KR101981056B1 - 초전도 마그네트 장치 - Google Patents

초전도 마그네트 장치 Download PDF

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KR101981056B1 KR1020180139552A KR20180139552A KR101981056B1 KR 101981056 B1 KR101981056 B1 KR 101981056B1 KR 1020180139552 A KR1020180139552 A KR 1020180139552A KR 20180139552 A KR20180139552 A KR 20180139552A KR 101981056 B1 KR101981056 B1 KR 101981056B1
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이상갑
장재영
송승현
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한국기초과학지원연구원
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Abstract

본 발명은 초전도 마그네트 장치를 개시한다. 그의 장치는 전원과, 상기 전원에 연결되는 초전도 코일과, 상기 전원과 상기 초전도 코일 사이에 연결되는 스위치와, 상기 스위치와 상기 초전도 코일 사이에 연결되고, 상기 초전도 코일의 임계 전류보다 낮은 임계 전류를 갖는 무유도 코일들을 포함한다.

Description

초전도 마그네트 장치{superconductor magnet apparatus}
본 발명은 초전도 마그네트 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초전도 코일을 보호할 수 있는 초전도 마그네트 장치에 관한 것이다.
초전도체는 전력의 손실 없이 전류를 흘릴 수 있다. 예를 들어, 초전도체는 임계 온도 이하에서 저항이 0이 되는 특성을 갖는다. 초전도체는 케이블, 변압기, 발전기, 한류기, 및 모터와 같은 전력기기들과, 자기공명영상(MRI), 및 핵자기공명(NMR) 등과 같은 의료/바이오 응용기기로서 상용화 되기 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 초전도체 코일의 ?치를 방지할 수 있는 초전도 마그네트 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 초전도 마그네트 장치를 개시한다. 그의 장치는, 전원; 상기 전원에 연결되는 초전도 코일; 상기 전원과 상기 초전도 코일 사이에 연결되는 스위치; 및 상기 스위치와 상기 초전도 코일 사이에 연결되고, 상기 초전도 코일의 임계 전류보다 낮은 임계 전류를 갖는 무유도 코일들 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 무유도 코일들은: 상기 스위치에 연결되는 제 1 방향으로 감긴 제 1 보조 코일; 및 상기 제 1 보조 코일과 상기 초전도 코일 사이에 연결되고, 상기 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향으로 감긴 제 2 보조 코일을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제 2 보조 코일은 상기 제 1 보조 코일에 직렬로 연결될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들에서의 전압을 검출하고, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 ?치에 의해 상기 전압이 증가되면 상기 스위치를 턴오프시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제어부는: 상기 제 1 보조 코일과 상기 스위치 사이 및 상기 초전도 코일과 상기 제 2 보조 코일사이에 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 전압을 감지하는 전압계; 및 상기 전압계의 전압 값을 수신하여 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 ?치를 판별하고, 상기 스위치를 제어하는 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 각각은 상기 초전도 코일의 턴수보다 작은 턴수를 가질 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 각각은 상기 초전도 코일의 초전도 선재보다 작은 초전도 선재를 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 전원에 대해 상기 초전도 코일, 그리고 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들과 병렬로 연결되는 제 1 및 제 2 부하 소자들을 더 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 부하 소자는 상기 스위치와 상기 무유도 코일들 사이에 일단이 연결되고, 상기 전원과 상기 초전도 코일 사이에 타단이 연결되는 덤프 부하 저항을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 부하 소자는 상기 덤프 부하 저항과 상기 스위치 사이에 순방향으로 연결되는 제 1 다이오드를 더 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제 2 부하 소자는 상기 전원과 상기 초전도 코일 사이에 병렬로 연결되고, 상기 전원에 역방향으로 연결되는 제 2 다이오드를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 마그네트 장치는 무유도 코일들을 이용하여 초전도 코일의 ?치를 방지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 마그네트 장치의 예를 들어 보여주는 회로도이다.
도 2는 도 1의 초전도 코일과 무유도 코일들을 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 전류의 크기에 따른 초전도 코일의 전압, 그리고, 제 1 및 제 2 보조 코일들의 전압을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 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 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 마그네트 장치(100)의 예를 들어 보여주는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 초전도 마그네트 장치(100)는 핵자기공명(NMR) 장치 또는 자기공명영상(MRI) 장치를 포함할 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 초전도 마그네트 장치(100)는 전원(10), 초전도 코일(20), 스위치(30), 무유도 코일들(non-inductive coils, 40), 제 1 및 제 2 부하 소자들(52, 54), 그리고 제어 부(60)를 포함할 수 있다.
상기 전원(10)은 상기 초전도 코일(20) 및 상기 무유도 코일들(40)에 전류(I)를 공급할 수 있다. 상기 전류(I)는 직류 전류일 수 있다.
상기 초전도 코일(20)은 상기 전원(10)에 연결될 수 있다. 상기 초전도 코일(20)은 고온 초전도 선재들을 포함할 수 있다. 상기 초전도 코일(20)은 보빈(22)의 외주면 상에 배치될 수 있다. 상기 초전도 코일(20)은 보빈(22) 내에 자기장(24)을 유도할 수 있다. 상기 초전도 코일(20)은 제 1 임계 전류(IC1)를 가질 수 있다. 상기 초전도 코일(20)에 공급되는 상기 전류(I)가 상기 제 1 임계 전류(IC1) 보다 작으면, 상기 초전도 코일(20)의 ?치는 방지될 수 있다.
상기 스위치(30)는 상기 초전도 코일(20)과 상기 전원(10) 사이에 연결될 수 있다. 상기 스위치(30)는 상기 초전도 코일(20)에 제공되는 직류의 전류(I)를 단속(switching)할 수 있다. 상기 제어부(60)는 상기 초전도 코일(20)의 ?치 발생 전에 상기 상기 스위치(30)을 턴 오프시켜 상기 초전도 코일(20)을 보호할 수 있다.
상기 무유도 코일들(40)은 상기 스위치(30)와 상기 초전도 코일(20) 사이에 연결될 수 있다. 상기 무유도 코일들(40)은 제 2 임계전류(IC2)를 가질 수 있다. 상기 제 2 임계전류(IC2)는 상기 제 1 임계전류(IC1)보다 작을 수 있다. 상기 무유도 코일들(40)에 상기 제 2 임계전류(IC2)보다 높고 상기 제 1 임계전류(IC1)보다 작은 전류(I)가 제공되면, 상기 무유도 코일들(40)의 ?치가 유발될 수 있다. 상기 무유도 코일들(40)의 ?치가 발생되면, 상기 전류(I)는 상기 무유도 코일들(40) 내의 전압 강하에 의해 감소할 수 있다. 상기 전류(I)가 감소하면, 상기 초전도 코일(20)의 ?치는 방지될 수 있다. 일 예로, 상기 무유도 코일들(40)은 제 1 보조 코일(42), 및 제 2 보조 코일(44)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 보조 코일(42)은 상기 스위치(30)와 상기 제 2 보조 코일(44) 사이에 연결될 수 있다. 상기 제 1 보조 코일(42)은 제 1 보조 보빈(46) 상에 제 1 방향(D1)으로 감길 수 있다. 상기 제 1 방향(D1)은 반시계 방향일 수 있다.
상기 제 2 보조 코일(44)은 상기 제 1 보조 코일(42)과 상기 초전도 코일(20) 사이에 연결될 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 보조 코일(44)은 상기 제 1 보조 코일(42)에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제 2 보조 코일(44)은 제 2 보조 보빈(47) 상에 제 2 방향(D2)으로 감길 수 있다. 상기 제 2 방향(D2)은 시계 방향일 수 있다. 상기 제 2 보조 코일(44)의 턴수는 상기 제 1 보조 코일(42)의 턴수와 동일할 수 있다. 상기 제 2 보조 코일(44)에 유도되는 자기장은 상기 제 1 보조 코일(42)에 유도되는 자기장 상쇄시킬 수 있다. 상기 제 2 보조 코일(44)의 자기장은 상기 제 1 보조 코일(42)의 자기장의 방향과 반대되는 방향을 가질 수 있다. 상기 제 2 보조 코일(44)의 자기장의 세기는 상기 제 1 보조 코일(42)의 자기장의 세기와 동일할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44) 각각의 턴수는 상기 초전도 코일(20)의 턴수보다 작을 수 있다. 이와 달리, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 각각은 상기 초전도 코일(20)의 초전도 선재보다 작은 크기 또는 단면적의 초전도 선재를 포함하고, 본 발명은 이에 한정되지 않을 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 부하 소자들(52, 54)의 각각은 상기 전원(10)에 대해 상기 초전도 코일(20), 그리고 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)과 병렬로 연결될 수 있다. 상기 스위치(30)가 턴오프되면, 상기 제 1 및 제 2 부하 소자들(52, 54)은 상기 초전도 코일(20), 그리고 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44) 내에 잔류하는 상기 전류(I)를 제거시킬 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 부하 소자(52)는 덤프 부하 저항(51)과, 제 1 다이오드(53)를 포함할 수 있다.
상기 덤프 부하 저항(51)은 상기 초전도 코일(20) 및 상기 무유도 코일들(40)에 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 ?치가 없을 경우, 상기 덤프 부하 저항(51)은 상기 전류(I)를 흘리지 않는다. 상기 전류(I)는 저항이 “0”인 상기 초전도 코일(20), 그리고 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)을 통해 흐를 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 ?치 시에 상기 덤프 부하 저항(51)은 상기 전류(I)를 흘릴 수 있다.
상기 제 1 다이오드(53)는 상기 덤프 부하 저항(51)과 상기 전원(10) 사이에 순방향(forward direction)으로 연결될 수 있다. 상기 제 1 다이오드(53)는 상기 전류(I)를 상기 덤프 부하 저항(51)으로 흘릴 수 있다. 상기 스위치(30)가 턴 오프되면, 상기 초전도 코일(20) 내에 역방향의 전류가 유도될 수 있다. 상기 초전도 코일(20) 내에 상기 역방향의 전류가 유도되면, 상기 제 1 다이오드(53)는 상기 덤프 부하 저항(51)와 상기 초전도 코일(20) 사이의 상기 역 방향의 전류를 감소시키거나 최소화할 수 있다.
상기 제 2 부하 소자(54)는 상기 전원(10)과 상기 초전도 코일(20) 사이에 병렬로 연결된 제 2 다이오드일 수 있다. 상기 제 2 부하 소자(54)는 상기 전원(10)에 역방향으로 연결될 수 있다. 상기 스위치(30)가 턴온되면, 상기 제 2 부하 소자(54)는 상기 전류(I)를 흘리지 않을 수 있다. 상기 스위치(30)가 턴 오프되면, 상기 제 2 부하 소자(54)는 상기 초전도 코일(20) 내의 잔류 전류를 흘릴 수 있다.
도 3은 도 1의 전류(I)의 크기에 따른 초전도 코일(20)의 전압(21), 그리고, 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 전압(41)을 보여준다.
도 3을 참조하면, 상기 전류(I)가 약 80A 이하일 경우, 상기 초전도 코일(20)의 전압(21)과, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 전압(41)은 거의 0V일 수 있다. 상기 전류(I)가 약 95A일 경우, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)은 약 0.5V의 제 1 ?치 전압(43)을 갖고, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 저항은 증가할 수 있다. 만악, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)가 없을 경우, 상기 초전도 코일(20)은 95A이상의 전류(I)에서 ?치되고, 약 3V이상의 제 2 ?치 전압(23)에서 손상될 수 있다.
상기 제어부(60)는 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 전압(41)을 검출하고, 상기 스위치(30)를 제어하여 상기 초전도 코일(20)의 손상을 방지시킬 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 제 1 ?치 전압(43)이 검출되면, 상기 제어부(60)는 상기 스위치(30)를 턴오프시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(60)는 릴레이를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제어 부(60)는 전압계(62), 및 스위칭 제어부(64)를 포함할 수 있다.
상기 전압계(62)는 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)과 병렬로 연결될 수 있다. 상기 전압계(62)는 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 전압(21)을 검출할 수 있다.
상기 스위칭 제어부(64)는 상기 스위치(30)를 턴온 및/또는 턴오프 시킬 수 있다. 상기 스위치(30)가 턴온되면, 자기장(24)은 상기 초전도 코일(20) 내에 유도될 수 있다. 상기 스위칭 제어부(64)는 상기 전압계(62)의 검출된 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 전압(21)을 판독(read)할 수 있다. 상기 스위칭 제어부(64)는 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 상기 제 1 ?치 전압(43)을 판별하여 상기 스위치(30)를 제어할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들(42, 44)의 전압(21)이 상기 제 1 ?치 전압(43)에 도달하면, 상기 스위칭 제어부(64)는 상기 스위치(30)를 턴오프시킬 수 있다. 상기 초전도 코일(20)의 ?치는 방지될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (11)

  1. 전원;
    상기 전원의 양측들에 연결되는 초전도 코일;
    상기 초전도 코일의 일단과 상기 전원의 일단 사이에 연결되는 스위치;
    상기 스위치의 일단과 상기 초전도 코일의 일단에 직렬로 연결되고, 상기 초전도 코일의 임계 전류보다 낮은 임계 전류를 갖는 무유도 코일들;
    상기 무유도 코일들과 병렬로 연결되고, 상기 무유도 코일들의 ?치 발생에 따른 전압이 증가하면 상기 스위치를 턴오프시키는 제어부; 및
    상기 무유도 코일 및 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되고, 상기 스위치가 턴오프되면, 상기 초전도 코일에 잔류하는 전류를 제거시키는 제 1 부하 소자들을 포함하되,
    상기 무유도 코일들은:
    상기 초전도 코일의 아래에 배치되고, 상기 스위치의 일단과 상기 초전도 코일의 일단에 직렬로 연결되어 제 1 방향으로 감긴 제 1 보조 코일; 및
    상기 제 1 보조 코일과 상기 초전도 코일 사이에 배치되고, 상기 제 1 보조 코일과 상기 초전도 코일에 직렬로 연결되어 상기 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향으로 감긴 제 2 보조 코일을 포함하되,
    상기 제어부는:
    상기 제 1 및 제 2 보조 코일들과 병렬로 연결되어 상기 제 1 보조 코일과 상기 스위치 사이에서부터 상기 초전도 코일과 상기 제 2 보조 코일사이까지 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 ?치에 따른 전압을 감지하는 전압계; 및
    상기 전압계의 전압 값을 수신하여 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 ?치를 판별하고, 상기 스위치의 개폐동작을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하되,
    상기 제 1 부하 소자들은:
    상기 스위치와 상기 제 1 보조 코일에 일단이 연결되고 상기 전원과 상기 초전도 코일에 타단이 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 ?치 시에 상기 전류를 상기 초전도 코일에 우회하여 상기 전원으로 흘리는 덤프 부하 저항; 및
    상기 제 1 보조 코일과 상기 덤프 부하 저항 사이에 순방향으로 연결되고, 상기 스위치가 턴오프되면 상기 초전도 코일 내의 역 방향의 전류를 감소시키는 제 1 다이오드를 포함하는 초전도 마그네트 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 각각은 상기 초전도 코일의 턴수보다 작은 턴수를 갖는 초전도 마그네트 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 보조 코일들의 각각은 상기 초전도 코일의 초전도 선재보다 작은 초전도 선재를 포함하는 초전도 마그네트 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 및 상기 초전도 코일 사이에 상기 제 1 부하 소자들과 병렬로 연결되고, 상기 전원에 역방향으로 연결되는 제 2 다이오드의 제 2 부하 소자를 더 포함하는 초전도 마그네트 장치.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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