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KR101221988B1 - 전도냉각을 이용한 초전도 회전기기 - Google Patents

전도냉각을 이용한 초전도 회전기기 Download PDF

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KR101221988B1
KR101221988B1 KR1020110140965A KR20110140965A KR101221988B1 KR 101221988 B1 KR101221988 B1 KR 101221988B1 KR 1020110140965 A KR1020110140965 A KR 1020110140965A KR 20110140965 A KR20110140965 A KR 20110140965A KR 101221988 B1 KR101221988 B1 KR 101221988B1
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rotary
cooling medium
fixed
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housing
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박태준
김태원
김석호
한무호
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

본 발명에 다른 초전도 회전기기는, 초전도선으로 형성된 고정자 코일 및 회전자 코일을 포함하는 회전기기 본체 및 상기 회전기기 본체에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각 유닛을 포함하는 초전도 회전기기로서, 상기 냉각 유닛에 연결된 고정단 하우징; 상기 고정단 하우징 내부에 내삽되고 상기 냉각 유닛에서 제공하는 냉매와 접촉된 고정단용 고체냉각매체; 상기 회전기기 본체에 연결된 회전단 하우징; 상기 회전단 하우징 내부에 내삽되고 상기 회전기기 본체의 회전축의 회전에 따라 회전되는 회전단용 고체냉각매체; 및 상기 고정단 하우징 및 상기 회전단 하우징을 밀봉하는 실링부재;를 포함할 수 있다.

Description

전도냉각을 이용한 초전도 회전기기{SUPERCONDUCTOR ROTATING MACHINE USING CONDUCTION COOLING}
본 발명은 초전도 회전기기에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 초전도 회전기기의 냉각 기술에 관한 것이다.
초전도 회전기기는 초전도 모터 및 초전도 발전기기를 통칭하며, 일반 상전도 모터 및 발전기와는 달리 계자 코일을 초전도선으로 대체한 것으로서 경량화 및 고효율화를 이룰 수 있다. 이러한 초전도 회전기기에서는 초전도 현상을 이용해야 하므로 회전자를 초전도 온도까지 냉각시켜야 한다.
한편, 고온 초전도체(HTS conductor)는 액체질소 온도(77K) 이하에서 초전도성을 갖게 되나, 초전도 회전기기의 경우 액체질소보다 더 낮은 온도(약 30K)로 냉각하여 더욱 경량화 및 고효율화를 달성하는 것이 일반적인 개발 추세이다.
일반적으로 낮은 온도를 달성하기 위해서는 극저온 냉동기(cryocooler)가 사용된다. 그러나 정지되어 있는 극저온 냉동기를 이용하여 회전하고 있는 초전도 코일을 극저온으로 냉각하기 위해서는 특별한 기술이 요구된다.
예컨대, 도 1에 도시한 열사이펀 방식 초전도 회전기기에서와 같이, 종래의 초전도 회전기기의 냉각 시스템은, 냉각 유닛(15)에 의해 제공되는 냉매가 회전자 유닛(5)의 내부 공동(12)에 까지 유입되어, 회전자에서 발생하는 열이 냉매를 통해 배출될 수 있도록 구성된다. 여기서, 극저온 냉동기와 같은 냉각 유닛(15)에서 응축된 액체 네온은 중력에 의해 회전자 유닛(5)에 마련된 내부 공동(12)으로 유입되며, 증발된 기체 네온이 다시 별도의 유로를 통해 회귀한 후 극저온 냉동기에서 재응축되는 구조를 갖는다.
이와 같이, 종래의 초전도 회전기기에서는 냉매를 직접 회전자 유닛까지 전달하고, 또한 증발된 냉매 기체를 다시 극저온 냉동기와 같은 냉각 유닛으로 회귀시키기 위하여 복잡한 구조의 유체(액체/기체) 대류 시스템이 요구되었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 초전도 회전기기의 냉각 방식의 단점을 보완하기 위한 새로운 냉각 방식으로서 전도 냉각에 의해 동작 가능한 초전도 회전기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 다른 초전도 회전기기는, 초전도선으로 형성된 고정자 코일 및 회전자 코일을 포함하는 회전기기 본체 및 상기 회전기기 본체에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각 유닛을 포함하는 초전도 회전기기로서, 상기 냉각 유닛에 연결된 고정단 하우징; 상기 고정단 하우징 내부에 내삽되고 상기 냉각 유닛에서 제공하는 냉매와 접촉된 고정단용 고체냉각매체; 상기 회전기기 본체에 연결된 회전단 하우징; 상기 회전단 하우징 내부에 내삽되고 상기 회전기기 본체의 회전축의 회전에 따라 회전되는 회전단용 고체냉각매체; 및 상기 고정단 하우징 및 상기 회전단 하우징을 밀봉하는 실링부재;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고정단용 고체냉각매체 및 상기 회전단용 고체냉각매체 각각의 일단에는 서로 끼워맞춤되는 원형 멤브레인이 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정단용 고체냉각매체의 일단에 형성된 제1 원형 멤브레인과 상기 회전단용 고체냉각매체의 일단에 형성된 제2 원형 멤브레인은 상호 이격되어 배치된 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정단용 고체냉각매체 및 상기 회전단용 고체냉각매체는 소정의 간격으로 상호 이격되어 배치되며, 그 이격된 공간에 냉매가 충전될 수 있다. 그리고, 냉매로는 헬륨을 사용할 수 있다.
또한, 상기 고정단용 고체냉각매체 및 상기 회전단용 고체냉각매체는 무산소동으로 형성될 수 있다.
아울러, 상기 고정단 하우징 및 상기 회전단 하우징은 스테인레스 스틸로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 초전도 회전기기는 전도 냉각 방식에 의해 냉각이 가능하며, 따라서 네온 등의 극저온 유체를 사용하지 않으므로 냉동기 성능에 따라 냉각량 및 냉각 온도의 조절이 가능하다.
도 1은 종래의 초전도 회전기기의 장치 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 초전도 회전기기에서 냉각 유닛 측의 고정단과 회전자 유닛 측의 회전단의 연결 구조를 도시한 개요도이다.
도 3 및 도 4는 고체냉각매체(110, 210)에 형성된 원형 멤브레인 구조를 각각 도시한 개요도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 초전도 회전기기의 바람직한 실시예에 대해 자세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 초전도 회전기기는, 초전도선으로 형성된 고정자 코일 및 회전자 코일을 포함하는 회전기기 본체 및 상기 회전기기 본체에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각 유닛을 포함한다. 여기서, 회전기기 본체에는 초전도선으로 구성된 고정자 코일과, 초전도선으로 구성된 회전자 코일이 제공되며, 고정자 코일 및 회전자 코일의 자기장의 상호 작용에 의해 회전자 코일이 고정된 회전축의 회전 운동을 유도한다.
한편, 종래에는 도 1에서 보듯이, 회전자 코일이 제공된 회전자 유닛에 내부 공동을 마련하고 여기에 냉각 유닛에서 제공하는 냉매가 유입시켜 회전자 코일에서 발생하는 열을 배출시키는 방식으로 회전기기를 냉각시켰다. 그러나, 본 발명에서는 정지되어 있는 냉각 유닛 측과 회전하고 있는 회전자 측을 고체냉각매체를 이용하여 전도 방식으로 냉각한다. 이러한 고체냉각매체를 이용한 전도 방식 냉각 시스템은 다음과 같은 구조를 통해 달성된다. 참고로, 이하에서는 회전기기 본체의 구성 중 고정자 코일 및 회전자 코일, 회전자 코일과 회전축의 연결구조는 종래의 회전기기와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 종래에는 회전자 코일이 내부 공동이 마련된 별도의 회전축 구조로 형성되었으나, 회전축에 내부 공동을 마련할 필요는 없으며, 그 이유에 대해서는 이하에서 자세히 후술할 것이다.
도 2에는, 본 발명에 따른 초전도 회전기기에서, 냉각 유닛에 연결된 고정단과 회전기기 본체의 회전축에 연결된 회전단의 연결 구조를 도시하였다. 도 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 초전도 회전기기는, 소정의 냉각 유닛(미도시)에 연결된 고정단 하우징(100), 고정단 하우징(100) 내부에 내삽되고 냉각 유닛에서 제공하는 냉매와 접촉된 고정단용 고체냉각매체(110); 회전기기 본체(미도시)에 연결된 회전단 하우징(200); 회전단 하우징 내부(200)에 내삽되고 회전기기 본체의 회전축의 회전에 따라 회전되는 회전단용 고체냉각매체(210); 및 고정단 하우징(100) 및 회전단 하우징(200)을 밀봉하는 실링부재(300);를 포함할 수 있다.
여기서, 고정단 하우징(100) 및 회전단 하우징(200)은 스테인레스 스틸로 형성될 수 있으며, 고정단용 고체냉각매체(110) 및 회전단용 고체냉각매체(210)는 무산소동(즉, 고순도 구리)으로 형성될 수 있다.
도 2에서, 고정단용 고체냉각매체(110) 및 회전단용 고체냉각매체(210)는 소정의 간격으로 상호 이격되어 배치되며, 그 이격된 공간(400)에는 예컨대 헬륨과 같은 냉매가 충전될 수 있다. 나아가, 고정단 하우징(100) 및 회전단 하우징(200)은 예컨대 페로-실링(Ferro-Seal; 300)에 의해 밀봉되며, 그에 따라 회전단 하우징(200)이 고정단 하우징(100)에 의해 자유로이 회전 가능하게 밀봉된다. 예컨대, 회전단 하우징(200)의 일단에는 플랜지(202)가 형성되고, 고정단 하우징(100)의 단부에는 오링(310)을 개재한 페로-실링 부재(300)가 설치되고, 페로-실링 부재(300)가 회전단 하우징(200)의 플랜지(202)에 체결되는 구조로 설치될 수 있다.
특히, 고정단 하우징(100) 및 회전단 하우징(200) 중 어느 하나의 일단이 다른 하나의 일단에 내삽되되, 각각의 일단은 소정의 간격으로 이격되어 있으며, 이렇게 형성된 간격(410)은 고정단용 고체냉각매체(110) 및 회전단용 고체냉각매체(210)가 이격된 공간(400)에 연결된 구조를 갖는다. 이와 같이, 고정단용 고체냉각매체(110) 및 회전단용 고체냉각매체(210) 사이에 냉매가 충전된 공간(400)은 페로-실링(300)까지 연결되는 구조로 형성되는 것이 바람직한데, 이는 외부에서의 열침입을 최소화하기 위함이다.
상술한 냉각 구조를 가진 본 발명에 따른 초전도 회전기기에서는, 회전기기 본체에서 발생하는 열이 회전단용 고체냉각매체(210)을 거쳐 간격(400, 410)에 충전된 냉매에 전달되며, 다시 고정단용 고체냉각매체(110)를 통해 냉각 유닛에서 제공하는 냉매에 전달되는 방식으로 배출된다(도 2의 화살표 참조).
이와 같은 전도 방식 냉각 시스템에서, 회전단용 고체냉각매체(210)로부터 고정단용 고체냉각매체(110)로 열이 전달될 때 발생하는 열저항을 최소화하기 위해서는, 회전단용 고체냉각매체(210)와 고정단용 고체냉각매체(110) 사이의 열교환 면적을 확장하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 도 3 및 도 4에서 보듯이, 고정단용 고체냉각매체(110) 및 회전단용 고체냉각매체(210)의 단부에 원형 멤브레인을 형성하는 것이 바람직하다.
즉, 도 3에서 보듯이, 예컨대 고정단용 고체냉각매체(110)의 단부에 복수의 원형 멤브레인(112a, 112b)을 형성할 수 있다. 이때, 각 원형 멤브레인들(112a, 114a) 사이에 홈(114a) 또는 단차(114b)가 형성될 수 있다. 여기에는, 도 4에 도시한 회전단용 고체냉각매체(210)에 형성된 원형 멤브레인들(212a, 212b)이 고정단용 고체냉각매체(110)의 단부에 형성된 홈(114a) 및 단차(114b)에 끼워맞춤될 수 있다. 특히, 도 3 및 도 4에 도시한 고체냉각매체(110, 210)의 단부에 형성된 원형 멤브레인은, 고정단용 고체냉각매체(110)에 대한 회전단용 고체냉각매체(210)의 회전 동작시 서로 간섭되지 않는 구조를 가져야 하며, 따라서 각각의 고체냉각매체의 중심에 대해 대칭인 구조를 갖는 것이 바람직하다. 나아가, 앞에서 설명하였듯이, 고정단용 고체냉각매체(110)의 일단에 형성된 원형 멤브레인(112a, 112b)과 회전단용 고체냉각매체(210)의 일단에 형성된 원형 멤브레인(212a, 212b)은 상호 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 참고로, 도 3 및 도 4에 도시한 고정단용 고체냉각매체(110)의 단부와 회전단용 고체냉각매체(210)의 단부에 각각 형성된 원형 멤브레인 형상은 예시적인 것이며 상호 변경이 가능하다. 예컨대 도 3에 도시한 고체냉각매체의 단부 구조를 회전단용 고체냉각매체에 적용하고, 도 4에 도시한 고체냉각매체의 단부 구조를 고정단용 고체냉각매체에 적용하는 것도 가능하다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 초전도선으로 형성된 고정자 코일 및 회전자 코일을 포함하는 회전기기 본체 및 상기 회전기기 본체에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각 유닛을 포함하는 초전도 회전기기에 있어서,
    상기 냉각 유닛에 연결된 고정단 하우징;
    상기 고정단 하우징 내부에 내삽되고 상기 냉각 유닛에서 제공하는 냉매와 접촉된 고정단용 고체냉각매체;
    상기 회전기기 본체에 연결된 회전단 하우징;
    상기 회전단 하우징 내부에 내삽되고 상기 회전기기 본체의 회전축의 회전에 따라 회전되는 회전단용 고체냉각매체; 및
    상기 고정단 하우징 및 상기 회전단 하우징을 밀봉하는 실링부재;를 포함하는 초전도 회전기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정단용 고체냉각매체 및 상기 회전단용 고체냉각매체 각각의 일단에는 서로 끼워맞춤되는 원형 멤브레인이 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고정단용 고체냉각매체의 일단에 형성된 제1 원형 멤브레인과 상기 회전단용 고체냉각매체의 일단에 형성된 제2 원형 멤브레인은 상호 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고정단용 고체냉각매체 및 상기 회전단용 고체냉각매체는 소정의 간격으로 상호 이격되어 배치되며, 그 이격된 공간에 냉매가 충전된 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉매는 헬륨인 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정단용 고체냉각매체 및 상기 회전단용 고체냉각매체는 무산소동으로 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정단 하우징 및 상기 회전단 하우징은 스테인레스 스틸로 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기.
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