KR102642478B1 - 자기-열량 냉각을 이용한 자기장 생성 - Google Patents

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Abstract

장치는 DC 전기 신호를 생성하는 DC 전원, 전기 펄스를 생성하는 펄스 생성기, 그리고 전기 소자를 포함할 수 있다. 상기 펄스 생성기 및 상기 DC 전원은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전기 소자는 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스를 수신할 수 있다. 상기 전기 소자는 상기 DC 전기 신호를 수신하는 것에 응답하여 자기장을 생성할 수 있고, 그리고 상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 냉각될 수 있다.

Description

자기-열량 냉각을 이용한 자기장 생성
본 발명은 자기장 생성에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 열발전 냉각(thermovoltaic cooling)을 이용한 자기장 생성에 관한 것이다.
전자 회로들은 다양한 응용 분야들(예를 들어, 모터들)을 위한 자기장을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 유형의 회로는 일반적으로 작동 중에 열을 생성시키며, 이는 생성될 수 있는 자기장의 세기를 제한할 수 있다. 예를 들어, 회로가 과열되지 않도록 일반적으로 전류 제한이 설정된다. 회로를 냉각하면 회로가 추가 전류를 수신하고 더 강한 자기장을 생성할 수 있는 능력이 향상될 수 있다.
다음의 개시는 자기장 생성의 개선에 관한 것이다. 본원에 개시된 실시예들은 열발전 냉각에 의한 자기장 생성 방법 및 장치를 제공한다.
하나의 대표적인 실시예에서, 장치는 DC 전기 신호를 생성하는 DC 전원, 전기 펄스를 생성하는 펄스 생성기, 그리고 전기 소자를 포함할 수 있다. 상기 펄스 생성기 및 상기 DC 전원은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전기 소자는 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스를 수신하도록 구성될 수 있다. 상기 전기 소자는 상기 DC 전기 신호를 수신하는 것에 응답하여 자기장을 생성하도록 구성될 수 있고, 그리고 상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 냉각되도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 전기 소자를 냉각시키는 것은 상기 전기 소자의 용량을 증가시켜 DC 전류를 수신할 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 전기 소자는 유도성 소자를 포함할 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 전기 소자는 1nH보다 큰 인덕턴스를 가질 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 펄스 생성기는 적어도 100 볼트/초의 시간에 대한 전압의 변화를 갖는 전기 펄스를 생성하도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 장치는 상기 전기 소자에 연결된 에너지 회수 소자를 더 포함할 수 있다. 상기 전기 소자는 상기 전기 펄스를 수신할 때, 열을 상기 에너지 회수 소자에 의해 수신되는 전기 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 에너지 회수 소자의 출력은 상기 DC 전원에 연결될 수 있다.
개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스는 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스를 변압기의 반대 권선에 적용함으로써 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스 중 하나는 상기 변압기의 1차측 권선에 인가되며, 그리고 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스 중 다른 하나는 상기 변압기의 2차측 권선에 인가될 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 전기 소자 및 상기 회수 소자 중 하나는 변압기의 1차측 권선을 포함할 수 있고, 그리고 상기 전기 소자 및 상기 회수 소자 중 다른 하나는 상기 변압기의 2차측 권선을 포함할 수 있다.
다른 대표적인 실시예에서, 장치는 DC 전기 신호를 생성하는 DC 전원, 상기 DC 전원에 연결된 제1 전기 소자, 전기 펄스를 생성하는 펄스 생성기, 그리고 제2 전기 소자를 포함할 수 있다. 상기 제1 전기 소자는 상기 DC 전기 신호를 수신하고 상기 DC 전기 신호를 수신하는 것에 응답하여 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 전기 소자는 상기 전기 펄스를 수신하고 상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 냉각되도록 구성될 수 있다. 상기 제1 전기 소자는 상기 제2 전기 소자에 열적으로 연결(thermally coupling)될 수 있으며, 이로써 상기 제2 전기 소자가 냉각될 때 상기 제1 전기 소자가 냉각된다.
개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제2 전기 소자는 상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 열을 전기 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 장치는 상기 전기 펄스를 수신하는 제2 전기 소자에 의해 생성된 전기 에너지를 저장하기 위해 에너지 회수 소자를 더 포함할 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제2 전기 소자에 의해 생성된 전기 에너지는 상기 DC 전원에 인가될 수 있다.
개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 장치는 상기 전기 소자에 연결된 발진기를 더 포함할 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 장치는 상기 전기 소자에 연결된 1차 발진기 및 2차 발진기를 더 포함할 수 있다.
다른 대표적 실시예에서, 방법은 DC 전기 신호를 생성하는 단계, 전기 펄스를 생성하는 단계, 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스를, DC 전기 신호 성분 및 전기 펄스 성분을 갖는 결합된 전기 신호로 결합하는 단계, 그리고 상기 결합된 전기 신호를 전기 소자에 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전기 소자는 상기 DC 전기 신호 성분을 수신하는 것에 응답하여 자기장을 생성하도록 구성되고, 그리고 상기 전기 펄스 성분을 수신하는 것에 응답하여 냉각되도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 전기 소자는 유도성 소자를 포함할 수 있다. 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 방법은 상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 상기 전기 소자에 의해 생성된 전기 에너지를, 상기 DC 전기 신호를 생성하는 전원에 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부 도면을 참조하여 진행하는 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 예시적 자기장 생성기의 블록도이다.
도 2는 에너지 회수 소자를 포함하는 다른 예시적 자기장 생성기의 블록도이다.
도 3은 도 2의 에너지 회수 소자의 추가 세부사항을 도시하는 블록도이다.
도 4는 다른 예시적인 자기장 생성기의 블록도이다.
도 5는 또 다른 예시적인 자기장 생성기의 블록도이다.
도 6은 또 다른 예시적 자기장 생성기의 블록도이다.
도 7은 발진기를 포함하는 다른 예시적인 자기장 생성기의 블록도이다.
도 8은 1차 발진기 및 2차 발진기를 포함하는 다른 예시적인 자기장 생성기의 블록도이다.
도 9는 마이크로프로세서를 포함하는 다른 예시적인 자기장 생성기의 블록도이다.
도 10은 도 1 내지 도 9의 자기장 생성기를 동작시키는 예시적인 방법을 도시한다.
본 개시서는 열발전 냉각(thermovoltaic cooling)을 이용한 자기장 생성기들의 실시예들에 관한 것이다. 자기장 생성은 전기 모터, 자기 이미징 등과 같은 다양한 응용분야에 유용하다. 자기장을 생성시키는 디바이스는 도체(예를 들어, 구리 와이어)가 코어(예를 들어, 공기 코어, 철 코어) 주위에 감긴 코일 또는 솔레노이드를 포함할 수 있다. 코어 주위의 권선의 각각의 턴(turn)은 디바이스에 의해 생성된 전체 자기장 세기가 권선의 턴 수(the number of turns)에 비례하도록 자기장을 생성할 수 있다. 디바이스의 자기장 세기는 또한 코일을 통과하는 전류량에 비례한다.
자기장 디바이스의 코일을 통해 전류가 흐를 때, 줄(Joule) 가열로 인해 코일이 가열된다. 코일을 통한 전류가 증가함에 따라, 코일의 온도가 증가한다. 특정 온도에서, 코일은 과열로 인해 더 이상 제대로 작동하지 않을 수 있으며, 이로 인해 코일이 증가된 전류를 전달하지 못하거나, 코일이 물리적으로 저하될 수 있다. 또한, 코일의 온도가 상승함에 따라, 코일의 저항이 증가하여, 증가된 전류를 전달하는 능력이 추가로 저하될 수 있다. 따라서, 디바이스에 의해 생성될 수 있는 자기장의 세기는 기능을 고장내거나 상실시키기 전에 코일이 받을 수 있는 가열량에 의해 제한된다.
이 과열 문제는 과열이 문제가 되기 전에 더 많은 전류를 전달할 수 있는 더 무거운 게이지 와이어(gauge wire)를 사용하거나 코일을 절연함으로써 완화될 수 있다. 그러나, 이러한 솔루션들 각각은 코일의 직경을 증가시키며, 이로써 코일의 권선이 포함할 수 있는 단위 부피당 턴 수를 제한하고, 그리고 생성될 수 있는 자기장의 세기를 제한한다. 코일을 냉각시키는 다른 보다 정교한 방법들은 디바이스 작동 비용을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서, 코일의 온도를 낮추는 방법이 필요하다. 이 목표를 달성하기 위한 장치들 및 방법들이 본원에 개시된다.
도 1은 회로(100)의 자기장 생성 시스템의 일 실시예이다. 회로(100)는 DC 전원(102), 펄스 생성기(104) 및 전기 소자(106)를 포함한다. DC 전원(102)은 일정한 직류(DC) 전류를 생성할 수 있다. DC 전원(102)은 배터리, 커패시터, 연산 증폭기(op-amp) 또는 DC 전류를 출력할 수 있는 다른 소스들을 포함할 수 있다. 전기 소자(106)는 DC 전류가 인가될 때 자기장을 생성시키는 디바이스를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 전기 소자(106)는 코어 주위의 코일에 감긴 와이어를 포함하는 인덕터이다. DC 전원(102)으로부터의 DC 전류가 인덕터(106)를 통과함에 따라, 자기장이 생성된다. 자기장의 세기는 DC 전류의 세기와 코일의 권선수에 비례한다. DC 전원(102)에 의해 출력되는 DC 전류의 양은 회로(100)가 사용되는 응용에 따라 달라질 수 있다. 대부분의 모터에는 0.1A-10A의 DC 출력이 필요하다. 전기 자동차는 100A-1000A를 필요로 할 수 있다. 전술한 바와 같이, DC 전류가 인덕터(106)를 통과함에 따라, 줄 가열로 인해 온도가 증가하고, 그리고 회로(100)에 의해 생성될 수 있는 자기장 세기는 이 가열에 의해 제한된다.
펄스 생성기(104)는 전기 펄스를 생성시키는 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 생성기(104)는 주기적 간격으로 연속적인 전기 펄스 스트림을 생성할 수 있다. 이상적으로, 펄스 생성기(104)는 펄스 생성기에 의해 출력된 전압이 단기간에 걸쳐 빠르게 증가하는 전기 펄스를 생성시킨다. 이는 상승 시간이 짧은 구형파, 또는 고주파의 사인파, 톱니파 또는 유사한 출력 전압파로 수행될 수 있다. 회로(100)는 100 V/s만큼 작은 dV/dt 비율(예를 들어, 시간에 따른 전압의 변화)을 갖는 펄스 생성기(104)에 의해 출력되는 펄스로 기능할 수 있다. 그러나, 펄스 생성기(104)는 dV/dt가 적어도 100V/μs 또는 심지어는 10,000V/μs 내지 100,000V/μs 또는 그 이상인 펄스를 출력할 수 있다.
펄스 생성기(104)가 높은 dV/dt 비를 갖는 전기 펄스를 출력할 때, 인덕터(106)는 본 명세서에 기술된 바와 같이 열에너지를 전기 에너지로 변환하고 냉각된다. 높은 dV/dt 비를 갖는 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 전기 펄스가 인덕터(106)의 한쪽에 인가될 때, 전기 소자는 차가워지고, 그리고 펄스 생성기에 의해 생성된 것보다 더 높은 전력 레벨을 갖는 전압이 전기 소자의 다른 쪽에 나타난다. 이와 같이, 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 샤프한(sharp) 펄스는 인덕터(106)가 열에너지를 전기 에너지로 변환하게 하며, 이에 의해, 인덕터를 냉각시킨다. 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 펄스의 dV/dt비가 높을수록, 더 많은 양의 열에너지가 전기 에너지로 변환될 것이고, 그리고 인덕터(106)가 더 많이 냉각될 것이다. 이 현상을 KPT(Kinetic Power Transient)라고 할 수 있다.
모터 구동에서, 전기 구동의 순간적인 양상은 자기장의 변화율에 대한 DC 신호인 것으로 간주될 수 있다. 따라서, "구동"이 전류 반전을 가진 AC 신호인 것처럼 보일 수 있지만, 실제 자기장과 그 영향은 DC 현상이다. 전술한 KPT 효과는 인덕터(106)의 줄열 가열로부터의 열의 전기 에너지로의 변환이 인덕터의 냉각을 제공하는 속도로 변환되도록 시간 스케일에 적용될 수 있다. 외부적으로, KPT 효과가 발생하기 위한 이 신호는 AC 구동 신호뿐만 아니라 AC 신호로 간주될 수 있다. 그러나, 실제로 냉각이 발생하는 짧은 시간 스케일에서, 그것은 DC에 의해 적절하게 모델링된다.
도 1에 도시된 바와 같이, DC 전원(102) 및 펄스 생성기(104)의 출력들이 결합된다. 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 전기 펄스들의 진폭은 DC 전원(102)에 의해 출력된 전압의 진폭보다 작을 수 있다. 도시된 실시예에서, 펄스 생성기(104)에 의해 생성된 펄스들의 진폭은 전원(102)의 DC 전압의 진폭의 1%-10% 사이이다. 뿐만 아니라, 인덕터(106)는, 특히 펄스들이 고주파수, 좁은 펄스폭을 갖는다면, 또는 인덕터가 높은 인덕턴스를 갖는다면, 일반적으로 이러한 펄스들에 느리게 응답한다. 도시된 실시예에서, 인덕터(106)의 인덕턴스는 적어도 1 nH이하일 수 있지만, 400μH보다 클 수 있다. 도시된 실시예에서, 펄스 생성기(104)의 출력은 적어도 2 kHz의 주파수를 가지며, 그리고 1MHz 내지 5MHz 사이일 수 있다. 이러한 모든 이유로, 인덕터(106)를 통과하는 DC 전원(102)으로부터의 DC 전류에 의해 야기된 자기장은 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 펄스들에 의해 약간 변경될 수 있지만 크게 방해받지 않는다.
도시된 실시예에서, 펄스 생성기(104)에 의해 출력되는 펄스들은 양의 전압을 갖는다. 그러나, 일부 실시예들에서, 펄스 생성기(104)의 출력은 펄스의 적어도 일부에 대해 음일 수 있다. 도시된 실시예에서, DC 전원(102) 및 펄스 생성기(104)의 결합된 출력 신호는 전원(102)의 DC 출력 주위에 섭동(perturbation)을 갖는 양의 전압이다. 그러나, 일부 실시예들에서, 펄스 생성기에 의해 출력된 펄스의 일부가 DC 전원의 양의 전압보다 큰 음의 전압을 갖는다면, DC 전원(102) 및 펄스 생성기(104)의 결합된 출력은 특정 기간 동안 음의 값을 가질 수 있다.
펄스 생성기(104)가 주기적으로 전기 펄스들을 연속적으로 출력하면, 인덕터(106)는 열에너지를 전기 에너지로 연속적으로 변환하고, 각각의 펄스로 냉각된다. 이는 DC 전원(102)으로부터의 DC 전류에 의해 야기되는 인덕터(106)의 온도 증가를 감소시킨다. 이는 결국 인덕터(106)를 과열시키지 않고 DC 전원(102)으로부터의 전류를 증가시킬 수 있다. 따라서, 이것은 시스템(100)이 펄스 생성기(104)가 없는 시스템에서 가능한 것보다 더 큰 세기의 자기장을 생성하게 한다. 대안적으로, 시스템(100)은 펄스 생성기(104)가 없는 시스템에서 동일한 세기의 자기장을 생성시키는데 필요한 것보다 더 작은 게이지 와이어를 포함하는 인덕터(106)로부터 자기장을 생성시키는데 사용될 수 있다. 이는 비슷한 자기장을 생성시킬 수 있는 다른 회로들에 비해 회로(100)의 비용 및 크기를 감소시킬 수 있다.
펄스 생성기(104)에 의해 달성될 수 있는 인덕터(106)의 냉각량은 펄스 생성기에 의해 출력된 펄스들의 dV/dt 비뿐만 아니라, 인덕터(106)를 포함하는 와이어의 게이지를 포함하는 다른 요인들에도 의존한다. 일부 실시예들에서, DC 전원(102)에 의해 출력된 DC 전류에 의해 야기된 인덕터(106)의 줄(Joule) 가열량은 펄스 생성기(104)의 출력에 의해 야기된 냉각에 의해 정확히 상쇄된다. 이러한 실시예들에서, 인덕터(106)는 온도를 전혀 증가시키지 않으면서 자기장을 생성하고, 그리고 회로(100)는 초전도체와 유사한 것으로 생각될 수 있다.
도 2는 다른 자기장 생성 회로(200)의 예시적 실시예를 도시한다. 도 2의 실시예에서, 회로(200)는 DC 전원(102) 및 펄스 생성기(104)를 포함하며, 상기 DC 전원(102) 및 상기 펄스 생성기(104)의 출력이 결합되어 인덕터(106)에 인가된다. 도 1의 예와 같이, DC 전원(102)의 출력은 인덕터(106)로 하여금 자기장을 생성시키게 하고, 그리고 펄스 생성기(104)의 출력은 인덕터(106)가 냉각되게 하며, 이로써, 인덕터의 용량을 증가시켜, DC 전원(102)으로부터 추가 전류를 수신하고, 그리고 과열 없이 추가 자기장 세기를 생성시킨다. 또한, 회로(200)는 인덕터(106)와 병렬로 에너지 회수 소자(202)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 인덕터가 높은 dV/dt 비를 갖는 펄스 생성기(104)로부터의 전기 펄스를 수신할 때 발생하는 KPT 효과는 인덕터(106)를 냉각시킬뿐만 아니라, 인덕터로 하여금 열에너지를 전기 에너지로 변환하게 하며, 이에 의해, DC 전원(102) 및 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 결합된 에너지보다 큰 전기 에너지를 갖는 인덕터 양단의 전압을 생성한다. 회로(200)에서, 이 여분의 에너지는 에너지 회수 소자(202)에 의해 탭핑된다(tapped). 일부 실시예들에서, 에너지 회수 소자(202)는 이 생성된 전기 에너지를 (예를 들어, 커패시터 또는 배터리에) 저장한다. 다른 실시예들에서, 생성된 이 여분의 에너지는 DC 전원(102)으로 피드백되어 전원에 전력을 공급하는데 도움이 된다. 이러한 실시예들에서, 인덕터(106)의 줄 가열은 회로(200)에 적어도 부분적으로 전력을 공급하기 위해 사용되며, 이에 의해 전력 요건을 감소시키고 회로의 효율을 증가시킨다.
도 3은 다른 자기장 생성 회로(300)의 예시적 실시예를 도시한다. 도 3의 실시예에서, 회로(300)는 DC 전원(102), 펄스 생성기(104), 인덕터(106) 및 에너지 회수 소자(202)를 포함한다. 회로(300)에서, 에너지 회수 소자(202)는 정류기(302) 및 커페시터들(304, 306)을 포함한다. 커패시터들(304, 306)은 DC 전류의 흐름을 방해하지 않으면서 인덕터(106)로부터 초과 교류(AC) 성분을 제거할 수 있다. 정류기(302)는 임의의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고 DC 전력만 출력할 수 있다. 일부 실시예들에서, 정류기(302)는 생략될 수 있고 그리고 에너지 회수(202)는 AC 전력을 출력할 수 있다. 에너지 회수 소자(202)가 인덕터(106)의 양의 측에서 탭핑되도록 도시되어 있지만, 인덕터의 음의 측에 연결될 수 있다.
도 4는 다른 자기장 생성 회로(400)의 예시적 실시예를 도시한다. 도 4의 실시예에서, 회로(400)는 DC 전원(102), 펄스 생성기(104), 인덕터(106) 및 정류기(302)를 포함한다. 펄스 생성기(104)의 출력은 코일(310)에 연결될 수 있고, 그리고 DC 전원(102)의 출력은 코일(312)에 연결될 수 있다. 코일들(310, 312)은 코어(314)(예를 들어, 철 코어)를 감싸서 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 포함할 수 있으며, 이에 의해, DC 전원(102) 및 펄스 생성기(104)의 출력들을 결합할 수 있다.
회로(400)는 코일(304) 및 코어(306)를 더 포함할 수 있다. 인덕터(106) 및 코일(304)은 인덕터(106)를 코일(304)에 연결시키는 변압기를 포함하도록 코어(306)를 감쌀 수 있다. 이는 인덕터(106)에 의해 KPT 효과로부터 생성된 에너지가 코일(304)로 전달될 수 있게 한다. 정류기(302)는 이 에너지를 DC로 변환시키고, 그리고 이 전압을 저장하거나 출력할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 전기 에너지는 도 2와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 DC 전원(102)으로 다시 입력될 수 있다.
도 5는 다른 자기장 생성 회로(500)의 예시적 실시예를 도시한다. 도 5의 실시예에서, 회로(500)는 DC 전원(102), 펄스 생성기(104), 인덕터(106) 및 코일(304)을 포함한다. 회로(500)에서, DC 전원(102)은 자기장을 생성하기 위해 인덕터(106)에 DC 전류를 공급한다. 펄스 생성기(104)는 전술한 바와 같이 KPT 효과에 의해 코일(304)이 열에너지를 전기 에너지로 변환하게 함으로써 코일을 냉각시키는 전기 펄스들을 출력한다. 인덕터(106) 및 코일(304)은 열이 인덕터(106)로부터 코일(304)로 전달될 수 있도록 열적으로 연결(thermally coupling)될 수 있다. 도시된 실시예에서, 인덕터(106) 및 코일(304)은 동일한 코어를 감싸서 열적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예들에서, 인덕터(106) 및 코일(304)은 그것들 간의 열전달을 허용하는 열 전도성 물질을 공유할 수 있거나, 또는 그것들 사이에서 열을 방출할 수 있도록 위치될 수 있다. 따라서, 인덕터(106)가 줄 가열로부터 가열될 때, 코일(304)은 KPT 효과에 의해 냉각될 것이다. 이와 같이, 인덕터(106)와 코일(304) 사이에 온도 구배가 존재한다. 그리고 인덕터(106)와 코일(304)이 열적으로 연결되기 때문에, 인덕터(106)에서 코일(304)로 열이 전달되어 인덕터를 냉각시킨다. 이것은 과열 없이 인덕터(106)에 추가적인 전류가 인가될 수 있게 하여, 인덕터에 의해 더 강한 자기장이 생성되게 한다.
또한, 전술한 바와 같이, KPT 효과는 코일(304)이 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 전력에 비해 과도한 전력을 생성하게 한다. 일부 실시예들에서, 이러한 과도한 전기 에너지는 DC 전원에 전력을 공급하는 것을 돕기 위해 DC 전원(102)에 인가된다.
도 6은 다른 자기장 생성 회로(600)의 예시적 실시예를 도시한다. 회로(600)는 회로(600)가 에너지 회수 소자 또는 부하(602)를 포함한다는 점을 제외하면 회로(500)와 동일하다. 전술한 바와 같이, KTP 효과는 코일로 하여금 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 전기 에너지보다 큰 전기 에너지를 생성하게 한다. 도 6의 도시된 실시예에서, 이러한 초과 에너지는 에너지 회수 소자(602)에 의해 저장된다. 일부 실시예들에서, 이 초과 에너지는 저장되지 않고 부하에 인가된다.
도 7은 다른 자기장 생성 회로(700)의 예시적 실시예이다. 회로(700)는 회로(700)가 펄스 생성기(104) 및 코일(304)과 직렬로 연결된 발진기(702)를 포함한다는 점을 제외하고 도 6의 회로(600)와 동일하다. 발진기(702)는 고조파 발진기일 수 있고, 그리고 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 펄스에 의해 트리거될 때 주기적 발진 전압을 출력할 수 있다. 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 펄스에 의해 트리거되면, 발진기(702)는 주기 신호를 코일(304)에 출력한다. 발진기(702)에 의해 출력된 신호의 세기는 시간이 지남에 따라 감소한다. 그러나, 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 각각의 후속 펄스는 새로운 발진 사이클을 시작한다. 따라서, 펄스 생성기(104)가 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스를 출력할 때에도, 발진기(702)는 입력 신호가 코일(304)에 공급되는 시간을 연장하는데 사용될 수 있다.
동작시, 도 7의 펄스 생성기는 높은 dV/dT 비를 갖는 전기 펄스들을 주기적으로 출력한다. 각각의 펄스는 발진기(702)가 발진 신호를 코일(304)에 출력하게 할 수 있다. 코일(304)은 냉각되고 열에너지를 전기 에너지로 변환하여, 그것이 수신하는 전기 신호의 전력을 증가시킬 수 있다. 전기 소자가 열을 전기 에너지로 변환하도록 추가 열에너지를 제공하기 위해, 인덕터(106)로부터 코일(104)로 열이 전달될 수 있다. 그 다음, 증가된 전력을 갖는 신호는 에너지 회수 소자(602)에 의해 저장되거나 소비될 수 있다.
도 8은 또 다른 자기장 생성 회로(800)의 예시적 실시예를 도시한다. 회로(800)는 회로(800)가 단일 발진기(702)가 아닌 1차 발진기(802) 및 2차 발진기(804)를 포함한다는 점을 제외하고 도 7의 회로(700)와 동일하다. 1차 발진기(802)는 도 7의 발진기(702)와 유사할 수 있다. 2차 발진기(804)는, 1차 발진기(802)가 펄스 생성기(104)로부터의 펄스에 응답하여 발진 신호를 출력할 때, 2차 발진기(804)가 1차 발진기(802)에 의해 출력된 발진 신호보다 높은 주파수를 갖는 공진 발진 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 2차 발진기(804)는 코일(304)에 인가된 신호를 확대(magnifying)할 수 있다. 이전 실시예들과 같이, 에너지 회수 소자(602)로 출력되는 전기 에너지는 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 전기 에너지보다 크다. 도 8의 도시된 실시예에서, 1차 발진기(802) 및 2차 발진기(804)는 펄스 생성기(104)와 코일(304) 사이에 직렬로 연결된 것으로 도시되어 있다. 1차 발진기(802)와 2차 발진기(804) 사이에 코일(304)을 위치시키는 것과 같은 다른 구성들이 또한 사용될 수 있다.
도 9는 자기장 생성 회로(900)의 또 다른 예시적 실시예를 도시한다. 회로(900)는 펄스 생성기(104)가 마이크로프로세서(902), 스위치들(904, 906) 및 커패시터(910)를 포함하는 상이한 회로 소자들로 대체되는 점을 제외하고 도 6의 회로(600)와 유사하다. 회로(900)는 마이크로프로세서(902)에 의해 제어될 수 있는 제1 스위치(904) 및 제2 스위치(906)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(902)는 스위치들(904, 906)을 독립적으로 개폐할 수 있다. 제1 스위치(904)는 전원(908)에 연결될 수 있고, 그리고 제2 스위치(906)는 그라운드에 연결될 수 있다. 스위치들(904, 906)은 병렬일 수 있고, 그리고 커패시터(910)에 연결될 수 있다. 마이크로프로세서(902)는 구형파를 출력하기 위해 스위치들(904, 906)을 교대로 개폐할 수 있다. 제1 시간 간격 동안, 마이크로프로세서(902)는 스위치(904)를 닫고 스위치(906)를 열 수 있다. 이것은 전원(908)으로부터의 전압이 커패시터(910)에 인가되게 하여, 양의 전압이 커패시터의 하나의 플레이트상에 축적되게 한다. 제2 시간 간격 동안, 마이크로프로세서(902)는 스위치(904)를 열고 스위치(906)를 닫을 수 있다. 이것은 커페시터(910)를 접지함으로써 커패시터 플레이트 상에 음의 전압이 나타나게 한다. 이 프로세스는, 마이크로프로세서(908)가 스위치들(904, 906) 중 하나를 반복적으로 개방하고 다른 하나를 폐쇄하여 커패시터(910)의 각 플레이트상에 교번되는 양의 전압 및 음의 전압을 생성시킴으로써 계속될 수 있다. 따라서, 커패시터(910)에 의해 출력되는 전압은 dV/dt 비가 높은 구형파이다. 일부 예들에서, 스위치들(904, 906)은 트랜지스터들(예를 들어, CMOS 트랜지스터들)로 대체될 수 있다.
도 10은 개시된 기술의 특정 예들에서 수행될 수 있는 열발전 냉각으로 자기장 생성 회로를 동작시키는 예시적인 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 예를 들어, 도시된 방법은 회로(100)에 의해 수행될 수 있고, 그리고 이하의 설명은 도 1에 관한 것이지만, 다른 실시예들이 사용될 수도 있다.
프로세스 블록(1010)에서, DC 전원(102)은 DC 전기 신호를 생성한다. 프로세스 블록(1020)에서, 펄스 생성기(104)는 전기 펄스를 생성한다. 프로세스 블록(1030)에서, DC 전원(102)에 의해 출력된 DC 신호와 펄스 생성기(104)에 의해 출력된 전기 펄스가 결합된다. 신호를 결합하면 DC 신호 성분과 전기 펄스 성분을 갖는 단일 신호가 생성된다. 프로세스 블록(1040)에서, 결합된 신호는 인덕터(106)에 인가되어 자기장을 생성한다. KPT 효과로 인해, 더 높은 전류 레벨이 인덕터에 과열 없이 인가될 수 있도록 인덕터(106)가 냉각되며, 이에 의해, KPT 효과없이 가능한 것보다 더 강한 자기장을 생성한다.
개시된 발명의 원리들이 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예들을 고려하여, 예시된 실시예들은 본 발명의 바람직한 예일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 인식해야한다. 오히려, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 정의된다. 따라서, 본 발명의 범위 내에 들어가는 모든 것을 본 발명으로 주장한다.

Claims (15)

  1. DC 전기 신호를 생성하는 DC 전원;
    적어도 100 V/㎲의 시간에 관한 전압 변화를 가지는 전기 펄스를 생성하는 펄스 생성기; 및
    상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스를 수신하도록 구성된 전기 소자를 포함하며,
    상기 펄스 생성기 및 상기 DC 전원은 서로 전기적으로 연결되어 있으며,
    상기 전기 소자는 상기 DC 전기 신호를 수신하는 것에 응답하여 자기장을 생성하도록 구성되고, 그리고 상기 전기 소자는 상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 냉각되도록 구성되는, 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기 소자를 냉각시키는 것은 상기 전기 소자의 용량을 증가시켜 DC 전류를 수신하는, 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기 소자는 유도성 소자를 포함하는, 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기 소자에 연결된 에너지 회수 소자를 더 포함하며,
    상기 전기 소자는 상기 전기 펄스를 수신할 때, 열을 상기 에너지 회수 소자에 의해 수신되는 전기 에너지로 변환하도록 구성되는, 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 에너지 회수 소자의 출력은 상기 DC 전원에 연결되는, 장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스는 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스를 변압기의 반대 권선에 적용함으로써 결합되는, 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스 중 하나는 상기 변압기의 1차측 권선에 인가되며, 그리고 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스 중 다른 하나는 상기 변압기의 2차측 권선에 인가되는, 장치.
  9. DC 전기 신호를 생성하는 단계;
    적어도 100 V/㎲의 시간에 관한 전압 변화를 가지는 전기 펄스를 생성하는 단계;
    상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스를, DC 전기 신호 성분 및 전기 펄스 성분을 갖는 결합된 전기 신호로 결합하는 단계; 및
    상기 결합된 전기 신호를 전기 소자에 인가하는 단계를 포함하며,
    상기 전기 소자는 상기 DC 전기 신호 성분을 수신하는 것에 응답하여 자기장을 생성하도록 구성되고, 그리고 상기 전기 소자는 상기 전기 펄스 성분을 수신하는 것에 응답하여 냉각되도록 구성되는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전기 소자는 유도성 소자를 포함하는, 방법.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 상기 전기 소자에 의해 생성된 전기 에너지를, 상기 DC 전기 신호를 생성하는 전원에 인가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 상기 전기 소자에 의해 생성된 전기 에너지를 에너지 회수 소자에 인가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 전기 펄스를 수신하는 것에 응답하여 상기 전기 소자에 의해 생성된 전기 에너지를 부하에 인가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스를 결합된 전기 신호로 결합하는 단계는, 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스 중 하나를 변압기의 1차 권선에 인가하는 단계 및 상기 DC 전기 신호 및 상기 전기 펄스 중 다른 하나를 상기 변압기의 2차 권선에 인가하는 단계를 포함하는, 방법.






  15. 삭제
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