KR20040070154A - 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치 - Google Patents

온도가변식 초전도코일 특성 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치에 관한 것으로, 콜드헤드부와, 상기 콜드헤드부의 상부를 외부와 밀폐시킴과 동시에 진공펌프에 연결되어 내부가 진공이 되는 외부챔버와, 상기 외부챔버의 내부에 형성된 내부챔버를 포함하는 극저온 냉동시스템에 있어서, 금속재질로 형성되며 상기 콜드헤드부의 상단부에 접촉결합되어 콜드헤드부에서 전달되는 냉기를 상측으로 전달시키는 보조부재와; 금속재질로 형성되고 상기 보조부재의 상측에 접촉결합되며, 측정하고자 하는 초전도 코일이 수용되는 지그와; 상기 콜드헤드부의 상단부 원주면에 형성된 제1히터와; 상기 보조부재의 외부면에 형성된 제2히터; 그리고, 절연재질로 구성되어 상기 콜드헤드부의 원주면에 형성되고, 상기 초전도 코일에 전류를 인가시키는 전류선이 일부 감겨짐에 의해 콜드헤드부의 냉기를 인입선측으로 전달시키는 냉기전달부재;를 포함하여 구성되는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 온도에 따른 초전도코일의 임계전류 등의 물성측정이 가능함과 동시에 온도제어가 용이하다는 이점이 있다.

Description

온도가변식 초전도코일 특성 측정장치{measuring apparatus for property of superconducting coil}
본 발명은 온도가변식 초전도 코일 특성 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 온도 변화에 따라 고온초전도 코일의 특성인 임계전류 등의 측정이 가능한온도가변식 초전도코일 특성 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 고온 초전도체를 이용한 초전도 시스템에 있어서 현재까지 가장 응용 가능성이 높은 재료로써 Bi-2223 등의 초전도 테이프가 주목을 받고 있으며, 실제 많은 고온 초전도체는 초전도코일의 형태로 제작되어 응용되고 있으며, 적용온도에 따라 그 성능도 달리지게 된다.
따라서 초전도코일에 대한 일정온도에서의 특성평가는 초전도코일을 응용하는 데 있어서 매우 중요한 역할을 하게 된다.
그 특성 가운데서 대표적인 특성이 초전도코일에 대한 임계전류(Ic)이며, 임계전류의 측정은 통상 코일의 양끝에서 일정전류(I)를 인가시킴과 동시에 가운데 부분에서 전압(V)을 측정하는 방식의 4-단자법을 이용하여 특정온도에서 초전도 코일의 임계전류를 측정하게 되는 것이다.
그런데 상기 초전도코일인 경우 일정온도 이하에서만 초전도 현상이 나타나는 바, 초전도 현상이 나타나는 온도는 거의 극저온인 경우가 대부분이며, 상기 초전도 코일에 대한 임계전류 측정 역시 극저온에서 이루어지게 되며, 이러한 경우 통상 냉매로 액체질소나 액체헬륨을 사용하게 된다.
고온 초전도코일의 임계전류를 측정하는 일반적인 방법은 측정하고자 하는 시편을 직접 액체질소 또는 액체헬륨에 담근 상태에서 임계전류를 측정하게 되는 바, 이는 특정온도, 특히 액체질소를 냉매로 사용하는 경우 약 77K에서만 측정이 가능하고, 액체헬륨을 냉매로 사용하는 경우에는 4.2K 에서만 가능하여 온도에 따른 임계전류의 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.
그리고 액체헬륨인 경우에는 고가이며, 고진공,극저온 용기가 필요함과 동시에 회수가 어려워 경제적이지 못하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 온도에 따른 초전도코일의 임계전류 등의 물성측정이 가능한 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 온도제어가 용이한 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1 - 본 발명에 따른 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치의 개략도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 콜드헤드부 110 : 외부챔버
120 : 내부챔버 130 : 보조부재
131,132 : 인듐판 140 : 지그
150 : 제1히터 151 : 제2히터
170 : 냉기전달부재 180 : 전류선
181 : 전압신호선 190 : 진공배기포트
191 : 제1온도센서 192 : 제2온도센서
193 : 홀센서 200 : 초전도코일
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 콜드헤드부와, 상기 콜드헤드부의 상부를 외부와 밀폐시킴과 동시에 진공펌프에 연결되어 내부가 진공이 되는 외부챔버와, 상기 외부챔버의 내부에 형성된 내부챔버를 포함하는 극저온 냉동시스템에 있어서, 금속재질로 형성되며 상기 콜드헤드부의 상단부에 접촉결합되어 콜드헤드부에서 전달되는 냉기를 상측으로 전달시키는 보조부재와; 금속재질로 형성되고 상기 보조부재의 상측에 접촉결합되며, 측정하고자 하는 초전도 코일이 수용되는 지그와; 상기 콜드헤드부의 상단부 원주면에 형성된 제1히터와; 상기 보조부재의 외부면에 형성된 제2히터; 그리고, 절연재질로 구성되어 상기 콜드헤드부의 원주면에 형성되고, 상기 초전도 코일에 전류를 인가시키는 전류선이 일부 감겨짐에 의해 콜드헤드부의 냉기를 인입선측으로 전달시키는 냉기전달부재;를 포함하여 구성되는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 보조부재에는 제1온도센서가 설치되고, 상기 지그에는 제2온도센서가 설치되고, 상기 보조부재 및 지그는 무산소동으로 형성되고, 상기 콜드헤드부와 보조부재의 접촉부 및 보조부재와 지그의 접촉부위에는 인듐판이 설치되고, 상기 지그에는 홀센서가 설치되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 냉기전달부재는 섬유강화플라스틱(FRP)가 되고, 상기 외부챔버에는 상기 외부챔버 내부와 연통되는 진공배기포트가 설치되고, 상기 전류선은 센서신호선 및 전압선과는 따로이 챔버 내부로 인입되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 온도에 따른 초전도코일의 임계전류 등의 물성측정이 가능함과 동시에 온도제어가 용이하다는 이점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치의 개략도이다.
본 발명에 따른 초전도코일 특성 측정장치는 기본적으로 기포드-맥마흔(Gifford-McMahon) 냉동기(이하 GM 냉동기라 함)를 이용한 바, 헬륨가스를 압축, 단열팽창시키는 방식을 취한 것으로 최저 냉각온도는 4.2K 까지 가능하다. GM 냉동기에 대한 내용은 주지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 GM 냉동기의 냉기를 전달받아 초전도코일(200) 자체를 냉각하여 온도변화에 따른 초전도 코일(200)의 전기적 특성을 측정할 수 있는 측정장치에 관한 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 측정장치는 크게 콜드헤드부(100)와, 외부챔버(110)와, 내부챔버(120)와, 보조부재(130)와, 지그(140)와, 제1히터(150)와,제2히터(160) 그리고 냉기전달부재(170)로 구성된다.
먼저 콜드헤드부(100)에 대해 설명한다.
상기 콜드헤드부(100)는 상기 GM 냉동기의 냉기를 직접전달받는 부분으로 통상 봉형상의 금속으로 형성되어 냉기를 전달받아 금속의 열전도에 의해 냉기를 상측으로 전달시킨다. 그리고 상기 콜드헤드부(100)의 원주면에는 외부전원과 연결된 제1히터(150)가 설치되어 발열됨에 의해 콜드헤드부(100)에 일정한 양의 열을 전달시킨다. 또한 상기 제1히터(150) 하측에는 후술하는 냉기전달부재(170)가 형성되며 상기 냉기전달부재(170)에 전류선(180)의 일부가 감기게 된다.
상기 외부챔버(110)는 하부가 개구된 원통형상으로 형성되어 상기 콜드헤드부(100)를 외부와 차폐시키게 형성되며, 상기 외부챔버(110)의 측면에는 외부챔버 (110)내부와 연통된 진공배기포트(190)가 설치되어 상기 진공배기포트(190)가 진공펌프와 연결되어 상기 외부챔버(110) 내부는 진공상태가 된다.
그리고 상기 외부챔버(110) 내부에는 상하 관통된 원통형상으로 형성되며 표면에 슈퍼인슈레이트 코팅이 된 내부챔버(120)가 설치되어 외부에서 챔버 내부로 전달되는 복사에너지를 차단시킨다.
따라서 상기 외부챔버(110) 내부에서의 냉기전달은 대부분 상기 콜드헤드부(100)를 통한 전도에 의해서만 이루어진다.
상기 보조부재(130)는 무산소동 재질이며 대략 원주형상으로 형성되어 상기 콜드헤드부(100)의 상단부에 결합되는 바, 상기 콜드헤드부(100)와 보조부재(130) 사이에는 인듐판(131)이 설치되어 콜드헤드부(100)의 냉기가 상측으로 원할하게 전달되게 한다.
그리고 상기 보조부재(130)의 원주면에는 외부전원과 연결된 제2히터(151)가 설치되어 발열됨에 의해 보조부재(130)측으로 일정한 양의 열을 전달시킨다.
또한 상기 보조부재(130)에는 제1온도센서(191)가 설치되어 보조부재(130)의 온도가 측정된다.
여기서 상기 제1히터(150)와 제2히터(152) 두개를 설치함에 의해 후술하는 지그(140)측의 온도를 제어하는 경우 온도편차는 최소화 된다. 즉, 상기 콜드헤드부(100)를 통하여 냉기가 상측으로 전달됨과 동시에 상기 제1히터(150)와 제2히터(151)의 발열량을 제어함에 의해 상기 지그(140)측의 온도를 사용자가 원하는 일정한 온도로 유지할 수 있어 온도변화에 따른 초전도코일(200)의 임계전류측정이 가능한 것이다.
상기 지그(140)는 무산소동재질이며 대략 원주형상으로 형성되어 상기 보조부재(130) 상면에 접촉결합되는 바, 상기 보조부재(130)와 지그(140) 사이에는 인듐판(132)이 설치되어 보조부재(130)의 냉기가 지그(140)측으로 원활하게 전달된다. 그리고 상기 지그(140)에는 지그(140)의 온도를 감지하는 제2온도센서(192)가 설치된다.
또한 상기 지그(140)에는 임계전류를 측정하고자 하는 초전도코일(200)이 수용되며, 상기 초전도코일(200)은 전류선(180)에 의해 외부 전원과 연결되어 전원(전류)를 인가받음과 동시에 초전도 코일(200)의 중간부분에는 전압신호선(181)이 외부 계측기에 연결된다.
따라서 초전도코일(200)의 양끝에서 일정전류(I)를 인가시킴과 동시에 가운데 부분에서 전압(V)을 측정하는 방식의 4-단자법을 이용하여 특정온도에서 초전도 코일(200)의 임계전류를 측정하게 되는 것이다.
또한 상기 지그(140)에는 홀센서(192)가 설치되는 바, 상기 홀센서(192)가 상기 초전도코일(200)에서 발생되는 자기장의 세기를 감지함에 의해 초전도 코일(200)의 특성파악이 가능하다.
상기에서와 같이 본 발명에서는 4-단자법을 이용하여 임계전류를 측정함과 동시에 홀센서에 의한 특성 등을 파악하여 상호 비교함에 의해 측정오차를 최소화 할 수 있다.
상기 냉기전달부재(170)는 절연재질인 섬유강화플라스틱(FRP) 재질이고, 상기 콜드헤드부(100)의 원주면을 감싸는 형태로 상기 콜드헤드부(100)의 원주면에 형성된다. 그리고 상기 냉기전달부재(170)의 원주면에는 외부전원과 연결되어 상기 지그(140)에 설치되는 초전도 코일(200)에 일정전류를 인가시키는 전류선(180)의 일부가 감기게 되어 콜드헤드부(100)의 냉기가 상기 전류선(180)으로 전달되어 전류선(180)을 일차로 냉각시킴에 의해 전류선(180)을 따라 전도되는 외부의 열을 원천적으로 차단하는 것이다.
통상 임계전류를 측정하고자 하는 경우 많은 양의 전류가 초전도 코일(200)로 인가되는 바, 전류선(180)의 굵기도 굵어지게 되며, 상기와 같이 전류선(180)을 일차적으로 냉각시키지 않으면 전류선(180)을 따라 외부의 열기가 지그(140)측으로 전달됨에 의해 지그(140)의 냉각효율이 나빠진다.
여기서 상기 챔버내부로 인입되는 선은 전류선(180), 전압신호선(181) 및 센서선들이 있는 바, 전류선(180)의 인입부를 따로이 형성하여 전류에 의한 센서 등의 영향을 최소화 시킬 수 있다.
상기의 구성에 의한 작동효과는 후술하는 바와 같다.
먼저 사용자는 상기 보조부재(130)와 초전도코일(200)이 수용된 지그(140)를 상기 콜드헤드부(100) 상면에 설치하고 상기 내부챔버(120)와 외부챔버(110)를 결합시킨다.
그리고 외부 진공펌프를 작동시켜 외부챔버(110) 내부를 일정이상의 진공(10-6torr이하)상태가 되게 한다.
그런 다음 GM 냉동기를 구동시킨다.
냉동기의 구동에 의해 상기 콜드헤드부(100) 및 지그(140)는 거의 4.2K 정도까지 냉각된다.
냉동기가 구동되는 상태에서 상기 제1히터(150)와 제2히터(151)의 발열량을 제어시킴에 의해 상기 지그(140)측의 온도를 일정하게 유지시킨 후, 상기 초전도코일(20))에 인가되는 전류를 변화시킴과 동시에 이때의 전압값을 측정하는 방법으로 특정온도에서의 임계전류값을 측정한다.
상기와 같은 과정을 온도를 일정하게 증가시키면서 반복함에 의해 상기 초전도코일(200)의 온도에 따른 임계전류측정이 가능하게 되는 것이다.
상기의 구성에 의한 본 발명은, 온도제어가 용이함과 동시에 온도에 따른 초전도코일의 임계전류 등의 물성측정이 가능하다는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 콜드헤드부와, 상기 콜드헤드부의 상부를 외부와 밀폐시킴과 동시에 진공펌프에 연결되어 내부가 진공이 되는 외부챔버와, 상기 외부챔버의 내부에 형성된 내부챔버를 포함하는 극저온 냉동시스템에 있어서,
    금속재질로 형성되며 상기 콜드헤드부의 상단부에 접촉결합되어 콜드헤드부에서 전달되는 냉기를 상측으로 전달시키는 보조부재와;
    금속재질로 형성되고 상기 보조부재의 상측에 접촉결합되며, 측정하고자 하는 초전도 코일이 수용되는 지그와;
    상기 콜드헤드부의 상단부 원주면에 형성된 제1히터와;
    상기 보조부재의 외부면에 형성된 제2히터; 그리고,
    절연재질로 구성되어 상기 콜드헤드부의 원주면에 형성되고, 상기 초전도 코일에 전류를 인가시키는 전류선이 일부 감겨짐에 의해 콜드헤드부의 냉기를 인입선측으로 전달시키는 냉기전달부재;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조부재에는 제1온도센서가 설치되고, 상기 지그에는 제2온도센서가 설치됨을 특징으로 하는 온도가변식 초전도 코일 특성 측정정치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보조부재 및 지그는 무산소동으로 형성됨을 특징으로 하는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 콜드헤드부와 보조부재의 접촉부 및 보조부재와 지그의 접촉부위에는 인듐판이 설치됨을 특징으로 하는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서 상기 지그에는 홀센서가 설치됨을 특징으로 하는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉기전달부재는 섬유강화플라스틱(FRP)이 됨을 특징으로 하는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외부챔버에는 상기 외부챔버 내부와 연통되는 진공배기포트가 설치됨을 특징으로 하는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전류선은 센서신호선 및 전압선과는 따로이 챔버 내부로 인입됨을 특징으로 하는 온도가변식 초전도코일 특성 측정장치.
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