KR20190078918A - 초전도 자석 전도 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 자석 전도 냉각 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 초전도 자석 전도 냉각 시스템은 자기장을 생성하는 초전도 자석 및 상기 초전도 자석과 열전도체로 연결되어 상기 초전도 자석을 열전도에 의해 극저온으로 냉각시키는 극저온 냉동기를 포함하는 초전도 자석 전도 냉각 시스템에 있어서, 내부에 상기 초전도 자석을 수용하고 가스가 채워진 가스 챔버를 포함하고, 상기 초전도 자석은 상기 가스 챔버의 외부에 배치되는 극저온 냉동기로부터 냉각열을 전달받아 냉각되는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 자석 전도 냉각 시스템{CONDUCTION COOLING SYSTEM FOR A SUPERCONDUCTING MAGNET}

본 발명은 초전도 자석 전도 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극저온 냉동기에서 발생하는 냉각열을 열전도에 의해 직접 초전도 자석에 전달하여 전도 냉각 방법으로 초전도 자석을 냉각시키는 초전도 자석 전도 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 초전도 현상은 어떤 물질이 특정조건(온도, 전류밀도, 자속밀도)에서 저항이 사라지고 완전 반자성 특성을 보이는 것을 말한다. 초전도 현상은 항상 가능한 것은 아니고, 일정 온도(임계온도 Tc) 이하, 일정 전류밀도 (임계전류밀도 Jc) 이하, 일정 자기장(임계자기장 Hc) 이하에서만 전기저항이 0이 된다. 특히, 통전전류밀도가 임계전류밀도(Jc)보다 크면 초전도성을 잃고 저항이 나타난다. 이러한 초전도성을 갖는 초전도체는 일반도체와 달리 전류를 흘려 보내도 손실이 없고 많은 양의 전류를 보낼 수 있다.

초전도체는 대부분 자석으로 응용되어 사용되는데, 액체 헬륨의 온도인 4K 부근에서 초전도 상태가 되는 저온 초전도체와 액체 질소의 온도인 77K에서도 초전도 상태가 되는 고온 초전도체로 나뉜다.

전술한 바와 같이 초전도 자석은 극저온에서 동작하기 때문에 이를 냉각시키기 위해서 자석을 그 동작 온도에 따라서 액체 헬륨이나 액체 질소와 같은 극저온 냉매에 침적시켜 냉각시키거나 극저온 냉동기에 직접 연결하여 전도 냉각 방법으로 냉각시키도록 한다.

고자기장에서 높은 임계전류 밀도를 가지고 있으며 기계적인 특성이 뛰어난 고온 초전도 자석의 적용 분야가 점차로 확대되고 있고 이와 함께 자석의 운전 온도가 높아짐에 따라서, 초전도 자석을 냉각시키기 위한 전도 냉각 시스템의 적용이 함께 증가하고 있다. 전도 냉각 시스템은 극저온 냉동기 의해서 직접 초전도 자석을 냉각시키기 때문에 액체 냉매에 침적시키는 방법과 비교하여 사용이 용이하고 냉각 시스템을 컴팩트하게 구성할 수 있다는 장점이 있다.

이때, 초전도 자석은 초전도 코일을 적층하여 구성되고 냉각 시스템을 구성하는 구성요소들을 통해 극저온 냉동기의 냉각열을 전달받아 냉각되는데, 이때 고체와 고체 사이에 접촉 열저항은 전도 냉각 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다.

초전도 코일 내 초전도 선재 사이와 초전도 코일과 열전도 냉각 박판 및 열전도 냉각 블록 사이의 접촉 열저항을 줄이기 위해서, 종래에 초전도 자석을 파라핀이나 에폭시에 함침하여 제작하는 방법을 사용하였다.

하지만, 초전도 자석을 파라핀이나 에폭시에 함침하여 제작하는 데에는 많은 시간과 노력이 필요하며 높은 작업 숙련도가 요구된다. 또한, 파라핀 함침의 경우에는 냉각 과정에서 파라핀의 이석(Chip)이 발생할 수가 있고, 에폭시 함침의 경우에는 초전도 선재의 박리(Delamination)가 발생하여 초전도 자석의 성능 저하의 우려가 있다.

대한민국 공개특허 10-2016-0086682

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초전도 자석을 가스가 충전된 가스 챔버 내부에 배치시킨 상태에서 전도 냉각 시스템으로 냉각시킴으로써, 초전도 자석 및 초전도 자석과 결합되는 냉각 구조물 사이의 접촉 열저항을 줄일 수 있으며, 종래의 파라핀 또는 에폭시 함침 방식에 비해 열적 안정성을 확보하면서도 제작이 용이하며 이석 및 박리 현상이 발생하지 않기 때문에 초전도 자석의 신뢰성을 높일 수 있는 초전도 자석 전도 냉각 시스템을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 자기장을 생성하는 초전도 자석; 및 상기 초전도 자석과 열전도체로 연결되어 상기 초전도 자석을 열전도에 의해 극저온으로 냉각시키는 극저온 냉동기;를 포함하는 초전도 자석 전도 냉각 시스템에 있어서, 내부에 상기 초전도 자석을 수용하고 가스가 채워진 가스 챔버를 포함하고, 상기 초전도 자석은 상기 가스 챔버의 외부에 배치되는 극저온 냉동기로부터 냉각열을 전달받아 냉각되는 초전도 자석 전도 냉각 시스템에 의해 달성될 수가 있다.

여기서, 상기 가스 챔버는 열전도성이 높은 재질로 형성되고, 상기 극저온 냉동기와 상기 가스 챔버의 외측면을 연결하여 열을 전도하는 제 1 열전도부; 및 상기 가스 챔버의 내측면과 상기 초전도 자석을 연결하여 열을 전달하는 제 2 열전도부를 포함할 수가 있다.

여기서, 상기 초전도 자석은 초전도 코일이 적층되어 형성되고, 적층된 상기 초전도 코일 사이에는 열전도 냉각 박판이 각각 배치되는데, 복수의 상기 열전도 냉각 박판의 단부와 연결되는 열전도 냉각 블록 및 열전도 냉각판은 상기 제 2 열전도부와 연결될 수가 있다.

여기서, 상기 제 1 열전도부와 상기 제 2 열전도부는 열전도성이 높은 재질로 형성되고 열응력을 줄이기 위해 유연 도선들로 구성될 수가 있다.

여기서, 상기 가스는 헬륨(He)인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 가스 챔버를 내부에 수용하며 복사열을 차폐시키는 열차폐 챔버; 및 상기 열차폐 챔버를 내부에 수용하며 내부에 진공이 형성되는 진공 챔버를 더 포함할 수가 있다.

여기서, 상기 극저온 냉동기는 두 개의 냉각 스테이지를 갖는 2단 스테이지형의 극저온 냉동기를 사용하고, 제 1 스테이지는 상기 열차폐 챔버와 연결되어 상기 열차폐 챔버를 냉각시키고, 제 2 스테이지는 상기 가스 챔버와 연결되어 상기 초전도 자석을 냉각시킬 수가 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 자석 전도 냉각 시스템에 따르면 초전도 자석을 가스가 충전된 가스 챔버 내부에 배치시킨 상태에서 전도 냉각 시스템으로 냉각시킴으로써 접촉 열저항을 줄여 냉각 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 극저온 냉동기로부터의 열전도에 의한 냉각 뿐만 아니라 가스 챔버 내의 가스(헬륨)를 통해서 자연대류에 의해서도 초전도 자석이 냉각되므로 초전도 자석의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.

또한, 종래의 파라핀 또는 에폭시 함침 방식에 비해 이석(Chip) 및 박리(Delamination) 현상이 발생하지 않기 때문에 초전도 자석의 신뢰성을 높일 수 있다는 장점도 있다.

또한, 종래의 파라핀 또는 에폭시 함침 방식과 비교하여 열적 안정성을 확보하면서도 제작이 용이하다는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 자석 전도 냉각 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 초전도 코일 및 열전도 냉각 박판으로 이루어지는 초전도 자석의 확대 도면이다.
도 3은 두 고체면의 접촉이 진공 상태에서 이루어지는 경우와 비교하여 가스 상태에서 이루어지는 경우 접촉 열저항이 현저하게 작아짐을 보여주는 실험 데이터이다.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 초전도 자석 전도 냉각 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 자석 전도 냉각 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 초전도 코일 및 열전도 냉각 박판으로 이루어지는 초전도 자석의 확대 도면이고, 도 3은 두 고체면의 접촉이 진공 상태에서 이루어지는 경우와 비교하여 가스 상태에서 이루어지는 경우 접촉 열저항이 현저하게 작아짐을 보여주는 실험 데이터이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 자석 전도 냉각 시스템은 자기장을 형성하는 초전도 자석(100), 상기 초전도 자석(100)과 열전도체로 연결되어 초전도 자석(100)을 열전도에 의해 극저온으로 냉각시키는 냉각열을 제공하는 극저온 냉동기(110), 및 가스 챔버(120)를 포함하여 구성될 수가 있다. 또한, 열차폐 챔버(130) 및 진공 챔버(140)를 더 포함할 수가 있다.

먼저, 도 2에 도시된 초전도 자석(100)은 소정의 임계 온도 이하에서 초전도 상태로 되는 초전도선을 보빈(미도시)에 권취한 초전도 코일(101)로 구성될 수가 있다. 이때, 초전도 자석(100)은 복수의 초전도 코일(101)을 적층하여 구성될 수가 있는데, 각각의 초전도 코일(101) 사이에는 초전도 코일(101)을 냉각시키는 열전도 냉각 박판(105)이 배치될 수가 있다. 이때, 열전도 냉각 박판(105)은 열전도성이 높은 알루미늄 박판으로 형성될 수가 있다.

초전도 코일(101) 사이에 배치되는 열전도 냉각 박판(105)은 초전도 코일(101)과 비교하여 반경 방향으로 소정의 길이로 돌출되는데, 복수의 열전도 냉각 박판(105)의 단부는 열전도 냉각 블록(106) 및 열전도 냉각판(107)과 연결된다. 보다 자세히는, 열전도 냉각 박판(105)의 단부 사이에 열전도 냉각 블록(106)이 위치하게 되고, 열전도 냉각 박판(105) 및 열전도 냉각 블록(106)의 가장자리에 열전도 냉각판(107)이 연결되어 형성된다. 따라서, 후술하는 바와 같이 극저온 냉동기(110)로부터 전달되는 냉각열은 열전도 냉각판(107), 열전도 냉각 블록(106), 열전도 냉각 박판(105)을 거쳐 각각의 초전도 코일(101)로 전달되어 초전도 자석(100)을 냉각시키게 된다. 이때, 열전도 냉각 블록(106)과 열전도 냉각판(107)은 열전도성이 높은 구리로 형성될 수가 있다.

가스 챔버(120)는 내부에 초전도 자석(100)을 수용하고 가스 챔버(120)의 내부에는 가스가 충진된다. 이때, 가스 챔버(120) 내부에 충진되는 가스로는 헬륨(He) 가스를 사용하는 것이 바람직한데, 이에 한정되는 것은 아니다.

이때, 가스 챔버(120)는 열전도성이 높은 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 가스 챔버(120)의 외부에는 가스 챔버(120)의 상판 외측면과 극저온 냉동기(110) 사이를 연결하여 열을 전달하는 제 1 열전도부(152)가 형성될 수가 있고, 가스 챔버(120)의 내부에는 가스 챔버(120)의 상판 내측면과 열전도 냉각판(107) 사이를 연결하여 열을 전달하는 제 2 열전도부(154)가 형성될 수가 있다.

따라서, 극저온 냉동기(110)의 냉각열은 제 1 열전도부(152), 가스 챔버(120), 제 2 열전도부(154), 열전도 냉각판(107), 열전도 냉각 블록(106) 및 열전도 냉각 박판(105)을 거쳐 초전도 코일(101)로 전도될 수가 있다.

이때, 제 1 열전도부(152)와 제 2 열전도부(154)도 열전도성이 높은 재질로 형성되는 것이 바람직한데, 제 1 열전도부(152)와 제 2 열전도부(154)는 열응력을 줄이기 위해 편조 선(braided wire)과 같이 유연 도선들로 구성되는 것이 바람직하다.

열차폐 챔버(130)는 내부에 가스 챔버(120)를 수용하고, 실온인 진공 챔버(140)로부터 복사열을 직접 받지 않도록 복사 차폐막이 열차폐 챔버(130) 외벽에 형성된다. 또한, 열차폐 챔버(130)에는 초전도 자석(100)에 전류를 공급하도록 전류 리드(미도시)가 관통하여 형성될 수가 있다.

진공 챔버(140)는 내부에 열차폐 챔버(130)를 진공 상태에서 수용한다.

극저온 냉동기(110)는 초전도 자석(100)을 냉각시키는 냉각열을 제공한다. 이때, 극저온 냉동기(110)는 초전도 자석(100)으로부터 발생하는 자장이 극저온 냉동기(110)의 동작에 영향을 미치지 않도록 또는 극저온 냉동기(110)의 동작이 초전도 자석(100)의 자장에 영향을 미치지 않도록 초전도 자석(100)과 소정의 거리 이격하여 설치되는 것이 바람직하다.

도 1에 도시되어 있는 것과 같이 극저온 냉동기(110)는 진공 챔버(140)의 바깥에 형성되고 냉각열을 전달하는 냉각 스테이지는 2단으로 형성되는 2단 스테이지형의 극저온 냉동기(110)로 형성될 수가 있다.

이때, 제 2 스테이지(114)와 비교하여 상대적으로 온도가 높고 진공 챔버(140) 내부에 위치하는 제 1 스테이지(112)는 열차폐 챔버(130) 및 열차폐 챔버(130)를 관통하는 전류 리드(미도시)를 냉각시킬 수가 있다.

또한, 열차폐 챔버(130) 내부에 위치하며 제 1 스테이지(112)와 비교하여 저온인 제 2 스테이지(114)는 초전도 자석(100)의 냉각 열원으로 제공될 수가 있다.

따라서, 전술한 제 1 열전도부(152)는 가스 챔버(120)의 상판 외측면과 제 2 스테이지(114)를 연결하도록 형성된다.

도 1 및 도 2를 참조로 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 자석 전도 냉각 시스템은 초전도 자석(100)을 소정의 가스(예를 들어, 헬륨)가 충진되는 가스 챔버(120) 내부에 위치시키고 가스 챔버(120) 내부에서 극저온 냉동기(110)로부터의 냉각열을 전도 받아 초전도 자석(100)을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

접촉 열저항은 두 고체면이 접촉할 때 발생하는 열저항으로 고체의 재질, 온도, 압력, 표면 거칠기 등에 따라서 달라진다. 이때, 상기와 같은 초전도 자석 전도 냉각 시스템의 냉각 시스템을 구성하는 구성요소들은 열전도성이 높은 재질로 형성되고, 진공 상태에서 열전도에 의해서 초전도 자석(100)이 냉각되기 때문에 극저온 냉동기(110)의 성능과 별개로 냉각 시스템을 구성하는 구성요소들 사이의 접촉 열저항이 냉각 시스템의 성능을 좌우하는데 가장 중요한 요소이다.

도 3은 접촉하는 두 고체의 재질, 압력, 표면 거칠기, 진공 상태 또는 가스 상태의 여부 등에 따른 접촉 열저항 값의 실험 데이터를 도시한다. 실험 데이터에 사각 박스로 표시되어 있는 것과 같이 동일한 재질과 표면 압력에 대해서 두 고체면이 진공 상태에 있는 경우와 비교하여 가스 상태에 있는 경우를 비교하였을 때 접촉 열저항 값이 10배 정도로 작은 값을 가지는 것을 확인할 수가 있다.

따라서, 본 발명에서와 같이 가스 챔버(120) 내에 헬륨과 같은 가스를 충진시킨 상태에서 초전도 자석을 냉각시킴으로써, 초전도 코일(101) 내에 초전도 선재 사이, 초전도 코일(101)과 열전도 냉각 박판(105) 사이, 열전도 냉각 박판(105)과 열전도 냉각 블록(106) 및 열전도 냉각판(107) 사이 등의 접촉 열저항을 줄일 수가 있어서 냉각 효율을 향상시킬 수가 있다.

나아가, 극저온 냉동기(110)로부터의 전도 냉각 뿐만 아니라, 가스 챔버(120) 내 헬륨 가스의 자연대류에 의해서도 초전도 자석(100)을 냉각시킬 수가 있기 때문에 초전도 자석(100)의 열적 안정성이 향상될 수가 있다.

또한, 종래에 초전도 자석(100)을 파라핀 또는 에폭시에 함침하여 제작하는 경우 냉각 시 발생하는 이석 및 박리 현상이 발생하지 않으므로 초전도 자석(100)의 신뢰성을 높일 수가 있으며, 함침에 소요되는 시간만큼 초전도 자석(100)의 제작 시간을 단축시킬 수가 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100: 초전도 자석
101: 초전도 코일
105: 열전도 냉각 박판
106: 열전도 냉각 블록
107: 열전도 냉각판
110: 극저온 냉동기
112: 제 1 스테이지
114: 제 2 스테이지
120: 가스 챔버
130: 열차폐 챔버
140: 진공 챔버
152: 제 1 열전도부
154: 제 2 열전도부

Claims (7)

1. 자기장을 생성하는 초전도 자석; 및 상기 초전도 자석과 열전도체로 연결되어 상기 초전도 자석을 열전도에 의해 극저온으로 냉각시키는 극저온 냉동기;를 포함하는 초전도 자석 전도 냉각 시스템에 있어서,
   내부에 상기 초전도 자석을 수용하고 가스가 채워진 가스 챔버를 포함하고,
   상기 초전도 자석은 상기 가스 챔버의 외부에 배치되는 극저온 냉동기로부터 냉각열을 전달받아 냉각되는 초전도 자석 전도 냉각 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가스 챔버는 열전도성이 높은 재질로 형성되고,
   상기 극저온 냉동기와 상기 가스 챔버의 외측면을 연결하여 열을 전도하는 제 1 열전도부; 및
   상기 가스 챔버의 내측면과 상기 초전도 자석을 연결하여 열을 전달하는 제 2 열전도부를 포함하는 초전도 자석 전도 냉각 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 초전도 자석은 초전도 코일이 적층되어 형성되고,
   적층된 상기 초전도 코일 사이에는 열전도 냉각 박판이 각각 배치되는데,
   복수의 상기 열전도 냉각 박판의 단부와 연결되는 열전도 냉각 블록 및 열전도 냉각판은 상기 제 2 열전도부와 연결되는 초전도 자석 전도 냉각 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 열전도부와 상기 제 2 열전도부는 열전도성이 높은 재질로 형성되고 열응력을 줄이기 위해 유연 도선들로 구성되는 초전도 자석 전도 냉각 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 가스는 헬륨(He)인 초전도 자석 전도 냉각 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 가스 챔버를 내부에 수용하며 복사열을 차폐시키는 열차폐 챔버; 및
   상기 열차폐 챔버를 내부에 수용하며 내부에 진공이 형성되는 진공 챔버를 더 포함하는 초전도 자석 전도 냉각 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 극저온 냉동기는 두 개의 냉각 스테이지를 갖는 2단 스테이지형의 극저온 냉동기를 사용하고,
   제 1 스테이지는 상기 열차폐 챔버와 연결되어 상기 열차폐 챔버를 냉각시키고,
   제 2 스테이지는 상기 가스 챔버와 연결되어 상기 초전도 자석을 냉각시키는 초전도 자석 전도 냉각 시스템.
   
   

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