KR100821378B1 - Superconductive magnet apparatus - Google Patents
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Abstract
정전이 발생하더라도 소정시간, 자기장발생을 계속할 수 있는 초전도 자석장치를 제공한다.Provided is a superconducting magnet device that can continue to generate a magnetic field for a predetermined time even if a power failure occurs.
배터리를 내장하여 정전발생시에 여자전원부(勵磁電源部)(10)에 있어서의 구성요소의 제어전원의 백업을 행하는 UPS장치(15)와, 여자전원부의 출력을 단락(短絡; short circuit)ㆍ개방하기 위한 스위치회로(18)와, UPS장치로부터 전력공급을 받아서 스위치회로를, 정전발생시에는 단락상태에 있는 한편, 복전(復電)시에는 개방상태로 하는 출력단락ㆍ해제회로(16)를 구비하였다.The UPS device 15 which has a built-in battery and backs up the control power of the components in the excitation power supply section 10 at the time of power failure, and the output of the excitation power supply section is short circuited. A switch circuit 18 for opening and an output short circuit / release circuit 16 for receiving a power supply from a UPS device, which are in a short circuit state when a power failure occurs and in an open state when a power failure occurs. Equipped.
배터리, 자기장, 초전도, 자석Battery, magnetic field, superconducting, magnet
Description
도 1은 본 발명에 의한 초전도 자석장치에 있어서의 여자전원부의 실시형태를 나타낸 구성도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a block diagram which shows embodiment of an excitation power supply part in the superconducting magnet apparatus by this invention.
도 2는 본 발명에 의한 초전도 자석장치 중 초전도 코일의 냉각장치의 구성을 나타낸 도면이다.2 is a view showing the configuration of a cooling device of the superconducting coil of the superconducting magnet device according to the present invention.
도 3은 도 1에 나타낸 전류제어부의 일례를 나타낸 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating an example of the current control unit illustrated in FIG. 1.
도 4는 종래의 초전도 자석장치에 있어서의 여자전원부의 구성을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating a configuration of an excitation power supply unit in a conventional superconducting magnet device.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
18 : 스위치회로18: switch circuit
20 : 냉각장치20: cooling device
21 : 진공단열용기21: vacuum insulation container
22 : 열복사 차폐용기22: heat radiation shielding container
23 : GM냉동기23: GM Refrigerator
24 : 전열판24: electric plate
25 : 실온공간25: room temperature space
26 : 보냉용기(保冷容器) 26: cold storage container (保 冷 容器)
27 : 공급관27 supply pipe
28 : 안전밸브28: safety valve
30 : 초전도 코일30: superconducting coil
본 발명은 초전도 자석장치에 관한 것이다.The present invention relates to a superconducting magnet device.
종래의 초전도 자석장치는, 초전도 코일과, 이 초전도 코일에 전력을 공급하기 위한 여자전원부(勵磁電源部)와, 초전도 코일을 냉각하기 위한 냉각장치를 구비하고 있다. 도 4에 종래의 상시(常時) 전원공급타입의 초전도 자석장치에 있어서의 여자전원부의 일례를 나타낸다. 초전도 코일(30)은, 여자전원부(40)로부터 전력을 공급받아 자기장을 발생한다. 여자전원부(40)는, 상용(商用) 전원으로부터의 전압을 소정의 전압치까지 강압(降壓)하기 위한 변압부(41)와, 변압부(41)로부터의 전압을 정류(整流)하기 위한 정류부(42)와, 초전도 코일(30)로의 전류를 제어하기 위한 전류제어부(40)로 이루어진다.The conventional superconducting magnet device includes a superconducting coil, an excitation power supply unit for supplying electric power to the superconducting coil, and a cooling device for cooling the superconducting coil. 4 shows an example of an excitation power supply unit in a conventional superconducting magnet device of a conventional power supply type. The
이와 같은 여자전원부(40)에 있어서, 정전이 발생한 경우에는, 냉각장치는 물론이고, 초전도 코일(30)로의 전력공급이 정지되며, 코일통전 전류는 급격하게 감소한다. 이 때문에, 초전도 코일(30)에 교류손실에 의한 열이 발생하고, 초전도 코일(30)에 quench현상(초전도체 또는 초전도기기가 초전도상태에서 상전도상태로 이전할 때의 제어불가능하고, 또한 불가역인 현상)이 발생한다. 이로 인하여, 코일 온도가 급상승하고, 정전이 복구되었다고 하더라도 냉각장치에 의해 코일온도가 통전가능한 온도로 내려갈 때까지의 시간(전형적인 예로 1일)은 초전도 코일(30)로의 통전을 할 수 없게 되어 버린다.In such an excitation
정전대책으로서, 여자전원부(40)와 냉각장치의 모든 전력을 조달하는 무정전전원(Uninterruptible Power System)(이하, UPS라고 약칭한다)장치를 설치하게 되면, 대(大)전력용량의 UPS장치가 필요하게 되고, 장치가 대형화되어 고가가 된다는 결점이 있다.As a countermeasure against power failure, if an uninterruptible power system (hereinafter abbreviated as UPS) is provided to supply all the power of the excitation
그래서, 본 발명의 과제는, 정전이 발생했다 하더라도 소정시간, 자기장발생을 계속할 수 있는 초전도 자석장치를 제공하는 것에 있다.Then, the subject of this invention is providing the superconducting magnet apparatus which can continue generating a magnetic field for a predetermined time even if a power failure occurs.
본 발명의 실시예에 의한 초전도 자석장치는, 여자전원부로부터 전력을 공급받는 초전도 코일을 냉동기에서 냉각하도록 한 초전도 자석장치에 있어서, 배터리를 내장하여 정전발생시에 상기 여자전원부에 있어서의 구성요소의 제어전원의 백업을 행하는 UPS장치와, 상기 여자전원부의 출력을 단락(短絡; short circuit)ㆍ개방하기 위한 스위치회로와, 상기 UPS장치로부터 전력공급을 받아서 상기 스위치회로를, 정전발생시에는 단락상태로 하는 한편, 복전(復電)시에는 개방상태로 하는 출력단락ㆍ해제회로를 구비하도록 구성된다.A superconducting magnet device according to an embodiment of the present invention is a superconducting magnet device that cools a superconducting coil supplied with power from an excitation power supply unit in a refrigerator, and includes a battery to control components in the excitation power supply unit when a power failure occurs. A UPS device for backing up the power supply, a short circuit for opening and shorting the output of the excitation power supply unit, and receiving the electric power supply from the UPS device to turn the switch circuit into a short circuit state when a power failure occurs. On the other hand, it is comprised so that the output short circuit and release circuit which will be in an open state at the time of power recovery may be provided.
본 초전도 자석장치의 다른 실시예에 의하면, 상기 초전도 코일이 진공단열용기에 수용되어서 상기 냉동기의 냉동스테이지와 열적으로 결합되어 있음으로써 냉각되는 것인 경우, 상기 진공단열용기 내에는 또한, 증발 잠열(潛熱; latent heat)에 의해 냉각을 행하는 냉각매체를 수용한 보냉용기(保冷容器)를 상기 초전도 코일과 열적으로 결합시키도록 배치하여 정전이 발생했을 때의 냉각을 행하도록 구성되어도 좋다.According to another embodiment of the present superconducting magnet device, when the superconducting coil is housed in a vacuum insulated container and cooled by being thermally coupled to the freezing stage of the refrigerator, the inside of the vacuum insulated container may further include a latent heat of evaporation ( A cold storage container containing a cooling medium for cooling by latent heat may be arranged to be thermally coupled with the superconducting coil so as to perform cooling when a power failure occurs.
본 초전도 자석장치의 또 다른 실시예에 있어서는, 상기 여자전원부는 전류제어부를 포함하고, 이 경우, 또한, 상기 스위치회로와 상기 초전도 코일 사이의 전원라인에 마련되어 상기 초전도 코일을 흐르는 전류를 검출하는 검출수단과, 상기 UPS장치로부터 전력공급을 받음과 더불어, 상기 검출수단에서 검출된 전류치를 받아, 상기 전류제어부에 있어서의 전류치를 상기 복전시에 검출된 전류치에 일치시키기 위한 복전시 전류제어회로가 구비된다.In still another embodiment of the present superconducting magnet device, the excitation power supply section includes a current control section, and in this case, the detection is provided on a power supply line between the switch circuit and the superconducting coil to detect a current flowing through the superconducting coil. And a current control circuit at the time of receiving power from the UPS device, receiving a current value detected by the detection means, and matching the current value in the current control unit with the current value detected at the time of restoration. do.
본 초전도 자석장치의 더욱더 다른 실시예에 의하면, 상기 다른 실시예와 상기 또 다른 실시예의 조합, 즉 상기 초전도 코일은 진공단열용기에 수용되어 상기 냉동기의 냉동스테이지와 열적으로 결합되어 있음으로써 냉각되고, 상기 진공단열용기 내에는 또한, 증발 잠열에 의해 냉각을 행하는 냉각매체를 수용한 보냉용기를 상기 초전도 코일과 열적으로 결합시키도록 배치하여 정전이 발생했을 때의 냉각을 행하도록 하고, 상기 여자전원부는 전류제어부를 포함하고, 또한, 상기 스위치회로와 상기 초전도 코일 사이의 전원라인에 마련되어서 상기 초전도 코일을 흐르는 전류를 검출하는 검출수단과, 상기 UPS장치로부터 전력공급을 받음과 더불어, 상기 검출수단에서 검출된 전류치를 받아, 상기 전류제어부에 있어서의 전류치를 상기 복전시에 검출된 전류치에 일치시키기 위한 복전시 전류제어회로를 구비한 것을 특징으로 하는 초전도 자석장치가 제공된다.According to still another embodiment of the present superconducting magnet device, a combination of the other embodiment and another embodiment, that is, the superconducting coil is cooled by being housed in a vacuum insulation container and thermally coupled to the freezing stage of the refrigerator, In the vacuum insulated container, a cold storage container containing a cooling medium for cooling by latent heat of evaporation is arranged to thermally couple with the superconducting coil to perform cooling in the event of a power failure. A detection means for detecting a current flowing through the superconducting coil by being provided in a power line between the switch circuit and the superconducting coil, receiving a power supply from the UPS device, Receives the detected current value and detects the current value in the current control unit at the time of restoration The superconducting magnet apparatus comprising the clothing exhibits the current-controlling circuit for matching a current value is provided.
그리고, 상기 어느 실시예에 있어서도, 상기 냉동기에는 스털링(sterling)냉동기, 펄스(pulse)냉동기, GM냉동기 중 하나를 사용하고, 상기 냉각매체에는 헬륨을 사용하는 것이 바람직하다.In any of the above embodiments, it is preferable to use one of a sterling refrigerator, a pulse refrigerator and a GM refrigerator for the refrigerator, and helium for the cooling medium.
도 1, 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시형태에 관하여 설명한다. 먼저, 도 2를 참조하여, 본 발명이 적용되는 상시 전원공급타입의 초전도 자석장치에 있어서의 초전도 코일(30)과 그 냉각장치(20)에 관하여 설명한다.With reference to FIG. 1, FIG. 2, embodiment of this invention is described. First, with reference to FIG. 2, the
냉각장치(20)는, 진공단열용기(21)와 그 내부에 배치된 열복사 차폐용기(22)를 가지고, 열복사 차폐용기(22) 내에 초전도 코일(30)이 배치된다. 진공단열용기(21) 내의 냉각은 극저온 냉동기, 예컨대 GM냉동기(23)(스털링냉동기, 펄스냉동기의 경우에도 같다)에 의해 행하여진다. 즉, GM냉동기(23)의 제1단 냉동스테이지가 열복사 차폐용기(22)의 일부에 열적으로 결합되고, 제2단 냉동스테이지가 전열판(24)에 열적으로 결합되어 있다. 초전도 코일(30)은 그 보빈(31)이 전열판(24)에 열적으로 결합되어 있다. 여기서, 초전도 코일(30)이나 열복사 차폐용기(22)의 지지구조에 관해서는 도시를 생략하였다.The
진공단열용기(21) 내에는 또한, 열복사 차폐용기(22)를 통하여 그 중심축부에 진공단열용기(21) 외부와 연이어 통하는 실온공간(25)이 형성되고, 실온공간(25) 내에서 초전도 코일(30)이 발생하는 강자장(强磁場)을 이용한다.In the vacuum insulated
진공단열용기(21)에는 또한, 전열판(24) 상에 액체헬륨을 저장하기 위한 보냉용기(26)를 배치하고 있다. 보냉용기(26)에는, 진공단열용기(21) 외부로부터 액 체헬륨 또는 가스헬륨을 공급하기 위한 공급관(27)과, 안전밸브(28)용 배관이 접속되어 있다. 가스헬륨이 공급되는 경우에는, 초전도 코일(30)의 초기냉각시에 함께 냉각되어 가스헬륨이 액화된다.In the
정전발생에 의해 냉각장치가 정지된 후의 진공단열용기(21) 안으로의 열침입분량을 보냉용기(26) 내의 액체헬륨의 증발 잠열로 흡수함으로써 초전도 코일(30)의 온도상승을 억제하는 것이 가능하다.It is possible to suppress the temperature rise of the
일반적으로, 냉각장치가 정지된 후의 초전도 코일(30)로의 침입열량은 수W 이하이다. 초전도 코일(30)의 교류손실에 의한 발열이 없는 것으로 가정하면, 십수분정도 이내의 정전, 냉각장치정지에 수반되는 침입열량을 흡수하기 위하여 필요한 액체헬륨의 양은, 수리터정도로 충분하다. 그리고, 보냉용기(26) 내에 수용된 액체헬륨은, 냉각장치가 운전되고 있는 상태에서는 증발하지는 않기 때문에, 운전중의 정기적인 보급은 필요없고, 정전이 끝나고 복전된 후의 보급으로 충분한다.In general, the heat input into the
다음으로, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 의한 여자전원부(10)에 관하여 설명한다. 여자전원부(10)는, 상용 전원으로부터의 전압을 소정의 전압치까지 강압(降壓)하기 위한 변압부(11)와, 변압부(11)로부터의 전압을 정류하기 위한 정류부(12)와, 초전도 코일(30)로의 전류를 제어하기 위한 전류제어부(13)에 더하여, 이하의 구성요소를 갖는다.Next, with reference to FIG. 1, the excitation
요컨대, 여자전원부(10)는, 초전도 코일(30)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류계(14), 배터리를 내장하고 변압부(11)에 접속된 UPS장치(15), UPS장치(15)에 접속된 출력단락ㆍ해제회로(16) 및 복전시 전류제어회로(17), 전류제어부(13)의 출 력라인 사이에 접속되고 출력단락ㆍ해제회로(16)에 의해 전류제어부(13)의 출력측을 단락하기 위한 스위치회로(18)를 갖는다.In other words, the excitation
UPS장치(15)는, 정전발생시에 여자전원부(10) 내부의 각 요소를 동작시키기 위한 것이기 때문에, 배터리용량은 상술한 종래기술의 UPS장치의 전력용량에 비하여 충분히 작은 것이 좋다. 출력단락ㆍ해제회로(16)는, 정전발생시에는 스위치회로(18)를 ON으로 하여 전류제어부(13)의 출력, 바꿔 말하면 초전도 코일(30)의 입력측을 단락하고, 복전시에는 스위치회로(18)를 OFF로 하여 전류제어부(13)의 출력측의 단락을 해제한다. 복전시 전류제어회로(17)는, 정전중에 초전도 코일(30)에 흐르는 전류치를 전류계(14)로부터 받아, 복전시의 전류제어부(13)에 있어서의 출력전류를, 복전시에 초전도 코일(30)에 흐르고 있던 전류치에 일치시킨다.Since the UPS
이하에, 보냉용기(26)의 액체헬륨 및 여자전원부(10)의 작용에 관하여 설명한다.The operation of the liquid helium and the excitation
통상상태(비(非)정전시)의 동작은, 이하와 같다.The operation in the normal state (non-power failure) is as follows.
⑴ 보냉용기(26)는 액체헬륨을 담은 상태에 있다.⑴
⑵ UPS장치(15)는 통상적인 전력공급상태에 있다.
⑶ 출력단락ㆍ해제회로(16)는, 스위치회로(18)를 개방상태로 하고 있다.(B) The output short /
한편, 정전발생 및 정전중의 동작은, 이하와 같다.On the other hand, operations during power failure and power failure are as follows.
⑷ UPS장치(15)는 변압부(11)의 전압이 소정치 이하가 되면, 내장된 배터리에 의한 백업상태에 들어간다.When the voltage of the
⑸ 출력단락ㆍ해제회로(16)는 UPS장치(15)로부터 공급되는 백업전력으로 가동되며, 변압부(11)의 출력이 없어지면 스위치회로(18)를 단락상태로 한다.(B) The output short circuit /
⑹ 정전중에는, 보냉용기(26) 내의 액체헬륨의 증발 잠열에 의해 코일온도의 상승이 억제된다.During the blackout, the increase in the coil temperature is suppressed by the latent heat of evaporation of the liquid helium in the
⑺ 복전시 전류제어회로(17)는, 여자전원부(10)에 있어서의 전류제어부(13)의 출력전류치를, 전류계(14)로부터 얻어진 전류치로 설정하도록 동작하고 있다.The
복전시의 동작은 이하와 같다.The operation at the time of restoration is as follows.
⑻ 정전이 복구되면, 복전시 전류제어회로(17)는, 여자전원부(10)에 있어서의 전류제어부(13)의 출력전류치를, 복전시에 얻어진 전류계(14)로부터의 전류치로 설정한다.When the power failure is restored, the
⑼ 출력단락ㆍ해제회로(16)는, 변압부(11)의 전압이 회복되면, 스위치회로(18)를 개방상태로 한다. 이로써, 전류제어부(13)로부터는 복전시에 초전도 코일(30)에 흐르고 있던 값과 동일 값의 전류가 초전도 코일(30)에 흐르게 되고, 통상의 상태로 돌아간다.⑼ The output short circuit /
⑽ UPS장치(15)는 변압부(11)의 전압이 회복되면, 상기 ⑵의 전력공급상태로 돌아간다.When the voltage of the
도 3에 부귀환형(負歸環型; negative feedback type) 전류제어부(13)의 기본구성의 일례를 나타낸다. 트랜지스터(Tr1)의 콜렉터가 정류부(12)에 접속되고, 에미터에는 전류검출용 저항기(R1)의 한쪽 끝이 접속되어 있다. 트랜지스터(Tr1)의 베이스에는 연산증폭기(OP1)의 출력이 접속되어 있다. 연산증폭기(OP1)의 반전입력단자에는 저항기(R1)의 한쪽 끝이 접속되어 있다. 저항기(R1)의 다른쪽 끝은 스위치회로(18)에 도달함과 동시에, 저항기(R2)를 통하여 연산증폭기(OP1)의 비(非)반전입력단자에 접속되어 있다. 저항기(R2)의 양단에는 복전시 전류제어회로(17)로부터의 신호전압(V)이 접속되어 있다. 다만, 본 회로는, 복전시 전류제어회로(17)와 전류제어부(13)의 접속관계의 일례를 설명하기 위한 필요최소한의 구성을 나타낸 것에 지나지 않는다.3 shows an example of the basic configuration of the negative feedback type
이상과 같이 하여, 본 형태의 초전도 자석장치에 의하면, 정전이 계속되고 있는 동안도 UPS장치(15)에 있어서의 배터리의 허용시간 내이면 초전도 코일(30)에 의한 자기장발생을 계속할 수 있다.As described above, according to the superconducting magnet device of this embodiment, the magnetic field generation by the
본 발명을 바람직한 실시형태를 예시하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 제한되는 것은 아니다. 즉, 상기 실시형태에서는, 전류계(14), UPS장치(15), 출력단락ㆍ해제회로(16), 복전시 전류제어회로(17), 스위치회로(18), 액체헬륨을 수용한 보냉용기(26)의 전부를 구비한 경우이다. 이것은, 정전의 계속시간이 십수분정도이어도 대응가능하고, 게다가 복전시의 초전도 코일(30)로의 전류공급을 안정되게 하기 위하여 필요한 구성이다. 그러나, 요구되는 사양이, 몇초와 같은 단시간의 정전에만 대응가능하면 되는 것과 같은 경우에는, UPS장치(15)와 출력단락ㆍ해제회로(16) 및 스위치회로(18)를 구비하는 것만으로 좋다. 즉, 몇초정도의 정전인 경우에는, 스위치회로(18)에 의해 초전도 코일(30)의 전류경로를 폐(閉)루프(loop)로 하여 전류를 순환시키도록 하면 좋다. Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. That is, in the above embodiment, the cold storage container in which the
혹은 또한, 복전시의 초전도 코일(30)로의 전류공급의 안정화를 무시할 수 있는 경우, UPS장치(15), 출력단락ㆍ해제회로(16), 스위치회로(18), 액체헬륨을 수 용한 보냉용기(26)만을 구비한 구성이어도 좋다.Alternatively, if the stabilization of the current supply to the
본 발명에 의한 초전도 자석장치는, 정전에 의해 여자전원부로의 전력공급이 없어지고, 냉각장치가 정지된 경우이더라도, 소정의 시간 내에는 초전도 코일에 의한 자기장발생을 계속할 수 있다.The superconducting magnet device according to the present invention can continue to generate a magnetic field by the superconducting coil within a predetermined time even when the power supply to the exciting power supply unit is lost due to a power failure and the cooling device is stopped.
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