KR20120035892A - 초전도체 및 초전도체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초전도성 재료로서 세라믹 재료를 구비하는 초전도성 전기 도체를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법을 실시하기 위해, 초전도성 세라믹 재료로 코팅된 지지체의 복수의 평판 스트립(1) 주위에 금속 밴드(3)는 종 방향으로 뻗어 있는 슬롯을 구비한 튜브로 종 방향으로 삽입되어 성형 되며, 상기 슬롯에 나란히 배열되어 있는 금속 밴드의 에지가 서로 용접된다. 도체의 진행 과정에서 각각의 스트립이 상기 도체의 횡단면에서 서로 다른 위치를 차지하도록 지속적인 위치 변경을 통해 상기 튜브에 스트립(1)이 공급된다. 이어서, 용접 공정을 통해 폐쇄된 튜브(9)의 내부 치수가 축소되며, 상기 내부 치수는 튜브에 위치한 전체 스트립(1)의 외피에 대응하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 초전도성 재료로서 세라믹 재료를 구비한 초전도성 전기 도체를 제조하기 위한 방법 및 초전도체에 관한 것이다(EP 1 916 720 B1).
본 발명의 방법으로 제조된 초전도체는 충분히 낮은 온도에서 초전도 상태로 변하는 초전도성 세라믹 재료와 같은 복합 재료로 구성된다. 상기 재료로 구성된 도체의 직류 저항은 정해진 전류 강도가 초과하지 않을 경우, 충분히 냉각된 상태에서 0이다. 예를 들어, 적합한 세라믹 재료는 BSCCO(비스무트-스트론튬-칼슘-구리-산화물) 또는 ReBCO(희토류-바륨-구리-산화물), 특히 YBCO(이트륨-바륨-구리-산화물)가 있다. 상기 재료를 초전도 상태로 변화시킬 수 있는 충분히 낮은 온도는 예를 들어 67K 내지 110K이다. 적합한 냉각제는 예를 들어, 질소, 헬륨, 네온 및 수소 또는 이러한 재료의 혼합물이다.
US-A-5 739 086은 고온-초전도체로 표기된 밴드 형태의 전도체를 제조할 수 있는 서로 다른 방법을 공지하고 있다. BSCCO-초전도체의 경우, BSCCO-재료는 분말 형태로 은(silver)으로 구성된 튜브에 채워지고 압축된다. 상기 튜브의 기술적 변형 및 이어지는 열 처리(달굼)를 통해 초전도 상태가 달성된다. YBCO-초전도체의 경우, 우선 하나 이상의 버퍼 층이 기판으로서 금속으로 구성된 예를 들어 쌍 축으로 처리된 밴드에 제공되고, 이어서 상기 버퍼 층에 YBCO-재료가 제공된다. 쌍기 쌍 축으로 처리된 기판은, 예를 들어 니켈, 구리 또는 철 또는 이러한 재료의 합금으로 구성된다. 상기 버퍼 층을 위해 예를 들어 구리 또는 은이 사용된다. YBCO-재료는 마찬가지로 열 처리를 통해 초전도성 상태로 된다. 이렇게 제조된 초전도체는 -전술한 것처럼- 바람직하게는 전기 케이블 및 전기 모터와 천연 자석(lodestone)용 코일에 사용될 수 있다. 그러나, 상기 초전도체는 밴드 형태로 인해 단지 한쪽 방향으로만 구부러질 수 있다.
전술한 EP 1 916 720 B1에 따른 방법으로 둥근 초전도체가 제조되며, 상기 초전도체는 구부러질 때 특정 방향이 유지되지 않고 기존의 와이어와 같이 가공될 수 있다. 공지된 이러한 방법에 따라, 밴드로서 제공되어 처리된 금속성 기판은 원형 형태의 횡단면을 구비하며 길게 뻗어 있는 금속성 지지체 주변의 상기 기판의 종 방향에서, 슬롯(slot)에 나란히 배열된 종 방향으로 뻗어 있는 에지(edge)를 구비한 슬롯 튜브(slot tube)로 성형 된다. 이어서, 상기 슬롯 튜브는 슬롯의 용접을 통해 폐쇄된다. 이어서, 폐쇄된 튜브는 상기 지지체의 설치물로 끌어 당겨진다. 이로써 상기 초전도성 세라믹 재료가 상기 튜브 주변에 제공되고, 이어서 열 처리된다. 상기 방법은 실무에서 적합한 것으로 입증되었지만, 상대적으로 많은 비용이 소요된다.
본 발명의 목적은 초전도체를 제조하기 위해 손쉽게 실시할 수 있는 방법을 제공하는 것이며, 상기 전도체는 직류 송전뿐 아니라 교류 송전을 위해 전체 횡단면에 균일하게 전류를 분배한다.
본 발명의 상기 목적은,
- 초전도성 세라믹 재료로 코팅된 지지체의 다수의 평판 스트립(flat strip) 주변에서 금속 밴드가 종 방향으로 뻗어 있는 슬롯을 구비한 튜브로 종 방향으로 삽입되어 성형 되며, 상기 슬롯에 나란히 배열되어 있는 금속 밴드의 에지가 서로 용접되고,
- 도체의 진행경로에서 각각의 스트립이 상기 도체의 횡단면에서 서로 다른 위치를 차지하도록, 지속적인 위치 변경을 통해 상기 튜브에 스트립이 공급되며,
- 이어서, 용접 공정을 통해 폐쇄된 튜브의 내부 치수가 축소되며, 상기 내부 치수는 튜브에 위치한 전체 스트립의 외피에 대응함으로써 해결된다.
이러한 방법을 사용할 때, 미리 제조된 밴드의 스트립만 여러 개 있으면 되는데, 이 스트립은 초전도성 재료로 코팅된 지지체를 갖고 있으며 분리되어 상기 튜브에 배치되어 있다. 상기 튜브는 예를 들어 EP 1 916 720 B1에 공지된 기술에서 종 방향으로 삽입된 금속 밴드로부터 성형 되고, 폐쇄된 튜브로 용접된다. 이어서, 상기 폐쇄된 튜브의 내부 지름은 상기 스트립에 압력이 가해지지 않고 상기 스트립의 전체가 가능하면 촘촘하게 감싸질 때까지 축소된다. 초전도성 재료는 상기 튜브 내의 완성된 도체에서 기계적 손상으로부터 보호되도록 배열되어 있다. 따라서, 상기 방법으로 제조된 도체는 특별한 예방책이 없어도 사용될 수 있고, 시중에서 판매되고 있는 장치를 통해 가공될 수 있다. 또한, 상기 스트립이 튜브에 공급될 때 상기 스트립의 지속적인 위치 변경으로 인해, 전류 분배와 관련하여 교류 작용시 널리 알려진 전류 변위(표피 효과(skin effect))의 효과가 도체 횡단면에서 상쇄되는데, 그 이유는 이러한 방법을 사용함으로써 모든 스트립이 교류 전류가 작용시에도 통과하기 때문이다. 이로써, 상기 튜브에 위치한 초전도성 재료를 갖는 다수의 스트립과 함께, 도체는 교류 작용시에 대응하는 케이블에서의 교류 전압 손실을 적게 만든다.
바람직하게는, 상기 스트립을 위해 상기 스트립과 함께 튜브의 내부를 채우는 충전물이, 상기 튜브에 추가로 삽입된다. 상기 충전물은 바람직하게는 낮은 온도에서도 용해되는 금속이며, 상기 금속은 액상 또는 점액성 상태에서 아직 개방된 튜브로 채워진다. 상기 충전물은 완성된 도체에서 견고한 상태의 초전도성 재료를 갖는 상기 스트립을 감싸기 때문에 다른 전기 도체를 갖는 도체와 종래의 접촉 요소와 전기 연결이 가능해 진다.
본 발명에 따른 방법 및 상기 방법으로 제조된 도체는 도면을 통해 실시 예에서 아래와 같이 상세하게 설명된다.
본 발명에 의하면 직류 송전뿐 아니라 교류 송전을 위해 전체 횡단면에 균일하게 전류를 분배하는 초전도체를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치를 개략적으로 도시하고 있고,
도 2는 라인 II-II에 따른 도 1의 횡단면을 확대하여 도시하고 있고,
도 3은 본 발명에 따른 도체를 라인 III-III에 따라 얻은, 도 1의 횡단면을 확대하여 도시하고 있고,
도 4는 도 2 및 3에 대해 변형된 횡단면 형태를 갖는 도체를 도시하고 있고,
도 5 및 6은 도 1에 따른 장치를 두 개의 서로 다른 실시형태로 상세하게 도시하고 있다.
도 2는 라인 II-II에 따른 도 1의 횡단면을 확대하여 도시하고 있고,
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도 5 및 6은 도 1에 따른 장치를 두 개의 서로 다른 실시형태로 상세하게 도시하고 있다.
본 발명에 따른 도체의 경우, 초전도성 재료는 일반적으로 ReBCO, 특히 YBCO가 사용되며, 아래에서는 상기 재료, 특히 ReBCO-재료를 고려하고 있다.
YBCO가 놓여 있는 지지체를 구비한 밴드를 제조하는 것은, 예를 들어 전술한 US-A-5 739 086으로부터 알 수 있다. 상기 밴드는 일반 상점에서 구입할 수 있으며, 너비는 예를 들어 4cm 내지 10cm이다.
본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해, YBCO로 코팅되어 사용준비가 된 밴드는 예를 들어 0.2mm 내지 4mm 너비의 스트립으로 절단된다. 이하 사용하는 "스트립"이라는 개념은 YBCO로 코팅된 지지체로 구성된 가느다란 평판 스트립이다. 상기 스트립은 우선, 밴드로부터 분리되어 코일에 감길 수 있다. 또한, 상기 스트립은 분리 공정과 관련하여 직접적으로 계속 가공될 수 있다.
초전도성 도체를 제조하기 위해, 바람직하게는 상기 초전도성 재료를 갖는 다수의 평판 스트립 주변에서 상기 금속 밴드는 종 방향으로 진행되면서 커버로 성형 되고 용접될 수 있으며, 이때 지속적인 위치 변경이 실시되지 않는다. 이러한 방식으로 다수의 스트립을 포함하는 원형 와이어가 제조된다. 상기 도체의 횡단면에서 상기 스트립의 지속적인 위치 변경은 이렇게 사용준비가 된 다수의 원형 와이어가 되감기(backturn) 없이 이미 확정된 레이 길이(lay length)로 서로 스트랜딩(stranding)됨으로써 달성된다. 또한, 상기 원형 와이어가 스트랜딩 되어 있는 중앙 코어 요소(core element)가 제공될 수 있다. 스트랜딩 요소로서 상기 원형 와이어의 되감기가 실시되지 않기 때문에 이러한 배열의 횡단면에서 스트립의 위치 변경이 도체에 도달하게 된다. 이것은 전체 스트립이 상기 도체의 중심으로부터 상기 도체의 길이를 통해 평균화된 동일한 평균 간격을 갖도록 한다. 이로 인해, 상기 스트립 또는 도체에 교류 전압이 균일하게 분배된다.
본 발명에 따른 방법은 초전도성 재료를 갖는 스트립 공급을 위한 가능한 장치를 개략적으로 재현하고 있는 도 5 및 6에 대응하여 예를 들어 아래와 같이 실시된다.
상기 스트립(1)의 대다수는 도시되어 있지 않은 인출 장치(take-off-unit)를 통해 화살표(2) 방향으로 움직인다. 또한, 상기 스트립(1)은 가이딩 장치(FE)를 통해 통과하며, 상기 가이딩 장치의 가능한 작업 방식은 도 5 및 6과 관련하여 아래에서 상세하게 설명된다. 상기 가이딩 장치(FE)에서 상기 스트립(1)은 지속적으로 위치 변경된다. 상기 가이딩 장치(FE)를 통과함에 따라, 스트립(1)과 똑같이 인출 장치를 통해 코일(4)로부터 잡아당겨 질 수 있는 상기 스트립(1) 주변의 금속 밴드(3)는, 두 개의 튜브(5, 6)로 표현된 성형 장치(7)에서 종 방향으로 뻗어있는 슬롯을 구비한 튜브로 종 방향으로 삽입되어 성형되며, 상기 슬롯에는 금속 밴드(3)의 에지가 나란히 배열되어 있다. 이어서, 상기 슬롯은 용접 장치(8)에서 용접된다. 이렇게 폐쇄된 튜브(9)는 도 2로부터 유추할 수 있다. 상기 스트립(1)은 상기 튜브(9)의 하단 영역에 위치하며, 상기 튜브는 상단 영역에서 용접 부분(10)을 통해 폐쇄되어 있다.
상기 금속 밴드(3)는 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 특수강으로 구성될 수 있으며, 또한 상기 재료의 합금, 예를 들어 청동(bronze)으로 구성될 수도 있다.
인출 방향(화살표 2)으로 인출 유닛(pulling unit)(11)을 지나면 튜브(9)의 내부 지름이 축소되며, 상기 내부 지름은 대략 상기 튜브(9)에 위치한 전체 스트립(1)의 외피(wrapping)에 대응하기 때문에, 상기 스트립(1)은 압력을 받지 않으면서 상기 튜브는 스트립과 거의 접촉하게 된다. 이렇게 완성된 초전도체(12)는 예를 들어 도 3에 도시되어 있다.
공급 장치(supply unit)(13)를 통해 충전물이, 아직 개방된 튜브에 추가로 삽입될 수 있다. 상기 충전물로서 바람직하게는 낮은 온도에서도 용해되는 금속이 사용되며, 상기 금속은 액상 또는 점액성 상태에서 상기 튜브로 채워지고, 실온 및 특히 초전도성을 발생시키기 위해 사용되는 낮은 온도의 경우에 견고해 진다. 예를 들어, 이러한 금속은 약 73℃ 내지 77℃에서 용해되는 우드 메탈(wood's metal) 또는 약 95℃에서 융점을 갖는 로즈 함금(roses metal)이 있다.
도체(9, 12)는 도 2 및 도 3에 따라 원형으로 되어 있다. 그러나, 상기 도체는 원형으로부터 변형된 횡단면, 예를 들어 다각형의 횡단면 형태를 구비할 수도 있다. 각각의 횡단면 형태는 바람직하게는 공급 장치(11)에서 제조될 수 있다. 도 4에 도시된 바람직한 실시 형태에서, 상기 도체(12)는 서로 반대 방향으로 휘어져 있는 두 개의 측면을 갖는 대략 사다리꼴 모양의 횡단면을 구비한다. 이러한 도체는 특히 다수의 상기 도체로부터 연선(stranded conductor)을 구성하기 위한 개별 요소로서 적합하다.
상기 가이딩 장치(FE)는 서로 다르게 구성될 수 있다. 상기 가이딩 장치는 케이블 기술에 공지된 종래의 요소를 갖는 가능성에 따라 작동해야 한다. 상기 가이딩 장치(FE)의 가능한 두 가지 실시 형태는 도 5 및 도 6으로부터 유추할 수 있다.
도 5에 따른 상기 가이딩 장치(FE)는 단지 개략적으로만 표시되어 있는 다수의 캠 디스크(cam disk)(14)를 구비하며, 제조공정 중에 상기 캠 디스크는 상기 캠 디스크의 축을 중심으로 회전한다. 상기 캠 디스크(14)의 원주 표면에 단부를 구비한 로드(15)가 배열되어 있으며, 상기 로드의 또 다른 단부에 각각 고리(16)가 장착되어 있고, 제조공정 중에 상기 고리를 통해 각각 하나 이상의 스트립(1)이 관통된다. 상기 캠 디스크(14)의 회전으로 인해 상기 고리(16)가 양 방향 화살표(17) 방향으로 이리 저리 움직인다. 이로 인해, 상기 고리는 상기 튜브(9)의 횡단면에서 지속적으로 또 다른 위치를 차지하며, 상기 튜브는 도 5에서 파선으로 표시된 원형(18)으로 암시되어 있다.
상기 캠 디스크(14)는 동일한 속도로 상기 캠 디스크의 축을 중심으로 일정하게 회전하기 때문에, 상기 도체의 횡단면에서 상기 스트립(1)의 원하는 체계적인 분배가 이루어진다. 그러나, 상기 캠 디스크는 변환된 속도로 작동될 수도 있다. 이것은 상기 도체의 횡단면에서 상기 스트립(1)의 분배가 무작위적으로 실시되도록 한다.
또 다른 실시형태에 있어서, 상기 스트립(1)은 사용준비가 된 다수의 밴드에 통합될 수 있으며, 상기 밴드는 각각 코일에 감겨 있다. 상기 코일은 종래의 케이블 기술에 따른 밀봉기(closing machine)의 밀봉 프레임 또는 고정된 단부 프레임에 배열될 수 있다.
상기 가이딩 장치(FE)는 도 6에 따른 실시 형태에서 예를 들어 프레임(18)에 장착된 디스크(19)로 구성되며, 상기 디스크는 상기 디스크의 축을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 디스크(19)는 사용준비가 된 스트립 다발을 관통시키기 위해 다수의 관통 홀(clearance hole)(20)을 구비한다. 상기 디스크는 상기 스트립 다발을 운반하는 밀봉 프레임과 함께 상기 디스크 축을 중심으로 동일한 방향으로 회전될 수 있다. 그러나, 상기 디스크는 역회전 방향으로 회전될 수도 있다. 이것은 상기 코일을 위해 스트립 다발을 고정하는 단부 프레임이 사용될 수 있는 장점을 제공한다.
Claims (11)
- 초전도성 재료로서 세라믹 재료를 구비한 초전도체를 제조하기 위해,
- 초전도성 세라믹 재료로 코팅된 지지체의 복수의 평판 스트립(1) 주위에, 금속 밴드(3)가 종 방향으로 뻗어 있는 슬롯을 구비한 튜브 내로 종 방향으로 삽입되어 성형 되며, 상기 슬롯에 나란히 배열되어 있는 금속 밴드의 에지가 서로 용접되고,
- 도체의 진행 과정에서 각각의 스트립이 상기 도체의 횡단면에서 서로 다른 위치를 차지하도록 지속적인 위치 변경을 통해 상기 튜브에 스트립(1)이 공급되며,
- 이어서, 용접 공정을 통해 폐쇄된 튜브(9)의 내부 치수가 축소되며, 상기 내부 치수는 튜브에 위치한 전체 스트립(1)의 외피에 대응하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 스트립의 위치 변경은 체계적으로 실시되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 스트립의 위치 변경은 무작위적인 분배로 실시되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 스트립은 서로 분리되어 있는 복수의 다발로 통합되며, 상기 다발은 상기 다발이 튜브에 공급되는 동안 서로 상대적으로 움직이고, 튜브 횡단면과 관련하여 원주 방향으로 움직이는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
- 우선 복수의 원형 와이어가 제조되며, 상기 원형 와이어에서 복수의 스트립이 공동 커버 내에 통합되어 있고,
- 상기 원형 와이어는 되감기 없이 서로 스트랜딩 되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 원형 와이어는 중앙 코어 요소 주변에서 스트랜딩 되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스트립(1)과 함께 충전물이 튜브에 채워지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제7항에 있어서,
상기 충전물로서 낮은 온도에서 용융되는 금속이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법. - - 초전도성 세라믹 재료로 코팅된 지지체의 복수의 평판 스트립(1)이, 금속으로 구성된 튜브(12)에 배열되어 있으며, 상기 튜브의 내부 횡단면은 상기 스트립(1)으로 거의 완전하게 채워져 있고,
- 도체의 진행 과정에서 상기 스트립이 상기 도체의 횡단면에서 서로 다른 위치를 차지하는 것을 특징으로 하는, 제1항에 따른 방법으로 제조된 초전도체. - 제9항에 있어서,
상기 도체는 원형 횡단면을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도체. - 제9항에 있어서,
상기 도체는 서로 반대 방향으로 휘어져 있는 두 개의 측면을 갖는 사다리꼴 모양의 횡단면을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도체.
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