KR20050105276A - 초전도 자석 장치 - Google Patents

Abstract

영구 전류 모드로 이행할 때의 스위치의 전환시에, 장치 내부로의 열침입을 방지 또는 억제하여 외부 냉동기로의 냉동 부하를 경감함과 동시에 그 전환 동작을 신속히 행할 수 있는 초전도 자석 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 초전도 자석 장치(1)는, 영구 전류 모드로 이행할 때에 저온영역에 배치된 열식 초전도 스위치(41)와 중간 온도 영역에 배치된 기계식 스위치(42)를 온 상태로 하지만, 기계식 스위치(42)는 중간 온도 영역에 배치되어 있기 때문에 그곳에서 구동 기구(60)를 통한 열부하가 발생하였다고 하여도 이를 다시 냉각할 때에 극저온까지 냉각할 필요가 없다. 다시 말해, 기계식 스위치(42)의 접점에서의 발열 및 구동 기구(60)로부터의 열침입이 저온 영역이 아니라 중간 온도 영역의 열부하가 되므로, 외부 냉동기가 그 열부하를 용이하게 흡수할 수 있고, 그 냉동기 용량을 경감할 수 있다.

Description

초전도 자석 장치 {Superconducting Magnet}

본 발명은 여자(勵磁) 후 스위치 전환에 의해 영구 전류 모드로 이행하는 초전도 자석 장치에 관한 것이다.

초전도선재(超電導線材)의 성능 향상, 그것을 사용한 코일 제작 기술의 진전, 및 단열 용기나 냉동기와 같은 관련 기기의 기술적 진보에 의해, 지금까지 각종 초전도 자석 및 그 응용 기기가 개발되고 있다. 그 중에는 영구 전류 모드로 운용하는 타입이 있고, 이미 실용화되어 있는 예로서 자기공명영상장치(MRI)용 초전도 자석 장치나 자기부상식 차량(Maglev)용 초전도 자석 장치 등이 있다. 이들 초전도 자석 장치는 극저온에서 냉각한 코일에 외부 여자 전원으로부터 전류를 공급하고, 소요 자계를 발생하는 상태에서 코일의 선단부와 종단부를 초전도 스위치로 단락함으로써, 전원이 없어도 코일에 전류가 계속 흐르는 영구 전류 모드로 한다. 이와 같은 종래의 초전도 자석 장치에서의 여자 회로의 일 예를 도 5에 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 초전도 자석 장치(101)의 초전도 코일(110)에는, 전술한 바와 같이, 코일(110)의 선단부와 종단부를 연결시키는 초전도 스위치(140)가 구비되고, 이는 초전도 자석 장치(101) 내부의 극저온 영역(약 4.2K)에 배치된다. 그리고, 이 초전도 코일(110)의 각 단부에는 또한 열전도율이 낮은 상전도(常電導) 전류 리드(132)가 접속되고, 이 상전도 전류 리드(132)의 타단은 초전도 자석 장치(101) 외측 표면의 상온 영역(약 300K)으로 유도되어 외부 여자 전원(151)에 접속된다.

상기 초전도 스위치(140)로서는, 종래의 경우, 온(on) 일 때 저항이 없게 되며 또한 간단한 구조를 갖는 열(熱)식 초전도 스위치가 주로 사용되어져 왔으나, 기계(機械)식 초전도 스위치 또는 도 5에 도시되 바와 같은 열식 초전도 스위치(141)와 기계식 초전도 스위치(142)의 병렬 접속에 의한 초전도 스위치를 적용한 것도 제안되었다(예컨대, 특허 문헌 1 및 비특허 문헌 1 참조).

[특허 문헌 1] : 특개평6-350148호 공보

[ 비특허 문헌 1] : 『초전도 연구ㆍ개발 핸드북』제160~163페이지, 재단법인 국제 초전도 산업 기술 연구센터(1991년), 주식회사 옴(Ohm)사

그러나, 이러한 종래의 초전도 자석 장치는 그 여자 회로에 있어서 각각의 초전도 스위치를 적용한 경우 다음과 같은 문제가 있었다.

우선, 열식 초전도 스위치를 단독으로 적용한 경우에는 열현상을 이용하기 때문에, 해당 스위치가 온 상태(초전도 상태)와 오프 상태(저항 상태) 사이에서 냉각과 가열에 소요되는 시간, 다시 말해 온ㆍ오프 전환 시간이 긴 결점이 있다. 특히, 비교적 높은 온도에서 초전도 상태가 되는 고온 초전도 코일을 채용하고, 영구 전류 모드에서 그 초전도 상태를 유지하기 위해 초전도 스위치에 대해서도 고온 초전도재(超電導材)를 사용하는 경우에는, 온 상태일 때와 오프 상태일 때의 온도차가 커짐과 동시에 열용량도 커지기 때문에, 온ㆍ오프 전환 시간이 더욱 길어진다. 그 결과, 영구 전류 모드로 이행하는 때의 여자 시에, 전류 리드의 통전 시간이 길어져 그 줄(Joule) 열이 증가하고, 초전도 자석 장치 내부를 냉각하는 외부 냉동기로의 부하가 커지는 문제가 있었다.

또, 기계식 초전도 스위치를 단독으로 적용한 경우에는 온ㆍ오프의 전환을 순간적으로 수행할 수 있으나, 온 상태일 때의 접점 저항을 충분히 감소시키는 것이 곤란하고, 초전도 코일에 접속한 때에 그 접점 저항에 의해 전류감쇠와 발열이 생기는 문제가 있다. 게다가, 접점을 접촉 또는 비접촉 상태로 구동하는 구동 기구로부터의 적지않은 침입열이 초전도 코일로의 열부하를 증가시키는 결점도 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 열식 초전도 스위치와 기계식 초전도 스위치를 병렬 접속한 경우에는, 상기 기계식 초전도 스위치 단독의 경우와 마찬가지로, 접점을 구동하는 구동 기구로부터의 침입열이 초전도 코일로 전도되어 열부하를 증가시키는 상기와 마찬가지의 결점이 있다. 또, 온 상태로 전환할 때에 열식 초전도 스위치가 전환을 완료하기까지의 사이는 기계식 초전도 스위치의 접점 저항에 의한 발열이 발생하는 문제가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초전도 자석 장치의 개략적인 구성을 나타내는 설명도,

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초전도 자석 장치의 전기적인 구성을 나타내는 설명도,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초전도 자석 장치를 구성하는 구동 기구의 개략적인 구성을 나타내는 설명도,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초전도 자석 장치를 구성하는 구동 기구의 개략적인 구성을 나타내는 설명도,

도 5는 종래기술에 따른 초전도 자석 장치의 전기적인 구성과 그 문제점을 나타내는 설명도이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 상기 스위치의 전환시에 장치 내부로의 열침입을 방지 또는 억제하여 외부 냉동기로의 냉동 부하를 경감함과 동시에 그 전환 동작을 신속히 수행할 수 있는 초전도 자석 장치를 제공하는 것이다.

이를 위하여, 청구항 1에 따른 초전도 자석 장치는, 내부에 저온 영역을 형성하여 초전도 코일을 수용하는 내조(內槽), 상기 내조를 덥도록 배치되어 저온 영역보다 온도가 높은 중간 온도 영역을 형성하는 열실드(thermal shield), 및 상기 열실드를 내부에 수용하여 외부 공기와 격리시키고 중간 온도 영역보다 온도가 높은 상온 영역을 형성하는 외조(外槽)로 구성되는 진공 용기와, 일단에서 초전도 코일에 접속됨과 동시에 타단에서 진공 용기 외부에 설치된 외부 여자 전원으로 이어지는 리드선에 접속된 전류 리드와, 초전도 코일의 양단을 단락 또는 개방하기 위해 온ㆍ오프되는 스위치와, 상기 스위치의 온ㆍ오프를 전환하는 스위치 전환 수단을 구비한다.

또한, 여기에서 말하는「저온 영역」이란 소위 '극저온 영역'으로서 초전도 코일의 냉각 온도와 동일한 정도로 냉각되는 온도 영역을 의미하고, 「상온 영역」이란 실온과 동일한 정도의 온도 영역을 의미하며, 또한 「중간 온도 영역」이란 상기 저온 영역보다 높고 초전도 전류 리드의 임계 온도보다 낮은 온도로 냉각된 온도 영역을 의미한다.

또, 여기에서 말하는「열실드」란, 방사실드, 복사실드, 써멀(thermal)실드 등으로 불리는 실드(shield)를 의미한다.

또, 상기 「저온 영역」은 소위 극저온으로 냉각되지만, 그 냉각 방법으로서는 외부 냉동기로부터 내조 내부로 액체 헬륨 등의 냉각 매체를 공급하여 냉각하도록 하여도 좋고, 외부 냉동기로부터의 열전도를 이용하여 냉각하도록 하여도 좋다. 마찬가지로, 상기「중간 온도 영역」에 대해서도, 외부 냉동기로부터 액체 질소 등의 냉각 매체를 도입하여 냉각하도록 하여도 좋고, 외부 냉동기로부터의 열전도를 이용하여 냉각하도록 하여도 좋다.

그리고, 상기 스위치를 오프로 한 상태에서 외부 여자 전원으로부터 전류 리드를 통하여 초전도 코일에 전류를 공급하고, 이 초전도 코일에 소요 자계가 발생한 후 그 스위치를 온 상태로 하여 초전도 코일의 양단을 단락시킴으로써 영구 전류 모드로 이행한다.

그리고, 특히 상기 전류 리드는, 그 일단이 저온 영역에서 초전도 코일의 일단에 접속하는 제1 전류 리드와, 일단이 중간 온도 영역에서 제1 전류 리드의 타단에 접속되고 타단이 상온 영역에서 리드선에 접속되는 제2 전류 리드로 구성되고, 적어도 제1 전류 리드는 중간 온도 영역에서 초전도 상태가 되는 초전도 전류 리드로 구성된다.

한편, 상기 스위치는, 저온 영역에서 초전도 코일의 양단에 접속되어 이를 단락시키는 열식 초전도 스위치와, 중간 온도 영역에서 제1 전류 리드의 양단에 열식 초전도 스위치에 대하여 병렬로 접속되며 초전도 코일을 단락 가능하도록 구성된 기계식 스위치로 구성된다. 다시 말해, 저온 영역에 배치되는 열식 스위치(열식 초전도 스위치)는 영구 전류 모드에서 초전도 상태로 이행하는 초전도 스위치에 의해 구성되나, 중간 온도 영역에 배치되는 기계식 스위치는 초전도 스위치로도 상전도 스위치로도 무방하다.

그리고, 상기 기계식 스위치는 중간 온도 영역에 배치되어 스위치 전환 수단에 의해 구동되는 구동 기구를 통하여 온ㆍ오프된다.

또한, 여기에서 말하는 「열식 초전도 스위치」는 히터 등의 가열 수단에 의해 가열되는 것으로 상전도 상태로 천이하여 저항을 발생시키고 스위치를 오프시키는 것이며, 「기계식 스위치」는 기계적인 기구에 의해 스위치를 온 시키는 것이다.

이러한 구성에 의하면, 여자에 의한 영구 전류 모드로의 이행시에 있어 스위치를 온 상태로 하는 때에, 열식 초전도 스위치는 열현상을 이용하기 위해 전환 완료까지 어느 정도의 시간이 소요되나, 기계식 스위치는 순간적으로 전환되기 때문에 외부 여자 전원의 출력 전류를 즉시 감쇠(차단)시킬 수 있다. 그 결과, 전류 리드의 통전 시간이 짧아지고 발열이 감소되기 때문에, 이를 냉각시키는 냉동기의 부하를 감소시킬 수 있다.

그리고, 특히 상기 구성에 의하면, 기계식 스위치가 중간 온도 영역에 배치되어 있기 때문에, 그곳에서 구동 기구에 의한 열부하가 발생한다 하더라도, 이를 다시 냉각할 때에 극저온까지 냉각할 필요가 없다. 다시 말해, 기계식 스위치의 접점에서의 발열 및 구동 기구로부터의 열침입은 저온 영역이 아니라 중간 온도 영역의 열부하가 되므로, 외부 냉동기에 의해 그 열부하를 용이하게 흡수할 수 있고, 그 결과 종래기술과 같이 기계식 스위치를 저온 영역에 배치하는 경우보다 냉동기 용량을 경감시킬 수 있다.

또, 상기 제2 전류 리드를 상전도선재인 상전도 전류 리드로 구성하면, 초전도재를 사용하는 경우보다 초전도 자석 장치를 전체적으로 저렴하게 제조하는 것이 가능하나, 제2 전류 리드의 일부 또는 전부를 초전도재로 된 초전도 전류 리드로 하여도 상관없다.

또한, 전술한 바와 같이 기계식 스위치로부터의 열부하가 어느 정도 허용되는 것이므로, 기계식 스위치는 반드시 초전도체를 사용할 필요는 없다.

따라서, 청구항 2에 개시된 바와 같이, 상기 기계식 스위치를 상전도재로 이루어진 상전도 스위치로서 구성하면 초전도 자석 장치를 더욱 저렴하게 구성할 수 있다.

또한, 상기와 같이, 제2 전류 리드나 기계식 스위치를 저렴한 상전도재로 구성하여도 초전도 자석 장치로서의 본래 성능을 유지하면서 외부 냉동기로의 부하를 경감할 수 있는 것은, 중간 온도 영역을 효과적으로 이용한 청구항 1의 구성이 전제되어 있기 때문이다.

그런데, 상기 스위치 전환 수단은, 열식 초전도 스위치가 소정의 초전도 상태에 달하여 영구 전류 모드로의 이행이 완료된 후에도, 구동 기구를 통해 기계식 스위치와 열식 초전도 스위치의 양 스위치를 온 상태로 되게 하여도 무방하다

이러한 구성에 의하면, 영구 전류 모드에 있어서, 어떠한 열 요란이 열식 초전도 스위치에 가해져 일시적으로 상전도 전위(轉位)와 같은 일이 있어도, 전류가 기계식 스위치로 바이패스하기 때문에 초전도 코일의 여자 상태를 유지할 수 있다. 다시 말해, 기계식 스위치는 열 요란에 의해 오프 상태로 전환되지 않고 또한 열식 초전도 스위치도 그 열 요란이 배제되면 초전도 상태로 되돌아오기 때문에, 영구 전류 모드로 복귀하기 위한 통전 안정화를 도모할 수 있다.

그리고, 열식 초전도 스위치의 통전 안정성을 열 요란에 대해 충분히 여유있게 할 수 있으므로, 상전도 전위가 고려되지 않을 것 같은 경우에는, 반대로, 청구항 3에 개시된 바와 같이, 상기 스위치 전환 수단이 영구 전류 모드로의 이행 개시와 동시에 기계식 스위치 및 열식 초전도 스위치를 온 상태로 하여, 열식 초전도 스위치가 소정의 초전도 상태에 도달하면 기계식 스위치를 오프시키도록 하여도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 기계식 스위치의 온 상태 유지에 계속적인 구동력을 가함으로써 구동 기구에서의 동력 손실, 즉 발열이 있는 경우에는, 기계식 스위치를 오프 상태로 함으로써 구동 기구에서의 발열이 없어지고, 이들이 설치되어 있는 중간 온도 영역을 냉각시키는 외부 냉동기로의 부하를 더욱 감소시킬 수 있다.

또, 상기 구동 기구로서는, 예컨대 청구항 4에 개시된 바와 같이, 초전도 코일에서 발생한 자장과의 상호 작용에 의해 전자력을 발생시키는 상전도 솔레노이드를 사용한 기구로 구성되고, 이 전자력에 의해 기계식 스위치의 접점을 접촉 또는 개방하여, 기계식 스위치를 온ㆍ오프하도록 구성하여도 좋다. 이 구체적 구성으로서는 후술하는 실시예를 참조할 수 있다.

이러한 구성에 의해, 초전도 코일로부터 발생하는 자장을 효과적으로 이용하여 간단한 구성에 의해 기계식 스위치를 전환할 수 있다.

또는, 청구항 5에 개시된 바와 같이, 구동 기구가 압전 소자를 이용한 기구로 이루어지고, 이 압전 소자를 통전 또는 통전 해제함으로써 기계식 스위치의 접점을 접촉 또는 개방하여, 상기 기계식 스위치를 온ㆍ오프 하여도 상관없다.

구체적으로는, 예컨대 압전 세라믹 등의 압전 소자에 전압을 인가한 때의 신장을 이용하여, 통전 제어에 의해 이를 신축시키고, 그 신축 작용에 의해서 구동 기구를 진퇴(進退)시켜 기계식 스위치의 접점을 접촉 또는 개방시키도록 하여도 좋다.

이러한 압전 소자는 자계의 영향을 받기 어렵기 때문에, 초전도 자석 장치 내부의 자장 분포에 의한 배치에 제약이 없다. 또, 초전도 코일의 기자력을 바꾸는 경우 등, 자장이 바뀌어도 기계식 스위치를 확실하게 구동할 수 있다.

또는, 청구항 6에 개시된 바와 같이, 구동 기구가 압전 세라믹으로 이루어진 초음파 모터를 사용한 슬라이더 기구로 구성되어도 상관없다.

이러한 초음파 모터는 통전이 해제되면, 그 해제 시점의 상태를 유지하여 정지한다. 이 때문에, 기계식 스위치를 온으로 한 상태에서 통전을 해제하면, 그 온 상태를 유지할 수 있다. 이 때문에, 열식 초전도 스위치의 상전도 전위 방지를 위해 기계식 스위치를 온 상태로 유지하는 전술한 구성을 적용하는 경우에는, 온 상태를 유지하기 위해 통전 상태를 계속하여 유지하는 것이 불필요하게 되고, 따라서 전력소모의 관점에서 적합하다.

이하에서는 본 발명의 실시 형태를 한층 명확하게 하기 위해, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

[제1 실시예 ]

본 발명에 따른 제1 실시예는 본 발명의 초전도 자석 장치를 자기부상식 차량(Maglev)용 초전도 자석 장치로서 구성한 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 초전도 자석 장치의 개략적인 구성을 도시하는 설명도(단면도)이고, 도 2는 상기 초전도 자석 장치의 전기적인 구성을 개략적으로 도시하는 설명도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 초전도 자석 장치(1)는, 내부에 초전도 코일(10)을 수용한 진공 용기(20)와, 외부 여자 전원(51)으로부터 초전도 코일(10)로 전류를 공급하기 위해 진공 용기(20) 내부에 배치된 전류 리드(30)를 구비한다.

진공 용기(20)는, 내부에 저온 영역을 형성하여 초전도 코일(10)을 수용하는 내조(21), 상기 내조(21)를 덮도록 배치되고 저온 영역보다 온도가 높은 중간 온도 영역을 형성하는 열실드(22), 및 상기 열실드(22)를 내부에 수용하여 외부 공기와 격리시키고 중간 온도 영역보다 온도가 높은 상온 영역을 형성하는 외조(23)로 구성되어 있다.

또한, 제1 실시예에서는, 초전도 코일(10)로서 금속계의 NbTi 초전도선재를 사용하고 있기 때문에, 상기「저온 영역」이 약 5K 이하로 설정되나, 임계 전류의 온도 의존성이 상이한 그 밖의 초전도선으로서 예컨대 Nb₃Sn 초전도선재를 사용한 경우에는 약 15K 이하로 설정하고, Bi계 초전도선재를 사용한 경우에는 약 60K 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 실시예에서는, 후술한 바와 같이, 전류 리드(30)의 일부에 임계 온도가 90K 정도의 Y계 초전도체의 고온 초전도 전류 리드를 사용하고 있기 때문에, 「중간 온도 영역」이 약 80K 정도 이하로 설정된다. 또한, 「상온 영역」은 외조의 온도, 다시 말해 실온과 같은 약 300K정도의 온도 영역이다.

내조(21)는 그 내부에 초전도 코일(10)을 극저온(약 4.2K)에서 냉각하기 위한 액체 헬륨을 충전하고 있고, 외부 냉동기(도시하지 않음)로부터 그 액체 헬륨을 적절히 보충 가능하게 구성되어 있다. 또, 열실드(22)는 외부 냉동기로부터 공급되는 액체 질소에 의해 중간 온도(약 80K)로 냉각된다. 그리고, 상온 영역(약 300K)을 형성하는 외조(23)로부터 저온 영역을 형성하는 내조(21)까지의 방사열(열침입)을 감소시킨다.

전류 리드(30)는 그 일단이 초전도 코일(10)에 접속됨과 동시에 그 타단이 진공 용기(20)외부에 설치된 외부 여자 전원(51)에 연결되는 리드선(55)에 접속되어 있다. 이 전류 리드(30)는 중간 온도 영역에서 초전도 상태가 되는 상기 Y계 초전도체로 이루어진 고온 초전도 전류 리드인 제1 전류 리드(31)와, 동이나 놋쇠 등의 상전도 금속으로 이루어진 상전도 전류 리드인 제2 전류 리드(32)로 이루어진다.

제1 전류 리드(31)는 그 일단이 저온 영역에서 초전도 코일(10)의 일단에 접속되어 있다. 한편, 제2 전류 리드(32)는 그 일단이 중간 온도 영역에서 제1 전류 리드(31)의 타단에 접속되어 있고 그 타단이 진공 용기의 외측에서 리드선(55)에 접속되어 있다. 이 때문에, 제1 전류 리드(31)는 내조(21) 부근에서 극저온(약 4.2K) 근처가 되고, 열실드(22) 부근에서 중간 온도(약 80K) 근처가 되는 온도 분포를 가지나, 약 80K 이하의 온도에서 초전도 상태로 천이한다. 또, 제2 전류 리드(32)는 열실드(22) 부근에서 중간 온도(약 80K) 근처가 되고 외조(23) 부근에서 상온(약 300K) 근처가 되는 온도 분포를 가진다.

또, 저온 영역에는 초전도 코일(10)의 양단에 접속되어 이를 단락시키는 열식 초전도 스위치(41)가 설치되고, 중간 온도 영역에는 제1 전류 리드(31)의 양단에 상기 열식 초전도 스위치(41)에 대하여 병렬로 접속되고 초전도 코일(10)을 단락 가능하게 구성된 기계식 스위치(42)가 설치되어 있다.

열식 초전도 스위치(41)는 히터 등의 가열 수단에 의한 가열을 정지시키고 냉각됨으로써 초전도 상태로 천이하여 저항이 제로가 되어 온 상태가 된다. 한편, 기계식 스위치(42)는 중간 온도 영역에 설치된 구동 기구(60)에 의해 온ㆍ오프된다. 또한, 상기 히터 등의 가열 수단에 의한 통전 제어나 구동 기구(60)로의 구동 전류 공급 제어 등은, 초전도 자석 장치(1) 외부에 설치된 도시하지 않은 제어부(스위치 전환 수단)를 통하여 실행된다.

도 3은 구동 기구(60)의 개략적인 구성을 도시한다. 도시된 바와 같이, 구동 기구(60)는 진공 용기(20)의 케이싱(미도시)에서 연장되어 나온 베이스부의 가이드 부재(71)를 따라서, 제1 전류 리드(31)에 근접 또는 멀어지는 방향으로 진퇴 가능하게 설치된 단락 부재(61)로 구성되어 있다. 상기 단락 부재(61)는 가이드 부재(71)에 의해 가이드되어 슬라이딩되는 본체부(62)와, 상기 본체부(62)의 제1 전류 리드(31)측의 면 중앙으로부터 제1 전류 리드(31)측에 연장 설치된 긴 형상의 지지 부재(63)와, 상기 지지 부재(63)의 선단에 접속된 판상(板狀)의 접점 부재(64)로 구성되어 있다. 본체부(62) 내에는 상전도 솔레노이드(65)가 배설되어 있고, 접점 부재(64)의 단연부에는 접속 부재(66)을 통하여 코일 스프링(67)의 일단이 접속되어 있다. 코일 스프링(67)은 그 타단이 베이스 부재에 고정되어 있고, 접점 부재(64)를 제1 전류 리드(31)측과는 반대 방향으로 가압하고 있다. 한편, 한 쌍의 제1 전류 리드(31, 31)의 단부로부터는 각각 구동 기구(60)측을 향하여 접속 단자(31a, 31a)가 뻗어나와 있다.

이 때문에, 여자에 의해 초전도 코일(10)의 자계가 발생한 상태에서 외부 구동 전원(52)에서 상전도 솔레노이드(65)로 전류를 공급하면, 이 초전도 코일(10)에서 발생한 자장과의 상호 작용에 의해 상전도 솔레노이드(65)에 전자력이 발생하고, 이에 의해서 본체부(62)가 코일 스프링(67)의 가압력에 저항하여 제1 전류 리드(31)측으로 이동한다. 그리고, 그 접점 부재(64)가 양 접속 단자(31a, 31a)에 접촉하여, 결과적으로 초전도 코일(10)을 단락시킨다. 또한, 이 경우, 외부 구동 전원(52)으로부터 전류 공급을 정지하면, 상기 전자력이 소멸하여 본체부(62)가 되돌아 오고, 초전도 코일(10)은 단락 상태에서 개방된다.

이상에 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 초전도 자석 장치에서는, 영구 전류 모드로 이행할 때에 열식 초전도 스위치(41) 및 기계식 스위치(42)를 오프로 한 상태에서 외부 여자 전원(51)에서 제2 전류 리드(32) 및 제1 전류 리드(31)를 통하여 초전도 코일(10)로 전류를 공급한다. 그리고, 이 초전도 코일(10)에 소요 자계가 발생한 후, 이들 스위치를 온 상태로 하여 초전도 코일(10)의 양단을 단락시킨다.

이 경우, 열식 초전도 스위치(41)는 열 현상을 이용하기 때문에 전환 완료까지 어느 정도의 시간을 요하나, 기계식 스위치(42)는 순간적으로 전환되기 때문에 외부 여자 전원(51)의 출력 전류를 즉시 감쇠(차단)시킬 수 있다. 그 결과, 양 전류 리드의 통전 시간이 짧아지고 발열이 감소하기 때문에, 이를 냉각시키는 외부 냉동기의 부하를 감소시킬 수 있다.

또, 영구 전류 모드에 있어서, 어떠한 열 요란이 열식 초전도 스위치(41)에 가해져 일시적으로 상전도 전위되는 일이 있어도, 기계식 스위치(42)가 온 되어 있는 동안에는 전류가 상기 기계식 스위치(42)로 바이패스되기 때문에, 초전도 코일(10)이 여자 상태를 유지할 수 있다. 다시 말해, 기계식 스위치(42)는 열 요란에 의해 오프 상태로 전환되는 일이 없고, 그리고 열식 초전도 스위치(41)도 그 열 요란이 배제되면 초전도 상태로 돌아가기 때문에, 영구 전류 모드로 복귀하기 위한 통전 안정화를 도모할 수 있다.

그리고, 제1 실시예에 따른 초전도 자석 장치에 있어서는, 특히 기계식 스위치(42)가 중간 온도 영역에 배치되어 있기 때문에, 구동 기구(60)를 통한 열부하가 발생한다고 하여도 이를 다시 냉각할 때 극저온까지 냉각할 필요가 없다. 다시 말해, 기계식 스위치(42)의 접점에서의 발열 및 구동 기구(60)로부터의 열 침입이 저온 영역이 아니라 중간 온도 영역의 열부하가 되므로, 외부 냉동기가 그 열부하를 용이하게 흡수할 수 있고, 그 결과 종래기술과 같이 기계식 스위치(42)를 저온 영역에 배치하는 경우보다 냉동기 용량을 경감할 수 있다.

또, 초전도 코일(10)과 기계식 스위치(42)가 중간 온도 영역에서 초전도 상태가 되는 제1 전류 리드(31)를 통하여 접속되어 있기 때문에, 영구 전류 모드로 이행할 때에 기계식 스위치(42)를 온 상태로 하여도, 초전도 코일(10)로부터의 전류가 감쇠되는 것을 방지 또는 억제할 수 있고, 상기 영구 전류 모드로의 이행을 원활하게 이행시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서는, 기계식 스위치(42)를 중간 온도 영역에 배치하기 때문에, 전술한 바와 같이, 이들을 저온 영역에 배치하는 경우보다 그 열부하를 허용할 수 있는 범위가 크다. 이 때문에, 전술한 바와 같이, 기계식 스위치(42)를 저렴한 상전도재로 구성하고 있다. 또, 제2 전류 리드(32)도 저렴한 상전도재로 구성하고 있다.

그 결과, 초전도 자석 장치로서의 본래의 성능을 유지하면서 이를 저렴하게 제조할 수 있다.

또한, 제1 실시예에서는, 제1 전류 리드(31)를 Y계 초전도체의 고온 초전도 전류 리드로 하였으나, 중간 온도 보다 저온에서 초전도 상태로 되는 것이면 무방하다. 따라서, 예컨대 Bi계 고온 초전도 전류 리드나 Ti계 고온 초전도 전류 리드로도 무방하다.

[제2 실시예 ]

상기 제1 실시예에서는, 기계식 스위치(42)를 온ㆍ오프시키는 구동 기구로서 상전도 솔레노이드(65)를 사용한 구동 기구(60)에 대하여 설명하였으나, 제2 실시예에서는 제1 실시예와는 다른 구동 기구를 사용한다. 도 4는 이러한 구동 기구의 개략도로서, 제1 실시예의 도 3에 대응하는 것이다. 또한, 상기 초전도 자석 장치의 기본 구성이나 전력 공급 방법 등의 원리적인 바는 제1 실시예와 거의 동일하기 때문에, 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여함으로써 그 설명을 생략한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 구동 기구(80)는 외부 구동 전원(52)으로부터 소정의 전압이 인가됨으로써 초음파 모터를 구동하여 슬라이딩 동작을 수행하는 슬라이더 기구(81)로 이루어진다.

즉, 상기 슬라이더 기구(81)는 진공 용기(20)의 케이싱(미도시)에 설치된 베이스부(72)에 고정된 압전 세라믹으로 이루어진 초음파 모터(82)와, 상기 초음파 모터(82)의 회전축에 접속되어 그 축 방향으로 연장된 볼 나사(83)와, 상기 볼 나사(83)의 회전에 의해 구동되어 제1 전류 리드(31)의 방향으로 진퇴하는 단락 부재(91)로 구성되어 있다.

상기 단락 부재(91)는 베이스부(72)상의 가이드 부재(73)에 의해 가이드되어 슬라이딩하는 본체부(92)와, 상기 본체부(92)의 제1 전류 리드(31)측의 면 중앙에서 제1 전류 리드(31)측으로 연장 설치된 긴 형상의 지지 부재(93)와, 상기 지지 부재(93)의 선단에 접속된 판상의 접점 부재(94)로 구성되어 있다. 본체부(92)에는 볼나사(83)의 축선을 따라 나사 구멍(92a)이 설치되어 있다. 이 나사 구멍(92a)에는 볼나사(83)의 나사산에 대응되는 암 나사가 형성되어 있다.

그리고, 영구 전류 모드로의 이행시에는, 우선 외부 구동 전원(52)으로부터 구동 기구(80)에 전압이 공급되고, 초음파 모터(82)가 구동되어 볼나사(83)가 회전한다. 그로 인해, 본체부(92)가 가이드 부재(73)에 의해 가이드되면서 슬라이딩하여 제1 전류 리드(31)의 방향으로 이행하고, 접점 부재(94)가 접속 단자(31a,31a)에 접촉하여 결과적으로 초전도 코일(10)을 단락시킨다.

이와 같이 하여 영구 전류 모드로의 이행이 완료된 후는, 외부 구동 전원(52)으로부터 전압 공급을 개시하여 초음파 모터(82)를 상기와는 반대 방향으로 구동함으로써 접점 부재(94)를 퇴행시켜 초전도 코일(10)을 단락 상태로부터 개방할 수도 있으나, 영구 전류 모드로의 이행이 완료된 후, 외부 구동 전원(52)으로부터 전압 공급을 정지함으로써 초전도 코일(10)의 단락 상태를 유지할 수도 있다.

이와 같이, 초음파 모터(82)는 통전이 해제되면 그 해제 시점의 상태를 유지하여 정지한다. 이 때문에, 기계식 스위치(42)를 온으로 한 상태에서 통전을 해제하면, 그 온 상태를 유지할 수 있다. 이 때문에, 전술한 열식 초전도 스위치(41)의 상전도 전위 방지를 위해 기계식 스위치를 온 상태로 유지한 구성에 있어서, 온 상태를 유지하기 위해 통전 상태를 계속하여 유지하는 것이 불필요하게 되고, 따라서 전력소모의 관점에서 적합하다.

또, 구동 기구(80)에 압전 세라믹(압전 소자)으로 이루어진 초음파 모터(82)를 사용하였기 때문에, 자계의 영향을 받기 어렵고, 초전도 자석 장치 내부의 자장 분포에 따른 배치의 제약이 없다. 또, 초전도 코일(10)의 기자력을 바꾸는 경우 등 자장이 바뀌어도 기계식 스위치(42)를 확실하게 구동할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명의 실시 형태는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 형태를 취할 수 있는 것은 말할 것도 없다.

예컨대, 상기 제2 실시예에서는 압전 소자로부터 이루어진 구동 기구로서 압전 세라믹을 사용한 초음파 모터로 이루어진 것에 대하여 설명하였으나, 예컨대 압전 세라믹 등의 압전 소자에 전압을 인가한 때의 신장을 이용하여 통전 제어에 의해 이를 신축시키고 그 신축 작용에 의해 구동 기구를 진퇴시켜서 기계식 스위치(42)의 접점을 접촉 또는 개방시키도록 하여도 좋다. 또, 압전 소자로서는 압전 세라믹 이외에도 압전 단결정이나 압전 유기물로 이루어진 것을 사용하여도 좋다.

또, 상기 각 실시예에서는, 제2 전류 리드(32) 및 기계식 스위치(42)를 저렴한 상전도재로 구성하였으나, 이를 초전도재로 구성하여도 좋은 것은 물론이다.

또한, 상기 각 실시예에 있어서는, 내조(21)의 저온 영역의 냉각 방식으로서 외부 냉동기로부터 내조(21) 내부로 액체 헬륨 등의 냉각 매체를 공급하여 냉각하도록 하였으나, 외부 냉동기로부터의 열전도를 이용하여 냉각하도록 하여도 좋다. 마찬가지로, 열실드(22)의 중간 온도 영역의 냉각 방식으로서 외부 냉동기로부터 액체 질소 등의 냉각 매체를 도입하여 냉각하도록 하였으나, 외부 냉동기로부터의 열전도를 이용하여 냉각하도록 하여도 좋다.

본 발명에 의하면, 스위치의 전환시에 장치 내부로의 열 침입을 방지 또는 억제하여 외부 냉동기로의 냉동 부하를 경감함과 동시에, 그 전환 동작을 신속히 행할 수 있는 초전도 자석 장치, 예컨대 자기부상식 차량(Maglev)용 초전도 자석 장치를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 내부에 저온 영역을 형성하여 초전도 코일을 수용하는 내조와, 상기 내조를 덮도록 배치되어 상기 저온 영역보다 온도가 높은 중간 온도 영역을 형성하는 열실드와, 상기 열실드를 내부에 수용하여 외부 공기와 격리시키고 상기 중간 온도 영역보다 온도가 높은 상온 영역을 형성하는 외조로 구성되는 진공 용기;

   일단에서 상기 초전도 코일에 접속됨과 동시에 타단에서 상기 진공 용기의 외부에 설치된 외부 여자 전원으로 연결되는 리드선에 접속된 전류 리드;

   상기 초전도 코일의 양단을 단락 또는 개방하기 위하여 온ㆍ오프되는 스위치; 및

   상기 스위치의 온ㆍ오프를 전환하는 스위치 전환 수단;

   을 포함하며, 상기 스위치를 오프로 한 상태에서 상기 외부 여자 전원으로부터 상기 전류 리드를 통하여 상기 초전도 코일에 전류를 공급하고, 상기 초전도 코일에 소요 자계가 발생된 후 상기 스위치를 온 상태로 하여 상기 초전도 코일의 양단을 단락시킴으로써 영구 전류 모드로 이행하는 초전도 자석 장치에 있어서,

   상기 전류 리드는, 그 일단이 상기 저온 영역에서 상기 초전도 코일의 일단에 접속하는 제1 전류 리드와, 일단이 상기 중간 온도 영역에서 상기 제1 전류 리드의 타단에 접속하고 타단이 상기 상온 영역에서 상기 리드선에 접속하는 제2 전류 리드로 이루어지며, 또한 적어도 상기 제1 전류 리드는 상기 중간 온도 영역에서 초전도 상태로 되는 초전도 전류 리드로 구성되고,

   상기 스위치는, 상기 저온 영역에서 상기 초전도 코일의 양단에 접속되어 이를 단락시키는 열식 초전도 스위치와, 상기 중간 온도 영역에서 상기 제1 전류 리드의 양단에 상기 열식 초전도 스위치에 대하여 병렬로 접속되고 상기 초전도 코일을 단락 가능하게 구성된 기계식 스위치로 이루어지며, 상기 기계식 스위치는 상기 중간 온도 영역에 배치되어 상기 스위치 전환 수단에 의해 구동되는 구동 기구를 통하여 온ㆍ오프되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기계식 스위치는 상전도재로 구성된 상전도 스위치인 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 스위치 전환 수단은 영구 전류 모드로의 이행 개시와 동시에 상기 기계식 스위치를 온 상태로 하여 상기 열식 초전도 스위치가 소정의 초전도 상태에 달하면 상기 기계식 스위치를 오프 상태로 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 구동 기구는 상기 초전도 코일에서 발생한 자장과의 상호 작용에 의해 전자력을 발생시키는 상전도 솔레노이드를 사용한 기구로 이루어지고, 상기 전자력에 의해 상기 기계식 스위치의 접점을 접촉 또는 개방하여 상기 기계식 스위치를 온ㆍ오프하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 구동 기구는 압전 소자를 사용한 기구로 이루어지고, 상기 압전 소자를 통전 또는 통전 해제함으로써 상기 기계식 스위치의 접점을 접촉 또는 개방시켜 상기 기계식 스위치를 온ㆍ오프하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 구동 기구는 상기 압전 소자로 이루어진 초음파 모터를 사용한 슬라이더 기구로 구성된 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.