KR20240018625A - 초전도 자석용 초전도 스위치 - Google Patents

Abstract

초전도 자석(10)은 냉각 매체를 수용하는 냉각 탱크(15)와, 자기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 초전도 회로(16)를 포함한다. 초전도 자석은 초전도 회로(들)에 접속되어 초전도 회로(들)을 통전시키는 전원(18)과, 초전도 회로(들)의 단부에 걸쳐 전기 접속된 초전도 스위치(20)를 더 포함한다. 초전도 스위치는 초전도 권선(22)과, 초전도 권선에 열적으로 커플링된 제1 단부(26)와, 냉각 탱크 내의 냉각 매체에 열적으로 커플링된 제2 단부(28)를 갖는 열전도성 부재(24)를 포함한다. 열전도성 부재는 적어도 제1 층(36) 및 제2 층(38)을 포함한다. 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성된다. 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성된다.

Description

초전도 자석용 초전도 스위치

본 개시는 초전도 자석에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초전도 자석을 위한 개선된 초전도 스위치에 관한 것이다.

초전도 자석은 초전도 회로의 코일로부터 형성되는 전자석이다. 초전도 상태에서, 초전도 회로는 전기저항이 없으며, 이에 따라 통상의 와이어보다 훨씬 많은 전류를 전도하여 강력한 자기장을 형성할 수 있다. 이에 따라, 따라서, 초전도 자석은 가장 강력한 비초전도 전자석을 제외한 모든 전자석보다 큰 자기장을 생성할 수 있고, 권선 내의 열로서 에너지가 소산되지 않기 때문에 동작하는 것이 더 저렴할 수 있다. 따라서, 초전도 자석은 통상적으로 자기 공명 영상(MRI) 기계, 핵자기 공명(NMR) 분광기 발전기, 질량 분광기, 융합 반응기 및 입자 가속기와 같은 과학 장비에서 통상적으로 사용된다.

작동 중에, 초전도 자석 권선은 그 임계 온도 미만으로 냉각되어야만 하며, 상기 임계 온도는 권선 재료가 정상적 저항 상태로부터 변화하여 초전도가 되는 온도이다. 전형적으로, 권선은 그 임계 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각되는데, 그 이유는 온도가 낮을수록, 초전도 권선이 양호하게 작동하며, 즉 전류와 자기장이 높을수록 초전도 권선이 비초전도 상태로 복귀하지 않고 유지될 수 있기 때문이다. 따라서, 자석 권선을 초전도성을 유지하기에 충분한 온도로 유지하기 위해 2개 타입의 냉각 레짐, 즉 액랭 및 기계적 냉각이 통상적으로 사용된다. 액랭에서는, 액체 헬륨이 냉각제로서 사용되며, 헬륨은 대부분의 권선 재료의 임계 온도보다 훨씬 낮은 4.2 켈빈의 비등점을 갖는다. 이에 따라, 초전도 자석과 액체 헬륨이 크라이오스탯이라고 불리우는 단열 컨테이어에 수용된다. 대안으로서, 초전도 자석은 2 단계 기계적 냉각을 이용하여 냉각된다.

초전도 자석의 한가지 작동 모드에서, 권선은 자석이 일단 통전되고 나면 초전도 재료의 부재에 의해 단락될 수 있다. 단락 회로는 스위치에 의해 이루어지고, 이 스위치는 종종 영구 스위치로 지칭되며, 일반적으로 권선 단부를 가로질러 연결되고 소형 히터에 부착된 자석 내부의 초전도 물질 부재를 지칭한다. 이에 따라, 권선은 폐쇄형 초전도 루프이고, 전원이 오프로될 수 있으며, 영구 전류가 장기간 흘러, 자기장을 보존할 수 있다. 이러한 영구 모드의 장점은, 자기장의 안정성이 최상의 전원에 의해 달성 가능한 것보다 양호하며, 권선에 전력을 공급하는 데 에너지가 불필요하다는 것이다.

따라서, 자석이 우선 턴온되면, 스위치가 그 천이 온도보다 높게 가열되어, 스위치가 저항성이 된다. 영구 모드로 작동하기 위해, 공급 전류가 원하는 자기장이 얻어질 때까지 조정된 다음, 히터가 턴오프된다. 영구 스위치는 그 초전도 온도로 냉각되어, 권선을 단락시킨다. 그 후, 전원이 턴오프될 수 있다.

그러나, 권선을 냉각하기 위해 액체 헬륨으로 충전되는 튜브를 사용하는 종래의 냉매 냉각은 스위치를 위한 램프업 및 파킹 동안에 액랭보다 훨씬 많은 액체 헬륨을 활용한다.

따라서, 본 개시는 액체 헬륨 회로로의 전도에 의해 냉각된 초전도 회로를 위한 개선된 초전도 스위치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 스위치는 자석 램프업 및 파킹 단계 중에 비등하는 액체 헬륨의 양을 최소화하기 위해 원하는 스위치 작동 온도를 위해 최적화되는 열전도 특성을 갖는다.

본 개시의 양태 및 장점이 아래의 설명에서 부분적으로 기술될 수도 있고, 아래의 설명으로부터 명백해질 수도 있으며, 본 개시의 실시를 통해 습득될 수도 있다.

일양태에서, 본 개시는 초전도 자석에 관한 것이다. 초전도 자석은 냉각 매체를 수용하는 냉각 탱크와, 자기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 초전도 회로를 포함한다. 초전도 자석은 초전도 회로(들)에 접속되어 초전도 회로(들)을 통전시키는 전원과, 초전도 회로(들)의 단부에 걸쳐 전기 접속된 초전도 스위치를 더 포함한다. 초전도 스위치는 초전도 권선과, 초전도 권선에 열적으로 커플링된 제1 단부와, 냉각 탱크 내의 냉각 매체에 열적으로 커플링된 제2 단부를 갖는 열전도성 부재를 포함한다. 열전도성 부재는 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함한다. 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성된다. 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성된다.

실시예에서, 초전도 스위치의 초전도 권선은 바이파일러 권취 초전도 권선(bi-filar wound superconducting winding)일 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 층의 열팽창계수(CTE)는 제1 층의 CTE와 거의 동일한데, 예컨대 플러스 또는 마이너스 10 % 내이다.

추가의 실시예에서, 제2 층은 제1 층보다 높은 인장강도를 갖는다. 다른 실시예에서, 제2 층은 에폭시 수지를 사용하여 제1 층에 접합된다.

추가의 실시예에서, 제1 층의 금속 재료는 순도가 99.99 %를 초과하는 고순도 금속 재료로 구성된다. 예컨대, 실시예에서 고순도 금속 재료는 어닐링 처리된 고순도 알루미늄일 수 있다. 변형예에서, 제1 층은 텅스텐 또는 백금으로 구성된다.

다른 실시예에서, 제2 층의 재료는 제1 층의 금속 재료의 합금이다.

소정 실시예에서, 40 켈빈 미만의 제1 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율은 50 켈빈을 상회하는 제2 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율보다 적어도 3배 크다. 상기한 실시예에서, 제2 온도 범위는, 자석 통전 프로세스의 초기 페이즈 동안에 초전도 스위치가 전기 저항 상태로 유지될 때의 온도를 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 온도 범위는 제2 온도 범위의 약 1/3 내지 절반과 동일한 온도를 포함한다.

다수의 실시예에서, 초전도 스위치는 초전도 회로(들)와 직렬로 전기 접속된다.

추가의 실시예에서, 초전도 스위치는 전류 리드와 전기 접속되는 하나 이상의 리드를 더 포함할 수 있다. 상기한 실시예에서, 전류 리드는 통전 프로세스 동안에 전원과 전기 접속된다.

또 다른 실시예에서, 초전도 자석은 자기 공명 영상(MRI) 기계 또는 발전기의 부분이다.

다른 양태에서, 본 개시는 초전도 자석에 있는 적어도 하나의 초전도 회로의 단부에 전기 접속되는 초전도 스위치에 관한 것이다. 초전도 스위치는 초전도 권선과, 초전도 권선에 열적으로 커플링된 제1 단부와, 냉각 탱크에 열적으로 커플링된 제2 단부를 갖는 열전도성 부재를 포함한다. 열전도성 부재는 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함한다. 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성된다. 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성된다.

또 다른 양태에서, 본 개시는 초전도 스위치를 갖는 초전도 자석을 통전시키는 방법에 관한 것이다. 초전도 스위치는 초전도 권선과, 초전도 권선에 열적으로 커플링된 제1 단부 및 냉각 탱크에 열적으로 커플링된 제2 단부를 갖는 열전도성 부재를 포함한다. 열전도성 부재는 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함한다. 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성된다. 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성된다. 상기 방법은 초전도 스위치의 임계 온도보다 높은 목표 온도로 초전도 스위치를 가열하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 초전도 자석을 통전시키기 위해 초전도 스위치에 걸쳐 전압을 인가하는 단계를 포함하며, 이 경우에 초전도 스위치의 자가 줄 가열(self joule heating)이 목표 온도를 유지한다.

더욱이, 상기 방법은, 초전도 자석의 통전 중에 초전도 스위치의 온도가 점차 감소되도록 초전도 스위치에 걸친 전압을 점차 감소시키는 단계를 포함한다.

실시예에서, 상기 방법은 또한 비선형 또는 단계별 제어 방식으로 초전도 스위치에 걸친 전압을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 개시의 이들 및 다른 피쳐(feature), 양태 및 장점은 아래의 설명 및 첨부된 청구범위를 참고로 하여 더 잘 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되어 그 일부를 이루는 첨부 도면은 본 개시의 실시예를 예시하고, 설명과 함께 본 개시의 원리를 설명하는 기능을 한다.

당업자에게 지시되는 본 개시의 최선의 모드를 포함하는, 완전하고 가능한 본 발명의 개시가 본 명세서에 기재되어 있으며, 첨부도면을 참고한다.
도 1은 본 개시에 따른 초전도 자석의 일실시예에 관한 사시도이고,
도 2는, 초전도 자석의 내부 구성요소를 특별히 도시한, 도 1의 초전도 자석의 일실시예의 투과 사시도이며,
도 3은 본 개시에 따른 초전도 자석에 있는 초전도 스위치의 일실시예의 사시도이고,
도 4는 초전도 스위치의 열전도성 부재와 초전도 권선을 특별히 도시한, 도 3의 초전도 스위치의 상세 사시도이며,
도 5는 도전성 로드에 열적으로 커플링되는 초전도 스위치의 열전도성 부재와 초전도 권선을 특별히 도시한, 도 4의 초전도 스위치의 상세 사시도이고,
도 6은 튜브에 전기적으로 커플링된 초전도 스위치의 열전도성 부재와 초전도 권선을 특별히 도시한, 본 개시에 따른 초전도 스위치의 다른 실시예의 상세 사시도이며,
도 7은 초전도 스위치의 열전도성 부재를 상세히 도시하기 위해 냉각 탱크가 제거된 상태로 특별히 도시한, 도 5의 초전도 스위치의 사시도이고,
도 8은 선 8-8을 따른 도 7의 초전도 스위치에 있는 열전도성 부재의 단면도이며,
도 9는 초전도 스위치의 다양한 리드를 특별히 도시한, 도 5의 초전도 스위치의 다른 상세 사시도이고,
도 10은 본 개시에 따른 초전도 스위치를 갖는 초전도 자석의 통전 방법에 관한 일실시예의 흐름도이며,
도 11은 본 개시에 따른 다양한 금속 재료의 열전도성(y축) 대 온도(x축)에 관한 일실시예의 그래프이고,
도 12는 본 개시에 따른 다양한 금속 재료의 냉각 파워(y축) 대 가온 단부 온도(x축)에 관한 일실시예의 그래프이며,
도 13은 본 개시에 따른 스위치 온도(y축) 대 시간(x축)의 그래프이고,
도 14는 본 개시에 따른 자석 램프 중에 다양한 파라메터(y축) 대 램프 시간(x축)에 관한 그래프이다.

이제, 본 개시의 실시예 - 이 실시예의 하나 이상의 예가 도면에 도시되어 있음 - 를 상세히 참고하겠다. 각각의 예는 본 개시를 제한하는 것이 아니라 본 개시를 설명하기 위해 제공된다. 사실상, 본 개시의 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 개시에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 일실시예의 부분으로서 예시되거나 설명되는 피쳐는 다른 실시예와 함께 사용되어 또 다른 실시예를 구성할 수 있다. 이에 따라, 본 개시는, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 속하는 한 그러한 수정 및 변형을 포함한다.

일반적으로, 본 개시는 최소 인덕턴스를 달성하기 위해 바이파일러 권취 모드의 초전도 회로로 권취된 초전도 자석을 위한 초전도 스위치에 관한 것이다. 실시예에서, 예컨대 초전도 스위치에 있는 열전도성 부재의 일단부는 스위치의 본체와 열접합되고, 열전도성 부재의 타단부는 초저온 냉각 히트싱크에 열적으로 부착된다. 또한, 열전도성 부재는 적어도 2개의 층으로 형성되는데, 하나의 층은 열전도성 금속 시트인 반면, 다른 층은 열적으로 덜 전도성이고 보다 강성으로, 금속 시트의 기계적 지지부 역할을 한다. 2개 층의 열팽창계수(CTE)는 비교적 비슷하다. 이와 같이, 초전도 스위치는 초전도 자석의 최적화된 비선형 통전을 가능하게 하고, 또한 이러한 통전 프로세스 중에 극저온 유체의 총 소비 또한 최소화할 수 있다.

이제 도면을 참고하면, 도 1 내지 도 3은 본 개시에 따른 초전도 자석(10)의 일실시예에 관한 사시도를 보여준다. 상기한 초전도 자석은 제한하는 것은 아니지만 자기 공명 영상(MRI) 기계, NMR 분광기, 발전기, 질량 분광기, 융합 반응기, 입자 가속기, 부상, 유도, 및 추진 등을 포함하는 다양한 어플리케이션에서 유용하다. 특히, 도 1은 본 개시에 따른 초전도 자석(10)의 일실시예에 관한 전체적인 사시도를 보여주고, 도 2는 본 개시에 따른 초전도 자석(10)의 일실시예에 관한 투과 사시도를 보여주며, 도 3은 본 개시에 따른 초전도 자석(10)의 일실시예에 관한 내부 사시도를 보여준다.

특히, 도 2에 도시한 바와 같이 초전도 자석(10)은 일반적으로 크라이오스탯이라고 하는 단열 컨테이너(12)를 포함한다. 여기에서 사용되는 “크라이오스탯”이라는 용어는 초저온 냉각 시스템을 포함하는 베셀을 일컫는다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이 초전도 자석(10)의 단열 컨테이너(12)는 내부 구조(29)에 의해 지지되는 단열 컨테이너(12) 내부의 코일과 적어도 하나의 초전도 회로(16)를 포함한다. 따라서, 상기한 실시예에서 단열 컨테이너(12)는, 와이어(들)가 절대 0도에 가깝게, 예컨대 10 켈빈(K), 바람직하게는 4 K으로 냉각될 수 있도록 초전도 회로(들)를 단열한다. 예컨대, 도 3에 도시한 바와 같이 단열 컨테이너(21)는 액체 헬륨을 탱크(15)에서 내부 구조(29)로 및/또는 단열 컨테이너(12)의 외벽 전반에 걸쳐 전달하는 복수 개의 도관(21)을 포함할 수 있따. 또한, 실시예에서 단열 컨테이너(12)의 외측부는 외부 환경과 단열 컨테이너(12) 내의 저온 구성요소 사이에 개재되어 복사 열전달도 또한 최소화하는 차열부를 제공한다.

보다 구체적으로, 도시한 바와 같이 초전도 회로(들)(16)는 코일 형상으로 배열도리 수 있고, 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 도 1에 특별히 도시한 바와 같이, 초전도 자석(10)은 초전도 회로(들)(16)에 접속되어 초전도 회로(들)(16)을 통전시키는 전원(18)을 더 포함한다.

이에 따라, 초전도 상태에서, 초전도 회로(들)(16)는 전기저항이 없으며, 따라서 통상의 와이어보다 훨씬 많은 전류를 전도하여 강력한 자기장을 형성할 수 있다. 또한 작동 중에, 초전도 회로(들)(16)는 그 임계 온도 미만으로 냉각되어야만 하며, 상기 임계 온도는 권선 재료가 정상적 저항 상태로부터 변화하여 초전도가 되는 온도이다. 전형적으로, 초전도 회로(들)(16)는 그 임계 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각되는데, 그 이유는 온도가 낮을수록, 초전도 권선이 양호하게 작동하며, 즉 전류와 자기장이 높을수록 초전도 권선이 비초전도 상태로 복귀하지 않고 유지될 수 있기 때문이다.

이에 따라, 도 1 내지 도 3에 도시한 실시예에서 제시한 바와 같이, 초전도 자석(10)은 초전도 회로(들)(16)를 냉각하는 액체 냉각을 제공하기 위한 냉각 시스템(14)을 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 도시한 바와 같이 냉각 시스템(14)은 냉각 매체(17) 또는 냉각제를 수용하는 하나 이상의 냉각 탱크(15)를 포함할 수 있다(도 3). 예컨대, 실시예에서 냉각 매체(17)는 액체 헬륨일 수 있으며, 이 액체 헬륨은 권선 재료의 임계 온도보다 훨씬 낮은 4.2 켈빈의 비등점을 갖는다.

초전도 자석(10)의 한가지 작동 모드에서, 초전도 회로(들)(16)는, 자석이 일단 통전되고 나면 초전도 재료의 부재에 의해 단락될 수 있다. 상기한 실시예에서는, 예컨대 단락은 종종 영구 스위치라고 하는 초전도 스위치(20)에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 초전도 스위치(20)는 일반적으로 히터 - 이 히터는 온도를 와이어의 천이 온도보다 높게 상승시킬 수 있음 - 에 의해 초전도 회로(들)(16)의 권선 단부를 가로질러 접속된, 초전도 자석(10) 내부에 있는 초전도 재료의 부재를 일컫는다. 상기한 실시예에서는, 도 9에 도시한 바와 같이 초전도 스위치(20)의 리드(23, 25, 27)가 전류 리드와 전기 접속될 수 있으며, 전류 리드는 통전 프로세스 동안에 전원(18)과 전기 접속된다. 보다 구체적으로, 도시한 바와 같이 리드(23)는 메인 권선에 접속될 수 있고, 리드(27)는 초전도 스위치(20)에 접속될 수 있으며, 리드(25)는 전원에 접속될 수 있으며, 이때 스위치(20)는 메인 권선과 전기적으로 병렬이다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이 초전도 스위치(20)가 액체 헬륨에 의해 냉각될 수 있도록 핀형 열교환기와 같은 열교환기(30)가 포함될 수 있다. 이에 따라, 열교환기(30)가 턴오프되고, 초전도 스위치(20)가 그 천이 온도 미만으로 냉각될 때, 초전도 회로(들)(16)는 폐쇄형 초전도 루프가 되기 대문에, 전원(18)이 턴오프될 수 있고 영구 전류가 장기간 동안 흘러, 자기장을 보존할 것이다. 따라서, 이러한 영구 모드의 장점은, 자기장의 안정성이 최상의 전원에 의해 달성 가능한 것보다 양호하며, 권선에 전력을 공급하는 데 에너지가 불필요하다는 것이다.

또한, 초전도 자석(10)이 우선 턴온되면, 초전도 스위치(20)가 그 천이 온도보다 높게 가열되어, 초전도 스위치(20)가 저항성이 된다. 공급 전류가 원하는 자기장이 얻어질 때까지 조정된 다음, 히터가 턴오프된다. 초전도 스위치(20)는 그 초전도 온도로 냉각되어, 초전도 회로(들)(16)를 단락시킨다. 그 후, 전원(18)이 턴오프될 수 있다.

이제 도 4 내지 도 7을 참고하면, 초전도 스위치(20)는 초전도 권선(22)과 열전도성 부재(24)를 포함한다. 예컨대, 실시예에서 초전도 권선은 최소 인덕턴스를 달성하는 바이파일러 권취 초전도 권선일 수 있다. 또한, 실시예에서 열전도성 부재(24)는 초전도 권선(22)에 열적으로 커플링된 제1 단부(26)와, 냉각 탱크(15)에 열적으로 커플링된 제2 단부(28)를 포함한다. 예컨대, 도 4에 도시한 바와 같이 열교환기(30)는 냉각 탱크(15) 내에 장착될 수 있고, 구리 로드와 같은 열전도성 로드(32)에 의해 열전도성 로드(32) - 이 로드는, 예컨대 브레이징을 통해 냉각 탱크(15)의 탱크벽(19)에 고정됨 - 에 의해 초전도 스위치(20)에 열적으로 연결될 수 있다. 또한, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 추가의 지지 구조체(34)가, 예컨대 납땜을 통해 전도성 로드(32)에 장착될 수 있고, 전도성 로드에는 열전도성 부재(24)의 제2 단부(28)가 고정될 수 있다. 변형예에서는, 도 6에 도시한 바와 같이 열전도성 부재(24)가 도관(21)들 중 하나에 장착될 수 있다. 상기한 실시예에서, 열전도성 부재(24)는 하나 이상의 편조 구리 스트랩 - 이 스트랩은 열전도성 부재(24)와 도관(21)에 고정될 수 있음 - 을 사용하여 도관(21)에 장착될 수 있다.

이제 도 8을 참고하면, 선 8-8을 따른 열전도성 부재(24)의 단면도가 도시되어 있다. 특히, 도시한 바와 같이 열전도성 부재(24)는 적어도 제1 층(36) 및 제2 층(38)을 포함한다. 제1 층(36)은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성된다. 또한, 도시한 바와 같이 제2층(28)은 제1 층(36)을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성된다. 추가로, 도시한 바와 같이 제2 층(38)은 에폭시 수지(40)를 사용하여 제1 층(36)에 접합될 수 있다.

또한 다른 실시예에서, 제2 층(38)의 열팽창계수(CTE)는 제1 층(36)의 CTE와 거의 동일한데, 예컨대 플러스 또는 마이너스 10 % 내이다. 더욱이 실시예에서, 제2 층(38)은 제1 층(36)보다 높은 인장강도를 갖는다. 추가의 실시예에서, 제1 층(36)의 금속 재료는 순도가 99.99 %를 초과하는 고순도 금속 재료로 구성될 수 있다. 예컨대, 실시예에서 고순도 금속 재료는 어닐링 처리된 고순도 알루미늄일 수 있다. 변형예에서, 제1 층(36)은 텅스텐 또는 백금으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 층(38)의 재료는 제1 층(36)의 금속 재료의 합금일 수 있다.

따라서 소정 실시예에서, 40 켈빈(K) 미만의 (약 15 K 내지 약 30 K과 같은) 제1 온도 범위에서의 제1 층(36)의 제1 열전도율은 50 K을 초과하는 (약 50 K 내지 약 60 K과 같은) 제2 온도 범위에서의 제1 층(36)의 열전도성보다 적어도 3배 클 수 있다. 상기한 실시예에서, 제2 온도 범위는, 자석 통전 프로세스의 초기 페이즈 동안에 초전도 스위치(20)가 전기 저항 상태로 유지될 때의 온도를 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 온도 범위는 제2 온도 범위의 약 1/3 내지 절반과 동일한 온도를 포함한다.

이제 도 10을 참고하면, 본 개시에 따른 초전도 스위치를 갖는 초전도 자석의 통전 방법(100)에 관한 일실시예의 흐름도가 도시되어 있다. 일반적으로, 상기 방법(100)은 여기에서 도 1 내지 도 9를 참고하여 전술한 초전도 자석(10)과 초전도 스위치(20)를 참고하여 설명될 것이다. 그러나, 당업자라면 개시된 방법(100)이 대체로 임의의 적합한 구성을 갖는 임의의 초전도 자석과 함께 활용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 추가로, 도 10은 예시 및 설명을 목적으로 특정 순서로 수행되는 단계를 보여주지만, 여기에서 설명하는 방법은 임의의 특정 순서 또는 구성으로 제한되지 않는다. 여기에 제공된 개시를 이용하는 당업자라면, 여기에 개시된 방법의 다양한 단계들이 본 개시의 범위로부터 벗어나는 일 없이 다양한 방식으로 생략, 재구성, 조합 및/또는 조정될 수 있다는 점을 이해할 것이다.

(102)에 도시한 바와 같이, 상기 방법(100)은 초전도 스위치(20)의 임계 온도보다 높은 목표 온도로 초전도 스위치(20)를 가열하는 단계를 포함한다. (104)에 도시한 바와 같이, 상기 방법(100)은 초전도 자석(10)을 통전시키기 위해 초전도 스위치(20)에 걸쳐 전압을 인가하는 단계를 포함하며, 이 경우에 초전도 스위치(20)의 자가 줄 가열이 목표 온도를 유지한다. (106)에 도시한 바와 같이, 상기 방법(100)은, 초전도 자석(10)의 통전 중에 초전도 스위치(20)의 온도가 점차 감소되도록 초전도 스위치(20)에 걸친 전압을 점차 감소시키는 단계를 포함한다. 실시예에서, 상기 방법(100)은 또한 비선형 또는 단계별 제어 방식으로 초전도 스위치에 걸친 전압을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.

따라서, 본 개시의 초전도 스위치(20)는 초전도 자석의 최적화된 비선형 통전을 가능하게 하고, 이는 이러한 통전 프로세스 중에 극저온 유체의 총 소비 또한 최소화할 수 있다. 특히, 도 11 내지 도 14에 도시한 바와 같이 본 개시의 장점을 더욱 예시하기 위해 다양한 그래프가 제공된다. 도 11은 본 개시에 따른 다양한 금속 재료의 열전도성(y축) 대 온도(x축)에 관한 그래프(200)를 예시한다. 특히, 도시한 바와 같이 어닐링 처리된 고순도 알루미늄으로 구성된 초전도 스위치(20)는 다른 재료(예컨대, 204, 206, 208)와 비교했을 때에 비선형 램프 프로세스(예컨대, 곡선 202) 동안에 스위치를 점차적으로 냉각시킨다. 또한, 상기한 실시예에서는 스위치 냉각을 위한 래치 극저온 밸브가 필요하지 않다.

도 12는 본 개시에 따른 다양한 금속 재료의 냉각 파워(y축) 대 가온 단부 온도(x축)에 관한 그래프(300)를 보여준다. 특히, 도시한 바와 같이 어닐링 처리딘 고순도 알루미늄으로 구성된 초전도 스위치(20)(곡선 302)는 특히 스위치를 폐쇄하고 자석(10)을 파킹하는 낮은 온도 범위(약 15 K 내지 약 30 K)에서 구리(곡선(306)보다 높은 필수 냉각 파워를 갖는다. 곡선 304, 308 및 310은 텅스텐, 백금 및 알루미늄 각각을 더욱 비교하기 위해 제공된다.

도 13은 본 개시에 따른 스위치 온도(y축) 대 시간(x축)의 그래프(400)를 보여준다. 특히, 도시한 바와 같이 그래프(400)는 스위치 온도(404)와 비교했을 때에 전압(402)의 비선형 램프 프로파일을 예시한다. 도 14는 본 개시에 따른 자석 램프 중에 다양한 파라메터(y축) 대 램프 시간(x축)에 관한 그래프(500)를 보여준다. 특히, 도시한 바와 같이 그래프(500)는 코일 전류((502), 사용되는 액체 헬륨 체적(504) 및 액체 헬륨 온도(506)를 보여준다.

본 발명의 다양한 양태 및 실시예는 아래의 항들에 의해 규정된다.

항 1. 초전도 자석으로서,

냉각 매체를 수용하는 냉각 탱크;

자기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 초전도 회로;

적어도 하나의 초전도 회로를 통전시키기 위해 적어도 하나의 초전도 회로에 접속된 전원; 및

적어도 하나의 초전도 회로의 단부에 걸쳐 전기 접속되는 초전도 스위치를 포함하고, 초전도 스위치는

초전도 권선; 및

초전도 권선에 열적으로 커플링된 제1 단부 및 냉각 탱크 내에 있는 냉각 매체에 열적으로 커플링되는 제2 단부를 갖는 열전도성 부재

를 포함하고, 열전도성 부재는 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하며, 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성되고, 제2층은 제1 층을 지지하며, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성되는 것인 초전도 자석.

항 2. 제1항에 있어서, 초전도 스위치의 초전도 권선은 바이파일러 권취 초전도 권선인 것인 초전도 자석.

항 3. 제1항 내지 제2항에 있어서, 제2 층의 열팽창계수(CTE)는 제1 층의 CTE와 거의 동일한 것인 초전도 자석.

항 4. 제3항에 있어서, 제2 층은 제1 층보다 높은 인장강도를 갖는 것인 초전도 자석.

항 5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 층은 에폭시 수지를 사용하여 제1 층에 접합되는 것인 초전도 자석.

항 6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 층의 금속 재료는 순도가 99.99 %를 초과하는 고순도 금속 재료로 구성되는 것인 초전도 자석.

항 7. 제6항에 있어서, 고순도 금속 재료는 어닐링 처리된 고순도 알루미늄을 포함하는 것인 초전도 자석.

항 8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 층은 텅스텐 또는 백금 중 어느 하나로 구성되는 것인 초전도 자석.

항 9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 층의 재료는 제1 층의 금속 재료의 합금인 것인 초전도 자석.

항 10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 40 켈빈 미만의 제1 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율은 50 켈빈을 상회하는 제2 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율보다 적어도 3배 큰 것인 초전도 자석.

항 11. 제10항에 있어서, 제2 온도 범위는, 자석 통전 프로세스의 초기 페이즈 동안에 초전도 스위치가 전기 저항 상태로 유지될 때의 온도를 포함하는 것인 초전도 자석.

항 12. 제10항에 있어서, 제1 온도 범위는 제2 온도 범위의 약 1/3 내지 절반과 동일한 온도를 포함하는 것인 초전도 자석.

항 13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 초전도 스위치는 전류 리드에 전기 접속된 하나 이상의 리드를 포함하고, 전류 리드는 통전 프로세스 동안에 전원과 전기 접속되는 것인 초전도 자석.

항 14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 초전도 자석은 자기 공명 영상(MRI) 기계 또는 발전기 중 어느 하나의 부분인 것인 초전도 자석.

항 15. 초전도 자석에 있는 적어도 하나의 초전도 회로를 전기 접속시키는 초전도 스위치로서,

초전도 권선; 및

초전도 권선에 열적으로 커플링되는 제1 단부 및 냉각 탱크에 열적으로 커플링되는 제2 단부를 갖는 열전도성 부재

를 포함하고, 열전도성 부재는 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하며, 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성되고, 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성되는 것인 초전도 스위치.

항 16. 초전도 스위치를 갖는 초전도 자석의 통전 방법으로서,

초전도 스위치는 초전도 권선과, 초전도 권선에 열적으로 커플링되는 제1 단부 및 초전도 자석의 냉각 탱크에 열적으로 커플링되는 제2 단부를 갖는 열전도성 부재를 가지며, 열전도성 부재는 제1 층 및 제2 층으로 구성되고, 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 형성되며, 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 형성되며, 초전도 자석의 통전 방법은,

초전도 스위치의 임계 온도보다 높은 목표 온도로 초전도 스위치를 가열하는 단계;

초전도 자석을 통전시키기 위해 초전도 스위치에 걸쳐 전압을 인가하는 단계로서, 초전도 스위치의 자가 줄 가열이 목표 온도를 유지하는 것인 단계; 및

초전도 자석의 통전 중에 초전도 스위치의 온도가 점차 감소되도록 초전도 스위치에 걸친 전압을 점차 감소시키는 단계를 포함하는 것인 초전도 자석의 통전 방법.

항 17. 제16항에 있어서, 비선형 또는 단계별 제어 방식으로 초전도 스위치에 걸친 전압을 조정하는 단계를 더 포함하는 초전도 자석의 통전 방법.

항 18. 제16항 및 제17항에 있어서, 제2 층의 열팽창계수(CTE)는 제1 층의 CTE와 거의 동일하고, 제2 층은 제1 층보다 높은 인장강도를 갖는 것인 초전도 자석의 통전 방법.

항 19. 제16항 내지 제18항에 있어서, 40 켈빈 미만의 제1 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율은 50 켈빈을 상회하는 제2 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율보다 적어도 3배 큰 것인 초전도 자석의 통전 방법.

항 20. 제19항에 있어서, 제2 온도 범위는, 자석 통전 프로세스의 초기 페이즈 동안에 초전도 스위치가 전기 저항 상태로 유지될 때의 온도를 포함하고, 제1 온도 범위는 제2 온도 범위의 약 1/3 내지 절반과 동일한 온도를 포함하는 초전도 자석의 통전 방법.

이 서술된 설명은 최상의 모드를 포함하여 본 개시를 개시하고, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 개시를 실시할 수 있도록 하기 위한 예를 사용한다. 본 개시의 특허가능한 범위는 청구항에 의해 규정되며, 당업자에게 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 사실상 청구범위와 다르지 않은 구조 요소를 갖거나, 사실상 청구범위와 대단치 않은 차이를 지닌 등가의 구조 요소를 포함하는 경우 청구범위의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

1. 초전도 자석으로서,
   냉각 매체를 수용하는 냉각 탱크;
   자기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 초전도 회로;
   적어도 하나의 초전도 회로를 통전시키기 위해 적어도 하나의 초전도 회로에 접속되는 전원; 및
   적어도 하나의 초전도 회로의 단부에 걸쳐 전기 접속된 초전도 스위치를 포함하고, 초전도 스위치는
   초전도 권선; 및
   초전도 권선에 열적으로 커플링된 제1 단부 및 냉각 탱크 내에 있는 냉각 매체에 열적으로 커플링되는 제2 단부를 갖는 열전도성 부재
   를 포함하고, 열전도성 부재는 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하며, 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성되고, 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성되는 것인 초전도 자석.
2. 제1항에 있어서, 초전도 스위치의 초전도 권선은 바이파일러 권취(bi-filar wound) 초전도 권선인 것인 초전도 자석.
3. 제1항에 있어서, 제2 층의 열팽창계수(CTE)는 제1 층의 CTE와 거의 동일한 것인 초전도 자석.
4. 제3항에 있어서, 제2 층은 제1 층보다 높은 인장강도를 갖는 것인 초전도 자석.
5. 제1항에 있어서, 제2 층은 에폭시 수지를 사용하여 제1 층에 접합되는 것인 초전도 자석.
6. 제1항에 있어서, 제1 층의 금속 재료는 순도가 99.99 %를 초과하는 고순도 금속 재료로 구성되는 것인 초전도 자석.
7. 제6항에 있어서, 고순도 금속 재료는 어닐링 처리된 고순도 알루미늄을 포함하는 것인 초전도 자석.
8. 제1항에 있어서, 제1 층은 텅스텐 또는 백금 중 어느 하나로 구성되는 것인 초전도 자석.
9. 제1항에 있어서, 제2 층의 재료는 제1 층의 금속 재료의 합금인 것인 초전도 자석.
10. 제1항에 있어서, 40 켈빈 미만의 제1 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율은 50 켈빈을 상회하는 제2 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율보다 적어도 3배 큰 것인 초전도 자석.
11. 제10항에 있어서, 제2 온도 범위는, 자석 통전 프로세스의 초기 페이즈 동안에 초전도 스위치가 전기 저항 상태로 유지될 때의 온도를 포함하는 것인 초전도 자석.
12. 제10항에 있어서, 제1 온도 범위는 제2 온도 범위의 약 1/3 내지 절반과 동일한 온도를 포함하는 것인 초전도 자석.
13. 제1항에 있어서, 초전도 스위치는 전류 리드에 전기 접속된 하나 이상의 리드를 포함하고, 전류 리드는 통전 프로세스 동안에 전원과 전기 접속되는 것인 초전도 자석.
14. 제1항에 있어서, 초전도 자석은 자기 공명 영상(MRI) 기계 또는 발전기 중 어느 하나의 부분인 것인 초전도 자석.
15. 초전도 자석에 있는 적어도 하나의 초전도 회로의 단부를 전기 접속시키는 초전도 스위치로서,
    초전도 권선; 및
    초전도 권선에 열적으로 커플링되는 제1 단부 및 냉각 탱크에 열적으로 커플링되는 제2 단부를 갖는 열전도성 부재
    를 포함하고, 열전도성 부재는 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하며, 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 구성되고, 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 구성되는 것인 초전도 스위치.
16. 초전도 스위치를 갖는 초전도 자석의 통전 방법으로서,
    초전도 스위치는 초전도 권선과, 초전도 권선에 열적으로 커플링되는 제1 단부 및 초전도 자석의 냉각 탱크에 열적으로 커플링되는 제2 단부를 갖는 열전도성 부재를 가지며, 열전도성 부재는 제1 층 및 제2 층으로 구성되고, 제1 층은 제1 열전도율을 갖는 금속 재료로 형성되며, 제2층은 제1 층을 지지하고, 제1 열전도율보다 낮은 제2 열전도율을 갖는 재료로 형성되며, 초전도 자석의 통전 방법은,
    초전도 스위치의 임계 온도보다 높은 목표 온도로 초전도 스위치를 가열하는 단계;
    초전도 자석을 통전시키기 위해 초전도 스위치에 걸쳐 전압을 인가하는 단계로서, 초전도 스위치의 자가 줄 가열(self-joule heating)이 목표 온도를 유지하는 것인 단계; 및
    초전도 자석의 통전 중에 초전도 스위치의 온도가 점차 감소되도록 초전도 스위치에 걸친 전압을 점차 감소시키는 단계
    를 포함하는 것인 초전도 자석의 통전 방법.
17. 제16항에 있어서, 비선형 또는 단계별 제어 방식으로 초전도 스위치에 걸친 전압을 조정하는 단계를 더 포함하는 초전도 자석의 통전 방법.
18. 제16항에 있어서, 제2 층의 열팽창계수(CTE)는 제1 층의 CTE와 거의 동일하고, 제2 층은 제1 층보다 높은 인장강도를 갖는 것인 초전도 자석의 통전 방법.
19. 제16항에 있어서, 40 켈빈 미만의 제1 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율은 50 켈빈을 상회하는 제2 온도 범위에서의 제1 층의 제1 열전도율보다 적어도 3배 큰 것인 초전도 자석의 통전 방법.
20. 제19항에 있어서, 제2 온도 범위는, 자석 통전 프로세스의 초기 페이즈 동안에 초전도 스위치가 전기 저항 상태로 유지될 때의 온도를 포함하고, 제1 온도 범위는 제2 온도 범위의 약 1/3 내지 절반과 동일한 온도를 포함하는 초전도 자석의 통전 방법.

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