KR20160007992A - 초전도 및 상전도 겸용 리액터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 및 상전도 겸용 리액터에 관한 것으로, 이는 코일 형상으로 형성되면서 일측에 상기 코일 형상을 따라 수용부가 구비된 보빈; 및 초전도체로 만들어지고, 상기 보빈의 수용부 내에 삽입되어 상기 코일 형상을 따라 연장하는 초전도 권선을 포함하여서, 초전도 리액터의 고장시에도, 비록 저항은 있으나, 상전도 리액터와 동일한 원리로 작동이 가능하게 되어서, 시스템을 안정적으로 구성할 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

초전도 및 상전도 겸용 리액터 {Reactor for superconduction and normal conduction}

본 발명은 초전도 및 상전도 겸용 리액터에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 초전도 조건이 설정되면 초전도 리액터로 작동하고, 초전도 조건이 해제된 경우에 상전도 리액터로 작동하게 되어 리액터로서의 역할을 지속적으로 수행 가능하게 됨으로써, 시스템을 안정적으로 구성할 수 있게 하는 초전도 및 상전도 겸용 리액터에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아님을 밝혀둔다.

직류 대전류(예컨대 수십 kA 이상급)를 전력기기에 투입할 때에는, 변압기로부터의 3상 교류가 정류기를 통과하여 직류로 변환된다. 그러나, 정류기를 통과한 직류의 경우에 맥동전류(Ripple Current)가 남아 있어, 정밀한 전류 제어가 요구되면 리액터를 통과시킴으로써 이와 같은 맥동전류를 최소화하고 있다. 또한, 리액터를 통해, 전류의 파형을 개선하고 전체 역률을 향상시킬 수 있다.

이러한 리액터를 적용하면, 리액터가 갖는 코일 자체의 저항으로 인한 손실이 발생하며, 맥동전류의 감소 성능을 위해서는 인덕턴스를 발생시켜야 하므로, 코일이 자기장을 형성할 수 있는 형태로 구성되어야 한다. 이에 따라 대전류 통전을 위한 리액터에서는 코일 단면적의 증대와 해당 코일의 권선으로 인한 사이즈의 증대가 초래된다.

한편, 극저온에서 전기적 저항이 없는 초전도체는, 상전도체와 비교하여 고자장, 저손실, 경량화 및 소형화의 장점을 가지고 있어 다양한 전력기기 분야에서의 응용이 시도되고 있다.

초전도체를 리액터에 활용하게 되면, 초전도 조건에서 전류 저항을 제로(Zero)로 구현하는 것과 자기장을 형성하는 것이 용이하므로, 코일의 저항으로 인한 손실을 없앨 수 있다. 또, 리액터의 사이즈도 코일을 기준으로 하여 1/3 이하로 줄일 수 있다.

그러나, 초전도 리액터의 경우에 초전도 조건, 즉 4K ~ 77K 정도의 극저온인 온도 조건과 자장 조건, 초전도체의 응력 조건이 충족되지 않으면 리액터로서의 역할을 정상적으로 수행할 수 없게 된다.

예를 들어, 대전류 공급용 직류 리액터를 사용하고 있는 전기로에서 리액터가 정상적인 역할을 수행하지 못해 전력의 공급이 중단되면, 이는 중대한 사고로 이어지기 때문에, 조업이 진행되고 있는 도중에 전력 공급의 중단을 방지할 수 있는 안정된 시스템의 구성이 필수적으로 요구되고 있다.

이에 본 발명은 초전도 조건이 설정되면 초전도 리액터로 작동하고, 초전도 조건이 해제된 경우에 상전도 리액터로 작동하게 되어 리액터로서의 역할을 지속적으로 수행 가능하게 됨으로써, 시스템을 안정적으로 구성할 수 있게 하는 초전도 및 상전도 겸용 리액터를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명에 따른 리액터는, 코일 형상으로 형성되면서 일측에 상기 코일 형상을 따라 수용부가 구비된 보빈; 및 초전도체로 만들어지고, 상기 보빈의 수용부 내에 삽입되어 상기 코일 형상을 따라 연장하는 초전도 권선을 포함하고 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 초전도 리액터의 고장시에도, 비록 저항은 발생할 수 있으나, 상전도 리액터와 동일한 원리로 작동이 가능하게 되어서, 시스템을 안정적으로 구성할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 리액터는 물론, 궁극적으로는 전력기기의 열적 안정성, 내구성 및 운전 안정성을 보장하는 효과를 얻게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 리액터를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 리액터의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 리액터의 변형예를 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 리액터를 도시한 사시도로서, 관통로와 냉각관을 생략한 채로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 리액터의 회로도이며, 도 3은 본 발명에 따른 리액터의 변형예를 도시한 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 리액터(1)는, 코일 형상으로 형성되면서 일측에 코일 형상을 따라 수용부(12)가 구비된 보빈(10); 및 초전도체로 만들어지고, 보빈(10)의 수용부(12) 내에 삽입되어 코일 형상을 따라 연장하는 초전도 권선(20)을 포함하고 있다.

보빈(10)은 상전도 리액터로 작동함과 더불어, 초전도체로 된 권선을 보유지지하는 역할을 수행하게 된다. 이 때문에, 보빈(10)은 예컨대 알루미늄, 구리 등과 같은 전도성 재질, 보다 구체적으로는 상전도체로 만들어진다.

또한, 보빈(10)은 원통형(Solenoid), 원뿔형, 장구형(모래시계형) 또는 다각기둥형 등의 코일 형상을 갖게 되는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 임의의 형상, 예컨대 다각형의 통형으로 형성될 수도 있다. 이러한 보빈(10)이 상전도 리액터로 작동할 수 있기 때문에, 상전도 상태에서 예컨대 전기로 등의 전력기기 가동을 위한 전류를 통전할 수 있는 크기 및 형상으로 구성되는 것이 좋다.

보빈(10)의 일측에는, 바람직하기로는 보빈(10)의 최외곽면에는 그 코일 형상을 따라 나선으로 소정 깊이의 수용부(12)가 마련될 수 있다. 보빈(10)에서 수용부(12)의 위치는 도시된 것에 한정되지 않고 변경될 수 있음은 당연하다. 또, 이러한 수용부(12)는 홈이나 오목부, 채널 등의 형태로 다양하게 형성될 수 있다.

이러한 수용부(12) 내에 초전도체로 된 초전도 권선(20)이 삽입되어, 이 초전도 권선(20)이 초전도 조건일 때 초전도 리액터로 작동하게 된다. 초전도 권선(20)은 예컨대 BSCCO(Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide) 계열, YBCO(Yttrium Barium Copper Oxide) 계열 등과 같은 고온 초전도체로 만들어지는 것이 좋으나, 반드시 이러한 계열의 재질로만 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 보빈(10)의 수용부(12) 내에 초전도 권선(20)을 삽입하여 감음으로써, 보빈(10)으로 구성되는 상전도의 제1코일과 초전도 권선(20)으로 구성되는 초전도의 제2코일을 가진 초전도 및 상전도 겸용 리액터가 이루어지는 것이다.

이들 상전도의 제1코일과 초전도의 제2코일은 도 2에 도시된 바와 같이 전류 회로에서 병렬로 연결된다. 보빈(10)의 양측 단부는 전원이 인가되는 전류 인입부 및 인출부를 구성할 수 있다. 독립적으로, 초전도 권선(20)의 양측 단부도 전원이 인가되는 전류 인입부 및 인출부를 구성할 수 있다. 보빈(10)에 접속되는 전류 리드와 초전도 권선(20)에 접속되는 초전도 전류 리드가 병렬로 연결되어 전원을 인가받게 된다.

여기서, 보빈(10)의 양측 단부와 초전도 권선(20)의 양측 단부의 위치가 반드시 일치할 필요는 없다. 즉, 보빈(10)의 나선 길이와 초전도 권선(20)의 나선 길이는 상이하게 될 수 있다.

이렇게 구성된 본 발명의 리액터(1)는, 초전도 권선(20)의 초전도 조건을 위해 극저온으로 냉각 및 단열되어야 하므로 리액터(1)를 둘러싸는 단열용기(미도시)를 포함할 수 있다. 우수한 단열 효과를 얻기 위해, 단열용기 내는 진공 분위기로 이루어지는 것이 좋다.

전술한 전류 리드 또는 초전도 전류 리드와, 후술하는 냉각기 또는 순환펌프를 위한 전원 케이블 등은 단열용기를 통해 삽입되어 해당 구성요소에 접속됨으로써, 전원의 인가가 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 리액터(1)를 극저온으로 냉각하기 위한 냉각 시스템이 단열용기 내에 수용될 수 있다. 이러한 냉각 시스템은, 냉매를 극저온으로 냉각시키기 위한 냉각기(미도시)와 냉매를 순환시키기 위한 순환펌프(미도시)를 포함한다. 하지만, 냉각 시스템의 배치는 반드시 이에 한정되지 않으며, 냉각기 또는 순환펌프가 단열용기의 외부에 위치하여도 된다.

냉매로는 예컨대 헬륨가스가 바람직하지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 다른 임의의 적절한 극저온용 냉매가 사용될 수 있음은 물론이다.

이러한 냉각을 위해, 도 3에서와 같이, 보빈(10)에는 그 내부에 코일 형상을 따라 나선으로 관통로(14)가 형성될 수 있다. 이러한 관통로(14)에 냉매를 통과시켜 보빈(10)을 냉각시키고, 이로부터 전도를 통해 초전도 권선(20)을 간접적으로 냉각시킬 수 있게 된다.

여기서, 관통로(14)를 갖춘 보빈(10)을 제조할 때에는 압출, 인발, 주조 등을 이용하여 일체로, 또는 홈을 가진 분할체의 접합을 통해 조립체로 관부재를 형성하고, 이 관부재를 나선으로 감아 관통로(14)를 갖춘 보빈(10)으로 만들 수 있다. 물론, 다른 임의의 방식으로 보빈(10)에 관통로(14)를 형성할 수 있으며, 이러한 기술들은 이미 공지되어 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

관통로(14)에 냉매를 순환시키기 위해서는 관통로(14)의 양단부에 냉각 시스템으로부터 연장한 냉매용 배관이 접속되거나, 냉매용 배관 일부가 관통로(14)의 안쪽으로 삽입되어 접합될 수 있다.

혹은, 관통로 없이 냉매용 배관이 직접 보빈(10)의 일측면에 그 코일 형상을 따라 나선으로 부착될 수 있으며, 예를 들어 보빈(10)의 일측면, 특히 코일의 내측면에 홈을 형성하여 해당 냉매용 배관과 보빈(10)의 접촉면적을 넓힌 형태로 부착될 수도 있다. 이때, 냉매용 배관은 열전도성이 우수한 재질로 형성되는 것이 좋다.

더불어, 초전도 권선(20)을 위해 별도로 그 일측에 또는 초전도 권선(20)과 보빈(10)의 수용부(12) 사이에 코일 형상을 따라 나선으로 형성된 냉각관(40)이 접합될 수 있다. 이 냉각관(40)은 동관(銅管) 등과 같이 열전도성이 우수한 재질로 형성되어 있다.

관통로(14) 또는 냉각관(40) 내에서 전술한 헬륨가스와 같은 극저온 냉매가 유동하게 된다. 관통로(14) 또는 냉각관(40) 중 어느 한쪽만 채용되고, 도시되지 않은 냉매용 배관을 매개로 하여 냉각기와 순환펌프가 연결됨으로써, 폐회로를 구성하여 냉각 시스템을 형성할 수 있다.

또한, 관통로(14) 및 냉각관(40)이 함께 채용될 수 있는바, 예를 들어 관통로(14)와 냉각관(40)이 직렬로 연결된 상태에서 냉매용 배관을 매개로 냉각기와 순환펌프가 연결되어 폐회로를 구성함으로써, 동일한 냉매를 순환시켜 초전도의 제2코일과 상전도의 제1코일을 순차적으로 냉각하는 단일의 냉각 시스템이 이루어지게 할 수도 있다.

이때, 상전도의 제1코일에서 생기는 손실로 인한 발열도 초전도의 제2코일을 냉각하는 수단, 즉 초전도 권선(20)에 접하여 순환하면서 냉각시키는 극저온용 냉매를 활용하여 냉각할 수 있게 되는 것이다.

구체적으로, 냉각기로부터 펌핑되는 극저온의 냉매가 먼저 초전도 권선(20)에 접하고 있는 냉각관(40)을 통과하여 냉매 순환 및 전도에 의해 초전도 권선(20)을 냉각하고, 이어서 다소 상승한 온도의 냉매가 보빈(10)을 관통하는 관통로(14)를 따라 유동하여 보빈(10)을 냉각하게 된다. 열을 전달받은 냉매는 냉각기로 복귀하여 다시 냉각된다.

이 경우에, 단열용기는 수 시간 또는 수십 시간 이상으로 상온보다 낮은 온도에서 상전도의 제1코일 및 초전도의 제2코일을 냉각하기에 충분한 냉각용량을 유지할 수 있다.

한편으로, 관통로(14) 및 냉각관(40)이 함께 채용될 때, 상전도의 제1코일과 초전도의 제2코일을 각각 냉각하기 위한 복수의 냉각 시스템을 구성할 수도 있다.

냉각 시스템을 달리할 경우에, 관통로(14)에는 예컨대 액체질소(액화 온도가 77K)로 된 제1냉매가 유동하고, 이 관통로(14)는 도시되지 않은 냉각기와 순환펌프가 연결되어 폐회로를 구성함으로써, 보빈(10) 내에 제1냉매를 순환시켜 보빈(10)의 냉각이 이루어지게 된다.

또, 냉각관(40)에는 예컨대 헬륨(액화 온도가 4K), 네온(액화 온도가 27K) 등의 가스로 된 극저온용 제2냉매가 유동하고, 이 냉각관(40)에도 도시되지 않은 별도의 냉각기와 순환펌프가 연결되어 폐회로를 구성함으로써, 냉매 순환 및 전도를 통해 초전도 권선(20)을 냉각할 수 있다.

이와 같이, 상전도의 제1코일과 초전도의 제2코일 간의 냉각을 달리할 경우에는 상전도 운전시와 초전도 운전시의 특성에 맞게 냉각 방식의 조정이 가능하다. 예를 들어, 상전도 운전시 고가(高價) 및 전력 소모가 상대적으로 많은 헬륨 등을 사용하지 않고, 액체질소만으로 냉각할 수 있다.

본 발명에 따른 리액터(1)에서는, 전술한 바와 같이 상전도의 제1코일과 초전도의 제2코일이 병렬로 연결되어 있는데, 초전도의 제2코일이 정상 작동하고 있을 경우에는, 전류는 저항이 낮은 곳으로 흐르는 원리에 의해 모든 전류가 저항이 제로인 초전도 권선(20)을 따라 흐르게 되어 초전도 리액터로 동작하게 된다.

반면에, 초전도의 제2코일이 정상으로 작동되지 못할 경우에는 상전도의 제1코일에 비해 초전도의 제2코일 쪽에서 저항이 증대되므로, 해당 초전도 권선(20)을 일부분 감싸고 있는 전도성 재질의 보빈(10)으로 전류가 흐르게 됨에 따라 필요한 인덕턴스를 발생시며 상전도 리액터와 같이 동작하게 된다.

이로 인해 초전도의 제2코일이 고장나게 되더라도, 비록 저항은 있으나, 상전도 리액터로 동작하게 되어, 시스템을 안정적으로 구성할 수 있게 되는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 리액터 10: 보빈
12: 수용부 14: 관통로
20: 초전도 권선 40: 냉각관

Claims (11)

1. 코일 형상으로 형성되면서 일측에 상기 코일 형상을 따라 수용부가 구비된 보빈; 및
   초전도체로 만들어지고, 상기 보빈의 수용부 내에 삽입되어 상기 코일 형상을 따라 연장하는 초전도 권선
   을 포함하는 리액터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 보빈은 전도성 재질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 리액터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 보빈의 나선 길이와 상기 초전도 권선의 나선 길이는 상이한 것을 특징으로 하는 리액터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 보빈에 접속되는 전류 리드와 상기 초전도 권선에 접속되는 초전도 전류 리드는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 리액터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 리액터를 둘러싸는 단열용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 리액터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 단열용기 내에 상기 리액터를 냉각하기 위한 냉각 시스템이 수용되는 것을 특징으로 하는 리액터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 냉각 시스템은, 냉매를 냉각시키기 위한 냉각기와, 상기 냉매를 순환시키기 위한 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 리액터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 보빈에는 내부에 코일 형상을 따라 나선으로 관통로가 형성되어 있고,
   상기 관통로를 통해 상기 냉매가 유동하는 것을 특징으로 하는 리액터.
9. 제7항에 있어서,
   상기 냉각 시스템으로부터 연장한 냉매 배관이 상기 보빈의 일측면에 코일 형상을 따라 나선으로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 리액터.
10. 제7항에 있어서,
    상기 초전도 권선에는 일측에 또는 상기 초전도 권선과 상기 보빈의 수용부 사이에 코일 형상을 따라 나선으로 형성된 냉각관이 접합되어 있고,
    상기 냉각관을 통해 상기 냉매가 유동하는 것을 특징으로 하는 리액터.
11. 제7항에 있어서,
    상기 보빈에는 내부에 코일 형상을 따라 나선으로 관통로가 형성되고,
    상기 초전도 권선에는 일측에 또는 상기 초전도 권선과 상기 보빈의 수용부 사이에 코일 형상을 따라 나선으로 형성된 냉각관이 접합되며,
    상기 관통로에는 제1냉매가 유동하고,
    상기 냉각관에는 제2냉매가 유동하는 것을 특징으로 하는 리액터.
    

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