KR20190070537A - 자기부상용 초전도 전자석용 초전도 스위치 - Google Patents

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Abstract

초전도 스위치는 초전도 전자석에 구비되어 충전 모드와 영구전류모드로 스위칭(switching)을 수행하며, 케이스, 상기 케이스 내에 권선되는 상기 초전도 선재, 상기 케이스의 중앙부분에 형성되어 상기 초전도 선재가 권선되도록 하는 보빈 및 상기 보빈의 중앙공간에 설치되며 외부 전원으로부터 전류가 인가되면 열을 발생하는 히터부를 포함한다.

Description

자기부상용 초전도 전자석용 초전도 스위치 {SUPERCONDUCTING SWITCH OF SUPERCONDUCTING MAGNET FOR MAGNETIC LEVITATION}
본 발명은 초전도 스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초전도 전자석을 영구전류모드로 운전(Excitation : 여자)하기 위한 필수 부품으로서 박막형 고온 초전도 선재를 이용하는 자기부상용 초전도 전자석용 초전도 스위치에 관한 것이다.
일반적인 마그넷 또는 반도체 스위치는 내부에 접촉저항이 존재하기 때문에 영구전류모드 운전 시 저항손실로 인해 초전도 코일의 전류감쇄가 급격히 일어나 자기장을 유지하기 어렵다. 그래서 초전도 코일의 영구전류모드 운전에는 초전도체의 온도에 따른 초전도성의 변화를 제어하여 전기적으로 On-off 할 수 있는 초전도 스위치가 사용된다.
도 1은 종래의 초전도 스위치(1)의 기본 구조이다. 이러한 초전도 스위치(1)는 박막형 초전도 선재(2)에 열을 발생시킬 수 있는 열선 히터(3)가 설치된 구조를 가진다. 상기 박막형 초전도 선재(2)는 냉각조 내 77K의 액체 질소 중에 있기 때문에 열선 히터(3)의 열이 없을 때는 초전도층(4)이 초전도 상태가 되어 전기저항이 0[Ω]이 된다. 그러나 열선 히터(3)에 의해 열이 상기 박막형 초전도 선재(2)에 가해져 임계온도 이상으로 올라가면 초전도 현상이 깨지면서 절연상태로 변한다. 이러한 열선 히터(3)의 열로 초전도성질을 제어함으로써 전기적으로 On, Off 동작 상태를 만들 수 있다.
한편, 상기 박막형 초전도 선재(1)는 초전도층(4) 외에도 제품의 제작을 위해 절연층(5), 금속 도전층(6) 및 기판(7)을 포함한다. 따라서 초전도층(4)이 절연상태가 되어 Off 상태가 되더라도 금속 도전층(6)을 통해 전기저항(Rpcs) 성분이 존재하게 되며, 이에 따라 상기 박막형 초전도 선재(1)는 초전도 코일의 자화를 해제하기 위하여 초전도 코일에 흐르는 전류를 제거하기 위한 방전저항 역할을 한다.
이 경우, 초전도 코일에 저장된 에너지가 클 경우 빠른 방전을 위해서는 전기저항(Rpcs)의 값이 커야 하며, 이를 위해 초전도 스위치를 제작하는데 있어서 초전도 선재의 길이가 길어져 스위치의 크기가 커지는 문제점이 있다.
나아가, 이러한 구조의 초전도 스위치(1)는 히터의 열이 주변 액체질소에도 쉽게 전달되기 때문에 액체질소가 기화되는 현상이 발생하며, 이 때문에 초전도 전자석의 안정성에 문제를 발생시킬 수 있는 단점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0994971호 대한민국 공개특허 제2012-238717호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 종래의 초전도 스위치에 비해 전류의 On-Off 작동을 용이하면서도 안정적으로 수행 할 수 있고, 영구전류모드 운전 시 초전도 코일에 대한 전류의 충방전 속도를 향상시킬 수 있는 자기부상용 초전도 전자석용 초전도 스위치에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 자기부상용 초전도 전자석용 초전도 스위치는, 초전도 전자석에 구비되어 충전 모드와 영구전류모드로 스위칭(switching)을 수행하며, 케이스, 상기 케이스 내에 권선되는 상기 초전도 선재, 상기 케이스의 중앙부분에 형성되어 상기 초전도 선재가 권선되도록 하는 보빈 및 상기 보빈의 중앙공간에 설치되며 외부 전원으로부터 전류가 인가되면 열을 발생하는 히터부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 보빈은 전도성 소재로 형성되어 상기 히터부에서 발생된 열을 상기 초전도 선재로 전달할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 케이스는 원형 플레이트 형상의 바닥부 및 상기 바닥부로부터 소정높이 만큼 형성된 측벽부를 포함하고, 상부가 개구되어 상기 보빈, 상기 초전도 선재 및 상기 히터부를 수용하는 본체부 및 상기 본체부의 상부 일부를 커버부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초전도 선재는 상기 커버부와 중첩되는 영역에서 권선되고, 상기 커버부에 의해 외부 냉각 매질과 비접촉 될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 보빈의 직경은 상기 바닥부의 직경보다 작게 형성되며, 상기 측벽부로부터 상기 보빈까지는 소정의 간격이 형성되고, 상기 간격이 형성되는 권선 공간에 상기 초전도 선재가 권선될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초전도 선재는 서로 중첩된 한 쌍의 제1 및 제2 선재 유닛들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 선재유닛들은 상기 권선 공간에 복수회 권선될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 2 선재 유닛들은 하나의 연장된 선재일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중첩된 한 쌍의 제1 및 제2 선재 유닛들은 서로 연결된 단부가 라운드 된 형태로 연장되어 각각의 일단부가 서로 이격되고, 상기 각각의 일단부에서 연장되어 각각의 양 끝단에 이르기까지 서로 중첩되어 인접하도록 위치하는 형태로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 선재 유닛의 일단부는 상기 보빈의 중앙공간에 형성되고, 상기 제2 선재 유닛의 일단부는 상기 권선 공간에 형성되어 상기 보빈의 외면을 따라 권선될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 보빈에는 상기 제1 및 제2 선재 유닛들의 서로 연결된 단부가 관통되는 제1 관통공, 상기 제1 선재 유닛의 일단부가 연장되어 관통되는 제2 관통공, 및 상기 제1 및 제2 선재 유닛들의 양 끝단부가 관통되는 제3 관통공이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 히터부는 상기 중앙공간의 제1 공간에 위치하는 제1 히터부 및 상기 중앙공간의 제2 공간에 위치하는 제2 히터부를 포함하되, 상기 제1 및 제2 히터부들은 상기 제1 선재 유닛의 일단부를 중심으로 서로 대칭적으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 선재유닛들은 외주면 전체가 절연체로 커버되어 서로 절연되고 상기 보빈과도 절연될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 제1 및 제2 선재 유닛들을 겹층함과 동시에 권선 공간에 복수회 권선함으로써, 제1 및 제2 선재 유닛들은 상대적으로 길게 연장될 수 있으며, 이에 따라 상대적으로 적은 부피의 공간에서 상대적으로 길게 연장되는 초전도 선재를 구현할 수 있고, 이에 따라 큰 저항(Rpcs)을 갖는 초전도 스위치를 제작할 수 있다.
특히, 영구전류모드로 운전하는데 있어서 초전도 자석의 초전도 코일에 저장된 에너지가 클 경우 방전 속도를 높일 수 있기 때문에 대용량의 자기부상용 초전도 전자석에 적용하는데 유리하다.
또한, 히터부 및 보빈이 케이스 내부에 설치되어 있으며, 커버부에 의해 커버되기 때문에 외부의 액체 질소에 직접 접촉되지 않으며, 이에 따라 초전도 스위치에 의한 액체 질소의 버블 현상의 발생을 방지할 수 있으며 운전 안정성을 높일 수 있다.
또한, 제1 및 제2 선재 유닛들 각각이 절연테이프로 절연 처리됨에 따라 서로 중첩하더라도 전기적으로 절연되며 보빈과도 절연될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 선재 유닛들이 서로 절연됨에 따라 열이 인가되어 저항이 발생하는 경우, 제1 및 제2 선재 유닛들 사이의 통전으로 인해 저항이 감소하는 문제를 해결할 수 있고, 발생되는 저항에 의한 초전도 선재의 스위칭 기능이 충실히 수행될 수 있다.
나아가, 제1 및 제2 선재 유닛들이 서로 연결된 단부를 라운드 된 형태로 연장되도록 형성함에 따라, 제1 및 제2 선재 유닛들이 서로 접하하며 연장되는 경우 서로 연결된 부분을 중심으로 꺾임이 발생하여 손상되거나 단락되는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 초전도 스위치의 기본 구조이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 초전도 스위치가 구비되는 자기부상용 초전도 전자석을 도시한 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 초전도 전자석의 초전도 코일이 영구전류모드 및 충전모드로 운전되는 상태를 도시한 등가 회로도들이다.
도 4는 도 2의 자기부상용 초전도 전자석에 적용된 초전도 스위치를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 초전도 스위치를 I-I'을 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 도 4의 초전도 스위치를 도시한 내부 구성도이다.
도 7은 도 4의 초전도 스위치의 초전도 선재가 권선된 형상을 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 초전도 스위치가 구비되는 자기부상용 초전도 전자석을 도시한 사시도이다. 도 3a 및 도 3b는 도 2의 초전도 전자석의 초전도 코일이 영구전류모드 및 충전모드로 운전되는 상태를 도시한 등가 회로도들이다.
본 실시예에 의한 초전도 스위치는 도 2에 도시된 초전도 전자석에 구비되는 것으로, 이하에서는 우선, 도 2, 도 3 및 도 3b를 참조하여, 상기 초전도 전자석의 구조와 이의 등가회로에 대하여 설명한다.
일반적으로, 초전도 전자석(10)은 초전도체의 전기저항이 0 [Ω]인 특징을 이용하여 선재 모양의 초전도체를 코일 형상으로 권선하여 제작된 전자석이다. 철심을 사용하지 않기 때문에 자속 포화가 없으며 따라서 2T 이상의 높은 자기장을 발생시킬 수 있는 장점이 있으며, 따라서 강력한 자기장을 요구하는 초고속 자기부상열차나 하이퍼 튜브의 추진 및 자기부상을 위한 차상 전자석으로 이용된다.
이러한 초전도 전자석(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 자기장을 만들 수 있는 초전도 코일(11), 초전도 코일을 보호하고 섭씨 영하 190도 이하의 극저온을 유지하기 위한 냉각조(20), 외부로 부터의 복사열 침입을 차단하기 위한 열차폐(Thermal Shield, 30), 외부에서 초전도 코일에 전류를 공급하기 위한 전류터미널(40)로 되어 있다. 상기 초전도 전자석(10)은 다수의 초전도 코일(11)로 구성된다.
상기 초전도 코일(11)은 극저온 용기 중에 있으며, 극저온 용기 내부의 77K 온도의 액체질소에 의해 냉각된다. 각 초전도 코일(11)은 직렬로 연결되어 있고 초전도 코일(11)의 양 끝단은 전류터미널(40)에 각각 전기적으로 연결되어 있다. 따라서 외부 전원(DC전류원)을 전류 터미널(40)에 연결하는 회로를 구성하고 적절히 설계된 스위칭 장치를 이용하여 전류의 흐름을 제어함으로서 자기부상을 위한 초전도 코일(11)의 자화(Excitation)를 제어할 수 있게 된다.
이 경우, 상기 스위칭 장치(이하에서는 '초전도 스위치', 100)는 도시하지는 않았으나, 상기 초전도 전자석(10)의 내부에 위치하게 된다.
한편, 상기 초전도 스위치(100)는 상기 극저온의 용기 중에 위치하는 경우 초전도 상태를 유지하여 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 초전도 코일(11)의 양단을 단락시켜 폐 루프 상태로 만들게 되는데, 이때 상기 초전도 코일(11)의 전기저항이 0이 되기 때문에 상기 초전도 코일(11)에는 외부 전원의 공급 없이도 지속적으로 전류가 흐르게 되며, 이러한 초전도 코일(11)의 운전방법을 영구전류 모드(persistent current mode) 운전이라 한다.
즉, 상기 영구전류 모드 운전이 수행되기 위해서는, 상기 초전도 스위치(100)는 ON 상태이어야 하며, 이를 위해 상기 초전도 스위치가 임계온도 이하로 유지되어야 하며 이에 따라 상기 초전도 스위치는 초전도 상태를 유지하여 전기저항이 0[Ω]을 유지하게 된다.
이와 달리, 도 3b에 도시된 바와 같이, 외부로부터 전원이 공급됨에 따라 상기 초전도 스위치(100)에 열이 인가되면 상기 초전도 스위치(100)의 초전도 선재의 온도는 임계온도 이상으로 상승하게 되며 이에 따라 상기 초전도 스위치(100)의 초전도 현상은 깨지면서 절연상태로 변화하게 된다. 그리하여, 상기 초전도 스위치(100)에 전기 저항이 발생하여 상기 초전도 스위치(100)는 OFF 상태가 되고, 이에 따라 상기 초전도 코일(11)은 충전상태를 유지하게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에서의 상기 초전도 스위치(100)는 상기 초전도 전자석(10)의 구성요소로서 ON, OFF 동작이 수행됨에 따라, 상기 초전도 코일(11)에 대한 충전을 수행하는 충전 모드와 지속적으로 전류가 흐르는 영구전류 모드가 선택적으로 수행될 수 있는 스위칭(switching) 역할을 수행한다.
도 4는 도 2의 자기부상용 초전도 전자석에 적용된 초전도 스위치를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 초전도 스위치를 I-I'을 따라 절단한 단면도이고, 도 6은 도 4의 초전도 스위치를 도시한 내부 구성도이고, 도 7은 도 4의 초전도 스위치의 초전도 선재가 권선된 형상을 도시한 모식도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 초전도 스위치(100)는, 케이스(200), 보빈(300), 초전도 선재(400) 및 히터부(500)를 포함한다.
먼저, 상기 케이스(200)는 상부가 개구되어 상기 보빈(300), 상기 초전도 선재(400) 및 상기 히터부(500)를 수용하는 본체부(210)와 상기 본체부(210)의 개구된 상부의 일부를 커버하는 커버부(220)를 포함한다.
이 경우, 상기 본체부(210)는 원형 플레이트 형상의 바닥부(211)를 가지며, 상기 바닥부(211)의 상기 원형 플레이트 형상의 원주에는 소정높이 만큼의 측벽부(212)가 형성되어, 상부만 개구되는 형상을 가진다.
그리하여, 상기 커버부(220)는 상기 개구된 상부의 일부만을 커버하되, 상기 본체부(210)의 중앙부분(213)은 개구 상태를 유지하고, 상기 원주로부터 일정 거리만큼만 커버한다.
즉, 상기 커버부(200)는 상기 본체부(210)에 수용된 상기 초전도 선재(400)만을 커버하게 되며, 이에 따라 상기 초전도 선재(400)가 권선되는 영역 역시 상기 본체부(210)의 원주로부터 일정 거리 만큼에만 해당된다.
그리하여, 상기 초전도 선재(400)는 상기 케이스(200)의 외부에 있는 외부 냉각 매질(액상의 헬륨)과 비접촉 될 수 있다.
상기 케이스(200)는 단열성 소재로 형성되며 예를 들어, FRP(Fiber Reinforced Plastic) 소재로 형성될 수 있다.
상기 보빈(300)은 상기 초전도 선재(400)를 권선하기 위한 장소를 제공하는 것으로, 즉 상기 초전도 선재(400)가 권선될 수 있는 지지체의 역할을 한다.
상기 보빈(300)은 상기 케이스(200) 내부, 즉 상기 본체부(210)의 상기 중앙부분(213)에서 중공인 원통형상으로 이루어지며 설치되고, 이에 따라 상기 중앙 부분(213)에 중앙공간(214)이 형성된다.
재질은 상기 히터부(500)에서 발생된 열을 상기 초전도 선재(400)로 전달할 수 있도록 전도성 소재로 형성되는 것이 좋다.
이 경우, 상기 보빈(300)의 직경은 상기 본체부(210)의 바닥면의 직경보다 작게 형성되며, 이에 따라 상기 본체부(210)의 상기 측벽부(212)로부터 상기 보빈(300)까지는 소정의 간격(D)이 형성되고, 상기 간격(D)이 형성되는 권선 공간(450)에 상기 초전도 선재(400)가 권선된다.
즉, 상기 초전도 선재(400)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 보빈(300)에 지지되어 상기 보빈(300)의 외면을 따라 상기 본체부(210)의 상기 측벽부(212)까지 권선된다.
이 경우, 상기 초전도 선재(400)는 도 7에 도시된 바와 같이, 서로 겹층된 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)은 실질적으로는 하나의 연장된 선재이며, 하나의 연장된 선재의 양 끝단(411, 421)을 서로 마주하도록 위치시키면, 도 7에 도시된 바와 같이 서로 중첩된 한 쌍의 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)이 서로 인접하도록 위치하는 형태로 연장된다.
이 경우, 상기 제1 선재 유닛(410) 및 상기 제2 선재 유닛(420)은 하나의 선재가 연장된 것이므로, 서로 동일한 두께 및 폭을 가지며 실질적으로 동일한 형상을 가진다. 그리하여, 서로 겹층되어 상기 권선공간(450)에 권선된다.
이때, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)이 서로 연결된 부분(즉, 도 7에 도시된 초전도 선재(400)의 중앙 부분)에서는, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)을 서로 접합하며 연장하는 경우 상기 서로 연결된 부분을 중심으로 꺾임이 발생하여 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)이 손상되거나 단락이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)이 서로 연결된 단부(431)는 손상 및 단락을 방지하기 위해 라운드 된 형태로 연장되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)은 서로 연결된 상기 단부(431)를 중심으로 원호현상으로 절곡된 형상을 형성하여 부분적으로 서로 이격된다.
그리고, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)은 상기 라운드 된 형태에서 연장되어 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420) 각각의 상기 양 끝단(411, 421)에 이르기까지 서로 중첩되어 인접하도록 위치하는 형태로 연장된다.
이와 같이 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)의 서로 연결된 단부(431)가 라운드 된 형태로 연장 형성되면 상기 단부(431)에서 연장되는 상기 제1 및 제2 선재 유닛들 각각의 일단부(413, 423)는 서로 이격 형성된다.
이때, 상기 제1 선재 유닛(410)의 상기 일단부(413)는 상기 보빈(300)의 상기 중앙공간(214)에 배치되며, 상기 제2 선재 유닛(420)의 상기 일단부(423)는 보빈(300)과 상기 케이스(200)의 원주 사이에 형성된 상기 권선공간(450)에 배치되어 상기 보빈(300)의 외면을 따라 권선된다.
이와 같이 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)의 상기 일단부들(413, 423)을 서로 다른 공간에 배치하기 위해, 상기 보빈(300)에는 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)의 상기 서로 연결된 단부(431)를 관통시키는 제1 관통공(471)과 상기 제1 선재 유닛(410)의 상기 일단부(413)가 연장되어 상기 제2 선재 유닛(420)과 중첩되어 상기 보빈(300)의 외면에 함께 권선될 수 있도록 하기 위한 제2 관통공(472)이 형성된다.
한편, 상기 제1 선재 유닛(410)의 상기 일단부(413)는 도시된 바와 같이 상기 보빈(300)의 중앙에 형성될 수 있으며, 따라서 상기 히터부(500)가 제1 히터부(510) 및 제2 히터부(520)를 포함한다면, 상기 제1 및 제2 히터부들(510, 520)은 상기 일단부(413)를 중심으로 서로 대칭적으로 형성될 수 있다.
또한 이 경우, 상기 제1 히터부(510)는 상기 중앙공간(214)의 제1 공간(215)에 위치하고, 상기 제2 히터부(520)는 상기 중앙공간(214)의 제2 공간(216)에 위치한다.
이와 같이 상기 제1 및 제2 히터부들(510, 520)이 상기 보빈(300)의 상기 중앙공간(214)에서 어느 한쪽에 치우치지 않고 상기 보빈(300)의 중앙을 중심으로 각각 상기 제1 및 제2 공간들(215, 216)에 위치하며 서로 대칭적으로 형성됨에 따라, 열을 발생하여 상기 제1 및 제2 선재유닛들(410, 420)에 균일하게 전달할 수 있다.
나아가, 도 6에는 상기 히터부(500)가 2개의 상기 제1 및 제2 히터부들(510, 520)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 히터부의 개수는 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)로 전달하는 열량에 따라 다양하게 설계 변경될 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)을 겹층함과 동시에 상기 권선 공간(450)에 복수회 권선함으로써, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)은 상대적으로 길게 연장될 수 있으며, 이에 따라 상대적으로 적은 부피의 공간에서 상대적으로 길게 연장되는 초전도 선재(400)를 구현할 수 있고, 이에 따라 큰 저항(Rpcs)을 갖는 초전도 스위치를 제작할 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)은 각각의 외주면 전체가 절연체로 커버될 수 있다. 이 경우, 절연 테이프, 예를 들어 면-고무 테이프를 이용하여 상기 제1 및 제2 선재유닛들(410, 420)을 절연시킬 수 있다. 상기 면-고무 테이프는 일반적으로 전기적인 절연을 위해 쓰이는 테이프로 약간의 점성을 가지고 있다.
이와 같이 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420) 각각이 절연체로 커버됨에 따라, 상기 제1 및 제2 선재유닛들(410, 420)은 서로 절연될 수 있으며, 상기 보빈(300)과도 절연될 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)이 서로 절연됨에 따라 열이 인가되어 저항이 발생하는 경우, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420) 사이의 통전으로 인해 저항이 감소하는 문제를 해결할 수 있고, 발생되는 저항에 의한 상기 초전도 선재(400)의 스위칭 기능이 충실히 수행될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 선재 유닛들(410, 420)의 양 끝단부(412, 422)는 상기 보빈(300)에 형성된 제3 관통공(473)을 관통하여 외부로 연장되며, 이에 따라 외부에 위치한 상기 초전도 자석(10)과 연결되어 스위칭 기능을 수행할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 실시예에 의한 자기부상용 초전도 전자석의 영구전류모드 운전을 위한 초전도 스위치(100)의 작용은 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 바와 같다.
즉, 외부 전원으로부터 초전도 자석으로 전류를 인가해야 하는 경우 상기 전류터미널(40)이 접속된다. 상기 전류터미널(40)이 접속되면 외부 전원과 초전도 자석 간에 폐회로가 구성되므로 전류가 흐를 수 있게 된다.
이 경우, 상기 외부 전원으로부터 전류가 인가되면 상기 히터부(500)도 동작하게 되며, 이에 따라 상기 히터부(500)로부터 열이 발생하게 된다.
그리하여, 상기 히터부(500)에서 발생된 열은 상기 보빈(300)으로 전달되고, 상기 보빈(300)에서 상기 초전도 선재(400)로 전달된다.
즉, 상기 초전도 선재(400)에 열이 전달되면, 상기 초전도 선재(400)의 온도가 상승하여 소위 임계온도 이상으로 증가하게 되며, 상기 초전도 선재(400)에 유지되던 초전도 상태는 깨지게 되고, 절연상태로 변화하게 된다.
따라서, 상기 절연상태로 변화한 상기 초전도 선재(400)에는 전기 저항이 발생하게 되며, 이에 따라 상기 초전도 스위치(100)는 OFF 상태가 된다.
그리하여, 상기 외부 전원으로부터 공급되는 전원은 상기 초전도 코일(11)에 충전된다. 이와 달리, 상기 외부 전원으로부터 상기 초전도 자석으로 인가되는 전류를 차단하기 위해, 상기 전류터미널(40)의 접속을 해제하면, 상기 외부 전원과 상기 초전도 자석 간에 폐회로가 구성되지 않으므로 전류 공급이 중단된다.
이에 따라, 상기 히터부(500)로부터의 열은 더 이상 발생되지 않으며 이에 따라 상기 초전도 선재(400)는 다시 냉각이 시작된다. 그리하여, 상기 초전도 선재(400)가 소위 임계 온도 이하로 냉각되면 상기 초전도 선재(400)는 상전도에서 초전도로 바뀌게 되어 극저온 상태를 유지하게 된다.
이에 따라, 상기 초전도 선재(400)의 전기 저항은 소멸되며, 상기 초전도 스위치(100)는 ON 상태가 된다.
즉, 상기 초전도 스위치(100)는 소정의 임계 온도 이하로 냉각되어 초전도성을 띄게 되며, 상기 초전도 자석과 폐회로를 이루게 되고, 상기 초전도 선재(400)는 저항성분이 없으므로 외부에서 공급되는 더 이상의 전류가 없더라도 전류가 계속 흐르게 되는 영구전류모드(persistent current mode)를 구성하게 된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 제1 및 제2 선재 유닛들을 겹층함과 동시에 권선 공간에 복수회 권선함으로써, 제1 및 제2 선재 유닛들은 상대적으로 길게 연장될 수 있으며, 이에 따라 상대적으로 적은 부피의 공간에서 상대적으로 길게 연장되는 초전도 선재를 구현할 수 있고, 이에 따라 큰 저항(Rpcs)을 갖는 초전도 스위치를 제작할 수 있다.
특히, 영구전류모드로 운전하는데 있어서 초전도 자석의 초전도 코일에 저장된 에너지가 클 경우 방전 속도를 높일 수 있기 때문에 대용량의 자기부상용 초전도 전자석에 적용하는데 유리하다.
또한, 히터부 및 보빈이 케이스 내부에 설치되어 있으며, 커버부에 의해 커버되기 때문에 외부의 액체 질소에 직접 접촉되지 않으며, 이에 따라 초전도 스위치에 의한 액체 질소의 버블 현상의 발생을 방지할 수 있으며 운전 안정성을 높일 수 있다.
또한, 제1 및 제2 선재 유닛들 각각이 절연테이프로 절연 처리됨에 따라 서로 중첩하더라도 전기적으로 절연되며 보빈과도 절연될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 선재 유닛들이 서로 절연됨에 따라 열이 인가되어 저항이 발생하는 경우, 제1 및 제2 선재 유닛들 사이의 통전으로 인해 저항이 감소하는 문제를 해결할 수 있고, 발생되는 저항에 의한 초전도 선재의 스위칭 기능이 충실히 수행될 수 있다.
나아가, 제1 및 제2 선재 유닛들이 서로 연결된 단부를 라운드 된 형태로 연장되도록 형성함에 따라, 제1 및 제2 선재 유닛들이 서로 접하하며 연장되는 경우 서로 연결된 부분을 중심으로 꺾임이 발생하여 손상되거나 단락되는 현상을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
200 : 케이스 213 : 중앙부분
214 : 중앙공간 215 : 제1 공간
216 : 제2 공간 300 : 보빈
400 : 초전도 선재 410 : 제1 선재 유닛
420 : 제2 선재 유닛 411, 421 : 양 끝단
412, 422 : 양 끝단부 413, 423 : 일단부들
431 : 단부 450 : 권선공간
471 : 제1 관통공 472 : 제2 관통공
473 : 제3 관통공 500 : 히터부
510 : 제1 히터부 520 : 제2 히터부

Claims (12)

  1. 초전도 전자석에 구비되어 충전 모드와 영구전류모드로 스위칭(switching)을 수행하며,
    케이스;
    상기 케이스 내에 권선되는 상기 초전도 선재;
    상기 케이스의 중앙부분에 형성되어 상기 초전도 선재가 권선되도록 하는 보빈; 및
    상기 보빈의 중앙공간에 설치되며 외부 전원으로부터 전류가 인가되면 열을 발생하는 히터부를 포함하는 초전도 스위치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보빈은,
    전도성 소재로 형성되어 상기 히터부에서 발생된 열을 상기 초전도 선재로 전달하는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 케이스는,
    원형 플레이트 형상의 바닥부 및 상기 바닥부로부터 소정높이 만큼 형성된 측벽부를 포함하고, 상부가 개구되어 상기 보빈, 상기 초전도 선재 및 상기 히터부를 수용하는 본체부; 및
    상기 본체부의 상부 일부를 커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초전도 선재는,
    상기 커버부와 중첩되는 영역에서 권선되고, 상기 커버부에 의해 외부 냉각 매질과 비접촉 되는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 보빈의 직경은 상기 바닥부의 직경보다 작게 형성되며,
    상기 측벽부로부터 상기 보빈까지는 소정의 간격이 형성되고, 상기 간격이 형성되는 권선 공간에 상기 초전도 선재가 권선되는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 초전도 선재는,
    서로 중첩된 한 쌍의 제1 및 제2 선재 유닛들을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 선재유닛들은 상기 권선 공간에 복수회 권선되는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 2 선재 유닛들은 하나의 연장된 선재인 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 중첩된 한 쌍의 제1 및 제2 선재 유닛들은,
    서로 연결된 단부가 라운드 된 형태로 연장되어 각각의 일단부가 서로 이격되고,
    상기 각각의 일단부에서 연장되어 각각의 양 끝단에 이르기까지 서로 중첩되어 인접하도록 위치하는 형태로 연장되는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 선재 유닛의 일단부는 상기 보빈의 중앙공간에 형성되고,
    상기 제2 선재 유닛의 일단부는 상기 권선 공간에 형성되어 상기 보빈의 외면을 따라 권선되는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 보빈에는,
    상기 제1 및 제2 선재 유닛들의 서로 연결된 단부가 관통되는 제1 관통공, 상기 제1 선재 유닛의 일단부가 연장되어 관통되는 제2 관통공, 및 상기 제1 및 제2 선재 유닛들의 양 끝단부가 관통되는 제3 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 히터부는,
    상기 중앙공간의 제1 공간에 위치하는 제1 히터부; 및
    상기 중앙공간의 제2 공간에 위치하는 제2 히터부를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 히터부들은 상기 제1 선재 유닛의 일단부를 중심으로 서로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.
  12. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 선재유닛들은,
    외주면 전체가 절연체로 커버되어 서로 절연되고 상기 보빈과도 절연되는 것을 특징으로 하는 초전도 스위치.

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