KR20210064384A

KR20210064384A - 고온 초전도체 자석

Info

Publication number: KR20210064384A
Application number: KR1020217014769A
Authority: KR
Inventors: 그레그 브리틀스; 마르셀 크륍; 마르셀 크??; 토니 랭트리; 조지 스미스
Original assignee: 토카막 에너지 리미티드
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-06-02
Also published as: SA521421746B1; CN112912973A; DK3864679T3; AU2019360423B2; AU2024200590A1; ZA202103215B; PL3864679T3; SG10202112214RA; KR20210153147A; AU2021240133A1; PT3864679T; FI3864679T3; HRP20230164T1; WO2020079412A1; PH12021550835A1; JP2022172106A; EP3864679A1; EP4167256A1; JP2021535622A; US20220028591A1

Abstract

내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일을 포함하는 HTS 자석(high temperature superconductor magnet). 권선들 각각은 HTS 재료를 포함한다. HTS 자석은, 그것을 통해 권선들 중 적어도 하나의 권선의 일 부분에 전류를 공급하기 위한 전기적 접촉 표면을 포함하는 전도체 요소를 더 포함한다. 전기적 접촉 표면은, 권선들 중 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서, 코일의 축방향 에지와 전도체 요소 사이에 전기적 접촉부를 제공한다.

Description

고온 초전도체 자석

본 발명은 고온 초전도체(high temperature superconductor: HTS) 자석에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 HTS 자석에 대한 전류의 공급에 관한 것이다.

초전도 재료는 전형적으로 "고온 초전도체"(HTS) 및 "저온 초전도체"(LTS)로 나뉜다. Nb 및 NbTi와 같은 LTS 재료는 BCS 이론에 의해 그것의 초전도성이 설명될 수 있는 금속, 또는 금속 합금이다. 모든 저온 초전도체는 약 30 K 미만의 임계 온도(그보다 높은 온도에서는, 자기장이 제로인 경우에도 재료가 초전도성이 될 수 없는 온도)를 가지고 있다. HTS 재료의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며, 그러한 재료는 약 30 K 초과의 임계 온도를 가질 수 있다(단, HTS 재료를 정의하는 것은, 임계 온도가 아니라, 초전도성 작동 및 조성에서의 물리적 차이라는 점에 유의해야 한다). 가장 통상적으로 사용되는 HTS는, BSCCO 또는 ReBCO(여기서, Re는 희토류 원소이며, 통상적으로 Y 또는 Gd임)와 같은 큐프레이트(산화구리 기(copper oxide group)를 함유하는 화합물)에 기초한 세라믹인 "큐프레이트 초전도체(cuprate superconductors)"이다. 다른 HTS 재료는, 철 프닉타이드(iron pnictides)(예를 들어, FeAs 및 FeSe) 및 마그네슘 디보레이트(MgB₂)를 포함한다.

ReBCO는 전형적으로, 도 1에 도시된 구조를 갖는 테이프로서 제조된다. 그러한 테이프(100)는 통상적으로 두께가 대략 100 마이크론이고, 기재(101)(전형적으로 전해 연마된 하스텔로이로서 두께는 대략 50 마이크론임)을 포함하며, 기재(101) 위에, IBAD, 마그네트론 스퍼터링, 또는 다른 적합한 기술에 의해, 대략적인 두께가 0.2 마이크론이며 버퍼 스택(102)이라고 알려진 일련의 버퍼층들이 침착(deposit)된다. 에피택셜 ReBCO-HTS 층(103)(MOCVD 또는 다른 적합한 기술에 의해 침착됨)은 버퍼 스택(102)을 덮으며, 전형적으로 1 마이크론의 두께를 갖는다. 1 내지 2 마이크론의 은 층(104)은 스퍼터링 또는 다른 적합한 기술에 의해 HTS 층 상에 침착되고, 구리 안정화제 층(105)은 전기도금 또는 다른 적합한 기술에 의해 테이프 상에 침착되며, 이는 종종 테이프를 완전히 캡슐화한다. 전류는 전형적으로 클래딩(cladding)을 통해 테이프(100) 내로 결합된다.

기재(101)는, 제조 라인을 통해 공급될 수 있고 후속 층들의 성장을 허용할 수 있는 기계적 골격을 제공한다. 버퍼 스택(102)은 그 위에 HTS 층을 성장시키는 2축 텍스쳐링된 결정성 주형(biaxially textured crystalline template)을 제공하기 위해 필요하며, 기재로부터 HTS로의 원소들의 화학적 확산(이는 HTS의 초전도 특성을 손상시킨다)을 방지한다. 은 층(104)은 ReBCO로부터 안정화제 층으로의 낮은 저항 계면을 제공하기 위해 필요하며, 안정화제 층(105)은, ReBCO의 임의의 부분이 초전도성을 상실하는 경우("정상(normal)" 상태에 들어가는 경우), 대안적인 전류 경로를 제공한다.

HTS 자석은, 앞에서 언급된 ReBCO 테이프(100)와 같은 HTS 테이프를 코일이 되도록 감음으로써, 형성될 수 있다. 그러한 HTS 자석의 통상적인 고장 지점은, 개별 테이프 또는 케이블이 권선 팩(winding pack)으로부터 조인트(joint)(즉, 전기적 연결부) 영역 내로 이탈하는 곳이다.

도 2는, HTS 테이프(100)를 포함하는 코일(201)에 대한 "통상적인(conventional)" 전기 조인트를 도식적으로 보여준다. 코일(201)의 외부 권선은, "플라잉 리드(flying lead)"(202)를 생성하도록, 권선 팩으로부터 부분적으로 당겨져 있다. 전기 조인트 고정구(electrical joint fixture)(203)는, 코일(201)에 전류를 공급하기 위해, 플라잉 리드 (202)에 부착된다(applied).

도 2에 표시된 것들과 같은 플라잉 리드 조인트에서, HTS 테이프는 전자기(EM) 힘 및 열수축에 따른 주기적 움직임(cyclical movement)에 취약하며, 그에 따라, 정상 작동(normal operation) 동안 이들의 열화가 야기된다. 종종, HTS 테이프의 이러한 "노출된" 구역은 또한, 중대한 전류 열화(critical current degradation)가 발생하는 경우, 전류를 공유할 인접한 HTS 권선(turns(windings))이 없기 때문에, 추가적인 위험에 처하게 되며, 이는, 이러한 구역이, 열 및/또는 전류 소산을 위해 주 권선 팩에 근접하더라도, 이점을 얻을 수 없다는 것을 의미한다.

이러한 플라잉 리드 영역은 또한, 개별 테이프가 깨지기 쉽고 잘못 취급하면 쉽게 구부러지기 때문에, 자석 감기 및 조립 과정에서 손상되기 쉽다. 게다가, 플라잉 리드 방식에서는, 플라잉 리드가 권선 팩으로부터 멀어져서 조인트 고정구 내로 이동할 때 플라잉 리드를 안내하고 지지하도록, 값 비싼 정밀 가공 부품을 만들어야 하는 경우가 많다.

초전도 자석에서 발생할 수 있는 또 다른 문제는 퀀칭(quenching)이다. 퀀칭은, 초전도 와이어 또는 코일의 일 부분이 저항성 상태(resistive state)가 될 때 발생한다. 이것은, 온도 또는 자기장의 변동, 또는 초전도체의 물리적 손상 또는 결함(이는, 예를 들어, 핵융합로에서 자석을 사용하는 경우 중성자 조사(neutron irradiation)에 의해 야기됨)으로 인해 발생할 수 있다. 자석에 존재하는 높은 전류로 인해, 초전도체의 작은 부분이라도 저항성 상태가 되면, 초전도체는 빠르게 가열된다. 위에서 언급했듯이, 초전도 와이어에는, 퀀칭 보호를 위해 약간의 구리 안정화제가 제공된다. 초전도체가 정상(normal) 상태가 되면, 구리는 전류에 대한 대안적 경로를 제공한다. 존재하는 구리가 많을수록, 퀀칭된 전도체 영역의 주변에 형성되는 핫 스팟에서의 온도 상승이 느려진다.

따라서, 이러한 단점들의 일부 또는 전부를 방지하거나 완화시키는 HTS 자석이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 앞에서 언급된 문제점들을 해결하거나 적어도 완화시키는 HTS 자석을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, HTS 자석이 제공된다. HTS 자석은 다음을 포함한다: 내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일로서, 권선들 각각은 HTS 재료를 포함하는, 코일; 및 그것을 통해 상기 권선들 중 적어도 하나의 권선의 일 부분에 전류를 공급하기 위한 전기적 접촉 표면을 포함하는 전도체 요소. 상기 전기적 접촉 표면은, 상기 권선들 중 상기 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서, 상기 코일의 축방향 에지와 상기 전도체 요소 사이에 전기적 접촉부를 제공한다.

상기 권선들 각각은 HTS 테이프, 및 상기 HTS 테이프에 전기적으로 연결된 클래딩을 포함할 수 있으며, 이때, 상기 전기적 접촉부는 상기 클래딩에 제공된다.

상기 전기적 접촉 표면은, 상기 권선들 중 상기 적어도 하나의 권선의 경로의 20% 초과, 50% 초과 또는 80% 초과의 주위에서, 상기 코일의 축방향 에지에 전기적 접촉부를 제공할 수 있다. 상기 전기적 접촉부는 고리 형상(ring-shaped)일 수 있다.

상기 HTS 자석은, 하나 이상의 다른 권선(들)을 가로질러 연장하는 플레이트를 포함할 수 있으며, 이때, 상기 전도체 요소는 상기 플레이트와 일체로 형성되거나 또는 상기 플레이트 상에 제공된다. 상기 전도체 요소는 상기 플레이트의 면(face)으로부터 돌출될 수 있고, 상기 플레이트는 상기 하나 이상의 다른 권선(들)의 상기 부분으로부터 상기 플레이트의 상기 면을 전기적으로 절연하기 위한 유전성 또는 전기 저항성 층을 더 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "전기 저항성(electrically resistive)" 층은 상기 전도체 요소와 상기 코일 사이의 전기 저항, 및 상기 코일의 권선들(turns) 사이의 전기 저항(즉, 상기 코일의 반경 방향 전기 저항(radial electrical resistance))보다 큰 전기 저항을 갖는 층을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 상기 전기 저항성 층은 열전도성일 수 있으며, 이에 따라, 열이 상기 코일로부터(또는, 상기 코일로) 더욱 효과적으로 전달될 수 있다. 상기 전기 저항성 층은 유전성일 수도 있고 아닐 수도 있다. 유전체가 복사선 손상에 취약한 경우, 예를 들어, 코일이 토카막 융합 반응기의 일 부분인 경우에는, 비유전성이되 전기 저항성인 층이 바람직할 수 있다.

상기 HTS 자석은 상기 하나 이상의 다른 권선(들)을 가로질러 연장하는 계면 전도체 층을 포함할 수 있으며, 그에 따라, 상기 권선(들) 각각의 에지로부터 열 및/또는 전류를 전달할 수 있다. 상기 계면 전도체 층은 황동 및/또는 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 다른 "솔더링가능한(solderable)" 금속, 즉, 전기 접촉부를 제공하기 위해 솔더가 부착될 수 있는 금속도 사용될 수 있다. 상기 계면 전도체 층은, 예를 들어 "웹형(web-like)" 패턴을 생성하기 위해, 그것의 두께를 변화시킴으로써 패턴화될 수 있다.

상기 코일은 상기 권선들 사이의 전기 절연부를 포함할 수 있다.

상기 HTS 자석은 상기 플레이트와 상기 코일 사이에 배치된 하나 이상의 센서(들) 및/또는 하나 이상의 히터(들)을 포함할 수 있다.

상기 전기적 접촉 표면은 상기 코일의 가장 안쪽 또는 가장 바깥쪽 권선에 전기적 접촉부를 제공할 수 있다. 상기 전기적 접촉 표면은 상기 권선들 내의 틈(discontinuity)에 걸쳐 전기적 접촉을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 코일이 두 길이의 HTS 테이프(two lengths of HTS tape)로 형성되는 경우, 상기 전기적 접촉 표면은 상기 테이프들을 직렬로 연결하는 전기 조인트의 역할을 할 수 있다.

상기 HTS 자석은, 상기 권선들 중 또 다른 적어도 하나의 권선의 일 부분으로부터 전류를 수용하기 위한 전기적 접촉 표면을 포함하는 또 다른 전도체 요소를 더 포함할 수 있다. 상기 전기적 접촉 표면은, 상기 권선들 중 상기 또 다른 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서, 상기 코일의 상기 축방향 에지 또는 또 다른 축방향 에지에 대한 전기적 접촉부를 제공한다. 상기 전기적 접촉 표면들은 상기 코일의 대향 면들(opposing faces)에 대한 전기적 접촉부를 제공할 수 있다.

상기 HTS 자석은 하나 이상의 추가 코일(들)을 더 포함할 수 있으며, 상기 추가 코일(들) 각각은 그 코일의 전기적 접촉 상부 대향 면들을 제공하기 위한 전도체 요소를 가질 수 있으며, 상기 코일들은 축방향으로 적층(stacked axially)될 수 있고, 또한 그것들의 개별적 전도체 요소들을 통해 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 인접한 축방향 적층 코일들은 서로 반대 방향으로 감길 수 있다.

상기 HTS 자석은, 개별적 전도체 요소들을 각각 갖는 2개 이상의 동심으로 내포된 코일들을 포함할 수 있으며, 상기 코일들 각각은 상기 코일들의 개별적 전도체 요소들 사이의 전기적 연결부에 의해 인접한 코일에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전기적 연결부는 서로에 대해 상대적인 상기 코일들의 움직임을 수용하도록 유연성일 수 있다. 상기 HTS 자석은 반경 방향 힘들(radial forces)을 차단(intercepting)하기 위해 인접한 코일들 사이에 배치된 하나 이상의 개입 지지체들(intervening supports)을 포함할 수 있다.

인접한 코일들의 개별적 HTS 테이프들은 다음 중 하나 이상에서 다를 수 있다: 두께; 조성; 폭; 및 개수.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 제1 코일 및 제2 코일을 포함하는 HTS 자석이 제공되며, 이때, 상기 코일들 각각은 내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성되고, 상기 권선들 각각은 HTS 재료, 제1 전도체 요소 및 제2 전도체 요소를 포함하고, 상기 전도체 요소들 각각은 상기 코일들 사이에 전기적 연결부를 제공한다. 상기 전도체 요소들 각각은 다음을 포함한다: 그것을 통해 상기 제1 코일의 상기 권선들 중 적어도 하나의 권선의 일 부분에 또는 그로부터 전류를 전달하기 위한 제1 전기적 접촉 표면; 및 그것을 통해 상기 제2 코일의 상기 권선들 중 적어도 하나의 권선의 일 부분에 또는 그로부터 전류를 전달하기 위한 제2 전기적 접촉 표면. 상기 전기적 접촉 표면들 각각은, 상기 권선들 중 상기 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서, 상기 개별적 전도체 요소와 상기 개별적 코일의 축방향 에지 사이에 전기적 접촉부를 제공한다.

상기 제1 전도체 요소에 의해 제공된 상기 전기적 연결부의 전기 저항을, 상기 제2 전도체 요소에 의해 제공된 상기 전기적 연결부의 전기 저항으로 나눈 값은, 1.5 초과, 3 초과, 또는 10 초과일 수 있다. 상기 제2 전도체 요소의 상기 전기적 접촉 표면들의 면적은, 상기 제1 전도체 요소의 상기 전기적 접촉 표면들의 면적보다 클 수 있다.

상기 제1 전도체 요소는 상기 제2 전도체 요소로부터 반경 방향 외측에 위치될 수 있다. 이는, 상기 제1 전도체 요소가, 더 낮은 자기장의 영역에 배치되는 것을 가능하게 할 수 있다.

상기 제1 전도체 요소 또는 상기 제2 전도체 요소는 가변 저항기 또는 스위치를 포함할 수 있다. 상기 가변 저항기 또는 스위치는 HTS 재료를 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 앞에서 설명된 바와 같은 HTS 자석을 포함하는 토카막(tokamak)이 제공된다. 상기 HTS 자석은 토로이달 자기장(toroidal magnetic field) 또는 폴로이달 자기장(poloidal magnetic field)을 제공하도록 구성된다.

본 발명의 제4 측면에 따르면, 앞에서 언급된 HTS 자석에서 반지속성 전류(semi-persistent current)를 생성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은: 상기 코일들 각각을 초전도 상태로 준비하는 단계; 상기 코일들에 걸쳐서 병렬로 전력 공급 장치를 연결하는 단계; 및 상기 전력 공급 장치를 분리(disconnecting)하는 단계;를 포함한다.

상기 제2 전도체 요소는 HTS 재료를 포함할 수 있고, 상기 방법은, 상기 코일들에 걸쳐 병렬로 상기 전력 공급 장치를 연결한 후, 상기 HTS 재료를 정상 상태(normal state)로부터 초전도 상태로 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 제5 측면에 따르면, 각각 HTS 재료를 포함하는 권선들로서, 내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일을 포함하는 HTS 자석에 전기적 연결부를 만드는 방법이 제공된다. 상기 방법은: 상기 코일의 면을 부분적으로 덮도록 유전성 또는 전기 저항성 층을 부착(applying)시키는 단계; 상기 유전성 또는 전기 저항성 층에 전도체 플레이트를 부착시키는 단계; 및 상기 권선들 중 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서, 상기 전도체 플레이트와 상기 코일의 축방향 에지 사이에 전기적 접촉부를 형성하는 단계;를 포함한다.

상기 방법은 상기 유전성 또는 전기 저항성 층과 상기 코일 사이에 계면 전도체 층을 부착(applying)시키는 단계로서, 상기 계면 전도체 층은, 상기 권선(들) 각각의 상기 에지로부터 열 또는 전류를 전달하게 되도록, 상기 하나 이상의 다른 권선(들)을 가로질러 연장되는, 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제6 측면에 따르면, 내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일의 축방향 에지에 전류를 공급하기 위한 전도체 플레이트가 제공된다. 상기 전도체 플레이트는, 상기 전도체 플레이트와 일체로 형성되거나 상기 전도체 플레이트 상에 제공된 고리 형상(ring-shaped) 전도체 요소를 포함한다. 상기 전도체 요소는, 상기 전도체 요소와 상기 코일 사이에 전기적 접촉부를 제공하기 위한 전기적 접촉 표면을 포함한다. 상기 전도체 요소는, 상기 전기적 접촉 표면에 인접한 전기 절연 장벽을 제공하기 위해, 상기 전도체 플레이트 상에 유전성 또는 전기 저항성 층을 더 포함한다.

상기 전도체 플레이트는, 상기 유전성 또는 전기 저항성 층을 부분적으로 또는 전체적으로 가로질러 연장하는 계면 전도체 층을 더 포함할 수 있다. 상기 계면 전도체 층은, 상기 권선(들) 각각의 상기 축방향 에지로부터 열 또는 전류를 전달하도록 구성된다.

본 발명의 제7 측면에 따르면, 내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일의 축방향 에지에 전류를 공급하기 위한 전도체 플레이트를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다: 상기 전도체 플레이트와 일체로 형성되거나 상기 전도체 플레이트 상에 제공되는 고리 형상 전도체 요소를 제공하는 단계로서, 상기 전도체 요소는 상기 전도체 요소와 상기 코일 사이에 전기적 접촉부를 제공하기 위한 전기적 접촉 표면을 포함하는, 단계; 및 상기 전도체 플레이트 상의 섬유 및 수지의 복합재료를 경화시켜, 상기 전도체 플레이트 상에 유전성 또는 전기 저항성 층을 형성하여, 상기 전기적 접촉 표면에 인접한 전기 절연 장벽을 제공하는 단계.

상기 경화는 상기 복합재료를 목표 온도로 가열하는 단계, 상기 복합재료를 일 기간(a period) 동안 상기 목표 온도로 유지하는 단계, 및 상기 복합재료를 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 가열의 속도는 분당 1 ℃ 미만, 바람직하게는 분당 0.3 ℃ 미만일 수 있다. 상기 냉각의 속도는 분당 1 ℃ 미만, 바람직하게는 분당 0.4 ℃ 미만일 수 있다. 상기 목표 온도는 180 ℃ 이상일 수 있다. 상기 기간은 1 시간 초과, 바람직하게는 2 시간 초과일 수 있다.

또한, 본 명세서에서, 구리 표면에 전기적 및/또는 열적 연결부를 형성하는 방법이 설명되며, 이때, 상기 방법은, 상기 구리 표면 상에 은 층을 제공하고, 상기 은의 표면 상에 인듐 층을 제공함으로써, 상기 전기적 및/또는 열적 연결부가 상기 인듐 층에 형성될 수 있도록 하는 단계를 포함한다. 또한, 본 명세서에서, 구리 표면, 은 층, 및 인듐 층을 포함하는 전기 및/또는 열 조인트(electrical and/or thermal joint)가 설명되며, 이때, 상기 은 층은 상기 구리 표면과 상기 인듐 층 사이에 직접 위치된다.

도 1은 선행 기술의 HTS 테이프의 도식적인 투시도이다.
도 2는 선행 기술의 플라잉 리드 조인트(flying lead joint)의 도식적인 평면도이다.
도 3a 및 3b는 HTS 자석의 도식적인 평면도이다.
도 4는 HTS 자석의 도식적인 단면도이다.
도 5는 HTS 자석의 도식적인 단면도이다.
도 6은 방사상 조인트(radial joint)를 갖는 HTS 자석의 도식적인 반경 방향 단면도(radial cross section view)이다.
도 7은 다수의 "적층된(stacked)" 코일들을 갖는 HTS 자석의 도식적인 반경 방향 단면도이다.
도 8은 또 다른 HTS 자석의 도식적인 단면도이다.
도 9는, 전력 공급 장치가 코일들에 걸쳐 병렬로 연결될 때, 자석을 통해 흐르는 전류를 보여주는, 도 8의 HTS 자석의 도식적인 단면도이다.
도 10은, 전력 공급 장치가 분리(disconnected)된 후, 자석을 통해 흐르는 전류를 보여주는, 도 8 및 9의 HTS 자석의 도식적인 단면도이다.

코일의 축방향 에지를 통해 HTS 자석 코일에 대한 전기적 연결부가 만들어져서 전류가 코일의 면을 통해 공급 또는 수용될 수 있는, 위의 문제점들에 대한 해결책이 여기에 제안된다. 이러한 형태의 연결부는 HTS 테이프의 고밀도 권선 팩(dense winding pack)을 보존하는 것을 가능하게 하며, 그에 따라, HTS 테이프들의 어떤 것도 코일로부터 분리되지 않는다. 예를 들어, 전기적 연결부는, 코일의 면의 위에 배치된 고리 형상의 전도체에 의해 제공될 수 있으며, 이때, 전도체는 코일의 원주 주위에서 권선의 위쪽을 향하는 에지와 접촉한다. 이 배열 또는 "고리 조인트(ring joint)"를 사용하여, 조립 및 작동 둘 다의 동안에, 자석의 점 고장(point failures)의 위험을 최소화할 수 있다. 이는 또한, 플라잉 리드를 필요로 하지 않은 채, 전류가 HTS 코일에 공급되거나 이로부터 추출되는 것을 가능하게 하며, 그에 따라, 많은 보조 부품들의 필요성을 제거하여, 비용 및 복잡성을 감소시키고, HTS 자석의 제조를 단순화한다. 이러한 연결부 또는 조인트는 또한, 아래에서 설명되는 바와 같이, HTS 자석의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 명세서에서, 특정 방향들(예를 들어, 위(up), 아래(down)) 또는 상대적 용어들(예를 들어, ~의 위(above), ~ 위(on top of), ~ 아래(below) 등)이 언급되지만, 이해되어야 하는 바와 같이, 이러한 용어들은 단지, 본 명세서에서 설명된 개념들의 예를 제공할 목적으로 사용된다. 유사하게, 본 개시는 "팬케이크(pancake)" 코일, 즉 내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 대체로 평판형(plannar)인 코일을 참조하여 예시되지만, 아래의 논의로부터 이해되는 바와 같이, 본 개시는 그러한 코일에 제한되지 않는다.

고리 조인트(ring joints)를 더 큰 구조체(아래에서 전열 계면(Electro-Thermal Interface("ETI") 플레이트라고 설명됨)로 통합함으로써, 또한, 열적 연결부(thermal connections), 전기 절연부 및 센서(이들은 종종 전통적으로 자석에 따로따로 부착됨)가 단일 단위체(single unit)로서 제공되는 것을 가능하게 한다. 이는 조립 공정을 단순화하고, 이러한 부품들이 HTS 코일과 독립적으로 제조되는 것을 가능하게 한다.

도 3a 및 3b는, 팬케이크 코일(301)에 대한 고리 조인트(300A, 300B)의 두 가지 가능한 구현예들의 도식적인 평면도를 보여준다.

코일(301)은, 주로 평판형 배열로, HTS 테이프(100)의 내포되어 동심을 이루는 권선들을 포함한다. HTS 테이프(100)는, 테이프(100)의 대향 에지들이 코일의 축(303)을 따라 돌출하도록, "면 대 면(face-to-face)"으로 감겨진다. 각각의 완성된 권선은, 코일 축(303)을 중심으로 한 HTS 테이프(100)의 완전한 회전(a complete revolution (turn))에 대응한다. 가장 바깥 쪽 권선의 시작점과 끝점은 도 3a에서 301A 및 301B로 표시되어 있다.

고리 조인트들(ring joints)(300A, 300B)은 개별적인 고리 전도체들(304A, 304B)에 의해 형성된다. 명확성을 위해, 코일 권선들을 보여주기 위해, 코일(301) 뒤에 고리 전도체들(304A, 304B)이 도시되어 있다. 각각의 고리 전도체(304A, 304B)는 전도성 재료, 바람직하게는 구리와 같은 금속으로 만들어진 원환(annulus) 또는 고리(ring)를 포함한다. 고리 전도체들(200A, 200B)은, 코일(201)에 전기적 접촉부를 제공하기 위해, 권선의 상부 또는 하부 에지와 접촉한다. 고리 전도체(300A)는 코일(201)의 외부 반경에 위치되는 반면, 고리 전도체(200B)는 코일(201)의 내부 반경에 위치된다. 각각의 고리 전도체(200A, 200B)는 권선들의 일 부분만을 덮으며, 그에 따라, 전류가 코일(201)의 일 단부에 공급되어 권선들을 통해 순환할 수 있다.

고리 전도체들(300A, 300B)은 각각 HTS 테이프(100)의 서로 다른 단부들에 전기적 접촉부를 제공하기 때문에, 이들은, 코일(301)의 내부로부터 외부로(또는, 그 반대로) 반경 방향으로 전류를 구동하기 위해, 쌍으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 코일(201)은 상기 쌍의 고리 전도체들(304A, 304B) 사이에 제공(개재)될 수 있으며, 그에 따라, 전류는 하나의 고리 전도체(304A)에 의해 코일(301)의 일 면(예를 들어, 상단부)에 공급되어, 자기장을 생성하기 위해 코일(301)의 권선들을 통과한 후, 다른 고리 전도체(304B)에 의해 코일의 다른 면으로부터 수용될 수 있다.

고리 전도체들(304A, 304B)의 반경 방향 폭은, 조인트들 사이의 권선들(turns)의 수에 대한 조인트 저항을 상쇄하도록 선택된다. 고리 전도체(304A, 304B)를 더 넓게 만들어 코일(301)의 더 많은 권선들(turns)을 덮음으로써, 조인트 저항을 감소시킬 수 있다. 그러나, 결과적으로, 전체 자석 전류를 전달하는 권선들(turns)의 수가 감소하기 때문에, 단위 전류 당 자석에 의해 생성되는 자기장은 감소된다. 반경 방향 폭이 감소되면, 그 반대의 작용이 이루어진다.

고리 조인트들은 코일 원주 정도의 길이에 대향(subtend)할 수 있기 때문에, 낮은 저항 조인트들은 전형적으로, 자석에 의해 생성된 자기장을 크게 감소시키지 않는 반경 방향으로 좁은 고리 전도체(304A, 304B)로 만들어 질 수 있다. 도 3a 및 3b에서 고리 전도체들(304A, 304B)이 코일(301)의 외부/내부 에지 밖으로 약간 연장하는 것으로 도시되어 있지만, 고리 전도체들의 형상은 대안적으로, 코일(301)의 반경 방향 프로파일에 더 가깝게 일치될 수 있으며, 그에 따라, 코일(301) 및 고리 조인트들(300A, 300B)의 반경 방향 점유공간(footprint)을 최소화할 수 있다.

원형 "팬케이크" 코일들이 고리 조인트들(300A, 300B)의 특징을 설명하기 위해 도 3a 및 3b에서 사용되었지만, 이러한 유형의 조인트는, 토카막에서 사용되는 것들과 같은 "D" 형상 토로이달 자기장 코일과 같은 코일의 다른 형상들에도 적용될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 그러한 경우에, 고리 조인트들(300A, 300B)은 원형일 필요가 없고, 코일 권선들의 경로를 따르는 형상을 가질 수 있다. 유사하게, "고리" 전도체들(304A, 304B)이 코일 권선들의 경로의 반드시 전체 주위에서 연장할 필요는 없고, 대신에, 코일 권선들의 경로의 부분적 주위에서만 연장할 수 있다. 예를 들어, 큰 반경을 갖는 및/또는 두꺼운 HTS 테이프를 포함하는 자석들의 경우, 권선들의 경로의 주위의 20%, 50% 또는 80% 만을 따라 연장하는 고리 전도체를 사용하여 낮은 저항 조인트를 형성하는 것이 가능할 수 있으며, 즉, 그에 따라, 고리 전도체는 360도 미만의 각도를 차지하게 된다. (그것이 권선들의 경로의 전체 주위에서 연장하지 않도록 함으로써) 고리 전도체에 "브레이크(break)"를 도입하면, 고리 전도체 내에 기생 전류 루프가 형성되는 것을 우선적으로 방지할 수 있으며, 이는, NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 또는 MRI(Magnetic Resonance Imaging)와 같은 적용분야에서 유용할 수 있다. 예를 들어, 토카막(아래 참조)과 같은 다른 적용분야에서는, 기하학적 제한 및/또는 다른 부품들의 존재로 인해, 이러한 브레이크가 필요할 수 있다.

고리 조인트들은, 전도체 플레이트 또는 전열 계면(Electro-Thermal Interface: ETI) 플레이트라는 용어로 불리울 수 있는 더 큰 구조체의 일 부분으로서 제공될 수 있다. ETI 플레이트는 통상적으로 복합 금속/절연체/센서 플레이트이며, 이는, 아래에서 설명하는 바와 같이, 다음과 같은 여러 역할들을 수행하기 위해 HTS 코일들의 에지 면들에 부착될 수 있다:

· HTS 코일들에 및/또는 그것들 사이에 전기 조인트를 만드는 수단.

· "부분 절연"을 달성하기 위해 HTS 코일과 병렬로 제어된 저항기(controlled resistor)를 도입하는 수단. 저항기의 기하학적 형상은 코일의 동적 전열 거동을 조정하도록 하는 형상을 가질 수 있다.

· 냉각을 위해 HTS 코일에 열 계면을 형성하는 수단.

· HTS 코일들 사이에 얇은 전기 절연부를 도입하고, 이 절연부를 손상으로부터 기계적으로 보호하는 수단.

· HTS 권선들을 방해하지 않은 채 HTS 자석에 보조 품목들(예를 들어, 센서 또는 히터)을 포함시키는 수단.

도 4는 단일 팬케이크 코일(401)에 부착된 2개의 ETI 플레이트들(400A, 400B)을 포함하는 예시적인 자석(400)의 단면을 도시한다. 이 예에서, 코일(401)은 자석 축(303) 주위에 함께 감겨진 두 길이들의 HTS 테이프(100)를 포함한다. 테이프(100)는 "타입 0 쌍(type 0 pair)"(예를 들어, WO 2018/078326에 설명된 바와 같은)으로서 구리(101)로 클래딩되며, 그에 따라, 권선들 각각이 2개의 테이프들을 포함한다. 절연체(402)는 HTS 테이프들(100)의 권선들 사이에 제공되어 전류가 HTS 테이프의 면들을 가로질러 흐르는 것을 방지하며, 즉, 그에 따라, HTS 테이프들(100)의 일 단부 내로 주입된 전류는 코일(401)의 권선들 주위를 순환하도록 강제된다. ETI 플레이트들(400A, 400B)는 각각, HTS 테이프들(100)의 양 단부에 고리 조인트를 형성하는 개별적 고리 전도체(404A, 404B)를 포함한다. 이 예에서, 전류는, 하부 ETI 플레이트(400B)를 사용하여, HTS 테이프들(100)의 반경 방향 최내측 단부를 통해, 코일(401)에 공급된다. 전류는, HTS 테이프들(100)의 반경 방향 최외곽 단부에서 고리 전도체(404A)를 통해 상부 ETI 플레이트(400A)에 의해 수용되기 전에, 코일(301)의 순차적인 권선들 주위로 흐른다.

ETI 플레이트들(400A, 400B)는 고리 전도체들(404A, 404B)을 통해서만 코일(401)과 전기적으로 접촉하지만, 플레이트들 자체는, 코일을 가로질러 반경 방향으로 연장하여, "기부 전도체(base conductor)" 층(405A, 405B)을 형성하며, 이것을 통해, 고리 조인트들에 전류를 공급(또는, 이들로부터 전류를 수용)하고, 코일(301)로부터 열을 멀리 전도하는 경로를 제공한다. 이 예에서, 기부 전도체들(405A, 405B)은 구리로 형성되지만, 다른 전도성 재료(예를 들어, 금속)도 사용될 수 있다. 고리 전도체들(404A, 404B)은 기부 전도체들(405A, 405B)와 일체로 형성되거나, 또는, 예를 들어 솔더링에 의해, 그것들에 부착될 수 있다.

고리 전도체들(404A, 404B)을 ETI 플레이트들(400A, 400B) 상에(또는, 이들과 일체로) 형성함으로써, 이것들은, 고리 전도체가 독립형 품목(standalone item)이라면 달성하기 어려운 방식으로, 반경 방향 치수(필요한 경우 밀리미터 미만)에 걸쳐 매우 좁게 만들어질 수 있으며, 동시에, 여전히 취급하기 쉬울 수 있다. 기부 전도체들(405A, 405B)에 의해 제공되는 넓은 표면적은, 코일(401)로부터 열이 효율적으로 제거되는 것을 가능하게 하고, 또한 자석에 대한 전기적 연결부가 배치될 수 있는 곳에 대해 더 많은 유연성을 허용한다.

ETI 플레이트들(400A, 400B)의 기부 전도체(405A, 405B)는, 그것에 걸친 온도 상승을 최소화하기 위해, 또한 코일이 축방향으로 너무 멀리 떨어져 있지 않도록 하여 자기장 강도의 희석을 방지하는 것을 보장하기 위해, 얇게 만들어질 수 있다. 대안적으로, 열은 또한, 코일(401) 외경 또는 내경에서 냉각 버스(cooling bus) 쪽으로 반경 방향으로 추출될 수 있으며, 이 경우, 기부 전도체(405A, 405B)는 온도 요건을 만족시킬 수 있도록 충분히 두껍게 만들어져야 한다. ETI 플레이트들(400A, 400B)은 또한, 코일(401)의 면들 중 하나 이상의 면(들)이 더 효과적으로 냉각되는 것을 가능하게 하도록(즉, 코일의 반경 방향 단부들에 대한 열 전도에 의존하지 않은 채), 구조화될 수 있다. 예를 들어, ETI 플레이트들(400A, 400B)은, 코일(401)로부터 열을 멀리 전달하기 위해, 그것을 통해 가스 또는 액체 냉매를 흐르게 하는 채널 또는 파이프를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 채널 또는 파이프는, 기부 전도체들(405A, 405B) 중 하나 이상의 기부 전도체(들) 상에 또는 그 내부에 제공될 수 있다.

냉각을 위해 ETI 플레이트들(400A, 400B)을 사용하는 것은, 열전도 페이스트(thermally conducting pastes)(이것은 솔더에 비해 열등한 열전도율을 가지며, 얇은 층으로 잘 도포하기가 어렵고, 제조 공정을 복잡하게 만들 수 있다)를 사용하는 것과 같은 방법들에 대한 대안적인 접근법을 제공한다.

ETI 플레이트(400A, 400B)는 또한, 플레이트들의 기부 전도체(405A, 405B) 부분들로부터 HTS 테이프(100)의 에지를 전기적으로 절연하기 위한 유전성 층(406A, 406B)을 포함한다. 유전성 층들(406A, 406B)은 유전성 재료, 예를 들어, "프리프레그(pre-preg)"와 같은 유리섬유/수지 복합재료로 형성된다.

ETI 플레이트들(400A, 400B)은, 우수한 열적 및 전기적 접촉을 위해 코일(401)에 솔더링될 수 있는 계면 전도체 층(407A, 407B)을 더 포함한다. 이 층은, 코일(401)의 열적 및 전기적 거동을 제어하기 위한 방사상 저항기(radial resistor)의 역할을 한다. 이러한 "부분적 절연", 즉, 제어된 "층간(turn-to-turn)" 저항기의 도입은, HTS 코일들에서, 열 안정성과 코일 램핑 시간(coil ramping time) 사이의 바람직한 균형을 제공한다. 계면 전도체 층은, 전도성 재료, 바람직하게는 황동 또는 스테인리스 스틸로 형성되는데, 이는, 이 재료가 솔더링될 수 있고 구리보다 훨씬 더 큰 전기 저항률을 가져서, 계면 전도체 층이 더 두꺼워지는 것을 가능하게 하고, 그에 따라, 계면 전도체 층이 더 쉽게 제어되는 두께를 갖는 것을 가능하게 하기 때문이다. 이러한 "부분적 절연(Partial Insulation: PI)", 즉, 제어된 "층간(turn-to-turn)" 저항기의 도입은, HTS 코일들에서, 열 안정성과 코일 램핑 시간 사이의 바람직한 균형을 제공한다. 특히, 코일의 권선들에 걸쳐서 연장하는 층의 사용은, 스테인리스 스틸과 같은 금속의 "감겨진(wound-in)" 층들과 같은 다른 형태의 부분적 절연에 대한 필요성을 제거할 수 있다.

일부 경우에, 계면 전도체 층(407A, 407B)은 접착제(glue)로 유전성 층(406A, 406B)에 접합될 수 있다. 그러나, 접착제는, 구조적으로 약화되지 않은 채 솔더링 온도를 견딜 수 있어야 하는데, 이는, 그렇지 않으면 솔더링 동안 층들이 박리되는 경향이 있기 때문이다. 이 문제를 극복하는 한 가지 방법은 "프리프레그(pre-preg)"와 같은 유리섬유/수지 복합재료를 유전성 및 접합성 매질로서 사용하는 것이다. 예를 들어, "SHD Composites"에 의해 제조된 "Prepreg MTC400"과 같은 복합재료를 사용할 수 있다. 상대적으로 긴 경화 공정을 수행함으로써, 복합재료의 유리 전이 온도(Tg)를 코일의 전형적인 솔더링 온도보다 높게 상승시킬 수 있다. 예를 들어, 복합재료는, 대략 0.3 ℃/min의 속도로 180 ℃까지 가열하고, 2 시간 동안 유지한 다음, 대략 0.3 ℃/min의 속도로 냉각함으로써, "후경화(post-cured)"될 수 있다. 예를 들어, 이 절차는 200 ℃의 Tg를 달성할 수 있으며, 이는 복합재료가 저온에서 발생하는 대부분의 솔더링 공정을 견딜수 있도록 한다. 그러나, 코일 상에 인시투적으로 위치하는 ETI 플레이트로 이러한 경화 처리를 수행하는 것은 불가능할 수 있는데, 이는, 상승된 온도 및 시간이 코일을 손상시키고(온도와 시간의 함수로서 발생하는 HTS 테이프들의 지속적인 열화로 인해), 가능하게는, 이미 만들어진 임의의 솔더링된 연결부들을 손상시키거나 열화시킬 수 있기 때문이다.

비절연된 코일(non-insulated coils)이 또한 사용될 수 있지만, 절연체(402)를 포함시키는 것은, HTS 테이프들(100)의 구리 클래딩을 통한 권선들 사이의 대안적인 낮은 저항 경로를 차단함으로써, "층간" 저항의 효과를 증가시킨다.

ETI 플레이트들(400A, 400B)의 두께(즉, 고리 전도체를 포함한 전체 두께)는 전형적으로 0.25 mm 내지 1.00 mm의 범위이며, 이때, 유전성 층의 두께(존재하는 경우)는 전형적으로 10 μm 내지 100 μm의 범위이고, 계면 전도체의 두께(존재하는 경우)는 전형적으로 10 μm 내지 100 μm의 범위이다.

계면 층(407A, 407B)을 코일(401)의 권선들에 접합하는데 사용되는 솔더는 전형적으로 PbSn이다. 그러나, 이 재료는 매우 전도성이어서, 계면 층(407A, 407B) 상의 얇은 PbSn 코팅조차도 매우 낮은 저항의 전류 경로를 제공할 것이며, 이는 전류가 계면 층(407A, 407B)을 우회하게 만들 것이다. 이 문제를 피하기 위해, 코일이 (예를 들어, ReBCO 테이프의 임계 온도보다 더 낮은 온도에서) 자석에 사용되는 경우, 솔더 재료는 높은 저항률을 갖는 재료, 바람직하게는 PbSn보다 더 높은 저항률을 갖는 재료, 예를 들어, PbSn의 저항률의 10 배보다 더 큰 저항률을 갖는 솔더 재료로 선택된다. 예를 들어, 솔더 재료는 PbBi로 형성될 수 있는데, 이는, 이 재료가 PbSn의 저항률보다 약 50 배 더 큰 저항률을 가지고 있기 때문이다. 마찬가지로, PbBiSn도 사용될 수 있다. PbBi(또는, PbBiSn) 솔더의 코팅의 더 높은 저항(PbSn 솔더 코팅과 비교하여)은, 더 많은 전류가 계면 층(407A, 407B) 내에서 흐른다는 것을 의미한다.

부분 절연 ETI 플레이트는 매우 유연하다는 이점을 제공한다. 층간 저항은 계면 전도체의 두께 및 조성을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 계면 전도체 층의 기하학적 형상은 리소그래피를 사용하여 변경될 수 있으며, 이를 달성하기 위해, 예를 들어, 긴 범위의 반경 방향 전류를 차단(intercept)하기 위해 조각난 웹-유형 패턴(fragmented web-like patterns)을 에칭하거나, 또는 임피던스를 제공하는 유도성 나선체(inductive spirals)를 에칭할 수 있는데, 이 두 가지 모두 충전 시간과 열전 안정성(thermo-electric stability) 사이에 균형이 얻어지는 것을 허용할 수 있다.

팬케이크 코일들 사이의 얇은 전기 절연부는, 그것을 통한 열 흐름에 의해 야기되는 너무 큰 온도 상승을 도입하지 않은 채 필요한 유전 특성을 제공하는 데 바람직하다. 그러나, 많은 통상적인 유전성 재료(예를 들어, 폴리이미드 시트)는 부드럽기 때문에, 이것들은, 자석 작동 및 조립 동안에 마주치게 되는 전자기 응력 하에서의 천공(puncture)에 취약하다. ETI 플레이트 내부에 단열재를 매립함으로써, 금속 시트들이 양면에서 절연부를 보호하므로, 천공 위험이 최소화된다.

ETI 플레이트는 코일과는 별개의 물체이므로, 코일의 거동을 변화시키기 위해 교체될 수 있다. 예를 들어, 코일을 안전하게 작동시키고, 그것의 임계 전류를 결정하기 위해, 초기에 두꺼운 계면 전도체로 ETI 플레이트들을 부착할 수 있다. 최대 작동 전류가 결정된 후에는, ETI 플레이트는, 자석의 알려진 성능 범위 내에서 더 빠르게 자석을 증가(ramp)시킬 수 있는 능력을 제공하는 것으로 변경될 수 있다.

도 5는, 각각 팬케이크 코일(401A, 401B)을 포함하는 2개의 축방향으로 적층된 자석들(400)을 포함하는 자석(500)의 단면을 도시한다. 코일들(401A, 401B) 사이의 열적 및 전기적 조인트들은, 적층 후에 인접한 ETI 플레이트들(402A, 402b)의 기부 구리 층들을 연결함으로써 만들어질 수 있다. 이는, 축방향으로(즉, 자석의 축(503)을 따라) 압착(pressing)하고 선택적으로(optionally) 자석들(400) 사이에 인듐 층과 같은 순응 전도 층(compliant conducting layer)(504)을 부가하는 것에 의해, 또는 솔더링에 의해(단, 전체 자석을 가열하는 것이 요구됨), 수행될 수 있다. "NanoBond"(RTM) 기술도 사용될 수 있는데, 그러한 경우, 다층 포일이 ETI 플레이트들(402A, 402b) 사이에 삽입되고, 포일 내에서 화학 반응이 시작되어, 포일을 플레이트들의 각각에 솔더링하기 위한 열을 발생시킨다.

인접한 ETI 플레이트들(402A, 402b) 사이의 열적 및/또는 전기적 조인트들이 효과적이기 위해서는, 플레이트들의 표면 상태가 양호한 것이, 예를 들어 산화물이 없는 것이, 바람직하다. 이를 달성할 수 있는 한 가지 방법은, ETI 플레이트들(402A, 402b)의 기부 구리 층(들)에, 은과 같은 귀금속의 층(예를 들어, 코팅)을 제공하는 것이다. 은은 산소에 대한 친화성이 낮고 또한 인듐과 화학적으로 양립(이는, 순응성 인듐 층(compliant indium layer)(504)을 사용하여 고품질의 압착된 조인트를 만드는 것을 가능하게 한다)하기 때문에, 은 층이 선호된다.

구리 플레이트와 같은 추가 플레이트들(505A, 505B)이, 추가 냉각을 제공하거나 자석(500)에 전기적 연결부들을 제공하기 위해, 자석(500)의 양 단부에 축방향으로 제공될 수 있다.

전력 공급 장치(미도시)가 플레이트들(505A, 505B)에 걸쳐서 연결되어, 자석(500)에 전류를 공급한다. 이 예에서, 자석의 면들(faces)의 각각에 대한 고리 조인트들은, 코일들의 반경 방향 가장 바깥쪽 에지들에 위치되는 반면, 두 코일들을 연결하는 고리 조인트들은 코일들의 반경 방향 가장 안쪽 에지들에 위치된다. 따라서, 전류는 코일들 중 하나의 코일의 권선들을 통해 반경 방향 안쪽으로 흐른 다음, 코일들 사이에서 축방향으로 흐른 후, 다른 코일의 권선들을 통해 반경 방향 바깥쪽으로 흐른다. 전류가 각각의 코일을 통해 반대 방향으로 흐르기 때문에, 코일들(401A, 401B)은 반대 방향(즉, 시계 방향/반시계 방향)으로 감겨지며, 그에 따라, 자석들(400)의 각각에 의해 생성된 자기장은 동일한 극성을 갖게 되며, 그에 따라, 매우 큰 자기장이 생성되는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 코일들(401A 및 401B)은 동일하게 제조될 수 있으며(즉, 동일한 방향으로 감겨짐), 그 다음, 자석(500)을 형성하기 위해 적층되기 전에, 코일들 중 하나가 다른 코일에 대해 "플립(flipped)"될 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 추가 팬케이크 코일들이, 이들 사이에 위치하는 추가 ETI 플레이트들과 함께, 이러한 방식으로 적층될 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, ETI 플레이트들은, 코일(들)로부터 열을 멀리 전달하기 위해, 그것들을 통해 가스 또는 액체를 흐르게 하는 채널들 또는 파이프들을 포함할 수 있다. 이러한 배열은, 도 5에 도시된 것과 같은, 축방향으로 적층된 자석들(400)을 냉각하는데 특히 효과적이다. 특히, 코일들 사이에 위치된 ETI 플레이트들(402A, 402b)에 냉각 채널들 또는 파이프들을 제공하면, 코일들(401A, 401B)의 "몸체(body)"로부터 열이 더 효과적으로 전달되는 것이 가능하게 된다.

ETI 플레이트들의 고리 전도체들은 내포된/동심의 팬케이크 코일들 사이의 전기 조인트들(즉, 앞에서 설명된 축방향이 아닌, 반경 방향으로 전류를 전달하는 조인트들)을 만드는 데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 팬케이크 코일은 제2 길이의 HTS 테이프를 그것의 주위에 감는 것에 의해 확대될 수 있으며, 이 경우, 고리 전도체를 사용하여 두 HTS 테이프들의 단부들 사이에 전기 조인트를 만들 수 있고, 바람직하게는, ETI 플레이트에서, 즉, 고리 전도체가, 권선들의 틈(discontinuity) 또는 브레이크(break)에 걸쳐서 조인트를 제공하는데 사용된다. 이것이 유용할 수 있는 예는, 깊은 코일들(외부 반경을 내부 반경으로 나눈 값이 큰(예를 들어, 약 3 초과인) 코일들)에서 응력을 감소시키는 경우이다. 그러한 상황에서는, 코일을 다수의 내포된 코일들로 세분화하고 이들 각각에 의해 생성되는 힘을 차단(intercept)하여 권선들에 응력이 축적되는 것을 방지하는 것이 유리하다. 이 경우, ETI 플레이트에서 적합한 고리 전도체를 사용하여, 내포된 코일들 사이에 방사상 조인트(radial joint)가 만들어질 수 있다.

도 6은, 내부 코일(601)과 외부 코일(602) 사이에 방사상 조인트를 제공하는 2개의 고리 전도체(604A, 604B)를 갖는 HTS 자석(600)을 통한 반경 방향 단면을 도시한다. 실린더와 같은 기계적 지지체(607)가 내부 및 외부 코일들(601, 602) 사이에 제공되어, 그들 사이의 반경 방향 힘을 차단한다.

도 7은, 콤팩트하고 견고하며 간단한 방식으로 매우 높은 자기장을 생성할 수 있는 HTS 자석(600)을 통한 반경 방향 단면을 보여준다.

HTS 자석(700)은 앞에서 설명된 HTS 자석(400)의 반경 방향으로 내포된 스택들(701, 702, 703)을 포함한다. 예를 들어, 반경 방향 최외곽 스택은 축방향으로 배열된 HTS 자석들(400A 내지 400F)을 포함하고, 인접한 자석들은 그것들이 개별적인 ETI 플레이트들을 통해 전기적으로 연결된다. ETI 플레이트들에 의해 형성된 고리 조인트들은, 도 6에서 HTS 자석들(400A 내지 400F) 위에 놓여진 화살표들에 의해 표시된 바와 같이, 전류 흐름이 축방향 흐름(인접 코일들 사이에서)과 반경 방향 흐름(각각의 코일의 권선들 주위에서) 사이에서 교번하도록, 배열된다. 도 4를 참조하여 설명된 HTS 자석(400)의 경우, 자석의 축(704)을 따른 자기장이 최대화되도록, 인접한 자석들의 코일들이 서로 반대 방향으로 감겨진다. 다른 2개의 내포된 자석 스택들(702, 703)은, 외부 스택(701)에 의해 생성된 자기장을 강화하기 위해, 유사한 구성을 갖는다. 방사상 조인트들/연결부들(705, 706)은 인접한 스택들의 종단(terminating) ETI 플레이트들 사이에 형성되어, 전류가 한 스택으로부터 다음 스택으로 흐르는 것을 가능하게 한다. 도 6에 도시된 예에서, 전류는, 외부 스택(701)의 최상부 HTS 자석(400A)의 상부 ETI 플레이트를 통해, 자석(700)에 공급된다. 앞에서 설명된 바와 같이 스택(701)을 통해 흐른 후, 전류는 조인트(705)를 통해 외부의 내포된 스택(702) 내로 반경 방향으로 흐른다. 유사하게, 이 스택(702)을 통해 흐른 후, 전류는 조인트(706)를 통해 내부의 내포된 스택(703) 내로 반경 방향으로 흐른다. 마지막으로, 내부의 내포된 스택(703)을 통해 흐른 후, 전류는 내부의 내포된 스택(703)의 최하부 HTS 자석의 하부 ETI 플레이트를 통해 자석(700)을 빠져 나간다.

도 7에 도시된 예시적인 자석(700)에는 각각 6개의 HTS 코일들을 갖는 3개의 스택들(701, 702, 703)이 있지만, 당연하게도, 임의의 개수의 스택들 및/또는 코일들이 사용될 수 있다. 스택들은 또한, 자석의 설계에 더 큰 유연성을 제공하기 위해, 다양한 개수의 코일들을 가질 수 있다.

많은 더 작은 HTS 자석들("코일 세분화(coil subdivision)")로부터 HTS 자석(700)을 구성하는 것은 많은 이점들을 제공한다. 특히, 아래에 설명된 바와 같이, 코일 세분화는, 자석(700) 내에서의 그것들의 위치에 따라, 세분화된 코일들을 "등급화(grading)"함으로써, HTS 테이프들의 응력 제한 관련 문제점들을 극복하는 것을 가능하게 하고, 또한 더욱 최적화된 자석 설계를 가능하게 한다.

HTS 테이프들의 응력 제한을 고려할 때, HTS 테이프들(100)의 최대 허용 횡방향 인장 강도는 전형적으로 대략 10 내지 50 MPa이며, 이는, 사용될 수 있는 권선들의 반경 방향 깊이에 대한 실용적인 제한을 제공한다. 그러나, 이 문제는, 코일을 도 7에 도시된 바와 같이 반경 방향으로 내포된 수개의 코일들로 세분화하는 코일 세분화에 의해, 그리고 코일들 사이에 기계적 지지체들(707, 708)을 삽입하는 것에 의해, 방지될 수 있다. 유사하게, 축방향 힘들은, 자석의 축을 따른 세분화 및 지지 구조체들(미도시)의 축방향 삽입에 의해, 차단(intercepted)될 수 있다.

세분화된 코일들의 "등급화(grading)"를 고려할 때, 고자기장 자석에서, 자기장 벡터는 자석의 반경 방향 및/또는 축방향 위치에 따라 매우 크게 달라질 수 있다. HTS 자석의 경우, 이는, 임계 전류와 같은, 초전도체로서 자석의 작동을 특성화하는 파라미터들도 위치에 따라 달라진다는 것을 의미한다. 따라서, 자석(700)의 더욱 최적의 설계는, 자석 내에서의 그것의 위치에 따라 HTS 테이프(100)를 등급화함으로써, 얻어질 수 있다. 예를 들어, 가능한 가장 높은 자기장을 달성하기 위해, 그리고 퀀칭 관리(quench management)를 위해, 자석 내의 모든 곳에서, 전류 대 임계 전류의 비(I/Ic)(감마)를 최대화하는 것이 바람직하다. 권선(turn/winding) 당 HTS 테이프들의 개수, 테이프 폭 또는 두께, 또는 테이프 유형(예를 들어, 제조자 또는 사용된 HTS 재료)을 변화시킴으로써, 등급화가 달성될 수 있다.

모니터링 목적을 위해, 센서들(예를 들어, 온도 또는 응력 프로브)을 HTS 자석에 내장시켜야 하는 경우가 많다. 퀀칭 방지 목적을 위해, 히터와 같은 추가 품목들이 요구될 수도 있다. HTS 코일과 보조 품목들이 별도의 물체들이어서, 이 두가지 물체들이 개별적으로 제조될 수 있고, 고장 발생시 독립적으로 교체될 수 있는 것이 바람직하다. HTS 코일의 권선들 내에 직접 내장될 필요가 없는 많은 센서들 또는 기타 품목들을 수용하도록 적합하게 개조된 ETI 플레이트가 만들어질 수 있다.

도 8은, 인접한 ETI 플레이트들(801A, 801B)의 각각이 내부 고리 전도체(804A, 804B) 및 외부 고리 전도체(805A, 805B)를 포함하는 것을 제외하고는, 도 5에 도시된 HTS 자석(500)과 유사한 HTS 자석(800)의 단면을 도시한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 각 플레이트에 2개의 고리 전도체를 포함시키면, 전력 공급 장치(907)가 코일들의 쌍에 걸쳐 연결될 때, 전류가 자석(800)을 통해 흐르도록 하는 2개의 대안적 경로들(908, 909)이 제공된다. 하나의 경로(908)는 도 4를 참조하여 설명된 경로와 동일하며, 즉, 전류는 내부 고리 전도체(805A, 805B)를 통해, 차례로, 각 코일(400)의 권선들 주위로 흐른다. 다른 경로(909)는, 코일들(400)의 외부 권선들 사이에 전기적 연결부를 제공함으로써, 경로(908)를 "단락(short-circuit)"시키거나 우회(circumvent)한다. 이 경우, 전류는, 코일의 다른 권선들 주위를 통과하는 대신, 그것의 외부 권선(들)을 통해 코일들(400) 중 하나 내로 흐르고, 외부 고리 전도체(804B)를 통해 코일 밖으로 흘러 나간다. 유사하게, 전류는, 다른 코일의 다른 권선들 주위를 통과하지 않은 채, 외부 고리 전도체(804A)를 통해 다른 코일의 외부 권선들 내로 전달된 다음, 그것들의 축방향 에지들 사이로 전달된 후, 코일 밖으로 전달된다.

각각의 경로(908, 909)를 따라 흐르는 전류의 비율은 경로들의 상대적 전기 저항에 의해 지배되는데, 이러한 상대적 전기 저항은, 외부 및 내부 고리 전도체들(804A, 804B, 805A, 805B)의 전기 저항, 및/또는 코일들(400)의 권선들에 대해 고리 전도체들에 의해 만들어진 전기 접점들과 관련된 전기 저항을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 직접 경로(909)의 전기 저항을 우회적 경로(circuitous path)(908)의 전기 저항보다 훨씬 더 크게 만듦으로써, 더 긴 우회적인 경로(908)가 더 짧고 더 직접적인 경로(909)보다 선호될 수 있으며, 그에 따라, 대부분의 전류는 코일들(400) 내로 그리고 그 밖으로 반경 방향으로 흐르게 된다. 이는, 예를 들어 외부 고리 전도체(804A, 804B)의 면적(areas)을 내부 고리 전도체(805A, 805B)의 면적보다 작게 만듦으로써, 달성된다. 비록 소량의 누설 전류가 경로(909)를 통과하되, 코일들(400)의 권선들을 통한 전류 순환에 의해 생성되는 자기장에는 기여하지 않지만, 코일들(400)은 내부 권선들에서 최대 임계 전류까지 충전될 수 있으며, 추가 누설 전류는 외부 권선들에 의해 운반될 수 있는데, 이는, 이것들이 이러한 더 낮은 자기장 영역에서 더 높은 임계 전류를 갖기 때문이다. 자석(800)이 충전된 후에는, 전력 공급 장치(907)는, 전류가 코일들(400) 주위에서 폐루프로 흐르도록, 분리(disconnected)될 수 있다.

도 10은, 전력 공급 장치(907)가 분리된 후, 자석(800) 내에 흐르는 "포획된(trapped)" 전류의 경로(1010)를 보여준다. 이 경우, 전류는, 코일들(400)의 권선들을 통과하고 각각의 고리 전도체들(805B, 805A, 804A, 804B)을 차례로 통과하는 폐루프 주위로 흐른다. 코일들(400)이 초전도성이므로, 전류는 감쇠되기 전에 경로(1010) 주위로 긴 기간들 동안 흐를 수 있으며, 즉, 순환 전류, 및 그것이 생성하는 자기장은 "반지속적(semi-persistent)"이다.

순환 전류의 감쇠와 관련된 시간 상수는, 코일의 자기 자기-인덕턴스(magnetic self-inductance)(L) 대 그것의 전기 저항(R)의 비(L/R)로 정의된다. 예를 들어, 내부 직경이 50 mm이고 외부 직경이 98 mm인 코일, 대략 2 mH의 자기-인덕턴스, 및 액체 질소 중에서 전형적인 저항이 대략 1 내지 5 nΩ인 전기 조인트들(즉, 내부 및 외부 전기 조인트들의 추산된 결합 저항(combined resistance)은 대략 10 nΩ임)을 갖는 자석을 고려하자. 이 자석의 L/R 시간 상수는 대략 200,000 초, 즉 2.3일이다.

큰 시간 상수는 또한, 큰 "충전" 시간, 즉, 전력 공급 장치가 연결될 때 경로들(908, 909) 사이의 전류의 정상 상태 분포(steady state distribution)를 구축하는 시간과 관련된다. 충전 시간을 최소화하기 위해, 충전하는 동안(즉, 도 9에 도시된 구성에서) 경로(908)의 저항을 증가시키는 것이 유리하다. 이는, 외부 고리 전도체들(804A, 804B)에 의해 제공된 외부 전기 조인트 내로 통합된 가변 저항기 또는 스위치로 달성될 수 있다. 예를 들어, HTS 재료를 포함하는 HTS 스위치가 외부 고리 전도체들(804A, 804B) 사이에 제공될 수 있다. 충전 동안에는, 스위치가 "꺼져서(off)"(비초전도 상태(non-superconducting state)에서), 큰 저항 및 그에 따른 빠른 충전을 제공한다. 이는, 예를 들어 HTS 재료를 그것의 임계 온도 초과로 가열함으로써, 달성된다. 그 후에, 스위치는 "켜져서(on)"(예를 들어, 더 이상 가열되지 않거나 오히려 냉각됨) 전류 경로(1010)를 닫고, 전력 공급 장치가 분리된다.

위에서 설명한 것과 같은 HTS 자석의 중요한 적용 분야 중 하나는 토카막(tokamak)으로 알려진 핵융합 반응기의 유형에 있다. 토카막은, 강한 토로이달 자기장, 높은 플라즈마 전류, 및, 통상적으로, 큰 플라즈마 부피 및 상당한 보조 가열을 결합하여 뜨겁고 안정적인 플라즈마를 제공하는 것을 특징으로 한다. 이는, 토카막이 핵융합이 발생할 수 있는 조건을 생성하는 것을 가능하게 한다. 보조 가열(예를 들어, 고 에너지 수소, 중수소 또는 삼중 수소의 수십 메가 와트의 중성자 빔 주입을 통해)은, 핵융합이 발생하는 데 필요한 충분히 높은 값으로 온도를 높이거나, 및/또는, 플라즈마 전류를 유지하는 데 필요하다.

토카막의 자석 코일들은 두 그룹으로 나눌 수 있다. 폴로이달 자기장 코일(poloidal field coils)은, 그것들의 중심이 토카막의 중심 기둥(central column) 상에 놓여있는 수평 원형 코일들인데, 폴로이달 자기장(즉, 중심 기둥에 실질적으로 평행한 자기장)을 생성한다. 토로이달 자기장 코일들(toroidal field coils)은 중심 컬럼을 통해 수직으로, 그리고 플라즈마 챔버의 외부의 주위(리턴 림(return limbs))에 감겨지는데, 토로이달 자기장(즉, 중심 기둥 주위에서 원형으로 발생하는 자기장)을 생성한다. 폴로이달 자기장과 토로이달 자기장의 조합은 플라즈마 챔버 내에 나선형 자기장(helical field)을 생성하며, 이것은 플라즈마를 구속된(confined) 상태로 유지한다.

토로이달 자기장을 생성하는 데 필요한 전류는 매우 크다. 따라서, 토카막을 위한 설계는 자기장 코일에 초전도 재료를 점점 더 많이 사용한다. 소형 구형 토카막(compact spherical tokamak)의 경우, 중심 기둥의 직경은 가능한 한 작아야 한다. 이는, 초전도 재료로도 달성할 수 있는 전류밀도가 제한되어 있기 때문에, 상충되는 요구 사항들을 제시한다.

본 명세서에 설명된 HTS 자석은, 토카막, 특히 구형 토카막에서, 예를 들어 폴로이달 또는 토로이달 자기장들 중 하나 (또는, 둘 다)를 생성하기 위해, 사용되기에 특히 적합하다.

본 발명의 다양한 구현예들이 위에서 설명되었지만, 이들은 제한이 아닌 예로서 제시된 것임을 이해해야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것은 관련 기술분야(들)의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 위의 코일들이 "유형 0(type 0)" 구성으로 배열된 HTS 테이프들(100)을 갖는 것으로 설명되었지만, 다른 구성, 예를 들어, "유형 1" 및 "유형 2"(예를 들어, WO 2018/078326에 설명됨)도 사용될 수 있다. 유사하게, 위에서 설명한 예들에서 코일들은 통상적으로 전력 공급 장치를 통해 직렬로 연결되지만, 코일들을 전력 공급 장치에 걸쳐서 병렬로 연결할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 앞에서 언급된 예시적인 구현예들 중 어느 것에 의해서도 제한되어서는 안되며, 다음의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정의되어야 한다.

Claims

고온 초전도체 자석인 HTS 자석(high temperature superconductor magnet)으로서, 다음을 포함하는 HTS 자석:
내포되며(nested) 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일로서, 상기 권선들 각각은 HTS 재료를 포함하는, 코일; 및
전기적 접촉 표면을 포함하는 전도체 요소로서, 상기 전기적 접촉 표면을 통해 상기 권선들 중 적어도 하나의 권선의 일 부분에 전류를 공급하며, 상기 전기적 접촉 표면은, 상기 권선들 중 상기 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서(substantially around), 상기 전도체 요소와 상기 코일의 축방향 에지(axial edge) 사이에 전기적 접촉부를 제공하는, 전도체 요소.
제 1 항에 있어서, 상기 권선들 각각은 HTS 테이프, 및 상기 HTS 테이프에 전기적으로 연결된 클래딩(cladding)을 포함하고, 상기 전기적 접촉부는 상기 클래딩에 제공되는, HTS 자석.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전기적 접촉 표면은, 상기 권선들 중 상기 적어도 하나의 권선의 경로의 20% 초과, 50% 초과, 또는 80% 초과의 주위에서, 상기 코일의 상기 축방향 에지에 전기적 접촉부를 제공하는, HTS 자석.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 접촉 표면은 고리 형상인(ring-shaped), HTS 자석.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 HTS 자석은 하나 이상의 다른 권선(들)을 가로질러 연장하는 플레이트를 포함하고, 상기 전도체 요소는 상기 플레이트와 일체로 형성되거나 또는 상기 플레이트 상에 제공되는, HTS 자석.
제 5 항에 있어서, 상기 전도체 요소는 상기 플레이트의 면(face)으로부터 돌출하고, 상기 플레이트는, 상기 하나 이상의 다른 권선(들)의 부분으로부터 상기 플레이트의 상기 면을 전기적으로 절연하기 위한 유전성 또는 전기 저항성 층을 더 포함하는, HTS 자석.
제 6 항에 있어서, 상기 권선들의 상기 축방향 에지로부터 열 및/또는 전류를 전달하기 위해, 상기 하나 이상의 다른 권선(들)을 가로질러 연장하는 계면 전도체 층을 포함하는 HTS 자석.
제 7 항에 있어서, 상기 계면 전도체 층은 황동 및/또는 스테인리스 스틸과 같은 솔더링가능한 금속을 포함하는, HTS 자석.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 계면 전도체 층은 두께를 변화시킴으로써 패턴화되는, HTS 자석.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일은 상기 권선들 사이에 전기 절연부를 포함하는, HTS 자석.
제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트와 상기 코일 사이에 배치된 하나 이상의 센서(들) 및/또는 하나 이상의 히터(들)를 포함하는 HTS 자석.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 접촉 표면은 상기 코일의 가장 안쪽 또는 가장 바깥쪽 권선에 전기적 접촉부를 제공하는, HTS 자석.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 접촉 표면은 상기 권선들 사이의 틈(a discontinuity in the windings)에 걸쳐 전기적 접촉부를 제공하는, HTS 자석.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 HTS 자석은, 상기 권선들 중 또 다른 적어도 하나의 권선의 일 부분으로부터 전류를 수용하기 위한 전기적 접촉 표면을 포함하는 또 다른 전도체 요소를 더 포함하고, 상기 전기적 접촉 표면은, 상기 권선들 중 상기 다른 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서, 상기 코일의 상기 축방향 에지 또는 또 다른 축방향 에지에 대한 전기적 접촉부를 제공하는, HTS 자석.
제 14 항에 있어서, 상기 전기적 접촉 표면은 상기 코일의 대향 면들에 대한 전기적 접촉부를 제공하는, HTS 자석.
제 15 항에 있어서, 상기 HTS 자석은 하나 이상의 추가 코일(들)을 더 포함하고, 상기 추가 코일(들)의 각각은 그 코일의 대향 면들에 대한 전기적 접촉부를 제공하기 위한 전도체 요소들을 가지며, 상기 코일들은 축방향으로 적층되고(stacked) 또한 그들의 각각의 전도체 요소들을 통해 서로 전기적으로 연결되는, HTS 자석.
제 16 항에 있어서, 축방향으로 적층된 상기 코일들 중 인접한 코일들은 서로 반대 방향으로 감겨 있는, HTS 자석.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 HTS 자석은, 각각 개별적으로 전도체 요소를 갖는 2개 이상의 동심으로 내포된(concentrically nested) 코일들을 포함하고, 상기 코일들 각각은, 상기 코일들의 개별적 전도체 요소들 사이의 전기적 연결부에 의해, 인접한 코일에 전기적으로 연결되는, HTS 자석.
제 18 항에 있어서, 상기 전기적 연결부는 유연성인, HTS 자석.
제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 반경 방향 힘(radial forces)을 차단하기 위해 인접한 코일들 사이에 위치된 하나 이상의 개재 지지부(들)(intervening support(s))를 포함하는 HTS 자석.
제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 인접한 코일들의 개별적 HTS 테이프들은 두께, 조성, 폭, 및 개수 중 하나 이상이 상이한, HTS 자석.
고온 초전도체 자석인 HTS 자석(high temperature superconductor magnet)으로서,
상기 HTS 자석은:
제1 코일 및 제2 코일로서, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 각각은 내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성되고, 상기 권선들 각각은 HTS 재료를 포함하는, 제1 코일 및 제2 코일; 및
제1 전도체 요소 및 제2 전도체 요소로서, 상기 제1 전도체 요소 및 상기 제2 전도체 요소 각각은 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이에 전기적 연결부를 제공하는, 제1 전도체 요소 및 제2 전도체 요소;를 포함하고,
상기 제1 전도체 요소 및 상기 제2 전도체 요소 각각은:
제1 전기적 접촉 표면으로서, 상기 제1 전기적 접촉 표면을 통해 상기 제1 코일의 권선들 중 적어도 하나의 권선의 일 부분에 또는 그로부터 전류를 전달하기 위한 제1 전기적 접촉 표면; 및
제2 전기적 접촉 표면으로서, 상기 제2 전기적 접촉 표면을 통해 상기 제2 코일의 권선들 중 적어도 하나의 권선의 일 부분에 또는 그로부터 전류를 전달하기 위한 제2 전기적 접촉 표면;을 포함하고,
상기 제1 전기적 접촉 표면 및 상기 제2 전기적 접촉 표면 각각은, 상기 권선들 중 상기 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서, 상기 개별적 전도체 요소와, 상기 개별적 코일의 축방향 에지 사이에 전기적 접촉부를 제공하는,
HTS 자석.
제 22 항에 있어서, 상기 제1 전도체 요소에 의해 제공된 상기 전기적 연결부의 전기 저항을, 상기 제2 전도체 요소에 의해 제공된 상기 전기적 연결부의 전기 저항으로 나눈 값은 1.5보다 큰, 3보다 큰, 또는 10보다 큰, HTS 자석.
제 23 항에 있어서, 상기 제2 전도체 요소의 상기 전기적 접촉 표면들의 면적들은 상기 제1 전도체 요소의 상기 전기적 접촉 표면들의 면적들보다 더 큰, HTS 자석.
제 22 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이에 위치된 상기 제1 전도체 요소 및 상기 제2 전도체 요소와 함께 축방향으로 적층되는, HTS 자석.
제 25 항에 있어서, 상기 제1 전도체 요소는 상기 제2 전도체 요소로부터 반경 방향 외측에 위치되는, HTS 자석.
제 22 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전도체 요소 또는 상기 제2 전도체 요소는 가변 저항기 또는 스위치를 포함하는, HTS 자석.
제 27 항에 있어서, 상기 가변 저항기 또는 상기 스위치는 HTS 재료를 포함하는, HTS 자석.
제 22 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 특징들을 더 포함하는 HTS 자석.
제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 따른 HTS 자석을 포함하는 토카막(tokamak)으로서, 상기 HTS 자석은 토로이달 자기장(toroidal magnetic field) 또는 폴로이달 자기장(poloidal magnetic field)을 제공하도록 구성된, 토카막.
제 22 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 따른 HTS 자석(high temperature superconductor magnet)에서 반지속적 전류를 생성하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함하는 방법:
상기 코일들의 각각을 초전도 상태로 준비하는 단계;
상기 코일들을 가로질러 병렬로 전력 공급 장치를 연결하는 단계; 및
전력 공급 장치를 분리(disconnecting)하는 단계.
제 31 항에 있어서,
상기 제2 전도체 요소는 HTS 재료를 포함하고,
상기 방법은, 상기 코일들에 걸쳐서 병렬로 상기 전력 공급 장치를 연결한 후, 상기 HTS 재료를 정상 상태(normal state)로부터 초전도 상태로 변화시키는 단계를 포함하는,
방법.
내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일을 포함하는 고온 초전도체 자석인 HTS 자석에 전기적 연결부를 만드는 방법으로서, 상기 권선들의 각각은 HTS 재료를 포함하고, 상기 방법은:
상기 코일의 면(face)을 부분적으로 덮도록 유전성 또는 전기 저항성 층을 부착(applying)시키는 단계;
상기 유전성 또는 전기 저항성 층에 전도체 플레이트를 부착(applying)시키는 단계; 및
상기 권선들 중 적어도 하나의 권선의 경로의 실질적인 주위에서, 상기 전도체 플레이트와 상기 코일의 축방향 에지 사이에 전기적 접촉부를 형성시키는 단계;를 포함하는,
방법.
제 33 항에 있어서,
상기 방법은: 상기 유전성 또는 전기 저항성 층과 상기 코일 사이에 계면 전도체 층을 부착(applying)시키는 단계로서, 상기 권선(들) 각각의 에지로부터 열 또는 전류를 전달하기 위해, 상기 계면 전도체 층은 하나 이상의 다른 권선(들)을 가로질러 연장되는, 단계;를 포함하는,
방법.
내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일의 축방향 에지에 전류를 공급하기 위한 전도체 플레이트로서, 상기 전도체 플레이트는:
상기 전도체 플레이트와 일체로 형성되거나 상기 전도체 플레이트 위에 제공된 고리 형상의 전도체 요소로서, 상기 전도체 요소는 상기 전도체 요소와 상기 코일 사이에 전기적 접촉부를 제공하기 위한 전기적 접촉 표면을 포함하는, 전도체 요소; 및
상기 전기적 접촉 표면에 인접한 전기 절연 장벽을 제공하기 위한, 상기 전도체 플레이트 상의 유전성 또는 전기 저항성 층;을 포함하는,
전도체 플레이트.
제 35 항에 있어서, 상기 전도체 플레이트는 상기 유전성 또는 전기 저항성 층을 부분적으로 또는 전체적으로 가로질러 연장하는 계면 전도체 층을 더 포함하고, 상기 계면 전도체 층은 상기 권선(들) 각각의 상기 축방향 에지로부터 열 또는 전류를 전달하도록 구성된, 전도체 플레이트.
제 35 항 또는 제 36 항에 있어서, 상기 유전성 또는 전기 저항성 층은, 프리-프레그(pre-preg)와 같은, 섬유 및 수지의 복합재료로 형성된, 전도체 플레이트.
제 37 항에 있어서, 상기 복합재료는 150 ℃ 초과, 바람직하게는 180 ℃ 초과, 또는 더 바람직하게는 200 ℃ 초과의 유리 전이 온도를 갖는, 전도체 플레이트.
제 35 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도체 플레이트는 상기 전도체 플레이트 상에 은 층(silver layer)을 포함하고, 상기 은 층 및 상기 유전성 또는 전기 저항성 층은 상기 전도체 플레이트의 대향 면들(opposite faces) 상에 있는, 전도체 플레이트.
제 35 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도체 플레이트는 구리를 포함하는, 전도체 플레이트.
고온 초전도체 자석인 HTS 자석으로서, 상기 HTS 자석은:
내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일로서, 상기 권선들 각각은 HTS 재료를 포함하는, 코일; 및
상기 코일의 축방향 에지와 접촉하는 제 35 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 따른 전도체 플레이트.
내포되어 동심을 이루는 권선들로 형성된 코일의 축방향 에지에 전류를 공급하기 위한 전도체 플레이트의 제조 방법으로서, 상기 제조 방법은:
상기 전도체 플레이트와 일체로 형성되거나 또는 상기 전도체 플레이트 상에 제공되는 고리 형상의 전도체 요소를 제공하는 단계로서, 상기 전도체 요소는 상기 전도체 요소와 상기 코일 사이에 전기적 접촉부를 제공하기 위한 전기적 접촉 표면을 포함하는, 단계; 및
상기 전기적 접촉 표면에 인접한 전기 절연 장벽을 제공하기 위해, 상기 전도체 플레이트 상의 섬유 및 수지의 복합재료를 경화시켜 상기 전도체 플레이트 상에 유전성 층을 형성하는 단계;를 포함하는,
제조 방법.
제 42 항에 있어서, 상기 경화는 상기 복합재료를 목표 온도로 가열하는 단계, 상기 복합재료를 상기 목표 온도에서 일 기간(a period) 동안 유지하는 단계, 및 상기 복합재료를 냉각시키는 단계를 포함하는, 제조 방법.
제 43 항에 있어서, 상기 가열의 속도는 분당 1 ℃ 미만, 바람직하게는 분당 0.3 ℃ 미만인, 제조 방법.
제 42 항 또는 제 43 항에 있어서, 상기 냉각의 속도는 분당 1 ℃ 미만, 바람직하게는 분당 0.4 ℃ 미만인, 제조 방법.
제 43 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목표 온도는 180 ℃ 이상인, 제조 방법.
제 43 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기간은 1 시간 초과, 바람직하게는 2 시간 초과인, 제조 방법.