KR101466799B1 - 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판, 버퍼층, 초전도층, 안정화층으로 이루어진 2세대 고온초전도 선재를 접합하는 방법에 있어서, 서로 접합하고자 하는 2세대 고온초전도 선재의 단부를 겹치거나 또는 맞대어 초음파 용접하여 접합하는 것을 특징으로 하여 소정의 가압을 한 상태에서 초음파 진동을 부가하여 다층구조로 이루어진 CC도체를 싸고 있는 금속(Cu층)간 계면 접합을 고상에서 가능케 하여 종래의 납이나 용접 필러를 사용하는 솔더링 방법에 의하지 않고도 초전도선재의 접합부에서 예상되는 기계적 손상에 의한 임계전류의 열화와 같은 전기적 특성을 떨어뜨리지 않고 솔더링 접합부보다 낮은 접촉저항과 우수한 강도를 갖는 저저항 고강도 접합 방법과 장치를 제시하고 있다. 또한 솔더링 적용이 어려운 CC도체 표면 금속의 경우에도 초음파용접으로 CC도체의 접합부 형성이 가능한 기술이다. 상기 초음파용접 기술은 단일 CC도체의 장선재화를 위해 접합부 제작 공정 중에 적용하거나, 선재를 권선한 고온초전도 코일이나 자석 코일 간 전기적 연결 접합을 위한 용접된 접합부 구조체 제작, 연속 초음파용접 적용에 의한 적층 CC도체의 제작 등에 사용할 수 있는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법에 관한 것으로, 2세대 고온초전도 선재를 장선화 또는 코일 간 도체 연결을 위해 겹치거나 맞대기 형태로 전기적 접합하여 낮은 저항을 가지면서 높은 접합부 강도를 갖도록 안정되게 접합시키는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법에 관한 기술이다.
2세대 고온 초전도 선재는 전력기기 대전류용 코일과 마그네트 제조에 필요한 장선 CC(Coated Conductor)선재를 케이블, 모터, 발전기 및 SMES와 같은 전력기기, 그리고 마그네트 제조에 필요한 장선 CC 선재를 제조하기 위하여 다음과 같은 방법이 통상적으로 사용되고 있다.
종래의 2세대 고온초전도 선재의 접합에는 솔더링 방식을 주로 채용하고 있는데, 접합부 표면 재질에 따라서 적용 솔더/플러스의 선정, 가열 용융을 위한 가열 처리 및 장비, 가열시간 및 솔더링 작업 시간 등 많은 시간이 소요되는 등의 단점이 있지만, 저가로 손쉽게 적용할 수 있다는 측면에서 현재에도 고온초전도체 간 접합부 구성을 위해 널리 적용되어오고 있는 접합기술이다. 또한 솔더링이 어려운 금속재료간에는 다른 접합공정이나 기계적 접합방식 등을 사용해 오고 있는 실정이다.
도 1(a)은 2세대 고온 초전도 선재의 겹치기 접합 예시도이고, 도 1(b)는 2세대 고온 초전도 선재의 맞대기 접합 예시도이다.
2세대 고온초전도 선재 즉, CC도체의 경우, 고강도를 갖는 니켈합금인 Hastelloy 또는 스텐레스강 또는 Ni-W합금을 기판(substrate) 재료로 두고 그 위에 버퍼층(buffer layer), 초전도층(superconducting layer)을 다양한 증착방법으로 증착한 후 은(Ag) 안정화 층을 증착하여 완성하게 되고, 그 다음에 구리층을 솔더링 또는 전기 도금하여 둘러싸서 전기적 안정을 유지하면서 초전도층을 기계적으로 보호하는 역할을 하게 한다. 이러한 다층 적층구조를 갖는 CC도체의 경우, 비대칭적인 도체 단면구조를 갖고 있어서 상부에 초전도층, 하부에 기판층이 위치하고 있다. 따라서 장선 초전도선재를 제작하거나 또는 코일간 전기적 연결을 위해서는 접합하여 사용하게 되는데, 이 경우 초전도층 쪽이 낮은 전기저항 특성을 갖는 재료로 배치되어 있는 점을 고려하여, 겹치기 또는 맞대기 접합구조에서 초전도층 면끼리 마주보고 접합되도록 하는 구조 (face to face)로 접합을 실시하게 된다.
2세대 고온초전도 선재의 경우, 다층구조로 되어 있으면서, 전류를 흘려주는 초전도층부가 세라믹과 같은 취성재료여서 코일 등에 적용하는 경우, 취급에 주의를 요하는 측면이 크다. 또한 현재 시판되고 있는 2세대 고온 초전도 선재의 경우, 고온초전도 응용 기기 적용시 요구되는 Ic 레벨에 따라서 장선재로의 생산이 쉽지 않고, 일정이상의 길이를 갖는 선재를 겹치기 솔더링을 통해 장선재로 만들어서 공급되고 실정이다. 이 경우 고온초전도 CC도체의 적용 전력기기 및 계자코일의 형상에 따라서 적정 용융온도를 갖는 솔더 및 용제의 선정이 중요하고, 가열을 포함한 솔더링 공정이 CC도체 제조 공정 중에 도입되는 경우 솔더링공정에 걸리는 시간이 길고, 이로 인한 주변환경 오염 등의 문제를 갖고 있다.
따라서 고온초전도체의 접합부에서 전기적 접촉저항을 낮추고 작업공정을 개선하기 위한 노력의 일환으로 다양한 무연 솔더 및 용융온도가 낮은 In을 포함하는 솔더 재료 개발이 활발하게 진행되어 있다. 그러나 기계적 고상용접법의 적용은 앞에서 언급한 초전도체의 특징적인 임계전류 열화 거동과 밀접한 관련이 있는 초전도층에 기계적 손상으로 인한 영향을 고려하여 제대로 이루어지지 않고 있는 상태이다.
한편, 고자장 마그네트 코일 영구모드 전류가 흐르는 기기 등에 CC도체를 적용하기 위해서는 솔더링시 보다 낮은 접합부 저항을 갖는 초전도체 간 접합을 위한 반응접합 방식 등이 개발되었다고 보고되고 있지만, 실용화까지는 이르지 못한 상태이다. 그 외에도 기계적으로 초전도체끼리 겹쳐서 가압하거나 단차(step) 형태로 가압하여 접촉상태를 유지하게 하는 기계적 접합(mechanical joint) 방식은 대전류 송전 및 통전용으로 사용되고 있지만, 기계적 가압을 위한 치구와 체적을 차지하는 등의 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 얇은 다층 층상 구조를 갖는 고온초전도 2G CC도체의 장선화를 위해 종래의 솔더링 접합 대신 초음파용접 방식에 의해 CC도체를 겹치기 또는 맞대기 구조로 접합하여 단일 장선 CC도체를 형성시키고, 또한 솔더링 접합이 어려운 표면 금속의 경우에도 전기전도성이 높은 금속의 박판을 삽입하여 초음파용접을 실시하여 양호한 접합부를 만들고, 이들 방식을 적용한 장선 CC도체를 권선한 자석 코일 상호간 전기적 연결을 위한 초음파 용접된 브릿지형 접합부 구조체 제작, 초음파용접된 접합브릿지 구조체의 접촉저항 및 통전전류 기반 초전도기기 접합부의 효율적 설계, 연속 초음파용접에 의한 대전류 전송용 적층 CC도체의 제작 등 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판, 버퍼층, 초전도층, 안정화층으로 이루어진 2세대 고온초전도 선재를 상호 접합하는 방법에 있어서, 서로 접합하고자 하는 2세대 고온초전도 선재의 단부를 겹치거나 또는 맞대어 초음파 용접하여 접합하되, 상기 초음파 용접은 초음파 용접기의 엔빌(anvil)과 혼(horn) 사이에 상기 2세대 고온초전도 선재를 개재하여 수평방향으로 초음파 진동을 가하되, 상기 혼과 엔빌 각각에는 돌기가 복수 개 돌출형성되어 상기 2세대 고온초전도 선재의 접합부를 국부적으로 가압하는 것을 특징으로 한다.
상기 초음파 용접 접합 이후에는, 상기 2세대 고온 초전도 선재 사이 계면에 은이나 인듐, 납을 함께 적용하여 접합부 전기저항을 저감하는 솔더링 공정이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 엔빌과 상기 혼은 각각 롤러 형상으로 형성되고, 상기 엔빌은 모터와 축 연결되어 회전 가능하며, 상기 혼은 상부 지지대에 구비된 축에 연결되어 회전을 허용하고, 상기 엔빌의 축과 상기 혼의 축에 각각 구비된 기어에 의한 동력이 전달되는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 2세대 고온초전도 선재는, 테이프 형상 또는 코일 형상인 것을 특징으로 한다.
상기 2세대 고온초전도 선재는, 외면에 구리 도금되어 있거나 금속 안정화층이 부가적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 2세대 고온초전도 선재 사이에, 구리박, 인듐박, 은박, 알루미늄박 중 어느 하나를 삽입하여 초음파 용접하는 것을 특징으로 한다.
상기 2세대 고온초전도 선재 수평방향으로 이동 가능한 지그를 이용하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
상기 초음파 용접 접합 이후에는, 상기 초음파 용접된 2세대 고온초전도 선재를 권선하여 코일 형상으로 형성하고, 상기 코일을 층상 구조가 되게 적층하며, 상기 코일 단말 사이를 2세대 고온 초전도 선재로 접합하여 전기적으로 도통하는 브릿지 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
우선, 초음파용접은 솔더나 필러와 같은 제3물질을 사용하지 않고, 가압상태에서 초음파 진동만으로 1초미만의 짧은 시간에 솔더링한 접합부보다 우수하거나 유사한 전기저항 및 접합강도를 제공한다는 측면에서 CC도체의 장선화를 위한 접합부 형성에 적용하는 것은 생산성 향상에 크게 기여한다. 단일 CC도체의 장선화에 적용될 뿐만 아니라, 코일과 코일간 전기적 연결을 위한 접합부에 사용되는 브릿지 형상 접합부 제작에도 손쉽게 적용할 수 있는 구조체를 짧은시간에 제작가능하고, 이때 초응파 용접된 CC도체는 임계전류와 같은 전기적 성능의 저하없이 짧은 시간에 적용이 가능하다. 아울러 솔더나 용제를 사용하지 않고 가열을 하지 않는다는 점에서 크린공정 실현 및 오염이나 손상을 막을 수 있다. 이 방법을 초음파용접된 또는 솔더링 적층된 적층CC도체의 다수 층 적층에도 동일하게 적용하면, 임계전류의 저하없이 대용량 전류를 통전할 수 있는 전류단자(current lead)제작 등이 가능하게 된다.
도 1(a)은 2세대 고온 초전도 선재의 겹치기 접합 예시도이다.
도 1(b)는 2세대 고온 초전도 선재의 맞대기 접합 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법의 예시도이다.
도 3은 혼과 엔빌의 구성 단면도이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법의 다른 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 용접기의 롤러형 혼과 롤러형 엔빌의 예시도이다.
도 6은 2세대 고온초전도 선재 접합시 초전도층이 마주보는 겹치기 접합구에서의 전류 흐름도이다.
도 7은 2세대 고온 초전도 선재의 코일간 접합부 구조체 제작 방법 예시도이다.
도 8은 초음파 용접한 접합부 길이에 따른 접합부 전기 저항을 나타낸 도표이다.
도 9는 초음파용접된 접합부 병렬 브릿지 구조체의 2세대 고온초전도 선재 간 전기적 연결 예시도이다.
도 10과 11은 코일층간 연결 접합부 구조체 제작 예시도이다.
도 1(b)는 2세대 고온 초전도 선재의 맞대기 접합 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법의 예시도이다.
도 3은 혼과 엔빌의 구성 단면도이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법의 다른 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 용접기의 롤러형 혼과 롤러형 엔빌의 예시도이다.
도 6은 2세대 고온초전도 선재 접합시 초전도층이 마주보는 겹치기 접합구에서의 전류 흐름도이다.
도 7은 2세대 고온 초전도 선재의 코일간 접합부 구조체 제작 방법 예시도이다.
도 8은 초음파 용접한 접합부 길이에 따른 접합부 전기 저항을 나타낸 도표이다.
도 9는 초음파용접된 접합부 병렬 브릿지 구조체의 2세대 고온초전도 선재 간 전기적 연결 예시도이다.
도 10과 11은 코일층간 연결 접합부 구조체 제작 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법의 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은 기판, 버퍼층, 초전도층, 안정화층으로 이루어진 2세대 고온초전도 선재를 상호 접합하는 방법에 있어서, 서로 접합하고자 하는 2세대 고온초전도 선재(10)의 단부를 겹쳐 초음파 용접하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
고온 초전도 전력기기 및 초전도마그네트에 사용되는 테이프 형상의 2세대 고온초전도 선재의 초전도체부는 금속 산화물이기 때문에 기계적으로 취약하며 금속 피복을 하여 테이프 모양으로 장선화 하여 사용된다.
여기서, 상기 2세대 고온초전도 선재(10)는 테이프 형상 외에도 코일 형상인 것을 특징으로 하여 실시할 수 있다.
따라서, 케이블 제작이나 코일형태로 적용하기 위해서는 장선재가 필요하다.
이들 2세대 고온초전도 선재를 사용하여 권선 제작시 및 극저온으로 냉각하여 큰 전류를 송전하게 되면, 여러 형태의 기계적인 굽힘, 인장 응력, 비틀림 응력 및 열변형 등에 의해 고온 초전도 계자 코일을 구성하는 CC(coated conductor)도체는, 임계전류(critical current, Ic)로 규정된, 흘릴 수 있는 전류가 크게 감소하는 특성이 있다.
여기서, CC도체는 2세대 고온초전도 선재를 의미하는 것이다.
상기 초음파 용접은 초음파 용접기의 엔빌(anvil,20)과 혼(horn,30) 사이에 상기 2세대 고온초전도 선재를 개재하여 압력을 가한 상태에서 수평방향으로 초음파 진동을 가하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 초전도용접 기술은 2세대 고온초전도 선재의 랩구조 겹치기 접합(lap-joint) 뿐만 아니라, 맞대기 접합(butt-joint) 구조에도 적용할 수 있다.
다층구조로 이루어진 2세대 고온초전도 선재의 기하학적 형상에 대하여 겹쳐진 도체에 가압한 상태에서 접촉한 혼과 엔빌을 통하여 초음파진동을 2세대 고온초전도 선재의 초전도층 면에 평행하게 가하여 초전도층의 손상을 막으면서 접합부 계면 연성재료간 용접 기술로서, 기존의 도체 접합에 사용되고 있는 솔더링의 경우와 같이 솔더/용재 또는 다른 필러재료를 사용하지 않고, 가열 시간없이 짧은 시간에 2세대 고온초전도 선재의 양호한 전기적 접합이 가능하다.
2세대 고온초전도 선재에 걸쳐 초음파 용접 방식을 적용함에 있어서 테이프형상 도체의 면내 고주파 진동을 부가함으로서 초전도층의 손상에 따른 2세대 고온 초전도 선재가 갖는 임계전류의 저하 없이 솔더링 접합부보다 낮은 접촉저항과 우수한 접합강도를 갖게 된다.
도 3은 혼과 엔빌의 구성 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 혼(30)과 엔빌(20) 각각에는 돌기(21,31)가 복수 개 돌출형성되어 상기 2세대 고온초전도 선재의 접합부를 국부적으로 가압하는 것을 특징으로 한다.
고온초전도 CC도체의 접합을 위해 초음파용접을 적용하는 경우, 접합되는 시료의 상부면과 하부면에 접촉하는 혼 팁면과 엔빌면은 상당한 거칠기를 갖는 작은 돌기로 구성되어 있어서, 선재 접합부에 돌기부의 가압에 의한 압입자국을 남기게 되고, 또한 가해진 초음파 가진은 계면부근의 연한 금속 재료의 급속 소성변형에 의한 가열로 가압하에서 접합부를 형성하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법의 다른 예시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 2세대 고온초전도 선재 사이에는, 접합부 접촉면 사이에 얇은 구리포일이나 알루미늄포일 등을 중간층(intermediate layer)으로 삽입한 상태에서 초음파용접(UW)를 통해 계면접합부 형성을 가능하게 하는 기술이다. 이때 초음파 진동은 겹치기 접합용 시험편 표면에 평행하게 가할 수 있다.
그래서, 상기 2세대 고온초전도 선재 수평방향으로 이동 가능한 지그를 이용하여 소정의 길이에 맞추어 초음파용접에 의해 접합하게 된다.
도 4에서 초음파용접 적용시 각형 혼과 엔빌 사이에 위치한 겹쳐진 시료를 이동시키거나 시료 지지부를 별도로 도입하여 혼과 엔빌을 단속적으로 작동하면 짧은 시간내에 CC도체간 접합부의 길이조절이 가능하게 된다.
그리고, 2세대 고온 초전도 선재를 싸고 있는 바깥 재질이 직접 초음파용접이 어려운 재질이거나, 솔더링이 어려운 스텐인레스강, 황동, 알루미늄합금, 마그네슘합금 등 재질로 구성된 경우, 접합부에 동이나 인듐, 은 박판 재료를 삽입하여 초음파용접을 적용하여 전기적 접촉저항이 우수한 접합부에 적용이 가능한 기술이다.
2세대 고온초전도 선재의 표면이 구리로 적층되어 있지 않는 경우는 겹쳐져 접합할 선재 사이에 얇은 구리박(foil)이나 은박(foil)을 삽입한 상태에서 초음파용접방법을 사용하여 고주파진동을 부가하여 2세대 고온초전도 선재와 구리박 간에 접합을 가능하게 하면서도 초전도체의 특성인 임계전류의 열화 없이 접합부를 형성할 수 있다.
그리고, 상기 초음파 용접 접합 이후에는, 상기 2세대 고온 초전도 선재 사이 계면에 은이나 인듐, 납을 함께 적용하여 접합부 전기저항을 저감하는 솔더링 공정이 더 구비되게 실시할 수 있다.
초음파 용접에 의한 접합부에 계면이 존재하는 경우에는 전기전도성이 좋은 은이나 인듐, 납을 함께 적용하여 접합부 전기저항을 더욱 저감케 하는 초음파용접+솔더링을 동시에 수행하는 초음파용접-솔더링 하이브리드 접합 기술로 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 용접기의 롤러형 혼과 롤러형 엔빌의 예시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 엔빌(20)과 상기 혼(30)은 각각 롤러 형상으로 형성되고, 상기 엔빌(20)은 모터(22)와 축 연결되어 회전 가능하며, 상기 혼(30)은 상부 지지대(32)에 구비된 축에 연결되어 회전을 허용하면서 진동을 부가하고, 상기 엔빌(20)의 축과 상기 혼의 축에 각각 구비된 기어(40,40')에 의한 동력이 전달되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 2세대 고온초전도 선재에 초음파용접 방법을 적용하였다는 측면에서, 그리고 기존의 솔더링 방식보다 낮은 접합부 전기저항 및 고 접합강도를 부여하는 접합방식이라는 측면에서도 의미가 크다.
도 6은 2세대 고온초전도 선재 접합시 초전도층이 마주보는 겹치기 접합구에서의 전류 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 초전도층끼리 마주보는 구조(face-to-face)에서는 상부 혼과 접촉하는 재료 및 하부측 엔빌에 접촉하는 재료가 고강도 Hastelloy 또는 스텐레스강으로 되어 있어서, 혼과 엔빌 돌기부의 가압에 의한 변형에 견딜 수 있고, 그로 인해 취성이 강한 초전도층의 기계적 변형을 막고 단지 면내 미세변위를 받게 된다.
따라서 초음파 진동이 가해지더라도 세라믹재료인 초전도층에 면외로의 변형은 일어나지 않고, 앞서 언급한 접합계면에 위치한 상대적으로 연한 재질인 구리층 부분이 가열되면서 고상접합을 일으키게 된다. 또한 접합부에서 전류패스상에 솔더층이 존재하지 않아서, 전기 저항을 줄이는데 있어서 도움이 된다.
특히, 초음파용접합 CC도체의 접합부에서 중요한 전기저항은 접합부 길이에 따라서 그 정도는 다르지만, 초음파용접한 CC도체의 경우가 종래의 솔더링 접합부와 비교하여 상대적으로 작거나 비슷한 정도의 접합부 전기저항을 가지는 반면 훨씬 큰 접합강도를 나타내었다.
이 경우에도 초전도층의 손상을 방지하고 접합부 저항을 저감하고, 접합강도를 높이기 위한 초음파용접 조건인 용접시간, 가압력, 초음파 진폭, 혼-엔빌간 간극, 혼/엔빌 팁 패턴 등 공정변수의 적절한 제어가 필요하다.
이를 통해 임계전류의 저하없이 대용량 전류를 통전할 수 있는 전류단자(current lead)제작 등이 가능하게 된다.
한편 2세대 고온초전도 선재 또는 다른 낮은 저항을 금속과의 사이에 형성되는 접합부의 기하학적 형상에 따라서 국부적인 점용접이 필요한 경우에는 혼의 형상을 달리하여 초음파 점용점(ultrasonic spot welding: USW)방식으로도 적용할 수 있고, 초전도선재 응용기기에서 요구되는 도체 접합부 접합저항에 맞춘 접합부길이에 적용할 수 있는 맞춤형 접합부의 설계 제작이 가능하다.
나아가 롤 형 혼과 엔빌을 사용하여 2세대 고온초전도 선재에 연속하여 초음파용접을 적용함으로서 솔더링방법에 의하지 않은 새로운 방식의 대용량 전류를 흘릴 수 있는 적층 CC도체(laminated coated conductors)를 만드는데 적용할 수 있다.
이 방법을 여러 장의 초음파용접 또는 솔더링 적층된 2세대 고온초전도 선재의 적층에도 적용하여 대용량 전류를 통전할 수 있는 전류리드(current lead)제작도 가능하게 된다.
또한, 초음파용접은 솔더를 필요치 않는 고상접합방식임으로, 솔더링시 요구되는 적정 용융온도를 갖는 솔더 및 플럭스의 선정과 같은 부가적인 수고를 필요로 하지 않고, 초전도선재를 사용한 전력기기의 코일 제작시 필요한 선재의 접합 및 코일 단말 부분에서의 이차적인 솔더링을 용이하게 가능케 하는 기술이다.
접합된 장선 2세대 고온초전도 선재는 초전도 코일이나 마그네트 권선에 사용되는데, 금속 산화물이기 때문에 기계적으로 약하며 안정화재나 다른 금속판으로 외부보강한 후 코일 형상으로 권선하여 사용된다.
따라서 2세대 고온초전도 선재는 코일의 권선, 냉각, 운전과정에서 가해지는 기계적인 굽힘, 인장 응력, 비틀림 응력 등에 의해 고온 초전도 코일의 임계전류가 감소하게 된다. 특히, 2세대 고온초전도 선재는 마그네트에 사용할 경우 팬케이크 모양의 코일로 제작되고 이 코일들이 여러 층 쌓아서 전자석을 만든다. 이 경우 코일들 사이의 전기적 연결을 위한 접합은 반드시 필요하며, 가능하면 접합 개소를 줄이기 위해 더블팬케이크 코일을 많이 사용하는데, 이 경우 코일들 간 전기적으로 접합하는 데는 여러 가지 방식이 있다.
통상, 무산소동과 같은 저저항의 금속을 코일과 코일을 연결하는 재료로 사용하게 되며, 이때 사용된 금속은 통상 저항을 가지고 있어서, 코일에 전류를 흘리면 이 저항에 의한 줄(Joule) 열이 발생하고, 이 열은 저온 유지를 위한 냉동기 부하로 작용하기 때문에 냉각시스템의 용량을 증대시키는 문제점이 있다.
이때 코일과 코일을 연결시키는 방법은 겹치기 접합 (lap joint)인데, 이 방법은 주로 솔더링 처리로 이루어지고 이를 위해 가열하게 되는데, 이로 인한 열팽창/열수축 등으로 2세대 고온초전도 선재의 가열부분 길이가 팽창하게 되고, 이로 인한 열응력 등 기계적인 부하에 약하다는 문제점이 있다. 또한 가열 및 솔더링 처리를 위한 긴 공정시간이 소요된다는 점을 고려하면, 초음파 용접을 통한 병렬 브릿지 접합부 구조체의 제작은 수초의 단시간에 이루어져 공정시간 단축에도 크게 기여하게 된다.
도 7은 2세대 고온 초전도 선재의 코일간 접합부 구조체 제작 방법 예시도이다.
도 7을 참조하면, 초음파용접 기술을 사용하여 그림 4와 같이 코일간 거리(d)를 갖는 배열된 2세대 고온초전도 선재의 개수에 따라서 접합부 전기접촉저항 및 정격전류 값이 규정된 접합부 브릿지 구조체를 짧은 시간에 제작이 가능하고, 솔더링의 경우와 같이 가열 등의 공정을 필요하지 않고 양호한 접합부 브릿지 구조체를 가능케 한다.
도 8은 초음파 용접한 접합부 길이에 따른 접합부 저항을 나타낸 도표이다.
도 8을 참조하면, 가로선(Joint Lenth)은 접합부 길이(mm)이고, 세로선(Joint resistance)은 결합 저항(nanoOhm)이다.
그래서, 대용량의 전류 통전을 위한 코일간 전기적 연결 접합시 현장 작업을 용이하게 하고, 이때 접합부 길이에 따른 접촉부 저항의 근사식은 다음 공식을 따른다.
여기서 n은 접합부 길이를 10mm의 n배로 나타낸 값이고, R10은 접합부 길이 10mm에 해당하는 접합부 전기저항(Ω)을 나타낸다.
도 9는 초음파용접된 접합부 병렬 브릿지 구조체의 2세대 고온초전도 선재 의 권선한 코일 간 전기적 연결 예시도이다.
도 9를 참조하면, 코일층간 즉 2세대 고온초전도 선재를 연결하기 위해 기존의 솔더링된 또는 다른 접합공정처리된 접합부 대신 2세대 고온초전도 선재를 병렬로 초음파 용접된 접합부 브릿지 구조체를 사용하여 고온초전도코일간 단말처리에 용이하게 적용한다.
여기서, 상기 2세대 고온초전도 선재는 안정화층이 솔더링 등에 의해서 적층된 상태여서 이들 2세대 고온초전도 선재 즉 코일 CC(coated conductor) 도체간 적진적 연결을 위해서는 추가적인 솔더링 등의 접합 작업이 필요하다. 이를 위해서는 코일 CC도체의 안정화층 적층(lamination)시 적용된 솔더의 용융온도 보다 낮은 용융온도에서 솔더를 사용하여야 하고 가열시 이전에 행한 솔더가 용융을 일으키지 않도록 하는 등의 조치가 필요한 바, 본 발명으로 구현한 초음파용접된 맞춤형(tailor-made) 병렬 브릿지 접합부 구조체를 적용함으로 이러한 문제를 해결하면서 단시간에 양호한 단말부를 제작할 수 있다.
즉, 앞서 상기 초음파 용접 접합 이후에는 상기 초음파 용접된 2세대 고온초전도 선재를 권선하여 코일 형상으로 형성하고, 상기 코일을 층상 구조가 되게 적층하며, 상기 코일 단말 사이를 2세대 고온 초전도 선재로 접합하여 전기적으로 도통하는 브릿지 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 10과 11은 코일층간 연결 접합부 구조체 제작 예시도이다.
도 10을 참조하면, 2세대 고온초전도 선재인 코일이 간격없이 나란하게(평행하게) 접합하는 경우뿐만 아니라 권선된 코일의 단말간 접합부 형성 도11 에도 초음파용접으로 제작한 병렬 브릿지 구조체를 적용할 수 있고, 초음파용접으로 임계전류의 열화없이 코일간 단말에 다양한 형태의 접합부 브릿지 구조체를 제작 형성케 하여 코일 설계를 용이하게 한다.
또한, 코일에 사용된 CC선재보다 넓은 광폭의 CC도체를 사용하는 경우, 브릿지 구성시 좁은 폭을 갖는 CC선재의 경우에 있어서 여러 개를 사용하는 대신 한 개의 브릿지로 길이만 조절하여 초음파용접을 실시하여 쉽게 구성할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.
10: 2세대 고온초전도 선재 20: 엔빌
30: 혼 31,21: 돌기
40,40': 기어 22: 모터
30: 혼 31,21: 돌기
40,40': 기어 22: 모터
Claims (10)
- 기판, 버퍼층, 초전도층, 안정화층으로 이루어진 2세대 고온초전도 선재를 상호 접합하는 방법에 있어서,
서로 접합하고자 하는 2세대 고온초전도 선재의 단부를 겹치거나 또는 맞대어 초음파 용접하여 접합하되,
상기 초음파 용접은 초음파 용접기의 엔빌(anvil)과 혼(horn) 사이에 상기 2세대 고온초전도 선재를 개재하여 수평방향으로 초음파 진동을 가하되, 상기 혼과 엔빌 각각에는 돌기가 복수 개 돌출형성되어 상기 2세대 고온초전도 선재의 접합부를 국부적으로 가압하는 것을 특징으로 하는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법. - 제1항에 있어서,
상기 초음파 용접 접합 이후에는,
상기 2세대 고온 초전도 선재 사이 계면에 은이나 인듐, 납을 함께 적용하여 접합부 전기저항을 저감하는 솔더링 공정이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 엔빌과 상기 혼은 각각 롤러 형상으로 형성되고,
상기 엔빌은 모터와 축 연결되어 회전 가능하며,
상기 혼은 상부 지지대에 구비된 축에 연결되어 회전을 허용하고, 상기 엔빌의 축과 상기 혼의 축에 각각 구비된 기어에 의한 동력이 전달되는 것을 특징으로 하는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 2세대 고온초전도 선재는,
테이프 형상 또는 코일 형상인 것을 특징으로 하는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법. - 제1항에 있어서,
상기 2세대 고온초전도 선재는,
외면에 구리 도금되어 있거나 금속 안정화층이 부가 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법. - 제1항에 있어서,
상기 2세대 고온초전도 선재 사이에,
구리박 ,은박, 알루미늄박 중 어느 하나를 삽입하여 초음파 용접하는 것을 특징으로 하는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법. - 제1항에 있어서,
상기 2세대 고온초전도 선재 수평방향으로 이동 가능한 지그를 이용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법. - 제1항 또는 7항에 있어서,
상기 초음파 용접 접합 이후에는,
상기 초음파 용접된 2세대 고온초전도 선재를 권선하여 코일 형상으로 형성하고, 상기 코일을 층상 구조가 되게 적층하며, 상기 코일 단말 사이를 2세대 고온 초전도 선재로 접합하여 전기적으로 도통하는 브릿지 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법.
Priority Applications (2)
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| KR1020130158224A KR101466799B1 (ko) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020130158224A KR101466799B1 (ko) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130158224A KR101466799B1 (ko) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | 2세대 고온초전도 선재의 초음파용접 접합방법 |
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| KR (1) | KR101466799B1 (ko) |
| WO (1) | WO2015093766A1 (ko) |
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