부의 기체수소를 통과하여 상기 증발되는 기체수소의 열교환을 유도하는 냉각배관을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 관통배관은, 상기 수납부의 외측에 형성되며, 진공상태로 유지되는 진공부를 관통할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각배관을 상기 증발되는 기체수소가 통과함에 따라, 상기 수납부에 저장된 기체수소는 냉각되고, 상기 냉각배관을 통과하는 기체수소는 가열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 챔버부의 외측에 구비되며, 내부를 통과하는 기체수소를 외부의 공기와 열교환하여 기체수소를 가열하는 열교환부를 더 포함하며, 상기 열교환부를 통과한 기체수소는 상기 연료전지로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회수배관은, 상기 냉각배관과 상기 열교환부 사이에 연결되어, 상기 증발된 기체수소를 상기 열교환부로 제공하는 합류배관을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수납부와 상기 합류배관 사이에 연결되며, 상기 수납부에 존재하는 증발가스(boil off gas, BOG)를 상기 합류배관을 통과하는 상기 증발된 기체수소에 합류시키는 가스배관을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열교환부와 상기 연료전지의 사이에서, 상기 연료전지로 공급되는 기체수소를 필요에 따라 추가적으로 가열하는 가열부를 더 포함
본 발명의 실시예들에 의하면, 초전도 구동부를 냉각하기 위한 액체수소를 별도의 저장탱크에 저장하되, 추가적인 제공라인 설비를 생략하며 자중에 의해 액체수소가 초전도 구동부로 제공될 수 있어, 장비나 부가 설비를 생략하여 설계를 단순화할 수 있다.
이 경우, 상기 초전도 구동부는 진공 상태인 진공부의 내부에 위치하거나 또는 진공부의 외부 즉, 챔버부의 외부에 위치할 수 있어, 설치 상황에 부합한 다양한 설계 유연성을 제공할 수 있다.
특히, 상기 초전도 구동부가 상기 진공부의 내부에 위치하는 경우, 액체수소의 제공에 따른 대류에 의한 열전달 외에, 상기 진공부의 상대적인 낮은 온도에 의해 열전도(heat conduction)에 의한 열전달도 수행되므로, 보다 효과적인 초전도 구동부의 냉각이 가능하게 된다.
또한, 자중으로 하강한 액체수소는 냉각후 가열되며 자연스럽게 상부로 증발하게 되므로, 기화된 기체수소를 강제로 회수하기 위한 부가 설비를 생략할 수 있으며, 단순히 상부로 연장되는 회수배관을 통해 효과적인 기체수소의 회수가 가능하다.
이 경우, 기체수소는 진공부를 통과하도록 설계되어, 기체수소의 원활한 증발이 가능하며 기체수소의 추가적인 상변화 또는 오염 등의 발생을 최소화할 수 있다.
한편, 액체수소가 저장되는 챔버부의 경우 내부 압력을 유지하기 위해 필요한 경우 액체수소를 가열하여 기체수소로 증발시키게 되며, 이에 따라 챔버부의 내부에 상대적으로 따뜻한 기체수소가 존재하게 되는데, 상기 진공부를 통과한 기체수소를 상기 챔버부 내의 상대적으로 따뜻한 기체수소를 통과시키며 가열되도록 냉각배관을 구성함으로써, 상기 증발된 기체수소의 가열 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 1차적으로 챔버부의 내부에서 가열된 기체수소를, 상온의 공기와의 열교환이 추가로 수행되도록 유도하여, 최종적으로 연료전지로 제공되는 기체수소가 상온의 기체수소로 제공될 수 있으며, 이러한 기체수소의 열교환이 배관을 따라 점진적으로 진행되는 것으로, 배관의 설계를 제외하고 여타의 부가적인 설비를 최소화하여 전체 시스템을 간략하면서도 컴팩트하게 구성할 수 있다.
나아가, 상기 상온의 공기와의 열교환으로 상기 연료전지에 사용되기에 충분한 온도로 기체수소의 온도가 상승하지 않은 경우, 가열부를 통해 상기 기체수소를 추가적으로 가열함으로써, 최종적으로 상기 연료전지로 공급되는 기체수소의 온도를 연료전지의 동작에 적합하도록 최적화할 수 있다.
특히, 상기 챔버부 내부에서 액체수소의 기체수소로의 상변화 과정에서 발생하는 증발가스(boil off gas, BOG)를 상기 기체수소와 합류하도록 가스 배관을 설계함으로써, 상기 기체수소의 열교환 효율을 높이면서 상기 챔버부 내부의 액체수소의 안정성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 초전도 구동부의 보다 효과적인 냉각을 위해 냉각핀 또는 냉각채널로 액체수소를 제공하도록 설계할 수 있으며, 초전도 구동부를 통해 구동되는 최종 회전유닛이 선박의 프로펠러, 구동바퀴 등에 모두 적용될 수 있도록, 상기 초전도 구동부와 상기 액체수소 사이의 유출배관을 액체수소가 자중에 의해 유출될 수 있도록 설계를 변경할 수 있어, 다양한 구동 수단에의 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템을 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템을 도시한 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템(10)은 챔버부(100), 유출배관(130), 초전도 구동부(200), 구동력 전달부(210), 회전유닛(220), 회수배관(300), 가스배관(350), 열 교환부(400), 공급배관(410), 가열부(450) 및 연료전지(500)를 포함한다.
상기 챔버부(100)는 진공부(110) 및 수납부(120)를 포함하며, 소정의 부피와 용량을 가지도록 다양하게 설계될 수 있다.
이 경우, 상기 챔버부(100)의 내부에 형성되는 상기 수납부(120)에는 기본적으로 액체수소(LH2, 121)가 저장되며, 상기 액체수소(121)는 진공상태 및 단열상태로 저장되어야 한다.
이를 위해, 상기 수납부(120)의 외측에는 상기 수납부(120)를 진공상태 및 단열상태로 형성 및 유지하는 진공부(110)가 형성된다.
한편, 상기 챔버부(100)의 내부의 압력은 기 설정된 압력을 유지하여야 하는데, 외부로의 액체수소의 공급 등의 요인으로 상기 챔버부(100) 내부의 압력은 기 설정된 압력보다 저하될 수 있다.
이와 같이, 상기 챔버부(100)의 내부의 압력이 저하되면, 상기 수납부(120)에 저장된 액체수소(121)에 대한 가열을 통해 상기 액체수소(121)를 기체수소(122)로 기화시키고 이에 따른 팽창으로 상기 수납부(120)의 압력을 재 상승시킬 수 있다.
이에, 본 실시예에서는, 상기 챔버부(100)가 열원부(150)를 더 포함하며, 상기 열원부(150)는 선택적으로 상기 수납부(120) 내의 액체수소(121)에 대한 가열을 통해 상기 액체수소(121)를 기체수소(122)로 상변화시킨다.
이상과 같이, 상기 챔버부(100)의 상기 수납부(120)에는, 하부에는 액체수소(121)가 상부에는 기체수소(122)가 저장된 상태가 된다.
상기 유출배관(130)은 상기 챔버부(100)의 하부로부터 상기 초전도 구동부(200)를 향해 연결된다.
이 경우, 상기 유출배관(130)은 상기 챔버부(100)의 하면에 형성되는 상기 진공부(110)를 관통하여 상기 수납부(120)의 하부에 저장되는 상기 액체수소(121)에 직접 연결되며, 상기 챔버부(100)의 하부를 향하여 연장된다.
한편, 상기 초전도 구동부(200)는 상기 챔버부(100)의 하부를 향하여 연장되는 상기 유출배관(130)과 연결되기 위해, 도시된 바와 같이, 상기 챔버부(100)의 하부에 위치하게 된다.
이상과 같이, 상기 유출배관(130)이 상기 챔버부(100)의 하부로, 상기 액체수소(121)와 상기 초전도 구동부(200)를 연결함에 따라, 상기 액체수소(121)는 상기 유출배관(130)이 개방되면, 자중에 의해 하부방향으로 자연스럽게 유출된다.
그리하여, 상기 자중에 의해 유출되는 상기 액체수소(121)는 상기 초전도 구동부(200)로 직접 제공되며, 상기 초전도 구동부(200)의 구동에 따라 발생되는 열을 냉각시킨다. 즉, 상기 액체수소(121)는 상기 초전도 구동부(200)의 냉각제로서의 기능을 수행한다.
이 경우, 상세하게 도시하지는 않았으나, 상기 초전도 구동부(200) 상에는 상기 액체수소(121)가 유동되면 냉각을 수행할 수 있는 별도의 냉각 도관 또는 냉각 영역 등이 형성될 수 있다.
한편, 상기 초전도 구동부(200)를 냉각시킴에 따라 상기 액체수소(121)는 가열되며 증발되어 기체수소로 상변화된다.
이러한 액체수소의 상변화에 따라 발생되는 기체수소(305)는, 증발에 따른 밀도 감소로 자연스럽게 상승하게 되며, 상기 초전도 구동부(200)로부터 상부방향으로 연장되는 상기 회수배관(300)을 따라 자연스럽게 상승 유동하게 된다.
구체적으로, 상기 회수배관(300)은 증발배관(310), 관통배관(320), 냉각배관(330) 및 합류배관(340)을 포함한다.
즉, 상기 초전도 구동부(200)의 냉각에 따라 상기 액체수소(121)가 상변화한 기체수소(305)는 상기 초전도 구동부(200)로부터 상부방향으로 연장되는 상기 증발배관(310)을 따라 증발하며 상승하게 된다.
이 후, 상기 증발배관(310)으로부터 상기 챔버부(100)의 진공부(110)를 관통하여 상부방향으로 연장되는 상기 관통배관(320)을 따라, 상기 기체수소(305)는 계속 상승하게 된다. 이러한 상기 기체수소(305)의 상승은, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 기체수소(305)의 밀도가 상대적으로 낮고 상기 진공부(110)의 내부가 진공 상태를 유지하므로, 별도의 펌프 등과 같은 유동 압력 인가 수단을 부가하지 않아도, 자연스럽게 수행될 수 있다.
이 후, 상기 관통배관(320)은, 상기 수납부(120)의 상부에 위치하는 상기 기체수소(122)를 관통하며 연장되는 냉각배관(330)으로 연장된다.
이 경우, 상기 냉각배관(330)은 전체적으로 상기 기체수소(305)의 상승에 따른 유동을 유지하면서도, 상기 수납부(120)의 상부에 위치하는 상기 기체수소(122)와의 접촉면적을 최대한 증가시키기 위해, 상기 기체수소(122)를 사선 방향으로 통과하며 상승되거나, 지그재그 방향으로 통과하며 상승되거나, 또는 상기 기체수소(122)가 저장되는 공간을 코일 방향으로 통과하며 상승하도록 연장될 수 있다.
한편, 상기 수납부(120)에 저장되는 상기 기체수소(122)는 상기 액체수소(121)의 가열에 따른 상변화로 발생되는 것으로, 상기 초전도 구동부(200)를 냉각함에 따라 상변화된 상기 냉각배관(330)을 통과하는 기체수소(305) 보다는 그 온도가 높은 상태이다.
그리하여, 상기 냉각배관(330)을 통과하는 상기 기체수소(305)에 의해 상기 수납부(120)에 저장되는 상기 기체수소(122)의 온도는 하강하게 되며, 상기 냉각배관(330)을 통과하는 상기 기체수소(305)의 온도는 상승하게 된다.
즉, 상기 냉각배관(330)을 통과하는 상기 기체수소(305)와 상기 수납부(120)에 저장되는 상기 기체수소(122)와의 사이에서 열교환이 수행된다. 이에 따라, 상기 냉각배관(330)을 통과하는 기체수소(305)의 온도는 1차적으로 상승하게 된다.
이 후, 상기 냉각배관(330)은 후술되는 상기 열교환부(400)까지 상기 합류배관(340)을 통해 연결되며, 상기 1차적으로 온도가 상승한 상기 기체수소(305)는 상기 합류배관(340)을 통해 상기 열교환부(400)로 제공된다.
한편, 상기 수납부(120)와 상기 합류배관(340)의 사이에는 상기 가스배관(350)이 추가로 연결된다.
즉, 상기 가스배관(350)은 상기 수납부(120)의 상측, 즉 상기 기체수소(122)가 저장되는 공간과 상기 합류배관(340)을 연결하는 별도의 배관인 것으로, 상기 가스배관(350)을 통해, 상기 수납부(120)에 존재하는 증발가스(boil off gas, BOG)가 상기 합류배관(340)으로 제공되어, 상기 기체수소(305)와 합류하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 수납부(120) 내에서는 압력의 제어를 위해 상기 액체수소(121)가 상기 기체수소(122)로 상변화가 되며, 이 과정에서 증발가스(BOG)가 발생될 수 있다.
이 경우, 상기 증발가스 역시 밀도가 상대적으로 낮으므로, 상측에 연결되는 상기 가스배관(350)을 통해 상승되며 상기 합류배관(340)으로 유동되고, 이렇게 유동된 상기 증발가스는 상기 기체수소(305)와 함께 상기 열교환부(400)로 제공된다.
이상과 같이, 상기 증발가스를 상기 가스배관(350)을 통해 제거함으로써, 상기 챔버부(100) 내부의 가스상 불순물을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이에 따라 상기 챔버부(100)에 액체수소를 보다 안정적으로 저장할 수 있다.
상기 열 교환부(400)는, 상기 합류배관(340)을 통해 상기 1차적으로 열교환된 기체수소(305)와 상기 증발가스를 동시에 제공받으며, 외부 공기와의 열교환을 추가로 수행한다.
상기 열 교환부(400)는 외부 공기와 상기 기체수소(305)의 접촉을 유도하며, 이를 통해 상기 기체수소(305)에 대한 2차적인 열교환을 유도한다. 그리하여, 상기 기체수소(305)는 상기 외부 공기에 의해 추가적으로 가열되어 상온의 기체수소(305) 상태가 될 수 있다.
이렇게 2차로 열교환되어 상온 상태를 가지는 기체수소(305)는 상기 공급배관(410)을 통해 상기 연료전지(500)로 제공되어, 상기 연료전지(500)에서 동력을 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
한편, 상기 열교환부(400)에서의 추가적인 열교환에도, 상기 연료전지(500)에서 사용될 수 있을 정도로 상기 기체수소(305)의 온도가 상승하지 못한 경우라면, 상기 가열부(450)를 통해 상기 기체수소(305)의 온도를 추가로 상승시킬 수 있다.
나아가, 상기 열교환부(400)는 상기 열교환을 통해 상기 기체수소(305)의 온도를 상승시키는 것으로, 상기 기체수소(305)와의 열교환을 통해 냉각된 외부공기는 도시하지는 않았으나, 그대로 냉방이 필요한 공간, 예를 들어 차량이나 실내 등의 공간으로 제공되어 해당 공간에 대한 냉각체로서의 역할을 수행할 수 있다.
이와 달리, 상기 냉각된 외부공기는 냉매가 사용되는 공조기로 제공되어, 상기 냉매를 냉각시키는 역할을 수행할 수 있다.
나아가, 상기 외부공기를 대신하여 상기 공조기에 사용되는 냉매가 직접 상기 열교환부(400)로 제공되어, 상기 냉매가 상기 기체수소(305)와의 열교환을 통해 냉각된 후 상기 공조기로 제공될 수도 있다.
이상과 같이, 본 실시예에서는, 상기 가열부(450)가 상기 열 교환부(400) 및 상기 연료전지(500)의 사이에 추가로 구비되어, 필요에 따라, 상기 공급배관(410)으로 제공되는 상기 기체수소(305)의 온도를 추가로 상승시킬 수 있다. 이 경우, 상기 가열부(450)의 동작은 상기 기체수소(305)의 온도 등을 고려하여 자동으로 또는 수동으로 제어될 수 있다.
한편, 상기 연료전지(500)에서 상기 기체수소(305)를 이용하여 발생하는 동력은, 전력 공급부(510)를 통해 상기 초전도 구동부(200)로 제공되며, 이러한 상기 연료전지(500)의 발생 동력을 통해 상기 초전도 구동부(200)가 구동된다.
한편, 상기 초전도 구동부(200)는, 예를 들어 초전도 모터일 수 있으며, 상기 초전도 모터의 회전 구동력은 상기 구동력 전달부(210)를 통해 상기 회전유닛(220)으로 제공된다.
이 경우, 상기 구동력 전달부(210)는, 상기 초전도 구동부(200)의 회전 구동력을 하부 방향 또는 측면 방향 등 다양한 방향으로 제공할 수 있는데, 본 실시예에서 상기 회전유닛(220)이 예를 들어, 선박의 프로펠러와 같은 회전유닛이라면, 상기 구동력 전달부(210)는 도 1에 도시된 바와 같이, 하부 방향으로 구동력을 전달하여 상기 회전유닛(220)을 회전시킬 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템을 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 상기 초전도 모터 구동시스템(20)은 상기 유출배관(130)을 통해 제공되는 상기 액체수소(121)가 상기 초전도 구동부(200)에 구비되는 냉각핀 또는 냉각채널(250)로 제공되는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 상기 초전도 모터 구동시스템(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 초전도 모터 구동시스템(20)에서는, 상기 초전도 구동부(200)에 상기 초전도 구동부(200)를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 별도의 냉각핀 또는 냉각채널(250)이 형성될 수 있다.
상기 냉각핀 또는 냉각채널(250)은, 도시된 바와 같이, 상기 초전도 구동부(200)의 상면 상에 배치될 수 있으며, 이와 달리, 상기 초전도 구동부(200)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 다양한 설계가 적용되며 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 냉각핀 또는 냉각채널(250)은 핀(pin) 형태가 아닌 채널(channel) 형태로 형성되어 동일한 기능을 수행하는 냉각채널일 수도 있다. 이상과 같이, 상기 초전도 구동부(200) 상에 상기 냉각핀 또는 냉각채널(250)이 배치됨에 따라, 상기 유출배관(130)은 상기 냉각핀 또는 냉각채널(250)로 직접 연결되며, 결국 상기 유출배관(130)을 따라 자중에 의해 하강되는 상기 액체수소(121)도 상기 냉각핀 또는 냉각채널(250)로 제공된다.
그리하여, 상기 냉각핀 또는 냉각채널(250)로 제공된 상기 액체수소(121)는 상기 초전도 구동부(200)의 냉각에 따라 증발되며 상변화되어 기체수소(305)가 되며, 상기 증발된 기체수소(305)는 상기 회수배관(300)을 통해 회수되며, 도 1에서 설명한 바와 같이 상기 연료전지(500)로 재공급된다.
이 경우, 상기 회수배관(300)의 상기 증발배관(310) 역시, 상기 냉각핀 또는 냉각채널(250)에 연결됨으로써, 상기 냉각핀 또는 냉각채널(250)에서 냉각된 상기 기체수소(305)가 상기 증발배관(310)을 따라 상승이 가능하게 된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템을 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 상기 초전도 모터 구동시스템(30)은 초전도 구동부(201)가 진공부(110)의 내부에 구비되는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 상기 초전도 모터 구동시스템(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 이를 생략한다.
즉, 도 3을 참조하면, 본 실시예에서의 상기 초전도 모터 구동시스템(30)에서는, 상기 초전도 구동부(201)는 상기 진공부(110)의 내부에 위치한다.
이 경우, 상기 초전도 구동부(201)가 상기 진공부(110)의 내부에 위치하기 위해, 상대적으로 상기 챔버부(100)의 진공부(110)는 상기 초전도 구동부(201)가 위치하기 위한 소정의 공간을 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 초전도 구동부(201)가 상기 수납부(120)에 보다 근접하도록 위치하게 되므로, 이에 따라, 상기 유출배관(130) 및 상기 증발배관(310)의 길이는 도 1의 실시예에서 보다는 짧게 설계될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 상기 초전도 구동부(201)가 상기 진공부(110)의 내부에 구비됨에 따라, 상기 수납부(120)에 저장되는 상대적으로 낮은 온도의 액체수소(121)와 상기 초전도 구동부(201)는 보다 근접하게 위치하게 된다.
따라서, 상기 초전도 구동부(201)는 상기 유출배관(130)을 통해 제공되는 상기 액체수소(121)에 의해 소위, 대류현상을 통한 냉각 외에, 열전도(heat conduction)에 의한 냉각도 동시에 수행될 수 있다.
이에 따라, 상기 초전도 구동부(201)에 대한 보다 효과적인 냉각이 수행될 수 있으며, 이 경우, 상기 초전도 구동부(201)로 제공된 상기 액체수소(121)가 상기 기체수소(305)로 상변화되는 것은 도 1에서 설명한 바와 동일하다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 초전도 모터 구동시스템을 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 상기 초전도 모터 구동시스템(40)은 초전도 구동부(202)가 하부 측방에 구비되는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 상기 초전도 모터 구동시스템(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 초전도 모터 구동시스템(40)에서는, 상기 초전도 구동부(202)가 상기 챔버부(100)의 하부 측방에 위치하며, 이에 따라 상기 챔버부(100)의 수납부(120)와 상기 초전도 구동부(202)를 연결하는 유출배관(131)은 하부 측방을 향하여 비스듬하게 연장된다.
또한, 상기 초전도 구동부(202)에서 냉각에 의해 증발되는 기체수소(305)가 증발되는 회수배관(301)의 증발배관(311) 역시, 상부를 향하여 비스듬하게 연장된다.
이와 같이, 상기 유출배관(131)이 하부 측방을 향하여 비스듬하게 연장되더라도, 전체적으로 상기 수납부(120)에 저장된 상기 액체수소(121)는 자중에 의해 하부 방향을 따라 유출될 수 있으므로, 유출 속도는 감소할 수 있으나, 상기 유출배관(131)을 따라 자중에 의해 상기 초전도 구동부(202)로 공급될 수 있다.
마찬가지로, 상기 증발된 기체수소(305) 역시 상부방향으로 유동되는데, 유동 속도가 감소할 수는 있으나, 상기 증발배관(311)을 통해 상부로 유동되며 이후 상기 관통배관(320)을 따라 유동하게 된다.
이상과 같이, 상기 초전도 구동부(202)가 상기 챔버부(100)의 하부 측방에 위치하는 경우는, 회전유닛(221)이 예를 들어, 바퀴유닛과 같은 출력수단으로 구비되는 경우라 할 수 있다.
또한, 도시된 바와 같이, 상기 회전유닛(221)이 바퀴유닛인 경우라면, 상기 바퀴유닛(221)은 상기 초전도 구동부(202)의 측부에 위치하게 되므로, 상기 초전도 구동부(202)와 상기 회전유닛(221) 사이에 연결되는 구동력 전달부(211)는 측부방향으로 평행하게 연장될 수 있으며, 이를 통해 회전 구동력이 전달될 수 있다.
이상과 같이, 상기 초전도 구동부(202)는 최종적인 출력수단의 종류에 따라, 상기 액체수소(121)가 자중에 의해 유동되면서도 출력수단으로의 효과적인 구동력 출력이 가능하도록 그 위치가 적절히 설정될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 초전도 구동부를 냉각하기 위한 액체수소를 별도의 저장탱크에 저장하되, 추가적인 제공라인 설비를 생략하며 자중에 의해 액체수소가 초전도 구동부로 제공될 수 있어, 장비나 부가 설비를 생략하여 설계를 단순화할 수 있다.
이 경우, 상기 초전도 구동부는 진공 상태인 진공부의 내부에 위치하거나 또는 진공부의 외부 즉, 챔버부의 외부에 위치할 수 있어, 설치 상황에 부합한 다양한 설계 유연성을 제공할 수 있다.
특히, 상기 초전도 구동부가 상기 진공부의 내부에 위치하는 경우, 액체수소의 제공에 따른 대류에 의한 열전달 외에, 상기 진공부의 상대적인 낮은 온도에 의해 열전도(heat conduction)에 의한 열전달도 수행되므로, 보다 효과적인 초전도 구동부의 냉각이 가능하게 된다.
또한, 자중으로 하강한 액체수소는 냉각후 가열되며 자연스럽게 상부로 증발하게 되므로, 기화된 기체수소를 강제로 회수하기 위한 부가 설비를 생략할 수 있으며, 단순히 상부로 연장되는 회수배관을 통해 효과적인 기체수소의 회수가 가능하다.
이 경우, 기체수소는 진공부를 통과하도록 설계되어, 기체수소의 원활한 증발이 가능하며 기체수소의 추가적인 상변화 또는 오염 등의 발생을 최소화할 수 있다.
한편, 액체수소가 저장되는 챔버부의 경우 내부 압력을 유지하기 위해 필요한 경우 액체수소를 가열하여 기체수소로 증발시키게 되며, 이에 따라 챔버부의 내부에 상대적으로 따뜻한 기체수소가 존재하게 되는데, 상기 진공부를 통과한 기체수소를 상기 챔버부 내의 상대적으로 따뜻한 기체수소를 통과시키며 가열되도록 냉각배관을 구성함으로써, 상기 증발된 기체수소의 가열 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 1차적으로 챔버부의 내부에서 가열된 기체수소를, 상온의 공기와의 열교환이 추가로 수행되도록 유도하여, 최종적으로 연료전지로 제공되는 기체수소가 상온의 기체수소로 제공될 수 있으며, 이러한 기체수소의 열교환이 배관을 따라 점진적으로 진행되는 것으로, 배관의 설계를 제외하고 여타의 부가적인 설비를 최소화하여 전체 시스템을 간략하면서도 컴팩트하게 구성할 수 있다.
나아가, 상기 상온의 공기와의 열교환으로 상기 연료전지에 사용되기에 충분한 온도로 기체수소의 온도가 상승하지 않은 경우, 가열부를 통해 상기 기체수소를 추가적으로 가열함으로써, 최종적으로 상기 연료전지로 공급되는 기체수소의 온도를 연료전지의 동작에 적합하도록 최적화할 수 있다.
특히, 상기 챔버부 내부에서 액체수소의 기체수소로의 상변화 과정에서 발생하는 증발가스(boil off gas, BOG)를 상기 기체수소와 합류하도록 가스 배관을 설계함으로써, 상기 기체수소의 열교환 효율을 높이면서 상기 챔버부 내부의 액체수소의 안정성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 초전도 구동부의 보다 효과적인 냉각을 위해 냉각핀 또는 냉각채널로 액체수소를 제공하도록 설계할 수 있으며, 초전도 구동부를 통해 구동되는 최종 회전유닛이 선박의 프로펠러, 구동바퀴 등에 모두 적용될 수 있도록, 상기 초전도 구동부와 상기 액체수소 사이의 유출배관을 액체수소가 자중에 의해 유출될 수 있도록 설계를 변경할 수 있어, 다양한 구동 수단에의 적용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 20, 30, 40 : 초전도 모터 구동시스템
100 : 챔버부 130, 131 : 유출배관
150 : 열원부 200, 201, 202 : 초전도 구동부
220, 221 : 회전유닛 250: 냉각핀 또는 냉각채널
300, 301 : 회수배관 310, 311 : 증발배관
320 : 관통배관 330: 냉각배관
340 : 합류배관 350 : 가스배관
400 : 열 교환부 410 : 공급배관
450 : 가열부 500 : 연료전지
510 : 전력 공급부

Claims (14)

  1. 하부에는 액체수소가, 상부에는 기체수소가 저장되는 수납부를 포함하는 챔버부;
    상기 액체수소가 자중에 의해 제공되도록 상기 수납부의 하부에 위치하는 초전도 구동부;
    상기 초전도 구동부를 냉각함에 따라 상변화된 기체수소를 회수하는 회수배관; 및
    상기 회수배관을 통해 회수된 기체수소를 제공받아 상기 초전도 구동부의 구동을 위한 전력을 발생시키는 연료전지를 포함하고,
    상기 회수배관은, 상기 수납부를 통과한 후 상기 수납부의 외부로 연결되어, 상기 회수된 기체수소가 상기 수납부에 저장된 기체수소를 통과하도록 하는 냉각배관을 포함하며,
    상기 회수된 기체수소가 상기 냉각배관을 통과함에 따라, 상기 수납부에 저장된 기체수소는 냉각되고 상기 냉각배관을 통과하는 기체수소는 가열되는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 챔버부는,
    상기 수납부를 진공상태 및 단열상태로 유지하는 진공부; 및
    상기 챔버부의 압력을 유지하기 위해 상기 수납부에 저장되는 액체수소를 기체수소로 기화시키는 열원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초전도 구동부는,
    상기 진공부의 외부 또는 상기 진공부의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초전도 구동부가 상기 진공부의 내부에 위치하는 경우, 상기 초전도 구동부는 열전도(heat conduction)에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액체수소와 상기 초전도 구동부를 연결하여, 상기 액체수소를 상기 초전도 구동부로 공급하는 유출배관;
    상기 초전도 구동부의 구동력을 전달하는 구동력 전달부; 및
    상기 구동력 전달부에 의해 구동력을 제공받아 회전구동하는 회전유닛을 더 포함하는 초전도 모터 구동시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회전유닛이 선박의 프로펠러인 경우, 상기 유출배관 및 상기 구동력 전달부는 하부 방향으로 연장되며,
    상기 회전유닛이 구동바퀴인 경우, 상기 유출배관은 측하부 방향으로 연장되며, 상기 구동력 전달부는 측부 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 구동부 상에 구비되며, 상기 액체수소가 공급됨에 따라 냉각열을 상기 초전도 구동부로 제공하는 냉각핀 또는 냉각채널을 더 포함하는 초전도 모터 구동시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회수배관은,
    상기 초전도 구동부를 냉각하고 증발되는 기체수소가 밀도 차이에 의해 상부로 회수되는 증발배관; 및
    상기 증발되는 기체수소를 상기 수납부의 기체수소로 제공하는 관통배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 관통배관은,
    상기 수납부의 외측에 형성되며, 진공상태로 유지되는 진공부를 관통하는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 챔버부의 외측에 구비되며, 내부를 통과하는 기체수소를 외부의 공기와 열교환하여 기체수소를 가열하는 열교환부를 더 포함하며,
    상기 열교환부를 통과한 기체수소는 상기 연료전지로 제공되는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 회수배관은,
    상기 냉각배관과 상기 열교환부 사이에 연결되어, 상기 증발된 기체수소를 상기 열교환부로 제공하는 합류배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 모터 구동시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수납부와 상기 합류배관 사이에 연결되며, 상기 수납부에 존재하는 증발가스(boil off gas, BOG)를 상기 합류배관을 통과하는 상기 증발된 기체수소에 합류시키는 가스배관을 더 포함하는 초전도 모터 구동시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 열교환부와 상기 연료전지의 사이에서, 상기 연료전지로 공급되는 기체수소를 추가적으로 가열하는 가열부를 더 포함하는 초전도 모터 구동시스템.
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