KR20150125777A - 초전도 선재의 시험 장치 및 시험 방법 - Google Patents

초전도 선재의 시험 장치 및 시험 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 초전도 선재의 시험 장치는, 초전도 선재를 냉각 지역으로 이송 및 반출시키는 이송 수단; 상기 냉각 지역으로 이송된 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 공급하기 위한 측정 전류 공급 수단; 상기 초전도 선재의 측정 부분에서 유발되는 자계를 검출하기 위한 자계 검출부; 및 상기 검출된 자계의 패턴으로부터 상기 측정 부분의 결함을 판단하는 결함 판정부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이송 수단은 공급릴에 감긴 상기 초전도 선재를 상기 측정 부분을 지나서 권취릴로 이송시킬 수 있으며, 상기 측정 전류 공급 수단은, 상기 초전도 선재를 이송을 가이드 하는 한 쌍의 가이드 롤러를 포함할 수 있으며, 상기 자계 검출부는, 상기 측정 부분의 다수 지점들의 자계를 검출하기 위한 다수 개의 홀 센서를 포함할 수 있다.

Description

초전도 선재의 시험 장치 및 시험 방법{Test Apparatus and Test Method of Superconductive Wire Material}
본 발명은 초전도 선재의 초전도 성능을 시험해보기 위한 시험 장치 및 시험 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신속하게 초전도 선재에 포함된 결함 및/또는 임계 전류를 검출할 수 있는 초전도 선재의 시험 장치 및 시험 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초전도 선재는 임계온도 이하에서 전기저항이 제로가 되는 특성을 갖고 있어서 손실 없이 대전류를 흘릴수 있기 때문에, 초전도 코일용 도체로 사용되어 변압기, 모터, 발전기, 한류기와 같은 초전도 전력기기의 실용화가 가능하다.
또한 초전도 선재는 초전도 전력저장장치, 초전도 송전케이블, 초전도 자기부상열차, 초전도 자기분리장치와 같이 전자장을 응용하는 많은 에너지, 교통, 환경 산업 분야에 활용될 것으로 보인다. 초전도 선재는 임계온도와 재료의 종류에 따라 구분할 수 있으며, 통상적으로 금속계의 저온 초전도 선재와 산화물계의 고온 초전도체로 구분하고 있다.
금속계 저온 초전도 선재에는 합금계와 화합물계가 있으며 합금계로는 Nb-Ti초전도체가 이미 상용화되어 MRI, NMR등에 초전도 코일로 사용되고 있다.
한편, 대표적인 화합물계 초전도체인 Nb3 Sn은 임계자장이 Nb-Ti에 비하여 높기 때문에 주로 높은 자장을 발생시키는 고자장용 초전도 자석이나 핵 융합용 코일 등에 이용되고 있다. 그러나, 이러한 초전도체들은 모두 임계온도가 20캘빈 이하로 낮아서 금속계 초전도 선재로 만든 기기를 동작시키기 위해서는 대부분 액체헬륨을 사용하여 냉각하거나 일부 10캘빈 이하의 극저온 냉동기를 사용하는 경우도 있다.
초전도 기기가 실용화되기 위해선 성능과 경제성을 동시에 만족시켜야 되는데 초전도 기기의 성능에서 가장 중요한 요소는 임계전류밀도이다. 왜냐하면 임계 온도와 임계자장은 초전도물질이 발견되면 그 물질 고유의 값으로 해당 값이 크게 변하지 않으나 임계전류밀도는 제조방법에 따라 크게 달라지기 때문이다.
초전도 선재는 어떠한 제조방법을 선택하느냐에 따라 임계전류밀도 값은 크게 변화한다. 초전도 선재의 구성은 초전도체 필라멘트와 안정화재로 이루어지는데 상기 안정화재는 일반적으로 두 가지 특성을 고려해야 한다.
하나는 소성가공성으로 초전도체와 복합체를 이룬 상태로 가공하였을 때 인발, 신선 등의 가공이 용이한 것이고 합금이나 원소금속을 사용하며 우수한 기계적 강도 또한 요구된다.
다른 하나는 안정화 특성으로 여기서 안정화란 초전도선재가 어떠한 내적, 외적 원인에 의하여 온도가 상승하여 초전도상태가 파괴되는 것을 막는 것으로 일반적으로 전기저항이 낮고 열전도가 높은 금속을 사용하여 초전도체가 불안정하게 되어 더 이상 많은 전류를 흘릴 수 없는 상태가 되었을 때 임계전류 이상의 전류를 통과시키고 초전도체의 열을 주위의 냉매로 전달하여 초전도체의 온도를 다시 하강시킴으로써 초전도선재를 원래의 상태로 회복시켜 저항 없이 전류를 흘릴 수 있게 하는 것이다.
초전도 선재의 제조방법은 사용하는 초전도체의 종류와 상태에 따라 많이 달라지는데 초전도체 분말을 원료로 사용하는 하는 제조방법의 경우, 안정화용 금속 튜브 안에 분말을 충진하여 빌렛(billet)을 만들고 상기 빌렛을 스에징(swaging), 인발, 신선 및 압연 등의 방법으로 소성 가공하고 열처리하여 최종 선재를 만든다.
상술한 과정으로 제조된 전체 초전도 선재는 결함을 가질 수 있으며, 초전도 선재의 품질을 유지하기 위해서는 결함이 존재하는 부분을 검출하여 제거하여야 한다. 따라서, 긴 길이의 초전도 선재의 결함을 연속적으로 검출할 수 있는 결함 검출 수단이 요구되었다.
일본공개특허 1996-136506호
본 발명은 긴 길이의 초전도 선재의 결함을 연속적으로 검출할 수 있는 초전도 선재의 시험 장치 및 시험 방법을 제공하고자 한다.
또는, 본 발명은 비파괴적으로 초전도 선재의 결함을 용이하게 검출할 수 있는 초전도 선재의 시험 장치 및 시험 방법을 제공하고자 한다.
또는, 본 발명은 접촉식 방식의 시험과 비접촉식 방식의 시험을 동시에 수행할 수 있는 초전도 선재의 시험 장치 및 시험 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 초전도 선재의 시험 장치는, 초전도 선재를 냉각 지역으로 이송 및 반출시키는 이송 수단; 상기 냉각 지역으로 이송된 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 공급하기 위한 측정 전류 공급 수단; 상기 초전도 선재의 측정 부분에서 유발되는 자계를 검출하기 위한 자계 검출부; 및 상기 검출된 자계의 패턴으로부터 상기 측정 부분의 결함을 판단하는 결함 판정부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이송 수단은 공급릴에 감긴 상기 초전도 선재를 상기 측정 부분을 지나서 권취릴로 이송시킬 수 있다.
여기서, 상기 측정 전류 공급 수단은, 상기 초전도 선재를 이송을 가이드 하는 한 쌍의 가이드 롤러를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 자계 검출부는, 상기 측정 부분의 다수 지점들의 자계를 검출하기 위한 다수 개의 홀 센서를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 결함 판정부는, 상기 자계 검출부가 검출한 자계의 초전도 선재에 대한 폭 방향 자계 패턴 및 법선 방향 자계 패턴 중 적어도 1개 이상을 이용하여 결함을 판단할 수 있다.
여기서, 상기 측정 부분에서 상기 측정 전류에 의해 유발되는 전압을 측정하기 위한 전압 측정 수단을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 초전도 선재의 측정 부분에 대한 냉각을 위한 공간이 형성된 제1 챔버와, 상기 제1 챔버를 경유한 초전도 선재의 표면에 응축된 습기를 제거하기 위한 공간이 형성된 제2 챔버를 포함하는 챔버 하우징; 및 상기 제1 챔버에 위치되고 초전도 선재를 향해 냉매가 분사되는 냉각유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 초전도 선재의 시험 장치는, 초전도 선재를 냉각 지역으로 이송 및 반출시키는 이송 수단; 상기 냉각 지역으로 이송된 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 공급하기 위한 측정 전류 공급 수단; 상기 초전도 선재의 측정 부분에서 유발되는 자계를 검출하기 위한 자계 검출부; 상기 초전도 선재의 측정 부분의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부; 및 상기 검출된 자계의 패턴으로부터 상기 측정 부분의 결함을 판단하고, 상기 측정된 전압으로부터 상기 측정 부분의 임계 전류를 판단하는 임계전류/결함 판정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 초전도 선재의 시험 방법은, 초전도 선재를 냉각시키는 단계; 상기 초전도 선재의 측정 부분에 전류를 인가하는 단계; 상기 초전도 선재의 측정 부분의 자계 패턴을 검출하는 단계; 및 상기 검출한 자계의 초전도 선재에 대한 폭 방향 자계 패턴 및 법선 방향 자계 패턴 중 적어도 1개 이상을 이용하여 결함을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 초전도 선재 측정 부분의 전압을 검출하는 단계; 및 상기 측정된 전압으로부터 상기 측정 부분의 임계 전류를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 측정 부분의 자계 패턴을 검출하는 단계에서는, 상기 초전도 선재의 측정 부분을 다수 개의 홀 센서들의 감지 영역으로 이동시키면서, 상기 홀 센서들의 감지 값들을 검출할 수 있다.
여기서, 상기 결함을 판단하는 단계에서는, 상기 폭 방향 자계의 2차원 패턴 및 상기 법선 방향 자계의 2차원 패턴이 불연속적인 지점에서 상기 초전도 선재에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
여기서, 상기 결함을 판단하는 단계에서는, 상기 폭 방향 자계의 2차원 패턴 및 상기 법선 방향 자계의 2차원 패턴이 불연속적이고 상기 초전도 선재의 길이 방향 축에 대하여 대칭적인 지점에서, 상기 초전도 선재의 전체 폭에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 초전도 선재의 시험 장치 또는 방법을 실시하면, 긴 길이의 초전도 선재의 결함을 연속적으로 검출할 수 있는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 초전도 선재의 시험 장치 또는 방법은, 비파괴적으로 초전도 선재의 결함을 용이하게 검출할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 선재의 시험 장치를 도시한 종 단면도.
도 2는 멀티 홀 센서의 일 실시예를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각유닛을 도시한 종 단면도.
도 4는 도 1의 초전도 선재의 시험 장치에서 수행될 수 있는 초전도 선재의 시험 방법을 도시한 흐름도.
도 5는 초전도 선재의 폭 방향의 일부에 형성된 형태의 결함(crack1)을 검출하는 것을 나타낸 개념도.
도 6은 초전도 선재의 폭 방향의 전부에 형성된 형태의 결함(crack2)을 검출하는 것을 나타낸 개념도.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초전도 선재의 시험 장치를 도시한 종 단면도.
도 8은 도 7의 초전도 선재의 시험 장치에서 수행될 수 있는 초전도 선재의 시험 방법을 도시한 흐름도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
( 실시예 1)
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 선재의 시험 장치를 도시한다. 도시한 초전도 선재의 시험 장치는, 초전도 선재를 냉각 지역으로 이송 및 반출시키는 이송 수단; 상기 냉각 지역으로 이송된 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 공급하기 위한 측정 전류 공급 수단; 상기 초전도 선재의 측정 부분에서 유발되는 자계를 검출하기 위한 자계 검출부(50); 및 상기 검출된 자계의 패턴으로부터 상기 측정 부분의 결함을 판단하는 결함 판정부(60)를 포함할 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 초전도 선재의 시험 장치는, 챔버 하우징(100)과, 냉각유닛(200)과, 건조유닛(300)을 포함하는데, 상기 챔버 하우징(100)은 초전도 선재(2)에 대한 냉각을 위한 공간이 형성된 제1 챔버(110)와, 상기 제1 챔버(110)를 경유한 초전도 선재의 표면에 응축된 습기를 제거하기 위한 공간이 형성된 제2 챔버(120)를 포함하여 구성된다.
챔버 하우징(100)은 직육면체 형태로 이루어지는데 상부에 덮개(3)가 설치되어 냉각유닛(200)과 건조유닛(300)을 경유하는 초전도 선재(2)가 오염물질에 의해 오염되는 현상을 방지할 수 있으며, 상기 덮개(3)는 챔버 하우징(100)에 설치된 힌지(미도시)에 의해 외측을 향해 선택적으로 회전된다.
또한 덮개(3)는 상면에 공급릴(20)에서 권취릴(40)을 향해 초전도 선재(2)가 이송되기 위해 덮개 홀(미도시)이 형성된다.
챔버 하우징(100)은 내부에 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)가 형성되고, 초전도 선재(2)의 냉각이 이루어지는 제1 챔버(110)가 제2 챔버(120)에 비해 상대적으로 넓은 공간으로 이루어진다.
초전도 선재 시험장치는 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120) 사이를 구획하는 격벽(10)과, 상기 챔버 하우징(100)의 외측에서 제1 챔버(110)를 향해 초전도 선재(2)를 공급하는 공급릴(20)과, 상기 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)를 경유하여 챔버 하우징(100)의 외측으로 이송되는 초전도 선재(2)의 이송을 가이드 하는 가이드 롤러(30, 31)와, 상기 가이드 롤러(30, 31)에서 이송된 초전도 선재(2)를 챔버 하우징(100)의 외측에서 권취하기 위한 권취릴(40)을 포함한다.
공급릴(20)은 제1 챔버(110)의 상부로 이격되어 위치되고, 제1 챔버(110)에 위치된 가이드 롤러(30, 31)로 초전도 선재를 공급하기 위해 설치되는데, 상기 공급릴(20)의 회전을 위해 별도의 구동유닛(미도시)으로부터 회전력을 전달받아 회전이 이루어진다.
가이드 롤러(30, 31)는 초전도 선재(2)의 안정적인 이송을 위해 챔버 하우징(100)의 내측에 다수개가 배치되는데, 배치 형태는 도면에 도시된 형태로 한정하지 않고 레이아웃에 따라 변경될 수 있다. 또한 가이드 롤러(30, 31)의 직경과 개수는 도면에 도시된 형태로 한정하지 않고 변경 가능함을 밝혀둔다.
권취릴(40)은 냉각유닛(200)과 건조유닛(300)을 경유한 초전도 선재가 권취되는데, 내부에 보조 열 발생부(42)가 장착되어 초전도 선재(2)에 잔존 가능한 습기를 건조시킬 수 있다.
즉, 상기 이송 수단은 상기 공급릴(20)에 감긴 상기 초전도 선재를 상기 챔버 하우징(100)의 내측에 형성된 냉각 지역을 지나서 상기 권취릴(40)로 이송시키는 각종 가이드 롤러들(30, 31, 32) 및 가이드들(35, 36)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 챔버 하우징(100)의 내측에 형성된 냉각 지역에 위치한 상기 초전도 선재의 측정 부분은 냉각유닛(200)에서 분사된 냉매에 의해 냉각되며, 근처에 상기 자계 검출부(50)가 위치한다.
도면에서, 상기 측정 전류 공급 수단은, 시험 전류 드라이버(70); 및 상기 시험 전류 드라이버(70)의 정(+) 및 부(-) 라인이 각각 연결되며, 상기 초전도 선재를 이송을 가이드 하는 한 쌍의 가이드 롤러(30, 31)로 구성될 수 있다. 다른 구현에서는, 상기 시험 전류 드라이버(70)의 정(+) 및 부(-) 라인이 가이드들(35, 36)에 연결될 수 있다.
격벽(10)은 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)를 완전히 독립적인 공간으로 구획하지 않고 부분 밀폐하는 형태로 챔버 하우징(100)에 설치되는데, 냉각유닛(200)에서 분사된 냉매가 제2 챔버(120)로 이동되는 것을 방지할 수 있는 높이만 유지되면 되므로 도면에 도시된 높이 또는 덮개(3)를 향해 연장되는 형태로 길이가 연장될 수 있다.
챔버 하우징(100)은 후술할 냉각유닛(200)에서 분사된 냉매의 배출을 위해 측벽에 설치된 배기팬(4)을 포함하고, 상기 배기팬(4)은 냉각유닛(200)에서 배출된 냉매를 챔버 하우징(100)의 외측으로 배출시켜 격벽(10)을 경유하여 건조유닛(300)으로 이동되는 일부의 냉매 유입이 안정적으로 차단된다.
도시하지 않은 다른 구현의 초전도 선재의 시험 장치는, 상기 측정 부분에서 상기 측정 전류에 의해 유발되는 전압을 측정하기 위한 전압 측정 수단을 더 포함할 수 있다. 상기 전압 측정 수단을 위한 전압 측정 지점은 상기 측정 전류 공급 수단이 형성된 롤러 또는 가이드와 동일한 것에 배치되거나, 또는 다른 롤러 또는 가이드에 배치될 수 있다. 공급된 상기 측정 전류와 상기 측정된 전압을 비교함으로써, 초전도 선재의 상전도 발생을 판단하거나, 측정 부분의 초전도 선재의 전체적인 비정상 상태를 판단할 수 있다.
상기 자계 검출부(50)는, 상기 초전도 선재의 측정 부분의 다수 지점들의 자계를 검출하기 위한 다수 개의 홀 센서를 포함하는 형태의 멀티 홀 센서로 구현될 수 있다. 도 2는 멀티 홀 센서의 일 실시예를 도시한다. 도시한 멀티 홀 센서는 직사각형 형상의 2차원 영역에 점 단위 홀 센서들이 수집된 형태를 가지고 있다. 상기 멀티 홀 센서를 이용하면, 상기 초전도 선재의 직사각형 형상의 측정 부분의 2차원 자계 분포 정보를 획득할 수 있다.
상기 결함 판정부(60)는, 상기 자계 검출부(50)가 검출한 자계의 초전도 선재에 대한 폭 방향 자계 패턴 및 법선 방향 자계 패턴 중 적어도 1개 이상을 이용하여 결함을 판단할 수 있다. 구체적인 결함 판단 방법에 대해서는 후술하겠다.
도시한 초전도 선재의 시험 장치는, 상기 초전도 선재의 측정 부분에 대한 냉각을 위한 공간이 형성된 제1 챔버(110)와, 상기 제1 챔버(110)를 경유한 초전도 선재의 표면에 응축된 습기를 제거하기 위한 공간이 형성된 제2 챔버(120)를 포함하는 챔버 하우징(100); 및 상기 제1 챔버에 위치되고 초전도 선재를 향해 냉매가 분사되는 냉각유닛(200)을 포함한다.
첨부된 도 3을 참조하면, 냉각유닛(200)은 초전도 선재(2)의 하측에 위치되고 냉매의 분사를 위한 다수개의 분사노즐(201)을 포함한다. 상기 냉매는 상대적으로 저온 상태로 냉각된 기체 상태의 헬륨 가스가 사용되며 헬륨 가스의 냉각을 위해 냉각유닛(200)에 공급되기 이전에 냉각기(미도시)를 통해 소정의 온도로 냉각된 후에 공급된다.
헬륨 가스는 대기압 상태에서 절대 온도에 가까운 상대적으로 낮은 끓는점을 갖고 있으므로 초전도 선재(2)에 대한 초저온 상태 특성을 시험해 볼 수 있는 냉매로 사용하는데 바람직하다.
냉각유닛(200)은 초전도 선재(2)의 효율적인 냉각을 위해 하측에 수평하게 위치된 상태로 배치되는데, 이 경우 냉각유닛(200)의 상면에 다수개의 분사노즐(201)이 설치된다.
상기 분사노즐(201)은 냉각유닛(200)에 결합되는 노즐몸체(201a)와, 상기 노즐몸체(201a)의 내측 중앙에 형성되고 노즐몸체(201a)의 상부를 향해 냉매가 분사되도록 개구된 제1 개구 홀(201b)과, 상기 노즐몸체(201a)의 내측 중앙을 기준으로 양측으로 경사지게 개구된 사이드 개구 홀(201c)을 포함한다.
분사노즐(201)은 초전도 선재(2)를 향해 균일하게 냉매를 분사하는 것이 초전도 선재(2)를 냉각시키는데 유리한데, 상기 제1 개구 홀(201b)이 노즐몸체(201a)의 중앙에 개구되므로 초전도 선재(2)의 중앙을 향해 냉매가 분사되고, 사이드 개구 홀(201c)은 제1 개구 홀(201b)을 기준으로 좌, 우 양측을 향해 분사된다. 따라서 제1 개구 홀(201b)을 통해 분사된 냉각수의 좌측과 우측 위치에 냉매가 분사되어 초전도 선재(2)에 냉매가 미접촉되는 데드 존이 발생되지 않고 안정적으로 냉매와 접촉이 이루어지므로 냉각 효율이 초전도 선재의 전 영역에서 균일하게 이루어진다.
참고로 사이드 개구 홀(201c)이 경사각은 초전도 선재의 폭에 따라 변경될 수 있다.
노즐몸체(201a)는 냉각유닛(200)에 나사 결합되기 위해 외측 하부에 일정 길이의 나사산이 형성되고, 냉각유닛(200)의 상면에도 노즐몸체(201a)가 삽입되는 삽입 홀이 형성되어 손쉽게 결합되므로, 특정 위치에 위치된 분사노즐(201)에서 냉매가 분사되지 않거나 오작동 될 경우 해당 분사노즐의 결합 상태를 해제한 후에 정상품으로 쉽게 교환 가능하여 수리 및 교체가 용이해진다.
이로 인해 본 실시 예에서는 액체 질소를 사용하지 않고 기체 상태의 헬륨 가스를 이용하므로 초전도 선재 표면을 균일하게 냉각시킬 수 있으며 상기 분사노즐(201)을 통해 분사되는 냉매의 압력과 분사량만 조절할 경우 초전도 선재(2)의 사이즈가 변경되는 경우에도 손쉽게 냉각을 실시할 수 있다.
도 4는 도 1의 초전도 선재의 시험 장치에서 수행될 수 있는 초전도 선재의 시험 방법을 도시한다.
도시한 초전도 선재의 시험 방법은, 초전도 선재를 냉각시키는 단계(S120); 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 인가하는 단계(S140); 초전도 선재의 측정 부분의 자계 패턴을 검출하는 단계(S160); 및 상기 검출한 자계의 초전도 선재에 대한 폭 방향 자계 패턴 및 법선 방향 자계 패턴 중 적어도 1개 이상을 이용하여 결함을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 측정 부분의 자계 패턴을 검출하는 단계(S160)에서는, 상기 초전도 선재의 측정 부분을 다수 개의 홀 센서들의 감지 영역으로 이동시키면서, 상기 홀 센서들의 감지 값들을 검출할 수 있다. 즉, 다수 개의 홀 센서들로 이루어진 멀티 홀 센서의 감지 영역에 위치한 상기 초전도 선재의 측정 부분의 자계 분포 정보를 획득할 수 있다.
상기 결함을 판단하는 단계(S180)에서, 상기 결함 검출 방법의 구체적인 예를 도 5 및 도 6에서 도시하고 있다.
도 5는 초전도 선재의 폭 방향의 일부에 형성된 형태의 결함(crack1)을 검출하는 것을 나타내며, 도 6은 초전도 선재의 폭 방향의 전부에 형성된 형태의 결함(crack2)을 검출하는 것을 나타낸다.
도 5에 도시한 상기 결함을 판단하는 단계(S180)에서는, 상기 폭 방향 자계의 2차원 패턴 및 상기 법선 방향 자계의 2차원 패턴이 불연속적인 지점에서 상기 초전도 선재의 일부 폭에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 것으로 판단한다.
도시한 상기 초전도 선재의 법선(Z) 방향 자계의 2차원 분포는, 상기 초전도 선재의 길이 방향으로 일정하다가, 일부 폭에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 지점에서 돌출 패턴의 불연속적인 패턴이 나타남을 알 수 있다. 또한, 마찬가지로 상기 초전도 선재의 폭(X) 방향 자계의 2차원 분포도 상기 초전도 선재의 길이 방향으로 일정하다가 일부 폭에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 지점에서 불연속적인 패턴이 나타남을 알 수 있다. 따라서, 상기 길이방향 축에 대하여 비대칭이며 불연속적인 패턴의 존재로부터 일부 폭에 대한 횡단선 형태의 결함(crack1)의 위치를 파악할 수 있다.
도 6에 도시한 상기 결함을 판단하는 단계(S180)에서는, 상기 폭 방향 자계의 2차원 패턴 및 상기 법선 방향 자계의 2차원 패턴이 불연속적이고, 폭 방향으로 일정한 값을 가지는 지점에서 상기 초전도 선재의 전체 폭에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 것으로 판단한다.
도시한 상기 초전도 선재의 법선(Z) 방향 자계의 2차원 분포는, 상기 초전도 선재의 길이 방향으로 일정하다가, 일부 폭에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 지점에서 돌출 패턴의 불연속적인 패턴이 나타남을 알 수 있다. 또한, 마찬가지로 상기 초전도 선재의 폭(X) 방향 자계의 2차원 분포도 상기 초전도 선재의 길이 방향으로 일정하다가 일부 폭에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 지점에서 불연속적인 패턴이 나타남을 알 수 있다. 상기 불연속적인 패턴은 상기 길이방향 축에 대하여 대칭을 이루는 것에 도 5의 경우와 차이가 있음을 알 수 있다. 따라서, 상기 길이방향 축에 대하여 대칭이며 불연속적인 패턴의 존재로부터 전부 폭에 대한 횡단선 형태의 결함(crack2)의 위치를 파악할 수 있다.
( 실시예 2)
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초전도 선재의 시험 장치를 도시한다. 도시한 초전도 선재의 결함 및 임계전류 검출 장치는, 초전도 선재를 냉각 지역으로 이송 및 반출시키는 이송 수단; 상기 냉각 지역으로 이송된 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 공급하기 위한 측정 전류 공급 수단; 상기 초전도 선재의 측정 부분에서 유발되는 자계를 검출하기 위한 자계 검출부(50); 상기 초전도 선재의 측정 부분의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부(190); 및 상기 검출된 자계의 패턴으로부터 상기 측정 부분의 결함을 판단하고, 상기 측정된 전압으로부터 상기 측정 부분의 임계 전류를 판단하는 임계전류/결함 판정부(160)를 포함할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 초전도 선재 시험장치는 챔버 하우징(100)과, 냉각유닛(200)과, 건조유닛(300)을 포함하는데, 상기 챔버 하우징(100)은 초전도 선재(2)에 대한 냉각을 위한 공간이 형성된 제1 챔버(110)와, 상기 제1 챔버(110)를 경유한 초전도 선재의 표면에 응축된 습기를 제거하기 위한 공간이 형성된 제2 챔버(120)를 포함하여 구성된다.
상기 전압 측정부(190)의 추가 및 임계전류/결함 판정부(160)의 기능 추가 외 다른 구성 요소들은 도 1의 경우와 유사하므로, 중복되는 설명을 생략하겠다.
도면에서는, 상기 측정 전류 공급 수단을 구성하는 시험 전류 드라이버(170)의 정(+) 및 부(-) 라인이 상기 초전도 선재를 이송을 가이드 하는 한 쌍의 가이드 롤러(30, 31)에 각각 연결되며, 상기 전압 측정부(190)의 정(+) 및 부(-) 라인이 가이드들(35, 36)에 연결되는 구조를 개시하였다. 다른 구현에서는 시험 전류 드라이버의 정(+) 및 부(-) 라인이 가이드들에 연결되고, 전압 측정부의 정(+) 및 부(-) 라인이 가이드 롤러에 연결될 수 있다.
상기 자계 검출부(50)는, 상기 초전도 선재의 측정 부분의 다수 지점들의 자계를 검출하기 위한 다수 개의 홀 센서를 포함하는 예컨대, 도 2에 도시한 바와 같은 형태의 멀티 홀 센서로 구현될 수 있다.
상기 임계전류/결함 판정부(160)는, 상기 자계 검출부(50)가 검출한 자계의 초전도 선재에 대한 폭 방향 자계 패턴 및 법선 방향 자계 패턴 중 적어도 1개 이상을 이용하여 결함을 판단하고, 상기 전압 측정부(190)에서 측정된 전압으로부터 상기 측정 부분의 임계 전류를 판단할 수 있다.
도시한 구조의 임계전류/결함 판정부(160)를 구비함에 의해, 도시한 초전도 선재의 결함 및 임계전류 검출 장치는, 비접촉식 방식에 의한 결함 검출과 접촉식 방식에 의한 임계 전류 측정을 동시에 수행할 수 있다. 이에 의해, 초전도 선재의 결함 및 임계전류 검출에 필요한 시간 및 장비 소요를 절감할 수 있는 이점을 달성한다.
도 8은 도 7의 초전도 선재의 시험 장치에서 수행될 수 있는 초전도 선재의 결함 및 임계 전류 검출 방법을 도시한다.
도시한 초전도 선재의 결함 및 임계 전류 검출 방법은, 초전도 선재를 냉각시키는 단계(S220); 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 인가하는 단계(S240); 초전도 선재의 측정 부분의 자계 패턴을 검출하는 단계(S260); 초전도 선재 측정 부분의 전압을 검출하는 단계(S270); 상기 검출한 자계의 초전도 선재에 대한 폭 방향 자계 패턴 및 법선 방향 자계 패턴 중 적어도 1개 이상을 이용하여 결함을 판단하는 단계(S280); 및 상기 측정된 전압으로부터 상기 측정 부분의 임계 전류를 판단하는 단계(S290)를 포함할 수 있다.
상기 측정 부분의 자계 패턴을 검출하는 단계(S260)에서는, 상기 초전도 선재의 측정 부분을 다수 개의 홀 센서들의 감지 영역으로 이동시키면서, 상기 홀 센서들의 감지 값들을 검출할 수 있다.
상기 S220 단계, S240 단계, S260 단계 및 S280 단계는, 도 4의 S120 단계, S140 단계, S160 단계 및 S180 단계와 유사하므로, 중복되는 설명은 생략하겠다.
상기 S270 단계는, 상기 S240 단계에서 전류를 인가하는 지점들(+, -)의 동일한 지점들 또는 근처 지점들에 전압 측정을 위한 라인 접속(+, -)을 형성하고, 전압을 측정하는 방식으로 수행될 수 있다. 전류를 인가하는 지점과 전압 측정을 위한 라인 접속 지점은 가까울수록 정확한 임계 전류 측정이 가능하다.
상기 S290 단계는, 상기 S270 단계에서 측정된 전압이 임계 전류가 흐른다고 판단할 정도로 소정의 기준값에 도달하였는지를 판정하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 측정된 전압이 소정의 기준값에 도달한 경우, 상기 S240 단계에서 인가한 전류값을 임계 전류로 판정할 수 있다. 정확한 임계 전류 판단을 위해, 측정 전류의 값을 변화시키면서, 상기 S240 단계, S270 단계 및 S290 단계를 반복할 수 있다. 또는, 상기 S290 단계에서는 다른 공지된 접촉식 임계 전류 측정 방법을 적용할 수 있다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 초전도 선재
20 : 공급릴
40 : 권취릴
30, 31 : 가이드 롤러
35, 36 : 가이드
50 : 자계 검출부
60 : 결함 판정부
70 : 시험 전류 드라이버
100 : 챔버 하우징
190 : 임계전류/결함 판정부
200 : 냉각 유닛

Claims (13)

  1. 초전도 선재를 냉각 지역으로 이송 및 반출시키는 이송 수단;
    상기 냉각 지역으로 이송된 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 공급하기 위한 측정 전류 공급 수단;
    상기 초전도 선재의 측정 부분에서 유발되는 자계를 검출하기 위한 자계 검출부; 및
    상기 검출된 자계의 패턴으로부터 상기 측정 부분의 결함을 판단하는 결함 판정부
    를 포함하는 초전도 선재의 시험 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송 수단은 공급릴에 감긴 상기 초전도 선재를 상기 측정 부분을 지나서 권취릴로 이송시키는 초전도 선재의 시험 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 전류 공급 수단은, 상기 초전도 선재를 이송을 가이드 하는 한 쌍의 가이드 롤러를 포함하는 초전도 선재의 시험 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자계 검출부는,
    상기 측정 부분의 다수 지점들의 자계를 검출하기 위한 다수 개의 홀 센서를 포함하는 초전도 선재의 시험 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 결함 판정부는,
    상기 자계 검출부가 검출한 자계의 초전도 선재에 대한 폭 방향 자계 패턴 및 법선 방향 자계 패턴 중 적어도 1개 이상을 이용하여 결함을 판단하는 초전도 선재의 시험 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 부분에서 상기 측정 전류에 의해 유발되는 전압을 측정하기 위한 전압 측정 수단을 더 포함하는 초전도 선재의 시험 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 선재의 측정 부분에 대한 냉각을 위한 공간이 형성된 제1 챔버와, 상기 제1 챔버를 경유한 초전도 선재의 표면에 응축된 습기를 제거하기 위한 공간이 형성된 제2 챔버를 포함하는 챔버 하우징; 및
    상기 제1 챔버에 위치되고 초전도 선재를 향해 냉매가 분사되는 냉각유닛
    을 더 포함하는 초전도 선재의 시험 장치.
  8. 초전도 선재를 냉각 지역으로 이송 및 반출시키는 이송 수단;
    상기 냉각 지역으로 이송된 초전도 선재의 측정 부분에 측정 전류를 공급하기 위한 측정 전류 공급 수단;
    상기 초전도 선재의 측정 부분에서 유발되는 자계를 검출하기 위한 자계 검출부;
    상기 초전도 선재의 측정 부분의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부; 및
    상기 검출된 자계의 패턴으로부터 상기 측정 부분의 결함을 판단하고, 상기 측정된 전압으로부터 상기 측정 부분의 임계 전류를 판단하는 임계전류/결함 판정부를 포함하는 초전도 선재의 시험 장치.
  9. 초전도 선재를 냉각시키는 단계;
    상기 초전도 선재의 측정 부분에 전류를 인가하는 단계;
    상기 초전도 선재의 측정 부분의 자계 패턴을 검출하는 단계; 및
    상기 검출한 자계의 초전도 선재에 대한 폭 방향 자계 패턴 및 법선 방향 자계 패턴 중 적어도 1개 이상을 이용하여 결함을 판단하는 단계
    를 포함하는 초전도 선재의 시험 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 초전도 선재 측정 부분의 전압을 검출하는 단계; 및
    상기 측정된 전압으로부터 상기 측정 부분의 임계 전류를 판단하는 단계
    를 더 포함하는 초전도 선재의 시험 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 측정 부분의 자계 패턴을 검출하는 단계에서는,
    상기 초전도 선재의 측정 부분을 다수 개의 홀 센서들의 감지 영역으로 이동시키면서, 상기 홀 센서들의 감지 값들을 검출하는 초전도 선재의 시험 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 결함을 판단하는 단계에서는,
    상기 폭 방향 자계의 2차원 패턴 및 상기 법선 방향 자계의 2차원 패턴이 불연속적인 지점에서 상기 초전도 선재에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 것으로 판단하는 초전도 선재의 시험 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 결함을 판단하는 단계에서는,
    상기 폭 방향 자계의 2차원 패턴 및 상기 법선 방향 자계의 2차원 패턴이 불연속적이고 상기 초전도 선재의 길이 방향 축에 대하여 대칭적인 지점에서, 상기 초전도 선재의 전체 폭에 대한 횡단선 형태의 결함이 존재하는 것으로 판단하는 초전도 선재의 시험 방법.
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CN112557974A (zh) * 2020-12-02 2021-03-26 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种高温超导带材冲击恢复特性测试方法及系统

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