기술분야
본 발명은 KSTAR 토카막을 구성하는 장치 중 초전도 자석 및 초전도 버스라인의 냉각상황을 모니터링 하기 위해 냉각 배관에 설치되어 그 배관의 온도를 측정하는 온도센서 모듈에 관한 것이다.

배경기술
현재까지 개발된 초전도자석은 지구자장의 26만 배에 달하는 13테슬라의 자장을 얻을 수 있으며, 이러한 자장은 핵융합 반응에서 요구되는 플라즈마를 만들고 가두기 위해 필요한 것이다.
따라서 초전도자석의 핵심 기술은 '관내연선도체'(CICC : Cable-In Conduit-Conductor)라고 알려진 각각의 전선을 감아 코일을 형성하여 초전도자석을 제작함에 있다. 관내연선도체(CICC)는 35kA급의 대전류 운전을 위해서 360 또는 486가닥의 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸인 방식의 도체를 사용하여 자석을 제작하는 것으로, 초전도자석을 4.5K로 냉각하기 위해 약 5기압의 초임계 헬륨을 관내연선도체로 강제 순환시킨다.
도 1a 및 도 1b는 국내에서 제작되는 초전도자석을 일례로 나타낸 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이 초전도자석(900:SC Magnet)은 고온의 플라즈마를 진공용기 벽에 닿지 않고 가두어두기 위한 것으로, 그 주요장치인 토카막장치(901)를 보유하고 있다.
상기 토카막장치(901)는 TF(Toroidal Field) 및 PF(Poloidal Field) 코일을 사용하여 플라즈마의 생성, 구속, 제어를 담당한다.
도 1b는 도 1a의 토카막장치(901)를 나타내며, TF(Toroidal Field)코일로 구성된 TF 구조물(907)과, CS(Central Solenoid)코일로 구성된 CS 구조물(909)과, PF(Poroidal Field)코일로 구성된 PF 구조물(903) 및 각 구조물을 연결하는 연결구조물(905)로 이루어진다.
상기 TF 구조물(907)로 내설되는 코일은 약 35kA의 직류전류로 운전되며, 상기 CS 구조물(909)의 코일과 PF 구조물(903)의 코일은 펄스운전을 하여 상호 자장변화에 의한 기전력을 진공용기 내부에 발생시켜 플라즈마를 생성하고 플라즈마 전류 및 TF 자장과 함께 플라즈마를 구속시키는 역할을 수행한다.
앞에서 언급된 KSTAR 토카막 장치에 대해 보다 상세히 설명하면, 16개의 TF 초전도 자석, 그리고 8개의 CS 초전도자석으로 이루어져 있으며, 초전도 케이블(초전도 버스라인)을 경유하여 상온의 전력공급장치와 연결된다. 토카막 내의 자석 및 버스라인을 초전도로 유지하기 위해 초임계 헬륨(Super-critical Heluim; SHe) 냉매로 4.5K까지 냉각하고 이를 지속시켜야 한다.
극저온의 온도를 감지하기 위한 센서로 극저온에서 고감도의 분해능을 가지는 Cernox 센서를 선정, 설치한다.
초전도체의 냉각 상황을 측정하는 방법으로 초전도체를 냉각하기 위한 액체헬륨 공급 배관 및 출구 배관의 온도를 측정하며 이를 위해 배관에 온도센서의 설치가 필요하다. 온도센서 설치 시 온도 측정의 정확도, 기계적 내구성 및 진공에서의 안정성을 확보할 수 있어야 한다.

문제점
본 발명의 목적은 초전도자석 및 초전도 버스라인의 냉각배관에 설치되어 배관의 인입구 및 인출구의 온도를 측정, 분석할 수 있도록 한 극저온 냉각 배관의 온도센서 모듈을 제공하는 데 있다.

해결과제
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명은 극저온 냉각 배관에 설치되어 그 배관의 온도를 측정하는 온도센서 모듈에 관한 것으로, 하측이 상기 냉각배관과 결합될 수 있는 구조로 이루어지고, 일측면에 온도센서를 결합시키기 위한 센서결합공, 써멀앵커링 보빈을 결합시키기 위한 앵커링 보빈 결합공, 보호캡을 결합시키기 위한 보호캡 결합공을 포함하는 다수의 홀이 구비되는 열전도율이 우수한 재질의 몸체; 상기 냉각배관의 온도를 측정하기 위한 것으로, 전체적으로 원기둥이고 상(上)에서 하(下)방향으로 홀(제 1 볼트 결합공)이 구비된 보빈 형상이며, 상기 제 1 볼트 결합공이 중심에서 소정 길이 벗어난 위치에 구비되고, 4개의 데이터선(리드선)을 가지며, 제 1 볼트 결합공을 통해 볼트 등을 이용하여 몸체에 구비된 센서 결합공에 결합되어 몸체에 고정되는 온도센서; 전체적으로 원기둥이고 측면에는 홈이 구비되며 중앙에 상(上)에서 하(下)방향으로 홀(제 2 볼트 결합공)이 구비된 보빈 형상으로, 상기 제 2 볼트 결합공을 통해 볼트 등을 이용하여 상기 몸체에 구비된 앵커링 보빈 결합공에 결합되고, 측면에 구비된 홈에 온도센서 리드선을 감음으로써 외부에서 온도센서쪽으로 전달되는 열을 감쇠시킬 수 있는 구조를 가지는 써멀 앵커링 보빈; 상기 몸체 상측에 위치하여 센서의 리드선과 실드케이블간 연결하기 위해 센서의 각 리드선이 접합이 이루어지는 PCB로 패터닝된 터미널 및 상기 몸체 상측에 온도 센서, 써멀 앵커링 보빈 및 터미널을 포함한 각 부품들을 고정시킨 후, 그 고정된 부품들을 보호하고 외부의 열을 차단시키는 보호캡을 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 볼트를 이용하여 결합되는 몸체의 상측면에 형성되는 홀과 연통되게 몸체의 일측면에 각각 홀을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 보호캡은 내측에 스테인리스 재질의 제 1 보호캡과, 상기 제 1 보호캡 외측에 절연 재질의 제 2 보호캡을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 터미널은 금속박막(foil) 위에 저온용 본드를 이용하여 고정되고, 상기 터미널이 고정된 금속박막을 몸체 상측면 일측에 저온용 본드를 이용하여 고정시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 몸체 상측에 온도센서의 리드선과 연결되는 실드 케이블을 안착할 수 있는 홈을 구비하고, 상기 실드케이블이 안착되었을 때 상기 실드 케이블을 고정시키기 위한 수단을 더 구비함을 특징으로 한다.

상기 실드 케이블의 고정수단은, 상기 실드 케이블의 외주면에 상응하는 형상의 반원형 만곡부 및 이 만곡부의 양측단에 이어진 직선 연장부를 갖는 금속재 밴드이고, 상기 금속재 밴드의 연장부에는 홀이 가공되며, 소정의 고정부재를 이용하여 상기연장부에 가공된 홀을 통해 몸체에 실드 케이블을 고정시키는 것을 특징으로 한다.

상기 고정부재는 볼트(또는 리벳)이고, 볼트(또는 리벳) 체결 방식을 이용하여 실드 케이블을 몸체를 고정시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 볼트(또는 리벳) 체결을 위해 몸체에 구비된 홀과 연통되게 몸체의 일측면에 홀을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 극저온 냉각 배관에 설치되어 그 배관의 온도를 측정하는 온도센서 모듈에 관한 것으로, 하측이 상기 냉각배관과 결합될 수 있는 구조로 이루어지고, 일측면에 온도센서를 결합시키기 위한 센서결합공, 써멀 앵커링 보빈을 결합시키기 위한 앵커링 보빈 결합공, 보호캡을 결합시키기 위한 보호캡 결합공을 포함하는 다수의 홀이 구비되는 열전도율이 우수한 재질의 몸체; 상기 냉각배관의 온도를 측정하기 위한 것으로, 전체적으로 원기둥이고 상(上)에서 하(下)방향으로 홀(제 1 볼트 결합공)이 구비된 보빈 형상이며, 상기 제 1 볼트 결합공이 중심에서 소정 길이 벗어난 위치에 구비되고, 4개의 데이터선(리드선)을 가지며, 제 1 볼트 결합공을 통해 볼트 등을 이용하여 몸체에 구비된 센서 결합공에 결합되어 몸체에 고정되는 온도센서; 전체적으로 원기둥이고 측면에는 홈이 구비되며 중앙에 상(上)에서 하(下)방향으로 홀(제 2 볼트 결합공)이 구비된 보빈 형상으로, 상기 제 2 볼트 결합공을 통해 볼트 등을 이용하여 상기 몸체에 구비된 앵커링 보빈 결합공에 결합되고, 측면에 구비된 홈에 온도센서 리드선을 감음으로써 외부에서 온도센서쪽으로 전달되는 열을 감쇠시킬 수 있는 구조를 가지는 써멀 앵커링 보빈; 상기 몸체 상측에 위치하여 센서의 리드선과 실드케이블간 연결하기 위해 센서의 각 리드선이 접합이 이루어지는 PCB로 패터닝된 터미널; 및 상기 몸체 상측에 온도 센서, 써멀 앵커링 보빈 및 터미널을 포함한 각 부품들을 고정시킨 후, 그 고정된 부품들을 보호하고 외부의 열을 차단시키는 보호캡;을 포함하고, 상기 몸체 상측에 온도센서의 리드선과 연결되는 실드 케이블을 안착할 수 있는 홈을 구비하고, 상기 실드 케이블이 안착되었을 때 상기 실드 케이블을 고정시키기 위한 수단을 더 구비함을 특징으로 한다.

상기 실드 케이블의 고정수단은, 상기 실드 케이블의 외주면에 상응하는 형상의 반원형 만곡부 및 이 만곡부의 양측단에 이어진 직선 연장부를 갖는 금속재 밴드이고, 상기 금속재 밴드의 연장부에는 홀이 가공되며, 볼트(또는 리벳)를 이용하여 상기연장부에 가공된 홀을 통해 몸체에 실드 케이블을 고정시키는 것을 특징으로 한다.

효과
이상에서와 같이, 본 발명은 극저온 냉각 배관의 온도센서 모듈을 제공함으로써 피측정체(초전도자석 및 초전도 버스라인)의 냉각배관의 인입구 및 인출구의 온도를 측정, 분석하여 장치의 상태를 모니터링할 수 있다.
본고는 한국기초과학지원연구원 추용,김영옥,오영국의 발표자료를 요약한 것이다.