KR101313329B1 - 초전도 코일 - Google Patents
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Abstract
초전도 코일에는 복수의 비원형 코일부를 갖는 초전도 코일부가 제공된다. 초전도 코일부는 박막 초전도 와이어와 절연재를 다층 구조로 감아서 형성되고, 상기 비원형 코일층부들은 다른 부분에 비해 접착력이 작게 설정되는 경계부에서 서로 인접한다.
Description
본 발명은 초전도 코일에 관한 것으로, 특히 초전도 코일에서의 박리력(peel force)을 보다 안정적으로 감소시키기 위해, 비원형이지만 동심 형상으로, 즉 레이스트랙 형상, 안장 형상, 타원 형상, 달걀 형상, 및 직사각 형상으로 코어 둘레에 다층 구조로 감긴 박막 초전도 와이어로 이루어진 비원형 초전도 코일에 관한 것이다.
초전도 기술의 진전에 따라, 예를 들면 자기 공명 단층촬영(MRI) 진단, 초전도 자기 에너지 저장(SMES), 및 크리스탈 풀링(crystal pulling)용 기술 또는 장치가 실지로 사용되고 있다. 이들 시스템 또는 장치에 있어서, 적층 부재로 이루어진 초전도 테이프 와이어는 실제 사용을 위해서는 초전도 코일에 감기고, 일반적으로 냉각 및 취급의 용이성을 고려하여 수지 함침에 의해 형성된 함침 코일을 사용한다.
그러나, 함침 코일의 경우에는, 부재의 선팽창 계수의 이방성으로 인해 냉각 중에 초전도 테이프 와이어의 길이 방향에 수직하게(박리 방향으로) 힘이 인가된다.
초전도 테이프 와이어는 길이 방향 힘에 대한 우수한 기계적 성질, 예를 들면 내응력성을 나타내지만, 박리 방향으로 인가되는 힘에 대해서는 영향을 받기 쉽다. 따라서, 초전도 테이프 와이어로 이루어진 함침 코일은 공교롭게도 냉각 작업 중에 초전도 특성을 열화시킬 수 있다.
이러한 이유로, 코어와 초전도 테이프 와이어 사이의 선팽창 계수의 차이에 기인한 뒤틀림을 방지하기 위해서, 일본 공개 특허 제2008-140905호 공보(특허문헌 1)에 개시된 바와 같이, 코어의 외주에 코일의 최내측을 접착하지 않고 와이어를 감는 방법이 제공되어 있다.
또한, 초전도 코일이 보다 커지고 있는 경향에 따라, 직경비(즉, 외경/내경)도 커지고 있다. 그에 따라, 코일에서 발생하는 박리력이 증가한다. 박리력이 초전도 테이프 와이어의 허용 응력을 초과하는 경우에는, 초전도 특성이 열화할 수 있다.
본 발명은 상기 상황을 고려하여 안출된 것으로, 초전도 코일에서 발생한 박리력을 감소시킴으로써 안정성이 향상된 초전도 코일을 제공하여, 초전도 코일의 초전도 특성의 열화를 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적은, 복수의 비원형 코일층부를 갖는 초전도 코일부를 포함하는 초전도 코일을 제공함으로써 달성될 수 있으며, 상기 초전도 코일부는 박막 초전도 와이어와 절연재를 다층 구조로 감아서 형성되며, 상기 비원형 코일층부는 다른 부분에 비해 접착력이 작게 설정되는 경계부에서 서로 인접한다.
본 발명에 따르면, 초전도 코일에서 발생한 박리력이 감소될 수 있다. 따라서, 초전도 코일의 초전도 특성의 열화가 방지될 수 있으며, 초전도 코일의 안정성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일에 사용된 초전도 테이프 와이어의 일례를 도시하는 구조도.
도 2는 도 1에 도시된 초전도 테이프 와이어의 허용 박리력을 도시하는 막대 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일에 사용된 복합 선재(composite tape)를 도시하는 개략도.
도 4는 복합 선재를 사용하여 제조된 초전도 코일을 도시하는 개략도.
도 5는 초전도 코일에서 발생한 최대 응력(박리력)과 직경비(즉, 외경/내경)의 관계를 도시하는 그래프.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 도면으로서, 도 6의 (a)는 평면도, 도 6의 (b)는 단면도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 개략적인 평면도.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 개략적인 평면도.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초전도 코일에 사용된 냉각/절연 테이프의 확대 사시도.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 도면으로서, 도 10의 (a)는 평면도, 도 10의 (b)는 단면도.
도 11은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 도면으로서, 도 11의 (a)는 평면도, 도 11의 (b)는 부분 단면도.
도 12는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 개략적인 평면도.
도 13은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 부분 단면 사시도.
도 14의 (a) 내지 (d)는 다양한 비원형 형상의 초전도 코일을 도시하는, 도 4에 대응하는 본 발명에 따른 변형예를 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 초전도 테이프 와이어의 허용 박리력을 도시하는 막대 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일에 사용된 복합 선재(composite tape)를 도시하는 개략도.
도 4는 복합 선재를 사용하여 제조된 초전도 코일을 도시하는 개략도.
도 5는 초전도 코일에서 발생한 최대 응력(박리력)과 직경비(즉, 외경/내경)의 관계를 도시하는 그래프.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 도면으로서, 도 6의 (a)는 평면도, 도 6의 (b)는 단면도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 개략적인 평면도.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 개략적인 평면도.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초전도 코일에 사용된 냉각/절연 테이프의 확대 사시도.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 도면으로서, 도 10의 (a)는 평면도, 도 10의 (b)는 단면도.
도 11은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 도면으로서, 도 11의 (a)는 평면도, 도 11의 (b)는 부분 단면도.
도 12는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 개략적인 평면도.
도 13은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 초전도 코일을 도시하는 부분 단면 사시도.
도 14의 (a) 내지 (d)는 다양한 비원형 형상의 초전도 코일을 도시하는, 도 4에 대응하는 본 발명에 따른 변형예를 도시하는 도면.
본 발명의 본질 및 추가의 특징적인 형태는 첨부 도면을 참조로 후술하는 바람직한 실시예로부터 분명해질 것이다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 기술한다.
(초전도 테이프 와이어)
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일에 사용된 초전도 테이프 와이어의 일례를 도시하는 구조도이다.
초전도 테이프 와이어(1)는 산화물 초전도 화합물로 이루어진 박막 초전도 와이어를 포함한다. 초전도 테이프 와이어(1)는 적어도 테이프 기층(2), 중간층(3) 및 초전도층(4)을 포함한다. 초전도 테이프 와이어(1)의 양면은 안정화층(5)에 의해 피복된다.
또한, 테이프 기층(2)과 중간층(3) 사이에는 배향(지향)층(6)이 선택적으로 제공될 수 있으며, 초전도층(4)과 안정화층(5) 사이에는 보호층(7)이 선택적으로 제공될 수 있다. 배향층(6)은 스테인리스 스틸 및 하스텔로이 등의 재료로 이루어진 비-배향(비-지향) 테이프 기층(2)을 배향시키는데 사용된다.
예를 들면, 테이프 기층(2)은 스테인리스 스틸, 하스텔로이와 같은 니켈 합금, 및 은 합금을 포함하는 재료로 이루어진다.
중간층(3)은 테이프 기층(2) 위에 형성된 확산 방지층이다. 예를 들면, 중간층(3)은 세륨 산화물, YSZ, 마그네슘 산화물, 이트륨 산화물, 이테르븀 산화물, 바륨, 및 지르코니아 등의 재료로 이루어진다.
초전도층(4)은, 예를 들면 RE계 조성물 REBCO(RE1B2C3O7 등)를 함유하는 초전도 박막을 포함한다. "RE1B2C3O7"에서 "RE"는 희토류 원소(예를 들면, 네오디뮴(Nd), 가돌리늄(Gd), 홀뮴(Ho), 및 사마륨(Sm))와 이트륨 원소의 적어도 하나를 나타내고, "B"는 바륨(Ba)을 나타내며, "C"는 구리(Cu)를 나타내고, "O"는 산소(O)를 나타낸다.
안정화층(5)은 초전도층(4)에의 전력이 과도한 경우에 초전도층(4)의 버닝(burning)을 방지하기 위해 제공된다. 안정화층(5)은 은 또는 금과 같은 도전재로 이루어진다.
배향층(6)은 중간층(3)과 테이프 기층(2)을 배향시키기 위해 제공되고, 마그네슘 산화물(MgO)과 같은 재료로 이루어진다. 배향된 기층이 사용된 경우에는 배향층(6)을 생략할 수 있다.
보호층(7)은 초전도층(4)이 공기 중의 습기에 의해 열화되는 것을 방지하기 위해 제공된다. 보호층(7)은 은, 금 및 백금으로 이루어진다. 또한, 보호층(7)은 초전도층(4)에의 전력이 과도한 경우에 버닝에 의해 초전도층(4)이 손상되는 것을 방지한다.
상술한 구조의 다층 초전도 테이프 와이어(1)는, 예를 들면 폭이 10㎜이고 두께가 0.1㎜이다. 초전도 테이프 와이어(1)는 몇가지 종류의 초전도 기술, 예를 들면 MRI 장치, 초전도 자기 에너지 저장(SMES) 장치, 크리스탈 풀링 장치, 및 선형 모터에 사용된다. 폭이 2㎜ 내지 40㎜이고, 두께가 0.4㎜ 내지 0.5㎜인 초전도 테이프 와이어(1)가 유용하다.
초전도 테이프 와이어(1)가 열전도성을 열화시키지 않고도 600㎫ 정도의 인장력에 비해 와이어의 길이 방향에서의 높은 기계 강도(즉, 내응력성)를 가지지만, 길이 방향에 수직한 박리 방향에 있어서는, 초전도 테이프 와이어(1)는 길이 방향에서의 기계 강도에 비해 한 자릿수 이하의 기계 강도만을 가진다는 점이 더 공지되어 있다.
도 2는 도 1에 도시된 초전도 테이프 와이어의 다섯 가지 샘플에 대한, 박리 방향에서의 횡방향 인장 강도의 측정 결과를 도시한다.
도 2의 결과에 따르면, 초전도 테이프 와이어(1)를 박리하는 응력의 범위가 28㎫ 내지 40㎫이지만, 초전도 테이프 와이어(1)는 적어도 28㎫를 초과하는 박리력에 의해 열화될 수 있다. 따라서, 초전도 테이프 와이어(1)의 허용 박리력이 28㎫임을 이해할 수 있다.
초전도 와이어의 전류 용량을 임계 전류라 부른다. 초전도 테이프 와이어(1)의 초전도 상태는 소정의 온도, 자기장, 및 전류값보다 적은(높지 않은) 값 또는 레벨에서만 유지 및 보유될 수 있다.
임계 전류는 초전도 상태를 유지하기 위한 최대 전류값이다. 초전도 테이프 와이어(1)의 코일에서 발생한 박리력이 초전도 테이프 와이어의 허용 응력을 초과하는 경우에는, 초전도 코일(12)의 초전도 상태는 유지될 수 없으며, 초전도 테이프 와이어(1)는 초전도 상태로 보유될 수 없다.
초전도 코일(12)의 초전도 상태가 유지될 수 없는 경우에는, 초전도 특성은 열화되고, 결국 초전도 코일(12)의 가열 및 버닝에 이른다. 따라서, 초전도 코일(12)의 열적 안정성을 잃게 된다.
그러나, 초전도 테이프 와이어(1)가 허용 박리력(28㎫) 이하의 응력에서 보유될 경우에는, 초전도 코일(12)은 초전도 상태를 잃지 않게 되고, 초전도 테이프 와이어(1)는 초전도 상태로 보유될 수 있다.
(초전도 코일)
도 3에 도시된 바와 같이, 수지로 코팅된 절연 테이프(8) 상에 초전도 테이프 와이어(1)가 적층되어 복합 선재(11)로 된다. 복합 선재(11)는 FRP 코어(9) 둘레에 나선형으로 감겨서, 도 4에 도시된 바와 같이 레이스트랙 형상의 초전도 코일(12)을 형성한다.
완전히 경화된 초전도 코일(12)은 초전도 코일의 사용 중에 박막 초전도 와이어의 기계적 움직임을 억제하고, 코일의 강도를 보유하며, 박막 초전도 와이어들간에 절연 보호를 제공하고, 초전도 코일의 간섭된 초전도 상태인 "켄치(quench)"를 효과적으로 방지한다.
그러나, 초전도 코일(12)이 실온에서 액체 질소 온도까지 냉각되면, 초전도 테이프 와이어(1)의 성분의 선팽창 계수의 이방성에 기인하여 초전도 테이프 와이어(1)상에서 박리력이 발생한다. 이 박리력은 초전도 코일(12)의 직경비(즉, 외경/내경)에 의존한다.
이 예에서, 도 4의 초전도 코일(12)은 레이스트랙과 유사한 형상이다. 초전도 코일(12)은 원형 이외의 임의의 형상, 예를 들면 타원형, 달걀형, 안장형, 직사각형, 및 다각형(오각형, 육각형)으로 될 수 있다.
도 5는 초전도 코일(12)에서 발생한 최대 응력과 내경에 대한 외경의 비 사이의 관계를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 5의 결과에 따르면, 초전도 코일(12)의 직경비가 증가함에 따라, 최대 응력도 증가한다.
또한, 초전도 코일(12)이 초전도 테이프 와이어(1)의 허용 박리력인 28㎫에서 3.1의 직경비를 가짐을 알 수 있다.
상술한 구조의 초전도 테이프 와이어(1)를 이용하는 초전도 코일의 실시예를 후술한다.
또한, 도 6 내지 도 13에 도시된 하기의 실시예들은 특히 레이스트랙 형상(비원형)을 갖는 복수의 초전도 코일층부를 포함하는 초전도 코일을 각각 나타내고 있지만, 도 14에 도시된 바와 같은 다른 형상의 비원형을 포함할 수도 있음을 유의해야 한다.
(제 1 실시예)
본 발명의 제 1 실시예에 따른 초전도 코일은 도 6(도 6의 (a) 및 (b))을 참조로 이하에서 기술된다.
도 6을 참조하면, 초전도 코일(10)은, 예를 들면 FRP 코어(19)의 외면에 초전도 코일부(14)를 제공함으로써 형성된다. 초전도 코일부(14)는 400㎜의 외경(최외경) 및 100㎜의 내경(최내경)을 갖는다. FRP 코어(19)는 외경이 100㎜이고 내경이 90㎜이며, 150㎜의 길이를 갖는 선형부를 포함한다. 도 6의 (a) 및 (b)는 폭 치수가 있는 달걀 형상의 초전도 코일(10)의 경우를 예로서 도시한다. 달걀 형상의 경우에는, 길이 치수는 서로 비교될 수 있다.
초전도 코일부(14)는 상호 공면(coplanar)이거나 평판 형태로 제공되는 동심의 3개의 코일층부(코일층 구역)를 포함한다. 3개의 코일층부는 150㎜의 외경 및 100㎜의 내경을 갖는 코일 내층부(내층 구역, 제 1 층 구역)(14a), 250㎜의 외경 및 150㎜의 내경을 갖는 코일 중간층부(중간층 구역, 제 2 층 구역)(14b), 및 400㎜의 외경 및 250㎜의 내경을 갖는 코일 외층부(외층 구역, 제 3 층 구역)(14c)이다.
초전도 코일부(14)의 코일 내층부(14a), 코일 중간층부(14b), 및 코일 외층부(14c)는 실질적으로 초전도 코일(10)과 동일한 형상이다.
또한, 코일 내층부(14a)와 코일 중간층부(14b) 사이(경계부(17)로서) 및 코일 중간층부(14b)와 코일 외층부(14c) 사이(경계부(17)로서)에는 이형부(release portion)(17)가 제공된다. 이형부(17)는 다른 부분에 비해 접착력이 작게 또는 비접착부로 되도록 미리 설정된다.
초전도 코일(10)은 90㎜의 내경 및 100㎜의 외경을 갖는 FRP 코어(19)의 둘레에 복합 선재(11)를 750회 감아서 형성된다.
복합 선재(11)는 10㎜의 폭 및 0.1㎜의 두께를 갖는 박막 초전도 와이어인 초전도 테이프 와이어(1)와 10㎜의 폭 및 0.1㎜의 두께를 갖는 절연재인 절연 테이프(8)의 적층체이다. 이 예에서는, 복합 선재(11)의 권수가 코일 내층부(14a)로부터 외측으로 갈수록 증가하지만, 권수가 이 예에만 한정되는 것은 아니다.
복합 선재(11)를 750회 감아서 형성된 초전도 코일(10)의 경우에는, 이형부(17)는, 125회차의 복합 선재(11)의 외면에, 126회차의 복합 선재(11)의 내면에, 375회차의 복합 선재(11)의 외면에, 그리고 376회차의 복합 선재(11)의 내면에 이형제를 도포함으로써 형성된다. 이형제(17)로서는, 플루오로카본 폴리머, 파라핀, 그리스, 및 실리콘 오일이 채용될 수 있다.
이형부(경계부)(17)를 형성하게 되면, 초전도 코일부(14)의 125회차, 126회차, 375회차, 및 376회차의 복합 선재(11)상에서는, 초전도 코일(10)이 인접하는 초전도 테이프 와이어(1)와 절연 테이프(8) 사이에서 다른 부분에 비해 접착력이 작거나 비접착으로 되는 결과로 된다.
그에 따라, 초전도 코일(10)의 초전도 코일부(14)는, 코일 내층부(14a), 코일 중간층부(14b), 및 코일 외층부(14c)인 3개의 동일한 코일층부로 나뉜다. 코일층부의 직경비는, 각각 150/100=1.5, 250/150=1.7, 및 400/250=1.6이다. 초전도 코일부(14)의 코일층부는 1.5, 1.7, 및 1.6의 직경비를 가지므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 최대 응력은 10㎫ 이하여서 박리력이 보다 작아진다.
그러므로, 본 실시예의 초전도 코일(10)에 있어서, 코일층부의 직경비는 3.1보다 작아질 수 있다. 따라서, 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 초전도 코일(10)에서 박리력이 발생한 경우에도, 이형부(17)에 의한 이형으로 인해, 초전도 테이프 와이어(1)상의 박리력을 허용값인 28㎫보다 작게 억제할 수 있다. 초전도 코일(10)의 코일층부의 직경비가 1.7 이하인 경우에는, 최대 응력은 10㎫이 될 수 있다. 직경비가 1.5 이하인 경우에는, 최대 응력은 대략 5㎫ 이하로 될 수 있다. 따라서, 초전도 코일(10)의 코일층부의 직경비를 대략 1, 예를 들면 1.2 또는 1.3으로 설정함으로써, 최대 응력을 더 감소시킬 수 있다.
그러므로, 초전도 코일(10)의 초전도 특성의 열화를 방지하고, 초전도 코일의 안정성을 향상시키는 것이 가능하다.
(제 2 실시예)
이하에, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초전도 코일을 도 7을 참조하여 설명하며, 제 1 실시예에서와 동일한 구성(부분 또는 요소)에는 동일한 참조번호를 붙이고 설명을 생략한다.
이러한 도 7의 예에 있어서, 제 2 실시예의 초전도 코일(20)은 도 6의 (a) 및 (b)의 초전도 코일(10)에서와 같이 복합 선재(11)를 750회 감아서 형성된다. 도 7의 초전도 코일(20)은, 초전도 코일부(14)의 125회차의 복합 선재(11)의 외면과 126회차의 복합 선재(11)의 내면 사이에 및 375회차의 복합 선재(11)의 외면과 376회차의 복합 선재(11)의 내면 사이에 FRP 테이프(23)가 삽입되는 점을 제외하고는 도 6의 제 1 실시예의 초전도 코일(10)과 동일하다.
FRP 테이프(23)의 삽입으로 인해, 초전도 테이프 와이어(1)와 그 초전도 테이프 와이어(1)에 인접하는 절연 테이프(8)는 125회차 및 126회차의 복합 선재(11)와 375회차 및 376회차의 복합 선재(11) 사이에서 서로 비접착(비접촉)이 된다.
따라서, 초전도 코일(20)의 초전도 코일부(14)는 코일 내층부(내층 구역, 제 1 층 구역)(14a), 코일 중간층부(중간층 구역, 제 2 층 구역)(14b), 및 코일 외층부(외층 구역, 제 3 층 구역)(14c)를 포함하는 3개의 동일한 코일층부로 나뉜다. 코일층부의 직경비는, 각각 150/100=1.5, 250/150=1.7, 및 400/250=1.6이다. 초전도 코일(20)의 코일층부는 1.5, 1.7, 및 1.6의 직경비를 가지므로, 최대 응력은 10㎫ 이하로 될 수 있다.
따라서, 제 2 실시예의 초전도 코일(20)에 있어서, 코일층부의 직경비가 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 3.1보다 작게 될 수 있기 때문에, 초전도 테이프 와이어(1)상에 발생한 박리력은 허용값인 28㎫보다 작게 억제될 수 있다.
그러므로, 초전도 코일(20)의 초전도 특성의 열화를 방지하고 그 안정성을 향상시키는 것이 가능하다.
(제 3 실시예)
이하에, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초전도 코일을 도 8을 참조하여 설명하며, 제 1 및 제 2 실시예에서와 동일한 구성에는 동일한 참조번호를 붙이고 설명을 생략한다.
이 예에서, 제 3 실시예의 초전도 코일(30)은 도 6의 초전도 코일(10)에서와 같이 복합 선재(11)를 750회 감아서 형성된다. 도 8의 초전도 코일(30)은, 초전도 코일부(14)의 125회차의 복합 선재(11)의 외면과 126회차의 복합 선재(11)의 내면 사이에 및 375회차의 복합 선재(11)의 외면과 376회차의 복합 선재(11)의 내면 사이에 냉각/절연 테이프(33)가 삽입되는 점을 제외하고는 제 1 실시예의 초전도 코일(10)과 동일하다.
도 9에 도시된 바와 같이, 냉각/절연 테이프(33)는 높은 열전도성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 또는 구리로 이루어진 냉각 플레이트(35)에 절연 테이프(37)를 붙여서 형성된다. 냉각/절연 테이프(33)는, 냉각 플레이트(35) 및 절연 테이프(37)의 조합 대신, 우수한 냉각/절연 기능을 갖는 알루미늄 질화물로 이루어진 단일 테이프여도 된다.
초전도 코일(30)에서의 냉각/절연 테이프(33)의 삽입으로 인해, 초전도 테이프 와이어(1)와 그 초전도 테이프 와이어(1)에 인접하는 절연 테이프(8)는 초전도 코일부(14)의 125회차 및 126회차의 복합 선재(11)와 375회차 및 376회차의 복합 선재(11) 사이에서 서로 비접착(비접촉)이 된다.
따라서, 초전도 코일(30)의 초전도 코일부(14)는 코일 내층부(내층 구역, 제 1 층 구역)(14a), 코일 중간층부(중간층 구역, 제 2 층 구역)(14b), 및 코일 외층부(외층 구역, 제 3 층 구역)(14c)를 포함하는 3개의 동일한 코일층부로 나뉜다. 코일층부의 직경비는, 각각 150/100=1.5, 250/150=1.7, 및 400/250=1.6이다. 초전도 코일(30)의 코일층부는 1.5, 1.7, 및 1.6의 직경비를 가지므로, 최대 응력은 10㎫ 이하로 될 수 있다.
제 3 실시예의 초전도 코일(30)에 있어서, 코일층부의 직경비가 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 3.1보다 작게 될 수 있기 때문에, 초전도 테이프 와이어(1)상에 발생한 박리력은 허용값인 28㎫보다 작게 억제될 수 있다.
그러므로, 초전도 코일(30)의 초전도 특성의 열화를 방지하고 그 안정성을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 본 실시예에서는, 냉각/절연 테이프(33)가 초전도 코일(30) 내에 삽입되므로, 초전도 코일(30)은 내측 및 외측으로부터 냉각될 수 있다. 따라서, 초전도 코일(30)은 효과적으로 냉각되고 그 안정성이 향상될 수 있다.
(제 4 실시예)
이하에, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 초전도 코일을 도 10(도 10의 (a) 및 (b))을 참조하여 설명하며, 제 1 내지 제 3 실시예에서와 동일한 구성에는 동일한 참조번호를 붙이고 설명을 생략한다.
예를 들면, 도 10의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 초전도 코일(40)은 외경이 100㎜이고 내경이 90㎜인 FRP 코어(19)를 갖고, 150㎜의 길이를 갖는 선형부를 포함한다. 초전도 코일부(43)는 FRP 코어(19)의 외면에 제공된다. 초전도 코일부(43)는 외경이 410㎜이고 내경이 100㎜이며, 150㎜의 길이를 갖는 선형부를 포함한다.
이 예에서, 초전도 코일(40)은 복합 선재(11)를 750회 감아서 형성된다. 초전도 코일부(43)는 서로 공면인 3개의 동일한 코일층부를 포함한다. 코일층부는 150㎜의 외경 및 100㎜의 내경을 갖는 코일 내층부(내층 구역, 제 1 층 구역)(43a), 255㎜의 외경 및 155㎜의 내경을 갖는 코일 중간층부(중간층 구역, 제 2 층 구역)(43b), 및 410㎜의 외경 및 260㎜의 내경을 갖는 코일 외층부(외층 구역, 제 3 층 구역)(43c)를 포함한다.
또한, 코일 내층부(43a)와 코일 중간층부(43b) 사이, 및 코일 중간층부(43b)와 코일 외층부(43c) 사이에는 각각 간극(45)이 제공된다.
제 4 실시예의 구조에 있어서, 코일 내층부(43a)의 최외측과 코일 중간층부(43b)의 최내측의 초전도 테이프 와이어(1)는 서로 납땜된다. 코일 중간층부(43b)의 최외측과 코일 외층부(43c)의 최내측의 초전도 테이프 와이어(1)도 서로 납땜된다. 이러한 납땜 구조에 따르면, 다른 부분에 비해 접착성이 작은 이형부가 형성된다.
초전도 코일(40)은 90㎜의 내경 및 100㎜의 외경을 갖는 FRP 코어(19)의 둘레에 복합 선재(11)를 750회 감아서 형성되고, 150㎜의 길이를 갖는 선형부를 포함한다. 복합 선재(11)는 10㎜의 폭 및 0.1㎜의 두께를 갖는 초전도 테이프 와이어(1)와 10㎜의 폭 및 0.1㎜의 두께를 가지며 수지로 코팅된 절연 테이프(8)의 적층체이다. 125회차의 복합 선재(11)의 외면과 126회차의 복합 선재(11)의 내면 사이에는, 예를 들면 2.5㎜의 간극이 제공된다. 또한, 375회차의 복합 선재(11)의 외면과 376회차의 복합 선재(11)의 내면 사이에도, 예를 들면 2.5㎜의 간극이 제공된다.
본 실시예에 따른 초전도 코일(40)의 초전도 코일부(43)는, 코일 내층부(43a), 코일 중간층부(43b), 및 코일 외층부(43c)를 포함하는 3개의 코일층부로 나뉜다. 초전도 코일(40)의 코일층부(43)의 직경비는, 각각 150/100=1.5, 255/155=1.6, 및 410/260=1.6이다. 초전도 코일(40)의 코일부는 1.5, 1.6, 및 1.6의 직경비를 가지므로, 최대 응력은 10㎫ 이하로 될 수 있다.
따라서, 본 실시예의 초전도 코일(40)에 있어서, 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 직경비는 3.1보다 작게 될 수 있기 때문에, 초전도 테이프 와이어(1)상에 발생한 박리력을 허용값인 28㎫보다 작게 억제할 수 있다.
그러므로, 초전도 코일(40)의 초전도 특성의 열화를 방지하고, 그 안정성을 향상시키는 것이 가능하다.
(제 5 실시예)
이하에, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 초전도 코일을 도 11(도 11의 (a) 및 (b))을 참조하여 설명하며, 제 4 실시예에서와 동일한 구성에는 동일한 참조번호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 11의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 이 제 5 실시예의 초전도 코일(50)은, 초전도 코일(50)의 높이보다 긴 구리 전극(51)이 초전도 코일부(43)의 코일 내층부(내층 구역, 제 1 층 구역)(43a)의 최외측, 코일 중간층부(중간층 구역, 제 2 층 구역)(43b)의 최내측 및 최외측, 및 코일 외층부(외층 구역, 제 3 층 구역)(43c)의 최내측에 납땜되고, 인접하는 구리 전극(51)들이 초전도 테이브 와이어(1)를 통해 서로 납땜되는 점을 제외하고는, 제 4 실시예의 초전도 코일(40)과 동일하다.
다시 말해, 코일 내층부(43a) 및 코일 중간층부(43b)는 구리 전극(51) 및 초전도 테이프 와이어(1)를 통해 서로 전기적으로 접속되고, 코일 중간층부(43b) 및 코일 외층부(43c)는 구리 전극(51) 및 초전도 테이프 와이어(1)를 통해 서로 전기적으로 접속된다.
이 제 5 실시예에 있어서, 초전도 코일부(43)도 역시 코일 내층부(43a), 코일 중간층부(43b), 및 코일 외층부(43c)를 포함하는 3개의 코일층부로 나뉜다. 초전도 코일(50)의 코일층부의 직경비는, 각각 150/100=1.5, 255/155=1.6, 및 410/260=1.6이다. 코일층부는 1.5, 1.6, 및 1.6의 직경비를 가지므로, 최대 응력은 10㎫ 이하로 될 수 있고, 그에 따라 박리력이 감소한다.
그러므로, 본 실시예의 초전도 코일(50)에 있어서, 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 직경비는 3.1보다 작게 될 수 있기 때문에, 초전도 테이프 와이어(1)상에 발생한 박리력을 허용값인 28㎫보다 작게 억제할 수 있다.
따라서, 초전도 코일(50)의 초전도 특성의 열화를 방지하고, 그에 따라 그 안정성을 향상시키는 것이 가능하다.
(제 6 실시예)
이하에, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 초전도 코일을 도 12를 참조하여 설명하며, 제 4 및 제 5 실시예에서와 동일한 구성에는 동일한 참조번호를 붙이고 설명을 생략한다.
이 제 6 실시예의 초전도 코일(60)은, 이형 처리를 받아서 다른 부분에 비해 접착성이 작게 또는 비접착성으로 설정되는 절연체(65)가 코일 내층부(내층 구역, 제 1 층 구역)(43a)와 코일 중간층부(중간층 구역, 제 2 층 구역)(43b) 사이 및 코일 중간층부(43b)와 코일 외층부(외층 구역, 제 3 층 구역)(43c) 사이에 각각 삽입되는 점을 제외하고는, 제 5 실시예의 초전도 코일(50)과 동일하다.
제 6 실시예에 따르면, 제 5 실시예의 초전도 코일(50)에 의해 달성되는 효과 외에도, 초전도 코일(60)은 코일 내층부(43a), 코일 중간층부(43b), 및 코일 외층부(43c) 사이에서의 간극을 효과적으로 감소시키는 효과를 달성할 수 있다. 따라서, 간극을 절연체(65)로 메움으로써 초전도 코일(60)의 기계 강도가 증가될 수 있다.
또한, 상기 외에도, 접착성이 작은 절연체(65) 재료로서, 테플론(등록 상표) 수지, 폴리이미드/폴리아미드 수지, 또는 에폭시 수지가 사용될 수 있다.
(제 7 실시예)
이하에, 본 발명의 제 7 실시예에 따른 초전도 코일을 도 10 및 도 13을 참조하여 설명하며, 제 4 내지 제 6 실시예에서와 동일한 구성에는 동일한 참조번호를 붙이고 설명을 생략한다.
이 제 7 실시예의 초전도 코일(70)은, 비원형 절연 플레이트(76)가 초전도 코일(70)의 각 표면에 부착되고, 예를 들면 알루미늄으로 이루어진 냉각 플레이트(77)가 절연 플레이트(76)에 부착되는 점을 제외하고는 제 4 실시예의 초전도 코일(40)과 동일하다.
제 7 실시예의 초전도 코일(70)에 따르면, 냉각 중에 초전도 코일(70)의 수축을 방지함으로써, 코일 내층부(내층 구역, 제 1 층 구역)(43a), 코일 중간층부(중간층 구역, 제 2 층 구역)(43b), 및 코일 외층부(외층 구역, 제 3 층 구역)(43c)의 변위를 방지할 수 있다. 또한, 초전도 코일(70)은 알루미늄 냉각 플레이트(77)를 통해 냉각될 수 있다.
그러므로, 제 4 실시예의 초전도 코일(40)의 효과 외에도, 초전도 코일(70)의 변위를 방지하는 것이 가능하다. 또한, 이 실시예의 초전도 코일(70)은 냉각될 수 있고, 그에 따라 더 안정화된다.
또한, 본 발명의 각각의 실시예에 따른 초전도 코일에 있어서, 초전도 코일부는 3개의 동일한 코일층부를 포함한다. 초전도 코일부는, 예를 들면 코일 내층(내층 구역) 및 코일 외층(외층 구역)의 2개의 동일한 코일층부를 포함할 수 있다.
또한, 변경 또는 변형에 있어서, 초전도 코일의 초전도 코일부는 적어도 4개의 동일한 코일층부를 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 대형 초전도 코일에 대해서는 다수의 코일층부가 적합하다.
초전도 코일이 적어도 4개의 코일층부를 포함하는 초전도 코일부를 가지는 구조에 있어서는, 코일 최외층부와 코일 최내층부 사이에 적어도 2개의 코일 내(중간)층부가 제공된다.
초전도 코일부가 다수의 코일층부를 포함하는 구조에 의해, 코일층부의 직경비를 1.7 이하, 예를 들면 1.2, 1.3, 또는 1.5로 설정함으로써, 대형 초전도 코일에서 감소된 최대 응력을 얻을 수 있다. 따라서, 열전도성의 열화는 신뢰도 있게 방지될 수 있다. 또한, 초전도 코일의 열적 안정성이 향상되어 유지될 수 있다.
이 경우에, 초전도 코일부의 코일층부의 직경비는 3.1보다 작고, 바람직하게는 직경비는 1.7 이하이다. 더 바람직하게는, 직경비는 1.5 이하, 예를 들면 1.2 또는 1.3이다. 초전도 코일부에서의 코일층부의 직경비가 1.7 또는 1.5보다 크지 않을 경우에는, 초전도 코일의 각각의 코일층부는 10㎫ 이하의 최대 응력 또는 대략 5㎫ 이하의 최대 응력을 가질 수 있다. 따라서, 초전도 코일에서 발생한 박리력이 감소되어서 초전도 코일의 초전도 특성의 열화를 방지할 수 있게 됨으로써, 초전도 코일의 열적 안정성이 향상한다.
본 실시예들의 초전도 코일에 따르면, 단일의 초전도 코일부가 다수의 코일층부로 나뉘고, 코일층부들 사이에는 접착성이 작은 경계부가 제공되므로, 경계부는 힘을 흡수하여 힘의 전달을 방지한다.
각각의 실시예의 초전도 코일은 초전도 테이프 와이어(1)와 절연 테이프(8)의 적층체인 복합 선재(11)를 포함한다. 복합 선재(11)의 권수는 수십 내지 수천회에서 임의로 선택되고, 초전도 테이프 와이어(1)의 폭 및 두께도 3㎜ 내지 40㎜ 및 0.04㎜ 내지 0.5㎜에서 선택된다. 또한, 절연 테이프(8)의 폭 및 두께는 초전도 테이프 와이어(1)에서와 마찬가지로 선택된다.
본 발명은 예시 및 기술한 실시예에 제한되는 것은 아니며, 특허청구범위로부터 일탈함이 없이 다양한 다른 변경 및 변형이 이루어질 수 있음에 유의해야 한다.
상술한 실시예들에서는, 예를 들어, 레이스트랙 형상의 초전도 코일이 주로 언급되었지만, 초전도 코일에서의 박리력을 보다 안정적으로 감소시키기 위해, 도 14의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 비원형이지만 동심 형상을 갖는 안장 형상, 타원 형상, 달걀 형상 및 직사각 형상 등이 채용될 수 있다. 이들 변형예에서는, 동일한 참조번호를 가지고 도 4의 형상과 유사한 형상만이 도시되지만, 기능상의 상세 및 권취 구조는 전술한 실시예들과 실질적으로 동일하므로, 여기에서는 중복되는 설명은 생략한다.
1 : 초전도 테이프 와이어 2 : 테이프 기층
3 : 중간층 4 : 초전도층
5 : 안정화층 6 : 배향층
7 : 보호층 8 : 절연 테이프
9 : FRP 코어 10 : 초전도 코일
11 : 복합 선재 12 : 초전도 코일
14 : 초전도 코일부 14a : 코일 내층부
14b : 코일 중간층부 14c : 코일 외층부
17 : 이형부 19 : FRP 코어
3 : 중간층 4 : 초전도층
5 : 안정화층 6 : 배향층
7 : 보호층 8 : 절연 테이프
9 : FRP 코어 10 : 초전도 코일
11 : 복합 선재 12 : 초전도 코일
14 : 초전도 코일부 14a : 코일 내층부
14b : 코일 중간층부 14c : 코일 외층부
17 : 이형부 19 : FRP 코어
Claims (13)
- 복수의 비원형 코일층부를 갖는 초전도 코일부를 포함하는 초전도 코일로서,
각각의 상기 비원형 코일층부는, 박막 초전도 와이어와 절연재의 적층체를 다층 구조로 감아서 형성되며,
상기 비원형 코일층부들 사이의 경계부의 접착력은 상기 각각의 비원형 코일층부 내의 상기 박막 초전도 와이어와 상기 절연재 사이의 접착력에 비해 작게 설정되고,
상기 복수의 코일층부 각각은 3.1보다 작은 직경비를 갖는 초전도 코일. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 초전도 와이어와 상기 절연재는 인접하는 상기 비원형 코일층부들 사이의 상기 경계부에서 서로 비접착 상태로 접촉되는 초전도 코일. - 제 1 항에 있어서,
상기 초전도 와이어 및 상기 절연재 중 적어도 하나는 인접하는 상기 비원형 코일층부들 사이의 상기 경계부에서 이형 처리를 받는 초전도 코일. - 제 1 항에 있어서,
인접하는 상기 비원형 코일층부들 사이의 상기 경계부에 삽입되는 절연체를 더 포함하고,
상기 절연체는 이형 처리를 받는 초전도 코일. - 제 5 항에 있어서,
상기 절연체는 플루오로카본 테이프, 파라핀, 그리스, 및 실리콘 오일로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 이형제가 접착 또는 도포된 절연체로 형성되는 초전도 코일. - 제 1 항에 있어서,
인접하는 상기 비원형 코일층부들 사이에 배치된 상기 경계부에 냉각 부재를 더 포함하는 초전도 코일. - 제 7 항에 있어서,
상기 냉각 부재는 상기 절연재에 비해 열전도성이 높은 재료로 이루어진 냉각 플레이트인 초전도 코일. - 제 7 항에 있어서,
상기 냉각 부재는 절연 처리를 더 받는 초전도 코일. - 제 1 항에 있어서,
인접하는 상기 비원형 코일층부들은 서로 전기적으로 접속되는 초전도 코일. - 제 10 항에 있어서,
인접하는 상기 비원형 코일층부들 사이의 상기 경계부에서 내층부의 외면 및 외층부의 내면에는 전극들이 배치되고, 상기 전극들은 서로 전기적으로 접속되는 초전도 코일. - 제 1 항에 있어서,
상기 초전도 코일부의 상면 및 하면 중 적어도 한 면에 배치된 절연체를 더 포함하는 초전도 코일. - 제 12 항에 있어서,
상기 절연체에는 냉각 플레이트가 더 부착되고, 상기 냉각 플레이트는 상기 절연체에 비해 열전도성이 높은 재료로 이루어지는 초전도 코일.
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