KR20110127941A

KR20110127941A - 대전류 통전용 도체 단말부 및 대전류 통전장치

Info

Publication number: KR20110127941A
Application number: KR1020100047482A
Authority: KR
Inventors: 고태국; 조현철; 장기성; 김영재; 나진배; 최석진; 장재영; 황영진
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2011-11-28
Also published as: WO2011145768A1; KR101642878B1

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 대전류 통전용 도체 단말부는 전류가 인가되는 도체 프레임 및 복수 개의 전류 통전용 초전도 선재의 단부와 각각 접합 되고, 상기 도체 프레임의 동일 평면 위에서 상기 도체 프레임과 각각 연결되는 복수 개의 초전도 재질의 전류 통로부를 포함하고, 상기 초전도 선재는 적층되고 상기 전류 통로부를 통해 상기 도체 프레임으로부터 상기 초전도 선재에 전류가 전달된다.

Description

대전류 통전용 도체 단말부 및 대전류 통전장치{Conductor terminal and conducting device for high current}

본 발명은 도체 단말부 및 통전장치에 관한 것으로 특히, 초전도 선재를 적층할 수 있는 대전류 통전용 도체 단말부 및 대전류 통전장치에 관한 것이다.

초전도 선재는 일반 도체와 달리 특정 조건 하에서 저항이 없기 때문에, 대전류를 손실 없이 통전 할 수 있다. 그러나 초전도 선재 1개는 허용 임계전류를 가지기 때문에 그 이상의 전류가 통전 되면 퀀치(quench)가 발생하여 초전도 선재가 손상될 수 있다. 초전도 선재를 이용하여 대전류를 통전시킬 경우 초전도 선재를 병렬로 배치하거나 적층할 수 있다. 이때 병렬로 배치하는 것보다 적층 하는 것이 공간활용상 이득이 있기 때문에 초전도 선재의 적층을 이용한 대전류 통전이 유리하다.

그러나 초전도 선재를 단순하게 쌓아 올리는 적층방법은 초전도 선재의 구조 상 통전 전류를 제일 아래 초전도 선재에 집중되게 하고, 제일 아래에 있는 초전도 선재에 퀀치를 발생시켜 초전도 선재가 파손될 우려가 있다.

본 발명은 복수 개의 초전도 선재를 적층 함으로써 공간 활용에 장점이 있고 복수 개의 초전도 선재에 균일하게 전류를 분배함으로써 초전도 선재의 퀀치(quench)를 방지하고 대전류를 통전시킬 수 있는 도체 단말부 및 대전류 통전장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 대전류 통전용 도체 단말부는 전류가 인가되는 도체 프레임 및 복수 개의 전류 통전용 초전도 선재의 단부와 각각 접합 되고, 상기 도체 프레임의 동일 평면 위에서 상기 도체 프레임과 각각 연결되는 복수 개의 초전도 재질의 전류 통로부를 포함하고, 상기 초전도 선재는 적층 되고 상기 전류 통로부를 통해 상기 도체 프레임으로부터 상기 초전도 선재에 전류가 전달된다.

상기 초전도 선재와 상기 전류 통로부가 접합 되는 각각의 접합면적은 동일할 수 있다.

상기 도체 프레임으로부터 상기 초전도 선재로 전달되는 전류의 경로의 길이는 동일할 수 있다.

상기 초전도 선재와 상기 전류 통로부는 교대로 적층될 수 있다.

상기 초전도 선재의 하면은 절연 처리되어 상기 초전도 선재는 상기 초전도 선재 아래의 도체 프레임, 전류 통로부 또는 적층 되는 다른 초전도 선재와 전기적으로 절연될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 대전류 통전장치는 전류가 인가되는 도체 프레임, 상기 도체 프레임의 동일 평면 위에서 상기 도체 프레임과 각각 연결되는 복수 개의 초전도 재질의 전류 통로부를 구비하는 도체 단말부 1쌍 및 전류를 통전 하는 복수 개의 초전도 선재를 포함하고, 상기 초전도 선재는 양 단부가 상기 도체 단말부 1쌍의 전류 통로부와 각각 접합 되어 적층 되고, 상기 전류 통로부를 통해 상기 초전도 선재에 전류가 전달된다.

복수 개의 초전도 선재를 적층 함으로써 공간 활용에 장점이 있고 복수 개의 초전도 선재에 균일하게 전류를 분배함으로써 초전도 선재의 퀀치(quench)를 방지하고 대전류를 통전시킬 수 있는 도체 단말부 및 대전류 통전장치를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 기술로, 구리 단말부 위에 초전도 선재를 접속한 구조를 나타내는 그림이다.
도 2는 종래 기술로, 구리 단말부 위에 초전도 선재를 단순 적층 한 구조를 나타내는 그림이다.
도 3은 구리 단말부 위에 초전도 선재를 단순 적층 하였을 때 초전도 선재의 통전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 단차가 있는 구리 단말부 위에 초전도 선재를 적층 한 모습을 나타내는 그림이다.
도 5a 및 도 5b는 단차가 있는 구리 단말부 위에 초전도 선재를 적층 하였을 때 초전도 선재의 통전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예로서 도체 단말부 위에 전류 통로부를 이용하여 초전도 선재를 적층 한 모습을 나타내는 그림이다.
도 7은 본 발명의 실시 예로서 도체 단말부 위에 전류 통로부를 이용하여 초전도 선재를 적층 한 구조의 측면을 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예로서 초전도 선재와 전류 통로부를 다양한 각도로 접합한 모습을 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예로서 도체 단말부 위에 전류 통로부를 이용하여 초전도 선재를 적층 하였을 때 초전도 선재의 통전 특성을 나타내는 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시 예의 도면에 나타나는 동일 또는 유사한 사상의 범위 내의 기능이 동일 또는 유사한 구성요소는 동일 또는 유사한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 종래 기술로, 구리 단말부 위에 초전도 선재를 접속한 모습을 나타내는 그림이다. 도 1을 참조하면, 초전도 선재(10)는 구리 단말부(2)와 납땜용 금속(4)으로 전기적으로 연결될 수 있다. 즉 전류는 구리 단말부(2)로부터 납땜용 금속(4)을 통해 초전도 선재(10)로 전달된다. 납땜용 금속(4)은 일 예로 인듐, 인듐비스무스 일 수 있다. 초전도 선재(10)는 상부와 하부가 안정화층(6)으로 지지되고, 그 내부에 초전도층(8), 기판(9)을 포함하는 다층 구조이다. 안정화층(6)은 상기 다층 구조를 물리적으로 지지하고, 초전도 선재(10)가 퀀치될 때 전류를 분산시킬 수 있다. 안정화층(6)은 일 예로 스테인리스 스틸(SUS) 또는 구리일 수 있다. 기판(9)은 일 예로 니켈 텅스텐일 수 있다. 초전도층(8)은 구리 단말부(2)에서 전달된 전류를 통전하는 부분이다.

초전도 선재 1개는 허용 임계전류를 가지기 때문에 그 이상의 전류가 통전되면 퀀치가 발생하여 초전도 선재가 손상될 수 있다. 초전도 선재를 이용하여 대전류를 통전시킬 경우 초전도 선재를 병렬로 배치하거나 적층할 수 있다. 이때 병렬로 배치하는 것보다 적층 하는 것이 공간 활용상 이득이 있기 때문에 초전도 선재를 적층 하여 대전류를 통전 하는 방식이 주로 이용된다.

도 2는 종래 기술로, 구리 단말부 위에 초전도 선재를 적층 한 모습을 나타내는 그림이다. 도 2를 참조하면, 구리 단말부(2) 위에 제1 초전도 선재(10a)를 납땜용 금속으로 부착하고 그 위에 제2 초전도 선재(10b) 및 제3 초전도 선재(10c)를 적층 한 모습이다. 각 초전도 선재 사이는 납땜용 금속(5, 7)을 이용하여 접합 될 수 있다. 구리 단말부(2)에서 전달되는 전류는 제1 초전도 선재(10a)를 지나야 제2 초전도 선재(10b), 제3 초전도 선재(10c)에 도달한다. 초전도 선재의 안정화층은 초전도 층에 비해 저항이 매우 크므로 대전류를 통전하는 경우 제1 초전도 선재(10a)에 전류가 집중되어 제1 초전도 선재(10a)를 파손시킬 가능성이 크다.

도 3은 구리 단말부 위에 초전도 선재 3매를 단순 적층 하였을 때 초전도 선재의 통전 특성을 나타내는 그래프이다. 초전도 선재의 통전 가능한 임계전류 이하일 때 초전도 선재가 통전시 전압 강하가 거의 일어나지 않으므로 전압은 0에 근접한다. 초전도 선재 1매당 임계전류는 약 100A이므로 만약 초전도 선재를 3매 적층하고, 퀀치가 일어나지 않는다면 이론상 통전 가능한 전체 전류는 300A이다. 도 3을 참조하면, 약 116A에서 초전도 선재 1매의 임계전류를 넘으면서 전압강하가 발생하였다. 이로부터 초전도 선재에 퀀치가 발생하였음을 알 수 있고, 이 이상의 전류를 통전시킬 경우 초전도 선재가 타버리는 현상이 발생할 수 있다. 이로써 적층된 초전도 선재에 전류가 균일하게 분배되지 않고 제일 아래에 있는 초전도 선재에 전류가 집중되며 퀀치가 발생함을 알 수 있다. 이와 같이 초전도 선재의 단순 적층 방식으로는 전류가 균일하게 분배되지 않아 대전류를 통전할 수 없다. 따라서 구리 단말부 위에 초전도 선재를 단순적층이 아닌 다른 방식으로 적층 하여 통전 특성을 측정하였다.

도 4a 및 도 4b는 단차가 있는 구리 단말부 위에 초전도 선재를 적층 한 모습을 나타내는 그림이다. 도 4a는 구리 단말부의 1층과 2층에 제1 초전도 선재(10a), 제2 초전도 선재(10b)를 각각 적층 한 구조이고, 도 4b는 구리 단말부의 1층과 3층에 제1 초전도 선재(10a), 제2 초전도 선재(10b)를 각각 적층 한 구조이다. 적층 구조상 전류는 구리 단말부(40)에서 제1 초전도 선재(10a)를 거치지 않고 제2 초전도 선재(10b)에 전달될 수 있는 구조이므로, 각 초전도 선재에 균일하게 전류를 분배할 수 있다는 가설을 세울 수 있다.

도 5a 및 도 5b에서는 각각 상기 도 4a 및 도 4b의 적층 구조의 통전 특성을 나타내었다. 초전도 선재 1매당 임계전류는 약 100A이고 초전도 선재를 2매 적층 하였으므로, 퀀치가 일어나지 않는다면 이론상 통전 가능한 전체 전류는 200A이다. 도 5a를 참조하면, 아래쪽에 있는 제1 초전도 선재는 약 130A에서 퀀치가 발생하였고, 위쪽에 있는 제2 초전도 선재는 약 150A에서 퀀치가 발생하였다. 도 5b를 참조하면, 위쪽에 있는 제2 초전도 선재는 약 100A에서 퀀치가 발생하였고, 아래쪽에 있는 제1 초전도 선재는 약 150A에서 퀀치가 발생하였다. 즉 도 5a의 경우와는 반대로 위쪽에 있는 초전도 선재에서 먼저 퀀치가 발생함을 알 수 있다. 도 5a 및 도 5b의 결과에 의하면 단차가 있는 구리 단말부에 초전도 선재를 적층할 때도 단순 적층과 마찬가지로 전류가 균일하게 분배되지 않는다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 구리 단말부로부터 각각의 초전도 선재에 전달되는 전류의 경로를 가급적 동일하게 만들어 줄 필요가 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예로서 도체 단말부 위에 전류 통로부를 이용하여 초전도 선재를 적층 한 모습을 나타내는 그림이다. 도체 단말부는 도체 프레임(60), 전류 통로부(20a, 20b, 20c)를 포함한다. 도체 단말부는 일 예로 구리(Cu) 단말부일 수 있다. 도 6의 (a)는 초전도 선재를 적층 하기 전의 도체 프레임(60)을 나타낸다. 도 6의 (a)를 참조하면, 도체 프레임(60)에 초전도 선재를 결합하기 위해 홈(62)을 구비할 수 있다. 도 6의 (b)는 도체 프레임(60)의 홈(62)에 전류 통로부(20a)를 결합하고 상기 전류 통로부(20a)에 초전도 선재(10a) 1매를 연결한 모습이다. 도 6의 (c)는 도체 단말부 위에 3매의 초전도 선재(10a, 10b, 10c)를 적층 한 구조를 나타낸다.

도 7은 본 발명의 실시 예로서 도체 단말부 위에 전류 통로부를 이용하여 초전도 선재를 적층 한 구조의 측면을 나타내는 모식도이다. 도 7을 참조하면, 대전류 통전용 도체 단말부는 도체 프레임(60), 전류 통로부(20a, 20b, 20c)를 포함한다. 도체 프레임(60)은 일 예로 복수 개의 홈(62)을 구비하고 전류가 인가된다. 전류 통로부(20a, 20b, 20c)는 초전도 재질로 홈(62)에 끼워져 상기 도체 프레임(60)의 동일 평면 위에서 상기 도체 프레임(60)과 연결되고, 전류 통전용 초전도 선재(10a, 10b, 10c)의 단부와 접합 된다. 그리고 초전도 선재(10a, 10b, 10c)의 단부와 전류 통로부(20a, 20b, 20c)가 접합 되는 각각의 접합면적을 동일하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 각 초전도 선재에 균일하게 전류가 분배될 수 있도록 도체 프레임(60)으로부터 상기 초전도 선재(10a, 10b, 10c) 각각으로 전달되는 전류의 경로의 길이는 동일한 것이 바람직하다. 도체 프레임(60)으로부터 인가되는 전류는 초전도 선재(10a, 10b, 10c)와 접합 된 전류 통로부(20a, 20b, 20c)를 통해 초전도 선재(10a, 10b, 10c)에 전달된다. 전류 통로부(20a, 20b, 20c)와 초전도 선재(10a, 10b, 10c)는 도체 프레임 위에 교대로 적층될 수 있다. 적층된 초전도 선재(10a, 10b, 10c)의 하면은 예를 들어 절연 테이프(15a, 15b, 15c)로 접착되는 등 절연 처리되어 상기 초전도 선재(10a, 10b, 10c)의 아래의 도체 프레임(60), 전류 통로부(20a, 20b) 또는 적층되는 다른 초전도 선재와 전기적으로 절연될 수 있다. 따라서 초전도 선재(10a, 10b, 10c)와 접합 되는 전류 통로부(20a, 20b, 20c)를 통해서만 전류가 초전도 선재(10a, 10b, 10c)에 전달된다.

한편, 전류가 인가되는 도체 프레임, 상기 도체 프레임의 동일 평면 위에서 상기 도체 프레임과 각각 연결되는 복수 개의 초전도 재질의 전류 통로부를 구비하는 도체 단말부 1쌍 및 전류를 통전 하는 복수 개의 초전도 선재를 포함하고, 상기 초전도 선재는 양 단부가 상기 도체 단말부 1쌍의 전류 통로부와 각각 접합 되어 적층되고, 상기 전류 통로부를 통해 상기 초전도 선재에 전류가 전달되어 상기 도체 단말부 1쌍에 전류가 통전 되는 대전류 통전장치로 구성할 수도 있다.

도 8의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예로서 초전도 선재와 전류 통로부를 다양한 각도로 접합한 모습을 나타내는 평면도이다. 도체 단말부 위에 초전도 선재는 복수 개가 적층될 수 있으므로, 초전도 선재(10a, 10b, 10c, 10d, 10e)와 전류 통로부(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)는 도 8의 (a) 내지 (e)와 같이 다양한 각(θ)으로 접합 될 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예로서 도체 단말부 위에 전류 통로부를 이용하여 초전도 선재를 4매 적층 하였을 때 초전도 선재의 통전 특성을 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 전체 전류가 300A가 넘을 때까지 전압강하가 없고, 약 310A에서 퀀치가 발생하기 시작하여 4매의 초전도 선재에서 거의 동시에 퀀치가 일어났다. 이론적으로 통전 가능한 임계전류는 400A이나, 전류 통로부와 초전도 선재의 접합저항, 초전도 재질이 아닌 부분의 저항 등에 의하여 이론값과 실험값 사이의 차이는 불가피하다. 상기 결과에 의하면 각각의 초전도 선재에 전류가 균일하게 분배되고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 복수 개의 초전도 선재를 적층 함으로써 공간 활용에 장점이 있고, 복수 개의 초전도 선재에 균일하게 전류를 분배함으로써 초전도 선재의 퀀치(quench)를 방지하고 대전류를 통전시킬 수 있는 도체 단말부 및 대전류 통전장치를 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

2, 40: 구리 단말부 4, 4a, 5, 7: 납땜용 금속
6: 안정화층 8: 초전도 층
9: 기판
10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e: 초전도 선재
15a, 15b, 15c: 절연 테이프
20a, 20b, 20c, 20d, 20e: 전류 통로부 60: 도체 단말부

Claims

전류가 인가되는 도체 프레임; 및
복수 개의 전류 통전용 초전도 선재의 단부와 각각 접합 되고, 상기 도체 프레임의 동일 평면 위에서 상기 도체 프레임과 각각 연결되는 복수 개의 초전도 재질의 전류 통로부를 포함하고,
상기 초전도 선재는 적층되고 상기 전류 통로부를 통해 상기 도체 프레임으로부터 상기 초전도 선재에 전류가 전달되는 대전류 통전용 도체 단말부.
제1항에 있어서,
상기 초전도 선재와 상기 전류 통로부가 접합 되는 각각의 접합면적은 동일한 것을 특징으로 하는 대전류 통전용 도체 단말부.
제1항에 있어서,
상기 도체 프레임으로부터 상기 초전도 선재로 전달되는 전류의 경로의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 대전류 통전용 도체 단말부.
제1항에 있어서,
상기 초전도 선재와 상기 전류 통로부는 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 대전류 통전용 도체 단말부.
제1항에 있어서,
상기 초전도 선재의 하면은 절연 처리되어 상기 초전도 선재는 상기 초전도 선재의 아래의 도체 프레임, 전류 통로부 또는 적층되는 다른 초전도 선재와 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 대전류 통전용 도체 단말부.
전류가 인가되는 도체 프레임, 상기 도체 프레임의 동일 평면 위에서 상기 도체 프레임과 각각 연결되는 복수 개의 초전도 재질의 전류 통로부를 구비하는 도체 단말부 1쌍; 및
전류를 통전하는 복수 개의 초전도 선재를 포함하고,
상기 초전도 선재는 양 단부가 상기 도체 단말부 1쌍의 전류 통로부와 각각 접합 되어 적층되고, 상기 전류 통로부를 통해 상기 초전도 선재에 전류가 전달되는 대전류 통전장치.
제6항에 있어서,
상기 초전도 선재와 상기 전류 통로부가 접합 되는 각각의 접합면적은 동일한 것을 특징으로 하는 대전류 통전장치.
제6항에 있어서,
상기 도체 프레임으로부터 상기 초전도 선재로 전달되는 전류의 경로의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 대전류 통전장치.
제6항에 있어서,
상기 초전도 선재와 상기 전류 통로부는 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 대전류 통전장치.
제6항에 있어서,
상기 초전도 선재의 하면은 절연 처리되어 상기 초전도 선재는 상기 초전도 선재의 아래의 도체 프레임, 전류 통로부 또는 적층되는 다른 초전도 선재와 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 대전류 통전장치.