KR20010097207A

KR20010097207A - 고온 초전도 마그네트 시스템

Info

Publication number: KR20010097207A
Application number: KR1020000021073A
Authority: KR
Inventors: 오상수; 하홍수; 권영길; 류강식; 양시백; 유키카즈이와사; 이해근
Original assignee: 권영한; 한국전기연구원; 양시백; 대성전선 주식회사
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-11-08

Abstract

본 발명은 마그네트의 단발 여자상태에서 일정 기간 동안은 별도의 전원 및 냉매 공급 없이도 일정한 자장을 유지하도록 함과 아울러, 필요시 반복적으로 냉각 및 여자 가능하도록 하여 영구자장을 구현하도록 된 고온 초전도 마그네트 시스템에 관한 것으로서, 자장을 발생하기 위한 고온초전도체로서의 마그네트(100); 상기 마그네트(100)를 둘러싸고 있는 내부 용기(110); 상기 내부 용기(110)를 둘러싸고 있는 외부 용기(120); 상기 내부 용기(110)내로 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급관(130); 상기 내부 용기(110)내에 공급된 냉매를 고화시키기 위한 냉각 수단으로서, 상기 내부 용기(110)의 외부 면에 나선형으로 접합 설치되어 상기 냉매를 고화시킬 수 있는 냉각매체인 액체헬륨이 순환되도록 유도하되, 그 양단은 상기 외부 용기(120)의 외부로 돌출되어 각각 상기 액체헬륨의 주입 및 배출을 위한 주입구(141)와 배출구(142)를 형성하고 있는 냉각순환관(140)으로 구성되어 있다.

Description

고온 초전도 마그네트 시스템{High Temperature Superconducting Magnet System}

본 발명은 자장 발생용 마그네트 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온 초전도체를 사용하여 기존의 구리선을 이용하는 상전도 마그네트나 영구자석에 비하여 전기적 손실없이 더 높은 자장을 발생시킬 수 있도록 하고, 또한 고온 초전도 코일의 영구전류 특성을 이용하여 전기를 자기 형태로 저장할 수 있도록 하는 고온 초전도 마그네트 시스템에 관한 것이다.

고온 초전도체란 1986년 이후부터 발견되기 시작한 구리계 산화물 초전도체를 지칭하며, 대표적으로는 임계 온도가 77.3K의 액체질소온도보다 높은 Bi-Sr-Ca-Cu-O 초전도체와 Y-Ba-Cu-O 초전도체를 들 수 있다.

이와 같은 고온 초전도체를 이용한 종래의 고온 초전도 마그네트 시스템은 일반적으로 자장을 발생시키는 고온 초전도 코일 또는 벌크로 구성된 마그네트 및 그 마그네트를 임계온도 이하의 저온으로 냉각하기 위한 냉각장치로 이루어지고, 그 냉각 방법으로서 냉동기를 부착한 전도 냉각이나 초고자장 마그네트를 사용하는 경우 냉각원으로 액체헬륨을 사용하고 있다.

그런데, 상기 냉각방법을 사용하는 종래의 고온 초전도 마그네트 시스템의 경우는 그 시스템의 설치 장소에 반드시 별도의 전원과 냉매 공급 장치가 구비되어 상기 시스템과 연결된 상태로 있어야 하기 때문에, 차량이나 선박 또는 옥외 장소등 별도의 전원 및/또는 냉매 공급장치가 구비되지 않은 장소에서는 사용할 수 없게되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 마그네트의 단발 여자상태에서 일정 기간 동안은 별도의 전원 및 냉매 공급 없이도 일정한 자장을 유지하도록 함과 아울러, 필요시 반복적으로 냉각 및 여자 가능하도록 하여 영구자장을 구현하도록 된 고온 초전도 마그네트 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 마그네트 장치의 구성 개념도이고,

도 2a 및 도 2b는 도 1의 초전도 마그네트의 구성예를 도시한 것으로서, 도 2a는 폐회로형 초전도전자석, 도 2b는 실린더형 벌크 초전도자석을 나타내고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도체의 영구자장 유지방법을 설명하는 흐름도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 고온 초전도 마그네트 110 : 내부 용기

120 : 외부 용기 121 : 진공 배기관

130 : 냉매 공급관 140 : 냉각 순환관

141 : 헬륨 주입구(또는 주입관) 142 : 헬륨 배출구(또는 배출관)

121a,130a,141a,142a : 밸브

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고온 초전도 마그네트 장치는, 자장을 발생하기 위한 고온초전도체; 상기 고온 초전도체를 둘러싸고 있는 내부 용기; 상기 내부 용기를 둘러싸고 있는 외부 용기; 상기 내부 용기내로 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급관; 및 상기 내부 용기내에 공급된 냉매를 고화시키기 위한 냉매 고화 수단을 포함하여 구성되며, 상기 냉매 고화 수단은 상기 내부 용기의 외부면에 나선형으로 접합 설치되거나 또는 상기 내부 용기내에 설치되어 상기 냉매를 고화시킬 수 있는 냉각 매체가 순환되도록 유도하는 냉각 순환관으로 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고온 초전도체의 영구자장 유지방법은, 자장 발생용 고온초전도체 주위로 그 고온초전도체의 초전도 임계온도보다 낮은 온도를 가진 냉매가스를 공급하는 제 1 단계; 상기 냉매를 그 냉매의 응고점 이하의 온도를 가진 냉각매체를 이용하여 고화시키는 제 2 단계; 상기 고온초전도체의 자장 세기 및 상기 냉매의 온도를 실시간 측정하는 제 3 단계; 상기 측정된 자장세기 및 온도에 의거하여 상기 냉매의 재공급, 상기 냉각매체를 이용한 상기 냉매의 재고화, 및/또는 상기 고온초전도체의 재여자를 수행하는 제 4 단계를 포함하여 구성되며, 상기 고온초전도체의 재여자는 상기 측정된 온도가 상기 고온초전도마그네트시스템의 동작온도 이상으로 되어 초전도체가 급격하게 상전도 상태로 전이가 일어나기 전에 수행함을 특징으로 한다.

이와 같은 고온초전도 마그네트 시스템에 따르면, 기존의 강자성 물질을 이용한 영구자석보다 부피에 대한 자장강도가 훨씬 강한 영구자장을 발생시킬 수 있고, 한번 여자하여 자장을 발생시키면 따로 냉각을 위한 냉동기를 부착하지 않고도 이 시스템은 오랫동안(대형시스템의 경우 약 1년 이상) 자장을 유지할 수 있다. 냉각용 냉동기를 별도로 부착하지 않는 발명의 본 고온초전도마그네트 시스템은 수주부터 일년 정도의 불변자장이 요구되는 해군함정이나 우주왕복선의 자장발생장치로 적절하다. 본 발명에 따른 시스템의 혁신적인 두 가지 특징은 반복 냉각, 반복 여자(충전)가 가능하다는 것으로, 영구자장을 만들기 위하여 일정 자장을 유지하면서 재냉각이 되도록 되어 있고, 재충전 전지와 같이 만약 시스템의 온도가 상부동작온도 이상으로 올라가서 자장이 저하한다면 이것은 다시 재여자할 수 있도록 되어 있다.

또한, 본 발명의 시스템에서 상기 냉매 및 냉각매체로 각각 질소 및 헬륨을 사용한 질소고화냉각기술 즉, 온도조절이 가능한 고체질소와 고온초전도체를 사용하면, 마그네트를 넓은 온도 범위에서 사용 가능하게 한다. 이때의 고온초전도마그네트의 동작기간은 동작온도범위, 마그네트 시스템 내부에서의 전체 열손실(heat dissipation) , 사용온도범위에서의 냉각체의 전체 엔탈피 등에 의존한다. 고체질소의 비열은 중량기준으로 은(Ag)의 약 30 배가 되고 액체헬륨의 증발 잠열보다 약 10배 이상 크기 때문에 다른 어떤 냉매보다 코일을 장시간 냉각하는데 유리하게 된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 초전도 마그네트 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 마그네트 장치의 구성 개념도로서, 자장을 발생하기 위한 고온초전도체로서의 마그네트(100); 상기 마그네트(100)를 둘러싸고 있는 내부 용기(110); 상기 내부 용기(110)를 둘러싸고 있는 외부 용기(120); 상기 내부 용기(110)내로 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급관(130); 상기 내부 용기(110)내에 공급된 냉매를 고화시키기 위한 냉매 고화 수단으로서, 상기 내부 용기(110)의 외부면에 나선형으로 접합 설치되어 상기 냉매를 고화시킬 수 있는 냉각매체가 순환되도록 유도하되, 그 양단은 상기 외부 용기(120)의 외부로 돌출되어 각각 상기 냉각매체의 주입 및 배출을 위한 주입구(141)와 배출구(142)를 형성하고 있는 냉각 순환관(140)으로 구성되어 있다.

상기 내부 용기(100) 및 상기 외부 용기(120)의 외관은, 도 1을 개념적으로 도시하여 잘 나타나 있지 않았지만, 폐쇄형 원통형으로 구성하는 것이 가장 바람직하다.

상기 외부용기(120)에는 그 내부를 진공상태로 만들기 위한 진공배기관(121)이 설치되어, 상기 내부용기(110)와 상기 외부용기(120) 사이의 공간을 진공부로 만들도록 하고, 상기 진공부에 열절연물질(미도시)을 채워 내부로의 복사열 침입을 최소화한다.

상기 냉매 공급관(130)은 이중관으로 형성하고, 그 이중관 사이는 진공층으로 형성함이 바람직하며, 상기 냉매 공급관(130)의 외부 돌출 단부, 상기 냉각순환관(140)의 양단부인 주입구(141) 및 배출구(142) 형성 부근의 일부위, 및 상기 진공배기관(121)의 일부위에는 각각 개폐밸브(130a,141a,142a,121a)가 설치되어 있다.

또한, 상기 순환되는 냉각매체는 상기 냉매의 응고점 이하의 온도를 가진 물질로서, 상기 냉매로는 기체질소 혹은 액체 질소를, 상기 냉각매체로는 액체 헬륨을 사용함이 가장 바람직하다.

또한, 고온 초전도체로서의 상기 마그네트(100)는, 도 2a에 도시된 바와 같은 영구전류 모드 폐회로형 초전도전자석(101) 또는 도 2b에 도시된 바와 같은 실린더형 벌크 초전도자석(102)으로 구성함이 바람직하며, 도 2a와 도 2b의 두 종류 마그네트(101,102)는 솔레노이드 형태의 마그네트로 도시되어 있으나, 여기에 한정되지 않고 2극, 4극 또는 새들형의 마그네트로 구성할 수 있다.

도 2a의 초전도전자석(101)으로 도 1의 상기 마그네트(100)를 구성할 경우, 본 발명의 시스템은 열침입을 최소화하기 위하여 전류 도입선의 설치를 배제하는 대신, 도 2a와 같이 폐루프를 형성하기 위해 양단이 연결되어 초전도 접속을 이루도록 함이 바람직하나, 대형 마그네트의 경우는 직접 여자될 수 있도록 전류 도입선을 설치할 수도 있다. 전자기적으로 상기 초전도 전자석(101)은 상기 벌크 초전도자석(102)과는 구별된다. 본 발명의 시스템 열전달 조건에 의해 결정된 동작 기간보다 안정된 조건하에서 장시간 운전할 수 있는 일정한 회로를 이루기 위해서는 접합은 궁극적으로 초전도 또는 준초전도 접합이 되어야 한다.

도 2b의 벌크 초전도자석(102)으로 도 1의 상기 마그네트(100)를 구성할 경우, 그 초전도체 벌크 자석(102)의 여자는 여자용 전자석에 전기를 공급하여 자속을 변환시킴으로써 이루어지며, 이러한 여자 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 비초전도 상태의 초전도체 벌크 자석(102)을 여자용 전자석과 결합하는 데, 이것은 만일 상기 벌크 자석(102)이 솔레노이드 형의 경우 그 솔레노이드형 벌크 자석(102)을 상기 여자용 전자석의 보아내에 위치시키는 것을 의미한다.

상기 벌크 자석(102)의 냉각은 상온에서 시작되는 바, 그 벌크 자석(102)이 90K에 도달하여 초전도 상태가 되기 전에 상기 여자용 전자석을 임의의 자장 수준으로 여자시키고 그 값을 일정하게 유지시킨다.

상기 벌크 자석(102)이 동작온도의 상한선(40k, 50K, 또는 60K) 이하로 냉각될 때 천천히 여자용 전자석을 탈자시키도록 하고, 이 과정에서 초전도마그네트(100)로서의 상기 벌크 자석(102)에 전류가 유도되며, 여기서 최종 자장 수준은 상기 여자용 전저석과 상기 벌크 자석(102)간의 전자기적 특성에 의하여 결정된다.

마지막으로, 상기 여자용 전자석으로부터 상기 벌크자석(102)을 분리함으로써, 상기 여자과정을 종료하며, 참고로 상기 여자 과정의 설명에서 상기 벌크자석(102)은 그 벌크자석(102)을 포함하는 도 1에 도시된 본 발명의 시스템(장치)을 가르키는 것이다. 따라서, 상기 여자용 전자석의 특성은 제작된 도 1의 본 발명 시스템 크기 및 자장강도에 의존한다.

본 발명의 시스템을 대형으로 제작할 경우, 상술된 여자 과정에 의한 유도법으로 여자하는 것은 여자용 전자석의 규모가 커지면서 비용이 높아지나, 대형 마그네트 시스템의 경우는 소형 시스템보다 열침입에 대하여 안정하기 때문에 일반적으로 재냉각 기간이 길어진다. 이것은 곧 전체 열침입을 과도하게 하지 않은 채로 전류도입선을 도입할 수 있다는 것을 의미한다. 본 발명의 마그네트 시스템은 자기공명영상장치(MRI)나 핵자기공명분석장치(NMR)의 경우에서 처럼 상기 전류 도입선을 탈착식으로 구성하고, 영구전류 스위치를 부착함으로써 영구전류모드로 운전되도록 한다.

한편 도 1에는 도시되지 않았으나, 상기 고온초전도체로서의 마그네트(100)의 자장세기를 감지하는 자장 센서(미도시)를 상기 외부용기(120)의 외면 임의 위치에 설치하고, 상기 냉매의 온도를 감지하기 위한 온도센서(미도시)를 상기 내부용기(110)의 내부 또는 외부 표면에 부착 설치하도록 하되, 이와 같은 각종 센서의감지신호를 외부의 각종 측정장치(미도시) 등에 전달하기 위한 각종 신호선들은 전도 열침입을 최소화하기 위해 가늘고 길게 설치하도록 함이 바람직하다.

이어, 상술된 구조를 갖는 본 발명의 고온초전도 마그네트 시스템에 대한 이론적인 분석에 대하여 설명한다.

고립된 초전도마그네트시스템에서의 열 손실은 1) 전자기 효과에 의한 마그네트 권선부 내에서 발생한 열 손실, 2) 열 복사, 3) 열 대류, 및 4) 열 전도와 같이 4가지 원인으로 요약할 수 있다.

열 손실의 원인들을 정량적으로 해석하기 위하여 마그네트 시스템이 구형의 권선 형태를 갖는다고 가정한다. 비록 구형의 권선 체적이 이론적으로 해석하는 데 있어서 편리하다 해도 실제는 마그네트가 중심에 보아를 갖고 있어야 실질적인 이용이 가능하다. 그러나 구형의 권선 형태는 열분석시에 이용되는 2차항 공식의 처리 문제로 곤란해지는 경우를 최소한으로 피하고 시스템의 중요한 파라메타만을 강조하는데 용이하다고 할 수 있다.

도체접속부에서의 접촉저항과 n지수에 의한 손실을 제외하고는 본발명의 마그네트 시스템에서 가정한 정자장 운전 조건하에서 전자기 효과에 의한 초전도마그네트의 전자기 손실은 없다.

또한, 열전도 복사이론은 다음 식(1)과 같은 스테판-볼쯔만 복사이론에 따른다:

(1)

여기서 q_r은 온도 T[K] 의 표면으로부터의 복사열유속[W/m²], e_r0은 온도 T에서의 전체 복사율, σ_SB는 스테판볼쯔만 상수로 5.67 × 10^-8W/m²K⁴. 저온부 T_cl과 고온부 T_wm를 갖는 하나의 표면에서 평행판재형상의 복사율이 각각 [e_r]_cl과 [e_r]_wm일 때 유효전체 복사율 [e_r]_cw은 다음 식(2)와 같다.

(2)

비록 이론이 대부분의 크라이오스탯 응용에서 평행판재형, 실린더형, 구형으로 구분하지만, 평행판재 형상의 경우 비평행판재 형상에서도 충분히 설명 가능하다. 비평행판재 형상은 서로 다른 면적을 갖는 두 개의 표면을 의미한다. 이것은 왜냐하면 첫째로 대부분의 크라이오스탯은 두 표면사이의 거리 간격은 일반적으로 특정표면길이보다 훨씬 작고 그리고 둘째로 외부로 유입되는 복사열 계산시 이러한 근사한 가정들로 인해 생길 수 있는 오차는 공식에서 사용될 부정확한 표면 복사율과 관련되어 생길 수 있는 오차 보다도 훨씬 작기 때문이다. 따라서 상기 식(1)은 다음 식(3)과 같이 수정된다.

(3)

외경 R의 구형 마그네트 시스템의 경우 시스템에 대한 전체 복사열 침입, Q_rd은 다음 식(4)와 같다.

(4)

저온부 T_cl[K]에 하나의 판과 고온부 T_wm[K]에 다른 하나의 판을 갖는 평행판재 형상의 경우, 압력 P_g[Pa]의 잔류 헬륨가스에 의하여 대류적 열전달에 의하여 고온부 판재에서 저온부 판재로의 열유속 (q_g[W/m²])은 진공 압력 P_g가 10^-4torr 이거나 그 이하일 때 다음 식(5)와 같이 주어진다.

(5)

η_g[W/m²Pa K] 은 T_wm과 T_cl뿐만 아니라 소위 말하는 조화계수에 의존하는데 조화계수 값은 헬륨의 경우 상온에서 0.3에서 4.2 K에서는 1로 변한다. 본 발명의 적용 온도 범위인 T_wm= 300 K , T_cl= 80 K,일 때 q_cv= 11 mW/m²(P_g= 10^-5torr)가 된다. 따라서 외경 R의 구형 시스템의 경우 P_g가 10^-5에서 시스템에 대한 전체 대류 열침입 Q_cv[W]는 다음 식(6)과 같다.

(6)

상온인 시스템 외부에서 극저온 상태인 시스템 내부로 열전도에 의하여 유입되는 열침입은 다음의 두가지 경우에 의하여 발생된다. 첫 번째는 주로 응매순환관(140) 중 액체헬륨 주입관(141)과 헬륨 배출관(142)와 같은 지지구조에 의하고 두 번째는 질소 공급을 위한 냉매공급관(130)을 통하여 일어난다.

상기 액체헬륨 주입관과 헬륨 배출관에 의한 전체 전도열침입은 다음 식(7)과 같다.

(7)

여기서 k_ss와 A_tb는 열전도도와 T_wm과 T_cl사이의 관(Tube)의 전체면적을 나타낸다. L은 T_wm과 T_cl사이의 길이다. A_tb는 마그네트시스템의 무게 M_sy와 관계가 있기 때문에 다음과 같은 식(8)로 다시 나타낼 수 있다.

(8)

여기서 g는 중력상수이고 σU_ss는 튜브재인 스테인레스강의 최대인장강도이다. 이때 마그네트시스템의 무게 M_sy를 마그네트시스템의 체적과의 관계로 다시 변형 시키면 다음 식(9)같다.

(9)

상기 식(9)에서 시스템 체적의 반은 은과 같은 권선부에 의하여 점유되고 나머지 반은 고체질소에 의하여 점유된다. 여기서 ρ_Ag와 ρ_N2는 각각 은과 고체질소의 밀도이다. 결론적으로, 상기 식(7)∼식(9)를 조합하면 구형 시스템에서의 전체 열침입 Q_sp는 다음의 식(10)으로 표현된다:

(10)

질소튜브(질소를 공급하기 위한 냉매공급관(130))에 의한 전체 전도열침입Qrf 는 다음 식(11)과 같이 나타낼 수 있다:

(11)

여기서 A_ss와 l_ss는 각각 질소튜브로 사용되는 스테인레스강의 단면적과 길이를 나타낸다.

만약 임의적으로 A_ss를 충분히 작게 그리고 l_ss를 충분히 길게 선택하여 Q_sp에 비하여 Q_rf를 아주 무시할 정도로 작게 만들 경우 우리는 열분석 시에 질소튜브로 인한 전도열침입 Q_rf은 고려하지 않아도 될 것이다. 본 발명의 동작과정에서 고체질소가 액체가 되고 다시 가스가 되더라도 이들 상변화는 장기간에 걸쳐 일어나기 때문에 일반적인 저온초전도 마그네트 시스템에서는 꼭 필요한 대구경의 입구를 가진 안전밸브를 갖출 필요가 없다.

상기 식(4), 식(6), 및 식(10)에 의하여 외경 R을 갖는 구형 시스템에 대한 전체 열침입 Q_in은 다음과 같은 식(12)로 주어진다:

(12)

여기서 전체 열침입 Q_in은 외경 R의 제곱에 비례함을 알 수 있다.

하기 [표 1]은 초기온도 20 K와 40, 50, 60 K온도 사이에서의 은의 체적 엔탈피 (ΔH_Ag)와 고체질소의 엔탈피(ΔH_N2)를 나타낸다. 비엔탈비를 체적 엔탈피로 변환할 때 은과 고체질소의 밀도 각각 10,500 kg/m³, 900 kg/m³을 사용하였다.

외경 R, 체적의 반이 각각 은 권선부와 고체질소로 이루어진 구형 시스템에서 동작을 위한 전체 엔탈피 ΔH_sy는 다음 식(13)과 같다:

(13)

[표 1] 은과 고체질소의 엔탈피 데이타

T_op[K]	Δh_Ag[MJ/m³]	Δh_N2[MJ/m³]
20 ∼ 40	9.5	22.0
20 ∼ 50	19.3	34.0
20 ∼ 60	32.0	57.0

상기 식(12) 와 식(13)에 의하여 동작기간을 τ_op로 하였을 때,

(14)

가 되고 τ_op는 다음 식(15)와 같이 나타낼 수 있다.

(15)

하기 [표 2]는 T_wm= 293 K, T_cl= 20 K, k_ss= 0.1 W/mK, σU_ss= 1 × 10⁹Pa, 일 때 상기 식(15)에 의한 τ_op의 계산치를 나타낸다.

[표 2] 동작기간 τ_op의 계산치

T _op [K]	τ _op [day]
	[e _r ] _cw = 5×10^-4	[e _r ] _cw = 1×10^-4
	R= 0.10m	R=0.25m	R=0.5 m	R=0.1m	R=0.25m	R=0.5m
20 ∼ 40	39	98	196	59	147	293
20 ∼ 50	66	165	331	99	248	496
20 ∼ 60	110	276	552	166	414	829

상기 [표 2]의 τ_op값은 구형의 마그네트 시스템에 적용되는 것으로 구형의 경우가 체적대 표면적비가 최소로 된다. 실제 마그네트에서는 구형보다 이 비가 커지고 따라서 [표 2]에 주어진 값들보다 τ_op값은 대략 2배 정도 줄어들게 된다.

주어진 본 발명 시스템에서 τ_op값은 진공상태에 의존한다. 따라서 시스템이 진공배기 시스템과 상시 연결되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제안한 시스템의 계산에 있어서 설계 사양은 주로 각 구성요소의 기본 원리와 성능을 보여주기 위한 단순한 과정에 불과하다. 예를 들어 고체질소의 체적율은 50가 될 필요가 없고 실제 상황에서는 요구 조건에 따라 50보다 크거나 작을 수 있다. 도 1에 도식적으로 제시한 구성 요소의 설계에서도 이와 같으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 설계 변경이 가능할 것이다.

이상 설명된 본 발명의 고온 초전도 마그네트 장치의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 냉매 공급관(130)을 통해 상기 내부 용기(110)내로 상기 고온초전도 마그네트(100)를 냉각하는데 필요한 기체질소를 채우고, 상기 밸브(130a)를 잠그도록 한다. 상기 냉각순환관(140)의 주입구(141)를 통해 고화매체로서의 액체 헬륨을 주입하여 그 주입된 액체 헬륨이 순환되도록 하여 내부용기(110)와 열교환 함으로써, 상기 기체질소를 서서히 냉각시키면 기체질소는 액체질소로 변화되고 액체질소는 다시 낮은 온도에서 고체 상태의 질소로 변태한다.

또한, 상기 온도센서를 통해 상기 내부용기(110)의 온도를 측정하여 그 내부용기(110)의 온도가 상기 마그네트(100)의 초전도 동작 최대온도에 대응하는 온도 예를 들어 40K가 되었을 때, 상기 마그네트(100)가 영구전류 모드로 여자된 상태에서 상기와 같이 냉각순환관(140)을 통해 액체 헬륨을 재순환 시킴으로써 본 발명의 시스템을 초기 동작 온도로 재냉각시킬 수 있다.

즉, 도 3의 흐름도를 참조하여 도 1에 도시된 본 발명의 장치의 동작을 단계별로 설명하면, 먼저 고온초전도 마그네트(100)가 수납된 내부용기(110)에 기체질소를 채우고(S1), 상기 기체질소를 그 질소의 냉각 응고점 이하의 온도를 가진 냉각매체 즉 액체헬륨의 순환에 의한 열교환을 이용하여 액체질소로, 그리고 그 액체질소를 다시 낮은 온도에서 고체상태의 질소로 변태시키고(S2), 상기 설치된 온도센서 및 자장센서를 이용하여 상기 고온 초전도 마그네트(100)의 자장 세기 및 상기 내부용기(110)의 온도측정에 의한 상기 액체 또는 고체 상태의 질소 온도를 간접적으로 실시간 측정하거나 직접적으로 측정감시한 후(S3), 상기 측정된 자장세기 및 온도에 의거하여, 상기 기체질소를 재공급하거나, 상기 마그네트(100)의 발열 등에 의해 고체상태에서 액상 변화된 질소 또는 상기 재공급된 기체질소를 상기 액체헬륨의 순환에 의한 열교환을 이용하여 재고화하거나, 및/또는 상기 고온 초전도 마그네트(100)를 재여자하도록 한다(S4). 이때 상기 단계 S4에서, 상기 마그네트(100)의 재여자는 상기 측정된 온도가 상기 고온초전도마그네트시스템의 동작온도 이상으로 되어 초전도체가 급격하게 상전도 상태로 전이가 일어나기 전에수행함을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은, 기존의 강자성 물질을 이용한 영구자석보다 부피에 대한 자장강도가 훨씬 강한 영구자장을 발생시킬 수 있고, 한번 여자하여 자장을 발생시키면 따로 냉각을 위한 냉동기를 부착하지 않고도 오랫동안(대형시스템의 경우 약 1년 이상) 불변자장을 유지할 수 있음은 물론, 고온 초전도 마그네트(100)의 반복 냉각 및 반복 여자가 가능하게 되어 영구자장을 유지할 수 있는 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고온 초전도 마그네트 시스템에 의하면, 다음과 같은 이점을 가진다.

첫째, 마그네트 권선 부피만큼 냉각 시스템 안에 질소를 고화 시킨다면, 단지 전체 시스템의 무게를 10만 증가시키고도 전체시스템의 열용량을 마그네트 무게에 대한 열용량 보다 약 3배로 만들 수 있다.

둘째. 고온초전도체와 고화질소를 사용함으로서 초기단계의 약 20 K에서 최종단계의 63 K까지 넓은 마그네트 동작온도 범위를 확보할 수 있다. 실제적으로 현재까지 제작 사용되고 있는 초전도 마그네트는 일반적으로 일정온도에서 동작하도록 고안 되어왔다.

셋째, 진공구조 및 그 진공부에 채워진 열절연물질 등으로 인해 외부로부터 냉각시스템으로 들어오는 전체 열침입을 최소화시킬 수 있다.

또한, 이와 같은 제안된 신 개념의 고온초전도마그네트 시스템은 초기뿐만아니라 나중에 필요시 언제라도 20K로 냉각될 수 있다. 이 시스템에서 액체 헬륨 형태의 냉각원은 시스템이 동작중일 때 시스템에 연결한 채로 사용할 수 도 있고 떼어 내도 무방하다. 그러므로 냉각원은 전체 시스템의 일시적인 구성요소이므로, 운반 및 임의 장소의 설치사용면에서 기존보다 유리한 효과가 있다.

Claims

자장을 발생하기 위한 고온초전도체;

상기 고온 초전도체를 둘러싸고 있는 내부 용기;

상기 내부 용기를 둘러싸고 있는 외부 용기;

상기 내부 용기내로 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급관; 및

상기 내부 용기내에 공급된 냉매를 고화시키기 위한 냉각 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각 수단은 상기 내부 용기의 외부면에 나선형으로 접합 설치되어 상기 냉매를 고화시킬 수 있는 냉각매체가 순환되도록 유도하는 냉각 순환관으로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각 수단은 상기 내부 용기내에 설치되어 상기 냉매를 고화시킬 수 있는 냉각매체가 순환되도록 유도하는 냉각 순환관으로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 순환되는 냉각매체는 상기 냉매의 고화점 이하의 온도를 가진 물질인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 냉매는 질소이고, 상기 냉각매체는 액체 헬륨인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 냉매 공급관은 이중관으로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 이중관 사이는 진공층으로 형성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 외부 용기에는 그 외부 용기의 내부를 진공상태로 만들기위한 진공관이 설치된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,

상기 외부 용기와 상기 내부 용기 사이는 열절연물질로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 2항, 제3항, 제6항 내지 제 8항 중 한 항에 있어서,

상기 냉매 공급관, 상기 냉각 순환관, 및 상기 진공관에는 각각 개폐밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 고온 초전도체의 자장세기를 감지하는 자장 센서와, 상기 냉매의 온도를 감지하기 위한 온도센서를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트 장치.
자장 발생용 고온초전도체 주위로 그 고온초전도체의 초전도 임계온도보다 낮은 온도를 가진 냉매가스를 공급하는 제 1 단계;

상기 냉매를 그 냉매의 응고점 이하의 온도를 가진 냉각매체를 이용하여 고화시키는 제 2 단계;

상기 고온초전도체의 자장 세기 및 상기 냉매의 온도를 실시간 측정하는 제 3 단계;

상기 측정된 자장세기 및 온도에 의거하여 상기 냉매의 재공급, 상기 냉각매체를 이용한 상기 냉매의 재고화, 및/또는 상기 고온초전도체의 재여자를 수행하는제 4 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도체의 영구자장 유지방법.
제 12 항에 있어서,

상기 제 4 단계에서, 상기 고온초전도체의 재여자는 상기 측정된 온도가 고온초전도마그네트시스템의 동작온도 이상으로 되어 초전도체가 급격하게 상전도 상태로 전이가 일어나기 전에 수행함을 특징으로 하는 고온 초전도체의 영구자장 유지방법.