KR101768211B1 - Simulation apparatus for predicting temperature at phase change of super conducting coil and the method thereof - Google Patents

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KR101768211B1
KR101768211B1 KR1020160144316A KR20160144316A KR101768211B1 KR 101768211 B1 KR101768211 B1 KR 101768211B1 KR 1020160144316 A KR1020160144316 A KR 1020160144316A KR 20160144316 A KR20160144316 A KR 20160144316A KR 101768211 B1 KR101768211 B1 KR 101768211B1
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superconducting coil
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장재영
황영진
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Abstract

The present invention relates to a device and a method for a temperature prediction simulation during a phase change of a superconducting coil. A temperature of a superconducting coil is able to be predicted by deriving a temperature distribution of an overall superconducting coil using heat transfer from a quenching generation point of the superconducting coil. The device comprises: an initial value setting unit to perform node settings for dividing a superconducting coil into unit nodes, setting initial resistance and initial temperature for each node, and setting an optional node as a quench generating node; a temperature change calculating unit to calculate a temperature change in all nodes using Joules heat by a heat transfer amount and resistance occurrence for a predetermined time to adjacent nodes from the quench generating node; a resistance calculating unit to derive specific resistivity of copper with respect to a temperature of each node, and then deriving a resistance value of an overall superconductive coil by adding the same; an electrical current calculating unit to receive inputted values for both ends from the superconducting coil, and then predicting an electrical current in a next time section to be outputted to the temperature change calculating unit using inductance and specific resistivity of copper in accordance with a temperature of each node; and a superconducting coil temperature evaluating unit to calculate a maximum temperature of the superconducting coil, and then determining a protection treatment by comparing the calculated temperature with a predetermined temperature value.

Description

초전도코일 상변화 시 온도예측 시뮬레이션 장치 및 그 방법{SIMULATION APPARATUS FOR PREDICTING TEMPERATURE AT PHASE CHANGE OF SUPER CONDUCTING COIL AND THE METHOD THEREOF}Technical Field [0001] The present invention relates to a simulation apparatus and a method for predicting a temperature of a superconducting coil phase,

본 발명은 초전도 코일 온도 예측에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 초전도 코일의 퀀치 발생 지점으로부터의 열전달과 발열에 의한 구리의 저항 변화를 이용하여 전체 초전도코일의 온도분포를 도출한 후 초전도코일의 온도를 예측할 수 있도록 하는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the prediction of superconducting coil temperature, and more particularly, to a method for predicting superconducting coil temperature by deriving a temperature distribution of an entire superconducting coil using a change in resistance of copper due to heat transfer from a quench generation point of the superconducting coil and heat generation, And to a method for simulating the temperature of a superconducting coil phase change.

퀀치는 초전도코일의 일부가 상전도 상태로 전이되어 초전도 코일이 초전도성을 잃는 현상이다. 퀀치가 발생하면 초전도코일 내부의 저장에너지가 열에너지로 변환되어 저항이 발생한다. 국부적으로 발열이 생기면 온도가 상승하고, 주변으로 열이 전파되어 초전도코일 전체의 온도가 상승하게 된다.A quench is a phenomenon that a part of a superconducting coil transitions to a phase transition state, and a superconducting coil loses superconductivity. When a quench occurs, the stored energy inside the superconducting coil is converted into thermal energy and a resistance is generated. When a local heat is generated, the temperature rises and the heat propagates to the periphery, so that the temperature of the entire superconducting coil rises.

초전도 코일의 운용에 있어 상술한 퀀치는 초전도 코일의 열적 안정성을 저해하는 요소로서, 특히 가속기 및 NMR 등과 같은 대용량 초전도 시스템에서는 퀀치에 의한 온도 상승을 억제하기 위한 보호시스템 적용이 필수적이다. 즉, 따라서 고자기장 발생을 위한 초전도코일의 온도 예측은 초전도 코일 설계에 필수적이며 초전도 코일 보호시스템 개발에 기반이 된다. In the operation of the superconducting coil, the above-mentioned quench is a factor that hinders the thermal stability of the superconducting coil. Especially, in a large-capacity superconducting system such as an accelerator and an NMR, it is essential to apply a protection system to suppress temperature rise due to the quench. Therefore, the temperature prediction of a superconducting coil for generating a high magnetic field is essential to the design of a superconducting coil, and it is based on the development of a superconducting coil protection system.

이와 같은 퀀치 보호시스템 설계를 위해서는 퀀치 발생 시 초전도 코일 내의 전류, 열(온도), 전압 등에 대한 거동이 예측되어야 한다.In order to design such a quench protection system, the behavior of current, heat (temperature), voltage, etc. in the superconducting coil should be predicted when a quench occurs.

기존의 퀀치 해석 방법은 크게 코일의 운전 전류에 따른 자장 에너지와 열용량과의 관계식 (

Figure 112016106567523-pat00001
)을 이용한 방법과 퀀치 발생에 따른 줄열과 열용량과의 관계식(
Figure 112016106567523-pat00002
)을 이용한 방법이 있다.The existing quench analysis method is largely divided into the relational equation between the magnetic field energy and the heat capacity according to the operating current of the coil
Figure 112016106567523-pat00001
) And the relationship between the heat capacity and the joule of quench
Figure 112016106567523-pat00002
).

상기의 두 퀀치 해석 방법은 단열조건 내에서 퀀치 발생 시 초전도 코일의 온도를 대략적으로 예측할 수 있으나, 코일의 열전도도와 코일의 형상(3D model)이 고려되지 않기 때문에 초전도체의 재료적 특성 및 형상에 따른 거동 현상 예측이 불가능한 문제점을 가진다.The above two quench analysis methods can roughly predict the temperature of a superconducting coil when a quench occurs in an adiabatic condition. However, since the thermal conductivity of the coil and the shape of the coil (3D model) are not considered, There is a problem that it is impossible to predict a behavior phenomenon.

한국등록특허 10-1118746Korean Patent No. 10-1118746 한국등록특허 10-1444814Korean Patent No. 10-1444814 한국등록특허 10-0622740Korean Patent No. 10-0622740

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초전도코일의 형상적 특성을 반영할 수 있도록 초전도 코일을 다수의 임의의 노드로 가상 분할하여 노드 사이에서의 열전달과 주울열에 의한 발열량을 계산한 후 각 노드의 온도 분포를 산출하고, 산출된 노드의 온도분포를 이용하여 저항을 산출함으로써 재료적 특성을 반영하는 것에 의해 퀀치 시 초전도 코일의 온도를 정확하게 예측할 수 있도록 하는 초전도코일 상변화 시 온도예측 시뮬레이션 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a superconducting coil in which a superconducting coil is virtually divided into a plurality of arbitrary nodes so that the heat- The temperature distribution of each node is calculated, and the resistance is calculated by using the temperature distribution of the calculated node to reflect the material characteristic, thereby making it possible to accurately predict the temperature of the superconducting coil at the time of the quench. And an object thereof is to provide a temperature prediction simulation apparatus and a method thereof.

또한, 본 발명은 에너지평형법을 이용하여 퀀치 발생 시 초전도 코일의 온도변화를 예측하는 것에 의해 온도 예측 결과 값의 정확도를 향상시키며, 퀀치 발생 시 초전도 코일의 최고 온도를 예측함으로써 냉각방법을 결정할 수 있어, 고가의 초전도 코일이 파손되는 것을 방지할 수 있도록 하는 초전도코일 상변화 시 온도예측 시뮬레이션 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Further, the present invention can improve the accuracy of the temperature prediction result by predicting the temperature change of the superconducting coil at the time of generating the quench by using the energy balancing method, and determine the cooling method by predicting the maximum temperature of the superconducting coil at the time of the occurrence of the quench. Another object of the present invention is to provide an apparatus and a method for predicting the temperature of a superconducting coil phase change which can prevent the expensive superconducting coil from being damaged.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초전도코일 상변화 시 온도 예측 시뮬레이션 장치는,In order to accomplish the above object, there is provided an apparatus for predicting the temperature of superconducting coil phase change according to the present invention,

초전도코일을 단위노드들로 분할하는 노드설정을 수행한 후 각 노드별 초기 저항과 초기 온도를 설정하고 임의의 한 노드를 퀀치 발생 노드로 설정하는 초기값설정부;An initial value setting unit for setting a node for dividing the superconducting coil into unit nodes, setting an initial resistance and an initial temperature for each node, and setting an arbitrary node as a quench generation node;

상기 퀀치 발생 노드로부터 인접된 노드들로의 일정 시간 간격 동안의 열전달열량과 저항 발생에 의한 주울열을 이용하여 모든 노드에서의 온도변화를 계산하는 온도변화계산부;A temperature change calculation unit for calculating a temperature change at all of the nodes by using heat transfer calories for a predetermined time interval from the quench generating node to adjacent nodes and Joule heat due to resistance generation;

상기 모든 노드의 온도를 평균하여 초전도코일의 평균온도 및 최대온도를 산출한 후, 포화온도에 도달했는지를 판단하여, 최대온도가 포화온도에 도달한 경우 기 설정된 온도 값과 비교하여 보호 조치 여부를 판단하는 초전도코일온도평가부;After the average temperature and the maximum temperature of the superconducting coils are calculated by averaging the temperatures of all the nodes, it is determined whether or not the saturation temperature has been reached. If the maximum temperature has reached the saturation temperature, A superconducting coil temperature evaluation unit for determining the superconducting coil temperature;

상기 각 노드의 온도 및 저항을 도출한 후 전체 노드의 저항을 합산하여 전체 초전도코일의 저항값을 도출하는 저항계산부; 및A resistance measuring unit for deriving a resistance value of the entire superconducting coil by summing the resistances of all the nodes after deriving the temperature and resistance of each node; And

상기 초전도코일의 양단 전압값을 입력 받은 후 각 노드의 온도에 따른 구리의 인덕턴스와 비저항을 이용하여 다음 시간 간격에서의 전류를 예측한 후 상기 온도변화계산부로 출력하는 전류계산부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And an ammeter for predicting a current at a next time interval using the inductance and resistivity of copper according to temperature of each node after receiving the voltage between both ends of the superconducting coil and outputting the current to the temperature change calculator .

상기 노드설정은,The node setting includes:

권선된 초전도코일의 길이 방향(L방향)에 대하여 열이 전파되는 속도를 VI,노드해석 주기를 dt(

Figure 112016106567523-pat00003
또는 Δt)라 할 때, VI*dt보다 같거나 크도록 설정하는 것을 특징으로 한다.The speed at which heat propagates in the longitudinal direction (L direction) of the wound superconducting coil is denoted by VI, the node analysis period is denoted by dt
Figure 112016106567523-pat00003
Or? T), it is set to be equal to or larger than VI * dt.

상기 각 노드의 초기온도는 초전도코일의 냉각재 온도로 설정하고, 각 노드의 초기저항은 0Ω로 설정하며, 퀀치발생 노드의 온도는 초전도 상전이의 임계온도로 설정하는 것을 특징으로 한다.Wherein an initial temperature of each node is set to a coolant temperature of the superconducting coil, an initial resistance of each node is set to 0 OMEGA, and a temperature of the quench generating node is set to a critical temperature of the superconducting phase transition.

상기 온도변화계산부는,The temperature change calculation unit may calculate,

상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로 전달되는 열전달열량(Qt=

Figure 112016106567523-pat00004
)과 초전도코일을 감싸는 구리도체의 저항에 의한 주울열(Qj=
Figure 112016106567523-pat00005
)을 합산한 전체 발열량(Qnet)을 도출한 후, 하기의 열전달 지배방정식에 의해 각 노드에서의 온도변화 값
Figure 112016106567523-pat00006
를 구한 후 각 노드의 온도에 더해서 각 노드의 온도 분포를 도출한 후 평균하여 초전도코일의 평균온도를 계산하는 것을 특징으로 한다.(Qt = < RTI ID = 0.0 > Qt < / RTI >
Figure 112016106567523-pat00004
) And Joule heat due to the resistance of the copper conductor surrounding the superconducting coil (Qj =
Figure 112016106567523-pat00005
(Q net), which is the sum of the total heat value (Q net) and the total heat value
Figure 112016106567523-pat00006
The temperature distribution of each node is derived in addition to the temperature of each node, and then the average temperature of the superconducting coil is calculated by averaging the temperatures.

<열전달 지배방정식><Heat transfer governing equations>

Figure 112016106567523-pat00007
,
Figure 112016106567523-pat00007
,

여기서, Ccd는 구리의 단위 체적당의 열용량(Heat capacity per unit volume of copper), T는 온도, t는 시간, Kcd는 구리의 열전도도, ρcd는 전기저항률(Electrical resistivity), Jcd는 전류밀도(current density).Where Ccd is the heat capacity per unit volume of copper, T is the temperature, t is the time, Kcd is the thermal conductivity of the copper, ρcd is the electrical resistivity, Jcd is the current density density).

상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로 전달되는 열전달열량(Qt=

Figure 112016106567523-pat00008
)의 계산은 상기 초전도코일의 냉각재 온도 이상인 노드들에 대해서만 수행되는 것을 특징으로 한다.(Qt = &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Qt &lt; / RTI &gt;
Figure 112016106567523-pat00008
) Is performed only for the nodes that are not less than the coolant temperature of the superconducting coil.

상기 전류계산부는,Wherein the current calculator comprises:

초전도코일의 양단의 전압(V)과 상기 측정된 초전도코일의 저항과 고정 인덕턴스(Lm)를 하기의 전압 지배방정식에 대입하여 노드해석주기 Δt 후의 전류값(I(t+Δt))을 계산하는 것을 특징으로 한다.The current value I (t + t) after the node analysis period? T is calculated by substituting the voltage V at both ends of the superconducting coil and the resistance and fixed inductance Lm of the measured superconducting coil into the following voltage governing equations .

<전압 지배방정식><Voltage governance equation>

Figure 112016106567523-pat00009
Figure 112016106567523-pat00009

여기서, Rm은 초전도코일을 감싸는 구리의 각 온도에서의 비정항, Rd는 바이패스 저항(bypass restistance).Where Rm is the non-tangential term for each temperature of the copper surrounding the superconducting coil, and Rd is the bypass resistance.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초전도코일 상변화 시 온도 예측 시뮬레이션방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a simulation method of predicting a phase transition temperature of a superconducting coil,

초기값설정부, 온도변화계산부, 초전도코일온도평가부, 저항계산부 및 전류계산부를 포함하는 초전도코일 온도 예측 시뮬레이션 장치의 시뮬레이션 방법에 있어서,A simulation method for a superconducting coil temperature predicting simulation apparatus including an initial value setting unit, a temperature change calculating unit, a superconducting coil temperature evaluating unit, a resistance measuring unit, and a current calculating unit,

상기 초기값설정부가 초전도코일을 단위노드들로 분할하는 노드설정을 수행한 후 각 노드별 초기 저항과 초기 온도를 설정하고 임의의 한 노드를 퀀치 발생 노드로 설정하는 초기값설정과정;An initial value setting step of setting the initial resistance and the initial temperature for each node and setting an arbitrary node as a quench generating node after performing the node setting for dividing the superconducting coil into unit nodes by the initial value setting unit;

상기 온도변화계산부가 상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로의 일정 시간 간격 동안의 열전달열량과 저항 발생에 의한 주울열을 이용하여 모든 노드에서의 온도변화를 계산하는 온도변화계산과정;A temperature change calculation step of calculating the temperature change at all the nodes using the heat transfer calorie amount and the joule heat due to the resistance generation during a predetermined time interval from the quench generating node to the adjacent nodes from the quench generating node;

상기 초전도코일온도평가부가 상기 모든 노드의 온도를 평균하여 초전도코일의 평균온도와 최대온도를 산출한 후, 최대온도가 포화온도에 도달했는지를 판단하여 포화온도에 도달한 경우 기 설정된 온도 값과 비교하여 보호 조치 여부를 판단하는 초전도코일온도평가과정;The superconducting coil temperature evaluating unit averages the temperatures of all the nodes to calculate an average temperature and a maximum temperature of the superconducting coil, and then determines whether the maximum temperature has reached the saturation temperature. If the maximum temperature has reached the saturation temperature, A superconducting coil temperature evaluation process for judging whether or not a protective action is taken;

상기 저항계산부가 상기 각 노드의 온도에 대한 구리의 비저항을 도출한 후 전체 합산하여 전체 초전도코일의 저항값을 도출하는 저항계산과정; 및A resistance calculation step of deriving the resistance value of the entire superconducting coil by summing the resistance values of the copper with respect to the temperatures of the respective nodes, And

상기 전류계산부가 상기 초전도코일의 양단 전압값을 입력 받은 후 각 노드의 온도에 따른 코일의 인덕턴스와 저항을 이용하여 다음 시간 간격에서의 전류를 예측한 후 상기 온도변화계산과정을 수행하도록 하는 전류계산과정;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Wherein the current calculation unit receives the voltage between both ends of the superconducting coil, predicts a current in the next time interval using the inductance and resistance of the coil according to the temperature of each node, The method includes:

상기 노드설정은,The node setting includes:

권선된 초전도코일의 길이 방향(L방향)에 대하여 열이 전파되는 속도를 VI,노드해석 주기를 dt(

Figure 112016106567523-pat00010
또는 Δt)라 할 때, VI*dt보다 같거나 크도록 설정하는 것을 특징으로 한다.The speed at which heat propagates in the longitudinal direction (L direction) of the wound superconducting coil is denoted by VI, the node analysis period is denoted by dt
Figure 112016106567523-pat00010
Or? T), it is set to be equal to or larger than VI * dt.

상기 각 노드의 초기온도는 초전도코일의 냉각재 온도로 설정하고, 각 노드의 초기저항은 0Ω로 설정하며, 퀀치발생 노드의 온도는 초전도 상전이의 임계온도로 설정하는 것을 특징으로 한다.Wherein an initial temperature of each node is set to a coolant temperature of the superconducting coil, an initial resistance of each node is set to 0 OMEGA, and a temperature of the quench generating node is set to a critical temperature of the superconducting phase transition.

상기 온도변화계산과정은,The temperature change calculation process includes:

상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로 전달되는 열전달열량(Qt=

Figure 112016106567523-pat00011
)과 초전도코일을 감싸는 구리도체의 저항에 의한 주울열(Qj=
Figure 112016106567523-pat00012
)을 합산한 전체 발열량(Qnet)을 도출한 후, 하기의 열전달 지배방정식에 의해 각 노드에서의 온도변화 값
Figure 112016106567523-pat00013
를 구한 후 각 노드의 온도에 더해서 각 노드의 온도 분포를 도출한 후 평균하여 초전도코일의 평균온도를 계산하는 것을 특징으로 한다.(Qt = &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Qt &lt; / RTI &gt;
Figure 112016106567523-pat00011
) And Joule heat due to the resistance of the copper conductor surrounding the superconducting coil (Qj =
Figure 112016106567523-pat00012
(Q net), which is the sum of the total heat value (Q net) and the total heat value
Figure 112016106567523-pat00013
The temperature distribution of each node is derived in addition to the temperature of each node, and then the average temperature of the superconducting coil is calculated by averaging the temperatures.

<열전달 지배방정식><Heat transfer governing equations>

Figure 112016106567523-pat00014
,
Figure 112016106567523-pat00014
,

여기서, Ccd는 구리의 단위 체적당의 열용량(Heat capacity per unit volume of copper), T는 온도, t는 시간, Kcd는 구리의 열전도도, ρcd는 전기저항률(Electrical resistivity), Jcd는 전류밀도(current density).Where Ccd is the heat capacity per unit volume of copper, T is the temperature, t is the time, Kcd is the thermal conductivity of the copper, ρcd is the electrical resistivity, Jcd is the current density density).

상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로 전달되는 열전달열량(Qt=

Figure 112016106567523-pat00015
)의 계산은 상기 초전도코일의 냉각재 온도 이상인 노드들에 대해서만 수행되는 것을 특징으로 한다.(Qt = &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Qt &lt; / RTI &gt;
Figure 112016106567523-pat00015
) Is performed only for the nodes that are not less than the coolant temperature of the superconducting coil.

상기 전류계산과정은,The current calculation process includes:

초전도코일의 양단의 전압(V)과 상기 측정된 초전도코일의 평균온도에 따른 구리의 비저항(Rm)과 고정 인덕턴스(Lm)를 하기의 전압 지배방정식에 대입하여 노드해석주기 Δt 후의 전류값(I(t+Δt))을 계산하는 것을 특징으로 한다.(Vm) at both ends of the superconducting coil and the resistivity (Rm) and the fixed inductance (Lm) of copper according to the measured average temperature of the superconducting coil are substituted into the following voltage governing equations to calculate the current value I (t +? t)).

<전압 지배방정식><Voltage governance equation>

Figure 112016106567523-pat00016
Figure 112016106567523-pat00016

여기서, Rm은 초전도코일을 감싸는 구리의 각 온도에서의 비정항, Rd는 바이패스 저항(bypass restistance).Where Rm is the non-tangential term for each temperature of the copper surrounding the superconducting coil, and Rd is the bypass resistance.

상술한 구성의 본 발명은, 초전도 코일의 형상을 유한개의 노드로 분할하고 x, y, z 방향으로의 열전달을 고려함으로써 퀀치 발생 시 초전도 코일의 국부적인 온도상승에 대한 예측을 가능하게 하는 효과를 제공한다.The present invention having the above-described configuration divides the shape of the superconducting coil into finite nodes and considers the heat transfer in the x, y, and z directions, thereby making it possible to predict the local temperature rise of the superconducting coil in the occurrence of the quench. to provide.

또한, 본 발명은 퀀치 발생 시에 시간에 따른 전류의 변화량을 발생 전압과 코일의 인덕턴스 및 저항 값들에 대한 관계식을 이용하여 산출함으로써 바이패스 저항(bypass resistance)과 같은 외주 저항에 따른 전류 변화량에 대한 예측이 가능하게 되어, 시뮬레이션을 실제 초전도 코일의 운전 환경과 동일한 조건에서 수행 가능하게 하는 효과를 제공한다.In addition, the present invention provides a method for controlling a current variation due to an outer resistance, such as a bypass resistance, by calculating a change amount of a current with time at the time of occurrence of a quench by using a relation between a generated voltage and inductance and resistance values of a coil, Predictions can be made, and the simulation can be performed under the same conditions as the operating environments of the actual superconducting coils.

또한, 본 발명은 초전도 코일의 온도 변화를 선재의 열용량, 전류, 비저항, 열전도도, 체적 등의 변수를 갖는 지배방정식을 이용하여 계산함으로써 기존 자기장 에너지와 열용량과의 관계식 또는 퀀치 발생에 따른 줄열과 열용량과의 관계식을 이용한 방법 대비 정확도를 현저히 높이는 효과를 제공한다.The present invention also relates to a method of calculating a temperature change of a superconducting coil by using a governing equation having parameters such as a heat capacity, a current, a resistivity, a thermal conductivity, and a volume of a wire, And provides an effect of remarkably improving the accuracy compared with the method using the relation with the heat capacity.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 장치의 기능 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 초전도코일 온도예측 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 3은 노드설정을 나타내는 도면,
도 4는 노드들 사이의 열전달열량을 도출을 설명하기 위한 도면.
도 5는 퀀치 발생 시의 초전도코일의 전류와 피크온도와 평균온도의 관계를 나타내는 그래프.1 is a functional block diagram of a simulation apparatus for predicting superconducting coil temperature according to an embodiment of the present invention;
2 is a flow chart illustrating a process of a superconducting coil temperature predicting method according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing node setup,
4 is a diagram for explaining the calculation of heat transfer calories between nodes;
5 is a graph showing the relationship between the current of the superconducting coil and the peak temperature and the average temperature at the time of occurrence of the quench.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.The embodiments according to the concept of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or the application. It is to be understood, however, that the intention is not to limit the embodiments according to the concepts of the invention to the specific forms of disclosure, and that the invention includes all modifications, equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Also, the word "exemplary" is used herein to mean "serving as an example, instance, or illustration." Any aspect described herein as "exemplary " is not necessarily to be construed as preferred or advantageous over other aspects.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 장치의 기능 블록 구성도이다.1 is a functional block diagram of a superconducting coil temperature prediction simulation apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1과 같이, 상기 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 장치(1)는 입력부(10), 입력부(10), 저장부(20), 출력부(30), 표시부(40), 제어부(50) 및 통신부(60)를 포함하여 구성된다.1, the superconducting coil temperature prediction simulation apparatus 1 includes an input unit 10, an input unit 10, a storage unit 20, an output unit 30, a display unit 40, a control unit 50, 60).

상기 입력부(10)는 초전도코일 온도예측 시뮬레이션을 위한 초전도코일의 길이, 단면적, 권선수, 냉각재 종류, 임계온도, 열전달 지배방정식, 전압지배방정식, 인덕턴스, 구리의 온도별 비저항 테이블, 보호 조치를 필요로 하는 초전도코일의 기설정온도 값 등의 데이터 또는 구동 명령을 입력받는 키보드가 접속되는 키보드입력포트, USB 입력장치, 마그네틱 저장장치 또는 광디스크 저장장치 등의 저장장치에 데이터를 기록하고 읽을 수 있는 디스크 드라이버 등의 리드라이트장치, 또는 파일 입력을 받을 수 있는 파일 입력 장치 등으로 구성될 수 있다.The input unit 10 is required to have a superconducting coil length, a cross-sectional area, a winding, a coolant type, a critical temperature, a heat transfer governing equation, a voltage governing equation, inductance, And a disk that can read and write data to a storage device such as a keyboard input port, a USB input device, a magnetic storage device, or an optical disk storage device to which data such as a preset temperature value of the superconducting coil or a keyboard to which a drive command is inputted is connected A read-write device such as a driver, or a file input device capable of receiving a file input.

상기 저장부(20)는 입력부(10)를 통해 입력된 초전도코일 온도예측 시뮬레이션을 위한 초전도코일의 길이, 단면적, 권선수, 냉각재 종류, 임계온도, 열전달 지배방정식, 전압지배방정식, 인덕턴스, 구리의 온도별 비저항 테이블, 보호 조치를 필요로 하는 초전도코일의 기설정온도 값 등의 초전도시뮬레이션 관련 데이터와 시뮬레이션 구동을 위한 프로그램을 저장하는 것으로, 하드디스크, EP-ROM 등의 컴퓨터가 읽고 쓸 수 있는 저장매체로 구성될 수 있다.The storage unit 20 stores the length of the superconducting coil for the superconducting coil temperature prediction simulation input through the input unit 10, the cross-sectional area of the superconducting coil, the type of the superconducting coil, the type of coolant, critical temperature, heat transfer governing equation, voltage governing equation, inductance, Temperature specific resistivity table, and pre-set temperature values of superconducting coils that require protective measures, as well as programs for driving the simulation. It can be used to store data that can be read and written by a computer such as a hard disk or EP-ROM Media.

상기 출력부(30)는 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 과정을 출력하도록 구성되는 것으로서, 프린터, 플로터 등을 포함하여 구성될 수 있다.The output unit 30 is configured to output a superconducting coil temperature prediction simulation process, and may include a printer, a plotter, and the like.

상기 표시부(40)는 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 장치(1)의 시뮬레이션 과정을 확인할 수 있도록 하는 정보 표시 장치로서 디스플레이 장치 등으로 구성될 수 있다.The display unit 40 may be a display device or the like as an information display device for confirming the simulation process of the superconducting coil temperature prediction simulation apparatus 1. [

상기 통신부(60)는 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 장치(1)가 통신망을 통해 외부 통신장치와 통신을 수행할 수 있도록 하는 통신 기능을 제공하도록 구성된다.The communication unit 60 is configured to provide a communication function for enabling the superconducting coil temperature prediction simulation apparatus 1 to communicate with an external communication apparatus through a communication network.

상기 제어부(50)는 초전도코일 온도예측 시뮬레이션을 위한 프로그램을 로딩하여 실행하도록 구성되는 것으로서, 초기값설정부(51), 열전달열량(Qt) 계산모듈(53)과 주울열(Qj) 계산모듈(54)를 포함하는 온도변화계산부(52), 초전도코일온도평가부(55), 비저향계산부(56) 및 전류계산부(57)를 포함하여 구성된다. The control unit 50 is configured to load and execute a program for predicting the superconducting coil temperature and includes an initial value setting unit 51, a heat transfer calorie quantity calculation unit 53 and a joule heat calculation unit A superconducting coil temperature evaluation unit 55, a non-low-direction calculation unit 56, and an ammeter 57. The temperature change calculation unit 52,

상기 초기값설정부(51)는 초전도코일을 단위노드들로 분할하는 노드설정을 수행한 후 각 노드별 초기 저항과 초기 온도를 설정하고 임의의 한 노드를 퀀치 발생 노드로 설정하도록 구성된다.The initial value setting unit 51 is configured to set a node for dividing the superconducting coil into unit nodes, then set initial resistance and initial temperature for each node, and set an arbitrary node as a quench generating node.

상기 온도변화계산부(52)는 상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로의 일정 시간 간격 동안의 열전달열량과 저항 발생에 의한 주울열을 이용하여 모든 노드에서의 온도변화를 계산하도록 구성된다. 이때 상기 열전달열량(Qt) 계산모듈(53)은 퀀치 발생 노드로부터 인접된 노드들의 열전달열량(Qt)를 계산하며, 상기 주울열(Qj) 계산모듈(54)은 퀀치 발생에 따라 변화된 저항을 가지는 초전도코일의 양단 전압과 전류값을 이용하여 주율열(Qj)을 계산한다.The temperature change calculator 52 is configured to calculate the temperature change at all the nodes using the heat transfer amount for a predetermined time interval from the quench generating node to the adjacent nodes and the joule heat due to the resistance generation. At this time, the heat transfer calorie (Qt) calculation module 53 calculates the heat transfer calorie quantity Qt of the adjacent nodes from the quench generation node, and the joule heat (Qj) Calculate the dominant column (Qj) using the voltage across both ends of the superconducting coil and the current value.

상기 초전도코일온도평가부(55)는 상기 모든 노드들의 온도를 평균하여 초전도코일의 평균온도를 산출한 후, 포화온도에 도달했는지를 판단하여, 포화온도에 도달한 경우 기 설정된 온도 값과 비교하여 보호 조치 여부를 판단하도록 구성된다.The superconducting coil temperature evaluating unit 55 calculates the average temperature of the superconducting coils by averaging the temperatures of all the nodes, and then determines whether the temperature has reached the saturation temperature. When the saturation temperature is reached, And to determine whether or not a protection measure is taken.

상기 저항계산부(56)은 상기 각 노드의 온도에 대한 구리의 비저항을 도출한 후 전체 합산하여 전체 초전도코일의 저항값을 도출하도록 구성된다.The resistance arithmetic section 56 is configured to derive the resistivity of the entire superconducting coil by deriving the resistivity of copper with respect to the temperature of each node, and summing the total resistance.

상기 전류계산부(57)는 상기 초전도코일의 양단 전압값을 입력 받은 후 각 노드의 온도에 따른 구리의 인덕턴스와 비저항을 이용하여 다음 시간 간격에서의 전류를 예측한 후 상기 온도변화계산부로 출력하도록 구성된다.The current measuring unit 57 receives the voltage value of both ends of the superconducting coil, estimates the current at the next time interval using the inductance and resistivity of copper according to the temperature of each node, and outputs the current to the temperature change calculating unit do.

도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 초전도코일 온도예측 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.FIG. 2 is a flowchart showing a process of a superconducting coil temperature predicting method according to an embodiment of the present invention.

도 2와 같이 상기 초전도코일 온도 예측 방법은, 초기값설정부(51)에 의해 수행되는 초기값설정과정(S10), 온도변화계산부(52)에 의해 수행되는 온도변화계산과정(S20), 초전도코일온도평가부(55)에 의해 수행되는 초전도코일온도평가과정(S30, S60), 저항계산부(56)에 의해 수행되는 저항계산과정(S40), 전류계산부(57)에 의해 수행되는 전류계산과정(S50)을 포함하여 이루어진다.2, the method for predicting superconducting coil temperature includes an initial value setting step S10 performed by the initial value setting unit 51, a temperature change calculation step S20 performed by the temperature change calculation unit 52, (S30 and S60) performed by the superconducting coil temperature evaluating unit 55, a resistance calculating process S40 performed by the resistance measuring unit 56, a current calculation performed by the ammeter 57 (S50).

상기 초기값설정과정(S10)에서는 상기 초기값설정부(51)가 초전도코일을 단위노드들로 분할하는 노드설정을 수행한 후 각 노드별 초기 저항과 초기 온도를 설정하고 임의의 한 노드를 퀀치 발생 노드로 설정하는 처리과정을 수행한다.In the initial value setting step S10, the initial value setting unit 51 sets a node for dividing the superconducting coil into unit nodes, sets an initial resistance and an initial temperature for each node, And sets it as a generation node.

도 3은 노드설정을 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing a node setting.

도 3과 같이, 노드설정은 초전도코일의 단면적, 길이, 권선수가 정보가 입력되면, 권선된 초전도코일의 길이 방향(L방향)에 대하여 열이 전파되는 속도를 VI, 노드해석 주기를 dt(

Figure 112016106567523-pat00017
또는 Δt)라 할 때, VI*dt보다 같거나 크도록 각각의 초전도코일을 가상적으로 분할하여 노드(단위노드)들을 설정한다.As shown in FIG. 3, when the information of the cross-sectional area, the length, and the number of windings of the superconducting coil is inputted, the node setting is VI, the speed at which heat propagates in the longitudinal direction (L direction) of the wound superconducting coil is VI,
Figure 112016106567523-pat00017
Or Δt), the nodes (unit nodes) are set by virtually dividing each superconducting coil so as to be equal to or larger than VI * dt.

이 후, 각각의 노드들의 초기온도를 냉각재의 온도로 하여 설정한다. 액체헬륨이 사용되는 경우 노드들의 초기온도는 4.2K로 설정된다. 또한, 노드설정 단계에서 설정된 노드들 중의 임의의 노드를 선택하여 퀀치노드로 설정하고 초전도코일의 임계온도를 퀀치노드의 초기 온도로 설정한다. 본 발명의 실시예의 경우 임계온도가 9.8K인 것으로 가정한다.Thereafter, the initial temperature of each node is set as the temperature of the coolant. When liquid helium is used, the initial temperature of the nodes is set to 4.2K. Also, an arbitrary node among the nodes set in the node setting step is selected and set as the quench node, and the critical temperature of the superconducting coil is set as the initial temperature of the quench node. For the embodiment of the present invention, it is assumed that the critical temperature is 9.8K.

상기 온도변화계산과정(S20)은 상기 온도변화계산부(52)가 상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로의 일정 시간 간격(노드해석 주기) 동안의 열전달열량과 저항 발생에 의한 주울열을 이용하여 모든 노드에서의 온도변화를 계산하는 처리과정을 수행한다.In the temperature change calculation step S20, the temperature change calculation unit 52 uses a heat transfer amount during a predetermined time interval (node interpretation period) from the quench generating node to adjacent nodes and a joule heat due to resistance generation And performs a process of calculating a temperature change at all the nodes.

이 과정에서 상기 열전달열량(Qt) 계산모듈은 상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로 전달되는 열전달열량(Qt=

Figure 112016106567523-pat00018
)을 계산한다.In this process, the heat transfer calorie (Qt) calculating module calculates a heat transfer calorie (Qt) from the quench generating node to neighboring nodes
Figure 112016106567523-pat00018
).

도 4는 노드들 사이의 열전달열량을 도출을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining the calculation of heat transfer calories between nodes.

도 4와 같이, 상기 열전달열량(Qt=

Figure 112016106567523-pat00019
)은 퀀치발생 노드(C)에 인접된 6개의 노드들로의 연전달열량(QA1=KA1(TA1-TC)/dlA1, QA2=KA2(TA2-TC)/dlA2, QA3=KA3(TA3-TC)/dlA3, QA4=KA4(TA4-TC)/dlA4, QA5=KA5(TA5-TC)/dlA5, QA6=KA6(TA6-TC)/dlA6)을 각각 구한다. 이때 6개 노드의 열전달열량 값을 모두 더한 값이 C 노드에서의 열전달에 의해 공급된 열량과 같다. 도 4의 QA1, QA2, QA3, QA4, QA5, QA6는 퀀치노드 C에서 인접된 노드 A1 내지 A6로 전달된 열량을 나타내며, K는 각각의 노드들의 열전도도이고, dl은 두 노드의 중심정 사이의 거리를 나타낸다. As shown in FIG. 4, the heat transfer calorie (Qt =
Figure 112016106567523-pat00019
(Q A1 = K A1 (T A1 -T C ) / dl A1 , Q A2 = K A2 (T A2 -T C ) / D A1 ) to the six nodes adjacent to the quench generating node A2 dl, Q A3 A3 = K (T C -T A3) / dl A3, A4 Q = K A4 (A4 T C -T) / dl A4, A5 Q = K A5 (A5 T C -T) / dl A5 , Q A6 = K A6 (T A6 -T C ) / d A A6 , respectively. In this case, the sum of the heat transfer calorific values of the six nodes is equal to the heat amount supplied by the heat transfer at the C node. Q A1 , Q A2 , Q A3 , Q A4 , Q A5 , and Q A6 in FIG. 4 represent the amount of heat transferred from the quench node C to the adjacent nodes A1 through A6, K is the thermal conductivity of the respective nodes, Represents the distance between the center of the two nodes.

상술한 바와 같은 퀀치노드로부터 인접노드들로의 열전달열량을 계산하는 것은 각 노드들의 열전달에 의한 열량 변화를 반영하도록 함으로써 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 결과의 정확도를 높인다.The calculation of the heat transfer calories from the quench node to the adjacent nodes as described above reflects the heat quantity change by the heat transfer of each node, thereby improving the accuracy of the simulation result of the superconducting coil temperature prediction.

상기 주울열(Qj) 계산모듈(54)은 초전도코일을 구성하는 각 노드의 온도에 따른 비저항에 의한 주울열(Qj=

Figure 112016106567523-pat00020
)을 계산한다. 이후, 상기 온도변환계산부(52)가 열전달열량(Qt=
Figure 112016106567523-pat00021
)과 주울열(Qj=
Figure 112016106567523-pat00022
=I2R)을 합산하는 것에 의해 각 노드에서의 전체 발열량(Qnet)을 계산하게 된다.The Joule heat (Qj) calculation module 54 calculates the Joule heat (Qj) due to the resistivity of each node constituting the superconducting coil (Qj =
Figure 112016106567523-pat00020
). Thereafter, when the temperature conversion calculator 52 calculates the heat transfer calorie amount Qt =
Figure 112016106567523-pat00021
) And Joule heat (Qj =
Figure 112016106567523-pat00022
= I 2 R) so as to calculate the total calorific value Q net at each node.

다음으로, 전체 발열량(Qnet)이 계산된 후에는 열전달 지배방정식에 의해 각 노드에서의 온도변화 값

Figure 112016106567523-pat00023
를 구한 후 각 노드의 온도에 더해서 각 노드의 온도 분포를 도출한다.Next, after the total calorific value (Q net) is calculated, the temperature change value at each node is calculated by the heat transfer governing equation
Figure 112016106567523-pat00023
And the temperature distribution of each node is derived in addition to the temperature of each node.

상기 열전달 지배방정식은

Figure 112016106567523-pat00024
로 표시된다. 여기서, Ccd는 구리의 단위 체적당의 열용량(Heat capacity per unit volume of copper), T는 온도, t는 시간, Kcd는 구리의 열전도도, ρcd는 전기저항률(Electrical resistivity), Jcd는 전류밀도(current density)를 나타낸다.The heat transfer governing equations
Figure 112016106567523-pat00024
. Where Ccd is the heat capacity per unit volume of copper, T is the temperature, t is the time, Kcd is the thermal conductivity of the copper, ρcd is the electrical resistivity, Jcd is the current density density.

상술한 열전달열량(Qt=

Figure 112016106567523-pat00025
)의 계산은 주변 노드보다 온도가 높은 노드들에 대해서만 이루어지기 때문에, 열전도가 발생하지 않는 노드들에 대한 열전달열량의 계산을 수행하지 않게 함으로써 시뮬레이션의 수행속도를 빠르게 할 수 있다.The above-described heat transfer calorie (Qt =
Figure 112016106567523-pat00025
) Is performed only for nodes having a temperature higher than that of the neighboring nodes, it is possible to speed up the simulation by not calculating the heat transfer calories for the nodes that do not generate heat conduction.

상기 초전도코일온도평가과정(S30, S60)에서는 초전도코일온도평가부(55)에 의해 상기 모든 노드의 온도를 평균하여 초전도코일의 평균온도를 산출한 후, 포화온도에 도달했는지를 판단하여 포화온도에 도달한 경우 기 설정된 온도 값과 비교하여 보호 조치 여부를 판단하는 처리과정을 수행한다, 이 과정에서 초전도코일의 노드별 온도분포가 도출된다.In the step of evaluating the superconducting coil temperature (S30, S60), the average temperature of all the nodes is averaged by the superconducting coil temperature evaluating unit 55 to determine whether the saturation temperature has been reached, The temperature distribution of the superconducting coils is determined by comparing the temperature of the superconducting coil with the temperature of the superconducting coil.

구체적으로 상기 초전도코일온도평가부(55)는 초전도코일의 평균온도가 포화온도에 도달하였는지를 판단하는 초전도코일온도포화판단과정(S30)을 수행한다. 초전도코일온도포화판단과정(S30)의 판단결과 포화온도에 도달하지 않은 경우에는 하기의 저항계산과정(S40)을 수행하게 된다.Specifically, the superconducting coil temperature evaluating unit 55 performs a superconducting coil temperature saturation determining process S30 to determine whether the average temperature of the superconducting coils reaches a saturation temperature. If the saturation temperature has not been reached as a result of the superconducting coil temperature saturation determination process (S30), the following resistance calculation process (S40) is performed.

도 5는 퀀치 발생 시의 초전도코일의 전류와 피크온도와 평균온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 초전도 코일에 퀀치가 발생하는 경우, 시간에 따라 전류 값이 감소하여 일정 값에 도달하게 되고, 이에 따라 초전도코일의 온도는 포화온도에 도달하게 된다.5 is a graph showing the relationship between the current of the superconducting coil and the peak temperature and the average temperature at the time of occurrence of the quench. When a quench occurs in a superconducting coil, the current value decreases with time and reaches a constant value, so that the temperature of the superconducting coil reaches the saturation temperature.

상기 저항계산과정(S40)에서는 이전 과정을 통해 계산된 각 노드의 온도와 구리의 비저항을 이용해 코일 전체의 저항계산을 수행한다.In the resistance calculation step S40, the resistance of the entire coil is calculated using the temperature of each node and the resistivity of copper calculated through the previous process.

상기 전류계산과정(S50)에서는 상기 전류계산부(57)가 상기 초전도코일의 양단 전압값을 입력 받은 후 각 노드의 온도에 따른 구리의 비저항과 코일 고유의 인덕턴스를 이용하여 다음 시간 간격에서의 전류를 예측한 후 상기 온도변화계산과정을 수행하도록 하는 처리과정을 수행한다.In the current calculation step S50, after the current measurement unit 57 receives the voltage value of both ends of the superconducting coil, the current in the next time interval is calculated by using the specific resistance of copper and the inherent inductance of the coil according to the temperature of each node And then performs the process of calculating the temperature change.

상기 전류계산과정(S50)에서의 다음 노드해석 주기에서의 각 노드의 전류는 초전도코일의 양단의 전압(V)과 상기 측정된 초전도코일의 평균온도에 따른 구리의 비저항(Rm)과 고정 인덕턴스(Lm)를 전압 지배방정식에 대입하여 노드해석주기 Δt 후의 전류값(I(t+Δt))을 계산하게 된다.The current of each node in the next node interpretation cycle in the current calculation process S50 is determined by the voltage V across the superconducting coil and the resistivity Rm and fixed inductance of the copper according to the measured average temperature of the superconducting coil Lm) is substituted into the voltage governing equation to calculate the current value I (t +? T) after the node analysis period? T.

상기 전압 지배방정식은,The voltage governing equations,

Figure 112016106567523-pat00026
Figure 112016106567523-pat00026

로 표시되고, 여기서, Rm은 초전도코일을 감싸는 구리의 각 온도에서의 비정항, Rd는 바이패스 저항(bypass restistance)이다.Where Rm is the non-tangential term at each temperature of the copper surrounding the superconducting coil, and Rd is the bypass restistance.

이와 달리, 상기 초전도코일온도포화단과정(S30)의 판단결과 포화온도에 도달한 경우에는 초전도코일의 평균온도가 기설정온도보다 높은지를 판단하는 보호조치여부판단과정(S60)을 수행한다. 이때 기설정온도는 본 발명의 실시예의 경우 150K로 설정하였다.Alternatively, if the saturation temperature is reached as a result of the superconducting coil temperature saturation step (S30), it is determined whether the average temperature of the superconducting coil is higher than the preset temperature (S60). In this case, the predetermined temperature is set to 150K in the embodiment of the present invention.

보호조치여부판단과정(S60)의 판단결과 초전도코일의 평균온도가 기설정 온도보다 높은 경우에는 보호회로의 설치 등의 보호조치를 실행하는 보호조치실행과정(S70)이 관리자에 의해 수행된다.If it is determined in step S60 that the average temperature of the superconducting coils is higher than the predetermined temperature, a protection measure execution step S70 is performed by the manager to execute the protection measures such as the installation of the protection circuit.

상술한 본 발명의 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 방법은 프로그램으로 구현된 후 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체의 형태를 가질 수 있다.The method of predicting the superconducting coil temperature of the present invention may be implemented as a program and then a computer-readable recording medium.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

1: 초전도코일 온도예측 시뮬레이션 장치1: Superconducting coil temperature prediction simulation device

Claims (11)

초전도코일을 단위노드들로 분할하는 노드설정을 수행한 후 각 노드별 초기 저항과 초기 온도를 설정하고 임의의 한 노드를 퀀치 발생 노드로 설정하는 초기값설정부;
상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로의 일정 시간 간격 동안의 열전달열량과 저항 발생에 의한 주울열을 이용하여 모든 노드에서의 온도변화를 계산하는 온도변화계산부;
상기 각 노드의 온도에 대한 구리의 비저항을 도출한 후 전체 합산하여 전체 초전도코일의 저항값을 도출하는 저항계산부;
상기 초전도코일의 양단 전압값을 입력 받은 후 각 노드의 온도에 따른 구리의 인덕턴스와 비저항을 이용하여 다음 시간 간격에서의 전류를 예측한 후 상기 온도변화계산부로 출력하는 전류계산부; 및
상기 초전도 코일의 최대 온도를 산출한 후, 기 설정된 온도 값과 비교하여 보호 조치 여부를 판단하는 초전도코일온도평가부;를 포함하고,
상기 노드설정은,
권선된 초전도코일의 길이 방향(L방향)에 대하여 열이 전파되는 속도를 VI,노드해석 주기를 dt(
Figure 112017053202318-pat00045
또는 Δt)라 할 때, VI*dt보다 같거나 크도록 설정되는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 장치.
An initial value setting unit for setting a node for dividing the superconducting coil into unit nodes, setting an initial resistance and an initial temperature for each node, and setting an arbitrary node as a quench generation node;
A temperature change calculation unit for calculating a temperature change at all of the nodes by using heat transfer calories for a predetermined time interval from the quench generating node to adjacent nodes and joule heat due to resistance generation;
A resistance measuring unit for deriving the resistivity of the entire superconducting coil by totally summing the resistivity of copper with respect to the temperature of each node;
A current measuring unit for receiving a voltage at both ends of the superconducting coil and estimating a current at a next time interval using the inductance and resistivity of copper according to temperature of each node and outputting the current to the temperature change calculating unit; And
And a superconducting coil temperature estimator for calculating a maximum temperature of the superconducting coil and comparing the superconducting coil with a preset temperature value to determine whether or not a protective measure is taken,
The node setting includes:
The speed at which heat propagates in the longitudinal direction (L direction) of the wound superconducting coil is denoted by VI, the node analysis period is denoted by dt
Figure 112017053202318-pat00045
Or? T) is set to be equal to or greater than VI * dt, the temperature prediction simulation apparatus for superconducting coil phase change.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 각 노드의 초기온도는 초전도코일의 냉각재 온도로 설정하고, 각 노드의 초기저항은 0Ω로 설정하며, 퀀치발생 노드의 온도는 초전도 상전이의 임계온도로 설정하는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the initial temperature of each node is set to the coolant temperature of the superconducting coil, the initial resistance of each node is set to 0 OMEGA, and the temperature of the quench generating node is set to the critical temperature of the superconducting phase transition. .
청구항 1에 있어서, 상기 온도변화계산부는,
상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로 전달되는 열전달열량(Qt=
Figure 112016106567523-pat00028
)과 초전도코일을 감싸는 구리도체의 저항에 의한 주울열(Qj=
Figure 112016106567523-pat00029
)을 합산한 전체 발열량(Qnet)을 도출한 후, 하기의 열전달 지배방정식에 의해 각 노드에서의 온도변화 값
Figure 112016106567523-pat00030
를 구한 후 각 노드의 온도에 더해서 각 노드의 온도 분포를 도출한 후 평균하여 초전도코일의 평균온도를 계산하는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 장치.
<열전달 지배방정식>
Figure 112016106567523-pat00031
,
여기서, Ccd는 구리의 단위 체적당의 열용량(Heat capacity per unit volume of copper), T는 온도, t는 시간, Kcd는 구리의 열전도도, ρcd는 전기저항률(Electrical resistivity), Jcd는 전류밀도(current density).
The apparatus according to claim 1,
(Qt = < RTI ID = 0.0 > Qt &lt; / RTI &gt;
Figure 112016106567523-pat00028
) And Joule heat due to the resistance of the copper conductor surrounding the superconducting coil (Qj =
Figure 112016106567523-pat00029
(Q net), which is the sum of the total heat value (Q net) and the total heat value
Figure 112016106567523-pat00030
And the mean temperature of the superconducting coil is calculated by deriving the temperature distribution of each node in addition to the temperature of each node and averaging the temperatures.
<Heat transfer governing equations>
Figure 112016106567523-pat00031
,
Where Ccd is the heat capacity per unit volume of copper, T is the temperature, t is the time, Kcd is the thermal conductivity of the copper, ρcd is the electrical resistivity, Jcd is the current density density).
청구항 4에 있어서,
상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로 전달되는 열전달열량(Qt=
Figure 112016106567523-pat00032
)의 계산은 상기 초전도코일의 냉각재 온도 이상인 노드들에 대해서만 수행되는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 장치.
The method of claim 4,
(Qt = &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Qt &lt; / RTI &gt;
Figure 112016106567523-pat00032
) Is performed only for nodes which are not less than the coolant temperature of the superconducting coil.
청구항 4에 있어서, 상기 전류계산부는,
초전도코일의 양단의 전압(V)과 상기 측정된 초전도코일의 평균온도에 따른 구리의 비저항(Rm)과 고정 인덕턴스(Lm)를 하기의 전압 지배방정식에 대입하여 노드해석주기 Δt 후의 전류값(I(t+Δt))을 계산하는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 장치.
<전압 지배방정식>
Figure 112017053202318-pat00033

여기서, Rm은 초전도코일을 감싸는 구리의 각 온도에서의 비정항, Rd는 바이패스 저항(bypass restistance).
[6] The apparatus of claim 4,
(Vm) at both ends of the superconducting coil and the resistivity (Rm) and the fixed inductance (Lm) of copper according to the measured average temperature of the superconducting coil are substituted into the following voltage governing equations to calculate the current value I (t +? t)) of the superconducting coil phase change.
<Voltage governance equation>
Figure 112017053202318-pat00033

Where Rm is the non-tangential term for each temperature of the copper surrounding the superconducting coil, and Rd is the bypass resistance.
초기값설정부, 온도변화계산부, 초전도코일온도평가부, 저항계산부 및 전류계산부를 포함하는 초전도코일 온도 예측 시뮬레이션 장치의 시뮬레이션 방법에 있어서,
상기 초기값설정부가 초전도코일을 단위노드들로 분할하는 노드설정을 수행한 후 각 노드별 초기 저항과 초기 온도를 설정하고 임의의 한 노드를 퀀치 발생 노드로 설정하는 초기값설정과정;
상기 온도변화계산부가 상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로의 일정 시간 간격 동안의 열전달열량과 저항 발생에 의한 주울열을 이용하여 모든 노드에서의 온도변화를 계산하는 온도변화계산과정;
상기 초전도코일온도평가부가 상기 모든 노드의 온도를 평균하여 초전도코일의 평균온도를 산출한 후, 포화온도에 도달했는지를 판단하여 포화온도에 도달한 경우 기 설정된 온도 값과 비교하여 보호 조치 여부를 판단하는 초전도코일온도평가과정;
상기 초전도코일의 평균온도가 포화온도에 도달하지 않은 경우 상기 저항계산부가 상기 각 노드의 온도에 대한 구리의 비저항을 도출한 후 전체 합산하여 전체 초전도코일의 저항값을 도출하는 저항계산과정; 및
상기 전류계산부가 상기 초전도코일의 양단 전압값을 입력 받은 후 각 노드의 온도에 따른 구리의 인덕턴스와 비저항을 이용하여 다음 시간 간격에서의 전류를 예측한 후 상기 온도변화계산과정을 수행하도록 하는 전류계산과정;을 포함하여 구성되고,
상기 노드설정은,
권선된 초전도코일의 길이 방향(L방향)에 대하여 열이 전파되는 속도를 VI,노드해석 주기를 dt(
Figure 112017053202318-pat00046
또는 Δt)라 할 때, VI*dt보다 같거나 크도록 설정되는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 방법.
A simulation method for a superconducting coil temperature predicting simulation apparatus including an initial value setting unit, a temperature change calculating unit, a superconducting coil temperature evaluating unit, a resistance measuring unit, and a current calculating unit,
An initial value setting step of setting the initial resistance and the initial temperature for each node and setting an arbitrary node as a quench generating node after performing the node setting for dividing the superconducting coil into unit nodes by the initial value setting unit;
A temperature change calculation step of calculating the temperature change at all the nodes using the heat transfer calorie amount and the joule heat due to the resistance generation during a predetermined time interval from the quench generating node to the adjacent nodes from the quench generating node;
The superconducting coil temperature evaluating unit averages the temperatures of all the nodes to calculate an average temperature of the superconducting coils, and then determines whether the superconducting coils have reached a saturation temperature. If the saturation temperature has been reached, A superconducting coil temperature evaluation process;
A resistance calculation step of, when the average temperature of the superconducting coil does not reach the saturation temperature, the resistance calculation unit deriving the resistivity of copper with respect to the temperature of each node and summing the total resistance to derive a resistance value of the entire superconducting coil; And
Wherein the current calculation unit receives the voltage between both ends of the superconducting coil, estimates the current in the next time interval using the inductance and resistivity of copper according to the temperature of each node, Comprising:
The node setting includes:
The speed at which heat propagates in the longitudinal direction (L direction) of the wound superconducting coil is denoted by VI, the node analysis period is denoted by dt
Figure 112017053202318-pat00046
Or? T) is set to be equal to or larger than VI * dt, the temperature prediction simulation method for the superconducting coil phase change.
삭제delete 청구항 7에 있어서,
상기 각 노드의 초기온도는 초전도코일의 냉각재 온도로 설정하고, 각 노드의 초기저항은 0Ω로 설정하며, 퀀치발생 노드의 온도는 초전도 상전이의 임계온도로 설정하는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 방법
The method of claim 7,
The initial temperature of each node is set to the coolant temperature of the superconducting coil, the initial resistance of each node is set to 0 OMEGA, and the temperature of the quench generating node is set to the critical temperature of the superconducting phase transition.
청구항 7에 있어서, 상기 온도변화계산과정은,
상기 퀀치발생 노드로부터 인접된 노드들로 전달되는 열전달열량(Qt=
Figure 112016106567523-pat00035
)과 초전도코일을 감싸는 구리도체의 저항에 의한 주울열(Qj=
Figure 112016106567523-pat00036
)을 합산한 전체 발열량(Qnet)을 도출한 후, 하기의 열전달 지배방정식에 의해 각 노드에서의 온도변화 값
Figure 112016106567523-pat00037
를 구한 후 각 노드의 온도에 더해서 각 노드의 온도 분포를 도출한 후 평균하여 초전도코일의 평균온도를 계산하는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 방법.
<열전달 지배방정식>
Figure 112016106567523-pat00038
,
여기서, Ccd는 구리의 단위 체적당의 열용량(Heat capacity per unit volume of copper), T는 온도, t는 시간, Kcd는 구리의 열전도도, ρcd는 전기저항률(Electrical resistivity), Jcd는 전류밀도(current density).
The method according to claim 7,
(Qt = < RTI ID = 0.0 > Qt &lt; / RTI &gt;
Figure 112016106567523-pat00035
) And Joule heat due to the resistance of the copper conductor surrounding the superconducting coil (Qj =
Figure 112016106567523-pat00036
(Q net), which is the sum of the total heat value (Q net) and the total heat value
Figure 112016106567523-pat00037
And the average temperature of the superconducting coils is calculated by deriving the temperature distribution of each node in addition to the temperature of each node and then averaging the temperatures.
<Heat transfer governing equations>
Figure 112016106567523-pat00038
,
Where Ccd is the heat capacity per unit volume of copper, T is the temperature, t is the time, Kcd is the thermal conductivity of the copper, ρcd is the electrical resistivity, Jcd is the current density density).
청구항 7에 있어서, 상기 전류계산과정은,
초전도코일의 양단의 전압(V)과 상기 측정된 초전도코일의 평균온도에 따른 구리의 비저항(Rm)과 고정 인덕턴스(Lm)를 하기의 전압 지배방정식에 대입하여 노드해석주기 Δt 후의 전류값(I(t+Δt))을 계산하는 초전도코일 상변화시 온도예측 시뮬레이션 방법.
<전압 지배방정식>
Figure 112016106567523-pat00039

여기서, Rm은 초전도코일을 감싸는 구리의 각 온도에서의 비정항, Rd는 바이패스 저항(bypass restistance).8. The method of claim 7,
(Vm) at both ends of the superconducting coil and the resistivity (Rm) and the fixed inductance (Lm) of copper according to the measured average temperature of the superconducting coil are substituted into the following voltage governing equations to calculate the current value I (t +? t)) of the superconducting coil phase change.
<Voltage governance equation>
Figure 112016106567523-pat00039

Where Rm is the non-tangential term for each temperature of the copper surrounding the superconducting coil, and Rd is the bypass resistance.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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KR101118746B1 (en) * 2010-01-19 2012-03-13 한국전기연구원 Quench detection apparatus for high temperature superconducting coil
JP5877397B2 (en) * 2011-09-08 2016-03-08 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Superconducting coil protection method and superconducting magnet device
JP2013208188A (en) * 2012-03-30 2013-10-10 Hitachi Medical Corp Superconducting magnet apparatus, method for protecting superconducting coil, and magnetic resonance imaging apparatus

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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