고온 초전도 모터의 극저온 냉각 성능 향상을 위한 가스 블로우 커플링 적용에 대한 연구 = Enhancement of Cryogenic Cooling Performance in High-Temperature Superconducting Motors Using a Gas Blow Thermal Coupling

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The thermal resistance at the fixed-to-rotating boundary is the critical bottleneck in rotor cooling of high-temperature superconducting （HTS） motors, yet this boundary has been treated as a subsidiary connection rather than an independent design element. Conventional approaches—solid conduction links, direct cryogen forced-circulation, and gas-gap-based coupling—each present unresolved trade-offs in thermal resistance, structural complexity, or sealing reliability. This study proposes a Gas Blow Thermal Coupling （GBC） that redefines the fixed-to-rotating thermal boundary as an independent thermal coupling component. Under stationary conditions, GBC forms a conductive heat transfer path through a narrow gaseous helium （GHe） gap. Under rotating conditions, a centrifugal impeller integrated into the rotor assembly induces internal GHe circulation, reducing the effective thermal resistance through forced convection. A prototype GBC and cryogenic–vacuum–rotating test rig were fabricated and tested. In stationary experiments, the rotor-side conductor temperature was maintained at approximately 55–56 K under a total heat load of 51 W, satisfying the minimum drive temperature condition. In rotating experiments at 2000 rpm, an effective thermal resistance of approximately 0.156 K/W and a rotor-side conductor temperature of approximately 29.9 K were achieved under a total heat load of 41 W—a reduction of approximately 55–64% relative to the stationary condition. This performance is comparable to that of an existing GHe forced-circulation cooling system, achieved without external fluid supply or return connections. This study establishes the fixed-to-rotating thermal boundary as an independent design subject in HTS rotor cooling and experimentally demonstrates the feasibility of a cryogenic rotary thermal coupling concept combining a non-contact structure with rotation-induced internal helium circulation.

목차 (Table of Contents)

• 〈목 차〉 i
• 〈그림 목차〉 iv
• 〈표 목차〉 vii
• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 필요성 1
• 2. 고온초전도 모터 회전자 냉각의 기술적 과제 8
• 3. 기존 회전자 냉각방식 및 열 커플링의 한계 11
• 4. 연구목적 및 범위 18
• II. Gas Blow Thermal Coupling 시스템 개념 20
• 1. 고온초전도 모터 회전자의 열부하 및 냉각 경로 20
• 2. 열 커플링내 열저항 관계 22
• 3. Gas Blow Thermal Coupling의 작동 원리 25
• 4. Gas Blow Thermal Coupling의 구성요소와 역할 30
• 4.1 전체 구조와 구성 개요 30
• 4.2 고정부 구성요소 33
• 4.3 회전부 구성요소 37
• 4.4 자성유체씰과 GHe 층 형성 40
• 4.5 GBC 어셈블리와 구조적 특징 42
• III. Gas Blow Thermal Coupling의 설계 45
• 1. 설계방법론 및 기준조건 45
• 2. GBC 설계를 위한 HTS 회전자의 형상조건 50
• 3. GBC 형성 간극 설계 53
• 4. 정지상태 전도 열전달 성능 예측 61
• 5. 회전상태 대류 열전달 성능 예측 68
• 6. GHe 순환유동 형성을 위한 임펠러 설계 77
• 7. 임펠러 유동특성 예측 81
• 8. 결과 종합 분석 및 정리 85
• IV. Gas Blow Thermal Coupling의 시제품 및 성능평가 장치 제작 88
• 1. GBC 모사시험장치의 구성 및 제작 89
• 2. 진공단열 및 밀봉, 회전지지부 구성 97
• 3. 계측시스템 및 데이터 처리 방법 105
• 4. GBC 시제품 시험 조건 및 절차 110
• V. Gas Blow Thermal Coupling 성능평가 실험 113
• 1. 초기냉각 및 정지상태 실험결과 113
• 2. 회전상태 실험결과 120
• 3. 실험결과 분석과 GBC 적용성 검토 127
• VI. 결론 135
• 1. 연구결과 요약 135
• 2. 연구의 의의 137
• 3. 향후 연구방향 139
• 참고문헌 141
• Abstract 149