The current lead acts as dominant heat input source into superconducting system, by conduction through it and Joule heating within it. Even though the optimized current leads were often designed to minimize this heat inputs, the overloaded current lead is more efficient for pulse mode operation because it has less cross sectional area and less time-averaged heat input than optimized one. Since the overloaded current lead has its limitation by hot spot temperature, it is important to estimate the hot spot temperature for appropriate overloading factor in pulse mode operating current lead.
In this thesis, the transient numerical analysis is performed to estimate the hot spot temperature because the current lead is not steady but transient state in the pulse mode. Also, the present numerical modeling considers that there is temperature difference between the copper lead and the helium vapor flow and the heat is transferred by forced convection between them. Moreover, this numerical modeling is compensated and validated by the experiment with commercially available 100 A current leads. The numerical modeling in this thesis describes thermal characteristics of overloaded current leads more accurately than conventional steady state analysis. Proper design of overloaded current leads is suggested by indicating the appropriate overloading factor in the pulse mode operation.
증기 냉각 전류 도입선(Vapor Cooled Current Leads)은 보통 상온의 전원 공급 장치로부터 저온(4.2 K)의 초전도 자석에 전력을 공급해 주기 위해서 사용된다. 이러한 전류 도입선은 초전도 자석에 있어서 주요한 열 유입 손실로써 작용한다. 따라서, 열 유입 손실을 줄이기 위한 많은 연구가 수행되어 왔으며, 본 연구에서는 펄스 모드로 작동되는 전류 도입선에 대해 과도 특성을 고려하여 수치적 모델링을 수행하였다. 특히, 모델링에서 전류 도입선과 헬륨 가스 사이의 온도차에 의한 대류 열전달과 전류 도입선, 헬륨 가스의 온도에 따른 물성치의 변화를 고려하였다. 그리고 모델링에 의한 수치 해석 결과를 AMI 사의 100 A 전류 도입선에 대해서 수행한 실험 결과와 비교하였다.
위의 모델링을 바탕으로 오버로드 전류 도입선에 관한 시뮬레이션을 수행하였다. 수치 해석을 통해서 본 과도 특성을 고려한 모델링이 펄스 모드 작동 조건에서 기존의 정상 상태와 완벽한 열전달을 가정한 모델링에 비해 더 큰 오버로드 계수를 제시할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 모델링을 바탕으로 전류 도입선을 설계함으로써 펄스 모드 작동 조건에서 전류 도입선으로의 평균 열유입을 줄일 수 있었다. 그리고, 전류 도입선의 상온부를 냉각함으로써 오버로드 계수를 더 크게 할 수 있고 전류 도입선의 상온부 끝단의 온도가 펄스 모드 작동조건에서 오버로드 계수의 결정에 많은 영향을 줌을 수치해석을 통해서 확인하였다.
