(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2015년12월24일
(11) 등록번호 10-1580218
(24) 등록일자 2015년12월18일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H01F 38/14 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2014-7003203
(22) 출원일자(국제) 2012년07월05일
심사청구일자 2014년02월06일
(85) 번역문제출일자 2014년02월06일
(65) 공개번호 10-2014-0032002
(43) 공개일자 2014년03월13일
(86) 국제출원번호 PCT/US2012/045504
(87) 국제공개번호 WO 2013/006674
국제공개일자 2013년01월10일
(30) 우선권주장
13/176,800 2011년07월06일 미국(US)
(56) 선행기술조사문헌
US20090121896 A1*
KR1020060017592 A*
EP2146358 A2
WO2011094682 A1
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
지멘스 에너지, 인코포레이티드
미국 플로리다주 올랜도 알라파야 트레일 4400 (
우: 32826-2399)
(72) 발명자
미첼, 데이비드 제이.
미국 32765 플로리다 오비에도 레이크 클레어 코
트 616
쉴리크, 코라
미국 32817 플로리다 올란도 부크 힐 플레이스
3201
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
특허법인 남앤드남, 정현주, 이시용
전체 청구항 수 : 총 16 항 심사관 : 임영국
(54) 발명의 명칭 초고온 회로 커플링
(57) 요 약
교류 전류 전력 및/또는 데이터 신호들(29'', 33'')을 송수신하기 위해 인덕턴스-안정적인 초고온 회로 커플링
트랜스포머(50)가 사용된다. 일차(30'') 및 이차(34'') 권선들이 아주 높은 동작 온도를 초과하는 퀴리 온도를
갖는, 나노구조화된 라미네이트된(31') 일차 및 이차 스틸 코어들(32'') 상에 형성된다. 다양한 실시예들에서,
동작 범위는,10% 미만의 인덕턴스의 변화로, 주위 온도 내지 250℃로 확장될 수 있거나, 또는 550℃를 초과하여
또는 최대 700℃까지 확장될 수 있다.
대 표 도
등록특허 10-1580218
- 1 -
(72) 발명자
웨이츠, 로드
미국 94087 캘리포니아 써니베일 렘브란트 드라이
브 1202
쿨카니, 아난드 에이.
미국 28277 노스캐롤라이나 샬럿 아드레이 우즈 드
라이브 9420
등록특허 10-1580218
- 2 -
명 세 서
청구범위
청구항 1
주위 온도 내지 적어도 섭씨 500도에 이르는 최대 동작 온도 사이의 동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕
턴스(inductance)를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링(coupling)으로서,
상기 최대 동작 온도에 의해 특징지어지는 동작 환경에서 텔레메트리 트랜스포머(telemetry transformer)로서의
동작을 위해 배치되는 에어 갭 코어(air gap core) 트랜스포머;
나노구조화된 스틸(steel)의 퀴리(Curie) 온도를 초과하는 퀴리 온도에 의해 특징지어지는 고체 일차 코어 재료
를 포함하는 일차 인덕션 코일 어셈블리(induction coil assembly) ― 상기 일차 코어 재료 주위로 일차 코일이
감기고, 상기 일차 코일은 자신의 전기 전도율을 유지하고 상기 최대 동작 온도 범위를 초과하는 온도들에서 근
처 전도체들로부터의 전기적 절연을 유지하며, 상기 일차 코일은 구리의 퀴리 온도를 초과하는 퀴리 온도를 갖
는 금속을 포함함 ―; 및
나노구조화된 스틸의 퀴리 온도를 초과하는 퀴리 온도에 의해 특징지어지는 고체 이차 코어 재료를 포함하는 이
차 인덕션 코일 어셈블리 ― 상기 이차 코어 재료 주위로 이차 코일이 감기고, 상기 이차 코일은 전기 전도율을
유지하고 상기 최대 동작 온도 범위를 초과하는 온도들에서 근처 전도체들로부터의 전기적 절연을 유지하며, 상
기 이차 코일은 퀴리 구리의 온도를 초과하는 퀴리 온도를 갖는 금속을 포함함 ―;
를 포함하고,
상기 트랜스포머는 그 사이에 에어 갭 거리를 두고 서로 근접하는 상기 일차 인덕션 코어 어셈블리 및 상기 이
차 인덕션 코어 어셈블리를 갖고, 150℃ 미만의 온도들에서 그리고 상기 동작 온도 범위 전체에 걸쳐 동작 동안
100 마이크로-헨리(micro-H) 미만의 총 인덕턴스에 의해 특징지어지며, 상기 총 인턱턴스는 150℃ 미만에서부터
적어도 500℃까지 연장되는 범위에 걸쳐 10%보다 적게 변동하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 2
제 1 항에 있어서,
상기 최대 동작 온도는 적어도 섭씨 700도에 이르고, 상기 총 인덕턴스는 150℃ 미만에서부터 적어도 700℃까지
연장되는 범위에 걸쳐 10%보다 적게 변동하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 3
제 1 항에 있어서,
인덕션 코일 어셈블리들 중 제1 인덕션 코일 어셈블리는 상기 디바이스의 정적 컴포넌트(component)에
부착되고, 상기 인덕션 코일 어셈블리들 중 제2 인덕션 코일 어셈블리는 상기 디바이스의 회전 컴포넌트에 부착
되고, 이는, 상기 회전 컴포넌트의 회전시 주기적으로 그들 사이에 상기 에어 갭 거리를 설정하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 4
제 3 항에 있어서,
상기 회전 컴포넌트는 가스 터빈 엔진(gas turbine engine) 내의 블레이드(blade)를 포함하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 5
등록특허 10-1580218
- 3 -
제 1 항에 있어서,
상기 에어 갭 코어 트랜스포머는 150℃ 미만의 온도에서 동작 동안 50 마이크로-헨리 미만의 총 인덕턴스에 의
해 특징지어지는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 6
제 1 항에 있어서,
상기 총 인덕턴스는 150℃ 미만에서부터 적어도 550℃까지 연장되는 범위에 걸쳐 10%보다 적게 변동하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 7
제 1 항에 있어서,
상기 인덕션 코일 어셈블리들 중 적어도 하나는, Si, Co, B, C, La 및 Ni 원소들 중 적어도 하나를 포함하는 나
노구조화된 철 합금 고체 코어를 포함하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 8
제 1 항에 있어서,
상기 인덕션 코일 어셈블리들 중 적어도 하나는 고체 실리콘 스틸 코어를 포함하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 9
제 1 항에 있어서,
상기 일차 코일 및 상기 이차 코일 중 적어도 하나는 귀한(noble) 전도성 와이어를 포함하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 10
제 1 항에 있어서,
상기 일차 코일 및 상기 이차 코일 중 적어도 하나는 Ni-클래드(clad) 구리, Ni, NiCr, 또는 Pt 와이어를 포함
하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 11
제 1 항에 있어서,
상기 일차 코일 및 상기 이차 코일 중 적어도 하나는 세라믹 코팅부(ceramic coating)를 갖는 전도성 와이어를
포함하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 12
삭제
청구항 13
제 1 항에 있어서,
등록특허 10-1580218
- 4 -
상기 일차 코일 및 상기 이차 코일 중 적어도 하나는 세라믹 포팅(potting) 재료를 포함하는,
동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 갖는 고온 디바이스 내의 회로 커플링.
청구항 14
삭제
청구항 15
가스 터빈 엔진의 동작 동안 조인트(joint)를 따라 서로 제거가능하게 결합된 제1 케이싱(casing) 섹션 및 제2
케이싱 섹션을 갖는 상기 가스 터빈 엔진에서의 회로 커플링으로서,
일차 면과 이차 면을 갖는 개방형 코어 트랜스포머 ― 상기 트랜스포머는 150℃ 미만의 온도 내지 적어도 250℃
에 이르는 최대 동작 온도 사이의 동작 온도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 인덕턴스를 제공하고, 150℃ 미만의 온
도들에서 동작 동안 100 마이크로-헨리 미만의 총 인덕턴스에 의해 특징지어지며, 상기 총 인턱턴스는 150℃ 미
만에서부터 적어도 500℃까지 연장되는 범위에 걸쳐 10%보다 적게 변동함 ―;
상기 조인트에 근접하여 상기 제1 케이싱 섹션에 부착되고, 150℃ 미만의 온도 내지 상기 엔진 내의 250℃ 초과
의 동작 온도의 온도들의 범위에 노출되기 쉬운 상기 개방형 코어 트랜스포머의 상기 일차 면; 및
상기 트랜스포머의 상기 일차 면에 근접하여 그리고 상기 조인트에 근접하여 상기 제2 케이싱 섹션에 부착되고,
250℃ 초과의 최대 동작 온도에 노출되기 쉬운 상기 개방형 코어 트랜스포머의 상기 이차 면
을 포함하고,
상기 개방형 코어 트랜스포머의 코어 부분들 각각은 나노구조화된 스틸의 퀴리 온도를 초과하는 퀴리 온도를 갖
는 재료를 포함하는,
회로 커플링.
청구항 16
삭제
청구항 17
제 15 항에 있어서,
상기 트랜스포머는 150℃ 미만의 온도들에서 동작 동안 50 마이크로-헨리 미만의 총 인덕턴스에 의해 특징지어
지는,
회로 커플링.
청구항 18
제 15 항에 있어서,
상기 트랜스포머는 적어도 550℃까지 연장되는 동작 온도 범위 내에서 총 인덕턴스의 10% 내로 안정적으로 유지
되는 총 인덕턴스에 의해 특징지어지는,
회로 커플링.
청구항 19
제 15 항에 있어서,
상기 나노구조화된 스틸의 퀴리 온도를 초과하는 퀴리 온도를 갖는 상기 개방형 코어 트랜스포머의 코어 부분의
재료는 실리콘 스틸을 포함하는,
회로 커플링.
발명의 설명
등록특허 10-1580218
- 5 -
기 술 분 야
이 발명은 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)과 같은 초고온 환경 내의 회로 커플링(coupling)(예컨대, 트랜[0001]
스포머(transformer))에 관한 것이다.
배 경 기 술
본 발명은 동작 환경들을 모니터링(monitoring)하기에 유용하고, 특히 연소 터빈 엔진의 개별 컴포넌트[0002]
(component) 조건(condition)과 같이 초고온 동작 환경 내의 개별 컴포넌트 조건을 표시하는 전자 데이터(dat
a)를 무선으로 전송하도록 인에이블링된(enabled) 계측 컴포넌트들 및 텔레메트리 시스템(telemetry system)들
에 유용하다. 하나의 그러한 시스템은 2007년 11월 8일자로 출원된 계류중인 미국 특허 출원 번호 11/936,936
― 2009년 5월 14일자로 미국 특허 출원 공보 2009/0121896 A1로서 공개되었고, 대리인 관리번호가
2007P20938US이며, 인용에 의해 본 명세서에 포함됨 ― 에서 설명된다.
트랜스포머들에 대한 동작 온도들의 보통의 범위는 주위 온도 내지 200℃이다. 그러나, 현재 산업 프로세스[0003]
(process)들의 최적화는, 장비 센서(sensor)들이 주위 온도 내지 200℃를 초과하는 온도들의 온도 조건들 내에
서 신뢰성 있게 동작하고 전기 전력 및 신호들을 송수신하는 것을 요구한다. 요구되는 전기 전력원 및 신호 송
신 경로들의 사양 및 구성에 따라, 트랜스포머들은 계측 회로의 일부를 형성할 수 있거나 그리고/또는 특정 용
도에 대해 요구되는 대로 주파수 및 전압을 조절하고 전송하기 위해 사용될 수 있다.
와이어들이 외부로부터 가스 터빈 엔진과 같은 산업 프로세스의 격납 용기 내부의 센서들로 직접 라우팅(rout[0004]
e)될 수 없을 때, 신뢰성 및 재현성을 최대화시키기 위해 갭(gap)을 가로질러 전력 및/또는 데이터의 송신이 유
도된다. 갭을 가로질러 전력 및/또는 데이터를 효과적으로 전송하기 위해, 일 측에 일차 코일(coil)과 다른 측
에 이차 코일이 사용된다. 일차 코일을 통과해 전송된 전력 및 주파수는 전기 신호의 송신을 완료시키기 위해
이차 코일 내에서 전력 및 주파수를 유도한다. 100% 미만의 효율성들에서, 이차 코일 내에서 유도된 전력량은
일차 코일을 통과해 제공된 전력 미만이다. 트랜스포머 코어(core)들로서 현재 사용되는 재료들은, 온도가 고
온 범위들로 증가함에 따라 저하되는 투자율을 갖고, 이로써 트랜스포머를 통과한 전력 송신의 효율성이 감소된
다. 이러한 이유로, 트랜스포머 코어들의 제조업자들은 자신들의 트랜스포머 코어 재료들을 250℃를 초과하여
효과 있는 것으로서 평가하지 않는다.
도 1은 전통적인 종래 기술의 폐쇄형 코어 트랜스포머(28)를 도시한다. 다수의 권선들을 갖는 일차 코일(30)을[0005]
통과하는 교류 주파수의 일차 회로 전류 흐름(29)은 코어(32) 내에서 교류 자기장을 생성한다. 교류 자기장은
코어(32)에 의해 다수의 권선들을 갖는 이차 코일(34)로 운반되어, 이차 회로 교류 주파수 전류 흐름(33)이 생
성된다.
Russell G. DeAnna는, 2000년 3월 Glenn Research Center로부터 Wireless Telemetry for Gas-Turbine[0006]
Applications(NASA/TM-200-209815)(ARL-MR-474)에 관한 자신의 리포트에서, 아래를 언급했다:
(8쪽) "이러한 텔레메트리 시스템들에 대한 합리적인 목표는 500℉(260℃)까지의 온도에서의 동작이다.[0007]
이는, 냉각되지 않은 패키지가 압축기 구역 내에서 가스 경로 외부에 위치되는 것을 허용할 것이다. 송신 패키
지는 연소기 및 터빈 섹션(section)들 내에서 냉각되어야 할 것이다. 260℃ 및 그 초과에서의 동작을 위해 텔
레메트리 시스템을 설계하는 것은 도전적일 것이다.
Karnani(1998년)는, 392℉(200℃)에서 전력 및 데이터의 유도성 커플링을 이용한 무선 텔레메트리를 증[0008]
명했고, 그리고 커패시터(capacitor)들, 저항기들, 오실레이터(oscillator)들 및 솔더(solder)와 같은 고온 컴
포넌트들에 권고한다. ... 온도에 의한 저항성의 변동이 저항기들에 가장 중요한 영향이다. ... 고온 전자장치
들 고장(failure)들은 종종, 컴포넌트의 사용된 실제 재료 또는 전기 고장이 아니라 패키징(packaging) 기술에
기인한다.
...[0009]
현재 텔레메트리 시스템들은 1970년대의 아날로그(alanog) 기술을 사용하고, 257℉(125℃) 미만으로의[0010]
냉각을 요구하고, 정확성 및 채널 용량에서 제한들을 갖는다. 새로운 시스템은 디지털(digital)식이어야 하고,
개선된 데이터 품질 및 데이터량을 허용하면서, 이러한 시스템들이 종종 위치되는 핫 기어박스 오일(gearbox
oil) 내에서 더 높은 온도 ― 적어도 392℉(200℃) ― 에서의 동작을 허용해야 한다. 시스템은 샤프트(shaft)
장착을 요구할 것이다. 텔레메트리 시스템이 회전하기 때문에, 센서들은 보통 텔레메트리 시스템에 하드와이어
등록특허 10-1580218
- 6 -
링(hardwire)된다.
... [0011]
(10쪽) 전력 전달을 최대화시키기 위해 하이-Q 회로들이 바람직하다. 그러나, 광범위의 온도 애플리케[0012]
이션(application)들에서, 하이-Q 회로들은 유일한 목표가 아닌데, 그 이유는 LRC 컴포넌트들이 온도-의존적 특
성들을 갖고, 회로 Q가 너무 높다면 회로가 공명 밖으로 드리프트(drift)할 수 있기 때문이다. 따라서, 어떠한
주파수 변동도 수용하기 위하여, 더 넓은 주파수들 대역에 걸쳐서 회로 이득이 펼쳐져야 한다.
Karnani(1998년)에 의해, 392℉(200℃)의 온도 범위에 걸쳐서 동작하도록 설계된 회로 내에서 23과 동일한 Q가
사용되었다. 단 두 개의 구리 턴들을 갖는 송신기 코일을 이용함으로써, 로우(low) Q가 획득되었다.
가스-터빈 애플리케이션들에 대한 핵심 문제는 스틸(steel)과 같은 자기 재료들에의 코일들의 근접성이[0013]
다. ... 그러므로, 시스템은, 전력 코일들이 스틸로부터 가능한 한 멀리 위치되도록 설계되어야 하고, 그렇지
않으면 손실들이 용인될 수 있도록 충분한 초과 전력이 일차 코일에서 이용가능해야한다. 효율성을 개선시키기
위해 페라이트(ferrite) 코어가 이차 코일 내에서 사용될 수 있다. 그러나, 페라이트를 사용할 때, 높은 주파
수들에서의 가능한 포화를 방지하기 위하여 투자율의 주파수 의존성이 관찰되어야 한다."
도 2는 송신 효율성을 개선시키기 위해 DeAnna에 의해 제안된 바와 같이 이차 코일 내에 페라이트 코어(37)를[0014]
갖는 에어(air) 코어 트랜스포머(40)의 개략적인 예시이다. 다수의 권선들을 갖는 일차 코일(35)을 통과하는
교류 주파수의 일차 회로 전류 흐름(36)은 일차 코일(35)에서 그리고 일차 코일(35) 둘레에서 교류 자기장을 생
성하고, 상기 일차 코일(35)은 페라이트 코어(37) 및 상기 페라이트 코어를 둘러싸는 다수의 권선들을 갖는 이
차 코일(38)에서 교류 자기장을 유도하여, 이차 회로 교류 주파수 전류 흐름(39)이 생성된다.
신뢰성 있고 반복가능하게 초고온 전자장치들에 전력을 공급하면서, 200℃를 초과하는 온도들에 대해 온도 변화[0015]
들로 인한 전기 회로 특징들의 변동들을 감소시키거나 또는 제거시킬 필요가 여전히 존재한다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 도면들을 고려하여 아래의 설명에서 설명된다.[0016]
도 1은 종래 기술의 폐쇄형 코어 고체 벌크(bulk) 재료 트랜스포머의 예시이다.
도 2는 효율성을 개선시키기 위해 페라이트 코어가 이차 코일 내에서 예시되는 종래 기술의 에어 코어 트랜스포
머의 예시이다.
도 3은 라미네이트된 폐쇄형 코어 트랜스포머이다.
도 4는 도 3에서 예시된 폐쇄형 코어 트랜스포머에 대한 온도에 관하여 마이크로-헨리(micro-henrys(μH)) 단위
의 인덕턴스(inductance)에 관련된 그래픽적 플롯(graphical plot)이다.
도 5는 라미네이트된 나노구조화된 스틸 에어 갭 코어 트랜스포머이다.
도 6은 도 3의 폐쇄형 코어 트랜스포머를 도 5의 에어 갭 라미네이트된(laminated) 나노구조화된 스틸 코어 트
랜스포머와 비교할 때 인덕턴스 대 온도의 관계를 도시하는 비교 그래픽적 플롯이다.
도 7은 센서들을 포함하는 케이싱(casing)의 정적 부분의 개략적인 단면도이고, 상기 센서들의 회로는 케이싱의
결합부의 갭에 걸쳐 있다.
도 8은 초고온 환경에서 회전 엘리먼트(element)들 상의 동작 파라미터(parameter)들을 감지하기 위한 센서 회
로의 일부로서 동작하는 트랜스포머의 정적 및 회전 엘리먼트들 둘 다를 도시하는 터빈 고정 밀봉부 및 터빈 블
레이드 어셈블리(blade assembly)의 부분적인 단면도이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
스마트(smart) 컴포넌트들은 터빈 엔진들, 예컨대 산업 가스 터빈들, 항공기 엔진들, 그리고 오일 및 가스 산업[0017]
에서 사용되는 터빈들의 동작 동안 컴포넌트 조건의 실시간 모니터링을 위한 가능성을 제공한다. 터빈 내의 컴
포넌트들의 조건을 아는 것은, 내부 엔진 파라미터들에 기초하여 터빈 동작을 최적화시키는 것과 조건-기반 유
지보수를 포함하는 많은 이득들을 갖는다. 그러한 지식을 이용하여, 성능의 상당한 개선들 그리고 진보된 터빈
엔진들의 동작 비용들의 감소들이 실현될 수 있다. 터빈 컴포넌트들을 계측하는 현재 관행은, 센서들을 컴포넌
트들에 장착하는 것, 리드 와이어(lead wire)들을 라우터들로 잇는 것, 그리고 터빈 외부로 모니터링 위치까지
등록특허 10-1580218
- 7 -
장거리들로 리드 와이어들의 커다란 묶음들을 가져오는 것을 포함한다. 프로세스는 느리고, 노동 집약적이고,
값비싸고, 신뢰할 수 없고, 그리고 리드 와이어들 전부의 포함을 허용하기 위하여 그리고 전자 회로를 동작시키
기 위한 전자 신호들을 회전 컴포넌트 상에 전달하기 위한 수단을 제공하기 위해 터빈의 컴포넌트들 중 많은 컴
포넌트들의 변경을 요구한다. 복잡한 리드 와이어 런(run)들 및 기계적 커넥터(connector)들에 대한 필요를,
제거시키지 않는다면, 감소시킴으로써 정적 및 이동 컴포넌트들로부터 데이터를 추출하기에 무선 텔레메트리가
특히 유용하다. 배터리(battery)로 전력을 공급받는 회로는 비교적 저온들에서 사용될 수 있고; 그러나, 온도
들이 배터리 사용을 위해 너무 높은(통상적으로, 125℃ 초과) 위치들에서, 예컨대 가스 터빈 엔진들 내의 정적
및 이동 컴포넌트들 상의 회로에 전력을 공급하는 것은 유도된 RF 전력과 같은 혁신적 기술들을 사용하는 것을
요구한다. 200℃를 초과하는 동작 온도를 갖는 구역 내에서 유도된 전력을 사용하기 위해, 트랜스포머들이 그
러한 온도들에서 동작하도록 요구받는다. 그러한 요건들은, 약 200℃의 현재 온도 동작 제한치를 갖는 고온 트
랜스포머들의 현재 기술 상태를 초과한다.
본 발명자들은 200℃를 초과하는 온도들에서의 동작을 위해 평가받은 어떠한 트랜스포머도 알지 못한다. 본 명[0018]
세서에서 개시되는 바와 같은 실시예들은, 200℃를 초과하는 온도들에서 무선 텔레메트리를 제공할 수 있는 시
스템을 형성하는 고유한 결합을 제공한다. 터빈 엔진들의 일부분들의 온도들은 통상적으로 250℃를 초과하고,
센서들을 배치시키는 것이 원해질 수 있는 위치들에 550℃만큼 높은 온도 구역들이 존재한다. 본 명세서에서
논의되는 실시예들은 최대 250℃ 및 그 초과, 또는 최대 300℃ 및 그 초과, 또는 최대 400℃ 그 초과, 또는 최
대 500℃ 및 그 초과 그리고 최대 700℃ 및 그 초과의 온도들에서 효과적으로 동작하는 트랜스포머를 예시한다.
고체 코어 및 에어 갭 코어 트랜스포머들에 대한 현재 트랜스포머 설계는 예컨대 아래의 길잡이를 제공하고, 상[0019]
기 길잡이는 아래의 웹(web) 주소:http://new.epanorama.net/documents/components/transformers.html에서 인
터넷(internet)을 통해 발견되었다
"에어 갭이 없는 트랜스포머들[0020]
당신이 코어 면적을 알 때, 당신은 아래의 공식을 사용하여, 코어 내에 에어 갭이 없는 트랜스포머에[0021]
대해 일차 트랜스포머에 대한 턴(turn) 수를 계산할 수 있다:
[0022]
여기서:[0023]
= 일차 코일의 턴 수[0024]
= 코어 면적( )[0025]
= 일차 코일 인덕턴스(H)[0026]
= 자석 흐름 힘 라인(line)들의 평균 길이(㎝)(코어 내부를 통과하는 코일 둘레 라인의 길이)[0027]
= 자기 재료의 상대 투자율(통상적인 트랜스포머 철에 대해 약 500)[0028]
당신은 아래의 공식을 이용하여 이차 코일 상의 턴 수를 결정할 수 있다(90%의 트랜스포머 효율성을 예[0029]
상함):
[0030]
여기서,[0031]
= 일차 코일의 턴 수[0032]
= 이차 코일의 턴 수[0033]
= 일차 전압[0034]
= 이차 전압[0035]
등록특허 10-1580218
- 8 -
= 일차 임피던스[0036]
= 이차 임피던스[0037]
에어 갭을 갖는 트랜스포머들[0038]
일차 트랜스포머를 흐르는 어떤 DC 전류가 있다면, 일차 인덕턴스가 감소된다. (이것이 문제점인 회로[0039]
들 내에서) 이 영향을 보상하기 위해, 코어는 코어 내에 작은 에어 갭을 가져야 한다. 실제로, 에어 갭은 코어
의 자력선들의 길이의 약 1/1000가 되도록 선택되어야 한다. 이 경우, 일차 코일에 필요한 턴 수를 결정하기
위해 아래 방정식이 사용될 수 있다:
[0040]
여기서:[0041]
= 일차 코일의 턴 수[0042]
= 코어 면적( )[0043]
= 일차 코일 인덕턴스(H)[0044]
= 에어 갭의 크기(㎜)[0045]
이 공식이 에어 갭이 없는 트랜스포머에 대한 방정식보다 일차 코일에 대해 훨씬 더 많은 턴 수를 제공[0046]
함을 주의하라."
일차 권선에 대한 방정식들에서 폐쇄형 코어 트랜스포머와 에어 갭 코어 트랜스포머에 대한 인덕턴스(L)의 관계[0047]
식을 비교하면, 다음 사항을 알 수 있다:
[폐쇄형 코어][0048]
[에어 갭 코어].[0049]
이는, 폐쇄형 코어 트랜스포머 내의 인덕턴스가 "자기 재료의 상대 투자율(u)"에 비례한다는 것과, 에어 갭 코[0050]
어 트랜스포머 내에서 인덕턴스는 "에어 갭의 크기(㎜)(li)"에 역 비례한다는 것을 나타낸다. 이러한 관계식들
은, 모든 다른 변수들이 일정하게 유지될 때 선택된(폐쇄형 또는 에어 갭 코어) 구성들의 트랜스포머들의 인덕
턴스에 대해 인덕턴스가 일정할 것이라는 종래의 예상들을 입증한다.
초고온 환경들 내에서의 사용을 위한 프로토타입(prototype) 구성들을 모델링(model)하기 위해 회로 및 혁신적[0051]
트랜스포머 구성들의 테스팅(testing)이 착수되었다. (도 3에 도시된 바와 같은) 폐쇄형 코어 트랜스포머의 구
성의 인덕턴스 대 특정 주파수에 대한 온도가 도 4에서 도시된다. 아이템(item)들(29', 30', 32', 33', 및
34')을 이용한 컴포넌트 명명법은 도 1에서 유사하게 넘버링된(numbered) 아이템들, 즉 29, 30, 32, 33, 및 34
에 대응하지만, 도 3의 트랜스포머의 코어(32')는 높은 퀴리(Curie) 온도 나노구조화된 스틸 라미네이션
(lamination)들(31)을 이용하여 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 코어 트랜스포머의 인덕턴스는 약 150℃에서 저하되기 시작하고, 온도가 525[0052]
℃에 도달하는 동안 선형 플롯을 따라서 급격히 강하한다. 온도가 증가함에 따라 악화되는 인덕턴스를 갖는 트
랜스포머들의 사용은 센서 회로에 수용가능하지 않다. 센서들이 주위 온도 내지 초고온 온도의 전체 범위에서
적절하게 동작하기 위해, 센서들이 온도에 따라 변하지 않는 일정한 전압을 수신하는 것이 필요한데, 그 이유는
서모커플(thermocouple)들과 같은 센서들이 각자의 출력 전압을 변화시킴으로써 온도의 변화에 반응함으로써 동
작하기 때문이다. 감지 회로 전압의 변동은 서모커플의 온도의 변화로부터 생기는 전압의 변화들을 없애고, 이
로써 그러한 시스템이 적합하지 않게 만든다. 폐쇄형 코어 트랜스포머들의 인덕턴스가 온도가 증가함에 따라
심하게 저하되기 때문에, 일정한 전원 전압의 목표는, 달성하기가 불가능하지 않다면, 또한 어렵다. 회로 출력
을 안정화시키기 위해 더 낮은 온도들에서 보통 사용될 수 있는 제너 다이오드(Zener diode)들과 같은 회로 엘
리먼트들은 고온들에서 기능하지 않는다. 300℃ 내지 500℃의 온도들에서 동작할 수 있는 제너 다이오드들은
등록특허 10-1580218
- 9 -
없다.
본 발명자들은, 초고온들(200℃ 내지 550℃의 범위 및 그 초과)을 견딜 수 있는 특정 재료들을 이용하는 회로[0053]
및 트랜스포머 구성들(회로 커플링들)을 혁신적으로 발견했고, 본 발명자들은 트랜스포머 인덕턴스의 초고온 저
하의 문제점에 대해 예기치 않은 해결책을 발견했다. 그와 같이, 본 발명은, 초고온 환경들 내에서 텔레메트리
트랜스포머들을 사용하기 위한 놀랍고 이전에 알려지지 않은 해결책을 제공했다. 높은 퀴리 온도 코어 재료 및
초고온에 견딜 수 있는 와이어링을 갖는 에어 갭 코어 트랜스포머를 사용할 때, 안정적인 저 레벨(level) 인덕
턴스(주위 온도에서 자신의 인덕턴스 값의 10% 미만의 인덕턴스의 변동을 가짐)가 주위 동작 온도 내지 아주 높
은 동작 온도에서 달성될 수 있다. 경험 법칙(rule of thumb)은, 금속들이 각자의 녹는 온도의 최대 약 절반의
온도들에서 구조적으로 안정적이라는 것이다. 예컨대, 구리는 1,083℃에서 녹고, 약 500-550℃까지 유용하다.
더 높은 온도들에 대해, 백금과 같은 더 높은 녹는 점 재료가 사용될 것이다. 재료의 퀴리 온도는 동작 온도를
초과해야 한다.
일 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 일차 권선과 이차 권선 둘 다에서 나노구조화된 스틸 코어들을 갖는[0054]
라미네이트된 에어 코어 갭 트랜스포머(50) ― 도 5의 컴포넌트 명명법(도 3의 유사하게 넘버링된 아이템들, 즉
29', 30', 32', 33' 및 34'에 대응하는 아이템들 29'', 30'', 32'', 33'' 및 34''를 가짐)은 도 3의 명명법과
유사함 ― 는 인덕턴스를 온도에 상관시키기 위해 테스팅되었다. 도 4의 플롯과의 비교 결과들의 플롯이 도 6
에서 도시된다. 효율성, 즉 저온도들(150℃ 미만)에서의 총 인덕턴스가 낮은 한편, 인덕턴스는 주위 온도 내지
525℃ 초과의 온도의 증가에 따라 눈에 띄게 변하지 않는다(10%보다 훨씬 낮은 변동). 따라서, 낮은 효율성을
허용할 수 있는 회로들에서, 에어 갭 코어 트랜스포머의 갭에 걸친 일정한 인덕턴스(및 이로써 일정한 전압)의
이득은 초고온 회로들에 일정한 전압 공급에 대한 이전에 알려지지 않은 해결책을 제공한다.
인덕턴스는, 초고온들(250℃ 초과)에서 트랜스포머를 사용하는 것을 가능케 하기 위해 안정적이어야 하거나 또[0055]
는 일정해야 한다. 초고온에서 안정적인 인덕턴스를 달성하기 위해, 세라믹 페라이트들, 나노구조화된 스틸들,
나노결정질 철 합금들 및 몇몇의 실리콘(silicon)-스틸들과 같이, 높은 퀴리 온도 및 충분한 투자율을 갖는 임
의의 코어 재료가 사용되어야 한다. 표준 및 나노구조화된 마이크로구조들 둘 다는, 다양한 실시예들에서 사용
가능한 것으로 예상된다.
표준 실리콘 스틸들은 최대 약 350℃의 온도들에서 동작하지만, 더 높은 온도들에서, 표준 실리콘 스틸들은 저[0056]
항 가열되기 시작하고 그 자체의 온도를 끌어올리기 시작한다.
사용가능할 수 있는 다른 코어 재료들은 페라이트들 또는 라미네이트 스틸 재료들과 같이 높은 퀴리 온도들을[0057]
가져야 한다. 라미네이트 스틸 재료들은 통상적으로, Si, Co, B, C, La, Ni와 같은 엘리먼트들을 포함하는, Fe
이 풍부한 합금들이고, 표준 또는 나노결정질 마이크로구조들을 가질 수 있다.
나노결정질 철 합금들의 하나의 조성물은 NAMGLASS.RTM.이란 상표명으로 판매되고, 대략 82%가 철이고 잔부가[0058]
실리콘, 니오븀(niobium), 붕소, 구리, 탄소, 니켈 및 몰리브덴(molybdenum)인 조성을 갖는다. 그러한 나노결
정질 철 합금 재료가 500℃를 초과하는 퀴리 온도, 매우 낮은 항자기성, 낮은 와전류 손실, 높은 포화 플럭스
(flux) 밀도와 같은 바람직한 특징들을 나타내고 그리고 투자율이 주위 온도로부터 전체 초고온 동작 범위에 걸
쳐 매우 안정적이라는 것이 결정되었다. 이러한 나노결정질 철 합금 재료는 토로이드(toroid)들 또는 "C" 코어
트랜스포머 코어들의 형태로 테이프(tape)가 감긴 구성들로 상업적으로 이용가능하다. 여기서 설명된 실시예들
은, 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, "I" 코어 형상으로 이러한 나노결정질 철 합금(또는 다른) 재료를 활
용한다.
사용될 수 있는 다른 상업적으로 이용가능한 제품은 Vitroperm 800, 즉 독일의 Vacuumschmelze로부터 이용가능[0059]
한 나노구조화된 라미네이트된 실리콘 스틸 코어(본사 사무실: VACUUMSCHMELZE GmbH

+ Recent posts

티스토리툴바