KR102631117B1

KR102631117B1 - 부분 절연된 고온 초전도성 코일

Info

Publication number: KR102631117B1
Application number: KR1020207025288A
Authority: KR
Inventors: 로버트 슬레이드; 마르셀 크륍; 마르셀 크??; 누그테렌 바스 반; 그레그 브리틀스; 드 빌라 발데스 엔리케 뤼즈; 로드 베이트맨; 앨런 다운
Original assignee: 토카막 에너지 리미티드
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2024-01-30
Also published as: US20200365304A1; ES2914501T3; AU2019214510A1; SI3747033T1; IL276337A; RS63224B1; AU2019214510B2; BR112020015247A2; EP3747033A1; CN112041947A; EP3747033B1; DK3747033T3; EP4012730A1; PT3747033T; CA3090059A1; JP2021513219A; US11101060B2; CN114512293A; ZA202005399B; SG11202006896XA

Abstract

고온 초전도성(HTS) 필드 코일로서, 상기 HTS 필드 코일은 다수의 턴들(tuns)과 부분 절연층을 포함한다. 상기 다수의 턴들은 HTS 재료와 금속 스태빌라이저를 포함한다. 상기 부분 절연층은 상기 턴들을 분리시키며, 전류가 상기 부분 절연층을 통해 턴들 사이에서 공유될 수 있도록 한다. 상기 부분 절연층은 전기 전도층, 및 제1 및 제2 절연층들을 포함한다. 상기 전기 전도층은 일측면에서 제1 절연층으로 코팅되고, 다르 S측면에서 제2 절연층으로 코팅된다. 각각의 절연층은 하나 이상의 윈도우들(windows)을 가지고, 상기 윈도우들을 통해 상기 턴들과 상기 전기 전도층 사이에 전기적 접촉이 만들어질 수 있다. 상기 제1 절연층 내의 윈도우들은 전기 전도성 스트립의 평면에서 상기 제2 절연층 내의 윈도우들로부터 오프셋된다.

Description

부분 절연된 고온 초전도성 코일

본 발명은 고온 초전도성(HTS) 자석에 관한 것이다.

핵융합 에너지를 생산하는 도전은 거대하게 복합적이다. JET와 같은 현재 운영되는 최상의 토카막(tokamak)과 필적할만한 어떤 결과를 아직 만들어내지 못하고 있음에도 불구하고, 토카막 외에 많은 대체 장치들이 제안되었다.

세계 핵융합 연구는 지금까지 건설된 것 중에서 가장 크고 가장 비싼(c15bn Euros) 토카막인 ITER의 건설을 시작한 후에 새로운 단계에 들어갔다. 상업적 핵융합로의 성공적인 루트(route)는 전기 생산을 경제적으로 만드는데 요구되는 고효율과 결합된 롱 펄스(long pulse), 안정적인 작동을 요구한다. 이러한 세가지 조건들은 특히 동시에 달성하기가 어려우며, 계획된 프로그램은 ITER 및 다른 핵융합 설비에 관한 수년간의 실험적 연구뿐만 아니라 이론적 및 기술적 연구를 요구할 것이다. 이러한 루트를 통해 개발된 상업적 핵융합로는 2050년 이전에는 건설되지 않을 것이라고 널리 예측되고 있다.

경제적 발전(power generation)(즉, 투입된 전력보다 훨씬 많은 출력 전력)을 위해 요구되는 핵융합 반응을 얻기 위해, 종래의 토카막은, 플라즈마가 열 융합이 일어나기에 충분히 고온이 되도록 (플라즈마 체적에 대체적으로 비례하는) 에너지 감금 시간(energy confinement time)이 충분히 클 수 있도록, (ITER에 의해 예증된 바와 같이) 거대해져야 한다.

WO 2013/030554는 중성자 소스 또는 에너지 소스로서 사용하기 위한 콤팩트한 구형(spherical) 토카막의 사용을 포함하는 대체 가능한 접근을 서술한다. 구형 토카막 내의 낮은 종횡비(aspect ratio)의 플라즈마 형상은 입자 감금 시간(particle confinement time)을 향상시키며 훨씬 작은 기계에서 순발전량(net power generation)을 허용한다. 그러나, 작은 직경의 중심 칼럼이 필요하며, 이는 플라즈마 감금 자석(plasma confinement magnet)의 설계를 위한 도전 과제를 제시한다. 고온 초전도체(HTS: high temperature superconductor) 필드 코일들(field coils)은 이러한 자석들을 위한 유망한 기술이다.

HTS 자석들의 또 다른 잠재적인 용도는 양성자 빔 치료 장치이다. 양성자 빔 치료(PBT, 양성자 치료로도 알려져 있음)는 암(그리고 방사선 치료에 반응하는 다른 질환들) 치료에 사용되는 입자 치료의 유형이다. PBT에서, 양성자의 빔은 처리 위치(예컨대, 종양)를 향해 지향된다.

또 다른 유사한 치료는 양성자 붕소 포획 치료(PBCT: photon boron capture therapy)이며, 여기서 붕소-11은 타겟 위치로 도입되고, 양성자 빔은 p+¹¹B → 3α 반응을 개시하는데 사용된다. 동일한 장치는 PBT 또는 PBCT를 위해 양성자 빔을 제공하는데 사용될 수 있다.

PBT 또는 PBCT를 위한 양성자 빔은 사이클로트론 또는 선형 가속기와 같은 입자 가속기에 의해 발생된다. 전형적으로 PBT와 PBCT를 위해 사용되는 가속기들은 전형적으로, 400MeV의 최대 에너지를 가지는 현재 운영되는 가장 강력한 설비에 의해, 60 내지 250MeV 범위의 에너지를 가진 양성자들을 생산한다.

넓게 말하면, 빔 각도의 변화를 허용하는 PBT 장치를 위한 두 유형의 디자인이 있다. 제1 유형의 디자인에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 가속기(3001)는 환자(3003) 둘레로(보통 수평 축을 중심으로) 회전되도록 허용하는 갠트리(gantry)(3002)에 장착된다. 환자는 추가적인 자유도(예컨대, 병진 운동 및 수직 축을 중심으로 한 회전)를 제공하는 가동 베드(3004) 상에 배치된다.

제2 유형의 디자인은 도 8에 도시된다. 가속기(4001)는 정지되어 있고, 빔은 조향 자석들(steering magnets)(4002)(일반적으로 4극자 및 쌍극자 자석들)을 통해 환자쪽으로 지향되며, 조향 자석들 중 일부는 빔이 환자(4004) 둘레로(예컨대, 수평 축을 중심으로) 회전될 수 있도록 갠트리(4003)에 배치된다. 환자는 가동 베드(4005) 상에 배치된다.

각각의 디자인은 갠트리가 400MeV 만큼 높을 수 있는 빔 에너지에서 양성자들을 조향할 수 있는 전자석들을 홀딩할 것을 요구한다. 이는 매우 높은 자기장을 요구하며, 그런고로 HTS 자석의 사용은 전자석들과 이들을 이동시키기 위해 필요한 갠트리의 질량과 크기를 상당히 감소시킬 수 있다. HTS 자석은 가속기, 조향 자석들 중 4극자 자석들, 또는 조향 자석들 중 쌍극자 자석들 내부에 사용될 수 있다.

초전도 재료들은 일반적으로 "고온 초전도체"(HTS)와 "저온 초전도체"(LTS)로 나뉜다. Nb 및 NbTi와 같은 LTS 재료들은 초전도성이 BCS 이론에 의해 설명될 수 있는 금속 또는 금속 합금들이다. 모든 저온 초전도체들은 대략 30K 아래의 임계 온도(재료가 그 온도 위에서는 심지어 제로 자기장에서도 초전도성이 되지 못하는 온도)를 가진다. HTS 재료의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며, 이러한 물질들은 대략 30K보다 높은 임계 온도를 가질 수 있다(하지만, HTS와 LTS 재료를 정의하는 것은 임계 온도보다는 조성과 초전도 작용에 있어 물리적 차이점이라는 것을 주목해야 한다). 가장 일반적으로 사용되는 HTS는 "컵레이트 초전도체" - BSCCO, 또는 ReBCO(여기서, Re는 희토류금속, 보통 Y 또는 Gd)와 같은 컵레이트(cuprate)(산화구리 그룹을 함유하는 화합물) 기반 세라믹이다. 다른 HTS 재료들은 철 프닉타이드(iron pnictides)(예컨대, FeAs 및 FeSe)와 이붕산마그네슘(MgB₂)을 포함한다.

ReBCO는 일반적으로 도 1에 도시된 구조를 가진 테이프로서 제조된다. 이러한 테이프(100)는 일반적으로 대략 100 마이크론의 두께이며, 기판(101)(일반적으로 대략 50미크론 두께의 전해 연마된 하스텔로이)을 포함하고, 이 기판상에 IBAD, 자기 스퍼터링, 또는 다른 적합한 기술에 의해 버퍼 스택(buffer stack)(102)으로 알려진 대략 0.2미크론 두께의 일련의 버퍼 층들(buffer layers)이 증착된다. (MOCVD 또는 다른 적합한 기술에 의해 증착된) 에피택셜 ReBCO-HTS 층(103)은 버퍼 스택을 덮어씌우며 일반적으로 1미크론의 두께이다. 1-2미크론의 실버 층(104)이 스퍼터링 또는 다른 적합한 기술에 의해 HTS 층상에 증착되고, 구리 스태빌라이저 층(105)이 전기 도금 또는 다른 적합한 기술에 의해 테이프 상에 증착되며, 이는 종종 테이프를 완전히 둘러싼다.

기판(10)은 제조 라인을 통해 공급될 수 있으며 후속 층들의 성장을 허용하는 기계적 백본(backbone)을 제공한다. 버퍼 스택(102)은 그 위에 HTS 층을 성장시키기 위해 2축 배향된 결정질 형판(template)을 제공하도록 요구되며, 초전도 특성을 손상시키는 기판으로부터 HTS로의 요소들의 화학적 확산을 방지한다. 실버 층(104)은 ReBCO로부터 스태빌라이저 층으로의 저저항 인터페이스를 제공하도록 요구되며, 스태빌라이저 층(105)은 ReBCO의 임의의 부분이 초전도를 중단한("정상(normal)" 상태로 들어간) 경우에 대체 가능한 전류 경로를 제공한다.

추가적으로, "박리형(exfoliated)" HTS 테이프가 제조될 수 있으며, 이는 기판과 버퍼 스택이 없고 대신에 HTS 층의 양측에 실버 층들을 가진다. 기판을 가진 테이브는 "기판형(substrated)" HTS 테이프로 언급될 것이다.

HTS 테이프는 HTS 케이블 내에 배치될 수 있다. HTS 케이블은 하나 이상의 HTS 테이프들을 포함하며, 이들은 전도성 재료(보통 구리)를 통해 그들의 길이를 따라서 연결된다. HTS 테이프들은 적층될 수 있으며(즉, HTS 층들이 평행하도록 배치되며), 또는 이들은 테이프들의 일부 다른 배치를 가질 수 있고, 이는 케이블의 길이를 따라서 변할 수 있다. HTS 케이블들의 주목할 만한 특별한 경우는 단일 HTS 테이프와 HTS 쌍이다. HTS 쌍은 HTS 층들이 평행하게 배치된 HTS 테이프들의 쌍을 포함한다. 기판형 테이프가 사용되는 경우, HTS 쌍은 (HTS 층들이 서로 마주보는) 타입-0, (하나의 테이프의 HTS 층이 다른 테이프의 기판과 마주보는) 타입-1, 또는 (기판들이 서로 마주보는) 타입-2일 수 있다. 두 개보다 많은 테이프들을 포함하는 케이블들은 테이프들 중 일부 또는 모두를 HTS 쌍들로 배치할 수 있다. 적층된 HTS 테이프들은 HTS 쌍들의 다양한 배치, 가장 일반적으로는 타입-1 쌍들의 스택 또는 타입-O 쌍들(또는 등등하게, 타입-2 쌍들)의 스택을 포함할 수 있다. HTS 케이블들은 기판형 및 박리형 테이프의 혼합을 포함할 수 있다.

이 문서에서 코일들을 설명할 때, 아래의 용어들이 사용될 것이다:

● "HTS 케이블" - 하나 이상의 HTS 테이프들을 포함하는 케이블. 이러한 정의에서, 단일 HTS 테이프는 HTS 케이블이다.

● "턴(turn)" - 코일 내부를 둘러싸는(즉, 완전한 루프로서 모델링될 수 있는) 코일 내부의 HTS 케이블의 섹션

● "아크(arc)" - 전체 필드 코일보다 작은 코일의 연속된 길이

● "내측/외측 반경" - 코일의 중심으로부터 HTS 케이블들의 내측/외측까지의 거리

● "두께" - 코일의 모든 턴의 반경 방향 깊이, 즉 내측 반경과 외측 반경 사이의 차이

● "임계 전류(critical current)" - 주어진 온도와 외부 자기장에서, HTS가 정상 상태가 되는 전류(여기서, HTS는 테이프가 미터 당 E₀ 볼트를 발생시키는 초전도 전이의 특성점(characteristic point)에서 "정상 상태가 된" 것으로 간주된다. E₀의 선택은 임의적이지만, 보통 미터 당 10 또는 100 마이크로볼트이다).

● "임계 온도" - 주어진 자기장과 전류에서, HTS가 정상 상태가 되는 온도

● "피크 임계 온도" - 주어진 외부 자기장이 없고 무시할 수 있는 전류에서, HTS가 정상 상태가 되는 온도

넓게 말하면, 자기 코일들을 위한 - 권선(winding)에 의한, 또는 몇몇 섹션들의 조립에 의한 - 두 유형의 구성이 있다. 권선 코일들은, 도 2에 도시된 바와 같이, 포머(former)(202) 둘레에 HTS 케이블(201)을 연속적인 나선형으로 둘러쌈으로써 제조된다. 포머는 코일의 요구되는 내주연부(inner perimeter)를 제공하는 형상을 가지며, 최종 권선 코일의 구조부가 되거나, 또는 권선 후에 제거될 수 있다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 조립식 코일(sectional coil)은 몇몇의 섹션들로 이루어지며, 그 각각은 몇몇의 케이블들 또는 미리-형성된 버스바(busbar)(311)들을 포함할 수 있고 전체 코일 중 아크(arc)를 형성할 것이다. 섹션들은 조인트들(302)에 의해 연결되어 완전한 코일을 형성한다. 도 2와 3에서 코일들의 턴들(turns)은 명료성을 위해 이격된 것으로 도시되어 있으나, 일반적으로는 코일의 턴들을 연결하는 재료가 있을 것이며, - 예컨데 에폭시로 포팅(potting)함으로써 통합될 수 있다.

코일들은 "절연"되거나 - 코일의 턴들 사이에 전기 절연 재료를 가지거나, 또는 "비-절연(non-insulated)"될 수 있으며, 여기서 코일의 턴들은 (예컨대, 납땜 또는 직접 접촉에 의해 케이블들의 구리 스태빌라이저 층들을 연결함으로써) 케이블을 따라서 전기적으로 연결될 뿐만 아니라, 반경 방향으로 전기적으로 연결된다. 비-절연 코일들은 대형 필드 코일을 위해 적합하지 않으며, 그 이유에 대해서는 뒤에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 4는 "팬케이크 코일(pancake coil)"로 알려진 권선 코일의 특수한 유형의 단면을 보여주며, 여기서 HTS 케이블들(401)은 평판 코일(flat coil)을 형성하기 위해 리본의 스풀(spool)과 유사한 방식으로 감긴다. 팬케이크 코일은 임의의 2차원 형상의 내주연부를 가지도록 만들어질 수 있다. 보통, 팬케이크 코일은, 도 5의 단면에 도시된 바와 같이, "이중 팬케이크 코일"로서 제공되며, 이는 반대로 감긴 두 개의 팬케이크 코일들(501, 502)을 포함하고, 팬케이크 코일들 사이에 절연재(503)를 가지며, 함께 연결된 내측 단자들(504)을 가진다. 이는 전압은 오직 외측 단자들(521, 522)에 공급될 필요가 있다는 것을 의미하며, 이는 코일의 턴들을 통해 전류를 흐르게 하고 자기장을 발생시키는 데 있어서, 더욱 접근하기 쉽도록 한다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 고온 초전도성(HTS) 필드 코일이 제공된다. 상기 HTS 필드 코일은 다수의 턴들(tuns)과 부분 절연층을 포함한다. 상기 다수의 턴들은 HTS 재료와 금속 스태빌라이저를 포함한다. 상기 부분 절연층은 상기 턴들을 분리시키며, 전류가 상기 부분 절연층을 통해 턴들 사이에서 공유될 수 있도록 한다. 상기 부분 절연층은 전기 전도층, 및 제1 및 제2 절연층들을 포함한다. 상기 전기 전도층은 일측면에서 제1 절연층으로 코팅되고, 다른 측면에서 제2 절연층으로 코팅된다. 각각의 절연층은 하나 이상의 윈도우들(windows)을 가지고, 상기 윈도우들을 통해 상기 턴들과 상기 전기 전도층 사이에 전기적 접촉이 만들어질 수 있다. 상기 제1 절연층 내의 윈도우들은 전기 전도성 스트립의 평면에서 상기 제2 절연층 내의 윈도우들로부터 오프셋된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, HTS 필드 코일의 제조 방법이 제공된다. HTS 케이블이 제공되며, 상기 HTS 케이블은 HTS 재료와 금속 스태빌라이저를 포함한다. 부분 절연층이 제공된다. 상기 부분 절연층은 전기 전도층과, 제1 및 제2 절연층들을 포함한다. 상기 전기 전도층은 일측면에서 제1 절연층으로 코팅되고, 다른 측면에서 제2 절연층으로 코팅된다. 각각의 절연층은 하나 이상의 윈도우들(windows)을 가지고, 상기 윈도우들을 통해 상기 턴들과 상기 전기 전도층 사이에 전기적 접촉이 만들어질 수 있다. 상기 제1 절연층 내의 윈도우들은 전기 전도성 스트립의 평면에서 상기 제2 절연층 내의 윈도우들로부터 오프셋된다. 상기 HTS 케이블과 상기 부분 절연층은, 전류가 상기 부분 절연층을 통해 상기 HTS 케이블의 턴들 사이에서 공유될 수 있도록, HTS 필드 코일을 형성하기 위해 함께 조립된다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 50cm보다 큰 반경을 가지는 고온 초전도성(HTS) 필드 코일이 제공되며, 상기 HTS 필드 코일은 HTS 재료를 포함하는 다수의 턴들을 가지며, 상기 턴들은 전류가 저항성 재료를 통해 턴들 사이에서 공유될 수 있도록 배치된다.

본 발명의 제4 측면에 따르면, 50cm보다 큰 반경을 가지는 고온 초전도성(HTS) 필드 코일이 제공되며, 상기 HTS 필드 코일은 HTS 재료를 포함하는 턴들을 가지며, 상기 턴들은 금속-절연체 전이 재료(metal-insulator transition material)에 의해 분리되고, 상기 금속-절연체 전이 재료는 HTS의 피크 임계 온도보다 낮은 제1 온도에서 제1 저항률(resistivity)을 가지며, 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 더 낮은 제2 저항률을 가진다.

본 발명의 제5 측면에 따르면, 제1, 제3, 또는 제4 측면들 중 어느 하나에 따른 HTS 필드 코일을 포함하는 토카막 핵융합 반응로(tokamak fusion reactor)를 제공하며, 상기 HTS 필드 코일은 환형(toroidal) 필드 코일 또는 폴로이달(poloidal) 필드 코일 중 하나이다.

본 발명의 제6 측면에 따르면, 제1, 제3, 또는 제4 측면들 중 어느 하나에 따른 HTS 필드 코일을 포함하는 양성자 빔 치료(PBT: proton beam therapy) 장치가 제공되며, 상기 HTS 필드 코일은, 상기 PBT 장치의 가속기의 필드 코일; 및 상기 PBT 장치의 양성자 빔 조향 시스템의 쌍극자 또는 4극자 자석; 중 하나이다.

본 발명의 추가적인 실시예들은 청구항 2 이하에서 제시된다.

도 1은 HTS 테이프의 개략도이며;
도 2는 권선 HTS 코일의 개략도이며;
도 3은 조립형 HTS 코일의 개략도이며;
도 4는 팬케이크 코일의 단면 개략도이며;
도 5는 이중 팬케이크 코일의 단면 개략도이며;
도 6은 램프-업 중 및 정상 상태에서 부분적으로 절연된 코일 내의 전류, 전압, 및 파워를 보여주며;
도 7은 양성자 빔 치료 장치의 개략도이며;
도 8은 다른 양성자 빔 치료 장치의 개략도이며;
도 9a는 부분 절연층의 개략도이며;
도 9b는 도 9a의 부분 절연층의 측면도이며;
도 10a는 대체 가능한 구조에 따른 부분 절연층의 개략도이며;
도 10b는 도 10a의 부분 절연층의 단면도이며;
도 11은 예시적인 부분 절연층의 개략도이며;
도 12는 부분 절연층의 대체 가능한 구조를 보여주며;
도 13은 예시적인 권선 시스템의 개략도를 보여주며;
도 14는 부분 절연층과 HTS 테이프 조립체의 단면도이며;
도 15는 예시적인 땜납으로 포팅된 코일을 보여주며;
도 16a 내지 16e는 부분 절연층의 추가적인 대체 가능한 구조를 보여준다.

위에서 언급한 바와 같이, HTS 코일은 절연되거나 비-절연될 수 있다. 일반적으로, 비-절연된 코일들은, 토카막(tokamak)의 필드 코일들(field coils)과 같이, 퀀치(quench)가 가능한 조건들에서 작동하는 대형 자석들을 위해서 적합한 것으로 생각되지 않는다. 절연의 부족은 의도적으로 전류가 각각의 케이블 턴 내의 테이프들 사이에서뿐만 아니라 케이블 턴들 사이에서 공유되도록 허용한다. "부분 절연" 코일들 또한 가능하며, 턴들 사이의 재료는 종래의 도체, 예컨대 금속의 저항과 종래의 절연재, 예컨대, 구리의 저항의 100 내지 10¹⁵배 사이 또는 10^-6 내지 10⁸Ωm 사이의 비저항(resistivity)을 가진 세라믹 또는 유기 절연재(organic insulator)의 저항 사이의 중간 저항을 가진다. 턴들 사이에 절연이 없거나 부분 절연인 것은 국부적 "핫스팟(hotspot)"(정상 영역(normal zone)-상전도 영역)의 온도 상승 속도를 느리게 한다. HTS 자석 내의 정상(저항성 HTS) 영역의 성장(공간적 전파) 속도는 많은 인자들에 의존하지만, 전형적으로 축 방향으로(즉, 케이블을 따라서) 100mm/s보다 작고, 횡 방향으로(즉, 인접한 턴들 사이에서) 대략 2-100배 더 느리다. 정상 영역의 각각의 방향으로의 정확한 전파 속도는 재료의 열 및 전기적 성질들과 이용된 케이블 구조에 의존한다. 특히, 횡 방향 전파 속도는 턴들 사이의 재료의 열적 성질에 의해 영향을 받는다.

(미터 단위의 직선 치수로, 예컨대 50cm보다 큰 반경을 가지고, 코일 단면 치수들은 최대의 전체 코일 치수보다 작은(즉, ~10배 작은)) 대형 자석에서, 횡 방향 전파는 코일의 주변부의 작은 부분(small fraction)을 커버하는 영역에서 코일의 전체 단면이 정상 상태가 되도록 할 수 있으며, 이는 모든 턴들의 전체 전류가 오직 정상 섹션(normal section) 내부의 금속 스태빌라이저 내에서 흐르도록 한다. 정상 영역 외부에서 도체들은 여전히 초전도 상태이다. 이러한 정상 영역의 저항은 자석들의 전류가 빠르게 낮아지도록 하기에 충분하지 않지만, 전체 자석의 저장된 자기 에너지가 작은 정상(저항성) 체적 내부로 덤핑되도록(dumped) 하며, 이는 오직 코일 주변부 둘레에서 천천히 증가한다. 자석들의 저장된 에너지가 코일 외부의 저항으로 덤핑될 수 있도록 이러한 상황이 빠르게 검출되지 않는 경우에는, 정상 영역의 온도는 매우 빠르게 상승할 것이며, 이는 정상 영역 내부의 도체들에게 심각한 손상을 초래하기 쉽다.

(몇몇 cm의 직선 치수, 예컨대 10cm보다 작은 반경을 가지며 코일 단면이 최대 코일 치수보다 작은 크기인) 소형 코일에서, 관련된 저장된 자기 에너지들은 비교적 훨씬 작으며, 정상 영역은 짧은 시간 내에 전체 코일 체적에 걸쳐서 더욱 균일하게 퍼질 것이다. 다시 말해서, 퀀치(quench)는 정상 영역의 온도가 손상을 주는 값(damaging value)(일반적으로 대략 200K)을 초과하기 전에 전체 코일을 아우르도록 전파된다.

이러한 이유로, 절연되지 않았거나 부분 절연된 코일들은 소형 HTS 자석들의 소극적 퀀치 프로텍션(passive quench protection)을 위한 양호한 옵션이 될 것으로 생각되지만, 대형 자석들의 소극적 퀀치 프로텍션을 위해서는 부적당하다.

더욱이, 절연되지 않았거나 부분 절연된 코일들은 램프-업(ramp-up) 중에 자기장의 안정화에서 지연을 나타낸다. 이는 코일들의 인덕턴스에 걸쳐 전개된 전압이 턴들 사이의 금속을 통해 전류를 흐르게 하기 때문이다. 비-절연된 HTS 코일은 세 개의 전류 경로들 - (하나는 HTS 내에서 하나는 금속 스태빌라이저 내에서) HTS 테이프들을 따라가는 두 개의 나선형 경로들과, 코일 단자들 사이의 비-절연되거나 부분 절연된 HTS 케이블 턴들을 연결하는 금속을 통한 하나의 반경 방향 경로(이는 단일 경로로서 모델링될 수 있지만, 이것은 실제로 자석을 통한 모든 반경 방향 저항성 경로들의 합을 나타낸다)을 가지는 것으로 모델링될 수 있다. 오직 나선형 경로들 내에서 흐르는 전류가 코일의 중심에서 상당한 축 방향 자기장을 발생시킨다. HTS 나선형 경로는 테이프가 모두 초전도 상태일 때 0 또는 무시할만한 저항과 인덕턴스(L)를 가지는 인덕터(inductor)로서 모델링 될 수 있다. 구리 스태빌라이저 나선형 경로는 HTS 경로와 평행하며 동일한 인덕턴스를 가지지만, 상당한 저항을 가진다. 이러한 이유로, HTS 나선 경로의 부분들이 퀀치를 시작하지 않은 경우에 그 내부에는 무시할 수 있을 만한 전류가 흐른다. 만약 이렇게 될 경우, HTS 나선형 경로의 임계 전류(Ic) 위의 과대 전류는 나선형 스태빌라이저 경로와 반경 방향 경로 사이에서 그들의 상대적인 저항에 따라 나눠진다. 반경 방향 전류 경로는 무시할 수 있을 만한 인덕턴스와, HTS가 전체에 걸쳐 초전도 상태인 동안의 나선형 경로보다 훨씬 더 큰 저항(R)을 가지는 것으로서 모델링될 수 있다.

도 6은 램프-업(ramp-up) 중 및 정상 상태(steady state) 작동에서 비-절연 코일 내의 전류, 전압, 및 파워(power)를 보여준다. 비-절연 코일의 램프-업 중에, 전류는 초기에 주로 반경 방향 경로 내에서 흐를 것이며(도 6의 기간 A), 그 다음에 안정화될 것이다. 반경 방향 경로 내에서 흐르는 전류의 양이 많을수록 더 빠른 램프-업 속도를 얻을 수 있다(나선형 경로에 걸쳐 전개된 전압(L·dI/dt)이 더 높기 때문이다 - 기간 B). 램프의 끝에서, dI/dt는 0으로 떨어지며, 전류는 시간 상수 L/R(기간 C)로 HTS 나선형 경로로 이동할 것이다. 전류는 램프의 끝 이후에 대부분 약간의 (대략 5) L/R 시간 상수로 나선형 경로로 이동할 것이다. 이와 같이, 시간 상수는 합리적인 램프-업 시간을 초래하도록 선택되어야 하며, 예를 들어, 5-10 시간의 시간 상수는 (대략 1-2일의 램프-업 시간을 주는) 토카막의 TF 코일을 위해 허용될 수 있을 것이다.

코일을 감기 위해 사용되는 HTS 케이블 내에 조인트들이 있는 경우, 파워 공급 전류의 작은 분율(fraction)은 기간 C 동안 반경 방향 경로 내에서 계속 흐를 것이다. 상기 분율은 간단히 반경 방향 저항(즉, 모든 턴들 사이의 저항들의 합)과 나선형 경로 저항의 합에 대한 나선형 경로 저항의 비율이다.

큰 L을 가진 자석에서 충전 지연 시간 상수를 짧게 유지하는 것은 비교적 높은 턴 사이의 저항(inter-turn resistance)을 요구하지만, 정상 영역 온도를 낮게 유지하는 것은 비교적 낮은 턴 사이의 저항을 요구한다. 따라서, 최적의 절충안을 성취하기 위해 턴 사이의 저항을 쉽게 제어하는 방법을 찾는 것이 바람직하다.

이상적인 턴 사이의 저항의 선택에서 추가적인 고려 사항은 자석 램핑(ramping) 단계(기간 A와 B) 중에 반경 방향 저항을 통해 전류를 구동시킴으로써 초래된 열 부하(heatload)이다. 이러한 추가적인 열 부하는 상당할 수 있으나(대략 수 kW), 필드 코일을 포함하는 장치의 작동 중에 발생되는 열 부하 - 예컨대, 핵융합로에서 코일들에 대한 중성자 열 부하 - 보다 작거나 동일할 경우에 추가적인 냉각을 요구하지 않을 것이다. 이는 작동 열 부하와 램핑 열 부하는 동시에 발생할 수 없기 때문에(예컨대, 핵융합은 TF 자석이 필드에 있을 때까지 시작되지 않기 때문에) 가능하다. 물론, 더 높은 열 부하를 갖고 램프 업하는 것도 가능하고(즉, 더 높은 턴 사이의 저항), 추가적인 냉각을 제공하는 것도 가능하며 - 이는 일반적으로 비용이 많이 들 것이지만, 더 빠른 램프 시간을 허용한다.

대형 자석에서, (절연 또는 비-절연 코일에서) 퀀치(quench)로부터 손상을 피하기 위해, 적극적 퀀치 프로텍션 기법(active quench protection scheme)도 시행될 수 있다. 이 기법에서, 자석의 저장 에너지는 퀀치 영역에서 손상을 초래하는 충분한 온도 상승이 일어나기 전에 자석의 퀀치 영역 이외의 몇몇 구성요소로 덤핑될 수 있다. 다른 구성요소는 외부 저항이거나, 또는 자석의 콜드 매스(cold mass)의 더 큰 부분에 걸쳐 퀀치된 자석의 별도 부분일 수 있다. 그러나, 적극적 접근법은 정상 영역(소위 "핫 스팟")의 시작과 자석 전류 램프-다운("덤프(dump)")의 촉발 사이의 시간이, 핫 스팟의 종말 온도가 코일에 대한 손상이 일어날 수 있는 온도, 예컨대 대략 200K보다 낮도록 충분히 짧을 것을 요구한다.

따라서, 여전히 퀀치된 정상 영역 주위의 턴들 사이에서 공유되는 전류를 핫 스팟 온도로 상승하는 속도를 제한하는 정도로 제공하면서, 용납 가능한 시간 프레임(time frame) 내에서 안정된 자기장으로 램핑될 수 있도록 코일의 시간 상수를 제어하는 수단을 개발하는 것이 바람직할 것이다.

시간 상수(L/R)를 선택하기 위해 변할 수 있는 코일의 가능한 파라미터들은 다음과 같다:

● 코일 내의 턴들의 수(N)의 제곱에 비례하는 인덕턴스(L). 그러므로, 턴들의 수를 감소시킴으로써 시간 상수가 감소될 수 있다. 그러나, 자기장은 암페어-턴들(amp-turns)에 비례하며, 그래서 적은 수의 턴들로 높은 자기장(high field)을 생성하는 것은 더 많은 턴들과 더 적은 통전 전류(transport current)로 동일한 자기장을 생성하는 자석보다 더 높은 통전 전류를 요구할 것이다.

● 턴들 사이의 반경 방향 저항, R_T(여기서, R=NR_T)

이러한 파라미터들의 관점에서, R은 대략적으로 NR_T에 비례하고, L은 대략적으로 N²에 비례하며, 그래서 L/R은 대략적으로 N/R_T에 비례한다. N의 최소값은 요구되는 자기장(B)과, 케이블 당 최대 전류(I)에 의해 설정될 것이며, 이는 B가 NI에 비례하기 때문이다. 시간 상수, 및 램핑(ramping) 중 열 부하는 더 적은 턴들을 사용함으로써 감소될 수 있지만, 이는 주어진 자기장을 생성하기 위해 자석을 위해 더 높은 전류를 요구할 것이다.

시간 상수와 램핑 열 부하는 각각의 턴 사이의 저항(R_T)을 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, R_T를 너무 높게 증가시키는 것은 턴들 사이에서 공유되는 전류를 억제하며 - 코일의 "소극적 퀀치 프로텍션", 즉 퀀칭(quenching) 없이 그리고 코일로부터 에너지의 덤핑 없이 핫 스팟으로부터 회복되는 코일의 능력을 감소시킨다. 고전류 케이블들은 전류를 운반하기 위해 다수의 테이프들을 요구하며, 특히 양호한 전류 공유와 테이프들 사이의 높은 열전도성을 허용하기 위해, 턴 내의 테이프들 사이의 저항을 매우 낮게 유지하는 것이 바람직하다; 이는 ReBCO 초전도층 내의 결함들에 대해 강건한 테이프를 만든다. 각각의 턴이 다수의 테이프들을 포함하는 곳에서, 요구되는 R_T는 각각의 턴의 테이프들 사이의 저항보다 훨씬 클 수 있어서, 전류는 턴들 사이보다는 결함들을 우회하기 위해 턴 내부에서 우선적으로 공유된다. 그러나, 핫 스팟의 열폭주(thermal runaway) 속도를 제한하기 위해 그리고 문제점을 검출하고 자석을 덤핑하기 위한 시간을 최대화하기 위해, R_T는 여전히 턴들 사이의 전류 공유를 허용한다.

부분 절연 코일의 사용은 핫 스팟의 개시와 200K를 초과하는 정상 영역 온도 사이의 시간 윈도우(time window)를, 동등한 절연 코일과 비교할 때, 현저하게 연장시키며 자석 덤핑의 개시를 위한 추가적인 시간을 허용한다는 것이 발견되었다. 이는 정확히 선택된 R_T를 부분 절연 코일을 토카막 내의 대형 필드 코일들로서 사용하기에 놀랍도록 적합하게 만든다.

이 시간 윈도우 내에서, 핫 스팟이 검출되어야 하며, 퀀치 검출 시스템은 핫 스팟이 (소극적 전류 공유를 통해 소산되기 보다는) 퀀치를 초래할 가능성이 있는지를 결정할 수 있으며, 자석으로부터 에너지를 안전한 방식으로 덤핑할 수 있다 - 즉, 큰 콜드 매스를 제어된 방식으로 데워지도록 강제할 수 있다(큰 콜드 매스는 자석의 의도적으로 퀀치된 부분, 예컨대, 환형 필드 코일(toroidal firld coil)의 리턴 림(return limb)일 수 있다).

시간 윈도우(time window)의 지속 기간은 각각의 턴 내의 전도성 금속, 예컨대, 구리에 의존하며 - 더 많은 금속 스태빌라이저에 의해, 시간 윈도우는 연장된다. 그러나, 스태빌라이저의 양을 증가시키는 것은 코일들의 전류 밀도를 감소시킬 것이며, 이는 (더 높은 전류 밀도가 핵융합 반응로 내의 더 두꺼운 중성자 차폐를 허용하고 그러므로 더 적은 열 부하를 허용하거나, 또는 구형 토카막을 위해 더욱 유리한 종횡비 또는 더 작은 전체 크기를 허용하는 곳인) 환형 필드 코일의 중심 칼럼과 같은 공간 제한적 애플리케이션에서 바람직하지 않다.

구형 토카막을 위해 절연 코일들을 사용하는 현재의 퀀치 프로텍션 접근법은 턴들 내에 더 많은 금속 스태빌라이저를 초래하며, 이는 결국 시간 윈도우를 다루기 쉬운 수준으로 증가시키기 위해 더 크고, 더 비싼 장치를 초래하지만, 시간 윈도우는 여전히 짧다(대략 0.5 내지 1초). 비-절연 또는 부분 절연된 코일들은 절연 코일들보다 금속 스태빌라이저를 더 적게 요구하기 때문에, 비-절연 또는 부분 절연된 환형 필드 코일의 사용은 시간 윈도우가 연장되고 전류 밀도가 증가되도록 허용할 것이다. 실제로, 중심 칼럼에서의 응력이 전류 밀도가 증가될 때 제한 인자가 되기 때문에, 비-절연 환형 필드 코일에서 제한은 전기적 문제점이라기 보다는 기계적 문제점이다. 결국, 테이프 재료들 내에서의 결과적인 변형은 ReBCO 층으로 전달되며, 임계 전류에서의 열화를 초래한다.

1.4m의 플라즈마 반경과, 18개의 림들(limbs)로 5T의 자기장을 가지는 예시적인 환형 필드(TF) 자석을 고려하라. 전체 TF 중심 로드 전류는 35 MA가 될 것이다. 10 kA의 통전 전류를 가정하면, 각각의 림은 196개의 턴들을 가질 것이며, 전체 TF 인덕턴스는 대략 46 H가 될 것이다. (대략 6시간의 전체 램프 시간(ramp time)을 가지기 위해) 1.4시간의 시간 상수를 달성하기 위해서는 각각의 개별 림을 위해 대략 0.5 밀리옴의 반경 방향 저항을 요구할 것이다. 따라서, 원하는 시간 상수를 달성하기 위해서는 평균 턴들 사이의 저항(R_T)이 2.54 마이크로옴이 되어야 한다.

모델링을 통해, 이는 0.05mm의 두께와, 20K에서 보통의 구리보다 2x10⁶배 더 많은 0.02 ohm·m의 저항률을 가진 부분 절연층을 턴들 사이에 사용하여 달성될 수 있다는 것을 알게 되었다. 통상의 기술자는 부분 절연을 위한 다른 파라미터들도 가능할 것이라는 점을 이해할 것이다.

R_T는 HTS 케이블 내부 및/또는 코일의 턴들 사이의 클래딩(cladding)을 위한 금속의 선택에 의해 조절될 수 있다. 전형적인 HTS 케이블들에서, 이 금속은 구리일 수 있으나, 더 큰 저항을 허용하기 위해 스테인리스 강과 같은 다름 금속들도 사용될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 코일의 턴들 사이의 간격은 증가될 수 있으며, 이는 코일의 턴들 사이에 더 두꺼운(그러므로 더욱 저항성인) 금속의 층을 초래한다. 다른 공학적 제약들(예컨대, 전류 밀도와 구조적 안정성)도 만족시키는 적합한 재료는 게르마늄과 다른 반도체들을 포함한다.

추가적인 대안은 절연을 위해 정상(즉, 비-초전도성) 금속을 사용하지만, 종래의 절연을 사용하여 전류 경로 기하구조를 조절하는 것이다. 다시 말해서, 전류가 턴들 사이에서 흐르도록 강제되는 거리를 증가시킨다. 코일의 턴들 사이의 재료는, 도 9a와 9b에 도시된 바와 같이, "누설 절연(leaky insulation)"을 가지는 금속 스트립(또는 다른 전기 전도성 스트립)을 포함하는 부분 절연층을 포함할 수 있다. 금속 스트립(901)에는 적어도 HTS 케이블들과 마주보는 측면들에 얇은 절연 코팅(902)이 제공되며, 절연 코팅은 금속 스트립의 양측에서 간격을 둔 윈도우들(또는 "관통 구멍들")(903)에 걸쳐 제거되거나 또는 누락된다. 윈도우들은 임의의 형상을 가질 수 있으며 테이프의 에지들까지 연장될 수 있다. 금속 스트립의 양측에서 윈도우들의 위치는, 도 9b에 도시된 바와 같이, 엇갈리게 배치되며, 이는 전류가 금속 스트립의 길이의 부분을 따르는 경로(910)를 가져야 하기 때문에 (절연되지 않은 스트립, 또는 양측의 윈도우들이 서로 직접적으로 반대쪽에 배치된 스트립과 비교하여) 저항을 증가시킨다.

도 9a와 9b에 도시된 부분 절연층의 저항(즉, 턴들 사이의 저항)은 다음에 의존할 것이다:

● 동일한 측면에서 인접한 윈도우들 사이의 거리(더 큰 거리는 더 큰 저항으로 이어진다). 이는 지배적인 표과이다.

● 반대쪽 측면들에서 인접한 윈도우들 사이의 오프셋, 즉, 일측의 윈도우와 반대측의 인접한 윈도우 사이의 거리(더 큰 오프셋은 더 큰 저항으로 이어진다).

○ 저항은 또한 윈도우의 양측에서의 상대적인 오프셋에 의해 변할 것이며, 일측의 윈도우들이 반대측의 가장 가까운 윈도우들 사이의 중간에 있을 때 동일한 측면에서 윈도우들 사이의 주어진 거리에 대해 최대화 된다. 이러한 배치는 또한 부분 절연층의 균일한 저항성 가열을 제공한다.

● 금속 스트립의 두께(오프셋이 두께보다 현저히 더 큰 경우에, 더 큰 두께는 더 작은 저항으로 이어진다).

● 금속 스트립의 폭(더 큰 폭은 더 작은 저항으로 이어진다)

● 금속 스트립의 저항률(더 큰 저항률은 더 큰 저항으로 이어진다)

● 윈도우들의 면적(더 큰 면적은 더 작은 저항으로 이어진다). 그러나, 윈도우 면적은 오직 윈도우들 사이의 거리가 윈도우 치수에 필적하는 경우에만 중요하다.

정확한 관계는 본 기술 분야에서 알려진 통상적으로 이용 가능한 기술들에 의해 또는 간단한 실험에 의해 모델링될 수 있다.

윈도우들의 간격이 규칙적인 것은 본질적이지 않다. 중요한 인자는 전류가 스트립 일측의 턴으로부터 타측으로 넘어가는 것이며, 전류는 윈도우를 통해 스트립 내부로 들어가고, 그 다음에 스트립을 따라서 지나가며, 스트립의 반대측의 다른 윈도우를 통해 빠져 나가야 한다. 하나의 윈도우로 들어간 전류가 다수의 경로들로 분리되어 몇몇의 윈도우들을 통해 빠져나가는 것은 분명히 가능하다. 각각의 경로를 따르는 전류의 비율은 단순히 그 경로의 임피던스에 의존할 것이다(임피던스는 변하는 전류들을 감속시키기 위한 경로들의 저항에 의해 지배될 것이지만, 경로 인덕턴스들은 빠르게 변하는 전류들을 위해 작동할 것이다).

스트립의 대향 측면들의 윈도우들 사이의 거리가 윈도우의 크기에 필적하지 않는 경우에는, 윈도우들 사이의 경로의 저항은 윈도우들 사이의 거리에 비례적으로 지배될 것이며 스트립의 두께에 반비례할 것이다. 이는 부분 절연 스트립을 위한 바람직한 배치이다.

코일 내의 상이한 지점들에서 변하는 저항이 바람직한 경우에, 이러한 성질들 중 어느 것도 부분 절연층의 길이를 따라서 변할 수 있다.

절연 코팅은, 예를 들어, Kapton^TM 테이프의 형태 또는 액체로서 적용된 폴리아미드, 마일라(mylar) 필름, 절연 바니쉬, 또는 임의의 다른 적합한 절연체일 수 있다.

상기 금속은 요구에 따라 구리, 황동, 스테인리스 강, 하스텔로이, 또는 임의의 다른 적합한 금속(또는 비금속 도체)일 수 있다. 하스텔로이의 스테인리스 강과 재료의 사용은, 종래의 전체-구리 자석과 비교하여, 부분 절연층이 향상된 구조적 안정성을 제공하도록 허용할 수 있으며, 고-자기장 토카막에서 겪는 큰 응력들을 다루는데 도움을 준다.

HTS 코일은 그들이 정상적으로 감기는 것과 같이 턴들 사이에 배치된 부분 절연층과 함께 감길 수 있다. HTS 코일은 수지 내에 둘러싸이거나 또는 함께 납땜될 수 있으며 - 후자의 경우에, 턴들 사이의 땜납 접착을 향상시키기 위해 부분 절연층은 선택적으로 납땜 가능한 코팅으로 코팅될 수 있다. 부분 절연층은 코일의 각각의 턴을 분리시키도록 HTS 턴들과 함께 연속적으로 감긴다.

상기 윈도우들은 에칭, 금속 스트립의 적용에 앞서 절연 스트립의 절단에 의해, 마스크를 사용한 스프레이 코팅에 의해, 잉크-젯 프린팅에 의해, 또는 본 기술 분야에서 알려진 다른 적합한 방법들(예컨대, 유연성 PCB 제조를 위해 알려진 기술들의 사용)에 의해 형성될 수 있다.

윈도우들 사이의 거리가 윈도우의 크기보다 현저히 크고, 일측의 윈도우들이 타측의 윈도우들 사이의 중간에 있도록 윈도우들이 오프셋 된 경우에, 턴들 사이의 저항(R_TT)는 아래와 같이 근사될 수 있다.

여기서 d는 윈도우들 사이의(즉, 동일 측에서 윈도우와 다음 윈도우 사이의) 거리이고, ρ는 (코일들이 저온과 고자기장에서 작동하게 될 것을 감안한) 저항률이며, w는 테이프의 폭이고, t는 금속 스트립의 두께이며, L은 각각의 턴의 평균 길이이다.

예를 들어, 2.54 마이크로-옴의 턴들 사이의 저항은 20mm의 폭, 50 마이크론의 두께, 16.2m의 턴 길이, 및 60.5mm의 윈도우들 사이의 거리를 가진 황동 스트립(~20K에서 ρ=45nΩ·m)으로 달성될 수 있다.

대체 가능한 "누설 절연(leaky insulation)" 구조는 도 10a(평면도)와 10b(도 10a의 B-B 단면)에 도시된다. 전술한 바와 같이, 금속 스트립(1001)에는 적어도 HTS-대향 측면들에 얇은 절연 코팅(1002)이 제공된다.이 경우에, 이전의 예에서 처럼 길이방향으로 이격된 윈도우들 대신에, 각각의 절연 코팅(1002)은 금속 스트립의 길이를 따라 연장된 단일의 윈도우(1003)(또는 "레인(lane)")를 가지며, 금속 스트립의 양측의 윈도우는 반대쪽 에지에 있다(예컨대, 상기 스트립의 일단부에서 볼 때, 스트립은 상부 표면의 좌측과, 바닥 표면의 우측에 윈도우를 가질 수 있다).

상기 윈도우들은 금속 스트립의 에지까지 연장되는 것처럼 보이지만, 그럴 필요는 없으며 - 즉, 윈도우의 양측에 절연 재료가 있을 수 있다.

상기 윈도우들은 겹쳐지지 않도록 배치되며, 이는 전류(1010)가 오직 스트립의 폭을 따라서 이동함으로써 스트립을 통해 흐르도록 허용한다.

이 구조에서, 턴들 사이의 저항은 아래에 의해 결정된다:

● 일측의 윈도우와 타측의 윈도우 사이의 거리(그들의 내측 에지에 의해, 스트립의 폭을 따라서 측정되며, 더 큰 거리는 더 큰 저항으로 이어진다).

● 금속 스트립의 두께(더 큰 두께는 더 작은 저항으로 이어진다).

● 금속 스트립의 저항률(더 큰 저항률은 더 큰 저항으로 이어진다).

● 각각의 윈도우의 폭(더 큰 폭은 더 작은 저항으로 이어진다). 이전의 구조에서 윈도우들의 면적과 같이, 이는 작은 효과이다 - 그러나, 이 경우에 윈도우들 사이의 거리와 각각의 윈도우의 폭은 금속 스트립의 폭에 의해 제한됨을 주의한다.

윈도우들 사이의 거리가 스트립의 두께보다 현저히 큰 경우에, 턴들 사이의 저항은 다음과 같이 주어진다:

여기서, s는 윈도우들 사이의 거리이고, ρ는 (코일들이 저온과 고자기장에서 작동하게 될 것을 감안한) 저항률이며, t는 금속 스트립의 두께이고, L은 각각의 턴의 길이이다.

예를 들어, 2.54 마이크로-옴의 턴들 사이의 저항은 20mm의 폭, 50 마이크론의 두께, 양측에서 반대쪽 에지들에 7.9mm의 절연되지 않은 스트립을 가진 스테인리스 강 스트립(ρ=486nΩ·m)으로 달성될 수 있다.

위의 두 개의 구조들은 특별한 예들이며, 이들의 일반적인 경우에, 부분 절연층은 양측에 얇은 절연층을 가진 금속 스트립을 포함한다. 각각의 절연층은 하나 이상의 윈도우들을 가지며, 이들은 (스트립의 두께로 인한 오프셋에 추가하여) 금속 스트립의 평면 내에서 다른 층의 윈도우들로부터 오프셋된다. 오프셋 거리는 금속 스트립의 두께보다 클 수 있으며, 코일의 턴의 길이보다 현저히 작다(예컨대, 적어도 5배 작거나, 적어도 10배 작거나, 또는 적어도 100배 작다). 상기 윈도우들은 HTS 테이프와 금속 스트립 사이의 전기적 접촉을 허용하며, 이는 감겨진 코일 내의 인접한 HTS 테이프들 사이에 (길이를 따라서 또는 폭을 따라서) 금속 스트립을 횡방향으로 가로질러 이동하는 전류 경로를 초래한다. 이는 윈도우들의 배치와 간격을 변화시킴으로써 부분 절연층의 저항이 쉽게 제어될 수 있도록 하며, 유사한 치수의 금속 스트립 단독에 의해 얻어질 수 있는 것보다 더 큰 저항을 초래한다.

상기 윈도우들은 부분 절연층의 길이를 따라서 균일하게 분포될 수 있으며, 이러한 분포는 부분 절연층의 전체 길이를 따라서 연장된다. 대안으로서, 코일의 각각의 턴의 저항이 일정하도록 윈도우들 사이의 거리(또는 윈도우들의 다른 성질들)는 부분 절연층을 따라서 변할 수 있다.

오직 하나의 윈도우가 각각의 부분 절연층에 제공된 경우에, 각각의 윈도우는 부분 절연층의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다.

윈도우들을 통한 전기적 접촉을 보장하기 위해, 부분 절연층은 권선 중에 HTS 케이블들에 납땜될 수 있다. 대안으로서, 접촉은 단순히 권선할 때 코일 내의 압력으로 인해 달성될 수 있다. 추가적인 대안으로서, 추가적인 전기 전도성 인서트들이 윈도우들 내부에 추가되거나, 또는 금속 스트립이 윈도우들 내부로 연장된 돌기들을 가질 수 있다. 상기 인서트들 또는 돌기들은 윈도우 전체를 채우거나, 또는 윈도우의 오직 부분만 채울 수 있다. 예를 들어, 윈도우가 "레인(lane)"인 경우에, 인서트들은 그 레인을 따라서 간격을 두고 제공될 수 있다. 이는 인서트들이 효과적으로 윈도우의 크기를 감소시키는 작용을 하도록 하며, 부분 절연층의 저항을 추가적으로 조절하는데 사용될 수 있다.

위에서 개시된 윈도우들의 다양한 배치들 모두는 윈도우들과 윈도우들을 부분적으로 채우는 금속 인서트들 또는 돌기들의 조합을 통해 달성될 수 있다 - 예컨대, 코일의 턴당 저항이 일정하도록 보장하기 위해 금속 인서트들의 간격은 부분 절연층을 따라서 변할 수 있다.

부분 절연층과 HTS 토일의 물리적 연결은 단지 압력을 통한 것(즉, 단순히 코일의 콤팩트한 권선에 의해), 절연 코팅과 HTS 케이블의 외측 표면의 접착제(예컨대, 에폭시) 연결에 의한 것, 및/또는 부분 절연층의 외측 금속 표면과 HTS 케이블 사이의 납땜 연결에 의한 것일 수 있다.

도 11은 부분 절연층이 양호한 물리적 및 전기적 연결을 보장하도록 만들 수 있는 몇몇의 추가적인 개선들을 보여준다. 이전에 설명된 바와 같이, 부분 절연층은 금속(또는 다른 전기 전도성) 스트립(1101)과 얇은 절연 코팅(1102)을 포함한다. HTS 케이블들과의 접촉을 용이하게 하기 위해, 금속 스트립들(1103)이 윈도우들 내에 배치되거나 또는 금속 스트립이 윈도우들을 통해 연장되는 돌기들을 가질 수 있다.

대안으로서 또는 추가적으로, 더 큰 납땜 표면을 제공하기 위해(그리고, 이에 따라 코일의 더 쉬운 제작과 더 강하게 접합된 코일을 위해), 부분 절연층은 절연층의 외측면들에 접합된 추가적인 금속 스트립들(1104), 이하에서는 "연결 스트립들"을 포함할 수 있다. 이러한 연결 스트립들은 층의 전기적 성질들에 관해 무시할 수 있는 효과를 가지지만, 부분 절연층이 실질적으로 전체 표면을 따라서 HTS 케이블에 납땜되도록 허용한다.

상기 부분 절연층은 또한 부분 절연층의 에지들에 접합된 절연 재료(1105)를 가질 수 있으며, 상기 절연 재료(1105)는 부분 절연층을 가로질르는 및/또는 코일이 제조된 때 절연 코팅을 가로지르는 땜납 브릿지들(solder bridges)을 방지하기 위해 금속 스트립(1101)의 적어도 에지들을 덮는다.

부분 절연층은, 접착제에 의해 금속 스트립에 접합되는 절연 코팅을 가지며, 그 다음에 윈도우들을 형성하기 위해 에칭되며, 절연 코팅에 접합되거나 또는 적절할 경우 금속 스트립에 전기적 접촉 상태에 있도록 금속 스트립에 접합되는 임의의 추가적인 금속 요소들을 가지는 - 유연성 PCB로서 제조될 수 있다. 대안으로서, 상기 절연 코팅은 윈도우들의 프리-컷(pre-cut)을 가지거나 (또는 스트립에 적용된 때 "레인들(lanes)"을 제공하도록 크기가 부여될 수 있으며), 그 다음에 접착제에 의해 권선 중에 금속 스트립에 접합될 수 있다. 다른 제조 방법들도 사용될 수 있다.

도 12는 부분 절연층의 대체 가능한 구성을 보여준다. 전과 같이, 부분 절연층은 금속 스트립(1201)과, (도 10a와 10b에 관하여 위에서 설명된 바와 같이) 금속 스트립의 각각의 측면의 하나의 에지에 "레인(lane)"을 형성하도록 배치된 절연 코팅(1202)을 포함한다. 이 경우에, 금속 스트립에는 "조글(joggle)" 또는 "킹크(kink)"(1203)가 제공되며, 즉, 윈도우에 노출된 금속 스트립의 부분이 절연 코팅의 평면 내에 놓이도록 굽혀진다. 상기 절연 코팅에는, 납땜할 때 절연 코팅의 반대측에서 금속 스트립과 HTS 테이프 사이에 원치 않는 브리징(bridging)을 방지하기 위해, 돌출부(overhang)(1204)가 제공될 수 있다.

상기한 사항들은 금속 스트립에 절연을 적용함으로써 형성된 부분 절연층과, 그 다음에 이것을 HTS 케이블과 함께 권선하여 코일을 형성하는 관점에서 주로 기재하고 있지만, 절연이 HTS 케이블에 적용되고, 이는 그 다음에 나금속 스트립(bare metal strip)과 함께 권선되는 구성들도 HTS 케이블, 절연, 및 금속 스트립이 권선 중에 합쳐지는 구성들이기 때문에 동등하다는 것이 이해될 것이다.

누설 절연층의 추가적인 대안에서, Kapton^TM과 같은 절연 재료의 나선형 랩(helical wrap)이, "윈도우들"을 형성하기 위해 절연 턴들 사이에 갭들을 의도적으로 남겨두면서, 금속의 스트립의 둘레를 둘러쌀 수 있다. 대안으로서, 각각의 턴은 절연층에 의해, "윈도우"를 형성하기 위해 갭들을 남겨두면서, 나선형으로 둘러싸일 수 있다. 그러나, 인접한 턴들 사이의 저항률(즉, 윈도우들의 접촉 면적과 반대측의 윈도우들 사이의 오프셋)을 제어하는 것은 후자의 접근법으로는 더 어려울 것이다.

도 16a 내지 16e는 추가적으로 대체 가능한 누설 절연층을 보여준다. 이전의 예들과 같이, 이 예의 기술적 특징들은 반드시 함께 사용될 필요는 없으며, 적절한 경우에 다른 예들의 특징들과 조합될 수 있다. 상기 누설 절연층은 5개의 층들을 포함하며, 그 순서는 다음과 같다:

● 제1 금속 연결층(1611);

● 제1 절연층(1621);

● 전기 전도층(1630);

● 제2 절연층(1622);

● 제2 금속 연결층(1612).

도 16a 내지 16c는 제1 금속 연결층(1611), 전기 전도층(1630), 및 제2 금속 연결층(1622) 각각의 레이아웃을 보여준다. 도 16d와 16e는 도 16a 내지 16c의 D와 C 라인들을 따른 단면도들이다.

이전의 예들과 같이, 연결층은 납땜에 의해 HTS 케이블들에 부착을 용이하게 하기 위해 존재한다.

전기 전도층이 연속된 금속 스트립인 이전의 예들과는 대조적으로, 이 예에서 전기 전도층은 몇몇의 전도성 영역들로 분할된다. 이러한 영역들은 두 개의 유형들이 있다. 정사각형 영역들(1631)은 금속 연결층들 중 하나에 오직 비아들(vias)(1606)에 의해 연결된다. 이러한 영역들은 부분 절연층의 전기적 성질들에 영향을 미치지 않지만, 각개의 절연층을 통해 열적 경로를 제공한다. 이러한 영역들의 크기와 이들과 금속 연결층 사이의 연결들의 수를 변화시킴으로써, 부분 절연층의 열적 성질들이 전기적 성질들과 독립적으로 변할 수 있다.

다른 영역들(1632)은 각각 제1 절연층(1621)의 윈도우(1601)를 제2 절연층(1622)의 윈도우(1602)에 연결한다. 윈도우들 사이의 저항은 상기 영역들(1632)의 기하구조를 변화시킴으로써 제어될 수 있으며 - 예컨대, 상기 영역(1632)이 도 16b이 도시된 바와 같이 가늘고 긴 트랙(1633)을 포함하는 경우에, 트랙의 폭을 증가시키는 것은 윈도우들 사이의 저항을 감소시킬 것이고, (예컨대, 비-선형 트랙을 제공하거나, 또는 윈도우들을 이동시킴으로써) 트랙의 길이를 증가시키는 것은 윈도우들 사이의 저항을 증가시킬 것이다.

상기 제1 절연층 내의 윈도우들(1601)은 제1 연결층과 제1 절연층을 관통하도록 천공된 비아들에 의해 형성되며, 이들은 그 다음에 제1 연결층과 제1 전기 전도층을 연결하기 위해 금속(1603)(또는 다른 전기 전도성 재료)으로 도금된다. 상기 제2 절연층 내의 윈도우들(1602)은 모든 층들을 관통하도록 천공된 비아(1602)에 의해 형성되며, 이는 그 다음에 금속(1604)(또는 다른 전기 전도성 재료)으로 도금된다. 제2 절연층의 윈도우들(1602)을 통해 제1 절연층에 연결이 형성되는 것을 방지하기 위해, 제1 연결층은 비아(1602)를 격리시키기 위해 비아(1602) 둘레에서 에칭되며, 납땜 또는 HTS 케이블과의 접촉으로 인한 브리징이 일어나지 않도록 보장하기 위해 비아(1602)의 단부에 절연 캡(1605)이 배치된다.

대안으로서, 윈도우들(1602)은 대신에 제2 연결층, 제2 절연층, 및 전기 전도층을 관통하되, 제1 절연층을 관통하지 않도록(또는 완전히 관통하지 않도록) 부분 절연층의 반대측으로부터 천공될 수 있다. 추가적인 대안으로서, 제2 연결층의 에칭과 제1 절연층의 윈도우들(1601)을 위해 사용될 제2 연결층 상의 절연 캡에 의해, 모든 윈도우들은 모든 층들을 관통하는 비아들로 형성될 수 있다.

예로서, 도 16a 내지 16e에 따른 부분 절연층은 아래와 같이 유연성 PCB 공정에 의해 제조될 수 있다:

● 제1 절연층(1621)이 제공되며, 그 상부 표면과 하부 표면상에 (제1 연결층(1611)과 전기 전도층(1630)을 각각 형성하기 위해) 구리로 도금된다.

● 구리-도급된 제1 절연층(1621)(즉, 층들(1621, 1611, 및 1630))은 비아들(1601)을 형성하기 위해 천공되며 그 구멍들은 도금된다(1603).

● 전기 전도층(1630)은 영역들(1632)(및 선택적으로 영역들(1631), 이 영역들도 에칭되는 것이 바람직하다)을 형성하기 위해 에칭된다.

● 제2 절연층(1622)이 전기 전도층(1630)에 적용된다. 이는 제1 절연층과 동일한 절연체이거나, 또는 상이한 절연체일 수 있다.

○ 일 예에서, 제2 절연층은 제2 연결층을 연결하기 위해 사용되는 접착제일 수 있다.

● 제2 연결층(1612)이 제2 절연층(1622)에 적용된다.

● 상술한 바와 같이 제1 및 제2 절연층들 내에 윈도우들(1602)을 형성하기 위해 비아들이 천공된다.

● 상기 비아들은 구리(1604)로 코팅된다.

● 제1 연결층은 그 층(1611)으로부터 윈도우들(1602)을 격리시키기 위해 에칭된다.

● 제1 연결층(1611)에 윈도우들(1602)을 형성하는 비아들의 단부에 절연 캡(insulating cap)(1605)이 적용된다.

물론, 도 16a 내지 16e의 예들의 특징들 중 오직 일부만 부분 절연층 내에 사용되는 경우에, 없는 특징들에 대응되는 방법의 단계들은 수행되지 않을 것이다.

위에서 개시된 부분 절연층들의 예들의 일반적인 특징들은 다양한 방식으로 조합될 수 있으며, 각개의 예들 내의 다른 특징들과 분리되어 사용될 수 있다는 것을 주의한다. 예를 들어, 절연층들 내의 윈도우들은 각각의 절연층의 에지에 단일의 가늘고 긴 윈도우를 가진 "레인들(lanes)"의 예(도 10a)를 위해 제공될 수 있으며, 도 16b의 패턴화된 전기 전도층과 조합될 수 있고, 전기 전도층에는 패턴화된 전기 전도층의 전기적 접촉을 도 12에 따라 절연층의 평면으로 가져오기 위해 "조글(joggle)"이 제공될 수 있다.

상기의 설명들 중 많은 부분이 대형 HTS 코일들에 초점을 맞추고 있지만, 위에서 개시된 "누설 절연"은 이 코일들 내의 턴들 사이에 제어된 저항을 제공하기 위해 소형 HTS 코일들에도 적용될 수 있을 것이다.

이러한 "누설 절연"을 포함하는 코일을 제조하는 다양한 방법들이 이제 논의될 것이다. 이들은 단지 예로서 제시되며, 통상의 기술자는 다른 권선 방법들도 가능하며 각각의 예의 요소들은 여기서 제시되지 않은 다양한 방식들에 조합될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

부분 절연층은 (예컨대, 위에서 설명된 유연성 PCB 제조 공정에 의해) 사전-형성되거나, 또는 권선 중에 현장에서(in-situ) 형성될 수 있다. 금속 스트립에 절연 코팅을 적용하는 것은 절연 코팅 및/또는 금속 스트립에 이들을 연결하기 전에 접착제(예컨대, 에폭시)를 적용하는 것을 포함할 수 있다.

부분 절연층이 코일 내에 권선되기 전에 형성되는 경우에(사전-형성되거나, 또는 뒤에서 설명하는 바와 같이, 권선 공정의 초기 단계에 의해), 권선 공정 중에 더 쉬운 연결을 용이하게 하기 위해, 상기 층에는 양측에 HTS 테이프가 제공될 수 있다.

도 13은 예시적인 권선 시스템의 개략도를 보여준다. 코일(1300)은 HTS 테이프(1301)의 세 개의 스풀들과 부분 절연층(1302)으로부터 감긴다. 부분 절연층은 HTS 테이프(1311)의 두 개의 스풀들, 양측이 건조 에폭시로 코팅된 절연 테이프(1312)의 두 개의 스풀들, 및 스테인리스 강 포일(foil)(1313)로부터 현장에서 형성된다. 부분 절연층과 HTS 테이프 조립체는 가열 및 가압 롤러들(1303)(이들은 생략되거나 권선의 압력이 에폭시를 경화시키기에 충분한 경우에는 상당한 열 또는 압력을 가하지 않는 롤러들로 대체될 수 있다)을 통과함으로써 함께 접합된다. 부분 절연층(1302)와 HTS 테이프들(1301) 각각은 노출된 표면들에 플럭스를 인가하기 위해 플럭스 박스(flux box)(1304)를 통과한다.

도 13의 코일은 원형으로 도시되어 있지만, 유사한 권선 시스템은 (예컨대, 상이한 형상의 포머(former))를 사용하여) 임의의 형상의 코일을 권선하기 위해 사용될 수 있다.

도 14는 부분 절연층과 HTS 테이프의 조립체의 단면도를 보여준다. 상기 조립체는 절연층들(1402) 사이에 끼워진 스테인리스 강 테이프(1401)를 포함하며, 이들은 결국 HTS 테이프들(1403) 사이에 끼워진다. 각 층은 에폭시로 접합되지만, 스테인리스 강 테이프와 HTS 테이프 사이에 집접 연결에서는 (양호한 전기적 연결을 조장하기 위해) 에폭시가 사용되지 않는다. 이러한 코일의 제조 방식은 부분 절연층과 HTS의 조립체의 최소 굽힘 반경이 단일의 HTS 테이프보다 더 제한될 것이기 때문에 대형 코일들을 위해 바람직하다. 그러나, 이는 제조시에 조립체를 부분적으로 "사전-굽힘(pre-bending)"함으로써, 즉, ("0-변형(zero-strain)" 위치가 직선 테이프와 코일의 최소 곡률반경 사이의 중간 곡률반경에 있도록) 조립체를 부분적으로 굽혀진 상태로 형성함으로써 극복될 수 있다.

도시된 예에서, 절연 테이프는 테이프의 각각의 측면에서 하나의 에지에 단일의 큰 윈도우를 가진 "레인들(lanes)" 실시예를 제공하도록 구성된다. 이는 돌출부(overhang)(1410)를 형성하기 위해 권선 중에 HTS 테이프와 스테인리스 강 테이프로부터 절연 테이프를 오프셋함으로써 달성된다. 이 돌출부는, 조립체가 납땜될 때 또는 코일이 아래에서 설명하는 바와 같이 땜납 포팅될(solder potted) 때, HTS 테이프와 스테인리스 강 사이에 원치 않는 전기적 브리징을 방지하는데 도움을 준다. 대안으로서, 스테인리스 강보다 좁은 절연 테이프가 제공되어, (다른 에지에 "레인"을 제공하기 위해) 스테인리스 강의 하나의 에지와 정렬될 수 있다.

부분 절연층이 다른 배치의 윈도우를 가지는 경우에, 예를 들어, 윈도우들이 부분 절연층의 외측 에지들과 유체 연통을 허용하지 않는 경우에, HTS 테이프와 스틸 테이프 사이의 전기적 연결을 보장하기 위해 땜납은 부분 절연층의 조립 중에 제공될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 상술한 바와 같이, 윈도우들 내부의 추가적인 금속 인서트들 또는 금속층 내의 돌기들이 사용될 수 있다.

코일을 강화하고 향상된 전기적 연결을 제공하기 위해, 코일은 "땜납 포팅(solder potted)" 또는 "땜납 강화(consolidated with solder)"될 수 있으며, 즉, (본 기술분야에서 잘 알려진 "에폭시 포팅"에서 유추하여) 코일을 침투하도록 허용된 땜납 내에 완전히 코팅될 수 있다. 도 15는 예시적인 땜납 포팅된 코일을 보여준다. 코일은 부분 절연층(1510)과 HTS 케이블(1520)을 포함한다. 부분 절연층(1510)은 금속 스트립(1511)과 절연 코팅(1512)을 포함하며, 절연 코팅은 코일의 에지를 넘어서 돌출된 돌출부(1513)를 가진다. 코일이 땜납 포팅될 때, 땜납(1530)은 코일의 표면들을 코팅할 것이고 케이블의 HTS 테이프들 사이로 연장될 것이며, 이에 의해 케이블의 HTS 테이프들 사이 및 HTS 케이블과 금속층 사이의 전기적 연결을 보장한다. HTS 테이프들의 금속 표면들과 부분 절연층의 노출된 금속 표면들은 납땜에 앞서 플럭스로 처리될 수 있다.

상기 코일은 그 다음에 돌출부를 잘라내고 땜납을 매끈하게 하기 위해 평면들(1514)(점선)을 따라서 기계가공될 수 있으며, 이는 잔류된 돌출부들을 가로지르는 땜납 브리지가 없도록 보장한다.

부분 절연층에 돌출부들 대신에 (예컨대, 도 11에 도시되고 상술한 바와 같이) 에지들에 절연 코팅이 제공되는 경우에, 코일은 땜납 포팅에 뒤이어 이 절연 코팅까지 기계가공될 수 있다. 사용된 땜납이 사용된 절연 코팅을 웨팅시키지 않는 경우에는, 에지의 절연 코팅이 충분히 넓은 경우에 이러한 브리지들은 형성되지 않을 수 있다.

코일의 일측에 돌출부들을 제공하는 것의 대안으로서, 코일의 그 측면은 땜납이 그 측면의 연결부들을 브리징하는 것을 방지하는 제거 가능한 마스크(예컨대, 이-성분 실리콘) 내에 코팅될 수 있다. 이러한 구성은, 모든 HTS 테이프들과 부분 절연층이 공통 평면 상에 놓인 일단부를 가지도록 배치되기 때문에, 코일의 정렬을 쉽게 만든다.

땜납 포팅은 "레인" 실시예에 대해 도시되었지만, 이전에 제시된 다른 구성들에도 동등하게 적용될 수 있다. 몇명의 경우들에서, 돌출부들(1613)은 각각의 절연 코팅의 양측에 제공되거나, 또는 부분 절연층의 길이의 오직 부분을 따라서 제공될 수 있으며, 즉, 절연층을 가로지르는 연결부들이 바람직하지 않은 경우에, 이러한 연결부들이 용인되는 경우(예컨대, 윈도우가 금속층의 에지까지 연장된 경우)의 돌출부를 가지지 않는다. 절연 코팅들 내의 윈도우들이 코일의 외부와 유체 연통되지 않도록 배치된 경우에, 이러한 윈도우들을 통해 땜납 연결을 위해 권선 중에 별도의 납땜 단계가 수행될 수 있으며 - 또는 여기에 개시된 임의의 다른 연결 방법들(예컨대, 윈도우들 내부에 추가적인 금속 인서트들)이 대신에 사용될 수 있다.

부분 절연층이 압력만에 의해 HTS 테이프에 전기적으로 연결될 수 있는 경우에는(예컨대, 도 11과 12의 실시예들, 및 금속층의 부분 또는 금속층에 전기적으로 연결된 구성요소들이 절연 코팅의 평면 내에 있는 다른 실시예들에서는), 땜납 포팅 또는 다른 납땜 없이 HTS와 부분 절연층 사이의 전기적 연결이 수행될 수 있으며, 그러나 원하는 경우에 땜납은 여전히 사용될 수도 있다. 이 경우에, 코일은 기계적 안정성을 향상시키기 위해 에폭시 포팅될 수 있으며 - 그러나, 에폭시가 (HTS 케이블 내부 또는 케이블과 부분 절연층 사이의) 임의의 전기적 연결부들을 차단하는 것을 피하기 위해 주의하여야 한다.

HTS 케이블은 권선 공정 전에 또는 권선 공정 중에 별도로 납땜될 수 있다. 권선 중 납땜은 각각의 HTS 테이프를 스풀에 감기지 않은 상태로 땜납 내에서 코팅함으로써 달성될 수 있으며, 케이블을 형성하기 위해 이들을 함께 가열된 롤러를 통과시키고, 그 다음에 부분 절연층과 함께 권선된다.

일부 실시예들에서 HTS 케이블과 금속층 사이의 갭의 작은 크기로 인해, 땜납이 포팅 중에 이러한 갭들을 웨팅시키지 않을 수 있으며 - 이는 땜납의 조성, 금속층, 및 HTS 케이블의 외측 표면에 의존할 것이다. 이는 금속층과 HTS 케이블의 외측 표면이 유사하지 않은 경우에 일반적으로 발생할 것이다. 이와 같이, 전기적 연결이 금속층과 HTS 케이블의 직접 접촉에 의해 만들어지지 않는 실시예들에서는, 금속층과 HTS 케이블의 외측 표면이 유사한 금속이거나 또는 이 갭들이 포팅을 통하기 보다는 개별적으로 납땜될 수 있다.

유사하게, 땜납은 일반적으로 절연층과 HTS 테이프 사이의 갭을 웨팅하지 않을 것이다. 땜납 포팅에 뒤이어, (적어도 갭들이 코일의 외부와 유체 연통되는 경우에) 코일은 이러한 갭들을 강화하기 위해 에폭시 포팅될 수 있다.

몇몇의 경우에(예컨대, 부분 절연층이 유연성 PCB로서 제조된 때), 짧은 길이의 부분 절연층(예컨대 2 내지 5m)을 생성하고 이들을 맞대기 조인트에 의해 코일 내부에 연결하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 임의의 상기한 예들에서 단일의 "부분 절연층"으로서 간주되어야 한다.

상기한 개시 내용들이 많은 변수들을 동등하게 처리하였지만, 주어진 자석을 위해, 설계 공정은 몇몇의 변수들을 제한할 수 있고 다른 변수들을 자유롭게 선택하도록 허용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 요구되는 자기장과 자석 기하구조가 알려진 경우에, 설계 공정은 아래의 단계들을 포함할 수 있다:

● 요구되는 자기장을 생성하기 위해 요구되는 "암페어-턴들(amp-turns)"의 수(즉, 통전 전류(I)로 곱해진 턴들의 수(N))를 결정하는 단계.

● 용인 가능한(acceptable)(여기서 "용인 가능"은 용도(use case)에 의존할 것이다) 시간 상수를 달성하는 (N에 의존하는) 인덕턴스(L)와 (N과 턴들 사이의 저항(R_TT)에 의존하는) 반경방향 저항(R)을 제공하기 위해 I와 N의 값을 선택하는 단계.

● 요구되는 R_TT를 제공하기 위해 부분 절연의 특성들을 선택하는 단계.

I와 R_TT의 선택은 다른 요인들에 의해 제약될 가능성이 있으며 - 예컨대, 통전 전류는 HTS 케이블의 임계 전류보다 많을 수 없으며, R_TT는 부분 절연층의 용인 가능한 두께와 테이프들의 폭에 의존할 것이다(이 둘은 다른 고려사항들 - 예컨대 이용 가능한 공간 및 HTS 테이프들의 성능에 의해 설정될 가능성이 있다).

상기한 설명은 감겨진 팬케이크 코일에 관련된 것이지만, 유사한 고려사항들이 조립형 코일들에 적용될 것이다. 이러한 코일들을 위해, 코일 파라미터들에 관해 L과 R의 의존성은 상이할 수 있지만, 통상의 기술자에 의해 HTS 자석 설계의 통상적인 기술을 사용하여 확인될 수 있다.

본 개시내용은 용인 가능하게 신속한 코일 램프 시간과 하나의 턴 내에 형성된 핫-스팟과 HTS 테이프의 손상 발생 사이의 긴 시간 윈도우 사이를 양호하게 절충하도록 L/R 시간 상수가 조절될 수 있도록 허용함으로써 비-절연/부분 절연 코일들의 사용을 허용한다. 이는 코일 온도를 모니터링함으로써 핫 스팟이 검출되고, 필요할 경우, 적극적 퀀치 프로텍션 시스템이 동등한 절연 코일과 비교하여 더 긴 시간 프레임 내에서 자석 전류를 감소시키도록 한다.

추가적으로, 구리는 HTS 케이블들 사이에 공유될 수 있기 때문에, 비-절연 코일들은 동등한 절연 코일들보다 더 적은 구리 또는 다른 금속 스태빌라이저를 요구한다(즉, 코일은, 각각의 HTS 케이블이 그 케이블로부터의 전류를 공유하기 위해 충분한 구리를 요구하기 보다는, 오직 케이블들의 서브세트로부터의 전류를 공유하기 위해 전체로서 충분한 구리를 요구한다). 따라서, 부분-절연코일들에 의해 더 높은 저류 밀도가 달성될 수 있으며, 이는 특히 구형 토카막의 환형 코일들과 같은 애플리케이션들에서 유용하며, 여기서 (구형 토카막의 경우에, 중심 칼럼의 반경을 최소화하기 위해, 또는 주어진 중심 칼럼 반경에서 더 많은 중성자 차폐를 허용하기 위해) 코일들의 두께는 중요한 설계 고려사항이다.

절연 코일의 거동이 정상 작동을 위해 바람직할 경우에, 비-절연 코일의 이익은, 냉각된 때 매우 높은 저항을 가지고 전이 온도(바나듐 옥사이드의 경우에 대략 100K) 위로 데워진 때 비교적 낮은(적어도 10배 낮은) 저항을 가지는 바나듐 옥사이드와 같은 금속-절연체 전이 재료의 사용에 의해 퀀치 중에 여전히 얻을 수 있다. 이와 같이, 턴들 사이에 금속-절연체 전이 재료를 가진 "반-절연된(semi-insulated)" 코일은 정상 작동과 (매우 낮은 시간 상수를 가지는) 램프 업 중에는 절연 코일로서 거동할 것이고, 퀀치 중에는 비-절연 코일로서 거동할 것이다(이는 금속-절연체 전이 재료가 가열되어 전도성이 되도록 할 것이다). 이는 금속-절연체 전이 재료가 낮은 저항을 가질 때 R_T가 램프-업 시간 상수에 악영향을 미치지 않으면서 가능한 한 낮아지도록 허용한다(저온에서 R_T가 충분히 낮은 시간 상수를 제공하지만, 이는 금속-절연체 전이 재료들이 그들의 전이 온도 부근에서 저항률의 매우 급격한 저하를 가지기 때문에 쉽게 달성될 수 있다. 예컨대, 10K 위에서 저항률이 적어도 10배 낮아지거나 또는 심지어 10K 위에서 저항률이 10³배 낮아진다).

상기한 개시내용은 다양한 HTS 자석 시스템들에 적용될 수 있다. 위에서 예로서 언급된 토카막 핵융합 반응로에 추가하여, 본 발명은 핵자기공명 촬상(NMR/MRI) 장치들, 자기장을 통한 비-자성 매체 내부의 자기 장치의 조작(예컨대, 환자 내부의 의료 장치들을 조작하기 위한 로봇식 자기 내비게이션 시스템), 및 예컨대, 전기 항공기를 위한 전기 모터들을 위한 자석들 내의 HTS 코일들을 위해 사용될 수 있다. 추가적인 예로서, 본 발명은 개시된 특징들을 포함하는 HTS 자석 시스템을 포함하는 양성자 빔 치료 장치에 적용될 수 있으며, 여기서 HTS 자석 시스템은 PBT 장치의 가속기, PBT 장치의 4극자 또는 쌍극자 조향 자석들, 또는 PBT 장치의 임의의 다른 자석 내부에 사용된다.

Claims

고온 초전도성(HTS) 필드 코일로서, 상기 HTS 필드 코일은:
HTS 재료와 금속 스태빌라이저를 포함하는 다수의 턴들(tuns); 및
상기 턴들을 분리시키는 부분 절연층으로서, 전류가 상기 부분 절연층을 통해 턴들 사이에서 공유될 수 있도록 하는, 부분 절연층;을 포함하며,
상기 부분 절연층은:
일측면에 제1 절연층을 가지고 다른 측면에 제2 절연층을 가지는 전기 전도층;을 포함하며,
각각의 절연층은 하나 이상의 윈도우들(windows)을 가지고, 상기 윈도우들을 통해 상기 턴들과 상기 전기 전도층 사이에 전기적 접촉이 만들어질 수 있으며;
상기 제1 절연층 내의 윈도우들은 전기 전도층의 평면에서 상기 제2 절연층 내의 윈도우들로부터 오프셋되는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 전기 전도층은 연속적인 전기 전도성 스트립인, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 전기 전도층은 다수의 영역들을 포함하며, 각각의 영역은 상기 제1 절연층 내의 각개의 제1 윈도우를 상기 제2 절연층 내의 각개의 제2 윈도우에 전기적으로 연결하고, 각각의 영역은 상기 전기 전도층의 평면에서 다른 영역들로부터 전기적으로 절연되는, HTS 필드 코일.
제3항에 있어서,
각각의 영역은 상기 제1 및 제2 윈도우 사이에 트랙(track)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 윈도우 사이의 상기 트랙의 길이는 상기 길이에 대해 직각으로 측정된 상기 트랙의 폭의 적어도 두 배인, HTS 필드 코일.
제4항에 있어서,
각각의 트랙은 비-선형인, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 제2 절연층 내의 윈도우들은 각각 상기 제1 절연층, 상기 제2 절연층, 및 상기 전기 전도층을 관통하여 연장된 각개의 비아(via)의 부분이며, 상기 부분절연층은 상기 제1 절연층에 근접한 단부에서 각각의 비아 상의 절연 캡(insulating cap)을 더 포함하는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 전기 전도층은 금속을 포함하는, HTS 필드 코일.
제7항에 있어서,
상기 금속은, 구리; 황동; 강(steel); 스테인리스 강; 및 하스텔로이 중에서 하나인, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 부분 절연층과 상기 턴들은 연속적으로 감기는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 제1 절연층의 각각의 윈도우와 상기 제2 절연층의 가장 가까운 윈도우 사이의 오프셋 거리는 상기 전기 전도층의 두께보다 큰, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 제1 절연층의 각각의 윈도우와 상기 제2 절연층의 가장 가까운 윈도우 사이의 오프셋 거리는 상기 HTS 필드 코일의 턴의 길이의 1/5보다 작은, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
각각의 절연층은 상기 부분 절연층의 길이를 따라서 오프셋된 다수의 윈도우들을 포함하는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
각각의 절연층의 윈도우들은 두 절연층들을 위해 동일한 간격으로 규칙적으로 이격되며, 각각의 윈도우는 동일한 면적을 가지는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
하나의 절연층의 윈도우가 반대쪽 절연층의 두 개의 가장 가까운 윈도우들로부터 동일한 거리가 되도록, 하나의 절연층의 윈도우들은 반대쪽 절연층의 윈도우들로부터 오프셋되는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 절연층들은, 나선형 권선 내의 갭들이 상기 윈도우들을 형성하도록 절연 테이프를 상기 전기 전도층 둘레에 나선형으로 둘러싸거나 또는 절연 테이프를 상기 턴들 둘레에 나선형으로 둘러쌈으로써 형성되는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 절연층들 각각은 상기 제1 및 제2 절연층들의 길이를 따라서 연장된 단일의 윈도우를 포함하며, 상기 제1 절연층의 윈도우는 상기 제2 절연층 내의 윈도우로부터 상기 부분 절연층의 폭을 따라서 오프셋되는, HTS 필드 코일.
제16항에 있어서,
상기 전기 전도층은 각각의 윈도우에 의해 노출된 상기 전기 전도층의 부분이 각 제1 또는 제2 절연층의 평면 내에 놓이도록 굽혀지는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
각각의 절연층은 적어도 일측에서 상기 전기 전도층을 넘어서 연장되는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 부분 절연층은 상기 윈도우 또는 각각의 윈도우 내에 전기 전도성 인서트들을 포함하며;
각각의 윈도우는 전기 전도성 재료로 도금되며; 또는
상기 전기 전도층은 상기 윈도우 또는 각각의 윈도우 내부로 연장된 전기 전도성 돌기들을 포함하는, HTS 필드 코일.
제19항에 있어서,
상기 전기 전도성 인서트들 또는 전기 전도성 돌기들은 각개의 윈도우를 채우는, HTS 필드 코일.
제19항에 있어서,
상기 전기 전도성 인서트들 또는 전기 전도성 돌기들은 오직 각개의 윈도우의 부분만 채우며, 상기 윈도우를 통한 상기 전기 전도층과 상기 턴들 사이의 전기적 접촉은 오직 상기 전기 전도성 인서트들을 통하는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 부분 절연층은, 상기 제1 및 제2 절연층들 외부에 배치되며 상기 윈도우를 통해 상기 전기 전도층에 전기적으로 연결되는 전기 전도성 연결 스트립들을 포함하며, 상기 전기 전도성 연결 스트립들은 인접한 턴들에 전기적으로 연결되는, HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 HTS 필드 코일은 땜납 포팅되는(solder potted), HTS 필드 코일.
제1항에 있어서,
상기 부분 절연층은 맞대기 조인트들(butt joints)에 의해 연결된 다수의 섹션들을 포함하는, HTS 필드 코일.
HTS 필드 코일의 제조 방법으로서, 상기 방법은:
HTS 재료와 금속 스태빌라이저를 포함하는 HTS 케이블을 제공하는 단계;
부분 절연층을 제공하는 단계로서, 상기 부분 절연층은:
일측면에 제1 절연층을 가지고 다른 측면에 제2 절연층을 가지는 전기 전도층;을 포함하며,
각각의 절연층은 하나 이상의 윈도우들(windows)을 가지고, 상기 윈도우들을 통해 상기 HTS 케이블의 턴들과 상기 전기 전도층 사이에 전기적 접촉이 만들어질 수 있으며;
상기 제1 절연층 내의 윈도우들은 전기 전도성 스트립의 평면에서 상기 제2 절연층 내의 윈도우들로부터 오프셋되는, 부분 절연층을 제공하는 단계; 및
전류가 상기 부분 절연층을 통해 상기 HTS 케이블의 턴들 사이에서 공유될 수 있도록, HTS 필드 코일을 형성하기 위해 상기 HTS 케이블과 상기 부분 절연층을 함께 조립하는 단계;를 포함하는 HTS 필드 코일의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 부분 절연층을 제공하는 단계는, 상기 전기 전도층과 제1 및 제2 절연층들의 각각을 별도로 제공하는 단계와, 상기 HTS 필드 코일의 권선(winding) 중에 상기 부분 절연층을 형성하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제26항에 있어서,
상기 HTS 필드 코일의 권선 중에 상기 부분 절연층을 형성하는 단계는, 상기 제1 및 제2 절연층들을 상기 전기 전도층에 에폭시로 부착시키는 단계와, 상기 부분 절연층을 상기 HTS 필드 코일로 권선하기 바로 전에 가열된 압력 롤러들의 사용에 의해 상기 에폭시를 경화(curing)시키는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 부분 절연층을 제공하는 단계는:
상기 제1 및 제2 절연층들을 상기 전기 전도층에 접착제에 의해 접합시키는 단계; 및
상기 윈도우들을 형성하기 위해 상기 제1 및 제2 절연층들을 에칭하는 단계;를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 부분 절연층을 제공하는 단계는, 부분 절연층의 다수의 섹션들을 제공하는 단계와, 상기 섹션들을 맞대기 조인트들에 의해 연결하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 부분 절연층을 제공하는 단계는:
제1 절연층을 제공하는 단계;
상기 제1 절연층의 표면을 전기 전도층으로 코팅하는 단계;
상기 전기 전도층에 제2 절연층을 부착하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 절연층 내에 상기 윈도우들을 천공(drilling)하는 단계;를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제30항에 있어서,
상기 제2 절연층 내에 상기 윈도우들을 천공하는 단계는, 상기 제1 절연층, 전기 전도층, 및 제2 절연층을 관통하는 비아(via)를 천공하는 단계와, 상기 제1 절연층에 근접한 각각의 비아의 단부에 절연 캡을 적용하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제30항에 있어서,
상기 부분 절연층을 제공하는 단계는:
상기 제1 및 제2 절연층 각각을 위해, 상기 전기 전도층 반대쪽의 상기 절연층의 표면을 전기 전도성 연결층으로 코팅하는 단계를 더 포함하며, 상기 전기 전도성 연결층은 상기 HTS 필드 코일의 권선에 뒤이어 상기 HTS 케이블과 접촉되거나 또는 상기 HTS 케이블에 납땜되는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제32항에 있어서,
상기 전기 전도층과 각개의 금속층을 전기적으로 연결하기 위해, 각각의 윈도우를 전기 전도성 재료로 도금하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제30항에 있어서,
상기 전기 전도층을 다수의 영역들을 형성하기 위해 에칭하는 단계를 포함하며, 상기 부분 절연층이 조립된 때, 각각의 영역은 상기 제1 절연층 내의 각개의 제1 윈도우를 상기 제2 절연층 내의 각개의 제2 윈도우에 전기적으로 연결하고, 각각의 영역은 상기 전기 전도층의 평면에서 다른 영역들로부터 전기적으로 절연되는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 HTS 필드 코일을 땜납 포팅(solder potting)하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제35항에 있어서,
상기 부분 절연층들 중 적어도 하나는 적어도 일측에서 상기 전기 전도층을 넘어서 연장된 돌출부(overhang)를 가지며, 상기 땜납 포팅 단계에 뒤이어, 상기 돌출부의 적어도 부분이 제거되어 상기 HTS 필드 코일의 측면이 고르게 되도록 기계가공하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제35항에 있어서,
상기 땜납 포팅 단계에 뒤이어 상기 HTS 필드 코일을 에폭시 포팅하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제35항에 있어서,
땜납 포팅에 앞서, 상기 HTS 필드 코일의 일측면에 제거 가능한 마스크를 적용하는 단계와, 땜납 포팅에 뒤이어, 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제25항에 있어서,
HTS 케이블을 제공하는 단계는 각각 HTS 재료를 포함하는 다수의 HTS 테이프들을 제공하는 단계와, 케이블을 형성하기 위해 상기 HTS 테이프들을 연결하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제39항에 있어서,
케이블을 형성하기 위해 상기 HTS 테이프들을 함께 연결하는 단계는 상기 HTS 필드 코일의 권선 중에 수행되는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
제40항에 있어서,
상기 HTS 테이프들을 함께 연결하는 단계는:
각각의 테이프를 땜납 내에서 코팅하는 단계; 및
상기 HTS 필드 코일의 권선 바로 전에 상기 HTS 테이프들을 함께 가열된 롤러를 통과하도록 하는 단계;를 포함하는, HTS 필드 코일의 제조 방법.
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제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 HTS 필드 코일을 포함하는 토카막 핵융합 반응로(tokamak fusion reactor)로서, 상기 HTS 필드 코일은 환형(toroidal) 필드 코일 또는 폴로이달(poloidal) 필드 코일 중 하나인, 토카막 핵융합 반응로
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 HTS 필드 코일을 포함하는 양성자 빔 치료(PBT: proton beam therapy) 장치로서,
상기 HTS 필드 코일은, 상기 PBT 장치의 가속기의 필드 코일; 및 상기 PBT 장치의 양성자 빔 조향 시스템의 쌍극자 또는 4극자 자석; 중 하나인, PBT 장치.