KR100732063B1 - 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조에 관한 것으로, 초전도버스라인의 열 손실을 줄여 효율적으로 열/전기적 안정성을 증대시키는 데 목적이 있다. 이를 위해 초전도코일(50)에 전류를 공급하기위해 전원(10)과 초전도코일을 연결하는 연결구조에 있어서, 전원(10)의 양측에 연결되는 상전도버스바(20);와 상기 상전도버스바에 각각 연결되는 전류인입선(30);과 상기 전류인입선에 각각 병렬로 연결되는 초전도버스라인(40);과 상기 병렬로 연결된 초전도버스라인의 사이에 연결되는 초전도코일(50)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조 {LINK STRUCTURE OF CURRENT LEAD AND SUPER CONDUCT BUS LINE}

도 1은 종래의 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조의 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조의 제1실시예의 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조의 제2실시예의 개념도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10. 전원 20. 상전도버스바

30. 전류인입선 40. 초전도버스라인

50. 초전도코일

본 발명은 초전도코일에 전류를 공급하기위해 전원과 초전도코일을 연결하는 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결구조에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 코일에 전류를 공급하기 위한 전류 전송라인은 상전도 코일에 전류를 공급하는 경우에 비해 복잡하다. 상전도 코일의 경우, 전원과 코일 사이에 단순히 두 개의 상전도전선(이하, 상전도버스바라 호칭)을 연결한다. 그러나 초전도 코일은 액체질소 또는 액체헬륨과 같은 냉매로 냉각시켜 저온(80 K 영역) 또는 극저온(4.2 K 영역) 온도영역에서 운전되기 때문에 저온용기 내에 설치되어 운전된다. 이와 같은 초전도 코일에 10 kA 이상의 대전류를 공급하기 위한 전원장치는 초전도 코일 응용장치와 동떨어져 있는 경우가 많다.

예컨대, 전원장치(10)와 초전도 코일 응용장치(50)가 서로 다른 건물 또는 멀리 떨어진 공간에 설치되어 있다면, 이 두 장치를 전기적으로 연결하기 위해서는 도 1에서 보는 바와 같이 구리 재질의 상전도 버스바(20), 전류인입선(30) 및 초전도 버스라인(40)을 통해 연결시킨다. 상전도 버스바는 전원장치와 전류인입선을 전기적으로 연결시키며, 초전도 버스라인은 초전도 코일과 전류인입선을 연결시킨다. 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결과 초전도 버스라인과 초전도코일의 연결은 랩조인트(61)에 의해 이루어진다.

전류인입선을 경계로 전원장치 쪽은 상전도 전류가 흐르며, 초전도 코일 쪽은 전기저항 값이 영(Zero)인 초전도 전류가 흐른다. 상전도 전류가 흐르는 쪽은 인가된 전류에 의해 주울열(Joule Heat)이 발생하여 전기에너지 손실이 따르는 반면 초전도 전류가 흐르는 쪽은 인가된 전류에 의해서 열이 발생하지 않기 때문에, 전원장치와 초전도 코일 응용장치가 멀리 떨어져 있거나 전류인입선과 초전도 코일 을 바로 연결하기 어려운 경우에 초전도 코일과 전류인입선 사이를 초전도 버스라인으로 연결시킨다.

초전도 코일 및 초전도 버스라인은 액체헬륨이나 액체질소 등과 같은 냉매로 전기저항이 없는 초전도 전이온도 이하로 냉각시켜 운전된다. 이러한 초전도체에 전류가 인가되고 있을 때 초전도체 특정 구간의 온도가 초전도 전이온도 이상으로 상승하게 되면 그 부분은 영(Zero)이 아닌 특정한 저항 값을 갖게 되어 주울열이 발생한다. 이와 같은 현상을 상전도 전이라 한다.

발생한 주울열이 크면 클수록 근처의 초전도 상태에 있는 초전도 버스라인 또는 초전도 코일에 더 많은 양의 열이 전달되어 상전도 전이가 주변으로 급속하게 전파되는데, 이러한 현상을 켄치(Quench)라 한다. 초전도 코일 또는 초전도 버스라인에 켄치현상이 발생할 경우 인가된 전류를 방전시키지 않으면 막대한 양의 열이 발생하여 코일 자체가 녹아버릴 위험이 매우 크다.

일반적으로 대전류 인가용 코일은 고가의 연구장치이며 액체헬륨과 같은 냉매를 이용하여 저온으로 냉각된 상태에서 운전되기 때문에 켄치현상을 검출하여 초전도 코일 손상을 보호하는 장치가 별도로 설치된 상태에서 운전된다. 가장 일반적으로 사용되는 보호장치는 초전도 전선 양단 전기전압을 측정하여 영(Zero)이 아닌 유한한 값의 전위차가 발생할 경우 곧바로 방전을 시키는 구조로 이루어져 있다.

초전도 버스라인에서 켄치 현상이 발생하게 되면 이른바 켄치의 전파(상전도 전이가 발생한 부분에서 발생한 열의 전달에 의해 초전도 상태인 부분도 같이 상전도 전이가 되는 현상)에 의해 초전도 코일도 함께 켄치 현상이 발생할 위험에 노출 된다.

초전도 코일에 비해 저가인 초전도 버스라인으로 인해 초전도 코일이 손상되는 것은 비합리적이기 때문에 일반적으로 초전도 버스라인을 보다 안정적으로 설계/제작할 필요가 있다.

그러나 초전도 버스라인의 길이가 초전도 코일에 비해 매우 짧기 때문에 특별히 초전도 버스라인을 위한 초전도 선재를 연구개발/제작하는 것이 설계/구조해석/제작, 인력관리, 개발비용 등과 같은 측면에 있어서 비효율적인 문제점이 있었다.

한편, 초전도 선재는 인가되는 전류량이 증가할수록 켄치 발생에 의한 파손 위험성이 커지는 특징을 가지고 있다. 이러한 위험성을 감소시키는 방법은 초전도 선재의 단면적을 증가시켜 단위 면적당 흘러가는 전류량에 해당되는 전류밀도를 줄이는 것이다.

그러나 단순히 초전도 선재의 단면적을 증가시키게 되면 별도의 초전도 버스라인 설계/제작 공정이 필요한 번거로움이 있다. 초전도 코일 제작용 초전도 선재는 그 단면적이 코일의 성능에 맞게 최적화 되어있기 때문에 단면적을 키운 초전도 선재로 코일을 제작할 수 없으며, 초전도 코일 제작을 위해 필요한 초전도 선재 길이에 비해 버스라인의 길이가 매우 짧은 반면에 선재 설계 및 제작에 있어서 초전도 코일용 선재 제작과 비슷한 노력이 들어갈 뿐만 아니라 길이가 짧은 만큼 제작 단가가 상승하는 요인이 된다.

또한 버스라인은 단순히 직선 형태로 설치되는 것이 아니라 여러 차례에 걸 쳐 벤딩(Bending) 처리된 구조로 설치된다. 따라서 단순히 초전도 선재의 단면적을 키우게 되면 그만큼 버스라인을 구부리기가 어려워진다.

이러한 비효율적인 사항들을 피하여 손쉽게 선재의 단면적을 키우는 방법은 초전도 코일 제작용으로 개발된 선재와 전류인입선을 직렬로 연결한 구조 두 세트를 다시 병렬로 연결시키는 것이다.

단순히 두 개의 초전도 선재만을 병렬로 연결할 경우에는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저, 두 초전도 선재로 흘러가는 전류량이 같지 않고 한쪽으로 더 많은 전류가 흐르게 되는 문제가 있다. 두 선재로 흘러가는 전류량은 선재를 연결하는 조인트 저항이 작을수록 크다. 따라서 두 선재로 똑같은 전류가 흘러가기 위해서는 두 선재의 조인트 저항이 일치해야 한다. 일반적으로, 조인트 저항이 클수록 더 많은 양의 주울열이 발생하여 상전도 전이의 위험성이 커지기 때문에 이 저항값이 작게 설계/제작된다. 이와 같이 조인트 저항을 줄이게 되면 두 선재의 조인트 저항 크기가 같아지도록 설계/제작하는 것이 더욱 어려워져 전류량을 같게 맞추는 것이 곤란해지는 문제점이 있다.

또한 두 초전도 선재가 이루는 폐회로 내를 투과하는 자속(폐회로를 통과하는 자기장에 폐회로의 단면적을 곱한 값)의 변화가 생기게 되면 이 폐회로를 따라 유도 전류가 발생하게 된다. 이와 같은 유도 전류는 저항의 크기에 반비례하여 커지게 된다. 따라서 자속의 변화가 큰 초전도 코일 응용 장치에서는 적용하기가 어려워지는 문제점이 있다.

따라서 본 발명에서 이루고자하는 기술적 과제는, 전원과 초전도코일을 연결하는 데 있어 전류인입선과 초전도버스라인을 병렬로 연결함으로써, 초전도버스라인의 열 손실을 줄여 효율적으로 열/전기적 안정성을 증대시키는 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조를 제공하는데 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결구조의 제1실시예는, 초전도코일(50)에 전류를 공급하기위해 전원(10)과 초전도코일을 연결하는 연결구조에 있어서, 전원(10)의 양측에 연결되는 상전도버스바(20);와 상기 상전도버스바에 각각 연결되는 전류인입선(30);과 상기 전류인입선에 각각 병렬로 연결되는 초전도버스라인(40);과 상기 병렬로 연결된 초전도버스라인의 사이에 연결되는 초전도코일(50)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전류인입선은 구리 재질로 이루어지고, 전류인입선의 길이를 약 1.5 m 정도로 설계하는 방식과 전류인입선은 RRR값이 10 정도인 재료로 구성하는 방식 중 어느 하나의 방식으로 이루어져 헬륨냉매의 공급중단에 따른 온도 상승에 대한 안전성을 확보하는 것을 특징으로 하는 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결구조를 제공한다.

본 발명의 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결구조의 제2실시예는, 초전도코일(50)에 전류를 공급하기위해 전원(10)과 초전도코일을 연결하는 연결구조에 있어서, 전원(10)의 양측에 연결되는 상전도버스바(20);와 상기 상전도버스바에 각각 병렬로 연결되는 전류인입선(30);와 상기 전류인입선에 각각 연결되는 초전도버스라인(40);과 상기 병렬로 연결된 초전도버스라인의 사이에 연결되는 초전도코일(50)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조의 제1실시예의 개념도를 나타내고, 도 3은 본 발명에 따른 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조의 제2실시예의 개념도를 나타낸다.

도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결구조는 초전도코일(50)에 전류를 공급하기위해 전원(10)과 초전도코일을 연결하는 연결구조이다.

본 발명에 따른 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결구조의 제1실시예는 다음과 같다.

전원(10)의 일측에 상전도버스바(20)의 일단이 연결되고, 상전도버스바의 타단에 전류인입선(30)의 일단이 연결된다. 전류인입선의 타단에 초전도버스라인(40) 일단이 더블랩조인트(62)에 의해 병렬로 연결되며, 병렬로 연결된 초전도버스라인 의 타단에 더블랩조인트에 의해 초전도코일(50)의 일단이 또한 병렬로 연결된다.

초전도코일(50)의 타단에 다른 초전도버스라인의 일단이 더블랩조인트에 의해 병렬로 연결되고, 초전도버스라인 타단에 더블랩조인트에 의해 전류인입선의 일단이 병렬로 연결된다. 전류인입선(30)의 타단에 상전도버스바의 일단이 연결되며, 상전도버스바(20)의 타단에 전원(10)의 타측이 연결되어 하나의 폐쇄회로를 이룬다.

전류인입선은 상온(300K)에서 운전되는 상전도버스바와 저온(4.5K)에서 운전되는 초전도 버스라인을 전기적으로 연결하는 동시에 전류인입선을 통해 초전도 버스라인으로 전달되는 열을 차단하는 역할을 한다.

본 발명의 제1실시예는 초전도버스라인이 전류인입선과 초전도코일 사이에서 병렬로 연결되는 구조이다. 전류인입선과 초전도버스라인의 연결과 초전도버스라인과 초전도코일의 연결은 더블랩조인트(62)에 의해 연결된다. 다시 말해서 더블랩조인트에 의해 한 개의 전류인입선에 두 개의 초전도버스라인이 분기되어 연결되고, 두 개의 초전도버스라인이 한 개의 초전도코일 단부에 합쳐져 연결된다.

전류인입선은 구리 재질로 이루어진다. 전류인입선을 이루는 방식에는 전류인입선의 길이를 1.5 ~ 2 m 정도로 설계하는 방식이 있고, 전류인입선은 RRR(Residual Resistance Ratio)값이 5 ~ 15 정도인 재료로 구성하는 방식이 있다. 전류인입선은 앞의 두 방식 중 어느 하나의 방식으로 이루어져 헬륨냉매의 공급중단에 따른 온도 상승에 대한 안전성을 확보한다.

구리 재질의 전류인입선의 길이는 2 m 이상 길게 만들면 현실적으로 적용이 어려우며 1.5 m 이하로 제작하면 열적 안정성이 나빠진다.

전류인입선의 RRR값은 15 이상이 되면 다시 안정성이 떨어지며 5 이하가 되면 구리 재질이라기보다는 합금류에 해당되므로 과부하 전류인입선 축에 든다.

본 발명에 따른 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결구조의 제2실시예는 다음과 같다.

전원(10)의 일측에 상전도버스바(20)의 일단이 연결되고, 상전도버스바의 타단이 두 라인으로 분기되어 상전도버스바의 타단에 전류인입선(30)의 일단이 연결된다. 전류인입선의 타단에 초전도버스라인(40) 일단이 랩조인트(61)를 통해 각각 연결되며, 초전도버스라인의 타단이 더블랩조인트(62)에 의해 합쳐져 초전도코일(50)의 일단과 병렬로 연결된다.

초전도코일(50)의 타단에 다른 두 개의 초전도버스라인 일단이 분기되어 더블랩조인트를 통해 병렬로 연결되고, 초전도버스라인 타단에 전류인입선의 일단이 랩조인트에 의해 각각 연결된다. 전류인입선(30)의 타단에 상전도버스바의 일단이 각각 연결되며, 각각의 상전도버스바가 합쳐진 상전도버스바(20)의 타단에 전원(10)의 타측이 연결되어 하나의 폐쇄회로를 이룬다.

본 발명의 제2실시예는 초전도버스라인이 전류인입선과 초전도코일 사이에서 병렬로 연결되는 구조이다. 전류인입선과 초전도버스라인의 연결은 랩조인트(61)에 의해 연결되고, 초전도버스라인과 초전도코일의 연결은 더블랩조인트(62)에 의해 연결된다. 다시 말해서 랩조인트에 의해 한 개의 전류인입선에 한 개의 초전도버스 라인이 연결되고, 두 개의 초전도버스라인이 한 개의 초전도코일 단부에 합쳐져 연결된다.

전류인입선과 버스라인을 병렬로 연결하는 구조는 두 갈래의 병렬구조가 바람직하다. 예컨대, 초전도코일 전극은 단 두개에 불과하고, 한 개의 전극을 랩조인트 구조로 제작하면 랩조인트 양쪽에 한 개씩 버스라인 조인트를 쉽게 부착할 수 있으나 3개 이상의 버스라인은 연결하기는 매우 어렵다.

랩조인트는 구조상 두 개의 전류전송라인을 일정 길이만큼(약 250 ~ 600 mm 정도)를 교차시켜 전기적으로 연결하는 구조이다. 전기 저항을 줄이기 위해서 두 전선이 맞닿는 부분은 솔더링하게 되는데, 3, 4곳을 솔더링하는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 더블 랩조인트는 하나의 전선에 다른 두 개의 전선을 양쪽면에 연결하는 구조이며, 솔더링 기법으로 조인트 시키는 경우, 구조적으로 약하기 때문에 볼트로 체결하여 구조강도를 개선해야한다. 더블 랩조인트의 경우 관통형 볼트로 두 개의 상대편 조인트를 동시에 체결할 수 있겠지만 1~2개의 전선을 더 추가하게 되면 구조적 안정성 보강이 쉽지 않고 전기적 연결도 쉽지 않다.

본 발명의 병렬 연결구조는 전류인입선의 전기저항 값은 조인트 저항에 비해 1000배 정도 크고 두 전류인입선간의 저항 값 차이가 매우 작기 때문에 두 초전도 선재로 흐르는 전류량의 차이가 무시될 정도로 작아지는 장점을 갖는다.

상기와 같은 전류인입선과 초전도 버스라인을 함께 병렬로 연결하는 구조는 하나의 초전도 선재로 흘러가는 전류량이 종래의 직렬 연결구조에 비해 절반으로 줄어들기 때문에 그만큼 켄치발생 확률이 낮아져 고가의 초전도 코일 응용장치 운 전상의 안정성 확보가 용이해진다.

본 발명의 병렬 연결구조는 종래의 직렬 연결구조에 비해 초전도 버스라인 조인트 개수가 2개 더 늘어나는 반면 한 개의 초전도 버스라인으로 흐르는 전류량은 종래의 직렬 연결구조에 비해 절반으로 줄어든다. 전류량의 감소로 인해 상전도 전이의 전파속도도 낮아진다. 상전도 전이와 조인트 저항에 의해 발생하는 주울열은 조인트 저항 및 인가되는 전류의 제곱에 비례한다. 한 개의 버스라인으로 흐르는 전류량이 절반으로 줄었기 때문에 전류에 의한 주울열은 4분의 1로 줄고 조인트 개수는 두 배로 늘어 조인트 저항에 의한 주울열은 2배로 늘어나므로 발생하는 전체 주울열은 종래의 직렬 연결구조에 비해 절반으로 줄어드는 효과가 있다.

이와 같이 조인트 저항에 의해 발생하는 열이 낮아질수록 초전도 버스라인의 켄치 위험이 그만큼 낮아지는 장점을 갖게 된다. 켄치가 발생한 부위의 주울열 또한 인가되는 전류량이 종래의 직렬 연결구조에 비해 절반정도 낮기 때문에 그만큼 온도상승에 의한 파손 위험이 적어진다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 전류인입선과 초전도버스라인의 연결구조는 전원과 초전도코일을 연결하는 데 있어 전류인입선과 초전도버스라인을 병렬로 연결함으로써, 초전도버스라인의 열 손실을 줄여 효율적으로 열/전기적 안정성을 증대시키고, 연결구조의 설계/제작 면에 있어서도 보다 용이하게 접근할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 초전도코일(50)에 전류를 공급하기위해 전원(10)과 초전도코일을 연결하는 연결구조에 있어서,

   전원(10)의 양측에 연결되는 상전도버스바(20);

   상기 상전도버스바에 각각 연결되는 전류인입선(30);

   상기 전류인입선에 각각 병렬로 연결되는 초전도버스라인(40); 및

   상기 병렬로 연결된 초전도버스라인의 사이에 연결되는 초전도코일(50)을 포함하여 이루어지고,

   상기 전류인입선과 초전도버스라인의 연결 및 초전도버스라인과 초전도코일의 연결은 더블랩조인트(62)에 의해 연결되는 것이며,

   상기 전류인입선은 구리 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전류인입선과 초전도 버스라인의 연결구조.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

Images