KR20090101099A - 초전도체 소자용 전기 연결 구조체 - Google Patents

초전도체 소자용 전기 연결 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크라이오스태트(33)에서 극저온 유체(31)에 의해 냉각되고, 실온상태에 있는 하나 이상의 인클로져(48)를 관통하는 전기 부싱(39)에 연결되는 초전도체 소자(30)용 고전압 전기 연결 구조체로서, 상기 부싱(39)은 중심 도체(40)를 포함하고, 상기 중심 도체의 상단부는 연결 장치에 의해 연결 부품(58)에 연결되고, 상기 연결 부품은 상기 실온상태에 있는 인클로져의 상부 벽면(50)을 관통하여 상기 인클로져 외부까지 뻗어 있고, 상기 중심 도체(40)는 길이 대부분에 걸쳐 전기 절연 시스(41)로 둘러싸여 있고, 상기 전기 절연 시스는 상기 실온상태에 있는 인클로져의 하부 벽면(46)에 견고하게 고정되는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 연결 장치(1)는 전도성 부품(2) 및 복수의 변형가능한 전도성 소자(3)를 포함하고, 상기 전도성 부품은 실온상태에 있는 상기 중심 도체의 상단부에 장착되고, 상기 전도성 소자는 상기 전도성 부품(2) 및 상기 연결 부품(58)에 연결되며, 상기 전도성 부품(2)은 상기 전도성 소자(3)를 둘러싸고 전기장에 대한 차단부를 형성하는 원통형 벽면부(2A)을 가진다.
초전도체, 크라이오스태트, 전기 부싱, 인클로져, 전기 절연 시스, 전도성 부품, 전도성 소자

Description

초전도체 소자용 전기 연결 구조체{AN ELECTRICAL CONNECTION STRUCTURE FOR A SUPERCONDUCTIVE ELEMENT}
본 발명은 중전압 또는 고전압으로 전기를 전송하는 케이블과 같은 초전도체 소자용 전기 연결 구조체에 관한 것이다. 상기 구조체는 극저온인 초전도체 소자의 단부를 일반적으로 대기와 같이 실온상태에 있는 장비에 연결하는 역할을 한다.
초전도체 소자와 상기 초전도체 소자에 연결되는 장비 사이의, 예를 들어 약 -200 ℃일 수 있는 극저온과 실온 사이의 온도차가 크기 때문에, 가능한 열 손실을 최소화하면서 그리고 동시에 예를 들어 상기 소자가 케이블인 경우 고전압으로 인한 전기적 구속 조건에 응하면서 온도를 전이시키기 위하여, 상기 초전도체 소자와 상기 장비 사이에 연결 구조체를 삽입해야 한다. 이때 상기 구조체는 대체로 상기 초전도체 케이블에서 실온상태에 있는 출구 연결부로 전기를 전송하는 중심 도체로 구성된 전기 부싱을 포함하고, 상기 중심 도체는 절연 시스(sheath)로 둘러싸여 있다. 케이블을 냉각하는 극저온 액체가 비등하는 것을 방지하기 위하여 및/또는 케 이블 냉각 비용이 증가되는 것을 방지하기 위하여, 이러한 구조체는 적절한 길이를 가져야 하고, 상기 구조체에서는 열 전도로 인한 손실이 확실히 적어지도록 온도 천이(temperature transition)가 일어나야 한다.
이러한 구조체 중 하나가 유럽 특허공보 EP 1 703 610에 개시되어 있고, 상기 구조체는 도 1에서 종방향 단면도로 도시되어 있다.
상기 구조체는 크라이오스태트(33)에 포함된 예를 들어 액체 질소와 같은 극저온 유체(31)로 냉각되는 초전도체 케이블(30)을 포함한다. 도면번호 36으로 표시된 영역은 극저온 상태이고, 소위 "고온" 초전도체라고 불리는 상기 영역의 온도는 약 -200 ℃이다.
초전도체 케이블의 상단부는 전기 부싱(39)의 하단부(38)에 연결된다. 상기 부싱은 대체로 구리 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 중심 도체(40)로 구성되고, 상기 부싱은 상기 중심 도체 둘레에 몰딩된 전기 절연 시스(41)를 가지며, 상기 전기 절연 시스는 예를 들어 에폭시로 구성된다. 전기 전도 물질층에 예를 들어 금속 도금 방식으로 상기 절연 시스의 외부 표면을 덮는다.
크라이오스태트의 내부 벽면 및 외부 벽면은 수직으로 뻗어 중간 인클로져(45)의 측벽면을 형성한다. 상기 중간 인클로져는 저 열전도성을 나타내는 고체 물질로 채워진다. 상기 물질은 바람직하게는 폴리우레탄 거품 또는 발포 유리 거품(cellular glass foam)과 같은 거품 형태이다. 이러한 영역(47)의 온도는 극저온과 실온의 중간 온도이다.
상기 중간 인클로져(45) 위에는, 실온상태에 있는 인클로져(48)가 플레이 트(46)에 고정된다. 상기 전기 부싱(39)은 고정 및 밀봉 플랜지에 의해 누출 방지 방식으로 상부 벽면(46)을 관통하고, 상기 부싱은 실온상태에 있는 상기 인클로져의 상부 벽면(50)을 통과하여 상기 인클로져(48) 외부로 뻗어있다. 상기 인클로져의 측벽은 전기 절연체(51), 예를 들어 유리 섬유가 보강된 에폭시 수지로 구성된다. 실온상태에 있는 인클로져(48)에는 실리콘 오일과 같은 우수한 전기 절연체인 액체(54)가 53으로 표시된 높이까지 충전된다. 상기 액체(54)는 상기 전기 부싱(39)에 우수한 전기 절연성을 제공할 뿐만 아니라, 실온상태에 있는 상기 인클로져가 열적으로 더 용이하게 안정되도록 한다. 따라서, 이러한 영역(55)의 온도는 실온에 가깝다.
상기 전기 절연 시스(41)는 플랜지에 의해 상기 크라이오스태트(33)와 상기 중간 인클로져(45) 사이의 수평 방향 벽면에 견고한 누출 방지 방식으로 고정된다. 또한, 상기 전기 절연 시스(41)는 상기 중간 인클로져(45)와 실온상태에 있는 인클로져(48) 사이의 수평 방향 상부 벽면(46)에서 밀봉된다.
상기 중심 도체(40)는 자신의 상단부에 어떠한 전기 절연 시스(41)도 가지지 않고, 중전압 또는 고전압으로 초전도체 케이블에 전기를 공급하기 위하여 또는 중전압 또는 고전압으로 상기 초전도 케이블(30)에서 오는 전기를 실온상태에 있는 장비에 제공하기 위하여 실온상태에 있는 인클로져(48) 외부에서 상기 중심 도체는 연결 단자(58)에 연결된다.
본 발명은 중심 도체의 상단부에 있는 이러한 연결부에 관한 것이다.
상기 중심 도체의 길이는 극저온 유체 위로 2.5 m 이상일 수 있고, 상기 중 심 도체는 다양한 조립 부품에서 기지의 제조 공차를 가질 수 있고, 플랜지로 상기 전기 절연 시스를 단단히 고정하므로, 상기 중심 도체(40)의 단부가 상기 구조체의 종방향축 상에 위치하는 연결 단자(58)에 위치하도록, 다수의 조립 소자(45, 46, 48, 50)를 통하여 상기 전기 부싱(39)을 정확하게 정렬하기가 어렵다.
이때, 상기 부싱을 손상시킬 수 있기 때문에, 상기 부싱을 정렬하기 위하여 상기 부싱에 힘을 가하는 것은 바람직하지 않다. 게다가, 상기 부싱(39)은 길이 대부분에 걸쳐 전기 절연 시스로 둘러싸여 있기 때문에, 상기 중심 도체 및 상기 중심 도체의 시스로 구성된 조립체는 매우 큰 강성을 가지며 매운 작은 범위의 유연성을 가진다.
게다가, 상기 중심 도체는, 상기 구조체에, 특히 하부 영역(36, 47)에 형성되어 있는 상대적으로 낮은 온도의 영향을 받아 수직방향으로 수축할 수 있다. 따라서, 상기 중심 도체의 상단부는 병진운동으로 아래 방향으로 이동할 수 있어, 단절 현상(disconnection)을 발생시킬 수 있다.
다른 방법으로, 국제 공개공보 WO 02/29930에 도시된 바와 같이, 극저온 유체로 냉각된 초전도체 소자의 도체를 선택적으로 함께 꼬여 있는(twisted) 다수의 인접 전도성 스트랜드로 세분함으로써 상기와 같은 수축의 문제점을 수용하는 방법이 공지되어 있다.
더 구체적으로, 본 발명은 중심 도체와 연결 단자 사이에 실온상태에 있는 상단부를 위한 연결 장치로서, 상기 자유 단부의 위치가 3차원적으로 이동하도록 하는 연결 장치를 제안함으로써 기계적인 조립 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 위하여, 본 발명은 크라이오스태트에서 극저온 유체에 의해 냉각되고, 실온상태에 있는 하나 이상의 인클로져를 관통하는 전기 부싱에 연결되는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체로서, 상기 부싱은 중심 도체를 포함하고, 상기 중심 도체의 상단부는 연결 장치에 의해 연결 부품에 연결되고, 상기 연결 부품은 상기 실온상태에 있는 인클로져의 상부 벽면을 관통하여 상기 인클로져 외부까지 뻗어 있고, 상기 중심 도체는 길이 대부분에 걸쳐 전기 절연 시스로 둘러싸여 있고, 상기 전기 절연 시스는 상기 실온상태에 있는 인클로져의 하부 벽면에 견고하게 고정되는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체에 있어서, 상기 연결 장치는 전도성 부품 및 복수의 변형가능한 전도성 소자를 포함하고, 상기 전도성 부품은 실온상태에 있는 상기 중심 도체의 상단부에 장착되고, 상기 전도성 소자는 상기 전도성 부품 및 상기 연결 부품에 연결되며, 상기 전도성 부품은 상기 전도성 소자를 둘러싸고 전기장에 대한 차단부를 형성하는 원통형 벽면부을 가지는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체를 제공한다.
따라서, 상기 전도성 소자를 변형시킴으로써, 상기 전도성 부품과 상기 연결 부품이 서로에 대해 중심에서 벗어나 있는 경우라도 상기 전도성 소자를 상기 전도성 부품 및 상기 연결 부품 모두에 연결시킬 수 있고, 상기 중심 도체가 수직방향으로 수축하더라도 어느 정도 범위까지는 상기 전도성 소자를 상기 전도성 부품 및 상기 연결 부품 모두에 연결시킬 수 있다.
바람직한 실시 형태로서, 상기 전도성 소자는 금속 브레이드이다.
바람직하게는, 상기 브레이드는 상기 중심 도체의 종방향축 둘레에 규칙적으로 분포되어 있다.
바람직하게는, 상기 브레이드는 상기 전도성 부품에 체결되고 납땜된다.
바람직하게는, 상기 브레이드는 상기 연결 부품에 체결되고 납땜된다.
상기 전도성 부품은 구리로 구성될 수 있다.
상기 전도성 소자는 구리로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연결 부품은 환형 플랜지를 구비한 전도성 바이고, 상기 환형 플랜지에는 상기 전도성 소자가 연결된다.
바람직하게는, 중간 인클로져가 상기 크라이오스태트와 상기 실온상태에 있는 인클로져 사이에 삽입되고, 상기 전기 절연 시스는 상기 중간 인클로져의 하부 벽면에 견고하게 고정된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 자세히 설명될 것이고, 첨부된 도면은 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있을 뿐이다.
본 발명에 따른 과제 해결 수단에 따르면, 상기 전도성 부품과 상기 연결 부품이 서로에 대해 중심에서 벗어나 있는 경우라도 상기 전도성 소자를 상기 전도성 부품 및 상기 연결 부품 모두에 연결시킬 수 있는 효과가 있고, 상기 중심 도체가 수직방향으로 수축하더라도 어느 정도 범위까지는 상기 전도성 소자를 상기 전도성 부품 및 상기 연결 부품 모두에 연결시킬 수 있는 효과가 있다.
도 2는 상기 유형의 연결 구조체의 상부 부분을 도시하고 있다.
따라서 상기 중심 도체(40)의 상단부는 전기 절연 시스(41)를 가지지 않고, 상기 중심 도체는 실온상태에 있는 인클로져(48) 외부에 있는 연결 단자(58)에 연결되고, 상기 연결 단자는 상기 인클로져의 상부 벽면(50)을 관통한다. 따라서, 초전도체 케이블에는 중전압 또는 고전압으로 전기가 공급되거나, 또는 실온상태에 있는 장비에는 초전도체 케이블에서부터의 전기가 중전압 또는 고전압으로 공급된다.
상기 중심 도체(40)와 상기 연결 단자(58)를 연결하기 위하여, 연결 장치(1)를 사용하여 상기 중심 도체의 상단부를 상기 연결 단자(58)에 연결하고, 상기 연결 단자는 좀 더 일반적으로 연결 부품이라고 할 수도 있고, 상기 인클로져(48)의 상부 벽면(50)을 관통하여 실온상태에 있는 인클로져(48) 외부로 뻗어 있고, 상기 연결 단자는 스크류(58B)로 상기 인클로져의 상부 벽면에 고정될 수 있고, 예를 들 어 외부 환경으로부터 상기 인클로져를 밀봉하기 위하여 삽입되는 밀봉 개스킷(58C)을 구비할 수 있다.
상기 연결 장치(1)는 전도성 부품(2)과 복수의 변형가능한 전도성 소자(3)를 포함하고, 상기 전도성 부품(2)은 바람직하게는 구리로 구성되고 상기 중심 도체(40)의 상단부에 장착되고 상기 전도성 부품에는 다중 접촉 링(2B)이 삽입되고, 상기 전도성 소자(3)는 자신의 하단부를 통하여 상기 전도성 부품(2)에 연결되고 자신의 상단부를 통하여 상기 연결 부품(58)에 연결되며, 상기 전도성 부품(2)은 상기 전도성 소자(3)를 둘러싸는 원통형 벽면부(2A)를 가진다.
또한, 도 3 및 도 4는 상기 연결 소자를 더 자세히 도시하고 있다.
상기 전도성 소자는 원통형 금속 브레이드(braid)이고, 바람직하게는 구리로 구성되고, 브레이드당 약 250 ㎟의 상대적으로 큰 단면적을 가지며, 상기 전도성 소자는 상기 중심 도체(40)의 종방향축 둘레에 규칙적으로 분포되어 있다. 도시된 실시예에서, 상기 전도성 소자는 8개이다. 상기 전도성 소자의 하단부는 상기 전도성 부품(2)에 체결되고, 상기 전도성 소자의 상단부는 상기 연결 부품(58)에 체결되며, 상기 전도성 소자의 상단부 및 하단부는 해당 체결 부분 각각에 은랍 땜(silver-soldering)으로 연결된다. 더 명확하게는, 상기 연결 부품(58)은 환형 플랜지(58A)를 가지는 전도성 바(bar)이고, 상기 환형 플랜지 내에는 상기 브레이드의 상단부가 체결된다.
상기 전도성 부품(2)은 두 개의 부분, 즉 상기 중심 도체(40)에 연결되는 하부 부분(2C)과 상기 원통형 벽면부을 형성하는 캡(cap, 2A)으로 구성되고, 상기 캡 은 상기 제1 하부 부분(2C)에 납땜으로 결합된다. 상기 캡(2A)은 상기 캡 앞에서 고전압 항복(high voltage breakdown)이 발생할 수 있는 문제점을 가지는 상기 브레이드(3)를 보호한다.
상기 브레이드(3)은 변형 용량이 크기 때문에, 상기 연결 장치(1)로 인해 중심 도체와 연결 부품에 응력을 가하는 위험을 발생시키지 않으면서 상기 중심 도체(40)를 상기 연결 부품(58)에 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 중심 도체(40)가 도 2에서 거리 L로 표시된 바와 같이 상기 구조체의 종방향축 A에 대해 중심을 벗어나 있는 경우, 및/또는 상기 중심 도체(40)가 상기 구조체의 하부 부분에서의 상대적으로 낮은 온도의 영향을 받아 수직방향으로 수축하는 경우에도, 상기와 같은 원리 및 장치가 적용된다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 상기 중심 도체(40)가 3차원적으로 이동하여도 우수한 연결을 보장한다.
도 1은 공지된 초전도 구조체의 종단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 초전도 구조체의 부분 종단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 초전도 구조체의 연결 장치의 사시도이고,
도 4는 본 발명에 따른 초전도 구조체의 연결 장치를 단면 Ⅳ-Ⅳ에서 본 사시도이다.

Claims (9)

  1. 크라이오스태트(33)에서 극저온 유체(31)에 의해 냉각되고, 실온상태에 있는 하나 이상의 인클로져(48)를 관통하는 전기 부싱(39)에 연결되는, 초전도체 소자(30)용 고전압 전기 연결 구조체로서,
    상기 부싱(39)은 중심 도체(40)를 포함하고, 상기 중심 도체의 상단부는 연결 장치에 의해 연결 부품(58)에 연결되고, 상기 연결 부품은 실온상태에 있는 인클로져의 상부 벽면(50)을 관통하여 상기 인클로져 외부까지 뻗어 있고, 상기 중심 도체(40)는 길이 대부분에 걸쳐 전기 절연 시스(41)로 둘러싸여 있고, 상기 전기 절연 시스는 실온상태에 있는 인클로져의 하부 벽면(46)에 견고하게 고정되는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체에 있어서,
    상기 연결 장치(1)는 전도성 부품(2) 및 복수의 변형가능한 전도성 소자(3)를 포함하고, 상기 전도성 부품은 실온상태에 있는 상기 중심 도체의 상단부에 장착되고, 상기 전도성 소자는 상기 전도성 부품(2) 및 상기 연결 부품(58)에 연결되며, 상기 전도성 부품(2)은 상기 전도성 소자(3)를 둘러싸고 전기장에 대한 차단부를 형성하는 원통형 벽면부(2A)을 가지는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 소자(3)는 금속 브레이드인 것을 특징으로 하는 초전도체 소자 용 고전압 전기 연결 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 브레이드(3)는 상기 중심 도체의 종방향축 둘레에 규칙적으로 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 브레이드(3)는 상기 전도성 부품(2)에 체결되고 납땜되는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이드(3)는 상기 연결 부품(58)에 체결되고 납땜되는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성 부품(2)은 구리로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성 소자(3)는 구리로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자 용 고전압 전기 연결 구조체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 부품(58)은 환형 플랜지(58A)를 구비한 전도성 바이고, 상기 환형 플랜지에는 상기 전도성 소자(3)가 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    중간 인클로져(45)가 상기 크라이오스태트(33)와 상기 실온상태에 있는 인클로져(48) 사이에 삽입되고, 상기 전기 절연 시스(41)는 상기 중간 인클로져(45)의 하부 벽면에 견고하게 고정되는 것을 특징으로 하는 초전도체 소자용 고전압 전기 연결 구조체.
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