KR20220112848A - Hts 계자 코일들용 hts 연결 부분 절연 - Google Patents

Abstract

고온 초전도 (high temperature superconducting, HTS) 계자 코일. 상기 HTS 계자 코일은 HTS 재료 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 턴(turn)들; 그리고 부분 절연 레이어로서, 전류가 상기 부분 절연 레이어를 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는, 부분 절연 레이어를 포함한다. 상기 부분 절연 레이어는 절연 영역, 및 상기 절연 영역을 통한 복수의 전기 전도성 경로들을 포함하며, 여기에서 전류는 상기 전기 전도성 경로들을 통해 상기 턴들 간에 공유될 수 있다. 각 전기 전도성 경로는 HTS 재료를 포함하는 HTS 브리지를 포함하고, 상기 HTS 브리지는 상기 전기 전도성 경로의 정상 전도성 재료와 직렬이다.

Description

HTS 계자 코일들용 HTS 연결 부분 절연

본 발명은 HTS 계자 코일에 관한 것이다.

핵융합 전력을 생산하는 문제는 매우 복잡하다. 토카막 외에 많은 대체 디바이스들이 제안되었지만 JET와 같이 현재 작동 중인 최고의 토카막과 비교할 만한 결과는 아직 산출되지 않았다.

세계 핵융합 연구는 지금까지 건설된 것 중 가장 크고 가장 비싼(c150억 유로) 토카막인 ITER의 건설이 시작된 후 새로운 단계에 접어들었다. 상업용 핵융합 원자로로의 성공적인 경로는 전기 생산을 경제적으로 만드는 데 필요한 고효율과 결합된 긴 펄스의 안정적인 작동을 요구한다. 이 세 가지 조건들은 특히 동시에 달성하기가 어려우며, 계획된 프로그램은 이론 및 기술 연구뿐만 아니라 ITER 및 기타 핵융합 시설들에 대한 다년간의 실험적 연구를 필요로 할 것이다. 이 경로를 통해 개발된 상업용 핵융합 원자로는 2050년 이전에 건설되지 않을 것으로 널리 예상된다.

경제적인 전력 발전 (즉, 입력 전력보다 아주 더 많은 출력 전력)을 위해 필요한 핵융합을 획득하기 위해서, 열융합이 발생하기에 플라즈마가 충분하게 뜨거울 수 있도록 에너지 제한 시간 (이는 플라즈마 부피에 대체적으로 비례함)이 충분하게 클 수 있도록 하기 위해 통상적인 토카막은 (ITER에 의해 예시된 것처럼) 거대해야 한다.

WO 2013/030554는 중성자 소스 또는 에너지 소스로 사용하기 위한 소형 구형 토카막의 사용을 포함하는 대안적인 접근 방식을 설명한다. 구형 토카막의 낮은 종횡비 플라즈마 모양은 입자 제한 시간을 개선하고 훨씬 더 작은 기계에서 네트 (net) 전력 생성을 가능하게 한다. 그러나 작은 직경의 중앙 기둥이 필요하므로, 플라즈마 제한 자석 설계에 대한 어려움을 제시한다. 고온 초전도체(high temperature superconductor, HTS) 계자 코일은 그런 자석들을 위한 유망한 기술이다.

HTS 계자 코일의 또 다른 잠재적 용도는 양성자 빔 치료 디바이스에 있다. 양성자 빔 요법(PBT, 양성자 요법이라고도 함)은 암 (및 방사선 요법에 반응하는 기타 상태) 치료에 사용되는 일종의 입자 요법이다. PBT에서, 양성자 빔은 치료 위치(예: 종양)로 향한다.

다른 유사한 치료법은 붕소-11을 표적 위치에 도입하고 양성자 빔을 사용하여 p+¹¹B → 3α 반응을 시작하는 양성자 붕소 포획 요법(PBCT)이다. 동일한 장치를 사용하여 PBT 또는 PBCT 어느 하나를 위해 양성자 빔을 제공할 수 있다.

PBT 및 PBCT용 양성자 빔은 사이클로트론 또는 선형 가속기와 같은 입자 가속기에 의해 생성된다. 일반적으로 PBT 및 PBCT를 위해 사용되는 가속기는 일반적으로 60~250MeV 범위의 에너지로 양성자를 생성하며, 현재 운영 중인 가장 강력한 시설은 최대 에너지가 400MeV이다.

대체적으로, 빔 각도의 변화를 허용하는 PBT 디바이스들을 위한 두 가지 유형의 설계가 있다. 첫 번째 유형의 설계에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 가속기(3001)는 갠트리(3002)에 장착되어 환자(3003) 주위에서 (일반적으로 수평 축에 대해) 회전되는 것을 가능하게 한다. 환자는 이동식 침대(3004)에 배치되며, 이는 추가 자유도(예: 수직 축에 대한 병진 운동 및 회전)를 제공한다.

두 번째 유형의 설계는 도 2에 예시된다. 가속기(4001)는 고정되어 있고. 빔은 조향 자석들(4002)(일반적으로 사중극자 자석 및 쌍극자 자석 모두 포함)을 통해 환자에게 지향되며, 그 자석들 중 적어도 일부는 갠트리(4003) 상에 위치하여 상기 빔이 환자 (4004) 주위에서 (예: 가로축 기준으로) 회전될 수 있도록 한다. 상기 환자는 이동식 침대(4005)에 위치한다.

두 설계 각각은 갠트리가 최대 400MeV만큼 높을 수 있는 빔 에너지에서 양성자를 조종할 수 있는 전자석을 보유할 것을 필요로 한다. 이것은 매우 높은 자기장을 필요로 하기 때문에, HTS 계자 코일을 사용하면 전자석과 그 전자석을 움직이는 데 필요한 갠트리의 질량과 크기를 상당히 줄일 수 있다. HTS 계자 코일은 가속기, 조향 자석의 사중극자 자석 또는 조향 자석의 쌍극자 자석 내에서 사용될 수 있다.

초전도 물질은 일반적으로 "고온 초전도체"(HTS)와 "저온 초전도체"(LTS)로 나누어진다. Nb 및 NbTi와 같은 LTS 물질은 BCS 이론에 의해 초전도성이 설명될 수 있는 금속 또는 금속 합금이다. 모든 저온 초전도체는 약 30K 미만의 임계 온도(그 온도 위에서는 0 자기장에서도 물질이 초전도할 수 없는 온도)를 갖는다. HTS 물질의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며 이러한 물질은 약 30K를 넘는 임계 온도를 가질 수 있다 (이것이 HTS 및 LTS 재료를 정의하는 임계 온도가 아니라 조성 및 초전도 작동에서의 물리적 차이라는 것에 유의해야 한다). 가장 일반적으로 사용되는 HTS는 BSCCO 또는 ReBCO (여기에서 Re는 희토류 원소이며, 일반적으로 Y 또는 Gd임)와 같은 큐프레이트(cuprate) (구리 산화물 그룹을 포함하는 화합물) 기반 세라믹인 "큐프레이트 초전도체"이다. 기타 HTS 재료에는 철 니타이드(예: FeAs 및 FeSe) 및 이붕산마그네슘(MgB₂)이 포함된다.

ReBCO는 일반적으로 도 3과 같은 구조를 가진 테이프로 제조된다. 이러한 테이프(100)는 일반적으로 두께가 대략 100미크론이고, 기판(101)(전형적으로 대략 50미크론 두께인 전해연마된 하스텔로이)을 포함하며, IBAD, 마그네트론 스퍼터링, 또는 대략적인 두께 0.2 미크론인 버퍼 스택(102)으로 알려진 일련의 버퍼 레이어들이 그 기판(101) 위에 증착된다. 에피택셜 ReBCO-HTS 레이어(103)(MOCVD 또는 다른 적절한 기술에 의해 증착됨)는 상기 버퍼 스택을 덮고 일반적으로 1 마이크론 두께이다. 1-2 미크론 은 레이어(104)는 스퍼터링 또는 다른 적절한 기술에 의해 HTS 레이어 상에 증착되고, 구리 안정제 레이어(105)는 종종 상기 테이프를 완전히 캡슐화하는 전기도금 또는 다른 적절한 기술에 의해 상기 테이프 상에 증착된다.

기판(101)은, 제조 라인을 통해 공급될 수 있으며 후속 레이어들의 성장을 허용할 수 있는 기계적 백본을 제공한다. 버퍼 스택(102)은 HTS 레이어를 성장시키기 위한 2축 텍스처 결정 템플릿을 제공하고, 상기 기판으로부터 초전도 특성을 손상시키는 상기 HTS로의 원소들의 화학적 확산을 방지할 것을 필요로 한다. 은 레이어(104)는 ReBCO로부터 안정제 레이어로 낮은 저항 인터페이스를 제공하는 것을 필요로 하며, 상기 안정제 레이어(105)는 ReBCO의 임의의 부분이 초전도를 중단하는 경우("정상" 상태로 들어가는 경우) 대체 전류 경로를 제공항다.

추가로, "박리된" HTS 테이프가 제조할 수 있으며, 이는 기판과 버퍼 스택이 없으며, 대신 HTS 계레이어의 양면에 은 레이어들을 가진다. 기판을 구비한 테이프는 "기판형 (substrated)" HTS 테이프라고 언급될 것이다.

HTS 테이프는 HTS 케이블 내로 배열될 수 있다. HTS 케이블은 전도성 물질(일반적으로 구리)을 통해 자산의 길이를 따라 연결된 하나 이상의 HTS 테이프들을 포함한다. HTS 테이프는 적레이어될 수 있거나(즉, HTS 레이어들이 평행하도록 배열될 수 있음) 케이블 길이를 따라 변할 수 있는 다른 테이프 배열을 가질 수 있다. HTS 케이블의 주목할만한 특수 사례는 단일 HTS 테이프 및 HTS 쌍이다. HTS 쌍은 HTS 레이어들이 평행하도록 배열된 한 쌍의 HTS 테이프들을 포함한다. 기판형 테이프가 사용되는 경우, HTS 쌍은 유형-0 (HTS 레이어들이 서로 마주함), 유형-1 (한 테이프의 HTS 레이어들이 다른 테이프의 기판을 향함) 또는 유형-2 (기판들이 서로 마주보고 있음)일 수 있다. 2개 이상의 테이프로 구성된 케이블은 HTS 쌍에서 테이프의 일부 또는 전체를 배열할 수 있다. 스택형 HTS 테이프는 HTS 쌍의 다양한 배열을, 가장 일반적으로 유형-1 쌍의 스택 또는 유형-0 쌍 및 또는 동등하게 유형-2 쌍의 스택을 포함할 수 있다. HTS 케이블은 기판형 테이프와 박리 테이프를 혼합을 포함할 수 있다.

이 문서에서 코일을 설명할 때에, 다음 용어들이 사용될 것이다:

· "HTS 케이블" - 하나 이상의 HTS 테이프들을 포함하는 케이블. 이 정의에서 단일 HTS 테이프는 HTS 케이블이다.

· "턴 (turn)" - 코일 내부를 둘러싸는 코일 내의 HTS 케이블의 섹션(즉, 완전한 루프로 모델링될 수 있음)

· "아크 (arc)" - 전체 계자 코일보다 작은 상기 코일의 연속 길이

· "내부/외부 반경" - 코일 중심으로부터 HTS 케이블들의 내부/외부까지의 거리

· "내부/외부 둘레" - 코일의 내부/외부를 중심으로 측정된 거리

· "두께" - 코일의 모든 턴들의 반경 방향 깊이, 즉 내부 반경과 외부 반경 사이의 차이

· "임계 전류"(I_C) - 주어진 온도와 외부 자기장에서 HTS가 정상이 되는 전류 (여기에서 HTS는 상기 테이프가 미터당 E₀ 볼트를 생성하는 초전도 전이의 특성 포인트에서 "정상이 된" 것으로 간주된다). E₀의 선택은 임의적이지만 일반적으로 미터당 10 또는 100 마이크로볼트인 것으로 취해진다).

· "임계 온도" - 주어진 자기장과 전류에서 HTS가 정상이 되는 온도

· "피크 임계 온도" - 외부 자기장이 없고 무시할 수 있는 전류가 주어지면 HTS가 정상이 되는 온도.

대체적으로, HTS 계자 코일을 위한 구조는 권선에 의한 것 또는 여러 섹션들을 조립하는 것에 의한 것의 두 가지 유형이 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 권선 코일은 연속적인 나선형으로 포머(202) 주위에 HTS 케이블(201)을 감쌈으로써 제조된다. HTS 케이블은 코일의 필요한 내부 둘레를 제공하는 모양이며 최종 권선 코일의 구조적 부분일 수 있거나 권선 후 제거될 수 있다. 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이 단면 코일은 여러 섹션들(301)로 구성되며, 그 섹션들 각각은 여러 케이블들 또는 형성된 버스바들(311)을 포함할 수 있고 전체 코일의 아크를 형성할 것이다. 상기 섹션들은 조인트들(302)에 의해 연결되어 완전한 코일을 형성한다. 도 2와 3에서 코일의 턴들이 명확성을 위해 이격되어 표시되지만, 일반적으로 코일의 턴들을 연결하는 재료가 존재하며 - 예를 들어 에폭시로 포팅하여 통합될 수 있다.

상기 코일들은 "절연" - 코일의 턴들 사이에 전기 절연 재료를 구비하거나 "비절연"일 수 있으며, 여기에서 코일의 턴들은 (납땜에 의해 또는 직접 접촉에 의해 케이블의 구리 안정제 레이어들을 연결함으로써) 케이블들을 따라 전기적으로 방사형으로 연결된다. 비절연 코일은 매우 높은 램프업 시간과 자석의 에너지가 크게 소실되기 전에 코일의 전체 단면이 정상이 되는 (모든 자석 에너지가 작은 부피로 버려지는 결과가 됨) ??치(quench) 경향으로 인해 대형 계자 코일에 적합하지 않다.

중간 접지 옵션은 "부분적으로 절연된" 코일이며, 여기에서 턴들 사이의 재료는 예를 들어 금속인 기존 전도체의 저항, 그리고 예를 들면 구리 저항률의 100 내지 10¹⁵배 사이의 또는 10^{-6 내지} 10⁸옴 미터 사이의 저항률을 가진 세라믹 또는 유기 절연체와 같은 전통적인 절연체의 저항 사이의 중간 저항을 갖는다. 부분 절연은 적절한 저항을 가진 재료를 선택하거나 필요한 저항을 제공하는 부분 절연 구조를 제공하여 달성될 수 있다. 그런 구조들은 WO 2019/150123 A1에 자세히 설명되어 있으며, 이는 본원에 참조로서 편입된다.

가장 단순한 경우에, 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 부분적 절연 구조는 금속 스트립(601)일 수 있으며, 각 측면에 절연 레이어(602)가 있고, 각 절연 레이어는 두 번째 절연 레이어와 전기적 접촉이 이루어질 수 있는 하나 이상의 윈도우들(603)을 구비한다. 스트립의 각 측면에 있는 윈도우들을 오프셋하며 그리고/또는 상기 스트립을 따라 그 윈도우들의 크기와 간격을 변경하여, 상기 윈도우들 사이에서 전류가 취하는 경로 (610)를 바꿈으로써, 상기 부분 절연 구조의 단위 길이 당 유효 저항이 제어될 수 있다 (심지어 상기 구조를 따라 변경도 가능). 그러한 부분 절연 구조는 코일의 턴들 사이에 감겨 있고, (예를 들어 금속 안정제 레이어들을 통해) 길이를 따라 두 턴들의 HTS와 전기적으로 접촉하는 경우, 부분 절연 코일은 어떤 턴-턴 저항이 필요하다고 하더라도 달성될 수 있다.

추가 예로서, 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 더 복잡한 구조가 제공될 수 있다. 상기 구조는 절연 본체(701) 내의 5개의 레이어 - 제1 금속 연결 레이어(711); 전기 전도 레이어(730); 및 제2 금속 연결 레이어(712)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 금속 연결 레이어는 상기 절연체의 표면에 제공되고, 상기 전기 전도 레이어는 상기 절연체 내부에 제공되고 비아들(702)에 의해 상기 연결 레이어들에 전기적으로 연결된다. 상기 전기 전도 레이어는 상기 절연체를 통해 2개의 금속 연결 레이어들 사이에 전도 경로들을 제공하는 레인들(703)을 포함하는 여러 영역들로 나누어진다. 이것은 각 "레인"의 너비와 길이가 저항에 영향을 미치기 때문에, 상기 레이어의 저항을 제어하는 또 다른 수단을 추가한다. 이것의 한 가지 이점은 상기 레인들의 길이를 연장하며 그리고/또는 그 레인들의 너비를 줄임으로써 저항의 손실을 보상하면서, 윈도우 간격을 더 조여지게 만들 수 있다는 것이다 (즉, 부분 절연 레이어의 저항을 평활화).

본 발명은 HTS 계자 코일들용 HTS 연결 부분 절연을 제공하려고 한다.

제1 측면에 따르면, 고온 초전도, HTS, 계자 코일이 제공된다. 상기 HTS 계자 코일은 HTS 재료 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 턴(turn)들; 그리고 부분 절연 레이어로서, 전류가 상기 부분 절연 레이어를 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는, 부분 절연 레이어를 포함한다. 상기 부분 절연 레이어는 절연 영역, 및 상기 절연 영역을 통한 복수의 전기 전도성 경로들을 포함하며, 여기에서 전류는 상기 전기 전도성 경로들을 통해 상기 턴들 간에 공유될 수 있다. 각 전기 전도성 경로는 HTS 재료를 포함하는 HTS 브리지를 포함하고, 상기 HTS 브리지는 상기 전기 전도성 경로의 정상 전도성 재료와 직렬이다.

추가 실시예들은 청구항 2 이하에 정의되어 있다.

도 1은 제1 PBT 디바이스를 도시한다.
도 2는 제2 PBT 디바이스를 도시한다.
도 3은 ReBCO 테이프의 구조를 도시한다.
도 4는 권선 코일의 개략도이다.
도 5는 단면 코일의 개략도이다.
도 6a 및 6b는 WO 2019/150123 A1에 따른 부분 절연 레이어를 도시한다.
도 7a 내지 7c는 WO 2019/150123 A1에 따른 대안적인 부분 절연 레이어를 도시한다.
도 8은 ??치 동안 부분적으로 절연된 TF 코일에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 9는 예시적인 부분 절연 레이어의 측단면도이다.
도 10은 추가의 예시적인 부분 절연 레이어의 예시이다.
도 11a, b, c, d 및 e는 또 다른 예시적인 부분 절연 레이어를 도시한다.
도 12는 일반적인 예시적인 부분 절연 레이어의 회로도이다.

배경에서 설명된 부분 절연 구조는 대부분의 코일에 적합하지만 코일의 일부가 다른 부분보다 더 높은 I/I_C 비율에서 작동하는 코일에서 국부적인 핫스팟이 여전히 발생할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이 핫스팟은 ??치가 처음 시작된 곳이 아니라 I/I_C 분율이 가장 큰 코일 부분에서 발생한다. 이것이 발생하는 이유를 설명하려면, 먼저 부분적으로 절연된 계자 코일에서 ??치 동안에 어떤 일이 발생하는지 설명하는 것이 도움이 된다.

도 8은 ??치 동안 단일의 부분적으로 절연된 D형 TF 코일에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 상기 도면의 상단 부분은 일련의 시간 단계들(코일의 일부가 정상이 되는 시간부터 시작하여 왼쪽에서 오른쪽으로)에서 코일 내 (로컬) 평균 테이프 전류를 보여주며, 상기 도면의 하단 부분은 동일한 일련의 시간 단계들에서 상기 코일의 온도를 보여준다. 계자 코일의 단일 턴의 일부가 정상이 되면 (또는 정상에 가까워지면), 그 턴 내에서의 전류는 빠르게 0으로 떨어질 것이며 (810) - 이는 전류가 상기 턴의 나선형 경로를 통한 (HTS를 통한) 것보다는 방사형 경로에서 이동하고 (부분 절연을 통해) 상기 턴을 우회하는 것이 더 유리해지기 때문이다. 이것은 두 가지 효과를 가진다 - 첫째는, 단일 턴 및 인접한 턴들의 온도는 방사형 경로로부터의 저항 가열로 인해 상승하기 시작할 것이며(802), 두 번째는 상기 자기장에에 대한 변화에 반대인 상기 코일의 인덕턴스로 인해 나머지 턴들의 전류가 증가한다(803). 대칭형 코일에서, 상기 온도 증가는 상기 단일 턴으로부터 방출될 것이며, 그래서 인접한 턴들이 정상이 되도록 하고, 이는 상기 방사상 경로 내 전류를 증가킬 것이며, 그래서 전체 코일이 정상이 될 때까지 추가 가열을 가져온다. 이 프로세스는 빠르게 발생하며, 그리고 저장된 에너지를 상기 계자 코일 전체에 실질적으로 고르게 분산시킬 것이다.

그러나, 비대칭 코일에서, 즉 I/I_C 분율이 상기 계자 코일 주위에서 변하는 코일에서, 전류의 균일한 재분배와 초기에는 상기 계자 코일의 가열조차도, 계자 코일이 완전히 ??치할 때 그 계자 코일이 고르게 가열되지 않게 할 것이다. 이것은 I/I_C 분율이 낮은 영역, 예를 들어 중앙 기둥(810)이 I/I_C 분율이 높은 영역보다 먼저 ??치할 것이기 때문이며 - 이는 단순히 그런 영역들이 큰 저항을 (그래서 열을) 생성하기 이전에 아주 많은 전류를 보유하는 것이 불가능하기 때문이다. 이와 같이 I/I_C 분율이 낮은 영역은 더 빨리 정상이 되어 결국 코일의 전체 단면이 저항성인 지점에 도달한다. 이 스테이지에서 비절연 계자 코일의 ??치에 대한 이전 설명과 유사하게, 코일의 저항 부분은 빠르게 가열될 것이며(804), 나선형 경로 내 전류가 저항성 섹션과 저항성 방사상 경로로 버려질 (dump) 때에 그 나선형 경로 내 전류는 급격히 감소한다(805). 이는 I/I_c 분율이 낮은 영역 내 온도가 나머지 코일의 온도보다 훨씬 더 많이 증가하도록 하여, 잠재적으로 그 섹션 내 코일에 손상의 결과를 가져온다.

이러한 문제를 해결하는 간단한 방법은 (예: 코일의 다른 지점에서 HTS 테이프의 수를 변경하여) I/I_c가 코일 주변에서 실질적으로 일정하도록 코일을 설계하거나, 또는 낮은 I/I_c인 영역에 추가 냉각을 제공하는 것이다. 그러나, 많은 응용 분야에서 이러한 영역들은 HTS 코일의 해당 영역에 더 많은 HTS 테이프 또는 더 많은 냉각을 위한 공간이 충분하지 않기 때문에 (또는 필요한 공간을 늘리면 수용할 수 없는 절충안이 발생하는 경우) 발생한다. 한 가지 예는 구형 (spherica) 토카막의 중앙 기둥에 있는데, 여기에서 중앙 기둥 직경을 가능한 작게 만드려는 노력이 있으며, 이것이 토카막의 효율성을 증가시키며 - 그리고 중앙 기둥의 많은 부분이 토로이드 계자 코일의 부품들이 차지하기 때문이다.

부분적으로 절연된 HTS 코일, 특히 앞서 설명한 것처럼 부분적으로 절연된 레이어들을 구비한 부분적으로 절연된 HTS 코일의 장점을 고려할 때, (배경에서 설명한 것과 같이 부분적으로 절연 레이어를 구비한 등가 코일에 비교하여) HTS 코일의 두께를 크게 증가시키지 않으면서 불균일한 ??칭 문제에 대한 해결책을 찾을 필요가 있다.

이것은 부분 절연 레이어 내에 HTS 요소를 제공함으로써 달성될 수 있으며, 그래서 부분 절연 레이어를 통한 전도성 경로의 적어도 일부와 직렬로 HTS 소자가 존재하도록 한다. 상기 HTS 요소는 방사형 경로에 대한 전류 제한기 역할을 하며 - 그래서 코일이 더 빨리 정상으로 회전하는 영역에서는 방사형 경로를 통해 다른 길로 흐를 수 있는 전류가 제한된다 (HTS 요소도 더 빨리 정상으로 회전하여 부분 절연 레이어의 국부 저항을 증가시키기 때문임). 이것은 더 느리게 정상으로 돌아가는 코일 영역들에서 방사형 경로를 통해 더 많은 전류가 다른 길로 흐를 것이며, 이는 그 영역들에서 가열을 증가시켜, 코일 주변의 초전도 손실 속도를 균일하게 한다는 것을 의미한다. 이것은, 더 많은 에너지가 코일 내 다른 곳에서 버려질 것이기 때문에 높은 I/I_c 영역에 위치한 핫스팟의 온도를 차례로 낮출 것이다.

도 9는 예시적인 부분 절연 레이어(900)의 측단면도를 도시하며, 이는 절연체(901)(일반적으로 긴 스트립의 형태로, HTS 턴들과 함께 감기며, 상기 도면에 도시된 바와 같이 좌우로 연장됨), 금속 연결 레이어(902) 및 HTS 브리지(903)를 포함한다. HTS 브리지는 절연체를 따라 이격되며 (다른 영역보다 일부 영역에서 더 밀접하게 이격되어 있을 수 있지만 이 예에서는 규칙적임), 금속 연결 레이어들 사이에 전기적 연결을 제공한다. 위에서 설명한 것처럼, HTS 브리지는 방사형 전류가 그 브리지의 임계 전류에 도달함에 따라 브리지의 저항이 급격히 증가할 것이므로 전류 제한기의 역할을 효과적으로 수행할 것이다. HTS 브리지의 임계 전류는 HTS 재료의 특성 및 HTS 재료의 치수(특히 너비)와 같은 내부 요인과 국부 온도, 국부 자기장 및 변형률과 같은 외부 요인에 따라 달라질 것이다. 부분적으로 절연된 레이어를 포함하는 코일의 작동 동안에 필요한 임계 전류를 결정하는 것은 현장에서 일반적인 시뮬레이션을 통해 수행될 수 있다.

HTS 브리지당 방사형 전류가 HTS 브리지의 임계 전류를 초과할 때에, HTS 브리지는 정상이 될 것이며, 이때에 높은 저항을 가진다. 중간 정도의 저항 경로가 있을 수 있지만 (예: HTS의 클래딩 또는 기판을 통해, 절연체를 통해 제공되는 정상 전도성 레인을 통해, 또는 다른 경로를 통해, 예를 들어 코일이 납땜 포팅된 경우 땜납을 통해), 전반적으로 그 효과는 HTS 브리지가 정상이 된 영역 내 부분 절연 레이어의 저항에서 크게 증가할 것이다. 이것은 저항이 낮은 부분 절연 레이어의 다른 부분들로 전류가 전환시킬 것이다 (그 부분들에서 더 많은 열이 발생하도록 한다). 임계 전류에 가깝지만 그 임계 전류를 초과하지 않는 전류에서, HTS 브리지의 저항은 전류가 증가함에 따라 증가한다. 이처럼, 균일하게 구성된 부분 절연 레이어를 구비한 부분적으로 절연된 코일의 경우, 전류의 재분배는 평형을 향하는 경향이 있을 것이며, 그 평형에서는 방사형 전류와 HTS 브리지의 임계 전류 둘 모두가 상기 코일 주위에서 동일하다. 이것은 임계 전류가 더 높은 영역이 더 낮은 저항을 가지므로 해당 영역을 통해 더 많은 전류가 흐르게 하여 추가 가열을 유발하여 HTS 브리지의 임계 전류를 낮추기 때문에 발생한다.

코일의 일부가 가열되면(예: 코일 일부의 나선형 경로에서 높은 I/I_C 비율로 인해 위에서 설명한 바와 같이 핫스팟을 유발함), 이것은 그 영역에서 HTS 브리지의 임계 전류를 감소시키며, 방사형 전류를 코일의 다른 부분들로 전환시키고 차례로 그 다른 부분들이 가열되도록 한다. 이와 같이, HTS 브리지에서 I/I_C의 평준화를 유발하는 동일한 효과는 계자 코일이 ??치일 때에 HTS 턴들에서 가열의 평준화를 또한 유발하며, 그래서 ??치 동안에 버려진 에너지의 보다 균일한 분포가 발생시킨다.

도 10은 도 6a 및 6b와 유사한 설계에 HTS 브리지를 통합한 부분 절연 레이어의 예를 보여준다. 도 6b에서와 같이, 부분 절연 레이어는 금속 스트립(1001) - 각 측면상에 절연 레이어(1002)를 구비함 - 및 절연 레이어의 각 측면상의 복수의 윈도우들을 포함하며, 이때에 상기 윈도우들은 상기 부분 절연 레이어를 통해 전류 경로(1010)를 제공하기 위해 서로 오프셋되어 있다. 이 경우에, 상기 부분 절연 레이어는 한 측면상의 윈도우들 내에 HTS 브리지(1003) 그리고 금속 스트립을 연결 레이어(1005)에 연결하는 다른 측면상의 윈도우들 내의 연결 요소(1004)를 포함한다.

도 11a-e는 도 7a-7c와 유사한 설계에 HTS 브리지를 통합한 부분 절연 레이어의 예를 보여준다. 상기 새기 쉬운 절연 레이어는 5개의 레이어들을 포함하며, 그 레이어들의 순서는 다음과 같다:

· 제1 금속 연결레이어(1111);

· 제1 절연 레이어(1121);

· 전기 전도 레이어(1130);

· 제2 절연 레이어(1122);

· 제2 금속 연결 레이어(1112).

도 11a 내지 도 11c는 제1 금속 연결 레이어(1111), 전기 전도성 레이어(1130), 및 제2 금속 연결 레이어(1122)의 레이아웃을 각자 도시한다. 도 11d 및 e는 도 11a 내지 c에서 선 D 및 E를 따른 단면도이다.

상기 연결 레이어들은 납땜을 통해 HTS 케이블에 부착하는 것을 용이하게 하기 위해 제시된다. 이 예 및 이전 예에서, 이들은 생략될 수 있으며, 또는 부분 절연 레이어를 통한 전기적 연결과 전기적 접촉이 이루어질 수 있도록 하는 몇 개의 더 작은 영역들을 포함할 수 있다.

상기 전기 전도성 레이어는 여러 전도성 영역들로 분할된다. 이 영역들은 두 가지 유형으로 제공된다. 정사각형 영역(1131)(실제로는 임의의 형상일 수 있음)은 비아들(1106)에 의해 상기 금속 연결 레이어들 중 하나에만 연결된다. 이러한 영역들은 부분 절연 레이어의 전기적 특성에 영향을 미치지 않지만, 각자의 절연 레이어를 통한 열 경로를 제공한다. 이들 영역들의 크기 및 이들과 상기 금속 연결 레이어 사이의 연결들의 수를 변경함으로써, 부분 절연 레이어의 열 특성은 전기적 특성과 독립적으로 변할 수 있다.

다른 영역들(1132) 각각은 제1 절연 레이어(1121)의 윈도우(1101)와 제2 절연 레이어(1122)의 윈도우(1102)를 연결한다. 상기 영역들(1132) 각각은 영역의 나머지 부분과 직렬로 연결된 HTS 브리지(1107)를 포함한다. HTS가 초전도되는 동안 상기 윈도우들 사이의 저항은 상기 영역들(1132)의 기하학적 구조를 변경하여 제어될 수 있으며 - 예를 들어, 상기 영역(1132)이 도 11b에 도시된 바와 같이 길쭉한 트랙(1133)을 포함하는 경우, 상기 트랙의 폭을 증가시키면 상기 윈도우들 사이의 저항을 감소시킬 것이며, (예를 들어, 비선형 트랙을 제공하거나, 또는 상기 윈도우들을 이동시킴으로써) 상기 트랙의 길이를 늘리면 윈도우들 사이의 저항을 증가시킬 것이다. HTS가 초전도를 중단시킬 방사상 전류는, 사용되는 HTS 재료를 변경함 (예: 상이한 ReBCO 조성 또는 공급은 일반적으로 상이한 임계 전류를 가질 것임) 그리고/또는 HTS 브리지의 치수 (특히 너비)를 변경함으로써 제어될 수 있다. - 임계 전류는 온도 및 자기장과 같은 외부 요인에도 또한 영향을 받을 것이다. 이전과 같이, HTS의 필요한 배열은 HTS 자석 설계에서 일반적인 시뮬레이션을 통해 결정될 수 있다.

제1 절연 레이어 내 윈도우(1101)는 제1 연결 레이어 및 제 1 절연 레이어를 관통하는 드릴링된 비아에 의해 형성되며, 그 후 금속(1103)(또는 다른 전기 전도성 재료)으로 도금되어 상기 제1 연결 레이어 및 상기 전기 전도성 레이어를 연결한다. 제2 절연 레이어 내 윈도우(1102)는 모든 레이어를 통해 비아(1102)를 드릴링함으로써 형성되고, 그 후 금속(1104)(또는 다른 전기 전도성 재료)으로 도금된다. 제2 절연 레이어의 윈도우(1102)를 통해 제1 연결 레이어로의 연결이 형성되는 것을 방지하기 위해, 상기 제1 연결 레이어를 비아(1102) 주위에 에칭하여 전기적으로 절연시키고, 비아(1102)의 단부에 절연 캡(1105)을 배치하여 납땜 또는 HTS 케이블과의 접촉으로 인해 브리징이 발생하지 않도록 한다.

대안으로서, 상기 윈도우들(1102)이 상기 부분 절연 레이어의 다른 측면으로부터 대신해서 드리링될 수 있으며, 그래서 그것들이 제2 연결 레이어, 제2 절연 레이어 및 전기 전도성 레이어를 통과하며, 상기 제1 절연 레이어는 통과하지 않도록 (또는 완전하게 통과하지는 않도록) 한다. 추가 대안으로서, 모든 윈도우는 모든 레이어를 통과하는 비아들로부터 형성될 수 있으며, 이때에 제2 연결 레이어의 에칭 및 제2 연결 레이어 상의 절연 캡은 상기 제1 절연 레이어의 윈도우들(1101)을 위해 사용된다.

이전 예에서와 같이, HTS가 ??치 (quench)일 때에 상기 부분 절연 레이어의 저항의 상한을 추가로 제어하기 위해서, 상기 부분 절연 레이어를 가로지르는 전기 연결들(1108) 중 일부는 HTS 브리지를 포함하지 않을 수 있다 (즉, 도 7b의 레인(703)과 본질적으로 동일할 수 있다).

도 12는 위의 설명이 특정 예를 제공하는 일반적인 부분 절연 레이어에 대한 회로도를 보여준다. HTS 코일(1201)은 두 세트의 저항에 의해 연결된다. 첫 번째 세트는 저항 R₁과 직렬로 연결된 가변 저항 R_HTS이다. 가변 저항 R_HTS는 HTS 브리지의 저항을 나타내며 HTS의 임계 전류비 I/I_C에 따라 달라질 것이다 (즉, I/I_C가 약 0.8 미만일 때 매우 낮고 I/I_C가 클수록 증가하고 I/I_C가 1보다 클 때 매우 높을 것이다). R1은 HTS 브리지와 직렬로 연결된 다른 전도성 요소들의 저항을 나타낸다.

두 번째 저항 세트는 HTS를 우회하는 전류 경로의 저항을 나타내는 저항 R_2이다. 이것은 HTS 브리지의 임의의 클래딩 또는 기판을 통과하는 (그리고 직렬의 임의의 컴포넌트들을 통과하는) 전류, 또는 HTS를 포함하지 않는 부분 절연 레이어를 통한, 예를 들어 도 11b의 연결부(1108)를 통한 다른 전기 연결을 통과하는 전류 경로를 포함할 수 있다.

위에서 부분 절연 레이어(예: 도 10의 절연 레이어, 도 6b의 절연체 또는 도 11의 절연 레이어) 내의 절연체의 다양한 예를 제시했지만, 이 예들의 통합된 개념은 복수의 전도성 경로들이 제공되는 "절연 영역"을 갖는 부분 절연 레이어이라는 것이 인정될 것이다. 이것은 본 명세서에 상세하게 설명되지 않은 다른 예, 예를 들어 부분 절연 레이어 내의 진공 또는 가스 간극들, 또는 (예를 들어, 상기 코일이 에폭시 포팅된 때에) 나중에 에폭시로 채워지는 부분 절연 레이어의 간극을 또한 포함할 것이다.

상기 부분 절연 레이어는 전류가 턴들 사이에 방사상으로 공유될 수 있도록 하는 방식으로 HTS 계자 코일에 통합된다. 예를 들어, 권선된 계자 코일에서 상기 부분 절연 레이어가 케이블과 함께 감겨질 수 있으며, 그리고 단면 계자 코일에서 상기 섹션들은 부분 절연 레이어과 HTS 케이블 (또는 다른 HTS 전류 전달 어셈블리)의 교번 레이어들로 구축될 수 있다. 상기 부분 절연 레이어의 외부 전기 연결(예: 금속 연결 레이어 또는 전도성 경로의 끝)은 납땜을 통해, 간단한 접촉 또는 기타 적절한 방법으로 상기 턴들에 연결될 수 있다.

단면 코일에서, 상기 부분 절연 레이어는 섹션들 사이의 조인트들 내에서 계속될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있으며 - 즉, (상기 조인트에서 다른 섹션의 대응 레이어에 필적하기 위해) 상기 부분 절연 레이어는 섹션의 끝으로 어떤 방식으로건 연장될 수 있으며, 상기 조인트는 전류가 조인트 내에서 상기 부분 절연 레이어를 우회하는 것을 방지하는 절연 영역을 포함할 수 있으며 또는 상기 조인트는 전류가 조인트 내에서 상기 부분 절연 레이어를 우회하도록 허용하는 도체를 가질 수 있다.

HTS 브리지는 계자 코일 전체에 분산되거나, 또는 자석의 정상 작동 동안에 I/I_C가 높은 영역들에서만 사용될 수 있다 (이때에 부분 절연을 통한 정상 전도성 전류 경로들은 그 영역들 외부에 제공됨).

HTS 브리지는 자석 코일과 유사한 HTS 재료로 만들어질 수 있으며, 또는 감소된 임계 전류 및/또는 더 높은 임계 온도를 갖는 HTS 재료로 만들어질 수 있다. 감소된 임계 전류 및/또는 더 높은 임계 온도를 갖는 HTS 브리지를 제공하면 HTS 브리지의 특성이, 특히 필요할 때 얼마나 빨리 정상 전도가 될 것인지가 제어될 수 있다. 임계 전류의 변화는, 자석 코일들에 사용된 HTS 재료와 비교하여 감소된 HTS 단면적, 예를 들어 폭이 감소된 HTS 브리지를 제공함으로써, 자석 코일들에 비교하여 HTS 재료의 양 및/또는 분포에서 스트라이에이션(striation) 또는 다른 변이를 가진 HTS 재료로 만들어진 HTS 브리지를 제공함으로써, 또는 단위 체적당 본질적으로 더 낮은 임계 전류를 갖는 HTS 재료로 만들어진 HTS 브리지를 제공함으로써 달성될 수 있다. 임계 온도의 변화는, 본질적으로 더 높은 임계 온도를 갖는 HTS 재료로 만든 HTS 브리지를 제공함으로써, 또는 HTS 브리지에서 사용된 ReBCO HTS 재료의 산소화 레벨을 제어함으로써 달성될 수 있으며, 이는 ReBCO의 산소화 레벨이 임계 온도와 직접적인 관련이 있기 때문이다.

Claims (6)

1. 고온 초전도 (HTS) 계자 코일로서, 상기 HTS 계자 코일은:
   HTS 재료 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 턴(turn)들;
   부분 절연 레이어로서, 전류가 상기 부분 절연 레이어를 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는, 부분 절연 레이어를 포함하며;
   상기 부분 절연 레이어는:
   절연 영역,
   상기 절연 영역을 통한 복수의 전기 전도성 경로들을 포함하며, 여기에서 전류는 상기 전기 전도성 경로들을 통해 상기 턴들 간에 공유될 수 있으며;
   각 전기 전도성 경로는 HTS 재료를 포함하는 HTS 브리지를 포함하고, 상기 HTS 브리지는 상기 전기 전도성 경로의 정상 전도성 재료와 직렬인, HTS 계자 코일.
2. 제1항에 있어서,
   각 HTS 브리지는, HTS 재료에 접합되고 HTS 재료와 병렬로 연결된 금속 안정제 및/또는 기판을 포함하는, HTS 계자 코일.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전기 전도성 경로들은 상기 부분 절연 레이어를 따라 균일하게 이격된, HTS 계자 코일.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 부분 절연 레이어는 상기 절연체를 통한 복수의 추가 전기 전도성 경로들을 더 포함하고, 전류는 상기 추가 전기 전도성 경로들을 통해 턴들 사이에 또한 공유될 수 있고, 상기 추가 전기 전도성 경로들은 HTS 재료를 포함하지 않는, HTS 계자 코일.
5. 제4항에 있어서,
   HTS 브리지들을 포함하는 상기 전기 전도성 경로는 상기 계자 코일의 제1 영역 내에 제공되고, 상기 추가의 전기 전도성 경로들은 적어도 상기 제1 영역의 외부에 제공되며, 여기에서 상기 계자 코일의 제1 영역은, 상기 계자 코일의 작동 전류 그리고 자석의 작동 동안 상기 계자 코일의 각 턴의 임계 전류 사이의 비율 I/I_c가 상기 제1 영역 외부의 상기 비율보다 낮은 영역인, HTS 계자 코일.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 HTS 브리지들의 HTS 재료는 상기 복수의 턴의 HTS 재료보다 더 낮은 임계 전류 및/또는 더 큰 임계 온도를 갖는, HTS 계자 코일.

Images