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KR101513816B1 - Super conducting electric power generation system - Google Patents

Super conducting electric power generation system Download PDF

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Publication number
KR101513816B1
KR101513816B1 KR1020130166769A KR20130166769A KR101513816B1 KR 101513816 B1 KR101513816 B1 KR 101513816B1 KR 1020130166769 A KR1020130166769 A KR 1020130166769A KR 20130166769 A KR20130166769 A KR 20130166769A KR 101513816 B1 KR101513816 B1 KR 101513816B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
refrigerant
rotor
cooling chamber
supply device
cryogenic
Prior art date
Application number
KR1020130166769A
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Korean (ko)
Inventor
김철희
박진수
고경진
Original Assignee
두산엔진주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

The present invention relates to a super conducting electric power generation system. A super conducting electric power generation system according to an embodiment of the present invention includes: a rotator in which a field magnet including a super conducting coil, and a cooling chamber which is rotated with the field magnet, surrounds the super conducting coil, and is filled with a first coolant; a stator which surrounds the rotator and includes an armature; a rotation shaft which is connected to the rotator to transmit power and has a hollow part of the rotation shaft; an ultra-low temperature coolant supply device which cools a second coolant and supplies the same; and a heat exchanger which exchanges the second coolant which is installed to the hollow part of the rotation shaft and is supplied to the ultra-low temperature coolant supply device for the first coolant which is filled with the cooling chamber of the rotator.

Description

초전도 발전 시스템{SUPER CONDUCTING ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM}[0001] SUPER CONDUCTING ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM [0002]

본 발명의 실시예는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 냉매를 사용하여 초전도 코일을 냉각시키는 초전도 발전 시스템에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a superconducting power generation system, and more particularly, to a superconducting power generation system for cooling a superconducting coil using a plurality of coolants.

일반적으로 초전도 발전기는 절대온도 OK, 즉 섭씨 영하 273도에서 전기 저항이 소멸하는 초전도 현상을 응용한 발전기이다. 초기의 초전도 발전기는 절대온도 4K 내지 20K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 선재를 사용하다가 근래에는 상대적으로 높은 절대온도 30K 내지 77K에서 초전도 현상을 나타내는 소재가 발견되면서, 초전도 발전기에 대한 개발이 가속되고 있다.Generally, a superconducting generator is a generator that uses superconductivity phenomenon in which electrical resistance disappears at an absolute temperature of OK, ie, -273 ° C. Early superconducting generators use wire materials that generate superconducting phenomena within an absolute temperature range of 4K to 20K. Recently, materials for superconducting phenomena have been found at relatively high absolute temperatures of 30K to 77K, accelerating the development of superconducting generators have.

현재 개발된 대부분의 초전도 발전기는 상전도 발전기에서 계자에 사용되던 구리 코일을 초전도 코일로 대체한 구조를 갖는다.Most of the superconducting generators currently developed have a structure in which superconducting coils replace the copper coils used in the field generators in the superconducting generators.

이와 같이, 초전도 코일로 계자를 형성하면, 전기 저항으로 인한 손실없이 고자장의 회전자계를 만들 수 있다. 이에, 초전도 발전기는 상전도 발전기와 대비하여 향상된 효율과 감소된 크기 및 무게를 가질 수 있다.Thus, when a field is formed with a superconducting coil, a magnetic field of a high magnetic field can be produced without loss due to electrical resistance. Thus, superconducting generators can have improved efficiency and reduced size and weight as compared to a superconducting generator.

그런데, 초전도 선재로 만들어진 초전도 코일에 저항없이 전류를 흘리기 위해서는 초전도 권선이 설치된 계자를 극저온으로 냉각 시키기 위한 냉각 시스템이 추가로 요구된다. 그럼에도, 초전도 선재는 구리선보다 더 많은 전류를 저항없이 흘릴 수 있기 때문에 여자 손실이 0에 가까워 냉각 손실을 고려하더라도 총 손실을 대폭 줄일 수 있으므로, 상전도 발전기와 대비하여 효율을 향상시킬 수 있다.However, in order to allow a current to flow through a superconducting coil made of superconducting wire without a resistor, a cooling system for cooling a field provided with a superconducting wire to a cryogenic temperature is further required. Nevertheless, the superconducting wire can flow more current than the copper wire without resistance, so that the loss can be reduced compared to the normal-mode generator because the loss is close to zero and the total loss can be reduced considerably.

하지만, 초전도 권선이 설치된 계자는 작동 온도가 매우 낮으므로, 이를 사용하기 위해서는 액화점이 낮은 냉매를 사용하여야 한다.However, since the operating temperature of a field coil with superconducting windings is very low, it is necessary to use a refrigerant with a low liquid point to use it.

이에 종래에는, 액화 냉매가 기체로 상변화 할 때 발생하는 기화열을 이용하여 초전도 코일을 냉각시켰다. 그러나 초전도 코일의 냉각에는 정해진 양의 냉매를 이용하기 때문에 통상적으로 초기 냉각 시간이 지연되었다. 또한, 원활한 냉매 순환이 이루어지지 않아 초기 냉각 구간뿐만 아니라 과도 냉각 구간에서도 냉각 시간이 길어지는 문제점이 있다.Conventionally, the superconducting coils are cooled using the heat of vaporization generated when the liquefied refrigerant is phase-changed into gas. However, since a certain amount of refrigerant is used for cooling the superconducting coil, the initial cooling time is usually delayed. Further, since the refrigerant circulation is not smooth, there is a problem that the cooling time is prolonged not only in the initial cooling section but also in the transient cooling section.

공개특허공보 제10-2013-0107641호(2013.10.02)Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2013-0107641 (Oct. 20, 2013) 공개특허공보 제10-2004-0009260호(2004.01.31)Published Japanese Patent Application No. 10-2004-0009260 (January 31, 2004) 공개특허공보 제10-2000-0060116호(2000.10.16)Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2000-0060116 (October 16, 2000)

본 발명의 실시예는 초전도 코일을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 초전도 발전 시스템을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a superconducting power generation system capable of effectively cooling a superconducting coil.

본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 초전도 코일을 포함하는 계자와 상기 계자와 함께 회전하면서 상기 초전도 코일을 둘러싸며 내부에 제1 냉매가 채워진 냉각 챔버를 포함하는 회전자와, 상기 회전자를 둘러싸며 전기자를 포함하는 고정자와, 상기 회전자와 연결되어 회전 동력을 전달하며 회전축 중공부를 갖는 회전축과, 제2 냉매를 극저온으로 냉각시켜 공급하는 극저온 냉매 공급 장치, 그리고 상기 회전축의 회전축 중공부에 설치되어 상기 극저온 냉매 공급 장치가 공급한 제2 냉매와 상기 회전자의 냉각 챔버에 채워진 제1 냉매를 서로 열교환시키는 열교환기를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a superconducting power generation system includes a rotor including a field including a superconducting coil and a cooling chamber surrounding the superconducting coil while being rotated together with the field and filled with a first coolant, A cryogenic coolant supply device connected to the rotor to transmit a rotational power and having a rotation shaft hollow portion and a cryogenic coolant supply device for cooling and supplying the second coolant to a cryogenic temperature, And a heat exchanger for exchanging heat between the second refrigerant supplied by the cryogenic coolant supply device and the first refrigerant filled in the cooling chamber of the rotor.

또한, 초전도 발전 시스템은 상기 회전자의 냉각 챔버와 상기 열교환기를 연결하는 제1 냉매관과, 상기 극저온 냉매 공급 장치와 상기 열교환기를 연결하는 제2 냉매관을 더 포함할 수 있다.The superconducting power generation system may further include a first refrigerant pipe connecting the cooling chamber of the rotor and the heat exchanger, and a second refrigerant pipe connecting the cryogenic refrigerant supply device and the heat exchanger.

상기 제2 냉매관은 비회전하는 상기 극저온 냉매 공급 장치와 회전하는 상기 회전축의 중공부에 설치된 열교환기를 연결할 수 있다. 그리고 초전도 발전 시스템은 상기 회전축에 설치되어 상기 제2 냉매관의 비회전 구간과 회전 구간을 연결하는 로터리 커플링(rotary coupling)을 더 포함할 수 있다.The second refrigerant pipe may connect a non-rotating cryogenic coolant supply device with a heat exchanger installed in a hollow portion of the rotating shaft. The superconducting power generation system may further include a rotary coupling installed on the rotary shaft and connecting the non-rotary section and the rotary section of the second refrigerant tube.

상기 극저온 냉매 공급 장치는 상기 열교환기에서 상기 제1 냉매와 열교환 후 회수된 상기 제2 냉매를 다시 극저온 상태로 냉각시키는 냉동기(cryogenic coole)를 포함할 수 있다.The cryogenic coolant supply device may include a cryogenic cooler for cooling the second coolant recovered after heat exchange with the first coolant in the heat exchanger to a cryogenic temperature again.

상기 회전자의 냉각 챔버 내에서 상기 제1 냉매는 고체 상태로 유지되며, 상기 제2 냉매는 액체 상태로 상기 극저온 냉매 공급 장치와 상기 열교환기 사이를 순환할 수 있다.The first refrigerant is maintained in a solid state in the cooling chamber of the rotor, and the second refrigerant can circulate between the cryogenic coolant supply device and the heat exchanger in a liquid state.

상기 제1 냉매는 질소이고, 상기 제2 냉매는 네온일 수 있다.The first refrigerant may be nitrogen and the second refrigerant may be a neon.

또한, 상기 회전자는 상기 회전축의 회전 동력을 전달하는 다각통 형상의 토크 디스크를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 계자는 상기 토크 디스크의 외면에 결합된 지지 플레이트와, 상기 초전도 코일이 권선되며 일측이 상기 지지 플레이트에 분리 가능하게 슬라이딩 결합된 보빈 플레이트를 더 포함할 수 있다.Further, the rotor may further include a polygonal tubular torque disk for transmitting rotational power of the rotating shaft. The field magnet may further include a support plate coupled to an outer surface of the torque disc, and a bobbin plate having the superconducting coil wound thereon and the one side thereof being removably slidably coupled to the support plate.

상기 회전자는 상기 보빈 플레이트의 타측에 결합된 프리즘 형상의 냉매 편심 방지부를 더 포함할 수 있다.The rotor may further include a prismatic refrigerant eccentricity preventing part coupled to the other side of the bobbin plate.

상기 토크 디스크는 진공 상태인 디스크 중공부를 가질 수 있다.The torque disc may have a disc hollow portion in a vacuum state.

상기 회전자는 상기 냉각 챔버를 둘러싸는 단열 챔버를 더 포함하며, 상기 냉각 챔버와 상기 단열 챔버 사이의 공간은 진공 상태일 수 있다.The rotor further includes an adiabatic chamber surrounding the cooling chamber, and the space between the cooling chamber and the adiabatic chamber may be in a vacuum state.

본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 초전도 코일을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the superconducting power generation system can effectively cool the superconducting coil.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 회전자의 단면도이다.
도 3은 도 2의 계자를 확대 도시한 단면도이다.
1 is a configuration diagram of a superconducting power generation system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view of the rotor of Figure 1;
3 is an enlarged cross-sectional view of the field of FIG.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.The drawings are schematic and illustrate that they are not drawn to scale. The relative dimensions and ratios of the parts in the figures are shown exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the figures, and any dimensions are merely illustrative and not restrictive. And to the same structure, element or component appearing in more than one drawing, the same reference numerals are used to denote similar features.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.The embodiments of the present invention specifically illustrate ideal embodiments of the present invention. As a result, various variations of the illustration are expected. Thus, the embodiment is not limited to any particular form of the depicted area, but includes modifications of the form, for example, by manufacture.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)을 설명한다.Hereinafter, a superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 회전축(400), 회전자(200), 고정자(300), 극저온 냉매 공급 장치(900), 및 열교환기(600)를 포함한다.1, a superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention includes a rotary shaft 400, a rotor 200, a stator 300, a cryogenic coolant supply device 900, (600).

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 제1 냉매관(510), 제2 냉매관(520), 및 로터리 커플링(550)을 더 포함할 수 있다.The superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention may further include a first refrigerant pipe 510, a second refrigerant pipe 520, and a rotary coupling 550.

또한, 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 회전축(400)에 회전 동력을 제공하는 엔진을 더 포함할 수 있다. 즉, 초전도 발전 시스템(101)은 엔진으로부터 제공받는 회전 동력을 통해 전기를 생성할 수 있다.Further, although not shown, the superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention may further include an engine that provides rotational power to the rotating shaft 400. [ That is, the superconducting power generation system 101 can generate electricity through rotational power supplied from the engine.

또한, 회전축(400)은 회전자(200)와 연결되어 회전자(200)에 회전 동력을 전달한다. 그리고 본 발명의 일 실시예에서, 회전축(400)은 회전축 중공부(409)를 가질 수 있다.The rotating shaft 400 is connected to the rotor 200 to transmit rotational power to the rotor 200. In an embodiment of the present invention, the rotary shaft 400 may have a rotary shaft hollow 409.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전 시스템(101)은 고정자(300)가 전기자가 되고 회전자(200)가 계자가 되는 회전 계자형일 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 초전도 발전 시스템(101)은 회전 전기자형으로 형성될 수도 있다.Also, in one embodiment of the present invention, the superconducting power generation system 101 may be of a rotary field type in which the stator 300 becomes an armature and the rotor 200 becomes a field. However, the embodiment of the present invention is not limited thereto, and the superconducting power generation system 101 may be formed as a rotating electrical machine.

구체적으로, 회전자(200)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 계자(210), 토크 디스크(250), 냉각 챔버(240), 단열 챔버(280), 및 냉매 편심 방지부(230)를 포함한다.2, the rotor 200 includes a field magnet 210, a torque disc 250, a cooling chamber 240, a heat insulating chamber 280, and a coolant eccentricity preventing portion 230 .

토크 디스크(250)는 회전축(400)의 회전 동력을 전달받는다. 즉, 회전자(200)는 토크 디스크(250)가 회전축(400)으로부터 전달받은 회전 동력에 의해 회전한다.The torque disc 250 receives the rotational power of the rotating shaft 400. That is, the rotor 200 rotates by the rotational power transmitted from the rotational shaft 400 to the torque disc 250.

본 발명의 일 실시예에서, 토크 디스크(250)는 다각통 형상으로 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the torque disc 250 may be formed in a polygonal shape. However, the embodiment of the present invention is not limited thereto.

또한, 토크 디스크(250)는 중공형으로 형성되며, 토크 디스크(250)의 내부, 즉 디스크 중공부(259)는 진공 상태로 유지된다. 이에, 토크 디스크(250)의 디스크 중공부(259)가 진공 단열 효과를 가지며, 회전축(400)으로부터 열이 침입하는 것을 차단할 수 있다.Further, the torque disc 250 is formed in a hollow shape, and the inside of the torque disc 250, i.e., the disc hollow 259, is maintained in a vacuum state. Thus, the disk hollow portion 259 of the torque disk 250 has a vacuum insulation effect, and heat can be prevented from entering the rotary shaft 400.

계자(210)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 초전도 코일이 권선된 보빈 플레이트(211)와, 보빈 플레이트(211)와 슬라이딩 가능하게 결합된 지지 플레이트(215)를 포함한다. 지지 플레이트(215)는 다각통 형상의 토크 디스크(250)의 외면에 결합된다. 그리고 지지 플레이트(215)와 슬라이딩 가능하게 결합된 보빈 플레이트(211)의 일측과 반대되는 타측에는 냉매 편심 방지부(230)가 결합된다. 여기서, 냉매 편심 방지부(230)는 프리즘 형상을 포함할 수 있다.The field 210 includes a bobbin plate 211 on which a superconducting coil is wound and a support plate 215 slidably engaged with the bobbin plate 211, as shown in Fig. The support plate 215 is engaged with the outer surface of the polygonal tubular torque disk 250. A refrigerant eccentricity preventing portion 230 is coupled to the other side of the bobbin plate 211 which is slidably coupled to the supporting plate 215. Here, the refrigerant eccentricity preventing portion 230 may include a prism shape.

보빈 플레이트(211)에 권선된 초전도 코일은 극저온, 즉 절대온도 4K 내지 100K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 선재로 만들어질 수 있다. 초전도(superconductor) 선재는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있다.The superconducting coil wound on the bobbin plate 211 can be made of a wire material which generates a superconducting phenomenon at a cryogenic temperature, that is, within an absolute temperature range of 4K to 100K. Superconductor wire rods are known to those skilled in the art.

초전도 코일에 저항이 극히 낮은 상태에서 전류가 흐르면 고자장이 발생된다. 그리고 초전도 코일의 높은 운전 전류를 생성하기 위해서는, 초전도 계자 코일이 임계온도 이하의 극저온 상태로 유지되어야 한다.When the current flows through the superconducting coil at a very low resistance, a magnetic field is generated. In order to generate a high operating current of the superconducting coil, the superconducting field coil should be maintained at a cryogenic temperature below the critical temperature.

앞서 도 1에 도시한 바와 같이, 냉각 챔버(240)는 초전도 코일을 포함하는 계자(210)를 둘러싼다. 그리고 냉각 챔버(240) 내부에는 제1 냉매가 채워진다. 전술한 냉매 편심 방지부(230)는 회전자(200)가 회전하면서 냉각 챔버(240)에 채워진 제1 냉매가 편심되는 것을 방지한다.As shown in FIG. 1, the cooling chamber 240 surrounds the field 210 including the superconducting coil. Inside the cooling chamber 240, the first refrigerant is filled. The refrigerant eccentricity preventing portion 230 prevents the first refrigerant filled in the cooling chamber 240 from being eccentric as the rotor 200 rotates.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 냉각 챔버(240)는 댐퍼의 역할을 수행한다. 초전도 발전 시스템(101)의 특성상 고정자(300)와 회전자(200) 사이에서 전자기력이 발생될 수 있으며, 냉각 챔버(240)는 댐퍼로 작용하여 고정자(300)와 회전자(200) 사이에서 이상 고조파 등이 발생되는 것을 방지한다.Further, in one embodiment of the present invention, the cooling chamber 240 serves as a damper. An electromagnetic force may be generated between the stator 300 and the rotor 200 due to the characteristics of the superconducting power generation system 101 and the cooling chamber 240 may act as a damper to generate abnormalities between the stator 300 and the rotor 200 Thereby preventing generation of harmonics and the like.

또한, 회전자(200)는 냉각 챔버(240)에 제1 냉매를 초기 주입하기 위한 냉매 주입구(247)를 더 포함할 수 있다. 한편, 냉매 주입구(247)를 통해 냉각 챔버(240)로부터 제1 냉매를 회수하고, 새로운 제1 냉매를 주입할 수도 있다.In addition, the rotor 200 may further include a coolant inlet 247 for initially injecting the first coolant into the coolant chamber 240. Meanwhile, the first refrigerant may be recovered from the cooling chamber 240 through the refrigerant inlet 247, and a new first refrigerant may be injected.

이에, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉매 주입구(247)를 통해 극저온에 가까운 상태의 제1 냉매를 냉각 챔버(240)에 바로 주입하여 극저온 냉매 공급 장치(900)가 정상 가동되기 전에도 계자(210)의 초전도 코일을 빠르게 초기 냉각시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first refrigerant in a state close to a cryogenic temperature is directly injected into the cooling chamber 240 through the refrigerant injection port 247, so that the cryogenic refrigerant supply device 900 can be operated 210 superconducting coils can be quickly cooled.

단열 챔버(280)는 냉각 챔버(240)를 둘러싸며, 단열 챔버(280)와 냉각 챔버(240) 사이의 공간은 진공 상태로 유지된다. 즉, 단열 챔버(280)는 열이 외부에서 냉각 챔버(240)로 침입하는 것을 억제한다. 구체적으로, 단열 챔버(280)는 대류에 의한 의도하지 않은 열교환 및 외부 외란으로부터 냉각 대상인 계자(210)의 초전도 코일을 보호한다.The adiabatic chamber 280 surrounds the cooling chamber 240 and the space between the adiabatic chamber 280 and the cooling chamber 240 is maintained in a vacuum state. That is, the adiabatic chamber 280 prevents the heat from entering the cooling chamber 240 from the outside. Specifically, the adiabatic chamber 280 protects the superconducting coil of the field 210 to be cooled from unintended heat exchange and external disturbance by convection.

고정자(300)는 회전자(200)를 둘러싼다. 그리고 본 발명의 일 실시예에서, 고정자(300)는 구리나 알루미늄과 같은 상전도 코일을 사용할 수 있다.The stator 300 surrounds the rotor 200. In one embodiment of the present invention, the stator 300 may use a normal conducting coil such as copper or aluminum.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 고정자(300)의 전기자 코일이 감기는 코어는, 도시하지는 않았으나, 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP; Glass Fiber Reinforced Plastic)으로 형성될 수 있다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 코어는 자속의 측면에서 공기와 같은 특성을 가지고 있으므로 자기포화 없이 계자(210)의 초전도 코일에서 발생된 고자장을 고정자(300)의 전기자 코일로 전달 가능하다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 코어는 상전도 발전기의 철심과 대비하여 가벼우면서도 우수한 기계적 강도를 갖는다.Further, in one embodiment of the present invention, the core in which the armature coil of the stator 300 is wound may be formed of glass fiber reinforced plastic (GFRP) though not shown. Since the core formed of the glass fiber reinforced plastic has air-like characteristics on the side of the magnetic flux, the high magnetic field generated in the superconducting coil of the field 210 can be transmitted to the armature coil of the stator 300 without magnetic saturation. The core formed of the glass fiber reinforced plastic has a light weight and excellent mechanical strength as compared with the core of the normal electric power generator.

열교환기(600)는 회전축(400)의 회전축 중공부(409)에 설치되어 후술할 극저온 냉매 공급 장치(900)가 공급한 제2 냉매와 회전자(200)의 냉각 챔버(240)에 채워진 제1 냉매를 서로 열교환시킨다.The heat exchanger 600 is installed in the rotary shaft hollow portion 409 of the rotary shaft 400 and is provided with a second refrigerant supplied from a cryogenic coolant supply device 900 to be described later and a refrigerant filled in the cooling chamber 240 of the rotor 200 1 heat exchanges the refrigerant with each other.

제1 냉매관(510)은 회전자(200)의 냉각 챔버(240)와 열교환기(600)를 연결한다. 그리고 제2 냉매관(520)은 극저온 냉매 공급 장치(900)와 열교환기(600)를 연결한다. 즉, 제1 냉매는 제1 냉매관(510)을 통해 회전자(200)의 냉각 챔버(240)와 열교환기(600)를 순환하고, 제2 냉매는 제2 냉매관(520)을 통해 극저온 냉매 공급 장치(900)와 열교환기(600)를 순환한다.The first refrigerant pipe (510) connects the cooling chamber (240) of the rotor (200) and the heat exchanger (600). The second refrigerant pipe (520) connects the cryogenic coolant supply device (900) and the heat exchanger (600). That is, the first refrigerant circulates through the first refrigerant pipe 510 to the cooling chamber 240 of the rotor 200 and the heat exchanger 600, and the second refrigerant circulates through the second refrigerant pipe 520 at a very low temperature And circulates the refrigerant supply device 900 and the heat exchanger 600.

또한, 제2 냉매관(520)은 비회전하는 극저온 냉매 공급 장치(900)와 회전하는 회전축 중공부(409)에 설치된 열교환기(600)를 연결한다. 따라서 제2 냉매관(520)은 비회전 구간(522)과 회전 구간(521)으로 구분된다.The second refrigerant pipe 520 connects the non-rotating cryogenic coolant supply device 900 with the heat exchanger 600 installed in the rotating shaft hollow 409. Therefore, the second refrigerant pipe 520 is divided into the non-rotating section 522 and the rotating section 521.

로터리 커플링(rotary coupling, 550)은 회전축(400)에 설치되어 제2 냉매관(520)의 비회전 구간(522)과 회전 구간(521)을 연결한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서, 로터리 커플링(550)은 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 구조를 가질 수 있다.The rotary coupling 550 is installed on the rotary shaft 400 and connects the non-rotary section 522 of the second refrigerant pipe 520 with the rotary section 521. In addition, in one embodiment of the present invention, the rotary coupling 550 may have a variety of structures known to those skilled in the art.

본 발명의 일 실시예에서, 극저온 냉매 공급 장치(900)는 회전자(200)의 초전도 코일을 직접적으로 냉각시키는 제1 냉매와의 열교환을 통해 제1 냉매를 냉각시키는 제2 냉매를 극저온 상태로 공급한다.In one embodiment of the present invention, the cryogenic coolant supply device 900 is configured to cool the second coolant through the heat exchange with the first coolant directly cooling the superconducting coil of the rotor 200 to an extremely low temperature state Supply.

구체적으로, 극저온 냉매 공급 장치(900)는 냉동기(910), 응축기(920), 및 히터(930)를 포함할 수 있다.Specifically, the cryogenic coolant supply device 900 may include a refrigerator 910, a condenser 920, and a heater 930.

또한, 극저온 냉매 공급 장치(900)는 액화 저장 탱크(950) 및 냉매 보충 탱크(990)를 더 포함할 수 있다.In addition, the cryogenic coolant supply device 900 may further include a liquefaction storage tank 950 and a coolant replenishing tank 990.

냉동기(cryogenic cooler, 910)는 기화하여 상승한 제2 냉매의 열을 흡수한다. 응축기(920)는 냉동기(910)에서 냉각된 제2 냉매를 응축시켜 다시 액화시킨다. 응축기(920)는 냉동기(910)의 끝단에 설치되어 작동 온도 이하로 냉각되고 기화된 극저온 냉매를 효과적으로 최대한으로 재액화시키기 위해 접촉 면적이 확대된 구조를 갖는다. 액화 저장 탱크(950)는 응축기(920)를 통해 액화된 극저온 상태의 제2 냉매를 저장하여 제2 냉매관(520)으로 공급한다. 여기서, 액화 저장 탱크(950)는 생략될 수도 있으며, 응축기(920)에서 액화된 제2 냉매는 액화 저장 탱크(950)를 거치지 않고 바로 제2 냉매관(520)을 따라 이동할 수 있다.A cryogenic cooler 910 absorbs the heat of the second refrigerant vaporized. The condenser 920 condenses and re-liquefies the second refrigerant cooled in the freezer 910. The condenser 920 is installed at the end of the refrigerator 910 and has a structure in which the contact area is enlarged to effectively re-liquefy the vaporized cryogenic refrigerant to the maximum to be cooled below the operating temperature. The liquefied storage tank 950 stores the second refrigerant in a cryogenic state that has been liquefied through the condenser 920 and supplies the second refrigerant to the second refrigerant pipe 520. Here, the liquefied storage tank 950 may be omitted, and the second refrigerant liquefied in the condenser 920 may be moved along the second refrigerant pipe 520 directly without going through the liquefied storage tank 950.

한편, 히터(930)는 냉동기(910)와 응축기(920) 사이에 배치되어 제2 냉매가 응고되는 것을 방지한다.Meanwhile, the heater 930 is disposed between the refrigerator 910 and the condenser 920 to prevent the second refrigerant from solidifying.

냉매 보충 탱크(990)는 초전도 발전 시스템(101)의 최초 가동시 극저온 냉매 공급 장치(900)에 제2 냉매를 채우거나, 가동 중에 유출된 제2 냉매를 보충하기 위해 사용된다.The coolant replenishing tank 990 is used to fill the cryogenic coolant supply device 900 with the second coolant during the initial operation of the superconducting power generation system 101 or to replenish the second coolant discharged during operation.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 제2 냉매가 기화 상태와 액화 상태를 반복적으로 상전이 하면서, 중력에 의해 응축기(920) 또는 액화 저장 탱크(950)와 열교환기(600)를 자연 순환하면서 저온을 유지한다. 그러나 필요에 따라 효과적인 냉각을 위하여, 극저온 냉매 공급 장치(900)는 제2 냉매를 강제 순환시키기 위한 순환 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, while the second refrigerant repeatedly phase-changes between the vaporized state and the liquefied state, the condenser 920 or the liquefied storage tank 950 and the heat exchanger 600 are spontaneously circulated by gravity, Lt; / RTI > However, for effective cooling as required, the cryogenic coolant supply device 900 may further include a circulation pump (not shown) for forcibly circulating the second refrigerant.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 극저온 냉매 공급 장치(900)가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 구조로 변경 실시될 수 있다.In addition, in an embodiment of the present invention, the cryogenic coolant supply device 900 is not limited to the above-described one, and may be modified into various structures known to those skilled in the art.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 회전자(200)의 냉각 챔버(240) 내에서 제1 냉매는 고체 상태로 유지될 수 있다. 그리고, 제2 냉매는 액체 상태로 극저온 냉매 공급 장치(900)와 열교환기(600) 사이를 순환하면서 제1 냉매를 냉각시킨다. 일례로, 제1 냉매는 질소이고, 제2 냉매는 네온일 수 있다.Also, in one embodiment of the present invention, the first refrigerant in the cooling chamber 240 of the rotor 200 may be maintained in a solid state. The second refrigerant circulates between the cryogenic coolant supply device 900 and the heat exchanger 600 in a liquid state to cool the first refrigerant. As an example, the first refrigerant may be nitrogen and the second refrigerant may be neon.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 코일을 포함한 계자(210)를 효과적으로 냉각 시킬 수 있다.With this structure, the superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention can effectively cool the field 210 including the superconducting coil.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초전도 코일을 작동 온도까지 초기 냉각시킬 때 냉각 시간을 줄일 수 있다. 또한, 제1 냉매가 채워진 냉각 챔버(240)가 외부 열원에 의한 초전도 코일의 갑작스런 온도 증가로 발생하는 퀀치(Quench) 및 기기 손상을 방지하기 위한 댐퍼의 기능을 수행할 수 있으므로, 냉각 효율 및 안정성을 향상시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the cooling time can be reduced when the superconducting coil is initially cooled down to the operating temperature. In addition, since the cooling chamber 240 filled with the first refrigerant can perform a function of a damper for preventing quench and equipment damage caused by an abrupt temperature increase of the superconducting coil by an external heat source, Can be improved.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. will be.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is therefore to be understood that the embodiments described above are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims, It is intended that all changes and modifications derived from the equivalent concept be included within the scope of the present invention.

101: 초전도 발전 시스템
200: 회전자 210: 계자
240: 냉각 챔버 247: 냉매 주입구
250: 토크 디스크 280: 단열 챔버
300: 고정자 400: 회전축
409: 회전축 중공부 510: 제1 냉매관
520: 제2 냉매관 550: 로터리 커플링
600: 열교환기 900: 극저온 냉매 공급 장치
910: 냉동기 920: 응축기
930: 히터 950: 액화 저장 탱크
990: 냉매 보충 탱크
101: Superconducting power generation system
200: Rotor 210: Fielder
240: cooling chamber 247: refrigerant inlet
250: torque disc 280: insulating chamber
300: stator 400: rotating shaft
409: rotating shaft hollow part 510: first refrigerant tube
520: second refrigerant tube 550: rotary coupling
600: heat exchanger 900: cryogenic refrigerant supply device
910: refrigerator 920: condenser
930: Heater 950: Liquid storage tank
990: Refrigerant supplement tank

Claims (10)

초전도 코일을 포함하는 계자와, 상기 계자와 함께 회전하면서 상기 초전도 코일을 둘러싸며 내부에 제1 냉매가 채워진 냉각 챔버를 포함하는 회전자;
상기 회전자를 둘러싸며 전기자를 포함하는 고정자;
상기 회전자와 연결되어 회전 동력을 전달하며 회전축 중공부를 갖는 회전축;
제2 냉매를 극저온으로 냉각시켜 공급하는 극저온 냉매 공급 장치;
상기 회전축의 회전축 중공부에 설치되어 상기 극저온 냉매 공급 장치가 공급한 제2 냉매와 상기 회전자의 냉각 챔버에 채워진 제1 냉매를 서로 열교환시키는 열교환기; 및
상기 회전자는 상기 회전축의 회전 동력을 전달하는 다각통 형상의 토크 디스크
를 포함하며,
상기 계자는 상기 토크 디스크의 외면에 결합된 지지 플레이트와, 상기 초전도 코일이 권선되며 일측이 상기 지지 플레이트에 분리 가능하게 슬라이딩 결합된 보빈 플레이트를 포함하는 초전도 발전 시스템.
A rotor including a field coil including a superconducting coil and a cooling chamber surrounding the superconducting coil while being rotated together with the field, the cooling chamber being filled with a first coolant;
A stator surrounding the rotor and including an armature;
A rotating shaft connected to the rotor to transmit rotational power and having a rotating shaft hollow portion;
A cryogenic coolant supply device for cooling and supplying the second coolant to a cryogenic temperature;
A heat exchanger installed in a hollow portion of the rotary shaft of the rotary shaft for exchanging heat between the second refrigerant supplied by the cryogenic coolant supply device and the first refrigerant filled in the cooling chamber of the rotor; And
The rotor has a polygonal tubular torque disk
/ RTI >
Wherein the field comprises a support plate coupled to an outer surface of the torque disc and a bobbin plate having the superconducting coil wound and one side slidably coupled to the support plate.
제1항에서,
상기 회전자의 냉각 챔버와 상기 열교환기를 연결하는 제1 냉매관과;
상기 극저온 냉매 공급 장치와 상기 열교환기를 연결하는 제2 냉매관
을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
The method of claim 1,
A first refrigerant pipe connecting the cooling chamber of the rotor and the heat exchanger;
A second refrigerant pipe connecting the cryogenic coolant supply device and the heat exchanger
The superconducting power generation system further comprising:
제2항에서,
상기 제2 냉매관은 비회전하는 상기 극저온 냉매 공급 장치와 회전하는 상기 회전축의 중공부에 설치된 열교환기를 연결하며,
상기 회전축에 설치되어 상기 제2 냉매관의 비회전 구간과 회전 구간을 연결하는 로터리 커플링(rotary coupling)을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the second refrigerant pipe connects the non-rotating cryogenic coolant supply device with a heat exchanger installed in a hollow portion of the rotating shaft,
Further comprising a rotary coupling installed on the rotary shaft for connecting a non-rotating section and a rotating section of the second refrigerant tube.
제1항에서,
상기 극저온 냉매 공급 장치는 상기 열교환기에서 상기 제1 냉매와 열교환 후 회수된 상기 제2 냉매를 다시 극저온 상태로 냉각시키는 냉동기(cryogenic coole)를 포함하는 초전도 발전 시스템.
The method of claim 1,
Wherein the cryogenic coolant supply device includes a cryogenic coole that cools the second refrigerant recovered after heat exchange with the first refrigerant in the heat exchanger to a cryogenic temperature again.
제1항에서,
상기 회전자의 냉각 챔버 내에서 상기 제1 냉매는 고체 상태로 유지되며,
상기 제2 냉매는 액체 상태로 상기 극저온 냉매 공급 장치와 상기 열교환기 사이를 순환하는 초전도 발전 시스템.
The method of claim 1,
The first refrigerant in the cooling chamber of the rotor is maintained in a solid state,
And the second refrigerant circulates between the cryogenic coolant supply device and the heat exchanger in a liquid state.
제5항에서,
상기 제1 냉매는 질소이고, 상기 제2 냉매는 네온인 초전도 발전 시스템.
The method of claim 5,
Wherein the first refrigerant is nitrogen and the second refrigerant is neon.
삭제delete 제1항에서,
상기 회전자는 상기 보빈 플레이트의 타측에 결합된 프리즘 형상의 냉매 편심 방지부를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
The method of claim 1,
Wherein the rotor further comprises a prismatic refrigerant eccentricity preventing part coupled to the other side of the bobbin plate.
제1항에서,
상기 토크 디스크는 진공 상태인 디스크 중공부를 가지는 초전도 발전 시스템.
The method of claim 1,
Wherein the torque disc has a hollow disc portion in a vacuum state.
제1항에서,
상기 회전자는 상기 냉각 챔버를 둘러싸는 단열 챔버를 더 포함하며,
상기 냉각 챔버와 상기 단열 챔버 사이의 공간은 진공 상태인 초전도 발전 시스템.
The method of claim 1,
The rotor further comprising an adiabatic chamber surrounding the cooling chamber,
Wherein the space between the cooling chamber and the heat insulating chamber is in a vacuum state.
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KR20000060116A (en) * 1999-03-12 2000-10-16 윤문수 Superconducting Rotor for Generator and Motor
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