KR101087808B1

KR101087808B1 - 초전도선재의 다중전위방법

Info

Publication number: KR101087808B1
Application number: KR1020090112302A
Authority: KR
Inventors: 최경달; 이지광; 김우석; 박찬; 김영일
Original assignee: 우석대학교 산학협력단; 한국산업기술대학교산학협력단
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-11-29
Also published as: US8322019B2; JP2012502446A; WO2011062344A1; JP5172022B2; US20110239443A1; KR20110055760A

Abstract

본 발명은 1차로 전위된 2세대 초전도선재를 각각의 초전도선재 유니트로 구성하고, 각각의 초전도선재 유니트 상호간을 길이방향을 따라 서로간의 위상이 변화하도록 전위시키는 초전도선재의 다중전위방법에 관한 것으로서, 초전도선재를 지그재그로 슬릿하여 굴곡부를 형성하고, 상기 굴곡부를 반복 형성하여 원하는 길이만큼 가공하여 소선을 준비하는 단계와, 상기 준비된 복수의 소선을 인접한 소선끼리의 굴곡부가 서로 맞닿도록 중첩시켜 결합하여 1차전위된 초전도선재 유니트를 형성하는 단계와, 상기 1차전위된 초전도선재 유니트를 복수개 준비하고, 상기 복수의 초전도선재 유니트를 길이방향을 따라 병렬로 배치하여 초전도선재 유니트번들을 준비하는 단계와, 상기 복수의 초전도선재 유니트를 상기 초전도선재 유니트번들의 중심축을 기준으로 길이방향을 따라 회전시켜 상기 복수의 초전도선재 유니트를 서로 꼬아 결합하여 2차전위시키는 단계를 포함하여 구성되어, 소선의 패턴을 줄이면서도 많은 수의 소선을 전위시킬 수 있으므로 대전류의 초전도장치에서도 초전도선재의 전위가 용이하고, 초전도선재의 제작 및 취급이 용이하며, 공정이 간단하고 생산비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

Description

초전도선재의 다중전위방법{MULTIPLE TRANSPOSITION METHOD FOR SUPERCONDUCTING WIRE}

본 발명은 초전도 선재의 다중전위방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 1차로 전위된 2세대 초전도선재를 각각의 초전도선재 유니트로 구성하고, 각각의 초전도선재 유니트 상호간을 길이방향을 따라 서로간의 위상이 변화하도록 전위시키는 다중전위방법에 관한 것이다.

초전도 현상이란, 온도, 자장 및 전류가 특정한 임계값 이하로 유지될 경우 전기적 저항이 "0"으로 되는 현상을 말한다.

어떤 물질은 일정 온도 이하에서 저항이 사라지는 현상을 보이며, 이와 같은 물질을 사용하면 열을 발생시키지 않으면서 전기를 흘릴 수 있어 에너지 손실이 없다. 상기와 같은 물질을 초전도체라 하며, 초전도 현상은 특정한 물질에서만 나타나며 온도, 자장 그리고 통전전류에 영향을 받는다.

초전도체는 초전도 전이온도(Tc) 이하와 임계자장(Hc) 이하에서만 저항이 없 이 전류를 흘릴 수 있고, 이때 저항이 없이 흘릴 수 있는 최대 통전전류밀도인 임계전류밀도(Jc)가 존재한다. 상기 초전도체를 응용하는데 있어 선 혹은 테이프 형태로 가공이 유용하여, 상기 가공된 초전도체를 사용하여 높은 자장을 생성시키는 초전도 전자석에 널리 사용되고 있다.

상기 코일은 선재를 여러 기하학적 형태의 코일로 권선하여 제작되며, 선재를 통해 전류를 흘리면 자장이 코일로부터 발생하게 되는데, 선재가 초전도체이면 저항에 의한 전력 손실이 없으며 이를 초전도코일이라 한다.

상기 초전도코일 또는 권선은 변압기와 모타, MRI(Magnetic Resonance Imaging) 및 NMR(Nuclear Magnetic Resonance)의 Spectroscopy 등에 사용되며, 초전도 변압기를 포함한 전력 기기들의 권선에 초전도체를 사용하기 위해서는 초전도 현상이 유지되는 최대 전류인 임계 전류 이하의 전류를 유지하여야 한다. 특히 대전류를 흐르게 하기 위하여 수개 이상의 초전도체를 병렬로 사용하여 권선을 제작하는 경우, 각 병렬 도체 간의 전류 분담이 균등하여야 하며, 병렬 도체 간의 전류 분담이 균등하지 않은 경우, 초전도 병렬 도체 중 특정한 도체가 전류 분류가 발생하여 자체의 임계 전류를 초과할 경우, 초전도 특성을 잃어버리게 되어 초전도 권선이 파손되는 현상이 발생될 수 있다.

여러 가닥의 초전도선재를 겹쳐서 코일을 제조하는 경우에는 각 선재 임피던스의 균형을 맞추어 줌으로써 전체 선재의 임계전류를 증가시켜주며, 동시에 교류손실을 낮추어 줄 수 있어서 초전도코일 권선에 있어 상술한 전류분류를 방지하기 위해서 전위(Transposition)가 매우 중요하다.

초전도선재를 사용한 전위의 종래기술로는 독일의 Simens사에서 개발된 Roebel Bar가 있으며, 이 외의 경우에는 코일을 제작한 후 전류도입 단자에서 전위를 구현하는 경우가 대부분이며, 1세대 초전도선재를 대신할 2세대 초전도선재에서는 니켈 합금의 기판위에 초전도 층을 증착하여 제작하는 방식을 취하기 때문에 Roebel Bar와 같은 방법으로 전위 시키기가 힘들다. 또한, 전류도입 단자에서 전위를 구현하는 방법은 코일의 갯수가 많을 경우 전위 구현이 어려우며, 전류도입 단자에서 발생되는 열로 인한 손실 발생으로 초전도선재의 장점을 살리기 힘들다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 도 1에 나타낸 바와 같은 전위방법을 제안한 바 있다.

도 1에 나타낸 초전도선재의 전위방법은, 에피택시알(Epitaxial)하게 성장시킨 다층 얇은 박막의 초전도선재를 지그재그로 슬릿(Slit)하여 형성된 굴곡부를 연속적으로 반복하여 작업하고자 하는 길이만큼 가공하여 소선을 복수개 준비하고, 준비된 복수개의 소선을 굴곡부가 서로 맞닿도록 서로 꼬아서 결합하여 전위하는 방법이 기재되어 있다.

또한, 이러한 초전도선재의 소선의 가공방법으로서, 전단력 가공법이나 와이어방전 가공법, 프레스가공법 등이 있다.

그러나, 필요한 전류의 크기가 수천 ~ 수만 암페어로 매우 커서 수십개 ~ 수백개의 소선이 전위선재를 이루어야 하는 경우, 상기 전단력 가공법이나 와이어방 전 가공법에 의해 소선을 가공하게 되면, 전위를 위하여 굴곡부를 수십 ~ 수백개 형성하여야 하므로 수십 ~ 수백 미터 단위의 선재를 가공하여야 하므로 굴곡부간의 거리가 매우 커져서 선재를 연속적으로 가공하기에 생산성이 매우 떨어지고 가공후의 선재의 결합도 매우 어려워진다고 하는 문제점이 있었다.

또한, 프레스가공법에 의해 가공하는 경우, 전위를 위해 굴곡부를 형성하는 소선의 수에 따라 굴곡부간의 거리를 조정하여야 하고 이에 따라 프레스의 헤드부분의 금형을 별도로 제조하여야 하기 때문에, 제조비용이 많이 소요되고 수십 ~ 수백개의 많은 소선을 동시에 꼬는 과정이 매우 복잡하여 생산성이 떨어지고 전위의 품질이 열악해진다고 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 일정수의 소선 갯수로 형성되며 1차전위되는 초전도선재 유니트를 이용하여, 초전도선재 유니트를 2차전위시킴으로써 생산하여야 할 소선의 패턴을 줄이면서도 많은 수의 소선을 전위할 수 있는 초전도선재의 다중전위방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 전위된 2세대 초전도선재의 다중전위방법은, 에피택셜(Epitaxial)하게 성장시킨 다층 얇은 박막의 초전도선재를 지그재그로 슬릿(Slit)하여 굴곡부를 형성하고, 상기 굴곡부를 반복 형성하여 원하는 길이만큼 가공하여 소선을 준비하는 단계와, 상기 준비된 복수의 소선을 인접한 소선끼리의 굴곡부가 서로 맞닿도록 중첩시켜 결합하여 1차전위된 초전도선재 유니트를 형성하는 단계와,

상기 1차전위된 초전도선재 유니트를 복수개 준비하고, 상기 복수의 초전도선재 유니트를 길이방향을 따라 병렬로 배치하여 초전도선재 유니트번들을 준비하는 단계와,

상기 복수의 초전도선재 유니트를 상기 초전도선재 유니트번들의 중심축을 기준으로 길이방향을 따라 회전시켜 상기 복수의 초전도선재 유니트를 서로 꼬아 결합하여 2차전위시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 초전도선재 유니트의 회전은 상기 초전도선재 유니트 자체의 상하가 변화하지 않도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 2차전위된 상기 초전도선재 유니트번들을 복수개 병렬로 배치하고 복수개의 초전도선재 유니트번들을 길이방향을 따라 회전시켜 상기 복수의 초전도선재 유니트번들을 서로 꼬아 결합하여 3차전위하는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가지는 본 발명에 의한 초전도선재의 다중전위방법에 의하면, 비교적 적은 수(예를 들면 3 ~ 5개)의 소선으로 형성되고 1차전위되는 초전도선재 유니트를 이용하고, 복수의 초전도선재 유니트를 2차전위시킴으로써 생산하여야 할 소선의 패턴을 줄이면서도 많은 수의 소선을 전위시킬 수 있으므로 대전류의 초전도장치에서도 초전도선재의 전위가 용이하고, 초전도선재의 제작 및 취급이 용이하며, 공정이 간단하고 생산비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 본 발명에 의하면, 2차전위된 초전도선재를 다시 3차 이상의 다중전위시키는 것이 가능하므로, 필요로 하는 전류의 크기에 따라 전위될 초전도선재의 수를 조절하는 것이 용이하다고 하는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 초전도선재의 다중전위방법에 대하여 실시예로써 설명한다.

본 실시예에 있어서는, 초전도선재는 니켈합금의 기판위에 초전도층을 증착하여 제작된 2세대 초전도선재를 기준으로 설명한다.

본 발명에 의한 초전도선재의 다중전위방법은, 우선 에피택셜(Epitaxial)하게 성장시킨 다층 얇은 박막의 초전도선재를 지그재그로 슬릿(Slit)하여 굴곡부를 형성하고, 상기 굴곡부를 반복 형성하여 원하는 길이만큼 가공하여 소선을 준비한다.

여기서, 가공하고자 하는 초전도선재를 작업하고자 하는 폭을 갖도록 지그재그로 슬릿한 후, 상기 슬릿된 형태를 따라 초전도선재를, 예를 들면 125mm 이하의 길이를 갖는 굴곡부가 형성된 한 주기를 연속적으로 반복하여 작업하고자 하는 길이만큼 가공하여 소선(10a, 10b, 10c, 10d, 10e)을 준비한다.

상기와 같이 초전도선재를 슬릿하여 굴곡부를 형성하는 것은 초전도선재에서 발생하는 교류손실을 줄이기 위함인데, 교류손실이 중요한 이유는 초전도선재에 손실이 많으면 많을수록 냉동 부하가 커지기 때문이다.

그런 다음, 상기 준비된 복수의 소선(10a, 10b, 10c, 10d, 10e)을 인접한 소선끼리의 굴곡부가 서로 맞닿도록 중첩시켜 결합한다.

본 실시예에 있어서, 상기 소선의 갯수는 5개로 하는 것을 예로 하였으나, 반드시 이에 한정되지 않고 필요에 따라 3이상의 적절한 수로 할 수도 있음은 물론이다.

여기서 복수의 소선의 결합은, 첫번째 소선(10a)의 하부로 두번째 소선(10b)을 부착하되, 첫번째 소선(10a)의 굴곡부에 두번째 소선(10b)의 굴곡부가 맞닿도록 중첩시켜서, 인접한 두개의 소선이 서로 꼬아서 결합되도록 한다. 이러한 방식으로 5개의 소선을 서로 결합함으로써 1차전위된 초전도선재 유니트(10)를 형성한다.

그런 다음, 상기 1차전위된 초전도선재 유니트를 복수개 준비하고, 복수의 초전도선재 유니트(10, 11, 12, 13)를 길이방향을 따라 병렬로 배치하여 초전도선재 유니트번들(20)을 준비한다.

본 실시예에 있어서, 상기 초전도선재 유니트의 수는 4개를 예로 하였으나, 필요로 하는 전류의 크기에 따라 3개 또는 5개 등 적절한 수로 할 수 있음은 물론이다.

본 실시예에 있어서, 상기 복수의 초전도선재 유니트(10, 11, 12, 13)는 상하로 2개씩 배치한 2 × 2의 배치구조를 가지며, 상기한 바와 같이 배치된 복수의 초전도선재 유니트의 묶음을 "초전도선재 유니트번들(20)"이라 약칭한다.

또한, 본 실시예에 있어서, 각각의 상기 초전도선재 유니트(10, 11, 12, 13)는 폭(w) 12mm, 두께 100㎛의 얇은 테이프 형상으로 제조된 것을 예로 하였다.

그런 다음, 상기 초전도선재 유니트를 서로 꼬아서 상기 초전도선재를 2차전 위시킨다.

여기서 상기 2차전위는 상기 복수의 초전도선재 유니트(10, 11, 12, 13)를 상기 초전도선재 유니트번들(20)의 중심축을 기준으로 위치가 변화하도록 길이방향을 따라 회전시킴으로써 달성된다.

도 2 및 도 3에는 각각의 초전도선재 유니트를 90°만큼 회전시키는 것을 예로서 나타내지만, 필요로 하는 선재의 길이에 따라 180° 또는 360°회전시킬 수도 있음은 물론이다.

본 실시예에 있어서, 폭 12mm, 두께 100㎛의 초전도선재 유니트를 이용하여 90°회전되는 위치까지의 길이 L은 50cm이고, 이렇게 구성함으로써 각각의 얇은 테이프 형상의 초전도선재 유니트가 비틀리거나 꼬이는 일이 없이 2차전위될 수 있다.

도 2의 A-A' 단면에서 보면, 좌측상단에 첫번째 초전도선재 유니트(10)가, 우측상단에 두번째 초전도선재 유니트(11)가, 좌측하단에 세번째 초전도선재 유니트(12)가, 우측하단에 네번째 초전도선재 유니트(13)가 배치되어 있다.

상술한 바와 같이 배치된 각각의 유니트 각각의 상기 초전도선재 유니트(10, 11, 12, 13)은 상기 초전도선재 유니트번들(20)의 중심축을 기준으로 반시계방향으로 점차 회전시킨다.

이 때, 90° 위상변화의 중간부분인 B-B'단면에서 보면, 상측에는 두번째 초전도선재 유니트(11)가, 중앙좌측에는 첫번째 초전도선재 유니트(10)가, 중앙우측에는 네번째 초전도선재 유니트(13)가, 하단에는 세번째 초전도선재 유니트(12) 가 배치된다.

또한, 90°회전된 C-C'단면에서 보면, 좌측상단에 두번째 초전도선재 유니트(11)가, 우측상단에 네번째 초전도선재 유니트(13)가, 좌측하단에 첫번째 초전도선재 유니트(10)가, 우측하단에 세번째 초전도선재 유니트(13)가 배치된다.

상술한 바와 같이, 상기 복수의 초전도선재 유니트(10, 11, 12, 13)를 상기 초전도선재 유니트번들(20)의 중심축을 기준으로 위치가 변화하도록 길이방향을 따라 회전시킴으로써 상기 복수의 초전도선재 유니트를 서로 꼬아 결합하여 2차전위시킬 수 있다.

이 때, 상기 초전도선재 유니트의 회전은 상기 초전도선재 유니트 자체의 상하가 변화하지 않도록 회전시킨다. 즉, 상기 초전도선재 유니트는 그 자체로서 꼬이거나 뒤틀리지 않고, 상부면은 항상 위측을 향하고 하부면은 항상 아래측을 향한 채로 상기 초전도선재 유니트번들을 중심으로 회전시킨다.

상술한 바와 같이, 상기 초전도선재 유니트는 폭 12mm, 두께 100㎛의 매우 얇은 테이프 형상이므로, 그 자체를 꼬거나 뒤트는 경우 초전도선재에 균열이나 파열이 발생할 염려가 있기 때문이다.

또한, 상기 각각의 초전도선재 유니트 사이는 1mm 정도의 간격 ℓ로 유지되어 있고, 폭이 12mm정도이기 때문에, 90°회전되는 위치까지의 길이(L) 50cm 정도에서도 상기 초전도선재 유니트 자체의 상하가 변화하지 않도록 회전시키더라도 초전도선재 유니트에 꼬임이나 뒤틀림 없이 상기 초전도선재 유니트번들을 중심으로 회전시킬 수 있다.

이로써, 5개 패턴의 소선만으로도 20개 정도의 많은 수의 소선을 전위시킬 수 있으므로 대전류의 초전도장치에서도 초전도선재의 전위가 용이하고, 초전도선재의 제작 및 취급이 용이하며, 공정이 간단하고 생산비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

한편, 2차전위된 상기 초전도선재를 다시 전위하여 3차전위된 초전도선재를 형성할 수 있다.

즉, 상기 초전도선재 유니트를 2차전위하는 것과 동일한 방법으로 상기 초전도선재 유니트번들(20)을 3차전위할 수 있다. 2차전위된 상기 초전도선재 유니트번들(20)을 복수개 병렬로 배치하고 복수개의 초전도선재 유니트번들을 그 묶음의 길이방향을 따라 위상이 변화하도록 회전시켜 상기 복수의 초전도선재 유니트번들을 서로 꼬아 결합하여 3차전위시킬 수 있다.

이로써, 2차전위된 초전도선재를 다시 3차 이상의 다중전위시키는 것이 가능하므로, 적은 수의 패턴의 소선만으로도 많은 수의 소선을 전위시킬 수 있고 필요로 하는 전류의 크기에 따라 전위될 초전도선재의 수를 조절하는 것이 용이하여, 공정이 간단하고 생산비용을 절감할 수 있다.

본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.

도 1은 종래기술을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 의한 2차전위를 나타내는 도면이다.

도 3은 도 2의 A-A', B-B', C-C'를 따라 본 단면도이다.

도 4는 본 발명에 의한 초전도선재의 다중전위방법을 나타내는 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 11, 12, 13 : 초전도선재 유니트

10a, 10b, 10c, 10d, 10e : 소선

Claims

초전도선재의 전위방법에 있어서,

에피택셜(Epitaxial)하게 성장시킨 다층 박막의 초전도선재를 지그재그로 슬릿(Slit)하여 굴곡부를 형성하고, 상기 굴곡부를 반복 형성하여 원하는 길이만큼 가공하여 소선을 준비하는 단계와,

상기 준비된 복수의 소선을 인접한 소선끼리의 굴곡부가 서로 맞닿도록 중첩시켜 결합하여 1차전위된 초전도선재 유니트를 형성하는 단계와,

상기 1차전위된 초전도선재 유니트를 복수개 준비하고, 상기 복수의 초전도선재 유니트를 길이방향을 따라 병렬로 배치하여 초전도선재 유니트번들을 준비하는 단계와,

상기 복수의 초전도선재 유니트를 상기 초전도선재 유니트번들의 중심축을 기준으로 길이방향을 따라 회전시켜 상기 복수의 초전도선재 유니트를 서로 꼬아 결합하여 2차전위시키는 단계를

포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도선재의 다중전위방법.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도선재 유니트의 회전은 상기 초전도선재 유니트 자체의 상하가 변화하지 않도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 초전도선재의 다중전위방법.
제 1 항에 있어서,

2차전위된 상기 초전도선재 유니트번들을 복수개 병렬로 배치하고 복수개의 초전도선재 유니트번들을 길이방향을 따라 회전시켜 상기 복수의 초전도선재 유니트번들을 서로 꼬아 결합하여 3차전위하는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도선재의 다중전위방법.