KR20170073617A - 초전도 자석 시스템용 급냉 보호 장치 - Google Patents

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Abstract

급냉 보호 장치는 N개의 초전도 코일들 및 히터 매트릭스를 포함한다. N개의 초전도 코일들은 전기적으로 직렬로 결합된다. 히터 매트릭스 모듈은 N개의 히터 유닛들을 포함한다. N개의 히터 유닛들은 각각 N개의 초전도 코일들과 전기적으로 병렬로 결합된다. M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 N개의 히터들을 포함한다. 각각의 초전도 코일은 M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합된다. N-M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 하나의 히터를 포함한다. M개의 히터 유닛들과 상응하여 결합된 M개의 초전도 코일들 각각은 N-M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합된다. 상술한 급냉 보호 장치에 의해 보호되는 초전도 자석 시스템이 또한 제공된다.

Description

초전도 자석 시스템용 급냉 보호 장치{QUENCH PROTECTION APPARATUS FOR SUPERCONDUCTING MAGNET SYSTEM}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 10월 17일에 출원된 중국 특허 출원 제201410554507.1호의 우선권을 주장하며, 이의 내용은 본 명세서에 참조로 통합된다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 초전도 자석 시스템에 관한 것으로서, 특히, 급냉(quench) 동안 초전도 코일 조립체를 손상으로부터 보호하는 급냉 보호 장치에 관한 것이다.
비교적 큰 에너지를 갖는 초전도 자석 시스템들은 현재 많은 응용 분야에서 사용된다. 예를 들어, 최대 수십 메가 주울(Joule)의 에너지를 저장하는 초전도 자석 시스템들은 의료 이미징을 위한 임상 환경에서 지금 일상적으로 수없이 사용되고 있는 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 시스템들을 위해 구성된다. 이러한 MRI 시스템의 일부는 균일한 자기장을 생성하기 위한 초전도 자석 시스템이다.
초전도 자석들은 자석 자체 내의 교란 또는 자석 외부의 원인으로 인해 자석의 코일 영역의 온도가 비교적 빠르게 상승할 수 있다는 점에서 본질적으로 불안정한 경향이 있다. 이러한 온도 상승은 코일 영역의 급냉을 야기하며, 즉, 초전도 코일은 본질적으로 제로(0) 저항의 초전도 상태에서 저항 상태로 진행한다. 이러한 코일 영역이 매우 급속하게 뜨거워질 때, 자석 내의 저장된 에너지는 유한 저항 영역으로 급속히 소산되는(dissipated) 경향이 있고, 코일 영역에서 초전도 와이어들의 실제 용융을 야기하는 어떤 경우에서도 자석을 심하게 손상시킬 수 있다.
따라서, 초전도 코일 조립체를 보호하기 위한 급냉 보호 장치를 제공할 필요가 있다. 일반적으로, 급냉 보호 장치는 "급냉"이 개시 후 가능한 빨리 전파되도록 설계되며. 즉, 코일 영역(region)의 일부 지역(area)이 급냉하면, 초전도 자석 시스템은 전체 초전도 코일들이 가능한 빨리 저항성이 되도록 설계된다. 이러한 설계 기준은 초전도 자석 시스템의 저장된 에너지가 더 큰 질량을 통해 분산되기 때문에 보호되지 않은 자석 급냉에 비해 초전도 자석에서 전압 및 피크 온도를 더욱 낮게 한다.
공지된 급냉 보호 기술들은 에너지 덤프 저항기를 직접 공급하거나 초전도 코일 조립체 상에 위치된 광역 히터(wide-area heater)들에 직접 전력을 공급하는 (초전도 자석 시스템의 초전도 코일 조립체의 전기 센터(electrical center)로부터) 급냉 탐지 신호를 이용하는 것을 포함한다.
이들 및 다른 이유로, 급냉 동안 초전도 코일 조립체를 손상으로부터 보호하기 위한 새로운 급냉 보호 장치를 제공할 필요가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 급냉 보호 장치가 제공된다. 급냉 보호 장치는 N개의 초전도 코일들 및 히터 매트릭스를 포함한다. N개의 초전도 코일들은 전기적으로 직렬로 결합된다. 히터 매트릭스 모듈은 N개의 히터 유닛들을 포함한다. N개의 히터 유닛들은 각각 N개의 초전도 코일들과 전기적으로 병렬로 결합된다. M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 N개의 히터들을 포함한다. 각각의 초전도 코일은 M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로(thermally) 결합된다. N-M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 하나의 히터를 포함한다. M개의 히터 유닛들과 상응하여 결합된 M개의 초전도 코일들 각각은 N-M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 초전도 자석 시스템이 제공된다. 초전도 자석 시스템은 진공 용기, 열 차폐체(thermal shield), 냉각 장치, N개의 초전도 코일들 및 히터 매트릭스 모듈을 포함한다. 진공 용기는 중앙 자기장 영역을 형성하고, 초전도 자석을 위한 진공 환경을 유지하기 위한 것이다. 열 차폐체는 진공 용기 내에 동심원상으로(concentrically) 배치된다. 냉각 장치는 열 차폐체 내에 배치된다. N개의 초전도 코일들은 전기적으로 직렬로 결합된다. 히터 매트릭스 모듈은 N개의 히터 유닛들을 포함한다. N개의 히터 유닛들은 각각 N개의 초전도 코일들과 전기적으로 병렬로 결합된다. M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 N개의 히터들을 포함한다. 각각의 초전도 코일은 M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합된다. N-M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 하나의 히터를 포함한다. M개의 히터 유닛들과 상응하여 결합된 M개의 초전도 코일들 각각은 N-M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 급냉 보호 장치가 제공된다. 급냉 보호 장치는 N개의 초전도 코일들 및 N개의 히터들을 포함한다. N개의 히터들은 각각의 초전도 코일과 전기적으로 결합되고, 각각의 초전도 코일은 각각의 초전도 코일과 전기적으로 결합된 히터들 중 하나와 열적으로 결합된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들 및 양태들은 첨부된 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명이 읽혀질 때 더 잘 이해될 것이며, 도면에서 동일한 문자들은 도면들 전반에 걸쳐 동일한 부분들을 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 초전도 자석 시스템의 수직 중심 평면(vertical center plane)을 따라 취해진 개략적 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 전기적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 도 1의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 열적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 초전도 자석 시스템의 수직 중심 평면(vertical center plane)을 따라 취해진 개략적 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 도 4의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 전기적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 도 4의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 열적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 도 1의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 전기적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 도 1의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 전기적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 전기적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 도 9의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 열적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 초전도 자석 시스템의 수직 중심 평면을 따라 취해진 개략적 단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 도 11의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 전기적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 도 11의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들과 전기적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략적 회로도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 도 12 또는 도 13의 초전도 자석 시스템의 급냉 보호 장치의 다수의 초전도 코일들 상에 열적으로 장착된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 초전도 자석 시스템의 수직 중심 평면을 따라 취해진 개략적 단면도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 도 15의 초전도 자석 시스템의 라인 5-5를 따라 취해진 개략적 단면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 초전도 자석 시스템의 수직 중심 평면을 따라 취해진 개략적 단면도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 도 17의 초전도 자석 시스템의 라인 7-7을 따라 취해진 개략적 단면도이다.
달리 정의되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어들 "제 1(first)", "제 2(second)" 등은 임의의 순서, 수량 또는 중요성을 나타내지 않고, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 또한, 용어 "a" 및 "an"은 수량의 제한을 나타내지 않고, 참조된 항목들 중 적어도 하나의 존재를 나타내며, "앞(front)", "뒤(back)", "하부(bottom)", 및/또는 "상부(top)"와 같은 용어들은, 달리 언급되지 않으면, 단지 설명의 편의를 위해 사용되고, 임의의 하나의 위치 또는 공간적 방향으로 제한되지 않는다. 더욱이, 용어 "결합된(coupled)" 및 "연결된(connected)"은 두 구성 요소들 사이의 직접 또는 간접 결합/연결을 구별하도록 의도되지 않는다. 오히려, 이러한 구성 요소들은 달리 나타내지 않으면 직접 또는 간접적으로 결합/연결될 수 있다.
반대로 나타내지 않으면, 다음의 명세서 및 첨부된 청구 범위에서 설명된 수치 파라미터들은 본 발명이 획득하고자 하는 원하는 특성들에 따라 변할 수 있는 상대 범위들이다. 적어도 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자를 고려하여 일반적인 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따라 초전도 자석 시스템(10)의 수직 중심 평면을 따라 취해진 개략적인 단면도가 도시된다. 일례로서, 초전도 자석 시스템(10)은 중앙 자기장 영역(11)을 형성하는 도넛 형 진공 용기(12), 진공 용기(12) 내의 동심원으로의 도넛 형 열 차폐체(14) 및 열 차폐체(14) 내의 동심원으로의 냉각 장치를 포함한다. 본 실시예에서, 열 차폐체(14) 내에서 동심원으로 배치된 도넛 형 냉각제(cryogen) 용기(161)는 냉각 장치로서 사용된다. 냉각 장치는 초전도 자석 시스템(10)을 극저온으로 냉각시켜 유지하기 위해 사용된다.
도 1의 도시된 실시예에서, 초전도 자석 시스템(10)은 N(N은 정수임)개의 초전도 코일들(18)을 포함한다. N개의 초전도 코일들(18)은 다수의 주요(main) 초전도 코일들(181, 182, 183, 184, 185, 186) 및 차폐/버킹(bucking) 초전도 코일(187)을 포함한다. 주요 초전도 코일들(181 내지 186)은 냉각제 용기(161)의 중앙 내면(center inner surface)(162)에 감겨지거나 부착된다. 차폐/버킹 초전도 코일(187)은 냉각제 용기(161)의 주변 내면(164)에 감겨지거나 부착된다. 즉, 중앙 내면(162) 및 주변 내면(164)은 N개의 초전도 코일들(18)을 지지하는 코일 지지 구조체로서의 역할을 한다. 도 1에 도시된 바와 같은 초전도 코일들(181 내지 187)은 냉각제 용기에 함유된 냉각제, 예를 들어 액체 헬륨에 의해 냉각된다. 다른 실시예에서, N개의 초전도 코일들(18)은 금속 성형기들, 금속 바(bar)들, FRP(fiberglass reinforced plastic) 성형기, 또는 FRP 바들과 같은 다른 종류의 코일 지지 구조체들 상에 설치될 수 있으며, 이들은 본 명세서에서 설명하지 않는다.
도 1의 도시된 실시예에서, 진공 용기(12)는 N개의 초전도 코일들(18)을 냉장시키기 위해 열 차폐체(14) 및 냉각제 용기(161)와 연통하는 냉장기(refrigerator)(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉각제 용기(161)는 약 4.2 켈빈(K)까지 냉장된다. 냉각제 용기(161)와 열 차폐체(14) 사이의 공간은 약 40K 내지 50K까지 냉장된다. 진공 용기(12)는 또한 외부 전력을 초전도 코일들(18) 및 다른 전기 부품들에 전기적으로 결합하는 데 사용되는 다수의 전력 리드들(124)을 갖는 연통 포트들을 제공하는 서비스 포트(123)를 포함한다. 다른 실시예들에서, N개의 초전도 코일들(18)의 냉각을 위해 사용된 냉각제 용기(161)는 제거될 수 있고, 대신에 (도 15에 도시된 바와 같은) 일부 열 사이펀(thermo-siphon) 냉각 파이프들(163) 또는 다른 종류들의 직접 전도 냉장 수단은 N개의 초전도 코일들(18)을 초저온 동작 온도로 냉장하는 냉각 장치로서 사용될 수 있다.
일부 특정 실시예들에서, 초전도 자석 시스템(10)은 저온 초전도체들을 갖는 초전도 코일들로 구성된 저온 초전도 자석 시스템이다. 다른 실시예에서, 초전도 자석 시스템(10)은 또한 다른 타입들의 초전도 자석 시스템들일 수 있다. 초전도 자석 시스템(10)은 MRI(magnetic resonance imaging) 시스템 등에 사용되는 것과 같은 많은 적절한 분야들에서 사용될 수 있다.
일례로서, 도 1의 도시된 실시예에서, 주요 초전도 코일들(181 내지 186)은 2개의 큰 초전도 코일들(181 및 182), 2개의 중간 초전도 코일들(183 및 184) 및 2개의 작은 초전도 코일들(185 및 186)을 갖는 6개의 초전도 코일들을 포함한다. 큰 초전도 코일들(181 및 182)은 중앙 내면(162)의 2개의 축 방향 외측들에 배치되고, 작은 초전도 코일들(185 및 186)은 중앙 내면(162)의 중앙에 배치되며, 중간 초전도 코일들(183 및 184)은 도 1에 도시된 바와 같이 다른 2개의 초전도 코일들 사이에 축 방향으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 작은 초전도 코일들(185 및 186)의 폭은 가장 작고, 큰 초전도 코일들(181 및 182)의 폭은 가장 크며, 중간 초전도 코일들(183 및 184)의 폭은 다른 두 초전도 코일들 사이에 있다. 다른 실시예들에서, 이들 주요 초전도 코일들(181 내지 186)의 수, 폭 및 위치 배치는 상이한 설계 요건들에 따라 조절될 수 있다.
도 1의 이러한 예시된 실시예에서, 버킹 초전도 코일(187)의 수는 하나뿐이다. 다른 실시예들에서, 버킹 초전도 코일들(187)의 수는 둘 이상일 수 있다. 버킹 초전도 코일(187)은 주요 초전도 코일들(181 내지 186)에 의해 생성된 자기장이 명시된 풋프린트(footprint) 영역을 벗어나는 것을 방지하기 위해 자기 차폐물(magnetic shield)을 생성하도록 구성된다.
다른 실시예들에서, 자기 차폐물은 또한 버킹 초전도 코일(187)을 사용하지 않고 다른 타입들의 구성들에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 진공 용기(12)는 자기 차폐물로서 설계될 수 있다. 제한되지 않는 실시예들에서, 진공 용기(12)는 예를 들어 자기장(11)을 차폐하기 위한 철 차폐물들(철 요크들(iron yokes))을 사용할 수 있다. 다른 실시예들에서, 자기 차폐물은 또한 버킹 초전도 코일들(187) 및 철 차폐물들의 둘 다에 의해 생성될 수 있다.
도 1의 도시된 실시예에서, 초전도 자석 시스템(10)은 도 2에 도시된 바와 같은 히터 매트릭스 모듈(28)을 포함한다. 히터 매트릭스 모듈(28)은 N개의 초전도 코일들(18)과 전기적으로 결합되고 열적으로 결합되며, 이는 도 2에 상세히 설명될 것이다. 히터 매트릭스 모듈(28)은 급냉 동안 N개의 초전도 코일들(18)을 가열하는데 사용된다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따라 도 1의 초전도 자석 시스템(10)의 급냉 보호 장치(100)의 N개의 초전도 코일들(18)과 전기적으로 결합된 히터 매트릭스 모듈(28)에 관련된 개략적인 회로도가 도시된다. 급냉 보호 장치(100)는 주요 초전도 코일들(181 내지 186), 버킹 초전도 코일(187), 히터 매트릭스 모듈(28), 주요 초전도 스위치(17), 및 전력 리드들(124)을 포함한다.
급냉 보호 장치(100)에서, 주요 초전도 코일들(181 내지 186) 및 버킹 초전도 코일(187)은 직렬로 전기적으로 결합되고, 그 후 전력 리드들(124) 사이에 결합된다. 버킹 초전도 코일(187)은 주요 초전도 코일들(181 내지 186)과 반대 방향으로 전류를 운반한다. 주요 초전도 스위치(17)는 또한 전력 리드들(124) 사이에 전기적으로 결합된다. 자석 램프 업(ramp-up) 프로세스 동안, 외부 전원(도시되지 않음)은 전력 리드들(124)을 통해 전력을 N개의 초전도 코일들(181 내지 187)에 제공한다. N개의 초전도 코일들(181 내지 187)이 미리 결정된 전류 및 자기장에 에너지가 공급되면, 주요 초전도 스위치(17)는 N개의 초전도 코일들(18)과 폐쇄된 초전도 루프를 형성하도록 폐쇄된다. 따라서, 자장(magnet field)은 자장 영역(11)에서 주요 초전도 코일들(181 내지 186)에 의해 생성되고, 자기 차폐물은 또한 버킹 초전도 코일(187)에 의해 생성된다. 예시의 단순화를 위해 본 명세서에 설명되고 도시되지 않은 다른 종래의 부가적인 회로 소자들은 또한 급냉 보호 장치(100)에 적용될 수 있다는 것이 이해된다.
이러한 도시된 실시예에서, 히터 매트릭스 모듈(28)은 N개의 히터 유닛들(예를 들어, 히터 유닛들(281, 282, 283, 284, 285, 286, 및 287))을 포함한다. N개의 히터 유닛들(281 내지 287)은 각각 N개의 초전도 코일들(181 내지 187)과 전기적으로 병렬로 결합된다(예를 들어, 히터 유닛(287)은 포인트들 A 및 B에서 버킹 초전도 코일 (187)의 두 단자와 전기적으로 결합된다).
M(1≤M≤N)개의 히터 유닛들은 각각 적어도 N개의 히터들을 포함한다. 각각의 초전도 코일은 M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합된다. N-M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 하나의 히터를 포함한다. M개의 히터 유닛들과 결합되는 M개의 초전도 코일들 각각은 N-M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합된다.
도 1의 실시예에서, M은 1과 동일하다. 본 실시예에 도시된 바와 같이, 버킹 초전도 코일(187)과 전기적으로 결합되는 히터 유닛(287)은 N개의 히터들(1871 내지 1877)을 포함한다. 다른 히터 유닛들(281 내지 286) 각각은 하나의 히터를 포함한다(예를 들어, 히터 유닛(281)은 히터(1811)를 포함한다). 다른 실시예들에서, M개의 히터 유닛들 각각은 N개 이상의 히터들을 포함한다. 여기서, 히터의 최소 수는 (2N-1)과 동일하다. 도시된 예에서, 초전도 코일들의 수는 N=7이며, 따라서 히터들의 최소 수는 2*7-1=13과 동일하다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 히터 유닛들(281 내지 286)의 히터들(1811 내지 1861) 각각은 초전도 코일들(181 내지 186)과 각각 전기적으로 병렬로 결합된다. 게다가, 히터들(1811 내지 1861) 각각은 도 3에 도시된 바와 같이 버킹 초전도 코일(187)과 열적으로 결합된다.
히터들(1871 내지 1877) 각각은 버킹 초전도 코일(187)과 전기적으로 병렬로 결합된다. 게다가, 히터들(1871 내지 1877) 각각은 도 3에 도시된 바와 같이 초전도 코일들(181 내지 187) 중 별개의 초전도 코일과 열적으로 결합된다.
일례로서, 히터들(1811 내지 1861 및 1871 내지 1877) 각각의 폭은 대응하는 초전도 코일들(181 내지 187)의 폭과 동일하거나 근접한다. 따라서, 이들 히터들이 트리거되면, 이들 히터들은 빠른 가열 응답을 초전도 코일들(181 내지 187)에 제공할 수 있다. 다른 실시예들에서, 히터들(1811 내지 1861 및 1871 내지 1877)의 폭은 예를 들어 일부 특정 구조 설계 요건에 기초한 것과 같은 다른 설계 기준에 따라 조절될 수 있다.
일례로서, 히터들(1811 내지 1871)은 히터들(1811 내지 1871)에 대해 동일한 응답을 달성할 수 있는 버킹 초전도 코일(187) 상에 균일하게 배치된다. 다른 실시예들에서, 히터들(1811 내지 1871)의 위치 배치는 요건들에 따라 조절될 수 있다.
급냉 보호 장치(100)는 더 낮은 작동 에너지로 신뢰성 있고 빠른 응답 급냉 보호를 제공할 수 있다. 더욱이, 급냉 보호 장치(100)는 급냉 보호 장치를 단순화하고 또한 비용들을 감소시킬 수 있는 임의의 부가적인 급냉 탐지 신호들 및 에너지 덤프(dump) 레지스터들을 포함하지 않는다.
정상 동작 모드에서, 전류는 초전도 코일(181 내지 187) 및 주요 초전도 스위치(17)로 구성된 초전도 루프에서만 흐를 것이다. 정상 초전도 모드에서는, 전류가 히터를 통해 흐르지 않고, 열이 생성되지 않을 것으로 이해된다. 설명을 용이하게 하기 위해, 코일의 국부적 영역, 예를 들어 중간 초전도 코일(183)에서 급냉이 시작한다고 가정한다. 이러한 초기 급냉은 초전도 코일(183) 양단에 전압을 형성할 것이고, 따라서 전압은 대응하는 히터(1831)에 결합될 것이다. 그 후, 히터(1831)는 열적으로 부착된 초전도 코일(187)을 가열하기 위해 트리거링(triggering)될 것이다. 히터(1831)가 부가적으로 버킹 초전도 코일(187)과 열적으로 결합되기 때문에, 버킹 초전도 코일(187)은 즉시 급냉시킬 것이다.
자석 충전(램핑 업(ramping up)) 또는 방전(램핑 다운(ramping down)) 프로세스 동안, 램프 전압이 각각의 초전도 코일에서 매우 작으므로, 각각의 히터를 통하는 전류는 매우 작다. 히터 매트릭스 모듈(28)은 히터들로부터의 소량의 열이 임의의 의도하지 않은 램프 급냉을 트리거링하지 않도록 설계된다. 그러나, 램프 동안 초전도 코일이 급냉하면, 초전도 코일들이 지속 모드로 동작될 때와 유사한 방식으로 급냉 보호 장치가 초전도 코일들을 보호할 것이다.
버킹 초전도 코일(187)이 급냉된 후에, 버킹 코일(187) 내의 큰 전압이 빠르게 형성될 것이다. 그런 다음, 전기적으로 병렬 결합된 대응하는 히터들(1871 내지 1877)은 모두 버킹 초전도 코일(187)의 양단의 전압에 의해 트리거링된다. 이들 히터들(1871 내지 1877)이 부가적으로 초전도 코일들(181 내지 187)과 열적으로 결합되기 때문에, 이들 비급냉된 주요 초전도 코일들(181, 182, 184 내지 186)은 후속하여 또한 급냉할 것이다. 다른 히터들(1811, 1821, 1841 내지 1861)은 대응하는 전압에 의해 또한 트리거링되어 급냉 전파를 더 가속시킨다. 따라서, 모든 초전도 코일들(181 내지 187)은 전형적으로 2초 미만과 같은 매우 짧은 시간에 급냉할 것이며, 이는 초전도 코일들(181 내지 187)이 급냉 동안 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2 및 도 3의 도시된 실시예들에서, 버킹 초전도 코일(187)의 폭 및 암페어 회수(ampere-turns)가 모든 초전도 코일들에서 가장 크기 때문에, 히터들(1811 내지 1871)은 버킹 초전도 코일(187)과 열적으로 결합된다. 대부분의 경우에, 버킹 초전도 코일(187)에 의해 야기된 버킹 초전도 코일(187)의 더 높은 인덕턴스가 전형적으로 모든 초전도 코일들(181 내지 187)에서 방사상으로 가장 큰 코일이기 때문에, 버킹 초전도 코일(187)의 양단의 급냉 전압은 주요 초전도 코일들(181 내지 186) 각각의 양단의 급냉 전압보다 더 높다. 따라서, 이것은 전체 급냉 프로세스를 가속화하고, 에너지 소산을 빠르게 분산시킬 수 있으며, 이는 모든 초전도 코일들(181 내지 187)을 적절하게 보호할 수 있다.
게다가, 버킹 초전도 코일(187)의 직경, 폭 및 암페어 회수가 가장 크기 때문에, 버킹 초전도 코일(187)은 전체 코일들 중 가장 큰 인덕턴스 및 열 질량을 가지며, 따라서 버킹 초전도 코일(187)은 시스템의 에너지를 빠르게 소산시키는데 도움을 주기 위해 먼저 급냉이 발생할 때 주로 급냉될 필요가 있는 하나의 코일일 수 있다. 다시 말하면, 버킹 초전도 코일(187)이 가장 일찍 가장 빨리 급냉하면, 에너지를 가장 큰 코일 질량(coil mass)에 덤핑함으로써 과온 상태를 방지하기 위해 급냉 손상 위험이 본질적으로 감소될 것이다. 따라서, 히터들(1811 내지 1871)은 바람직한 실시예로서 버킹 초전도 코일(187)과 열적으로 결합된다.
다른 실시예들에서, 적어도 N개의 히터들을 포함하는 M개의 히터 유닛은 또한 주요 초전도 코일들(181 내지 186) 중 임의의 하나와 열적으로 결합될 수 있다. 도 4 내지 도 6은 초전도 자석 시스템(10)의 다른 실시예를 설명한다. 본 실시예에서, 적어도 N개의 히터들을 포함하는 M개의 히터 유닛은 일례로서 주요 초전도 코일(182)과 열적으로 접촉하여 배치된다.
도 5의 급냉 보호 장치(100)에서, 주요 초전도 코일들(181 내지 186) 및 버킹 초전도 코일(187)은 전기적으로 직렬로 결합되고 나서, 전력 리드들(124) 사이에 연결된다. 버킹 초전도 코일(187)은 주요 초전도 코일들(181 내지 186)과 반대 방향으로 전류를 운반한다. 주요 초전도 스위치(17)는 또한 전력 리드들(124) 사이에 전기적으로 결합된다.
도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 히터들(1821 내지 1827)을 포함하는 히터 유닛(282)은 주요 초전도 코일(182)과 병렬로 전기적으로 결합된다. 게다가, 히터들(1821 내지 1827) 각각은 초전도 코일들(181 내지 187) 중 별개의 코일과 열적으로 결합된다. 다른 히터 유닛들(281 및 283 내지 287)은 각각 히터(1811 및 1831 내지 1871)를 포함한다. 게다가, 히터들(1811 및 1831 내지 1871) 각각은 주요 초전도 코일(182)과 열적으로 결합된다.
도 2의 급냉 보호 장치(100)와 유사하게, 도 5의 급냉 보호 장치(100)는 또한 상술한 바와 같은 유사한 급냉 보호 프로세스에 기초하여 더 낮은 작동 에너지로 신뢰성 있고 빠른 응답 급냉 보호를 제공할 수 있으며, 따라서 이는 다시 설명되지 않는다.
상술한 바와 같이, 초전도 자석 시스템(10)의 자기 차폐물은 또한 버킹 초전도 코일(187)을 사용하지 않고 다른 타입들의 구성들에 의해 생성될 수 있다. 버킹 초전도 코일(187)이 초전도 자석 시스템(10)에 포함되지 않으면, 주요 초전도 코일들(181 내지 186)의 하나는 도 2의 버킹 초전도 코일(187) 또는 도 5의 주요 초전도 코일(182)로서 급냉 트리거 코일의 역할을 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 버킹 초전도 코일(187)은 사용되지 않는다. 급냉 보호 장치는 도 2 및 도 3의 급냉 보호 장치(100)와 유사한 구성을 가지며, 따라서 이는 상세히 설명되지 않는다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 다른 2개의 실시예들에 따른 급냉 보호 장치(100)에 관련된 개략적인 회로도가 각각 도시된다. 도 2의 급냉 보호 장치(100)와 비교하면, 도 7 및 도 8의 급냉 보호 장치(100)는 적어도 N개의 히터들을 포함하는 M개의 히터 유닛들(예를 들어, 히터 유닛(287))과 대응하는 초전도 코일(187) 사이의 전기적 연결만을 변경시킨다. 일반적으로, 히터 유닛(287)은 상술한 바와 같이 전체 버킹 초전도 코일(187)이 아닌 버킹 초전도 코일(187)의 섹션에 걸쳐 전기적으로 결합된다.
도 7의 도시된 실시예에서, 히터 유닛(287)은 버킹 초전도 코일(187)의 중간 포인트('P1')와 단자('B') 사이에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 버킹 초전도 코일(187)의 섹션(P1-B)은 주로 저항 응답 섹션(resistive response section)에 관련되고, 버킹 초전도 코일(187)의 다른 섹션(A-P1)은 주로 유도 응답 섹션(inductive response section)에 관련된다. 본 명세서에서, 용어 "저항 응답 섹션"은 코일(187)이 급냉하면 전압 차가 거의 양으로 증가하는 버킹 초전도 코일(187)의 섹션을 나타내고, 용어 "유도 응답 섹션"은 버킹 초전도 코일(187)이 급냉하면 전압 차가 거의 음으로 증가하는 버킹 초전도 코일(187)의 섹션을 나타낸다.
히터 유닛(287)이 섹션(P1-B)과 같은 저항 응답 섹션의 2개의 포인트들 사이에 전기적으로 결합되기 때문에, 유도 응답 섹션으로부터의 부정적인 영향 없이 전압 차가 거의 양으로 증가되고, 버킹 코일(187)에 열적으로 부착된 히터들은 도 2의 급냉 보호 장치(100)에서보다 더 빠르게 트리거링될 수 있다. 따라서, 급냉 전파 속도는 더욱 증가될 것이다. 일부 실시예들에서, 버킹 초전도 코일(187)의 중간 단자('B')는 이의 내부 표면상의 단자이고, 다른 히터 유닛들(281 내지 286)의 히터들(1811 내지 1861)은 버킹 초전도 코일(187)의 내부 표면에 열적으로 부착된다. 중간 포인트('P1')의 선택은 시뮬레이션 분석에 기초하여 결정될 수 있다. 다른 실시예들에서, 전압 차 응답 섹션은 버킹 초전도 코일(187)의 다른 섹션에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 섹션은 도 8에 도시된 바와 같이 코일(187)의 2개의 중간 포인트('P1' 및 'P2') 사이에 있다. 이에 대응하여, 히터들(1811 내지 1861)은 또한 버킹 초전도 코일(187)의 외부 표면과 같은 버킹 초전도 코일(187)의 다른 위치들에 열적으로 부착될 수 있다.
도 9를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 급냉 보호 장치(100)에 관련된 개략적인 회로도가 도시된다. 일부 특정 실시예들에서, 일부 개개의 코일들은 다른 코일들보다 급냉 동안 쉽게 손상될 수 있으며, 따라서 이들 코일들은 주의 깊게 보호될 필요가 있다. 설명의 용이함을 위해, 도 9의 본 예시적인 실시예에서, 2개의 주요 초전도 코일들(185 및 186)은 주의 깊게 보호될 필요가 있는 이들 코일들일 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 주요 초전도 코일들(185 및 186)을 더욱 잘 보호하기 위해, 2개의 부가적인 히터들(1832 및 1842)은 도 2의 급냉 보호 장치(100)에 기초하여 더 부가된다. 일부 실시예들에서, 부가적인 히터들(1832 및 1842)은 각각 병렬로 주요 초전도 코일들(183 및 184)에 전기적으로 결합된다. 게다가, 부가적인 히터들(1832 및 1842)은 각각 일례로서 도 10에 도시된 주요 초전도 코일들(185 및 186)에 열적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 부가적인 히터들(1832 및 1842)은 각각 병렬로 다른 2개의 초전도 코일들에 전기적으로 결합될 수 있다. 본 실시예에서, 히터들(1832 및 1874)은 초전도 코일(185) 상에 균등하게 배치되고, 히터들(1842 및 1875)은 초전도 코일(186) 상에 균등하게 배치된다.
급냉이 초전도 코일(183)(또는 코일(184))에서 시작할 때, 도 2의 상술한 급냉 보호 장치(100)는 트리거링될 것이고, 상세히 설명되어 본 명세서에 다시 설명되지 않는 모든 코일들을 급냉시킬 것이다. 한편, 부가적인 히터(1832)(또는 히터(1842))는 부가적인 급냉 보호를 초전도 코일(185)(및/또는 초전도 코일(186))에 제공할 것이다. 다시 말하면, 급냉 전파 동안, 초전도 코일(185)(및/또는 초전도 코일(186))은 히터(1874)(또는 히터(1875))에 의해서만이 아니라 히터들(1832 및 1874)(또는 히터들(1842 및 1875))에 의해 함께 급냉될 것이며, 이는 급냉 보호 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 9 및 도 10의 예시적인 실시예는 부가적인 히터들(1832 및 1842)의 유틸리티(utility)를 설명하기 위한 간단한 예를 도시할 뿐이다. 특정 실시예들에서, 부가적인 히터들의 수 및 위치는 상이한 설계 기준에 따라 조절될 수 있다.
도 11을 참조하면, 다른 실시예에 따른 초전도 자석 시스템(10)의 수직 중심 평면을 따라 취해진 개략적인 단면도가 도시된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 주요 초전도 코일들(181 내지 186)은 크기가 동일하다. 본 실시예에서, 각각의 히터 유닛은 N개의 히터들을 포함한다(예를 들어, 히터 유닛(281)은 히터들(1811, 1812, 1813, 1814, 1815, 1816 및 1817)을 포함한다). 도 12의 실시예에서, N개의 히터들은 하나의 히터 유닛에서 병렬로 전기적으로 결합된 후에, 대응하는 초전도 코일에 병렬로 결합된다. 도 13의 실시예에서, N개의 히터들은 하나의 히터 유닛에서 직렬로 전기적으로 결합된 후에, 대응하는 초전도 코일에 병렬로 결합된다. 일부 실시예들에서, N개의 히터들은 적어도 하나의 히터 유닛에서 직렬로 결합된 후에, 대응하는 초전도 코일에 병렬로 결합된다. N개의 히터들은 다른 히터 유닛들에서 병렬로 결합된 후에, 대응하는 초전도 코일에 병렬로 결합된다. 다른 실시예들에서, 각각의 히터 유닛에 대해, N개의 히터 중 일부는 대응하는 초전도 코일의 2개의 단자와 직렬로 전기적으로 결합된다. N개의 히터 중 다른 히터들은 대응하는 초전도 코일의 두개의 단자와 병렬로 전기적으로 연결된다.
도 12 및 도 13의 도시된 실시예들에서, 히터 매트릭스 모듈(28)은 히터들(1811 내지 1817, 1821 내지 1827, 1831 내지 1837, 1841 내지 1847, 1851 내지 1857, 1861 내지 1867, 및 1871 내지 1877)을 포함하는 N*N 매트릭스이다. 보다 구체적으로, 수 N은 7과 같고, 히터 매트릭스 모듈(28)의 히터들의 수는 본 실시예에서 7*7=49이다. 다른 실시예에서, 히터 유닛들(281 내지 287) 중 적어도 하나의 히터 유닛의 히터들의 수는 N 이상일 수 있다.
도 14를 참조하면, 일 실시예에 따라 도 12 또는 도 13의 초전도 자석 시스템(10)의 급냉 보호 장치(100)의 N개의 초전도 코일들에 열적으로 장착된 히터 매트릭스 모듈에 관련된 개략도이다. 각각의 초전도 코일은 각각의 히터 유닛의 히터들 중 적어도 하나와 열적으로 결합된다. 일례로서, 히터 유닛(281)의 히터(1811), 히터 유닛(282)의 히터(1821), 히터 유닛(283)의 히터(1831), 히터 유닛(284)의 히터(1841), 히터 유닛(285)의 히터(1851), 히터 유닛(286)의 히터(1861), 및 히터 유닛(287)의 히터(1871)는 도 14에 도시된 바와 같이 주요 초전도 코일(181)과 열적으로 결합된다. 다른 실시예에서, 히터 유닛 내의 하나 이상의 히터들은 대응하는 히터 유닛이 N개 이상의 히터를 포함할 때 초전도 코일과 열적으로 결합될 수 있다.
정상 동작 모드에서, 전류는 N개의 초전도 코일(181 내지 187) 및 주요 초전도 스위치(17)로 구성된 초전도 루프에서만 흐른다. 정상 초전도 모드에서는, 전류가 히터를 통해 흐르지 않고, 열이 생성되지 않는 것으로 이해된다. 자석 충전(램핑 업) 또는 방전(램핑 다운) 프로세스 동안, 램프 전압이 각각의 코일에서 매우 작으므로, 각각의 히터를 통하는 전류는 매우 작다. 회로는 히터들로부터의 소량의 열이 임의의 의도하지 않은 램프 급냉을 트리거링하지 않도록 설계된다.
예시의 단순함을 위해 도 12 및 도 14를 함께 조합하면, 초전도 코일의 국부적 영역, 예를 들어 초전도 코일(181)에서 급냉이 시작한다고 가정한다. 이러한 초기 급냉은 초전도 코일(181) 및 히터 유닛(281)에 걸쳐 전압을 형성한다. 히터 유닛(281) 내의 히터들(1811 내지 1817)은 가열되고, 그 후 여기에 열적으로 부착된 대응하는 초전도 코일들(181 내지 187)이 가열된다. 히터(1811)가 주요 초전도 코일(181)과 열적으로 결합되므로, 주요 초전도 코일(181)에서의 급냉은 급냉하도록 가속된다. 히터들(1812 내지 1817)은 각각 초전도 코일들(182 내지 187)과 열적으로 결합되며, 따라서, 이들 초전도 코일들(182 내지 187)은 후속하여 또한 급냉한다.
이들 모든 초전도 코일(182 내지 187)이 급냉하였기 때문에, 각각의 초전도 코일(182 내지 187) 및 대응하는 히터 유닛들(282 내지 287)에 걸쳐 전압이 형성된다. 히터들(1821 내지 1827, 1831 내지 1837, 1841 내지 1847, 1851 내지 1857, 1861 내지 1867, 1871 내지 1877)은 가열되고, 그 후 여기에 열적으로 부착된 대응하는 초전도 코일들(182 내지 187)은 가열된다. 궁극적으로, 이들 모든 초전도 코일들(181 내지 187)에서의 급냉들은 가교된(cross-linked) 히터 매트릭스 모듈(28)의 사용에 의해 급냉하도록 가속된다.
히터 매트릭스 모듈(28)은 임의의 초전도 코일이 급냉하기 시작할 때 하나의 단일 단계에서 급냉시키기 위해 모든 초전도 코일들을 트리거링한다. 가교된 히터 매트릭스 모듈(28)은 모든 다른 초전도 코일들이 동시에 급냉하도록 유도하며, 이는 급냉 보호 반응 시간을 효과적으로 단축시키고, 급냉 동안 초전도 코일들(181 내지 187)이 손상하는 것을 방지한다.
일례로서, 히터 매트릭스 모듈(28) 각각의 히터의 폭은 대응하는 초전도 코일들(181 내지 187)의 폭과 동일하거나 근접한다. 이것은 각각의 히터가 초전도 코일의 모든 권선과 열적으로 결합된다는 것을 의미하며, 이들 히터들이 트리거되면 이들 히터들은 신속한 가열 응답을 초전도 코일들(181 내지 187)에 제공할 수 있다. 궁극적으로, 급냉은 가속된다. 보다 구체적으로, 이것은 급냉 동안 초기 초전도 코일에 대한 과온도 또는 과전압 손상을 피하기 위해 자석 내의 에너지가 초기 초전도 코일을 포함하는 모든 초전도 코일들 사이에서 빠르게 퍼지도록 할 수 있다. 다른 실시예들에서, 히터들의 폭은 일부 특정 구조 설계 요건들 또는 히터 리드 조립체 요건들에 기초한 것과 같은 다른 설계 기준에 따라 조절될 수 있다.
일례로서, 각각의 초전도 코일(예를 들어, 초전도 코일(181)) 상의 부착된 히터들(예를 들어, 히터들(1811, 1821, 1831, 1841, 1851, 1861, 1871))은 균등하게 배치되며, 이는 부착된 히터들에 대한 동일한 응답을 달성할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 초전도 코일 상의 부착된 히터들의 위치 배치는 상이한 설계 요건들에 따라 조절될 수 있다.
급냉 보호 장치(100)는 더 낮은 작동 에너지로 신뢰성 있고 빠른 응답 급냉 보호를 제공할 수 있다. 더욱이, 급냉 보호 장치(100)는 급냉 보호 장치를 단순화하고 또한 비용들을 감소시킬 수 있는 임의의 부가적인 급냉 탐지 신호들 및 에너지 덤프 레지스터들을 포함하지 않는다.
도 15를 참조하면, 다른 실시예에 따른 초전도 자석 시스템의 수직 중심 평면을 따라 취해진 개략적인 단면도가 도시된다. 도 11의 예시된 실시예와 비교하면, 열 사이펀 냉각 파이프들(163) 및 다른 냉각 조립체(예를 들어, 액체 냉각제 저장부)가 냉각 장치로서 사용된다. 금속 포머(former)(20)(또한 코일 지지 구조물이라고 불림)가 더 제공된다. 금속 포머(20)는 또한 N개의 초전도 코일과 전자기적으로 결합된다. 금속 포머(20)는 주요 코일 포머(224), 버킹 코일 포머(234) 및 지지 부재(238)를 포함한다. 버킹 코일 포머(234)는 지지 부재(238)를 통해 주요 코일 포머(224)에 연결된다. 주요 코일 포머(224)는 주요 초전도 코일(181 내지 186)을 지지하도록 구성된다. 버킹 코일 포머(234)는 버킹 초전도 코일(187)을 지지하도록 구성된다. 도 15에 도시된 바와 같은 실시예에서, 단일 버킹 초전도 코일(187)이 도시된다. 도 17의 다른 실시예에서, 한 쌍의 버킹 초전도 코일들(187 및 188)이 사용된다. 다른 실시예들에서, 2개 이상의 버킹 초전도 코일이 사용될 수 있다.
초전도 코일들(181 내지 187)은 주요 코일 포머(224)의 내부 표면(201)과 물리적으로 접촉한다. 다른 실시예들에서, 초전도 코일들(181 내지 187)은 주요 코일 포머(224)의 외부 표면(203)과 물리적으로 접촉할 수 있다. 예시된 실시예에서, 히터 매트릭스 모듈(28) 각각의 히터는 대응하는 초전도 코일과 열적으로 결합된다. 보다 구체적으로, 각각의 히터는 대응하는 초전도 코일의 표면상에 설치된다. 일부 실시예들에서, 일부 슬롯들은 N개의 초전도 코일들(181 내지 187)을 수용하기 위해 금속 포머(20)의 내부 표면 또는 외부 표면상에 추가로 규정될 수 있다. 금속 포머(20)와 열 차폐체(14)의 하부 벽 사이에는 갭이 있을 수 있다. 도 16은 도 11의 히터들(예를 들어 히터(1816))을 갖는 주요 금속 포머(224) 및 초전도 코일들(18)의 라인 5-5를 따라 취해진 개략적인 단면도를 도시한다.
금속 포머(20)는 높은 전기 전도 재료들, 예를 들어 알루미늄 또는 (알루미늄 합금(1100)과 같은) 알루미늄 합금, 구리 등으로 제조된다. 다른 실시예들에서, 금속 포머(20)는 알루미늄 합금 LM31 또는 A356 등과 같이 높은 기계적 강도를 갖는 다른 타입의 전기 전도 재료로 제조될 수 있다.
급냉 동안, 히터 매트릭스 모듈(28)은 급냉된 초전도 코일이 손상하는 것을 방지하도록 N개의 초전도 코일들(18)을 가열하기 위해 트리거링된다. 금속 포머(20)가 N개의 초전도 코일들(18)과 전자기적으로 결합되므로, 금속 포머(20)와 링크된 자속은 변화되고, 전기 전도성 금속 포머(20)는 여기에서 와전류를 유도하며, 이는 급냉된 초전도 코일로부터 전류를 분로(shunt)하고, 급냉된 초전도 코일의 급냉 초기 핫 스팟(hot spot)에서 주울 가열의 부하를 공유할 수 있다.
따라서, 지지 기능을 제공하는 것 외에, 전도성 금속 포머(20)는 급냉 동안 N개의 초전도 코일들(18) 내의 피크 온도를 더 감소시킬 수 있다.
도 17을 참조하면, 다른 실시예에 따른 초전도 자석 시스템의 수직 중심 평면을 따라 취해진 개략적인 단면도가 도시된다. 도 15의 예시된 실시예와 비교하면, 도 17에서의 초전도 자석 시스템(10)은 다수의 전기 전도성 권선들(19)을 더 포함한다. 전기 전도성 권선들(19)은 전기 전도성 권선들(191, 192, 193, 194)을 포함한다. 다른 실시예에서, 전기 전도성 권선들(19)의 수는 상이한 설계 요건들에 따라 조절될 수 있다. 전기 전도성 권선들(19)은 구리 또는 고순도 알루미늄을 포함한다. 전기 전도성 권선들(191 내지 194) 각각은 N개의 초전도 코일들(181 내지 188)과 전자기적으로 결합된다. 각각의 전기 전도성 권선은 전기적으로 단락된다. 본 실시예에서, 전기 전도성 권선들(19)은 주요 코일 포머(224)의 외부 표면(203)과 물리적으로 접촉한다. 다른 실시예들에서, 전기 전도성 권선들(19)은 주요 코일 포머(224)의 내부 표면(201)과 물리적으로 접촉할 수 있다. 도 18은 도 11의 히터들(예를 들어, 히터(1816))을 갖는 주요 금속 포머(224) 및 초전도 코일들(186)의 라인 7-7을 따라 취해진 개략적인 단면도를 도시한다. 다른 실시예에서, 전기 전도성 권선들 각각은 구리 또는 고순도 알루미늄과 같은 전기 전도성 재료를 가진 솔리드 링(solid ring) 또는 실린더로 제조될 수 있다.
한 측면으로부터, 금속 포머(20)는 구성이 안정적임을 확인하기 위해 전기 전도성 권선들(19) 및 N개의 초전도 코일들(18)을 코일 지지 구조물로서 지지한다. 다른 측면으로부터, 급냉 동안, 히터 매트릭스 모듈(28)은 급냉된 초전도 코일이 손상하는 것을 방지하도록 N개의 초전도 코일들(18)을 가열하기 위해 트리거링된다. 전기 전도성 권선들(19)이 N개의 초전도 코일들(181 내지 187)과 전자기적으로 결합되므로, 전기 전도성 권선들(19)과 링크된 자속은 변화되고, 전기 전도성 권선들(19)은 여기에서 와전류를 유도하며, 이는 급냉된 초전도 코일(18)로부터 전류를 분로하고, 급냉된 초전도 코일들(18)의 급냉 초기 핫 스팟에서 주울 가열의 부하를 공유할 수 있다. 더욱이, 전기 전도성 권선들(19)이 금속 포머(20)와 물리적으로 접촉하기 때문에, 금속 포머(20)는 급냉 프로세스 동안 전기 전도성 권선들(19)에서 에너지를 소산시키는데 더 도울 수 있다.
초전도 코일들을 보호하기 위한 히터 매트릭스 모듈(28) 외에, 전기 전도성 금속 포머(20) 및/또는 전기 전도성 권선들(19)은 초전도 코일들을 더 보호하도록 와전류를 생성하기 위해 보충된다. 급냉 보호가 약 1 초 정도의 충분한 효과를 얻을 필요가 있기 때문에, 히터 매트릭스 모듈(28)과 와전류 효과를 통합하면은 에폭시 수지 함침된 초전도 코일 및 열 사이펀 및/또는 전도 냉각으로 자석을 보호하는 데 특히 매우 유용하고 필요하다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 가해질 수 있고, 균등물들이 본 발명의 요소에 대체될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 게다가, 본 발명의 필수적인 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예에 한정되지 않지만, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 모든 실시예들을 포함할 것이다.
상술한 이러한 모든 목적들 또는 이점들이 반드시 임의의 특정 실시예에 따라 달성될 필요는 없다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어, 당업자는 본 명세서에 설명된 시스템 및 기술들이 본 명세서에서 교시되거나 제안될 수 있는 바와 같이 다른 목적들 또는 이점들을 반드시 달성하지 않고 본 명세서에 교시된 바와 같은 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims (20)

  1. 급냉 보호 장치(quench protection apparatus)에 있어서,
    전기적으로 직렬로 결합된 N개의 초전도 코일들; 및
    상기 N개의 히터 유닛들 - 상기 N개의 히터 유닛들은 각각 상기 N개의 초전도 코일들과 전기적으로 병렬로 결합됨 - 을 포함하는 히터 매트릭스 모듈을 포함하고,
    M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 상기 N개의 히터들을 포함하고, 각각의 초전도 코일은 상기 M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로(thermally) 결합되며;
    N-M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 하나의 히터를 포함하고, 상기 M개의 히터 유닛들과 상응하여 결합된 상기 M개의 초전도 코일들 각각은 상기 N-M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합되는 것인 급냉 보호 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    M은 1과 동일한 것인 급냉 보호 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    M은 N과 동일한 것인 급냉 보호 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 N개의 초전도 코일들은 복수의 주요(main) 초전도 코일들 및 적어도 하나의 버킹(bucking) 초전도 코일을 포함하고, 적어도 상기 N개의 히터들을 갖는 상기 히터 유닛은 하나의 버킹 초전도 코일과 결합되는 것인 급냉 보호 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    급냉 동안 열을 소산시키기(dissipating) 위해 상기 N개의 초전도 코일들과 전자기적으로 결합되는 금속 포머를 더 포함하는 급냉 보호 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    복수의 전기 전도성 권선들을 더 포함하고, 상기 복수의 전기 전도성 권선들은 상기 N개의 초전도 코일들과 전자기적으로 결합되며 각각 전기적으로 단락되는 것인 급냉 보호 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각각의 히터의 폭은 열적으로 부착된 상기 대응하는 초전도 코일의 폭과 동일하거나 열적으로 부착된 상기 대응하는 초전도 코일의 폭에 근접하는 것인 급냉 보호 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터들은 대응하는 초전도 코일 상에 균일하게 배치되는 것인 급냉 보호 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    각각의 히터는 상기 대응하는 초전도 코일의 내부 표면 또는 외부 표면과 열적으로 결합되는 것인 급냉 보호 장치.
  10. 초전도 자석 시스템에 있어서,
    중앙 자기장 영역을 형성하는 진공 용기;
    상기 진공 용기 내에 동심원상으로(concentrically) 배치되는 열 차폐체(thermal shield);
    상기 열 차폐체 내에 배치되는 냉각 장치;
    전기적으로 직렬로 결합되는 N개의 초전도 코일들;
    상기 N개의 히터 유닛들 - 상기 N개의 히터 유닛들은 각각 상기 N개의 초전도 코일들과 전기적으로 병렬로 결합됨 - 을 포함하는 히터 매트릭스 모듈을 포함하고,
    M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 상기 N개의 히터들을 포함하고, 각각의 초전도 코일은 상기 M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합되며;
    N-M개의 히터 유닛들은 각각 적어도 하나의 히터를 포함하고, 상기 M개의 히터 유닛들과 상응하여 결합된 상기 M개의 초전도 코일들 각각은 상기 N-M개의 히터 유닛들 각각의 적어도 하나의 히터와 열적으로 결합되는 것인 초전도 자석 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 상기 열 차폐체 내에 동심원상으로 배치된 냉각제(cryogen) 용기를 포함하는 것인 초전도 자석 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 주요 초전도 코일들은 상기 냉각제 용기의 중앙 내부 표면에 감겨지거나 부착되고, 상기 버킹 초전도 코일은 상기 냉각제 용기의 주변 내부 표면에 감겨지거나 부착되는 것인 초전도 자석 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 열 사이펀(thermo-siphon) 냉각 파이프들을 포함하는 것인 초전도 자석 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    급냉 동안 열을 소산시키기 위해 상기 N개의 초전도 코일들과 전자기적으로 결합되는 금속 포머를 더 포함하는 초전도 자석 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    복수의 전기 전도성 권선들을 더 포함하고, 상기 복수의 전기 전도성 권선들은 상기 N개의 초전도 코일들과 전자기적으로 결합되며 각각 전기적으로 단락되는 것인 초전도 자석 시스템.
  16. 급냉 보호 장치에 있어서,
    전기적으로 직렬로 결합된 N개의 초전도 코일들; 및
    각각의 초전도 코일 - 각각의 초전도 코일은 각각의 초전도 코일과 전기적으로 결합된 히터들 중 하나의 히터와 열적으로 결합됨 - 과 전기적으로 결합되는 상기 N개의 히터들을 포함하는 급냉 보호 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    급냉 동안 열을 소산시키기 위해 상기 N개의 초전도 코일들과 전자기적으로 결합되는 금속 포머를 더 포함하는 급냉 보호 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    복수의 전기 전도성 권선들을 더 포함하고, 상기 복수의 전기 전도성 권선들은 상기 N개의 초전도 코일들과 전자기적으로 결합되며 각각 전기적으로 단락되는 것인 급냉 보호 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 포머는 높은 전기 전도성 재료들로 제조되는 것인 급냉 보호 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    각각의 초전도 코일과 전기적으로 결합되는 상기 N개의 히터들은 전기적으로 병렬 또는 직렬로 결합되는 것인 급냉 보호 장치.
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