KR101353474B1 - 초전도 선재의 접합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 저항을 최소화하는 초전도 선재의 접합 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리된 초전도 선재의 필라멘트에 보조 필라멘트를 부가하여 일체화하고, 구리 슬리브의 홈에 끼운 다음, 구리 슬리브를 압착하여 접합하는 초전도 선재의 접합 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초전도 선재의 접합 방법은 초전도 선재의 메트릭스로부터 필라멘트를 노출시키는 단계, 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트를 상호 맞대어 일체화하는 필라멘트 스텍 단계, 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트가 겹쳐진 부분의 외측에 보조 필라멘트를 부가하는 보조 필라멘트를 부가하는 단계, 일측의 필라멘트, 타측의 필라멘트 및 보조 필라멘트를 일체로 한 후, 바인딩 필라멘트를 사용하여 묶는 바인딩 단계, 상기 바인딩된 필라멘트를 클리닝하는 클리닝 단계, 슬리브의 홀에 클리닝 된 필라멘트를 개재한 후, 가압하여 압착하는 압착 단계를 포함한다.

Description

초전도 선재의 접합 방법{CONNECTING METHOD OF SUPERCONDUCTIVE CONDUCTOR}

본 발명은 전기 저항을 최소화하는 초전도 선재의 접합 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리된 초전도 선재의 필라멘트에 보조 필라멘트를 부가하여 일체화하고, 구리 슬리브의 홈에 끼운 다음, 구리 슬리브를 압착하여 접합하는 초전도 선재의 접합 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 초전도 선재는 강한 자기장을 얻기 위한 도체로서, 메트릭스 내에 여러 가닥으로 이루어진 통전부를 개재하여 이루어지며, 그 재료로서는 NbTi, Nb3Sn, V3Ga 등이 사용된다.

초전도 선재는 제조시에 일정 길이로 제품화되는데, 적용되는 장치의 요구 조건에 따라 적당한 길이로 절단하거나 필요에 따라 절단 부분을 상호 접합하여야 한다. 이때 접합된 부분에는 장치의 동작시 전기적 저항이 발생되어 초전도상에서 상전도로 전이될 수 있다.

초전도 선재의 접합방법에 관한 선행기술인 등록특허공보 제10-0473622호의 초전도체의 접합방법에는 초전도체 분말을 매개로 한 초전도 선재간의 접합방법이 개시되어 있다.

상기 선행기술의 초전도체의 접합방법을 살펴보면, 접합하려는 두 초전도 선재의 필라멘트를 상기 컵부재의 입구를 막는 볼트형 마개부재의 구멍을 통해 삽입한 후, 컵부재와 마개부재를 결합시킨 다음, 상기 초전도체 분말과 초전도 필라멘트가 함께 존재하는 부분만을 압착한다. 분말 형태의 초전도체의 충전밀도가 증가하여 초전도체 분말을 매개체로 하여 초전도 선재의 필라멘트와 연결되므로 초전도 선재에 흐르는 전류의 흐름을 대부분 초전도 선재로 연결시켜 주어 접합에 의한 전기 저항을 줄이도록 구성된다.

또 다른 초전도 선재의 접합 방법으로서 등록특허공보 제10-1211194호의 초전도 도체의 접속 방법은 도관으로부터 노출된 초전도 소선다발을 금형에서 다각 형상으로 직경을 축소한 후, 중공 파이프의 중공부에 끼워서 가열 접합한다.

선행기술에 개시된 초전도 선재의 접합 방법들은 모두 초전도 분말, 중공 파이프 등 연결 부재를 사용하여 접합부분의 기계적 강도와 전기적 저항을 줄이도록 하고 있다. 부재를 사용하는 초전도 선재의 접합방법은 연결 부재의 선정, 초전도 선재의 다발의 구조, 접합 후의 초전도 선재의 기계적 강도, 전기적 저항, 초전도 특성 등을 고려하여야 하며, 특히 장치에 설치하여 동작할 때에 초전도 특성이 저하되지 않아야 한다.

등록특허공보 제10-0473622호 등록특허공보 제10-1211194호 미국공개특허공보 US2012/0021915호

본 발명은 상기한 요구사항을 해소하기 위해 안출한 것으로, 초전도 선재의 접합 부분에 전기적 저항을 최소화하고, 간단한 공정으로 초전도 선재의 접합 방법을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 초전도 선재의 접합 방법은 초전도 선재의 메트릭스로부터 필라멘트를 노출시키는 단계, 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트를 상호 맞대어 일체화하는 필라멘트 스텍 단계, 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트가 겹쳐진 부분의 외측에 보조 필라멘트를 부가하는 보조 필라멘트를 부가하는 단계, 일측의 필라멘트, 타측의 필라멘트 및 보조 필라멘트를 일체로 한 후, 바인딩 필라멘트를 사용하여 묶는 바인딩 단계, 슬리브의 홀에 바인딩 된 필라멘트를 개재한 후, 슬리브와 바인딩 된 필라멘트를 가압하여 압착하는 압착 단계를 포함한다.

또한, 상기 보조 필라멘트는 2 bundles로 구성되며, 여기서 1 bundle는 일측 또는 타측 초전도 선재의 필라멘트의 개수와 동일하게 구성된다.

또한, 상기 바인딩 단계 이후에, 상기 바인딩 된 필라멘트를 클리닝하는 클리닝 단계를 더욱 포함한다.

또한, 상기 바인딩 필라멘트는 일측 또는 타측 필라멘트의 일부를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 초전도 선재의 접합 방법에 의하면, 초전도 선재의 필라멘트에 부가 필라멘트를 결합하여 접합이 이루어지도록 하여 초전도 접합 부분의 저항을 감소시키고 임계전류 특성을 향상시키는 이점이 있다.

또한, 초전도 선재의 필라멘트와 별도로 마련한 보조 필라멘트를 일체로 하여 바인딩 한 후 구리 슬리브 내에 개재하고 가압함으로써, 필라멘트 사이의 접촉 면적을 넓혀, 동작시 충분한 전류의 통로가 형성될 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재(SC)를 나타낸 도면이다.
도 2는 일측의 초전도 선재(SC 1)와 타측의 초전도 선재(SC 2)를 상호 접합하는 것을 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 접합 방법을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 접합 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 필라멘트들을 묶은 것을 나타낸 도면이다.
도 6는 일측의 초전도 선재와 타측의 초전도 선재를 상호 접합한 후를 나타낸 도면이다.
도 7은 초전도 선재의 접합시 필라멘트에 따른 구리 슬리브 내의 압착 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 나타난 구성요소들의 크기는 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재(SC)를 나타낸 도면이고, 도 2는 일측의 초전도 선재(SC 1)와 타측의 초전도 선재(SC 2)를 상호 접합하는 것을 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 초전도 선재는 원형의 메트릭스(100) 내에 동심원 상으로 배치되는 복수의 필라멘트(200)가 형성되어 있다. 상기 메트릭스의 외측에는 채널층(300) 및 보호층(400)이 더욱 구비된다.

상기 메트릭스(100)는 필라멘트의 초전도 특성을 보완하는 안정화층을 구성한다. 메트릭스는 필라멘트를 외부로부터 보호하며, 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다. 초전도 선재의 단면에서 구리의 면적과 초전도(NbTi) 면적의 비를 Cu/NCu라고 하며 이 값이 낮으면 ?치 - 초전도 선재 내에서 국부적으로 초전도 상태에서 상전도 상태로 바뀌는 현상으로 높은 전압이 순간적으로 발생되어 저항이 높아짐에 따라 저항에 따른 열이 발생되는 현상 - 로 인해 초전도 선재가 소손될 수 있다.

상기 필라멘트(200)는 기계적 강도, 응력, 굽힙력 및 고자장에서 높은 임계전류 밀도를 갖는 재료가 선택될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 NbTi 또는 NbTi 합금 초전도선으로 구성한다.

필라멘트가 형성되어 있는 메트릭스층의 외측에는 구리로 이루어진 채널층(300)이 형성되고, 그 외측에는 보호층이 형성되어 있다. 상기 보호층(400)은 유리섬유(glass fiber)로 이루어진다. 최외측에 형성되고 실질적으로 외부 환경으로부터 초전도 선재를 보호한다.

한편, 초전도 선재는 인발 공정(신선 공정이라고도 함)을 통해 주로 원형 형상으로 가공된다. 초전도 선재로 코일 제작시 권선을 실시할 때 원형 선재 또는 사각 선재를 형성할 수 있다. 원형 선재의 경우 정렬 권선이 쉽지 않으며, 단위 면적에 대한 전류 밀도 및 Cu/NCu 가 낮은 단점이 있다. 따라서 주로 초전도 선재를 형성할 때 주로 채널을 적용한 사각 선재로 권선된다. 본 발명의 실시예에서는 사각 선재로 하여 구현할 수 있다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 접합 방법을 나타낸 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 접합 방법을 순차적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 필라멘트들을 묶은 것을 나타낸 도면이고, 도 6는 일측의 초전도 선재와 타측의 초전도 선재를 상호 접합한 후를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재를 접합하는 방법은 전처리 단계(S100), 필라멘트 스텍 단계(S200), 보조 필라멘트를 부가하는 단계(S300), 바인딩 단계(S400), 클리닝 단계(S500) 및 압착단계(S600)를 포함하여 이루어진다.

상기 전처리 단계(S100)는 일단의 초전도 선재와 타단의 초전도 선재의 단부에서 필라멘트를 노출시키는 공정과, 노출된 필라멘트에 부착되어 있는 부산물을 제거하여 접합이 원활이 이루어지도록 산처리 공정을 포함한다.

필라멘트는 초전도 선재의 중심으로부터 동심원 상으로 배치되어 있다. 도 1을 참조하면, 내측과 외측으로 2열의 동심원으로 이루어져 있다. 그 중심으로부터 외측에 이르기까지 메트릭스, 필라멘트, 채널층 및 보호층이 각각 형성되어 있으며, 복수의 필라멘트는 메트릭스에 동심원 상으로 배치된다.

분리된 일단의 초전도 선재와 타단의 초전도 선재를 상호 결합하기 위해서는, 일단의 초전도 선재와 타단의 초전도 선재의 단부에서 각각 내측으로 대략 100mm에 이르기까지 필라멘트를 노출시키도록 한다. 최외측에 형성되어 있는 보호층을 제거한 후, 채널층을 제거한 다음, 메트릭스를 순차적으로 제거하여야 한다. 산을 이용하여 일체로 제거하면 메트릭스 내에 형성되어 있는 필라멘트가 손상될 수 있으며, 채널과 필라멘트간 두께 단차가 좁은 길이에서 크게 나타날 수 있다.

최외측의 보호층인 Glass Fiber와 채널 층은 기계적인 방법을 사용하여 제거하고, 안정화 부는 HNO3를 사용한 화학적 방법을 사용하여 제거한다. 필라멘트를 노출시키는 공정(S100)으로부터 노출된 필라멘트에는 메트릭스의 잔물이 필라멘트의 표면에 여전히 부착되어 있을 수 있다. 메트릭스의 잔부은 이후의 공정과 접합된 후의 초전도 선재의 전기적 특성을 저하시키는 원인이 된다. 이를 위해, 필라멘트에 부착된 잔부는 산을 사용하여 제거한다. 바람직하게는 상기 산은 HNO3일 수 있다. 여기서 메트릭스를 제거하기 위한 산의 농도는 잔부를 제거하기 위한 산의 농도보다 상대적으로 높을 수 있다. 메트릭스는 구리로 이루어져 있으므로 화학적 반응의 효율성을 위해 고농도를 사용하여야 한다.

메트릭스의 제거는 HNO3 용액에 침지하여 수행한다. 이후 메트릭스를 증류수를 사용하여 깨끗이 씻어낸다.

최종적으로, 초전도 선재로부터 노출된 필라멘트의 길이는 대략 100mm가 된다. 접합에 관여하는 바인딩 길이는 약 40mm로 형성하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 전처리 단계를 거친 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트를 상호 맞대어 일체화하는 필라멘트 스텍 단계(S200)가 이어진다.

일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트를 스텍하게 되면 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트는 일정 부분은 겹쳐지게 되며, 겹쳐진 부분 각각의 외측에 보조 필라멘트를 부가한다. 여기서, 보조 필라멘트를 부가하는 단계(S300)에서 보조 필라멘트는 2 bundles가 부가되며, 하나의 bundle는 초전도 선재의 필라멘트의 개수와 동일하거나 많게 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 2 bundles로 하는 것을 실시예로 하였으나, 충분한 접합을 위해서는 2 bundles 내지 3 bundles으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 바인딩 단계(S400)는 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트, 그리고 2 bundles의 보조 필라멘트를 일체로 하고 바인딩 필라멘트를 이용하여 나선 형상으로 묶어 형성한다. 바인딩 필라멘트는 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트의 일부를 사용하여 바인딩한다. 바람직하게는 2가닥의 일측과 타측의 필라멘트를 사용하여 바인딩할 수 있다. 이때 바인딩에 관여하는 필라멘트의 수는 4개이다.

도 5를 참조하면, 바인딩 필라멘트(233)는 2가닥이 한조로 하여 좌측에서 우측으로 나선 형상으로 묶고 또한, 또 다른 2가닥을 한조로 하여 우측에서 좌측으로 나선 형상으로 묶어져 있다. 여기서 견고한 바인딩을 위해 바인딩 필라멘트는 각각 3 가닥을 사용하여 형성할 수 있다.

S400을 참조하면 바인딩 단계는 일측의 필라멘트, 타측의 필라멘트 및 보조 필라멘트를 모두 나란히 위치시키고, 바인딩 필라멘트를 이용하여 일체화된 필라멘트의 외측을 묶어 형성한다. 여기서, 과도한 필라멘트의 꼬임은 필라멘트의 취성으로 인해 기계적 특성을 약화시킨다. 따라서 적절한 꼬임이 이루어지도록 주의하여야 한다. 참고로, 도 5(B)는 도 5(A)의 사각 점선 부분을 확대하여 나타낸 것이다.

이와 같이 본 발명에서는 바인딩 단계를 구비함으로써 기존의 기술들과 달리 구리 슬리브의 내경을 정확히 가공할 필요가 없이 크게 가공하더라도 가압시 바인딩 필라멘트에 의해 필라멘트들의 측방향 이동이 제한되므로 제작시에 구리 슬리브의 내경 자유도가 증대되어 제작이 용이한 이점도 가지게 된다.

상기 클리닝 단계(S500)는 전처리 단계로부터 바인딩 단계에 이르기까지 단계에서 형성될 수 있는 산화피막을 제거한다. 클리닝 단계에서 사용되는 산화피막 제거는 HNO3일 수 있다. 공기 중에서 공정이 이루어지므로, 공기에 의해 필라멘트는 산화될 수 있으며, 또한 이물질이 묻을 수 있으므로, 압착단계가 이루어지기 직전에 수행하는 것이 바람직하다.

상기 압착단계(S600)는 구리 슬리브의 홀에 바인딩 된 필라멘트를 개재한 후, 가압하여 압착한다. 본 발명에서는 슬리브가 구리로 이루어지는 것을 실시예로 하였으나, 온도 등 설정 분위기에 따라 구리 슬리브 내에 필라멘트와 동일한 재질로 하여 부가 형성될 수 있다. 바인딩된 필라멘트는 필라멘트와 동일 재질에 의해 압착이 이루어질 수 있으므로, 초전도 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 압착단계는 제1 압착, 산화피막 클리닝 및 제2 압착을 포함한다. 구리 슬리브의 홀에 바인딩된 필라멘트를 개재하고 접합될 부분 즉 필라멘트측 접합부에서 약 40mm에 25ton이 인가한다. 이후 상기 제1 압착으로 인한 필라멘트의 압착열에 의한 열산화를 방지하기 위하여, 일체화된 구리 슬리브와 필라멘트를 HNO3로 클리닝하여 산화 피막을 제거한 다음, 제2 압착이 이루어진다. 상기 제2 압착은 채널측 접합부에서 약 10mm에 20ton으로 실시한다. 여기서, 상기 제1 압착과 제2 압착 사이에 수행되는 클리닝은 필요에 따라 생략할 수 있다.

본 발명에서는 상기 압착단계를 제1차 압착과 제2 차 압착으로 나누어 실시하는 것을 실시예로 하였으나, 공정의 단순화를 위해 또는 압착에 따른 온전한 접속을 위해 일회의 압착 공정으로 수행될 수 있다. 이때, 압착에 요구되는 가압은 약 23 내지 27 ton으로 가할 수 있다. 그러나 안정화 물질(Cu tube)의 두께에 따라 그 가압력은 달리질 수 있다.

상기한 바와 같은 초전도 선재의 접합이 이루어진 초전도 선재를 도 6에 나타내었다. 도 6(A)는 초전도 선재가 압착 단계를 거친 최종적인 형상을 나타낸 것이다. 도면을 참조하면 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트는 구리 슬리브 내에서 압착이 이루어진 것을 보여준다. 도 6(B)는 필라멘트가 구리 슬리브 내에서 압착이 이루어진 전면을 보여주는 도면이고, 도 6(C)는 필라멘트가 구리 슬리브 내에서 압착이 이루어진 후면을 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 초전도 선재의 접합에 있어서, 보조 필라멘트와 바인딩 필라멘트의 부가여부에 따른 접합된 초전도 선재의 단면을 살펴보면 도 7에 나타난 바와 같다.

도 7은 초전도 선재의 접합시 필라멘트에 따른 구리 슬리브 내의 압착 결과를 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 도 7(A)는 보조 필라멘트와 바인딩 필라멘트를 부가하지 않고 일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트만을 구리 슬리브에 나란히 개재하고 가압한 것이고, 도 7(B)는 일측의 필라멘트, 타측의 필라멘트 및 보조 필라멘트를 부가하고 단순히 나선형으로 꼬아서 구리 슬리브에 개재한 다음 가압하여 형성한 것이고, 도 7(C)는 일측의 필라멘트, 타측의 필라멘트, 보조 필라멘트 및 바인딩 필라멘트를 부가하여 바인딩한 후, 구리 슬리브에 개재한 다음 가압한 것이다.

도면을 살펴보면 A에서 C로 갈수록 필라멘트들이 모여서 가압된 것을 보여준다. 즉, A에서는 필라멘트들이 널게 퍼져 분포되어 있다. 이와 같은 분포는 필라멘트간의 전기적 접속이 원활히 이루어지지 않는다. 도면에서 Middle section은 구리 슬리브의 중간 부분의 단면을 나타내고, End section은 일측 및/또는 타측의 초전도 선재의 최단부를 나타낸 것이다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

SC : 초전도 선재
100 : 메트릭스
200 : 필라멘트
222 : 보조 필라멘트
233 : 바인딩 필라멘트
300 : 채널층
400 : 보호층
CS : 슬리브

Claims (4)

1. 초전도 선재를 접합하는 방법으로서,
   초전도 선재의 메트릭스로부터 필라멘트를 노출시키는 단계;
   일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트를 상호 맞대어 일체화하는 필라멘트 스텍 단계;
   일측의 필라멘트와 타측의 필라멘트가 겹쳐진 부분의 외측에 보조 필라멘트를 부가하는 보조 필라멘트를 부가하는 단계;
   일측의 필라멘트, 타측의 필라멘트 및 보조 필라멘트를 일체로 한 후, 바인딩 필라멘트를 사용하여 묶는 바인딩 단계;
   슬리브의 홀에 바인딩 된 필라멘트를 개재한 후, 슬리브와 바인딩 된 필라멘트를 가압하여 압착하는 압착 단계;
   를 포함하며,
   상기 바인딩 필라멘트는 일측 또는 타측 필라멘트의 일부를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 접합 방법
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images