KR101569521B1 - 초전도 가속관용 극저온 유지용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 가속관용 극저온 유지용기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기는, 초전도 가속관의 측면 포트에 결합되며, 용기의 변위를 구속하고 대부분의 용기 하중을 지지하는 복수의 측면부재; 측면부재의 상단에 결합되며, 극저온에서의 열수축 시 상대변위를 보정하기 위한 주름 형상부가 몸체의 소정 부위에 마련되는 본체; 본체의 상단에 결합되며, 초전도 가속관의 상부 포트와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 상기 본체의 주름 형상부의 상부 하중을 지지하는 상부부재; 및 측면부재의 하단에 결합되며, 초전도 가속관의 하부 포트와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 측면부재와 함께 대부분의 용기 하중을 지지하는 하부부재를 포함하여 구성된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 용기 본체의 일정 영역에 주름 형상의 요철부가 마련되어 있어, 극저온 상태에서 용기에 열수축이 발생할 경우 용기 자체적으로 열수축에 의한 관계물과의 상대변위 차이를 보정할 수 있다.

Description

초전도 가속관용 극저온 유지용기{Cryogenic temperature vessel for superconductive accelerating tube}

본 발명은 초전도 가속관용 극저온 유지용기에 관한 것으로서, 특히 극저온 상태에서 열수축이 발생할 경우 용기 자체적으로 열수축에 의한 관계물과의 상대변위 차이를 보정할 수 있는 초전도 가속관용 극저온 유지용기에 관한 것이다.

초전도 가속관은 높은 가속 전압을 얻기 위해 초전도 상태의 금속으로 이루어져 있으며, 이에 공동의 품질 인자(Q-factor)가 10⁹ 이상으로 매우 크다. 품질 인자가 크다는 것은 공급하는 RF 전력 측면에서는 이득이나, 가속관의 동작 주파수 폭이 좁아져서, 주파수 변동에 매우 민감하게 된다. 따라서 초전도 가속관의 경우는 가속관의 주파수 민감도를 분석하고, 이를 적용하여 민감도를 둔화시키는 최적화 설계가 필요하다. 주파수 민감도의 설계 기준은 이온빔 가속에 의한 에너지 손실과 가속관 표면 전류에 의한 열손실, 커플러를 통한 에너지 유출 등을 고려한 부하 품질인자 (loaded Q-factor)와 소모비용 및 기술적인 한계 등을 검토하여 정한다. 전자기적 형상 최적화를 통해 설계된 초전도 가속관에는 QWR, HWR, SSR1, SSR2와 같은 4가지 형태가 있다.

한편, 통상적인 압력용기는 내압 및 외압 조건에서 변형과 응력에 의한 구조적인 파괴를 막기 위해 특정 규격(예컨대, KS B 6750)에 준하여 특정한 압력을 견디기 위해 두께, 길이, 내부 용기 및 외부 용기의 반경, 용접조건, 성형조건 등을 특정하여 어떠한 상황에서도 구조적인 안전성을 보장할 수 있도록 설계 및 제작되고 있다.

이상과 같이, 압력용기는 구조의 안전성을 최우선으로 하기 때문에 하나의 연속체(즉, 일체화된 구조체)로 제작하고 있으며, 이에 따라 극저온에서 열수축에 따른 관계물과의 상대적인 변위가 발생할 때, 이를 자체적으로 보정할 수 있는 마땅한 수단이 없다. 따라서, 종래에는 이에 대처하기 위하여 관계물 사이에 별도의 완충장치를 삽입하여 대응하고 있는 실정이다.

한국 공개특허 제10-2007-0094775호(2007.09.21 공개) 한국 공개특허 제10-2010-0120262호(2010.11.15 공개)

본 발명은 상기와 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 용기 본체의 일정 부위를 주름지게 형성함으로써 극저온 상태에서 열수축이 발생할 경우 용기 자체적으로 열수축에 의한 관계물과의 상대변위 차이를 보정할 수 있는 초전도 가속관용 극저온 유지용기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기는,

초전도 가속관의 측면 포트에 결합되며, 용기의 변위를 구속하고 대부분의 용기 하중을 지지하는 복수의 측면부재;

상기 측면부재의 상단에 결합되며, 극저온에서의 열수축 시 상대변위를 보정하기 위한 주름 형상부가 몸체의 소정 부위에 마련되는 본체;

상기 본체의 상단에 결합되며, 초전도 가속관의 상부 포트와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 상기 본체의 주름 형상부의 상부 하중을 지지하는 상부부재; 및

상기 측면부재의 하단에 결합되며, 초전도 가속관의 하부 포트와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 측면부재와 함께 대부분의 용기 하중을 지지하는 하부부재를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 측면부재는 소정 지름을 갖는 관형 부재를 종방향으로 반으로 절단한 2개의 반관형 부재로 구성되며, 각 반관형 부재에는 상기 초전도 가속관의 측면 포트와의 용접 결합을 위한 결합 포트가 각각 형성된다.

또한, 상기 본체는 양단이 개방된 원통형으로 구성되며, 몸체의 상반부 일정 영역에는 극저온에서의 열수축 시 용기에서 발생하는 상대변위를 자체적으로 보정할 수 있도록 하기 위한 주름 형상부가 마련된다.

이때, 상기 주름 형상부는 몸체의 외부 표면과 내부 표면이 모두 주름진 형태로 구성될 수 있다.

또한, 상기 상부부재는 원판형의 몸체를 가지며, 몸체의 원주를 따라 소정 높이의 스커트부가 형성되고, 원판형 몸체의 평면부에는 상기 초전도 가속관의 상부 포트와의 용접 결합을 위한 복수의 결합 포트가 형성된다.

또한, 상기 하부부재는 소정 곡률의 곡면 몸체를 가지며, 그 몸체에는 상기 초전도 가속관의 하부 포트와의 용접 결합을 위한 복수의 결합 포트가 형성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 용기 본체의 일정 영역에 주름 형상의 요철부가 마련되어 있으므로, 극저온 상태에서 용기에 열수축이 발생할 경우 용기 자체적으로 열수축에 의한 관계물과의 상대변위 차이를 보정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 구성을 보여주는분리상태 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기와 초전도 가속관과의 결합 관계를 보여주는 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기와 초전도 가속관이 결합된 상태를 보여주는 도면.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기를 나타낸 것으로서, 도 1은 각 부품이 분리된 상태에서의 사시도이고, 극저온 유지용기와 초전도 가속관과의 결합 관계를 보여주는 분해 사시도이며, 도 3은 극저온 유지용기와 초전도 가속관이 결합된 상태를 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기(110)는 총 5개의 분리된 부품으로 구성된다. 즉, 2개의 측면부재(111,112), 본체(113), 상부부재(114), 하부부재(115)를 포함하여 구성된다.

상기 2개의 측면부재(111,112)는 초전도 가속관(100)의 측면 포트(100a)에 각각 결합되며, 용기(본 발명의 극저온 유지용기)의 변위를 구속하고 용기의 대부분의 하중을 지지한다.

여기서, 이상과 같은 측면부재(111,112)는 도시된 바와 같이, 소정 지름을 갖는 관형 부재를 관의 지름 선상에서 종방향으로(관의 길이방향으로) 반으로 절단한 2개의 반관형 부재로 구성되며, 각 반관형 부재에는 상기 초전도 가속관(100)의 측면 포트(100a)와의 용접 결합을 위한 결합 포트(111p,112p)가 각각 형성된다.

여기서, 또한 이상과 같은 측면부재(111,112)는 각각 하나의 성형품으로 제작될 수도 있고, 반관형 부재를 먼저 마련한 후 몸체에 홀(hole)을 형성하고, 그 홀에 짧은 파이프(관) 형태의 결합 포트(111p,112p)를 별도로 용접 결합하는 방식으로 제작될 수도 있다.

상기 본체(113)는 상기 측면부재(111,112)의 상단에 결합되며, 극저온에서의 열수축 시 상대변위를 보정하기 위한 주름 형상부(113w)가 몸체의 소정 부위에 마련된다.

여기서, 이와 같은 본체(113)는 양단이 개방된 원통형으로 구성되며, 몸체의 상반부 일정 영역에는 극저온에서의 열수축 시 용기에서 발생하는 상대변위를 자체적으로 보정할 수 있도록 하기 위한 주름 형상부(113w)가 마련되는 것이다. 이때, 이러한 주름 형상부(113w)는 몸체의 외부 표면과 내부 표면이 모두 주름진 형태(일종의 벨로우즈관 형태)로 구성될 수 있다.

상기 상부부재(114)는 상기 본체(113)의 상단에 결합되며, 초전도 가속관(100)의 상부 포트(100b)와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 상기 본체의 주름 형상부(113w)의 상부 하중을 지지한다. 여기서, 이와 같은 상부부재(114)는 원판형의 몸체를 가지며, 몸체의 원주를 따라 소정 높이의 스커트부(114s)가 형성되고, 원판형 몸체의 평면부에는 상기 초전도 가속관(100)의 상부 포트(100b)와의 용접 결합을 위한 복수(예컨대, 2개)의 결합 포트(114p)가 형성된다.

또한, 이상과 같은 상부부재(114)에는 극저온 유체(예컨대, 액체 헬륨)의 유입을 위한 포트(114h)가 마련된다.

여기서, 또한 이상과 같은 상부부재(114)도 하나의 성형품으로 제작될 수도 있고, 상부부재 몸체를 먼저 마련한 후 몸체에 홀(hole)을 형성하고, 그 홀에 짧은 파이프(관) 형태의 결합 포트(114p) 및 극저온 유체 유입 포트(114h)를 별도로 용접 결합하는 방식으로 제작될 수도 있다.

상기 하부부재(115)는 상기 측면부재(111,112)의 하단에 결합되며, 초전도 가속관(100)의 하부 포트(100c)와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 측면부재(111,112)와 함께 용기의 대부분의 하중을 지지한다. 이와 같은 하부부재(115)는 소정 곡률의 곡면 몸체를 가지며, 그 몸체에는 상기 초전도 가속관(100)의 하부 포트(100c)와의 용접 결합을 위한 복수(예컨대, 2개)의 결합 포트(115p)가 형성된다. 여기서, 이와 같이 하부부재(115)가 곡면 몸체로 구성되는 것은 본 발명의 극저온 유지용기의 내부에 액체 헬륨(-271℃, 2K)이 채워지는바, 이를 채우기 위해 용기 내부를 진공 상태로 만드는데, 이때 용기가 외부의 압력을 견딜 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한, 이상과 같은 하부부재(115)에는 극저온 유체(예컨대, 액체 헬륨)의 유출을 위한 포트(115h)가 마련된다.

여기서, 또한 이상과 같은 하부부재(115)도 상기 상부부재(114)와 마찬가지로 하나의 성형품으로 제작될 수도 있고, 하부부재 몸체를 먼저 마련한 후 몸체에 홀(hole)을 형성하고, 그 홀에 짧은 파이프(관) 형태의 결합 포트(115p) 및 극저온 유체 유출 포트(115h)를 별도로 용접 결합하는 방식으로 제작될 수도 있다.

여기서, 또한 이상과 같은 본 발명의 초전도 가속관용 극저온 유지용기(110)를 구성하는 측면부재(111,112), 본체(113), 상부부재(114), 하부부재(115)는 극저온 및 높은 압력에 견딜 수 있는 동일한 금속재질로 제작되며, 바람직하게는 스테인레스 스틸(예를 들면, STS316L)로 제작된다.

한편, 상기 본체(113)와 상부부재(114)는 본 실시 예에서는 서로 분리된 부품으로 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 일체형으로 구성될 수도 있다. 즉, 본체(113)의 상단부(도 1의 도면상으로는 좌측 단부)와 상부부재(114)의 하단부(도 1의 도면상으로는 우측 단부)가 처음부터 서로 연결된 상태의 하나의 몸체로 구성될 수도 있다. 그러한 일체형 몸체는 금형에 의해 어렵지 않게 제작될 수 있음을 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

여기서, 또한 이상과 같이 본체(113)와 상부부재(114)가 하나의 일체화된 몸체로 구성될 경우에도 마찬가지로 상기 주름 형상부(113w)는 몸체의 외부 표면과 내부 표면이 모두 주름진 형태로 구성된다.

또한, 이상과 같이 본체(113)와 상부부재(114)가 하나의 일체화된 몸체로 구성될 경우에도, 역시 마찬가지로 상기 복수의 측면부재(111,112), 본체(113) 및 하부부재(115)가 서로 결합되어 하나의 용기를 이룬 상태에서, 그 용기 내부에는 -271℃의 액체 헬륨이 채워진다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기 (110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 초전도 가속관(100)을 그 내부에 내장하는 방식으로 초전도 가속관(100)과 결합되어 초전도 가속관(100)을 극저온 상태로 유지하게 된다. 이러한 상태에서 초전도 가속관(100)이 가동되어 초전도 가속관(100)이 갖는 본래의 기능을 수행하게 된다. 이러한 일련의 과정에 있어서, 극저온 유지용기에 열수축이 발생할 경우 용기에는 관계물과의 상대적인 변위가 발생하게 되는데, 이때 용기의 본체(113)에 형성되어 있는 주름 형상부(113w)에 의해 그러한 상대적인 변위를 흡수하게 되며, 이에 따라 용기 자체적으로 열수축에 의한 관계물과의 상대변위를 보정할 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기는 용기 본체의 일정 영역에 주름 형상의 요철부가 마련되어 있으므로, 극저온 상태에서 용기에 열수축이 발생할 경우 용기 자체적으로 열수축에 의한 관계물과의 상대변위 차이를 보정할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 종래와 같이 관계물 사이에 별도의 완충장치를 삽입(설치)하지 않아도 되고, 이에 따라 설비를 간소화하고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100...초전도 가속관 100a...측면 포트
100b...상부 포트 100c...하부 포트
110...(본 발명)초전도 가속관용 극저온 유지용기
111,112...측면부재 113...본체
114...상부부재 115...하부부재
111p,112p...측면부재 결합 포트 113w...주름 형상부
114p...상부부재 결합 포트 114s...스커트부
114h...극저온 유체 유입 포트 115h...극저온 유체 유출 포트
115p...하부부재 결합 포트

Claims (10)

1. 초전도 가속관의 측면 포트에 결합되며, 용기의 변위를 구속하고 용기 하중을 지지하는 복수의 측면부재;
   상기 측면부재의 상단에 결합되며, 극저온에서의 열수축 시 상대변위를 보정하기 위한 주름 형상부가 몸체의 소정 부위에 마련되는 본체;
   상기 본체의 상단에 결합되며, 초전도 가속관의 상부 포트와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 상기 본체의 주름 형상부의 상부 하중을 지지하는 상부부재; 및
   상기 측면부재의 하단에 결합되며, 초전도 가속관의 하부 포트와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 상기 측면부재와 함께 용기 하중을 지지하는 하부부재를 포함하며,
   상기 측면부재는 반관형 부재 몸체에 제1 홀이 형성되고, 상기 제1 홀에 소정 길이의 관 형태의 결합 포트(111p, 112p)가 각각 용접 결합되어 상기 측면 포트를 외부로 가이드하며,
   상기 상부부재는 몸체에 제2 홀이 형성되고, 상기 제2 홀에 소정 길이의 관 형태의 결합 포트(114p) 및 극저온 유체 유입 포트(114h)가 각각 용접 결합되어 상기 상부 포트를 외부로 가이드하며,
   상기 하부부재는 몸체에 제3 홀이 형성되고, 상기 제3 홀에 소정 길이의 관 형태의 결합 포트(115p) 및 극저온 유체 유출 포트(115h)가 각각 용접 결합되어 상기 하부 포트를 외부로 가이드하는 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 측면부재는 소정 지름을 갖는 관형 부재를 종방향으로 반으로 절단한 2개의 상기 반관형 부재로 구성되며, 각 반관형 부재에는 상기 초전도 가속관의 측면 포트와의 용접 결합을 위한 상기 결합 포트(111p, 112p)가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 본체는 양단이 개방된 원통형으로 구성되며, 몸체의 상반부 일정 영역에는 극저온에서의 열수축 시 용기에서 발생하는 상대변위를 자체적으로 보정할 수 있도록 하기 위한 주름 형상부가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 주름 형상부는 몸체의 외부 표면과 내부 표면이 모두 주름진 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 상부부재는 원판형의 몸체를 가지며, 몸체의 원주를 따라 소정 높이의 스커트부가 형성되고, 원판형 몸체의 평면부에는 상기 초전도 가속관의 상부 포트와의 용접 결합을 위한 복수의 상기 결합 포트(114p)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 하부부재는 소정 곡률의 곡면 몸체를 가지며, 그 몸체에는 상기 초전도 가속관의 하부 포트와의 용접 결합을 위한 복수의 상기 결합 포트(115p)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 측면부재, 본체, 상부부재 및 하부부재가 서로 결합되어 하나의 용기를 이룬 상태에서, 그 용기 내부에는 -271℃의 액체 헬륨이 채워지는 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
8. 초전도 가속관의 측면 포트에 결합되며, 용기의 변위를 구속하고 용기 하중을 지지하는 복수의 측면부재;
   상기 측면부재의 상단에 결합되며, 극저온에서의 열수축 시 상대변위를 보정하기 위한 주름 형상부가 몸체의 소정 부위에 마련되고, 몸체의 상단은 용기의 변위를 구속하도록 초전도 가속관의 상부 포트와 결합되는 본체; 및
   상기 측면부재의 하단에 결합되며, 초전도 가속관의 하부 포트와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 상기 측면부재와 함께 용기 하중을 지지하는 하부부재를 포함하며,
   상기 측면부재는 반관형 부재 몸체에 제1 홀이 형성되고, 상기 제1 홀에 소정 길이의 관 형태의 결합 포트(111p, 112p)가 각각 용접 결합되어 상기 측면 포트를 외부로 가이드하며,
   상기 하부부재는 몸체에 제3 홀이 형성되고, 상기 제3 홀에 소정 길이의 관 형태의 결합 포트(115p) 및 극저온 유체 유출 포트(115h)가 각각 용접 결합되어 상기 하부 포트를 외부로 가이드하는 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 주름 형상부는 몸체의 외부 표면과 내부 표면이 모두 주름진 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 측면부재, 본체 및 하부부재가 서로 결합되어 하나의 용기를 이룬 상태에서, 그 용기 내부에는 -271℃의 액체 헬륨이 채워지는 것을 특징으로 하는 초전도 가속관용 극저온 유지용기.

Images