KR20130090565A - 냉동 시스템 및 이를 채용한 초전도 자석 장치 - Google Patents

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Abstract

냉동 시스템 및 이를 채용한 초전도 자석 장치가 개시된다. 개시된 냉동 시스템은 열 차폐부를 냉각하는 저온 단부를 갖는 냉동기 및 냉동기의 저온 단부에 열 접촉하며 높은 열 용량을 갖는 열 관성 부재를 포함한다. 이러한 냉동 시스템은 전류의 충전 혹은 방전시 발생되는 열에 의한 냉동기의 저온 단부의 온도 증가 속도를 열 관성 부재에 의해 억제시킬 수 있다.

Description

냉동 시스템 및 이를 채용한 초전도 자석 장치{Cryocooler and superconducting magnet apparatus employing the same}
본 개시는 냉동 시스템 및 이를 채용한 초전도 자석 장치에 관한 것이다.
자기 공명 촬영 장치(Magnetic Resonance Imaging; MRI)와 같은 장치는 초전도 자석을 이용한다. 초전도 자석은 4.2K와 같은 극저온에서 초전도 현상을 유지하므로, 이러한 극저온의 온도를 유지하기 위한 냉동 시스템이 요구된다.
냉동 시스템에 통상적으로 채용되는 2단 냉동기(two-stage cyrocooler)는 예를 들어 40 내지 50 K에서 동작하는 제1 단부(first stage)와 예를 들어 4 K에서 동작하는 제2 단부(second stage)를 구비한다. 제2 단부는 초전도체(즉, 초전도 코일)에 직간접적으로 열접촉하여 초전도체를 냉각시키며, 제1 단부는 실내 온도와 초전도체 사이의 열전달을 억제하는 열 차폐부를 냉각한다.
한편, MRI 장비의 냉동 시스템에서 초전도 자석이 충전(ramp up) 혹은 방전(ramp down)되는 동안에 전류 도입선의 저항 부분에서 열이 발생하게 되므로, 이에 대한 대비가 필요하다. 전통적으로 냉동 시스템으로 사용되어 왔던 수조형 냉각(bath cooling) 시스템은 초전도 자석을 냉각하는데, 초전도 자석이 충전 혹은 방전되는 동안에 발생되는 열은 액체 헬륨 공급기로부터 기화되는 헬륨 증기의 흐름 속에서 이들 전류 도입선들을 냉각시키는 방식으로 처리된다. 그런데, 이러한 수조형 냉각 방식은 과도한 헬륨 소비 문제가 있다. 열 사이폰(thermosiphon) 방식이나 무냉매 방식(cryogen-free)의 냉동 시스템의 경우, 이러한 헬륨 증기 냉각이 유용하지 않으며 초전도 자석이 충전 혹은 방전되는 동안에 발생되는 열은 냉동기의 냉동 성능의 한계로 인해 충분히 냉각되지 못할 수 있다.
본 발명은 전류를 충전 혹은 방전시키는 동안에 발생되는 열에 의한 온도 증가를 억제시키는 구조를 갖는 냉동 시스템 및 이를 채용한 초전도 자석 장치를 제시하고자 한다.
본 발명의 한 측면에 따르는 냉동 시스템은 초전도체를 열 차폐하는 열 차폐부; 열 차폐부를 냉각하는 저온 단부를 갖는 냉동기; 및 냉동기의 저온 단부에 열 접촉하며 높은 열 용량을 갖는 열 관성 부재;를 포함한다.
열 관성 부재는 텅스텐, 납, 구리, 또는 알루미늄을 포함하는 금속 또는 물 얼음, 탄화 수소, 왁스, 또는 고체 질소를 포함하는 비금속 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 텅스텐, 납, 구리, 또는 알루미늄과 같은 금속이나 상온에서 고체인 비금속은 그 자체로 냉동기의 제1 단부에 열 접촉할 수 있으며, 물 얼음, 탄화 수소, 왁스, 또는 고체 질소와 같은 비금속은 저장조에 담긴 상태로 냉동기의 제1 단부에 열 접촉할 수 있을 것이다.
열 관성 부재는 냉동기의 저온 단부 둘레의 적어도 일부를 감싸도록 배치될 수 있다.
열 관성 부재는 열 차폐부의 냉동기의 저온 단부와 접촉하는 부위에 인접하여 배치될 수 있다.
열 관성 부재는 열 차폐부의 냉동기의 저온 단부와 접촉하는 부위의 두께가 두텁게 형성되어 이루어질 수도 있다.
냉동기는 초전도체를 냉각시키는 초전도체 냉각용 단부를 갖는 2단 냉동기일 수 있다. 또는 초전도체를 냉각시키는 초전도체 냉각용 냉각기가 별도로 마련될 수도 있다.
냉동기는 열 사이펀 방식으로 초전도체를 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 냉동기의 초전도체 냉각용 단부가 삽입되며 냉매를 포함하는 밀폐용기와, 밀폐용기로부터 냉매가 유출입되도록 연결되며 초전도체에 열접촉하여 열대류에 의해 초전도체를 냉각시키는 열교환 튜브가 마련될 수 있을 것이다.
냉동기는 무냉매 방식으로 초전도체를 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 냉동기의 초전도체 냉각용 단부는 직접 혹은 좋은 열 전도성을 갖는 열전도 부재를 통해 상기 초전도체에 열 접촉될 수 있을 것이다.
냉동기의 저온 단부와 열 접촉하며 초전도체에 전류를 인가하는 전류 도입선이 더 마련될 수 있다. 열 관성 부재는 전류 도입선과 열 접촉하여 전류 도입선에 전류가 흐르면서 발생되는 열에 의한 온도 증가 속도를 억제시킬 수 있다. 전류 도입선은 열 차폐부의 외곽의 제1 전류 도입선과 열 차폐부 내부의 제2 전류 도입선을 포함하며, 열 차폐부는 초전도체와 제2 전류 도입선을 진공 밀폐시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 초전도 자석 장치는 초전도 코일; 초전도 코일을 열 차폐하는 열 차폐부; 열 차폐부를 냉각하는 저온 단부를 갖는 냉동기; 및 냉동기의 저온 단부에 열 접촉하며 높은 열 용량을 가지는 열 관성 부재;를 포함한다. 이러한 초전도 자석 장치는 자기 공명 촬영 장치 또는 자기부상식 차량용 초전도 자석장치일 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 냉동 시스템 및 이를 채용한 초전도 자석 장치는 전류를 충전 혹은 방전시키는 동안에 발생되는 열에 의한 온도 증가를 억제시킬 수 있다. 이러한 효과는, 예를 들어 냉동 시스템이 열 사이펀 방식이나 무냉매 방식에서 이용하기 곤란한 헬륨 증기 냉각 없이도, 충전 혹은 방전시키는 동안에 발생되는 열에 의한 냉동기의 저온 단부의 온도 증가 속도를 억제하고 전류 인입선의 과열 등을 방지할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 자석 장치를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 자석 장치를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 자석 장치를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 자석 장치를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동 시스템(100)을 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 냉동 시스템(100)은 냉동기(110)과, 열 관성 부재(120)와, 열 차폐부(130)를 포함한다. 열 차폐부(130)는 초전도체를 둘러싸며 주변으로부터 열 차폐한다. 열 차폐부(130)는 예를 들어 알루미늄으로 형성될 수 있으며, 외부로부터의 열 유입을 방지한다.
냉동기(110)는 열 차폐부(130)에 열접촉되어 냉각시키는 저온 단부(111)를 포함한다. 이러한 냉동기(110)는 열 차폐부(130)를 냉각시키는 제1 단부와 초전도체(미도시)를 냉각시키는 제2 단부(도 2의 212 참조)를 갖는 2단 냉동기일 수 있다. 2단 냉동기의 제1 단부와 제2 단부는 서로 다른 온도에서 동작한다. 예를 들어, 제1 단부는 40 내지 50 K에서 동작하며, 제2 단부는 4 K에서 동작할 수 있다. 본 실시예에서 저온 단부(111)는 2단 냉동기의 제1 단부일 수 있다. 냉동기(110)는 저온 단부(111)(즉, 2단 냉동기의 제1 단부)는 열 차폐부(130)에 열접촉하여 열 차폐부(130)를 냉각하며, 제2 단부는 초전도체에 직간접으로 열접촉하여 냉각시킨다. 경우에 따라서, 냉동기(110)는 3단 이상의 냉동기일 수 있으며, 이 경우 저온 단부(111)는 열 차폐부(130)에 열접촉하는 단부들 중 어느 하나일 수 있다. 냉동기(110)는 열 차폐부(130)만을 냉각하고, 초전도체를 냉각하기 위한 초전도체용 냉동기(도 5의 520 참조)가 별도로 마련될 수 있음은 물론이다. 이와 같은 냉동기(110)는 지포드-맥마혼(Gifford-MacMahon: GM) 냉동기나 펄스 튜브(Pulse Tube) 냉동기 등의 공지된 냉동기일 수 있다.
열 관성 부재(120)는 높은 열 용량 물질(High Heat Capacity Material: HHCM)로 형성되며, 냉동기(110)의 저온 단부(111)에 열적으로 연결된다. 열 관성 부재(120)는 냉동기(110)의 저온 단부(111)에 부가적으로 부착되는 부재일 뿐만 아니라, 냉동기(110)의 저온 단부(111)에 인접하게 위치하는 기존의 구성요소일 수도 있다. 열 관성 부재(120)로 사용될 수 있는 높은 열 용량 물질(HHCM)은 텅스텐, 납, 구리, 또는 알루미늄과 같은 금속, 또는 물 얼음, 탄화 수소, 왁스, 또는 고체 질소와 같은 비금속을 포함할 수 있다. 열 관성 부재(120)의 재료의 선택은 기술적인 성능, 비용, 가용성 및 처리의 용이성에 의해 달라질 수 있다. 이러한 열 관성 부재(120)는 냉동기(110)의 저온 단부(111) 및 냉동기(110)의 저온 단부(111)가 열접촉하는 열 차폐부(130)의 급격한 온도 상승을 제한한다.
본 실시예의 냉동 시스템(100)이 초전도 자석 장치에 적용되는 경우, 초전도체인 초전도 코일에 전류를 충전 혹은 방전시키는 전류 도입선(140)이 더 마련될 수 있다. 전류 도입선(140)은 열 차폐부(130)의 외부로부터 열 차폐부(130)를 관통하여 초전도 코일에 전기적 접속을 한다. 전류 도입선(140)의 일부는 냉동기(110)의 저온 단부(111) 및 열 관성 부재(120)에 열접촉하도록 배치된다. 전류 도입선(140)의 저항 부분은 초전도 코일에 전류를 충전 혹은 방전하는 동안 주울(Joule) 열이 발생될 수 있는바, 냉동기(110)의 저온 단부(111)는 전류 도입선(140)의 웜 단부(warm end))를 냉각시킨다. 나아가, 열 관성 부재(120)는 전류 도입선(140)이 열에 의해 급격히 온도 상승하는 것을 억제하는 기능을 수행한다.
다음으로, 본 실시예의 냉동 시스템(100)의 동작을 설명한다.
(전류 도입선(140)에 전류가 흐르지 않는) 정상 동작 하에서, 냉동기(110)의 저온 단부(111), 열 관성 부재(120), 열 차폐부(130), 및 전류 도입선(40)은 열적 평형 상태에 있다. 즉, 정상 동작 하에서, 열 차폐부(130)는 냉동기(110)의 저온 단부(111)로 단위시간당 Qsh의 열 부하를 전도하며, 전류 도입선(40)은 냉동기(110)의 저온 단부(111)로 단위시간당 Qcl의 열 부하를 전도한다. 이때, 냉동기(110)의 저온 단부(111)로 전도되는 열은 냉동기(110)의 냉각 파워 Qcc와 열적 평형을 이루어 하기의 수학식 1을 만족한다.
Figure pat00001
또한, 냉동기(110)의 저온 단부(111)의 온도를 T1, 열 관성 부재(120)의 온도를 T2, 열 차폐부(130)의 온도를 T3, 전류 도입선(140)(보다 엄밀히 말하면, 전류 도입선(140)의 냉동기(110)의 저온 단부(111)의 열 접촉 부위)의 온도를 T4라 하면, 정상 동작 하에서 열 관성 부재(120)는 냉동기(110)의 저온 단부(111)와 동일한 온도에 있을 것이며, 따라서 열 관성 부재(120)와 냉동기(110)의 저온 단부(111) 사이에는 실질적인 열 전달이 발생되지 않을 것이다. 즉, 정상 동작 하에서 다음과 같은 수학식 2 및 수학식 3을 만족한다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, Qti는 냉동기(110)의 저온 단부(111)로 유입 혹은 유출되는 열를 나타낸다.
전류가 흐르는 전류 도입선(140)에 있어서 저항 부분은 열을 발생한다. 전류 도입선(140)에서 발생되는 열은 냉동기(110)의 저온 단부(111)로 전도된다.
한편, 초전도 코일에 전류를 충전 혹은 방전시키는 동안에, 전류 도입선(140)에 전류가 흐르게 된다. 전류 도입선(140)은 열 차폐부(130)의 내측 부분이 (고온) 초전도체로 이루어져 있다고 할지라도, 열 차폐부(130)의 외측이나 열 차폐부(130)와의 접촉 부위는 저항을 가지므로, 초전도 코일에 전류를 충전 혹은 방전시키는 동안에, 전류 도입선(140)의 저항 부분에서는 주울 열이 발생된다. 발생되는 주울 열은 전류 도입선(40)으로부터 냉동기(110)로 단위시간당 전도되는 열의 증가 ΔQ를 일으키게 된다. 즉, 전류가 인가되면 다음과 같은 수학식 4의 상태에 있게 된다.
Figure pat00004
수학식 4에서 볼 수 있듯이 냉동기(110)의 저온 단부(111)로 유입되는 열은 냉동기(110)의 냉각 파워 Qcc보다 크므로, 냉동기(110)의 저온 단부(111)는 온도가 증가하기 시작한다. 그러나, 냉동기(110)의 저온 단부(111)로 유입되는 열의 일부는 열 관성 부재(120)로 향하게 되므로, 냉동기(110)의 저온 단부(111)의 온도 증가 속도는 열 관성 부재(120)에 의해 감소되게 된다. 즉, 전류가 인가될 때, 냉동기(110)의 저온 단부(111)의 온도 증가 속도는 다음과 같은 수학식 5를 만족한다.
Figure pat00005
여기서, Mti와 Cti는 열 관성 부재(120)의 질량 및 비열 용량을 나타낸다. 한편, 수학식 5는 열 관성 부재(120)의 열 용량이 충분히 커서 냉동기(110)의 저온 단부(111)의 열 용량이 무시된 근사치이다.
수학식 5은 열 관성 부재(120)의 열 용량이 클수록 냉동기(110)의 저온 단부(111)의 온도 증가 속도가 작아짐을 보여준다. 따라서, 열 관성 부재(120)의 재료 및 크기를 적절히 선택함으로써, 전류 도입선(140)과도한 온도 상승 없이 초전도 코일에 전류가 충전 혹은 방전될 수 있도록 냉동기(110)의 저온 단부(111)의 온도 증가를 둔화시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 자석 장치(200)를 개략적으로 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 초전도 자석 장치(200)는 초전도체인 초전도 코일(250)과, 초전도 코일(250)을 열 차폐하는 열 차폐부(230)와, 초전도 코일(250)을 냉각시키는 냉동 시스템과, 초전도 코일(250)에 전류를 충전 혹은 방전시키는 전류 도입선(240)을 포함한다. 냉동 시스템은 냉동기(210)과, 열 관성 부재(220)를 포함한다. 열 차폐부(230)는 초전도 코일(250)을 진공 상태에서 열 차폐하는 진공 용기일 수 있다. 냉동기(210)과, 열 관성 부재(220)와, 전류 도입선(240)은 하우징(260)에 의해 밀폐될 수 있다. 하우징(260)은 냉동기(210)에 의해 냉각되는 열 차폐부(230)를 상온으로부터 열 차폐할 수 있다. 이러한 하우징(260) 역시 진공 용기일 수 있다.
초전도 코일(250)은 저온 초전도체 혹은 고온 초전도체로 형성될 수 있으며, 전류가 인가되면 초전도 자석이 된다.
냉동기(210)는 제1 단부(211)와, 제2 단부(212)를 포함하는 2단 냉동기일 수 있다. 냉동기(210)의 제1 단부(211)는 열 차폐부(230)에 열접촉하여 열 차폐부(230)를 냉각한다. 냉동기(210)는 열 사이펀(thermosiphon) 방식으로 초전도 코일(250)을 냉각한다. 일 예로, 냉동기(210)의 제2 단부(212)는 냉매(214)가 담긴 밀폐용기(215)의 내부에 배치된다. 밀폐용기(215)는 냉매(214)가 유출입되도록 열교환 튜브(216)와 연결된다. 열교환 튜브(216)는 초전도 코일(250)의 적어도 일부는 감싸도록 배치된다. 냉매(214)는 헬륨, 네온, 질소 등이 사용될 수 있으며, 요구되는 냉각 온도에 따라 선택될 수 있다.
열 관성 부재(220)는 높은 열 용량 물질(HHCM)로 형성되며, 냉동기(210)의 제1 단부(211)에 부가적으로 부착되어 열적으로 연결된다. 가령, 열 관성 부재(220)는 냉동기(210)의 제1 단부(211)가 열 차폐부(230)를 냉각하는 부위에서 제1 단부(211) 둘레의 적어도 일부를 감싸도록 배치될 수 있다. 이러한 열 관성 부재(220)는 텅스텐, 납, 구리, 또는 알루미늄과 같은 금속로 형성된 부재, 또는 물 얼음, 탄화 수소, 왁스, 또는 고체 질소와 같은 비금속을 포함한 저장조일 수 있다. 열 관성 부재(220)는 냉동기(210)의 제1 단부(211)의 급격한 온도 상승을 제한한다.
전류 도입선(240)은 하우징(260)과 열 차폐부(230) 사이에 있는 제1 전류 도입선(241)과 열 차폐부(230) 내에서 초전도 코일(250)과 전기적 접속을 하는 제2 전류 도입선(242)을 포함할 수 있다. 전류 도입선(240)의 제1 단부(241)의 적어도 일는 냉동기(210)의 제1 단부(211) 및 열 관성 부재(220)에 열접촉하도록 배치된다. 제1 전류 도입선(241)은 일 예로 도전성이 좋은 구리나 황동과 같은 금속 재질로 형성될 수 있다. 제2 전류 도입선(242)은 일 예로 도전성이 좋은 구리나 황동과 같은 금속 재질이나 고온 초전도체 등으로 형성될 수 있다. 제1 전류 도입선(241)의 경우, 재질이 도전성이 좋더라도 저항이 있으므로, 전류가 흐르면 주울 열이 발생된다. 한편, 제2 전류 도입선(242)의 경우, 고온 초전도체로 형성된다면 주울 열이 무시될 수 있으나 구리나 황동과 같은 물질로 형성된다면 주울 열이 발생될 것이다.
다음으로, 본 실시예의 초전도 자석 장치(200)의 동작을 설명한다.
정상 상태에서 냉동기(210)의 제1 단부(212)에 의해 냉각된 냉매(214)는 자연 열 대류 혹은 직접 접촉을 통한 열 전도에 의해 초전도 코일(250)를 냉각하며, 이에 따라 초전도 코일(250)은 초전도 상태에 있게 된다. 초전도 코일(250)에 전류가 흐르는 영구 모드에서, 초전도 코일(250)은 초전도 자석이 된다. 초전도 코일(250)을 냉각하여 따뜻해진 냉매는 밀폐용기(215)로 열대류에 의해 유입되어 냉동기(210)의 제2 단부(212)에 의해 냉각된다.
한편, 냉동기(210)의 제1 단부(211)는 열 차폐부(230)를 냉각하여 외부와 내부를 열적으로 차단한다. 이때, 전류 도입선(240)에는 전류가 흐르지 아니하므로, 전류 도입선(240)에서는 주울 열이 발생되지 아니하며, 냉각기(210)의 제1 단부(211)와 제1 단부(211)의 주변 부재들(즉, 열 관성 부재(220), 열 차폐부(230), 전류 도입선(240))은 열적 평형 상태에 있게 된다.
한편, 초전도 코일(250)에 전류를 충전하거나 혹은 방전하는 경우, 전류 도입선(240)에는 전류가 흐르게 되며, 전류 도입선(240)의 저항 부분에는 주울 열이 발생된다. 본 실시예의 냉동 시스템과 같은 열 사이펀 방식은 초전도 코일(250)을 냉각하는 냉매가 밀폐된 열교환 튜브(216)를 통해 이동하므로, 통상적인 수조형 냉각(bath cooling) 방식에서 이용되는 증기 냉각은 전류 도입선(240)에서 발생되는 열을 냉각시키는데 유용하지 않다. 이에 본 실시예의 초전도 자석 장치(200)는 열 관성 부재(220)를 이용하여 충전 혹은 방전되는 동안의 냉동기(210)의 제1 단부(211)의 온도 증가를 완만하게 하여 충전 혹은 방전되는 동안 발생되는 열에 의한 초전도 깨짐(quenching)과 같은 문제를 억제한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 자석 장치(300)를 개략적으로 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 초전도 자석 장치(300)는 냉동기(210)과 열 관성 부재(320)를 포함하는 냉동 시스템과, 열 차폐부(330)와, 전류 도입선(240)과, 초전도 코일(250)과, 하우징(260)을 포함한다.
본 실시예의 초전도 자석 장치(300)는 열 관성 부재(320)가 열 차폐부(330)의 일체로 형성되어 있다는 점을 제외하고는 도 2를 참조하여 설명한 초전도 자석 장치(200)와 실질적으로 동일하다. 즉, 본 실시예의 열 관성 부재(320)는 열 차폐부(330)의 냉동기(210)의 제1 단부(21)와의 열 접촉부 근방의 두께(T)를 두껍게 하여 형성된다. 열 용량은 재질의 물리적 특성에 해당되는 비열과 재질의 크기에 비례하므로, 열 차폐부(330)의 냉동기(210)의 제1 단부(21)와의 열 접촉부 근방의 두께(T)를 두껍게 함으로써 해당 부위의 열 용량을 증대시킬 수 있다. 이 경우, 열 차폐부(330)의 재질 역시 높은 비열 용량을 갖는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 자석 장치(400)를 개략적으로 도시한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 초전도 자석 장치(400)는 냉동기(410)과 열 관성 부재(220)를 포함하는 냉동 시스템과, 열 차폐부(230)와, 전류 도입선(240)과, 초전도 코일(250)과, 하우징(260)을 포함한다.
본 실시예의 초전도 자석 장치(400)는 냉동기(410)가 무냉매 방식(cryogen-free) 냉동기라는 점을 제외하고는 도 2를 참조하여 설명한 초전도 자석 장치(200)와 실질적으로 동일하다. 즉, 본 실시예의 냉동기(410)는 제2 단부(412)와 초전도 코일(250)이 열 전도성이 좋은 열전도 부재(415)를 통해 직접적으로 열 접촉되도록 배치된다. 경우에 따라서는 열전도 부재(415) 없이 냉동기(410)의 제2 단부(412)가 직접적으로 초전도 코일(250)에 열 접촉할 수 있을 것이다. 한편, 냉동기(410)의 제1 단부(411)는 열 차폐부(230)를 냉각시키며, 열 관성 부재(220)에 열접촉되어 있다는 점은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 초전도 코일(250)이 무냉매 방식으로 냉각되더라도, 열 관성 부재(220)의 기능은 전술한 바와 같다. 따라서, 본 실시예의 초전도 자석 장치(400) 역시 열 관성 부재(220)를 이용하여 충전 혹은 방전되는 동안의 냉동기(410)의 제1 단부(411)의 온도 증가를 완만하게 하여 충전 혹은 방전되는 동안 발생되는 열에 의한 퀀칭과 같은 문제를 억제한다.
전술한 실시예들에서 냉동 시스템은 열 사이펀 방식 혹은 무냉매 방식을 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명은 이러한 방식에 한정되는 것은 아니다. 가령, 수조형 냉각(bath cooling) 시스템에서 냉각기의 제1 단부에 열 관성 부재를 열 접촉시킬 수도 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 자석 장치(500)를 개략적으로 도시한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 초전도 자석 장치(500)는 열차폐부용 냉동기(510)와, 열 관성 부재(220)와, 초전도체용 냉동기(520)를 포함하는 냉동 시스템과, 열 차폐부(230)와, 전류 도입선(240)과, 초전도 코일(250)과, 하우징(260)을 포함한다.
본 실시예의 초전도 자석 장치(500)는 열차폐부용 냉동기(510)와 초전도 코일용 냉동기(520)가 분리되어 있다는 점을 제외하고는 도 2를 참조하여 설명한 초전도 자석 장치(200)와 실질적으로 동일하다. 즉, 본 실시예에서 열차폐부용 냉동기(510)는 열 차폐부(230)를 냉각하며, 초전도 코일용 냉동기(520)는 열차폐부용 냉동기(510)에 기구적으로 분리되며 초전도 코일(250)을 냉각한다. 열차폐부용 냉동기(510)의 저온 단부(511)는 열 관성 부재(220) 및 열 차폐부(230)에 열접촉하며, 전술한 실시예들에서의 2단 냉동기의 제1 단부에 대응될 수 있다. 한편, 초전도 코일용 냉동기(520)의 초전도체 냉각용 단부(521)는 전술한 실시예들에서의 2단 냉동기의 제2 단부에 대응될 수 있다. 초전도 코일용 냉동기(520)의 냉각 방식은 도 2 내지 도 4을 참조하여 설명한 바와 같은 열 사이펀 방식 혹은 무냉매 방식을 채용할 수 있으며, 나아가 수조형 냉각 방식을 채용할 수도 있다.
열차폐부용 냉동기(510)의 저온 단부(511)가 열 차폐부(230)를 냉각시키며, 열 관성 부재(220)에 열접촉되어 있다는 점은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하며, 열 관성 부재(220)의 기능은 전술한 바와 같다. 따라서, 본 실시예의 초전도 자석 장치(500) 역시 열 관성 부재(220)를 이용하여 충전 혹은 방전되는 동안의 열차폐부용 냉동기(510)의 저온 단부(511)의 온도 증가를 완만하게 하여 충전 혹은 방전되는 동안 발생되는 열에 의한 퀀칭과 같은 문제를 억제한다.
한편, 전술한 실시예들에서 초전도 자석 장치(200, 300, 400, 500)는 자기 공명 촬영 장치(MRI)나, 자기부상식 차량용 초전도 자석장치 등일 수 있다. 예를 들어, 초전도 자석 장치(200, 300, 400, 500)가 MRI인 경우, 초전도 자석 장치(200, 300, 400, 500)는 경사 코일(gradient coil)이나 RF(radio frequency) 코일 등을 더 포함할 수 있을 것이다.
전술한 본 발명인 냉동 시스템 및 이를 채용한 초전도 자석 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 냉동 시스템 110, 210, 410, 510, 520 : 냉동기
111, 211, 411 : 제1 단부 212, 412 : 제2 단부
120, 220, 320 : 열 관성 부재 130, 230, 330 : 열 차폐부
140, 240 : 전류 도입선 200, 300, 400, 500 : 초전도 자석 장치
214 : 냉매 215 : 밀폐용기
216 : 열교환 튜브 250 : 초전도 코일
260 : 하우징 415 : 열전도 부재

Claims (29)

  1. 초전도체를 열 차폐하는 열 차폐부;
    상기 열 차폐부를 냉각하는 저온 단부를 갖는 냉동기; 및
    상기 냉동기의 저온 단부에 열 접촉하며 높은 열 용량을 갖는 열 관성 부재;를 포함하는 냉동 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 텅스텐, 납, 구리, 또는 알루미늄을 포함하는 금속 또는 물 얼음, 탄화 수소, 왁스, 또는 고체 질소를 포함하는 비금속 중 적어도 어느 하나로 형성되는 냉동 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 상기 냉동기의 저온 단부 둘레의 적어도 일부를 감싸도록 배치되는 냉동 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 상기 열 차폐부의 상기 냉동기의 저온 단부와 접촉하는 부위에 인접하여 배치되는 냉동 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 상기 열 차폐부의 상기 냉동기의 저온 단부와 접촉하는 부위의 두께가 두텁게 형성되어 이루어진 냉동 시스템.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉동기는 상기 초전도체를 냉각시키는 초전도체 냉각용 단부를 갖는 2단 냉동기인 냉동 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 냉동기는 열 사이펀 방식으로 초전도체를 냉각시키는 냉동 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 냉동기의 초전도체 냉각용 단부가 삽입되며 냉매를 포함하는 밀폐용기; 및
    상기 밀폐용기로부터 냉매가 유출입되도록 연결되며 상기 초전도체에 열접촉하여 열대류에 의해 상기 초전도체를 냉각시키는 열교환 튜브;를 더 포함하는 냉동 시스템.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 냉동기는 무냉매 방식으로 초전도체를 냉각시키는 냉동 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 냉동기의 초전도체 냉각용 단부는 직접 혹은 좋은 열 전도성을 갖는 열전도 부재를 통해 상기 초전도체에 열 접촉되는 냉동 시스템.
  11. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도체를 냉각시키는 초전도체용 냉각기를 더 포함하는 냉동 시스템.
  12. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉동기의 저온 단부와 열 접촉하며 상기 초전도체에 전류를 인가하는 전류 도입선을 더 포함하는 냉동 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 상기 전류 도입선과 열 접촉하여 상기 전류 도입선에 전류가 흐르면서 발생되는 열에 의한 온도 증가 속도를 억제시키는 냉동 시스템.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 전류 도입선은 상기 열 차폐부의 외곽의 제1 전류 도입선과 상기 열 차폐부 내부의 제2 전류 도입선을 포함하며, 상기 열 차폐부는 상기 초전도체와 상기 제2 전류 도입선을 진공 밀폐시키는 냉동 시스템.
  15. 초전도 코일;
    초전도 코일을 열 차폐하는 열 차폐부;
    상기 열 차폐부를 냉각하는 저온 단부를 갖는 냉동기;
    상기 냉동기의 저온 단부와 열 접촉하며 상기 초전도 코일에 전류를 인가하는 전류 도입선; 및
    상기 냉동기의 저온 단부에 열 접촉하며 높은 열 용량을 가는 열 관성 부재;를 포함하는 초전도 자석 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 텅스텐, 납, 구리, 또는 알루미늄을 포함하는 금속 또는 물 얼음, 탄화 수소(왁스), 또는 고체 질소를 포함하는 비금속 중 적어도 어느 하나로 형성되는 초전도 자석 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 상기 냉동기의 저온 단부 둘레의 적어도 일부를 감싸도록 배치되는 초전도 자석 장치.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 상기 열 차폐부의 상기 냉동기의 저온 단부와 접촉하는 부위에 인접하여 배치되는 초전도 자석 장치.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 상기 열 차폐부의 상기 냉동기의 저온 단부와 접촉하는 부위의 두께가 두텁게 형성되어 이루어진 초전도 자석 장치.
  20. 제15 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉동기는 상기 초전도 코일을 냉각시키는 초전도체 냉각용 단부를 갖는 2단 냉동기인 초전도 자석 장치.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 냉동기는 열 사이펀 방식으로 상기 초전도 코일을 냉각시키는 초전도 자석 장치.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 냉동기의 초전도체 냉각용 단부가 삽입되며 냉매를 포함하는 밀폐용기; 및
    상기 밀폐용기로부터 냉매가 유출입되도록 연결되며 상기 초전도 코일에 열접촉하여 열대류에 의해 상기 초전도 코일을 냉각시키는 열교환 튜브;를 더 포함하는 초전도 자석 장치.
  23. 제20 항에 있어서,
    상기 냉동기는 무냉매 방식으로 초전도 코일을 냉각시키는 초전도 자석 장치.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 냉동기의 초전도체 냉각용 단부는 직접 혹은 좋은 열 전도성을 갖는 열전도 부재를 통해 상기 초전도 코일에 열 접촉되는 초전도 자석 장치.
  25. 제15 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도 코일을 냉각시키는 초전도 코일용 냉각기를 더 포함하는 초전도 자석 장치.
  26. 제15 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉동기의 저온 단부와 열 접촉하며 상기 초전도 코일에 전류를 인가하는 전류 도입선을 더 포함하는 초전도 자석 장치.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 열 관성 부재는 상기 전류 도입선과 열 접촉하여 상기 전류 도입선에 전류가 흐르면서 발생되는 열에 의한 온도 증가 속도를 억제시키는 초전도 자석 장치.
  28. 제26 항에 있어서,
    상기 전류 도입선은 상기 열 차폐부의 외곽의 제1 전류 도입선과 상기 열 차폐부 내부의 제2 전류 도입선을 포함하며, 상기 열 차폐부는 상기 초전도 코일과 상기 제2 전류 도입선을 진공 밀폐시키는 초전도 자석 장치.
  29. 제15 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도 자석 장치는 자기 공명 촬영 장치 또는 자기부상식 차량용 초전도 자석장치인 초전도 자석 장치.
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