KR101605072B1 - 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석 - Google Patents

양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 고온초전도 선재와, 상기 고온초전도 선재의 양단부에 결합된 한 쌍의 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드에 있어서, 한 쌍의 상기 단자는, 알루미늄 소재로 이루어진 단자본체와; 상기 단자본체의 일면에서 상기 고온초전도 선재와 결합하는 영역에 형성된 도금층과; 상기 도금층 이외의 상기 단자본체의 표면을 양극산화시켜 산화알루미늄으로 이루어진 양극산화층을 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 양극산화된 단자를 포함하는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석은, 알루미늄으로 이루어진 단자본체를 양극산화시켜 형성된 양극산화층을 통해 단자의 전기전도도 감소 및 열전도도 증가를 가능한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 단자본체를 알루미늄 소재를 채택하여 제조비용이 감소되며, 양극산화층 및 도금층을 조립시 손상을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석 {High temperature superconducting current lead having a terminal that has been anodized and superconducting magnet including thereof}
본 발명은 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄으로 이루어진 단자본체를 양극산화시켜 형성된 전기전도도 감소 및 열전도도 증가를 가능하게 하는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석에 관한 것이다.
고온초전도 자석(High temperature superconducting magnet)은 고온초전도 선재를 여러 겹으로 감은 초전도 코일을 포함하고 있으며 초전도 코일을 초저온 환경에 배치하면 전기저항이 0이 되는 초전도 상태가 되며, 이로 인해 전기의 손실이 없어 안정된 고자장을 발생시킬 수 있다. 이러한 초전도 자석은 사용자의 편리를 위해서 냉동기로 초전도 자석 내의 초전도 코일을 냉각하는 전도냉각형 초전도 자석이 보편화되고 있다.
초전도 자석은 외부 전원으로부터 초전도 자석에 전류를 공급할 때 초전도 자석으로의 열침입을 최소화하기 위해 고온초전도 전류 리드(High temperature superconducting current lead)가 사용된다. 고온초전도 전류 리드는 고온초전도 선재와 터미널 단자로 구성되며, 고온초전도 전류 리드의 냉각을 위하여 터미널 단자의 한쪽 면에 냉동기가 연결된다. 또한 고온초전도 전류 리드에 전류가 전송되기 때문에 터미널 단자와 냉동기는 전기적으로 절연되면서 동시에 열전달이 우수하여야 한다.
하지만 종래의 고온초전도 전류 리드용 터미널 단자는 고가의 무산소 구리를 사용하고, 열저항을 줄이면서 우수한 전기절연을 위해 얇은 폴리이미드 테이프(Polyimide tape)를 터미널 단자와 터미널 블록 사이에 삽입한 후 이를 조립하기 때문에 폴리이미드 테이프가 찢어지기 쉬워 절연사고의 가능성이 높았다. 또한 이를 보완하고자 열전도도 및 전기절연성이 우수한 질화알루미늄(Aluminum Nitride, AlN) 판을 고온초전도 전류 리드 단자와 터미널 블럭 사이에 삽입하여 조립하는 방법이 대안으로 사용되고 있으나, 질화알루미늄의 기계적 강도가 약해서 조립시 깨질 우려가 높아 취급이 어렵다는 단점이 있다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1091194호 대한민국특허청 등록특허 제10-1034893호
따라서 본 발명의 목적은, 알루미늄으로 이루어진 단자본체를 양극산화시켜 형성된 양극산화층을 통해 단자의 전기전도도 감소 및 열전도도 증가를 가능하게 하는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석을 제공하는 것이다.
또한, 단자본체를 알루미늄 소재를 채택하여 제조비용이 감소되며, 양극산화층 및 도금층을 조립시 손상을 방지할 수 있는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 고온초전도 선재와, 상기 고온초전도 선재의 양단부에 결합된 한 쌍의 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드에 있어서, 한 쌍의 상기 단자는, 알루미늄 소재로 이루어진 단자본체와; 상기 단자본체의 일면에서 상기 고온초전도 선재와 결합하는 영역에 형성된 도금층과; 상기 도금층 이외의 상기 단자본체의 표면을 양극산화시켜 산화알루미늄으로 이루어진 양극산화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드에 의해 달성된다.
여기서, 상기 도금층은 금(Gold), 은(Silver), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 티타늄(Titanum), 텅스텐(Tungsten) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 도금층은 상기 단자본체로부터 상기 고온초전도 선재의 두께 이상으로 함몰된 것이 바람직하다.
상기 고온초전도 선재는 초전도층-완충층-금속기판이 순차적으로 적층 형성되며, 상기 고온초전도 선재에서 상기 초전도층이 상기 도금층에 근접하도록 상기 도금층에 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도금층 및 상기 단자본체는 볼트-너트 조립 방법을 통해 결합되는 것이 바람직하며, 상기 양극산화층은 전해질 내에서 2 내지 5A의 전류를 가해 생성되는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 초전도 코일과, 상기 초전도 코일과 냉각기를 연결하는 초전도 전류 리드를 포함하는 초전도 자석에 있어서, 상기 전류리드는, 고온 초전도 선재와; 상기 고온 초전도 선재의 양단부에 결합되며 알루미늄 소재로 이루어진 단자본체와, 상기 단자본체의 일면에서 상기 고온초전도 선재와 결합하는 영역에 형성된 도금층과, 상기 도금층 이외의 상기 단자본체의 표면을 양극산화시켜 산화알루미늄으로 이루어진 양극산화층을 갖는 한 쌍의 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석에 의해서도 달성된다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석은, 알루미늄으로 이루어진 단자본체를 양극산화시켜 형성된 양극산화층을 통해 단자의 전기전도도 감소 및 열전도도 증가를 가능한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 단자본체를 알루미늄 소재를 채택하여 제조비용이 감소되며, 양극산화층 및 도금층을 조립시 손상을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 자석의 사시도이고,
도 2는 전류 리드의 사시도이고,
도 3 및 도 4는 단자의 사시도 및 단면도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드 및 전류 리드를 포함하는 초전도 자석을 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 초전도 자석(10)은 내부에 코일보빈(100)과, 코일보빈(100)에 권선된 초전도 코일(300)과, 초전도 코일(300)과 외부의 냉동기(30)를 연결하는 전류 리드(500)를 포함한다. 초전도 자석(10)은 극저온 상태에서 저항이 0이 되기 때문에 냉동기(30)를 통해 초전도 코일(300)을 극저온 상태로 만들며, 따라서 전류 리드(500)를 이용하여 냉동기(30)와 초전도 코일(300)을 연결시켜 냉동기(30)로부터 초전도 코일(300)로의 열을 전달한다.
전류 리드는 도 2에 도시된 바와 같이 고온초전도 선재(510)와, 고온 초전도 선재(510)의 양단부에 결합된 한 쌍의 단자(530)로 이루어진다.
고온초전도 선재(510)는 두께가 얇고 긴 테이프 형상으로 이루어지며, 극저온에서 저항이 0인 상태로 전류가 흐른다. 여기서 고온초전도 선재(510)는 기판과 초전도층이 포함된 2세대 초전도 선재로, 초전도층-완충층-금속기판이 순차적으로 적층된 일반적인 2세대 초전도 선재를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 고온 초전도 선재(510)는 상기 초전도층이 하부에 배치되어 고온 초전도선재의 하부에 위치되는 도금층(533)과 결합한다.
고온초전도 선재(510)의 양단부에 각각 결합되는 한 쌍의 단자(530)는 단자본체(531), 도금층(533) 및 양극산화층(535)으로 이루어진다. 양단부의 단자(530)에서 일단부는 초전도 코일(300)에 장착되고, 타단부의 단자(530)는 냉동기(30)에 장착되어 냉동기(30)의 열을 고온초전도 선재(531)를 지나 초전도 코일(300)에 전달되도록 한다.
단자본체(531)는 알루미늄 소재로 구성된다. 종래에는 알루미늄이 아닌 구리를 사용하였는데, 구리는 전기전도도 및 열전도도가 우수하나 가격이 알루미늄에 비해 높아 전류 리드(500)의 단가가 증가하는 단점이 있었다. 이를 해결하기 위해 단가가 낮은 알루미늄 소재를 단자본체(531)의 소재로 채택한다.
단자본체(531)의 일면에는 도금층(533)이 형성되며, 도금층(533)은 고온초전도 선재(510)와 접촉 및 결합된다. 종래에는 폴리이미드 테이프를 사용하였으나, 폴리이미드 테이프는 열전달 성능이 좋지 못하며, 내구성이 약해 고온초전도 선재(510)와 단자를 결합할 때 찢어지는 문제점이 있었다. 하지만 본 발명의 도금층(533) 및 단자본체(531)는 폴리이미드 테이프보다 견고하기 때문에 볼트-너트 조립 또는 납땜과 같은 결합 방법을 제한 없이 이용 가능하다.
도금층(533)은 단자본체(531)로부터 일정 두께만큼 함몰된다. 도금층(533)은 고온초전도 선재(510)와 접촉 및 결합되기 때문에 고온초전도 선재(510)의 두께만큼 함몰되도록 하여 전류 리드(500)의 부피를 감소시키며, 고온초전도 선재(510)가 주위의 기기들과의 마찰로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
여기서 도금층(533)은 금(Gold), 은(Silver), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 티타늄(Titanum), 텅스텐(Tungsten) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
단자본체(531)에서 도금층(533)이 형성된 영역을 제외한 영역에는 양극산화층(535)이 형성된다. 양극산화층(535)의 형성은 알루미늄 소재로 이루어진 단자본체(531)를 전해액에 침지한 후, 전극을 이용하여 전해액에 전기를 가하여 단자본체(531)의 표면을 양극산화시켜 형성된다. 이를 통해 단자본체(531)의 표면엔 산화알루미늄으로 형성된 양극산화층(535)이 생성된다. 양극산화층(535)은 열전도도는 우수하나 도전성은 약하기 때문에 냉동기를 통한 열전도는 증가시키며, 전기전도는 차단하기 때문에 전류 리드(500)의 단자에 사용하기 적합하다. 양극산화층(535)은 도전성이 약하기 때문에 고온초전도 선재(510)와 접촉하는 도금층(533)에는 형성시키지 않는 것이 바람직하다.
양극산화시 전해질 내에 흐르는 전류는 2 내지 5A가 바람직하다. 2A 미만의 전류를 가할 경우 단단하지 않고 무른 상태의 양극산화층(535)이 형성되며, 5A를 초과할 경우 높은 양의 전류가 흐르기 때문에 균일하지 못한 양극산화층(535)이 형성될 수 있다. 알루미늄으로 단자본체(531)를 제조하게 되면 다른 금속들에 비해 무른 알루미늄에 의해 단자본체(531)의 형상이 변할 수 있으나, 적당한 양의 전류를 가하여 경질의 양극산화층(535)을 형성하게 되면 전기절연뿐만 아니라 단자본체(531)의 내구성에도 도움이 된다.
이와 같이 본 발명의 전류 리드(500) 및 단자(530)는 알루미늄으로 이루어진 단자본체(531)를 양극산화시켜 형성된 양극산화층(535)을 통해 단자(530)의 전기전도도 감소 및 열전도도 증가를 가능하게 한다. 또한, 단자본체(531)를 알루미늄 소재를 채택하여 제조비용이 감소되며, 단자본체(531) 및 도금층(533)을 조립시 손상을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
10: 초전도 자석 30: 냉동기
100: 코일보빈 300: 초전도 코일
500: 전류 리드 510: 고온초전도 선재
530: 단자 531: 단자본체
533: 도금층 535: 양극산화층

Claims (7)

  1. 고온초전도 선재와, 상기 고온초전도 선재의 양단부에 결합된 한 쌍의 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드에 있어서,
    한 쌍의 상기 단자는,
    알루미늄 소재로 이루어진 단자본체와;
    상기 단자본체의 일면에서 상기 고온초전도 선재와 결합하는 영역에 형성된 도금층과;
    상기 도금층 이외의 상기 단자본체의 표면을 양극산화시켜 산화알루미늄으로 이루어진 양극산화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도금층은 금(Gold), 은(Silver), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 티타늄(Titanum), 텅스텐(Tungsten) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 도금층은 상기 단자본체로부터 상기 고온초전도 선재의 두께 이상으로 함몰된 것을 특징으로 하는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고온초전도 선재는 초전도층-완충층-금속기판이 순차적으로 적층 형성되며, 상기 고온초전도 선재에서 상기 초전도층이 상기 도금층에 근접하도록 상기 도금층에 결합되는 것을 특징으로 하는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 도금층 및 상기 단자본체는 볼트-너트 조립 방법을 통해 결합되는 것을 특징으로 하는 양극산화된 단자를 가지는 고온초전도 전류 리드.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 양극산화층은 전해질 내에서 2 내지 5A의 전류를 가해 생성되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전류 리드.
  7. 초전도 코일과, 상기 초전도 코일과 냉각기를 연결하는 초전도 전류 리드를 포함하는 초전도 자석에 있어서,
    상기 전류리드는,
    고온 초전도 선재와;
    상기 고온 초전도 선재의 양단부에 결합되며 알루미늄 소재로 이루어진 단자본체와, 상기 단자본체의 일면에서 상기 고온초전도 선재와 결합하는 영역에 형성된 도금층과, 상기 도금층 이외의 상기 단자본체의 표면을 양극산화시켜 산화알루미늄으로 이루어진 양극산화층을 갖는 한 쌍의 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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