KR101479007B1 - 초전도 접합부 - Google Patents

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KR101479007B1
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조나단 노이스
마이클 심프킨스
아드리안 마크 토마스
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지멘스 피엘씨
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Abstract

초전도 접합부(20, 29)가 냉각 표면(26; 24; 31)과 조합된다. 초전도 접합부는 함께 전기적으로 결합되는 초전도 필라멘트들 및 초전도 와이어(12)들의 꼬리 부분(19)을 각각 포함하는 초전도 와이어(12)들을 결합시키고, 와이어들의 이러한 부분들은 접합부로 유도된다. 냉각 표면(24; 31)은 열 및 전기 전도성 재료를 포함한다. 전기 절연 표면 코팅(26)이 냉각 표면과 접합부 사이에 제공된다. 초전도 접합부, 표면 코팅 및 냉각 표면은 기계적 및 열 접촉 상태에 있으나, 초전도 접합부는 표면 코팅에 의해 냉각 표면으로부터 전기 절연된다.

Description

초전도 접합부 {SUPERCONDUCTING JOINTS}
예컨대 자기 공명 영상(MRI) 시스템들에서 사용하기 위한 초전도 와이어의 비교적 큰 전자석들을 제조하는 것이 공지되어 있다. MRI 시스템들을 위한 공지된 자석들은 직경이 2 m, 길이가 1.5 m 일 수 있으며 수십 킬로미터의 와이어를 포함할 수 있다. 일반적으로, 몇몇의 다른 디자인들이 공지되어 있지만, 자석들은 원통형 자석의 축선을 따라 축방향으로 이격된 몇몇의 비교적 짧은 코일들로 이루어지며, 본 발명은 임의의 특별한 자석 디자인으로 제한되지 않는다.
이러한 초전도 자석들은 단일 길이의 초전도 와이어로부터 정상적으로 감기지 않는다. 몇몇의 별개의 코일들이 사용된다면, 이들은 보통 별개로 제조되고 자석의 조립 동안 함께 전기적으로 결합된다. 단일 코일 내에서라도, 몇몇의 길이들의 와이어를 함께 결합하는 것이 종종 필요하다.
초전도 와이어들 사이에 접합부들을 이루는 것은 어렵다. 최적으로는, 접합부 그 자체가 초전도(즉 자석이 작동 상태일 때 0 의 저항을 갖는)일 것이다. 이는 종종 절충되게 되고, 작은 저항을 갖는 "초전도" 접합부들이 종종 용인되게 된다.
초전도 접합부를 만드는 일반적인 공지된 방식은 초전도 와이어의 길이를 측정하고, 임의의 외부 피복, 통상적으로는 구리를 초전도 필라멘트들로부터 이들의 단부들에서 또는 단부들 근처에서 어느 길이로 벗기는 것이다.
2 개의 와이어들의 초전도 필라멘트들은 그 후 함께 비틀어질 수 있다. 필라멘트들의 결과적인 비틀림은 그 후 접합부 컵 안으로 코일화되고 : 이 접합부 컵은 통상적으로는 구리 또는 알루미늄으로 된 상당히 얕은 용기이다.
대안적으로는, 필라멘트들은 접합부 컵 안으로 코일화되기 전에, 비틀어지기 보다는, 땋아질(plaited) 수 있다.
다른 배치들에서, 와이어들의 필라멘트들은 간단하게는 나란히 놓이고, 반드시 서로 닿지는 않으며, 접합부 컵 내에 놓인다.
초전도 접합부는 그 후 이하에 설명되는 것과 같이 만들어진다.
접합부 컵은 그 후 초전도 재료, 통상적으로는 액상 우드 메탈(Wood's metal)로 채워지며, 이 액상 우드 메탈은 필라멘트들을 초전도 매스 내에 매립하기 위해 냉각되고 고체화된다. 통상적인 접합부 컵은 하나의 단부가 폐쇄된 원통형 용기일 수 있다. 도 1 은 와이어(12)들이 안으로 유입되는 종래의 접합부 컵(10)을 포함하는 접합부(20)를 나타내고, 통상적으로는 이들의 노출된 초전도 필라멘트(14)들은 비틀어지거나 또는 함께 땋아진다. 도 1 에서, 필라멘트들은 비틀어지지 않고 또한 함께 땋아지지도 않는다. 접합부 컵은 통상적으로, 용융된 우드 메탈과 같은, 액상 초전도 접합부 재료(28)로 채워진다. 초전도 접합부 재료는 그 후 고체화되는 것이 가능하거나 또는 고체화가 유발된다.
초전도 접합부들을 형성하는 대안적인 방법들이 또한 공지되어 있다. 예들은 프레스된, 클램프된 또는 용접된 접합부들을 포함한다.
종래에, 초전도 자석들은 액체 극저온 유체(cryogen), 통상적으로 헬륨의 배스(bath) 내의 부분적인 침지에 의해 냉각되었다. 이는 코일들을 이들의 초전도 전이 온도 미만의 온도로 유지한다. 초전도 접합부들을 액체 극저온 유체 내에 침지시킴으로써, 이들은 또한 초전도 전이 온도 미만으로 유지될 수 있다.
하지만, 자석들의 최근의 디자인들은 극저온 유체 배스를 회피하는데, 이는 비싸고 몇몇의 상황들에서 극저온 유체의 낭비성 때문이다. 이러한 디자인들에는 냉각 루프 또는 열사이펀(thermosiphon)이 제공될 수 있으며 : 이는 순환 극저온 유체를 운반하며 자석과 열 접촉하는 열 전도성 튜브이다. 순환 극저온 유체는 냉각되고 그 후 자석으로부터 열을 추출하는 튜브 안으로 유입된다. 극저온 유체는 그 후 팽창하거나 또는 비등하고 극저온 유체가 재냉각되는 저장소로 열 대류에 의해 다시 순환한다. 순환은 중력에 의해 유도될 수 있거나 또는 펌프와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 도움을 받을 수 있다. 극저온 유체 배스를 이용하는 배치에서보다 더욱 적은 체적의 극저온 유체가 요구된다. 자석 코일들의 냉각은, 튜브의 벽을 통한, 그리고 가능하게는 전자(former)와 같은, 자석 코일들을 지지하는 구조물의 재료를 통한 전도에 의한 것이다.
다른 디자인들에서, 열 버스가 접합부들을 코일화하는데 사용된다. 이 열 버스는 열 전도성 중실형 바이며, 극저온성 냉장 장치에 및 냉각될 접합부들에 열적으로 결합된다.
이러한 경우들 양쪽에서, 접합부들의 냉각은 더 종래의 액체 극저온 유체 내의 침지보다 덜 효과적인 것이 발견되었다.
따라서 본 발명은 개선된 초전도 접합부들, 및 액체 극저온 유체 내의 침지에 의해 냉각되지 않는 자석들 내에서 초전도 접합부들이 충분히 냉각되는 것을 가능하게 하는 초전도 접합부들의 냉각 방법들을 추구한다.
낮은 극저온 유체 재고의 초전도 자석들, 즉 극저온 유체의 배스 내의 침지에 의한 냉각에 의지하지 않지만, 예컨대 열사이펀 또는 냉각 루프 내에서 감소된 체적의 극저온 유체에 의해 냉각되거나 또는 극저온 유체들을 사용하지 않으면서 고체 전도에 의해 냉각되는 초전도 자석들을 제작하기 위해, 극저온 유체 내의 침지에 의한 냉각을 요구하지 않는 적절하게 냉각되는 초전도 접합부들을 제조하는 것이 필요하다.
이러한 문제에 대한 하나의 접근 방법은 냉장 장치에 접합부들을 열적으로 연계시키는 구리 또는 알루미늄 브레이드(briad)들 또는 적층물들과 같은 가요성 열 컨덕터들의 사용일 수 있거나, 또는 전기 절연 접착제 층을 사용하여 냉각된 구성요소에 초전도 접합부들을 부착시키는 것에 의한 것일 수 있다. 이러한 후자의 접근 방법은 예컨대 US 2009/0101325A1 에서 설명된다.
이러한 후자의 선택이 갖는 어려움은 초전도 접합부들의 효과적인 냉각을 위해 적합한 열 전도를 유지하면서 충분한 전기 절연을 달성하는 것에서 발생한다. 이는 GB 2453734 에서 설명된 예들의 일부에서 볼 수 있는 것과 같은, 냉각된 구성요소와 초전도 접합부 사이의 다중 인터페이스들을 일반적으로 유도한다.
초전도 접합부가 냉각된 구성요소와 열 접촉 상태로 형성되지만, 전기 절연층에 의해 이로부터 분리되는, 다른 접근 방법이 GB 2481833 에서 설명된다.
이 문서는 개선된 초전도 접합부들, 및 단지 단일 전기 절연 코팅이 초전도 접합부와 냉각된 구성요소 사이에 위치되는 초전도 접합부들을 형성하기 위한 개선된 방법들을 제안한다. 전기 절연 코팅은 이전에 이용된 전기 절연층들보다 더 얇을 수 있고, 더 열 전도성이다.
본 발명은 초전도 접합부들을 제공함으로써 이러한 앞선 구조물들을 개선하는 것을 추구하며, 그의 예들은 이하에 설명될 것이다.
실시예에서, 본 발명은 냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부를 제공하고, 초전도 접합부는 함께 전기적으로 결합되는 초전도 필라멘트들 및 초전도 와이어들의 꼬리 부분들을 각각 포함하는 초전도 와이어들을 결합시키고, 와이어들의 이러한 부분들은 접합부로 유도되고; 냉각 표면은 열 및 전기 전도성 재료를 포함하고, 전기 절연 표면 코팅이 냉각 표면 상에 제공되고, 초전도 접합부, 표면 코팅 및 냉각 표면은 열 접촉 상태에 있으나, 초전도 접합부는 표면 코팅에 의해 냉각 표면으로부터 전기 절연되고, 냉각 표면은 극저온 유체 파이프이며, 전기 절연 표면 코팅이 극저온 유체 파이프의 표면 상에 제공되고, 꼬리 부분들은 전기 절연 표면 코팅 주위에 둘러진다.
다른 실시예에서, 본 발명은 냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부를 제공하고, 초전도 접합부는 함께 전기적으로 결합되는 초전도 필라멘트들 및 초전도 와이어들의 꼬리 부분들을 각각 포함하는 초전도 와이어들을 결합시키고, 와이어들의 이러한 부분들은 접합부로 유도되고; 냉각 표면은 열 및 전기 전도성 재료를 포함하고, 전기 절연 표면 코팅이 냉각 표면 상에 제공되고, 초전도 접합부, 표면 코팅 및 냉각 표면은 열 접촉 상태에 있으나, 초전도 접합부는 표면 코팅에 의해 냉각 표면으로부터 전기 절연되고, 냉각 표면은 열 버스 바이며, 전기 절연 표면 코팅이 열 버스 바의 표면 상에 제공되고, 꼬리 부분들은 전기 절연 표면 코팅 주위에 둘러진다.
다른 실시예에서, 본 발명은 냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부를 제공하고, 초전도 접합부는 함께 전기적으로 결합되는 초전도 필라멘트들 및 초전도 와이어들의 꼬리 부분들을 각각 포함하는 초전도 와이어들을 결합시키고, 와이어들의 이러한 부분들은 접합부로 유도되고; 냉각 표면은 열 및 전기 전도성 재료를 포함하고, 전기 절연 표면 코팅이 냉각 표면과 접합부 사이에 제공되고, 초전도 접합부, 표면 코팅 및 냉각 표면은 기계적 및 열 접촉 상태에 있으나, 초전도 접합부는 표면 코팅에 의해 냉각 표면으로부터 전기 절연되고, 냉각 표면에는 냉각 표면과 열 접촉 상태에 있는 열 전도성 태그가 제공되며 초전도 접합부는 태그와 열 및 기계적 접촉 상태에서 기계적으로 제한된다.
전기 절연 표면 코팅은 열 전도성 태그에 도포될 수 있다. 대안적으로는, 전기 절연 표면은 초전도 접합부에 도포될 수 있다.
본 발명의 상기의, 그리고 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들과 관련한, 이후의 특정한 실시예들의 설명으로부터 더 명백하게 될 것이다.
도 1 은 우드 메탈로 채우기 위해 접합부 컵을 사용하는 종래의 초전도 접합부를 나타내는 도면이고;
도 2 내지 도 10 은 본 발명의 각각의 실시예들을 개략적으로 나타내는 도면이고; 및
도 11 은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 초전도 접합부들이 제공되고 열사이펀 루프에 의해 냉각되는 초전도 자석 구조물의 부분 축방향 횡단면 예를 개략적으로 도시하는 도면이다.
본 발명은 효과적으로 냉각되고 상기 언급된 종래의 배치들의 초전도 접합부들보다 더 적은 공간을 차지하는 초전도 접합부들을 제공한다. 본 발명은 많은 수의 접합부들이 낮은 극저온 유체 재고의 초전도 자석 시스템에 끼워지고, 효과적으로 냉각되는 것을 가능하게 한다.
상기에 논의된 것과 같이, 낮은 극저온 유체 재고의 초전도 자석들은 통상적으로는 열사이펀에 의해 냉각되고, 열 전도성 파이프는 자석과 열 접촉 상태에 있고 극저온 유체가 다시 냉각되고 재순환되는 폐쇄 루프 주위에 극저온 유체를 운반한다. 대안적으로는, 고체 전도 냉각이 사용될 수 있으며, 접합부들은 그 자체가 극저온성 냉장 장치와 열 접촉 상태에 있는 열 버스를 통한 열 전도에 의해 냉각된다.
특히, 본 발명은 열사이펀의 전도성 파이프와 직접 열 접촉 상태에 있거나, 또는, 적절하다면 단일 전기 절연 표면 코팅을 통하여 열 버스 바와 열 접촉하는 초전도 접합부들을 제공한다. 대안적인 실시예들에서, 열사이펀 파이프 또는 열 버스 바, 또는 그의 적어도 적절한 부분이 전기적으로 비 전도성 재료이고, 이러한 경우 표면 상의 전기 절연 코팅의 제공은 필요하지 않다.
도 2 는 본 발명의 실시예를 개략적으로 도시하는 도면이다. 본 발명의 이러한 실시예에 따르면, 초전도 접합부(20)는 종래의 접합부를 갖는 접합부 컵(10)을 포함하고, 이는 초전도 접합부 재료(28) 내에 매립되는 초전도 필라멘트(14)들로 이루어진다. 접합부 컵(10)은 종래의 접합부들에 대하여 사용되는 것보다 오히려 더 작을 수 있다. 초전도 와이어(12)들의 필라멘트(14)들은, 그 자체가 종래 기술 및 도 1 을 참조하여 설명된 것과 같이, 접합부 컵(10) 내에 놓인다. 필라멘트들은 비틀어지거나 또는 함께 땋아질 수 있고, 또는 그렇지 않을 수도 있다. 접합부 컵(10)은 그 후 냉각 및 경화가 가능한, 우드 메탈과 같은 용융된 초전도 재료(28)로 채워진다. 이러한 단계는 그 자체가 종래적이다.
적어도 접합부 컵(10)의 근처에서, 극저온 유체 파이프(24)에는 전기 절연 코팅 층(26)이 제공된다. 이는 구리 파이프 상의 세라믹 또는 알루미늄 산화물의 분무 증착, 구리 파이프 상의 구리 산화물의 화학적으로 제조된 층, 또는 예컨대 양극 처리(anodizing)에 의해 알루미늄 파이프 상에 형성되는 또는 분무되는 알루미늄 산화물의 층일 수 있다. 대안적으로는, 에폭시 수지 또는 유사한 것의 층이, 예컨대 분무에 의해 파이프의 관련 표면 상에 형성될 수 있다.
접합부 "꼬리 부분"(19)들 - 접합부 그 자체로 유도되는 초전도 와이어들의 단부들 - 은, 코팅(26) 위에, 열사이펀 파이프(24) 주위에 감긴다. 꼬리 부분(19)은, 테이프, 납땜, 스트랩들, 및 클램프들(도시되지 않음)과 같은 적절한 기계적 수단에 의해 제 위치에 고정된다.
사용시에, 도 2 의 구조물은 파이프(24)를 통하여 흐르는 극저온 유체에 의해 극저온성 온도들로 냉각된다. 냉각시에, 적절한 상대 열 팽창 계수들을 갖는 재료들이 선택되고, 꼬리 부분(19)들은 파이프(24) 상으로 수축될 것이 제공되며, 이는 초전도 재료(28)와 파이프(24) 사이에, 이들 사이의 전기 절연 층(26)에 의해 타이트한 기계적 인터페이스를 보장한다. 다른 실시예들에서, 꼬리 부분(19)들은 파이프 상으로 열적으로 수축되지 않지만, 이들을 제 위치에 유지하는 기계적 수단에 의지한다.
배치는 극저온 유체와 꼬리 부분(19)들 사이에 양호한 열적 연결을 제공하고, 접합부의 꼬리 부분(19)들은 단지 파이프(24)의 재료 및 전기 절연 코팅(26)에 의해서 극저온 유체로부터 분리된다.
꼬리 부분(19)들은 전기 절연 코팅(26)을 통하는 극저온 유체-냉각된 파이프(24)와의 접촉에 의해 냉각된다. 접합부 컵(10) 내의, 접합부(20) 그 자체는 파이프(24) 또는 그의 전기 절연 코팅(26)과 직접 접촉 상태에 있지 않을 수 있지만, 꼬리 부분(19)들을 따른 열 전도에 의해 냉각될 수 있다. 다른 실시예들에서, 접합부 컵(10)은, 예컨대 상기 논의된 기계적 수단 중 하나에 의해 그의 코팅(26)을 통하여 파이프(24)와 접촉 상태로 유지될 수 있다.
전기 절연 코팅(26)은 더 큰 전압들, 예컨대 ?치(quench) 동안 발생할 수 있는 최대 5 ㎸ 의 전압을 견딜 수 있어야만 하지만, 전기 절연 코팅은 비교적 얇을 수 있다. 이러한 코팅은 파이프(24) 상에 분무될 수 있는 세라믹 또는 에폭시 층일 수 있다. Emerson & Cuming 에 의한 STYCAST® 브랜드 하에 판매되는 것들 중 일부와 같은, 일부 에폭시 수지들은 정상 열 전도성보다 더 큰 열 전도성을 갖고, 본 출원에서 유용한 것이 발견될 수 있다.
도 3 은 도 2 의 실시예의 변형예를 나타내는 도면이며, 여기서 초전도 접합부(29)는 접합부 컵을 사용하여 형성되지 않지만, 그 자체가 종래적인, 클램프를 사용하는 것과 같은; 전자기계적 펄스 기법 또는 초음파 용접과 같은 대안적인 방법에 의해 형성된다. 다른 점들에서, 이러한 실시예는 도 2 의 실시예에 대응한다. 접합부(29)는 도시된 것과 같이 꼬리 부분들의 재료를 따라 열 전도에 의해 냉각될 수 있거나, 또는 예컨대 상기 논의된 기계적 수단 중 하나에 의해 그의 코팅(26)을 통하여 파이프(24)와 접촉 상태에 있을 수 있다.
도 4 는 도 2 의 실시예의 다른 변형예를 나타내는 도면이며, 여기서 극저온 유체 운반 파이프는 중실형 열 버스 바(31)로 대체된다. 다른 점들에서, 이 실시예는 도 2 의 실시예에 대응한다. 접합부(20)는, 도시된 것과 같이 꼬리 부분들의 재료를 따라 열 전도에 의해 냉각될 수 있거나, 또는 예컨대 상기 논의된 기계적 수단 중 하나에 의해 그의 코팅(26)을 통하여 파이프(24)와 접촉 상태에 있을 수 있다.
도 5 는 도 2 의 실시예의 다른 변형예를 나타내는 도면이다. 도 3 의 실시예에서와 같이, 초전도 접합부(29)는 접합부 컵을 사용하여 형성되지 않지만, 그 자체가 종래적인, 클램프, 전자기계적 펄스 기법 또는 초음파 용접과 같은 대안적인 방법에 의해 형성된다. 도 4 의 실시예에서와 같이, 극저온 유체 운반 파이프는 중실형 열 버스 바(31)로 대체된다. 다른 점들에서, 이 실시예는 도 2 의 실시예에 대응한다. 접합부(29)는, 도시된 것과 같이 꼬리 부분(19)들의 재료를 따라 열 전도에 의해 냉각될 수 있거나, 또는 예컨대 상기 논의된 기계적 수단 중 하나에 의해 그의 코팅(26)을 통하여 파이프(24)와 접촉 상태에 있을 수 있다.
도 6 은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면이다. 이러한 실시예에서, 열 전도성 태그(40)가 제공되며, 극저온 유체 파이프(24)의 재료에 기계적으로 그리고 열적으로 결합된다. 바람직한 실시예들에서, 태그(40) 및 파이프(24)는 금속이며, 이들은 열 전도성 접합부를 제공하기 위해 용접, 납땜 또는 브레이징(brazing)에 의해 결합된다. 대안적으로는, 태그(40)는 파이프 상에 클램프될 수 있다. 이러한 경우들에서, 태그(40)에는 초전도 접합부와 접촉하게 될 수 있는 모든 표면들 상에 전기 절연 표면 코팅(26)이 제공되어야하지만, 파이프(24)와 태그(40) 사이의 효과적인 열 접합부를 보장하기 위해 파이프(24)와 접촉하는 표면들 상에는 이러한 코팅이 없어야 한다.
태그(40)에는 도 2 를 참조하여 상기 논의된 것과 같이 전기 절연 표면 코팅(26)이 제공된다. 코팅(26)은 파이프(24)의 인접한 부분을 따라 연장할 수 있다. 그 자체가 종래적인 구성의, 초전도 접합부(20)는 납땜, 클램핑, 스트랩들 또는 테이프의 사용과 같은 임의의 적절한 방법에 의해 태그(40)에 기계적으로 부착된다. 도시된 실시예에서, 초전도 접합부는, 초전도 필라멘트들이 매립되는 초전도 재료(28)로 채워지는 접합부 컵(10)에 의해 제공된다. 접합부 꼬리 부분(19)이 나타나 있다. 도시된 실시예에서, 태그(40)는 접합부 컵을 수용하도록 형상을 갖고, 유지 부품(42)이 제 위치에 접합부 컵(10)을 유지하기 위해 제공된다. 유지 부품(42) 및 태그(40)는 접합부 컵(10)을 이들 사이에 유지하기 위해 임의의 적절한 방법에 의해 결합된다. 도시된 실시예에서, 태그(40) 및 유지 부품(42)은 함께 볼트 결합되지만, 스프링형 클램프들, 집 타이(zip tie)들, 바인딩 와이어(binding wire), 및 테이프와 같은 대안적인 유지 수단이 사용될 수 있다. 유지 부품(42)은 금속일 수 있으며, 태그(40)에 도포된 것과 같은 전기 절연 표면 코팅으로 코팅된다. 대안적으로는, 유지 부품은 섬유 보강된 플라스틱과 같은, 전기적으로 비 전도성 재료일 수 있다. 대안적으로는, 태그(40)는 다른 부품들 없이 접합부 컵(10)을 유지하기 위해 내장형 클립 구조를 포함하도록 형상화될 수 있다.
이러한 실시예의 변형예들에서, 접합부 컵은 유지 부품이 요구되지 않으면서, 태그에 점착될 수 있다.
이러한 실시예의 다른 변형예들에서, 태그는 태그가 극저온 유체를 갖도록 파이프(24)의 내부에 노출되는 내부 공동을 갖는 중공형일 수 있다. 이는 초전도 접합부와 극저온 유체 사이의 열 전달을 개선할 수 있다.
초전도 접합부(20)는 고체 전도에 의해 코팅(26)을 통하여 태그(40)로, 그 후에 파이프(24) 및 파이프 내에 흐르는 극저온 유체로 냉각된다.
다른 실시예에서, 도 6 의 극저온 유체 운반 파이프(24)는 도 4 에 도시된 것과 같은, 중실형 열 버스 바에 의해 대체된다.
다른 실시예들에서, 꼬리 부분(19)은 도 2 내지 도 5 의 실시예들에서 이용되는 냉각과 유사한 방식으로 초전도 접합부의 냉각을 돕기 위해 파이프(24) 또는 열 버스 바 상의 코팅(26) 주위에 둘러질 수 있다.
도 7 은 도 6 의 실시예와 유사한, 다른 실시예를 도시하는 도면이며, 여기서 초전도 접합부(29)는 접합부 컵(10) 및 필라멘트들이 매립되는 초전도 재료를 포함하지 않으며, 대신 클램프를 사용하는 것과 같은; 전자기계적 펄스 기법 또는 초음파 용접에 의해 대안적인 종래의 구조물에 따라 형성된다. 모든 다른 점들에서, 이러한 실시예는 도 6 의 실시예에 대응하며, 도 6 을 참조하여 논의된 모든 변형예들은 이러한 실시예에 적용될 수 있다.
도 8 및 도 9 는 각각 도 6 및 도 7 을 참조하여 논의된 것과 유사한 다른 실시예들을 나타내는 도면이다. 이러한 실시예들에서, 전기 절연 표면 코팅(26)은 태그(40) 또는 파이프(24) 또는 버스 바(31) 보다는, 각각 접합부 컵(10) 또는 접합부(29)에 도포된다. 이러한 실시예들에서, 태그(40) 또는 튜브(24) 또는 버스 바(31)에 표면 코팅을 도포할 필요가 없다. 이러한 실시예들은 코팅된 접합부 컵(10)들의 배치(batch)들로서 제작하는 것보다 더 간단한 것이 발견될 수 있거나 또는 유사한 것이 미리 준비될 수 있고, 이는 극저온 유체 튜브(24)의 열 버스 바의 코팅 부분보다 더 간단한 것이 발견될 수 있다.
도 10 은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면이며, 이 실시예는 도 5 내지 도 9 의 실시예들에서 일반적인 특정한 특징들을 갖는다. 극저온 유체 파이프(24)에는 도 5 내지 도 9 를 참조하여 논의된 임의의 수단에 의해 태그(40)가 제공된다. 태그(40)는 전기 절연 표면 코팅(26)으로 코팅된다. 태그(40)는 중실형 태그이고, 태그가 극저온 유체를 갖도록 내부 또는 파이프(24)에 노출되는 공동을 갖지 않는다.
도 1 에 도시된 타입의 초전도 접합부(20)가 형성되고, 접합부 컵(10)은 초전도 재료(28)를 가지며 초전도 필라멘트(14)들이 이에 매립된다. 접합부 꼬리 부분(19)들이 나타나 있다. 접합부의 형성 동안, 초전도 재료(28)는 용융되지만, 태그(40)의 부분이 초전도 재료(28) 내에 매립된다. 태그(40)의 적어도 이 매립된 부분은 전기 절연 표면 코팅(26)으로 덮이게 된다. 이는 태그의 더 큰 부분을 코팅하는 것보다 더 간단한 것이 쉽게 발견될 것이다.
사용 시에, 파이프(24)는 이를 통하는 극저온 유체의 통과에 의해 냉각된다. 태그(40)는 열 전도 방식으로 파이프(24)에 결합되고, 그리하여 파이프로의 고체 열 전도에 의해 냉각되며, 이는 그 자체가 극저온 유체의 통과에 의해 냉각된다. 태그(40)는 표면 코팅(26)을 통하여, 접합부의 초전도 재료(28)와 열 접촉 상태에 있다. 냉각된 태그는 고체 열 전도에 의해 초전도 접합부를 냉각시키는 작용을 한다. 전기 절연 표면 코팅(26)은 초전도 접합부가 태그(40) 및 파이프(24)로부터 전기 절연되는 것을 보장한다.
접합부들은 이러한 방식으로 효과적으로 냉각된다. 태그(40)의 재료 및 초전도 재료(28)의 상대 열 특성들에 의존하여, 초전도 재료(28)는 태그(40) 상으로 수축될 수 있고, 양호한 열 접촉을 보장한다.
유사한 실시예들에서, 극저온 유체 튜브(24)는 도 4 와 관련하여 논의된 것과 같이 열 버스 바(31)에 의해 대체될 수 있다. 태그(40)는 열 버스 바에 결합될 수 있거나, 또는 버스 바의 내장형 부분을 형성할 수 있다.
임의의 관련 실시예들에서, 열 버스 바는 도시된 것과 같이 둥근 횡단면이거나, 또는 정사각형 또는 사각형 횡단면일 수 있으며 : 사실, 적절한 것으로 여겨지는 임의의 횡단면이 사용될 수 있다. 열 버스 바는 불규칙한 형상일 수 있다. 열 버스 바는 원하는 냉각 효과를 달성하기 위해 충분한 횡단면적 및 열 전도성의 재료로 이루어져야만 한다. 적절한 것으로 발견될 수 있는 재료들의 예는 구리, 알루미늄 및 알루미늄 또는 구리의 메쉬 또는 섬유들을 갖는 복합 재료들을 포함한다.
도 11 은 열사이펀 루프에 의해 냉각되고 다수의 초전도 접합부(20)들이 제공되는 초전도 자석 구조물 예의 부분 축방향 횡단면을 개략적으로 도시하는 도면이고, 각각 단지 개략적으로 나타내어지며, 각각 본 발명의 실시예에 따른다.
나타낸 것과 같이, 초전도 와이어의 다수의 코일(50)들이 제공되고, 이러한 경우 축선(A-A)을 따라 축방향으로 정렬된다. 그 자체가 냉각 루프 배치의 부분인, 극저온 유체 파이프(24)의 부분이 나타나 있다. 축선(A-A)이 이러한 예에서 수평으로 의도되지만, 파이프(24)에는 냉각 루프 주위의 극저온 유체의 중력에 의해 제공되는(gravity-fed) 순환을 돕기 위해 미세한 구배가 제공된다. 접합식으로는 18 그리고 개별적으로는 20 으로 명시된 다수의 초전도 접합부들이 파이프를 따라 형성된다. 상기 논의된 것과 같이, 코일들 사이의 접합부들 뿐만 아니라, 각각의 코일을 이루는 초전도 와이어의 몇몇의 부품들 사이에 접합부들을 요구하는 것이 일반적이며, 따라서 요구되는 초전도 접합부들의 개수가 제공되는 코일들의 개수를 상당히 초과하는 것이 일반적이다. 코일(50)들로부터 각각의 접합부(20)로 연장하는 초전도 와이어들은 도면들에 나타나지 않는다.
사용 시에, 초전도 접합부(18)들은 임의의 전류가 자석에 인가되기 전에 이들의 초전도 전이 온도 미만으로 냉각될 것이다. 따라서 각각의 접합부(20)에서 소실되는 무시할만한 양의 전력이 있어야 하며, 이는 초전도 접합부들로부터의 냉각 루프 상의 안정 상태 열 로드가 비교적 작아야 하는 것을 의미한다. 이러한 상황은 당업계에서 잘 공지된 것과 같이, ?치의 경우에 적용되지 않지만, 본 발명에 직접적으로 관련되지 않는다.
다양한 실시예들과 연관되는 상기에서 참조되는 태그(40)들은 알루미늄 또는 구리와 같은 열 전도성 재료의 브레이드 또는 적층물, 또는 이러한 재료의 중실형 부품들로 이루어질 수 있다. 대안적으로는, 태그들은 예컨대 수지 또는 알루미늄 또는 구리의 메쉬 또는 섬유들에 의해 보강되는 다른 플라스틱 재료와 같은 열 및 전기 전도성 복합 재료로 이루어질 수 있다. 상기 설명된 전기 절연 표면 코팅에 대한 대안으로서, 극저온 유체 파이프 또는 열 버스 바는, 적절하다면 열 전도성, 전기 절연 재료로 구성될 수 있다.
본 발명은 제한된 개수의 특정 예들을 참조하여 설명되었지만, 다양한 수정들 및 변형예들이 당업자들에계 명백할 것이다. 예컨대, 우드 메탈 외의 초전도 재료들이 초전도 접합부들을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 본 발명은 사용되는 극저온 유체와 관계없이, 또는 결합되는 초전도 와이어들이 넣어지는 분야와 관계없이 적용될 수 있다. 상기 설명된 초전도 자석들은 초전도 접합부들에 대하여 일반적인 분야들이지만, 본 발명은 모터들, 발전기들 또는 에너지 저장 시스템들과 같은 임의의 초전도 시스템에서의 분야를 발견할 수 있다.
본 발명은 원형 원통형 형상인 접합부 컵들을 사용하는 특정한 실시예들을 참조하여 설명되었다. 하지만, 접합부 컵의 형상 그 자체는 본 발명의 제한이 아니며, 본 발명은, 예컨대 원형, 사각형, 삼각형, 타원형 등의 횡단면의 접합부 컵들에 적용될 수 있다. 실제로, 접합부 컵들은, 초전도 접합부를 위한 컨테이너로서 기능하고 우드 메탈과 같은 용융된 초전도 재료의 적절한 용적을 유지하기 위한 임의의 적절한 크기 및 임의의 형상일 수 있다.
상기 논의된 것과 같이, 와이어(12)들의 초전도 필라멘트(14)들은 초전도 접합부의 형성 이전에, 함께 비틀어질 수 있거나; 또는 함께 땋아질 수 있거나; 또는 간단하게는 나란히 놓일 수 있다. 접합부 컵의 형상에 의존하여, 필라멘트들은 이들이 접합부 컵 내에 놓일 수 있게 하기 위해 코일형으로 되는 것이 필요할 수 있다.

Claims (19)

  1. 냉각 표면(24)과 조합되는 초전도 접합부(20, 29)로서,
    - 상기 초전도 접합부는, 전기적으로 함께 결합되는 초전도 필라멘트(14)들 및 초전도 와이어(12)들의 꼬리 부분(19)들을 각각 포함하는 초전도 와이어(12)들을 결합시키며, 상기 초전도 와이어들의 꼬리 부분(19)들이 상기 초전도 접합부로 유도되고,
    - 상기 냉각 표면(24)은 열 및 전기 전도성 재료를 포함하며,
    - 상기 냉각 표면 상에 전기 절연 표면 코팅(26)이 제공되고, 상기 초전도 접합부, 상기 표면 코팅 및 상기 냉각 표면은 열적으로 접촉하지만, 상기 초전도 접합부는 표면 코팅에 의해 상기 냉각 표면으로부터 전기적으로 절연되고, 상기 냉각 표면(24)은 극저온 유체 파이프(cryogen pipe)이며, 상기 전기 절연 표면 코팅은 상기 극저온 유체 파이프의 표면 상에 제공되고, 상기 꼬리 부분(19)들은 상기 전기 절연 표면 코팅 주위에 둘러(wrap)지는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  2. 냉각 표면(31)과 조합되는 초전도 접합부(20, 29)로서,
    - 상기 초전도 접합부는, 전기적으로 함께 결합되는 초전도 필라멘트(14)들 및 초전도 와이어(12)들의 꼬리 부분(19)들을 각각 포함하는 초전도 와이어(12)들을 결합시키며, 상기 초전도 와이어들의 꼬리 부분(19)들이 상기 초전도 접합부로 유도되고,
    - 상기 냉각 표면(31)은 열 및 전기 전도성인 재료를 포함하며,
    - 상기 냉각 표면 상에 전기 절연 표면 코팅(26)이 제공되고, 상기 초전도 접합부, 상기 표면 코팅 및 상기 냉각 표면은 열적으로 접촉하지만, 상기 초전도 접합부는 표면 코팅에 의해 상기 냉각 표면으로부터 전기적으로 절연되고, 상기 냉각 표면(31)은 열적 버스 바(thermal bus bar)이며, 상기 전기 절연 표면 코팅은 상기 열적 버스 바의 표면 상에 제공되고, 상기 꼬리 부분(19)들은 상기 전기 절연 표면 코팅 주위에 둘러지는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    초전도 접합부(20)는 초전도 재료(28)를 보유하는 접합부 컵(10)을 포함하고,
    상기 초전도 재료 내에 상기 초전도 와이어(12)들의 노출된 필라멘트(14)들이 매립되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 절연 표면 코팅은:
    - 세라믹이나 알루미늄 산화물의 분무 증착물,
    - 구리 냉각 표면 상의 구리 산화물의 층,
    - 알루미늄 냉각 표면 상의 알루미늄 산화물의 층,
    - 에폭시 수지의 층
    중 하나를 포함하는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 꼬리 부분(19)들은 기계적 수단에 의해 제 위치에 고정되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 초전도 접합부(20, 29)는, 상기 전기 절연 표면 코팅(26)을 통하여 상기 냉각 표면과의 기계적 및 열적 접촉이 유지되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  7. 냉각 표면(26; 24; 31)과 조합되는 초전도 접합부(20, 29)로서,
    - 상기 초전도 접합부는, 전기적으로 함께 결합되는 초전도 필라멘트들 및 초전도 와이어(12)들의 꼬리 부분(19)들을 각각 포함하는 초전도 와이어(12)들을 결합시키며, 상기 초전도 와이어들의 꼬리 부분(19)들이 상기 초전도 접합부로 유도되고,
    - 냉각 표면(24; 31)은 열 및 전기 전도성인 재료를 포함하며,
    - 상기 냉각 표면과 상기 초전도 접합부 사이에 전기 절연 표면 코팅(26)이 제공되고, 상기 초전도 접합부, 상기 표면 코팅 및 상기 냉각 표면은 기계적 및 열적으로 접촉하지만, 상기 초전도 접합부는 상기 표면 코팅에 의해 상기 냉각 표면으로부터 전기적으로 절연되고, 냉각 표면은 상기 냉각 표면과 열적으로 접촉하는 열 전도성 태그(40)를 구비하며, 상기 초전도 접합부는 상기 태그와 열적 및 기계적으로 접촉하면서 상기 태그에 기계적으로 부착되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기 절연 표면 코팅이 상기 열 전도성 태그에 도포되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기 절연 표면 코팅이 상기 초전도 접합부에 도포되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  10. 제 7 항에 있어서,
    초전도 접합부(20)는 초전도 재료(28)를 보유하는 접합부 컵(10)을 포함하고,
    상기 초전도 재료 내에 상기 초전도 와이어(12)들의 노출된 필라멘트(14)들이 매립되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기 절연 표면 코팅이 상기 열 전도성 태그에 도포되고, 상기 열 전도성 태그가 상기 초전도 재료 내에 적어도 부분적으로 매립되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기 절연 표면 코팅은:
    - 세라믹이나 알루미늄 산화물의 분무 증착물,
    - 구리 냉각 표면 상의 구리 산화물의 층,
    - 알루미늄 냉각 표면 상의 알루미늄 산화물의 층,
    - 에폭시 수지의 층
    중 하나를 포함하는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 태그(40)와 상기 냉각 표면(24; 31)이 금속이며, 이들이 용접, 납땜 또는 브레이징에 의해 결합되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 태그(40)가 상기 냉각 표면(24; 31) 상에 클램프되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  15. 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태그(40)는, 상기 초전도 접합부를 유지하기 위해 내장형 클립 구조(formation)를 포함하도록 형상화되는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  16. 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 표면(24)이 극저온 유체 파이프이며,
    상기 태그(40)는, 상기 극저온 유체 파이프의 내부에 노출되는 내부 공동을 갖는 중공형인,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  17. 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태그(40)들은, 알루미늄이나 구리와 같은 열 전도성 재료의 적층물이나 브레이드(braid)로 이루어지는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  18. 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태그(40)들은 알루미늄이나 구리의 중실형(solid) 부품들로 이루어지는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
  19. 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태그(40)들은 열 및 전기 전도성 복합 재료로 이루어지는,
    냉각 표면과 조합되는 초전도 접합부.
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