KR20180137884A

KR20180137884A - 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치

Info

Publication number: KR20180137884A
Application number: KR1020170077712A
Authority: KR
Inventors: 오상수; 이창형; 손명환; 하홍수
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-28
Also published as: WO2018235992A1

Abstract

본 발명은 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온초전도 선재의 임계전류의 특성 평가시 슬라이딩 가능한 지지구를 이용하여 고온초전도 선재의 굽힘변형률을 임의로 조절함으로써 고온초전도체의 손상을 배제하고 열영향을 최소화하며, 안정적으로 동일 전압탭 구간에서 다양한 굽힘변형률에서의 임계전류 측정이 가능하도록 하는 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치에 관한 것으로써, 슬라이딩 가능한 지지구를 이용함으로써, 고온초전도 선재의 굽힘변형을 임의로 조절하여 임계전류를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하되,
바닥부, 상기 바닥부 위에 설치되고 일측 끝단에서 직교하도록 배치된 두 개의 고정된 직선부재로 이루어진 선재지지부, 상기 선재지지부의 타측 끝단에 설치되고 초전도 선재에 전류를 공급하는 전류단자부 및 상기 선재지지부를 따라 슬라이딩하도록 설치되되, 고온초전도 선재를 상기 선재지지부에 밀착지지하는 변곡점제어부로 이루어진 것을 기술적 요지로 한다.

Description

고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치{Measurement device of critical current under bending strain for high temperature superconducting wire}

본 발명은 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온초전도 선재의 임계전류의 특성 평가시 슬라이딩 가능한 지지구를 이용하여 고온초전도 선재의 굽힘변형률을 임의로 조절함으로써 고온초전도체의 손상을 배제하고 열영향을 최소화하며, 안정적으로 동일 전압탭 구간에서 다양한 굽힘변형률에서의 임계전류 측정이 가능하도록 하는 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 고온초전도 선재는 PIT(power-in-tube)법으로 제조하는 1세대 BSCCO 선재와 최근에 개발이 이루어진 2세대 REBCO CC(coated conductor)선재로 나눌 수 있다. 이러한 고온초전도 선재의 구조는 대부분 테이프 현상으로 하고 있으며, 폭이 4 내지 12 mm 정도이고, 두께는 고온초전도 선재의 안정화 조건과 보강 정도에 따라 변하지만 0.1 mm 이상이다. 이러한 고온초전도 선재는 기존의 금속계 초전도체에 비하여 임계온도가 높기 때문에 초전도 송전케이블과 77K이하의 극저온에서 초전도 마그켓, 초전도 회전기 등에 적용하기 위한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

고온초전도 선재는 산화물계 화합물 초전도체로 이루어져 있기 때문에 특히 기계적인 응력이나 변형에 초전도체가 쉽게 손상이 되는 문제점을 갖고 있으며, 고온초전도 선재를 제조하는 과정이나 고온초전도 선재를 케이블이나 코일 형태로 만드는 과정, 그리고 고온초전도 기기를 운전하는 과정에서 다양한 형태의 하중이나 응력이 작용하여 변형을 일으키게 된다. 그 예로, 와인딩부에서 후프응력(인장변형률), 냉각시 열수축률 차에 따른 압축변형률, 그리고 선재의 와인딩 과정에서 발생하는 굽힘 및 비틀림 변형 등이 있다. 이러한 이유로, 고온초전도 선재를 이용하여 초전도기기(케이블, 마그넷)을 설계하고 제작하기 위해서는 사전에 고온초전도 선재 자체의 기계적 특성 평가와 더불어 기계적 변형율에 따른 임계전류의 열화 정도를 평가하는 것이 중요하다.

이러한 고온초전도 선재의 기계적 특성 평가를 위하여 종래에는 FRP시료홀더를 이용하여 일련의 곡률반경을 부여하고 납땜하여 특성을 평가하는 방법을 주로 이용하였고, 상기 FRP시료홀더를 사용하는 경우 납땜시 열화 및 많은 시료의 준비등에 따른 과다한 시간과 노력의 소요를 개선하기 위하여 로(ρ)자 형태의 임계전류 측정용 홀더를 개발하였다.

그러나, 개발된 로(ρ)자형 임계전류 측정용 홀더 역시, 주어진 형태에서만 제공되는 곡률반경에서만 측정이 제한되고, 굽힘구간의 전압탭 구간이 서로 다르기 때문에 동일 구간에서의 연속적인 임계전류를 평가하기 어려운 문제점이 있었다.

KR

100805284

B1

KR

101410842

B1

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 고온초전도 선재의 굽힘변형률에 따른 임계전류 측정시 고온초전도 선재를 지지하는 지지대와 지지대를 슬라이딩하는 홀더로써 선재의 굽힘변형률을 임의로 조절하고, 동일한 시편의 동일 구간에 대한 굽힘변형률 변화에 따른 임계전류의 변화를 측정할 수 있는 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치는

슬라이딩 가능한 지지구를 이용함으로써, 고온초전도 선재의 굽힘변형을 임의로 조절하여 임계전류를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하되,

바닥부, 상기 바닥부 위에 설치되고 일측 끝단에서 직교하도록 배치된 두 개의 고정된 직선부재로 이루어진 선재지지부, 상기 선재지지부의 타측 끝단에 설치되고 초전도 선재에 전류를 공급하는 전류단자부 및 상기 선재지지부를 따라 슬라이딩하도록 설치되되, 고온초전도 선재를 상기 선재지지부에 밀착지지하는 변곡점제어부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.

고온초전도 선재의 굽힘변형률에 따른 임계전류의 측정시 시편인 고온초전도 선재의 굽힘변형률을 임의의 값으로 자유롭게 생성할 수 있게 되어, 종래의 FRP시료홀더의 사용시나, 로(ρ)자 형태의 홀더 사용시에 정해진 굽힘변형률만을 제공할 수 밖에 없었던 반면, 다양한 굽힘변형률에서도 임계전류의 측정이 가능하다. 이에 따라, 시료의 제작이나 측정하고자 하는 굽힘변형률을 셋팅하는데 소요되는 시간이나 비용 및 노력을 절감할 수 있게 된다.

또한, 한번 부착한 시편을 다시 분리하지 않고, 1회 설치만으로 측정자가 원하는 다양한 굽힘변형률을 생성하여 임계전류를 측정할 수 있게 되어, 동일한 구간내 동일 시편의 굽힘변형률의 변화에 따른 임계전류의 변화, 즉 굽힘변형률-임계전류 관계 데이터를 측정할 수 있게 된다.

종래 FRP시료홀더나 로(ρ)자 형태의 홀더는 고온초전도 선재를 납땜에 의해 홀더에 부착하게 되는데, 상술한 바와 같이 납땜시 가해지는 열은 고온초전도 선재의 기계적특성을 변화시키는 열영향을 배제할 수 없었으나, 본발명에 의해 이러한 납땜에 의한 고온초전도 선재의 손상이나 열영향을 배제한 안정적인 상태에서 측정할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치의 사용 상태를 보여주는 평면도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치의 사용 상태를 보여주는 평면도이다.

본 발명은 고온초전도 선재(10)의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치에 관한 것으로써, 슬라이딩 가능한 지지구를 이용함으로써, 고온초전도 선재(10)의 굽힘변형을 임의로 조절하여 임계전류를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하되,

바닥부(100), 상기 바닥부(100) 위에 설치되고 일측 끝단에서 직교하도록 배치된 두 개의 고정된 직선부재로 이루어진 선재지지부(200), 상기 선재지지부(200)의 타측 끝단에 설치되고 초전도 선재에 전류를 공급하는 전류단자부(300) 및 상기 선재지지부(200)를 따라 슬라이딩하도록 설치되되, 고온초전도 선재(10)를 상기 선재지지부(200)에 밀착지지하는 변곡점제어부(400)로 이루어진 것이 특징이다.

먼저, 상기 바닥부(100)를 살펴본다.

바닥부(100)는 평면으로 구성되고, 후술할 선재지지부(200), 전류단자부(300), 변곡점제어부(400) 등 본발명의 모든 구성요소의 지지대가 된다. 바닥부(100)는 FRP나 베크라이트 등의 합성수지재로 이루어져 있어, 고온초전도 선재(10)의 임계전류 측정시 전기적으로 절연되도록 되어 있다.

바닥부(100)의 상부면에 후술할 전류단자부(300)가 설치되는 부분은 전류단자부(300)가 안착하여 슬라이딩할 수 있도록 단자안착부(110)가 형성되어 있다. 단자안착부(110)는 바닥부(100)의 상부면으로부터 바닥부(100)의 두께방향으로 함몰된 형상을 가지고 있고, 선재지지부(200)의 길이방향과 나란한 방향으로 형성되어 있다. 이로 인하여, 변곡점제어부(400)에 의해 고온초전도 선재(10)에 굽힘변형률이 가감됨에 따라 전류단자부(300)가 단자안착부(110)가 형성된 형태와 후술할 단자조절부(270)와의 결합에 의해 슬라이딩하도록 되어 있다.

다음으로, 상기 선재지지부(200)를 살펴본다.

선재지지부(200)는 상기 바닥부(100)의 상부에 설치된 제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)인 두개의 직선부재로 이루어져 있되, 상기 두개의 직선부재는 일측 끝단에서 직교하도록 배치되어 있다. 선재지지부(200)도 상기 바닥부(100)와 마찬가지로 FRP나 베크라이트 등의 합성수지재로 이루어져 있어, 전기적으로 절연되도록 되어 있다.

제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)는 일측끝단에서 직교하고, 직교되는 선재지지부(200)의 안쪽면을 내부면, 이와 반대되는 바깥쪽면을 외부면으로 하면, 고온초전도 선재(10)는 후술할 변곡점제어부(400)에 의해 선재지지부(200)의 내부면에 부착되게 된다. 다만, 고온초전도 선재(10)가 탄성을 가지는 부재이기 때문에, 선재지지부(200)의 직교면에 모두 밀착되지는 않고, 직교되지 않는 타측끝단에서는 고온초전도 선재(10)와 선재지지부(200)가 밀착되고, 제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)가 직교하는 부분에서는 고온초전도 선재(10)는 탄성에 의해 원호를 그리게 된다. 본발명은 이러한 특성을 이용하여 고온초전도 선재(10)에 임의의 굽힘변형률을 부여하도록 고안된 것이다.

선재지지부(200)는 후술할 변곡점제어부(400)가 고온초전도 선재(10)에 굽힘변형률을 주기 위해 슬라이딩시 슬라이드 가이드로써 역할을 한다. 고온초전도 선재(10)에 가해지는 굽힘변형률은 제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)가 직교하는 점으로부터 후술할 안내편(450)의 끝단까지의 거리에 의해 산정되는데, 선재지지부(200)의 상부면에는 눈금자(250)를 설치하여 고온초전도 선재(10)의 굽힘변형률의 수치적 산정이 편리하도록 하고 있다.

선재지지부(200)의 직교하지 않은 끝단부에 후술할 전류단자부(300)가 부착되는 부분은 전류단자부(300)가 슬라이딩할 수 있도록 단자조절부(270)가 형성되어 있다. 단자조절부(270)는 선재지지부(200)의 길이방향으로 관통하는 홀로 구성되어 있으며, 바람직하게는 선재지지부(200)의 외부면에서 내부면 방향으로 관통하는, 모서리가 둥근 직사각형 홀로 구성되어 있다. 후술할 전류단자부(300)는 단자조절부(270)를 관통하는 볼트에 의해 체결되어 선재지지부(200)와 결합하게 되고, 고온초전도 선재(10)의 굽힘변형률 가감시 전류단자부(300)는 단자조절부(270) 및 단자안착부(110)를 따라 슬라이딩하게 된다.

다음으로 상기 전류단자부(300)를 살펴본다.

전류단자부(300)는 고온초전도 선재(10)와 접촉하여 외부로부터 공급되는 전압을 고온초전도 선재(10)에 공급하는 역할을 하며, 선재고정부(310)에 의해 고온초전도 선재(10)와 결합되어있다. 따라서, 전류단자부(300)는 구리, 황동 또는 구리합금 등 전기전도성이 좋은 금속으로 되어 있다.

전류단자부(300)는 제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)가 직교하지 않은 타측의 끝단부에 설치되되, 상술한 바와 같이 선재지지부(200)에 구성되어 있는 단자조절부(270) 및 바닥부(100)의 단자안착부(110)의 형태에 따라 슬라이딩이 가능하다.

전류단자부(300)의 하부에는 고온초전도 선재(10)를 전류단자부(300)에 고정시키는 선재고정부(310)가 형성되어 있다. 선재고정부(310)는 볼트에 의해 전류단자부(300)와 결합되도록 되어있어, 고온초전도 선재(10)의 양쪽 끝단부는 전류단자부(300)와 선재고정부(310)의 사이에 삽입되고 볼트에 의해 결합되어 전류단자부(300)와 전기적으로 연결되도록 되어 있다.

임계전류 측정을 위해 고온초전도 선재(10)를 셋팅하고 변곡점제어부(400)에 의해 굽힘변형률을 증가시키게 되면, 원호가 작아지게 됨에 따라 고온초전도 선재(10) 전체가 선재지지부(200)가 직교하는 지점으로 조금 더 밀착하게 되도록 이동하게 되고, 고온초전도 선재(10)와 결합되어 있는 전류단자부(300)가 직교하는 지점쪽으로 슬라이딩 이동하게 된다.

마지막으로, 상기 변곡점제어부(400)를 살펴본다.

변곡점제어부(400)는 상기 선재지지부(200)를 따라 슬라이딩하도록 설치되되, 고온초전도 선재(10)를 상기 선재지지부(200)에 고정하는 지지구로써, 제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)가 직교하는 지점으로 이동함에 따라 고온초전도 선재(10)의 원호를 작게, 즉 굽힘변형률을 크게 만드는 역할을 한다.

변곡점제어부(400)는 제1선재지지부(210)를 따라 움직이는 제1변곡점제어부(410)와 제2선재지지부(230)를 따라 움직이는 제2변곡점제어부(430)의 2개로 이루어져 있다. 제1변곡점제어부(410)와 제2변곡점제어부(430)는 상호연동되어 이동하거나 별개로 이동할 수도 있다. 변곡점제어부(400)는 선재지지부(200)를 슬라이딩 가이드로 삼아 슬라이딩하도록 구성되어 있으며, 상세하게는 선재지지부(200)의 상부면과 내외부면을 걸쳐서 ㄷ자 형상으로 설치되어 있다.

변곡점제어부(400)의 외부면에는 변곡점제어부(400)가 슬라이딩하는 방향과 직각이 되도록 제어부고정볼트(470)가 형성되어 있다. 변곡점제어부(400)를 측정하고자 하는 굽힘변형률이 되는 지점까지 이동한 후에, 제어부고정볼트(470)를 조여 선재지지부(200)에 가압함으로써 변곡점제어부(400)가 고정되게 된다. 추가적으로는 제어부고정볼트(470)에 의해 합성수지재로 구성된 선재지지부(200)가 마모될 수 있어, 이를 방지하기 위하여 제어부고정볼트(470)에 의해 가압되는 지점, 즉 선재지지부(200)의 외부면에는 SUS와 같은 재질을 이용하여 보강을 할 수 있다.

변곡점제어부(400)가 선재지지부(200) 내부면과 맞닿는 측에는 사다리꼴 블록 모양의 안내편(450)이 붙어있어 고온초전도 선재(10)의 굽힘변형률 생성시 고온초전도 선재(10)가 선재지지부(200)에 밀착이 잘 되도록 가압하여 준다.

상술한 구성요소들에 의해 고온초전도 선재(10)의 임계전류 측정시 굽힘변형률을 생성하는 과정을 살펴본다.

적당한 길이로 절단된 고온초전도 선재(10)의 양끝을 전류단자부(300)에 선재고정부(310)의 볼트조임으로 고정하고, 변곡점제어부(400)와 선재지지부(200)의 내부면 사이에 고온초전도 선재(10)가 들어가도록 설치한다. 이때, 제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)가 직교되어 있으므로, 초기 설치시부터 고온초전도 선재(10)는 탄성에 의해 원호를 가지는 형태를 가진다. 임계전류의 측정방법은 굽힘변형률이 생성된 곳, 즉 원호부위를 측정하되, 종래의 알려진 4단자 통전법에 따라 하므로 생략하기로 한다.

변곡점제어부(400)를 제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)가 직교하는 측으로 슬라이딩하여 이동시키면, 변곡점제어부(400)에 부착된 안내편(450)에 의해 고온초전도 선재(10)는 선재지지부(200)에 밀착하게 되고, 고온초전도 선재(10)의 원호는 작아지게 되며 상이한 굽힘변형률을 생성하게 된다. 변곡점제어부(400)는 제어부고정볼트(470)에 의해 고정되어 설정된 굽힘변형률을 유지한 채로 임계전류 측정이 가능하다. 고온초전도 선재(10)의 끝단부와 결합되어 있는 전류단자부(300)도 단자조절부(270)를 따라 직교하는 측으로 슬라이딩하여 이동하여 고온초전도 선재(10)가 원활하게 굽힐 수 있게 한다.

이 때, 안내편(450)의 끝단으로부터 제1선재지지부(210)와 제2선재지지부(230)가 직교하는 지점까지의 거리를 곡률반경 R로 하고, 고온초전도 선재(10)의 두께를 t로 하였을 때, 굽힘변형률은 다음 수학식 1에 의해 얻을 수 있다.

따라서, 변곡점제어부(400)를 직교하는 측으로 이동하여 직교지점과 안내편(450)의 거리가 가까워질수록 곡률반경 R은 줄어들게 되어 굽힘변형률 ε은 더욱 커지게 되고, 반대로 변곡점제어부(400)를 직교하는 측으로부터 반대방향으로 이동하여 직교지점과 안내편(450)의 거리가 멀어질수록 곡률반경 R은 커지게 되어 굽힘변형률 ε은 더욱 작아지게 된다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

10: 고온초전도 선재
100: 바닥부
110: 단자안착부
200: 선재지지부
210: 제1선재지지부
230: 제2선재지지부
250: 눈금자
270: 단자조절부
300: 전류단자부
310: 선재고정부
400: 변곡점제어부
410: 제1변곡점제어부
430: 제2변곡점제어부
450: 안내편
470: 제어부고정볼트

Claims

슬라이딩 가능한 지지구를 이용함으로써, 고온초전도 선재의 굽힘변형을 임의로 조절하여 임계전류를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치는
바닥부;
상기 바닥부 위에 설치되고, 일측 끝단에서 직교하도록 배치된 두 개의 고정된 직선부재로 이루어진 선재지지부;
상기 선재지지부의 타측 끝단에 설치되고 고온초전도 선재에 전류를 공급하는 전류단자부; 및
상기 선재지지부를 따라 슬라이딩하도록 설치되되, 고온초전도 선재를 상기 선재지지부에 밀착지지하는 변곡점제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치.
제2항에 있어서,
상기 바닥부와 상기 선재지지부는 절연체로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치.
제2항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
고온초전도 선재의 길이에 따라 상기 전류단자부의 위치를 조절가능하게 하는 전류단자 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재의 굽힘변형에 따른 임계전류 측정장치.