KR102701978B1 - 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조는, 극저온의 초전도 상태에서 회전되고 극저온의 냉매가 유동되기 위한 제1 냉매 유로가 내부에 마련된 회전부, 상기 회전부를 회전 가능하게 지지하도록 상기 회전부에 커플링 연결되고 상기 제1 냉매 유로에 대한 상기 냉매의 공급과 배출이 가능하도록 상기 제1 냉매 유로에 연결된 제2 냉매 유로가 내부에 마련된 정지부, 및 상기 정지부와 상기 회전부의 커플링부에 배치되고 상기 정지부와 상기 회전부의 커플링부를 밀봉하여 진공 상태를 유지하는 자성유체 씰을 포함한다. 여기서, 상기 정지부의 커플링부에는 원통 형상의 정지부 연결배관이 형성될 수 있고, 상기 회전부의 커플링부에는 상기 정지부 연결배관에 축방향으로 커플링 결합되도록 상기 정지부 연결배관과 삽입 가능한 직경으로 형성된 원통 형상의 회전부 연결배관이 형성될 수 있다.

Description

극저온 초전도 회전기의 커플링 구조 {COUPLING STRUCTURE FOR CRYOGENIC SUPERCONDUCTING ROTATING MACHINE}
본 발명은 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조에 관한 것으로서, 더 상세하게는 회전부와 정지부의 커플링 구조를 개선하여 회전부와 정지부를 간편하게 연결하거나 분리할 수 있는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 고온 초전도(HTS: high temperature superconductor) 선재는 임계온도 이하에서 직류저항이 '0'이 되는 특성을 가지며, 그에 따라 상전도 금속 선재에 비해 전류밀도를 높일 수 있다. 그로 인하여, 고온 초전도 선재를 사용하여 권선된 전자석을 회전기(예컨대, 전동기와 발전기 등)에 적용하면, 회전기의 경량화 및 소형화가 가능하다.
다만, 고온 초전도 선재를 적용한 전자석은 운전온도 이하로 냉각되는 것이 필수적이며, 통상적으로 30K 이하의 운전온도를 가지고 있다. 77K 이하의 극저온으로 초전도 회전기를 냉각시키기 위해서는 별도의 극저온 냉동기를 장착시켜 냉각하거나 수소, 질소, 네온, 헬륨 등과 같은 극저온 냉매를 순환하여 냉각한다. 이때, 극저온 냉동기는 압축기, 고압배관 등의 중량물이 포함되므로 회전기의 용도인 차량이나 항공기 등에 적합하지 않다.
한편, 극저온 냉매를 이용하는 냉각 방법은 대기압에서 77K 이하의 포화온도를 가지기 때문에 회전기를 운전온도 이하로 냉각하기에 적합하다. 그런데, 회전기의 회전자에 극저온 냉매를 이송하여 냉각하는 경우, 회전기의 회전 구동시에도 지속적으로 냉각기능을 수행하기 위해 이송 배관에 커플링이 필요하다. 특히, 회전기의 회전부와 정지부 간의 고정-회전 커플링이 반드시 필요하다.
상기와 같은 고정-회전 커플링은 냉매의 누설 우려와 기계적 결합시 마모를 방지해야 하므로, 제작 난이도가 매우 높은 문제가 있다.
한국등록특허 제10-2195462호 (2020.12.21 등록)
본 발명의 실시예는, 회전부와 정지부의 커플링 구조를 개선하여 회전부와 정지부를 간편하게 연결하거나 분리할 수 있는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 삼중 동심 배관 구조로 제작된 회전부 연결배관과 정지부 연결배관을 연결 및 분리함으로써 회전부와 정지부를 쉽고 안정적으로 탈착시킬 수 있고, 회전부 연결배관과 정지부 연결배관의 연결부에 비접촉 씰을 배치하여 회전부 연결배관과 정지부 연결배관의 연결부에 대한 내구성을 높일 수 있는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 극저온의 초전도 상태에서 회전되고 극저온의 냉매가 유동되기 위한 제1 냉매 유로가 내부에 마련된 회전부, 상기 회전부를 회전 가능하게 지지하도록 상기 회전부에 커플링 연결되고 상기 제1 냉매 유로에 대한 상기 냉매의 공급과 배출이 가능하도록 상기 제1 냉매 유로에 연결된 제2 냉매 유로가 내부에 마련된 정지부, 및 상기 정지부와 상기 회전부의 커플링부에 배치되고 상기 정지부와 상기 회전부의 커플링부를 밀봉하여 진공 상태를 유지하는 자성유체 씰을 포함하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조를 제공한다.
여기서, 상기 정지부의 커플링부에는 원통 형상의 정지부 연결배관이 형성될 수 있고, 상기 회전부의 커플링부에는 상기 정지부 연결배관에 축방향으로 커플링 결합되도록 상기 정지부 연결배관과 삽입 가능한 직경으로 형성된 원통 형상의 회전부 연결배관이 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 회전부 연결배관은, 동일한 하나의 제1 동심축을 서로 공유하면서 서로 다른 직경을 갖는 다중 동심 배관 구조로 마련될 수 있다. 상기 정지부 연결배관은, 상기 제1 동심축과 동일한 제2 동심축을 서로 공유하면서 상기 회전부 연결배관에 대응하는 서로 다른 직경을 갖는 다중 동심 배관 구조로 마련될 수 있다.
상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관은, 상기 제1 동심축과 상기 제2 동심축을 따라 서로 가까워지는 연결 방향으로 이동됨에 따라 서로 삽입되면서 회전 가능하게 연결될 수 있고, 상기 제1 동심축과 상기 제2 동심축을 따라 서로 멀어지는 분리 방향으로 이동됨에 따라 분리될 수 있다.
바람직하게, 상기 회전부 연결배관은, 상기 정지부 연결배관에서 상기 냉매를 전달받아서 상기 회전부의 내부로 공급하는 제1 냉매 공급유로를 형성하는 제1 냉매 공급관, 상기 제1 냉매 공급관보다 더 큰 직경으로 형성되어 상기 제1 냉매 공급관이 내부에 배치되고 상기 제1 냉매 공급관과의 사이에 상기 회전부에서 상기 정지부 연결배관으로 상기 냉매를 배출하는 제1 냉매 배출유로를 형성하는 제1 냉매 배출관, 및 상기 제1 냉매 배출관의 외측을 둘러싸는 진공 공간을 형성하도록 마련된 제1 진공관을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 정지부 연결배관은, 상기 제1 냉매 공급관에 회전 가능하게 연결되고 상기 제1 냉매 공급관으로 상기 냉매를 공급하는 제2 냉매 공급유로를 형성하는 제2 냉매 공급관, 상기 제2 냉매 공급관보다 더 큰 직경으로 형성되어 상기 제2 냉매 공급관이 내부에 배치되고 상기 제1 냉매 배출관에 회전 가능하게 연결되며 상기 제2 냉매 공급관과의 사이에 상기 제1 냉매 배출관에서 상기 정지부의 외부로 상기 냉매를 배출하는 제2 냉매 배출유로를 형성하는 제2 냉매 배출관, 및 상기 제1 진공관에 회전 가능하게 연결되고, 상기 제2 냉매 배출관의 외측을 둘러싸는 진공 공간을 형성하도록 마련된 제2 진공관을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 회전부의 내부에는, 상기 제1 냉매 공급관으로 공급되는 상기 냉매를 상기 회전부의 로터로 안내한 후 상기 로터를 냉각시킨 상기 냉매를 상기 제1 냉매 배출관으로 안내하는 냉매 순환유로를 형성하는 냉매 순환관이 마련될 수 있다. 상기와 같은 냉매 순환관은 상기 로터의 배치 위치에 따라 상기 제1 냉매 배출관을 중심으로 복수개가 방사형으로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 진공관의 단부에는 상기 제2 진공관이 삽입 방식으로 결합되기 위한 원통 형상의 진공관 결합부가 형성될 수 있다. 여기서, 상기 자성유체 씰은 상기 진공관 결합부와 상기 제2 진공관 사이의 틈새를 밀봉하도록 상기 진공관 결합부와 상기 제2 진공관의 연결부에 배치될 수 있다. 그리고, 상기 연결 통로는 상기 진공관 결합부와 상기 제2 진공관 사이의 틈새를 따라 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 진공관 결합부의 일단부는 상기 진공관 결합부를 상기 제2 냉매 배출관과 함께 회전시키도록 상기 제2 냉매 배출관에 연결될 수 있고, 상기 진공관 결합부의 타단부는 상기 자성유체 씰에 연결될 수 있다. 이때, 상기 진공관 결합부의 외측에는 상기 진공관 결합부를 보호하도록 상기 진공관 결합부를 둘러싸는 형상으로 커플링 배관이 배치될 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조는, 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부에 배치되고, 상기 냉매의 누설을 저감하는 비접촉 씰을 더 포함할 수 있다.
상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부는, 상기 제1 냉매 공급관과 상기 제2 냉매 공급관의 연결부, 및 상기 제1 냉매 배출관과 상기 제2 냉매 배출관의 연결부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 비접촉 씰은, 상기 냉매의 유동을 방해하면서 상기 냉매의 유동 경로를 늘리는 제1 비접촉 씰 또는 상기 냉매의 유동을 아르키메데스 나선 양수기의 원리에 따라 역류시키는 제2 비접촉 씰 중 적어도 하나로 제공될 수 있다.
상기 제1 비접촉 씰은, 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부 중 어느 하나의 표면에 원통 형상으로 장착되는 제1 씰 장착부, 및 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부 중 다른 하나의 표면에 비접촉되도록 상기 제1 씰 장착부의 내주면 또는 외주면에서 링형 구조로 돌출된 링형 돌기부를 포함할 수 있다.
상기 제2 비접촉 씰은, 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부 중 어느 하나의 표면에 원통 형상으로 장착되는 제2 씰 장착부, 및 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부 중 다른 하나의 표면에 비접촉되도록 상기 제2 씰 장착부의 내주면 또는 외주면에서 나선형 구조로 돌출된 나선형 돌기부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 비접촉 씰은, 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부로 유동되는 상기 냉매의 유량이 설정 유량보다 많으면 상기 냉매의 유동 경로를 늘리기 위해서 상기 제1 비접촉 씰 또는 단일 나선 구조의 상기 제2 비접촉 씰을 설치할 수 있고, 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부로 유동되는 상기 냉매의 유량이 설정 유량보다 적으면 상기 냉매의 역류 효율을 높이기 위해서 다중 나선 구조의 상기 제2 비접촉 씰을 설치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조는, 회전부와 정지부의 커플링 구조를 개선하여 회전부와 정지부를 간편하게 연결하거나 분리할 수 있고, 그로 인하여 회전부와 정지부의 유지보수가 매우 용이하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조는, 삼중 동심 배관 구조로 제작된 회전부 연결배관과 정지부 연결배관을 통해 냉매의 공급과 배출이 원활하게 이루어질 수 있고, 해당 회전부 연결배관과 정지부 연결배관을 간편하게 연결 및 분리함으로써 회전부와 정지부를 쉽고 안정적으로 탈착시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조는, 회전부 연결배관과 정지부 연결배관의 연결부에 비접촉 씰을 배치함으로써, 회전부 연결배관과 정지부 연결배관의 연결부에 대한 내구성을 높일 수 있고, 회전부 연결배관과 정지부 연결배관의 연결부에 대한 냉매의 누설 위험을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조는, 회전부 연결배관과 정지부 연결배관의 연결부에 배치된 비접촉 씰이 냉매의 유동을 방해하면서 유동 경로를 복잡하게 늘이는 구조이므로, 냉매가 비접촉 씰을 통과하는 과정에서 교축작용을 통해 점진적인 압력 강하로 누설을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조는, 회전부 연결배관의 회전력을 이용하여 아르키메데스 나선 양수기의 원리에 따라 냉매를 역방향으로 역류시키는 구조이므로, 극저온 초전도 회전기의 작동시 회전부 연결배관의 회전력에 의해 비접촉 씰이 냉매를 역방향으로 강제 역류시킴으로써 회전부 연결배관과 정지부 연결배관의 연결부를 통한 냉매의 누출량을 현저하게 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 커플링 구조의 분리 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조가 도시된 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 극저온 초전도 회전기의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 극저온 초전도 회전기를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 극저온 초전도 회전기의 주요부를 확대시킨 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 비접촉 씰의 제1 비접촉 씰을 다양한 각도로 나타낸 도면이다.
도 8과 도 9는 도 5에 도시된 비접촉 씰의 제2 비접촉 씰을 다양한 각도로 각각 나타낸 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 초전도 회전기(10)의 커플링 구조(100)가 개략적으로 도시된 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 커플링 구조(100)의 분리 상태를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 극저온 초전도 회전기(10)의 커플링 구조(100)는 회전부(110), 정지부(120), 자성유체 씰(130) 및 비접촉 씰(140)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기(10)는 초전도 모터, 초전도 발전기 및 초전도 블로어 등과 같이 극저온 상태에서 회전 작동하는 장치이다. 상기와 같은 극저온 초전도 회전기(10)는 회전부(110)와 정지부(120)를 탈착 가능하도록 커플링 결합시킨 구조로 제작될 수 있고, 그에 따라 회전부(110)와 정지부(120)의 커플링부(C)를 기준으로 회전부(110)가 회전 작동될 수 있다.
또한, 회전부(110)와 정지부(120)의 커플링부(C)에는 진공 상태를 유지하여 외부 열침입을 차단하기 위한 자성유체 씰(ferro-fluid seal)(130)을 배치할 수 있다. 이때, 자성유체 씰(130)은 액체 상태의 극저온 냉매(R)와 접촉할 경우에 동결되면서 씰의 성능을 잃어 버리는 구조이므로, 자성유체 씰(130)은 온도 구배의 형성으로 열 부하를 최소화하는 베이오넷(bayonet) 연결 구조로 커플링부(C)에 설치될 수 있다.
또한, 냉매(R)는 극저온 초전도 회전기(10)를 극저온 상태로 냉각하기 위한 것으로서, 정지부(120)를 통해 회전부(110)로 공급된 후 회전부(110)를 극저온 상태로 만들 수 있고, 회전부(110)의 회전 작동시 발생되는 열을 흡수한 후 정지부(120)를 통해 배출시킬 수 있다. 일례로, 냉매(R)는 액체질소, 네온(neon), 액체수소(LH2), 수소가스(GH2), 헬륨가스 등이 사용될 수 있지만, 이하에서는 액체수소가 냉매(R)로 사용되는 것으로 설명한다.
참고로, 극저온 초전도 회전기(10)로 공급되는 냉매(R)는 냉매 탱크(미도시)에 저장된 냉매(R)를 공급 받을 수 있고, 극저온 초전도 회전기(10)에서 배출되는 냉매(R+H)는 열을 흡수하면서 상변화된 수소가스(H)를 포함하고 있기 때문에 연료전지에 공급하여 수소가스(H)를 활용하거나 후술하는 회전부(110)의 스테이터에 공급할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 회전부(110)는 극저온의 초전도 상태에서 회전될 수 있다. 회전부(110)의 내부에는 극저온의 냉매(R)가 유동되기 위한 제1 냉매 유로(110a, 110b, 110c)가 마련될 수 있다. 상기와 같은 제1 냉매 유로(110a, 110b, 110c)는 후술하는 정지부(120)의 제2 냉매 유로(120a, 120b)에 연통되게 연결될 수 있다.
예를 들면, 회전부(110)는 회전부 연결배관(111), 스테이터(미도시), 로터(115), 진공 챔버(116), 회전축(117) 및 베어링 부재(118)를 포함할 수 있다.
회전부 연결배관(111)은 회전부(110)의 커플링부(C)에 원통 형상으로 형성될 수 있다. 회전부 연결배관(111)은 후술하는 정지부 연결배관(121)에 회전 가능하게 삽입되는 결합 방식으로 연결될 수 있다. 이를 위하여, 회전부 연결배관(111)의 직경은 정지부 연결배관(121)과 다른 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)이 서로 회전 가능하게 삽입 연결되는 삼중 동심 배관 구조로 마련된 것으로 설명한다.
즉, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)은, 서로 다른 직경을 갖는 3개의 배관으로 각각 형성되되, 3개의 배관의 회전축이 동일축 상에 위치되도록 3개의 배관이 서로 겹쳐진 구조로 마련될 수 있다. 예컨대, 회전부 연결배관(111)은 동일한 하나의 제1 동심축을 서로 공유하면서 서로 다른 직경을 갖는 다중 동심 배관 구조로 마련될 수 있다. 또한, 정지부 연결배관(121)은, 제1 동심축과 동일한 제2 동심축을 서로 공유하면서 회전부 연결배관(111)에 대응하는 서로 다른 직경을 갖는 다중 동심 배관 구조로 마련될 수 있다.
이때, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)은, 제1 동심축과 제2 동심축을 따라 서로 가까워지는 연결 방향으로 이동됨에 따라 서로 삽입되면서 회전 가능하게 연결될 수 있다. 반면에, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)은, 제1 동심축과 제2 동심축을 따라 서로 멀어지는 분리 방향으로 이동됨에 따라 분리될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부를 통해 냉매(R)가 쉽게 누설되지 않도록 정지부 연결배관(121)와 회전부 연결배관(111)의 연결부 사이에 형성된 틈새를 최대한 작게 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 회전부 연결배관(111)의 3개 배관의 직경은 정지부 연결배관(121)의 3개 배관의 직경과 매우 미세한 차이로 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 회전부 연결배관(111)은 삼중 동심 배관 구조로 형성될 수 있다. 일례로, 회전부 연결배관(111)은 제1 냉매 공급관(112), 제1 냉매 배출관(113), 및 제1 진공관(114)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 냉매 공급관(112)과 제1 냉매 배출관(113) 및 제1 진공관(114)은 제1 동심축을 기준으로 동일축 상에 배치되되, 제1 냉매 공급관(112)은 제1 냉매 배출관(113)의 내부에 회전 가능하게 배치될 수 있고, 제1 냉매 배출관(113)은 제1 진공관(114)의 내부에 회전 가능하게 배치될 수 있다.
여기서, 제1 냉매 공급관(112)은, 제1 냉매 배출관(113)과 제1 진공관(114)의 내부에 배치될 수 있고, 회전부(110)와 정지부(120)의 연결시 정지부 연결배관(121)의 후술하는 제2 냉매 공급관(122)의 내부에 연통되게 삽입될 수 있다. 즉, 제1 냉매 공급관(112)의 입구부는 제2 냉매 공급관(122)의 출구부에 회전 가능하게 삽입 연결될 수 있고, 제1 냉매 공급관(112)의 출구부는 진공 챔버(116)의 내부에 형성된 내부 챔버(119)에 연통되게 연결될 수 있다. 제1 냉매 공급관(112)의 내부에는 제2 냉매 공급관(122)으로부터 극저온 냉매(R)를 전달받아서 내부 챔버(119)로 안내하는 제1 냉매 공급유로(110a)가 형성될 수 있다.
그리고, 제1 냉매 배출관(113)은, 제1 진공관(114)의 내부에 배치될 수 있고, 회전부(110)와 정지부(120)의 연결시 정지부 연결배관(121)의 후술하는 제2 냉매 배출관(123)의 내부에 연통되게 삽입될 수 있다. 즉, 제1 냉매 배출관(113)의 입구부는 회전부(110)의 로터(115) 측에 배치될 수 있고, 제1 냉매 배출관(113)의 출구부는 제2 냉매 배출관(123)의 입구부에 회전 가능하게 삽입 연결될 수 있다. 제1 냉매 배출관(113)과 제1 냉매 공급관(112)의 사이에는 로터(115)를 냉각시킨 냉매(R+H)를 전달받아서 제2 냉매 배출관(123)의 입구부로 안내하는 제1 냉매 배출유로(110b)가 형성될 수 있다.
회전부(110)의 내부에는, 제1 냉매 공급관(112)으로 공급되는 냉매(R)를 로터(115)로 안내한 후 로터(115)를 냉각시킨 냉매(R)를 제1 냉매 배출관(113)으로 안내하는 냉매 순환유로(110c)를 형성하는 냉매 순환관(172)이 마련될 수 있다. 상기와 같은 냉매 순환관(172)은 로터(115)의 배치 위치에 따라 제1 냉매 배출관(113)을 중심으로 복수개가 방사형 배치 구조로 형성될 수 있다. 일례로, 본 실시예에서는 복수개의 로터(115)가 진공 챔버(116)의 내측면에 회전부(110)의 회전 방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있고, 그에 따라 복수개의 냉매 순환관(172)도 복수개의 로터(115)에 각각 배치되도록 제1 냉매 배출관(113)을 중심으로 일정 각도로 이격되는 방사 형상으로 배치될 수 있다.
또한, 제1 진공관(114)은, 제1 냉매 배출관(113)의 외부를 감싸도록 배치될 수 있고, 회전부(110)와 정지부(120)의 연결시 정지부 연결배관(121)의 후술하는 제2 진공관(124)이 내부에 연통되게 삽입될 수 있다. 상기와 같은 제1 진공관(114)은 진공 공간을 내부에 형성하는 이중 파이프 구조로 형성될 수 있고, 제1 냉매 배출관(113)을 외부와 차단시키는 구조로 마련될 수 있다. 따라서, 제1 진공관(114)은 제1 냉매 배출관(113)과 제1 냉매 공급관(112)을 외기와 차단시킴으로써 제1 냉매 배출관(113)과 제1 냉매 공급관(112)에 대한 외부 열침입을 원활하게 방지할 수 있다.
상기와 같은 제1 진공관의 단부에는 제2 진공관(124)이 삽입 방식으로 결합되기 위한 원통 형상의 진공관 결합부(114a)가 마련될 수 있다. 진공관 결합부(114a)의 일단부는 제2 냉매 배출관(123)에 연결되어 제2 냉매 배출관(123)과 함께 회전될 수 있고, 진공관 결합부(114a)의 타단부는 제2 진공관(124)의 외측면을 감싸도록 배치되어 자성유체 씰(130)에 연결될 수 있다. 일례로, 본 실시예의 진공관 결합부(114a)는 제2 진공관(124)과 마주보는 면이 개구된 원통 형상으로 형성될 수 있다.
스테이터(미도시)는 진공 챔버(116)의 외측면에서 외측으로 이격된 위치에 마련되되, 회전부(110)의 회전 방향을 따라 진공 챔버(116)의 외측면을 둘러싸는 구조로 배치될 수 있다. 상기와 같은 스테이터는 회전부(110)의 외측에 배치된 회전부 하우징(미도시)에 고정될 수 있다. 참고로, 회전부 하우징의 내부에는 스테이터, 로터(115), 진공 챔버(116) 등이 수용될 수 있다.
로터(115)는 진공 챔버(116)를 사이에 두고 스테이터와 마주보게 배치될 수 있다. 즉, 로터(115)는 진공 챔버(116)의 내측면에서 내측으로 이격된 위치에 배치되되, 회전부(110)의 회전 방향을 따라 진공 챔버(116)의 내측면을 따라 배치될 수 있다.
진공 챔버(116)는 중공된 원통형으로 마련된 챔버로서, 회전부 연결배관(111)의 제1 냉매 공급관(112)과 연결되는 내부 챔버(119)와의 사이를 진공 상태로 유지하도록 형성될 수 있다. 이러한 진공 챔버(116)는 회전부 연결배관(111)의 제1 냉매 공급관(112)과 제1 냉매 배출관(113) 및 내부 챔버(119)를 에워싸도록 형성될 수 있다. 따라서, 진공 챔버(116)는, 냉매(R)의 누설을 방지할 수 있고, 냉매(R)로의 외부 열침입도 미연에 방지할 수 있다.
상기와 같은 진공 챔버(116)의 진공 공간에는 로터(115) 및 회전축(117)이 배치될 수 있다. 참고로, 내부 챔버(119)는 진공 챔버(116)에 의해 둘러싸인 챔버로서, 회전부 연결배관(111)의 제1 냉매 공급관(112)을 통해 냉매(R)를 공급받아 저장하는 리저버 역할을 수행할 수 있다. 이때, 로터(115)는 극저온 냉매(R)에 의해 냉각되는 내부 챔버(119)의 외측면에 장착되는 것이 바람직하다.
회전축(117)의 일단부는 로터(115), 진공 챔버(116) 및 내부 챔버(119)와 함께 회전되도록 진공 챔버(116)와 내부 챔버(119)에 동시에 연결될 수 있다. 회전축(117)의 타단부는 회전부(110)의 회전 중심을 따라 길게 연장되어 회전부(110)의 외측에 노출되게 배치될 수 있다.
베어링 부재(118)는 회전축(117)의 타단부에 배치된 커런트 슬립링(current slip ring)으로 제공될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 정지부(120)는, 회전부(110)를 회전 가능하게 지지하면서 냉매(R)의 공급과 배출이 가능하도록 회전부(110)에 삼중 동심 배관 구조로 커플링 연결될 수 있다. 정지부(120)의 내부에는 제1 냉매 유로(110a, 110b, 110c)에 연결된 제2 냉매 유로(120a, 120b)가 마련될 수 있다. 제2 냉매 유로(120a, 120b)는 제1 냉매 유로(110a, 110b, 110c)에 대한 냉매(R)의 공급과 배출이 가능할 수 있다.
예를 들면, 정지부(120)는 냉매 탱크(미도시) 및 정지부 연결배관(121)을 포함할 수 있다.
냉매 탱크는 정지부 연결배관(121)으로 공급되는 극저온의 냉매(R)를 저장하고 있으며, 필요시 정지부 연결배관(121)의 제2 냉매 공급관(122)의 입구부로 냉매(R)를 공급할 수 있다.
정지부 연결배관(121)은 정지부(120)의 커플링부(C)에 원통 형상으로 형성될 수 있다. 정지부 연결배관(121)은 회전부 연결배관(111)에 회전 가능하게 삽입되는 결합 방식으로 연결될 수 있다. 상기와 같은 정지부 연결배관(121)은 회전축(117)과 함께 회전부(110)를 회전 가능하게 지지하는 회전축 역할을 수행할 수 있다.
상기와 같은 정지부 연결배관(121)은 회전부 연결배관(111)에 대응하는 삼중 동심 배관 구조로 형성될 수 있다. 일례로, 정지부 연결배관(121)은 제2 냉매 공급관(122), 제2 냉매 배출관(123), 및 제2 진공관(124)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 냉매 공급관(122)과 제2 냉매 배출관(123) 및 제2 진공관(124)은 제1 동심축과 동일한 제2 동심축을 기준으로 동일축 상에 배치되되, 제2 냉매 공급관(122)은 제2 냉매 배출관(123)의 내부에 배치될 수 있고, 제2 냉매 배출관(123)은 제2 진공관(124)의 내부에 배치될 수 있다.
여기서, 제2 냉매 공급관(122)은, 제2 냉매 배출관(123)과 제2 진공관(124)의 내부에 배치될 수 있고, 회전부(110)와 정지부(120)의 연결시 회전부 연결배관(111)의 제1 냉매 공급관(112)이 내부에 연통되도록 삽입될 수 있다. 제2 냉매 공급관(122)의 입구부는 냉매 탱크에 연결될 수 있고, 제2 냉매 공급관(122)의 출구부는 내부 챔버(119)와 연결된 회전부 연결배관(111)의 제1 냉매 공급관(112)에 연통되게 연결될 수 있다. 제2 냉매 공급관(122)의 내부에는 극저온 냉매(R)를 회전부 연결배관(111)의 제1 냉매 공급관(112)으로 안내하는 제2 냉매 공급유로(120a)가 형성될 수 있다.
그리고, 제2 냉매 배출관(123)은, 제2 진공관(124)의 내부에 배치될 수 있고, 회전부(110)와 정지부(120)의 연결시 회전부 연결배관(111)의 제1 냉매 배출관(113)이 내부에 연통되도록 삽입될 수 있다. 즉, 제2 냉매 배출관(123)의 입구부는 제1 냉매 배출관(113)의 출구부에 회전 가능하게 연결될 수 있고, 제2 냉매 배출관(123)의 출구부는 정지부(120)의 외측에 있는 스테이터 또는 연료전지에 연결될 수 있다. 제2 냉매 배출관(123)과 제2 냉매 공급관(122) 사이에는 회전부 연결배관(111)의 제1 냉매 배출관(113)에서 냉매(R+H)를 전달받아서 정지부(120)의 외부로 배출하는 제2 냉매 배출유로(120b)가 형성될 수 있다.
또한, 제2 진공관(124)은, 제2 냉매 배출관(123)의 외부를 감싸도록 배치될 수 있고, 회전부(110)와 정지부(120)의 연결시 회전부 연결배관(111)의 제1 진공관(114)의 단부에 형성된 진공관 결합부(114a)에 회전 가능하게 삽입될 수 있다. 상기와 같은 제2 진공관(124)은 진공 공간을 내부에 형성하는 이중 파이프 구조로 형성될 수 있고, 제2 냉매 배출관(123)을 외부와 차단시키는 구조로 마련될 수 있다. 따라서, 제2 진공관(124)은 제2 냉매 배출관(123)과 제2 냉매 공급관(122)을 외기와 차단시킴으로써 제2 냉매 배출관(123)과 제2 냉매 공급관(122)에 대한 외부 열침입을 원활하게 방지할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 자성유체 씰(130)은, 정지부(120)와 회전부(110)의 커플링부(C)를 밀봉하여 극저온 초전도 회전기(10)의 진공 상태를 유지하는 씰 부재이다. 일례로, 자성유체 씰(130)은 정지부(120)와 회전부(110)의 커플링부(C)에 배치하되, 제1 진공관(114)과 제2 진공관(124)의 연결부 사이로 누출되는 냉매(R)를 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 자성유체 씰(130)은 정지부 연결배관(121)과 회전부 연결배관(111)의 서로 겹쳐진 부위에 설치될 수 있다. 즉, 자성유체 씰(130)은 진공관 결합부(114a)의 타단부와 제2 진공관(124)의 외주면 사이의 틈새를 밀봉하도록 진공관 결합부(114a)의 단부와 제2 진공관(124)의 외측면에 설치될 수 있다.
상기와 같은 자성유체 씰(130)은, 제2 진공관(124)의 외주면 및 진공관 결합부(114a)의 단부에 연결된 구조이므로, 진공관 결합부(114a)와 제2 진공관(124)의 사이로 냉매(R)가 누출되는 것을 차단할 수 있고, 뿐만 아니라 진공관 결합부(114a)가 회전부(110)와 함께 회전 가능하도록 지지할 수 있다.
그리고, 정지부 연결배관(121)의 제2 진공관(124) 및 회전부 연결배관(111)의 제1 진공관(114)의 진공관 결합부(114a) 사이에는 자성유체 씰(130)과 연결되는 연결 통로(142)가 형성될 수 있다. 따라서, 자성유체 씰(130)은 회전부(110)와 정지부(120)의 커플링부(C) 사이로 누설되는 냉매(R)를 차단할 수 있다.
상기와 같은 연결 통로(142)는 진공관 결합부(114a)의 타단부와 제2 진공관(124)의 외측면 사이의 틈새를 따라 형성되되, 자성유체 씰(130)과 제1,2 냉매 유로(110a, 110b, 110c, 120a, 120b)를 연결하는 구조로 마련될 수 있다. 이때, 연결 통로(142)의 내부에는, 기체 상태의 냉매(H)에 의해 채워질 수 있고, 자성유체 씰(130)에 가까워질수록 온도가 올라가는 온도 구배를 형성함으로써 열 부하를 최소화하는 베이오넷(bayonet) 연결 구조를 통해 자성유체 씰(130)과 연결될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 비접촉 씰(140)은 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부에 배치될 수 있다. 즉, 비접촉 씰(140)은 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부를 통해 냉매(R)가 누설되는 것을 최소화시킬 수 있다.
여기서, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부는, 제1 냉매 공급관(112)과 제2 냉매 공급관(122)의 연결부 및 제1 냉매 배출관(113)과 제2 냉매 배출관(123)의 연결부를 포함할 수 있다. 그로 인하여, 비접촉 씰(140)은, 제1 냉매 공급관(112)과 제2 냉매 공급관(122)의 연결부 중 어느 하나에 배치될 수 있고, 제1 냉매 배출관(113)과 제2 냉매 배출관(123)의 연결부 중 어느 하나에 배치될 수 있다.
이하, 본 실시예에서는, 비접촉 씰(140)이 제2 냉매 공급관(122)의 연결부 및 제2 냉매 배출관(123)의 연결부에 각각 배치되는 것으로 설명한다. 즉, 비접촉 씰(140)은 제1 냉매 공급관(112)이 삽입되는 제2 냉매 공급관(122)의 연결부의 내주면에 배치됨으로써 제1 냉매 공급관(112)과 제2 냉매 공급관(122)의 연결부 사이로 누설되는 냉매(R)를 막을 수 있다. 또한, 비접촉 씰(140)은 제1 냉매 배출관(113)이 삽입되는 제2 냉매 배출관(123)의 연결부의 내주면에 배치됨으로써 제1 냉매 배출관(113)과 제2 냉매 배출관(123)의 연결부 사이로 누설되는 냉매(R)를 막을 수 있다.
한편, 비접촉 씰(140)은, 냉매(R)의 유동을 방해하면서 유동 경로를 복잡하게 늘이거나, 냉매(R)를 유동 방향의 역방향으로 역류시키도록 형성될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 비접촉 씰(140)이 제2 냉매 공급관(122)의 연결부 및 제2 냉매 배출관(123)의 연결부를 감싸도록 배치되는 라비린스 씰(labyrinth seal)로 제공될 수 있다.
상기와 같이 배치된 비접촉 씰(140)은 회전부 연결배관(111)의 회전시 제2 냉매 공급관(122)과 제2 냉매 배출관(123)과 함께 정지 상태로 유지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기(20)의 커플링 구조(200)가 도시된 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 극저온 초전도 회전기(20)의 내부 구조를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 3에 도시된 극저온 초전도 회전기(20)를 나타낸 단면도이다. 도 6은 도 5에 도시된 극저온 초전도 회전기(20)의 주요부를 확대시킨 도면이고, 도 7은 도 5에 도시된 비접촉 씰(140)의 제1 비접촉 씰(150)을 다양한 각도로 나타낸 도면이며, 도 8과 도 9는 도 5에 도시된 비접촉 씰(140)의 제2 비접촉 씰(160)을 다양한 각도로 각각 나타낸 도면이다.
즉, 도 3 내지 도 9에서 도 1과 도 2에 도시된 참조부호와 동일 유사한 참조부호는 동일한 구성을 나타내며, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이하에서는 도 1과 도 2에 도시된 극저온 초전도 회전기(10)의 커플링 구조(100)와 상이한 점을 중심으로 서술하도록 한다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 극저온 초전도 회전기(20)의 커플링 구조(200)가 도 1과 도 2에 도시된 극저온 초전도 회전기(10)의 커플링 구조(100)와 상이한 점은, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 커플링 연결 방식에 차이가 있고, 비접촉 씰(140)의 종류와 배치 구조에 차이가 있다.
도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 극저온 초전도 회전기(20)의 커플링부(C)는, 도 1과 도 2에 도시된 극저온 초전도 회전기(10)의 커플링부(C)보다 축 방향으로 더 짧게 형성될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 극저온 초전도 회전기(20)의 전장 길이를 줄일 수 있기 때문에 극저온 초전도 회전기(20)의 무게와 부피도 저감시켜 중량 대비 출력의 효율을 높일 수 있다.
이를 위하여, 본 실시예에서는 제1 진공관(114)의 길이가 축방향으로 짧아지면서 진공관 결합부(114a)와 일체형 구조로 형성될 수 있다. 즉, 진공관 결합부(114a)는 제2 진공관(124)과의 연결을 위한 구성이지만, 본 실시예에서는 제1 냉매 배출관(113)의 외측면을 둘러싸는 제1 진공관(114)의 기능도 수행하고 있다. 따라서, 본 실시예의 극저온 초전도 회전기(20)의 커플링부(C)는 제1 진공관(114)의 크기 감소에 따라 축방향으로의 길이가 대폭 감소될 수 있다.
도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 진공관 결합부(114a)의 외측에는 진공관 결합부(114a)를 보호하는 커플링 배관(170)이 배치될 수 있다. 따라서, 진공관 결합부(114a)와 제2 진공관(124)의 사이에 형성되는 연결 통로(142)는 커플링 배관(170)에 의해 외부로 직접 노출되지 않는다.
여기서, 커플링 배관(170)은 진공관 결합부(114a)의 외측면 둘레를 따라 둘러싸는 형상으로 제작될 수 있다. 커플링 배관(170)의 일단부는 회전부(110)의 진공 챔버(116)에 고정될 수 있고, 커플링 배관(170)의 타단부는 자성유체 씰(130)에 연결될 수 있다. 따라서, 커플링 배관(170)이 회전부(110)의 로터(115)와 함께 회전하는 진공관 결합부(114a)를 보호할 수 있고, 자성유체 씰(130)을 보다 안정적으로 지지할 수 있다.
도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 비접촉 씰(140)은, 제1 비접촉 씰(150) 및 제2 비접촉 씰(160) 중 적어도 하나로 제공될 수 있다.
여기서, 제1 비접촉 씰(150)은, 냉매(R)의 유동을 방해하면서 냉매(R)의 유동 경로를 복잡하게 늘리도록 마련될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 비접촉 씰(150)은, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부 중 어느 하나의 표면에 원통 형상으로 장착되는 제1 씰 장착부(152), 및 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부 중 다른 하나의 표면에 비접촉되도록 제1 씰 장착부(152)의 내주면 또는 외주면에서 링형 구조로 돌출된 링형 돌기부(154)를 포함할 수 있다.
링형 돌기부(154)는 제1 씰 장착부(152)의 길이 방향을 따라 복수개가 이격되게 마련될 수 있다. 이때, 링형 돌기부(154)들의 개수와 이격 거리는 회전부(110)의 회전 속도 및 냉매(R)의 유량 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
제1 비접촉 씰(150)은 냉매(R)의 유량이 설정 유량보다 많을 경우에 설치되는 비접촉 씰로서, 냉매(R)의 유동 경로를 늘려 냉매(R)의 압력 강하 효과를 높일 수 있고, 냉매(R)의 유동을 방해하여 냉매(R)의 누설을 저감할 수 있다.
그리고, 제2 비접촉 씰(160)은 냉매(R)의 유동을 아르키메데스 나선 양수기의 원리에 따라 역류시키도록 마련될 수 있다. 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 비접촉 씰(160)은, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부 중 어느 하나의 표면에 원통 형상으로 장착되는 제2 씰 장착부(162), 및 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부 중 다른 하나의 표면에 비접촉되도록 제1 씰 장착부(152)의 내주면 또는 외주면에서 나선형 구조로 돌출된 나선형 돌기부(164, 166)를 포함할 수 있다.
나선형 돌기부(164, 166)는 제2 씰 장착부(162)의 길이 방향을 따라 단일 나선 구조 또는 다중 나선 구조 중 어느 하나로 마련될 수 있다. 이때, 나선형 돌기부(164)들의 개수와 나선 형상은 회전부(110)의 회전 속도 및 냉매(R)의 유량 등에 따라 결정될 수 있다.
제2 비접촉 씰(160)은 냉매(R)의 유량에 따라 단일 나선 구조 또는 다중 나선 구조 중 어느 하나를 선택적으로 설치할 수 있다. 참고로, 나선형 돌기부(164, 166)를 다중 나선 구조로 형성하면, 단일 나선 구조로 형성된 나선형 돌기부(164)보다 압력 강하 효과를 증가시킬 수 있다.
한편, 비접촉 씰(140)은, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부로 유동되는 냉매(R)의 유량이 설정 유량보다 많으면, 냉매(R)의 유동 경로를 늘리기 위해서 제1 비접촉 씰(150) 또는 단일 나선 구조의 제2 비접촉 씰(160)을 사용할 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 제2 비접촉 씰(160)은 단일 나선 구조로 형성됨으로써 냉매(R)의 유량이 설정 유량보다 적을 때 사용될 수 있다.
반면에, 비접촉 씰(140)은, 회전부 연결배관(111)과 정지부 연결배관(121)의 연결부로 유동되는 냉매(R)의 유량이 설정 유량보다 적으면, 냉매(R)의 역류 효율을 높이기 위해서 다중 나선 구조의 제2 비접촉 씰(160')을 사용할 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 제2 비접촉 씰(160')은 다중 나선 구조로 형성됨으로써 냉매(R)의 유량이 설정 유량보다 클 때 사용될 수 있다. 상기와 같은 제2 씰 장착부(162)의 외주면에는 한 쌍의 나선형 돌기부(164, 166)가 나선 구조로 형성될 수 있다.
참고로, 본 실시예에서는, 비접촉 씰(140)이 제2 냉매 공급관(122)의 연결부의 외주면 및 제1 냉매 배출관(113)의 연결부의 외주면에 각각 설치될 수 있다. 이때, 제2 냉매 공급관(122)은 정지 상태로 유지되기 때문에 제1 비접촉 씰(150)이 제2 냉매 공급관(122)의 연결부의 외주면에 적용될 수 있다. 또한, 제1 냉매 배출관(113)은 회전부(110)와 함께 회전되기 때문에 단일 나선 구조의 제1 비접촉 씰(150)이 제1 냉매 배출관(113)의 연결부의 외주면에 적용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100, 200: 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조
110: 회전부
111: 회전부 연결배관
112: 제1 냉매 공급관
113: 제1 냉매 배출관
114: 제1 진공관
114a: 진공관 결합부
120: 정지부
121: 정지부 연결배관
122: 제2 냉매 공급관
123: 제2 냉매 배출관
124: 제2 진공관
130: 자성유체 씰
140: 비접촉 씰
150: 제1 비접촉 씰
160, 160': 제2 비접촉 씰
170: 커플링 배관
172: 냉매 순환관
C: 커플링부
R: 냉매(액체 냉매)
H: 기체 냉매(수소)

Claims (12)

  1. 극저온의 초전도 상태에서 회전되고, 극저온의 냉매가 유동되기 위한 제1 냉매 유로가 내부에 마련된 회전부;
    상기 회전부를 회전 가능하게 지지하도록 상기 회전부에 커플링 연결되고, 상기 제1 냉매 유로에 대한 상기 냉매의 공급과 배출이 가능하도록 상기 제1 냉매 유로에 연결된 제2 냉매 유로가 내부에 마련된 정지부; 및
    상기 정지부와 상기 회전부의 커플링부에 배치되고, 상기 정지부와 상기 회전부의 커플링부를 밀봉하여 진공 상태를 유지하는 자성유체 씰;을 포함하며,
    상기 정지부의 커플링부에는 원통 형상의 정지부 연결배관이 형성되고, 상기 회전부의 커플링부에는 상기 정지부 연결배관에 축방향으로 커플링 결합되도록 상기 정지부 연결배관과 삽입 가능한 직경으로 형성된 원통 형상의 회전부 연결배관이 형성되며,
    상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부에 배치되고, 상기 냉매의 누설을 저감하는 비접촉 씰;을 더 포함하고,
    상기 비접촉 씰은, 상기 냉매의 유동을 방해하면서 상기 냉매의 유동 경로를 늘리는 제1 비접촉 씰 또는 상기 냉매의 유동을 아르키메데스 나선 양수기의 원리에 따라 역류시키는 제2 비접촉 씰 중 적어도 하나로 제공되며,
    상기 제1 비접촉 씰은, 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부 중 어느 하나의 표면에 원통 형상으로 장착되는 제1 씰 장착부; 및 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부 중 다른 하나의 표면에 비접촉되도록 상기 제1 씰 장착부의 내주면 또는 외주면에서 링형 구조로 돌출된 링형 돌기부;를 포함하고,
    상기 제2 비접촉 씰은, 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부 중 어느 하나의 표면에 원통 형상으로 장착되는 제2 씰 장착부; 및 상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부 중 다른 하나의 표면에 비접촉되도록 상기 제2 씰 장착부의 내주면 또는 외주면에서 나선형 구조로 돌출된 나선형 돌기부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전부 연결배관은, 동일한 하나의 제1 동심축을 서로 공유하면서 서로 다른 직경을 갖는 다중 동심 배관 구조로 마련되고,
    상기 정지부 연결배관은, 상기 제1 동심축과 동일한 제2 동심축을 서로 공유하면서 상기 회전부 연결배관에 대응하는 서로 다른 직경을 갖는 다중 동심 배관 구조로 마련된 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관은,
    상기 제1 동심축과 상기 제2 동심축을 따라 서로 가까워지는 연결 방향으로 이동됨에 따라 서로 삽입되면서 회전 가능하게 연결되고,
    상기 제1 동심축과 상기 제2 동심축을 따라 서로 멀어지는 분리 방향으로 이동됨에 따라 분리되는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전부 연결배관은,
    상기 정지부 연결배관에서 상기 냉매를 전달받아서 상기 회전부의 내부로 공급하는 제1 냉매 공급유로를 형성하는 제1 냉매 공급관;
    상기 제1 냉매 공급관보다 더 큰 직경으로 형성되어 상기 제1 냉매 공급관이 내부에 배치되고, 상기 제1 냉매 공급관과의 사이에 상기 회전부에서 상기 정지부 연결배관으로 상기 냉매를 배출하는 제1 냉매 배출유로를 형성하는 제1 냉매 배출관; 및
    상기 제1 냉매 배출관의 외측을 둘러싸는 진공 공간을 형성하도록 마련된 제1 진공관;
    을 포함하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정지부 연결배관은,
    상기 제1 냉매 공급관에 회전 가능하게 연결되고, 상기 제1 냉매 공급관으로 상기 냉매를 공급하는 제2 냉매 공급유로를 형성하는 제2 냉매 공급관;
    상기 제2 냉매 공급관보다 더 큰 직경으로 형성되어 상기 제2 냉매 공급관이 내부에 배치되고, 상기 제1 냉매 배출관에 회전 가능하게 연결되며, 상기 제2 냉매 공급관과의 사이에 상기 제1 냉매 배출관에서 상기 정지부의 외부로 상기 냉매를 배출하는 제2 냉매 배출유로를 형성하는 제2 냉매 배출관; 및
    상기 제1 진공관에 회전 가능하게 연결되고, 상기 제2 냉매 배출관의 외측을 둘러싸는 진공 공간을 형성하도록 마련된 제2 진공관;
    을 포함하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회전부의 내부에는, 상기 제1 냉매 공급관으로 공급되는 상기 냉매를 상기 회전부의 로터로 안내한 후 상기 로터를 냉각시킨 상기 냉매를 상기 제1 냉매 배출관으로 안내하는 냉매 순환유로를 형성하는 냉매 순환관이 마련되고,
    상기 냉매 순환관은 상기 로터의 배치 위치에 따라 상기 제1 냉매 배출관을 중심으로 복수개가 방사형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 진공관의 단부에는 상기 제2 진공관이 삽입 방식으로 결합되기 위한 원통 형상의 진공관 결합부가 형성되고,
    상기 자성유체 씰은 상기 진공관 결합부와 상기 제2 진공관 사이의 틈새를 밀봉하도록 상기 진공관 결합부와 상기 제2 진공관의 연결부에 배치되며,
    상기 진공관 결합부와 상기 제2 진공관 사이의 틈새에는 상기 자성유체 씰과 연통하는 연결 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진공관 결합부의 일단부는 상기 진공관 결합부를 상기 제2 냉매 배출관과 함께 회전시키도록 상기 제2 냉매 배출관에 연결되고, 상기 진공관 결합부의 타단부는 상기 자성유체 씰에 연결되며,
    상기 진공관 결합부의 외측에는 상기 진공관 결합부를 보호하도록 상기 진공관 결합부를 둘러싸는 형상으로 커플링 배관이 배치되는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부는, 상기 제1 냉매 공급관과 상기 제2 냉매 공급관의 연결부, 및 상기 제1 냉매 배출관과 상기 제2 냉매 배출관의 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 비접촉 씰은,
    상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부로 유동되는 상기 냉매의 유량이 설정 유량보다 많으면, 상기 냉매의 유동 경로를 늘리기 위해서 상기 제1 비접촉 씰 또는 단일 나선 구조의 상기 제2 비접촉 씰을 설치하고,
    상기 회전부 연결배관과 상기 정지부 연결배관의 연결부로 유동되는 상기 냉매의 유량이 설정 유량보다 적으면, 상기 냉매의 역류 효율을 높이기 위해서 다중 나선 구조의 상기 제2 비접촉 씰을 설치하는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 회전기의 커플링 구조.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007089314A (ja) 2005-09-22 2007-04-05 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp 超電導回転電機の冷媒給排装置
KR101528424B1 (ko) * 2014-04-15 2015-06-12 두산중공업 주식회사 초전도 회전기용 극저온 냉매 트랜스퍼 커플링 장치
JP2016063708A (ja) * 2014-09-22 2016-04-25 株式会社明電舎 超電導コイル冷却装置

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