JPH06510885A - 超伝導素線を備えた導体からなるコイル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超伝導素線を備えた導体からなるコイル装置この発明は、少なくとも一つの超伝 導コイルからなり、このコイルがコイル面と、実質的にこのコイル面上に、超伝 導素線を含みかつ長手軸を持つ巻回された導体とを有し、この導体がその長手軸 の各位置において前記コイル面に対して垂直方向に延びる伸長線に沿って延びる 断面を持つとともにコイルから引き出される二つの端部を有するコイル装置に関 する。

この種のコイル装置は、各種の超伝導磁石、例えば粒子加速器、核磁気共鳴断層 撮影装置や磁気選別器等の超伝導磁石において主要な構成要素として使用される 。

超伝導磁石の詳細な説明は、エム・エヌ・ウィルソン著の刊行物「超伝導磁石」 オノクスフォード大学出版、オノクスフォード１９８９年に記載されている。こ の木には、生成される磁界と関連したコイル形状が記載されており（第３章）、 その例が図３．９及び図３．１４に示されている。第１２童には超伝導物質を含 む導体の構成につ−いて詳細に言及されており、これらの導体は、通常、銅、渭 合金或いは同捧な金属からなるマトリックスに超伝導素線を埋め込んだものであ り（例えば図１２．８参照）、一体の帯状体として或いは相互にｔＡ＆ｌｌシた それぞれ多数の、特に円形の素呻からなるケーブルとして構成されている０種々 の用途に対する超伝導コイルの構造については第１３童に記載されており、その 例が図１３．５から１３，９に示されている。

さらに、超伝導コイル装置を備えた磁石は「アイ・イー・イー・イー・トランザ クノぢン、ニュークリア、サイエンス−１ＮＳ−２８（１９８１）　３２０５に も言及されており、ユニには互いに重なり合いそして支持構造に張架されたコイ ルからなる超伝導フィル装置を備えたＴｊ極性磁石についての種々の構成例が記 載されている。超伝導コイル装置の磁石についてのさらに異なる構成例は、［現 代の物理ｌ　（１９８５午）１６の論文’　ＨＥＲ八用へ伝超伝石１米国特許第 ４，０３８，６２２号、欧州特許第０２７６３５Ｑ　ＡＺ号明細書にも凭られる 。また超伝導コイルの粒子加速器への適用例は欧州特許第０２０８１６３８１号 明細書を啓開することができる。

いわゆる［古典的８１な超伝導体、即ち特定の金属、合金及び金属間化合物で、 その転移温度が絶対零度のほぼ近くにあり、上述した文献に専ら記載されている 超伝導体の他に、数年前より、その転移温度が場合によってはかなり高いセラミ ックスの超伝導体（この坤の超伝導体を「高温超伝導体」と呼ぶことにする）が 発見され、その磁石への応用についても既に検討されてきた。今までに公知のセ ラミ、クスｂ伝導体は、［科学のスペクトルｊ　（１９９０年）１１８頁にも見 られ、このようなセラミックス超伝導体を含む導体の製作については独国特許出 願公開第３７２４２２９　Ａｔ号明細書に記載されている。

特に、高耐圧のコイル装置を形成するためには、その長手軸のいずれの位置に幻 いても伸長線に沿って延びている断面を持つ偏平形の導体が使用される。この占 については前述の文献からも知ることができる。このような導体は、その長手軸 のいずれの位置においてもその伸長方向がコイル装置の型によって決まるコイル 面に対してほぼ垂直方向に向くように　−特に、コイルにおける長手軸はコイル 面に対してほぼ平行になる−　巻回されてコイルを構成する。偏平導体を使用し ７てフィルを構成する場合、導体の両端をコイルから引き出すことがしばしば困 難となる。４体はその伸長方向が常にコイル面に対してほぼ垂直に向いているの で、従来、導体の一端がコイル面からほぼ垂直に引き出されねばならない場合に は、導体は長手軸上伸長線を含む面において折り曲げられていた。しかしこのよ うに導体を折り曲げることは導体組織に著しい機械的な負荷を与えることになり 、場合によってはＭｉ織内に中空空間を発生させたり及び／或いは超伝導素線を 損傷させることとなり、こ机により導体の耐電流特性が制約される。導体を曲げ る代わりとしてその方向に向いた導体片を両端にろう付けすることも公知である 。この場合、コイルには勿論ろう付は箇所、場合によっては超伝導状態ではない 箇所が生じ、主としてフィルを通るミノＡの最大値として理解される耐１ｉｆＬ 特性が同層に著しく制約さ机ろ。

従って　二の発明の＆ｆｌ！！は、上述のコイル装置において従来装置の欠点を 解消１−７たものを堤供することにある。

この発明によるフィル装置は、少なくとも一つの超伝導コイルからなり、このコ イルがコイル面と、実質的にこのコイル面上に、超伝導素線を含みかつ長手軸を 持つ巻回された導体上を有し１、二の導体がその長手軸の各位置において前記コ イル面に対して垂直方向に延びる伸長線に沿って延びる断面を持つとともにコイ ルから弓１き出される二つの端部を有するものにおいて、少なくとも一つの端部 がコイルの近くにその捩しれ後に伸長線がコイルの面に対してほぼ平行となるよ うにした捩しれ部を備えろことを特徴とする。

二の発明は、偏平形の導体は捩し、れても、その伸長線の面において折り曲げる 二点よりも　に導体の内部組織に対する影響が少ないという事実を有効に利用す るものである。二の発明にする咋し、れた後側の部分では導体はその伸長線に対 して垂直方向−１の祈ね曲げによって容易にかつ損傷のおそれなしに方向を変じ 、そ；−でコイルから引き出されることができる。

二の発明は、精に、その長手軸のいずれの位置でもほぼ矩形状の断面を持つ導体 の４川を可能にする、従ってコイル装置の形成に用立てられるスペースの有効ｆ ｌｊ用を特に可能にする６導体はその断面が厳密な青味での矩形ではなく、むし ろ台形状であＺ】ことが、多くの適用例に対して特に有利である。このような導 体は、特に加速器用のダイポールコイルを製作するために好適である。

二の発明のフィル装置に使用される導体は、電気的に良伝導性で、しかし素線の ように超伝導ではない金属よりなる少なくとも一つのマトリックスからなり、そ の中に超伝導素線が埋め込まれているものが好ましい。マトリックスの形成には 特に銅、アルミニウム並びに銅合金が考えられる。

章綺としては、特にそれ自体公知の超伝導金属間化合物、特にＮｂＴｉ或いはＮ ｂ、Ｓｎが１．ＩＱとなる。また素線をセラミ、クスの超伝導体、特にセラミッ クス高温超伝導体で構成することも考えられる。

この発明の各実施＋１ＪＩＩにおいて、導体の換しれは約９０°の角度で行い、 その結果捩しれる前の導体の伸長線と槻しった後の導体の伸長線とが約９０°の 角度で交差するようにするのが好ましい。前述したように、この発明による各コ イル装置においては捩しれ部の背後の部分で導体の端部は容易にかつその材料の 損傷なしに折り曲げられて導体がコイルから引き出され、また他のコイルへ或い は電源装置へ導かれる。

この発明によるコイル装置のコイル面を形成するには多くの方法があるが、その 場合それ自体公知のすべての構成がほぼ実現可能である。特にコイル面はほぼ平 坦状にすることができるが、円筒状の面とすることも可能である。

フィル面を…唯な構成とすることも考えられる。例えば、コイル面をほぼ平坦な Ｗいはほぼ円筒状の中間セグメントとこのセグメントからほぼ軸状に曲げられた 端部セグメント七で構成することもできる。このようなコイル面を持つコイルは 公知のいわゆる１鞍形コイル−１、「ヘット形コイル−及び「バナナ形コイル− １であム。

二の発明では、第一のコイルと第一のコイルとが同一のフィル面を共有し、第一 のコイルがそのコイル面において第二のコイルと重なるようにして両コイルのｔ ｌｌ’ｑ間の接続を可能にする。第一のコイルと第二、のコイルとの結合は、第 一のコイルから引き出され、涙し７ね部を偵えた第一・のコイルの端部が第二の コイルから引き出さ力、闇様に匣しれ部を備えた第二のコイルの端部に接続され ることにより実現さ九ξ　二つのコイルをこのように結合することは、恐らくは 、同一の導体て先ず第一のコイルが、直接そのヒに第て−のコイルが巻かれるよ うにしても実現可能である。

少なくおも一つの中間部と少なくとも一つの端部とを有し、導体が端部において 山間部よりもより大きく曲げられているコイルを備えたこの発明による各実施り 掃においては、二の発明によろ顯し５机部を備えたコイル端部は中間部もしくは 二の山間部の１−＜近くに配置される。このよらにし７て、例えばこの発明のコ イル装置を支持構造　特に枠体へ張架することが特に簡単になる。中間部と端部 とを有す乙コイルは、例えばわｎβＨにおけるダイポールコイルとし、て、即ち 、「レースト石　・り・咬いは１バナナ・形とし、て使用さねている。第一の形 状のコイルにオ９いては、斤いに゛Ｖ行な　並列配置の、二つの直線計中間部が あり、そしてこの二つの角線汁山間部は川）・１的に挟く曲Ｇ十龜れた下一つの 端部を介して互いに結合さねている９第二の形状は、ｒ↓１聞部口部自体部より もはっきり大きな曲率で曲げら刺ている占で、第一の形ｉ犬と異なっている。

二の発明のコイル装置の各実栴形剪としてコイルから引き出される各端部はこの 発明によろ桿し７れ部を備えるこ七が特に好まし７い。

多くの場合コイル装置に使用される各導体においては超伝導素線は相互に転位さ れ、！−７かｉｌその場合、しばしばこれにより一定の涙し、り方向が決まるよ うに転位さ釣ているａ　：のような導体が使用されている１、二の発明によるコ イル装置の各実施形態においては、二の発明による全体の導体の捩じれ部は、超 伝導素線の転位によって決まる捩しれ方向に反対向きとされる。この手段により 導体内の超伝導素線は１９械的な９荷を滅し、られる。捩し７れ部を設けること による素線の損傷の争論は二のようにして対処される。

コイル装置を形成するために導体はまたしばしばケーブルの形で使用される。

その場合ケーブルは多数の相互に一組された素線、例えばワイヤーよりなる。そ の曝合主古して各素線のケーブル内での一組によって特定の涙しり方向が決まる 。

二のまうな場合二の発明の実施り欅の範囲として、導体であるケーブルの捩しれ 部は！！線の＆！！紐によって決まる捩しれ方向と同一方向にし、その結果この 発明による唾し５れ部を備えることによりケーブル素線の一組が強化されるよう にするのが特に有ｆ１１である。二の手段により　ケーブルの個々の素線が捻し れる際に可動となってコイルの耐電流特性への影響が生ずるのを阻止することが できる。ケーフルの素線の隼東が弛まず、固定されることにより、このようなお それは確実に女１処される。なお最後に逮べた有効な手段は前に述べた手段と矛 盾するものではない。一つの導体を素晴からなるノｒ−プルとして構成し、その 各々の捩しらされた超伝導素線をマトリックス中に配置することも容易に考えら れる。このような温合、勿論Ｊ常、超伝導素線の捻しれによって決まる捩しれ方 向は、ケーブル素線の捻し、れによって決する楯しれ方向に反対向きにされる。

このような導体では、実際　最後に述べた一つの有効な手段をこの発明の範囲と して組み合わせて実現する二とができる。

なお最後に、二の発明は、相互に縄粗さね、た素線自体がケーブルであるような 襖雑に構成された汗−プルの使用をも可能にする、二とも指摘しておきたい。

ワに示した実施例を啓開して、二の発明の詳細な説明する。なお、これらの実施 例は、二の発りに特存の特徴を強調するために、寸法的には必ずしも忠実ではな く、必要にすして　幾分誇張してＶ示さね、ている。

図１は二の発明による睡しわ部を有するコイル装置におけるコイルの一部を、図 ２は二つの重なり合ったコイルを備えるとともにこの発明による捩じれ部を有す るコイル装置におけるコイルの一部を、図３はこの発明の範囲内において使用さ れる超伝導素線を備えた帯状体を、図４は円筒状コイル面を持つコイル装置の一 例を、図５は？！雑な形状に形成されたコイル面を持つコイル装置の一例を、図 ６はこの発明の範囲において使用されるケーブルを示す。

図１は、この発明によるコイル装置におけるコイル３の一部を切り取った状態で 示し、この場合、図示された切り取り部分によって形成されるコイル面４は一つ の平面の一セグメントをなしている。コイル３は巻回された導体６からなり、こ の導体は暢伝導物Ｗ（図１では示してない）を内蔵している。導体６は長手軸７ を持ち、この長手軸７のいずれの位置でも、伸長線８に沿って延びている、図示 の例では矩形状に延びている断１を持っている０本来のコイル３では伸長線８は 常にコイル面４に対して鋭角、特にほぼ垂直に向いている。このことは、コイル ３によって生ずる磁界を導体６が貫通することに関連する考察からを利であるこ とが実証されている。４体６は一端部９でコイル３から引き出される。この発明 によればこの端部９は捩じれｅｌｌｌｌを有しており、この涙しれ部の後側では 伸長＆Ｉ１８はコイル面４に対してもはや垂直ではなく、はぼ平行に向いている 。このような捩しわ１部１１は、特に、導体６がこの捩しれ部の後側では容易に 折り曲げられ、鋭角に、特にほぼ直角にフィル面４から離れる方向に向けられる がために有効である。導体６はこの捩しれ部１１の後側で再びコイル３に密接し ている。

このことは、特にコイル３が支持構造に張架されるときには有利である。このよ うな支持ｔＪＩＩ造は、例えば先に引用した文献「現代の物理Ｊに記載されてい るので、ここではこれ以上論述する必要はなかろう。

図２は第一のコイルＩと第一のコイル２とを備え、第二のコイル２が第一のコイ ル１の上に位置するコイル装置の一部を示す。図２ではコイル面は図示されてい ないが、例えば第一のコイルｌと第二のコイル２との間に存在していると仮定さ れる。第一のコイル１と第二のコイル２とは唯一の導体６から巻回されており、 導体らは一端部９で第一のコイル）から引き出され、他方の端部１０で第二のコ イル２に引き入れられている。両端部９と１０との間で導体６はこの発明による 二つの捩しれ部１１を有している。このような捩しれ部１１を導入することによ り第一のコイル１と第二のコイル２との間での導体６の引き回しを最小の変形で 可能にする。両捩じれ部１１は同一の捩しれ方向を持っている。このことは効果 的である。というのは、これによりもしそうでないと生ずるおそれのある捩しれ 部１１の折り返しという危険が回避されるからである。そしてまた多くの場合、 使用される導体には、慢しれ部１１を形成するために可能な二つの捩じれ方向の 中で好ましいとする固有の捩しれ方向があるからである。

図３はこの発明の範囲の導体６として使用可能な帯状体の概略例を示す、導体６ は長手軸７を持ち、既に迷べたように、この長手軸７のいずれの位置でも、伸長 線８に沿って延びている断面を持っている。導体６は、例えば銅のような金属か らなるマトリックス１２よりなり、このマトリックス１２に超伝導素線５が埋め 込まれている０通常、超伝導素ｖＩ５はマトリックス１２にわたって大体規則的 に配置されている０図では理解しやすくするために少数の素線５しか示されてい ない。

図４はこの発明を実現するためのコイル装置の一実施例を示す、このコイル装置 は第一のコイル１と第二のコイル２とよりなり、両コイル１．２は複数個の部分 よりなり、円筒状のコイル面４に互いに相対して配置されている。コイル１．２ の各々は中間部１５を持ち、この部分は直線状で折り曲げられた両端部１６を介 して互いに接続されている。この発明によればコイル１．２の各部分相互の間の 結合も、第一のコイルｌと第二のコイル２との間の結合も実現される。コイル装 置を実際に作動させるために必要なｉｔ流リード線もこの発明による捩じれ部を 介してコイルｌ、２に接続される。

図５は、超伝導導体６からなるコイル３の異なる実施例を一部切り取った状魁て 示す。コイル３はほぼ直線状の中間部１５を有し、この部分は湾曲状の端部１６ を介して互いに接続されている。導体６は外側のＯｆ１部９から始まり、内側の 端部１０で終わっている。わかりよくするために両ｉ＊９．１０は中間部１５に 対して平行に同列に示されている。コイル３のコイル面４は図示の例では平坦な 中央セグメント１３と端部セグメント１４とを持ち、このセグメントは中央セグ メント１３に対してほぼ直角に置かれている。従って図示のコイルはいわゆる「 ベット形フィル１成いは「鞍形コイルノである。いわゆる「バナナ形コイルｊを 形成するため中間部１５は平坦な中央セグメント１３の方向に向かって僅かに屈 曲させる：ともできる。

圀６は、ケーブル１７が多数の素＊Ｉ８を編組することによって形成される状鯵 を示す。ケーブル１７は長手軸７を有し、この軸は素線の調紐によって定まる― しれ方向１９を説明するために矢印を付しである。このように方向付けられた長 手軸７に関して素線１８は長手軸７の回りを回転方向２０に巻き回されている。

ケーブル１７は一方ではこの発明によるコイル装置を形成するための特定の導体 でもある。この場合、素８１１８はマトリックスに埋めこまれた超伝導素線（図 ３参昭）である、或いはまたケーブル［７はこの発明によるコイル装置を形成す るための特定の帯状体の中の超伝導素線の捩しれ部でもあり得る。素線１８はこ の場合超伝導素線そのものである。

この発明は、超伝導導体からなるコイル装置であって、その導体の著しい変形が 大幅に回避され、従って運転安全上の障害が抑制されるものを形成することを可 能にする。

ＦＩＧ　３ ＦＩＧ　５ ＦＩＧ　６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも一つの超伝導コイル（１、２、３）からなり、このコイルがコイ ル面（４）と、実質的にこのコイル面（４）上に、超伝導素線（５）を含みかつ 長手軸（７）を持つ巻回された導体（６）とを有し、この導体（６）がその長手 軸（７）の各位置において前記コイル面（４）に対して垂直方向に延びる伸長線 （８）に沿って延びる断面を持つとともにコイル（１、２、３）から引き出され る二つの端部（９、１０）を有するコイル装置において、少なくとも一つの端部 （９、１０）がコイル（１、２、３）の近くにその捻じれ後に伸長線（８）がコ イルの面（４）に対してほぼ平行となるような捩じれ部（１１）を備えることを 特徴とす超伝導素線を備えた導体からなるコイル装置。 ２．導体（６）の断面がその長手軸（７）の各位置においてほぼ矩形状である請 求の範囲１記載のコイル装置。 ３．導体（６）が電気的に良伝導性の金属、特に銅或いはアルミニウムからなる 少なくとも一つのマトリックス（１２）を有し、その中に超伝導素線（５）が埋 め込まれている請求の範囲１または２記載のコイル装置。 ４．素線（５）が、主として超伝導金属間化合物、特にＨｂＴｉ或いはＨｂ３Ｓ ｎからなる上記請求の範囲の一つに記載のコイル装置。 ５．素線（５）が、主としてセラミックスの超伝導体、特にセラミックス高温超 伝導体からなる請求の範囲１乃至３の一つに記載のコイル装置。 ６．捩じれ部（１１）の捻じれが約９０°の角度で行われている上記請求の範囲 の一つに記載のコイル装置。 ７．捩じれ部（１１）の後側において端部（９、１０）が曲げられている上記請 求の範囲の一つに記載のコイル装置。 ８．コイル面（４）がほぼ平面状である上記請求の範囲の一つに記載のコイル装 置。 ９．コイル面（４）がほぼ円筒状である請求の範囲１乃至７の一つに記載のコイ ル装置。 １０．コイル面（４）がほぼ平面状の或いは円筒状の中央セグメント（１３）と この中央セグメント（１３）からほぼ鞍状に曲げられた二つの端部セグメント（ １４）を有する請求の範囲１乃至７の一つに記載のコイル装置。 １１．第一のコイル（１）と第二のコイル（２）とが同一のコイル面を共有し、 第一のコイル（１）がそのコイル面において第二のコイル（２）上に重なってい る上記請求の範囲の一つに記載のコイル装置。 １２．第一のコイル（１）から引き出され捩じれ部（１１）を備えた端部（９） が第二のコイル（２）から引き出され、同様に捩じれ部（１１）を備えた端部（ ９）に接続されている請求の範囲１１記載のコイル装置。 １３．コイル（１、２、３）が少なくとも一つの中間部（１５）と少なくとも一 つの端部（１６）とを有し、導体（６）が端部（１６）において中間部（１５） よりも大きく曲がっており、中間部（１５）に捩じれ部（１１）を持つ端部（９ 、１０）がある上記請求の範囲の一つに記載のコイル装置。 １４．コイル（１、２、３）から引き出された各端部（９、１０）が捩じれ部（ １１）を有する上記請求の範囲の一つに記載のコイル装置。 １５．ａ）導体（６）において超伝導素線（５）が一つの捩じれ方向に捻じられ ており、 ｂ）導体（６）の捩じれ部（１１）が捩じれ方向（１９）と反対向きである上記 請求の範囲の一つに記載のコイル装置。 １６．ａ）導体（６）が、一つの捩じれ方向（１９）に編組された多数の素線（ １８）からなるケーブル（１７）であり、 ｂ）導体（６）の捩じれ部（１１）が前記捩じれ方向（１９）と同じ向きに捻じ られている 上記請求の範囲の一つに記載のコイル装置。