KR100759494B1 - 도전성섬유를 무유도전압탭센서로 한 초전도코일 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도전성섬유를 무유도전압탭센서로 한 CICC를 이용하여 제작하는 초전도(Impulse, AC, DC)코일 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 CICC를 감아만드는 코일 제조방법에 있어서, 도전성섬유를 상기 CICC에 테이핑하는 제 1단계와, 도전성섬유와 상기 CICC를 접합하는 제 2단계와, 접합이 완료되면 리드를 인출하여 몰딩하는 제 3단계와, 인출된 리드부분을 테이핑하는 제 4단계와, 완성된 리드부분을 코일과 단자로 연결하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 사각형 모양의 CICC에 적합한 무유도전압탭센서를 제공할 수 있는 효과를 제공한다.

토카막 초전도 코일, CS코일, 무유도전압, 센서,

Description

도전성섬유를 무유도전압탭센서로 한 초전도코일 제조방법{Method for manufacturing of superconducting coil}

도 1a는 일반적인 초전도자석의 구조를 보여주는 도면,

도 1b는 도 1a의 초전도자석의 상세도,

도 2는 일반적인 무유도전압탭센서가 테이핑된 CICC를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명에서 사용되는 도전성섬유를 설명하기 위한 도면,

도 4a는 본 발명에 따른 도전성섬유를 무유도전압탭센서로 사용하여 테이핑된 CICC를 보여주는 도면,

도 4b는 도 4a의 A-A'의 부분확대도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CS코일 제조방법을 설명하기 위한 개념도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 도전성섬유 31 : 파이버

32, 34 : 니켈 33 : 구리

40 : CICC 41 : 캡톤테이프

42 : 도전성섬유 43 : 유리섬유

본 발명은 토카막의 초전도코일에 관한 것으로, 특히 CS 코일에 사용되는 무유도전압탭센서에 도전성섬유를 사용하는초전도코일의 제조방법에 관한 것이다.

현재까지 개발된 초전도자석은 지구자장의 26만배에 달하는 13테슬라의 자장을 얻을 수 있으며, 이러한 자장은 핵융합 반응에서 요구되는 플라즈마를 만들고 가두기 위해 필요한 것이다. 따라서, 초전도자석의 핵심 기술은 '관내연선도체'(CICC:Cable-in Conduit-Conductor)라고 알려진 각각의 전선을 감아 코일을 형성하여 초전도자석을 제조함에 있다. 관내연선도체(CICC)는 35kA급의 대전류 운전을 위해서 360 또는 486가닥의 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸인 방식의 도체를 사용하여 자석을 제작하는 것으로, 초전도자석의 운전시 발생하는 열을 4.5K로 냉각하기 위해 약 5기압의 초임계 헬륨을 관내연선도체로 강제순환시킨다.

도 1은 국내에서 제작되는 초전도자석을 일예로 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이 도면의 1a에서는 초전도자석(100:SC Magnet)은 고온의 플라즈마를 진공용기 벽에 닿지 않고 가두어두기 위한 것으로, 그 주요장치인 토카막장치(101)를 보유하고 있다. 토카막장치(101)는 CS(Central Solenoid)코일, TF(Toroidal Field) 및 PF(Poloidal Field) 코일을 사용하여 플라즈마의 생성, 구속, 제어를 담당한다.

도 1b는 도 1a의 토카막장치(101)를 나타내며, 16개의 TF(107:Toroidal Field)코일로 구성된 TF 구조물(107)과, 8개의 CS(Central Solenoid)코일로 구성된 CS 구조물(109)과, 6개의 PF(Poroidal Field)코일로 구성된 PF 구조물(103) 및 각 구조물을 연결하는 연결구조물(105)로 형성된다.

TF 구조물(107)로 내설되는 코일은 약 35kA의 직류전류로 운전하게 되며, 상기 CS 코일과 PF 코일은 최대 8kA/sec 전류 변화를 가지는 펄스운전을 하며 약 ± 20kA 까지 전류가 충방전 되며, 상호 자장변화에 의한 기전력을 진공용기 내부에 발생시켜 플라즈마를 생성하고 플라즈마 전류와 TF 자장과 함께 플라즈마를 구속시키는 역할을 수행한다.

이렇게 수십 kA의 전류가 흐르는 중에 초전도체에 켄치(Quench : 초전도 성분이 사라지고, 상전도 상태로 전이가 발생하는 현상)가 발생하여 할 경우 CICC 도체의 온도는 Ohmic heating (I²R=10,000² × R)으로 인해 급격히 상승하게 되고, CICC의 금속이 녹는 온도까지도 상승하곤 한다. 이렇게 되면 초전도 자석은 복구가 불가능한 상태까지 손상을 입기도 한다. 이러한 상태를 막기 위해서 보호 회로와 여러 가지 방법의 켄치검출 기법들이 제안 되었다. 이러한 회로의 핵심은 켄치를 빠른 시간 이내에 효과적으로 검출 하는 것이다. 이러한 켄치검출을 위해서 전기적, 기계적, 광학적, 방법들이 제안되었고, 이중에서 가장 효과 적인 방법은 초전도체에 켄치가 발생하면서 나타나는 저항에 의한 초전도 자석 양단에 저항성 전압 강하를 검출 하는 것이다. 이후 이 전압을 측정하여, 켄치를 판별하여 보호 회로를 동작시킨다. 따라서 켄치검출을 위해서는 저항성전압(Normal Voltage)을 측정하는 것이 매우 중요하다. 하지만, 토카막(Tokamak)의 코일은 약 8kA/s 의 전류 변화가 존재하고, 30개의 주자석과, 그 외의 보조 자석 그리고 플라즈마 전류에 의해서 복잡하게 다중 인덕턴스(Mutual inductance)로 연결 되어 있으며, 이에 따라 상호 유도 되는 전압이 약 1~3kV 정도로 높게 발생한다.

하지만 발생하는 저항성 전압(Normal Voltage)은 약 100mV 이내에 측정하여야지만 초전도 자석의 보호에 효과적이다. 그 값이 넘어 설 경우 보호의 효과는 현저히 사라진다. 이러한 낮은 저항성 전압을 측정하기 위해서는 유도전압을 제거하는 무유도 전압센서가 가장 효과 적이다.

여기서 CICC에는 CICC의 내부전압 중 유도전압을 제외한 무유도전압(저항성전압이라고도 함)을 측정하기 위한 무유도전압탭센서를 사용한다.

도 2는 일반적인 무유도전압탭센서가 테이핑된 CICC를 도시한다.

도 2를 참고하면, CICC(20)는 튜브(21)가 여러개 모여 케이블(22)을 구성하고 그 케이블(22)의 외부에 케이블(22)을 테이핑하기 위한 케이블 랩핑재(23)와 자켓(24), 그리고, 이렇게 하여 포장이 완료된 CICC(20)에 금속재료인 무유도전압탭센서(25)를 테이핑한다. 그리고 무유도전압탭센서(25)의 랩핑이 완료되면 절연체(26)로 랩핑하여 CICC(20)를 완성한다. 그러면, 기존의 금속재의 무유도전압탭센서를 사용하는 CICC가 완성된다.

이러한 종래의 CICC는 무유도전압탭센서로 금속제 사용을 시도 하였으나. 국내의 CICC의 모양이 전술한 도 2에서와 같은 원형이 아니고 사각형의 모양으로 제 조됨에 따라 금속재를 그대로 사용하는 경우 사각의 모서리 부분에서 절연을 파괴할 가능성이 높을 뿐 아니라 쇼트의 위험을 초래할 수 있고, 설치하는 공정이 매우 까다롭다. 새로운 무유도전압탭센서가 필요하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 사각의 CICC 에 사용되는 무유도전압탭센서의 재료를 도전성섬유를 사용하므로 모서리 부분에서 발생할 수 있는 문제점을 해결 하고, 설치 공정이 단순화 되며, 섬유의 사용으로 인한 센서 저항의 증가할 수 있는 도전성섬유를 무유도전압탭센서로 한 CS코일 제조방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도전성섬유를 무유도전압탭센서로 한 CS코일 제조방법은 CICC를 감아만드는 코일 제조방법에 있어서, 비금속재료를 CICC에 테이핑하는 제 1단계와, 비금속재료와 CICC를 접합하는 제 2단계와, 접합이 완료되면 리드를 인출하여 몰딩하는 제 3단계와, 인출된 리드부분을 테이핑하는 제 4단계와, 완성된 리드부분을 코일과 단자로 연결하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 제 2단계는 압착에 의한 전기접합인 것을 특징으로 한다.

또한, 제 3단계는 인출된 리드를 실리콘으로 밀봉하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 도전성섬유를 무유도전압탭센서로 한 초전도코일 제조방법은 CICC를 감아만드는 코일 제조방법에 있어서, 도전성섬유를 상기 CICC에 테이핑하는 제 1단계와, 도전성섬유와 상기 CICC를 접합하는 제 2단계와, 접합이 완료되면 리드를 인출하여 몰딩하는 제 3단계와, 인출된 리드부분을 테이핑하는 제 4단계와, 완성된 리드부분을 코일과 단자로 연결하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 제 2단계는 압착에 의한 전기접합인 것을 특징으로 한다.

또한, 제 3단계는 인출된 리드를 실리콘으로 밀봉하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도 3 및 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 3은 본 발명에서 사용되는 도전성섬유를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a는 도전성섬유의 구성상태를 보여주는 도면으로, 파이버(31)의 외부로 니켈(32)을 도금하고 세정한다. 그리고, 다시 구리(33)를 도금하고 세정한 후, 마지막으로 가장 외부에 니켈(34)을 다시 한번 도금하여 건조시켜서 파이버를 완성한다.

도 3b는 이렇게 도금이 완성된 파이버의 단면을 보여준다.

즉, 가장 안쪽에 파이버(31)를 중심으로 니켈->구리->니켈순으로 도금된 상 태를 보여준다. 이렇게 도금 완료된 파이버의 확대도를 도 3c에 도시되었다. 도 3c를 보면 하나하나의 도금 완료된 파이버가 상호 엉켜있는 모습이고 이러한 도전성섬유는 롤형태로 형성하여 도전성섬유를 완성한다.

도 3d은 도전성섬유를 CICC에 감기위해 릴에 감겨 롤형태로 완성된 상태를 보여준다. 도 3d를 보면 롤형태로 제공되는 도전성섬유는 길이가 대략 150미터이고 폭은 25밀리미터이며, 두께는 약 88마이크로미터이다. 이러한 롤형상의 도전성섬유 간의 접합을 위해서는 도전성 실을 이용해서 접합할 수 있다.

이렇게 완성된 도전성섬유(30)를 이용하여 CICC에 랩핑하므로서 무유도전압탭센서로 사용이 가능하다.

이하 도 4를 참고하여 설명한다.

도 4a는 본 발명에 따른 도전성섬유를 무유도전압탭센서로 사용하여 테이핑된 CICC를 보여주는 도면이다.

도 4a를 참고하면, CICC(40)는 가장 안쪽으로 절연을 위한 캡톤테이프(41)로 테이핑(taping)하고, 그 캡톤테이프(41)의 상부로 도전성섬유(42)를 테이핑한다. 도전성섬유(42)는 수작업으로 테이핑하며 테이핑하는 피치는 약 25-30 센티미터로 한다. 이렇게 캡톤테이프(41)의 위에 테이핑된 도전성섬유(42)는 절연체의 두께에 미치는 영향을 최소화하기 위해서 최대한 밀착시켜 테이핑한다. 이때 도전성섬유(42)를 테이핑하면서 쇼트모니터를 연결하여 쇼트가 발생하는 것을 감시할 수 있다.

도 4b는 이러한 순서대로 테이핑이 완료된 CICC(40)의 단면도이다.

도 4b는 도 4a의 A-A'의 부분확대도로서, CICC(40)는 내부에 케이블이 보이고 그 외부로 캡톤테이프(41), 도전성섬유(42), 및 유리섬유(43)를 순서적으로 테이핑된다.

전술한 과정을 포함하여 완성된 CICC를 이용한 CS코일의 제조방법을 도 5를 참고하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CS코일 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 5를 참고하면, 도전성섬유를 테이핑하기 이전에 테이핑시의 쇼트여부를 체크하기 위한 쇼트모니터 "온"한다(단계 500). 우선, 쇼트모니터기기를 도전성 섬유에 연결하기 전에 미리 터미널을 쇼트시켜서 장치가 정상인지를 확인한다. 이것은 쇼트모니터에 전원을 투입할 때마다 시행한다. 이후 도전성 섬유를 테이핑한다(단계 501). 여기서 도전성섬유는 전술한 도 3의 설명을 참조하면 되고 테이핑과정은 도 4를 참고하면 된다. 이때 도전성섬유는 150미터의 롤을 최소한 10개 이상확보하고 시작한다. 도전성섬유의 테이핑이 완료되면, 도전성섬유와 CICC간의 도체접합을 수행한다(단계 502). 도전성섬유와 CICC간의 접합방법은 압착에 의한 전기결합을 수행한다. 도전성섬유와 CICC도체의 접합은 CS코일의 정 중앙에서 이루어진다. 접합점에서의 그라운드 절연을 위해서 감싸놓은 캡톤을 제거하기 위해 접착재가 있는 캡톤테이프로 약 3센티미터정도의 구간을 미리 감싼 후에 중앙의 약 3센티미터정도를 제거하여 절연을 위한 캡톤테이프가 풀리지않도록 한다. 접합이 완료되면 멀티미터로 접합이 잘되었는지 CICC의 저항을 측정한다. 이렇게 하여 도전성섬유와 CICC의 접합이 완료되면, 몰딩지그를 인출한다(단계 503). 접합된 CICC를 몰딩지그에 넣어서 에폭시 몰딩을 수행한다. 에폭시몰딩을 할 때 CS코일의 단자인 리드부분은 외부로 유출한다. 따라서, 여기에 감겨있는 도전성 섬유 또한 외부로 유출하여야한다. 유출된 리드를 밀봉하기 위해 실리콘을 사용하여 도전성섬유의 단자(terminal)처리가 간단해진다. 이렇게 하여 몰딩지그의 인출이 완료되면 리드부분을 테이핑한다(단계 504). 즉, 리드부분의 도전성섬유는 CICC도체와 같은 방법으로 하되 피치를 5 내지 10센티미터로 줄인다. 이는 외부 자기장의 영향을 최소화하고 단자의 연결을 용이하게 하기 위한 것이다. 그리고 무유도전압탭센서를 단자에 연결한다(단계 505). 도전성섬유를 외부와 연결하기 위해 금속으로 압착 접합할수 있도록 단자를 제작하고 내부에 전류제한 저항을 가지도록 한다. 그리고 외부로는 신호선을 연결할수 있는 볼트탭(tap)을 가지도록 설계한다. 즉, CICC의 끝단에는 CICC도체와 도전성섬유를 외부에 연결하기 위한 구리블록(단자)이 있고, 이것에는 탭을 내어 전선을 연결하기 쉽도록 한다. 이렇게하여 CS코일을 완성하여(단계 506), CS코일의 무유도전압을 검출하는 무유도전압탭센서로서 도전성섬유를 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 사각형 모양의 CICC에 적합한 무유도전압탭센서를 제공할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 무유도전압탭센서가 장착된 관내연선도체(CICC)를 감아 만드는 코일 제조방법에 있어서,

   상기 관내연선도체에 절연테이프를 테이핑하는 제 1단계;

   상기 절연테이프를 테이핑한 관내연선도체에 도전성섬유를 테이핑하는 제 2단계;

   상기 도전성섬유를 테이핑한 관내연선도체에 유리섬유를 테이핑하는 제 3단계;

   상기 도전성섬유와 상기 관내연선도체를 접합하는 제 4단계;

   상기 접합이 완료되면 리드를 인출하여 몰딩하는 제 5단계;

   상기 인출된 리드부분을 테이핑하는 제 6단계; 및

   상기 완성된 리드부분을 코일과 단자로 연결하는 제 7단계를 포함하며,

   상기 도전성섬유는 니켈, 구리, 니켈순으로 도금된 파이버가 상호 엉켜 롤형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 코일 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제 2단계는

   압착에 의한 전기접합인 것을 특징으로 하는 코일 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제 3단계는

   상기 인출된 리드를 실리콘으로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 코일 제조방법.

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