KR20150079814A - 코일 권선을 갖는 초전도 코일 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 턴들(Wj)로 이루어진 코일 권선(12, 30)을 갖는 초전도 코일 장치에 관한 것이다. 코일 권선은 스트립 형태의 기판 테이프(2) 및 기판 테이프 상에 배열된 초전도 층(6)을 포함하는 하나 이상의 초전도 테이프 도체(1)를 포함한다. 코일 장치는 복수의 세그먼트(S_i)로 분할되며, 각각의 세그먼트들 내에서 인접한 턴들(W_j, W_j+1)이 서로 밀봉되거나 접착되며, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_i+1) 사이의 중간 영역(20) 내에서, 적어도 부분 영역(22) 내에서 인접한 턴들이 고작 약하게 서로 결합되거나 접착된다.

Description

코일 권선을 갖는 초전도 코일 장치{SUPERCONDUCTING COIL DEVICE COMPRISING A COIL WINDING}

본 발명은 초전도 테이프 도체로 형성된 코일 권선을 갖는 코일 장치에 관한 것이다.

초전도 기계 및 초전도 마그네트 코일의 분야에서, 초전도 와이어 또는 테이프 도체가 코일 권선에 권취되는 코일 장치가 공지되어 있다. 예를 들어 NbTi 및 Nb₃Sn과 같은 전형적인 저온 초전도체를 위해 통상적으로 와이어 형태의 도체가 사용된다. 이에 반해, 고온 초전도체 또는 고온 T_C-초전도체(HTS)는 25K를 초과하는, 그리고 몇몇 재료 등급에서는 77K를 초과하는 천이 온도를 갖는 초전도 재료이다. 이러한 HTS-도체는 통상, 스트립 형태의 기판 테이프 및 상기 기판 테이프에 배열된 초전도 층을 포함하는 평 테이프 도체 형태로 제공된다. 추가로, 테이프 도체는 종종 안정화 층, 버퍼 층 및 여러 경우에 절연 층과 같은 다른 층들도 포함한다.

이른바 제2 세대의 HTS-도체(2G-HTS)의 가장 중요한 재료 등급은 RE-Ba₂Cu₃O_x 유형의 화합물이며, RE는 희토류 중 하나의 원소 또는 이러한 원소들의 혼합물을 나타낸다. 이러한 세라믹 초전도 층을 갖는 많은 초전도 테이프 도체는 기계적 부하에 대해 매우 민감하기 때문에, 초전도 코일의 제조 시 뿐만 아니라 작동 중에도 인장 응력, 압축 응력 또는 전단 응력과 같은 기계적 부하로부터 보호되어야 한다.

전기 코일이 초전도 테이프 도체로 제조될 경우에, 테이프 도체의 연속되는 권선은 통상 권취 시에 이미 수지 함침을 통해 서로 접착되거나 또는 이미 권취된 코일은 후속적으로 밀봉제가 주입된다. 통상 밀봉제는 에폭시드 수지이며, 이에 의해 코일이 예를 들어 진공 밀봉 공정에 의해 밀봉될 수 있다. 코일 턴의 접착 또는 밀봉은 예를 들어 강한 자기장 내의 로렌츠 힘 및/또는 빠른 회전 시에 원심력으로 인한 기계적 부하로부터, 완성된 코일을 보호하는데 작용한다.

초전도 코일 사용의 문제점은 작동 온도로 냉각 시에 코일의 다양한 재료의 상이한 열 수축에 있다. 예를 들어 30K 내지 70K의 작동 온도로 냉각 시에, 특히 접착제 및/또는 밀봉 화합물, 그리고 경우에 따라 존재하는 절연 재료의 중합체 성분이 테이프 도체의 금속 및 세라믹 성분보다 강한 열 수축의 영향을 받는다. 상이한 열 수축은 냉각 시에 그리고 냉각 후에, 초전도 층의 손상을 일으킬 수 있는 응력의 형성을 야기한다. 또한, 테이프 도체보다 큰 열 수축을 갖는 권선 캐리어의 사용은 테이프 도체의 면에 대해 수직으로 반경 방향 응력 형성과, 그로 인한 초전도 층의 압축에 작용할 수 있다. 무엇보다도, 반경 방향 인장 응력은 경우에 따른 반경 방향 압축 응력보다 실질적으로 더 쉽게, 초전도 특성의 손상, 더욱이 테이프 도체의 기판의 초전도 층의 박리를 야기한다. 반경 방향 장력은 코일 권선의 내측에 놓인 층이 코일 내측 방향으로 당겨지는데 작용함으로써, 테이프 도체가 길이 방향으로 압축된다. 이로 인한 손상은 60%까지의 최대 작동 전류의 감소를 초래할 수 있는데, 이는 초전도 코일을 위한 종래의 권취 방법을 현대의 2G-HTS 재료에서는 부적합하게 만든다.

출원 번호 102011077457.2를 갖는 사전 공개되지 않은 출원에서 코일 권선이 설명되며, 이 코일 권선에서는 실온에서뿐만 아니라 코일의 작동 온도에서도, 코일 권선의 층들 사이의 양의 반경 방향 압력이 형성되도록, 초전도 테이프 도체가 권선 캐리어에 권취된다. 이는, 권선 캐리어 및 권취 장력의 적절한 선택을 통해, 그리고 권선과 권선 캐리어의 약하게 형성된 결합을 통해 달성될 수 있다. 그러나 권선 캐리어가 인장 응력의 형성에 기여하지 않는, 상응하게 제조된 코일에 의해서도, 권선 내의 상이한 재료들의 열 수축의 차이에 의해 단독으로도 바람직하지 못한 인장 응력이 발생할 수 있다. 예를 들어 100번보다 많은 턴에 의한 큰 권선 시에 이러한 작용에 의해 큰 인장 응력이 발생할 수 있는데, 이는 코일의 초전도 특성에 상당한 악영향을 미친다.

본 발명의 과제는 상기 단점을 방지하는 초전도 코일 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구항 제1항에 설명된 코일 장치에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 코일 장치는, 스트립 형태의 기판 테이프 및 기판 테이프 상에 배열된 초전도 층을 포함하는 하나 이상의 초전도 테이프 도체를 포함한다. 코일 장치는 복수의 세그먼트로 분할되며, 각각의 세그먼트 내에서 인접한 턴들이 서로 밀봉되거나 접착되며, 2개의 인접한 세그먼트들 사이의 중간 영역 내에서, 적어도 부분 영역 내에서 인접한 턴들이 고작 약하게 서로 결합되거나 접착된다.

이에 의해, 본 발명에 따른 코일 장치는 그의 작동 온도로 냉각될 때 테이프 도체의 실질적으로 감소된 반경 방향 인장 응력을 포함한다. 적절한 기하학적 형상 및 재료에 대해, 세그먼트로의 분할은 본 발명에 따른 코일 권선이 그의 작동 온도에서 테이프 도체 내에 실질적으로 감소된 인장 응력을 포함하도록 작용하며, 상기 감소된 인장 응력은 바람직하게는, 개별 세그먼트의 턴 수를 갖는 코일의 테이프 도체가 포함할 수도 있는 인장 응력의 영역 내에 있다. 본 발명은, 열 수축에 의해 야기되는 응력이 턴 수에 따라 증가되며, 이러한 증가가 약하게 결합된 세그먼트들로의 분할에 의해 감소될 수 있는 것을 기초로 한다. 이때, 초전도체의 작동 온도는 예를 들어 25K 내지 77K 사이에 있다.

본 발명에 따른 코일 장치의 바람직한 구성 및 개선예가 종속 청구항에 기재된다. 그에 따라, 코일 장치는 추가로 이하의 특징을 포함할 수 있다.

2개의 인접한 세그먼트들 사이의 중간 영역 내에서, 인접한 턴들은 적어도 부분 영역 내에서 약한 접착제에 의해 결합 가능함으로써, 10MPa 미만의 응력에서 상기 결합이 분리된다. 본 실시예에서, 부분 영역 내의 약한 결합은, 인장 응력이 초전도 층의 손상 또는 더욱이 박리를 야기할 수 있기 전에, 작동 온도로의 초전도체의 냉각 시에 발생하는 반경 방향 인장 응력이 상기 부분 영역 내의 결합의 분리를 야기하도록 형성된다. 바람직하게는, 결합의 분리는 이미 5MPa, 특히 바람직하게는 3MPa에서 실행될 수 있다. 현재 사용되는 2G-HTS 재료는 수 MPa의 인장 응력을 견딜 수 있다.

2개의 인접한 세그먼트들 사이의 중간 영역 내에서, 인접한 턴들 사이의 중간 공간 내에는 하나 이상의 부분 영역이 접착 또는 밀봉 화합물로부터 자유로울 수 있다. 본 실시예에서, 부분 영역 내의 세그먼트의 인접한 턴들이 전혀 결합되지 않았다면, 상기 부분 영역 내의 세그먼트들은 처음부터 서로에 대해 독립적으로 변형될 수 있다. 작은 반경 방향 인장 응력에서도 이미, 적어도 부분 영역 내의 개별 세그먼트들은 개별적으로, 서로에 대해 독립적으로 열적으로 수축되는 유닛과 같이 거동한다.

다른 실시예에서, 코일 장치는 세그먼트 내에서 인접하는 턴들을 둘러싸는 밀봉 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 밀봉 화합물은 바람직하게는 에폭시드일 수 있다. 또한, 동일한 밀봉 화합물이, 가장 약하게 결합된 인접한 턴들을 갖는 부분 영역 외부에 놓인 섹션 내의 세그먼트들 사이에 존재할 수 있다.

다른 실시예에서, 코일 장치는 2개의 인접한 세그먼트들 사이의 중간 영역의 적어도 부분 영역 내에, 분리제를 갖는 코팅 층 또는 분리제로 이루어진 삽입된 테이프를 포함할 수 있다. 코팅 층 또는 분리제로 이루어진 삽입된 테이프는 바람직하게는 상기 영역 내에 밀봉 화합물 또는 접착제가 침지되는 것을 방지함으로써, 밀봉 또는 접착이 완전히 방지되거나 또는 접착이 권선의 다른 영역에 비해 극도로 약하게만 나타난다. 분리제는 바람직하게는 PTFE일 수 있다.

다른 실시예에서, 2개의 인접한 세그먼트들 사이의 중간 영역 내에서 테이프 도체는 적어도 부분 영역 내에 추가의 층을 구비할 수 있는데, 상기 추가의 층은 테이프 도체의 유효 열 팽창 계수보다 작은 열 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어진다. 추가 층의 열 수축이 작동 온도로의 냉각으로 인해 0.3% 미만으로 될 경우에, 특히 0.1% 미만일 경우에 특히 바람직하다. 본 실시예에서, 상기 언급된 부분 영역 내의 인접한 세그먼트들 사이에는 공동이 형성되지 않는데, 그 이유는 결합되지 않거나 약하게 결합된 테이프 도체들 사이의 영역이 덜 강하게 수축된 중간 층에 의해 충전되기 때문이다. 이러한 중간 층은 다른 재료에 비해, 효과적으로 팽창하는 층과 같이 거동하며, 냉각 시에 그리고 냉각 후에 증가된 상대적 요구 공간을 갖는다. 이는, 공동을 형성하지 않으며, 따라서 냉각 후에 코일 권선의 더 큰 기계적 안정성을 유도한다. 예를 들어, 추가 층은 매우 낮은 열 팽창 계수를 갖는 그라파이트로 형성될 수 있다. 추가 층을 위한 재료가 음의 열 팽창 계수를 갖는 것은 특히 바람직하다.

다른 실시예에서, 2개의 인접한 세그먼트들 사이의 중간 영역 내에서 테이프 도체는 적어도 부분 영역 내에 추가 층을 구비할 수 있는데, 상기 추가 층은 10MPa 미만의 인장 강도를 갖는 가요성 재료로 형성된다. 본 실시예에서, 세그먼트들 사이의 응력은 추가 층의 가요성 재료의 항복에 의해 보상될 수 있다. 인접한 테이프 도체가 상기 영역에서 아직 약하게 결합되어 있는 경우, 바람직하게는 약한 결합은 냉각 후에도 유지될 수 있다. 본 실시예에서, 코일 권선은 결합이 완전히 없는 경우보다 그리고 공동이 형성된 경우보다 기계적으로 더 안정적이다.

코일 권선은 레이스트랙 코일 또는 직사각형 코일로서 형성될 수 있다.

코일 권선이 레이스트랙 코일 또는 직사각형 코일로서 형성된 경우, 인접한 세그먼트들의 인접한 턴들의 고작 약한 결합을 갖는 복수의 부분 영역들이 레이스트랙 코일 또는 직사각형 코일의 만곡 영역 내에 있을 수 있다. 특히, 고작 약한 결합을 갖는 부분 영역은 바람직하게는 레이스트랙 코일 또는 직사각형 코일의 4개의 모서리 내에 있을 수 있다. 이러한 실시예는, 권선의 전체 길이의 대부분을 형성하는 코일의 직선 구간에서 모든 턴들이 서로 밀봉되거나 접착될 수 있는 장점을 갖는다. 이는, 코일 권선의 확실히 개선된 기계적 안정성을 제공한다. 이러한 실시예는, 열 수축에 의해 형성되는 인장 응력이 먼저 만곡 영역 내에서 형성되어, 그곳에서도 세그먼트로의 분할을 통해 최상으로 감소될 수 있는 인식을 기초로 한다. 레이스트랙 코일 또는 직사각형 코일의 직선 구간 내에서 턴은 비교적 응력이 약하게 수축될 수 있다. 이는, 다양한 재료의 열 팽창 계수의 차이가 테이프 도체 평면 내의 그리고 테이프 도체 평면에 대해 수직으로, 상이한 강도의 수축에 의해 보상될 수 있는, 테이프 도체의 평면 적층의 열 수축과 비교될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 인접한 세그먼트의 인접한 턴들의 고작 약한 결합을 갖는 부분 영역은 코일 권선의 만곡 영역 및 각각 양측에서 접한 전환 영역을 포함하는 영역 내에 있을 수 있다. 본 실시예에서, 세그먼트들 사이에서 고작 약한 결합이 존재하는, 인접하는 직선 전환 영역이 만곡 영역에 아직 제공된다. 이는, 세그먼트들의 강한 결합이 세그먼트들의 약한 결합으로 전환되는 곳에서 큰 반경 방향 인장 응력이 냉각에 의해 아직 존재하지 않는 장점을 제공한다. 즉, 세그먼트들의 강한 결합이 세그먼트들의 약한 결합으로 전환되는 영역에서 테이프 도체의 벤딩이 방지된다.

다른 실시예에서, 코일 권선은 대략 원통형의 권선으로서 형성될 수 있으며, 세그먼트는 반경 방향 세그먼트로서 형성될 수 있다.

코일 장치가 반경 방향 세그먼트를 갖는 원통형 권선으로서 형성되는 경우, 인접한 턴들의 고작 약한 결합을 갖는 부분 영역은 각각 하나 이상의 360도 전체 턴에 걸쳐 연장될 수 있다. 본 실시예는, 냉각을 통해 세그먼트들 사이에 형성된 반경 방향 인장 응력이 가능한 한 전반적으로 보상되는 장점을 제공한다. 이는 세그먼트들 사이의 약한 결합에 의한 효율적인 장력 제거가 코일 권선이 만곡된 곳에서라면 언제나, 즉, 원통형 코일의 경우에는 권선의 전체 주연부 상에서 특히 효과적이다.

이에 대한 대안적인 실시예에서, 대략 원통형의 코일은 서로 교호되는 직선 영역과 만곡 영역으로 구성될 수도 있다. 전체 제공된 영역 또는 각도 세그먼트의 수에 따라, 원통 형태는 어느 정도 대략적으로만 주어진다. 본 실시예에서 바람직하게는 인접한 반경 방향 세그먼트의 인접한 턴들의 고작 약한 결합을 갖는 부분 영역은 만곡 영역의 영역 내에 있다. 그러나 고작 약한 결합을 갖는 부분 영역이 전환 영역 내에서 만곡 영역의 양측면으로 연장됨으로써, 테이프 도체의 벤딩이 바람직하게 방지되는 것이 배제되는 것은 아니다.

코일 장치의 초전도 층은 제2 세대 고온 초전도체, 특히 ReBa₂Cu₃O_x를 포함할 수 있다.

코일 장치는 냉각 시스템을 포함할 수 있으며, 코일 권선의 세그먼트는 각각 개별적으로 냉각 시스템에 연결될 수 있다. 세그먼트들이 코일의 전체 주연부에 걸쳐서 또는 비교적 큰 부분 영역에 걸쳐 고작 약하게 서로 결합되는 구성은 특히 바람직하다. 초전도체의 작동 온도로 냉각하기 위한 냉각 시스템에 개별 세그먼트들이 열적으로 양호하게 연결되는 것을 보장하는 것이 특히 중요하다.

이하, 본 발명이 첨부된 도면을 참조로 2개의 바람직한 실시예에서 설명된다.

도 1은 초전도 테이프 도체의 개략 단면도를 도시한다.
도 2는 제1 실시예에 따른 코일 권선의 상세도를 도시한다.
도 3은 제2 실시예에 따른 코일 권선의 개략 평면도를 도시한다.

도 1은 층 구조가 개략 도시된 초전도 테이프 도체(1)의 단면을 도시한다. 본 실시예에서, 테이프 도체는, 니켈-텅스텐 합금으로 이루어진 두께 100㎛의 기판 인 기판 테이프(2)를 포함한다. 대안적으로, 강철 테이프, 또는 예를 들어 하스텔로이와 같은 합금으로 이루어진 테이프가 사용될 수도 있다. 산화 물질 CeO₂와 Y₂O₃를 포함하는 두께 0.5㎛의 버퍼 층(4)이 기판 테이프(2) 상에 배열된다. 그 위에, 실제 초전도 층(6), 여기서는 구리로 이루어진 두께 50㎛의 커버 층(8)으로 다시 덮여지는, YBa₂Cu₃O_x로 이루어진 두께 1㎛의 층이 이어진다. YBa₂Cu₃O_x 재료에 대한 대안으로서, 다른 희토류 RE의 상응하는 화합물 REBa₂Cu₃O_x이 사용될 수 있다. 기판 테이프(2)의 반대 측에는, 본 실시예에서 두께 25㎛ 캡톤 테이프로서 구성되는 절연체(10)에 이어지고 구리로 이루어진 두께 50㎛의 다른 커버 층(8)이 배열된다. 그러나 절연체(10)는 예를 들어, 다른 플라스틱과 같은 다른 절연 재료로도 형성될 수 있다. 여기에 도시된 예에서, 절연체(10)의 폭은 테이프 도체(1)의 나머지 층의 폭보다 약간 크기 때문에, 코일 장치의 권취 시에 서로 적층되는 턴(W_i, W_i+1)이 신뢰성 있게 서로에 대해 절연된다. 도시된 실시예에 대한 대안으로서, 테이프 도체(1)가 두 외측 면 상에 절연체 층을 포함할 수도 있거나, 또는 초전도 테이프 도체(1)의 측면 영역이 추가로 절연 층에 의해 보호될 수도 있다. 또한, 코일 권선의 제조 시에야 별도의 테이프로서 코일 장치 내로 절연체 테이프를 권취하는 것도 가능하다. 이는, 서로에 대해 절연될 필요가 없는 복수의 테이프 도체가 병렬로 권취될 경우 특히 유리하다. 예를 들어 자체 절연 층 없는 서로 적층된 2 내지 6개의 테이프 도체의 패킷이 추가로 삽입된 절연체 테이프와 함께 공통의 턴으로 권취될 수 있다.

통상적으로, 기판 테이프(2), 버퍼 층(4), 초전도 층(6) 및 커버 층(8)은 전체적으로, 약 300K부터 약 30K로의 냉각 시에 약 0.3%의 열 수축을 받는다. 그러나 이에 반해, 절연체(10) 및 밀봉 화합물 또는 접착 화합물로서 사용된 에폭시드의 나머지 재료에 대해 열 수축은 실질적으로 약 1.2% 높다. 테이프 도체의 평면 적층 시에 그리고 코일 권선의 직선 부분에 있어서, 이러한 차이는 테이프 도체의평면 내에서 그리고 테이프 도체의 평면에 대해 수직으로 상이한 수축을 통해 보상될 수 있다. 그러나 이에 반해, 곡선 영역에서는 이들은 반경 방향 인장 응력의 형성을 야기한다. 다음 두 실시예에서, 반경 방향 인장 응력이 세그먼트로 분할됨으로써 어떻게 감소될 수 있는지가 도시된다. 이 경우, 높은 열 수축을 갖는 층이 특히 곡선 영역에서 가급적 얇게 형성되는 경우 특히 유리하다. 도 1에 도시된 테이프 도체는 이하 두 실시예에 대한 권선 재료로서 기초가 된다. 여기서, 25㎛의 절연체(10)는 바람직하게는 테이프 도체(1)의 나머지 전체 두께에 비해 상대적으로 얇게 구성된다.

도 2는 제1 실시예에 따른 제1 코일 권선(12)의 상세도를 도시한다. 본 실시예에서, 코일 권선(12)은 직사각형의 코일로 구성된다. 도 2의 상세도는 직사각형 코일의 네 개의 만곡 모서리 중 하나의 주변 영역을 도시한다. 여기서, 도 2는 코일 권선(12)의 단지 일부만을 도시하는데, 즉, 도 1의 실시예에 따라 각각 구성된 테이프 도체(1)로 이루어지며 6번 서로 적층된 턴을 갖는 코일의 상세도를 도시한다. 여기서, 턴의 3개는 내측 세그먼트(S_i)의 부분이며, 도시된 턴의 3개는 외측 세그먼트의(S_i+1)의 부분이다. 도시된 바와 같이, 각각의 세그먼트는 예시적으로 도시된 3개보다 더 많은 턴을 포함한다. 예를 들어, 각각의 세그먼트는 10 내지 200번 사이의 턴, 특히 바람직하게는 50 내지 100번 사이의 턴을 포함할 수 있다. 전체 코일 권선은 예를 들어 2 내지 50개 사이의 상기 유형의 세그먼트, 특히 바람직하게는 5 내지 10개 사이의 세그먼트를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 각각의 세그먼트(S_i, S_{i +1}) 내에서, 모든 턴들(W_i)은 에폭시드로 이루어진 밀봉 화합물(14)로 밀봉된다. 본 실시예에서, 밀봉 화합물(14)은 코일의 권취 후에 (이른바 건식 권선) 진공 밀봉을 이용하여 제공된다. 대안적으로, 함침 수지 또는 접착제가 코일 권선의 권취 시에 이미 제공될 수도 있으며(이른바 습식 권선), 테이프 도체가 권취 전에 통상 양 측에서 함침 수지 또는 접착제에 의해 침지된다. 또한, 본 실시예에서, 세그먼트들(S_i, S_{i +1}) 사이의 중간 영역(20) 내에서 인접한 턴들(W_i-1, W_i)이 복수의 부분 섹션들로 서로 밀봉된다. 직사각형 코일의 4개의 직선의 부분 섹션들 중 2개(28)가 도 2에 개략 도시된다. 이러한 부분 섹션들(28) 내에서 전체 코일의 모든 턴들(W_i)이 밀봉 화합물(14)에 의해 서로 견고히 연결되며, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_{i +1}) 사이의 중간 영역(20)에서도 마찬가지이다. 이에 반해, 전체 직사각형 코일이 그 중 4개를 포함하는 만곡 영역(24) 내에서, 상이한 세그먼트(S_i, S_{i + 1})의 인접한 턴들(W_i-1, W_i)은 밀봉 화합물(14)에 의해 서로 연결되지 않는다. 이는, 상이한 세그먼트(S_i, S_i+1)의 인접한 턴들(W_{i -1}, W_i) 사이에 밀봉 화합물(14)이 배열되지 않으며, 각각의 만곡된 영역(24)에서 양측에 이어지는 전환 영역(26)에 대해서도 유효하다. 그 대신에, 세그먼트들(S_i, S_{i +1}) 사이의 전체 부분 영역(22) 내에는 PTFE-테이프(16)가 삽입되는데, 이는 권취된 코일의 밀봉 시 상기 부분 영역(22)이 밀봉 화합물(14)로 채워지는 것을 방지한다. 본 실시예에서, PTFE-테이프(16)는 밀봉 시에 제공되는 밀봉 화합물의 평균 두께와 비슷한 층 두께, 여기서는 25㎛의 두께를 갖는다. 이렇게, 삽입되는 PTFE-테이프(16)는 바람직하게는, 인접한 턴들(W_i-1, W_i)의 테이프 도체(1)가 이른바 부분 영역(22) 내에서 밀봉 화합물(14)과 접착되는 것을 방지하는데, 그 이유는, 중간 삽입된 PTFE-테이프(16)가 밀봉 화합물(14)에 의해 침지되지 않기 때문이다. 또한, 이에 의해 상기 부분 영역(22) 내에서 인접한 테이프 도체(1)의 강한 결합의 형성이 방지된다. 본 실시예에서, 부분 영역(22) 내에서 어떠한 화학적 접착 결합도 형성되지 않는다. 본 실시예에 대안으로, 부분 영역(22) 내에서 테이프 도체가 예를 들어 PTFE와 같은 분리제로 코팅될 수도 있다. 코팅 층의 특성에 따라, 인접한 테이프 도체들(1) 사이에는 어떠한 접착 결합도 형성되지 않거나 또는 단지 약한 접착 결합만이 형성될 수 있다. 여기에 도시된 분리제(16)에 대안으로 또는 추가로, 중간 영역(20) 내에 추가의 층이 삽입될 수도 있다. 추가의 층의 재료는 낮은 열 팽창 계수 또는 심지어 음의 열 팽창 계수를 포함할 수 있으며, 그리고/또는 이러한 층은 10MPa 미만의 인장 강도를 갖는 가요성 재료를 포함할 수 있다. 양 구성에서, 상기 추가의 층은, 반경 방향 인장 응력이 중간 영역(20) 내에서 감소되고, 만곡 영역(24) 및 인접하는 전환 영역(26) 내에서 코일의 기계적 강도를 증가시키는데 기여한다.

상술한 모든 변형예에서 공통적으로, 부분 영역(22) 내에서 인접하는 테이프 도체(1)의 고작 약한 결합에 의해, 전체 코일의 턴들(W_i)에 대한 인장 응력이 감소된다. 이 부분 영역(22) 내의 고작 약한 결합으로 인해, 다양한 재료의 열 수축에 의해 테이프 도체(1)에 대한 최대 인장 응력은 단지 개별 세그먼트(S_i)의 턴 수를 갖는 코일 권선의 경우와 거의 유사하게 거동한다. 도시된 실시예의 직사각형 코일은 4개의 비교적 긴 직선 영역(32) 및 각각 그 양측에서 접하는 전환 영역(26)을 갖는 4개의 비교적 짧은 만곡 영역(24)을 포함한다. 특히, 기계적 디커플링과 만곡 영역(24) 내의 세그먼트의 장력 제거는 테이프 도체에 대한 인장 응력의 감소에 효과적이다. 따라서, 직사각형 코일이 직선 영역(32)에서 종래의 방법에서와 같이 완전히 밀봉될 수 있으며, 이에 의해, 상기 방법에 의해 달성되는 기계적 안정성의 대부분을 얻게 된다. 바람직하게는, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_{i +1}) 사이의 인접한 테이프 도체(1)의 고작 약한 결합이 만곡 영역(24)에 부가적으로, 양측에서 접한 전환 영역(26)에도 존재하므로, 직선 영역(32)이 만곡 영역(24)으로 전환될 때, 그리고 강하게 결합된 중간 영역이 약하게 결합된 중간 영역으로 전환될 때, 과도한 인장, 압축 또는 전단 응력이 형성되지 않는다.

도 3은 제2 실시예에 따른 제2 코일 권선(30)의 개략 평면도를 도시한다. 제2 코일 권선(30)은 대략 원통형의 권선으로서 형성되며, 본 실시예에서, 원통 형태는 대략 직선 영역(32)과 만곡 영역(24)로만 형성된다. 여기에 도시된 실시예에서, 코일 권선은 각각 8개의 직선 영역(22) 및 8개의 만곡 영역(24)을 포함하나, 개별 영역들의 수는 실질적으로 더 클 수도 있다. 도시된 제2 실시예에서, 코일 권선은 단지 2개의 세그먼트(S_i 및 S_i+1)만을 포함한다. 그러나 세그먼트의 수는 실질적으로 더 클 수 있는데, 상기 수는 예를 들어 2 내지 50, 특히 바람직하게는 5 내지 10 사이에 있을 수 있다. 도시된 제2 실시예의 전체 밀봉 영역(34) 내에서 인접한 모든 턴들은 밀봉 화합물에 의해 서로 견고히 결합되는데, 이는 두 세그먼트들의 경계(36) 상에 대해서도 마찬가지로 해당된다. 다만, 세그먼트들의 경계(36)에서의 8개의 부분 영역(22) 내에서, 인접하는 테이프 도체들(1) 사이의 밀봉 화합물이 중단된다. 제2 실시예에서, 부분 영역(22)에 인접한 테이프 도체(1)는 분리제 PTFE로 코팅되는데, 이는 밀봉 화합물에 대한 디웨팅으로 작용함으로써 부분 영역(22) 내에는 밀봉 화합물 없는 공동이 형성되도록 한다. 즉, 본 실시예에서, 부분 영역(22) 내에서 인접한 반도체가 서로 결합되지 않고, 공동의 형성은 만곡 영역(24) 내에서 강하게 발생하는 반경 방향 인장 응력의 장력 제거에 효과적으로 작용한다. 온도 변경 시에 공동의 확장 또는 압축에 의해, 코일 권선(30)의 테이프 도체(1)에 대한 인장 응력뿐만 아니라 압축 응력도 감소될 수 있다.

Claims (15)

1. 스트립 형태의 기판 테이프(2) 및 기판 테이프(2) 상에 배열된 초전도 층(6)을 포함하는 하나 이상의 초전도 테이프 도체(1)를 포함하는 복수의 턴들(W_i)로 이루어진 코일 권선(12, 30)을 갖는 초전도 코일 장치에 있어서,
   코일 권선(12, 30)은 복수의 세그먼트(S_i)로 분할되며, 각각의 세그먼트(S_i) 내에서 인접한 턴들(W_i, W_i+1)이 서로 밀봉되거나 접착되며, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_{i +1}) 사이의 중간 영역(20) 내에서, 적어도 부분 영역(22) 내에서 인접한 턴들(W_i-1, W_i)이 고작 약하게 서로 결합되거나 접착되는 것을 특징으로 하는, 코일 장치.
2. 제1항에 있어서, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_{i +1}) 사이의 중간 영역(20) 내에서, 인접한 턴들(W_i-1, W_i)은 적어도 부분 영역(22) 내에서 고작, 약한 접착제에 의해 결합됨으로써, 상기 결합은 10MPa 미만의 응력에서 분리되는, 코일 장치.
3. 제1항에 있어서, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_{i +1}) 사이의 중간 영역(20) 내에서, 인접한 턴들 사이의 중간 공간 내에는 하나 이상의 부분 영역(22)이 접착 또는 밀봉 화합물로부터 자유로운, 코일 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 인접한 턴들(W_i, W_i+1)을 세그먼트(S_i) 내에서 둘러싸는 밀봉 혼합물(14)을 갖는, 코일 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_i+1) 사이의 중간 영역(20)의 적어도 부분 영역(22) 내에, 분리제(16)를 갖는 코팅 층 또는 분리제(16)로 이루어진 삽입된 테이프를 포함하는, 코일 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_i+1) 사이의 중간 영역(20) 내에서 테이프 도체(1)는 적어도 부분 영역(22) 내에 추가의 층을 구비할 수 있으며, 상기 추가의 층은 테이프 도체(1)의 유효 열 팽창 계수보다 작은 열 팽창 계수를 갖는 재료로 형성되는, 코일 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 인접한 세그먼트들(S_i, S_i+1) 사이의 중간 영역(20) 내에서 테이프 도체(1)는 적어도 부분 영역(22) 내에 추가 층을 구비할 수 있으며, 상기 추가 층은 10MPa 미만의 인장 강도를 갖는 가요성 재료로 형성되는, 코일 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 코일 권선(12)은 레이스트랙 코일 또는 직사각형 코일로서 형성되는, 코일 장치.
9. 제8항에 있어서, 인접한 세그먼트들(S_i, S_i+1)의 인접한 턴들(W_i-1, W_i)의 고작 약한 결합을 갖는 복수의 부분 영역들(22)이 레이스트랙 코일 또는 직사각형 코일의 만곡 영역(24) 내에 있는, 코일 장치.
10. 제8항에 있어서, 인접한 세그먼트들(S_i, S_i+1)의 인접한 턴들(W_i-1, W_i)의 고작 약한 결합을 갖는 복수의 부분 영역들(22)은 코일 권선(12)의 만곡 영역(24) 및 각각 양측에서 접한 전환 영역(26)을 포함하는 영역 내에 있는, 코일 장치.
11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 코일 권선(30)은 대략 원통형의 권선으로서 형성되며, 세그먼트(S_i)는 반경 방향 세그먼트(S_i)로서 형성되는, 코일 장치.
12. 제11항에 있어서, 인접한 턴들(W_i-1, W_i)의 고작 약한 결합을 갖는 부분 영역들(22)은 각각 하나 이상의 360도 전체 턴에 걸쳐 연장되는, 코일 장치.
13. 제11항에 있어서, 대략 원통형의 코일은 서로 교호되는 직선 영역(32)과 만곡 영역(24)으로 구성되며, 인접한 반경 방향 세그먼트(S_i)의 인접한 턴(W_i-1, W_i)의 고작 약한 결합을 갖는 부분 영역들(22)은 만곡 영역(24)의 영역 내에 있는, 코일 장치.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 초전도 층(6)은 제2 세대의 고온 초전도체, 특히 ReBa₂Cu₃O_x를 포함하는, 코일 장치.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 시스템을 포함하며, 코일 권선(12, 30)의 세그먼트(S_i)는 각각 개별적으로 냉각 시스템에 연결되는, 코일 장치.

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