KR101417508B1 - Super conducting electric power generation system - Google Patents

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KR101417508B1
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박진수
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김상진
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두산엔진주식회사
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

본 발명의 실시예는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템은 초전도 코일을 포함한 회전자와, 상기 회전자와 연결되어 회전 동력을 전달하는 회전축과, 상기 회전자에 공급할 극저온 냉매를 냉각 시키는 극저온 냉매 공급 장치, 그리고 상기 회전축에 결합되어 상기 회전축과 함께 회전하며 상기 극저온 냉매 공급 장치가 공급하는 극저온 냉매를 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자에 분배하거나 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자에 분배된 극저온 냉매를 회수하기 위한 극저온 냉매용 매니폴드를 포함한다.A superconducting power generation system according to an embodiment of the present invention includes a rotor including a superconducting coil, a rotating shaft connected to the rotor to transmit a rotating power, And a cryogenic coolant supply device coupled to the rotary shaft for distributing the cryogenic coolant supplied by the cryogenic coolant supply device to the rotor including the superconducting coil, And a cryogenic coolant manifold for recovering the cryogenic coolant distributed to the rotor including the cryogenic coolant.

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 극저온 냉각 시스템을 갖는 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 having a cryogenic cooling system.

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.

초전도 발전기의 냉각 시스템 중에는 헬륨, 기체 네온, 및 액체 질소 등과 같은 극저온 냉매를 냉매 순환 펌프를 통해 공급하여 초전도 코일을 전도 냉각시키는 강제 순환 냉각 방식이 있다.In the cooling system of a superconducting power generator, there is a forced circulation cooling system in which superconducting coils are conduction-cooled by supplying cryogenic coolant such as helium, gaseous neon, and liquid nitrogen through a coolant circulation pump.

그리고 초전도 발전기가 안정적인 성능을 내기 위해서는 다수의 초전도 코일들에 동일한 유량 및 동일한 온도의 냉매를 공급하는 것이 요구된다. 초전도 코일마다 공급되는 냉매의 유량과 온도가 달라지면, 초전도 코일이 균일하게 냉각되지 않으므로 초전도 코일에 흐르는 임계 전류량이 달라져 초전도 발전기의 성능 저하를 가져온다.In order for the superconducting generator to have a stable performance, it is required to supply refrigerant of the same flow rate and the same temperature to a plurality of superconducting coils. If the flow rate and the temperature of the refrigerant supplied to each superconducting coil are different, the superconducting coil is not uniformly cooled, so the amount of critical current flowing through the superconducting coil is varied, thereby deteriorating the performance of the superconducting power generator.

그런데, 초전도 발전기의 극수가 적을수록 초전도 코일이 감긴 보빈의 수도 적어지고, 보빈 마다 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급관의 수도 적어진다. 따라서, 초전도 발전기의 극수가 비교적 적은 경우에는 냉매 공급관을 분기하거나 복수의 냉매 공급관들을 용접을 통해 연결하여 냉매를 균일하게 공급하는 것이 가능하다.However, as the number of poles of the superconducting generator decreases, the number of bobbins wound with superconducting coils decreases, and the number of refrigerant supply pipes for supplying the refrigerant to each bobbin decreases. Therefore, when the number of poles of the superconducting generators is relatively small, it is possible to branch the refrigerant supply pipe or to connect the plurality of refrigerant supply pipes through welding to uniformly supply the refrigerant.

하지만, 초전도 발전기의 극수가 점점 많아질수록 보빈의 수도 많아지고, 보빈마다 냉매를 공급하기 위해 필요한 냉매 공급관의 수도 많아지므로, 냉매 공급관을 필요한 만큼 분기하거나 용접을 통해 연결하여 냉매를 균일하게 공급하기가 곤란해진다.However, as the number of poles of the superconducting generator increases, the number of bobbins increases and the number of refrigerant supply pipes required to supply the refrigerant to each bobbin increases. Therefore, the refrigerant supply pipe is branched or welded as necessary to uniformly supply the refrigerant. .

특히, 냉매 공급관을 분기하여 회전하는 초전도 코일에 냉매를 공급하기 위해서는 매우 복잡한 구조를 가져야 할 뿐만 아니라, 동일한 유량으로 냉매를 공급하기도 어렵다.Particularly, in order to supply the refrigerant to the superconducting coil that rotates by branching the refrigerant supply pipe, it is not only necessary to have a very complicated structure, but also it is difficult to supply the refrigerant at the same flow rate.

이에, 회전축에 다수의 홀들을 형성하여 이를 이용해 냉매를 분기하는 방법이 대안으로 사용되고 있으나, 회전축에 다수의 홀들을 형성할 경우 회전축의 강성이 저하되는 문제점이 있다.Accordingly, a method of forming a plurality of holes in a rotary shaft and using the rotary shaft to divide the refrigerant is used as an alternative. However, when a plurality of holes are formed in the rotary shaft, the rigidity of the rotary shaft is deteriorated.

일본 공개특허공보 특개2005-224001호(2005.08.18)Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-224001 (Aug. 18, 2005) 미국 특허출원공개공보 US2003/0193256호(2003.10.16)U.S. Patent Application Publication No. 2003/0193256 (Oct. 16, 2003)

본 발명의 실시예는 초전도 코일을 냉각시키기 위한 극저온 냉매를 효과적으로 균일하게 분배하여 공급할 수 있는 초전도 발전 시스템을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a superconducting power generation system capable of effectively and uniformly distributing and supplying cryogenic coolant for cooling a superconducting coil.

본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 초전도 코일을 포함한 회전자와, 상기 회전자와 연결되어 회전 동력을 전달하는 회전축과, 상기 회전자에 공급할 극저온 냉매를 냉각 시키는 극저온 냉매 공급 장치, 그리고 상기 회전축에 결합되어 상기 회전축과 함께 회전하며 상기 극저온 냉매 공급 장치가 공급하는 극저온 냉매를 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자에 분배하거나 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자에 분배된 극저온 냉매를 회수하기 위한 극저온 냉매용 매니폴드를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a superconducting power generation system includes a rotor including a superconducting coil, a rotating shaft connected to the rotor to transmit rotational power, a cryogenic coolant supply device for cooling the cryogenic coolant to be supplied to the rotor, A plurality of superconducting coils for circulating the cryogenic coolant supplied from the cryogenic coolant supply device to the rotors including the superconducting coils or for recovering the cryogenic coolant distributed to the rotors including the superconducting coils; And a cryogenic coolant manifold.

상기 극저온 냉매용 매니폴드는 상기 회전축에 결합되며 중공링 형상을 포함하는 외통부와, 중공링 형상을 가지고 상기 외통부 내부에 형성되며, 하나의 냉매 공급 포트와 복수의 냉매 인입 포트들을 갖는 제1 내통부, 그리고 상기 제1 내통부와 다른 직경의 중공링 형상을 가지고 상기 제1 내통부와 이격되도록 상기 외통부 내부에 형성되며, 하나의 냉매 회수 포트와 복수의 냉매 인출 포트들을 갖는 제2 내통부를 포함할 수 있다.Wherein the cryogenic temperature refrigerant manifold includes an outer tube portion coupled to the rotating shaft and including a hollow ring shape, a first inner tube portion having a hollow ring shape and formed inside the outer tube portion and having one refrigerant supply port and a plurality of refrigerant inlet ports, And a second inner tube having a hollow ring shape different from the first inner tube and spaced apart from the first inner tube, the second inner tube having one refrigerant recovery port and a plurality of refrigerant outlet ports .

상기 극저온 냉매용 매니폴드는 상기 제1 내통부 및 상기 제2 내통부를 각각 둘러싸는 단열층을 더 포함할 수 있다.The cryogenic coolant manifold may further include a heat insulating layer surrounding the first inner cylinder portion and the second inner cylinder portion.

상기 극저온 냉매용 매니폴드는 상기 외통부의 내부에서 상기 제1 내통부와 상기 제2 내통부의 이격된 공간에 형성된 진공층을 더 포함할 수 있다.The manifold for cryogenic temperature refrigerant may further include a vacuum layer formed in the space between the first inner tube and the second inner tube in the outer tube.

상기 극저온 냉매용 매니폴드는 상기 외통부의 상기 회전축과 대향하는 내주면에 형성된 차폐링을 더 포함할 수 있다.The cryogenic coolant manifold may further include a shield ring formed on an inner circumferential surface of the outer tube portion facing the rotation axis.

상기 외통부의 상기 회전축과 대향하는 내주면에는 결합홈이 형성될 수 있다.An engaging groove may be formed on an inner circumferential surface of the outer tube portion facing the rotation axis.

상기한 초전도 발전 시스템은 상기 제1 내통부의 상기 복수의 냉매 인입 포트들와 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자를 연결하는 복수의 냉매 인입 라인들과, 상기 제2 내통부의 상기 복수의 냉매 인출 포트들과 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자를 연결하는 복수의 냉매 인출 라인들을 더 포함할 수 있다.The superconducting power generation system includes a plurality of refrigerant inlet lines connecting the plurality of refrigerant inlet ports of the first inner cylinder section and the rotor including the superconducting coil, and a plurality of refrigerant outlet ports of the second inner cylinder section, And a plurality of coolant outlet lines connecting the rotor including the superconducting coil.

상기한 초전도 발전 시스템은 상기 제1 내통부의 상기 냉매 공급 포트와 상기 극저온 냉매 공급 장치를 연결하는 냉매 공급 라인과, 상기 제2 내통부의 상기 냉매 회수 포트와 상기 극저온 냉매 공급 장치를 연결하는 냉매 회수 라인을 더 포함할 수 있다.The superconducting power generation system includes a refrigerant supply line for connecting the refrigerant supply port of the first inner cylinder to the cryogenic coolant supply device, a refrigerant recovery line for connecting the refrigerant recovery port of the second inner cylinder to the cryogenic coolant supply device, As shown in FIG.

상기 냉매 공급 라인 및 상기 냉매 회수 라인은 각각 비회전 구간과 상기 회전축과 함께 회전하는 회전 구간으로 구분된다. 그리고 상기한 초전도 발전 시스템은 상기 회전축에 설치되어 상기 냉매 공급 라인 및 상기 냉매 회수 라인의 비회전 구간과 회전 구간을 연결하는 로터리 커플링 및 자성 유체 실링(Ferro-fluid Magnetic Sealing)을 더 포함할 수 있다.The refrigerant supply line and the refrigerant recovery line are divided into a non-rotating section and a rotating section rotating together with the rotating shaft. The superconducting power generation system may further include a rotary coupling and a ferro-fluid magnetic seal installed on the rotary shaft and connecting the non-rotary section and the rotary section of the refrigerant supply line and the refrigerant recovery line. have.

본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 초전도 코일을 냉각시키기 위한 극저온 냉매를 효과적으로 균일하게 분배하여 공급할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the superconducting power generation system can effectively and uniformly distribute and supply the cryogenic coolant for cooling the superconducting coil.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 극저온 냉매용 매니폴드를 중심으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 극저온 냉매용 매니폴드를 나타낸 사시도이다.1 is a configuration diagram of a superconducting power generation system according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing the manifold for the cryogenic coolant shown in FIG. 1; FIG.
3 is a perspective view showing the manifold for the cryogenic coolant of FIG. 2;

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(30), 회전자(20), 고정자(10), 극저온 냉매 공급 장치(90), 및 극저온 냉매용 매니폴드(50)를 포함한다.1, a superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention includes a rotary shaft 30, a rotor 20, a stator 10, a cryogenic coolant supply device 90, And a manifold 50 for the manifold.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 복수의 냉매 인입 라인들(21), 복수의 냉매 인출 라인들(22), 냉매 공급 라인(51), 냉매 회수 라인(52), 댐퍼(28), 로터리 커플링(80), 및 자성 유체 실링(Ferro-fluid Magnetic Sealing, 83)을 더 포함할 수 있다.The superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of refrigerant inlet lines 21, a plurality of refrigerant outlet lines 22, a refrigerant supply line 51, a refrigerant recovery line 52, Damper 28, rotary coupling 80, and magnetic fluid sealing (Ferro-fluid Magnetic Sealing, 83).

또한, 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 회전축(30)에 회전 동력을 제공하는 엔진을 더 포함할 수 있다. 즉, 초전도 발전 시스템(101)은 엔진으로부터 제공받는 회전 동력을 통해 전기를 생성할 수 있다.Also, 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 rotary shaft 30. [ That is, the superconducting power generation system 101 can generate electricity through rotational power supplied from the engine.

본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전 시스템(101)은 고정자(10)와 초전도 코일(25)을 포함한 회전자(20)를 사용한다. 그리고 고정자(10)는 구리나 알루미늄과 같은 상전도 코일을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the superconducting power generation system 101 uses a stator 10 and a rotor 20 including a superconducting coil 25. The stator 10 may use a normal-conducting coil such as copper or aluminum.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 고정자(10)는 전기자가 되고 회전자(20)는 계자가 될 수 있다. 즉, 초전도 발전 시스템(101)은 회전 계자형일 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 초전도 발전 시스템(101)은 회전 전기자형으로 형성될 수도 있다.Further, in one embodiment of the present invention, the stator 10 may be an armature and the rotor 20 may be a field magnet. That is, the superconducting power generation system 101 may be of a rotary field type. 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.

초전도 코일(25)은 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 25 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.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 고정자(10)의 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 계자의 초전도 코일에서 발생된 고자장을 고정자(10)의 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, although the core in which the coil of the stator 10 is wound is not shown, it may be formed of glass fiber reinforced plastic (GFRP). Since the core formed of glass fiber reinforced plastic has air-like characteristics on the side of magnetic flux, it is possible to transfer the high magnetic field generated in the field superconducting coil to the coil of the stator 10 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.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 회전자(20)는 초전도 코일(25)에 극저온 냉매를 공급하거나 초전도 코일(25)을 전도 냉각시킬 수 있는 구조를 가질 수 있다. 이러한 회전자(20)의 구조는 해당 기술 분야의 종사자에게 다양하게 공지되어 있다.Also, in one embodiment of the present invention, the rotor 20 may have a structure capable of supplying cryogenic coolant to the superconducting coil 25 or conduction-cooling the superconducting coil 25. The structure of such a rotor 20 is well known to those skilled in the art.

댐퍼(28)는 고정자(10)와 회전자(20) 사이에 배치된다. 초전도 발전 시스템(101)의 특성상 고정자(10)와 회전자(20) 사이에서 전자기력이 발생될 수 있으며, 댐퍼(28)는 고정자(10)와 회전자(20) 사이에서 이상 고조파 등이 발생되는 것을 방지한다.The damper 28 is disposed between the stator 10 and the rotor 20. An electromagnetic force may be generated between the stator 10 and the rotor 20 due to the characteristics of the superconducting power generation system 101. The damper 28 may generate an abnormal harmonic or the like between the stator 10 and the rotor 20 ≪ / RTI >

극저온 냉매 공급 장치(90)는 초전도 코일(25)을 냉각시키기 위한 극저온 냉매를 공급한다.The cryogenic coolant supply device (90) supplies cryogenic coolant for cooling the superconducting coil (25).

본 발명의 일 실시예에서, 극저온 냉매 공급 장치(90)는 냉동기(91), 응축기(92), 및 액화 저장 탱크(95), 히터(93), 및 순환 펌프(98)를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cryogenic coolant supply device 90 may include a refrigerator 91, a condenser 92, and a liquefied storage tank 95, a heater 93, and a circulation pump 98 .

또한, 극저온 냉매 공급 장치(90)는 냉매 보충 탱크(99)를 더 포함할 수 있다.In addition, the cryogenic coolant supply device 90 may further include a refrigerant replenishing tank 99.

냉동기(cryogenic cooler, 91)는 기화하여 상승한 극저온 냉매의 열을 흡수한다. 응축기(92)는 냉동기(91)에서 냉각된 극저온 냉매를 응축시켜 다시 액화시킨다. 응축기(92)는 냉동기(91)의 끝단에 설치되어 작동 온도 이하로 냉각되고 기화된 극저온 냉매를 효과적으로 최대한으로 재액화시키기 위해 접촉 면적이 확대된 구조를 갖는다. 액화 저장 탱크(95)는 응축기(92)를 통해 액화된 극저온 냉매를 저장하여 냉매 공급 라인(51)으로 공급한다. 한편, 히터(93)는 냉동기(91)와 응축기(92) 사이에 배치되어 극저온 냉매가 응고되는 것을 방지한다.The cryogenic cooler 91 absorbs the heat of the cryogenic coolant vaporized and raised. The condenser 92 condenses the cryogenic refrigerant cooled in the refrigerator 91 and liquefies it again. The condenser 92 is installed at the end of the freezer 91 and has a structure in which the contact area is enlarged to effectively re-liquefy the vaporized cryogenic refrigerant to the maximum at the operating temperature or lower. The liquefaction storage tank 95 stores the liquefied cryogenic refrigerant through the condenser 92 and supplies it to the refrigerant supply line 51. On the other hand, the heater 93 is disposed between the refrigerator 91 and the condenser 92 to prevent the cryogenic refrigerant from solidifying.

순환 펌프(98)는 액화 저장 탱크(95)에 저장된 극저온 냉매를 초전도 코일(25)을 포함한 회전자(20)와의 사이에서 순환시킨다.The circulation pump 98 circulates the cryogenic coolant stored in the liquefaction storage tank 95 with the rotor 20 including the superconducting coil 25. [

냉매 보충 탱크(99)는 초전도 발전 시스템(101)의 최초 가동시 극저온 냉매 공급 장치(90)에 극저온 냉매를 채우거나, 가동 중에 유출된 극저온 냉매를 보충하기 위해 사용된다.The coolant replenishing tank 99 is used to fill the cryogenic coolant supply device 90 during the initial operation of the superconducting power generation system 101 or to replenish the cryogenic coolant discharged during operation.

하지만, 본 발명의 일 실시예에서, 극저온 냉매 공급 장치(90)가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 구조로 변경 실시될 수 있다.However, in an embodiment of the present invention, the cryogenic coolant supply device 90 is not limited to the above-described one, and may be modified into various structures known to those skilled in the art.

냉매 공급 라인(51)은 극저온 냉매 공급 장치(90)로부터 극저온 냉매를 초전도 코일(25)을 포함한 회전자(20)를 향해 이동시키며, 냉매 회수 라인(52)는 초전도 코일(25)을 냉각시킨 극저온 냉매를 다시 극저온 냉매 공급 장치(90)로 회수시킨다.The coolant supply line 51 moves the cryogenic coolant from the cryogenic coolant supply device 90 toward the rotor 20 including the superconducting coil 25. The coolant recovery line 52 is a line for cooling the superconducting coil 25 And the cryogenic coolant is returned to the cryogenic coolant supply device 90 again.

또한, 냉매 공급 라인(51) 및 냉매 회수 라인(52)는 각각 극저온 냉매 공급 장치(90)와 상대적으로 인접한 비회전 구간과, 회전축(30)과 함께 회전하는 회전 구간으로 구분된다.The refrigerant supply line 51 and the refrigerant recovery line 52 are divided into a non-rotating section relatively adjacent to the cryogenic coolant supply device 90 and a rotating section rotating together with the rotating shaft 30, respectively.

로터리 커플링(80) 및 자성 유체 실링(Ferro-fluid Magnetic Sealing, 83)은 회전축(30)에 설치되어 냉매 공급 라인(51) 및 냉매 회수 라인(52)의 비회전 구간과 회전 구간을 냉매의 유실 없이 효과적으로 연결한다.The rotary coupling 80 and the ferro-fluid magnetic seal 83 are installed on the rotary shaft 30 so that the non-rotary section and the rotary section of the refrigerant supply line 51 and the refrigerant recovery line 52 Connect effectively without loss.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 로터리 커플링(80) 및 자성 유체 실링(83)은 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 구조를 가질 수 있다.Further, in one embodiment of the present invention, the rotary coupling 80 and the magnetic fluid seal 83 may have a variety of structures known to those skilled in the art.

극저온 냉매용 매니폴드(50)는 회전축(30)에 결합되어 회전축(30)과 함께 회전한다. 그리고 극저온 냉매용 매니폴드(50)는 극저온 냉매 공급 장치(90)가 공급하는 극저온 냉매를 초전도 코일(25)을 포함한 회전자(20)에 고르게 분배하거나 초전도 코일(25)을 포함한 회전자(20)에 분배된 극저온 냉매를 회수하는데 가교 역할을 한다.The cryogenic coolant manifold 50 is coupled to the rotating shaft 30 and rotates together with the rotating shaft 30. The manifold 50 for the cryogenic coolant further distributes the cryogenic coolant supplied by the cryogenic coolant supply device 90 to the rotor 20 including the superconducting coil 25 or distributes the cryogenic coolant evenly to the rotor 20 including the superconducting coil 25 ) To recover the cryogenic refrigerant.

즉, 극저온 냉매가 공급되어야 할 회전자(20)의 초전도 코일(25)이 감긴 보빈의 수가 많은 경우에도, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 극저온 냉매용 매니폴드(50)를 통해 극저온 냉매를 동일한 유량 및 온도로 효과적으로 분배하거나 회수할 수 있다.That is, even when the number of bobbins wound in the superconducting coil 25 of the rotor 20 to which the cryogenic coolant is to be supplied is large, according to the embodiment of the present invention, the cryogenic coolant is supplied through the cryogenic coolant manifold 50 Efficiently distribute or recover at the same flow rate and temperature.

구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 극저온 냉매용 매니폴드(50)는 외통부(580), 제1 내통부(510), 및 제2 내통부(520)를 포함한다. 그리고 극저온 냉매용 매니폴드(50)는 차폐링(585), 단열층(530) 및 진공층(550)을 더 포함할 수 있다.2 and 3, the cryogenic coolant manifold 50 includes an outer tube 580, a first inner tube portion 510, and a second inner tube portion 520. [ The cryogenic coolant manifold 50 may further include a shielding ring 585, a heat insulating layer 530, and a vacuum layer 550.

외통부(580)는 중공링 형상을 포함한다. 즉, 외통부(580)는 속이 빈 도너츠 형상을 포함한다. 그리고 외통부(580)는 회전축(30)에 결합된다. 외통부(580)의 회전축(30)과 대향하는 내주면에는 회전축(30)과 결합에 사용되는 결합홈(587)이 형성될 수 있다.The outer tube portion 580 includes a hollow ring shape. That is, the outer tube portion 580 includes a hollow donut shape. The outer tube 580 is coupled to the rotary shaft 30. An engagement groove 587 used for engagement with the rotation shaft 30 may be formed on an inner circumferential surface of the outer tube portion 580 opposite to the rotation shaft 30.

차폐링(585)은 외통부(580)의 회전축(30)과 대향하는 내주면에 형성된다. 차폐링(585)은 회전축(30)으로부터 극저온 냉매용 매니폴드(50)로 전도 유입되는 열을 차단한다. 초전도 코일(25)에 영향을 미치는 외부 열 중, 회전축(30)을 통해 침입하는 열이 가장 큰 영향을 미치므로, 차폐링(585)은 외통부(580)와 회전축(30) 사이에 열전도를 효과적으로 억제하기 위하여 단열 성능이 우수한 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP; Glass Fiber Reinforced Plastic)과 같은 소재를 사용하여 형성될 수 있다.The shielding ring 585 is formed on the inner circumferential surface of the outer cylinder 580 facing the rotary shaft 30. The shielding ring 585 blocks heat flowing from the rotary shaft 30 to the cryogenic coolant manifold 50. The shielding ring 585 effectively prevents heat conduction between the outer cylinder 580 and the rotary shaft 30 because the heat exerted through the rotary shaft 30 has the greatest influence on the external heat affecting the superconducting coil 25. [ (Glass fiber reinforced plastic (GFRP)), which has excellent heat insulation performance, in order to suppress the thermal expansion coefficient.

차폐링(585)이 사용될 경우, 전술한 결합홈(587)은 차폐링(585)에 형성될 수 있다.When the shielding ring 585 is used, the above-described engagement groove 587 can be formed in the shielding ring 585.

또한, 차폐링(585)은 외통부(580)와 일체로 형성될 수 있다.The shield ring 585 may be formed integrally with the outer tube 580.

제1 내통부(510)는 외통부(580)의 내부에 형성되며, 외통부(580)와 마찬가지로 중공링 형상을 포함한다.The first inner cylindrical portion 510 is formed inside the outer cylindrical portion 580 and includes a hollow ring shape like the outer cylindrical portion 580.

제1 내통부(510)는 하나의 냉매 공급 포트(511)와 복수의 냉매 인입 포트(512)들을 갖는다. 이때, 냉매 공급 포트(511)와 냉매 인입 포트(512)는 서로 반대되는 방향으로 형성된다.The first inner tube 510 has one refrigerant supply port 511 and a plurality of refrigerant inlet ports 512. At this time, the coolant supply port 511 and the coolant inlet port 512 are formed in directions opposite to each other.

냉매 공급 포트(511)는 냉매 공급 라인(51)을 통해 극저온 냉매 공급 장치(90)와 연결된다. 즉, 제1 내통부(510)는 극저온 냉매 공급 장치(90)에서 극저온 상태로 냉각된 극저온 냉매를 냉매 공급 라인(51)을 통해 냉매 공급 포트(511)로 공급받는다.The coolant supply port 511 is connected to the cryogenic coolant supply device 90 through the coolant supply line 51. That is, the first inner cylinder 510 receives the cryogenic coolant cooled in the cryogenic coolant supply device 90 at the cryogenic temperature state to the coolant supply port 511 through the coolant supply line 51.

제2 내통부(520)는 제1 내통부(510)와 이격되도록 외통부(580)의 내부에 형성되며, 외통부(580) 및 제1 내통부(510)와 마찬가지로 중공링 형상을 포함한다. 또한, 제2 내통부(520)는 제1 내통부(510)와 다른 직경을 갖는다. 도 2에서는, 제2 내통부(520)가 제1 내통부(510) 보다 상대적으로 작은 직경을 가지고 내측에 위치한 것으로 나타나나, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제2 내통부(520)가 제1 내통부(510) 보다 상대적으로 큰 직경을 가지고 외측에 위치할 수도 있다.The second inner cylindrical portion 520 is formed inside the outer cylindrical portion 580 to be spaced from the first inner cylindrical portion 510 and includes a hollow ring shape like the outer cylindrical portion 580 and the first inner cylindrical portion 510. In addition, the second inner tube portion 520 has a different diameter from the first inner tube portion 510. 2, the second inner cylinder 520 is shown as being located on the inner side with a relatively smaller diameter than the first inner cylinder 510, but the embodiment of the present invention is not limited thereto. In other words, the second inner cylinder 520 may have a relatively larger diameter than the first inner cylinder 510 and may be located outside.

제2 내통부(520)는 하나의 냉매 회수 포트(521)와 복수의 냉매 인출 포트들(522)을 갖는다.The second inner casing 520 has one refrigerant return port 521 and a plurality of refrigerant outlet ports 522.

이때, 냉매 회수 포트(521)와 냉매 인출 포트(522)는 서로 반대되는 방향으로 형성된다.At this time, the refrigerant recovery port 521 and the refrigerant outlet port 522 are formed in directions opposite to each other.

냉매 회수 포트(521)는 냉매 회수 라인(52)을 통해 극저온 냉매 공급 장치(90)와 연결된다. 즉, 제2 내통부(520)는 분배되어 각각 초전도 코일을 냉각시킨 극저온 냉매를 다시 합류시킨 후 냉매 회수 포트(521)를 통해 냉매 회수 라인(52)으로 전달한다.The refrigerant recovery port 521 is connected to the cryogenic coolant supply device 90 through the refrigerant recovery line 52. That is, the second inner cylinder 520 is divided and re-joins the cryogenic coolant, which cools the superconducting coils, respectively, and then passes through the coolant recovery port 521 to the coolant recovery line 52.

단열층(530)은 제1 내통부(510) 및 제2 내통부(520)를 각각 둘러싼다. 단열층(530)은 외부에서 제1 내통부(510) 및 제2 내통부(520)로 유입되는 복사열을 차단한다. 또한, 제1 내통부(510)의 극저온 냉매와 제2 내통부(520)의 극저온 냉매 간에 열교환이 일어나는 것도 억제한다.The heat insulating layer 530 surrounds the first inner tube portion 510 and the second inner tube portion 520, respectively. The heat insulating layer 530 blocks radiant heat flowing from the outside into the first inner tube portion 510 and the second inner tube portion 520. Also, the heat exchange between the cryogenic coolant in the first inner cylinder 510 and the cryogenic coolant in the second inner cylinder 520 is suppressed.

본 발명의 일 실시예에서, 단열층(530)은 다층 박막 단열(Multi Layer Insulation) 구조를 갖는다. 다층 박막 단열 구조는 하나의 단열막을 수회에서 수십회 적층시킨 구조를 말한다. 이러한 다층 박막 단열 구조는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 방법으로 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the insulating layer 530 has a multi-layer insulation structure. The multilayer thin film insulation structure refers to a structure in which one heat insulating film is laminated several times to several tens times. Such multi-layered thermal insulation structures may be formed in a variety of ways known to those skilled in the art.

진공층(550)은 외통부(580)의 내부에서 제1 내통부(510)와 제2 내통부(520)의 이격된 공간에 형성된다. 진공층(550)은 제1 내통부(510) 및 제2 내통부(520)로 유입되는 대류열을 차단한다. 특히, 제1 내통부(510)와 제2 내통부(520) 간에 대류 운동으로 열교환이 일어나는 것을 억제한다.The vacuum layer 550 is formed in the space inside the outer tube 580 between the first inner tube 510 and the second inner tube 520. The vacuum layer (550) blocks the convection heat flowing into the first inner tube (510) and the second inner tube (520). Particularly, the heat exchange in the convection motion between the first inner tube portion 510 and the second inner tube portion 520 is suppressed.

복수의 냉매 인입 라인들(21)은 제1 내통부(510)의 복수의 냉매 인입 포트들(512)과 초전도 코일(25)을 포함한 회전자(20)를 연결한다.The plurality of coolant inlet lines 21 connect the plurality of coolant inlet ports 512 of the first inner tube portion 510 and the rotor 20 including the superconducting coil 25.

그리고 복수의 냉매 인출 라인들(22)은 제2 내통부(520)의 복수의 냉매 인출 포트들(522)과 초전도 코일(25)을 포함한 회전자(20)를 연결한다.  The plurality of coolant outlet lines 22 connect the plurality of coolant outlet ports 522 of the second inner tube 520 to the rotor 20 including the superconducting coil 25.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 복수의 냉매 인입 라인들(21) 및 복수의 냉매 인출 라인들(22)을 사용하면서도 극저온 냉매용 매니폴드(50)를 통해 극저온 냉매를 효과적으로 분배하거나 회수할 수 있다. 특히, 극저온 냉매용 매니폴드(50)의 제1 내통부(510)를 통해 극저온 냉매를 동일한 유량 및 온도로 분배할 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, the cryogenic coolant is effectively distributed through the cryogenic coolant manifold 50 while the plurality of coolant inlet lines 21 and the plurality of coolant take-out lines 22 are used, can do. Particularly, the cryogenic coolant can be distributed at the same flow rate and temperature through the first inner tube portion 510 of the cryogenic coolant manifold 50.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 코일(25)을 냉각시키기 위해 극저온 냉매를 효과적으로 균일하게 분배하여 공급할 수 있다.With this configuration, the superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention can effectively and uniformly distribute and supply the cryogenic coolant to cool the superconducting coil 25.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 극저온 냉매용 매니폴드(50)는 극저온 냉매를 효과적으로 분배할 수 있을 뿐만 아니라 복사열, 전도열, 및 대류열에 의한 열침입을 모두 효과적으로 차단할 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, the cryogenic coolant manifold 50 can effectively distribute the cryogenic coolant, as well as effectively block all the thermal intrusion by radiation heat, conduction heat, and convection heat.

구체적으로, 복사열은 단열층(530)을 통해 차단할 수 있고, 전도열은 차폐링(585)을 통해 차단할 수 있으며, 대류열은 진공층(550)을 통해 차단할 수 있다.Specifically, the radiant heat can be blocked through the insulating layer 530, the conductive heat can be blocked through the shield ring 585, and the convection heat can be blocked through the vacuum layer 550.

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.

10: 고정자 20: 회전자
21: 냉매 인입 라인 22: 냉매 인출 라인
25: 초전도 코일 28: 댐퍼
30: 회전축 50: 극저온 냉매용 매니폴드
51: 냉매 공급 라인 52: 냉매 회수 라인
80: 로터리 커플링 83: 자성 유체 실링
90: 극저온 냉매 공급 장치 91: 냉동기
92: 응축기 93: 히터
95: 액화 저장 탱크 98: 순환 펌프
99: 냉매 보충 탱크 101: 초전도 발전 시스템
510: 제1 내통부 511: 냉매 공급 포트
512: 냉매 인입 포트 520: 제2 내통부
521: 냉매 회수 포트 522: 냉매 인출 포트
530: 단열층 550: 진공층
580: 외통부 585: 차폐링
587: 결합홈10: stator 20: rotor
21: Refrigerant inlet line 22: Refrigerant outlet line
25: superconducting coil 28: damper
30: rotary shaft 50: cryogenic coolant manifold
51: Refrigerant supply line 52: Refrigerant recovery line
80: Rotary coupling 83: Magnetic fluid sealing
90: Cryogenic coolant supply device 91: Freezer
92: condenser 93: heater
95: Liquefaction storage tank 98: Circulation pump
99: Refrigerant supplement tank 101: Superconducting power generation system
510: first inner cylinder 511: refrigerant supply port
512: refrigerant inlet port 520: second inner cylinder
521: Refrigerant recovery port 522: Refrigerant outlet port
530: insulating layer 550: vacuum layer
580: outer tube 585: shield ring
587: Coupling groove

Claims (9)

초전도 코일을 포함한 회전자;
상기 회전자와 연결되어 회전 동력을 전달하는 회전축;
상기 회전자에 공급할 극저온 냉매를 냉각 시키는 극저온 냉매 공급 장치; 및
상기 회전축에 결합되어 상기 회전축과 함께 회전하며 상기 극저온 냉매 공급 장치가 공급하는 극저온 냉매를 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자에 분배하거나 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자에 분배된 극저온 냉매를 회수하기 위한 극저온 냉매용 매니폴드;
각각 비회전 구간과 상기 회전축과 함께 회전하는 회전 구간으로 구분되며, 상기 극저온 냉매용 매니폴드와 상기 극저온 냉매 공급 장치를 연결하는 냉매 공급 라인 및 냉매 회수 라인; 그리고
상기 회전축에 설치되어 상기 냉매 공급 라인 및 상기 냉매 회수 라인의 비회전 구간과 회전 구간을 연결하는 로터리 커플링 및 자성 유체 실링(Ferro-fluid Magnetic Sealing)
을 포함하는 초전도 발전 시스템.Rotors including superconducting coils;
A rotating shaft connected to the rotor to transmit rotational power;
A cryogenic coolant supply device for cooling the cryogenic coolant to be supplied to the rotor; And
A plurality of superconducting coils for circulating the cryogenic coolant supplied from the cryogenic coolant supply device to the rotors including the superconducting coils or for recovering the cryogenic coolant distributed to the rotors including the superconducting coils; A cryogenic coolant manifold;
A refrigerant supply line and a refrigerant recovery line which are divided into a non-rotating section and a rotating section rotating together with the rotating shaft, the refrigerant supplying line connecting the cryogenic coolant manifold and the cryogenic coolant supply device; And
A rotary coupling and a magnetic fluid sealing (Ferro-fluid Magnetic Sealing) which are installed on the rotary shaft and connect the non-rotary section and the rotary section of the refrigerant supply line and the refrigerant recovery line,
And the superconducting power generation system. 제1항에서,
상기 극저온 냉매용 매니폴드는,
상기 회전축에 결합되며 중공링 형상을 포함하는 외통부;
중공링 형상을 가지고 상기 외통부 내부에 형성되며, 상기 냉매 공급 라인과 연결된 하나의 냉매 공급 포트와 복수의 냉매 인입 포트들을 갖는 제1 내통부; 및
상기 제1 내통부와 다른 직경의 중공링 형상을 가지고 상기 제1 내통부와 이격되도록 상기 외통부 내부에 형성되며, 상기 냉매 회수 라인과 연결된 하나의 냉매 회수 포트와 복수의 냉매 인출 포트들을 갖는 제2 내통부
를 포함하는 초전도 발전 시스템.The method of claim 1,
The cryogenic coolant manifold includes:
An outer tube coupled to the rotating shaft and including a hollow ring shape;
A first inner tube having a hollow ring shape and formed inside the outer tube and having one refrigerant supply port and a plurality of refrigerant inlet ports connected to the refrigerant supply line; And
A second ring-shaped second ring having a hollow ring shape different from the first ring-shaped portion and being spaced apart from the first ring-shaped portion, wherein the second ring- Inner pressure
And the superconducting power generation system. 제2항에서,
상기 극저온 냉매용 매니폴드는 상기 제1 내통부 및 상기 제2 내통부를 각각 둘러싸는 단열층을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the cryogenic coolant manifold further comprises a heat insulating layer surrounding the first inner cylinder portion and the second inner cylinder portion. 제2항에서,
상기 극저온 냉매용 매니폴드는 상기 외통부의 내부에서 상기 제1 내통부와 상기 제2 내통부의 이격된 공간에 형성된 진공층을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the manifold for cryogenic coolant further comprises a vacuum layer formed in a space between the first inner tube and the second inner tube inside the outer tube. 제2항에서,
상기 극저온 냉매용 매니폴드는 상기 외통부의 상기 회전축과 대향하는 내주면에 형성된 차폐링을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the manifold for cryogenic temperature refrigerant further comprises a shield ring formed on an inner peripheral surface of the outer tube portion facing the rotation axis. 제2항에서,
상기 외통부의 상기 회전축과 대향하는 내주면에는 결합홈이 형성된 초전도 발전 시스템.3. The method of claim 2,
And a coupling groove is formed on an inner circumferential surface of the outer tube portion opposite to the rotation axis. 제2항에서,
상기 제1 내통부의 상기 복수의 냉매 인입 포트들와 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자를 연결하는 복수의 냉매 인입 라인들과;
상기 제2 내통부의 상기 복수의 냉매 인출 포트들과 상기 초전도 코일을 포함한 상기 회전자를 연결하는 복수의 냉매 인출 라인들
을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.3. The method of claim 2,
A plurality of coolant inlet lines connecting the plurality of coolant inlet ports of the first inner tube and the rotor including the superconducting coil;
A plurality of refrigerant outlet lines connecting the plurality of refrigerant outlet ports of the second inner cylinder to the rotor including the superconducting coil,
The superconducting power generation system further comprising: 삭제delete 삭제delete
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