KR101467343B1 - 초전도 전자석용 전류도입선의 전도열 침입방지를 위한 스위치장치 - Google Patents

초전도 전자석용 전류도입선의 전도열 침입방지를 위한 스위치장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 전자석용 전류도입선을 통하여 전도열이 초전도 코일로 전달되는 것을 방지할 수 있는 전도열 침입방지를 위한 스위치장치에 관한 것으로, 외부전원으로부터 챔버(30) 내에 마련된 초전도 코일(10)에 전류를 공급하기 위하여 상전도 전류도입선(21)과 초전도 전류도입선(22)으로 이루어진 전류도입선(20)에 마련되는 스위치장치(100)로서, 초전도 부재(111)와, 이 초전도 부재(112)와 접합된 자성 부재(112)로 이루어져, 서로 이격되어 위치하는 상전도 전류도입선(21)과 초전도 전류도입선(22) 사이에 마련되는 접촉편(110)과; 상기 접촉편(110)과 대향하여 마련되어 여자전류에 의해 상기 상전도 전류도입선(21)과 초전도 전류도입선(22)이 단락이 이루어지도록 상기 접촉편(110)을 구동하기 위한 구동전자석(120)과; 상기 접촉편(110)을 원위치로 복귀될 수 있도록 복원력을 제공하기 위한 복원수단으로 이루어져, 전류도입선을 통한 전도열을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

초전도 전자석용 전류도입선의 전도열 침입방지를 위한 스위치장치{Switch device for protecting thermal-conduction of current leads for superconducting electromagnet}
본 발명은 초전도 전자석에 관한 것으로, 특히 초전도 전자석용 전류도입선을 통하여 전도열이 초전도 코일로 전달되는 것을 방지할 수 있는 전도열 침입방지를 위한 스위치장치에 관한 것이다.
초전도 전자석은 종래의 상전도 전자석보다 강한 자기장을 만들 수 있는 전자석으로서, 자기공명장치(MRI)나 자기부상열차의 부상전자석에 주로 이용된다.
도 1을 참고하면, 초전도 전자석은 크게 초전도 코일(10), 전류도입선(20), 챔버(30)로 구성된다.
초전도 코일(10)은 전류도입선을 통해 챔버(30) 외부의 전원장치로 부터 전류를 공급받아 자기장을 발생시킨다.
전류도입선(20)은 +, - 로 2 세트(set)가 설치되며, 초전도 코일에 목표로 하는 전류가 흐르는 상태에서 적절히 설계된 스위치 장치로 코일 양단을 단락시켜 폐 루프로 상태로 만들게 되는데, 초전도 코일의 전기저항이 0 이기 때문에 초전도 코일에는 외부 전원의 공급 없이도 계속적으로 전류가 흐르게 되며, 이러한 초전도 코일의 운전방법을 영구전류모드 운전이라 한다.
챔버(30)는 스테인레스 또는 복합소재 재질로 제작되며, 초전도 코일이 극저온 상태를 유지할 수 있도록 외부로부터 열침입을 최소화 할 수 있도록 설계된다.
초전도 코일로의 열침입 경로는 공기에 의한 대류, 우주 복사선에 의한 복사열전달, 금속에 의한 전도의 3가지가 있다.
대류에 의한 열침입을 억제 위해서 챔버(30)는 내조(31)와 외조(32)로 구성된 2중층으로 제작하고, 그 사이는 진공을 형성하여 챔버의 내부와 외부 사이에서 공기에 의한 열전도를 방지할 수 있다.
복사에 의한 열침입을 억제하기 위하여 초전도 코일(10) 주변에 복사선을 반사시킬 수 있는 복사 쉴드(Shield)(40)를 감쌀 수 있다.
한편, 전도에 의한 열침입은 대부분 전류도입선(20)에 의해 발생한다.
전류도입선은 전류의 원활한 통전을 위하여 구리 또는 알루미늄 도체로 만들어져 있으며 한쪽편이 냉각조의 외부에 노출되어 있기 때문에 외부로부터 열이 열전도가 좋은 구리 또는 알루미늄을 통해 초전도 코일로 침입하게 된다. 또한 전류가 흐를 경우 전류도입선 자체에서 주울(Joule) 열이 발생하여 초전도 코일로 전도되게 된다.
이러한 초전도 전자석에 있어서 전류도입선으로부터의 전도열침입을 억제하기 위한 종래의 기술로는 전류도입선으로 상전도 전류도입선(21)과 초전도 전류도입선(22)을 혼합하여 사용한다. 초전도 전류도입선은 저항이 0 이기 때문에 전류 통전시 주울(Joule) 열이 발생하지 않는다. 또한 초전도 전류도입선(22)은 전류를 흘리기 위한 도체 단면적이 상전도 전류도입선(21)의 도체 단면적 보다 작기 때문에 외부로부터 침입하는 열도 억제할 수 있다. 그러나 상전도 전류도입선(21)과 전류도입선(22)이 커넥터(23)에 의해 물리적으로 접촉되어 있기 때문에 챔버(30) 외부로부터 침투되는 전도열을 완전히 억제할 수 없는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2005-0105276호(공개일자: 2005.11.03)
등록특허공보 제10-0819454호(등록일자: 2008.03.28)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 영구전류모드로 운전되는 초전도 전자석에 있어서, 전류도입선을 통하여 초전도 코일에 대전류를 흘릴 수 있으면서도 초전도 전자석의 운전시 전류도입선으로부터의 전도열을 차단할 수 있는 스위치장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위치장치는, 외부전원으로부터 챔버 내에 마련된 초전도 코일에 전류를 공급하기 위하여 상전도 전류도입선과 초전도 전류도입선으로 이루어진 전류도입선에 마련되는 스위치장치로서, 초전도 부재와, 이 초전도 부재와 접합된 자성 부재로 이루어져, 서로 이격되어 위치하는 상전도 전류도입선과 초전도 전류도입선 사이에 마련되는 접촉편과; 상기 접촉편과 대향하여 마련되어 여자전류에 의해 상기 상전도 전류도입선과 초전도 전류도입선이 단락이 이루어지도록 상기 접촉편을 구동하기 위한 구동전자석과; 상기 접촉편이 원위치로 복귀될 수 있도록 복원력을 제공하기 위한 복원수단을 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 복원수단은 상기 접촉편에 연결되는 탄성체 또는 상기 접촉편에 연결된 중량부재인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 초전도 부재 및 자성부재는 판 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스위치장치는 외부전원으로부터 챔버 내에 마련된 초전도 코일에 전류를 공급하기 위한 상전도 전류도입선과 초전도 전류도입선이 물리적으로 이격되어 마련되고 기계식 스위칭에 의해 두 전류도입선을 단락하거나 개방하여 전류도입선을 통한 전도열을 방지할 수 있으며, 따라서 초전도 코일을 임계 온도로 유지하는데 요구되는 냉각 에너지를 줄일 수 있다.
도 1은 일반적인 초전도 전자석을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 스위치장치가 적용된 초전도 전자석을 보여주는 도면,
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 스위치장치를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 스위치장치를 보여주는 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 스위치장치가 적용된 초전도 전자석을 보여주는 도면이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 스위치장치(100)는 외부전원으로부터 챔버(30) 내에 마련된 초전도 코일(10)에 전류를 공급하기 위한 상전도 전류도입선(21)과 초전도 전류도입선(22)이 물리적으로 이격되어 마련되고 기계식 스위칭에 의해 두 전류도입선(21)(22)을 단락하거나 개방하여 전류도입선을 통한 전도열을 방지하는 것을 주요 기술상의 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 스위치장치(100)는 +, - 로 2 세트(set)로 이루어진 전류도입선(20) 각각에 동일한 구조로 마련되며, 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 스위치장치를 보여주는 도면이다.
도 3을 참고하면, 스위치장치는, 초전도 부재(111)와, 이 초전도 부재(111)와 접합된 자성 부재(112)로 이루어져, 서로 이격되어 위치하는 상전도 전류도입선(21)과 초전도 전류도입선(22) 사이에 마련되는 접촉편(110)과; 접촉편(110)과 대향하여 마련되어 여자전류에 의해 상전도 전류도입선(21)과 초전도 전류도입선(22)이 단락이 이루어지도록 상기 접촉편(110)을 구동하기 위한 구동전자석(120)과; 접촉편(110)이 원위치로 복귀될 수 있도록 복원력을 제공하기 위한 탄성체(130)를 포함한다.
접촉편(110)은 상전도 전류도입선(21) 및 초전도 전류도입선(22)과 실질적으로 접촉이 이루어져 두 전류도입선을 단락시키게 되는 초전도 부재(111)와, 구동전자석(120)에 여자전류가 인가 시에 구동전자석(120)과의 흡입력에 의해 두 전류도입선과 접촉편 사이의 접촉력을 발생시키게 되는 자성 부재(112)로 구성될 수 있다.
초전도 부재(111)와 자성 부재(112)는 두 전류도입선(21)(22)과 넓은 접촉 면적을 가지면서 접촉이 이루어질 수 있도록 판 형상을 가질 수 있으며, 특히 자성 부재(112)는 구동전자석에 의해 충분한 흡입력이 발생될 수 있도록 초전도 부재(111) 보다는 사이즈가 크게 마련되어 초전도 부재(111)와 접합되는 것이 바람직할 것이다.
구동전자석(120)은 철심(121)과, 이 철심(121)에 권취되는 여자코일에 의해 제공될 수 있으며, 여자코일은 리드선(122)에 의해 외부의 여자 전원부(미도시)와 연결된다.
탄성체(130)는 접촉편(110)에 고정되어 두 전류도입선(21)(22)과 접촉편(110) 사이의 접촉력이 제거되면 접촉편(110)이 원위치로 복귀될 수 있도록 복원력을 제공하기 위한 복원수단이다.
도면에는 도시되지 않았으나, 탄성체(130)는 챔버(30)에 고정되어 접촉편(110)을 탄성 지지할 수 있으며, 또는 챔버 내에 탄성체(130)를 탄성 지지하기 위한 별도의 구조물이 마련될 수 있다. 또한, 접촉편(110)을 가동 방향(수평 방향)으로 안내하기 위하여 접촉편(110)에는 별도의 가이드부재가 추가될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
도 4에 예시된 것과 같이, 이와 같이 구성된 스위치장치는, 구동전자석(120)에 여자전류가 인가되면 구동전자석(120)과 자성 부재(112) 사이에 흡입력이 발생되어 상전도 전류도입선(21)과 초전도 전류도입선(22)은 초전도 부재(111)에 의해 단락이 이루어져 전류도입선을 통해 초전도 코일에 전류를 공급할 수 있다.
한편, 초전도 코일에 전류 공급이 완료되면 구동전자석(120)의 여자전류를 차단하게 되며, 이때 탄성체(130)의 복원력에 의해 접촉편(110)은 원위치로 복귀되고 두 전류도입선은 개방된다. 두 전류도입선이 개방됨에 따라서 전류도입선을 통한 전도열 경로는 차단된다.
본 실시예에서 구동전자석을 구동하기 위한 리드선(122)이 챔버(30) 바깥으로 인출되어 마련되나, 접촉편을 구동하기 위한 구동전자석의 여자전류는 상당히 작으므로 리드선(122)은 전류도입선과 비교하여 상당히 작은 사이즈의 전선으로도 충분하며, 따라서 리드선을 통한 전도열은 상당히 미약하여 무시될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 스위치장치를 보여주는 도면이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에서 접촉편(110)에 마련되는 복원수단은 중량부재(231)에 의해 제공될 수가 있다.
중량부재(231)는 로프(232)에 의해 접촉편(110)과 연결되며, 고정부재(233)에 의해 지지되어 중량부재(231)를 지탱하게 되며, 로프(232)에는 고정 도르래(234)가 추가 마련될 수 있다.
중량부재(231)는 구동전자석(120)에 여자전류가 인가되는 경우에 구동전자석(120)과 접촉편(110)과의 흡입력에 의해 두 전류도입선(21)(22)과 접촉편(110)이 단락이 가능한 범위 내에서 흡입력 등을 고려하여 적당한 무게를 갖는다.
고정부재(233)와 고정 도르래(234)는 챔버에 직접 고정되어 마련되거나 챔버 내에 별도로 마련된 지지구조물에 의해 설치될 수 있다.
이러한 제2실시예에 따른 스위치장치는 중량부재(231)의 자중에 의해 접촉편(110)은 고정부재(233)와 접촉하여 위치하게 되며, 구동전자석(120)에 여자전류가 인가되면 구동전자석(120)과 접촉편(110) 사이에 발생된 흡입력에 의해 접촉편(110)과 두 전류도입선(21)(22)은 단락이 이루어지며, 이때 중량부재(231)는 소정 높이만큼 상승하여 위치에너지를 갖고 구동전자석(120)에 인가된 여자전류가 차단되면 중량부재(231)의 하강에 의해 접촉편(110)은 다시 원위치로 복귀된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 초전도 코일 20 : 전류도입선
21 : 상전도 전류도입선 22 : 초전도 전류도입선
30 : 챔버 100 : 스위치장치
110 : 접촉편 120 : 구동전자석
130 : 탄성체 231 : 중량부재
232 : 로프 233 : 고정부재
234 : 고정 도르래

Claims (4)

  1. 외부전원으로부터 챔버 내에 마련된 초전도 코일에 전류를 공급하기 위하여 상전도 전류도입선과 초전도 전류도입선으로 이루어진 전류도입선에 마련되는 스위치장치로서,
    초전도 부재와, 이 초전도 부재와 접합된 자성 부재로 이루어져, 서로 이격되어 위치하는 상전도 전류도입선과 초전도 전류도입선 사이에 마련되는 접촉편과;
    상기 접촉편과 대향하여 마련되어 여자전류에 의해 상기 상전도 전류도입선과 초전도 전류도입선이 단락이 이루어지도록 상기 접촉편을 구동하기 위한 구동전자석과;
    상기 접촉편과 연결되어 상기 접촉편이 원위치로 복귀될 수 있도록 복원력을 제공하게 되는 중량부재;를 포함하는 스위치장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 초전도 부재 및 자성부재는 판 형상인 것을 특징으로 하는 스위치장치.
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