KR102534024B1 - High-Temperature Superconducting Coil using Control on surface conditions of the conductor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도체 표면 상태 제어를 통한 고온초전도 코일 제조방법 및 상기 제조방법을 이용한 고온초전도 코일에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 2세대 고온초전도 선재 최외각에 전기도금된 구리 안정화층에 대하여 표면 거칠기와 산화량을 조절하여 코일 권선내 턴간 접촉저항을 상대적으로 크게함으로써 누설전류를 억제하고, 발생 자기장의 시간적 지연을 줄여 자기장의 응답성(속응성)을 향상시키도록 하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for manufacturing a high-temperature superconducting coil by controlling the surface state of a conductor and a high-temperature superconducting coil using the manufacturing method.
Therefore, the technical gist of the present invention is to suppress leakage current and generate magnetic field by relatively increasing the contact resistance between turns in a coil winding by adjusting the surface roughness and oxidation amount of the copper stabilization layer electroplated on the outermost surface of the second-generation high-temperature superconducting wire. It is characterized by improving the responsiveness (quick response) of the magnetic field by reducing the time delay of
Description
본 발명은 2세대 고온초전도 선재 최외각에 전기도금된 구리 안정화층에 대하여 표면 거칠기와 산화량을 조절하여 코일 권선내 턴간 접촉저항을 상대적으로 크게함으로써 누설전류를 억제하고, 발생 자기장의 시간적 지연을 줄여 자기장의 응답성(속응성)을 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 도체 표면 상태 제어를 통한 무절연 고온초전도 코일 제조방법 및 상기 제조방법을 이용한 고온초전도 코일에 관한 것이다.The present invention controls the surface roughness and oxidation amount of the copper stabilization layer electroplated on the outermost surface of the second-generation high-temperature superconducting wire to relatively increase the contact resistance between turns in the coil winding, thereby suppressing leakage current and reducing the temporal delay of the generated magnetic field. It relates to a method for manufacturing a non-insulated high-temperature superconducting coil through control of a conductor surface state, characterized in that the responsiveness (quick response) of a magnetic field is improved by reducing it, and a high-temperature superconducting coil using the manufacturing method.
현재 시중에 판매되고 있는 고온초전도 선재는 BSCCO 계열의 1세대 선재와 YBCO 계열의 2세대 선재가 있다.There are two types of high-temperature superconducting wire currently on the market: first-generation BSCCO-based wire and second-generation YBCO-based wire.
1세대 선재는 외부 자장에 취약하다는 단점이 있고 모재로 은을 사용하고 있기 때문에 가격 절감에 한계가 있다.First-generation wire rods have the disadvantage of being vulnerable to external magnetic fields, and since silver is used as the base material, there is a limit to price reduction.
이것의 대안으로 2세대 선재는 1세대 선재에 비해 n value 특성이 좋아 손실을 줄일 수 있는 장점이 있어 초전도 기기의 성능도 향상시킬 수 있다.As an alternative to this, the second-generation wire rod has the advantage of reducing loss because it has better n value characteristics than the first-generation wire rod, so the performance of superconducting devices can also be improved.
초전도 전력기기의 핵심인 코일을 제작하게 되면 턴 수에 비례하여 전자력이 크게 발생하게 된다.When a coil, which is the core of a superconducting power device, is manufactured, a large electromagnetic force is generated in proportion to the number of turns.
이때 발생되는 전자력에 의해 코일이 움직이게 되고 전압이 발생하여 결국에는 초전도 상태를 유지할 수 없게 된다.At this time, the coil is moved by the generated electromagnetic force and a voltage is generated, so that the superconducting state cannot be maintained in the end.
이러한 이유 때문에 초전도 선재를 사용하여 코일을 제작할 시에는 코일을 구조적으로 단단하게 고정할 수 있는 에폭시와 같은 함침재 또는 필름 절연재가 반드시 필요하게 된다.For this reason, when manufacturing a coil using a superconducting wire, an impregnating material such as epoxy or a film insulating material that can structurally and firmly fix the coil is required.
에폭시를 함침하여 필름 형태로 절연한 2세대 고온초전도(2G-HTS) 코일을 제작한 경우 초전도코일에 큰 전류를 흘리기 위해서는 77K나 그 이하의 저온으로 온도를 낮춰 주어야 한다. 여기서 문제는 저온에서 모든 물질들이 수축한다는 것이다.When a second-generation high-temperature superconducting (2G-HTS) coil impregnated with epoxy and insulated in the form of a film is manufactured, the temperature must be lowered to a low temperature of 77K or lower in order to flow a large current through the superconducting coil. The problem here is that all materials shrink at low temperatures.
2세대 고온 초전도 선재를 사용한 에폭시 함침 초전도 코일에서는 권선사이에 에폭시가 함침되어 있으므로 코일 냉각 시 보빈날개와 초전도 코일이 고정되어 있어 초전도 코일에 열화가 발생하는 문제점이 있어왔다.In epoxy-impregnated superconducting coils using second-generation high-temperature superconducting wires, since the windings are impregnated with epoxy, the bobbin blades and superconducting coils are fixed when the coil is cooled, resulting in deterioration of the superconducting coil.
다시 말해, 초전도체는 Quench 발생 시 열의 국부적인 축적으로 인해 초전도체의 영구적인 손상을 야기할 수 있다.In other words, when a superconductor is quenched, the local accumulation of heat may cause permanent damage to the superconductor.
따라서 초전도체를 이용한 코일 제작 시 시스템의 안정적인 운용을 위한 보호기술이 필요하다. Therefore, when manufacturing coils using superconductors, protection technology is required for stable operation of the system.
이에 따라 최근, 초전도 코일의 Quench 보호기술의 한 방편으로 턴 간 절연물질을 삽입하지 않는 무절연 권선기술이 개발되었다. Accordingly, a non-insulated winding technology that does not insert an insulating material between turns has been recently developed as one of the quench protection technologies for superconducting coils.
해당 기술을 적용하게 되면, 턴 간 절연물질이 제거되기 때문에 Quench 시 발생되는 과도한 열 및 전류를 인접 턴 간 기계적/전기적인 접촉을 통하여 자동적으로 우회시킴으로써 별도의 보호 장치 없이 초전도 코일의 안정적인 운용이 가능하다.When this technology is applied, since the insulating material between turns is removed, the excessive heat and current generated during quenching are automatically diverted through mechanical/electrical contact between adjacent turns, enabling stable operation of superconducting coils without a separate protection device. do.
그러나, 종래의 무절연 고온초전도 코일의 턴간 접촉저항은 값이 작을수록 자기장 응답의 지연이 오래 발생하게 되어 신속한 자기장 제어가 어려워져 오히려 고온초전도 코일의 운전 신뢰성이 저하될 수 있게 된다.However, the smaller the value of the contact resistance between turns of the conventional non-insulated high-temperature superconducting coil, the longer the delay in magnetic field response occurs, making rapid magnetic field control difficult, and rather, the reliability of operation of the high-temperature superconducting coil may deteriorate.
더욱이, 전동기 또는 발전기 운전 중 내외부적으로 전자기적, 기계적, 열적 외란이 발생할 경우 상대적으로 작은 외란임에도 불구하고 매우 낮은 접촉저항 특성으로 인하여 통전 전류의 누설이 발생할 경우 초전도 계자코일의 기자력을 유지하지 못하여 회전기 출력 제어의 신뢰성을 보장할 수 없게 된다.Moreover, when electromagnetic, mechanical, or thermal disturbances occur internally or externally during operation of a motor or generator, the magnetomotive force of the superconducting field coil cannot be maintained when current leakage occurs due to the very low contact resistance despite the relatively small disturbance. Reliability of rotation machine output control cannot be guaranteed.
또한, 작은 턴간 접촉저항으로 초전도 코일의 시정수가 커질 경우 충방전에 필요한 시간은 시정수에 비례하여 커지게 되며, 만약 유지보수가 요구될 시 정상운전으로의 복구 시간을 길게 하여 시스템 이용률 저하에 의한 경제성이 저하되는 문제가 발생된다.In addition, when the time constant of the superconducting coil increases due to the small turn-to-turn contact resistance, the time required for charging and discharging increases in proportion to the time constant. There is a problem of declining economic efficiency.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 2세대 고온초전도 선재 최외각에 전기도금된 구리 안정화층에 대하여 표면 거칠기와 산화량을 조절하여 코일 권선내 턴간 접촉저항을 상대적으로 크게함으로써 누설전류를 억제하고, 발생 자기장의 시간적 지연을 줄여 자기장의 응답성(속응성)을 향상시키도록 하는 것을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems, and the technical gist of the present invention is to control the surface roughness and oxidation amount of the copper stabilization layer electroplated on the outermost layer of the second generation high-temperature superconducting wire to relatively increase the contact resistance between turns in the coil winding. Its purpose is to suppress leakage current and improve the responsiveness (quick response) of the magnetic field by reducing the temporal delay of the generated magnetic field.
즉, 본 발명의 고온초전도 코일 제조방법과 그 권선기술은 2세대 고온초전도 코일을 권선함에 있어, 권선 턴간의 전기적 절연을 목적으로 사용하는 절연체를 제거함으로써 초전도 코일의 소형경량성을 증대하여 응용 시스템의 에너지밀도를 증가시킬 수 있도록 하는데 목적이 있다.In other words, the high-temperature superconducting coil manufacturing method and its winding technology of the present invention increase the small size and lightness of the superconducting coil by removing the insulator used for the purpose of electrical insulation between winding turns in winding the second-generation high-temperature superconducting coil. The purpose is to increase the energy density of
또한, 본 발명은 권선 턴간의 접촉상태에 있어 전기적 저항과 열적 저항을 작게 하여 초전도체의 국부적인 혹은 전역의 상전도화(Quench) 현상이 발생할 경우 코일에 통전되는 전류의 일부를 인접한 턴으로 우회 및 분산시키고, 상전도 지역의 저항과 통전전류에 의해 발생되는 줄열(Joule heating)을 인접한 턴으로 전달 및 분산시킴으로써 전자기적 혹은 열적으로 과도적인 운전환경에서 자체적 안정화(Self stabilizing effect)를 수행하여 2세대 고온초전도 코일 시스템의 운전 신뢰성과 경제성을 향상 시킬 수 있도록 하는데 목적이 있다.(도 2 참조)In addition, the present invention reduces the electrical resistance and thermal resistance in the contact state between winding turns, so that when a local or global quench phenomenon occurs in the superconductor, some of the current flowing through the coil is bypassed and distributed to adjacent turns 2nd generation high temperature by performing self stabilizing effect in an electromagnetically or thermally transient operating environment by transferring and dispersing Joule heating generated by resistance and energizing current in the normal conduction area to adjacent turns The purpose is to improve the operational reliability and economy of the superconducting coil system (see FIG. 2).
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 초전도 코일의 목표 파라미터를 산정하는 제1단계(S100)와; 초전도 코일의 목표 시정수 범위를 산정하는 제2단계(S200)와; 목표 시정수 만족을 위한 접촉저항 범위를 산정하는 제3단계(S300)와; 접촉저항 특성 지표에 근거한 거칠기 및 산화량을 산정하는 제4단계(S400)와; 목표한 특성에 따라 고온초전도 선재의 표면에 거칠기와 산화량이 조절되도록 한 뒤 이를 초전도 코일로서 권선하는 제5단계(S500)와; 초전도 코일 특성 유지를 위해 에폭시를 도포하는 제6단계(S600)가; 구성되어 이루어진다.To achieve this object, the present invention includes a first step (S100) of calculating target parameters of a superconducting coil; A second step (S200) of calculating a target time constant range of the superconducting coil; A third step (S300) of calculating a contact resistance range for satisfying the target time constant; A fourth step (S400) of calculating roughness and oxidation amount based on the contact resistance characteristic index; A fifth step (S500) of adjusting the roughness and oxidation amount of the surface of the high-temperature superconducting wire according to target characteristics and then winding it as a superconducting coil; A sixth step (S600) of applying epoxy to maintain the properties of the superconducting coil; made up of
이에, 상기 제2단계(S200)에서 목표 시정수 범위를 산정하는 공식은 '
초전도 코일의 특성저항은 코일의 인덕턴스와 같은 코일 사양에 지배되는 파라미터이며 접촉저항은 코일 사양과는 무관하며 코일 권선시의 장력, 도체 표면의 청결도, 거칠기, 산화량에 지배되는 파라미터이다.The characteristic resistance of a superconducting coil is a parameter governed by coil specifications such as inductance, and contact resistance is a parameter that is independent of coil specifications and is governed by tension during coil winding, cleanliness of conductor surface, roughness, and amount of oxidation.
또한, 상기 제4단계(S400)에서 거칠기 및 산화량을 산정하는 공식은 '
한편, 상기 제5단계(S500)는 권선장치를 구비한 거칠기 가공장치(l00)를 통해 제작되는 것으로, 이러한 거칠기 가공장치(l00)는 일 실시예로서 고온초전도 선재 카세트가 부착되는 권출부(110)와; 고온초전도 선재 보빈이 부착되는 권취부(120)와; 권출부와 권취부 사이 선상에 배치되어 고온초전도 선재의 정렬과 이송을 도모하도록 하는 가이드풀리(130)와; 고온초전도 선재의 권출과 권취 진행방향 일측 선상에 장력 제어장치(141)가 구비되어 고온초전도 선재의 표면에 대하여 샌딩페이퍼(142)의 밀착 정도를 조절하도록 하는 선재 거칠기 제어부(140)가; 구성되어 이루어진다.On the other hand, the fifth step (S500) is manufactured through a
또한, 상기 제5단계(S500)는 권선장치를 구비한 산화처리 가공장치(200)를 통해 제작되는 것으로, 이러한 산화처리 가공장치(200)는 다른 실시예로서 고온초전도 선재 카세트가 부착되는 권출부(210)와; 고온초전도 선재 보빈이 부착되는 권취부(220)와; 권출부와 권취부 사이 선상에 배치되어 고온초전도 선재의 정렬과 이송을 도모하도록 하는 가이드풀리(230)와; 고온초전도 선재의 권출과 권취 진행방향 일측 선상에 산화 온도 제어 장치(241)와 산화 조건 제어 장치(242)가 구비되어 고온초전도 선재의 표면에 대하여 산화량을 조절하도록 하는 선재 산화 환경 제어부(240)가; 구성되어 이루어진다.In addition, the fifth step (S500) is manufactured through an
이와 같이, 본 발명은 표면 거칠기와 산화량을 조절하여 코일 권선내 턴간 접촉저항을 상대적으로 크게함으로써 누설전류를 억제하고, 발생 자기장의 시간적 지연을 줄여 자기장의 응답성(속응성)을 향상시키도록 하는 효과가 있다.As such, the present invention controls the surface roughness and oxidation amount to relatively increase the contact resistance between turns in the coil winding to suppress leakage current and reduce the time delay of the generated magnetic field to improve the responsiveness (quick response) of the magnetic field. has the effect of
즉, 본 발명은 권선 턴간의 전기적 절연을 목적으로 사용하는 절연체를 제거함으로써 초전도 코일의 소형경량성을 증대하여 응용 시스템의 에너지밀도를 증가시킬 수 있도록 하는데 목적이 있다.That is, an object of the present invention is to increase the energy density of an application system by increasing the small size and lightness of a superconducting coil by removing an insulator used for electrical insulation between winding turns.
또한, 본 발명은 권선 턴간의 접촉상태에 있어 전기적 저항과 열적 저항을 작게 하여 초전도체의 국부적인 혹은 전역의 상전도화(Quench) 현상이 발생할 경우 코일에 통전되는 전류의 일부를 인접한 턴으로 우회 및 분산시키고, 상전도 지역의 저항과 통전전류에 의해 발생되는 줄열(Joule heating)을 인접한 턴으로 전달 및 분산시킴으로써 전자기적 혹은 열적으로 과도적인 운전환경에서 자체적 안정화(Self stabilizing effect)를 수행하여 2세대 고온초전도 코일 시스템의 운전 신뢰성과 경제성을 향상 시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, the present invention reduces the electrical resistance and thermal resistance in the contact state between winding turns, so that when a local or global quench phenomenon occurs in the superconductor, some of the current flowing through the coil is bypassed and distributed to adjacent turns 2nd generation high temperature by performing self stabilizing effect in an electromagnetically or thermally transient operating environment by transferring and dispersing Joule heating generated by resistance and energizing current in the normal conduction area to adjacent turns This has the effect of improving the operational reliability and economy of the superconducting coil system.
도 1은 본 발명에 따른 고온초전도 코일 제조방법의 단계별 예시도,
도 2는 고온초전도 코일의 절연 상태와 무절연 상태를 나타낸 대비도,
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 거칠기 가공장치의 샌딩페이퍼를 이용하여 고온초전도 코일(도체)의 표면 상태 제어를 나타낸 예시도,
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 산화처리 가공장치의 산화 제어부를 이용하여 고온초전도 코일(도체)의 표면 상태 제어를 나타낸 예시도,
도 9는 본 발명에 따른 고온초전도 선재 표면 산화량 및 거칠기 변화에 따른 고온초전도 코일의 시정수 특성 변화를 나타낸 예시도이다.1 is a step-by-step example of a method for manufacturing a high-temperature superconducting coil according to the present invention;
2 is a contrast diagram showing an insulation state and a non-insulation state of a high-temperature superconducting coil;
3 to 5 are exemplary diagrams showing control of the surface state of a high-temperature superconducting coil (conductor) using sanding paper of a roughening apparatus according to the present invention;
6 to 8 are exemplary views showing control of the surface state of a high-temperature superconducting coil (conductor) using an oxidation control unit of an oxidation processing apparatus according to the present invention;
9 is an exemplary view showing a change in time constant characteristics of a high-temperature superconducting coil according to a change in surface oxidation amount and roughness of a high-temperature superconducting wire according to the present invention.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.Next, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
먼저 도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명은 제1단계 내지 제6단계를 통해 제조되는 것으로, 상기 제1단계(S100)는 초전도 코일의 목표 파라미터를 산정하도록 형성된다.First, as shown in FIGS. 1 to 9, the present invention is manufactured through the first to sixth steps, and the first step (S100) is formed to calculate target parameters of the superconducting coil.
이에, 목표 파라미터는 초전도 코일을 적용하는 응용시스템 사양에 의해 산정되며 해석적인 방법을 바탕으로 초전도 코일의 목표 파라미터를 설계하게 된다.Accordingly, the target parameters are calculated according to the application system specification to which the superconducting coil is applied, and the target parameters of the superconducting coil are designed based on an analytical method.
초전도 코일의 목표 파라미터의 예시로서 운전전류, 턴수, 자속밀도, 인덕턴스 등이 있다.Examples of target parameters of the superconducting coil include operating current, number of turns, magnetic flux density, and inductance.
이에, 상기 제2단계(S200)에서 목표 시정수 범위를 산정하는 공식은 '
이때, 초전도 코일의 목표 시정수는 응용시스템 사양에 의해 산정되며 해석적인 방법을 바탕으로 응용 시스템에 적합한 자기장 제어의 속응성 (단위시간당 자기장 제어량, ex) mT/s)범위를 산정한 후 초전도 코일의 설계 파라미터 (턴수, 인덕턴스)를 기준으로 제어 속응성을 만족하는 시정수를 산정하게 된다.At this time, the target time constant of the superconducting coil is calculated according to the application system specifications, and based on an analytical method, the range of rapid response (magnetic field control per unit time, ex) mT/s of magnetic field control suitable for the application system is calculated, and then the superconducting coil The time constant that satisfies the control response is calculated based on the design parameters (number of turns, inductance) of .
초전도 코일의 특성저항은 코일의 인덕턴스와 같은 코일 사양에 지배되는 파라미터이며 접촉저항은 코일 사양과는 무관하며 코일 권선시의 장력, 도체 표면의 청결도, 거칠기, 산화량에 지배되는 파라미터이다.The characteristic resistance of a superconducting coil is a parameter governed by coil specifications such as inductance, and contact resistance is a parameter that is independent of coil specifications and is governed by tension during coil winding, cleanliness of conductor surface, roughness, and amount of oxidation.
참고로, 2세대 고온초전도 선재간의 직접적인 물리적 접촉으로 인하여 권선 턴간의 접촉저항이 매우 낮아져 권선방향으로 통전되는 전류의 일부가 인접한 턴으로 누설되는데, 이는 자기장이 발생하는 권선방향으로의 전류가 감소되고, 결과적으로 통전 전류와 목표하는 발생 자기장 사이의 시간차가 발생하면서 자기장 충전 지연 현상을 일으키게 된다. 이는 초전도 코일의 전기적 시정수(응답속도)를 크게 하는 것을 의미한다.For reference, due to the direct physical contact between the second-generation high-temperature superconducting wires, the contact resistance between winding turns is very low, so that a part of the current flowing in the winding direction leaks to the adjacent turn, which reduces the current in the winding direction where the magnetic field is generated. As a result, a time difference between the current and the target generated magnetic field occurs, causing a magnetic field charging delay phenomenon. This means increasing the electrical time constant (response speed) of the superconducting coil.
따라서, 권선턴간의 접촉저항을 어떠한 물질의 삽입 없이 종래의 무절연 코일의 접촉저항 수준보다 높여 누설 전류의 감소가 가능하다면 전기적,열적 안정도를 확보할 수 있게 되고, 동시에 자기장 지연이라는 단점을 고온초전도 회전기용 계자 코일 응용에 적용 가능한 수준으로 개선할 수 있게 된다. Therefore, if the leakage current can be reduced by increasing the contact resistance between winding turns than the contact resistance level of the conventional non-insulated coil without inserting any material, electrical and thermal stability can be secured, and at the same time, the disadvantage of magnetic field retardation can be overcome by high-temperature superconducting It can be improved to a level applicable to field coil applications for rotating machines.
이후, 제3단계(S300)는 목표 시정수 만족을 위한 접촉저항 범위를 산정하도록 형성된다.After that, the third step (S300) is formed to calculate the contact resistance range for satisfying the target time constant.
이에, 접촉저항 범위는 목표 시정수 만족을 위한 코일의 특성저항값을 기준으로 산정하게 되며 이는 결과적으로 응용 시스템의 자기장 속응성을 만족하는 고온초전도 코일의 접촉저항을 산정한다는 의미이다.Therefore, the contact resistance range is calculated based on the characteristic resistance value of the coil to satisfy the target time constant, which means that the contact resistance of the high-temperature superconducting coil satisfying the magnetic field response of the application system is calculated.
이후, 제4단계(S400)는 접촉저항 특성 지표에 근거한 거칠기 및 산화량을 산정하도록 형성된다.After that, the fourth step (S400) is formed to calculate the roughness and oxidation amount based on the contact resistance characteristic index.
또한, 상기 제4단계(S400)에서 거칠기 및 산화량을 산정하는 공식은 '
이때, 도체 표면 거칠기 및 산화량 변화에 따른 접촉저항 변화에 관한 사전 실험 및 검증을 바탕으로 구축된 데이터베이스를 통하여 목표 시정수를 만족하기 위한 접촉저항을 예측 산정하게 된다.At this time, the contact resistance to satisfy the target time constant is predicted and calculated through a database built on the basis of preliminary experiments and verifications on the change in contact resistance according to the change in surface roughness and oxidation of the conductor.
참고로, 표면 산화의 정도가 커질수록 접촉저항이 비례적으로 커져 코일 시정수 감소효과가 커지고 자기장 지연 특성 완화 효과가 커짐을 의미한다. For reference, as the degree of surface oxidation increases, the contact resistance increases proportionally, which means that the effect of reducing the coil time constant increases and the effect of mitigating the magnetic field delay characteristic increases.
이와 같이, 사전의 요소시험 수행을 바탕으로 2세대 고온초전도 선재 표면의 거칠기 및 산화 정도를 접촉저항 제어 설계 변수로 두어 거칠기와 산화량 변화에 따른 접촉저항 특성지표를 도출하고 이를 바탕으로 다양한 초전도 코일의 요구 특성, 특히, 목표하는 자기장 제어 속응성에 대응하여 가능한 고온초전도 코일을 제작할 수 있게 된다.In this way, based on the preliminary element test, the roughness and oxidation degree of the surface of the second-generation high-temperature superconducting wire were set as the design variables for controlling the contact resistance, and the contact resistance characteristic index according to the change in roughness and oxidation amount was derived, and based on this, various superconducting coils It is possible to manufacture a high-temperature superconducting coil in response to the required characteristics of, in particular, the target magnetic field control response.
이후, 제5단계(S500)는 목표한 특성에 따라 고온초전도 선재의 표면에 거칠기와 산화량이 조절되도록 한 뒤 이를 초전도 코일로서 권선하도록 형성된다.Thereafter, in the fifth step (S500), roughness and oxidation amount are adjusted on the surface of the high-temperature superconducting wire according to target characteristics, and then the wire is wound as a superconducting coil.
한편, 상기 제5단계(S500)는 권선장치를 구비한 거칠기 가공장치(l00)를 통해 제작되는 것이 바람직하다.On the other hand, the fifth step (S500) is preferably manufactured through a roughness processing device (100) equipped with a winding device.
이러한 거칠기 가공장치(l00)는 일 실시예로서 고온초전도 선재 카세트가 부착되는 권출부(110)와; 고온초전도 선재 보빈이 부착되는 권취부(120)와; 권출부와 권취부 사이 선상에 배치되어 고온초전도 선재의 정렬과 이송을 도모하도록 하는 가이드풀리(130)와; 고온초전도 선재의 권출과 권취 진행방향 일측 선상에 장력 제어장치(141)가 구비되어 고온초전도 선재의 표면에 대하여 샌딩페이퍼(142)의 밀착 정도를 조절하도록 하는 선재 거칠기 제어부(140)가; 구성되어 이루어진다.As an example, the
즉, 상기 선재 거칠기 제어부(140)는 샌딩페이퍼(142)가 권선 중인 고온초전도 선재의 표면에 밀착된 상태에서 가압 장력에 변화를 주면서 그 힘에 따라 거칠기의 정도를 조절할 수 있도록 형성된다.That is, the wire rod
이때, 상기 장력 제어장치(141)는 샌딩페이퍼를 고온초전도 선재에 밀착시키거나 이격시키는 디바이스로서, 일측에 샌딩페이퍼가 고정되는 플레이트가 형성되고, 상기 플레이트 후단에는 에어실린더가 지지판에 결합되어 공압에 따른 동작시 에어실린더의 로드가 작동하면서 샌딩페이퍼의 전후진을 도모하면서 고온초전도 선재의 표면에 밀착 가압 또는 미세 가압을 수행하도록 형성된다.At this time, the
이에, 상기 제5단계(S500)는 권선장치를 구비한 산화처리 가공장치(200)를 통해 제작될 수도 있다.Accordingly, the fifth step (S500) may be manufactured through an
이러한 산화처리 가공장치(200)는 다른 실시예로서 고온초전도 선재 카세트가 부착되는 권출부(210)와; 고온초전도 선재 보빈이 부착되는 권취부(220)와; 권출부와 권취부 사이 선상에 배치되어 고온초전도 선재의 정렬과 이송을 도모하도록 하는 가이드풀리(230)와; 고온초전도 선재의 권출과 권취 진행방향 일측 선상에 산화 온도 제어 장치(241)와 산화 조건 제어 장치(242)가 구비되어 고온초전도 선재의 표면에 대하여 산화량을 조절하도록 하는 산화 환경 제어부(240)가; 구성되어 이루어진다.As another embodiment, the
즉, 상기 선재 산화 환경 제어부(240)는 권선 중인 고온초전도 선재의 표면에 대하여 O2와 H2O를 분사하여 산화시키는 것으로, O2와 H2O의 분사량 및 온도의 정도를 조절할 수 있도록 형성된다.That is, the wire rod oxidation environment control unit 240 sprays O 2 and H 2 O to the surface of the high-temperature superconducting wire rod being wound to oxidize it, and is formed to control the amount of O 2 and H 2 O sprayed and the degree of temperature. do.
이때, 산화 조건 제어 장치(242)는 O2와 H2O의 분사량과 분사분포 등을 공급노즐을 통해 조절할 수 있는 것으로 이는 계량 밸브 등을 통해 분사시킬 수 있도록 형성된다.At this time, the oxidation condition control device 242 can control the injection amount and injection distribution of O 2 and H 2 O through a supply nozzle, which is formed to be injected through a metering valve or the like.
또한, 산화 온도 제어 장치(241)는 분사된 O2와 H2O에 대하여 급속으로 말려 산화가 촉진되도록 하는 것으로, 일측에 히터가 형성되고 후단측에 송풍기가 형성되도록 형성된다.In addition, the oxidation temperature control device 241 rapidly dries the sprayed O 2 and H 2 O to promote oxidation, and is formed such that a heater is formed on one side and a blower is formed on the rear side.
아울러, 제6단계(S600)는 초전도 코일 특성 유지를 위해 에폭시를 도포하도록 형성된다. In addition, the sixth step (S600) is formed to apply epoxy to maintain the characteristics of the superconducting coil.
이는 외부 피복에 해당하는 것으로, 코일 제작완료후 코일표면에 에폭시를 도포하여 대기중 산화 및 오염에 의한 초전도 코일의 특성 변화를 방지하도록 형성된다.This corresponds to the external coating, and is formed to prevent the change in characteristics of the superconducting coil due to oxidation and contamination in the air by applying epoxy to the surface of the coil after the coil is manufactured.
다음은 본 발명의 기술 개념에 대하여 보다 자세히 설명한다.The following describes the technical concept of the present invention in more detail.
2세대 고온초전도 선재는 여러 물질이 다층으로 적층되어 구성되며 전기적 기계적 보호를 목적으로서 구리 안정화층을 최외각에 전기도금하여 최종적으로 테이프 형태로 제작된다.The second-generation high-temperature superconducting wire is composed of multiple materials stacked together, and is finally manufactured in a tape form by electroplating a copper stabilization layer on the outermost layer for the purpose of electrical and mechanical protection.
무절연 코일은 권선 턴간의 단면상에 있어 구리 안정화층끼리 직접적인 접촉을 이룬다.The non-insulated coil is on the cross-section between winding turns, making direct contact with the copper stabilizing layers.
이때, 구리 안정화층의 표면 상태와 권선 압력에 따라 무절연 초전도 코일의 접촉저항 특성이 결정되며 표면 상태의 예로서 표면 청결 정도, 표면 조도(거칠기), 표면 산화 정도 등이 있다.At this time, the contact resistance characteristics of the non-insulated superconducting coil are determined according to the surface state of the copper stabilization layer and the winding pressure, and examples of the surface state include surface cleanliness, surface roughness (roughness), and surface oxidation.
이에, 본 발명은 2세대 고온초전도 선재의 최외각을 구성하는 구리 안정화층 표면에 임의로 미세한 긁힘을 주어 표면 거칠기를 변화시켜 권선턴간 접촉상태를 거칠게 하여 물리적 접촉저항을 높일 수 있을 뿐 아니라 구리 안정화층 표면을 임의로 산화시켜 구리 안정화층의 구리 조성율 변화에 의한 전기적 접촉저항을 높일 수 있다. Therefore, according to the present invention, the surface of the copper stabilization layer constituting the outermost layer of the second-generation high-temperature superconducting wire is arbitrarily given fine scratches to change the surface roughness to roughen the contact state between winding turns, thereby increasing the physical contact resistance as well as increasing the copper stabilization layer. The surface may be optionally oxidized to increase the electrical contact resistance due to the change in the copper composition of the copper stabilization layer.
다시말해, 구리 안정화층 표면의 거칠기 및 산화량을 제어하는 것은 구리 안정화층이 전기도금 및 전해연마 처리된 종래의 2세대 고온초전도 선재로 권선된 무절연 코일의 매우 낮은 접촉저항 특성을 상대적으로 높이기 위한 것으로 이를 통하여 초전도 코일 운전시 저항이 낮은 권선 턴간으로 누설되는 전류를 감소시켜 자기장 지연 특성을 완화하는 것에 있다.(도 2 참조)In other words, controlling the roughness and oxidation amount of the surface of the copper stabilization layer relatively increases the very low contact resistance characteristics of the non-insulated coil wound with the conventional second-generation high-temperature superconducting wire in which the copper stabilization layer is electroplated and electropolished. This is to reduce the current leaking between the turns of the winding with low resistance during the operation of the superconducting coil, thereby mitigating the magnetic field delay characteristics (see FIG. 2).
한편, 도 3 내지 4는 샌딩페이퍼를 이용하여 2세대 고온초전도 선재 최외각에 위치하는 구리 안정화층의 표면 거칠기 변화에 따라 접촉 저항 특성이 변화하는 것의 예시를 보여준다.Meanwhile, FIGS. 3 and 4 show an example of a change in contact resistance characteristics according to a change in surface roughness of a copper stabilization layer positioned on the outermost surface of a second-generation high-temperature superconducting wire material using sanding paper.
즉, 구리 안정화층이 전해 연마된 샘플(Bare)대비 샌딩 페이퍼로 긁힘이 생긴 샘플(sanding_100, 400, 1000, 샌딩 페이퍼 거칠기 정도: 100 > 400 > 1000)의 접촉저항 값이 상대적으로 큰 수치를 보이며 긁힘의 정도가 커질수록 접촉저항이 커지는 특성을 보인다.That is, the contact resistance values of the samples scratched with sanding paper (sanding_100, 400, 1000, sanding paper roughness: 100 > 400 > 1000) compared to the sample (Bare) in which the copper stabilization layer was electrolytically polished showed relatively large values. As the degree of scratching increases, the contact resistance increases.
그리고, 도 9에는 구리 안정화층 표면 거칠기를 변화시킨 2세대 고온초전도 선재로 제작된 고온초전도 코일의 시정수 변화 특성 변화의 예시를 보여준다. In addition, FIG. 9 shows an example of time constant change characteristics of a high temperature superconducting coil made of a second generation high temperature superconducting wire having a changed copper stabilization layer surface roughness.
즉, 구리 안정화층이 전해 연마된 샘플(Bare) 대비 샌딩 페이퍼로 인한 긁힌 샘플 코일(sanding #400, 샌딩 페이퍼 거칠기 #400)의 접촉저항 값이 상대적으로 커 코일 시정수가 짧아지며 이는 고온초전도 코일 내부 턴간으로 누설되는 전류가 감소되어 자기장 지연 특성이 완화됨을 의미한다.That is, the contact resistance value of the sample coil (sanding #400, sanding paper roughness #400) scratched by sanding paper is relatively large compared to the sample (Bare) in which the copper stabilization layer is electropolished, resulting in a shorter coil time constant. This means that the current leakage between turns is reduced and the magnetic field delay characteristics are alleviated.
아울러, 도 5는 도체 표면 상태 제어가 적용된 고온초전도 코일 제작을 위한 거칠기 가공장치(l00)의 예시를 보여준다.In addition, FIG. 5 shows an example of a
이에, 2세대 고온초전도 선재 카세트가 부착되는 권출부(110)가 일측에 형성되고, 선재가 권선될 보빈이 타측 권취부(120)에 배치된다.Accordingly, the winding unit 110 to which the second generation high-temperature superconducting wire cassette is attached is formed on one side, and the bobbin to be wound with the wire is disposed on the other side winding unit 120.
그리고 그 중간에 고온초전도 선재의 정렬을 위한 가이드 풀리(130)가 존재하게 된다. In the middle, there is a
이때, 권출부에 근접합 가이드 풀리 사이에는 선재 거칠기 제어부(140)가 구성된다.At this time, the wire rod
이러한 선재 거칠기 제어부(140)는 샌딩페이퍼(142)의 거칠기와 샌딩 장력 제어 장치(141)의 수치를 조절하여 목표하는 거칠기를 갖는 2세대 고온초전도 선재를 제작하고 이를 이용하여 고온초전도 코일을 권선 및 제작할 수 있게 된다.The wire
한편, 도 6 내지 7은 산화 방법을 이용하여 2세대 고온초전도 선재 최외각에 위치하는 구리 안정화층의 표면 거칠기 변화에 따라 접촉저항 특성이 변화하는 것의 예시를 보여준다.Meanwhile, FIGS. 6 and 7 show an example of a change in contact resistance characteristics according to a change in surface roughness of a copper stabilization layer located on the outermost surface of a second-generation high-temperature superconducting wire material using an oxidation method.
즉, 구리 안정화층이 전해 연마된 샘플(Bare)대비 특정 산화 조건에서 산화된 샘플(Oxidation_0.5 h@ 200℃_ 10 mL 및 Oxidation_0.5 h@ 230℃_ 10 mL, 산화량: 230℃ > 200℃)의 접촉저항 값이 상대적으로 큰 수치를 보이며 표면 산화의 정도가 커질수록 접촉저항이 커지는 특성을 보인다.That is, samples oxidized under specific oxidation conditions (Oxidation_0.5 h@ 200℃_ 10 mL and Oxidation_0.5 h@ 230℃_ 10 mL, oxidation amount: 230℃ > 200 ℃) shows a relatively large value, and the contact resistance increases as the degree of surface oxidation increases.
그리고, 구리 안정화층이 전해 연마된 샘플(Bare) 대비 특정 산화 조건에서 산화된 샘플 코일(Oxidized at 100℃, 140℃, 170℃ , 200℃, 230℃ 산화량: 230℃ > 200℃ > 170℃ > 140℃ > 100℃)의 접촉저항 값이 상대적으로 커 코일 시정수가 짧아지며, 이는 고온초전도 코일 내부 턴간으로 누설되는 전류가 감소되어 자기장 지연 특성이 완화됨을 의미한다. In addition, sample coils oxidized under specific oxidation conditions (Oxidized at 100 ℃, 140 ℃, 170 ℃ , 200 ℃, 230 ℃ Oxidation amount: 230 ℃ > 200 ℃ > 170 ℃ > 140 ° C > 100 ° C) is relatively large, the coil time constant is shortened, which means that the current leakage between the turns inside the high-temperature superconducting coil is reduced and the magnetic field delay characteristics are alleviated.
아울러, 도 8은 도체 표면 상태 제어가 적용된 고온초전도 코일 제작을 위한 산화처리 가공장치(200)의 예시를 보여준다.In addition, FIG. 8 shows an example of an
산화처리에 의해 표면이 산화됨에 따라 구리가 산화구리 Ⅰ혹은 산화구리 Ⅱ로 상변이하여 2세대 고온초전도 선재의 최외곽층인 구리 윗면으로 산화구리 Ⅰ혹은 산화구리 Ⅱ가 코팅된 효과가 생긴다.(물성이 바뀌게 되면서 저항률이 바뀌게 된다.)As the surface is oxidized by oxidation treatment, copper is phase-transformed into copper oxide I or copper oxide II, and the upper surface of copper, which is the outermost layer of the second generation high-temperature superconducting wire, is coated with copper oxide I or copper oxide II. ( As the physical properties change, the resistivity changes.)
즉, 2세대 고온초전도 선재의 최외곽층인 구리 윗면으로 산화구리 Ⅰ 혹은 산화구리 Ⅱ가 코팅된 효과가 생긴다.That is, the upper surface of copper, which is the outermost layer of the second-generation high-temperature superconducting wire, is coated with copper oxide I or copper oxide II.
따라서 전기적 저항률이 구리보다 높은 산화구리 Ⅰ 혹은 산화구리 Ⅱ 간의 접촉면은 접촉 저항이 커지게 된다.Therefore, the contact surface between copper oxide I or copper oxide II having higher electrical resistivity than copper has a large contact resistance.
이에, 2세대 고온초전도 선재 카세트가 부착되는 권출부(210)가 일측에 형성되고, 선재가 권선될 보빈이 타측 권취부(220)에 배치된다.Accordingly, the winding unit 210 to which the second-generation high-temperature superconducting wire cassette is attached is formed on one side, and the bobbin on which the wire is to be wound is disposed on the other side winding unit 220.
그리고 그 중간에 고온초전도 선재의 정렬을 위한 가이드 풀리(230)가 존재하게 된다. In the middle, there is a
이때, 권출부에 근접합 가이드 풀리 사이에는 선재 산화 환경 제어부(240)가 구성된다.At this time, the wire rod oxidation environment control unit 240 is configured between the guide pulleys close to the unwinding unit.
이러한 선재 산화 환경 제어부(240)는 산화 조건 제어 장치(242)와 산화 온도 제어 장치(241)를 이용하여 산화 정도를 조절하여 목표하는 거칠기를 갖는 2세대 고온초전도 선재를 제작하고 이를 이용하여 고온초전도 코일을 권선 및 제작할 수 있게 된다.The wire rod oxidation environment control unit 240 controls the degree of oxidation using the oxidation condition control device 242 and the oxidation temperature control device 241 to manufacture a second-generation high-temperature superconducting wire having a target roughness, and uses the same to control the high-temperature superconducting wire. You can wind and manufacture coils.
즉, 고온초전도 선재의 전체 길이 구간에 있어 일정 구간에만 산화를 발생시켜 고온초전도 코일의 접촉저항 특성과 그에 따른 코일 시정수를 제어하는 설계가 가능하도록 형성된다.That is, it is formed to enable a design that controls the contact resistance characteristics of the high-temperature superconducting coil and the corresponding coil time constant by generating oxidation only in a certain section in the entire length section of the high-temperature superconducting wire.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and various modifications can be made by anyone skilled in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes are within the scope of the claims.
100 ... 거칠기 가공장치 110 ... 권출부
120 ... 권취부 130 ... 가이드풀리
140 ... 선재 거칠기 제어부 141 ... 장력 제어장치
142 ... 샌딩페이퍼 200 ... 산화처리 가공장치
210 ... 권출부 220 ... 권취부
230 ... 가이드풀리 240 ... 산화 환경 제어부
241 ... 산화온도 제어장치 242 ... 산화조건 제어장치100 ... Roughening device 110 ... Unwinding unit
120 ... winding
140 ... Wire rod
142 ... Sanding
210 ... winding unit 220 ... winding unit
230 ... guide pulley 240 ... oxidation environment control unit
241 ... Oxidation temperature controller 242 ... Oxidation condition controller
Claims (8)
초전도 코일의 목표 시정수 범위를 산정하는 제2단계(S200)와;
목표 시정수 만족을 위한 접촉저항 범위를 산정하는 제3단계(S300)와;
접촉저항 특성 지표에 근거한 거칠기 및 산화량을 산정하는 제4단계(S400)와;
목표한 특성에 따라 고온초전도 선재의 표면에 거칠기와 산화량이 조절되도록 한 뒤 이를 초전도 코일로서 권선하는 제5단계(S500)와;
초전도 코일 특성 유지를 위해 에폭시를 도포하는 제6단계(S600)가;
구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 도체 표면 상태 제어를 통한 고온초전도 코일 제조방법.A first step (S100) of calculating target parameters of the superconducting coil;
A second step (S200) of calculating a target time constant range of the superconducting coil;
A third step (S300) of calculating a contact resistance range for satisfying the target time constant;
A fourth step (S400) of calculating roughness and oxidation amount based on the contact resistance characteristic index;
A fifth step (S500) of adjusting the roughness and oxidation amount of the surface of the high-temperature superconducting wire according to target characteristics and then winding it as a superconducting coil;
A sixth step (S600) of applying epoxy to maintain the properties of the superconducting coil;
A method for manufacturing a high-temperature superconducting coil through control of the surface state of a conductor, characterized in that it is configured.
상기 거칠기 가공장치(l00)는
고온초전도 선재 카세트가 부착되는 권출부(110)와;
고온초전도 선재 보빈이 부착되는 권취부(120)와;
권출부와 권취부 사이 선상에 배치되어 고온초전도 선재의 정렬과 이송을 도모하도록 하는 가이드풀리(130)와;
고온초전도 선재의 권출과 권취 진행방향 일측 선상에 장력 제어장치(141)가 구비되어 고온초전도 선재의 표면에 대하여 샌딩페이퍼(142)의 밀착 정도를 조절하도록 하는 선재 거칠기 제어부(140)가;
구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 도체 표면 상태 제어를 통한 고온초전도 코일 제조방법.The method of claim 1, wherein the fifth step (S500) is manufactured through a roughness processing device (100) equipped with a winding device,
The roughness processing device (100)
an unwinding unit 110 to which a high-temperature superconducting wire cassette is attached;
a winding unit 120 to which a high-temperature superconducting wire bobbin is attached;
a guide pulley 130 disposed on a line between the unwinding unit and the winding unit to promote alignment and transport of the high-temperature superconducting wires;
A wire roughness controller 140 having a tension control device 141 provided on one side of the line in the direction of unwinding and winding of the high-temperature superconducting wire to adjust the degree of adhesion of the sanding paper 142 to the surface of the high-temperature superconducting wire;
A method for manufacturing a high-temperature superconducting coil through control of the surface state of a conductor, characterized in that it is configured.
고온초전도 선재 카세트가 부착되는 권출부(210)와;
고온초전도 선재 보빈이 부착되는 권취부(220)와;
권출부와 권취부 사이 선상에 배치되어 고온초전도 선재의 정렬과 이송을 도모하도록 하는 가이드풀리(230)와;
고온초전도 선재의 권출과 권취 진행방향 일측 선상에 산화 온도 제어 장치(241)와 산화 조건 제어 장치(242)가 구비되어 고온초전도 선재의 표면에 대하여 산화량을 조절하도록 하는 선재 산화 환경 제어부(240)가;
구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 도체 표면 상태 제어를 통한 고온초전도 코일 제조방법.The method of claim 1, wherein the fifth step (S500) is manufactured through an oxidation processing apparatus 200 having a winding device, and the oxidation processing apparatus 200
an unwinding unit 210 to which a high-temperature superconducting wire cassette is attached;
a winding unit 220 to which the high-temperature superconducting wire bobbin is attached;
a guide pulley 230 disposed on a line between the unwinding unit and the winding unit to promote alignment and transport of the high-temperature superconducting wires;
An oxidation temperature control device 241 and an oxidation condition control device 242 are provided on one side of the line in the direction of unwinding and winding of the high-temperature superconducting wire rod to control the amount of oxidation on the surface of the high-temperature superconducting wire rod oxidation environment control unit 240 go;
A method for manufacturing a high-temperature superconducting coil through control of the surface state of a conductor, characterized in that it is configured.
권취부의 보빈에 연속적으로 감기는 고온초전도 선재에 대하여 전체 길이 구간 중 일정 구간에만 긁힘 또는 산화를 발생시켜 고온초전도 코일의 접촉저항 특성과 그에 따른 코일 시정수를 제어할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 도체 표면 상태 제어를 통한 고온초전도 코일 제조방법.According to any one of claims 4 or 6,
Characterized in that the contact resistance characteristics of the high-temperature superconducting coil and the coil time constant can be controlled by causing scratches or oxidation only in a certain section of the entire length section of the high-temperature superconducting wire continuously wound on the bobbin of the winding unit. Manufacturing method of high-temperature superconducting coil through control of conductor surface condition.
A first step (S100) of calculating target parameters of the superconducting coil; A second step (S200) of calculating a target time constant range of the superconducting coil; A third step (S300) of calculating a contact resistance range for satisfying the target time constant; A fourth step (S400) of calculating roughness and oxidation amount based on the contact resistance characteristic index; A fifth step (S500) of adjusting the roughness and oxidation amount of the surface of the high-temperature superconducting wire according to target characteristics and then winding it as a superconducting coil; In a sixth step (S600) of applying epoxy to maintain the properties of the superconducting coil; A high-temperature superconducting coil, characterized in that manufactured.
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2022
- 2022-11-17 KR KR1020220154423A patent/KR102534024B1/en active IP Right Grant
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