KR20140077908A - 초전도성 다이나모일렉트릭 동기화 기계의 초전도체를 위한 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각제를 위한 냉각 회로를 갖는 동기화 기계(1)의 초전도체, 특히 고온 초전도체를 위한 냉각장치(22)에 관한 것이며, 여기에서는 응축기(7)를 갖는 냉각 헤드부(6)에서 액화되는 냉각제가 냉각될 초전도체로 안내되고 가스 상태로 다시 응축기(7)로 안내되며, 냉각될 초전도체로 냉각제를 공급하기 위해서 냉각제에 압력이 가해진다.

Description

초전도성 다이나모일렉트릭 동기화 기계의 초전도체를 위한 냉각장치{COOLING DEVICE FOR A SUPERCONDUCTOR OF A SUPERCONDUCTIVE SYNCHRONOUS DYNAMOELECTRIC MACHINE}

본 발명은 초전도체를 위한 냉각장치에 관한 것으로서, 특히 냉각제를 위한 냉각제 회로를 갖는 다이나모일렉트릭 동기화 기계의 고온 초전도체를 위한 것이며, 응축기를 갖는 냉각 헤드부에서 액화되는 냉각제는 냉각될 초전도체로 안내되고 가스 상태로 다시 응축기로 안내된다.

또한, 본 발명은, 특히 비행기와 헬리콥터와 같은 비행기기, 선박, 또는 철도차량이나 광산트럭과 같은 견인차량에 적용될 수 있는, 초전도성 다이나모일렉트릭 동기화 기계에 관한 것이다.

초전도성 다이나모일렉트릭 동기화 기계에는 적어도 하나의 초전도성 권선이 바람직하게는 초전도성 다이나모일렉트릭 동기화 기계의 로터에 제공된다. 여기에는 통상적으로 소위 고온 초전도체(HTS-초전도체)가 이용된다. HTS-초전도체는 77K를 초과하는 전이온도(Tc)를 갖는 금속산화물 초전도체 재료를 지칭한다.

초전도성 전기 기계에서도 초전도체의 냉각을 위해 극저온(cryogenic) 유체가 냉각제로 이용된다. 예컨대, 닫힌 시스템에서, 냉각제로서 예컨대 네온 가스 또는 질소가 응축기를 갖는 냉각 헤드부에서 액화되는, HTS-초전도체 냉각장치들이 알려져 있다. 그곳으로부터 냉각제가 나와서 초전도체를 보유하는 부품, 예컨대 다이나모일렉트릭 동기화 기계의 냉각될 로터로 유동한다. 그곳에서 증발된 냉각제는 응축기에 도달한다. 유체 냉각제는 초전도체를 보유하는 열전도성 지지부, 특히 로터의 권선 지지부에서 증발되고, 증발기에서의 증발과 응축기의 응축 공간에서의 응축에 의해 발생하는 압력 차이에 의해, 가스 상태로 응축기로 돌아가게 된다. 공지된 냉각장치에서는 유체 냉각제의 초전도체로의 이송이 중력이 의해 실행된다. 이는 불가피하게 응축기가 증발기보다, 즉 로터보다 측지학적으로 더 높게 배치되는 것을 의미한다. 전체적으로는 여기에는 닫힌 냉각 시스템이 형성된다.

이는 예컨대 유럽특허공보 EP 1 437 821 B1호와 기본적으로 일본특허출원공보 JP 57095151 A호에도 제시되어 있다.

그러나, 이러한 냉각 방법은, 예컨대 비행기, 선박용도, 또는 견인차량의 초전도성 동기화 기계가 정상 작동하는 동안에 나타날 수 있는, 냉각장치 또는 냉각될 동기화 기계가 경사 상태에 놓이게 되는 경우에, 신뢰성이 없는 것으로 나타난다. 여기에서 이러한 동기화 기계는 예컨대 구동기 또는 발전기로 이용되어야 한다.

이러한 교통 수단들에서 경사 상태는 예컨대 비탈, 커브 주행 등에 의해 도입된다. 이러한 경사 상태에서는, 종래기술에 따르면 유체 냉각제가 더 이상 증발기에 도달하지 않고 필요한 냉각 성능이 보장되지 않는 위험이 존재한다.

이로부터, 본 발명의 과제는, 신뢰성 있는 방식 및 방법으로 냉각제를 냉각될 초전도체로 이송하고, 중력 작용에 종속되지 않아서 다이나모일렉트릭 동기화 기계의 작동을 제한하는 일 없이, 냉각 회로를 제대로 유지하는, 초전도체, 특히 초전도성 다이나모일렉트릭 동기화 기계를 위한 냉각장치를 제공하는 것이다.

이러한 과제의 해결은, 본 발명에 따라 냉각될 초전도체로 냉각제를 공급함에 있어서, 냉각제에 압력을 인가하는 것에 의해 달성된다.

또한, 본 발명에 따르면, 초전도체의 냉각장치에 압력을 공급하는 것이 제공되며, 상기 압력은 응축기와 냉각될 초전도체 사이의 섹션에서 적어도 섹션에 따라 유효하고, 냉각제가 냉각될 초전도체에 공급될 수 있게 하는 압력이 냉각제에 인가되도록 형성된다. 이러한 방법에 의해, 유체 냉각제를 중력을 이용하지 않고, 또한 응축기의 위치와 무관하게, 냉각될 초전도체, 특히 초전도성 동기화 기계의 로터에 공급하는 것이 가능하다. 여기에서는 기계적인 스프링 또는 가스 스프링에 의한 압력이 이용되며, 이들은 각각 저장용기의 플런저를 통해 냉각제에 압력을 가하고 그에 의해 냉각제를 초전도체에 공급한다.

이러한 방식에 의해 초전도체에 냉각제를 공급하는 것은, 냉각장치의 위치에 종속되지 않고 그에 따라 모든 적용 모드에 적합하다.

유체 냉각제의 양은 압력에 따라 유연하게 정해질 수 있고, 응축기는 더 이상 반드시 냉각될 부품보다 측지학적으로 더 높게 배치될 필요가 없다. 여기에서는, 제1 도관섹션에 의해 응축기에 연결되고, 제2 도관섹션에 의해 냉각될 초전도체를 보유하는 증발기로 작용하는 부품, 특히 로터에 연결되는, 유체 냉각제를 위한 저장용기가 제공되고, 여기에는 열원이 결합된다. 저장용기에서는 유체 냉각제에 압력이 가해져서, 냉각제는 저장용기로부터 초전도체로 공급된다.

이는 제2 도관섹션을 상승관(riser pipe)으로 형성하는 것을 허용한다. 이를 통해 냉각제는 중력에 반하여 초전도체로 공급될 수 있고 냉각 회로를 제대로 유지할 수 있다.

이를 통해 중력이 냉각제를 공급하기 위한 힘을 제공하지 않고, 오히려 이제는 제2 도관섹션이 적어도 섹션에 따라 유연하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 도관섹션은 견고한 관을 포함할 필요가 없으며, 오히려 제2 도관섹션은 저장용기의 압력에 의해 냉각될 초전도체로 유체 냉각제가 관통하게 되는 파형 호스(corrugated hose)로 형성될 수 있다.

본 발명의 추가적인 실시예에서는, 저장용기의 응축기 측의 앞에 밸브가 연결된다. 구조를 특히 간단하게 형성하기 위해, 여기에서는 체크벨브가 다루어진다.

벨브는 닫힌 상태에서, 저장용기로부터 두 개의 도관섹션으로 가해지는 압력이, 제2 도관섹션에서 냉각될 부품, 즉 초전도체의 방향으로 향할 수 있도록 하여, 그곳에서 효과적인 냉각을 달성할 수 있도록 한다.

기본적으로, 전기식 또는 유압식으로 제어되는 벨브를 응축기 측 도관섹션에 이용하는 것도 가능하다는 것은 자명하다.

바람직하게는, 중력힘을 이용하는 체크벨브를 사용하는 경우, 이러한 체크벨브는 제1 도관부의 사이펀형(siphon) 도관섹션의 저장용기에 근접한 상승하는 부분에 형성될 수 있다. 여기에는 예컨대, 중력에 의해 작용하는 부하, 예컨대, 체크벨브에 제공되는 볼 또는 원추에 의해 작동하는 체크벨브가 이용된다. 저장용기로의 도관섹션은 그에 따라 사이펀형으로 형성되고, 체크벨브는 상승하는 도관섹션 내에서 저장용기의 조금 앞에 배치된다.

기계적인 스프링 또는 가스압력 스프링에 의해, 저장용기에서는 플런저를 통해 냉각제로 사전 설정 가능한 압력이 작용하게 되고, 상기 압력은 냉각제를 제2 도관섹션을 거쳐서 초전도체 내로 가압한다. 이를 위해 제공된 저장용기 내의 플런저는 특히 두 개의 정지 위치 사이에서 이동하여, 냉각장치(22)의 작동 특성에 사이클 작동을 도입하게 되나, 이러한 작동은 반드시 주기적으로 이루어질 필요는 없다.

냉각 절차는 또한 유리하게는 제어장치를 통해 이루어질 수 있는데, 이 때의 제어는 초전도체의 온도 및/또는 저장용기의 수위에 따라 이루어진다. 이를 위해서는 상응하는 센서들, 예컨대 초전도체의 온도 센서 및/또는 저장용기의 수위 센서, 그리고 플런저의 정지 위치 스위치가 제공되고, 이들로부터의 데이터는 제어장치에 제공된다. 이러한 제어장치는 상응하는 압력이 플런저를 통해 저장용기 내에 형성되어야 하는지 또는 경우에 따라 가스 스프링의 가스압력이나 스프링의 장력이 형성되어야 하는지 결정한다.

여기에서 중요한 것은, 제어장치가 고장나더라도 냉각장치가 사전 설정된 시간 동안 냉각 회로를 제대로 유지할 수 있다는 점이다. 이는 바이어스된 스프링 또는 가스압력 스프링이, 저장된 에너지를 기초로, 제어장치가 고장난 경우에도 냉각제를 저장용기 내에서 압력 하에 유지할 수 있고, 그에 따라 초전도체의 냉각 작용을 보장하는 것을 통해 달성된다.

냉각장치에 더하여, 본 발명은 또한, 예컨대 비행기나 헬리콥터와 같은 비행기기, 선박, 또는 도로교통이나 철도교통 또는 광산트럭과 같은 견인차량에 적용될 수 있는, 본 발명에 따른 냉각장치를 갖는 초전도성 동기화 기계, 특히 HTS-동기화 기계에 관련된다. 이러한 냉각장치 내에서, 그리고 냉각될 초전도체에 냉각제를 공급함에 있어서, 중력에 의한 영향은 충분히 제거되었고, 그에 따라 상기 유형의 교통수단에서의 본 발명에 따른 냉각장치의 경사 상태의 효과는 무시할 수 있다. 본 발명에 따른 냉각장치를 포함하는 다이나모일렉트릭 동기화 기계는, 또한 특히 바람직하게 상술한 차량에서 발전기 또는 모터로 이용될 수 있다. 이러한 용도와, 중력에 대한 경사 상태의 가능성 때문에 중력에 의해 공급이 불확실해지는 다른 용도로 본 발명에 따른 냉각장치가 이용되는 것과 마찬가지로, 구조상의 제한 때문에 증발기 공간에 위치하는 로터보다 높이 배치되는 응축기를 실현할 수 없는 용도로도 본 발명에 따른 냉각장치가 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 냉각장치의 모든 실시예들은 유사하게 본 발명에 따른 다이나모일렉트릭 동기화 기계에 적용될 수 있고, 이에 따라 기술된 이점이 달성될 수 있다.

본 발명과 본 발명의 추가적인 바람직한 실시예들은 기본적으로 도시된 예시적인 실시예를 통해 상세히 기술된다.
도 1은 동기화 기계의 냉각장치를 도시한 도면이다.
도 2는 냉각장치의 저장용기를 도시한 도면이다.

도 1은 차량에서 작동하는 일렉트로다이나믹 동기화 기계(1)에 할당되고, 고정자(2)에 대하여 축(3)을 중심으로 회전 가능한 로터(5)의 내부에 배치된 초전도성 권선(4)을 냉각하기 위한, 본 발명에 따른 냉각장치(22)의 개략적인 도면이다. 권선(4)은 고온 초전도체로 제조되고 열전도성 권선 지지부에 의해 보유되며, 권선 지지부는 진공하우징에 배치되고 그 내부 경계는 실질적으로 실린더형이고 축방향에 따라 연장하는 내부 공간을 형성한다.

본 실시예에서는 로터(5) 내의 초전도체를 냉각하는 냉각제로 네온가스가 이용되며, 냉각제는 닫힌 냉각 회로에서 이동한다. 기본적으로 알려진 것처럼 냉동기에 결합된 냉각 헤드부(6)와 열적으로 연결된 응축기(7)의 응축 공간에서는, 가스 상태의 냉각제가 액화된다. 이러한 액화 냉각제는 제1 도관섹션(8)을 거쳐서 저장용기(12)로, 그리고 그곳으로부터 제2 도관섹션(11)을 거쳐 로터(5) 내의 초전도성 권선(4)으로 안내된다. 여기에서 액화 냉각제가 로터(5)에 도입되는 것은 알려진 방식과 방법에 의해 이루어진다.

냉각 작용은, 냉각제가 권선 지지부에서 증발되고 이를 통해 권선(4)을 냉각함으로써 이루어진다. 로터(5)의 내부 공간은 이러한 측면에서 증발 공간으로 작용한다. 냉각제는 재순환 도관(9)을 통해 다시 응축기(7)로 안내되어, 그곳에서 다시 액화된다.

응축기가 측지학적으로 로터(5)보다 뚜렷하게 낮게 배치될 수 없기 때문에, 그리고 제2 도관섹션(11)이 상승관으로 형성되어 있기 때문에, 냉각장치(22)에서는 중력이 공급힘으로 이용되지 않는다. 제2 도관섹션(11)을 통해 액화 냉각제를 로터(5)에 공급하기 위해서는 오히려 저장용기(12) 내에서 플런저(15)에 의해 생성된 압력이 이용된다.

도 1에서 확인되는 것처럼, 제1 도관섹션(8)은 저장용기(12) 앞에서 사이폰을 형성하며, 저장용기(12)에 근접한, 중력과 반대 방향으로 향하는 제1 도관섹션(8)의 부분 섹션에는 체크벨브(10)가 제공된다. 본 도면에서 저장용기(12)의 하부에는, 기계적 스프링(19)을 인장하거나 가스압력 스프링을 사전 설정 가능한 압력으로 설정하는 장치가 배치된다. 시스템의 작동 시에는 저장용기(12)에 있는 액화 냉각제에 압력이 작용하는데, 이 압력은 액화 냉각제를 제2 도관섹션(11)을 통해 로터(5)의 내부 공간에 안내한다. 냉각제가 응축기(7)로 돌아오는 경로는 체크벨브(9) 또는 자세히 도시되지 않는 플랩 벨브를 통해 자동으로 닫힌다.

저장용기(12) 안에서의 압력의 형성은 사이클로 이루어지고, 바람직하게는 제어장치(21)에 의해 제어된다. 제어장치(21)는 압력의 형성 및 모니터링을 조절하고 이 때 온도센서(16, 17), 위치센서(13, 14), 그리고 저장용기(12) 내의 수위센서로부터의 데이터에 접근한다. 이를 통해 제어장치(21)의 사이클 작동이 설정된다.

바이어스된 스프링(19) 또는 가스압력 스프링에 의한 사이클 압력 형성에 의해, 제어장치(21)의 전기공급이 멈추더라도 소정의 시간 동안은 로터(5)의 냉각이 보장된다.

추가로, 제어장치(21)는 배터리나 커패시터를 통해 버퍼링될 수 있고, 이를 통해 특정 시간기간을 연결할 수 있다.

제어장치(21)의 작동에 의해 저장용기(12)의 압력공간(20)에 압력이 형성되면, 체크벨브(10)는 닫히고 액화 냉각제는 로터(5)에 공급된다. 제어장치(21)가 작동하지 않는 단계 동안 또는 스프링(19)이나 가스압력 스프링에 의해 압력이 완화되는 동안에는, 체크벨브(10)가 개방될 수 있고 액화 냉각제가 저장용기(12)의 압력공간(20) 내로 흐르게 된다. 체크벨브(10) 대신에 제어되는 벨브가 이용될 수도 있고, 이는 역시 제어장치(21)를 통해 제어된다.

제2 도관섹션(11)은 바람직하게는 섹션별로 유연하게 형성되고, 예컨대, 특히 내압형의 파형 호스의 형태로 형성될 수 있으며, 이는 여러 가지 중에서 특히 좁은 가용 공간의 경우에 냉각장치의 공간적인 형상과 배치를 용이하게 한다.

도 2는 응축기(7)와 체크벨브(10) 사이에 배치된 저장기(23)를 갖는 저장용기(12)를 도시한 도면이다. 이러한 저장기(23)에는 응축기(7)로부터 흘러나온 냉각제가 흐르게 되고, 저장용기(12)로 후속적으로 흘러갈 수 있을 때까지 그 곳에서 머무르게 된다. 이는 예컨대 스프링(19)이 다시 인장되는 경우에 이루어진다. 이러한 후속 흐름은 보통 저장용기(12)의 압력이 저장기(23)보다 낮은 경우에 이루어진다. 이로써, 저장기(23)로부터의 후속 흐름이 체크벨브(10)를 거쳐 저장용기(12)로 이루어질 수 있다. 이 때 응축기(7)는 저장기(23)보다 측지학적으로 높게 배치된다.

그 밖에는 도 2에 따른 구조가 도 1에 따른 냉각장치와 구조와 구별되지 않는다.

Claims (9)

1. 냉각제를 위한 냉각 회로를 갖는 동기화 기계(1)의 초전도체, 특히 고온 초전도체를 위한 냉각장치(22)이며, 응축기(7)를 갖는 냉각 헤드부(6)에서 액화되는 냉각제가 냉각될 초전도체로 안내되고 가스 상태로 다시 응축기(7)로 안내되는 냉각장치(22)에 있어서,
   냉각될 초전도체로 냉각제를 공급하기 위해, 냉각제에 압력이 가해지고, 압력은 저장용기(12) 안에서 기계적인 스프링(19) 또는 가스압력 스프링에 의해, 냉각제를 압력 하에 있게 하는 플런저(15)에 가해지는 것을 특징으로 하는, 냉각장치(22).
2. 제1항에 있어서, 저장용기 안의 압력 형성이 사이클로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 냉각장치(22).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저장용기(12) 안의 압력은 초전도체에서의 온도 및/또는 저장용기(12)의 수위에 따라 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는, 냉각장치(22).
4. 제1항에 있어서, 응축기(7)와 냉각될 초전도체 사이에는 저장용기(12)가 제공되고, 저장용기(12)는 제1 도관섹션(8)을 통해 응축기(7)와 연결되고 제2 도관섹션(11)을 통해 냉각될 초전도체와 연결되며, 압력 생성은 저장용기(12) 안에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 냉각장치(22).
5. 제4항에 있어서, 제2 도관섹션(11)은 상승관으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 냉각장치(22).
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 제2 도관섹션(11)은 적어도 섹션에 따라 유연하게 구성되는 것을 특징으로 하는, 냉각장치(22).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 저장용기(12)에는 적어도 응축기 측에서 유체 기술적으로 연결되도록 벨브, 특히 체크벨브(10) 및/또는 저장기(23)가 사전 연결된 것을 특징으로 하는, 냉각장치(22).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 응축기(7)는 냉각될 초전도체보다 측지학적으로 낮게 배치되는 것을 특징으로 하는, 냉각장치(22).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 냉각장치를 갖는 초전도성 동기화 기계(1)이며, 특히 비행기나 헬리콥터와 같은 비행기기, 선박, 또는 견인차량에 적용될 수 있는 초전도성 동기화 기계(1).

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