KR100819454B1 - 영구전류 스위치 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구전류 스위치 구조에 관한 것으로, 초전도 선재에서 스위치로 사용될 부분을 슬리팅하고, 상기 슬리팅된 스위치를 이용하여 전류의 흐름을 제어하여 상기 초전도 선재의 초전도와 상전도 전이를 쉽게 하는 영구전류 스위치 구조에 관한 것이다.

초전도 선재(10)의 일측끝단부 E1에서 E2까지 및 E3에서 E4까지 각각 길이방향으로 슬리팅(S)되고, 슬리팅(S)되지 않은 E2에서 E3까지의 좌우측에는 상기 E2에서 E3까지의 길이보다 길게 각각 슬리팅(S1,S2)되는 스위치부(15)를 형성한다.

따라서, 본 발명은 초전도 선재의 전류 흐름을 제어하여 초전도와 상전도 전이를 쉽게 하도록 상기 초전도 선재 일측단에 스위치로 사용될 부분을 슬리팅 형성하고, 상기와 같이 형성되는 스위치를 이용한 초전도 선재는 적은 열을 가하여도 쉽게 초전도 상태에서 상전도 상태로 전이되므로 실제적으로 사용함에 있어서 냉각시스템에 가하는 열부하를 줄이고, 초전도 스위치 부분의 위치를 쉽게 조절할 수 있는 효과가 있다.

초전도 선재, 스위치, 초전도, 상전도, 전이

Description

영구전류 스위치 구조{Structure of Persistent current switch}

도 1은 종래의 영구전류용 초전도자석의 실시예.

도 2는 본 발명에 따른 영구전류 스위치를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 영구전류 스위치의 초전도 전류 인가순서를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 다양한 형상의 영구전류 스위치를 나타낸 예시도.

도 5는 본 발명에 따른 Double Pancake 코일을 위한 쐐기형 타입의 영구전류 스위치를 나타낸 예시도.

도 6은 본 발명에 따른 영구전류 스위치의 실시예.

도 7은 본 발명에 따른 다수의 영구전류 스위치를 이용한 실시예.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 초전도 선재 11,12 : 접합부

15 : 스위치부 22,25 : 보빈

40 : 전원공급장치 70 : 저온조

본 발명은 영구전류 스위치 구조에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 초전도 선재에서 스위치로 사용될 부분을 슬리팅하고, 상기 슬리팅된 스위치를 이용하여 전류의 흐름을 제어하여 상기 초전도 선재의 초전도와 상전도 전이를 쉽게 하는 영구전류 스위치 구조에 관한 것이다.

초전도 현상은 물질의 온도를 낮추었을 때 물질의 저항이 사라지는 것을 말하며, 초전도 현상을 나타내는 물질을 사용하면 열을 발생시키지 않으면서 전기를 흘릴 수 있어 에너지 손실이 없는데, 상기와 같은 물질을 초전도체라 한다. 상기 초전도체는 초전도 전이온도(Tc) 이하와 임계자장(Hc) 이하에서만 저항이 없이 전류를 흘릴수 있고, 이때 저항이 없이 흘릴 수 있는 최대 통전전류밀도인 임계전류밀도(Jc)가 존재한다.

상기 초전도체를 응용하는데 있어 선 혹은 테이프 형태로 가공하여 높은 자장을 생성시키는 초전도 전자석에 널리 사용되고 있다. 상기 전자석은 선재를 여러 기하학적 형태의 코일로 권선하여 제작되며, 선재를 통해 전류를 흘리면 자장이 코일로부터 발생하게 되는데, 선재가 초전도체이면 저항에 의한 전력 손실이 발생하지 않는다.

상기 초전도 자석은 MRI(Magnetic Resonance Imaging)와 NMR(Nuclear Magnetic Resonance)의 Spectroscopy 등에 사용되며, 상기 장비가 규정된 특성을 발휘하기 위해서는 일정하고 안정한 자장상태가 요구되는데, 초전도 코일을 이루는 끝이 서로 초전도 접합되어 영구전류 모드의 폐회로가 형성되어야 한다. 이상적인 초전도 접합이 이루어지면 자석이나 접합부에서 전기저항에 의한 에너지 손실 없이 통전 전류가 흐를 수 있고, 자석에서 생성되는 자장이 일정하게 유지되어, 초전도 자석은 원하는 자장을 일정하고 안정적으로 유지하는 영구전류 모드로 된다.

도 1은 종래의 영구전류용 초전도자석의 실시예로써, 도 1(a)는 제1선재(10a)와 제2선재(10b)로 슬리팅(S)된 초전도 선재(10)를 도시하고 있으며, 도 1(b)는 상기 초전도 선재(10)의 제1선재(10a)와 제2선재(10b)를 각각 보빈(25)에 권선하고, 일단부에는 전원공급장치(40)에서 공급되는 전류(i)를 전류인입용 전선(41)으로 연결한다. 초전도자석 전체를 냉각시켜 초전도 선재(10)를 초전도상태가 되게 한다음 히터장치(50)에 의해 도면부호 60번 부분을 가열하면 이 부분이 초전도 상태에서 상전도 상태로 바뀌게 되며, 이 상태에서의 전원공급장치(40)에서 공급되는 전류(i)는 제1선재(10a)와 제2선재(10b)를 따라 흐르게 되고, 보빈(25)에 자기장이 발생된다. 이때 히터장치(50)를 차단하면 도면부호 60번 부분이 상전도에서 초전도로 바뀌게 되어 두개의 코일을 구성하는 초전도 선재(10)는 폐회로를 이루게 되고, 상기 전원공급장치(40)의 전원을 차단하게 되더라도, 상기 두개로 형성된 초전도 선재(10)는 저항성분이 없으므로, 외부에서 공급되는 더 이상의 전류(i)가 없어도 전류(i)는 계속 흐르게 되는 영구전류 모드가 되고 자기장이 계속 유지되게 된다.

도 1(c)는 전류(i)의 흐름을 나타낸 도면으로써, 히터장치로 ㉴부분을 가열하게 되면 ㉴부분은 상전도 상태가 되고, 공급되는 전원공급장치에 의해 ㉯,㉰,㉱,㉲,㉳부분은 초전도 상태가 되는데, 이때 전류(i) 흐름은 ㉮→㉯→㉰→㉱→㉲→㉳ →㉵가 되고, 상기 ㉴부분의 가열을 제거하면 ㉴부분은 초전도 상태가 되어 초전도 루프(Loop)가 형성되어 전류(i)가 ㉯→㉰→㉱→㉲→㉳→㉴로 계속 유지되며, 초전도 상태가 된 후에는 전원을 차단하여도 저항이 없으므로 초전도 전류가 계속 흐르게 되며 자기장이 안정되게 유지된다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술은 초전도 선재(10) 일측 끝단부 전체를 히터장치(50)로 가열시킴에 따른 냉매 손실이 발생되고, 상기 초전도 선재(10)의 끝단부가 슬리팅 되지 않아 전원공급장치(40)와 연결함에 있어서도 어려움이 따르게 된다.

종래기술과 본원발명은 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 초전도 선재의 전류 흐름을 제어하여 초전도와 상전도 전이를 쉽게 하도록 상기 초전도 선재 일측단에 스위치로 사용될 부분을 슬리팅 형성하고, 상기와 같이 형성되는 스위치를 이용한 초전도 선재는 적은 열을 가하여도 쉽게 초전도 상태에서 상전도 상태로 전이되므로 실제적으로 사용함에 있어서 냉각시스템에 가하는 열부하를 줄이고, 초전도 스위치 부분의 위치를 쉽게 조절할 수 있는 영구전류 스위치 구조에 관한 것이다.

목적을 달성하기 위한 구성으로는,

초전도 선재의 일측끝단부 E1에서 E2까지 및 E3에서 E4까지 각각 길이방향으 로 슬리팅되고, 슬리팅되지 않은 E2에서 E3까지의 좌우측에는 상기 E2에서 E3까지의 길이보다 길게 각각 슬리팅되는 스위치부를 형성한다.

목적을 달성하기 위한 제어방법으로는 일측끝단부 E1에서 E2까지 및 E3에서 E4까지 각각 길이방향으로 슬리팅되고, 슬리팅되지 않은 E2에서 E3까지의 좌우측에는 상기 E2에서 E3까지의 길이보다 길게 각각 슬리팅되어 스위치부를 형성하는 초전도 선재를 냉매에 투입시키는 공정과; 상기 냉매에 투입된 초전도 선재의 스위치부를 가열 또는 냉매에서 격리시켜 상전도 상태가 되도록 하는 공정과; 상기 초전도 선재의 슬리팅된 E1부에 전원을 공급하여 초전도 선재 전체에 전류가 흐르는 공정과; 상기 초전도 선재의 스위치부의 가열을 중단 또는 냉매에 재투입하는 공정과; 상기 초전도 선재의 전원 공급을 차단하여 초전도 선재 자체가 영구전류 상태가 되어 자기장이 유지되는 공정을 포함한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 상전도 상태의 S20 공정에서의 전류 흐름은 전원공급부→초전도 선재의 ①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→전원공급부로 흐른다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 전원 공급을 차단하여 자기장이 유지되는 S50 공정에서의 전류 흐름은 초전도 선재의 ③→④→⑤→⑧→⑨→⑩으로 흐른다.

도 2는 본 발명에 따른 영구전류 스위치를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 영구전류 스위치의 초전도 전류 인가순서를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 다양한 형상의 영구전류 스위치를 나타낸 예시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 Double Pancake 코일을 위한 쐐기형 타입의 영구전류 스위치를 나타낸 예 시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 영구전류 스위치의 실시예이고, 도 7은 본 발명에 따른 다수의 영구전류 스위치를 이용한 실시예이다.

이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 영구전류 스위치를 나타낸 도면으로써, 초전도 선재(10)의 일측끝단부 E1에서 E2까지 및 E3에서 E4까지 각각 길이방향으로 슬리팅(S)되고, 슬리팅(S)되지 않은 E2에서 E3까지의 좌우측에는 상기 E2에서 E3까지의 길이보다 길게 각각 슬리팅(S1,S2)되는 스위치부(15)를 형성한다.

영구전류 스위치의 제어방법으로는 상기 일측끝단부 E1에서 E2까지 및 E3에서 E4까지 각각 길이방향으로 슬리팅(S)되고, 슬리팅(S)되지 않은 E2에서 E3까지의 좌우측에는 상기 E2에서 E3까지의 길이보다 길게 각각 슬리팅(S1,S2)되어 스위치부(15)를 형성하는 초전도 선재(10)를 저온조(70)의 냉매에 투입시키고(S10 공정), 상기 냉매에 투입된 초전도 선재(10)의 스위치부(15)를 가열 또는 냉매에서 격리시켜 상전도 상태가 되도록 하고(S20 공정), 상기 초전도 선재(10)의 슬리팅(S)된 E1부에 전원을 공급하여 초전도 선재(10) 전체에 전류가 흐르고(S30 공정), 상기 초전도 선재(10)의 스위치부(15)의 가열을 중단 또는 냉매에 재투입하고(S40 공정), 상기 초전도 선재(10)의 전원 공급을 차단하여 초전도 선재(10) 자체가 영구전류 상태가 되어 자기장이 유지된다(S50 공정).

도 3은 본 발명의 영구전류 스위치의 초전도 전류 인가순서를 나타낸 도면으로써, 상기 상전도 상태의 S20 공정에서의 전류 흐름은 전원공급부(40)→초전도 선재(10)의 ①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→전원공급부(40)로 흐르게 되고, 상기 전원 공급을 차단하여 자기장이 유지되는 S50 공정에서의 전류 흐름은 초전도 선재(10)의 ③→④→⑤→⑧→⑨→⑩으로 흐르게 되어 자기장이 유지된다.

도 4는 본 발명의 따른 다양한 형상의 영구전류 스위치를 나타낸 예시도로써, 도 4(a) 내지 도 4(d)는 초전도 선재(10)의 선폭을 넓게하여 슬리팅(S,S1,S2)되는 위치와 넓이에 따라 선재(10a,10b,10c,10d,10e,10f)를 다수개로 형성하고, 스위치부(15)의 위치에 따라 다양한 형상의 초전도 선재(10)를 제작할 수 있으며, 그에따른 전류(i)의 흐름은 폐루프 방향으로 흐르게 된다.

도 5는 본 발명의 Double Pancake 코일을 위한 쐐기형 타입의 영구전류 스위치를 나타낸 예시도로써, 도 5(a)와 도 5(b)와 같이 슬리팅(S,S1,S2)되는 단일형상의 초전도 선재(10)로도 제작할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 영구전류 스위치의 실시예로써, 상기 도 2와 같이 형성되는 초전도 선재(10a,10b)의 중간부 일측에 보빈(25)을 각각 구비하여 일방향으로 초전도 선재(10a,10b)를 감게 되는데, 이때 자기장(B,B′)은 서로 반대방향이 되며, 상기와 같이 권선된 보빈(25) 중 어느 하나의 보빈(25)을 상하부 위치를 뒤집어 최종적으로 도 6과 같이 팬케익 코일(Pancake Coil)로 만들게 됨으로써 서로 동일한 방향의 자기장(B,B′)을 발생하게 된다.

초전도 선재(10)의 스위치부(15)가 형성된 일측 끝단부에는 접합부(11,12)를 각각 형성하여 전원공급부(40)와 연결된다.

도 7은 다수의 구성에 따른 영구전류 스위치를 이용한 실시예로써, 상기 초전도 선재(10)의 폭에 따라 다수의 선으로 분할할 때 저항 없이 영구전류가 흐를 수 있도록 만들 수 있으며, 상기 다수의 팬케익 코일(Pancake Coil)의 제조과정은 역시 상기 도 6과 동일하다.

본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 초전도 선재의 전류 흐름을 제어하여 초전도와 상전도 전이를 쉽게 하도록 상기 초전도 선재 일측단에 스위치로 사용될 부분을 슬리팅 형성하고, 상기와 같이 형성되는 스위치를 이용한 초전도 선재는 적은 열을 가하여도 쉽게 초전도 상태에서 상전도 상태로 전이되므로 실제적으로 사용함에 있어서 냉각시스템에 가하는 열부하를 줄이고, 초전도 스위치 부분의 위치를 쉽게 조절할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 영구전류 스위치의 구조에 있어서,

   초전도 선재(10)의 일측끝단부 E1에서 E2까지 및 E3에서 E4까지 각각 길이방향으로 슬리팅(S)되고, 슬리팅(S)되지 않은 E2에서 E3까지의 좌우측에는 상기 E2에서 E3까지의 길이보다 길게 각각 슬리팅(S1,S2)되는 스위치부(15)를 형성하는 것을 특징으로 하는 영구전류 스위치의 구조.
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