KR20160086682A - 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헬륨과 같은 극저온 냉매와 접촉하지 않고 냉각되는 전도냉각형 초전도 자석에 관한 것으로서 냉각 시간을 단축시키고 초전도체 부분의 온도를 더욱 낮게 해 줄 수 있는 극저온 냉동기와 초전도 자석 간의 연결 구조에 관한 것이다.
전도냉각형 초전도 자석은 주변이 진공인 상태에서 극저온으로 냉각이 되기 때문에 액체 헬륨이나 질소와 같은 냉매에 잠겨서 동작하는 초전도 자석보다 초전도 상태가 깨졌을 경우 발생되는 열을 배출하기 불리한 단점을 가진다. 발생되는 열을 외부로 배출시킬 수 있는 유일한 방법은 극저온 냉동기를 통하여 냉각시키는 방법뿐이므로 초전도 자석과 극저온 냉동기 사이의 열전달 특성이 좋아야 한다.
본 발명에서는 초전도 자석과 극저온 냉동기 사이의 전도냉각을 위한 열전달 특성을 향상시키기 위하여 극저온 냉동기의 가장 낮은 온도부인 콜드헤드(cold head)를 초전도 자석에 바로 접촉시키는 방법을 제안한다.

Description

전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템{Conduction Cooled Superconducting Magnet Cooling Structure}

본 발명은 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템에 관한 것으로, 헬륨과 같은 극저온 냉매와 접촉하지 않고 냉각되는 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템에 관한 것으로서, 냉각 시간을 단축시키고 초전도체 부분의 온도를 더욱 낮게 해 줄 수 있는 극저온 냉동기와 초전도자석 냉각시스템에 관한 것이다.

초전도체는 액체헬륨의 온도인 4 K (-269 ℃)에서 초전도 상태가 되는 저온초전도체와 액체질소의 온도인 77 K (-196 ℃)에서도 초전도 상태가 되는 고온초전도체가 있다. 초전도체의 대부분의 응용은 자석이라고 할 수 있으며 초전도자석을 만들기 위해서는 초전도체를 선재의 형태로 제작하여 권선을 한다.

초전도 자석은 77 K 이하의 낮은 온도에서 동작하기 때문에 이를 냉각하기 위해서 자석을 그 동작 온도에 따라 액체 헬륨이나 질소와 같은 극저온 냉매에 침적시키거나 냉매 없이 극저온냉동기에 직접 연결하여 전도냉각을 한다. 초전도 자석을 냉매에 직접 침적시키는 방법은 초전도 자석이 초전도 상태가 깨져서 전기 저항이 발생하는 주울 열이나 기계적인 마찰열 등이 극저온 냉매를 통하여 쉽게 배출될 수 있기 때문에 더 높은 안정성을 갖는 초전도 자석을 제작할 수 있다.

하지만 액체헬륨과 같은 고가의 극저온 냉매가 들어가야 하므로 제조 비용이 상승하고 냉각 방법이 더 복잡해진다. 반면에 전도 냉각형의 초전도 자석은 냉매를 사용하지 않으므로 인한 제조 비용이 감소하고 냉각 방법이 간단해 지지만, 초전도 자석에서 발생하는 열을 배출하기 어려워지므로 국부적인 온도 상승으로 인하여 초전도 자석이 소손되기 쉽다.

전도냉각형 초전도 자석은 극저온 냉동기와 초전도 자석을 구리와 같은 열전도율이 높은 물질로 직접 연결하여 냉각되는 방식으로서 일반적으로 초전도 자석의 코일이 감겨지는 보빈을 극저온 냉동기의 콜드헤드와 연결하여 냉각효율을 높일 수 있게 되고, 이는 종래 특허문헌 1과 2에 개시되어 있다.

도 1의 종래의 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템을 도시한 것으로, 냉매 없이 극저온 냉동기에 직결되어 전도냉각 방식으로 냉각되는 기존 초전도 자석의 구조를 보여준다. 종래의 방식은 초전도 코일부(1)를 냉각하기 위하여 극저온 냉동기(2)의 콜드헤드(7)를 코일부(1)에 감겨진 보빈(8)에 열전도율이 높은 구리와 같은 금속 연결부(3)를 통하여 직결하여 열전도에 의해 냉동기에서 초전도 코일부를 냉각할 수 있게 된다.

기존의 냉각 방법은 초전도 코일이 감겨지는 보빈에 콜드헤드가 연결되기 때문에 보빈이 먼저 냉각되고 코일이 냉각되므로 코일의 냉각 시간이 가장 많이 걸리고 보빈보다 코일이 더 높은 온도를 가지게 되는 문제점이 있어왔다.

KR 10-2012-0054135 A KR 10-2013-0063281 A

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전도냉각형 초전도 자석의 초전도 코일부의 목표온도 도달 시간을 단축과, 초전도 코일부의 최종 도달 온도를 낮출 수 있도록 하여 코일부에서 발생하는 열을 더 빨리 배출시켜 안정성을 향상시킬 수 있는 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

특히, 전도냉각형 초전도 자석의 극저온 냉동기와의 접촉면적을 더 넓게 하여 온도 분포의 균일성을 향상시켜 초전도 코일의 모든 부분이 고르게 냉각되도록 할 수 있는 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 자기장을 생성하는 초전도 코일부와, 상기 초전도 코일부에 연결되는 금속 연결부와, 상기 초전도 코일부를 극저온으로 냉각하도록 열전도체와 연결되어 열교환하는 극저온 냉동기로 구성된 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템에 있어서, 상기 금속 연결부는, 상기 초전도 코일부의 외측면을 둘러싸여 접촉되고, 상기 초전도 코일부에서 자기장에 따른 와전류 발생을 억제하는 복수 개의 홀이 형성되는 곡선부;와, 상기 곡선부 양단이 각각 절곡되어 내측으로 상기 열전도체의 양면을 수용할 수 있는 제1,2연결부;와, 상기 제1,2연결부 사이로 수용된 상기 열전도체를 체결에 의해 상기 곡선부를 상기 초전도 코일부에 압착되게 하여 전도율을 높인 체결부;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 초전도코일부와 상기 곡선부 사이에는 에폭시(epoxy)가 도포된 것을 특징으로 한다.

상기 홀은 상기 곡선부의 외주면을 따라 일정간격으로 상기 초전도 코일부의 높이에 대응되게 세로로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

극저온 냉동기의 최저 온도부인 콜드헤드가 직접 초전도 코일과 연결이 되기 때문에 코일이 가장 먼저 냉각이 된다.

그러나 본 냉각 방식은 코일의 냉각 시간이 가장 적게 들고 가장 온도가 낮은 부분이 초전도 코일이 된다.

초전도 코일부에서 발생하는 열을 극저온 냉동기가 직접적으로 흡수할 수 있으므로 국부적인 온도 상승으로 인한 코일의 소손 가능성을 낮추어 초전도 자석의 안정성을 향상시킨다.

초전도 코일과 극저온 냉동기와의 접촉 면적이 넓으므로 온도 분포의 균일성이 향상되어 초전도 코일의 모든 부분이 고르게 냉각된다.

초전도 코일의 외곽을 구리판으로 단단히 조여 주기 때문에 전자기력이나 열수축 등으로 인한 코일의 움직임을 막아주어 초전도 자석의 안정성을 향상시킨다.

도 1은 전도냉각형 초전도 자석의 각 부분들을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 전도냉각형 초전도자석의 냉각시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 전도냉각형 초전도자석의 냉각시스템의 구성 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에서 제안하는 전도냉각형 초전도자석의 냉각시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명에서 제안하는 전도냉각형 초전도자석의 냉각시스템의 구성 단면도이다.

도 2와 3을 참조하면, 자기장을 생성하는 초전도 코일부(100)와, 상기 초전도 코일부에 연결되는 금속 연결부(300)와, 상기 초전도 코일부(100)를 극저온으로 냉각하도록 열전도체(900)와 연결되어 열교환하는 극저온 냉동기(200)로 구성된 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템에 있어서, 본 발명은 금속 연결부(300)가 상기 초전도 코일부에 직결되는 구조를 통하여 냉각 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

상기 금속 연결부(300)는 상기 초전도 코일부(100)에 밀착되어 초전도 코일부(1)에서 발생된 열이 직접 전도되도록 한 것이다.

상기 초전도 코일부(100)에 밀착력을 높일 수 있도록 금속 연결부(300)는 곡선부(320), 제1,2연결부(340a,340b) 및 체결부(360)로 구성되어 이루어지게 된다.

상기 곡선부(320)는 상기 초전도 코일부(100)의 외측면을 둘러싸는 형태로 형성되게 되어 상기 초전도 코일부(100)와 접촉되는 면적을 최대로 하는 부분이다. 접촉 면적을 최대로 하기 위해 상기 초전도 코일부(100)의 외측면에 대응되는 형상으로 곡률반경을 가지도록 형성되어야 한다.

상기 초전도 코일부(100)에서 자기장에 따른 와전류 발생을 억제하는 복수 개의 홀(322)이 곡선부(320)에 형성되게 된다. 상기 홀(322)은 상기 곡선부(320)의 외주면을 따라 일정간격으로 상기 초전도 코일부(100)의 높이에 대응되게 세로로 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1,2연결부(340a,340b)는 상기 곡선부(320) 양단에 절곡되어 외측으로 돌출된 형상이 되어 열전도체(900)와 연결되도록 하는 부분이다.

상세하게, 상기 제1,2연결부(340a,340b)는 상기 곡선부(320) 양단에서 직각되게 절곡되고, 절곡된 사이로 이격된 공간이 형성되며, 그 사이 공간에 상기 열전도체가 수용됨으로써, 열전도체(900)의 일면은 상기 제1연결부(340a)에 밀착되고, 열전도체(900)의 타면은 상기 제2연결부(340b) 밀착되게 된다.

상기 체결부(360)는 상기 제1,2연결부(340a,340b) 사이로 수용된 열전도체(900)를 고정하며, 또한 체결부에 의한 고정으로 상기 곡선부(320)를 초전도 코일부(100)에 밀착 가압력을 제공할 수 있는 부분이다.

즉, 상기 체결부(360)는 상기 제1,2연결부(340a,340b)와 제1,2연결부 사이에 있는 열전도체(900)를 관통하여 체결함에 따라 일체로 된 상기 곡선부(320)는 내측으로 곡률반경이 작아지도록 함으로써 상기 초전도 코일부(100)에 더 밀착되게 하여 전도율을 높일 수 있게 되는 것이다.

상기 체결부(360)는 상기 제1,2연결부(340a,340b) 및 열전도체(900)에 각각 관통되는 체결홀이 형성되게 하고, 체결홀에 볼트로 회전하여 고정하도록 구성할 수 있다.

그리고, 곡선부(320)와 초전도 코일부(100) 사이의 밀착력을 더 높이기 위하여 상기 초전도 코일부(100)와 상기 금속 연결부(300) 사이 즉, 더 상세하게는 상기 초전도 코일부(100)의 외면에 에폭시(epoxy)가 도포되어 금속 연결부(300)의 곡선부(320)의 내면 사이를 단단히 밀착시켜서 극저온 냉동기(200)의 콜드헤드(700)와의 열전달률을 높이고 초전도 코일부(100)가 고르게 냉각되어 온도가 균일하게 분포될 수 있다. 또한, 에폭시에 의한 절연 효과도 기대할 수 있다.

상호 접착력이 높아짐으로써, 열전도 효율이 높아지게 되고, 전면적이 고르게 냉각될 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

따라서, 본 발명은 초전도 코일부(100)에 외측면에 밀착된 금속 연결부(300)에 의해 접촉면적을 넓히고, 극저온 냉동기(200)의 콜드헤드(700)와 금속 연결부(300)를 통하여 직결할 수 있어 종래의 보빈(800)에 연결된 것보다 전도 거리가 짧으므로 열전도 능력이 향상된다.

이상과 같이 본 발명은 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 초전도 코일부
200 : 극저온 냉동기
300 : 금속 연결부
320 : 곡선부
340a: 제1연결부
340b: 제2연결부
360 : 체결부
400 : 극저온 진공용기
500 : 복사열 차폐판
600 : 상온 보아(bore)
700 : 콜드헤드(cold head)
800 : 보빈(bobbin)
900 : 열전도체
322 : 홀
120 : 초전도자석 외부 인출 초전도선
140 : 전류 리드(lead)

Claims (3)

1. 자기장을 생성하는 초전도 코일부와, 상기 초전도 코일부에 연결되는 금속 연결부와, 상기 초전도 코일부를 극저온으로 냉각하도록 열전도체와 연결되어 열교환하는 극저온 냉동기로 구성된 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템에 있어서,
   상기 금속 연결부는,
   상기 초전도 코일부의 외측면을 둘러싸여 접촉되고, 상기 초전도 코일부에서 자기장에 따른 와전류 발생을 억제하는 복수 개의 홀이 형성되는 곡선부;와,
   상기 곡선부 양단이 각각 절곡되어 내측으로 상기 열전도체의 양면을 수용할 수 있는 제1,2연결부;와,
   상기 제1,2연결부 사이로 수용된 상기 열전도체를 체결에 의해 상기 곡선부를 상기 초전도 코일부에 압착되게 하여 전도율을 높인 체결부;가 포함되는 것을 특징으로 하는 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 초전도코일부와 상기 곡선부 사이에는 에폭시(epoxy)가 도포된 것을 특징으로 하는 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 홀은 상기 곡선부의 외주면을 따라 일정간격으로 상기 초전도 코일부의 높이에 대응되게 세로로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도냉각형 초전도자석 냉각 시스템.

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