KR100993246B1 - 초전도시스템에 존재하는 상전도 부분의 저항감소를 위한고온 초전도 선재의 상전도부분에의 접합법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 시스템 내부에 존재하는 상전도 부분의 저항을 감소시키기 위하여 상전도 부분에 초전도선재(들)를 접합하는 것과 이를 구현하기 위한 다중 고온초전도 선재의 동시접합법에 대한 것이다. 상전도 부분에 접합하는 초전도선재의 수는 초전도선재(들)의 임계전류가 시스템의 운전전류보다 크도록 정해진다. 운전전류가 커서 상전도 부분에 접합하는 선재가 많을 경우 이를 동시에 접합하여야 하고 상전도 부분이 길 경우 긴 선재를 동시에 접합하여야 하는데 본 발명은 이를 포함한다. 이를 위해 상전도 도체에 초전도 선재를 접합시킬 부분을 마련하고 그 곳에 솔더를 도포하고 초전도 선재를 그 위에 위치시키며 초전도 선재의 말단부를 도전성 접합재로 부착시키고 히터로 상전도 도체의 전장을 가열함과 함께 픽서로 고정하는 과정을 포함하여 초전도 선재를 상전도 도체에 동시에 접합할 수 있게 된다.

본 발명과 같이 초전도부분에 존재하는 상전도 부분의 저항을 감소시키면 초전도시스템의 열적 안전성뿐만 아니라 임계전류의 상승효과까지도 있다.

초전도부분, 상전도부분, 솔더, 접합

Description

초전도시스템에 존재하는 상전도 부분의 저항감소를 위한 고온 초전도 선재의 상전도부분에의 접합법{HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR JUNCTION METHODS TO NORMAL CONDUCTIVE PARTS FOR RESISTANCE-REDUCING OF NORMAL CONDUCTIVE PARTS IN SUPERCONDUCTIVITY SYSTEM}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하기 위한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 고온초전도 선재가 부착되어 있는 상전도 도체.

도 3은 구리 바에 접합한 고온초전도 선재의 수에 따른 전류-전압 특성을 나타내는 그래프.

도 4는 동일저항설계를 위한 초전도선재의 부착상태를 보여주기 위한 설명도.

도 5는 원통형의 상전도 도체에 적용되는 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하기 위한 구성도.

도 6은 도 5의 접합면을 옆에서 본 단면도.

<도면부호에 대한 설명>

10 : 구리 바(bar) 11 : 원통형의 상전도 도체

12 : 그루브(groove) 13 : 솔더(solder)

14 : 실버 페이스트(silver paste) 15 : 전류 도입부

20 : 고온 초전도선재 21 : 스트랜드형 고온 초전도선재

30 : 히터 31 : 원통형 상전도도체에 적용되는 히터

40 : 픽서(fixer) 41 : 원통형 상전도도체에 적용되는 픽서

본 발명은 초전도 시스템 내부에 존재하는 상전도 부분의 저항을 감소시키기 위한 방법과 그에 따른 물건에 관한 것으로 보다 상세하게는 상전도 부분에 초전도 선재를 접합하여 이를 구현하기 위한 고온초전도 선재의 동시 접합법에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 접합은 코일 권선 시 선재의 길이가 부족하거나, 개별적으로 권선된 코일을 직렬로 연결할 때와 영구전류 운전을 위한 초전도 영구 전류 스위치를 병렬로 연결해야 할 때 사용되며 코일의 전류를 인가했을 때 마치 하나의 선재를 이용하여 모든 권선이 이루어졌을 때와 같은 운전이 이루어져야 한다. 이와 관련하여 등록특허 제10-0380630호 '초전도 선의 접합 방법'에서는 초전도 접합부의 임계전류 특성을 향상시킬 목적으로 접합하고자 하는 2가닥의 초전도 선에 또 다른 초전도 선을 더하여 이를 압착하여 2가닥의 초전도 선의 접합정도를 높이는 방법을 제시하고 있으며 등록특허 제10-0360292호 '고온 초전도 테이프 선재의 초전도 접합방법'에서는 다심 고온 초전도 테이프 선재를 동일한 경사각으로 깎아내고 단심 초전도 선재를 제조하여 상기 다심 고온 초전도 테이프 선재의 경사면의 면적과 동일한 면적을 갖는 고온 초전도 판재로 만들고서 접합시킬 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재의 경사면이 맞닿은 부위를 일정한 소재로 감싼 후에 그 감싼 부위를 소정의 압력으로 가압하여 고정시키고 그 접합부위를 일정온도에서 어닐링하여 초전도 필라멘트간의 접합확률을 증가시켜 초전도 접합부의 임계전류를 향상시키는 방법을 제시하고 있다. 또한 특허출원 제10-2001-0084269호 '초전도체 분말을 매개로 한 초전도 접합방법'에서는 초전도 분말을 안쪽에 나사산이 있는 컵부재에 넣고 접합하려는 두 초전도 선재의 필라멘트를 상기 컵부재의 입구를 막는 볼트형 마개부재의 구멍을 통해 삽입하고 상기 컵부재와 마개부재를 결합시킨 후 상기 초전도체 분말과 초전도 필라멘트가 함께 존재하는 부분만을 압착하여 분말형태의 초전도체의 충전밀도가 증가하여 초전도체 분말을 매개체로 하여 초전도 선재의 필라멘트와 연결되므로 초전도 선재에 흐르는 전류의 흐름을 대부분 초전도 선재로 연결시켜 접합에 의한 임계전류의 저하를 줄일 수 있는 방법을 제시하고 있다.

그러나 상기의 내용들은 초전도 선재들간의 접촉확률을 높여서 초전도 선재간의 접합에 의한 임계전류의 저하를 줄이기 위한 방법들이며 본 발명에서 목적하는 바는 초전도 시스템 내부에 존재하는 상전도 부분의 저항을 줄이기 위한 것이며 이를 구현하기 위한 초전도 선재의 상전도 부분에의 접합법에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 시스템은 대전류를 흘리므로 단면적이 큰 상전도 바(bar)등을 사용하여 전류의 경로를 구성한다. 초전도체는 저항이 0이 되는 물질로써 이를 이용하면 이상적으로 전기적인 저항이 없는 시스템을 개발할 수 있다. 그러나 실제 시스템에서는 외부에서의 전류도입부와 같은 상전도 부분과 초전도 부분, 초 전도 부분과 초전도 부분을 연결하는 상전도 부분이 시스템에 포함되게 되는데 이러한 것이 초전도 시스템의 저항값을 증가시키는 원인이 된다. 여기서 초전도부분과 초전도 부분이라 함은 단순히 초전도선재 사이의 접합을 말하는 것이 아니라 다중 초전도 솔레노이드의 접속과 같은 초전도 부분과 초전도 부분의 접합을 말한다. 즉 초전도 선재간의 직접연결이 아닌 필연적으로 존재하는 상전도 부분에서의 저항값을 줄여서 초전도 시스템의 열적 안전성뿐만 아니라 임계전류의 상승효과를 기대할 수 있는 방안이 모색되어야 한다.

본 발명은 초전도 시스템의 상전도 부분의 저항을 감소시켜 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 초전도 시스템 내부에 존재하는 상전도 부분에 초전도 선재를 접합하여 초전도시스템의 저항을 줄이는 것이다. 또한 선재의 접합 시 동시에 긴 여러 선재를 동시에 접합하는 방법에 대한 것도 포함하였다. 이 접합법은 바(bar)와 같은 평평한 곳에 여러 선재를 붙이는 경우 외에 원형의 구리봉에 붙이는 방법도 포함한다. 특히 원형의 구리봉에 접합하는 방법은 고온초전도 다중스트랜드(multi-strand)와 구리봉과의 접합에도 적용된다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하 지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예로서 상전도 부분이 바형태의 경우의 접합법을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 접합에서 중요한 점은 긴 여러 고온초전도선재(20)를 동시에 상전도 부분에 접합하는 것이다. 여기에서는 상전도 부분을 구리 바(10)로 하였다. 일반적으로 초전도시스템은 대전류를 흘리므로 단면적이 두꺼운 구리 바(10) 등을 사용하여 전류의 경로를 구성한다. 이 경우 두꺼운 상전도 부분을 한꺼번에 가열하여 초전도선재(20)를 접합할 수도 있으며 또 다른 방법으로는 구리시트(Cu sheet)와 같이 열전도성이 좋은 얇은 판 위에 초전도선재(20)를 접합하여 이를 구리 바(10)에 접합시킬 수도 있다. 접합의 이유는, 전류가 흐름에 있어서는 저항이 가장 작은 부분으로 전류가 집중되기 때문이다. 다시 말해 일반적으로 100배 이상의 저항차이가 나는 병렬 회로에서는 저항이 큰 부분으로 흐르는 전류는 무시 할 수 있다.

우선 구리 바(10)와 같이 평평한 부분에 긴 여러 초전도 선재를 동시에 접합하기 위해서는

첫째, 구리 바(10)에 초전도 선재(20)를 위치시킬 공간을 마련하는 것이다. 초전도 선재(20)를 고정시키기 위한 목적으로 초전도 선재(20)의 너비 및 두께에 맞는 그루브(groove)(12)를 구리 바(10)위에 형성시키는 것이 가능하다. 그러나 이 공간의 마련은 본 발명의 접합법에서 생략할 수도 있다.

둘째, 초전도 선재(20)를 부착시킬 부분에 솔더(13)를 도포한다. 단 다음 단계의 도전성 접합재가 부착될 부분의 접합에 방해가 되지 않도록 조심하여 도포하 며 이 솔더(13) 역시 도전성 접합재에 해를 입히지 않도록 충분히 낮은 온도에서 용융되는 것이 바람직하다.

셋째, 초전도 선재(20)의 양 말단부에 실버 페이스트(silver paste)(14) 등의 도전성 접합재를 발라 구리 표면에 접합시킨다. 필요에 따라 도전성 접합재는 다른 부분에도 적용하여 접합정도를 강하게 할 수 있다.

넷째, 히터(30)로 구리 바(10)에 골고루 열을 가하여 실버 페이스트(14)에 손상을 주지 않도록 솔더(13)를 용융시킨다.

다섯째, 픽서(fixer)(40)로 초전도 선재(20)를 고정시키면서 냉각시켜서 접합을 완료한다.

구리바 등 두꺼운 부분에 바른 솔더를 녹이기 위해서는 큰 히터용량이 필요하며 솔더를 녹이는 데에 소요되는 시간 또한 클 것이다. 이럴 경우 구리 시트에 초전도선재(20)를 접한한 후 이를 구리바 등에 부착시켜 접합에 소요되는 노력을 줄일 수 있다.

도 2는 상기한 방법에 따라서 초전도 선재(20)를 구리 바(10)에 접합시킨 상전도 도체를 보여주고 있다. 솔더(13)가 실버 페이스트(14)에 의한 접합에 방해를 주지 않도록 도포되어야 할 것이다.

도 3은 구리 바(10)에 접합한 초전도 선재(20)의 수를 0개에서 5개로 변화시키면서 측정한 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 구리에 접합한 선재의 개수가 증가함에 따라 전송전류에 따른 발생전압이 줄어든다. 다시 말해 상전도 부분의 저항이 줄어든다는 것이다. 선재가 부착됨에 따라 저항이 현저하게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그 줄어드는 정도는 선재가 3개 이상이 되면서 포화되는 경향을 나타내는 것으로 나타난다.

도 4는 동일저항설계를 위한 초전도선재(20)의 부착상태를 보여준다. 여러 초전도선재(20)를 동시에 접합할 경우 상전도 부분의 전류도입부분(15)에서 각 초전도선재(20)까지의 상전도 저항이 동일하도록 설계하여 선재가 접합될 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 전류도입부(15)에서 초전도 선재까지 존재하는 상전도 부분의 저항이 동일하지 않을 경우 이 부분 중 저항이 작은 부분으로 전류가 집중되어 초전도선재(20)로의 전류가 적절히 분배되지 않아 저항감소의 효과를 현저히 감소시킬 수 있다. 만약 상전도 부분의 저항을 동일하게 할 수 없을 경우에는 저항이 작은 부분에서의 초전도 선재(20)는 다른 선재에 비해서 임계전류가 월등히 높은 것을 사용하거나 2개 이상의 선재를 스택(stack)하여 접합할 수도 있다.

도 5는 원통형의 상전도 도체(11)에 적용되는 본 발명의 바람직한 일실시예를 보여 준다. 구리 봉과 같은 원통형의 상전도 도체(11)에 접합하는 방법은 아래와 같다. 특히 이 방법의 경우 구리 봉의 굴곡이 없으면 아래 그림과 같이 멀티-스트랜드(multi-strand)의 형태로 초전도선재(21)를 권선하고 구리 봉의 양쪽 끝부분에만 접합을 하면 된다. 특히 이 접합법은 고온초전도 멀티-스트랜드(multi-strand)를 제작할 때 고온초전도 선재들과 상전도 부분과의 접합법에도 적용된다. 종단부는 초전도 선재와 멀티스트랜드(multi-strand )고온초전도 선재(21)가 접합되는 부분을 말하며 그 재료로는 무산소동(OFC) 등과 같은 상전도 금속이 사용된다. 다음의 단계를 통해서 제작된다.

첫째, 스트랜드형 초전도 선재(21)가 접합되는 종단부(ex 구리)에서 스트랜드의 종단이 접합될 부분 사이에 0.5mm이하의 최소 가공 간격으로 그루브(groove) (12)가공을 한다. 단 그루브 가공 없이 각 스트랜드의 피치(pitch) 및 고정상태를 유지할 수 있는 경우에는 그루브 가공은 생략할 수 있다.

둘째, 구리부분의 접합길이는 접촉저항을 설계 상의 최소접합저항을 구현할 수 있는 길이로 한다. 일반적으로 10cm 이상의 접합이면 최소저항을 구현할 수 있다. 단 접합길이를 늘일 수 없는 특수한 경우에는 이 항은 생략할 수 있다.

셋째, 그루브(12)에 PbSn, AgMn 등과 같은 솔더(13)를 바른다. 단 다음의 도전성접합재가 부착될 부분에는 솔더를 바르지 않는다. 그리고 솔더는 도전성 접합재의 접합이 손상되지 않도록 낮은 융점을 가진 솔더를 사용한다.

넷째, 스트랜드형의 초전도 선재(21)를 상전도 부분에 위치시킨다.

다섯째, 솔더를 바르지 않은 그루브(12)에서 실버 페이스트(silver-paste)(14)와 같은 도전성 접합재로 선재와 종단부를 접합한다.

여섯째, 열을 가하여 솔더를 용해시키며 선재를 고정시킨 상태에서 냉각하여 접합을 완료한다. 접합하는 동안 선재를 고정시키기 위하여 제작된 픽서(fixer)(41)로 선재를 고정하며 픽서(41)는 열전도도가 매우 낮은 물질로 제작되는 것이 바람직하다. 한편 도 5에서와 같이 히터가 구리 봉안으로 들어가게 하는 등의 방법으로 열이 전체적으로 동시에 가해질 수 있도록 한다.

도 6은 도 5에 나타난 접합법을 옆에서 본 단면을 나타내고 있다. 그루브(12)에 스트랜드형 고온초전도 선재(21)가 안착할 수 있고 히터(31)에 의해 열이 골고루 전달될 수 있으며 픽서(41)가 초전도 선재를 원통형의 상전도 도체(11)에 확실하게 고정되도록 하는 것을 보여준다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 초전도 시스템 내부에 존재하는 상전도 부분에 초전도 선재를 동시에 접합하는 방법을 사용하면 상전도 부분의 저항이 감소되어 초전도 시스템 전체의 열적 안전성 뿐만 아니라 임계전류의 상승효과까지 기대할 수 있다. 이 접합법은 바와 같은 평평한 곳에 여러 선재를 붙이는 경우 외에 원형의 구리봉과 같은 곳에도 적용가능하며 특히 원형의 구리봉과 같은 곳에 적용하는 방법은 고온초전도 멀티 스트랜드를 구리봉에 접합시키는 경우에도 적용이 가능하다.

Claims (6)

1. 초전도 시스템에 존재하는 상전도 부분의 저항을 감소시키기 위한 방법에 있어서,

   고온 초전도 선재를 부착시킬 부분에 솔더를 도포하는 제 1단계;

   고온 초전도 선재를 솔더가 도포된 부분에 위치시키는 제 2단계;

   고온 초전도 선재의 양 말단부에 도전성 접합재를 도포하여, 상기 선재를 상전도 부분에 접합시키는 제 3단계;

   히터로 상전도 부분의 전장에 열을 가하여 솔더를 용융시키는 제 4단계;

   픽서로 고온 초전도 선재를 고정시키면서 냉각시켜서 접합을 완료하는 제 5단계를 포함함을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 상전도 부분에의 접합법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 1단계에서의 고온 초전도 선재가 부착되는 부분은 그루브 가공된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 상전도 부분에의 접합법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2단계의 고온초전도 선재를 위치시키는 방법은 상전도 부분의 전류도입부에서 각 고온초전도 선재까지의 상전도 저항이 동일하도록 전류도입부에서 고온초전도 선재까지의 거리가 동일하게 설계하거나, 상전도 부분의 전류도입부로 부터 고온초전도 선재까지의 저항이 작은 경우 고온초전도 선재를 임계전류를 큰 것을 사용하거나 2개 이상을 스택하여 접합하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 상전도 부분에의 접합법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 상전도 부분은 구리 바 또는 구리시트이고 상기 도전성 접합재는 실버페이스트인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 상전도 부분에의 접합법.
5. 초전도 시스템에 존재하는 상전도 부분의 저항을 감소시키기 위한 방법에 있어서,

   스트랜드형의 초전도 선재가 접합되는 원통형의 상전도 금속에 스트랜드의 종단이 접합될 부분 사이에 최소가공 간격으로 그루브를 형성하는 제 1단계;

   그루브에 솔더를 도포하는 제 2단계;

   스트랜드형의 초전도 선재를 그루브위치에 위치시키고 스트랜드의 종단부에 도전성 접합재를 부가하여 선재를 고정시키는 제 3단계;

   히터로 열을 가하여 솔더를 용해시키며 픽서로 초전도 선재를 고정시킨 상태에서 냉각하여 접합을 완료하는 제 4단계를 포함함을 특징으로 하는 원통형의 상전도 도체에 초전도 선재를 접합시키는 방법.
6. 제 1항 또는 제 5항의 방법에 의해 제조된 고온초전도 선재가 접합된 상전도 도체.

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