KR101205816B1 - 극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템 - Google Patents

극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 써멀링크를 통해 초전도 자석에 대한 극저온 냉동기의 냉각효율을 극대화시킬 수 있는 초전도 자석 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템은, 자기장을 생성하는 초전도 자석; 상기 초전도 자석의 외부를 둘러싸며 열전도성 물질로 이루어지는 열전도체; 상기 초전도 자석을 극저온으로 냉각하도록 상기 열전도체와 열교환하는 극저온 냉동기; 상기 열전도체와 선택적으로 접촉하여, 상기 극저온 냉동기와 열전도체 사이의 열교환을 유도하는 써멀 링크; 및 상기 초전도 자석으로 유입되는 복사열 전달을 차단하는 복사쉴드를 포함한다.

Description

극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템 {SUPERCONDUCTING MAGNET SYSTEM USING CRYOGENIC REFRIGERATOR}
본 발명은 극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 써멀링크를 통해 초전도 자석에 대한 극저온 냉동기의 냉각효율을 극대화시킬 수 있는 초전도 자석 시스템에 관한 것이다.
초전도 현상은 초전도체를 임계온도 이하의 극저온으로 냉각할 때 나타나는 현상으로, 일반적으로 초전도 자석을 실현하기 위해 액체 헬륨이나 액체 질소와 같은 극저온 유체를 초전도 자석의 주변으로 순환시켜서 초전도 자석을 극저온 상태를 유지시킨다.
그러나, 냉매로 사용되는 액체 헬륨이나 액체 질소의 경우, 냉각에 소모되는 양만큼 다시 저장조에 보충해야 하는 불편함이 있으며, 헬륨 또는 질소 등이 순환하면서, N2, O2, CO2, 가스 등의 불순물이 생성되어 누적되므로, 상기 불순물을 제거하기 위해 주기적으로 냉각장치를 유지 보수해야 할 필요성이 발생한다.
근래에는, 액체 헬륨이나 액체 질소와 같은 극저온 유체를 초전도 자석의 주변으로 순환시키는 방법 대신 흡열원(heat sink)으로 극저온 냉동기를 채용하여 금속의 열전도성을 이용함으로써 초전도 자석을 냉각하는 전도냉각 방식이 도입되고 있다. 그러나, 상기 극저온 냉동기를 효율적으로 제어하여 초전도 자석을 냉각하는 방법에 대해서는 더 많은 연구가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 극저온 냉동기와 열전도체를 선택적으로 연결시킴으로써, 초전도 자석의 초기냉각 시간을 단축시킬 수 있는 초전도 자석 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 1단 냉동부의 냉각용량과 2단 냉동부의 냉각용량이 동시에 초전도 자석에 적용되도록 제어함으로써 초전도 자석의 냉동효율을 증가시킬 수 있는 초전도 자석 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템은, 자기장을 생성하는 초전도 자석; 상기 초전도 자석의 외부를 둘러싸며 열전도성 물질로 이루어지는 열전도체; 상기 초전도 자석을 극저온으로 냉각하도록 상기 열전도체와 열교환하는 극저온 냉동기; 상기 열전도체와 선택적으로 접촉하여, 상기 극저온 냉동기와 열전도체 사이의 열교환을 유도하는 써멀 링크; 및 상기 초전도 자석으로 유입되는 복사열 전달을 차단하는 복사쉴드를 포함한다.
상기 극저온 냉동기는, 상기 복사쉴드에 열적으로 연결되는 1단 냉동부; 및 상기 열전도체에 연결되며, 상기 1단 냉동부보다 상대적으로 낮은 온도로 상기 초전도 자석을 냉각시키는 2단 냉동부를 포함할 수 있다.
상기 써멀링크는, 상기 열전도체의 외면에 접하며 열전도성을 갖는 고정자; 및 상기 고정자에 선택적으로 접촉가능하고, 상기 복사쉴드와 열적으로 연결되는 이동자를 포함하며, 초기 냉각시, 상기 1단 냉동부의 온도가 상기 초전도 자석의 온도보다 저온인 경우, 상기 이동자가 상기 고정자에 삽입되어 접촉하고, 상기 1단 냉동부의 온도가 상기 초전도 자석의 온도보다 고온인 경우, 상기 이동자가 상기 고정자로부터 이탈될 수 있다.
상기 고정자는 상기 이동자와의 열적 접촉을 극대화하여 접촉저항을 최소화하도록 내부에 스프링루버를 구비할 수 있다.
상기 써멀링크는, 상기 이동자의 일단에 결합하여 길이방향으로 연장하는 링크; 및 상기 링크의 말단에 연결되며, 지렛대 작용을 통해 상기 링크 및 이동자의 이동을 제어하는 레버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 초전도 자석 시스템은 극저온 냉동기와 열전도체를 선택적으로 연결하여, 초전도 자석의 초기냉각 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 초전도 자석 시스템은 극저온 냉동기를 구성하는 1단 냉동부의 냉각용량과 2단 냉동부의 냉각용량이 동시에 초전도 자석에 적용되도록 제어함으로써 초전도 자석의 냉동효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 자석 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 복사쉴드와 초전도 자석의 초기냉각 곡선을 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 자석 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 초전도 자석 시스템은 초전도 자석(10), 극저온 냉동기(11), 진공용기(12), 복사쉴드(13), 열전도체(14) 및 써멀링크(15)를 포함한다.
초전도 자석(10)은 초전도 선재를 이용하여 제조되며, 극저온으로 냉각시 초전도 특성을 나타낸다.
극저온 냉동기(11)는 초전도 자석(10)을 극저온으로 냉각하기 위해 열전도체(14)와 열교환하며, 극저온 냉동기(11)의 냉각용량에 따라 초전도 자석(10)이 극저온으로 냉각된다. 극저온 냉동기(11)는 2단으로 구성될 수 있으며, 1단 냉동부(11a)와 2단 냉동부(11b)가 극저온 냉동기(11)의 길이방향을 따라 상하로 배치될 수 있다.
1단 냉동부(11a)는 복사쉴드(13)와 열적으로 연결되며, 상온에서 초전도 자석(10)으로 유입되는 복사열 전달을 차단시킨다. 2단 냉동부(11b)는 열전도체(14)에 연결되며, 1단 냉동부(11a)보다 상대적으로 낮은 온도, 예를 들어, 4K로 상기 초전도 자석(10)을 냉각시킨다. 여기서, 극저온 냉동기(11)의 1단 및 2단 냉동부(11a, 11b)는 자기장 내에서 냉각성능이 저하되므로, 자기장을 생성하고 있는 초전도 자석(10)으로부터 소정 거리 이상 이격되어야 한다.
진공용기(12)는 1단 냉동부(11a), 2단 냉동부(11b), 복사쉴드(13), 열전도체(14) 등을 내부에 장착하며, 써멀링크(15)의 링크(17)가 상하로 이동할 수 있도록 소정 영역에 개구가 형성된다.
복사쉴드(13)는 극저온 냉동기(11)의 1단 냉동부(11a)와 열적으로 연결되며, 1단 냉동부(11a)와의 열교환을 통해 초전도 자석(10)으로 유입되는 복사열 전달을 차단한다.
열전도체(14)는 초전도 자석(10)의 외부를 둘러싸며 열전도성 물질로 이루어진다. 이에 따라, 2단 냉동부(11b)와 열교환을 통해 초전도 자석(10)의 냉각 상태를 유지시킨다.
써멀링크(15)는 열전도체(14)와 선택적으로 접촉하여, 극저온 냉동기(11)와 열전도체(14) 사이의 열교환을 유도한다.
써멀링크(15)의 구조에 대한 설명에 앞서 우선 복사쉴드(13)와 초전도 자석(10)의 초기냉각 곡선을 도시한 도 2를 살펴본다.
도 2를 참조하면, 1단 및 2단 냉동부(11a, 11b)를 구비한 극저온 냉동기(11)를 이용하여 초전도 자석(10)을 냉각 시, 극저온 냉동기(11)의 특성으로 인해 1단 냉동부(11a)에 연결되어 있는 복사쉴드(13)의 온도가 먼저 하락하여, 약 40K 부근에서 정상화가 이루어진다. 한편, 2단 냉동부(11b)에 연결되어 있는 초전도 자석(10)은 복사쉴드(13)가 정상화된 이후에도 계속 온도가 하락하여 약 4K 부근에 도달한다. 이는 1단 냉동부(11a)의 냉각용량이 약 40K에 맞춰져 있고, 2단 냉동부(11b)의 냉각용량은 약 4K에 맞춰져 있기 때문이다.
상기와 같이 초전도 자석(10)의 온도가 상온에서 4K까지 떨어지는 시간을 초기냉각 시간이라 하며, 40K 부근까지 1단 냉동부(11a)와 2단 냉동부(11b)의 냉각용량을 같이 사용하면, 초전도 자석(10)의 초기냉각 시간을 단축시킬 수 있다.
초전도 자석(10)의 초기냉각 시간 단축을 위해 본 발명의 써멀링크(15)는 선택적으로 1단 냉동부(11a)와 열전도체(14)를 연결시킨다.
구체적으로, 써멀링크(15)는, 열전도체(14)의 외면에 접하며 열전도성을 갖는 고정자(15b)와, 고정자(15b)에 선택적으로 접촉가능하고, 복사쉴드(13)와 열적으로 연결되는 이동자(15a)를 구비한다. 초전도 자석(10)의 초기 냉각시, 1단 냉동부(11a)의 온도가 초전도 자석(10)의 온도보다 저온인 경우, 이동자(15a)가 고정자(15b)에 삽입되어 접촉하고, 1단 냉동부(11a)의 온도가 초전도 자석(10)의 온도보다 고온인 경우, 이동자(15a)가 고정자(15b)로부터 이탈하도록 제어된다.
여기서, 이동자(15a)와 복사쉴드(13)는 열전도성 탄성 재료에 의해 연결될 수 있으며, 이동자(15a)가 고정자(15b)에 삽입되면, 차례로 1단 냉동부(11a), 복사쉴드(13), 열전도성 탄성 재료, 이동자(15a), 고정자(15b), 열전도체(14), 초전도 자석(10)이 열적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 1단 냉동부(11a) 및 2단 냉동부(11b)의 냉각용량이 초전도 자석(10)에 동시에 적용될 수 있다.
또한, 써멀링크(15)의 고정자(15b) 내부에는 이동자(15a)와의 열적 접촉을 극대화하여 접촉저항을 최소화하도록 스프링루버(16)가 구비될 수 있다.
한편, 써멀링크(15)는 이동자(15a)의 일단에 결합하여 길이방향으로 연장하는 링크(17)와, 링크(17)의 말단에 연결되며 지렛대 작용을 통해 링크(17) 및 이동자(15a)의 이동을 제어하는 레버(18)를 더 포함할 수 있다. 링크(17)는 열전도도가 낮은 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 주름관(19)의 내부에서 상하로 이동할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 초전도 자석
11: 극저온 냉동기
11a: 1단 냉동부
11b: 2단 냉동부
12: 진공용기
13: 복사쉴드
14: 열전도체
15: 써멀링크
15a: 이동자
15b: 고정자
16: 스프링루버
17: 링크
18: 레버
19: 주름관

Claims (5)

  1. 자기장을 생성하는 초전도 자석;
    상기 초전도 자석의 외부를 둘러싸며 열전도성 물질로 이루어지는 열전도체;
    상기 열전도체를 둘러싸며 상기 초전도 자석으로 유입되는 복사열 전달을 차단하는 복사쉴드;
    상기 복사쉴드에 열적으로 연결되어 상기 초전도 자석을 냉각시키는 1단 냉동부; 및 상기 열전도체와 열적으로 연결되며 상기 1단 냉동부보다 낮은 온도로 상기 초전도 자석을 냉각시키는 2단 냉동부;를 포함하는 극저온 냉동기;
    상기 열전도체의 외면과 열적으로 연결되는 고정자; 상기 고정자를 통해 상기 열전도체와 선택적으로 접촉하며, 상기 복사쉴드와 열적으로 연결되는 이동자; 상기 이동자의 일단에 결합하여 길이방향으로 연장하는 링크; 및 상기 링크의 말단에 연결되며, 지렛대 작용을 통해 상기 링크 및 이동자의 이동을 제어하는 레버;를 포함하는 써멀 링크; 및
    상기 이동자와 상기 복사쉴드를 열적으로 연결하는 열전도성 탄성재료;를 포함하며,
    상기 초전도 자석의 온도가 상기 1단 냉동부의 온도보다 고온인 경우, 상기 이동자는 상기 고정자에 접촉하여 상기 1단 냉동부와 상기 2단 냉동부의 냉각열을 동시에 상기 초전도 자석으로 전도하며, 상기 초전도 자석의 온도가 상기 1단 냉동부의 온도보다 저온인 경우, 상기 이동자는 상기 고정자로부터 이탈하여 상기 2단 냉동부의 냉각열을 상기 초전도 자석으로 전도하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 극저온 냉동기는,
    상기 써멀 링크의 링크는 열전도도가 낮은 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 써멀링크의 링크와 이동자는 상하로 이동하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자는 상기 이동자와의 열적 접촉을 극대화하여 접촉저항을 최소화하도록 내부에 스프링루버를 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기를 이용한 초전도 자석 시스템.
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