KR20130060182A

KR20130060182A - 강한 자기장을 생성할 수 있는 향상된 코일 및 그 코일의 제작방법

Info

Publication number: KR20130060182A
Application number: KR1020127027232A
Authority: KR
Inventors: 프랑수아 드브레; 장 뒤마스; 롤프 피스테; 크리스토프 트로핌; 장-마크 투델라; 나딘 비달
Original assignee: 쌩뜨레 나티오날 데 라 르세르쉬 생띠끄 (씨. 엔. 알. 에스)
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2013-06-07
Also published as: FR2959059A1; US9275780B2; CN102934178B; JP2013529377A; US20130038331A1; EP2561521A1; EP2561521B1; WO2011131645A1; CN102934178A; KR101874652B1; JP5913288B2

Abstract

본 발명은 전도성 및/또는 초전도성 물질로 만들어진 원통형 튜브에 턴들을 형성하는 단계를 포함하는, 전류가 코일을 통해 흐를 때 강한 자기장을 생성하는 코일의 제작방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 상기 코일의 적어도 하나의 턴의 엣지에 적어도 하나의 만입부를 형성하는 단계 및 만입부를 포함하는 턴과 인접 턴 사이에 절연 물질을 배치하는 단계를 포함하고, 함몰부는 코일이 응력을 받을 때 절연 물질을 가지고 튜브의 내부와 외부 사이에 채널을 형성하도록 엣지에 만들어진다.
본 발명의 다른 목적은 전류가 코일을 통해 흐를 때 강한 자기장을 생성하는 코일에 관한 것으로서, 상기 코일은 턴(3)들을 형성하기 위해 컷아웃선을 따라 컷아웃된, 전도성 및/또는 초전도성 물질로 만들어진 적어도 하나의 튜브(2)를 포함하며, 컷아웃선을 적어도 부분적으로 덮는 절연 물질을 구비하고, 적어도 하나의 턴(3)은 상기 절연 물질의 맞은편의 엣지에 형성된 적어도 하나의 만입부(10)를 포함하고, 상기 만입부(10)는 코일이 응력을 받을 때 절연 물질을 가지고 튜브(2)의 내부와 외부 사이에 통로를 형성한다.

Description

강한 자기장을 생성할 수 있는 향상된 코일 및 그 코일의 제작방법{IMPROVED COIL CAPABLE OF GENERATING AN INTENSE MAGNETIC FIELD AND METHOD FOR MANUFACTURING SAID COIL}

본 발명은 자기장을 생성할 수 있는 코일에 관한 것으로, 구체적으로는 강한 자기장을 생성하도록 및/또는 큰 기계적 응력(stress) 하에서 수행하도록 적용된 자기장을 생성할 수 있는 코일 및 이러한 코일의 제작방법에 관한 것이다.

자기장 생성의 분야에서, 강한 전류가 흐르는 하나 이상의 코일로 구성된 "자석들(magnets)"에 의해 강한 자기장을 생성하는 것이 잘 알려져 있으며, 상기 코일은 냉각된다.

상기 코일은 일반적으로 전도성 또는 초전도성(superconducting) 물질로 이루어진 원통형 튜브로 구성되고, 턴(turn)들을 형성하기 위해서 일정하거나 일정하지 않은 피치(pitch)로 전체 나선형(helicoidal) 컷아웃선(cut-out line)을 따라 컷아웃된다.

강한 장(intense field)을 위한 이러한 코일들은 강한 자기장 실험실들에서만 현재 거의 유일하게 사용되며, 예컨대 자기 공명을 통한 이미징(imaging)을 위한 "핵 자기 공명(Nuclear Magnetic Resonance)"의 두문자를 가진 NMR 기계들에서 사용될 수 있다.

이 NMR 기계들은 통상 환자를 위해 마련된 중앙 공간을 가진 터널 타입의 구조와, 균일한(homogeneous) 강한 주(main) 자기장을 중앙 관찰 공간에서 생성하기 위해 두 개의 수단들을 일체화한 환형의(annular) 구조와, 무선주파수 여기(excitation) 수단, 및 여기 시퀀스(sequence)들에 응답하여 중앙 관찰 공간에 배치된 환자의 신체에 의해 재방출된 신호를 위한 무선주파수 처리(processing) 수단을 가진다. 응답으로 보내진 무선주파수 신호들을 구별시키고 이미지를 생성하기 위해서, 이 기계들은 또한 강한 균일한 장(homogeneous field)에 추가적인 자기장들을 중첩시키기(superpose) 위하여 구배 코일(gradient coil)로서 알려진 코일들을 포함하는데, 그 값은 적용 장소의 공간적 좌표에 따라서 달라진다.

이러한 NMR 기계는 예컨대 프랑스 특허 출원 FR 2 892 524에서 설명되어 있다.

유도 코일(induction coil)들을 설명하는 문헌 US 2,592,802, EP 0 146 494, 및 US 3,466,743 또한 알려져 있다.

문헌 US 2,592,802은, 턴들 간의 분리를 보장하는 수직 부분에 의해 분리되는 턴들을 형성하기 위해서 다수의 전체(overall) 나선형 컷아웃선들을 따라 컷아웃된, 전도성 물질로 만들어진 튜브를 포함하는 유도 코일을 설명한다. 상기 분리 부분은, 유익하게는 절연 물질로 만들어진 로드(rod)가 삽입되는 원통형 홀(hole)의 양쪽에 한 쌍의 스페이싱 부재(spacing member)를 형성하기 위해 컷아웃되고, 이 로드는 턴들 간의 임의의 접촉을 방지하기 위해 스페이서(spacer)로서 작용한다.

문헌 EP 0 146 494는 원통형 튜브 내에 만들어진 불완전한 환형 컷아웃부(cut-out)들을 포함하는 유도 코일을 설명하는데, 상기 불완전한 환형 컷아웃부들은 두 개의 수직 컷아웃부들에 의해서 연결된다. 이러한 타입의 유도 코일은 원자로 내에서 스페이서들을 대체하기 위해 의도된 것이며, 고강도 전류를 수신해서 강한 장을 형성하기 위해 의도된 것이 아니다.

문헌 US 3,466,743은, 턴들을 형성하기 위해 전체 나선형 컷아웃선을 따라 컷아웃된, 전도성 물질로 만들어진 튜브를 포함하는 코일을 설명하는데, 상기 턴들은 튜브를 따라 처음에 만들어진 홀들을 통해서 지나가며, 컷아웃선 및/또는 홀들은 상당한 고강도 전류가 코일을 통해서 지나갈 때 임의의 변형을 방지하고 턴들 간의 분리(separation)를 유지시키기 유해서 절연 물질로 채워진다. 특히, 절연 스페이서가 홀의 레벨(level)에 배치될 때, 스페이서는 이 홀을 완전히 채우고 인접하는 턴들을 펼칠 수 있도록 더 큰 치수들을 가진다.

이 문헌들에서 설명된 코일들 중의 어느 것도, 강한(즉, 1T 보다 큰) 장으로 알려진 자기장을 형성하도록 또는 강한 자기장 내에 배치되도록 의도되지 않았고, 그 구조는 이러한 애플리케이션들을 위해서 적용되지 않는다.

특히, 자기장의 구배 코일들 또는 강한 자기장을 생성하는 것은 코일의 턴들의 변형을 낳는 기계적 응력을 초래하는 강한 전자기적 힘에 종속된다. 턴들의 변형은 기계의 신뢰성의 부족 및/또는 양질의 이미징을 수행하기에 유해한 자기장의 비균일성(inhomogeneity)을 초래할 수 있다. 이러한 이유로, 2009년 4월 30일에 공개된 출원 WO 2009/053420은 복수의 턴들을 형성하기 위해 전체 나선형 선을 따라서 컷아웃된, 전도성 물질로 만들어진 튜브를 포함하는 코일들을 이용할 것을 제안하는데, 여기서 적어도 하나의 턴은 인접 턴에 형성된 상응하는 형태의 만입부(indentation)의 오른쪽으로 뻗는 적어도 하나의 돌출부(boss)를 포함한다. 이러한 구성은 열원(thermal origin)의 기계적 힘 및 전자기적 힘에 의해 야기되는 기계적 응력을 흡수한다는 이점이 있다.

하지만, 초전도성 자석과 같은 많은 애플리케이션들에 대해서, 코일 구조가 특히 냉각 유체(cooling fluid), 바람직하게는(예컨대, 질소, 헬륨, 또는 수소를 기초로 한) 극저온 유체에 의해 영구적으로 냉각될 수 있을 필요가 있다. 이러한 냉각은 또한 구조 내에서 가능한 한 균일해야 한다. 이러한 냉각은 특히 천이(transit) 또는 저항성 전이(resistive transition)(≪켄치(quench)≫)의 경우에 구조에 의해서 겪게 되는 열적 증가를 보상하는데 유용하다.

그러므로, 본 발명의 목적 중의 하나는 특히 초전도성 자석을 형성하기 위하여 강한 자기장을 생성하도록 적용된 코일 또는 한 세트의 코일들 및 저비용의 단순한 설계로 이러한 코일을 제작하기 위한 방법을 제안함으로써 이러한 모든 단점들을 바로잡는 것이다.

더욱 구체적으로, 본 발명의 목적은, 열적으로 조절되고 제작하기에 용이하게 적용되며 바람직하게는 열원의 기계적 힘 및/또는 전자기적 힘에 의해 코일들의 턴들상에 가해지는 기계적 응력들을 흡수하는 코일 또는 한 세트의 코일들을 제공하는 것이다.

이러한 목적으로, 본 발명에 따라서, 전도성 및/또는 초전도성 물질로 만들어진 튜브에 턴(turn)들을 형성하는 단계를 포함하는, 전류가 코일을 통해 흐를 때 강한 장으로 알려진 자기장을 생성할 수 있는 코일의 제작방법이 제안되고, 상기 방법은 상기 코일의 적어도 하나의 턴의 엣지(edge)에 적어도 하나의 만입부(indentation)를 형성하는 적어도 하나의 단계를 포함하고, 상기 만입부는 튜브의 내부와 외부 사이에 채널을 형성하는 것을 특징으로 한다.

더욱 구체적으로는, 절연 물질이 만입부를 포함하는 턴과 인접 턴 사이에 배치되는 경우에, 상기 만입부는 코일이 응력을 받을 때 절연 물질을 가지고 튜브의 내부와 외부 사이에 통로를 형성하도록 엣지에 만들어진다.

본 방법의 바람직하되 비제한적인(non-limiting) 관점들은 다음 관점의 하나 또는 조합으로 취해진다:

- 적어도 하나의 만입부를 형성하는 단계는 상기 코일의 적어도 하나의 턴의 엣지에 적어도 하나의 제1 만입부를 형성하는 단계 및 제1 만입부가 제2 만입부와 마주보도록 인접 턴의 엣지에 적어도 하나의 제2 만입부를 형성하는 단계를 포함하고, 인접하는 턴들에서 만들어진 제1 및 제2 만입부들이 튜브의 내부와 외부 사이에 통로를 형성한다.

- 본 방법은 제1 만입부를 포함하는 턴상에 적어도 하나의 돌출부(boss)를 형성하는 단계 및 돌출부가 함몰부(recess)의 오른쪽으로 뻗어서 열원(thermal origin)의 기계적 힘 및 전자기적 힘에 의해 야기된 기계적 응력을 흡수하도록 제2 만입부를 포함하는 턴상에 적어도 하나의 함몰부를 형성하는 단계를 더 포함한다.

- 제1 만입부는 돌출부의 형태로 프로파일의 레벨에서 턴의 엣지에 형성되고, 제2 만입부는 함몰부의 형태로 프로파일의 레벨에서 턴의 엣지에 형성된다.

- 돌출부의 형성과 제1 함몰부의 형성이 한꺼번에(concomitantly) 이루어지고, 함몰부의 형성과 제2 만입부의 형성이 한꺼번에 이루어진다.

- 본 방법은 돌출부 또는 돌출부들, 및 상응하는 함몰부 또는 함몰부들, 및 만입부들의 사전(previous) 최적화 단계를 포함한다.

- 최적화 단계는 적어도 다음 단계들로 이루어진다:

턴들, 및 돌출부 또는 돌출부들, 및 상응하는 함몰부 또는 함몰부들의 메싱(meshing)을 결정하는 단계,

상기 메싱으로부터 온도 상승 및/또는 전자기장을 시뮬레이션하는 단계,

상기 온도 상승 및/또는 상기 전자기장을 돌출부들 및/또는 함몰부들을 갖지 않는 참조 메싱(reference meshing)의 온도 상승 및/또는 전자기장과 비교하는 단계,

턴들의 전자기적 및 열적 부하들 하에서의 변위를 돌출부들 및/또는 함몰부들을 갖지 않는 소위 참조 모델(reference model)의 변위와 비교하는 단계.

- 턴들, 돌출부들 및 상응하는 함몰부들, 및 만입부들이 전체 나선형(helicoidal) 컷아웃부의 선을 따라 원통형 튜브의 컷아웃에 의해 형성된다.

- 절연 물질은 두 개의 인접하는 턴들 사이에서 컷아웃선에 배치되고, 이 절연 물질은 복수의 미세한(fine) 중첩된 절연 시트들을 포함하는 절연판들의 형태일 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따라서, 전류가 코일을 통해 흐를 때 강한 장으로 알려진 자기장을 생성할 수 있는 코일이 제안되고, 상기 코일은 턴들을 형성하기 위해 컷아웃선을 따라 컷아웃된, 전도성 및/또는 초전도성 물질로 만들어진 적어도 하나의 튜브 또는 한 세트의 튜브를 포함하며, 적어도 하나의 턴은 상기 턴의 엣지에 형성된 적어도 하나의 만입부를 포함하고, 상기 만입부는 튜브의 내부와 외부 사이에 채널을 형성한다.

코일은 바람직하게는 컷아웃선을 적어도 부분적으로 덮는 절연 물질을 포함하고, 만입부는 상기 절연 물질의 맞은편의 턴의 엣지에 형성되고, 상기 만입부는 코일이 응력을 받을 때 절연 물질을 가지고 튜브의 내부와 외부 사이에 채널을 형성한다.

본 코일의 바람직하되 비제한적인 관점들은 다음 관점의 하나 또는 조합으로 취해진다:

- 적어도 하나의 턴은 인접 턴의 엣지에 형성된 제2 만입부를 마주보는, 턴의 엣지에 형성된 적어도 하나의 제1 만입부를 포함하고, 인접하는 턴들에 만들어진 제1 및 제2 만입부들은 튜브의 내부와 외부 사이에 채널을 형성한다.

- 제1 만입부를 포함하는 턴은 제2 만입부를 포함하는 인접 턴에 형성된 상응하는 형태의 함몰부의 오른쪽으로 뻗는 적어도 하나의 돌출부를 더 포함하고, 제1 및 제2 만입부들은 각각 돌출부 및 함몰부의 형태로 프로파일의 레벨에서 상응하는 턴들의 엣지에 형성된다.

- 턴의 인접 돌출부들은 각도적으로 오프셋이 있다.

- 코일은 오목함(concavity)이 동일한 방향으로 지향된 복수의 돌출부들 및 함몰부들을 포함한다.

- 코일은 복수의 돌출부들 및 함몰부들을 포함하고, 적어도 하나의 돌출부의 오목함은 적어도 하나의 제2 돌출부의 오목함의 지향의 반대로의 지향을 가진다.

- 각각의 만입부는 일반적인 반원 또는 삼각형 또는 정사각형 또는 직사각형 또는 사다리꼴 형태를 가진다.

- 턴들은 다수의 만입부들을 포함하고, 턴의 인접 만입부들은 각도적으로 오프셋(offset)이 있다.

- 코일은 컷아웃선을 적어도 부분적으로 덮는 절연 물질을 포함하고, 적어도 하나의 만입부는 상기 절연 물질의 맞은편의 턴의 엣지에 만들어진다.

- 절연 물질은 복수의 중첩된 미세한 절연 시트들을 갖는 절연판을 포함한다.

- 코일은 고체의 초전도성 물질로 만들어진다.

- 코일은 초전도성 물질로 형성된 리본(ribbon) 또는 와이어(wire)를 더 포함하고, 상기 리본 또는 와이어는 튜브의 내부 및/또는 외부 면상에 고정된다.

본 발명에 따른 코일은 바람직하게는, 예컨대 초전도성 자석과 같은 강한 또는 균일한 장을 위한 자석을 형성하기 위해 이용될 것이다.

이러한 코일은 또한 핵 자기 공명 기계의 솔레노이드 구배 코일(solenoid gradient coil)로서 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 코일의 투시도이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 코일의 투시도이고,
도 3은 절연판들의 압축 전의 본 발명의 제3 실시 예에 따른 코일의 세부 투시도이고,
도 4는 절연판들의 압축에 이어지는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 코일의 세부 투시도이고,
도 5는 본 발명에 따른 코일을 만들기 위한 단계들을 도시하는 다이어그램이다.

본 발명의 상술한 이점들 및 특징들과 다른 이점들 및 특징들이 본 발명에 따른 자기장을 생성할 수 있는 코일, 특히 강한 자기장을 생성할 수 있는 코일 및 그 코일을 제작하기 위한 방법의 비제한적인 예로서 주어지는 여러 변형 실시 예들에 대한 이하의 설명 및 첨부된 도면으로부터 드러날 것이다.

도 1을 참조하면, 코일(1)은 바람직하게는 전체에 걸친 빈 원통형 튜브(2)를 포함하고, 여기서 턴(3)들은 바람직하게는 나선형 컷아웃선(4)을 따라 임의의 적절한 커팅(cutting) 수단을 이용해서 형성되었고, 상기 튜브(2)는 금속과 같은 전기적 전도성 물질 또는 바람직하게는(예컨대, 비스무트(Bismuth)의 합금, 또는 이트륨(Yttrium) 또는 MgB2의 화합물과 같은) 벌크(bulk) 초전도성으로 만들어지고, 상기 코일은 선택적으로 컷아웃선(4)을 덮는 절연 물질을 당업자에게 알려진 방식으로 포함한다.

턴(3)들을 가지고 제공된 튜브(2)는 이러한 코일(1)을 구성할 수 있다. 하지만, 다른 실시 예에 따르면, 턴들을 가진 튜브는 권선을 위한 지지체(support)를 구성하고, 이러한 "지지체 + 권선(support + winding)" 조립체가 상기 코일을 형성한다. 초전도성 자석의 경우에, 권선은 예컨대 스파이럴형(spiral)으로 컷아웃된 튜브를 둘러싸는(예컨대, NbTi, Nb3Sn, Nb3Al, 또는 YBaCuO 타입의 합금을 포함하는) 초전도성 밴드(band) 또는 와이어(wire)에 의해 형성될 수 있다. 그러므로, 튜브는 밴드 또는 와이어를 위한 기계적 지지체로서 기능하고, 또한 초전도성 자석의 열적 조절(thermal regulation)에 이용된다. 다른 변형 예에서, 초전도성 밴드 또는 와이어는 헬릭스형(helix)으로 컷아웃된 튜브의 내부 면상에서 지지되고 고정된다. 게다가, 코일은 복수의 튜브(2)들로 만들어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 튜브(2)의 내부와 외부 사이에서, 개구(opening), 즉, 통로(passage) 또는 채널(channel)을 형성하도록 제공된 만입부와 같은 적어도 하나의 만입부(10)가 턴(3)들 중 적어도 하나의 엣지(edge)에 만들어진다. 코일이 응력을 받거나 응력을 받지 않을 때, 만입부(10)는 튜브(2)의 내부와 외부 사이에서 개구, 즉, 통로 또는 채널을 형성한다.

이런 점에서, 만입부(10)는 튜브(2)에서의 물질의 제거에 상응한다. 특히, 만입부(10)는 상기 만입부를 포함하는 턴에 인접 턴의 엣지에 만들어진 어떠한 상응하는 형태를 가지지 않는다. 그러므로, 만입부(10)를 구성하는 이러한 물질의 제거는 서로에 대한 턴들의 위치에 관계없이, 즉 이들이 서로에 대해 응력을 받든지 받지 않든지 간에 또는(절연 물질과 같은) 구성요소들이 인접 턴들 사이에 끼워지든지 끼워지지 않든지 간에, 코일을 통해 개구를 생성한다.

튜브의 내부와 외부 사이에 지금 형성된 통로는 코일을 통해서 냉각 유체, 예컨대 물 또는 극저온 유체(예컨대, 질소, 헬륨, 또는 수소를 기초로 한 유체)를 순환시킨다. 그러므로, 이것은, 튜브가 코일을 형성하기 위한 코일링(coiling)에 대한 지지체로서 기능하든 또는 이와 같은 코일을 구성하든, 구조의 영구적인 냉각을 가능하게 한다.

이러한 냉각을 위한 가능성은 특히 초전도성 상태로부터 저항성 상태로의 천이 또는 전이(≪켄치≫)의 경우에 초전도성 코일에 의해 겪게 되는 임의의 열적 증가를 보상하기 위해 필요한 열전달(thermal transfer)을 보장하는데 있어서 이점이 있다.

튜브의 내부와 외부 사이에서 냉각 유체를 지나가게 함으로써 코일을 열적으로 조절할 수 있다는 사실은 또한 특히 열원으로 이루어질 수 있는 기계적 변형을 감소시키기 위해 이점이 있다.

선호되는 바와 같이, 만입부 또는 만입부들은 절연 물질의 맞은편에 위치한 턴들의 엣지의 영역에 만들어진다. 사실상, 컷아웃선(4)의 전부 또는 일부를 덮는 절연 물질이 컷아웃선(4)에 배치될 때, 이 절연 물질은 두 개의 인접 턴들 사이에서 가열 유체의 순환을 막는 장벽을 형성하고, 초전도체에 대한 ≪켄치≫의 경우 및 저항성 자석의 정상 동작시에 존재하는 국부 가열(local heating)을 초래한다. 절연 물질의 맞은편의 턴(3)들 중 적어도 하나가 그 엣지의 레벨에서 만입부(10)를 가질 때, 이러한 만입부는 선호되는 열전달을 가능하게 할 개구를 형성한다. 그러므로, 절연 물질과 함께, 만입부(10)는 코일이 응력을 받을 때 튜브(2)의 내부와 외부 사이에서 통로를 형성한다. 그러므로, 절연 물질의 맞은편의 만입부의 형성은 냉각 유체의 통로를 통해서 상기 절연 물질의 레벨에서 코일을 열적으로 조절해서, 임의의 국부 가열을 방지한다.

각각의 턴들의 엣지들에서 만들어진 만입부들은 임의의 형태, 예컨대 반원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 사다리꼴, 또는 냉각 유체를 위한 통로를 생성할 임의의 다른 형태일 수 있다. 만입부의 형태 및 사이즈는 냉각 유체의 흐름을 허용하고, (예컨대, 턴들의 최소 폭을 고려하여) 턴들의 물리적(특히 기계적 및 전기적) 속성을 보장하면서 그 유량(flow rate)를 제어하도록 최적화될 것이라는 점이 주목되어야 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 코일(1)의 복수의 턴(3)들은 인접 턴(3)에 형성된 상보적(complementary) 만입부(11)를 마주보는 만입부(10)를 포함해서, 만입부들(10, 11)이 합동하여 냉각 유체의 흐름을 위한 튜브(2)의 내부와 외부 사이의 개구를 형성한다. 상보적 만입부라 함은 유사 형태를 갖는 만입부, 즉 유사 물질을 제거한 만입부를 의미한다.

절연 물질이 만입부(10) 및 상보적 만입부(11)를 나타내는 두 개의 인접 턴들 사이에 존재하는 경우에, 코일이 응력을 받으면, 튜브(2)의 내부와 외부 사이의 개구는 절연 물질과 만입부(10) 및 상보적 만입부(11) 각각에 의해 형성된 두 개의 통로를 포함한다.

이러한 실시 예는 특히, 두 개의 인접 턴들 위로 개구의 사이즈를 분산시키는 턴들의 폭이 작게 유지되어야 할 때 바람직하고, 그래서, 만입부들의 레벨에서 턴들을 너무 많이 무르게 하는(embrittle) 것을 방지한다. 이러한 경우에, 여러 개의 인접 턴들에서 만들어진 만입부들은 유익하게는 각 오프셋(angular offset)을 나타낼 수 있다.

도 1에 도시된 특정 실시 예에서 각각의 턴(3)의 폭이 일정하지만; 턴들의 전부 또는 일부의 폭이 변할 수 있으며, 만입부들의 레벨에서 포함하는, 두 개의 인접 턴들을 분리시키는 공간의 폭은 바람직하게는 일정하다.

앞서 지적한 바와 같이, 바람직하게는 나선형 컷아웃선(4)을 따라서 컷아웃해서, 턴(3)들이 전체 원통형 튜브(2)에 형성된다. 나선형 컷아웃부(4)는 정규직교 데카르트 좌표계(orthonormal Cartesian system)에서 매개변수 방정식에 따라서 만들어지고, 또는 축 Oz가 튜브(2)의 회전축과 결합된다:

x = R·cos t, y = R·sin t, z = k·t 이며, 여기서, k는 엄격하게 양의 상수를 나타낸다. R 및 t는 평면 OXOY에서 원통형 좌표에 해당한다.

도 2에서 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 코일(1)의 복수의 턴(3)들은, 고강도 전류가 통과해서 지나갈 때 턴(3)들상에서 전자기적 쌍(electromagnetic couple)들에 의해 야기된 기계적 응력을 흡수하기 위해 인접 턴(3)에서 형성된 상응하는 형태의 함몰부(6)의 오른쪽으로 뻗는 돌출부(5)를 포함한다. 앞에서와 같이, 만입부(10)는 또한 돌출부(5)의 형태로 프로파일(profile)의 레벨에서 턴(3)의 엣지에 제공되고, 선택적이지만 바람직하게는, 상보적 만입부(11)는 함몰부(6)의 형태로 프로파일의 레벨에서 턴(3)의 엣지에 제공된다. 각각의 만입부는 턴의 돌출분의 형태로 프로파일에서 제공되어, 인접 턴의 함몰부의 형태로 프로파일에서 만들어진 상보적 만입부를 마주본다. 이러한 식으로, 돌출부(5)가 상응하는 함몰부(6)의 오른쪽으로 뻗을 때, 만입부들(10, 11)은 튜브의 내부와 외부 사이에 통로 또는 채널을 형성하도록 협조하고, 이는 냉각 유체의 흐름을 위해 이용될 수 있다.

턴들의 각각에서 만입부들과 연계된 돌출부들 및 함몰부들의 이러한 배열은 한편으로는 열원의 기계적 변형들 및 전자기적 힘에 기인한 기계적 변형들을 보상하기 위하여 상당히 유익하다. 이러한 결합된 효과(combined effect)는 열적 조절의 관점에서 만입부들의 초기 효과(initial effect)에 보태진다.

게다가, 돌출부들 및 함몰부들의 레벨에 만입부들을 배치한다는 사실은 이것이(예컨대, 전기부식(electroerosion) 와이어에 의한 컷아웃의 방법에 의해) 상응하는 돌출부들 및 함몰부들과 한꺼번에(concomitantly) 상기 만입부들을 기계가공 하기 때문에 특히 유익하고, 그래서 상기 코일의 열적 속성을 상당히 향상시킴과 동시에, 코일의 기계가공(machining) 공정을 복잡하게 하지 않는다.

이러한 특정 실시 예에서, 턴(3)들의 모든 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들은 길이방향(longitudinal) 직선을 따라서 전체적으로 정렬된다.

또한, 두 개의 인접하는 턴들의 돌출부(5)들은 각도적으로 오프셋(offset)이 있을 수 있다는 것은 명백하다.

도 2에서 임의로 수직적으로 도시된, 코일(1)의 상부 부분은 복수의 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들을 포함하고, 여기서 오목함(concavity)은 상기 코일(1)의 하부 끝을 향해 동일한 방향으로 지향된다.

게다가, 코일(1)의 하부 부분은 또한 복수의 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들을 포함하고, 여기서 오목함은 예컨대 상기 코일(1)의 상부 부분을 향해 동일한 방향으로 지향되고, 상기 코일의 상부 부분의 턴(3)들의 돌출부(5)들의 오목함의 지향에 대한 방향의 반대이다.

코일(1)은 하나 이상의 턴들상에 하나의 돌출부 및 하나의 함몰부만을 또는 복수의 돌출부들 및 함몰부들을 포함할 수 있다고 이해되며, 여기서 적어도 하나의 돌출부의 오목함은 적어도 하나의 제2 돌출부의 오목함의 지향에 반대로 지향된다.

이 실시 예에서, 각각의 돌출부(5), 및 그 결과 각각의 함몰부(6)는 일반적인 반원 형태를 가지지만, 각각의 돌출부(5)가 예컨대 삼각형, 정사각형, 또는 직사각형과 같은 임의의 형태를 가질 수 있다는 것은 명백하다.

나선형 컷아웃부(4)는 정규직교 좌표계에서 매개변수 방정식에 따라 얻어지고, 여기서 축 Oz는 튜브(2)의 회전축과 일치한다:

x = R·cos f(t), y = R·sin f(t), z = k·g(t) 이며, 여기서, R 및 k는 엄격하게 양의 상수이다.

f(t)는 레이디얼 평면(radial plane)에서 Oz를 따라 컷아웃부의 각도를 조정하기 위해 f(t,θ)에 의해서 대체될 수 있다는 것이 명백하다. 그리고, 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들은 전체적으로 원뿔모양의 형태를 가질 것인데, 다시 말해, 그 엣지들은 튜브(2)의 회전축에 직각이지 않을 것이다.

함수 g(t)는 바람직하게는 삼각 함수의 형태이며, 예컨대:

x = R·cos(t), y = R·sin(t)

z = t/(2*π)*(1+a*cos(4t)) 이다.

그래서, 나선형 컷아웃부(4)는 매개변수 방정식들에 따라 얻어진 참조의 나선형 컷아웃부에 대해 턴(3)들에서 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들을 형성한다:

x = R·cos t, y = R·sin t, z = k·t 이며, 여기서, k는 엄격하게 양의 상수이다.

본 명세서의 내용에서, 돌출부는 나선형 컷아웃부 참조선에 의해 만들어진 턴에 대하여 턴(3)의 돌출 부분을 의미한다.

도 3 및 4를 참조하여, 본 발명의 코일의 다른 변형 실시 예에 따르면, 후자는 앞에서와 같이 전체 원통형 튜브(2)를 포함하는데, 여기서 턴(3)들은 전체 나선형 컷아웃선(4)을 따라서 컷아웃함으로써 형성되고, 상기 턴들은 상응하는 형태의 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들을 포함하고, 만입부는 또한 턴들의 각각의 돌출부 및 함몰부의 레벨에서 형성된다. 제시된 실시 예에서, 상기 돌출부(5)들 및 상기 함몰부(6)들은 사다리꼴 형태를 가지는 반면, 만입부들은 직사각형 형태를 가진다.

돌출부(5)들 및 함몰부(6)들의 단면은 튜브(3)의 외부벽으로부터 내부벽을 향해 감소될 수 있다.

돌출부들 및 함몰부들의 이러한 형태는 특히 얇은 턴들 및/또는 절연 웨징(wedging)을 위해 적용된다.

또한, 이러한 기술이 불균일한(non-uniform) 전류 밀도의 코일의 설계에 적용될 수 있다는 것이 명백하다.

게다가, 도 3을 참조하면, "미리 함침된(pre-impregnated)"의 영어 약어에 따라서 "pre-preg"로 알려진 미리 함침된 유리섬유(fibreglass) 판들과 같은 절연판(insulating plate)들 또는 폴리이미드(polyimide) 타입의 절연 시트(insulating sheet)들이 두 개의 인접하는 턴(3)들 사이에 배치될 수 있고, 상기 판들은 바람직하게는 환형 섹션(section)의 형태를 가진다. 이 절연판(7)들의 도입을 가능하게 하기 위해서, 턴(3)들은 임의의 적절한 수단에 의해 펼쳐진다(도 3). 이 절연판(7)들은 유익하게는 여러 개의 미세한 중첩된 시트(8)들, 적어도 세 개의 미세한 중첩된 절연 시트(8)들을 포함한다. 이러한 식으로, 절연물이 압축되는(compressed) 경우에, 도 4를 참조하면, 단선 없이 턴(3)의 윤곽과 일치한다. 사실상, 얇은 절연 시트(8)들의 이러한 중첩은 절연체(insulator)의 내부 응력의 감소를 초래한다. 게다가, 중간 시트(8)는 턴(3)들의 금속성 또는 초전도성 물질과 결코 직접 접촉하지 않고, 증가된 전기적 안전성을 보장한다.

절연판(7)들이 임의의 수의 시트(8)들을 포함할 수 있고, 이들이 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 임의의 절연 물질로 만들어질 수 있다는 것이 명백하다.

절연판(8)들을 포함하는 영역에 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들의 레벨에서 만들어진 만입부 또는 만입부들(10, 11)을 배치하는 것은 특히 이 만입부들에 의해 만들어진 개구가 이 영역에서의 열전달을 보장하기 때문에 이점이 있고, 반대편 영역에서 코일 내에 열점(hot point)을 형성하는 것은 균일한 열적 조절을 가능하게 하기 위해 방지된다.

나아가, 연속하는 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들 사이에서의 절연판들의 웨징은 돌출부(5) 및 함몰부(6)를 포함하는 두 개의 영역들 사이에서 냉각 액체의 흐름을 가능하게 한다(도 4)는 점을 주목해야 한다. 사실상, 절연판들은 튜브(2) 내에 형성된 턴(3)들을 펼치고, 돌출부(5) 및 함몰부(6)를 포함하는 두 개의 영역들 사이에서 개구(9)들을 생성하고, 이 개구(9)들도 튜브의 내부와 외부 사이에서 냉각 유체의 순환을 가능하게 하고, 그 반대도 마찬가지다. 상기 냉각 액체는 예컨대, 저항성 자석의 경우에 물을 포함하고 또는 초전도성 물질의 경우에 헬륨 또는 액체 질소를 포함한다. 그러므로, 이러한 배열은 증가된 열적 조절을 가지는데, 이것은 함몰부(6)들 및 돌출부(5)들 사이에서 만들어진 개구(9)들뿐 아니라 만입부들(10, 11)에 의해서 형성된 통로들의 레벨에서 영향받기 때문이다.

본 발명에 따른 코일을 제작하기 위한 방법이 이제 도 5를 참조하여 설명될 것이다.

초기 단계(100)에서, 턴들의 기하학적 모델이 오픈 캐스케이드 에스에이에스(Open Cascade SAS)사에 의해 출시된 오픈 캐스케이드(Open Cascade) 또는 CATIA®와 같은 CAD(computer-aided design) 소프트웨어에 의해서 만들어진다. 턴(3)들의 메싱(meshing), 돌출부 또는 돌출부(5)들의 메싱, 및 상응하는 함몰부 또는 함몰부(6)들과 만입부들(10, 11)의 메싱이 예컨대, 디스틴(Distene)사에 의한 Ghs3d® 메시어(mesher) 또는 CATIA® 소프트웨어와 같은 응용 소프트웨어를 이용해서 CAD 모델에 의해 단계(200)에서 수행되고, 단계(300)에서 앞에서의 메싱에 상응하는 온도 상승 및/또는 전자기장 및/또는 기계적 거동의 시뮬레이션이 수행된다.

이 메싱에 의해 생성된 상기 온도 상승 및/또는 전자기장 및/또는 기계적 변형은, 단계(400)에서, 돌출부들과 함몰부들을 갖지 않는 참조 모델과 비교된다. 필요하다면, 턴들의 기하구조에 수정이 가해질 수 있다. 이후, 이 공정은 적용되는 모델을 획득하기 위하여 반복된다.

동일한 공정이 기계적 응력의 최적화를 위해서 이용될 수 있다.

전자기적 및 열적 부하에 기인한 변위(displacement)의 최소화 및/또는 최소 온도 상승 및/또는 균질 또는 준균질(quasi-homogeneous) 자기장을 갖는 메싱을 획득하기 위해서, 단계 100 내지 400이 반복된다.

이후, 이러한 식으로 결정되어 보유된 컷아웃부에 상응하는 파라미터화된 커브(parameterised curve)가, 단계(500)에서, 튜브(2) 내에 턴(3)들, 돌출부(5)들과 함몰부(6)들, 및 만입부들(10, 11)의 컷아웃을 진행하는 디지털 커팅 기계로 전송된다. 만입부들(10, 11)이 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들의 레벨에 배치될 때, 그들의 컷아웃부는 기계가공의 관점에서 매우 유익한 상응하는 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들의 컷아웃부들로서 동시에 수행될 수 있다.

메싱 단계(100) 이전에, 턴들의 수, 턴들의 폭, 및 튜브의 길이, 두께, 외부 지름을 포함하는 튜브의 치수들을 결정하기 위한 단계는, 공개문헌 「"Magnet Calculations at the Grenoble High Magnetic Field Laboratory", Christophe Trophime, Konstantin Egorov, Francois Debray, Walter Joss and Guy Aubert, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY. VOL. 12, NO 1, MARCH 2002」의 개념에 맞추어 수행될 수 있다.

게다가, 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들이 상호 협조하여 턴들이 중앙에 위치하는 것을 보장한다는 점이 명백하다.

튜브(2)는 한 세트의 튜브들을 포함할 수 있고, 상기 튜브(2) 또는 튜브들의 세트는 전도성 물질 및/또는 벌크 초전도성 물질로 만들어진다고 이해된다. 이와 달리, 튜브(2)는 예컨대 구리 또는 스테인리스 스틸로 만들어진 지지 튜브(supporting tube)를 구성할 수 있고, 여기에 초전도성 와이어 또는 케이블들이 납땜과 같은 것에 의해 연결된다. 그래서, 본 발명에 따라 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들을 갖춘 지지 튜브는, 우연이든 아니든 초전도성 부분의 정상 상태로의 귀환(return)인 "켄치(quench)"의 경우에 열적 손실(thermal dissipation)로서 전자기적 힘을 흡수하는 것을 가능하게 한다.

마지막으로, 상술한 코일은 예컨대 실험적인 목적을 위한 자기장 생성 또는 핵 자기 공명 이미징의 분야에서 다수의 애플리케이션을 가질 수 있고, 상술한 예들은 단지 구체적인 설명을 위한 것이며 본 발명의 응용 분야를 제한하고자하는 것이 아니라는 점이 명백하다.

Claims

전도성 및/또는 초전도성 물질로 만들어진 튜브에 컷아웃선(cut-out line)을 따라서 턴(turn)들을 형성하는 단계를 포함하는, 전류가 코일을 통해 흐를 때 강한 장(field)으로 알려진 자기장을 생성할 수 있는 코일의 제작방법으로서,
상기 코일의 적어도 하나의 턴의 엣지(edge)에 적어도 하나의 만입부(indentation)를 형성하는 적어도 하나의 단계 및 만입부를 포함하는 턴과 인접 턴 사이에 절연 물질을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 만입부는 코일이 응력을 받을 때 절연 물질을 가지고 튜브의 내부와 외부 사이에 채널을 형성하도록 엣지에 형성되는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
상기 청구항에 있어서,
적어도 하나의 만입부를 형성하는 단계는 상기 코일의 적어도 하나의 턴의 엣지에 적어도 하나의 제1 만입부를 형성하는 단계 및 제1 만입부가 제2 만입부와 마주보도록 인접 턴의 엣지에 적어도 하나의 제2 만입부를 형성하는 단계를 포함하고, 인접하는 턴들에 만들어진 제1 및 제2 함몰부(recess)들이 튜브의 내부와 외부 사이에 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
상기 청구항에 있어서,
제1 만입부를 포함하는 턴상에 적어도 하나의 돌출부(boss)를 형성하는 단계 및 돌출부가 함몰부의 오른쪽으로 뻗어서 열원(thermal origin)의 기계적 힘 및 전자기적 힘에 의해 야기된 기계적 응력을 흡수하도록 제2 만입부를 포함하는 턴상에 적어도 하나의 함몰부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
상기 청구항에 있어서,
제1 만입부는 돌출부의 형태로 프로파일의 레벨에서 턴의 엣지에 형성되고, 제2 만입부는 함몰부의 형태로 프로파일의 레벨에서 턴의 엣지에 형성되는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
상기 청구항에 있어서,
돌출부의 형성과 제1 함몰부의 형성이 한꺼번에 이루어지고, 함몰부의 형성과 제2 만입부의 형성이 한꺼번에 이루어지는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
청구항 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
돌출부 또는 돌출부들, 및 상응하는 함몰부 또는 함몰부들, 및 만입부들의 사전(previous) 최적화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
청구항 제6항에 있어서,
최적화 단계는 적어도:
- 턴들, 및 돌출부 또는 돌출부들, 및 상응하는 함몰부 또는 함몰부들의 메싱(meshing)을 결정하는 단계,
- 상기 메싱으로부터 온도 상승 및/또는 전자기장을 시뮬레이션하는 단계,
- 상기 온도 상승 및/또는 상기 전자기장을 돌출부들 및/또는 함몰부들을 갖지 않는 참조 메싱의 온도 상승 및/또는 전자기장과 비교하는 단계,
- 턴들의 전자기적 및 열적 부하들 하에서의 변위를 돌출부들 및/또는 함몰부들을 갖지 않는 소위 참조 모델(reference model)의 변위와 비교하는 단계
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
청구항 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
턴들, 돌출부들 및 상응하는 함몰부들, 및 만입부들이 전체 나선형(helicoidal) 컷아웃선을 따라 원통형 튜브의 컷아웃에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
절연 물질은 복수의 중첩된 미세한(fine) 절연 시트(8)들을 포함하는 절연판(7)들의 형태로 두 개의 인접하는 턴들 사이에서 컷아웃선에 배치되는 것을 특징으로 하는 코일의 제작방법.
전류가 코일을 통해 흐를 때 강한 장으로 알려진 자기장을 생성할 수 있는 코일로서, 상기 코일(1)은 턴(3)들을 형성하기 위해 컷아웃선(4)을 따라 컷아웃된, 전도성 및/또는 초전도성 물질로 만들어진 적어도 하나의 튜브(2)를 포함하며, 상기 코일은 컷아웃선(4)을 적어도 부분적으로 덮는 절연 물질을 포함하고, 적어도 하나의 턴(3)은 상기 절연 물질의 맞은편의 턴(3)의 엣지에 형성된 적어도 하나의 만입부(10)를 포함하고, 상기 만입부(10)는 코일이 응력을 받을 때 절연 물질을 가지고 튜브(2)의 내부와 외부 사이에 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 코일.
제 10 항에 있어서,
적어도 하나의 턴(3)은 인접 턴(3)의 엣지에 형성된 제2 만입부(11)를 마주보는, 턴의 엣지에 형성된 적어도 하나의 제1 만입부(10)를 포함하고, 인접하는 턴들에 만들어진 제1(10) 및 제2(11) 만입부들은 튜브(2)의 내부와 외부 사이에 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 코일.
제 11 항에 있어서,
제1 만입부(10)를 포함하는 턴(3)은 제2 만입부(11)를 포함하는 인접 턴(3)에 형성된 상응하는 형태의 함몰부(6)의 오른쪽으로 뻗는 적어도 하나의 돌출부(5)를 더 포함하고, 제1(10) 및 제2(11) 만입부들은 각각 돌출부(5) 및 함몰부(6)의 형태로 프로파일의 레벨에서 상응하는 턴(3)들의 엣지에 형성되는 것을 특징으로 하는 코일.
제 12 항에 있어서,
턴(3)의 인접 돌출부들(5)은 각도적으로 오프셋(offset)이 있는 것을 특징으로 하는 코일.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
오목함(concavity)이 동일한 방향으로 지향된 복수의 돌출부(5)들 및 함몰부(6)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 코일.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
복수의 돌출부들(5) 및 함몰부들(6)을 포함하고, 적어도 하나의 돌출부(5)의 오목함은 적어도 하나의 제2 돌출부(5)의 오목함의 지향의 반대로의 지향을 나타내는 것을 특징으로 하는 코일.
제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 만입부(10, 11)는 일반적인 반원 또는 삼각형 또는 정사각형 또는 직사각형 또는 사다리꼴 형태를 나타내는 것을 특징으로 하는 코일.
제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
턴(3)들은 다수의 만입부들을 포함하고, 턴(3)의 인접 만입부들은 각도적으로 오프셋(offset)이 있는 것을 특징으로 하는 코일.
제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
절연 물질은 복수의 중첩된 미세한 절연 시트(8)들을 갖는 절연판(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코일.
제 10 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
고체의 초전도성 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 코일.
제 10 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
초전도성 물질로 형성된 리본(ribbon) 또는 와이어(wire)를 더 포함하고, 상기 리본 또는 와이어는 튜브(2)의 내부 및/또는 외부 면상에 고정되는 것을 특징으로 하는 코일.
제 10 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
초전도성 자석에 적용되는 것을 특징으로 하는 코일.
제 10 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
핵 자기 공명 기계의 솔레노이드 구배 코일(solenoid gradient coil)에 적용되는 것을 특징으로 하는 코일.