KR20130034998A

KR20130034998A - 자기력 측정 장치

Info

Publication number: KR20130034998A
Application number: KR1020110099191A
Authority: KR
Inventors: 박병준; 한영희; 한상철; 정세용; 김철희
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-08

Abstract

자기력 측정 장치는 진공 챔버, 진공 챔버의 내부에 위치하고, 상기 초전도체가 위치하는 홈을 형성하는 극저온 모듈, 상기 극저온 모듈의 하측면과 연결되고, 냉매를 수납하는 내부 공간이 형성된 크라이오스탯(cryostat) 및 상기 진공 챔버의 일측면을 관통하는 고정스프링 샤프트와 연결되어 자기력을 측정하는 로드셀을 포함한다.

Description

자기력 측정 장치{APPARATUS FOR STIFFNESS MEASUREMENT}

본 발명은 자기력을 측정하는 기술에 관한 기술에 관한 것으로, 상세하게는 초전도체의 강성을 평가하기 위해 자기력을 측정하는 기술에 관한 것이다.

초전도체는 임계온도 하에서만 초전도성을 띄게 되며 온도 및 열 침입에 따라 초전도 자기특성이 민감하게 변화되는 특성을 가지고 있다

초전도체는 자기력을 발산하는 매체(자석)와 함께 일정거리에 냉각되면 위치 변화에 따른 자기 고정력의 특성을 보이며 초전도체만 냉각된 상태에서 자석이 가까이 오면 강한 반발력을 보이는 특성을 보여주고 있다.

초전도체는 주변 자장변화에 의하여 민감하게 강성이 변하는데, 특히 측정중에도 자석의 위치변화 및 흔들림에 따라서 큰 자기변화를 일으키게 된다.

종래 초전도체의 강성평가는 초전도체를 고정하고 액체질소를 부어서 직접 냉각하는 방식을 사용하였으며 상온과 온도차이로 인한 서리 및 불순물 생성으로 표면흡착 현상이 일어나 정확한 강성측정이 불가하였다.

초전도체는 실제 시스템 적용에 있어 진공유지가 필수적으로 대두되고 있으나 액츄에이터를 이용하여 동적(Dynamic) 특성을 평가할 때는 고진동으로 인하여 일정한 진공유지가 곤란하여 실제 적용시스템과 유사한 환경에서 강성평가가 힘들었으며 상온에서 극저온 냉매로 측정한 강성값으로 강성설계가 대체되는 문제점을 가지고 있었다.

또한 종래에 극저온 냉매를 이용하여 초전도체를 냉각할 때는 세부 온도조절이 용이하지 않고 냉매의 온도에만 의존해야 하는 문제점이 있었다.

또한 종래에는 초전도체를 이용한 시스템 작동시 상시 일어나는 열침입에 대한 강성변화 데이터 수집이 어려워 계산식이나 시뮬레이션에 의한 예측만 가능하여 정확한 강성설계조건을 부여하지 못했다.

종래 기술에는 초전도체를 냉각하고 평가 하는 중에 상온과 -120℃ 이상의 온도차이로 인한 한계로 인하여 자석 및 초전도 벌크 표면에 얼음이나 불순물 흡착현상으로 인하여 정확한 강성 측정이 불가 하였다. 또한 진공 중에 장착하여 평가하더라도 액츄에이터를 포함하여 모든 가용 장비를 진공 챔버 안으로 장착되어 챔버 크기가 비대하게 커지거나 진공내부의 액츄에이터 과부하를 대비한 냉각을 따로 구성해야 하는 문제점을 가지고 있었다. 이뿐만 아니라 온도에 민감한 초전도체를 고유의 냉매 온도에서만 측정이 가능하였고 원하는 일정수준의 온도를 유지하기 힘들어 실제 초전도 적용시스템에서 열침입에 따른 강성변화를 평가하기 힘든 문제점을 가지고 있었다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 냉매의 온도 이외의 온도에서 초전도체의 강성 평가를 할 수 있는 자기력 측정 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 진공 상태의 환경에 대한 초전도체의 강성 평가를 할 수 있는 자기력 측정 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 진공 챔버; 진공 챔버의 내부에 위치하고, 상기 초전도체가 위치하는 홈을 형성하는 극저온 모듈; 상기 극저온 모듈의 하측면과 연결되고, 냉매를 수납하는 내부 공간이 형성된 크라이오스탯(cryostat); 및 상기 진공 챔버의 일측면을 관통하는 고정스프링 샤프트와 연결되어 자기력을 측정하는 로드셀을 포함하는 자기력 측정 장치가 제공된다.

자기력 측정 장치는 순환 라인을 통해 상기 크라이오스탯의 내부 공간에 상기 냉매를 주입하는 극저온 냉각기를 더 포함할 수 있다.

상기 극저온 냉각기는 상기 크라이오스탯의 내부 공간으로부터 상기 순환 라인을 통해 배출되는 냉매를 냉각 응축시킬 수 있다.

상기 크라이오스탯의 벽면에 매립되어 열을 발생하는 블락 히터를 더 포함할 수 있다.

자기력 측정 장치는 케이블을 통해 상기 블락 히터로 전력을 제공하는 전원 공급 장치를 더 포함할 수 있다.

상기 전원 공급 장치는 상기 블락 히터로 전송되는 전력량을 조절하여 상기 블락 히터가 발생하는 열량을 조절할 수 있다.

자기력 측정 장치는 상기 크라이오스탯을 상기 진공 챔버로부터 이격되도록 지지하는 단열 지지대를 더 포함할 수 있다.

상기 극저온 모듈은 온도 차이에 의하여 수축하여 상기 홈 상에 위치한 상기 초전도체를 고정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 세부적인 온도 조절이 된 환경에서 초전도체의 강성 평가를 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 불순물이 초전도체 등에 흡착되는 것을 최소화하여 강성 평가의 정확성을 높일 수 있다.

도 1은 종래의 자기력 측정 장치를 예시한 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 자기력 측정 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기력 측정 장치에 구비된 극저온 모듈, 크라이오스탯 및 단열 지지대의 실제 사진.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소로 신호를 “전송한다”로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되어 신호를 전송할 수 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 신호를 전송할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 자기력 측정 장치를 예시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 자기력 측정 장치는 액추에이터(10), 자석(20) 및 크라이오스탯(cryostat)(30)를 포함한다.

액추에이터(10)는 상하 진동 운동을 수행하고, 자석(20)은 액추에이터(10)에 결합되어 상하 진동 운동을 진행한다. 이 때, 초전도체(700)를 격납할 수 있는 공간을 구비하는 크라이오스탯(30)는 자석(20)의 하부에 위치한다. 종래의 자기력 측정 장치는 크라이오스탯(30)에 구비된 공간에 초전도체(700)를 위치시키고, 냉매를 함께 주입하여 극저온 상태를 유지하도록 한다.

상술한 종래의 자기력 측정 장치는 냉매의 온도에 대해서만 강성을 평가할 수 밖에 없고, 분순물이 자석(20) 및 초전도체(700)에 흡착되어 정확한 강성을 평가할 수가 없는 점이 있다.

도 2는 본 발명에 따른 자기력 측정 장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기력 측정 장치에 구비된 극저온 모듈, 크라이오스탯 및 단열 지지대의 실제 사진이다.

도 2를 참조하면, 자기력 측정 장치는 액츄에이터(100), 고정스프링 샤프트(400), 로드셀(500), 극저온 모듈(800), 크라이오스탯(cryostat)(1200), 블락히터(900), 전원 공급부(1000), 단열 지지대(1100) 및 극저온 냉각기(1400)를 포함한다.

액츄에이터(100)는 진공 챔버(1600) 외부에 위치하여 강성을 평가하기 위해 수직 방향으로 구동한다.

고정스프링 샤프트(400)는 액츄에이터(100) 및 로드셀(500) 사이에 배치되어 액츄에이터(100)에 의해 발생한 수직 방향의 진동을 로드셀(500)로 전달한다. 고정스프링 샤프트(400)는 연결고정 샤프트(200) 및 스프링 파이프(300)를 포함한다. 연결고정 샤프트(200)는 진공 챔버(1600)의 일측면을 관통하여 위치하며, 스프링 파이프(300)는 하측 외경이 진공 챔버(1600)와 진공 실링(sealing)되도록 연결되면 상측 외경이 연결고정 샤프트(200)와 진공 실링 되도록 고정될 수 있다. 이 때, 스프링 파이프(300)는 상하측면이 오링이나 가스켓을 통한 진공실링이 가능한 재질로 형성된 파이프일 수 있다. 따라서, 스프링 파이프(300)는 연결고정 샤프트(200)가 관통한 진공 챔버(1600)의 홀을 통해 공기가 새어 들어가지 않도록 하여 진공 챔버(1600)의 진공상태를 유지시킬 수 있다. 이 때, 액츄에이터(100)와 연결고정 샤프트(200)는 양면 볼트를 이용하여 서로 결합될 수 있다.

로드셀(500)은 초전도체(700)에 pinning flux된 영구 자석(600)을 통한 자기력을 감지한다. 이 때, 로드셀(500)은 자력선 및 열전달에 의한 데미지를 방지하기 위해 케이스로 케이싱될 수 있다.

따라서, 액츄에이터(100)에서 진동이 고정스프링 샤프트(400)를 통하여 로드셀(500)로 전달되어, 로드셀(500)은 피닝 포스(pining force)의 변화를 연속적으로 측정할 수 있다.

극저온 모듈(800)은 진공 챔버(1600) 내에 위치하여 초전도체(700)를 모듈형식으로 장착할 수 있도록 홈을 구비한다. 이 때, 극저온 모듈(800)은 극저온 상태 유지에 따라 수축될 수 있고, 이에 따라 홈 상에 위치한 초전도체(700)는 극저온 모듈(800) 상에 고정될 수 있다. 또한, 극저온 모듈(800)과 영구 자석(600)과의 와전류로 인한 강성왜곡을 막기 위해 영구 자석(600)과 극저온 모듈(800)간의 거리는 초전도체(700)와 영구 자석(600) 간의 거리보다 긴 것이 바람직하다.

크라이오스탯(1200)는 극저온 모듈(800)에 간접냉각을 제공한다. 크라이오스탯(1200)는 내부 공간을 구비하고 내부공간으로 극저온 냉매를 주입하는 순환 라인(1300)과 연결될 수 있다.

블락히터(900)는 크라이오스탯(1200)에 열부하를 주입한다. 이 때, 블락히터(900)는 크라이오스탯(1200)의 벽면에는 매립되는 형태로 위치할 수 있다.

전원 공급 장치(1000)는 진공 챔버(1600)의 외부에 위치하여 블락히터(900)로 전원을 공급한다. 전원 공급 장치(1000)는 블락히터(900)로 공급하는 전원을 조절하여 블락히터(900)에서 발생하는 열을 조절할 수 있다. 전원 공급 장치(1000)는 블락히터(900)와 케이블(1500)을 통해 연결될 수 있다.

단열 지지대(1100)는 진공 챔버(1600) 내에 하부 상에 위치하여 크라이오스탯(1200)와 연결되어 크라이오스탯(1200)를 지지한다. 따라서, 크라이오스탯(1200)는 진공 챔버(1600)와 집적적으로 접촉하지 않아 크라이오스탯(1200)로의 전도열의 침입이 최소화될 수 있다. 도 3에 예시된 바와 같이 실제 단열 지지대(1110)는 크라이오스탯(1200)을 진공 챔버(1600)와 이격되도록 지지하여 전도열이 크라이오스탯(1200)에 침입하는 것을 방지할 수 있다.

극저온 냉각기(1400)는 진공 챔버(1600)의 외부에 위치하여 순환 라인(1300)을 통해 크라이오스탯(1200)의 내부 공간으로 극저온 냉매를 주입하고, 크라이오스탯(1200)로부터 순환되어 배출된 극저온 냉매를 응축 냉각한다.

따라서, 도 1을 참조하여 상술한 자기력 측정 장치는 스프링 타입의 고정스프링 샤프트(400)를 이용하여 로드셀(500)을 진공 챔버(1600) 내에 장착하였기 때문에 액츄에이터(100)의 심한 진동 및 움직임에도 진공도를 효과적으로 유지할 수 있고, 로드셀(500)의 위치가 초전도체(700)와 가까워지면서 전달되는 강성 응답속도 거리를 최소화할 수 있어 정확한 초전도체(700)의 강성 평가를 가능하도록 할 수 있다. 또한 온도와 습도에 의한 환경변화 및 대기저항에 의한 영향을 최소화하여 자기력 측정 장치는 정확한 초전도체(700)의 강성 평가를 가능하도록 할 수 있다. 또한, 자기력 측정 장치는 블락히터(900)의 열 발생으로 인하여 순환중인 냉각기에 대한 실제 열부하 용량 및 열부하 조절에 따른 강성 변화를 측정하도록 할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 전술한 실시 예 외의 많은 실시 예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

진공 챔버;
진공 챔버의 내부에 위치하고, 상기 초전도체가 위치하는 홈을 형성하는 극저온 모듈;
상기 극저온 모듈의 하측면과 연결되고, 냉매를 수납하는 내부 공간이 형성된 크라이오스탯(cryostat); 및
상기 진공 챔버의 일측면을 관통하는 고정스프링 샤프트와 연결되어 자기력을 측정하는 로드셀
을 포함하는 자기력 측정 장치.
제1 항에 있어서,
순환 라인을 통해 상기 크라이오스탯의 내부 공간에 상기 냉매를 주입하는 극저온 냉각기
를 더 포함하는 자기력 측정 장치.
제2 항에 있어서,
상기 극저온 냉각기는 상기 크라이오스탯의 내부 공간으로부터 상기 순환 라인을 통해 배출되는 냉매를 냉각 응축시키는 것을 특징으로 하는 자기력 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 크라이오스탯의 벽면에 매립되어 열을 발생하는 블락 히터
를 더 포함하는 자기력 측정 장치.
제4 항에 있어서,
케이블을 통해 상기 블락 히터로 전력을 제공하는 전원 공급 장치
를 더 포함하는 자기력 측정 장치.
제5 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 상기 블락 히터로 전송되는 전력량을 조절하여 상기 블락 히터가 발생하는 열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 자기력 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 크라이오스탯을 상기 진공 챔버로부터 이격되도록 지지하는 단열 지지대
를 더 포함하는 자기력 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 극저온 모듈은 온도 차이에 의하여 수축하여 상기 홈 상에 위치한 상기 초전도체를 고정하는 것을 특징으로 하는 자기력 측정 장치.