KR20200075753A - High Temperature Superconductor Magnet With Micro Vertical Channel - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초전도 마그넷에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2세대 고온 초전도 마그넷에 관한 것이다.The present invention relates to a superconducting magnet, and more particularly, to a second generation high temperature superconducting magnet.
액화 질소 온도에서 동작하는 고온 초전도 선재는 고자장에서 높은 임계전류밀도 특성을 나타내어 초전도 마그넷 등의 고자장 응용으로 주목 받고 있다. High-temperature superconducting wires operating at liquefied nitrogen temperature have a high critical current density characteristic in a high magnetic field, and are attracting attention as a high magnetic field application such as a superconducting magnet.
고온 초전도 선재는 도전성 금속 외피 내에 필라멘트 또는 박막 형태의 초전도부가 연장되는 구조를 가지며, 그 구조에 따라 1세대 및 2세대 초전도 선재로 나눌 수 있다. 예컨대, 2세대 초전도 선재는 금속 기판, 완충층, 초전도층 및 안정화층의 적층 구조를 가지며, 선재의 외곽은 Cu, Ag와 같은 도전성 금속 또는 그 합금에 의한 피복 구조를 구비한다. 이에 따라, 코일 권선 시 인접한 턴의 선재는 전기적으로 접촉하게 된다. The high-temperature superconducting wire has a structure in which a superconducting portion in the form of a filament or a thin film is extended in a conductive metal sheath, and can be divided into first and second generation superconducting wires according to the structure. For example, the second-generation superconducting wire has a stacked structure of a metal substrate, a buffer layer, a superconducting layer, and a stabilizing layer, and the outer portion of the wire has a coating structure made of a conductive metal such as Cu or Ag or an alloy thereof. Accordingly, during coil winding, the wires of adjacent turns are in electrical contact.
이와 같은 전기적 접촉을 방지하기 위하여 초전도 선재는 테프론 또는 캡톤과 같은 절연 물질로 감싸진 상태로 권선 될 수 있다. In order to prevent such electrical contact, the superconducting wire may be wound while being wrapped with an insulating material such as Teflon or Kapton.
그러나, 초전도 마그넷을 구성하는 초전도 선재의 절연 여부는 초전도 마그넷의 여자 등 전자기적 특성에 영향을 미치게 된다. However, the insulation of the superconducting wires constituting the superconducting magnet affects electromagnetic properties such as excitation of the superconducting magnet.
또한, 초전도 선재의 절연 여부는 ?치에 대한 보호 특성에 심각한 영향을 미치게 된다. 특히 고온 초전도 선재는 저온 초전도 선재에 비해 높은 열용량 및 높은 임계온도를 구비하여 ?치(quench) 발생 가능성이 낮은 것으로 알려져 있지만, 정작 ?치 전파 속도가 낮아 외부에서 ?치 현상의 검출이 곤란하다는 문제점을 가지며, 국부적 ?치 현상에 의해 선재가 번 아웃에 이르는 치명적인 결함을 나타낸다. 따라서, 초전도 코일의 인접하는 초전도 선재가 절연된 경우에는 ?치에 취약한 특성을 나타내게 된다.In addition, whether or not the superconducting wire is insulated has a serious influence on the protection characteristics against? In particular, high-temperature superconducting wire has a high heat capacity and high critical temperature compared to low-temperature superconducting wire, so it is known that the possibility of quench is low, but it is difficult to detect the quench phenomenon from the outside due to low propagation speed. It has a fatal defect leading to burnout due to local? Therefore, when the adjacent superconducting wire of the superconducting coil is insulated, it exhibits vulnerable characteristics to? Value.
이러한 문제점으로 인하여, 초전도 마그넷의 여자 특성의 열화 없이 ?치 현상의 검출이나 이로부터 선재를 보호하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 오고 있지만 현재까지 근본적인 해결책은 없는 실정이다. Due to these problems, various techniques have been developed to detect the tooth value phenomenon or to protect the wire rod from deterioration of the excitation characteristics of the superconducting magnet, but there is no fundamental solution to date.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 향상된 여자 특성 및 전류 분류 특성을 갖는 초전도 코일 및 이를 포함하는 초전도 마그넷을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a superconducting coil having an improved excitation characteristic and a current classification characteristic and a superconducting magnet including the same.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되고 내부에 초전도층과 상기 초전도층 상부의 상부 금속부 및 하부의 하부 금속부를 포함하는 고온 초전도 선재를 적층한 고온 초전도 코일에 있어서, 상기 초전도 코일은 상기 초전도 선재의 초전도층을 적층 방향으로 관통하여 인접하는 초전도 선재와 전기적으로 연결하기 위한 복수의 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention is a high-temperature superconducting coil in which a high-temperature superconducting wire material extending in a longitudinal direction with a predetermined width and including a superconducting layer and an upper metal portion and a lower metal portion on the upper portion of the superconducting layer is stacked. , The superconducting coil provides a superconducting coil characterized by having a plurality of channels for electrically connecting to adjacent superconducting wires by penetrating the superconducting layer of the superconducting wire in the stacking direction.
본 발명은 상기 초전도 코일은 인접하는 두 초전도 선재의 금속부가 직접 접촉 상태일 수 있다. 이와 달리, 상기 초전도 코일의 인접하는 두 초전도 선재 사이에 메탈 인슐레이션층이 더 포함될 수 있다. In the present invention, the superconducting coil may be in direct contact with a metal portion of two adjacent superconducting wires. Alternatively, a metal insulation layer may be further included between two adjacent superconducting wires of the superconducting coil.
본 발명에서 상기 전도성 채널은 전도성 금속으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 채널은 솔더를 포함할 수 있다. In the present invention, the conductive channel may be formed of a conductive metal. Specifically, the conductive channel may include solder.
또한, 상기 전도성 채널은 도금층을 포함할 수 있다.Further, the conductive channel may include a plating layer.
또한, 상기 전도성 채널은 솔더와 도금층을 모두 포함할 수 있다.Further, the conductive channel may include both solder and a plating layer.
또한, 상기 전도성 채널은 Ag 패이스트와 같은 금속 패이스트를 포함할 수 있다.Further, the conductive channel may include a metal paste, such as an Ag paste.
또한, 상기 전도성 채널은 금속절연전이(MIT) 물질을 포함할 수 있다.Further, the conductive channel may include a metal insulating transition (MIT) material.
본 발명에서 상기 초전도 선재의 초전도층과 하부 금속부 사이에는 완충층을 포함하고, 상기 채널은 상기 초전도층과 상기 완충층을 관통할 수 있다. In the present invention, a buffer layer is included between the superconducting layer and the lower metal portion of the superconducting wire, and the channel can penetrate the superconducting layer and the buffer layer.
본 발명에서 상기 복수의 채널들 사이의 간격은 500 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서 상기 복수의 채널 사이의 간격은 1000 ㎛ 미만, 2000 미만일 수 있다. In the present invention, the spacing between the plurality of channels is preferably 500 μm or more. In addition, the distance between the plurality of channels in the present invention may be less than 1000 ㎛, less than 2000.
또한, 상기 복수의 채널들은 직경이 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 복수의 채널들은 직경은 50~200 ㎛, 또는 50~100 ㎛ 일 수 있다.Further, the plurality of channels may have a diameter of 50 μm or more and 100 μm or more. Preferably, the plurality of channels may have a diameter of 50 to 200 μm, or 50 to 100 μm.
본 발명에 따르면, 향상된 여자 특성 및 전류 분류 특성을 갖는 초전도 코일 및 이를 포함하는 초전도 마그넷을 제공할 수 있게 된다. According to the present invention, it is possible to provide a superconducting coil having an improved excitation characteristic and a current classification characteristic and a superconducting magnet including the same.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷을 구성하는 초전도 코일 부분을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일의 A-A' 방향을 따라 절단한 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 가공된 초전도 선재의 관통 홀 배열을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 초전도 선재의 임계 전류값(Ic) 측정 결과를 플롯한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 가공된 선재 패턴을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따라 선재를 레이저 가공한 후 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따라 선재를 가공한 후 비접촉 홀 Ic 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따라 충진된 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이다.1 is a view exemplarily showing a portion of a superconducting coil constituting a superconducting magnet according to an embodiment of the present invention.
2 is a view schematically showing a cross-sectional structure cut along the AA' direction of a superconducting coil according to an embodiment of the present invention.
3 is a view schematically showing a through hole arrangement of a superconducting wire processed according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are graphs plotting the measurement results of the critical current value (I c ) of the superconducting wire manufactured according to the experimental example of the present invention.
6 is a view schematically showing a wire pattern processed according to an embodiment of the present invention.
7 is a photograph of the front (a) and the back (b) of the hole after laser processing the wire according to one embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the results of measuring a non-contact hole Ic after processing a wire according to an embodiment of the present invention.
9 is a photograph of the front (a) and the back (b) of the filled hole according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing electromagnetic characteristics of a magnet manufactured according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing electromagnetic characteristics of a magnet manufactured according to a comparative example.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷을 구성하는 초전도 코일 부분을 예시적으로 도시한 도면이다. 1 is a view exemplarily showing a portion of a superconducting coil constituting a superconducting magnet according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 초전도 코일은 초전도 선재(100)가 소정 형상으로 적층 권선된 구조를 갖는다. 예시적으로, 고온초전도 코일은 싱글 팬케이크, 더블 패케이크, 레이스 트랙, 안장 등의 다양한 형상으로 구현될 수 있다.Referring to Figure 1, the superconducting coil has a structure in which the
본 발명에서 2세대 초전도 선재는 하부 금속부, 초전도층 및 상부 금속부를 포함한다. 예시적으로, 상기 초전도 선재는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. In the present invention, the second generation superconducting wire includes a lower metal portion, a superconducting layer, and an upper metal portion. For example, the superconducting wire may be implemented in various ways.
예컨대, 초전도 선재가 금속 기판, 완충층, 초전도층, 캡핑층 및 안정화층의 적층 구조를 가질 수 있고, 초전도부로 기능하는 초전도층을 중심으로 상부의 금속층들은 상부 금속부, 하부의 금속층들은 하부 금속부로 칭할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서 금속부는 하나의 단일의 금속층으로 구성될 수도 있고, 이와 달리 둘 이상의 복수의 금속층의 적층 구조로 구성될 수도 있다. 또, 상기 초전도층과 상기 기판과 같은 하부 금속부 사이에는 완충층과 같은 다른 층이 개재될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 상부 금속부와 하부 금속부는 선재 외곽을 따라 연결될 수 있음은 물론이다. For example, the superconducting wire material may have a stacked structure of a metal substrate, a buffer layer, a superconducting layer, a capping layer, and a stabilizing layer, and the upper metal layers may be upper metal portions, and lower metal layers may be lower metal portions, with the superconducting layer functioning as the superconducting portion. Can be called As such, in the present invention, the metal part may be composed of one single metal layer, or alternatively, may be composed of a stacked structure of two or more metal layers. In addition, another layer such as a buffer layer may be interposed between the superconducting layer and a lower metal portion such as the substrate. In addition, of course, in the present invention, the upper metal portion and the lower metal portion may be connected along the outer periphery of the wire.
상기 본 발명에서 초전도 선재로는 RABiTS(Rolling Assisted Bi-axially Textured Substrate) 기반 또는 IBAD(Ion Beam Assist Deposition) 기반 등의 2세대 초전도 선재가 사용될 수 있다. 예시적으로, 초전도 선재는 Ni 또는 Ni 합금 기판 상에 완충층, 초전도층 및 안정화층이 순차 형성된 구조를 갖는다. 완충층은 MgO, LMO, STO, ZrO2, CeO2, YSZ, Y2O3 및 HfO2로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질로 구성될 수 있으며, 초전도 제품의 용도 및 제조 방법에 따라 단일 층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 초전도층은 이트륨 원소 도는 희토류(RE; Rare Earth) 원소를 포함하는 초전도 물질로 구성될 수 있다. 예컨대 YBa2Cu3O7으로 대표되는 Y123 또는 RE123 초전도 물질이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 초전도층으로는 Bi계의 초전도 물질이 사용되어도 무방하다. 상기 안정화층은 금, 은, 백금 및 팔라듐 등과 같은 귀금속 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 금속 또는 그 금속의 합금층이나, 구리 또는 알루미늄과 같은 도전성 금속 또는 그 금속의 합금층을 포함하는 복층 구조로 구성될 수 있다. 또한, 부가적 또는 선택적으로, 상기 선재의 외곽은 도전성 라미네이션층에 의해 커버될 수 있다. 이 때, 상기 라미네이션층은 강성을 갖는 금속소재로 형성될 수 있다. 예컨대, 스테인레스 스틸, 브라스와 같은 구리 합금 또는 니켈 합금이 사용될 수 있다. In the present invention, a second-generation superconducting wire such as RABiTS (Rolling Assisted Bi-axially Textured Substrate) or IBAD (Ion Beam Assist Deposition) may be used as the superconducting wire. For example, the superconducting wire has a structure in which a buffer layer, a superconducting layer, and a stabilizing layer are sequentially formed on a Ni or Ni alloy substrate. The buffer layer may be composed of at least one material selected from the group consisting of MgO, LMO, STO, ZrO 2 , CeO 2 , YSZ, Y 2 O 3 and HfO 2 , and a single layer according to the use and manufacturing method of the superconducting product Or it may be formed in multiple layers. In addition, the superconducting layer may be formed of a superconducting material including an yttrium element or a rare earth (RE) element. For example, Y123 or RE123 superconducting material represented by YBa 2 Cu 3 O 7 may be used. In addition, a Bi-based superconducting material may be used as the superconducting layer of the present invention. The stabilizing layer is composed of at least one metal selected from the group of precious metals such as gold, silver, platinum and palladium, or an alloy layer of the metal, or a multilayer structure including a conductive metal such as copper or aluminum or an alloy layer of the metal Can be. In addition, additionally or alternatively, the outer periphery of the wire can be covered by a conductive lamination layer. At this time, the lamination layer may be formed of a metal material having rigidity. For example, stainless steel, copper alloys such as brass, or nickel alloys can be used.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일의 A-A' 방향을 따라 절단한 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다. 2 is a view schematically showing a cross-sectional structure cut along the A-A' direction of a superconducting coil according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 초전도 코일은 복수의 초전도 선재(110-1. 110-2, 110-3)가 적층된 구조를 갖는다. 각 초전도 선재는 상부 금속부(112), 초전도층(114) 및 하부 금속부(116)를 구비하고 있다. 물론, 상기 초전도층(114) 및 하부 금속부(116) 사이에는 하나 이상의 완충층이 개재될 수 있으나, 도시 편의상 생략한다. 2, the superconducting coil has a structure in which a plurality of superconducting wires 110-1.110-2 and 110-3 are stacked. Each superconducting wire has an
도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 초전도 선재(110-1, 110-2, 110-3)에는 각 층의 적층면에 수직 방향(즉 적층 방향)으로 초전도층(114)를 관통하는 복수의 수직 채널(120)이 형성되어 있다. 상기 채널(120)은 상부 금속부(112)와 하부 금속부(116)를 결합한다. 하지만, 상기 채널(120)은 초전도 선재 내에 국한되며, 인접하는 초전도 선재로 연장되지 않는다. As shown, the superconducting wire 110 (110-1, 110-2, 110-3) according to an embodiment of the present invention is a superconducting layer 114 in the vertical direction (that is, the lamination direction) on the lamination surface of each layer. A plurality of
도시된 바와 같이, 상기 초전도 코일에서 하나의 초전도 선재(110-1)의 하부 금속부와 인접하는 초전도 선재(110-2) 상부 금속부 사이에는 개재층(130)이 도입될 수 있다. 상기 개재층(130)은 예시적으로 메탈 인슐레이션층일 수 있다. 여기서 메탈 인슐레이션이란 초전도부에 비해 높은 저항을 갖는 금속으로 초전도 사이를 인슐레이션하는 것을 말하는데, 이 층은 초전도부에 비해서는 매우 높은 저항값을 나타내므로 초전도 상태에서 선재를 실질적으로 절연하는 역할을 수행하며, 전도성 재질이고 초전도 선재 간의 접촉 개선하는 재질을 사용함으로써 ?치 발생 시 ?치 전류가 인접하는 초전도 선재로 우회할 수 있게 한다. 본 발명에서 권선의 턴(turn)을 구성하는 인접하는 초전도 선재의 채널(120)은 상기 개재층(130)을 통하여 서로 전기적으로 연결된다. As illustrated, an
예컨대, 상기 메탈 인슐레이션층으로는 초전도 선재를 구성하는 Ag 또는 Cu 금속 보다 높은 저항을 갖는 금속 예컨대 브라스(Brass), 스테인레스 스틸(SUS), 하스텔로이(Hastelloy) 등과 같은 구리 합금 또는 니켈 합금이 사용될 수 있다.For example, a metal having a higher resistance than Ag or Cu metal constituting a superconducting wire may be used as the metal insulation layer, for example, a copper alloy such as brass, stainless steel (SUS), or hastelloy, or a nickel alloy. have.
또한 상기 개재층(130)으로는 V2O3, NdNiO3와 같은 금속-절연체 전이 물질(Metal-Insulation Transition Material; 이하 MIT) 물질층이 사용될 수도 있다.또한, 본 발명은 개재층(130) 없이 인접하는 초전도 선재가 직접 접촉하도록 설계될 수도 있음은 물론이다. In addition, a metal-insulation transition material (hereinafter referred to as MIT) material layer such as V 2 O 3 and NdNiO 3 may be used as the intervening
또한, 전술한 개재층은 초전도 선재의 제조 시 함께 부가될 수도 있으나, 초전도 마그넷의 권선 시 부가되어 함께 권선(co-winding) 될 수도 있다. In addition, the above-described intervening layer may be added together during the manufacture of the superconducting wire, but may also be added together during the winding of the superconducting magnet and co-winding together.
도면에는 상기 복수의 채널(120)은 초전도 선재의 각 층을 모두 관통하는 것으로 도시되어 있지만, 이것은 본 발명의 일구현 예에 불과하며 다양한 변형이 가능하다.In the drawing, the plurality of
상기 채널(120)은 상기 초전도층(114)을 관통하여 상부 금속부(112) 및 상기 하부 금속부(116)를 연결한다. 상기 채널(120)은 상기 상부 금속부(112)와 상기 하부 금속부(116)를 기계적, 전기적 및/또는 열적으로 견고히 결합할 수 있다. 나아가, 상기 채널(120)은 적층 구조를 구성하는 각 층을 기계적, 전기적 및/또는 열적으로 견고히 결합할 수 있다.The
보다 구체적으로 상기 채널(120)은 상기 상부 금속부(112) 및 상기 하부 금속부(116)과 양호한 접합성을 가질 수 있다. 예컨대, 상부 금속부(112) 및 상기 하부 금속부(116)의 용접에 적합한 재료들이 본 실시예의 채널의 구성 물질이 될 수 있다. 또한 부가적으로 상기 채널은 기계적 강성을 갖는 것이 바람직하다. 예컨대, 은이나 구리와 같은 단일 조성의 금속이나 금속 합금으로 구성되는 것이 바람직하다. 납 합금과 같은 강성을 갖는 재료도 본 발명의 채널에 적합함은 물론이다. More specifically, the
또한 본 발명에서 상기 채널(120)은 금속-절연체 전이 물질(Metal-Insulation Transition Material; 이하 MIT)을 포함하여 구현될 수 있다. MIT는 통상적으로 소정 온도(전이온도; Transition Temperature) 미만에서는 낮은 전기 전도도를 가져 절연체로 거동하지만 전이 온도 이상에서 전기 전도도(electrical conductivity)의 급격한 증가를 나타내는 물질을 말한다. 본 발명의 명세서에서도 MIT는 그 용어의 통상적인 용법과 실질적으로 동일한 의미로 사용된다. 다만, 본 발명에서 적합한 MIT는 초전도 선재의 임계 온도 이상의 전이온도를 가지고 전이온도를 포함하는 구간 전후의 전기 전도도 비율이 바람직하게는 103 이상 더욱 바람직하게는 105 이상인 것이 좋다. 본 발명에서 상기 MIT는 초전도층에 사용되는 초전도 물질의 임계온도 이상인 전이 온도를 가진다. 바람직하게는 MIT의 전이 온도는 초전도 물질의 임계온도 + 120 K 미만, 더 바람직하게는 임계온도 + 100 K 미만, 더욱 바람직하게는 임계온도 + 50 K 미만인 것이 좋다. 또, ?치 발생시 코일의 번 아웃을 유발할 정도의 높은 열이 발생하는 점을 고려하면, 본 발명에서 사용 가능한 MIT의 전이 온도는 상온 부근 이어도 무방하다. 물론, 상기 MIT의 전이온도는 초전도 물질의 임계온도 이상일 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 적합한 예시적인 MIT 물질로는 바나듐 산화물(Vanadium Oxide) 또는 NdNiO3을 들 수 있다. 상기 바나듐 산화물 중 V2O5 상의 경우 전형적인 절연체로 구분되지만, VO, VO2, VnO2n -1(여기서 n=2~9) 조성의 바나듐 산화물은 전이 온도를 가지며 전기적으로 금속-절연체 전이 특성을 나타낸다. In addition, in the present invention, the
또한, 본 발명에서 상기 초전도 선재의 극저온의 동작 환경을 고려하면, 열팽창율은 채널의 후보 물질의 선정 시 주요한 고려 요인이 될 수 있다. 통상의 금속 또는 금속 합금은 초전도층에 비하여 높은 열팽창율을 가지며 본 발명에서 채널의 후보가 될 수 있다. 예컨대, 금속 또는 금속 합금으로 된 채널은 적절히 선택되는 경우 냉각 시 상기 금속 기판(110) 및 안정화층(140) 사이에 잔류 압축 응력을 형성하도록 할 수 있다. In addition, in the present invention, considering the ultra-low temperature operating environment of the superconducting wire, the thermal expansion coefficient may be a major consideration factor when selecting a candidate material for the channel. Conventional metals or metal alloys have a higher coefficient of thermal expansion than the superconducting layer and can be a channel candidate in the present invention. For example, a channel made of a metal or a metal alloy can be formed to form a residual compressive stress between the
본 발명에서 상기 채널의 형성에는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예컨대, 초전도 선재의 적층 구조를 완성한 후 통상의 홈 가공 및 통상의 증착법으로 채널을 형성할 수 있을 것이다. 이와 달리, 선재의 적층 구조 일부를 형성한 후 홈 가공 및 증착법이 적용될 수도 있다. 홈 가공으로는 레이저 천공 등의 가공법이 적용될 수 있다. 증착법으로는 전기도금, 무전해 도금, 물리기상 증착, 화학기상 증착 등 다양한 증착법이 적용될 수 있다. Various methods can be used to form the channel in the present invention. For example, after completing the superconducting wire-laminated structure, the channel may be formed by conventional groove processing and conventional deposition methods. Alternatively, a groove processing and a deposition method may be applied after forming a part of the laminated structure of the wire rod. As the groove processing, a processing method such as laser drilling may be applied. Various vapor deposition methods such as electroplating, electroless plating, physical vapor deposition, and chemical vapor deposition can be applied.
<실험예 1 : 초전도 선재의 관통 홀 형성><Experimental Example 1: Formation of through hole of superconducting wire>
상하이슈퍼컨덕터사(Shanghai Superconductor)의 제품 번호 ST1805-08의 초전도 선재를 사용하였다. 선재의 사양은 다음과 같다.The superconducting wire of product number ST1805-08 of Shanghai Superconductor was used. The specifications of the wire rod are as follows.
- 임계전류 (Ic): 128~140A/4mm width, -Critical current (Ic): 128~140A/4mm width,
- 선재 폭: 4mm -Wire width: 4mm
-선재 두께: 총∼95㎛ (기판=60㎛, 구리=15㎛)-Wire thickness: Total ~95㎛ (substrate = 60㎛, copper = 15㎛)
도 3에 도시된 바와 같이 초전도 선재를 나노초 레이저(Nano-second laser)로 소정 직경과 소정 간격(a)의 관통 홀을 소정 간격으로 가공하였다. 관통홀은 선재의 길이 방향(longitudinal direction)으로 3열을 형성하였고, 폭 방향 열의 개수는 선재 폭에 맞추어 달리하였다. 아래 표 1에 제조된 각 선재 샘플의 홀의 직경 및 홀 간격을 정리하여 나타내었다. As shown in Figure 3, the superconducting wire was processed through a nano-second laser through a predetermined diameter and a predetermined distance (a) through hole at a predetermined interval. The through-holes formed three rows in the longitudinal direction of the wire, and the number of rows in the width direction was varied according to the width of the wire. Table 1 below shows the diameters and hole spacings of the holes of each wire sample prepared.
표 1에 나열된 선재의 임계 전류값을 측정하였다. 임계전류값은 소정 간격으로 가공된 관통홀들을 중심으로 양쪽에 전압을 측정할 수 있는 전압탭과 그 전압탭을 중심으로 양쪽에 전류를 인가할 수 있는 전압탭을 구성하고 일반적인 4단자법으로 측정하였다.The critical current values of the wire rods listed in Table 1 were measured. The threshold current value consists of a voltage tap capable of measuring voltage on both sides centered on through-holes processed at predetermined intervals, and a voltage tap capable of applying current to both sides around the voltage tap, and is measured by a general four-terminal method. Did.
도 4는 직경 100 ㎛인 선재 샘플(#1~#5)의 임계 전류값(Ic) 측정 결과를 플롯한 그래프이다. 비교를 위하여 각 선재의 관통 홀 천공 전 임계전류값(Ic0)을 함께 나타내었다.4 is a graph plotting the results of measuring the critical current value (I c ) of
도 4를 참조하면, 홀 간격 500 ㎛ 이상인 선재 샘플 #1~#3의 경우 천공 후에도 임계전류값의 열화가 거의 관찰되지 않음을 알 수 있다. 하지만, 250 ㎛ 이하의 선재 샘플에서는 임계전류값의 열화가 관찰된다.Referring to FIG. 4, it can be seen that in the case of wire samples #1 to #3 having a hole spacing of 500 μm or more, deterioration of the critical current value was hardly observed even after drilling. However, deterioration of the critical current value is observed in a wire rod sample of 250 μm or less.
도 5는 직경 50 ㎛인 선재 샘플(#6~#10)의 임계 전류값(Ic) 측정 결과를 플롯한 그래프이다. 비교를 위하여 각 선재의 관통 홀 천공 전 임계전류값(Ic0)을 함께 나타내었다.5 is a graph plotting the results of measuring the critical current value (I c ) of
마찬가지로, 250 ㎛ 이하인 선재 샘플(#8~#10)에서 임계전류값의 열화가 관찰됨을 알 수 있다. Likewise, it can be seen that deterioration of the critical current value is observed in the wire rod samples (#8 to #10) of 250 μm or less.
위 실험 결과로부터 관통 홀의 직경 50~100 ㎛ 범위에서, 홀 간격이 500 ㎛ 이상인 경우 관통 가공이 초전도 선재의 임계전류값의 열화를 가져오지 않음을 알 수 있다. 관통 홀의 직경과 관통 홀 간격은 초전도 선재의 임계전류값, 채널에 의한 ?치 특성 및 관통 홀의 충진 후의 초전도 선재의 기계적 강도에 영향을 미칠 수 있다. 예시적으로, 넓은 홀 간격 및 좁은 홀 직경은 임계전류값의 열화를 억제할 수 있지만, 채널 전도에 의한 ?치 억제 효과와 초전도 선재의 강도 보완 효과는 미미하게 된다. 전술한 적절한 범위의 관통홀 직경 및 간격은 임계전류값의 변화를 초래하지 않으면서 채널에 의한 초전도 코일의 ?치 특성 및 기계적 특성을 보완할 수 있다. From the results of the above experiment, it can be seen that in the range of the diameter of the through-holes of 50 to 100 μm, when the hole spacing is 500 μm or more, the through-processing does not deteriorate the critical current value of the superconducting wire. The diameter of the through-holes and the through-hole spacing can affect the critical current value of the superconducting wire, the channel characteristic and the mechanical strength of the superconducting wire after filling the through hole. Exemplarily, the wide hole spacing and the narrow hole diameter can suppress the deterioration of the critical current value, but the effect of suppressing the value due to channel conduction and the effect of complementing the strength of the superconducting wire are negligible. The through-hole diameters and spacings of the appropriate ranges described above can complement the quench and mechanical properties of the superconducting coil by the channel without causing a change in the critical current value.
<실험예2 : 초전도 선재 내부 채널 형성><Experimental Example 2: Superconducting wire internal channel formation>
상하이슈퍼컨덕터사(Shanghai Superconductor)의 4mm width에서 임계전류 ~160A인 초전도도 선재 34m를 사용하였다. 선재의 사양은 다음과 같다. A 34m superconducting wire with a critical current of ~160A was used at a 4mm width of Shanghai Superconductor. The specifications of the wire rod are as follows.
-임계전류 (Ic): ~160A/4mm width, -Threshold current (Ic): ~160A/4mm width,
-선재 폭: 4mm -Wire width: 4mm
-선재 두께: 총~95㎛ (기판=60㎛, 구리=15㎛)-Wire thickness: Total ~95㎛ (substrate = 60㎛, copper = 15㎛)
초전도 선재를 나노초 레이저(Nano-second laser)로 직경 약 100㎛ 관통 홀 가공을 하였다. 가공된 선재의 길이와 관통 홀 패턴을 도 6에 나타내었다. The superconducting wire was processed through a nano-second laser with a diameter of about 100 μm through hole. 6 shows the length and through-hole pattern of the processed wire rod.
도 7은 선재를 레이저 가공한 후 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이고, 도 8은 선재를 레이저 가공한 후 비접촉 홀 Ic 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8로부터 홀 가공 공정을 거치더라도 Ic 감소가 없음을 확인할 수 있었다.7 is a photograph of the front (a) and the back (b) of the hole after laser processing the wire rod, and FIG. 8 is a graph showing the results of measuring the non-contact hole Ic after laser processing the wire rod. It was confirmed from FIG. 8 that there was no decrease in Ic even through the hole processing process.
이어서, 초전도 선재에 형성된 채널 홀을 충진 하였다. 42Sn/58Bi 조성의 상품명 DS-0201LF인 크림 솔더로 홀을 충진하고 핫 플레이트에서 150 ℃의 온도로 가열하여 솔더링을 완료하였다.Subsequently, the channel hole formed in the superconducting wire was filled. A hole was filled with a cream solder having a trade name of DSS0201LF with a composition of 42Sn/58Bi, and heating was performed at a temperature of 150°C on a hot plate to complete soldering.
도 9는 충진된 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이다. 도 9로부터 솔더에 의해 채널 홀이 완전히 충진됨을 알 수 있다. 충진된 홀의 선재에 대한 비접촉 홀 Ic 측정 결과도 도 8과 같이 비슷하여 Ic 감소가 없음을 확인할 수 있었고, 이에 대한 그래프는 생략하였다.9 is a photograph of the front (a) and rear (b) of the filled hole. It can be seen from FIG. 9 that the channel hole is completely filled by the solder. The measurement results of the non-contact hole Ic for the wire rod of the filled hole were similar to that in FIG. 8, and thus there was no decrease in Ic, and the graph for this was omitted.
<실시 예: 초전도 마그넷의 제조><Example: Preparation of superconducting magnet>
위 실험예에서 제조된 채널을 구비한 초전도 선재를 권선하였다. 권선 방식은 브라스(Brass) 테이프를 초전도 선재와 함께 권선하는 메탈 인슐레이션(metal insulation)으로 하였다. 브라스 테이프는 폭이 4.3mm이고, 두께가 약 0.145mm인 것을 사용하였다.The superconducting wire having a channel prepared in the above experimental example was wound. The winding method was a metal insulation in which brass tape was wound together with a superconducting wire. For the brass tape, a width of 4.3 mm and a thickness of about 0.145 mm were used.
코일 권선 조건은 다음과 같다.The coil winding conditions are as follows.
- 보빈 크기: 내경 64mm, 외경 80mm- Bobbin size: inner diameter 64mm, outer diameter 80mm
- 권선 코일 크기: 내경=64mm, 외경=104mm- Winding coil size: inner diameter=64mm, outer diameter=104mm
- 권선된 초전도 선재 길이 = 14.45m- Winding superconducting wire length = 14.45m
- 턴수: 50- Turns: 50
- 1개 층의 권선 두께: 0.24mm (고온초전도선 두께 + 브라스 테이프 두께 = 95um+145um)- Winding thickness of one layer: 0.24mm (high temperature superconducting wire thickness + brass tape thickness = 95um+145um)
이상과 같이 코일을 준비하고, 지그에 코일을 고정하고 전압 탭 및 전류 리드를 연결하여 마그넷을 제조하고, 코일의 중앙에 자장 센서를 설치하였다. As described above, the coil was prepared, the coil was fixed to the jig, a magnet was manufactured by connecting a voltage tap and a current lead, and a magnetic field sensor was installed at the center of the coil.
제조된 마그넷을 액체 질소에 담가 냉각하고, 마그넷의 전자기적 특성을 측정하였다. 구체적인 측정 조건은 다음과 같다.The prepared magnet was immersed in liquid nitrogen to cool, and the electromagnetic properties of the magnet were measured. The specific measurement conditions are as follows.
- 탭 길이(Tap length): 14.45 m- Tap length: 14.45 m
- Ic 규정 전압: 1.445 mV- Ic regulated voltage: 1.445 mV
- Ramping rate : 1A/sec- Ramping rate: 1A/sec
본 발명과 비교를 위하여 마이크로 채널이 형성되지 않은 초전도 선재와 브라스 테이프를 사용하여 실시예와 동일한 방식으로 메탈 인슐레이션 권선하여 비교예의 마그넷을 제조하였다. 권선된 마그넷의 전자기적 특성을 측정하였다. For comparison with the present invention, the magnet of the comparative example was manufactured by winding the metal insulation in the same manner as in the example using a superconducting wire having no micro-channel and a brass tape. The electromagnetic properties of the wound magnet were measured.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이고, 도 11은 비교예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이다. 10 is a graph showing the electromagnetic characteristics of a magnet manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a graph showing the electromagnetic characteristics of a magnet manufactured according to a comparative example.
실시예 및 비교예의 두 마그넷은 크기를 비롯한 외형이 모두 동일하며, 코일의 임계전류도 모두 100A로 동일하다. 도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이, 코일 중심에 위치한 자장 센서로부터의 자장값을 비교했을 때, 두 자석은 코일 임계전류인 100A까지의 정상 상태까지는 매우 동일한 코일 특성을 보이고 있다. Both magnets of the examples and comparative examples have the same appearance including size, and the critical currents of the coils are all equal to 100A. 10 and 11, when comparing the magnetic field values from the magnetic field sensor located at the center of the coil, the two magnets show very same coil characteristics until the steady state up to 100A, which is the coil critical current.
이와 같은 마그넷에서는 입력 전류가 증가하여 입력 전류가 100A가 되었을 때, 가장 강한 자장을 경험하는 코일의 내측에서 ?치가 발생하게 된다.In such a magnet, when the input current increases and the input current reaches 100A, a? Value is generated inside the coil experiencing the strongest magnetic field.
이때, 종래의 고온초전도 자석(비교 예)의 경우 코일 안쪽에서 분류가 일어나지만 액체 질소에 의한 냉각으로 안쪽 일부 턴 까지만 전파되고 그 외 턴까지 전파되지 않고 그대로 동작되고 있기 때문에 자장값이 감소하다가 유지되었다.At this time, in the case of the conventional high-temperature superconducting magnet (comparative example), the classification occurs inside the coil, but the magnetic field value decreases and maintains because it cools with liquid nitrogen and propagates only up to a few turns inside, and does not propagate until other turns. Became.
그러나 실시예의 마이크로 금속 채널이 형성된 고온초전도 자석의 경우 코일 임계전류인 100A에서 ?치가 코일 안쪽에서 시작되어 마이크로 금속 채널을 통해 턴과 턴을 관통하여 급속히 외각의 턴까지 전파되었다. 이는 중심 자장값이 ?치 발생 후 급격하게 감소하여 거의 사라지는 것으로부터 확인할 수 있다.However, in the case of the high-temperature superconducting magnet in which the micro-metal channel of the embodiment is formed, the? Value starts from inside the coil at the coil critical current of 100A and penetrates through the turn and turn through the micro-metal channel and rapidly propagates to the outer turns. This can be confirmed from the fact that the central magnetic field value decreases rapidly after the occurrence of? Value and almost disappears.
이와 같이, 마이크로 금속 채널이 형성된 고온초전도 자석은 ?치 후 급속한 ?치 에너지를 분산시킴으로 고온초전도 자석을 안전하게 보호하게 되며, 특히 전도 냉각과 같이 냉각 효율이 좋지 못한 상황에서는 고온초전도 자석을 보호하는 데에 매우 효과적이다.In this way, the high-temperature superconducting magnet with a micro-metal channel is secured to protect the high-temperature superconducting magnet by dispersing rapid ?-value energy after quenching, and in particular, in the case of poor cooling efficiency such as conduction cooling, It is very effective.
또한, 본 발명에서 초전도 선재의 적층 구조는 부가적인 층구조를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 안정화층 또는 라미네이션층 외곽과 같이 인접하는 선재 간의 접촉 지점에는 전도성 폴리머층 예컨대 전도성 에폭시와 같은 층이 부가될 수 있다. 부가된 층은 적층 구조의 접촉 저항을 조절에 사용될 수 있다. In addition, in the present invention, the laminated structure of the superconducting wire may further include an additional layer structure. For example, a conductive polymer layer such as a conductive epoxy layer may be added to a contact point between adjacent wires, such as a stabilization layer or a lamination layer exterior. The added layer can be used to control the contact resistance of the laminated structure.
100
초전도 코일
110, 110-1, 110-2, 110-3
초전도 선재
112
상부 금속부
114
초전도층
116
하부 금속부
120
마이크로 채널
130
개재층100 superconducting coil
110, 110-1, 110-2, 110-3 superconducting wire
112 Upper metal part
114 Superconducting layer
116 Lower metal part
120 micro channel
130 intermediaries
Claims (14)
상기 초전도 코일은 상기 초전도 선재의 초전도층을 적층 방향으로 관통하여 인접하는 초전도 선재와 전기적으로 연결하기 위한 복수의 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.In the high-temperature superconducting coil is laminated in a high-temperature superconducting wire extending in the longitudinal direction in a predetermined width and including a superconducting layer and an upper metal portion and a lower metal portion on the upper portion of the superconducting layer,
The superconducting coil is characterized in that it comprises a plurality of channels for electrically connecting to adjacent superconducting wires through the superconducting layer of the superconducting wire in the stacking direction.
상기 초전도 코일은 인접하는 두 초전도 선재의 금속부가 직접 접촉 상태인 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
The superconducting coil is a superconducting coil, characterized in that the metal parts of two adjacent superconducting wires are in direct contact.
상기 초전도 코일의 인접하는 두 초전도 선재 사이에 메탈 인슐레이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
And a metal insulation layer between two adjacent superconducting wires of the superconducting coil.
상기 전도성 채널은 전도성 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
The conductive channel is formed of a conductive metal superconducting coil.
상기 전도성 채널은 솔더를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. According to claim 4,
The conductive channel is a superconducting coil, characterized in that it comprises a solder.
상기 전도성 채널은 도금층인 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
The conductive channel is a superconducting coil, characterized in that the plating layer.
상기 전도성 채널은 도금층과 솔더를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
The conductive channel is a superconducting coil, characterized in that it comprises a plating layer and solder.
상기 전도성 채널은 금속 페이스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
The conductive channel is a superconducting coil, characterized in that it comprises a metal paste.
상기 전도성 채널은 금속절연전이(MIT) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
The conductive channel is a superconducting coil, characterized in that it comprises a metal insulating transition (MIT) material.
상기 초전도 코일의 인접하는 두 초전도 선재 사이에 금속-절연체 전이 물질(Metal-Insulation Transition Material; 이하 MIT) 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
A superconducting coil, further comprising a metal-insulation transition material (MIT) material layer between two adjacent superconducting wires of the superconducting coil.
상기 초전도 코일의 인접하는 두 초전도 선재 사이에 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
The superconducting coil further comprises an insulating layer between two adjacent superconducting wires of the superconducting coil.
상기 초전도 선재의 초전도층과 하부 금속부 사이에는 완충층을 포함하고, 상기 채널은 상기 초전도층과 상기 완충층을 관통하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
And a buffer layer between the superconducting layer and the lower metal portion of the superconducting wire, and the channel penetrates the superconducting layer and the buffer layer.
상기 복수의 채널들 사이의 간격은 500 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 초전도 코일.According to claim 1,
Superconducting coil, characterized in that the gap between the plurality of channels is 500 ㎛ or more.
상기 복수의 채널들은 직경이 50 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 초전도 코일.The method of claim 13,
The plurality of channels are superconducting coils, characterized in that the diameter of 50 ㎛ or more.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/KR2019/017781 WO2020130522A1 (en) | 2018-12-18 | 2019-12-16 | High temperature superconductive magnet comprising micro-vertical channels |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200075753A true KR20200075753A (en) | 2020-06-26 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190165474A KR20200075753A (en) | 2018-12-18 | 2019-12-12 | High Temperature Superconductor Magnet With Micro Vertical Channel |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200075753A (en) |
-
2019
- 2019-12-12 KR KR1020190165474A patent/KR20200075753A/en not_active Application Discontinuation
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