KR102194581B1 - 고전압 모터가 구비된 대용량 헬륨 순환기 - Google Patents

고전압 모터가 구비된 대용량 헬륨 순환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 헬륨 순환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동부와 전동부가 물리적으로 분리된 상태에서 동작이 가능하며, 고전압 모터를 사용해서 전동부를 저속으로 구동시켜도 헬륨을 고압으로 압축할 수 있는 헬륨 순환기에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명에 따른 헬륨 순환기는, 원자력 또는 핵융합 장치의 헬륨순환시스템에 사용되는 헬륨 순환기에 있어서, 공급되는 헬륨을 가압해서 토출시키는 구동부와, 상기 구동부에 동력을 제공하는 전동부, 및 상기 전동부를 통해 제공되는 동력을 상기 구동부에 전달하는 동력 전달부를 포함하되, 상기 구동부에는 공급되는 헬륨이 대기와 분리된 상태에서 가압되도록 밀폐 챔버가 구비되며, 상기 전동부는 대기 중에 노출되도록 구성된다.

Description

고전압 모터가 구비된 대용량 헬륨 순환기{LARGE CAPACITY HELIUM CIRCULATING DEVICE WITH HIGH VOLTAGE MOTOR}
본 발명은 헬륨 순환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동부와 전동부가 물리적으로 분리된 상태에서 동작이 가능하며, 고전압 모터를 사용해서 전동부를 저속으로 구동시켜도 헬륨을 고압으로 압축할 수 있는 헬륨 순환기에 관한 것이다.
원자력/핵융합 장치의 헬륨순환시스템에 사용되는 헬륨 순환기의 경우 작동 유체인 헬륨 내에 함유된 방사선 물질의 누설을 막기 위해 밀폐된 구조 내부에서 헬륨을 가압하도록 구성된다.
종래의 경우 헬륨 순환기의 경우 헬륨을 가압하는 임펠러와 모터가 외기와 차단되도록 밀폐된 하우징 내에 구비된 상태에서 모터를 구동시켜서 임펠러를 회전시킴으로써 헬륨을 가압해서 순환시키게 된다.
다만, 헬륨 환경에서의 절연 강도(dielectric strength)는 2.5 kV/cm로 대기 중에서의 절연 강도(20 kV/cm)에 비해 1/8 수준에 불과하므로 종래와 같이 임펠러와 모터를 같은 하우징 내에 구비해서 동작시킬 경우 코로나 방전 등의 이유로 MV(mega volt) 전원을 사용하는 고전압 모터를 사용할 수 없고, 설사 가능하더라도 고전압 모터의 고속 회전을 가능하게 하는 인버터가 존재하지 않으므로 헬륨을 가압해서 순환시키는 것이 쉽지 않았다.
따라서 이러한 부분에 대한 개선이 필요한 실정이다.
PROC. IEE, Vol. 120, No. 7, JULY 1973 K. K. Schwarz et al. Submerged gas-circulator motors for advanced gas-cooled reactors
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 구동부와 전동부가 물리적으로 분리된 상태에서 동작이 가능하므로 전동부에 고전압 전원 사용이 가능하며, 이러한 전동부를 저속으로 구동시켜도 헬륨을 고압으로 압축할 수 있는 헬륨 순환기를 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 헬륨 순환기는, 원자력 또는 핵융합 장치의 헬륨순환시스템에 사용되는 헬륨 순환기에 있어서, 공급되는 헬륨을 가압해서 토출시키는 구동부와, 상기 구동부에 동력을 제공하는 전동부, 및 상기 전동부를 통해 제공되는 동력을 상기 구동부에 전달하는 동력 전달부를 포함하되, 상기 구동부에는 공급되는 헬륨이 대기와 분리된 상태에서 가압되도록 밀폐 챔버가 구비되며, 상기 전동부는 대기 중에 노출되도록 구성된다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬륨 순환기는 전동부가 구동부로부터 물리적으로 분리되어 대기 중에 노출된 상태에서 동작하므로 높은 절연강도를 확보함으로써 전동부의 동작을 위해 고전압 전원을 사용할 수 있으므로 작동 환경이 개선된다.
또한, 구동부와 전동부를 연결하는 동력 전달부에 가속 부재가 구비되어 출력 샤프트의 회전 속도를 증가시킬 수 있으므로 전동부를 저속으로 동작시키더라도 결국 임펠러가 고속으로 회전함에 따라 헬륨을 고압으로 압축시킬 수 있게 된다.
아울러 동력 전달부에는 자력을 통한 동력 전달이 가능하도록 전달 부재가 구비되어 전동부와 구동부가 물리적 접촉 없이 구성되더라도 동력의 손실 없이 원활한 동력 전달이 가능하게 된다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 헬륨 순환기를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 동력 전달부를 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ 부분의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참고부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 헬륨 순환기를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 원자력 또는 핵융합 장치의 헬륨순환시스템에 사용되는 헬륨 순환기에 있어서, 이러한 헬륨 순환기는, 공급되는 헬륨을 가압해서 토출시키는 구동부(100)와, 구동부(100)에 동력을 제공하는 전동부(200), 및 전동부(200)를 통해 제공되는 동력을 구동부(100)에 전달하는 동력 전달부(300)를 포함한다.
이때, 구동부(100)에는 공급되는 헬륨이 대기와 분리된 상태에서 가압되도록 밀폐 챔버(120)가 구비되고, 전동부(200)는 대기 중에 노출되도록 구성된다.
즉, 구동부(100)와 전동부(200)를 물리적으로 분리하여 전동부(200)가 대기 환경에 노출된 상태에서 동작하므로 높은 절연강도를 확보할 수 있고, 이를 통해 구동부(100)가 MV 전원을 사용하더라도 종래와 같은 코로나 방전 등의 문제가 발생하지 않으므로 헬륨의 고압 압축이 가능하여 헬륨 순환기의 전체 성능 및 활용성이 향상된다.
이때, 전술한 동력 전달부(300)는 도 1에 도시된 바와 같이, 밀폐 챔버(120)의 외부에 배치되도록 구성하거나, 또는 후술하는 바와 같이, 밀폐 챔버(120)의 내부에 배치되도록 구성하는 것도 가능하다.
전술한 밀폐 챔버(120)에는 헬륨의 유입 및 배출을 위한 유입 통로와 배출 통로가 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 동력 전달부를 도시한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 동력 전달부(300)에는 전동부(200)를 통해 제공되는 동력이 입력되는 입력 샤프트(320)와, 제공된 동력이 구동부(100)에 전달되도록 동력이 출력되는 출력 샤프트(310)가 구비되며, 동력 전달부(300)는 밀폐 챔버(120)의 내부에 구비될 수도 있다.
출력 샤프트(310)에는 임펠러(110)가 구비되어 출력 샤프트(310)가 회전 시 함께 회전하게 되고, 이를 통해 헬륨 흐름을 가속시키게 된다.
이때, 전동부(200)에 구비된 모터(210)를 통해 제공되는 동력을 전달하기 위해서 입력 샤프트(320)는 밀폐 챔버(120)의 외부로 노출된 상태에서 전동부(200)에 연결될 수 있다.
이러한 동력 전달부(300)에는 입력 샤프트(320)의 회전 속도보다 출력 샤프트(310)의 회전 속도가 더 크게 형성되도록 출력 샤프트(310)의 회전 속도를 증가시키는 가속 부재(350)가 구비될 수 있다.
헬륨의 경우 압축 성능이 매우 낮기 때문에 헬륨의 순환을 위해서는 임펠러(110)의 높은 회전 속도가 필요하게 되는데, 이와 같이 가속 부재(350)가 구비되면 입력 샤프트(320)가 저속으로 회전하더라도 출력 샤프트(310)가 고속으로 회전할 수 있으므로 원활한 헬륨 순환이 가능하게 된다.
예를 들어 가속 부재(350)는 입력 샤프트(320)가 대략 4,000 rpm으로 회전할 때, 출력 샤프트(310)가 대략 70,000 rpm 정도로 회전할 수 있게 가속하게 된다.
이러한 가속 부재(350)에는 입력 샤프트(320)와 동일한 회전 속도로 회전하는 제1 회전 코어(351)와, 제1 회전 코어(351)보다 빠른 회전 속도로 회전하는 제2 회전 코어(353)가 구비될 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 입력 샤프트(320)가 저속으로 회전함에 따라 제1 회전 코어(351)도 이와 동일하게 저속으로 회전하게 되고, 제2 회전 코어(353)는 제1 회전 코어(351)보다 빠른 회전 속도로 회전하게 되며, 출력 샤프트(310)에는 제2 회전 코어(353)가 결합되어 있으므로 출력 샤프트(310)도 제2 회전 코어(353)와 함께 빠른 속도로 회전하게 되는 것이다. 이러한 제1 회전 코어(351)와 제2 회전 코어(353)의 회전 속도 차이에 대해서는 후술하도록 한다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ 부분의 단면도이다.
이러한 가속 부재(350)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 회전 코어(351)와 제2 회전 코어(353)의 사이에 배치되는 고정 코어(352)가 구비되며, 고정 코어(352)에는 둘레 방향을 따라 복수 개의 강자성체 피스(352a)가 구비될 수 있다.
또한, 제1 회전 코어(351)에는 둘레 방향을 따라 제3 마그넷(351a)이 구비된다. 이때, 제3 마그넷(351a)은 N극의 마그넷을 사용할 수 있고, 상호 이격된 제3 마그넷(351a)의 사이에는 S극의 마그넷(351b)이 구비될 수 있다.
아울러 제2 회전 코어(353)에도 둘레 방향을 따라 제4 마그넷(353a)이 구비된다. 이때, 제4 마그넷(353a)도 N극의 마그넷을 사용할 수 있고, 상호 이격된 제4 마그넷(353a)의 사이에는 S극의 마그넷(353b)이 구비될 수 있다.
즉, 고정 코어(352)는 제1 회전 코어(351)와 제2 회전 코어(353)를 격리시킴과 동시에 후술하는 제1 회전 코어(351)와 제2 회전 코어(353)에 각각 구비되는 제3 마그넷(351a)과 제4 마그넷(353a)을 합한 개수 만큼의 강자성체 피스(352a)가 구비되며, 이러한 강자성체 피스(352a)는 상호 간에 동일한 간격으로 배치될 수 있다.
이때, 제1 회전 코어(351)가 회전하게 되면 제1 회전 코어(351)에 구비된 제3 마그넷(351a)과 제2 회전 코어(353)에 구비된 제4 마그넷(353a) 상호 간의 자기적 상호 작용에 의해 제2 회전 코어(353)가 회전하게 된다.
이때, 제3 마그넷(351a)은 제4 마그넷(353a)보다 상대적으로 더 많은 개수로 구비되며, 이와 같이 구성하게 되면 제2 회전 코어(353)는 제1 회전 코어(351)보다 빠르게 회전하게 되며, 다만, 제2 회전 코어(353)의 회전 방향은 제1 회전 코어(351)의 회전 방향과 반대로 형성된다.
즉, 제2 회전 코어(353)에 구비된 제4 마그넷(353a)의 개수에 대한 제1 회전 코어(351)에 구비된 제3 마그넷(351a)의 개수의 비(제3 마그넷의 개수/제4 마그넷의 개수)가 제1 회전 코어(351)에 대한 제2 회전 코어(353)의 기어비가 되며, 제1 회전 코어(351)가 좌회전으로 1회전 되었을 경우 제2 회전 코어(353)는 우회전으로 이러한 기어비 만큼 회전하게 된다.
앞서 살펴본 바와 같이, 대략 10배 이상 회전 속도를 증가시키기 위해서는 기어비가 10배 이상 형성되도록 제3 마그넷(351a)와 제4 마그넷(353a)의 개수를 조정하게 된다.
이러한 가속 부재(350)는 윤활유를 필요하지 않고 주변을 오염하지 않는 자기 기어를 사용할 수 있으며, 또는, 마그네틱 방식의 자기 기어가 아니더라도 윤활유를 사용하지 않고 데브리(debris) 등이 생성되지 않아서 작동 유체를 오염시키지 않는 다른 종류의 기어도 사용 가능하다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 동력 전달부(300)에는 입력 샤프트(320)를 통해 입력된 동력을 자력을 이용해서 전달하는 전달 부재(340)가 구비된다.
이와 같이 자력을 이용해서 입력 샤프트(320)에 입력된 동력을 전달하게 되면 밀폐 챔버(120)에 의해 물리적으로 분리된 상태에서도 효과적으로 동력을 전달할 수 있으며, 사용 과정에서 전동부(200)의 수리가 필요할 경우에도 쉽게 유지, 보수가 가능할 뿐만 아니라 전동부(200)를 통해 전도되는 전도열을 쉽게 차단할 수 있게 된다.
이러한 전달 부재(340)에는 입력 샤프트(320)와 직접 연결되는 제1 전달 샤프트(341)와, 제1 전달 샤프트(341)와 물리적으로 분리된 상태에서 제1 전달 샤프트(341)와 함께 회전하는 제2 전달 샤프트(342)가 구비되되, 제1 전달 샤프트(341)에는 제1 마그넷(341a)이 구비되고, 제2 전달 샤프트(342)에는 제1 마그넷(341a)에 대응되는 제2 마그넷(342a)이 구비될 수 있다.
즉, 제1 마그넷(341a)과 제2 마그넷(342a)이 자력으로 상호 연결되어 물리적으로 분리된 상태에서도 원활한 동력 전달이 가능하게 되는 것이다.
더 나아가 전술한 바와 같이, 동력 전달부(300)에는 입력 샤프트(320)의 회전 속도보다 출력 샤프트(310)의 회전 속도가 더 크게 형성되도록 출력 샤프트(310)의 회전 속도를 증가시키는 가속 부재(350)가 구비되므로 입력 샤프트(320)가 저속으로 회전함에 따라 제1 전달 샤프트(341)와 제2 전달 샤프트(342)도 저속으로 회전하게 되고, 이와 같이 제1 전달 샤프트(341)와 제2 전달 샤프트(342)가 저속으로 회전하게 되면 제1 마그넷(341a)과 제2 마그넷(342a)의 사이에 유도 전류가 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
또한, 동력 전달부(300)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 전달되는 동력이 손실되는 것을 방지하도록 출력 샤프트(310)를 지지하는 지지 부재(330)가 구비될 수 있다.
이러한 지지 부재(330)는 저널 베어링과 스러스트 베어링을 포함하며, 이를 통해 출력 샤프트(310)의 원심(radial) 방향 및 축(axial) 방향의 하중을 최대한 지지할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 구동부 110 : 임펠러
120 : 밀폐 챔버 200 : 전동부
210 : 모터 300 : 동력 전달부
310 : 출력 샤프트 320 : 입력 샤프트
330 : 지지 부재 340 : 전달 부재
341 : 제1 전달 샤프트 341a : 제1 마그넷
342 : 제2 전달 샤프트 342a : 제2 마그넷
350 : 가속 부재 351 : 제1 회전 코어
351a : 제3 마그넷 351b : S극 마그넷
352 : 고정 코어 352a : 강자성체 피스
353 : 제2 회전 코어 353a : 제4 마그넷
353b : S극 마그넷

Claims (9)

  1. 원자력 또는 핵융합 장치의 헬륨순환시스템에 사용되는 헬륨 순환기에 있어서,
    상기 헬륨 순환기는,
    공급되는 헬륨을 가압해서 토출시키는 구동부;
    상기 구동부에 동력을 제공하는 전동부; 및
    상기 전동부를 통해 제공되는 동력을 상기 구동부에 전달하는 동력 전달부;
    를 포함하되,
    상기 구동부에는 공급되는 헬륨이 대기와 분리된 상태에서 가압되도록 밀폐 챔버가 구비되며,
    상기 전동부는 대기 중에 노출되도록 구성되는 헬륨 순환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동력 전달부에는 상기 전동부를 통해 제공되는 동력이 입력되는 입력 샤프트와, 제공된 동력이 상기 구동부에 전달되도록 동력이 출력되는 출력 샤프트가 구비되며,
    상기 밀폐 챔버의 내부에는 상기 동력 전달부가 배치되되, 상기 입력 샤프트는 상기 밀폐 챔버의 외부로 노출된 상태에서 상기 전동부에 연결되는 헬륨 순환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 동력 전달부에는 상기 입력 샤프트의 회전 속도보다 상기 출력 샤프트의 회전 속도가 더 크게 형성되도록 상기 출력 샤프트의 회전 속도를 증가시키는 가속 부재가 구비되는 헬륨 순환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가속 부재에는 상기 입력 샤프트와 동일한 회전 속도로 회전하는 제1 회전 코어와, 상기 제1 회전 코어보다 빠른 회전 속도로 회전하는 제2 회전 코어가 구비되는 헬륨 순환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가속 부재에는 상기 제1 회전 코어와 상기 제2 회전 코어의 사이에 배치되는 고정 코어가 구비되며,
    상기 고정 코어에는 둘레 방향을 따라 복수 개의 강자성체 피스가 구비되는 헬륨 순환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 회전 코어에는 둘레 방향을 따라 제3 마그넷이 구비되고,
    상기 제2 회전 코어에는 둘레 방향을 따라 제4 마그넷이 구비되되,
    상기 제3 마그넷은 상기 제4 마그넷보다 상대적으로 더 많은 개수로 구비되는 헬륨 순환기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 동력 전달부에는 상기 입력 샤프트를 통해 입력된 동력을 자력을 이용해서 전달하는 전달 부재가 구비되는 헬륨 순환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전달 부재에는 상기 입력 샤프트와 직접 연결되는 제1 전달 샤프트와, 상기 제1 전달 샤프트와 물리적으로 분리된 상태에서 상기 제1 전달 샤프트와 함께 회전하는 제2 전달 샤프트가 구비되되,
    상기 제1 전달 샤프트에는 제1 마그넷이 구비되고,
    상기 제2 전달 샤프트에는 상기 제1 마그넷에 대응되는 제2 마그넷이 구비되는 헬륨 순환기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 동력 전달부에는 전달되는 동력이 손실되는 것을 방지하도록 상기 출력 샤프트를 지지하는 지지 부재가 구비되는 헬륨 순환기.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03105283A (ja) * 1989-09-20 1991-05-02 Hitachi Ltd ペレツト加速ガスの供給装置
JPH0791760A (ja) * 1993-09-17 1995-04-04 Hitachi Ltd 磁気軸受式タービンコンプレッサ
JP2004076737A (ja) * 2002-08-20 2004-03-11 Borgwarner Inc 排気タービン過給機

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Title
K. K. Schwarz et al.
PROC. IEE, Vol. 120, No. 7, JULY 1973
Submerged gas-circulator motors for advanced gas-cooled reactors

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