[논문]21T 초전도자석을 위한 전류도입선 예비설계

최연석; 김동락; 양형석; 이병섭

doi:10.9714/psac.2008.10.3.043

[국내논문] 21T 초전도자석을 위한 전류도입선 예비설계
Preliminary Design of Current Lead for 21T Superconducting Magnet 원문보기

Design of current lead for 21T superconducting magnets is presented. The current lead is composed of a normal metal element, conducting the current from room temperature to intermediate temperature, and an HTS element, conducting the current down to liquid helium temperature. The metal element is disengaged from the HTS element without breaking vacuum after excitation. The optimization of the lead is performed to minimize the thermal heat load when carrying operational current with some margin. In order to confirm the feasibility of our new design, the intermediate joint between a normal metal and HTS element is fabricated and the reliability is tested during engage and disengage performance. The effects of vacuum level and performance cycle on the electrical contact resistance are also investigated.

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문제 정의

고자기장용 초전도자석 시스템에서전류도입선을 통한 열손실이 전체 열손실중 상당한 부분을 차지하고 있으므로 지금까지 열손실양을 줄이기위한 많은 연구가 진행되어 왔다〔1-4〕. 본 연구에서는 21 T 초전도자석에 적용될 HTS 전류도입선의 개념을 소개한다. 기존의 고자기장 초전도자석용 전류도입선이 가지고 있는 많은 열손실 및 상온부 하단에서 발생하는 결빙 문제 등을 해결하고, 초전도자석 통전후에는 전류도입선을 통한 열손실량을 제로화시킬 수 있는 새로운 개념의 전류도입선 이다.
초전도체의 일부는 액체헬륨에잠겨있고 초전도체와 금속부 사이의 연결부는 냉동기의 1 단부에 의해 냉각된다. 본 연구에서는 금속부와저온부에서 열침입량을 최소화하기 위한 최적화 설계를수행하였고, 이들을 연결하는 연결부의 개념설계를 진행하였다. 또한 고자기장용 초전도자석 시스템에 적용가능성을 검증하기 위한 성능평가 실험을 수행하였다.

제안 방법

초전도부를둘러싼 파이프는 헬륨용기와 전류도입선 초전도부를일체화시켜 주며 초전도자석 통전후 전류도입선 금속부가 이탈하더라도 전기적, 기계적으로 영향을 받지않는다. 강판의 재질은 허용가능한 국소 고온점 (Hot-spot) 온도를 기준으로 결정하였다. 본 설계에 사용된 초전도테잎은 Bi-2223 (Ag-llat%Au) 이다.
본 연구에서는 금속부와저온부에서 열침입량을 최소화하기 위한 최적화 설계를수행하였고, 이들을 연결하는 연결부의 개념설계를 진행하였다. 또한 고자기장용 초전도자석 시스템에 적용가능성을 검증하기 위한 성능평가 실험을 수행하였다.
한쌍의 멀티램 중 플러그 (Plug)는 금속부에 설치되고소켓 (Socket)은 4개의 금속에 의해 지지되는 금속연결부에 설치되며, 이 연결부는 냉동기의 1단 냉동부에의 해 냉 각된다. 멀티램 을 이 용하면 전기 적 으로 착탈이가능한데, 착탈시 저온용기의 진공을 유지하기 위하여 Fig. 2에서 보는 바와 같이 벨로우즈안에 금속부를 설치하였다. G10 관을 이용하면 금속부를 전기절연 시킬수 있고, 진공을 유지하기 위하여 G10 관 상단을 중심에 구멍 이 있는 NW50 Bored Stud에 에폭시를 이용하여 접합하고, O-ring 과 클램프를 이용하여 진공을 유지한다.
5x10 8 Torr 까지내린 결과 멀티램을 통한 전류-전압 특성은 영향을 받지 않는 것을 알 수 있었다. 전류도입선의 금속부를초전도부로부터 분리키시기 위한 힘의 크기를 MTS 장비를 이용하여 측정하였다. Fig.
전류도입선의 금속부와 연결부를 제작하여 저온용기에 설치하고 멀티램을 통한 전압강하와 착탈시 필요한힘을 측정하였다. Fig.
주어진전류에 대하여 열손실양을 최소화키시기 위하여 최적의 금속부 크기비를 구하였고, 이때 발생하는 열손실을 각각의 온도조건과 전류도입선의 물성을 이용하여 구하였다.
성공적으로 수행되었다. 초전도자석 통전시발생하는 열침입량을 최소화하기 위하여 금속부와 초전도부를 최적화 하였다. 초전도자석 통전후 열침입량을 제로화하기 위하여 착탈식 전류도입선을 제안하였으며, 사용자의 편의성 및 고자기장 초전도자석 시스템에 적용가능성을 확인하기 위하여 금속부와 연결부를 제작하여 성능평가를 실시하였다.
초전도자석 통전시발생하는 열침입량을 최소화하기 위하여 금속부와 초전도부를 최적화 하였다. 초전도자석 통전후 열침입량을 제로화하기 위하여 착탈식 전류도입선을 제안하였으며, 사용자의 편의성 및 고자기장 초전도자석 시스템에 적용가능성을 확인하기 위하여 금속부와 연결부를 제작하여 성능평가를 실시하였다. 성능평가 결과멀티램을 이용한 착탈식 전류도입선을 고자기장용 초전도자석 시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다.

대상 데이터

강판의 재질은 허용가능한 국소 고온점 (Hot-spot) 온도를 기준으로 결정하였다. 본 설계에 사용된 초전도테잎은 Bi-2223 (Ag-llat%Au) 이다. 그림 4는 냉동기 1단 냉동부가 60 K 일때 작동전류에 대해초전도부에서 발생하는 최소 열손실양이다.

이론/모형

5 mm 이고 멀티램의 지름은 20 mm 이다. Multi-Contact[6] 사에서 생산흐]" 는 LAI/0.25 모델을 본 연구에 사용하였다. 루버와루버사이의 간격은 2.

성능/효과

2 μΩ 으로 증가하였다. 본 연구에서 착탈후 멀티램에서 마찰운동에 의해 플러그 표면이 거칠어져 접촉저항이 약간 증가하였다고 생각된다.
5는 저온용기의 진공레벨에 따른 전류-전압 특성 이다. 전류를 0 A에서 200 A까지변화시켰을때 저온용기내의 압력을 3.5x10 8 Torr 까지내린 결과 멀티램을 통한 전류-전압 특성은 영향을 받지 않는 것을 알 수 있었다. 전류도입선의 금속부를초전도부로부터 분리키시기 위한 힘의 크기를 MTS 장비를 이용하여 측정하였다.
행정거리가 X = 0 일때 작용하는 힘의 방향이바뀌었고, 그 결과 힘도 압축력에서 인장력으로 바뀌었다. 착탈시 필요한 힘의 크기는 반복횟수가 증가함에 따라 미소하게 감소하는 것을 알 수 있었다. 연결부의 전기접촉저항 (ECR, Electrical Contact Resistance 〔7〕)은 약 24.

후속연구

초전도자석 통전후 열침입량을 제로화하기 위하여 착탈식 전류도입선을 제안하였으며, 사용자의 편의성 및 고자기장 초전도자석 시스템에 적용가능성을 확인하기 위하여 금속부와 연결부를 제작하여 성능평가를 실시하였다. 성능평가 결과멀티램을 이용한 착탈식 전류도입선을 고자기장용 초전도자석 시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다. 착탈식 전류도입선의 온도에 따른 성능평가가 가까운 미래에 수행될 예정이다.

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