KR100380630B1 - Supercondicting Joint Method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기공명단층촬영장치(MRI)와 같은 초전도 응용 시스템에 사용되는 초전도 선의 접합 방법에 있어서 특히 접합부분의 임계전류 값을 향상시키기 위한 초전도 선의 접합 방법에 관한 것으로서, 초전도 접합부의 임계전류 특성을 향상시킬 목적으로, 접합하고자 하는 2 가닥의 초전도 선(20,30)의 니오븀티타늄(NbTi) 필라멘트(21,31)에 더하여 별도의 초전도 선(40)의 니오븀티타늄 필라멘트(41)를 추가하여 슬리브(10)의 구멍(13)내에 삽입하여 프레스 작업을 한 다음, 삽입되지 않은 상기 별도의 초전도 선(40)의 필라멘트(41) 부분을 잘라내는 접합 방법을 도입함으로써, 상기 슬리브(10)내의 상기 초전도 필라멘트(21,31)의 점적율을 높이고 상기 별도의 필라멘트(41)를 통한 전류 통로(path)를 증가시켜줌으로써 기존의 초전도 접합 방법보다 높은 임계전류 값을 갖도록 하는 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a superconducting wire joining method for improving the critical current value of a junction in superconducting wire joining methods used in superconducting application systems such as magnetic resonance tomography (MRI). In addition to the niobium-titanium (NbTi) filaments 21 and 31 of the two superconducting wires 20 and 30 to be joined, a niobium-titanium filament 41 of the superconducting wire 40 is added to By inserting into the hole 13 of the sleeve 10 to press, and then cutting the filament 41 portion of the non-inserted superconducting wire 40 by introducing a joining method, A critical current higher than that of the conventional superconducting bonding method by increasing the area ratio of the superconducting filaments 21 and 31 and increasing the current path through the separate filaments 41. There is an effect to have.
Description
본 발명은 자기공명단층촬영장치(MRI)와 같은 초전도 응용 시스템에 사용되는 초전도 선의 접합 방법에 관한 것으로서, 특히 접합부분의 임계전류 값을 향상시키기 위한 초전도 선의 접합 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of joining superconducting wires used in superconducting application systems, such as magnetic resonance tomography (MRI), and more particularly to a method of joining superconducting wires for improving the critical current value of a junction.
일반적으로, 자기공명단층촬영장치와 같은 초전도 응용 시스템은 영구전류 모드의 운전이 가능하다는 특징이 있다. 즉, 초전도 선의 저항이 없으므로 초전도 코일에 흐르는 전류가 감소하지 않으면서 영구히 유지할 수 있다. 영구전류모드로 운전하기 위해서는 마그네트와 영구전류 스위치(PCS)의 초전도 선들의 접합이 필수적이고, 초전도 선처럼 초전도 접합부에서도 임계전류 값을 가지는데, 이 값을 향상시켜야 더욱 신뢰성 있는 시스템의 제작이 가능하게 된다.In general, superconducting application systems, such as magnetic resonance tomography, are characterized by being capable of operating in permanent current mode. That is, since there is no resistance of the superconducting wire, the current flowing in the superconducting coil can be maintained permanently without decreasing. In order to operate in the permanent current mode, it is necessary to connect the superconducting wires of the magnet and the permanent current switch (PCS), and the superconducting junction has a critical current value as well as the superconducting wire. Done.
통상적인 접합방법으로는 납땜, 버트 접합(butt weld), 콜드 접합(col weld) 등이 있으나, 이와 같은 방법으로 초전도 접합을 할 경우 초전도체 사이에 구리(Cu) 또는 땜납이 존재하게 되어 저항이 10-8∼ 10-9Ω으로 영구전류 모드 시스템에서 요구되는 10-13Ω 수준을 만족시키지 못한다.Conventional joining methods include soldering, butt welding, and cold welding. However, when superconducting welding is conducted in this manner, copper (Cu) or solder is present between the superconductors. -8 to 10 -9 9 , which does not meet the 10 -13 Ω level required for permanent current mode systems.
따라서, 구리로 둘러싸인 니오븀티타늄(NbTi) 슬리브(Sleeve)를 사용한 초전도 접합법이 제안된 바 있으며, 그 방법에서는 초전도 필라멘트와 초전도 슬리브가직접 접촉하고 있으므로 저항이 10-13Ω 이하로서 영구 전류 모드에서의 운전이 가능한 조건이 된다. 초전도 접합부에서는 초전도 선과 마찬가지로 임계전류 특성을 가지는데, 임의의 한계 값까지만 초전도 상태를 유지하면서 전류가 흐를 수 있다.Accordingly, the superconducting bonding method using a niobium titanium (NbTi) sleeve (Sleeve) surrounded by a copper have been proposed, in the method, the superconducting filaments and the superconducting sleeve is so directly in contact with the permanent current mode, as the resistance is less than 10 -13 Ω Operation is possible. The superconducting junction has a critical current characteristic similar to the superconducting wire, and the current can flow while maintaining the superconducting state only up to a certain limit value.
상기 종래의 슬리브를 사용한 초전도 접합 방법은 접합하고자 하는 초전도 선재의 니오븀티타늄(NbTi) 필라멘트와 슬리브(sleeve)의 니오븀티타늄(NbTi) 부분이 상호 접합되도록 하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 구리(Cu) 외피(11)와 니오븀티타늄 코어(NbTi core)(12)로 구성된 초전도 슬리브(10)의 상기 니오븀티타늄 코어(12) 부분에 구멍(13)을 가공을 한 다음, 초전도 장치의 마그네트를 위한 초전도 선(20)과 영구 전류 스위치(PCS)를 위한 초전도 선(30)을 상기 구멍(13)내에 삽입하여 프레스(press) 가공을 함으로써, 상기 2 가닥의 초전도 선(20,30)의 니오븀티타늄 필라멘트(21,31)와 상기 슬리브(10)의 상기 니오븀티타늄(12) 부분이 접합되도록 함으로써 초전도 접합이 이루어지도록 하고 있다.The conventional superconducting bonding method using the sleeve is such that the niobium titanium (NbTi) filament of the superconducting wire to be bonded and the niobium titanium (NbTi) portion of the sleeve are bonded to each other, as shown in FIG. (Cu) Hole 13 is formed in the niobium-titanium core 12 portion of the superconducting sleeve 10 composed of the outer shell 11 and the niobium titanium core 12, and then the magnet of the superconducting device is The niobium of the two strands of superconducting wires 20 and 30 is formed by inserting the superconducting wires 20 and the superconducting wires 30 for the permanent current switch PCS into the holes 13 and pressing them. Titanium filaments 21 and 31 and the niobium-titanium 12 portion of the sleeve 10 are bonded to each other so that superconducting bonding is achieved.
그러나, 이와 같은 종래의 슬리브를 사용한 초전도 접합 방법은 접합하고자 하는 초전도 선 2 가닥만을 접합함으로써 전류가 흐르는 통로(path)가 충분하지 못하여 접합하고자 하는 초전도 선의 임계 전류 값에 대하여 접합부에서의 임계전류 값이 20% 정도의 수준밖에 되지 못하는 단점이 있었다.However, the conventional superconducting bonding method using the sleeve has a critical current value at the junction with respect to the threshold current value of the superconducting wire to be joined because the path through which current flows is insufficient by joining only two superconducting wires to be joined. There was a disadvantage of only this level of 20%.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 초전도 접합부분의 임계전류 특성을 향상시키기 위한 초전도 선의 접합 방법을 제공하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a superconducting wire bonding method for improving the critical current characteristics of the superconducting junction portion.
도 1은 종래 초전도 선의 접합 방법을 설명하기 위한 도면이고,1 is a view for explaining a conventional method of bonding superconducting wires,
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 초전도 선의 접합 과정을 설명하기 위한 도면이다.2 to 6 are views for explaining the bonding process of the superconducting wire according to the present invention.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing
10 : 초전도 슬리브 11 ; 초전도 슬리브의 구리 외피10: superconducting sleeve 11; Copper sheath of superconducting sleeve
12 : 니오븀티타늄 코어 13 : 구멍12 niobium titanium core 13 holes
20,30,40 : 초전도 선 21,31,41 : 니오븀티타늄 필라멘트20,30,40: Superconducting wire 21,31,41: Niobium titanium filament
22,32,42 : 초전도 선의 구리 외피 50 : 평면형 프레스 몰드51 : 볼록형 프레스 몰드 52 : 초전도 슬리브의 오목 자국22, 32, 42: copper shell of superconducting wire 50: planar press mold 51: convex press mold 52: recess of superconducting sleeve
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초전도 선의 접합 방법은, 구멍이 형성된 초전도 코어(core)와 그 코어의 외면을 싸고 있는 도전성 외피로 구성된 초전도 슬리브(Sleeve)를 제공하는 제 1 단계; 상기 슬리브 표면의 이물질 및 산화층을 제거하는 제 2 단계; 초전도 선의 접합부 표면에 형성된 절연층을 제거하는 제 3 단계; 상기 초전도 선의 초전도 필라멘트를 지지하고 있되, 상기 절연층이 제거 결과 외부에 노출된 기지금속을 제거하는 제 4 단계; 상기 기지금속이 제거되어 외부에 노출된 상기 초전도 필라멘트를 세척하는 제 5 단계; 상기 초전도 선의 상기 세척된 초전도 필라멘트 부분을 상기 초전도 슬리브의 상기 구멍에 삽입하되, 접합하고자 하는 해당 초전도 선과 함께 하나 이상의 추가 초전도 선을 삽입하는 제 6 단계; 상기 슬리브를 압축하여 상기 초전도선들을 상기 슬리브에 고정하는 제 7 단계; 상기 추가 초전도 선의 상기 삽입된 필라멘트부분을 제외한 나머지 부분을 절단하여 제거하는 제 8 단계를 포함하여 구성되며, 상기 제 5 단계에서, 상기 필요한 해당 초전도 선은 상기 노출된 필라멘트 부분을 포함한 상기 절연층의 선단 부분을 상기 구멍에 삽입하고, 상기 추가 초전도 선은 상기 노출된 필라멘트 부분만 상기 구멍에 삽입하도록 한다.In order to achieve the above object, a method of joining a superconducting wire according to the present invention includes a first step of providing a superconducting sleeve including a superconducting core having a hole formed therein and a conductive outer cover surrounding the outer surface of the core; A second step of removing the foreign matter and the oxide layer on the sleeve surface; A third step of removing the insulating layer formed on the surface of the junction of the superconducting wire; A fourth step of supporting a superconducting filament of the superconducting wire, wherein the insulating layer removes the base metal exposed to the outside as a result of the removal; A fifth step of washing the superconducting filament exposed to the outside by removing the base metal; Inserting the cleaned superconducting filament portion of the superconducting wire into the hole of the superconducting sleeve, inserting one or more additional superconducting wires with corresponding superconducting wires to be joined; A seventh step of compressing the sleeve to fix the superconducting wires to the sleeve; And an eighth step of cutting and removing the remaining portion except the inserted filament portion of the additional superconducting wire, wherein in the fifth step, the necessary superconducting wire is formed of the insulating layer including the exposed filament portion. A tip portion is inserted into the hole and the additional superconducting wire allows only the exposed filament portion to be inserted into the hole.
초전도 접합에서 전류의 흐름은 한 선의 초전도 필라멘트에서 다른 선의 초전도 필라멘트로 직접 전류가 흐를 수도 있으며, 한 선의 필라멘트에서 니오븀티타늄 초전도 슬리브를 통해서 다른 선의 필라멘트로 전류가 흐를 수가 있다. 상기와 같은 본 발명은 접합하고자 하는 선 이외의 다른 선의 필라멘트를 슬리브에 삽입하여 접합함으로써 슬리브 내의 초전도 필라멘트의 점적율을 높일 뿐 아니라 제 3의 필라멘트를 통한 전류 통로(path)를 증가시켜줌으로써 초전도 접합부의 임계전류를 향상시킬 수가 있다.In superconducting junctions, the current flows directly from the superconducting filament of one line to the superconducting filament of the other line, and from the filament of one line to the filament of the other line through the niobium-titanium superconducting sleeve. The present invention as described above, by inserting the filament of the line other than the line to be bonded to the sleeve to increase the spot ratio of the superconducting filament in the sleeve as well as increase the current path through the third filament superconducting junction The threshold current of can be improved.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 선의 접합 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of bonding superconducting wires according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 도 2와 같이, 초전도 슬리브의 구리 외피(11)와 니오븀티타늄 코어(12)로 구성된 초전도 슬리브(10)를 준비한 다음, 접합하고자 하는 초전도 선(20,30)의 직경의 약 2 배 크기로 상기 니오븀티타늄 코어(12)에 구멍(13)을 낸다. 이때, 상기 구멍(13)이 상기 니노븀티타늄 코어(12)를 벗어나 상기 초전도 슬리브의 구리 외피(11)까지 노출되지 않도록 한다. 다음, 상기 니노븀티타늄 코어(12)에 상기 구멍(13)을 가공한 상기 초전도 슬리브(10)를 불산 용액을 사용하여 그 구멍(13) 내부의 니물질 및 산화층을 제거한다.First, as shown in FIG. 2, a superconducting sleeve 10 including a copper sheath 11 and a niobium titanium core 12 of a superconducting sleeve is prepared, and then about twice the diameter of the superconducting wires 20 and 30 to be joined. The hole 13 is drilled into the niobium-titanium core 12. At this time, the hole 13 is not exposed to the copper sheath 11 of the superconducting sleeve out of the niobium titanium core 12. Next, the superconducting sleeve 10 in which the holes 13 are processed in the niobium-titanium core 12 is removed using a hydrofluoric acid solution to remove the knee material and the oxide layer in the holes 13.
이어, 마그네트를 위한 초전도 선(20)과 영구 전류 스위치(PCS)를 위한 초전도 선(30)의 각 표면의 절연층(미도시)을 약 70mm 정도 제거한 다음, 이때 드러나는 초전도 선의 구리 외피(22,32)를 제거하기 위해 질산 용액을 사용하여 녹여낸다. 상기 구리 외피(22,32)가 제거되고 각 초전도 선(20,30)의 니오븀티타늄 필라멘트(21,31)만 노출된 상태의 초전도 선에서 상기 노출된 니오븀티타늄 필라멘트(21,22)를 세척하기 위해 불산 용액을 사용하여 이물질을 제거한다.Subsequently, the insulating layer (not shown) of each surface of the superconducting wire 20 for the magnet and the superconducting wire 30 for the permanent current switch (PCS) is removed by about 70 mm, and then the copper sheath 22 of the superconducting wire exposed at this time is exposed. 32) Dissolve using nitric acid solution to remove. To clean the exposed niobium-titanium filaments 21 and 22 from the superconducting wires in which the copper sheaths 22 and 32 are removed and only the niobium-titanium filaments 21 and 31 of each of the superconducting wires 20 and 30 are exposed. To remove foreign substances, use a hydrofluoric acid solution.
한편, 접합하고자 하는 상기 두 가닥의 초전도 선(20,30)외에 추가하고자 하는 별도의 초전도 선(40)도 상술된 바와 마찬가지로 해당 절연층(미도시) 및 구리 외피(42)를 제거한 후 노출된 니오븀티타늄(41)을 세척하여 이물질을 제거하는 과정을 수행한다.Meanwhile, a separate superconducting wire 40 to be added in addition to the two superconducting wires 20 and 30 to be bonded is also exposed after removing the insulating layer (not shown) and the copper shell 42 as described above. The niobium titanium 41 is washed to remove foreign substances.
이어, 도 3에 도시된 바와 같이, 접합하고자 하는 상기 2 가닥의 초전도 선(20,30)의 각 필라멘트 부분(21,31)과 상기 추가되는 별도의 초전도 선(40)의 필라멘트 부분(41)을 상기 초전도 슬리브(10)의 상기 구멍(13)에 삽입한다. 이때, 접합하고자 하는 상기 초전도 선들(20,30)은 상기 초전도 슬리브(10)에 완전하게 고정되도록 하기 위해 상기 각 노출된 필라멘트 부분(21,31)을 포함한 상기 각 절연층(22,32)의 선단 부분을 상기 구멍(13)내에 완전히 넣지만 상기 추가되는 별도의 초전도 선(40)은 상기 노출된 필라멘트(41) 부분만 넣는다.Subsequently, as shown in FIG. 3, each of the filament portions 21 and 31 of the two-stranded superconducting lines 20 and 30 to be joined and the filament portion 41 of the additional superconducting line 40 to be added. Is inserted into the hole 13 of the superconducting sleeve 10. At this time, the superconducting wires 20 and 30 to be bonded are formed of each of the insulating layers 22 and 32 including the respective exposed filament portions 21 and 31 to be completely fixed to the superconducting sleeve 10. The tip portion is completely inserted into the hole 13 but the additional superconducting wire 40 added only inserts the exposed filament 41 portion.
이와 같이 3 개의 상기 초전도 선(20,30,40)의 필라멘트(21,31,41)가 상기 초전도 슬리브(10)의 상기 구멍(13)에 삽입된 상태에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 평면형 프레스 몰드(50)에 의해 상기 슬리브(10)의 상·하면을 압착하여 납작하게 만들어 상기 구멍(13)을 압축함으로써, 상기 슬리브(10)의 상기 구멍(13)내에 상기 초전도 선들(20,30,40)이 고정되도록 한다.As shown in FIG. 4, the filaments 21, 31, and 41 of the three superconducting wires 20, 30, and 40 are inserted into the holes 13 of the superconducting sleeve 10. The top and bottom surfaces of the sleeve 10 are compressed and flattened by the flat press mold 50 to compress the holes 13, thereby compressing the superconducting wires 20, 30, 40) to be fixed.
이어, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 몰드(50)에 의해 편평하게 입착된 상기 슬리브(10)의 상하면을 볼록형(凸) 프레스 몰드(51)를 사용하여 프레스 함으로써 상기 슬리브(10)의 프레스를 완료한다.이어, 도 6에 도시된 바와 같이. 상기 슬리브(10)에는 초전도 슬리브의 오목(凹) 자국(52)이 형성되며, 상기 추가된 초전도 선(40) 중 상기 구멍(13)내에 삽입된 부분을 제외한 니오븀티타늄 필라멘트(41) 부분을 절단하여 제거함으로써, 모든 초전도 접합 과정을 종료토록한다. 따라서, 상기 슬리브(10)의 구멍(13)내에는 접합하고자 하는 초전도 선(20,30)의 니오븀티타늄 필라멘트(21,31)외에 추가의 초전도 선(40)의 니오븀티타늄 필라멘트(41)도 함께 포함하게 된다.Subsequently, as shown in FIG. 5, the upper and lower surfaces of the sleeve 10, which are flatly deposited by the mold 50, are pressed by using the convex press mold 51 to press the sleeve 10. Then, as shown in FIG. 6. The sleeve 10 is formed with a recess 52 of the superconducting sleeve, and cuts niobium-titanium filament 41 except for the portion of the added superconducting wire 40 inserted into the hole 13. To remove all superconducting bonding processes. Accordingly, in addition to the niobium-titanium filaments 21 and 31 of the superconducting wires 20 and 30 to be joined, the niobium-titanium filament 41 of the additional superconducting wire 40 is also included in the hole 13 of the sleeve 10. It will be included.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초전도 선의 접합 방법에 의하면, 접합하고자 하는 초전도 선외의 다른 별도의 초전도 선의 필라멘트를 함께 슬리브에 삽입하여 접합함으로써, 그 슬리브 내의 초전도 필라멘트의 점적율을 높일 뿐 아니라, 제 3의 별도 필라멘트를 통한 전류 통로(path)를 증가시켜줌으로써, 초전도 접합부의 임계전류를 향상시킬 수가 있다. 따라서, 종래의 방법에 의하면 초전도 선의 임계 전류 값에 대하여 접합부에서의 임계전류 값이 20% 정도 수준인 데 비하여, 본 발명에 의하면 약 60%까지 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, according to the method of joining the superconducting wires according to the present invention, by inserting and joining the filaments of other superconducting wires other than the superconducting wires to be joined together in the sleeve, not only increases the spot ratio of the superconducting filaments in the sleeve, By increasing the current path through the third separate filament, the critical current of the superconducting junction can be improved. Therefore, according to the conventional method, the threshold current value at the junction is about 20% to the threshold current value of the superconducting wire, but according to the present invention, the present invention can improve up to about 60%.
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