KR101535272B1 - 한류기의 초전도 한류소자 및 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직선형의 초전도선재를 적층하여 한류소자를 직렬로 구성하거나, 또는 동일한 층에서 적어도 하나 이상의 초전도선재가 구비되도록 적층하여 한류소자를 병렬로 구성할 수 있어 한류소자를 직렬 및 병렬로 용이하게 구성할 수 있고, 한류소자 구성시 권선기가 불필요한 한류기의 초전도 한류소자 및 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 일직선으로 연장 형성되어 적어도 하나 이상으로 적층되는 초전도선재와, 상기 적층된 초전도선재의 사이에서 초전도선재의 양측 말단부에 각각 배치되되, 각 층마다 서로의 위치가 교차하도록 배치되는 접속블록과 절연블록 및 상기 적층된 초전도선재 중에서 최상층에 배치되는 초전도선재의 일 측단부와 최하층에 배치되는 초전도선재의 일측단부에 각각 구비되는 터미널을 포함한다.

Description

한류기의 초전도 한류소자 및 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법{SUPERCONDUCTING CURRENT LIMITING ELEMENT OF FAULT CURRENT LIMITER AND METHOD OF MAKE IT}

본 발명은 직선형의 초전도선재를 적층하여 한류소자를 직렬로 구성하거나, 또는 동일한 층에서 적어도 하나 이상의 초전도선재가 구비되도록 적층하여 한류소자를 병렬로 구성할 수 있어 한류소자를 직렬 및 병렬로 용이하게 구성할 수 있고, 한류소자 구성시 권선기가 불필요한 한류기의 초전도 한류소자 및 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.

요즘국내의 전력개통은 지속적으로 증가하는 전력부하로 인해 계통의 예상 사고전류는 점점 더 증가하는 추세이며 또한, 국내 계통의 경우에 상대적으로 국토가 협소하여 계통 선로의 길이가 상대적으로 짧으며 유지보수의 유연성을 위해 계통을 서로 연계하여 사용하고 있으므로 사고전류는 더욱 증가하는 추세에 있다.

따라서 국내 송전선로에 기 설치된 일부 차단기를 새로운 차단기로 교체하거나 선로를 분리해야 하는 상황이며, 이러한 문제를 해결하기 위해서 전력계통의 사고전류를 기 설치된 차단기의 차단용량 이하로 제감 혹은 제한할 수 있는 새로운 전력기기인 한류기가 제안되고 있다.

전력계통에서의 한류기의 역할은 계통사고로 인한 고장전류 발생시 부스바, 애자, 차단기 등에 가해지는 기계적, 열적, 전기적 스트레스를 제한하는 것으로서, 계통 고장전류의 지속적인 상승과 이에 부응하는 전력기기 개발이 난이함으로 인해 전술한 바와 같이 고장전류 제어가 가능한 한류소자에 대한 요구가 급증하고 있다.

하지만 실제적으로 계통에 적용 가능한 한류기술의 개발은 기술적 어려움과 상업화의 난점으로 인해 지연되어 왔으나, 고온 초전도체가 발견되면서 이 새로운 소자의 비선형적인 전압-전류 특성을 적용한 한류기의 개발 가능성이 대두되었고, 1987년부터 액체질소를 냉매로 사용하는 고온 초전도한류기 개발이 본격적으로 시작되었다.

그리고 전술한 초전도한류기에 사용되는 초전도소자는 근래에 들어 초전도권선을 이용한 저항형 초전도한류기로 발전하여 사용되고 있는데, 즉 자석형태의 권선을 하여 모듈화 한 후 이러한 모듈을 직ㅇ병렬로 연결하여 구성되는 형태로 발전되었는데, 전술한 모듈의 형태는 권선하는 방법에 따라 크게 솔레노이드(solenoid)형태와 팬케이크(pancake)형태로 크게 구분되어 진다.

그리고 전술한 저항형 한류기 및 한류모듈은 초전도체의 특수성 때문에 냉각을 하여야 하는데, 즉 일정 온도 이하가 되어야 초전도체는 손실이 없는 상태로 남게 되며, 상기 한류기에 사용되는 초전도체인 경우 사고전류 발생 시 아주 큰 값을 갖는 전류가 흐르게 된다.

여기서 이 전류는 임계전류 이상이 되는 켄치(Quench)전류라고 불리며, 정상운전 시의 저항이 거의 무시되다가 순간적으로 큰 저항을 띄게 되어 주울 열(joule heat)을 발생 시키게 되는데, 이렇게 발생된 주울 열은 주변의 냉각매체에 의해 배출되어져 초전도 한류소자를 전기적/열적으로 변화가 없이 안정적으로 동작하게 만들어 준다.

종래의 초전도 자석 및 한류기 모듈용 더블 팬케이크 형태의 구성은 팬케이크형태로 권선되어진 초전도 소재의 중간에 절연체를 두어 바로 권선하여 이 모듈을 직렬로 연결하여 큰 자속밀도가 발생하도록 제작하였다.

또한 전류의 방향도 같은 방향이 되도록 하여 항상 초전도권선 모듈에 큰 외부 기계력이 작용하여 안정도에 걸림돌로 작용하였다.

운전중 국부적인 주울열 발생을 효과적으로 막기 위한 냉각채널이 존재하지 않고 단지 권선된 상부면과 하부면에서만 냉매가 열을 방출하고 내부는 전도에 의해서 냉각되도록 제작되었다.

그러나 전술한 바와 같이 팬케이크의 형태로 권선되어 제작된 초전도권선은 위쪽으로 여러 개의 모듈을 쌓아 서로의 끝부분을 연결시키고 전류의 방향이 같은 방향으로 흘러가도록 제작되었다.

또한 같은 방향의 전류에 의해 발생된 각 모듈의 자기장은 서로 중첩되어 내부에 일정 방향의 자계를 형성하게 되며, 무유도성 권선을 위해서는 각 모듈을 서로 다른 방향으로 접합하여 전류의 방향이 서로 반대가 되도록 위치시켰다.

이는 한 모듈에서 발생되는 같은 크기의 자기장을 반대방향이 되도록 하여 서로의 자계를 상쇄시키는 결과를 가지며, 유도성 성분이 줄어들어 내부의 자속은 없어져 무유도 권선이 된다.

상기와 같은 구조를 가지는 초전도 자석 및 한류기 모듈용 더블 팬케이크 형태의 구성은 팬케이크 형태의 권선을 위로 쌓는 방식이며 냉각채널이 없이 권선 내부는 모두 전도에 의해 열을 방출시키도록 설계 되어 있고, 상기 초전도 테이프의 날카로운 양 끝 부분만이 냉매에 노출되어 열을 냉매로 방출하도록 하는 구조로 되어 있다.

그로 인하여 전술한 초전도 자석 및 한류기 모듈용 더블 팬케이크 형태의 구성은 사고전류에 의해 생겨난 열에너지를 원활히 방출하지 못한다는 문제점과 정상운전을 위한 회복특성이 저하된다는 문제점이 있다.

또한 정상상태 운전시의 기계적인 충격에 의한 안정도 확보를 위해 에폭시와 같은 열전도도가 떨어지는 물질을 표면에 함침 하여야 함으로 인해 전술한 바와 같은 열에너지의 방출을 더욱 어렵게 만든다는 문제점이 있다.

이와 관련한 선행기술로, 국내 공개특허공보 제2007-0068929호(초전도한류기의 한류모듈, 2007.07.02. 공개)가 있다.

본 발명은 일직선으로 연장 형성된 바 형상의 초전도선재를 이용함으로써 권선기를 필요로 하지 않고 한류소자를 구성할 수 있는 한류기의 초전도 한류소자를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 바 형상의 초전도선재를 복수로 적층함으로써 한류소자를 직렬로 확장하기가 용이한데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 접속블록 및 절연블록의 두께를 확장하거나 축소함으로써 적층된 초전도선재의 간격 조절이 용이한데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 접속블록 및 절연블록의 면적을 확장하거나 축소함으로써 각 층에 하나 이상의 초전도선재를 병렬로 배치하여 한류소자를 병렬로 확장하기가 용이한데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,

본 발명은, 일직선으로 연장 형성되어 적어도 하나 이상으로 적층되는 초전도선재와, 상기 적층된 초전도선재의 사이에서 초전도선재의 양측 말단부에 각각 배치되되, 각 층마다 서로의 위치가 교차하도록 배치되는 접속블록과 절연블록 및 상기 적층된 초전도선재 중에서 최상층에 배치되는 초전도선재의 일 측단부와 최하층에 배치되는 초전도선재의 일측단부에 각각 구비되는 터미널을 포함한다.

상기 초전도선재는, 일직선으로 연장 형성된 기판의 일측면에 초전도체가 구비되는 바(bar) 형상인 것을 특징으로 한다.

상기 접속블록은, 상기 초전도선재와 접하는 양측면에서 함몰되어 상기 초전도선재의 양측 말단부가 안착되는 안착홈이 형성된다.

상기 접속블록은, 상기 안착홈의 둘레를 따라 단턱을 형성하도록 상기 안착홈보다 작은 깊이로 함몰되는 제1장착홈 및 상기 제1장착홈에 장착되어 상기 안착홈에 안착되는 초전도선재를 커버하는 접속캡을 포함한다.

상기 절연블록은, 상기 절연블록의 양측면에서 함몰되어 상기 절연블록 증 어느 하나의 상부와 하부에 배치되는 상기 접속블록이 안착되는 제2장착홈이 구비된다.

상기 안착홈에 안착되는 초전도선재 말단부의 일측면과 상기 안착홈의 사이와, 상기 초전도선재 말단부의 일측면에 대향되는 타측면과 상기 접속캡 사이에 각각 솔더가 구비되어 상기 초전도선재와 접속블록이 접합된다.

상기 솔더는 공정온도가 0초과 100℃미만인 것을 특징으로 한다.

상기 적층된 초전도선재 중 최상층에 배치되는 초전도선재의 양 측부와, 최하층에 배치되는 초전도선재의 양 측부에 구비되는 한 쌍의 클램프 및 양측 말단부가 상기 한 쌍의 클램프에 각각 결합되는 지지바를 더 포함한다.

상기 지지바는, 상기 지지바의 양측 말단부가 상기 한 쌍의 클램프를 관통하고, 상기 클램프를 관통하여 돌출된 지지바의 말단부에는 상기 한 쌍의 클램프가 서로 밀착되는 방향으로 클램프를 탄지하는 탄성부재가 더 구비된다.

상기 초전도선재가 적층된 높이 방향으로 연장 형성되고, 연장되는 방향을 따라 일정 간격으로 관통공이 형성된 홀더가 상기 적층된 초전도선재의 양 측부에 한 쌍으로 배치되고, 상기 관통공에 관통 삽입되어 상기 한 쌍의 홀더에 양측 말단부가 지지되는 스페이서가 더 구비된다.

상기 홀더는, 상기 홀더가 연장된 방향을 따라 함몰되어 그 내측에 상기 관통공이 형성되는 요홈이 형성되고, 상기 요홈에는 접착제가 충진된다.

상기 적층된 초전도선재는, 각 층에서 적어도 하나 이상의 초전도선재가 동일한 접속블록 및 절연블록에 접하도록 병렬로 연결될 수 있다.

상기 클램프 및 지지바는, 상기 안착홈에 안착되는 초전도선재 말단부의 일측면과 상기 안착홈의 사이와, 상기 초전도선재 말단부의 일측면에 대향되는 타측면과 상기 접속캡 사이에 각각 구비되는 솔더를 이용하여 상기 초전도선재와 접속블록의 접합공정이 완료된 후 상기 초전도선재로부터 탈착한다.

상기와 같은 한류기와 초전도 한류소자를 제작하는 방법은, 바 형상의 초전도선재 양측 말단부에 접속블록과 절연블록을 각각 배치하되, 상기 접속블록과 절연블록의 위치가 상호 교차하도록 하면서 상기 초전도선재와 접속블록 및 절연블록을 적층하는 적층단계와, 상기 적층된 초전도선재 중 최상층의 초전도선재와 최하층의 초전도선재의 양측 측부에 각각 클램프를 결합하고, 동일한 열을 이루는 한 쌍의 클램프를 지지바로 결합시켜 적층된 초전도선재에 압력을 가하는 체결단계와, 상기 적층된 초전도선재의 사이에 상기 초전도선재의 길이방향에 수직하도록 복수의 스페이서를 관통시키고, 서로 다른 층에서 동일한 열을 이루는 스페이서의 양측 말단부가 홀더에 결합시키는 간격유지단계 및 상기 초전도선재와 접속블록 및 절연블록을 접합하는 접합단계를 포함한다.

상기 적층단계는, 상기 접속블록이 초전도선재와 접하는 양측면에서 함몰된 안착홈에 솔더를 구비하여 상기 초전도선재의 말단부를 안착시키는 제1과정과, 상기 안착홈에 안착된 초전도선재의 말단부에 또 다른 상기 솔더를 구비하고 상기 안착홈의 둘레를 따라 단턱을 형성하도록 상기 안착홈보다 작은 깊이로 함몰되는 제1장착홈에 접속캡을 장착하는 제2과정과, 상기 절연블록의 양측면에서 함몰된 제2장착홈에 상기 접속캡이 장착된 접속블록이 일면을 안착시키는 제3과정 및 상기 제3과정 후 최상층에 배치되는 초전도선재와 최하층에 배치되는 초전도선재에 각각 터미널을 장착하는 제4과정을 포함한다.

상기 접합단계는, 상기 적층된 초전도선재를 오븐에 넣어 가열한다.

상기 접합단계는, 상기 오븐 내에서 0 초과 100℃ 미만으로 가열한다.

상기 체결단계에서, 상기 지지바의 양측 말단부에 구비되어 단일한 지지바에 의해 결합된 한 쌍의 클램프가 서로 밀착되는 방향으로 탄지하는 탄성부재가 구비된다.

상기 적층단계는, 동일한 층에서 적어도 하나 이상의 초전도선재를 병렬로 배치하여 적층할 수 있다.

상기와 같은 과제의 해결 수단에 의하여,

본 발명은, 일직선으로 연장 형성된 바 형상의 초전도선재를 이용함으로써 권선기를 필요로 하지 않는 효과가 있다.

그리고 바 형상의 초전도선재를 복수로 적층함으로써 한류소자를 직렬로 확장하기가 용이하며, 이와 같이 직렬로 확장하여도 전류 방향에 따른 턴간 전압이 항상 일정한 효과가 있다.

이에 따라, 한류소자를 직렬로 확장하여도 추가적인 절연을 필요로 하지 않는 효과가 있다.

그리고 접속블록 및 절연블록의 두께를 확장하거나 축소함으로써 적층된 초전도선재의 간격 조절이 용이하여 각 층의 초전도선재에서 서로 반대 방향으로 흐르는 전류의 교류 손실과 냉각성능 중 중요한 요소에 따라 적합한 설계를 할 수 있는 효과가 있다.

또, 접속블록 및 절연블록의 면적을 확장하거나 축소함으로써 각 층에 하나 이상의 초전도선재를 병렬로 배치하여 한류소자를 병렬로 확장하기가 용이한 효과도 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 한류소자의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는, 도 1의 한류소자를 도시한 측면도.
도 3은, 본 발명에 따른 접속블록을 도시한 도면.
도 4는, 본 발명에 따른 접속블록에 초전도선재를 안착시키는 일실시예를 도시한 도면.
도 5는, 본 발명에 따른 접속블록에 초전도선재를 안착시키는 다양한 실시예를 도시한 도면.
도 6는, 도 4의 A-A단면을 도시한 도면.
도 7은, 본 발명에 따른 절연블록을 도시한 도면.
도 8은, 본 발명에 따른 초전도선배와 접속블록 및 절연블록을 결합하는 구성을 도시한 도면.
도 9는, 본 발명에 따른 한류소자를 접합하기 위한 실시예를 도시한 도면.
도 10은, 본 발명에 따른 홀더와 스페이서를 도시한 도면.
도 11은, 본 발명에 따른 한류소자를 도시한 사시도.
도 12는, 본 발명에 따른 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법을 도시한 순서도.
도 13은 도 12의 적층단계를 도시한 순서도.
도 14는, 상전도 저항을 포함하여 임계전류를 측정한 그래프를 도시한 도면.
도 15는, 상전도 저항을 제거하여 임계전류를 측정한 그래프를 도시한 도면.
도 16은, 각 층의 초전도선재의 턴간 간격에 따른 교류 손실 정도의 그래프를 도시한 도면.
도 17은, 본 발명에 따른 한류소자의 교류 손실 정도의 그래프를 도시한 도면.
도 18은, 도 17의 B 영역을 확대 도시한 도면.
도 19는, 본 발명에 따른 한류소자의 고장 전류에 대한 단락특성을 도시한 도면.
도 20은, 도 19에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시한 도면.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서, 반복되는 설명과 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

그리고 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 한류소자의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는, 도 1의 한류소자를 도시한 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 한류기의 초전도 한류소자를 설명하면, 일직선으로 연장 형성되어 적어도 하나 이상으로 적층되는 초전도선재(100)와, 상기 적층된 초전도선재(100)의 사이에서 초전도선재(100)의 양측 말단부에 각각 배치되되, 각 층마다 서로의 위치가 교차하도록 배치되는 접속블록(200)과 절연블록(300) 및 상기 적층된 초전도선재(100) 중에서 최상층에 배치되는 초전도선재(100)의 일 측단부와 최하층에 배치되는 초전도선재(100)의 일측단부에 각각 구비되는 터미널(500)을 포함한다.

도 2를 참조하여 상술한 구성에 따른 한류소자에서 전류가 흐르는 예시를 설명하면, 상부에 위치한 터미널(500)을 통해 전류가 유입되면 최상층의 초전도선재(100)를 따라 터미널(500)의 반대측으로 전류가 흐르고 그 하부에 접속블록(200)을 통해 바로 아래층의 초전도선재(100)로 유입된다. 그리고 접속블록(200)의 반대측으로 전류가 흘러서 다시 그 하부에 구비된 접속블록(200)을 통해 바로 아래층의 초전도선재(100)를 따라 전류가 흐르게 된다.

상기 터미널(500)은 도 2의 (a)와 도 2의 (b)에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 한류소자의 설계에 따라 자유로운 위치에 장착이 가능하다.

이 때 상기 접속블록(200)의 반대 측에는 상기 절연블록(300)이 구비됨으로써 전류가 상부에 구비된 터미널(500)에서 하부에 구비된 터미널(500)로 바로 흐르지 않고, 적층된 초전도선재(100)를 따라 지그재그로 흐를 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에서 상기 초전도선재(100)는 일직선으로 연장 형성된 기판(110)의 일측면에 초전도체(120)가 구비되는 바(bar) 형상인 것을 기술적 특징으로 한다.

도 3은, 본 발명에 따른 접속블록(200)을 도시한 도면이고, 도 4는, 본 발명에 따른 접속블록(200)에 초전도선재(100)를 안착시키는 일실시예를 도시한 도면이다.

상기 접속블록(200)은 적층된 초전도선재(100) 사이에서 각 층의 초전도선재(100)로 전류가 흐를 수 있도록 하는 것으로, 본 발명에서는 전도율이 우수한 구리를 이용하여 제작하였다.

상기 접속블록(200)은 초전도선재(100)와 접하는 양측면에서 함몰되어 상기 초전도선재(100)의 양측 말단부가 안착되는 안착홈(210)이 형성된다.

도 4를 보면, 상기 안착홈(210)의 한편으로 초전도선재(100)가 안착되어 있으며, 그 옆으로 또 다른 초전도선재(100)를 안착시키게 되면 전류가 흐를 수 있는 초전도선재(100)의 면적이 2배로 증가하고, 이처럼 상기 접속블록(200)과 안착홈(210)의 면적을 증대시킴으로써 본 발명에 따른 한류소자의 병렬 확장이 용이한 이점이 있다.

상술한 바와 같이, 상기 초전도재는 일면에 기판(110)이 구비되고, 그 반대면에는 초전도선재(100)가 구비되는데, 이러한 구조에 의해 도 1 및 도 2와 같이 상기 초전도선재(100)를 적층하는 경우 상기 접속블록(200)의 양측면에 형성되는 안착홈(210) 중 어느 하나에는 상기 초전도선재(100)의 기판(110)이 접하게 된다.

이에 따라 상기 초전도선재(100)의 기판(110)과 접하는 접속블록(200)의 사이에서는 그만큼 저항이 증가하게 되어 전류의 손실이 발생한다.

이를 해결하기 위해 본 발명에서는, 상기 접속블록(200)에, 상기 안착홈(210)의 둘레를 따라 단턱을 형성하도록 상기 안착홈(210)보다 작은 깊이로 함몰되는 제1장착홈(220) 및 상기 제1장착홈(220)에 장착되어 상기 안착홈(210)에 안착되는 초전도선재(100)를 커버하는 접속캡(230)을 포함한다.

상기 제1장착홈(220)은 상기 안착홈(210)의 둘레를 따라 더 작은 깊이로 함몰되어 띠를 이루고, 상기 접속캡(230)의 가장자리가 접하게 됨으로써 상기 접속캡(230)과 초전도선재(100)의 초전도체(120)를 통해 흐르는 전류가 접속캡(230)을 통해 접속블록(200)으로 인가될 수 있도록 한다.

도 5는, 본 발명에 따른 접속블록(200)에 초전도선재(100)를 안착시키는 다양한 실시예를 도시한 도면이다.

도 5는 기판(110)과 초전도체(120)로 이루어지는 초전도선재(100)의 접합면에 따른 저항을 측정한 예로써, 도 5의 (a)의 경우에는 접합저항이 약 0.3μΩ의 저항이 발생하였고, 도 5의 (b)의 경우에는 접합저항이 크게 증가하여 약 7μΩ의 저항이 발생하였다.

바 형상의 초전도선재(100)를 이용한 기본 접합인 도 5의 (c)의 경우에는 그 중간인 약 3.7μΩ의 접합저항이 발생하였고, 본 발명에서 상기 접속캡(230)을 구비함에 따라 바람직한 실시예가 도시된 도 5의 (d)는 접합저항이 0.47μΩ로 접합저항이 가장 작은 도 5의 (a)에 근접한 결과가 도출되었다.

이처럼 도 5의 (d)와 같은 방법에 의해 접합저항을 최소화한 예로써, 도 6는, 도 4의 A-A단면을 도시한 도면이다.

즉, 본 발명에 따른 초전도 한류소자는 바 형상의 초전도선재(100)를 이용하여 한류소자를 직렬로 확장하더라도 전류의 흐름 방향이 전환되는 턴간 전압이 증가하지 않고 항상 일정하게 할 수 있으므로 추가적인 절연을 하지 않고 직렬 확장을 할 수 있는 이점이 있다.

도 7은, 본 발명에 따른 절연블록(300)을 도시한 도면이다.

상기 절연블록(300)은 그 양측면에서 함몰되어 상기 초전도선재(100)를 사이에 두고 상기 절연블록(300) 중 어느 하나의 상부와 그 하부에 배치되는 상기 접속블록(200)이 안착되는 제2장착홈(310)이 구비된다.

따라서, 상기 절연블록(300)은 상기 접속블록(200)보다 더 큰 면적으로 형성된다.

도 8은, 본 발명에 따른 초전도선배와 접속블록(200) 및 절연블록(300)을 결합하는 구성을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 상기 접속블록(200)을 기준으로 그 양측면에는 각각 초전도선재(100)가 배치된다.

초전도선재(100)의 말단부는 일면은 기판(110), 그 반대면은 초전도체(120)가 각각 노출되어 있고, 나머지부분은 절연재로 피복되어 있다.

상기 초전도선재(100)에서 외부로 노출된 기판(110)과 초전도체(120)의 각 상면에는 시트형상의 솔더(400)를 구비한다.

상기 솔더(400)는 열을 가함으로써 상기 초전도선재(100)와 접속블록(200)을 결합한다.

상기 솔더(400)에 의해 양측면에 커버된 초전도선재(100)의 말단부를 접속블록(200)의 안착홈(210)에 각각 안착시키고, 다시 제1장착홈(220)에 상기 접속캡(230)을 장착한다.

상기 접속캡(230)이 완전히 장착된 접속블록(200)의 양측면에는 상기 절연블록(300)을 각각 배치하여 상기 제2장착홈(310)에 접속블록(200)이 안착되도록 한다.

여기에서 도 8에 도시되어 있지는 않지만, 상기 두 개의 초전도선재(100) 사이에 배치되는 접속블록(200)의 반대측에는 상기 절연블록(300)이 배치되도록 절연블록(300)과 접속블록(200)을 서로 지그재그로 배치한다.

도 9는, 본 발명에 따른 한류소자를 접합하기 위한 실시예를 도시한 도면이다.

상기 솔더(400)는 열을 가하면 융해되어 상기 초전도선재(100)를 상기 접속블록(200) 및 접속캡(230)과 결합될 수 있도록 하기 위한 것으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 도 8에 도시된 방법으로 한류소자의 구성이 완료되면 이를 오븐에 넣어 열을 가하게 된다.

이 때, 각 층의 초전도선재(100)가 서로 이격되어 한류소자에 불량이 발생하지 않도록 적층된 초전도선재(100)를 견고이 고정시키기 위하여 본 발명에서는, 상기 적층된 초전도선재(100) 중 최상층에 배치되는 초전도선재(100)의 양 측부와, 최하층에 배치된 초전도선재(100)의 양 측부에 구비되는 한 쌍의 클램프(10) 및 양측 말단부가 상기 한 쌍의 클램프(10)에 각각 결합되는 지지자를 포함한다.

상기 한 쌍의 클램프(10)는 적층된 초전도선재(100)의 상부와 하부에 각각 배치되며, 균일한 압력을 위해 상기 초전도선재(100)의 양 측면에 각각 한 쌍의 클램프(10)를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 클램프(10)는, 초전도선재(100)의 길이에 따라 복수로 구비될 수 있다.

상기 지지바(20)는 상기 초전도선재(100)가 적층된 높이방향으로 직립하여 상기 초전도선재(100)의 상부와 하부에 각각 구비된 클램프(10)가 서로 견고히 고정되도록 한다.

상기 솔더(400)는 초전도선재(100)가 오븐 내에서 열로 인하여 파손되는 것을 방지하기 위해 그 공정온도가 0초과 100℃미만인 것을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 오븐에 한류소자를 넣고 열을 가하면 상기 솔더(400)가 녹게 되는데, 이 때 상기 솔더(400)가 녹음으로 인하여 상기 초전도선재(100)와 접속블록(200) 및 접속캡(230) 사이가 이격될 수 있으며, 이는 하류소자의 불량 원인이 된다.

이를 방지하기 위해 상기 지지바(20)는 양측 말단부가 이에 결합되는 한 쌍의 클램프(10)를 각각 관통하고, 상기 클램프(10)를 관통하여 돌출된 지지바(20)의 말단부에는 상기 한 쌍의 클램프(10)가 서로 밀착되는 방향으로 클램프(10)를 탄지하는 탄성부재가 구비됨으로서 상기 솔더(400)가 녹을 때 상기 접속캡(230)과 안착홈(210) 사이에서 초전도선재(100)와의 이격을 방지한다.

본 발명에서는 상기 탄성부재로써 상기 지지바(20)와 클램프(10) 결합시 스프링너트(미도시)를 이용하였다.

한편, 상기 클램프(10)와 지지바(20)에 의해 적층된 초전도선재(100)들은 서로 압축력이 가해지는데, 상기 초전도선재(100)의 중앙부분에 휨이 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위해 본 발명은 상기 초전도선재(100) 사이에 스페이서(40)를 구비하고 상기 스페이서(40)의 양측에 결합되어 스페이서(40)를 고정하는 홀더(30)를 포함한다.

도 10은, 본 발명에 따른 홀더(30)와 스페이서(40)를 도시한 도면이다.

상기 홀더(30)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 초전도선재(100)가 적층된 높이 방향으로 연장형성되고, 연장되는 방향을 따라 일정 간격으로 관통공(31)이 형성되어 적층된 초전도선재(100)의 양 측부에 한 쌍으로 배치된다.

상기 스페이서(40)는 적층된 초전도선재(100)들의 사이에 관통 삽입되어 초전도선재(100)의 양 측부에 구비되는 한 쌍의 홀더(30)에 의해 지지된다.

상술한 바에 따르면, 본 발명의 한류소자의 초전도선재(100) 사이 간격은 상기 접속블록(200)과 절연블록(300)의 두께를 조절하여 용이하게 설정할 수 있는데, 이에 맞추어 상기 복수의 관통공(31) 중에 적합한 곳에 스페이서(40)를 장착할 수 있다.

특히 상기 홀더(30)는, 그 연장된 방향을 따라 함몰되어 상기 관통공(31)이 함몰된 내측에 형성되는 요홈(32)이 구비되며, 상기 홀더(30)와 스페이서(40)를 결함한 후에 상기 요홈(32)에 접착제를 충진하여 홀더(30)와 스페이서(40)를 견고히 결합시킨다.

상기 클램프(10)와 지지바(20)의 경우에는 상기 오븐에서 솔더(400)의 공정작업 후 해체하게 되나, 상기 홀더(30)와 스페이서(40)는 도 11에 도시된 본 발명에 따른 한류소자에서 확인되는 바와 같이, 한류소자에 장착된 상태로 이용되며, 극저온의 온도에서도 상기접착제의 접착력이 저하되지 않도록 상기 접착제로써 에폭시를 이용하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 한류기의 초전도 한류소자는 다음과 같은 제작방법에 의해 제작된다.

도 12는, 본 발명에 따른 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법을 도시한 순서도이고, 도 13은 도 12의 적층단계를 도시한 순서도이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 바 형상의 초전도선재(100) 양측 말단부에 접속블록(200)과 절연블록(300)을 각각 배치하되, 상기 접속블록(200)과 절연블록(300)의 위치가 상호 교차하도록 하면서 상기 초전도선재(100)와 접속블록(200) 및 절연블록(300)을 적층하는 적층단계(S100)와, 상기 적층된 초전도선재(100) 중 최상층의 초전도선재(100)와 최하층의 초전도선재(100)의 양측 측부에 각각 클램프(10)를 결합하고, 동일한 열을 이루는 한 쌍의 클램프(10)를 지지바(20)로 결합시켜 적층된 초전도선재(100)에 압력을 가하는 체결단계(S200)와, 상기 적층된 초전도선재(100)의 사이에 상기 초전도선재(100)의 길이방향에 수직하도록 복수의 스페이서(40)를 관통시키고, 서로 다른 층에서 동일한 열을 이루는 스페이서(40)의 양측 말단부가 홀더(30)에 결합시키는 간격유지단계(S300) 및 상기 초전도선재(100)와 접속블록(200) 및 절연블록(300)을 접합하는 접합단계(S400)를 포함한다.

상기 적층단계(S100)는, 상기 접속블록(200)이 초전도선재(100)와 접하는 양측면에서 함몰된 안착홈(210)에 솔더(400)를 구비하여 상기 초전도선재(100)의 말단부를 안착시키고(S110), 상기 안착홈(210)에 안착된 초전도선재(100)의 말단부에 또 다른 상기 솔더(400)를 구비하고 상기 안착홈(210)의 둘레를 따라 단턱을 형성하도록 상기 안착홈(210)보다 작은 깊이로 함몰되는 제1장착홈(220)에 접속캡(230)을 장착(S120)한다.

그리고 상기 절연블록(300)의 양측면에서 함몰된 제2장착홈(310)에 상기 접속캡(230)이 장착된 접속블록(200)이 일면을 안착(S130)시킨 다음, 최상층에 배치되는 초전도선재(100)와 최하층에 배치되는 초전도선재(100)에 각각 터미널(500)을 장착(S140)하는 과정에 의해 초전도선재(100)와 접속블록(200) 및 절연블록(300)을 적층하여 모듈화 된 한류소자를 구성한다.

상기 접합단계(S400)가 완료되면 상기 초전도선재(100)로부터 클램프(10)와 지지바(20)를 해체하여 탈착함으로써 본 발명에 따른 한류소자의 제작이 완료된다.

도 14는, 상전도 저항을 포함하여 임계전류를 측정한 그래프를 도시한 도면이고, 도 15는, 상전도 저항을 제거하여 임계전류를 측정한 그래프를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 한류소자를 이용하여 임계전류를 측정하기 위해 도 14는, 접합저항과 구리 재질의 접속블록(200)에서 발생하는 저항을 포함하는 상전도 저항을 포함한 임계전류를 측정한 것이고, 도 15는 상술한 상전도 저항을 인위적으로 제거하여 임계전류를 측정한 것으로써, 1μV/cm를 기준으로 하여 임계전류를 판단할 도 14 및 도 15의 그래프에서 확인 되는 바와 같이, 절대온도 77K에서의 임게전류는 약 550A이며, 71K에서는 약 945A로 거의 동일한 것을 알 수 있다.

도 16은, 각 층의 초전도선재(100)의 턴간 간격에 따른 교류 손실 정도의 그래프를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 한류소자는 적층된 초전도선재(100)에서 흐르는 전류의 방향이 전환되는 턴간 간격을 유연하게 조절할 수 있으며, 이에 따라 냉각효과와 턴간 절연 전압의 허용상태에서 최소화할 수 있는 이점이 있다.

상기 초전도선재(100)의 길이를 1m로 설계하였을 경우 턴간 발생하는 최대 전압은 약 150Vrms(실효치) 미만이다. 이는, 상기 초전도 한류소자를 냉각하기 위한 액체질소의 절연내력을 고려하면 절연은 문제되지 않는 수준이다.

그러나 액체질소의 순환을 위해 채널을 형성한다면 턴간 거리는 문제가 되지 않는다.

도 16에 도시된 바와 같이, 턴간 거리가 줄어들수록 교류 손실의 크기가 감소함을 알 수 있으며, 2mm 정도일 때는 손실감소의 폭이 큰 것을 확인할 수 있다.

도 16에서 'single'은 단일한 초전도선재(100)의 교류 손실이고, 'Norris_elliptic'은 노리스가 제시한 Elliptic(타원형) 모델의 교류 손실이고, 'Norris_strip'는 노리스가 제시한 Strip(선형) 모델의 교류 손실이고, 0 내지 10mm는 길이가 1m인 초전도선재(100)의 턴간 간격이 각각 0 내지 10mm인 경우의 교류 손실을 지시한다.

도 17은, 본 발명에 따른 한류소자의 교류 손실 정도의 그래프를 도시한 도면이이고, 도 18은, 도 17의 B 영역을 확대 도시한 도면이다.

도 17은, 단일한 초전도선재(100)를 대상으로 교류 손실 정도를 측정한 도 16과는 달리, 복수의 초전도선재(100)를 적층하여 모듈화 된 한류소자의 교류 손실 그래프(도 17 및 도 18에서 'measured'에 해당)를 도시한 것으로, 도 17과 도 17의 B 영역을 확대도시한 도 18에서 확인되는 바와 같이, 단일한 선재를 대상으로 한 도 16과 비교하면, 임계전류를 예측하는 Norris 식에 대비하여 타원형 모델 및 선형 모델의 경우보다 손실이 더 작은 것을 알 수 있다.

도 19는, 본 발명에 따른 한류소자의 고장 전류에 대한 단락특성을 도시한 도면이고, 도 20은, 도 19에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시한 도면이다.

도 19와 도 20은 초전도 한류소자에 있어 가장 중요한 고장 전류 제한 특성을 실험한 결과로써, 정상 전류가 통전되고 있을 때에는 임피던스 성분이 없어 전압이 0인 것을 알 수 있다.

도 19에서 'prospective'는 한류소자가 없을 때 고장전류의 파형을 나타낸 것으로 일반적으로 회로에 인덕턴스 성분이 있으면 비대칭의 전류파형을 그리게 된다.

'limited'는 상기 한류소자가 설치되어 고장전류를 제한하는 그래프로, 이처럼 본 발명에 따른 한류소자에 의해 고장전류가 제한되면 대칭으로 전류가 발생하게 되며, 시간이 0.00일 때를 기점으로 고장 전류가 통전되어 고장전류의 크기가 초전도선재(100)의 임계전류값을 초과하게 되면 상기 초전도선재(100)의 상전이가 발생하면서 단락 전류를 제한하는 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 한류소자는 바 형상의 초전도소자를 적층하여 한류소자의 직렬 확장이 용이하고, 또 동일한 층의 접속블록(200)과 절연블록(300)에 복수의 초전도선재(100)를 배치하여 한류소자의 병렬 확장이 용이한 효과가 있다.

그리고, 한류소자의 구성을 위한 초전도선재(100)가 바 형상이므로 권선을 위한 별도의 권선기가 필요하지 않고, 한류소자의 직렬 확장시 턴간 전압이 일정하여 추가적인 절연을 필요로 하지 않는 효과도 있다.

또, 접속블록(200) 및 절연블록(300)의 두께를 확장하거나 축소함으로써 적층된 초전도선재(100)의 간격 조절이 용이하여 각 층의 초전도선재(100)에서 서로 반대 방향으로 흐르는 전류의 교류 손실과 냉각성능 중 중요한 요소에 따라 적합한 설계를 할 수 있는 효과도 있다.

이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

10 : 클램프
20 : 지지바
30 : 홀더
31 : 관통공
32 : 요홈
40 : 스페이서
100 : 초전도선재
110 : 기판
120 : 초전도체
200 : 접속블록
210 : 안착홈
220 : 제1장착홈
230 : 접속캡
300 : 절연블록
310 : 제2장착홈
400 : 솔더
500 : 터미널

Claims (19)

1. 일직선으로 연장 형성되어 적어도 하나 이상으로 적층되는 초전도선재와,
   상기 적층된 초전도선재의 사이에서 초전도선재의 양측 말단부에 각각 배치되되, 각 층마다 서로의 위치가 교차하도록 배치되는 접속블록과 절연블록; 및
   상기 적층된 초전도선재 중에서 최상층에 배치되는 초전도선재의 일 측단부와 최하층에 배치되는 초전도선재의 일측단부에 각각 구비되는 터미널;을 포함하며,
   상기 접속블록은,
   상기 초전도선재와 접하는 양측면에서 함몰되어 상기 초전도선재의 양측 말단부가 안착되는 안착홈;이 형성되는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 초전도선재는,
   일직선으로 연장 형성된 기판의 일측면에 초전도체가 구비되는 바(bar) 형상인 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 접속블록은,
   상기 안착홈의 둘레를 따라 단턱을 형성하도록 상기 안착홈보다 작은 깊이로 함몰되는 제1장착홈; 및
   상기 제1장착홈에 장착되어 상기 안착홈에 안착되는 초전도선재를 커버하는 접속캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 절연블록은,
   상기 절연블록의 양측면에서 함몰되어 상기 절연블록 중 어느 하나의 상부와 하부에 배치되는 상기 접속블록이 안착되는 제2장착홈;이 구비되는 것을 특징으로하는 한류기의 초전도 한류소자.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 안착홈에 안착되는 초전도선재 말단부의 일측면과 상기 안착홈의 사이와, 상기 초전도선재 말단부의 일측면에 대향되는 타측면과 상기 접속캡 사이에 각각 솔더가 구비되어 상기 초전도선재와 접속블록이 접합되는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 솔더는 공정온도가 0초과 100℃미만인 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 적층된 초전도선재 중 최상층에 배치되는 초전도선재의 양 측부와, 최하층에 배치되는 초전도선재의 양 측부에 구비되는 한 쌍의 클램프; 및
   양측 말단부가 상기 한 쌍의 클램프에 각각 결합되는 지지바;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 지지바는,
   상기 지지바의 양측 말단부가 상기 한 쌍의 클램프를 관통하고, 상기 클램프를 관통하여 돌출된 지지바의 말단부에는 상기 한 쌍의 클램프가 서로 밀착되는 방향으로 클램프를 탄지하는 탄성부재;가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 초전도선재가 적층된 높이 방향으로 연장 형성되고, 연장되는 방향을 따라 일정 간격으로 관통공이 형성된 홀더가 상기 적층된 초전도선재의 양 측부에 한 쌍으로 배치되고, 상기 관통공에 관통 삽입되어 상기 한 쌍의 홀더에 양측 말단부가 지지되는 스페이서가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 홀더는,
    상기 홀더가 연장된 방향을 따라 함몰되어 그 내측에 상기 관통공이 형성되는 요홈이 형성되고, 상기 요홈에는 접착제가 충진되는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층된 초전도선재는,
    각 층에서 적어도 하나 이상의 초전도선재가 동일한 접속블록 및 절연블록에 접하도록 병렬로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
13. 청구항 8에 있어서,
    상기 클램프 및 지지바는,
    상기 안착홈에 안착되는 초전도선재 말단부의 일측면과 상기 안착홈의 사이와, 상기 초전도선재 말단부의 일측면에 대향되는 타측면과 상기 접속캡 사이에 각각 구비되는 솔더를 이용하여 상기 초전도선재와 접속블록의 접합공정이 완료된 후 상기 초전도선재로부터 탈착하는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자.
14. 바 형상의 초전도선재 양측 말단부에 접속블록과 절연블록을 각각 배치하되, 상기 접속블록과 절연블록의 위치가 상호 교차하도록 하면서 상기 초전도선재와 접속블록 및 절연블록을 적층하는 적층단계;
    상기 적층된 초전도선재 중 최상층의 초전도선재와 최하층의 초전도선재의 양측 측부에 각각 클램프를 결합하고, 동일한 열을 이루는 한 쌍의 클램프를 지지바로 결합시켜 적층된 초전도선재에 압력을 가하는 체결단계;
    상기 적층된 초전도선재의 사이에 상기 초전도선재의 길이방향에 수직하도록 복수의 스페이서를 관통시키고, 서로 다른 층에서 동일한 열을 이루는 스페이서의 양측 말단부가 홀더에 결합시키는 간격유지단계; 및
    상기 초전도선재와 접속블록 및 절연블록을 접합하는 접합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 적층단계는,
    상기 접속블록이 초전도선재와 접하는 양측면에서 함몰된 안착홈에 솔더를 구비하여 상기 초전도선재의 말단부를 안착시키는 제1과정;
    상기 안착홈에 안착된 초전도선재의 말단부에 또 다른 상기 솔더를 구비하고 상기 안착홈의 둘레를 따라 단턱을 형성하도록 상기 안착홈보다 작은 깊이로 함몰되는 제1장착홈에 접속캡을 장착하는 제2과정;
    상기 절연블록의 양측면에서 함몰된 제2장착홈에 상기 접속캡이 장착된 접속블록이 일면을 안착시키는 제3과정; 및
    상기 제3과정 후 최상층에 배치되는 초전도선재와 최하층에 배치되는 초전도선재에 각각 터미널을 장착하는 제4과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법.
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 접합단계는,
    상기 적층된 초전도선재를 오븐에 넣어 가열하는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 접합단계는,
    상기 오븐 내에서 0 초과 100℃ 미만으로 가열하는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법.
18. 청구항 14에 있어서,
    상기 체결단계에서,
    상기 지지바의 양측 말단부에 구비되어 단일한 지지바에 의해 결합된 한 쌍의 클램프가 서로 밀착되는 방향으로 탄지하는 탄성부재;가 구비되는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법.
19. 청구항 14에 있어서,
    상기 적층단계는,
    동일한 층에서 적어도 하나 이상의 초전도선재를 병렬로 배치하여 적층할 수 있는 것을 특징으로 하는 한류기의 초전도 한류소자를 제작하는 방법.

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