KR20070091035A - 초전도 회전자 권선의 열사이펀 냉각부를 구비한 모터 장치 - Google Patents

초전도 회전자 권선의 열사이펀 냉각부를 구비한 모터 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20070091035A
KR20070091035A KR1020077017041A KR20077017041A KR20070091035A KR 20070091035 A KR20070091035 A KR 20070091035A KR 1020077017041 A KR1020077017041 A KR 1020077017041A KR 20077017041 A KR20077017041 A KR 20077017041A KR 20070091035 A KR20070091035 A KR 20070091035A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
rotor
refrigerant
cavity
lining
thermal conductivity
Prior art date
Application number
KR1020077017041A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100914344B1 (ko
Inventor
베른트 그로몰
Original Assignee
지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 지멘스 악티엔게젤샤프트 filed Critical 지멘스 악티엔게젤샤프트
Publication of KR20070091035A publication Critical patent/KR20070091035A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100914344B1 publication Critical patent/KR100914344B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/046—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

모터 장치는 회전 축선(A)을 중심으로 회전하는 회전자(5)를 구비하는 모터(2)를 포함하며, 상기 모터의 초전도성 권선(10)은 권선 지지부(9)를 통해 열전도 방식으로 중앙 냉매 공동(12)에 연결된다. 회전자 공동(12)은, 측방향으로 연결된 라인 섹션(22) 및 모터(2)의 외부에 위치된 냉각 유닛(15)의 콘덴서 챔버(18)와 함께, 튜브 시스템을 형성하고, 상기 튜브 시스템내에서 냉매(k, k')가 열사이펀 효과의 결과로서 순환된다. 본 발명에 따라, 회전자 공동(12)이 높은 열전도도의 다공성 물질, 바람직하게는 소결 금속으로 제조된 라이닝을 구비할 때, 회전자(5)가 경사진 위치(δ)에 있는 경우에도, 중앙 회전자 공동(12)으로의 냉매 공급이 유지된다.

Description

초전도 회전자 권선의 열사이펀 냉각부를 구비한 모터 장치{MOTOR DEVICE WITH THERMOSIPHON COOLING OF ITS SUPERCONDUCTIVE ROTOR WINDING}
본 발명은:
- 회전 축선을 중심으로 회전되도록 장착되고, 고정자(stator)에 의해 둘러싸이며(enclosed), 그리고 하나 이상의 회전자 권선(rotor winding)을 포함하는 회전자를 구비하며, 상기 회전자 권선의 초전도 전도체가 축선 방향으로 연장하는 중앙의 원통형 회전자 공동에 열전도적으로(thermally conductively) 결합되며,
- 상기 회전자의 외부에 위치되고 콘덴서 공간을 포함하는 고정 냉각 유닛을 구비하며, 그리고
- 상기 중앙 회전자 공동과 상기 냉각 유닛의 콘덴서 공간 사이에서 연장하는 튜브형 라인 섹션을 구비하는,
기계 장치에 관한 것이다.
이 경우에, 회전자 공간, 튜브형 라인 섹션, 및 콘덴서 공간이 폐쇄된 라인 시스템을 형성하며, 그러한 시스템내에서는 열사이펀 효과를 이용하여 냉매가 순환되거나 또는 순환될 수 있다.
대응하는 기계 장치가 DE 100 57 664 A1에 개시되어 있다.
임계 온도(Tc)가 77K 보다 높은 금속 산화물 초전도체 물질이 1987년 이후로 공지되어 있다. 이러한 물질들은 고온-Tc 초전도체 물질 또는 HTS 물질이라고도 지칭되며, 원칙적으로 액체 질소(LN2)를 이용하는 냉각 기술이 적용될 수 있다.
또한, 그러한 HTS 물질을 도입한 전도체를 포함하는 장치의 초전도 권선을 제조하기 위한 노력이 있어 왔다. 그러나, 종래에 공지된 HTS 전도체는 테슬라 범위의 유도 자기장(magnetic field)내에서는 비교적 낮은 전류-이송 능력을 가진다는 것이 발견되었다. 이는, 사용되는 물질 자체의 높은 임계 온도(Tc)에도 불구하고, 높은 필드(field) 강도가 발생되는 경우에 상당량의 전류를 이송할 수 있도록, 그러한 권선의 전도체가 77 K 미만, 예를 들어 10 내지 50 K의 온도 레벨에서 여전히 유지되어야 한다는 것을 의미한다. 그러한 온도 레벨은 4.2 K 즉, 액체 헬륨(LHe)의 끓는 점 보다 상당히 높으며, 그러한 액체 헬륨을 이용하여 비교적 낮은 임계 온도(Tc)의 소위 저-Tc 물질 또는 LTS 물질을 냉각한다.
바람직하게, 폐쇄된 가압 He 가스 회로를 가지는 소위 극저온-냉각기(cryo-refrigerator) 형태의 냉각 시스템이 HTS 전도체를 포함하는 권선을 77 K 미만의 온도 범위로 냉각하는데 이용된다. 그러한 극저온-냉각기는 특히 Gifford-McMahon 또는 Stirling 타입이거나, 소위 펄스-튜브 냉각기로서 디자인된다. 그러한 극저온 냉각기들은 실질적으로 버튼의 터치만으로도 냉각 파워(refrigerating power)를 이용할 수 있으며, 저온 액체를 취급할 필요가 없다는 이점을 가진다. 그러한 냉 각 시스템을 이용할 때, 초전도 권선은 대응 냉각기의 저온 헤드(cold head)로의 열 전도에 의해 단지 간접적으로 냉각된다(예를 들어, "Proc. 16th Cryog. Engig. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20-24. 05. 1996, Elsevier Science Publishers, 1997, 1109면 내지 1129면 참조).
또한, 전술한 DE 100 57 664 A1 에 개시된 전기 기계(machine)의 회전자에 대한 대응 냉각 기술이 제공된다. 회전자는 HTS 전도체의 회전 권선(rotating winding)을 포함하며, 상기 권선은 열전도가능하게 디자인된 권선 캐리어내에 위치된다. 이러한 권선 캐리어는 축선방향으로 연장하는 원통형 회전자 공동을 구비하며, 상기 공동에는 상기 권선 캐리어로부터 측방향 외측으로 연장하는 튜브형 라인 섹션이 연결된다. 이러한 라인 섹션들은 측지적으로(geodetically) 높게 위치되는 냉각 유닛의 콘덴서 공간내로 연장하며, 이러한 콘덴서 공간 및 중앙 회전자 공동과 함께 폐쇄형 단일-튜브 라인 시스템을 형성한다. 이러한 라인 시스템은 소위 열 사이펀(thermosiphon) 효과를 이용하여 순환되는 냉매를 포함한다. 이러한 콘덴서 공간내의 응축된 냉매는 튜브형 라인 섹션에 의해 중앙 회전자 공동내로 이송되며, 그 중앙 회전자 공동내에서 냉매는 열 접촉 가스를 통한 권선 캐리어와의 열적 결합으로 인해 열을 흡수하고, 적어도 부분적으로 증발된다. 이어서, 냉매의 증발된 부분은 동일한 라인 섹션을 통해 콘덴서 공간내로 다시 이송되며, 그 곳에서 재-응축된다. 이에 필요한 냉각 파워는 냉각 기계에 의해 제공되며, 그 냉각 기계의 저온 헤드는 콘덴서 공간에 열적으로 결합된다. 콘덴서로 작용하는 냉각 기계의 부분으로의 냉매의 복귀 유동은 약간의 양압에 의해 구동되며, 그 양압은 증발기 부분으로 작용하는 중앙 회전자 공동내에서 형성된다. 증발기 부분내에서의 가스 생성 및 콘덴서 공간에서의 액화에 의해 발생되는 이러한 양압은 원하는 냉매의 복귀 유동을 초래한다. 대응 순환은 또한 자연적 대류라고도 한다.
액체 냉매 및 가스 냉매 유동이 동일한 튜브 섹션을 통해 유동하는 이러한 공지된 단일-튜브 열사이펀 라인 시스템 대신에, 열사이펀을 이용함으로써 냉매를 재순환시키기 위한 더블-튜브 라인 시스템이 또한 공지되어 있다(예를 들어, WO 00/13296 A 참조). 이러한 경우에, 기체상태의 냉매에 대한 추가적인 튜브가 회전자의 공동 샤프트 영역내에 반드시 제공되어야 한다.
열사이펀 냉각을 구비하는 공지된 기계에서, 냉매는 단지 자연적 대류의 이용에 의해 이송되며, 그에 따라 다른 펌프 시스템은 불필요하다. 만약, 그러한 기계 장치가 선박이나 해상(offshore) 설비에 이용하기 위한 것이라면, ±5°이하의 정적 트리밍(static trims) 및/또는 ±7.5°이하의 길이방향의 다이나믹 트리밍을 종종 필요로 할 것이다. 평가 단체(classification society)로부터 선박에서의 이용에 대해 승인을 받기 위해서, 그러한 기계 장치의 냉각 시스템은 그 조건하에서도 신뢰할 수 있는 냉각을 결과적으로 보장하여야 한다. 그러나, 만약, 그러한 기계의 상기 트리밍이 허용되어야 한다면, 중앙 회전자 공동과 냉각 유닛 사이의 튜브형 라인 부분의 영역이 중앙 회전자 공동 보다 측지적으로 낮게 놓이게 될 위험이 발생된다. 그에 따른 효과로서, 중력의 작용하에서, 냉매가 냉매 공간에 도달하지 못할 수 있다. 따라서, 기계의 냉각 및 그에 따른 작동이 더 이상 보장되지 않는다.
이러한 위험을 고려하여, 특히 다음과 같은 제안이 공지되어 있다. 즉:
- 하나의 단순한 해결책으로서, 기계를 수평선에 대해 경사지게 배치함으로써, 열사이펀 라인 시스템내에서, 최대 예상 트리밍 또는 진폭의 경우에도 중앙 회전자 공동의 방향을 따라 여전히 구배(grdient)가 존재하게 한다. 대응하는 경사 구성은, 특히 기계의 길이가 상당한 경우에, 해상 섹터(maritime sector)에서 특히 바람직하지 못한데, 이는 큰 공간이 필요하기 때문이다.
- 원칙적으로, 냉매는 또한 펌프 시스템에 의해 강제적으로 순환될 수 있을 것이다. 그러나, 이를 위해서는 상당한 설비 아웃레이(outlay)가 요구될 것이며, 특히 냉매가 예를 들어 25 내지 30 K의 온도 레벨에 있어야 하는 경우에 특히 그러하다. 그러한 순환 시스템은 또한 상당한 열 손실을 초래할 것이고, 긴 유지 보수 간격과 함께 해상 섹터의 수명 요건을 거의 충족시키지 못할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 특징들을 가지는 관련 냉각 유닛을 구비한 기계를 포함하는 기계 장치(machine device)를 구성하여, 선박이나 해상 설비에서의 이용중에 발생할 수 있는 회전자의 실제적으로 가능한 경사 셋팅(oblique setting) 또는 트리밍의 경우에도 중앙 회전자 공동내의 냉매에 의해 충분한 냉각 효과가 달성될 수 있게 하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항에 특정된 수단에 의해 달성된다. 따라서, 도입부에 기재한 특징들을 가지는 기계 장치에서, 냉매가 접근할 수 있는 공동 또는 모세관-유사 구조를 형성하는 높은 열 전도도의 다공성 물질로 제조된 라이닝(lining)을 중앙 회전자 공동이 적어도 부분적으로 구비한다.
회전자 공동을 둘러싸고, 그 회전자 공동과 초전도 권선 사이의 열전도 브릿지(bridge)로서 작용하며, 공동 또는 구조물로 이루어진 공동의 벽 또는 표면에 걸쳐 냉매를 충분히 균일하게 분포시키는 이점을 특히 제공하는 본 발명에 따른 권선 캐리어의 내측 벽의 라이닝은, 경사 축선의 경우에도, 모세관 효과로 인해 달성될 수 있다. 그러한 냉매 분포는 또한 작동중의 공동 또는 구조물의 회전에 의해 촉진된다. 다공성 물질의 양호한 습윤(wetting)이 이러한 방식으로 보장될 수 있다. 이러한 물질이 충분히 높은 열전도도를 가지도록 의도된 것이기 때문에, 냉각될 전도체의 냉매에 대한 양호한 열적 결합이 보장될 수 있다.
제1항에 기재된 기계 장치의 바람직한 상세한 구성이 종속항에 기재되어 있다.
따라서, 바람직하게, 다공성 물질은 소결 물질, 특히 구리(Cu)를 포함하는 또는 구리로 제조된 소결 물질이다. 본 명세서에서, 소결 물질은 압축 및 가열을 통해 분말야금학적으로 형성되면서도 필요한 모세관 작용을 위한 충분한 다공성을 여전히 가지는 높은 열전도도의 임의 물질을 포함한다는 것을 의미한다.
소결 물질로 제조된 회전자 공동의 라이닝은 특히 억지 끼워맞춤(press-fit) 또는 수축식-끼워맞춤(shrink-fitted)될 것이다. 원하는 라이닝은 대응 방법에 의해 용이하게 제조될 수 있을 것이다.
따라서, 다공성 물질로 이루어진 라이닝이 특히 3% 이상, 바람직하게 10% 이상의 다공도를 가짐으로써, 요구되는 모세관 작용을 위해 냉매가 습윤될 수 있는 충분히 큰 표면을 제공한다.
초전도 물질의 작동 온도에서 열전도도가 100 W/(meter·Kelvin) 이상인 물질들이 특히 바람직하다. 구리(Cu) 물질은 특히 이러한 요건의 충족이 용이한데, 이는 그 열전도도가 전술한 최소 값 보다 큰 값을 가지기 때문이다.
소결 물질을 포함하는 라이닝 대신에, 대응하는 다공성 코팅도 역시 가능하다.
본 발명에 따른 기계 장치의 다른 바람직한 구성들이 전술하지 않은 다른 종속항에 기재되어 있다.
이하에서는, 기계 장치의 바람직한 실시예가 보다 구체적으로 도시된 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 기계 장치의 길이방향 단면도이다.
본 발명에 따른 기계 장치는 기계 또는 모터 그리고 관련 냉각 유닛을 포함한다. 도1을 참조하여 이하에서 구체적으로 설명하는 그러한 기계의 실시예는 특히 동기(synchronous) 모터 또는 제너레이터(generator)일 수 있다. 이러한 기계는 회전하는 초전도 권선을 포함하며, 상기 권선은 원칙적으로 금속 LCS 물질 또는 산화(oxidic) HTS 물질의 이용을 허용한다. 이하의 예시적인 실시예는 바람직하게 후자의 물질을 기초로 한다. 대응 전도체와 함께, 권선은 2-극, 4-극 또는 기타 다극성 구성의 코일 또는 코일 시스템으로 이루어질 것이다. 대응 동기 모터의 기 본 구조는 도면에 도시되어 있으며, 도면에 도시된 모터는 도입부에서 설명한 DE 100 57 664 A1 에 공지된 바와 같은 기계 장치의 실시예를 기초로 한다 .
도면부호 2로 표시된 기계는 고정자 권선(4)을 구비하는 상온의 고정 외측 하우징(3)을 포함한다. 외측 하우징의 내부에 위치되고 고정자 권선(4)에 의해 둘러싸이도록 회전자(5)가 장착되며, 그에 따라 그 회전자는 베어링(6)내에서 회전 축선(A)을 중심으로 회전될 수 있다. 이러한 베어링들은 통상적인 기계적 베어링, 또는 자기 베어링 일 수 있다. 또한, 회전자는 진공 용기(7)를 포함하며, 상기 진공 용기내에서는 HTS 권선(10)을 구비하는 권선 캐리어(9)가 예를 들어 중공의 원통형 토르크-전달 서스펜션 부재(8)상에서 유지된다. 이러한 권선 캐리어는 상기 회전 축선(A)과 동심적(同心的)인 축선 방향을 따라 연장하고 예를 들어 원통 형상을 가지는 중앙 회전자 공동(12)을 포함한다. 권선 캐리어는 이러한 공동에 대해 진공-기밀 방식으로 구성된다. 권선 캐리어는 회전자의 일 측면을 실링(sealing)하며, 상기 권선 캐리어는 중실의(solid) 축방향 회전자 샤프트 섹션(5a)에 의해 상기 회전자의 측면에 장착된다. 반대 측면에서, 중앙 회전자 공동(12)이 비교적 직경이 작은 측방향 공동(13)에 연결된다. 이러한 측방향 공동은 외측 하우징(3)의 영역으로부터 바깥쪽으로 권선 캐리어의 영역으로부터 연장한다. 이러한 측방향 공동(13)을 둘러싸고 베어링들 중 하나에 장착되는 튜브형 회전자 샤프트 섹션이 도면부호 5b로 표시되어 있다.
권선 캐리어(9)의 열전도성 부품을 통해 HTS 권선(10)을 간접적으로 냉각하기 위해 전체적으로 도면부호 15로 표시된 냉각 유닛이 제공되며, 그 냉각 유닛의 저온 헤드(16)만이 구체적으로 도시되어 있다. 공지된 이러한 냉각 유닛은 Gifford-McMahon 타입 또는, 특히 예를 들어 펄스-튜브 냉각기 또는 분할(split) Stirling 냉각기와 같은 대표적인 극저온-냉각기일 수 있다. 따라서, 저온 헤드(16) 및 냉각 유닛의 기타 필수적인 모든 부분들이 회전자의 외부에 또는 그 외측 하우징(3)의 외부에 위치된다.
예를 들어, 회전자(5)로부터 측방향으로 몇 미터 거리에 정렬된 저온 헤드(16)의 저온 부분은 콘덴서 공간(18)을 포함하는 냉매 응축 유닛을 구비하는 열 전달 본체(17)를 통해 진공 용기(23)와 양호한 열 접촉 상태에 놓인다. 축방향 영역내에서 측방향 상호-회전(co-rotating) 공동(13) 또는 중앙 회전자 공동(12)내로 연장하는 진공-절연 고정 고온(warm) 튜브(20)가 이러한 콘덴서 공간에 연결된다. 하나 이상의 실링 부재를 구비하고 액체 자석(ferrofluid) 시일 및/또는 미로형(labyrinth) 시일 및/또는 갭(gab) 시일로서 디자인될 수 있는 실링 장치(21)(도면에 더 이상 도시되지 않음)를 이용하여, 고온 튜브(20)를 측방향 공동(13)에 대해 시일할 수 있다. 중앙 회전자 공동(12)은 콘덴서 공간(18)의 열 교환 영역으로의 측방향 공동(13) 및 고온 튜브(20)를 통해 기밀방식으로 시일되어 외부에 연결된다. 중앙 회전자 공동(12)과 콘덴서 공간(18) 사이에서 연장하고 냉매를 수용하는 튜브형 부분들을 전체적으로 라인 섹션(22)이라 한다. 콘덴서 공간(18) 및 중앙 회전자 공동(12)과 함께, 이러한 라인 섹션들은 라인 시스템으로 간주될 것이다.
이러한 라인 시스템의 이러한 공간들은 냉매로 충진되며, 그 냉매는 HTS 권 선(10)의 희망 작동 온도에 따라 선택될 것이다. 예를 들어, 수소(표준 압력에서 20.4 K의 응축 온도), 네온(표준 압력에서 27.1 K의 응축 온도), 질소(표준 압력에서 77.4 K의 응축 온도) 또는 아르곤(표준 압력에서 87.3 K의 응축 온도)이 가능할 것이다. 이러한 가스들의 혼합물도 역시 제공될 수 있다. 냉매는 소위 열사이펀 효과를 이용하여 냉매가 순환된다. 이를 위해, 냉매는 콘덴서 공간(18)의 영역내의 저온 헤드(16)의 저온 표면상에서 응축된다. 그에 따라 도면부호 k로 표시된 액화 냉매가 라인 섹션(22)을 통해 중앙 회전자 공동(12)내로 유동한다. 이러한 경우에 응축물은 중력에 의해 이송된다. 이를 위해, 바람직하게 고온 튜브(20)가 회전 축선(A)에 대해 약간(몇 도) 경사져서 액체 냉매(k)가 튜브(20)의 개방 단부(20a)로부터 외부로 유동하는 것을 도울 수 있다. 이어서, 회전자의 내부에서, 액체 냉매가 증발된다. 증기 형태의 냉매를 도면부호 k'로 표시한다. 이렇게 열 흡수에 의해 증발된 냉매는 라인 섹션(22)의 내부를 통해 콘덴서 공간(18)으로 다시 유동한다. 복귀 유동은 증발기로서 작용하는 회전자 공동(12)내의 약간의 양압에 의해 콘덴서 공간(18)의 방향을 따라 개시될 수 있으며, 그러한 양압은 증발기내에서의 가스 형성 및 콘덴서 공간내에서의 액화에 의해 유발된다. 콘덴서 공간(18)으로부터 중앙 회전자 공동(12)으로의 액화 냉매의 순환 그리고 이러한 회전자 공동으로부터 콘덴서 공간으로의 증발 냉매(k')의 복귀 유동이 콘덴서 공간(18)에 의해 형성된 튜브형 라인 시스템내에서 일어나기 때문에, 라인 섹션(22) 및 회전자 공동(12)은 열사이펀 효과의 이용에 의해 냉매(k, k')가 순환되는 단일-튜브 시스템으로 간주될 수 있을 것이다. 또한, 열사이펀 순환을 허용하는 공지된 다수 라인 시스템도 본 발명에 따른 기계 장치에 이용될 수 있을 것이다.
도면에 도시된 바와 같은 기계(2)가 선박이나 해상 설비상에서 이용되는 경우에, 회전 축선(A)이 수평선(H)에 대해 몇 도의 각도(δ)로 경사지는 트리밍이 발생될 수 있다. 콘덴서 공간(18)내의 냉매의 응축이 전술한 바와 같이 여전히 발생되더라도, 냉매는 더 이상 중앙 회전자 공동(12)에 도달할 수 없고 그에 따라 라인 섹션(22)은 특히, 축선에 인접한 영역내에서 냉매로 점차적으로 채워진다. 라인 시스템의 비교적 적은 충진 레벨이 냉매로 채워진 상태에서, 회전자 내부 또는 회전자 공동(12)이 건조될 수 있고 그에 따라 더이상 냉각되지 않을 수 있다. 라인 시스템의 보다 높은 충진 레벨에서, 콘덴서 공간(18)을 항햐는 라인 섹션(22)내의 기체상태의 냉매(k')의 복귀 유동이 특정 시간 후에 축적된 액체 냉매에 의해 막힐 것이다. 유사하게, 회전자 또는 그 초전도 권선의 신뢰할 수 있는 냉각이 이 경우에 더 이상 보장되지 않는다.
이러한 이유로, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라, 충분한 다공성의 물질, 바람직하게 소결 물질로 이루어진 특별한 라이닝(25)이 열 전도 본체(9)의 내측부에 제공된다. 일반적으로, 그 두께(D)는 0.1 내지 2mm 이다. 그러한 소결 물질은 예시적인 실시예에 맞춰 선택될 수 있을 것이다. 따라서, 소결 물질내에서의 모세관 힘으로 인해, 트리밍의 경우에도, 액체 냉매(k)가 내측 표면에 걸쳐 균일하게 분포되는 것이 보장될 수 있을 것이며, 그에 따라 균일한 증발 및 냉각이 보장될 수 있을 것이다. 또한, 라이닝(25)은 예를 들어 구리의 열전도도와 같이 높은 열 전도도를 가지는 물질로 구성되어야 한다. 그 열전도도는 사용되는 초전 도 물질의 선택된 작동 온도에서 적어도 100 W·m-1·K-1가 되어야 한다. 바람직하게, 최소 값은 400 W(mK)- 1 이다. 예를 들어, 소결된 Cu 물질은 30K 의 온도에서 약 3000 W·m-1·K-1의 열전도도 값을 가진다("Gmelins Handbuch der Anorganischgen Chemie: Kupfer, Teil A"[Gmelins Handbook of Inorganic Chemistry; Copper Part A], 8th edition 1995, 957면 참조). 라이닝(25)은 열전도성 본체(9)와 양호하게 열 접촉되며, 그러한 열 접촉은 예를 들어 수축식 연결 또는 억지끼워맞춤에 의해 달성될 수 있을 것이다.
또한, 대응 라이닝이 층의 형태로 제공될 수 있으며, 이는 열전도성 본체(9)의 내측 표면을 물질로 코팅함으로써 달성될 수 있다. 충분한 다공성의 구조가 보장되어, 원하는 모세관 힘이 발현될 수 있다.
이러한 목적을 위해, 라이닝(25) 또는 그 물질의 다공도는 3% 이상, 바람직하게는 10% 이상이어야 한다. 축선이 경사진 상태에서의 회전 작동 중에, 라이닝은 액체 냉매(k)의 균일한 분포를 초래하고, 공동 또는 구조물에 의해 제공되는 냉매 경로의 벽 또는 표면상의 냉매 분포가 원심력의 발생에 의해 더욱 촉진될 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 라이닝에서, 모터 축선(A)의 경사에 관계 없이 작동중의 운전 단계 및 회전 모두에서, 열전도성 본체의 전체 중공의 원통형 내측 표면에 걸쳐 균일한 열 손실 발산이 보장될 수 있을 것이다.
냉매(k 또는 k')를 수용하는 컨테이너 또는 부분은 물론 열의 유입으로부터 보호되어야 할 것이다. 그에 따라, 단열을 위해 실질적으로 진공 분위기가 제공되며, 그 경우에 초단열 또는 단열 폼(foam)과 같은 단열 수단이 대응 진공 공간에 선택적으로 제공될 수 있을 것이다. 도 1에서, 진공 용기(7)에 의해 둘러싸인 진공이 도면부호 V로 표시되어 있다. 또한, 진공 용기는 시일(21)까지 연장하는 슬리브(sleeve) 튜브(30)를 수용한다. 콘덴서 공간(18) 및 열전달 본체(17) 뿐만 아니라 고온 튜브(20)를 둘러싸는 진공이 도면부호 V'로 표시되어 있다. 또한, 회전자(5)를 둘러싸고 외측 하우징(3)에 의해 밀폐된 내측 공간(27)에 음압이 선택적으로 생성될 수 있다.

Claims (9)

  1. - 회전 축선(A)을 중심으로 회전되도록 장착되고, 고정자에 의해 둘러싸이며, 그리고 하나 이상의 회전자 권선(10)을 포함하는 회전자(5)를 구비하며, 상기 회전자 권선의 초전도성 전도체가 축선 방향으로 연장하는 중앙의 원통형 회전자 공동(12)에 열전도적으로 결합되며,
    - 상기 회전자(5)의 외부에 위치되고 콘덴서 공간(18)을 포함하는 고정 냉각 유닛(15)을 구비하며, 그리고
    - 상기 중앙 회전자 공동(12)과 상기 냉각 유닛(15)의 콘덴서 공간(18) 사이에서 연장하는 튜브형 라인 섹션(22)을 구비하며,
    상기 회전자 공간(12), 튜브형 라인 섹션(22), 및 콘덴서 공간(18)이 폐쇄된 라인 시스템을 형성하며, 상기 라인 시스템내에서는 열사이펀 효과를 이용하여 냉매(k, k')가 순환되거나 또는 순환될 수 있는 기계 장치에 있어서,
    상기 중앙 회전자 공동(12)은 냉매(k, k')가 접근할 수 있는 공동 또는 모세관-유사 구조를 형성하는 높은 열 전도도의 다공성 물질로 제조된 라이닝을 적어도 부분적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 기계 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 물질이 소결 물질인 것을 특징으로 하는 기계 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    소결된 구리 물질을 특징으로 하는 기계 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    억지-끼워맞춤 또는 수축식-끼워맞춤된 라이닝(25)을 특징으로 하는 기계 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이닝(25)으로서의 다공성 코팅을 특징으로 하는 기계 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이닝(25)의 다공도가 3% 이상, 바람직하게는 10% 이상인 것을 특징으로 하는 기계 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 물질이 초전도성 전도체의 작동 온도에서 100 W/(m·K) 이상의 열전도도를 가지는 것을 특징으로 하는 기계 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초전도성 전도체의 작동 온도에서의 상기 다공성 물질의 열전도도 값이 순수 구리의 열전도도 값 보다 큰 것을 특징으로 하는 기계 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    높은-Tc 초전도체 물질을 가지는 회전자 권선(10)의 초전도성 전도체를 특징으로 하는 기계 장치.
KR1020077017041A 2005-02-02 2006-01-18 초전도 회전자 권선의 열사이펀 냉각부를 구비한 모터 장치 KR100914344B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005004858.7 2005-02-02
DE102005004858A DE102005004858A1 (de) 2005-02-02 2005-02-02 Maschineneinrichtung mit Thermosyphon-Kühlung ihrer supraleitenden Rotorwicklung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070091035A true KR20070091035A (ko) 2007-09-06
KR100914344B1 KR100914344B1 (ko) 2009-08-28

Family

ID=36071047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077017041A KR100914344B1 (ko) 2005-02-02 2006-01-18 초전도 회전자 권선의 열사이펀 냉각부를 구비한 모터 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20080164782A1 (ko)
EP (1) EP1844537A1 (ko)
KR (1) KR100914344B1 (ko)
CN (1) CN101111985B (ko)
DE (1) DE102005004858A1 (ko)
WO (1) WO2006082138A1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100888030B1 (ko) * 2007-10-02 2009-03-09 한국전기연구원 초전도 동기 전동기
KR101010098B1 (ko) * 2008-08-01 2011-01-27 황희찬 초전도 저속풍력 발전기
KR20130139933A (ko) * 2010-09-22 2013-12-23 지멘스 악티엔게젤샤프트 초전도 기기의 냉각을 위한 장치 및 방법
KR101482570B1 (ko) * 2011-12-30 2015-01-16 두산중공업 주식회사 윅구조를 포함하는 초전도 회전기기

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009174044A (ja) * 2007-12-27 2009-08-06 Canon Anelva Corp 蒸気供給装置を含む基板処理装置
KR101070427B1 (ko) 2010-02-09 2011-10-06 조동현 발전기의 냉각장치
CN104253509A (zh) * 2013-06-28 2014-12-31 殷天明 电机绕组线圈直接冷却方法及系统
DE102014215645A1 (de) * 2014-08-07 2016-02-11 Siemens Aktiengesellschaft Kühlvorrichtung und Kühlverfahren zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einem Rotor und wenigstens einer Turbine
EP3252933A1 (de) * 2016-06-03 2017-12-06 Siemens Aktiengesellschaft Dynamoelektrische maschine mit einem thermosiphon
CN109525069B (zh) * 2018-12-20 2020-09-25 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种高温超导电机转子低温冷却系统
CN114244070A (zh) * 2021-12-21 2022-03-25 国网江苏省电力有限公司经济技术研究院 一种超导调相机的冷却管路传输耦合装置
CN115664119B (zh) * 2022-12-09 2023-03-10 大庆市晟威机械制造有限公司 一种基于热管散热的永磁电动机

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3384154A (en) * 1956-08-30 1968-05-21 Union Carbide Corp Heat exchange system
BE757262A (fr) * 1969-10-10 1971-04-08 Union Carbide Corp Couche metallique poreuse et procede pour la former
PL82333B1 (ko) * 1971-05-31 1975-10-31
JPS5320508A (en) * 1976-08-11 1978-02-24 Hitachi Ltd Super conducting rotor
JPS5344808A (en) * 1976-10-04 1978-04-22 Hitachi Ltd Cylindrical rotor
US4729728A (en) * 1985-05-08 1988-03-08 Siemens Aktiengesellschaft Compressor with improved lubricating system
US5482919A (en) * 1993-09-15 1996-01-09 American Superconductor Corporation Superconducting rotor
US6376943B1 (en) * 1998-08-26 2002-04-23 American Superconductor Corporation Superconductor rotor cooling system
US6489701B1 (en) * 1999-10-12 2002-12-03 American Superconductor Corporation Superconducting rotating machines
US20010030040A1 (en) * 1999-12-23 2001-10-18 Jia Hua Xiao Miniature cryogenic heat exchanger
US6879081B1 (en) * 2000-08-04 2005-04-12 American Superconductor Corporation Stator coil assembly for superconducting rotating machines
DE10039964A1 (de) * 2000-08-16 2002-03-07 Siemens Ag Supraleitungseinrichtung mit einer Kälteeinheit zur Kühlung einer rotierenden, supraleitenden Wicklung
DE10057644A1 (de) * 2000-11-16 2002-05-23 Koenig & Bauer Ag Verfahren und Einrichtung zum Bedrucken eines Bedruckstoffs für die Herstellung von Verpackungszuschnitten
DE10057664A1 (de) * 2000-11-21 2002-05-29 Siemens Ag Supraleitungseinrichtung mit einem thermisch an eine rotierende,supraleitende Wicklung angekoppelten Kaltkopf einer Kälteeinheit
US6605886B2 (en) * 2001-07-31 2003-08-12 General Electric Company High temperature superconductor synchronous rotor coil support insulator
KR100513207B1 (ko) * 2002-07-24 2005-09-08 한국전기연구원 냉각시스템 내장형 초전도 로터
DE10321463A1 (de) * 2003-05-13 2004-12-16 Siemens Ag Supraleitende Maschineneinrichtung mit einer supraleitenden Wicklung und einer Thermosyphon-Kühlung

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100888030B1 (ko) * 2007-10-02 2009-03-09 한국전기연구원 초전도 동기 전동기
KR101010098B1 (ko) * 2008-08-01 2011-01-27 황희찬 초전도 저속풍력 발전기
KR20130139933A (ko) * 2010-09-22 2013-12-23 지멘스 악티엔게젤샤프트 초전도 기기의 냉각을 위한 장치 및 방법
KR101482570B1 (ko) * 2011-12-30 2015-01-16 두산중공업 주식회사 윅구조를 포함하는 초전도 회전기기

Also Published As

Publication number Publication date
EP1844537A1 (de) 2007-10-17
KR100914344B1 (ko) 2009-08-28
WO2006082138A1 (de) 2006-08-10
CN101111985B (zh) 2010-12-08
DE102005004858A1 (de) 2006-08-10
US20080164782A1 (en) 2008-07-10
CN101111985A (zh) 2008-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100914344B1 (ko) 초전도 회전자 권선의 열사이펀 냉각부를 구비한 모터 장치
US7816826B2 (en) Thermosyphon cooled superconductor
US7528510B2 (en) Superconducting machine device with a superconducting winding and thermosiphon cooling
JP3799016B2 (ja) 超伝導装置
AU2011304394B2 (en) Apparatus and method for cooling a super conducting machine
JP3840182B2 (ja) 高Ｔｃ超伝導材料を使用して回転軸を支承する磁気軸受
US7049717B2 (en) Machine device having superconducting winding and thermosiphon cooling of winding
JP4087845B2 (ja) 超伝導装置
US7272938B2 (en) Superconducting device with a cold head of a refrigeration unit with a thermosyphon effect thermally coupled to a rotating superconducting winding
JP2005160294A (ja) 磁気ベアリング
KR20040009260A (ko) 전도냉각형 고온초전도 회전자 냉각시스템
JP2014202457A (ja) 熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム
KR100465023B1 (ko) 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템
JPS6143949B2 (ko)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130711

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140715

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160715

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee