KR101866985B1

KR101866985B1 - 유냉식 전자석

Info

Publication number: KR101866985B1
Application number: KR1020170059235A
Authority: KR
Inventors: 황성민; 심정현; 잉고 힐첸스; 이성주; 김기웅
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-07-19
Also published as: US20180330863A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전자석은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들; 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들; 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들; 및 상기 절연 냉각판들 및 상기 팬케이크 코일들의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징;을 포함한다.

Description

유냉식 전자석{Fluid-Cooled Electromagnets}

본 발명은 전자석에 관한 것으로, 더 구체적으로는 효과적으로 강한 자기장을 생성하고 차단하기 위한 사전자화 자기장을 생성하기 위한 유냉식 전자석에 관한 것이다.

종래의 사전자화 자기장 코일은 소형 솔레노이드 형태의 공랭식 코일, 액체질소 냉각 코일, 및 수냉식 코일로 분류된다.

소형 솔레노이드 형태의 공랭식 코일은 간단한 구조로 제작과 사용이 용이하나 사전자화 자기장을 인가할 수 있는 부피가 매우 작으며 생성 가능한 사전자화 자기장의 크기도 10 millitesla(mT) 수준으로 제한되고 효과적인 냉각 방식의 부재로 장시간 사용이 불가능하다.

액체질소 냉각 코일은 비등점이 77 K인 액체질소로 코일 자체의 온도를 줄여 전기저항을 실온의 1/8 수준으로 줄이며 액체질소의 비등 현상을 이용해 코일의 빠르고 효과적인 냉각 도모한다. 냉각을 위한 액체질소의 공급 및 유지를 위해 코일 전용 듀아(dewar)가 필요하다. 복잡하고 난이도가 높은 듀아의 제작에 많은 비용이 필요하며 듀아가 차지하는 무게와 부피가 커서 상대적으로 사전자화 자기장을 인가할 수 있는 부피가 작아지게 된다. 성능이 좋은 듀아가 있더라도 주기적으로 냉매인 액체질소를 채워줘야 하는 불편함이 있다.

수냉식 코일 (냉매를 미네랄 오일이나 실리콘 오일, 불소화합물 등 냉각유로 하는 경우도 포함)은 물, 미네랄 오일, 실리콘 오일 등 실온에서 사용하는 일반적인 냉매를 사용해서 코일을 냉각하는 방식이다. 내외부의 온도 차이가 적고 냉매의 순환에 필요한 내부 압력만 견디면 되므로 코일을 감싸는 구조체 (enclosure) 제작이 용이하다. 코일의 도선을 리츠 와이어로 하는 경우, 코일 내부에 냉매가 통과할 수 있는 공간을 만들어 주어야 하므로 권선이 복잡하며 실질전류밀도 (effective current density)가 적어진다. 코일의 도선을 중심에 냉매를 흘릴 수 있는 구리 파이프를 사용하는 경우, 냉매의 순환구조가 간단해지고 실질전류밀도의 손실도 적다는 장점이 있으나 리츠 와이어를 사용할 수 없어 도선의 단면이 커지는 만금 열잡음이 증가하는 문제가 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 기존 수냉식 전자석의 단점을 보완하는 상온에서 동작하고 열잡음을 제거한 유냉식 전자석을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자석은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들; 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들; 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들; 및 상기 절연 냉각판들 및 상기 팬케이크 코일들의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징;을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들과 열적으로 접촉하고, 상기 냉매는 냉각 공간에 제공되고, 상기 냉각 공간은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 팬케이크 코일들 각각은 서로 정렬되어 적층된 복수의 단위 팬케이크 코일들을 포함하고, 상기 단위 팬케이크 코일들 각각은 동일한 평면에서 나선 형태로 감기고, 상기 단위 팬케이크 코일들이 감기는 나선 방향은 동일한 팬케이크 코일 내에서 같은 방향이고, 상기 단위 팬케이크 코일들은 동일한 팬케이크 코일 내에서 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 인접한 단위 팬케이크 코일들은 서로 열적으로 접촉될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 팬케이크 코일들 중에서 최하층의 팬케이크 코일은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단을 구비하고, 상기 팬케이크 코일들 중에서 최상층의 팬케이크 코일은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단을 구비하고, 상기 팬케이크 코일들은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결되고, 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 리츠와이어가 감기는 방향은 상기 팬케이크 코일들의 층 높이에 따라 교번할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 인접한 적어도 두 개의 팬케이크 코일들이 팬케이크 코일 묶음을 구성하고, 각각의 상기 팬케이크 코일 묶음을 구성하는 팬케이크 코일들은 서로 병렬로 연결되고, 상기 팬케이크 코일 묶음들 중에서 최하층의 팬케이크 코일 묶음은 그 양단 중 하나에 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단을 구비하고, 상기 팬케이크 코일 묶음들 중에서 최상층의 팬케이크 코일 묶음은 그 양단 중 하나에 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단을 구비하고, 상기 팬케이크 코일 묶음들은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결되고, 상기 팬케이크 코일 묶음들을 구성하는 팬케이크 코일들의 리츠와이어가 감기는 방향은 층 높이에 따라 교번하여 서로 반대일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉각 공간은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성되고, 상기 절연 냉각판의 외경은 상기 팬케이크 코일의 외경보다 클 수 있다. 상기 하우징은, 그 하부면에 원형 와셔 형태의 하부 지지부를 구비하고 상기 절연 냉각판들과 상기 팬케이크 코일들 수납하는 원통 형태의 하우징 몸체부; 원형 와셔 형태이고 상기 하우징 몸체부의 상부면을 덮도록 배치되는 하우징 뚜껑부; 상기 하우징 몸체부의 측면을 관통하여 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구; 상기 하우징 몸체부의 측면을 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구; 및 상기 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 분리대;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절연 냉각판들은 모두 각각의 중심에 관통홀을 구비하고, 상기 절연 중심 스페이서들은 서로 이웃한 절연 냉각판들의 관통홀에 각각 삽입되어 고정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 지지부와 상기 하우징 몸체부의 하부 내측면 사이에 링형태의 정렬턱을 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 팬케이크 코일의 개수는 홀 수 개이고, 상기 팬케이크 코일들 중에서 최하층의 팬케이크 코일은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단을 구비하고, 상기 팬케이크 코일들 중에서 최상층의 팬케이크 코일은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단을 구비하고, 상기 팬케이크 코일들은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결되고, 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 리츠와이어가 감기는 방향은 상기 팬케이크 코일들의 층 높이에 따라 서로 반대일 수 있다. 상기 제1 연결단 및 제2 연결단 중에서 어느 하나는 상기 절연 중심 스페이서를 통과하도록 배치되고, 상기 제1 연결단 및 제2 연결단 중에서 다른 하나는 상기 하우징을 관통하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉각 공간은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성되고, 상기 절연 냉각판의 외경은 상기 팬케이크 코일의 외경보다 클 수 있다. 상기 하우징은, 그 하부면에 원판 형태의 하부 지지부를 구비하고 상기 절연 냉각판들과 상기 팬케이크 코일들 수납하는 원통 형태의 하우징 몸체부; 원판 형태이고 상기 하우징 몸체부의 상부면을 덮도록 배치되는 하우징 뚜껑부; 상기 하우징 몸체부의 측면을 관통하여 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구; 상기 하우징 몸체부의 측면을 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구; 및 상기 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 분리대;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절연 냉각판들은 원판 형태의 제1 절연 냉각판들과 중심에 관통홀을 구비하는 원형 와셔 형태의 제2 절연 냉각판들을 포함하고, 상기 제1 절연 냉각판들과 상기 제2 절연 냉각판들은 층 높이에 따라 교번하여 배치되고, 상기 제1 절연 냉각판들은 최상부면 및 최하부면에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절연 냉각판들은 모두 각각의 중심에 관통홀을 구비하고, 상기 절연 중심 스페이서들은 원형 와셔 형상이고, 상기 절연 중심 스페이서들의 내직경은 상기 절연 냉각판들의 관통홀의 직경보다 크고, 상기 절연 냉각판의 외경은 상기 팬케이크 코일의 외경보다 크고, 상기 냉각 공간은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성된 제1 냉각 공간과 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최내각에 형성된 제2 냉각 공간을 포함할 수 있다. 상기 하우징은 사각단면을 가진 속이 빈 토로이드 형상일 수 있다. 상기 하우징은, 상기 하우징의 외측면을 관통하여 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구; 상기 하우징의 외측면을 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구; 상기 제1 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 제1 분리대; 상기 제1 냉각 공간과 상기 제2 냉각 공간을 연결하도록 상기 하우징의 하부면에 반경 방향으로 서로 인접하게 형성된 제1 및 제2 유로; 상기 제1 냉각 공간을 국부적으로 막는 제2 분리대; 및 상기 제1 유로로 냉매가 유입되어 상기 제2 유로로 냉매가 유출될 수 있도록 상기 제2 냉각 공간을 국부적으로 막는 제3 분리대를 포함할 수 있다. 상기 냉매는 상기 제1 냉각 공간의 일부, 상기 제1 유로, 상기 제2 냉각 공간, 상기 제2 유로, 및 상기 제1 냉각 공간의 나머지 일부를 따라 흐를 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절연 냉각판들은 모두 각각의 중심에 관통홀을 구비하고, 상기 절연 중심 스페이서들은 원형 와셔 형상이고, 상기 절연 중심 스페이서들의 내직경은 상기 절연 냉각판들의 관통홀의 직경보다 크고, 상기 절연 냉각판의 외경은 상기 팬케이크 코일의 외경보다 크고, 상기 냉각 공간은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성된 제1 냉각 공간과 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최내각에 형성된 제2 냉각 공간을 포함할 수 있다. 상기 하우징은 사각단면을 가진 속이 빈 토로이드 형상일 수 있다. 상기 하우징은, 상기 하우징의 하부면을 관통하여 상기 제2 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구; 상기 하우징의 외측면을 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구; 상기 제1 냉각 공간을 국부적으로 가로막는 제1 분리대; 상기 제1 냉각 공간과 상기 제2 냉각 공간을 연결하도록 상기 하우징의 하부면에 반경 방향으로 형성된 유로; 및 상기 제2 냉각 공간을 국부적으로 막는 제2 분리대를 포함할 수 있다. 상기 냉매는 상기 제2 냉각 공간, 상기 유로, 및 상기 제1 냉각 공간을 따라 흐를 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절연 냉각판의 재질은 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3), 사파이어, 질화붕소(BN), 질화실리콘(Si3N4), 및 산화베릴륨(BeO) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자석은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 절연 냉각판들; 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 비금속 재질 원형 와셔 형태의 절연 중심 스페이서들; 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어를 포함하는 팬케이크 코일들; 및 상기 절연 냉각판들 및 상기 팬케이크 코일들을 수납하고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징;을 포함할 수 있다. 상기 팬케이크 코일들은 상기 인접한 절연 냉각판들과 열적으로 접촉하고, 상기 냉매는 상기 절연 냉각판들이 노출된 냉각 공간에 제공되고, 상기 냉각 공간은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자석은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들; 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들; 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들; 및 사각 단면의 토로이드 형상이고 상기 절연 냉각판들 및 상기 팬케이크 코일들을 수납하고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징;을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들과 열적으로 접촉하고, 상기 냉매는 냉각 공간에 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자석은 팬케이크 코일의 양측면에 절연 냉각판을 접합하여 팬케이크 코일에 전류가 인가 및 제거될 때 발생하는 높은 전압의 유도기전력에 저항하며 팬케이크 코일 내부에 발생하는 열을 효과적으로 냉각하고, 리츠 와이어를 사용하여 열잡음을 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자석은 냉매 (물, 미네랄 오일, 실리콘 오일 , 불소화합물 등)를 외부 펌프와 열교환기를 이용해 일정한 속도로 일정한 온도를 유지하면서 순환시키는 방식으로 코일 내부의 온도를 일정하게 유지하면서 시간제한 없이 사전 자화 자기장을 생성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전자석의 하우징 몸체부를 설명하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 전자석의 하우징에 삽입되는 팬케이크 코일 모듈을 설명하는 사시도이다.
도 4는 도 3의 팬케이크 코일 모듈을 절단한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 전자석의 평면도와 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 1의 전자석의 절연 중심 스페이서를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 1의 전자석을 구성하는 팬케이크 코일들의 전기적 연결 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 사전자화코일용 전자석에 전류를 인가한 경우, 냉매의 순환여부와 시간에 따른 코일 저항의 변화를 나타낸다.
도 9는 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 이론적 열분석 결과와 실험 결과를 나타낸다.
도 10은 팬케이크 코일 모듈의 냉각 공간의 반경 방향의 폭(W)에 따른 온도 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 단면도이다.
도 12는 도 11의 전자석의 팬케이크 코일들의 전기적 연결 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 개념도이다.
도 16a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 평면도이다.
도 16b는 도 16a의 B-B' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 16c는 도 16a의 C-C' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 17a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 평면도이다.
도 17b는 도 17a의 D-D` 선을 따라 자른 단면도이다.
도 17c는 도 17a의 E-E`-E`` 선을 따라 자른 단면도이다.

극저자장 자기공명장치 (Ultra Low Field Nuclear Magnetic Resonance/ Magnetic Resonance Image; ULF-NMR/MRI)는 수 fT 수준의 자기장을 측정할 수 있는 SQUID (Superconducting Quantum Interference Device; 초전도 양자 간섭장치) 센서를 사용한다. 극저자장 자기공명장치에서, SQUID 센서는 낮은 주파수의 NMR(Nuclear magnetic resonance) 신호를 감지한다. 강한 사전자화자기장이 요구되나, 강한 사전자화 자기장을 형성하기 위하여, 복수의 문제점이 있다. 사전자화 자기장의 세기와 지속 시간(duration)은 NMR 신호의 세기를 좌우한다. 상기 사전 자화 자기장은 10 mT 이상의 세기를 요구하고, 10 msec 이하의 빠른 감쇠시간(ramping down time)을 요구하고, 감쇠 후에 미미한 수준의 잔류 자기장을 요구한다.

극저자장 자기공명장치 (ULF-NMR/MRI)에는 강한 사전자화 자기장을 생성하고 이를 빠르고 완전하게 제거할 수 있는 사전자화 코일 (Bp 코일)이 필요하다.

사전자화 자기장 (Bp)은 빠르고 완전하게 사라져야 하므로 사전자화 자기장코일에는 다음과 같은 특성이 필요하다. 1) 코일을 구성하는 모든 재료에 자성이 없어야 하다. 2) 사전자화 자기장 (Bp)를 생성하거나 차단할 때 와류 (eddy current) 형성이 없거나 있더라도 사전자화 자기장 (Bp)의 감쇄시간 (10 ms 이내) 보다 훨씬 짧아야 한다. 3) 코일에서 발생하는 열잡음이 자기공명신호 검출에 영향이 없을 정도로 적어야 한다. 4) 사전자화 자기장(Bp)를 생성 및 차단할 때 수백 내지 수천 V에 달하는 유도기전력이 발생하므로 사전자화 자기장(Bp)을 생성하는 코일은 이를 견딜 수 있도록 설계해야 한다. 5) 사전자화 자기장(Bp)를 생성할 때 코일에 많은 전류가 흐르므로 코일의 저항을 최대한 줄여 발열이 적게 나도록 하여야 하며 또한 이렇게 발생한 열기에 의한 코일 온도 상승을 제한하기 위해 효과적인 코일 냉각 방법이 필요하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유냉식 전자석은 0.1 T 내외의 강한 자기장을 빠르게 생성하고 또 완전히 없애는 기능을 하는 사전자화 코일을 포함한다. 상기 사전 자화 코일의 효과적인 내부 냉각을 위해, 높은 열전도율을 가지면서 동시에 전기적으로는 절연체인 세라믹 판재 (AlN, AlO2 외 다수의 재질)가 내부 구조물로서 사용된다. 상기 세라믹 판재를 냉각하기 위하여 수냉식 또는 미네랄 오일, 실리콘 오일, 불소화합물 등을 냉매로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 실험 조건, 물질 종류 등에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되지는 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석을 나타내는 사시도이다.

도 2는 도 1의 전자석의 하우징 몸체부를 설명하는 사시도이다.

도 3은 도 1의 전자석의 하우징에 삽입되는 팬케이크 코일 모듈을 설명하는 사시도이다.

도 4는 도 3의 팬케이크 코일 모듈을 절단한 단면도이다.

도 5a 및 도 5b는 도 1의 전자석의 평면도와 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.

도 6은 도 1의 전자석의 절연 중심 스페이서를 나타내는 사시도이다.

도 7은 도 1의 전자석을 구성하는 팬케이크 코일들의 전기적 연결 관계를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 7을 참조하면, 전자석(100)은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들(110); 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들(130); 상기 이웃한 절연 냉각판들(110) 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들(130) 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들(120); 및 상기 절연 냉각판들(110) 및 상기 팬케이크 코일들(120)의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들(110)을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징(140);을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들(110)과 열적으로 접촉한다. 상기 냉매는 냉각 공간(103)에 제공되고, 상기 냉각 공간은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성된다.

상기 절연 냉각판들(110)은 상부 절연 냉각판(110a), 상기 상부 절연 냉각판와 수직으로 정렬되어 배치된 하부 절연 냉각판(110b), 및 상기 상부 절연 냉각판과 수직으로 정렬되고 그 중심에 관통홀(111)을 구비하고 상기 상부 절연 냉각판과 상기 하부 절연 냉각판 사이에 개재된 적어도 하나의 중간 절연 냉각판(110c)을 포함한다. 상기 절연 냉각판들(110)은 동일한 원형 와셔 형상이고 중심에 관통홀(111)을 구비할 수 있다.

상기 절연 중심 스페이서들(130)은 상기 절연 냉각판들(110)의 관통홀(111)에 삽입되어 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하고 링 형태를 가진다.

상기 팬케이크 코일들(120)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠 와이어를 포함한다.

상기 하우징(140)은 상기 절연 냉각판들(110) 및 상기 팬케이크 코일들(120)의 적어도 외측면을 감싸도록 배치되고 상기 절연 냉각판들(110)을 냉각하는 냉매를 제공한다. 상기 냉매는 상기 절연 냉각판들의 외측면 주위를 냉각할 수 있다.

상기 팬케이크 코일들(120)은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결된다. 상기 팬케이크 코일들(120)의 개수는 짝수 또는 홀수 일 수 있다. 상기 팬케이크 코일들(120)은 층 높이에 따라 교번하여 서로 반대 방향으로 감긴다. 상기 팬케이크 코일을 구성하는 리츠 와이어(129)는 직사각형의 단면을 가질 수 있다. 상기 팬케이크 코일들(120a~120f) 각각은 열전도성 에폭시(thermally conductive epoxy)에 의하여 몰딩될 수 있다. 상기 팬케이크 코일을 구성하는 리츠 와이어는 감기면서 상기 에폭시에 의하여 고정될 수 있다. 상기 팬케이크 코일들(120)은 이웃한 절연 냉각판들에 상기 에폭시에 의하여 밀봉되고 고정될 수 있다.

상기 팬케이크 코일들 중에서 최하층의 팬케이크 코일(120a)은 최외각에 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단(121)을 구비하고, 상기 팬케이크 코일들 중에서 최상층의 팬케이크 코일(120f)은 최외각에 상기 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단(122)을 구비할 수 있다. 상기 팬케이크 코일들은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결되고, 상기 팬케이크 코일들은 짝수이고, 상기 팬케이크 코일들은 층 높이에 따라 교번하여 서로 반대 방향으로 감길 수 있다.

복수의 절연 냉각판들(120), 절연 중심 스페이서들(130), 및 팬케이크 코일들(120)은 에폭시 접착제에 의하여 서로 몰딩되어 팬케이크 코일 모듈(101)을 구성할 수 있다. 상기 팬케이크 코일 모듈(101)은 상기 하우징(140) 내에 삽입되어 냉매에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 냉매는 상기 하우징(140)의 내측면과 서로 이웃한 절연 냉각판들이 서로 마주보는 외반경 주위에 노출된 냉각 공간(103)으로 흐를 수 있다. 상기 냉각 공간(103)을 제공하기 위하여, 상가 절연 냉각판의 외반경은 상기 팬케이크 코일의 외반경보다 클 수 있다.

상기 냉매는 상기 냉각 공간(103)을 따라 흐르고, 상기 냉각 공간은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 팬케이크 코일에 의하여 채워지지 않은 최외각에 형성될 수 있다. 상기 상부 절연 냉각판들(110a), 상기 중간 절연 냉각판(110b), 및 상기 하부 절연 냉각판들(110b)은 동일한 형상이고, 서로 평행하고 수직으로 정렬될 수 있다.

상기 팬케이크 코일(120)에 전류가 흐르는 경우, 줄(Joule) 발열에 의해 발생된 열은 상기 팬케이크 코일(120)의 상하부면에 배치된 절연 냉각판들(110)로 전달되고, 전달된 열은 상기 절연 냉각판들(110)의 반경 방향으로 전달되고, 외반경 주위에 전달된 열은 상기 냉매로 전달될 수 있다. 상기 냉매는 펌프를 통해 강제로 순환되고, 상기 하우징(140)에서 빠져나온 냉매의 열은 외부에 배치된 열교환기를 통해 제거될 수 있다. 상기 냉매는 일정한 온도로 유지될 수 있다. 상기 냉매는 물, 미네랄 오일, 실리콘 오일, 또는 불소화합물일 수 있다.

상기 절연 냉각판들(110)은 절연 세라믹 재질이고 효율적인 열전달을 위하여 상기 절연 냉각판들(110)의 열전도도는 10 W/m-K 이상일 수 있다. 상기 절연 냉각판들(110)은 질화알루미늄(AlN), 사파이어, 알루미나(Al2O3), 질화실리콘(Si3N4), 질화붕소(BN), 및 산화베릴륨(BeO) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 절연 냉각판들(110)은 150 W/m-K 이상의 열전도도를 가진 AlN일 수 있다. 상기 절연 냉각판(110)의 두께(d)는 2 mm 내지 3 mm일 수 있다. 상기 냉각 공간(103)을 제공하는 절연 냉각판의 외경과 상기 팬케이크 코일의 외경의 차이(W)는 3 mm 내지 7 mm 일 수 있다.

상기 절연 중심 스페이서(130)는 사각형 단면을 가진 링 형상이고, 상기 절연 중심 스페이서(130)의 높이는 상기 팬케이크 코일(120)의 두께(t)보다 크고, 팬케이크 코일과 2 개의 절연 냉각판의 전체 두께(t+2d)보다 작을 수 있다. 상기 절연 중심 스페이서(130)는 절연성을 가진 플라스틱 재질일 수 있다. 상기 절연 중심 스페이서(130)는 상기 절연 냉각판의 관통홀(111)에 삽입되도록 제1 두께를 가지는 제1 영역(131), 일정한 간격을 유지하도록 한 쌍의 상기 절연 냉각판 사이에 배치된 제2 두께를 가지는 제2 영역(132)을 포함한다. 제1 두께는 제2 두께보다 크다. 상기 절연 중심 스페이서(130)는 제2 영역에서 반경이 증가함에 따라 방위각이 증가하는 방향으로 형성된 나선 틈(133)을 구비할 수 있다. 리츠 와이어(129)는 상기 나선 틈(133)을 통하여 상기 팬케이크 코일(120)에 연결될 수 있다.

상기 팬케이크 코일들(120) 각각은 서로 수직으로 정렬되고 일정한 간격을 가지고 적층되고, 동일한 구조를 가질 수 있다. 상기 팬케이크 코일들(120)은 서로 직렬 연결되어 동일한 방향의 자기장을 형성한다. 또한, 상기 팬케이크 코일들은 교번하여 서로 반대 방향으로 나선 형태로 감긴다. 이에 따라, 이웃한 팬케이크 코일들의 연결 부위는 서로 수직한 위치에 정렬되고, 상기 팬케이크 코일들(120)에 흐르른 전류는 전체적으로 동일한 방위각 방향으로 흐른다.

상기 팬케이크 코일(120) 각각의 권선수는 동일평면에서 75 수준일 수 있다. 상기 팬케이크 코일을 구성하는 리츠 와이어는 사각형 단면을 가질 수 있다. 상기 리츠 와이어는 9개의 하부 번들(bundle)과 상기 하부 번들 상에 배치된 8개의 17개의 상부 번들을 구비할 수 있다. 각 번들(129a)은 절연체로 코팅된 7 개의 구리 도선(129b)을 포함할 수 있다.

최하층의 팬케이크 코일(120a)은 최외각에 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단(121)을 구비한다. 상기 팬케이크 코일들 중에서 최상층의 팬케이크 코일(120f)은 최외각에 상기 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단(122)을 구비한다. 이웃한 팬케이크 코일들은 그 내반경 주위에서 배치 평면에 수직한 라츠와이어로 형성된 내측 연결부(127a)를 통하여 연결될 수 있다. 이웃한 팬케이크 코일들은 그 외반경 주위에서 배치 평면에 수직한 라츠와이어로 형성된 외측 연결부(127b)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 내측 연결부 또는 상기 외측 연결부는 은납 용접을 통하여 연결될 수 있다.

상기 냉각 공간(103)은 이웃한 절연 냉각판들(110) 사이의 최외각에 형성되고, 상기 절연 냉각판(110)의 외경은 상기 팬케이크 코일(120)의 외경보다 클 수 있다. 상기 절연 냉각판의 내경은 상기 팬케이크 코일의 내경보다 작을 수 있다. 상기 절연 냉각판들은 모두 각각의 중심에 관통홀을 구비하고, 상기 절연 중심 스페이서들은 서로 이웃한 절연 냉각판들의 관통홀에 각각 삽입되어 고정될 수 있다.

상기 하우징(140)은, 그 하부면에 원형 와셔 형태의 하부 지지부(149b)를 구비하고 상기 절연 냉각판들(110)과 상기 팬케이크 코일들(120) 수납하는 원통 형태의 하우징 몸체부(141); 원형 와셔 형태이고 상기 하우징 몸체부의 상부면을 덮도록 배치되는 하우징 뚜껑부(142); 상기 하우징 몸체부의 측면을 관통하여 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구(145); 상기 하우징 몸체부의 측면을 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구(146); 및 상기 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 분리대(170);를 포함할 수 있다. 상기 하우징은 상기 하부 지지부와 상기 하우징 몸체부의 하부 내측면 사이에 링형태의 정렬턱(149a)을 구비할 수 있다.

연결 박스(143)는 상기 하우징 몸체부의 측면에 형성된 결합면(148)에 배치되고 상기 제1 연결단(121)과 제2 연결단(122)을 전기적으로 외부로 연결할 수 있다. 상기 결합면의 법선은 상기 하우징 몸체부(141)의 반경 방향일 수 있다. 상기 하우징은 절연체로 형성되고, 플라스틱 재질일 수 있다. 상기 하우징(140)은 상기 팬케이크 코일 모듈(101)을 오링(O-ring)과 같은 실링수단으로 밀봉할 수 있다. 이에 따라, 상기 하우징에 공급된 냉매는 누설되지 않고 냉각 공간(103)을 따라 흐를 수 있다.

상기 하우징 몸체부(141)는 원통 형상이고, 플라스틱 재질로 절연성 재질일 수 있다. 상기 하우징 몸체부의 하부면에는 링 형태의 하부 지지부(149b)를 구비할 수 있다. 상기 하부 지지부(149b)는 상기 팬케이크 코일 모듈(101)을 지지할 수 있다. 상기 하우징 몸체부의 하부 내측면과 상기 하부 지지부에 돌출된 정렬턱(149a)을 구비하고, 상기 정렬턱(149a)은 상기 팬케이크 코일 모듈을 정렬시킬 수 있다.

상기 하우징 몸체부(141)의 상부면은 그 내측면 주위로 함몰된 함몰부위(141a)를 구비할 수 있다. 상기 함몰부위(141a)는 상기 하우징 뚜껑부(142)의 하부면에서 돌출된 돌출 부위(142a)와 결합하여 상기 하우징 뚜껑부(142)를 정렬시킬 수 있다.

상기 하우징 뚜껑부(142)는 원형 와셔 형상으로 상기 팬케이크 코일 모듈(101)의 상부 외주면을 압박할 수 있다. 상기 뚜껑부(142)는 플라스틱 재질일 수 있다.

상기 하우징 몸체부(141)의 외측면의 일부는 결합면(148)을 구비할 수 있다. 상기 결합면(148)은 평면이고, 상기 결합면의 법선 방향은 상기 하우징 몸체부의 반경 방향일 수 있다.

연결 박스(143)는 직육면체 형상으로 상기 결합면(148)에 결합하여 고정될 수 있다. 상기 연결 박스(143)에는 외부 전류공급 장치와 전기적 연결을 위한 접속 부위가 배치될 수 있다. 상기 연결박스(143)는 속이 빈 박스 형태이고, 상기 팬케이크 코일 모듈의 입력선과 출력선을 위한 관통홀을 구비할 수 있다. 상기 결합면(148)에 형성된 관통홀(147)은 상기 연결 박스(143)의 관통홀과 연속적으로 연결될 수 있다. 상기 연결 박스(143)는 상기 제1 연결단(121)과 제2 연결단(122)을 외부 전원과 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 연결박스(143)는 플라스틱 재질일 수 있다. 상기 연결박스(143)는 뚜껑을 구비할 수 있다.

냉매 유입구(145)는 상기 하우징 몸체부(141)의 측면에 형성되고, 냉매 유출구(146)는 상기 하우징 몸체부(141)의 측면에 형성될 수 있다. 상기 냉매 유입구(145)는 냉매 유입 라인(145a)과 연결되고, 상기 냉매 유출구(146)는 냉매 유출 라인(146a)과 연결될 수 있다.

상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이의 상기 하우징 몸체부(141)의 내측면에는 분리대(170)가 배치될 수 있다. 상기 분리대(170)는 상기 하우징 몸체부(141)의 내측면과 상기 팬케이크 모듈(101)의 외측면 사이의 틈을 국부적으로 채울 수 있다. 상기 분리대는 냉매가 반경 방향으로 계속 회전하지 않도록 유체 경로를 차단할 수 있다. 상기 분리대(170)는 상기 하우징 몸체부의 높이 방향으로 연장되고, 국부적으로 냉각 공간(103)에 삽입되도록 내반경 방향으로 돌출된 돌출부를 구비할 수 있다. 상기 분리대(170)는 상기 하우징 몸체부에 고정되거나 일체형으로 형성될 수 있다.

열전도도가 높은 세라믹 재질의 절연 냉각판들(110)은 팬케이크 코일 내부에서 발생하는 열을 빠르게 바깥쪽으로 전달하며, 이렇게 전달된 열은 냉매로 전달되고, 상기 냉매는 순환되어 안정적으로 팬케이크 코일을 상온 수준으로 냉각시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 사전자화코일용 전자석에 전류를 인가한 경우, 냉매의 순환여부와 시간에 따른 코일 저항의 변화를 나타낸다.

도 9는 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 이론적 열분석 결과와 실험 결과를 나타낸다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 절연 냉각판의 두께는 3 mm의 AlN이고, 팬케이크 코일의 개수는 6 개이고, 각 팬케이크 코일의 턴수는 73 내지 77 이다. 팬케이크 코일의 두께는 3.6 mm이고, 팬케이크 코일의 내직경은 34 mm이고, 외직경은 160 mm이다. 절연 냉각판의 외직경은 170 mm이다.

도 8을 참조하면, 전자석에 12 A 전류를 인가한 경우, 코일 저항은 시간에 따라 증가하여 포화되었다. 전류 인가 상태에서, 약 9분 후 1분간 냉각수의 순환을 중지한 경우, 다시 냉각수의 순환을 재개하였다. 이 경우, 냉각수의 순환이 멈춘 1분간 코일 저항이 급격히 올라한다. 이어서, 냉각수가 순환할 때 냉각이 다시 효과적으로 이루어지는 것을 확인하였다.

도 9를 참조하면, 컴퓨터 시뮬레이션 이론적 열분석 결과와 실제 측정 결과는 비슷한 냉각 성능(코일 저항 특성)을 나타낸다.

도 10은 팬케이크 코일 모듈의 냉각 공간의 반경 방향의 폭(W)에 따른 온도 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

도 10을 참조하면, 실제로 적용된 절연 냉각판 두께 3.2 mm에 해당하는 모델인 팬케이크 코일 당 절연 냉각판의 두께가 1.6 mm 이상인 경우에, 효율적인 냉각 수행되고, 냉각 공간의 반경 방향의 폭(W)이 약 5 mm 이상인 경우에 효율적인 냉각이 수행된다. 한편, 냉각 공간의 반경 방향의 폭(W)이 너무 증가하면, 상대적으로 코일의 턴수가 감소하여 인가전류 대비 자기장의 세기가 감소할 수 있다. 따라서, 바람직한 냉각 공간의 반경 방향의 폭(W)은 3 mm 내지 7 mm 수준일 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 단면도이다.

도 12는 도 11의 전자석의 팬케이크 코일들의 전기적 연결 관계를 나타내는 도면이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 전자석(300)은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들(110); 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들(330); 상기 이웃한 절연 냉각판들(110) 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들(330) 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들(320); 및 상기 절연 냉각판들(110) 및 상기 팬케이크 코일들(320)의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징(140);을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들(110)과 열적으로 접촉한다. 상기 냉매는 냉각 공간(103)에 제공되고, 상기 냉각 공간(103)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성된다.

상기 팬케이크 코일들(320a~320d) 각각은 서로 정렬되어 적층된 복수의 단위 팬케이크 코일들(305) 포함할 수 있다. 상기 단위 팬케이크 코일들(305) 각각은 동일한 평면 내에서 나선 형태로 감긴다. 하나의 팬케이크 코일(320a) 내의 단위 팬케이크 코일들(305)은 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 상기 단위 팬케이크 코일들(305) 각각은 동일한 평면에서 나선 형태로 감길 수 있다. 상기 팬케이크 코일들(320)은 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결될 수 있다. 상기 팬케이크 코일들(320)은 동일한 방향의 자기장을 형성하도록 높이에 따라 교번하여 서로 반대 방향으로 감길 수 있다. 상기 단위 팬케이크 코일들(305)의 개수는 동일한 팬케이크 코일 내에서 2 이상일 수 있다. 동일한 팬케이크 코일 내에서 상기 단위 팬케이크 코일들(305)은 서로 병렬 연결될 수 있다. 내측 연결부(327a)는 동일한 팬케이크 코일 내에서 상기 단위 팬케이크 코일들(305)은 서로 병렬 연결하고, 이웃한 팬케이크 코일들을 서로 직렬 연결할 수 있다. 외측 연결부(327b)는 동일한 팬케이크 코일 내에서 상기 단위 팬케이크 코일들(303)은 서로 병렬 연결하고, 이웃한 팬케이크 코일들을 서로 직렬 연결할 수 있다.

상기 절연 중심 스페이서들(330)는 이웃한 절연 냉각판들(110)의 간격을 일정하게 유지하도록, 절연 냉각판(110)의 관통홀(111)에 삽입될 수 있다. 상기 단위 팬케이크 코일은 상기 절연 중심 스페이들을 기준으로 나산형으로 감길 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 단면도이다.

도 13을 참조하면, 전자석(400)은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들(110); 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들(130); 상기 이웃한 절연 냉각판들(110) 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들(130) 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들(120); 및 상기 절연 냉각판들(110) 및 상기 팬케이크 코일들(120)의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징(140);을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들(110)과 열적으로 접촉한다. 상기 냉매는 냉각 공간(103)에 제공되고, 상기 냉각 공간(103)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성된다.

상기 팬케이크 코일들(120a~120e)의 개수는 홀수일 수 있다. 상기 팬케이크 코일들(120a~120e)은 층 높이에 따라 교번하여 서로 반대 방향으로 감길 수 있다.

상기 팬케이크 코일의 개수는 홀수 개일 수 있다. 상기 팬케이크 코일들 중에서 최하층의 팬케이크 코일(120a)은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단(421)을 구비하고, 상기 팬케이크 코일들 중에서 최상층의 팬케이크 코일(120e)은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단(422)을 구비할 수 있다. 상기 팬케이크 코일들(120a~120e)은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결되고, 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 리츠와이어가 감기는 방향은 상기 팬케이크 코일들의 층 높이에 따라 서로 반대일 수 있다. 상기 제1 연결단 및 제2 연결단 중에서 어느 하나는 상기 절연 중심 스페이서(130)를 통과하도록 배치되고, 상기 제1 연결단 및 제2 연결단 중에서 다른 하나는 상기 하우징(140)을 관통하도록 배치될 수 있다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 단면도이다.

도 14를 참조하면, 전자석(500)은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들(510); 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들(530); 상기 이웃한 절연 냉각판들(510) 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들(530) 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들(120); 및 상기 절연 냉각판들(510) 및 상기 팬케이크 코일들(120)의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징(540);을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들(510)과 열적으로 접촉한다. 상기 냉매는 냉각 공간(103)에 제공되고, 상기 냉각 공간(103)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성된다.

상기 냉각 공간(103)은 이웃한 절연 냉각판들(510) 사이의 최외각에 형성되고, 상기 절연 냉각판(510)의 외경은 상기 팬케이크 코일(120)의 외경보다 클 수 있다. 상기 절연 냉각판들(510)은 원판 형태의 제1 절연 냉각판들(510a)과 중심에 관통홀(111)을 구비하는 원형 와셔 형태의 제2 절연 냉각판들(510b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연 냉각판들(510a)과 상기 제2 절연 냉각판들(510b)은 층 높이에 따라 교번하여 배치되고, 상기 제1 절연 냉각판들(510a)은 최상부면 및 최하부면에 배치될 수 있다.

상기 하우징(540)은, 그 하부면에 원판 형태의 하부 지지부(549b)를 구비하고 상기 절연 냉각판들과 상기 팬케이크 코일들 수납하는 원통 형태의 하우징 몸체부(541); 원판 형태이고 상기 하우징 몸체부의 상부면을 덮도록 배치되는 하우징 뚜껑부(542); 상기 하우징 몸체부의 측면을 관통하여 상기 냉각 공간(103)과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구(145); 상기 하우징 몸체부의 측면을 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구(146); 및 상기 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 분리대(170);를 포함할 수 있다.

상기 절연 중심 스페이서들(530)은 상기 제2 절연 냉각판들(510b) 각각의 관통홀(111)에 삽입되어 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하고, 링 형태를 가진다.

상기 팬케이크 코일들(120a~120f)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠 와이어를 포함한다. 상기 하우징(540)은 상기 절연 냉각판들(510) 및 상기 팬케이크 코일들(120)을 수납하고 상기 절연 냉각판들(510)을 냉각하는 냉매를 제공한다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 개념도이다.

도 15를 참조하면, 전자석(600)은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들(110); 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들(130); 상기 이웃한 절연 냉각판들(110) 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들(130) 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들(620); 및 상기 절연 냉각판들(110) 및 상기 팬케이크 코일들(620)의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징(140);을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들(110)과 열적으로 접촉한다. 상기 냉매는 냉각 공간(103)에 제공되고, 상기 냉각 공간(103)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성된다.

상기 팬케이크 코일들(620a~620i)은 수직으로 일정한 간격을 가지고 차례로 적층될 수 있다. 인접한 적어도 두 개의 팬케이크 코일들(620a,620b)이 팬케이크 코일 묶음(621a)을 구성한다. 각각의 상기 팬케이크 코일 묶음(620a)을 구성하는 팬케이크 코일들(620a,620b)은 서로 병렬로 연결된다. 상기 팬케이크 코일 묶음들 중에서 최하층의 팬케이크 코일 묶음(621a)은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단(121)을 구비한다. 상기 팬케이크 코일 묶음들 중에서 최상층의 팬케이크 코일 묶음(621d)은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단(122)을 구비한다. 상기 팬케이크 코일 묶음들(621a~621d)은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결될 수 있다. 상기 팬케이크 코일 묶음들을 구성하는 팬케이크 코일들의 리츠와이어가 감기는 방향은 상기 팬케이크 코일 묶음의 높이에 따라 교번하여 서로 반대일 수 있다.

도 16a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 평면도이다.

도 16b는 도 16a의 B-B' 선을 따라 자른 단면도이다.

도 16c는 도 16a의 C-C' 선을 따라 자른 단면도이다.

도 16a 내지 도 16c를 참조하면, 전자석(700)은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들(110); 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들(730); 상기 이웃한 절연 냉각판들(110) 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들(730) 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들(120); 및 상기 절연 냉각판들(110) 및 상기 팬케이크 코일들(120)의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징(740);을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들(110)과 열적으로 접촉한다. 상기 냉매는 냉각 공간(703)에 제공되고, 상기 냉각 공간(703)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성된다.

상기 절연 냉각판들(110)은 모두 각각의 중심에 관통홀(111)을 구비하고, 상기 절연 중심 스페이서들(730)은 원형 와셔 형상이고, 상기 절연 중심 스페이서들(730)의 내직경은 상기 절연 냉각판들의 관통홀(111)의 직경보다 클 수 있다. 상기 절연 중심 스페이서들(730)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이에 삽입되어 고정될 수 있다. 이에 따라, 절연 냉각판들(110)은 상기 절연 중심 스페이서들(730)보다 내측으로 돌출될 수 있다. 상기 절연 냉각판(110)의 외경은 상기 팬케이크 코일(120)의 외경보다 클 수 있다.

상기 냉각 공간(703)은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성된 제1 냉각 공간(703a)과 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최내각에 형성된 제2 냉각 공간(703b)을 포함할 수 있다. 상기 하우징(740)은 사각단면을 가진 속이 빈 토로이드 형상일 수 있다.

상기 하우징(740)은, 상기 하우징의 외측면을 관통하여 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구(145); 상기 하우징의 외측면을 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구(146); 상기 제1 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 제1 분리대(771); 상기 제1 냉각 공간과 상기 제2 냉각 공간을 연결하도록 상기 하우징의 하부면에 반경 방향으로 서로 인접하게 형성된 제1 및 제2 유로(793a,793b); 상기 제1 냉각 공간(703a)을 국부적으로 막는 제2 분리대(772); 및 상기 제1 유로로 냉매가 유입되어 상기 제2 유로로 냉매가 유출될 수 있도록 상기 제2 냉각 공간을 국부적으로 막는 제3 분리대(773)를 포함할 수 있다.

상기 하우징(740)은 그 하부면에 원형 와셔 형태의 하부 지지부(749b)를 구비하고 상기 절연 냉각판들과 상기 팬케이크 코일들 수납하는 원통 형태의 하우징 몸체부(741); 원형 와셔 형태이고 상기 하우징 몸체부의 상부면을 덮도록 배치되는 하우징 뚜껑부(142); 및 상기 하부 지지부(749a)의 내반경과 상기 하우징 투껑부(142)의 내반경을 서로 연결하는 원통 형상의 내측 몸체부(741c)를 포함할 수 있다. 상기 하부 지지부(749b)와 상기 하우징 몸체부의 결합 부위에는 정렬턱(749a)이 배치될 수 있다. 상기 정렬턱(749a)에 최하층의 절연 냉각판이 정렬될 수 있다. 상기 정렬턱은 링 형상이나, 상기 제1 유로(793a) 및 상기 제2 냉각 공간(703b)가 형성된 영역에서 국부적으로 제거될 수 있다. 상기 제1 및 제2 유로(793a,793b)는 반경 방향으로 연장되고 상기 하부 지지부(749b)의 상부면에 형성된 트렌치일 수 있다.

상기 하우징의 토로이드 형태의 수납 공간에 배치된 절연 냉각판의 외측과 내측은 각각 제1 냉각 공간(703a)과 제2 냉각 공간(703b)을 제공할 수 있다. 상기 절연 냉각판의 내경은 상기 절연 중심 스페이서의 내경보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 절연 냉각판의 외측 상하면은 내측으로 돌출되어 냉매에 의하여 냉각될 수 있다.

상기 냉매는 상기 제1 냉각 공간(703a)의 일부, 상기 제1 유로(793a), 상기 제2 냉각 공간(703b), 상기 제2 유로(793b), 및 상기 제1 냉각 공간(703a)의 나머지 일부를 따라 흐를 수 있다. 상기 제1 분리대(771)와 상기 제2 분리대(772)는 상기 하우징의 중심을 기준으로 서로 180도 차이를 두고 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 제3 분리대(773)는 상기 제2 분리대(772)를 마주보도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉매는 상기 제1 냉각 공간(703a)을 반시계방향으로 180도를 진행하고, 상기 제1 유로(793a)를 따라 음의 반경 방향으로 진행하고, 상기 제2 냉각 공간(703b)을 따라 시계 방향으로 약 360도를 진행하고, 상기 제2 유로(793b)를 따라 양의 반경 방향으로 진행하고, 및 상기 제1 냉각 공간(703a)을 따라 반시계 방향으로 180도를 진행할 수 있다.

도 17a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자석을 나타내는 평면도이다.

도 17b는 도 17a의 D-D` 선을 따라 자른 단면도이다.

도 17c는 도 17a의 E-E`-E`` 선을 따라 자른 단면도이다.

도 17a 내지 도 17c를 참조하면, 전자석(800)은, 서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들(110); 이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들(730); 상기 이웃한 절연 냉각판들(110) 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들(730) 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들(120); 및 상기 절연 냉각판들(110) 및 상기 팬케이크 코일들(120)의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징(840);을 포함한다. 상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 인접한 절연 냉각판들(110)과 열적으로 접촉한다. 상기 냉매는 냉각 공간(803)에 제공되고, 상기 냉각 공간(803)은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성된다.

상기 냉각 공간(803)은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성된 제1 냉각 공간(803a)과 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최내각에 형성된 제2 냉각 공간(803b)을 포함할 수 있다. 상기 하우징(840)은 사각단면을 가진 속이 빈 토로이드 형상일 수 있다.

상기 하우징(840)은, 상기 하우징의 하부면을 관통하여 상기 제2 냉각 공간(803b)과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구(845); 상기 하우징의 외측면을 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구(846); 상기 제1 냉각 공간(803a)을 국부적으로 가로막는 제1 분리대(871); 상기 제1 냉각 공간(803a)과 상기 제2 냉각 공간(803b)을 연결하도록 상기 하우징의 하부면에 반경 방향으로 형성된 유로(893); 및 상기 제2 냉각 공간(803b)을 국부적으로 막는 제2 분리대(872)를 포함한다. 상기 냉매는 상기 제2 냉각 공간(803b), 상기 유로(893), 및 상기 제1 냉각 공간(803a)을 따라 흐를 수 있다. 상기 유로(893)는 상기 하부 지지부(849b)의 반경 방향으로 형성된 트렌치일 수 있다.

상기 하우징(840)은 그 하부면에 원형 와셔 형태의 하부 지지부(849b)를 구비하고 상기 절연 냉각판들과 상기 팬케이크 코일들 수납하는 원통 형태의 하우징 몸체부(841); 원형 와셔 형태이고 상기 하우징 몸체부의 상부면을 덮도록 배치되는 하우징 뚜껑부(142); 및 상기 하부 지지부(849b)의 내반경과 상기 하우징 투껑부(142)의 내반경을 서로 연결하는 원통 형상의 내측 몸체부(841c)를 포함할 수 있다. 상기 하부 지지부(849b)와 상기 하우징 몸체부의 결합 부위에는 정렬턱(849a)이 배치될 수 있다. 상기 정렬턱에 최하층의 절연 냉각판이 정렬될 수 있다. 상기 정렬턱은 링 형상이나, 상기 유로(8793)가 형성된 영역에서 국부적으로 제거될 수 있다.

상기 하우징의 토로이드 형태의 수납 공간에 배치된 절연 냉각판의 외측과 내측은 각각 제1 냉각 공간과 제2 냉각 공간을 제공할 수 있다.

상기 냉매는 상기 제2 냉각 공간(803b)을 시계방향으로 약 360도를 진행하고, 상기 유로(893)를 따라 양의 반경 방향으로 진행하고, 상기 제1 냉각 공간(803a)을 따라 반시계 방향으로 약 360도를 진행할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

100: 전자석
110: 절연 냉각판들
120: 팬케이크 코일들
130: 절연 중심 스페이서들
140: 하우징

Claims

서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들;
이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들;
상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들; 및
상기 절연 냉각판들 및 상기 팬케이크 코일들의 적어도 외측면을 감싸고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징;을 포함하고,
상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 이웃한 절연 냉각판들과 열적으로 접촉하고,
상기 냉매는 냉각 공간에 제공되고,
상기 냉각 공간은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 팬케이크 코일들 각각은 서로 정렬되어 적층된 복수의 단위 팬케이크 코일들을 포함하고,
상기 단위 팬케이크 코일들 각각은 동일한 평면에서 나선 형태로 감기고,
상기 단위 팬케이크 코일들이 감기는 나선 방향은 동일한 팬케이크 코일 내에서 같은 방향이고,
상기 단위 팬케이크 코일들은 동일한 팬케이크 코일 내에서 전기적으로 병렬 연결되고,
상기 이웃한 단위 팬케이크 코일들은 서로 열적으로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 팬케이크 코일들 중에서 최하층의 팬케이크 코일은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단을 구비하고,
상기 팬케이크 코일들 중에서 최상층의 팬케이크 코일은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단을 구비하고,
상기 팬케이크 코일들은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결되고,
상기 팬케이크 코일들을 구성하는 리츠와이어가 감기는 방향은 상기 팬케이크 코일들의 층 높이에 따라 교번하는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
인접한 적어도 두 개의 팬케이크 코일들이 팬케이크 코일 묶음을 구성하고,
각각의 상기 팬케이크 코일 묶음을 구성하는 팬케이크 코일들은 서로 병렬로 연결되고,
상기 팬케이크 코일 묶음들 중에서 최하층의 팬케이크 코일 묶음은 그 양단 중 하나에 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단을 구비하고,
상기 팬케이크 코일 묶음들 중에서 최상층의 팬케이크 코일 묶음은 그 양단 중 하나에 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단을 구비하고,
상기 팬케이크 코일 묶음들은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결되고,
상기 팬케이크 코일 묶음들을 구성하는 팬케이크 코일들의 리츠와이어가 감기는 방향은 층 높이에 따라 교번하여 서로 반대로 되는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 냉각 공간은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성되고,
상기 절연 냉각판의 외경은 상기 팬케이크 코일의 외경보다 크고,
상기 하우징은:
그 하부면에 원형 와셔 형태의 하부 지지부를 구비하고 상기 절연 냉각판들과 상기 팬케이크 코일들 수납하는 원통 형태의 하우징 몸체부;
원형 와셔 형태이고 상기 하우징 몸체부의 상부면을 덮도록 배치되는 하우징 뚜껑부;
상기 하우징 몸체부의 측면, 하부면, 및 상부면 중 하나를 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구;
상기 하우징 몸체부의 측면, 하부면, 및 상부면 중 하나를 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구; 및
상기 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 분리대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자석.
제5 항에 있어서,
상기 절연 냉각판들은 모두 각각의 중심에 관통홀을 구비하고,
상기 절연 중심 스페이서들은 서로 이웃한 절연 냉각판들의 관통홀에 각각 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 전자석.
제5 항에 있어서,
상기 하부 지지부와 상기 하우징 몸체부의 하부 내측면 사이에 링형태의 정렬턱을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 팬케이크 코일의 개수는 홀수 개이고,
상기 팬케이크 코일들 중에서 최하층의 팬케이크 코일은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제1 연결단을 구비하고,
상기 팬케이크 코일들 중에서 최상층의 팬케이크 코일은 외부 전원과 전기적 연결을 위한 제2 연결단을 구비하고,
상기 팬케이크 코일들은 층 높이에 따라 순차적으로 서로 직렬 연결되고,
상기 팬케이크 코일들을 구성하는 리츠와이어가 감기는 방향은 상기 팬케이크 코일들의 층 높이에 따라 서로 반대이고,
상기 제1 연결단 및 제2 연결단 중에서 어느 하나는 상기 절연 중심 스페이서를 통과하도록 배치되고,
상기 제1 연결단 및 제2 연결단 중에서 다른 하나는 상기 하우징을 관통하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 냉각 공간은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성되고,
상기 절연 냉각판의 외경은 상기 팬케이크 코일의 외경보다 크고,
상기 하우징은:
그 하부면에 원판 형태의 하부 지지부를 구비하고 상기 절연 냉각판들과 상기 팬케이크 코일들 수납하는 원통 형태의 하우징 몸체부;
원판 형태이고 상기 하우징 몸체부의 상부면을 덮도록 배치되는 하우징 뚜껑부;
상기 하우징 몸체부의 측면, 하부면, 및 상부면 중 하나를 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구;
상기 하우징 몸체부의 측면, 하부면, 및 상부면 중 하나를 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구; 및
상기 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 분리대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자석.
제9 항에 있어서,
상기 절연 냉각판들은 원판 형태의 제1 절연 냉각판들과 중심에 관통홀을 구비하는 원형 와셔 형태의 제2 절연 냉각판들을 포함하고,
상기 제1 절연 냉각판들과 상기 제2 절연 냉각판들은 층 높이에 따라 교번하여 배치되고,
상기 제1 절연 냉각판들은 최상부면 및 최하부면에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 절연 냉각판들은 모두 각각의 중심에 관통홀을 구비하고,
상기 절연 중심 스페이서들은 원형 와셔 형상이고,
상기 절연 중심 스페이서들의 내직경은 상기 절연 냉각판들의 관통홀의 직경보다 크고,
상기 절연 냉각판의 외경은 상기 팬케이크 코일의 외경보다 크고,
상기 냉각 공간은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성된 제1 냉각 공간과 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최내각에 형성된 제2 냉각 공간을 포함하고,
상기 하우징은 사각단면을 가진 속이 빈 토로이드 형상이고,
상기 하우징은:
상기 하우징의 외측면, 하부면, 및 상부면 중 하나를 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구;
상기 하우징의 외측면, 하부면, 및 상부면 중 하나를 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구;
상기 제1 냉각 공간에서 상기 냉매 유입구와 상기 냉매 유출구 사이를 가로막는 제1 분리대;
상기 제1 냉각 공간과 상기 제2 냉각 공간을 연결하도록 상기 하우징의 하부면에 반경 방향으로 서로 인접하게 형성된 제1 및 제2 유로;
상기 제1 냉각 공간을 국부적으로 막는 제2 분리대; 및
상기 제1 유로로 냉매가 유입되어 상기 제2 유로로 냉매가 유출될 수 있도록 상기 제2 냉각 공간을 국부적으로 막는 제3 분리대를 포함하고,
상기 냉매는 상기 제1 냉각 공간의 일부, 상기 제1 유로, 상기 제2 냉각 공간, 상기 제2 유로, 및 상기 제1 냉각 공간의 나머지 일부를 따라 흐르는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 절연 냉각판들은 모두 각각의 중심에 관통홀을 구비하고,
상기 절연 중심 스페이서들은 원형 와셔 형상이고,
상기 절연 중심 스페이서들의 내직경은 상기 절연 냉각판들의 관통홀의 직경보다 크고,
상기 절연 냉각판의 외경은 상기 팬케이크 코일의 외경보다 크고,
상기 냉각 공간은 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최외각에 형성된 제1 냉각 공간과 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 최내각에 형성된 제2 냉각 공간을 포함하고,
상기 하우징은 사각단면을 가진 속이 빈 토로이드 형상이고,
상기 하우징은:
상기 하우징의 하부면을 관통하여 상기 제2 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유입구;
상기 하우징의 외측면, 하부면, 및 상부면 중 하나를 관통해 상기 냉각 공간과 하우징 외부를 연결하는 냉매 유출구;
상기 제1 냉각 공간을 국부적으로 가로막는 제1 분리대;
상기 제1 냉각 공간과 상기 제2 냉각 공간을 연결하도록 상기 하우징의 하부면에 반경 방향으로 형성된 유로; 및
상기 제2 냉각 공간을 국부적으로 막는 제2 분리대를 포함하고,
상기 냉매는 상기 제2 냉각 공간, 상기 유로, 및 상기 제1 냉각 공간을 따라 흐르는 것을 특징으로 하는 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 절연 냉각판의 재질은 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3), 사파이어, 질화붕소(BN), 질화실리콘(Si3N4), 및 산화베릴륨(BeO) 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자석.
서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 절연 냉각판들;
이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 비금속 재질 원형 와셔 형태의 절연 중심 스페이서들;
상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어를 포함하는 팬케이크 코일들; 및
상기 절연 냉각판들 및 상기 팬케이크 코일들을 수납하고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징;을 포함하고,
상기 팬케이크 코일들은 상기 이웃한 절연 냉각판들과 열적으로 접촉하고,
상기 냉매는 상기 절연 냉각판들이 노출된 냉각 공간에 제공되고,
상기 냉각 공간은 상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들과 상기 팬케이크 코일들에 의하여 채워지지 않은 공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 전자석.
서로 평행하게 수직으로 정렬되어 배치된 세라믹 재질의 복수의 절연 냉각판들;
이웃한 절연 냉각판들 사이에 일정한 간격을 유지하는 와셔 형태의 복수의 절연 중심 스페이서들;
상기 이웃한 절연 냉각판들 사이의 공간에서 상기 절연 중심 스페이서들 각각을 기준으로 나선 형태로 감는 리츠와이어로 구성된 복수의 팬케이크 코일들; 및
사각 단면의 토로이드 형상이고 상기 절연 냉각판들 및 상기 팬케이크 코일들을 수납하고 상기 절연 냉각판들을 냉각하는 냉매를 제공하는 하우징;을 포함하고,
상기 팬케이크 코일들을 구성하는 상기 리츠와이어는 상기 이웃한 절연 냉각판들과 열적으로 접촉하고,
상기 냉매는 냉각 공간에 제공되는 것을 특징으로 하는 전자석.