KR20140089534A - 교류 환경에서 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전류 리드 - Google Patents

교류 환경에서 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전류 리드 Download PDF

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프랭크 싱클레어
디. 제프리 리쳐
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

교류(alternating electrical current: AC) 환경에서 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전류 리드가 개시된다. 전류 리드는 교류(AC)가 전류 리드에 인가될 때 전류 리드에 걸친 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전도성 재료를 포함할 수 있다. 온도 구배(gradient)가 전류 리드의 길이를 따라 나타날 수 있다.

Description

교류 환경에서 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전류 리드{A CURRENT LEAD WITH A CONFIGURATION TO REDUCE HEAT LOAD TRANSFER IN AN ALTERNATING ELECTRICAL CURRENT ENVIROMENT}
본 발명은 전반적으로 전류 리드에 관한 것이며, 보다 구체적으로 교류 환경에서 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전류 리드에 관한 것이다.
전력 전송 및 분배 네트워크들에 있어, 고장 전류 상태들이 발생할 수 있다. 고장 전류 상태는 네트워크 내의 쇼트 회로 또는 고장에 의해 초래되는 네트워크를 통해 흐르는 전류의 급격한 서지(surge)이다. 고장의 원인들은 네트워크에 부딪히는 낙뢰, 및 악천후 또는 넘어진 나무들에 기인하는 전송 전력 라인들의 접지 및 다운(down)을 포함할 수 있다. 고장 발생시, 큰 부하가 순간적으로 나타난다. 이에 응답하여, 네트워크는 이러한 부하, 또는, 이러한 경우에 있어, 고장으로 큰 양의 전류(즉, 과전류)를 전달한다. 이러한 서지 또는 고장 전류 상태가 바람직하지 않으며, 네트워크 또는 네트워크에 연결된 장비를 손상시킬 수 있다. 특히, 네트워크 및 그에 연결된 장비가 탈 수 있으며, 일부 경우들에 있어, 폭발할 수 있다.
고장 전류에 의해 초래되는 손상으로부터 전력 장비를 보호하는데 사용되는 하나의 시스템은 차단기(circuit breaker)이다. 고장 전류가 검출될 때, 차단기는 회로를 기계적으로 개방하고 과전류가 흐르지 못하게 한다. 차단기가 트리거되기 위하여 전형적으로 3 내지 6 전력 사이클들(0.1초에 이르는)이 걸리기 때문에, 전송 라인들, 트랜스포머들, 및 개폐기와 같은 다양한 네트워크 컴포넌트들이 여전히 손상될 수 있다.
고장 전류를 제한하고 고정 전류에 의해 야기되는 손상으로부터 전력 장비를 보호하기 위한 다른 시스템은 초전도 고장 전류 제한기(superconducting fault current limiter: SCFCL) 시스템이다. 일반적으로 SCFCL 시스템은 임계 온도 레벨(TC), 임계 자기장 레벨(HC), 및 임계 전류 레벨(IC) 아래에서 거의 0의 저항률(resistivity)을 나타내는 초전도 회로를 포함한다. 이러한 임계 레벨 조건들 중 적어도 하나가 초과되는 경우, 회로가 ?치(quench)하고, 저항률을 나타낸다.
정상 동작 동안, SCFCL 시스템의 초전도 회로는 TC, HC, 및 IC의 임계 레벨 조건들 아래로 유지된다. 고장 동안, 이상에서 언급된 임계 레벨 조건들 중 하나 이상이 초과된다. 즉각적으로, SCFCL 시스템의 초전도 회로가 ?치되며 서지들에 저항하고, 이는 결국 고장 전류의 전송을 제한하며 네트워크 및 연관된 장비를 과부하로부터 보호한다. 어떤 시간 지연 뒤에 그리고 고장 전류가 소거된 후에, 초전도 회로가 정상 동작으로 복귀하며, 여기에서 임계 레벨 조건들 중 어느 것도 초과되지 않고 전류가 네트워크 및 SCFCL 시스템을 통해 다시 전송된다.
SCFCL 시스템은 직류(direct electrical current: DC) 또는 교류(alternating electrical current: AC) 환경에서 동작할 수 있다. SCFCL이 AC 환경에서 동작하는 경우, AC 손실들(즉, 초전도 열 또는 히스테리시스(hysteresis) 손실들)로부터의 일정한 전력 소비가 존재할 수 있으며, 이는 냉각 시스템에 의해 제거될 수 있다. 전형적으로 와이어(wire)들의 형태인 전류 리드들은 전형적으로 SCFCL 시스템 내에서 전기적 에너지 또는 신호들을 전송하는데 사용된다. 그러나 AC에서 동작하는 SCFCL 시스템 내에서 사용되는 종래의 전류 리드들은 상당한 열 손실을 야기한다. 결과적으로 열 손실을 최소화하기 위한 구성 및 전류 리드 형태 의 최적화가 제조사들에 의해 고려되는 중요한 인자일 수 있다.
따라서, 이상의 관점에서, AC 애플리케이션들에서 사용되는 전류 리드들에 대한 현재 기술들과 관련된 심각한 문제점들 및 단점들이 존재할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
교류(alternating electrical current: AC) 환경에서 열 부하 전달을 최소화하기 위한 최적화된 구성을 갖는 전류 리드가 개시된다. 하나의 특정한 예시적인 실시예에 있어, 전류 리드는, 교류가 전류 리드에 인가될 때 전류 리드에 걸친 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전도성 재료를 포함할 수 있다. 열 구배(temperature gradient)가 전류 리드의 길이를 따라 나타날 수 있다.
이러한 특정 실시예의 다른 측면들에 따르면, 전도성 재료 및 구성 중 적어도 하나는 열 부하 전달을 감소시키기 위한 줄 가열(joule heating) 및 전도와 연관된 온도-의존(temperature-dependent) 특성들을 포함할 수 있다.
이러한 특정 실시예의 다른 측면들에 따르면, 전류 리드는 열 부하 전달을 감소시키기 위하여 전류 리드의 길이를 따라 결합된 2 이상의 재료들로 만들어질 수 있다.
이러한 특정 실시예의 추가적인 측면들에 따르면, 전도성 재료는 원통 형태를 포함할 수 있고, 구성은 전도성 재료 내의 중공부(hollow portion)를 포함한다. 일부 실시예들에 있어, 중공부는 테이퍼진(tapered) 원뿔 형태를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 중공부는 2 이상의 세그먼트(segment)들을 갖는 계단진(stepped), 원뿔 형태를 포함할 수 있다.
이러한 특정 실시예의 다른 측면들에 따르면, 전류 리드는, 통합된(integrated) 전류 리드의 길이를 따라 2 이상의 독립 전류 리드들에 의해 형성되는 통합된 전류 리드이며, 여기에서 2 이상의 독립 세그먼트들의 각각은 다른 독립 세그먼트들과 비슷한 전체 단면 직경을 갖는다.
이러한 특정 실시예의 추가적인 측면들에 따르면, 구성은 테이퍼진 전도성 재료 및 전도성 재료 내의 중공부를 포함할 수 있다.
이러한 특정 실시예의 부가적인 측면들에 따르면, 구성은 테이퍼진 전도성 재료를 포함할 수 있다.
이러한 특정 실시예의 다른 측면들에 따르면, 전류 리드는, 전류 리드의 표면의 적어도 부분을 커버하도록 구성된 절연 재료를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 절연 재료가 전도성 재료의 외부 표면의 적어도 부분에 부착될 수 있다.
이러한 특정 실시예의 추가적인 측면들에 따르면, 전류 리드는 초전도(superconducting: SC) 시스템에서 사용되기 위하여 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 초전도(SC) 시스템은 초전도 고장 전류 제한기(SCFCL) 시스템, 초전도(SC) 자석 시스템, 및 초전도(SC) 저장(storage) 시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이러한 특정 실시예의 부가적인 측면들에 따르면, 전류 리드는, 통합된 전류 리드의 길이를 따라 2 이상의 독립 전류 리드들에 의해 형성된 통합된 전류 리드이다.
이러한 특정 실시예의 다른 측면들에 따르면, 전류 리드는 상이한 교류 입력 주파수들에 대하여 상이한 형태들을 가질 수 있다.
이러한 특정 실시예의 추가적인 측면들에 따르면, 전류 리드는, 전류 리드의 길이를 따라 하나 이상의 지점들에서 하나 이상의 전기 입력부들 및 전류 리드의 길이를 따라 하나 이상의 지점들에서 하나 이상의 전기 출력부들을 더 포함할 수 있다.
다른 특정 실시예에 있어, 초전도(SC) 시스템이 제공될 수 있다. 초전도(SC) 시스템은 교류가 전류 리드에 인가될 때 전류 리드에 걸친 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전도성 재료를 포함할 수 있으며, 여기에서 온도 구배가 전류 리드의 길이를 따라 나타난다.
또 다른 특정 실시예에 있어, 전류 리드를 제조하는 방법이 구현될 수 있다. 방법은 제 1 전류 리드를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 전류 리드는 제 1 중공부를 갖는 제 1 전도성 재료를 포함할 수 있다. 제 1 전도성 재료의 직경이 제 1 중공부의 직경보다 더 클 수 있도록, 제 1 전도성 재료 및 제 1 중공부가 원통 형태일 수 있다. 방법은 또한 제 2 전류 리드를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2 전류 리드는 제 2 중공부를 갖는 제 2 전도성 재료를 포함할 수 있다. 제 2 전도성 재료의 직경이 제 2 중공부의 직경보다 더 클 수 있도록, 제 2 전도성 재료 및 제 2 중공부가 원통 형태일 수 있으며, 제 1 전도성 재료의 직경은 제 2 전도성 재료의 직경과 거의 동일할 수 있고, 제 1 중공부의 직경은 제 2 중공부의 직경과 상이할 수 있다. 방법은, 교류가 통합된 전류 리드에 인가될 때 통합된 전류 리드에 걸친 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 통합된 전류 리드를 형성하기 위하여, 제 1 전류 리드와 제 2 전류 리드의 각각의 개별적인 단부들에서 제 1 전류 리드를 제 2 전류 리드와 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 온도 변동(fluctuation) 또는 구배가 통합된 전류 리드의 길이를 따라 나타날 수 있다.
이제 본 발명이 첨부된 도면들에 도시된 바와 같은 특정 실시예들을 참조하여 더 구체적으로 설명될 것이다. 이하에서 본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 설명되지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서의 교시들에 접근할 수 있는 당업자들은, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 속하고, 본 발명이 큰 유용성을 가질 수 있는 것들에 관한, 다른 사용 분야들뿐만 아니라, 추가적인 구현예들, 수정예들, 실시예들을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 더 완전한 이해를 용이하게 하기 위하여, 이제, 동일한 구성요소들이 동일한 도면부호들로서 지시된, 첨부된 도면들에 대한 참조가 이루어질 것이다. 이러한 도면들이 본 발명을 제한하는 것으로 이해되지 않아야 하며, 오로지 예시만을 위하여 의도된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 리드들을 사용하는 초전도 고장 전류 제한기(SCFCL) 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 리드의 직경에 걸친 전류 밀도의 그래프를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 리드 내의 표피 깊이(skin depth)를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 60 Hz에서의 구리 전류 리드의 표피 깊이를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화된 구성을 갖는 전류 리드를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 최적화된 구성을 갖는 전류 리드를 도시한다.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 최적화된 구성을 갖는 전류 리드를 도시한다.
도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 최적화된 구성을 갖는 전류 리드를 도시한다.
본 발명의 실시예들은 교류(alternating electrical current: AC) 환경에서 열 부하 전달을 감소시키기 위한 최적화된 구성을 갖는 전류 리드를 제공한다.
초전도 고장 전류 제한기(superconducting fault current limiter: SCFCL) 시스템은 접지로부터 전기적으로 분리된 인클로저(enclosure)를 포함할 수 있으며, 그 결과 인클로저는 접지 전위로부터 전기적으로 분리된다. 일부 실시예들에 있어, 인클로저가 접지될 수 있다. SCFCL 시스템은 또한, 하나 이상의 전류 운반 라인들에 전기적으로 연결된 제 1 및 제 2 단자들 및 인클로저 내에 포함된 제 1 초전도 회로을 가질 수 있으며, 여기에서 제 1 초전도 회로가 제 1 및 제 2 단자들에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1을 참조하면, 도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 리드들을 사용하는 예시적인 시스템이 도시되어 있다. 본 실시예에 있어, 전류 리드들을 사용하는 초전도 고장 전류 제한기(SCFCL) 시스템(100)이 도시된다. 본 실시예가 SCFCL 시스템(100)에 초점을 맞추지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 당업자들은 변화하는 온도들에 노출되는 전류 리드들을 포함하는 다른 전기적 시스템이 적용가능하게 조정될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
본 실시예의 SCFCL 시스템(100)은 하나 이상의 모듈들(110)을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 2 이상의 상 모듈(phase module)을 사용하는 다른 다양한 실시예들이 고려될 수 있지만, 명료성 및 간결성의 목적들을 위하여, SCFCL 시스템(100)의 설명이 하나의 단상 모듈(110)에 한정될 것이다.
SCFCL 시스템(100)의 상 모듈(110)은 그 내부에 챔버를 규정하는 인클로저 또는 탱크(112)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어, 인클로저 또는 탱크(112)가 열적으로 절연될 수 있다. 다른 실시예들에 있어, 인클로저 또는 탱크(112)가 전기적으로 절연될 수 있다. 인클로저 또는 탱크(112)는, 유리섬유 또는 다른 유전체 재료와 같은 다양한 재료들로 만들어질 수 있다. 다른 실시예들에 있어, 인클로저 또는 탱크(112)는, 금속(예를 들어, 스테인리스 강, 구리, 알루미늄, 또는 다른 금속)과 같은 전기 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 탱크의 인클로저(112)는 또한 외부층(112a) 및 내부층(112b)을 포함할 수 있다. 절연 매체(예를 들어, 열적 및/또는 전기적 절연 매체)가 외부층(112a)과 내부층(112b) 사이에 개재(interpose)될 수 있다.
일부 실시예들에 있어, 인클로저 또는 탱크(112)가 대지 접지(earth ground)에 연결되거나 또는 연결되지 않을 수 있다. 도 1에 도시된 구성에 있어, 인클로저 또는 탱크(112)가 대지 접지에 연결되지 않으며, 따라서 플로팅(floating) 탱크 구성으로서 지칭될 수 있다.
인클로저 또는 탱크(112) 내에, 명료성 및 간결성의 목적을 위하여, 블록으로서 도시된 하나 이상의 고장 전류 제한 유닛들(120)이 존재할 수 있다. 모듈(110)은 또한 하나 이상의 전기적 부싱(bushing)들(116)을 포함할 수 있다. 부싱들(116)의 말단부들이 각기 단자들(144 및 146)을 통해 전송 네트워크 전류 라인들(142a 및 142b)에 연결될 수 있다. 이러한 구성은 모듈(110)이 전송 네트워크(미도시)에 연결되도록 할 수 있다. 전류 라인들(142a 및 142b)은 하나의 장소로부터 다른 장소로(예를 들어, 전류 소스 대 전류 최종 사용자들) 전력을 전송하기 위한 전송 라인들이거나, 또는 전력 또는 전류 분배 라인들일 수 있다.
부싱들(116)은 단자들(144 및 146)을 고장 전류 제한 유닛(120)에 연결하는 내부 전도성 재료를 갖는 전류 리드들을 포함할 수 있다. 그 동안, 외부층(112a)이 인클로저 또는 탱크(112)를 내부 전도성 재료로부터 절연하는데 사용될 수 있으며, 그럼으로써 인클로저 또는 탱크(112) 및 단자들(144 및 146)이 상이한 전위들에 있을 수 있게 한다. 일부 실시예들에 있어, 모듈(110)은, 전기적 부싱들(116) 내에 포함된 전도성 재료를 연결하기 위한, 내부 션트 리액터(shunt reactor)(118) 또는 외부 션트 리액터(148), 또는 이들 둘 다를 포함할 수 있다.
몇몇 절연된 지지부들이 다양한 전압들을 서로로부터 절연하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 인클로저 또는 탱크(112) 내의 절연된 지지부들(132)은 모듈(120)의 전압을 인클로저 또는 탱크(112)로부터 분리하는데 사용될 수 있다. 추가적인 지지부들(134)이 플랫폼(160) 및 플랫폼 상의 정지하고 있는(resting) 컴포넌트들을 접지로부터 분리하는데 사용될 수 있다.
고장 전류 제한 유닛(120)의 온도가 인클로저 또는 탱크(112) 내의 냉매(114)를 사용하여 희망되는 온도 범위로 유지될 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 고장 전류 제한 유닛(120)이 낮은 온도 범위, 예를 들어, ~77°K로 또는 이 근처로 냉각되고 유지될 수 있다. 냉매(114)는 액체 질소 또는 다른 초저온 유체 또는 가스를 포함할 수 있다. 냉매(114)가 그 자체로 초저온 컴프레셔(117)를 포함할 수 있는 전기적 냉각 시스템을 사용하여 냉각될 수 있다. 다른 유형들의 냉각 시스템들이 냉매(114)를 낮은 온도로 유지하는데 사용될 수 있다.
단자들(144 및 146)에 인접한 전류 리드들의 일 부분이 주위 또는 실내 온도에 존재할 수 있으며, 반면 모듈(110) 또는 고장 전류 제한 유닛(120)에 인접한 전류 리드들의 다른 부분이 낮은 온도에 존재할 수 있다. 온도 및 환경에서의 이러한 차이가 전류 리드들에 대하여 영향을 줄 수 있다. 다른 악영향들뿐만 아니라, 전류 리드들에서의 상당한 열 손실이 나타날 수 있다. 교류(AC)를 사용하는 애플리케이션들에서, 예를 들어, 이러한 영향들이 고조될 수 있다.
예를 들어, "표피 효과(skin effect)"로 지칭되는 현상이 또한 발생할 수 있다. 교류(AC)를 사용하는 애플리케이션들에 있어, 전류 밀도가 전류 리드의 표면(surface) 또는 "표피(skin)"에서 또는 이 근처에서 최대일 수 있다. 이러한 표피 효과는, 교류(AC)로부터 기인하는 자기장의 변화에 의해 유도되는 대향하는 와 전류(eddy current)들에 의해 초래될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 리드의 직경에 걸친 전류 밀도의 크기의 그래프(200)를 도시한다. 그래프(200)를 참조하면, 전류 밀도가 전류 리드의 외부 표면 근처에서 더 높고, 전류 밀도가 전류 리드의 내부 부분들 근처에서 최저라는 것이 이해되어야 한다.
"표피 깊이(skin depth)"는 표피 효과가 일어나는 전류 리드에서의 깊이의 측정을 지칭한다. 표피 깊이는 평면 기하구조의 경우에 있어 전류 밀도가 1/e로 떨어지는 깊이를 지칭할 수 있으며, 여기에서 e는 자연 로그(Napierian logarithms)의 자연 계수(natural base)(표면 근처 깊이의 2.71828의 값)로서 지칭될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비-균일 표피 깊이를 갖는 전류 리드(300)를 도시한다. 전류 리드(300) 내에 도시된 바와 같이, 전류 리드(300)의 전도성 부분(302)은 전류 리드(300)를 따라 균일하지 않은 표피 깊이(304)를 가질 수 있다. SCFCL 시스템(100)과 유사한 시스템 내에 포함되는 경우, 전류 리드(300)는 변화하는 온도에 노출될 수 있다. 예를 들어, 전류 리드의 하나의 부분(예를 들어, 상부 부분(301))이 탱크(112)의 바깥에 그리고 더 높은 온도(예를 들어, 주위 온도)에 있을 수 있고, 반면 다른 부분(예를 들어, 하부 부분(303))이 탱크(112) 내부에 그리고 더 낮은 온도(예를 들어, 초저온 온도)에 있을 수 있다. 이러한 경우에 있어, 전류 리드(300)의 표피 깊이는 전류 리드(300)의 상부 부분(301)으로부터 전류 리드(300)의 하부 부분(303)으로 감소할 수 있다. 표피 깊이가 감소함에 따라, 전류 흐름의 유효 단면적이 감소할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전류 리드(300)가 균일한 직경(D)을 갖는 원통 형태를 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 60 Hz로 교류가 인가될 때, 전류 리드(300)의 상부 부분(301)에서의 표피 깊이(A)가 전류 리드(300)의 하부 부분(303)에서의 표피 깊이(a)보다 더 클 수 있다. 60 Hz에서의 구리로 만들어진 전류 리드에서, 표피 깊이(A)가 300°K에서 약 8 내지 8.5 mm의 범위에 있을 수 있으며, 표피 깊이(a)가 77°K에서 약 3 mm일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더 높은 주파수들에서, 표피 깊이는 더 작은 값일 수 있다.
큰 고체 전류 리드들의 내부(interior)들이 일반적으로 작은 양의 전류를 운반하기 때문에, 이러한 전류 리드들은 전형적으로 무겁고, 비효율적이며, 비-비용-효율적이다. 중공형 내부들을 갖는 튜브형의, 파이프-형태의 전류 리드들이 표피 깊이와 연관된 문제점들을 해결하는 것으로 보일 수 있지만, 전형적으로 전류 리드 전체에 걸쳐 균일한 두께를 갖는 이러한 튜브형 전류 리드들은 이상에서 설명된 바와 같은 변화하는 표피 깊이와 관련된 문제들을 순조롭게 처리하지 못할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 60 Hz에서의 구리 전류 리드의 표피 깊이를 나타내는 그래프(400)를 도시한다. 그래프(400)에서, 60 Hz에서의 구리 전류 리드에 대하여 저항률(resistivity), 온도, 및 표피 깊이 사이의 관계들이 존재할 수 있다. 이러한 관계들은 다음과 같이 표현될 수 있다:
저항률 ∝ 온도
표피 깊이 ∝ (저항률)1/2
오믹(ohmic) 가열 또는 저항성 가열로서도 알려진, 줄 가열(Q)이 전류 리드에서 나타날 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 줄 가열은, 이에 의해 전류 리드를 통한 전류의 통로가 열을 방출하는 프로세스로서 언급될 수 있다. 전류 리드에서 생성되는 열은 전류의 제곱과 전류 리드에서의 전기 저항값을 곱한 것에 비례할 수 있다. 이러한 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00001
이상에서 설명된 바와 같이, SCFCL 시스템(100)이 전류 리드를 포함할 수 있다. 줄 열이 전류 리드를 통해 SCFCL 시스템 내로 전도될 수 있다. SCFCL 시스템이 초저온제(cryogen) 또는 냉매를 포함하는 경우, 줄 열은 초저온제 또는 냉매의 기화율(boil-off rate)을 증가시킬 수 있다. 동시에, 전류 리드는 열을 주변 환경으로부터 떠나 냉매 시스템 내로 전도하기 위한 경로를 또한 제공할 수 있다. 결과적으로, 큰 단면을 갖는 전류 리드는 작은 줄 가열을 가질 수 있지만, 더 큰 열 전도성을 부과할 수 있다. 반면, 얇은 전류 리드(예를 들어, 작은 단면을 갖는)는 더 작은 열 전도성을 제공하지만, 더 많은 줄 가열을 제공할 것이다. 따라서, 전류 리드를 통한 총 열 부하를 최소화하는 것이 전류 리드의 형태 또는 구성을 최적화함으로써 달성될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화된 구성을 갖는 전류 리드(500i)를 도시한다. 도 5a를 참조하면, 전류 리드(500i)는 총 열 부하 전달을 최소화하기 위한 최적화된 형태를 가질 수 있다. 이러한 예에 있어, 전류 리드(500i)의 전도성 부분(502)이 표피 깊이(504)를 가질 수 있으며, 이는 도 3에 도시된 전류 리드(300)의 표피 깊이와 유사하다. 그러나, 전류 리드(500i)는 표피 깊이(504)에 실질적으로 대응하는 중공부(506)를 가질 수 있다. 다시 말해서, 전류 리드(500i)의 상부 부분(500i)의 두께(X1)가 도 3에 도시된 바와 같은 표피 깊이(A)에 전반적으로 대응할 수 있으며, 전류 리드(500i)의 하부 부분(503)의 두께(X2)가 도 3에 도시된 바와 같은 표피 깊이(a)에 전반적으로 대응할 수 있다.
상부 부분(501)이 약 300°K의 온도에 존재하고 하부 부분(503)이 약 77°K의 온도에 존재하는, 60 Hz에서의 구리로 만들어진 전류 리드에 대하여, X는 대략 8 내지 8.5 mm일 수 있으며 x는 대략 3 mm일 수 있다. 이러한 예에 있어, 전류 리드의 외경(outside diameter)은 전체에 걸쳐 동일하게 유지될 수 있다. 전류 리드(500i)의 중공부(506)만이 변화할 수 있다. 이러한 예에 있어, 중공부(506)는 전류 리드(500i)의 표피 깊이에 실질적으로 대응하는 부드럽게 테이퍼진(tapered) 형태일 수 있다.
최적화된 형태를 가지면, 열이 주로 전류 리드(500i)의 전도성 부분(502)의 표피 깊이 구역(area)들에서 생성되기 때문에, 전류 리드(500i)의 감소된 단면적이 전체 줄 가열을 유지하면서 더 적은 열 전도를 야기할 수 있다. 다른 다양한 최적화된 구성들이 또한 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 최적화된 구성을 갖는 전류 리드(500ii)를 도시한다. 도 5a의 전류 리드(500i)와 유사하게, 전류 리드(500ii)는 전도성 부분(502) 및 중공부(506)를 가질 수 있다. 그러나, 그 안에서 중공부(506)가 부드럽게 테이퍼진 전류 리드(500i)와 달리, 도 5b의 전류 리드(500ii)는 복수의 세그먼트(segment)들을 갖는 중공부를 가질 수 있다. 이러한 예에 있어, 세그먼트된(segmented) 중공부는 제 1 중공부(506a), 제 2 중공부(506b), 및 제 3 중공부(506c)로 구성될 수 있다. 이러한 중공부들(506a, 506b, 및 506c)의 각각은 원통 형태일 수 있다. 전류 리드(500ii) 내에서 함께 적층될 때, 전체적인 세그먼트된 중공부가 전류 리드(500ii)의 표피 깊이(504)에 개략적으로(roughly) 대응할 수 있으며, 그럼으로써 도 5a의 전류 리드(500i)의 부드럽게 테이퍼진 형태의 중공부(506)와 개략적으로 유사한 효과들 및 이점들을 달성한다.
세그먼트된 중공부를 제공하는 것의 이점은 전류 리드들의 간소화된(streamlined) 제조로부터 기인하는 비용-절감으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 전류 리드(500ii)가 단일의 통합 전류 리드를 형성하기 위하여 3개의 별개의 전류 리드들을 결합함으로써 형성될 수 있다. 각기 중공부 세그먼트(506a, 506b, 또는 506c)를 갖는 3개의 전류 리드들의 각각이, 서로로부터 분리되어 그리고 독립적으로, 대량으로 제조될 수 있기 때문에, 제조 비용이 크게 감소될 수 있다. 또한, 다양한 크기들, 형태들 및 구성들의 상이한 중공부들을 갖는 전류 리드들을 함께 조립하는 능력을 갖는 것은 달리 달성할 수 없는 추가적인 유연성 및 맞춤화를 제공한다.
도 5b에 단지 3개의 중공부들(506a, 506b, 및 506c)이 도시되었지만, 더 많은 또는 더 적은 수의 중공부 세그먼트들이 제공될 수 있다. 더 많은 수의 세그먼트들은 표피 깊이에 더 실질적으로 대응하는 중공부를 갖는 전류 리드를 야기할 수 있다. 더 적은 수의 세그먼트들은 표피 깊이에 더 개략적으로 대응하는 중공부를 갖는 전류 리드를 야기할 수 있지만, 제조하기에 더 비용-효율적일 수 있다.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 최적화된 구성을 갖는 전류 리드(500iii)를 도시한다. 도 5a의 전류 리드(500i)와 유사하게, 전류 리드(500iii)는 전도성 부분(502) 및 중공부(506)를 가질 수 있다. 그러나, 그 안에서 중공부(506)가 부드럽게 테이퍼진 전류 리드(500i)와 달리, 도 5c의 전류 리드(500iii)는 테이퍼지지 않으며 원통 형태인 중공부(506)를 가질 수 있다. 이에 더하여, 전류 리드(500i)와 달리, 전류 리드(500iii)의 전도성 부분(502)이 테이퍼질 수 있다. 예를 들어, 더 작은 단면적 및 두께(X2)를 가질 수 있는 전류 리드(500iii)의 하부 부분(503)에 비하여 전류 리드(500iii)의 상부 부분(501)이 더 큰 단면적 및 두께(X1)를 가질 수 있다.
원통형 중공부(506) 및 테이퍼진 전도성 부분(502)을 갖는 것이 제조의 용이함 및 다른 비용-효율적 조치들을 제공할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 최적화된 구성을 갖는 전류 리드(500iv)를 도시한다. 도 5d를 참조하면, 전류 리드(500iv)는 총 열 부하 전달을 최소화하기 위한 최적화된 형태를 가질 수 있다. 이러한 예에 있어, 전류 리드(500iv)의 전도성 부분(502)이 표피 깊이(504)를 가질 수 있으며, 이는 도 3에 도시된 전류 리드(300)의 표피 깊이와 유사하다. 중공부를 갖는 것 대신에, 전류 리드(500iv)는 고체 코어 및 테이퍼진 전도성 부분(502)을 가질 수 있다. 예를 들어, 전류 리드(500iv)의 상부 부분(501)은 직경(D1)을 가지고 더 두꺼울 수 있으며, 전류 리드(500iv)의 하부 부분(503)은 직경(D2)을 가지고 더 얇을 수 있고, 여기에서 D1은 D2보다 크다. 결과적으로, 표피 깊이(504)가 실질적으로 원통 형상을 가질 수 있다. 다시 말해서, 표피 깊이(504)가 도 3의 전류 리드(500i)의 표피 깊이와 유사하게 전류 리드(500iv)를 따라 비-균일하게 남아있을 수 있지만, 전류 리드(500iv)의 전도성 부분(502)이 테이퍼졌기 때문에, 전류 리드(500iv) 내에서 발견되는 표피 깊이(504)가 전류 리드(500iv)를 따라 균일하게 나타날 수 있다. 여기에서, 전류 리드(500iv)의 전도성 부분(502)은, 전류 리드(500iv)를 따라 표피 깊이(504)의 비교적 원통형의 형태를 유지할 수 있는 방식으로 테이퍼질 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들이 전류 리드에 대한 또는 전류 리드의 중공부에 대한 몇몇 구성들로 인도되지만, 다른 다양한 구성들 및 형태들이 또한 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 전류 리드의 중공부는 원통형 중공 세그먼트들 대신 테이퍼진 중공 세그먼트들을 사용하는 세그먼트된 형태를 가질 수 있다. 전류 리드는 또한 전류 리드 내부의 형태를 정의하기 위한 스크류 또는 다른 유사한 컴포넌트들을 사용하여 생성될 수 있는 나선형으로 테이퍼진 형태를 갖는 중공부를 가질 수 있다. 전류 리드는 또한 세그먼트된 외부 형태, 테이퍼진 구성, 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 다른 다양한 구성들, 형태들, 변형들 및 그들의 조합들이 또한 제공될 수 있다.
표피 깊이가 전류 주파수의 함수이기 때문에, 인가되는 전류 주파수에 따라서 표피 깊이를 계산하고 전류 리드의 설계를 안내하기 위하여 이러한 계산을 사용함으로써, 다양한 다른 구성들이 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
일부 실시예들에 있어, 전류 리드의 길이를 따른 하나 이상의 지점들에서 하나 이상의 전기적 입력부들이 제공될 수 있다. 다른 일부 실시예들에 있어, 전류 리드의 길이를 따른 하나 이상의 지점들에서 하나 이상의 전기적 출력부들이 제공될 수 있다. 전류의 길이를 따른 하나 이상의 입력부들 및/또는 하나 이상의 출력부들을 제공함으로써 열 손실의 전체적인 감소 및 표피 깊이에 대한 더 큰 유연성 및 제어를 제공할 수 있다.
전도성 재료가 구리인 실시예들이 이상에서 설명되었지만, 다른 전도성 재료들이 또한 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이들은 비제한적으로 알루미늄, 은, 강철, 등을 포함할 수 있다. 도 5a 내지 도 5d에 도시되지 않았으나, 하나 이상의 절연체들 또는 코팅들이 또한 전류 리드(500i, 500ii, 500iii, 또는 500iv)에 제공될 수 있다. 하나 이상의 절연체들 또는 코팅들은 전류 리드의 외부에, 내부에 또는 이들의 조합에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 하나 이상의 절연체들 또는 코팅들은 낮은 열 전도성을 가질 수 있으며, 낮은 온도(예를 들어, 초저온)에서 견딜 수 있는 성능을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 하나 이상의 절연체들 또는 코팅들은, 비제한적으로, 유리, 플라스틱, 고무, 에폭시, 에폭시 기반 합성물(composite), 테플론(Teflon), 및 공기와 같은 다양한 재료들 또는 합성물들로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 초전도 고장 전류 제한기(SCFCL) 시스템에서의 애플리케이션들로 인도되었지만, 초전도 자석들, 초전도 에너지 저장, 및 다른 초전도 애플리케이션들 또는 전류 리드들을 사용하는 다른 애플리케이션들과 같은, 다른 다양한 애플리케이션들 및 구현예들이 또한 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
최적화된 구성을 갖는 전류 리드를 제공함으로써, 특히, 교류(AC) 애플리케이션들에 있어, 열 부하 전달이 감소될 수 있다. 또한, 전류 리드 구성의 최적화는 제조의 유연성, 맞춤화, 비용 절감, 및 용이성을 제공할 수 있다.
본 발명은 본 명세서에서 설명된 특정 실시예들에 의해 그 범위가 제한되지 않는다. 오히려, 본 명세서에서 설명된 실시예들에 더하여, 본 발명의 다른 다양한 실시예들 및 본 발명에 대한 수정예들이 이상의 설명 및 첨부된 도면들로부터 당업자들에게 자명해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 수정예들이 본 발명의 범위 내에 속하도록 의도된다. 또한, 본 명세서에서 본 발명이 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현예의 맥락에서 설명되었지만, 당업자들은 본 발명의 유용성이 이에 한정되지 않으며, 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 이하에서 기술되는 청구항들은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 본 발명의 완전한 폭과 사상의 관점에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 전류 리드(current lead)로서,
    교류(alternating electrical current: AC)가 상기 전류 리드에 인가될 때 상기 전류 리드에 걸친 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전도성 재료로서, 온도 구배(temperature gradient)가 상기 전류 리드의 길이를 따라 나타나는, 상기 전도성 재료를 포함하는, 전류 리드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 재료 및 상기 구성 중 적어도 하나는 열 부하 전달을 감소시키기 위한 줄 가열(joule heating) 및 전도와 연관된 온도-의존(temperature-dependent) 특성들을 포함하는, 전류 리드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 리드는 열 부하 전달을 감소시키기 위하여 상기 전류 리드의 길이를 따라 결합된 2 이상의 재료들로 만들어지는, 전류 리드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 재료는 원통 형태를 포함하고, 상기 구성은 상기 전도성 재료 내의 중공부(hollow portion)를 포함하는, 전류 리드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 중공부는 테이퍼진(tapered) 원뿔 형태를 포함하는, 전류 리드.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 중공부는 2 이상의 세그먼트(segment)들을 갖는 계단진(stepped), 원뿔 형태를 포함하는, 전류 리드.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류 리드는 통합된 전류 리드의 길이를 따라 2 이상의 독립 전류 리드들에 의해 형성되는 통합된 전류 리드이며,
    상기 2 이상의 독립 전류 리드들의 각각은 다른 독립 전류 리드들과 비슷한 전체 단면 직경을 갖는, 전류 리드.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 최적화된 구성은 테이퍼진 전도성 재료 및 상기 전도성 재료 내의 중공부를 포함하는, 전류 리드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 최적화된 구성은 테이퍼진 전도성 재료를 포함하는, 전류 리드.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 리드의 표면의 적어도 부분을 커버하도록 구성된 절연 재료를 더 포함하는, 전류 리드.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 절연 재료가 상기 전도성 재료의 외부 표면의 적어도 부분에 부착되는, 전류 리드.
  12. 청구항 1에 있어서,
    전류 리드는 초전도(superconducting: SC) 시스템에서의 사용을 위해 구성되는, 전류 리드.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 초전도(SC) 시스템은, 초전도 고장 전류 제한기(superconducting fault current limiter: SCFCL) 시스템, 초전도(SC) 자석 시스템, 및 초전도(SC) 저장 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 전류 리드.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 리드는 통합된 전류 리드의 길이를 따라 2 이상의 독립 전류 리드들에 의해 형성되는 통합된 전류 리드인, 전류 리드.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 리드는 상이한 교류(AC) 입력 주파수들에 대하여 상이한 형태들을 갖는, 전류 리드.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 리드의 길이를 따른 하나 이상의 지점들에서의 하나 이상의 전기적 입력부들 및 상기 전류 리드의 상기 길이를 따른 하나 이상의 지점들에서의 하나 이상의 전기적 출력부들을 더 포함하는, 전류 리드.
  17. 초전도(superconducting: SC) 시스템으로서,
    교류(AC)가 전류 리드에 인가될 때 상기 전류 리드에 걸친 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 전도성 재료로서, 온도 구배가 상기 전류 리드의 길이를 따라 나타나는, 초전도(SC) 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 구성은 상기 전도성 재료 내의 중공부 상기 중공부 및 테이퍼진 전도성 재료 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 중공부는 테이퍼진 원뿔 형태 및 2 이상의 세그먼트들을 갖는 계단진, 원뿔 형태 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 테이퍼진 전도성 재료는 부드러운 테이퍼 및 계단진 테이퍼 중 적어도 하나는 포함하는, 초전도(SC) 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 전류 리드는 통합된 전류 리드의 길이를 따라 2 이상의 독립 전류 리드들에 의해 형성되는 통합된 전류 리드인, 초전도(SC) 시스템.
  20. 전류 리드를 제조하는 방법에 있어서,
    제 1 전류 리드를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 전류 리드는:
    제 1 중공부를 갖는 제 1 전도성 재료로서, 상기 제 1 전도성 재료 및 상기 제 1 중공부는 원통 형태이며, 상기 제 1 전도성 재료의 직경이 상기 제 1 중공부의 직경보다 큰, 상기 제 1 전도성 재료를 포함하는, 단계;
    제 2 전류 리드를 제공하는 단계로서, 상기 제 2 전류 리드는:
    제 2 중공부를 갖는 제 2 전도성 재료로서, 상기 제 2 전도성 재료 및 상기 제 2 중공부는 원통 형태이며, 상기 제 2 전도성 재료의 직경이 상기 제 2 중공부의 직경보다 크고, 상기 제 1 전도성 재료의 상기 직경이 상기 제 2 전도성 재료의 상기 직경과 거의 동일하며, 상기 제 1 중공부의 상기 직경은 상기 제 2 중공부의 상기 직경과 상이한, 상기 제 2 전도성 재료를 포함하는, 단계; 및
    교류(AC)가 통합된 전류 리드에 인가될 때 상기 통합된 전류 리드에 걸친 열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 상기 통합된 전류 리드를 형성하기 위하여, 상기 제 1 전류 리드 및 상기 제 2 전류 리드의 각각의 개별적인 단부들에서 상기 제 1 전류 리드와 상기 제 2 리드를 부착하는 단계로서, 온도 변동(fluctuation) 또는 구배가 상기 통합된 전류 리드의 길이를 따라 나타나는, 단계를 포함하는, 방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    제 3 전류 리드를 제공하는 단계로서, 상기 제 3 전류 리드는:
    제 3 중공부를 갖는 제 3 전도성 재료로서, 상기 제 3 전도성 재료 및 상기 제 3 중공부는 원통 형태이고, 상기 제 3 전도성 재료의 직경은 상기 제 3 중공부의 직경보다 크며, 상기 제 2 전도성 재료의 상기 직경은 상기 제 3 전도성 재료의 상기 직경과 거의 동일하고, 상기 제 3 중공부의 상기 직경은 상기 제 1 및 제 2 중공부들의 상기 직경과 상이한, 상기 제 3 전도성 재료를 포함하는, 단계; 및
    열 부하 전달을 감소시키기 위한 구성을 갖는 통합된 전류 리드를 형성하기 위하여 상기 제 2 전류 리드 및 상기 제 3 전류 리드의 각각의 개별적인 단부들에서 상기 제 3 전류 리드를 상기 제 2 전류 리드에 부착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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