초전도 장치용 저온 유지 장치

초전도 장치용 저온 유지 장치{A CRYOSTAT FOR SUPERCONDUCTING DEVICES}

본 발명은 저온 유지 장치(cryostat)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 초전도 변압기 및 한류기를 포함하지만 이에 한정되지 않는 초전도 장치와 함께 사용하기 위한 저온 유지 장치에 관한 것이다.

초전도 변압기 또는 한류기(FCL: fault current limiters)와 같은 초전도체를 사용하는 AC 전력 장치는 변압기가 높은 전류로 동작할 때나 혹은 FCL이 고장을 차단할 때에 상당한 전력과 열을 방출한다. 초전도 구성 요소들은 이들의 초전도 온도로 유지될 수 있도록 하기 위해 저온 유지 장치 내에 배치된다. 저온 유지 장치는 일반적으로 액화 질소(LN2)와 같은 극저온 냉각제를 담고 있는 용기를 포함하고, 냉각시켜야 할 초전도 구성 요소들은 한제 욕조(cryogen bath) 안에 직접적으로 침지된다. 저온 유지 장치 안에 배치해야 하는 초전도 구성 요소들은 보통은 HTS 또는 LTS 코일 권선이다.

저온 유지 장치는 한제와 코일 권선을 주위 온도로부터 단열시킨다. 그러나, 이러한 AC 전력 장치의 다른 구성 요소들, 예컨대 FCL의 많은 실현물 및 철심 등은 극저온 공간 내에서의 방열을 줄이기 위해서는 여전히 실온에서 작동되어야 한다. 철심이 동작하는 중에는 열이 방산되기 때문에, 철심을 격리시키기 위한 단열이 마련되어야 한다. 따라서, 저온 유지 장치는, 이 저온 유지 장치만이 초전도 장치를 부분적으로 냉각시켜야 하고 또한 이 저온 유지 장치의 내용물들이 위와 같은 장치들의 열을 방출하는 실온 구성 요소들로부터 격리되어야 하므로, 종종 복잡한 형상을 갖는다. 많은 경우에 있어서, 극저온의 구성 요소들과 실온의 구성 요소들 간의 분리는 최소화되어야 한다. 예를 들면, 변압기 내의 초전도 권선과 철심 사이의 간극은 이상적으로는 전기적 효율 및 비용 효율을 위해 수 센티미터 이하여야 한다. 이것이 의미하는 바는, 상기 공간 내의 열 절연체는, 큰 두께의 절연체를 수용할 수 있기 때문에 높은 열전도도가 허용될 수 있는 저온 유지 장치의 다른 부분들과 비교했을 때, 낮은 열전도도를 가져야 한다는 것이다. 효율적인 삼상 변압기는 또한 상온의 공간을 가로지르는 상 권선(phase winding)들 사이의 전기 접속부들로부터의 열 부하를 피하려면 모든 상 권선들이 같은 극저온 공간을 공유해야 하고, 이는 저온 유지 장치의 구조를 더욱더 복잡하게 한다.

표준 설계의 변압기 저온 유지 장치는 진공 절연 유리 강화 플라스틱(GRP) 복합 용기를 사용하고 있다. 이러한 저온 유지 장치의 구조는 해결이 요구되고 있으며 비용 면에서 비효율적이다. 현재로서는 위와 같은 삼상 저온 유지 장치 하나만이 입증되었다. 이러한 저온 유지 장치는 일반적으로 연속 펌핑이 필요하다. 진공 펌프는 복잡성과 비용을 추가시키며 유지 보수가 필요한데, 이는 전기 설비 환경에서 심각한 단점이 된다. 초전도 변압기에 있어서는, 극저온 공간을, 권선만을 위해 필요한 것을 넘어서 열 교환기, 온-로드 탭 체인저(on-load tap changer)를 수용할 수 있도록 확장하는 것과 온도 안정성 증대를 위해 LN2 공간을 단순히 증가시키는 것도 유리하다. 진공 공간은 대기압 하에서의 붕괴를 방지하기 위해서는 고도의 공학적 설계가 필요하기 때문에 대형 진공 절연 용기를 제조하는 것은 어렵다.

본 발명은 상기 문제점들 중 적어도 일부를 개선하는 것, 또는 공중에게 대안적인 저온 유지 장치를 적어도 제공하는 것을 목표로 한다.

넓은 의미에서, 본 발명은, 극저온 냉각제 및 초전도 장치를 수용하기 위한 것이며 제1 비진공 단열재로 절연된 탱크와; 탱크를 관통해서 연장되며, 제2 진공 절연체로 둘레가 절연된 적어도 하나의 공동을 포함하는, 초전도 장치용 저온 유지 장치를 포함한다.

적어도 일부 실시예에서, 제1 단열재는 팽창 발포 절연재 등의 발포 절연재를 포함한다.

적어도 일부 실시예에서, 탱크를 관통한 공동은 예를 들어 유리와 같은 재료로 이루어진, 동심 슬리브와 같은, 진공 절연체의 내벽 및 외벽에 의해 한정된다.

일부 실시예에서, 발포 재료는 77K 내지 300K의 온도 범위에 걸쳐 평균 약 0.03W/mK 미만의 열전도도를 갖는다. 일부 실시예에서, 발포 절연체는 약 400mm 이상, 약 450mm, 또는 약 500mm, 또는 약 550mm, 또는 약 600mm, 또는 약 800mm의 두께를 갖는다.

일부 실시예에서, 상기 진공 절연체는 약 0.003W/mK 미만, 약 0.002W/mK 이하, 또는 약 0.001W/mK의 유효 열전도도를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 진공 절연체는 약 5mm 내지 약 25mm의 평균 두께를 갖는다.

본 발명의 저온 유지 장치에 있어서, 변압기 코어들을 수용하기 위한 공동 둘레에 있으며 공동을 한정하는 진공 절연체는 얇은 벽이고, 탱크의 외부 절연체는 두꺼운 저비용 비진공 단열재를 포함하고, 이에 의해 아주 고비용의 전체 진공 절연 용기를 제조할 필요성을 피할 수 있다. 또한, 저온 유지 장치의 구조가 모듈화될 수 있고 적응성을 가지므로, 또 한편 더 경제적으로 제조할 수 있다.

여기에 사용된 용어 "및/또는"은 "및"이나, 혹은 "또는"이나, 혹은 둘 다를 의미한다.

여기에 사용된 명사에 이어지는 "(들)"은 명사의 복수 및/또는 단수 형태를 의미한다.

본 명세서에서 사용된 용어 "포함하는"은 "~ 의 적어도 일부로 이루어진" 것을 의미한다. 본 명세서에서 이 용어를 포함하는 서술문을 해석할 때, 각 서술문에 있는 그 용어가 단서가 되는 특징들 모두가 존재해야 하지만 다른 특징들도 존재할 수 있다. "포함하다"와 "포함되다" 등의 관련된 용어들은 동일한 방식으로 해석되어야 한다.

본 발명의 저온 유지 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 아래와 같은 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 더 설명한다.
도 1은 뚜껑을 구비한 저온 유지 장치의 한 평면에서 본 개략적인 수직 단면도이다.
도 2는 뚜껑을 구비한 저온 유지 장치의 다른 평면에서 본 개략적인 수직 단면도이다.
도 3은 도 1의 선 II를 따라서 취한 개략적인 수평 단면도이다.

도면들은 삼상 초전도 변압기의 HTS 코일을 냉각하기 위한 저온 유지 장치를 도시한다. 저온 유지 장치(1)는 액체 질소와 같은 극저온 냉각제(3)를 담기 위한 강한 가스 불투과성 케이싱(2)을 구비하는 탱크(7)를 포함하고, 상기 탱크(7) 안에는 극저온 온도로 유지시킬 필요가 있는 초전도 변압기 코일(10)이 수용된다. LTS 또는 HTS 코일(10)은 바람직하게는 극저온 냉각제(3) 속에 직접적으로 침지된다. 탱크 내의 냉각제 수위는 도 1에 선(15)으로 표시된다. 탱크는 뚜껑(9)을 포함한다. 외측 케이싱의 뚜껑 부분은 도면 부호 2a로 표시된다. 극저온 냉각제(3)는 도 2에 나타낸 극저온 냉각기 및 열 교환기(12)에 의해 적절한 온도 범위 내에 유지된다.

뚜껑(9)을 포함한 탱크(7)의 내부를 라이닝하는 것은 팽창 폐쇄 셀 폴리스티렌 발포체와 같은 폐쇄 셀 발포 재료를 포함하는 비진공 절연 층(6)이다. 적어도 일부 실시예에서, 발포 재료는 0.03W/mK 미만의 열전도도 및 약 400mm 이상의 최소 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 발포 재료는 약 450mm 이상, 또는 약 500mm, 또는 약 550mm, 또는 약 600mm, 또는 약 800mm의 두께를 갖는다.

적어도 일부 실시예에서, 발포 절연 층(6)은 실질적으로 균일한 두께를 갖는다. 적어도 일부 실시예에서, 발포 절연 층(6)은 탱크(7)의 실질적으로 전체의 내부를 균일한 두께로 라이닝한다. 발포 절연 층(6)은 예컨대 열 접합 또는 접착에 의해 케이싱(2)에 부착될 수 있거나, 또는 케이싱 안으로의 분무 또는 주입에 의해 형성될 수 있다.

외부 케이싱(2)은, 일반적으로, 예컨대 유리 보강 플라스틱(GRP) 재료와 같은 절연재(6)보다 강성 및 펑크 방지성이 큰 재료로 형성되며, 외부 케이싱(2)의 두께는 두꺼운 절연 층(6)의 두께보다 작다. 외부 케이싱(2)은 탱크에 구조 강도를 주로 제공한다.

일부 실시예에서, 섬유 강화 폴리머와 같은 경화제가 발포 절연 층(6)에 혼입되어 열 수축에 의해 야기되는 변형에 대한 보강을 제공한다. 다른 실시예에서, 섬유 강화 폴리머 또는 유리 강화 폴리머(GRP) 복합재 등의 보강층이 발포 절연 층(6)의 내부 및/또는 외부에 제공될 수 있다. 도시된 예에서는 GRP 층(13)이 발포 절연체(6)의 내면에 제공되어 있는데, 이는 외부 케이싱(2)과 내부 층(13)을 모두 도시하고 있는(도 1은 그렇지 않음) 도 2 및 도 3을 참조하면 알 수 있다.

저온 유지 장치는 탱크 기부와 탱크 뚜껑 사이에서 탱크를 관통해 연장되는 공동을 구비한다. 도시된 실시예에서, 저온 유지 장치(1)는 탱크(7)를 관통해서 연장되는 세 개의 공동(8)을 포함한다. 공동(8)은 도시된 바와 같이 탱크를 상단과 바닥 사이에서 관통하는 중공 통로이다. 각각의 공동(8)은, 유리 등의 가스 불투과성 재료로 이루어지며 밀폐 진공 공간을 사이에 한정하는 적어도 내벽(5a)과 외벽(5b)에 의해 한정된 진공 슬리브(5)에 의해 형성된 진공 절연 층(도 3 참조)에 의해 한정되어 단열된다. 대안적으로, 가스 불투과성 복합 재료와 같은 다른 적합한 재료도 진공 공간을 한정하는 내벽과 외벽으로 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 유리 벽(5a, 5b) 각각은 유리 원통을 포함하고, 두 개의 대직경 유리 원통과 소직경 유리 원통은 동축으로 배열되어 그들의 양 단부에서 결합/밀봉되어서 폐쇄 진공 공간 또는 진공 슬리브를 형성한다. 각 변압기 상(phase)의 철심(4)은 진공 슬리브(5)들 중 하나를 통해 공동(8) 안에 수용된다.

변압기의 철심들을 수용하기 위한 공동 둘레에서 공동을 한정하는 진공 절연체는 모듈 형태로 미리 형성된 후에 비진공 외부 절연체를 포함하는 탱크 안에 직접적으로 설치될 수 있다. 진공 슬리브들은 그들의 두 대향 단부에서 발포 절연체(6)에 결합되고, 그 결합부들은, 바닥 결합부에서는 극저온 냉각제(3) 누출이 방지될 수 있도록 접착제 또는 임의의 다른 적합한 수단에 의해 누설 방지 밀봉이 이루어지도록, 그리고 상단 결합부에는 엘라스토머 밀봉재, O링, 또는 가스켓에 의해 기밀 밀봉부가 형성되도록, 만들어진다.

도시된 실시예에서는 언급한 바와 같이 삼상 변압기의 철심(4)의 철각(limb)을 수용하기 위해 세 개의 진공 원통(5)이 제공되지만, 다른 실시예에서는 탱크 내의 하나의 공동 주위의 하나의 코일 및 상기 공동을 통과하는 관련된 철심을 위한, 하나의 진공 원통이 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 코일은 전류 제한 장치일 수 있다.

언급한 바와 같이, 진공 원통(5)은 얇은 벽으로 형성되어서 저온 유지 장치 내의 변압기 코일(10)들과 이 코일들과 관련된 외부 철심(4) 간의 긴밀한 결합이 이루어질 수 있게 하고, 이와 동시에 두꺼운 발포 절연체(10)의 사용을 통해 예전에 제안된 것과 같은 아주 고 비용의 전체 진공 절연 용기의 제조 필요성을 회피할 수 있다. 본 발명의 저온 유지 장치의 손실은 동등한 크기의 전체 진공 절연 방식의 저온 유지 장치와 유사하거나 혹은 그보다 약간 많을 수 있다. 저온 유지 장치가 크면 클수록, 얻을 수 있는 경제적 이득이 더 커진다. 또한, 저온 유지 장치의 구조가 모듈화될 수 있고 적응성을 가지므로, 또 한편 더 경제적으로 제조할 수 있다.

적어도 일부 실시예에서, 진공 절연체(5)는 약 0.001W/mK 미만의 유효 열전도도 및 약 5 내지 25mm의 평균 두께를 갖는다. 다른 실시예에서, 진공 절연체(5)는 약 0.002W/mK 또는 약 0.003W/mK 이하의 유효 열전도도를 갖는다.

적어도 일부 실시예에서, 진공 슬리브(8)는 또한 복사 열전달에 대한 단열도 제공한다. 일 실시예에서, 복사 단열부는 진공 공간의 내부를 라이닝하는 다층 절연재(MLI: multi-layer insulation)라고 알려진 알루미늄 처리 마일러 시트(aluminised mylar sheet) 또는 이와 유사한 절연 시스템을 포함할 수 있다. 전도성 코팅 마일러 시트는 철심으로부터 표유 자장(stray magnetic field)에 의해 유도되는 와전류의 효과를 무효화하도록 세분된다. 또 다른 실시예에서, 복사 단열을 제공하기 위해 진공 공간 내에 유리 마이크로스피어(glass microsphere)를 채울 수 있다. 추가 실시예에서, 철심을 둘러싸는 전도 경로를 회피하기 위해, 틈이 있는 진공 공동의 내면 상에서 유리 슬리브들이 은도금된다.

앞의 설명에서는 본 발명의 바람직한 형태를 포함하는 발명을 설명하고 있다. 본 발명의 저온 유지 장치는 다른 초전도 장치와 함께 사용될 수 있음을 이해하게 될 것이다. 당업자에게 명백할 여러 가지 변경 및 변형은 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석된다.