DE112008000946T5

DE112008000946T5 - Supraleitende Spule und dafür verwendeter Supraleiter

Info

Publication number: DE112008000946T5
Application number: DE112008000946T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Kobayashi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: JP2008270307A; US20100029487A1; US8185175B2; CN101542649A; WO2008133003A1; JP4743150B2; DE112008000946B4; CN101542649B; KR20090129979A

Abstract

Flache supraleitende Spule, die durch Wickeln eines supraleitenden Leiters hergestellt wird, der durch elektrisches Verbinden eines bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes in Reihe gebildet wird, wobei der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht in dem Außenumfangsteil angeordnet ist und der bandförmige supraleitende RE123-Draht in dem Innenumfangsteil angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Spule und insbesondere eine Struktur einer supraleitenden Spule, die in der Lage ist, ein starkes Magnetfeld bei hoher Betriebstemperatur zu erzeugen.
STAND DER TECHNIK
Bei den supraleitenden Drähten, die unter Verwendung supraleitender Oxidmaterialien hergestellt werden, gibt es die folgenden zwei Arten, an denen derzeit intensiv geforscht wird: eine ist ein bandförmiger silberumhüllter supraleitender Draht, der durch ein Pulver-im-Rohr-Verfahren hergestellt wird und eine (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀±δ-Phase als einen Hauptbestandteil enthält (δ ist eine Zahl in der Größenordnung von 0,1; im Weiteren als (Bi, Pb)2223 bezeichnet). (Siehe zum Beispiel das Nicht-Patentdokument 1.) Die andere ist ein bandförmiger supraleitender Dünnfilmdraht, bei dem durch ein Dampfphasenverfahren oder ein Flüssigphasenverfahren eine supraleitende Schicht auf einem metallischen Substrat ausgebildet wird. Das supraleitende Material des supraleitenden Dünnfilmdrahtes ist ein supraleitendes Oxidmaterial, das durch die chemische Formel RE₁Ba₂Cu₃O_x dargestellt wird (wobei x eine Zahl nahe 7 ist; im Weiteren als RE123 bezeichnet), wobei in dem RE-Anteil (RE = Rare Earth, Seltenerde) ein einzelnes Element oder eine einzelne Verbindung von Seltenerdenelementen wie zum Beispiel Y, Ho, Nd, Sm, Dy, Eu, La, Tm usw. vorhanden ist. (Siehe zum Beispiel das Nicht-Patentdokument 2.)
Eine supraleitende Spule wird unter Verwendung der oben angesprochenen supraleitenden Drähte für den Zweck einer Magnetfeldanwendung hergestellt. Patentdokument 1 offenbart eine supraleitende Spule, die durch Übereinanderlegen mehrerer Flachspulen, in denen bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Drähte verarbeitet sind, hergestellt wird. Die aus den bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drähten hergestellte supraleitende Spule wird auf eine tiefe Temperatur von 20 K oder weniger gekühlt, und durch Einspeisen eines bestimmten Arbeitsstroms wird ein Magnetfeld erzeugt.
Der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht ist im Hinblick auf die Magnetfeldfestigkeit bei hoher Temperatur nicht sonderlich leistungsfähig, und der kritische Stromwert neigt zur Verschlechterung, wenn der supraleitende Draht dem Magnetfeld ausgesetzt wird. Wenn der supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht die Form einer Spule hat, nimmt darum der kritische Stromwert aufgrund eines selbst erzeugten Magnetfeldes ab. Als Gegenmaßnahme wird daher der kritische Stromwert zuvor erhöht, indem die Betriebstemperatur so gesenkt wird, daß unter dem erzeugten Magnetfeld ein ausreichender elektrischer Strom durch die Spule fließen kann. Wenn also ein vergleichsweise großes Magnetfeld in einer supraleitenden Spule erzeugt werden soll, in der der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht verwendet wird, so wird die Spule auf eine tiefe Temperatur von etwa 20 K gekühlt. Zum Kühlen der supraleitenden Spule ist es daher notwendig, Anlagen zu verwenden, die in der Lage sind, eine Kühlung auf eine tiefe Temperatur von etwa 20 K zu erreichen.
Andererseits ist der bandförmige supraleitende RE123-Draht dem bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht im Hinblick auf die Magnetfeldfestigkeit überlegen, und die Verschlechterung des kritischen Stromwertes ist unter der relativ hohen Temperatur in dem Magnetfeld gering. Allerdings ist bei dem bandförmigen supraleitenden RE123-Draht der Herstellungsprozeß kompliziert und empfindlich, und es ist schwierig, eine große Länge gleichmäßigen Drahtes herzustellen, der in einem einzigen Stück zu einer Spule verarbeitet werden kann. Außerdem sind wegen des geringen Produktionsertrages die Drahtkosten hoch.

[Patentdokument 1]: Japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer H10-104911
[Nicht-Patentdokument 1]: SEI Technical Review Nr. 169, Ausgabe vom Juli 2006, Seiten 103–108
[Nicht-Patentdokument 2]: SEI Technical Review Nr. 169, Ausgabe vom Juli 2006, Seiten 109–112

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, vor dem Hintergrund der oben geschilderten Situationen, eine kostengünstige supraleitende Spule und einen darin zu verwendenden supraleitenden Leiter anzugeben, mit denen ein starkes Magnetfeld bei vergleichsweise hoher Temperatur erzeugt werden kann, und zwar unter Verwendung von Kühlanlagen mit relativ geringer Kühlleistung.
MITTEL ZUM LÖSEN DES ZU LÖSENDEN PROBLEMS
Die vorliegende Erfindung, mit der die oben angesprochenen Probleme gelöst werden können, basiert auf der eingehenden Untersuchung der Eigenschaften bandförmiger supraleitender (Bi, Pb)2223-Drähte und bandförmiger supraleitender RE123-Drähte und der Kombination der Merkmale dieser Drähte. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung beschrieben.
Die vorliegende Erfindung ist eine supraleitende Spule mit einer flachen Gestalt, die durch Wickeln eines supraleitenden Leiters gebildet wird, der durch elektrisches Verbinden eines bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes in Reihe hergestellt wird, dergestalt, daß der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht im Außenumfangsteil angeordnet ist, während der bandförmige supraleitende RE123-Draht im Innenumfangsteil angeordnet ist.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die Breite des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und die Breite des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes vorzugsweise gleich.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der bandförmige supraleitende RE123-Draht vorzugsweise so gestaltet, daß ein Leiter, der durch elektrisches Verbinden des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes in Reihe hergestellt wird, so gewickelt ist, daß der Wicklungsdurchmesser des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes den gesamten Innenumfangsteil enthält, der kleiner als der zulässige Biegedurchmesser des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes ist.
Außerdem ist der supraleitende Leiter der vorliegenden Erfindung ein supraleitender Leiter, der in jeder der oben angesprochenen supraleitenden Spulen verwendet wird.
VORTEILHAFTE WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine kostengünstige supraleitende Spule, in der ein starkes Magnetfeld bei vergleichsweise hoher Temperatur erzeugt werden kann, realisiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die schematisch eine Struktur des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes zeigt.
2 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die schematisch eine Struktur des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes zeigt.
3 ist ein Diagramm, das temperaturkritische Stromeigenschaften eines supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines supraleitenden RE123-Drahtes in einem Magnetfeld zeigt.
4 ist ein Schaubild, das ein Beispiel eines typischen supraleitenden Magneten zeigt.
5 ist ein Schaubild, das eine Magnetfeldstärkeverteilung in dem Querschnitt A-A' von 4 in dem Fall zeigt, wo ein elektrischer Strom in die supraleitenden Spulen eingespeist wird.
6 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die schematisch die Struktur einer supraleitenden Spule der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Schaubild, das eine Magnetfeldstärkeverteilung an einer Position zeigt, die dem Querschnitt A-A' von 4 mit Bezug auf einen supraleitenden Magneten, der aus sieben supraleitenden Spulen besteht, entspricht.
8 ist ein Diagramm, das magnetfeldkritische Stromeigenschaften eines supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines supraleitenden RE123-Dünnfilmdrahtes bei einer Temperatur von 30 K zeigt.

11: supraleitender Oxiddraht
12: supraleitendes Oxidfilament
13: Mantelabschnitt
20: bandförmiger supraleitender RE123-Draht
21: texturiertes Metallsubstrat
22: Pufferschicht
23: supraleitende Dünnfilmschicht
24: Stabilisierungsschicht
25, 26: Schutzschicht
41: supraleitende Spule
42: Anschluß
43: Dauerstromschalter
71, 72, 73, 74, 75, 76, 77: supraleitende Spule

BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Dimensionsverhältnisse in den Zeichnungen stimmen nicht immer mit denen in der Beschreibung überein.
AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die schematisch eine Struktur des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes zeigt. Unter Bezug auf 1 wird der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht, der eine Anzahl von Filamenten aufweist, erläutert. Ein bandförmiger supraleitender (Bi, Pb)2223-Draht 11 hat mehrere (Bi, Pb)2223-Supraleiterfilamente 12, die in einer Längsrichtung verlaufen, und einen Mantelabschnitt 13, der sie bedeckt. Das Material des Mantelabschnitts 13 besteht zum Beispiel aus Metall, wie zum Beispiel Silber und Silberlegierung.
2 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die schematisch eine Struktur des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes zeigt. Unter Bezug auf 2 wird ein typischer bandförmiger supraleitender RE123-Draht erläutert. Ein bandförmiger supraleitender RE123-Draht 20 umfaßt ein texturiertes Metallsubstrat 21 als das Substrat, eine Pufferschicht 22, die auf dem texturierten Metallsubstrat 21 ausgebildet ist, eine supraleitende Dünnfilmschicht 23, die auf der Pufferschicht 22 ausgebildet ist, eine Stabilisierungsschicht 24 zum Schutz der supraleitenden Dünnfilmschicht 23 und Schutzschichten 25, 26 zum Schutz des Ganzen und zum Verbessern der Leitfähigkeit.
Das texturierte Metallsubstrat 21 kann zum Beispiel ein texturiertes Ni-Substrat, ein texturiertes Ni-Legierungs-Substrat oder dergleichen sein. Die Pufferschicht 20 kann zum Beispiel aus einem Oxid bestehen, wie zum Beispiel CeO₂ oder YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid). Für die supraleitende Dünnfilmschicht 23 kann zum Beispiel ein RE123-basiertes supraleitendes Material wie zum Beispiel HoBa₂Cu₃O_x (x ist eine Zahl nahe 7) gewählt werden. Die Stabilisierungsschicht 24 und die Schutzschichten 25 und 26 können aus Ag (Silber) oder Cu (Kupfer) hergestellt sein.
3 ist ein Diagramm, das temperaturkritische Stromeigenschaften eines bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes in einem Magnetfeld zeigt. In der Fig. ist die Veränderung des kritischen Stromwertes (Ic(3 T)/Ic(77 K, 0 T)) in dem Fall aufgetragen, wo ein Magnetfeld von 3 T parallel zu den jeweiligen Bandebenen anliegt, wobei der kritische Stromwert in dem Null-Magnetfeld bei einer Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) 1 ist. Wenn zum Beispiel der kritische Stromwert bei den 77 K und dem Null-Magnetfeld 100 A ist, und wenn ein aufgetragener Punkt bei einer Position von 2 auf der Ordinate liegt, so zeigt das die Tatsache, daß ein kritischer Strom von 200 A bei der Temperatur in dem Magnetfeld von 3 T fließt.
In beiden supraleitenden Drähten steigt der kritische Stromwert in dem Maße, wie die Temperatur sinkt; jedoch ist der Anstieg des kritischen Stromwertes des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes größer. Außerdem wird im Fall des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes der kritische Stromwert bei 50 bis 60 K im wesentlichen zu 0. Es ist zu erkennen, daß der bandförmige supraleitende RE123-Draht eine überragende Kennlinie für den kritischen Strom in dem Magnetfeld hat.
Wenn zum Beispiel versucht wird, eine supraleitende Spule herzustellen, bei der ein Magnetfeld von 3 T bei einer Arbeitstemperatur von 60 K parallel zu der Bandebene anliegt, so kann das nicht erreicht werden, wenn der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht verwendet wird, weil der kritische Stromwert unter den oben angesprochenen Bedingungen 0 ist. Andererseits kann mit dem bandförmigen supraleitenden RE123-Draht die oben angesprochene supraleitende Spule hergestellt werden, weil der supraleitende RE123-Draht unter den gleichen Bedingungen eine finite kritische Temperatur hat.
Außerdem ist es bei einer Temperatur von 50 K oder weniger mit dem bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht möglich, eine supraleitende Spule herzustellen, die die gleiche ist wie die, die oben beschrieben wurde (das Magnetfeld von 3 T liegt parallel zu der Bandebene an). Natürlich kann sie auch mit dem bandförmigen supraleitenden RE123-Draht hergestellt werden. Wenn eine Spule mit dem bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht hergestellt wird, der in der Lage ist, einen kleinen elektrischen Strom fließen zu lassen, so muß die Windungsanzahl erhöht werden, weil ein erzeugtes Magnetfeld von dem Produkt des fließenden elektrischen Stroms und der Zahl der Windungen abhängt. Das hat eine Vergrößerung des Außendurchmessers der Spule zur Folge. In einem solchen Fall muß eine Kühlanlage, die zum Kühlen der Spule, die einen solchen großen Durchmesser aufweist, verwendet wird, eine hohe Kühlleistung besitzen.
Außerdem hat, wenn man den bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht und den bandförmigen supraleitenden RE123-Draht miteinander vergleicht, der bandförmige supraleitende RE123-Draht zusätzlich zu der Supraleitfähigkeit im Magnetfeld die folgenden Vorteile. Ein Vorteil ist, daß er weniger dazu neigt, den kritischen Stromwert zu verringern, wenn er mit einer engeren Krümmung gebogen wird. Mit anderen Worten: er gestattet einen kleineren Wicklungsdurchmesser. Ein weiterer Vorteil ist, daß er eine höhere Festigkeit gegen von außen wirkende Zugkräfte besitzt. In einer supraleitenden Spule wirkt auf den supraleitenden Draht aufgrund der elektromagnetischen Kraft eine Umreifungskraft (Zugkraft). Wenn diese Umreifungskraft groß ist, so kann der supraleitende Teil des Drahtes gelegentlich zerstört werden. Im Fall des bandförmigen supraleitenden RE123- Drahtes fungiert das texturierte Metallsubstrat 21 auch als ein Verstärkungsmaterial, weshalb er einer großen Zugkraft widerstehen kann.
Es ist möglich, eine supraleitende Hochleistungsspule mit dem bandförmigen supraleitenden RE123-Draht herzustellen, der ein gutes Verhalten in dem Magnetfeld aufweist. Jedoch ist es, wie oben beschrieben, schwierig, einen langen gleichmäßigen Draht zu formen, der zum Herstellen einer Spule aus einem einzigen Stück geeignet ist, weil der Prozeß der Fertigung des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes kompliziert und empfindlich ist. Außerdem sind die Kosten des Drahtes aufgrund der geringen Produktionsausbeute im Allgemeinen hoch.
Andererseits hat der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht auch einen Vorteil. Weil der gesamte Draht mit Silber oder Silberlegierung mit einer guten Wärmeleitfähigkeit überzogen ist, kann die Kühlung im Vergleich zu dem bandförmigen supraleitenden RE123-Draht auf einfache Weise bewerkstelligt werden.
Darum wird bei der vorliegenden Erfindung eine supraleitende Spule in der Weise hergestellt, daß man den bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht und den bandförmigen supraleitenden RE123-Draht in Reihe als einen supraleitenden Leiter elektrisch verbindet, wobei man ihre jeweiligen Vorteile ausnutzt.
4 ist ein Schaubild, das ein Beispiel eines typischen supraleitenden Magneten zeigt. Eine supraleitende Spule 41 wird hergestellt, indem man einen supraleitenden Draht in einer flachen Gestalt wickelt. Die auf diese Weise hergestellten supraleitenden Spulen 41 werden elektrisch so angeschlossen, wie es für den vorgesehenen Verwendungszweck erforderlich ist. Wenn ein elektrischer Strom von einem Anschluß 42 in die supraleitenden Spulen 41 eingespeist wird, so entsteht ein Magnetfeld in diesen Spulen. Wenn die Anschlüsse 42 über einen Dauerstromschalter 43, der aus einem supraleitenden Oxiddraht besteht, miteinander verbunden werden und eine Erregung auf das Zielmagnetfeld durchgeführt wird und danach der Dauerstromschalter 43 eingeschaltet wird, so fließt außerdem ein elektrischer Dauerstrom in der Schleife der supraleitenden Spule 41 – des Dauerstromschalters 43.
5 ist ein Schaubild, das eine Magnetfeldstärkeverteilung in dem Querschnitt A-A' von 4 in dem Fall zeigt, wo ein elektrischer Strom in die supraleitenden Spulen eingespeist wird. 5 zeigt die Magnetfeldstärkeverteilung durch Konturlinien. In 5 ist Punkt X die vertikale Mittenposition auf der Innenseite des Magneten, und Punkt X' ist die vertikale Mittenposition auf der Außenseite des Magneten. Punkt A und Punkt A' zeigen die oberen Enden auf der Innen- bzw. der Außenseite des Magneten. Die in 5 gezeigte Magnetfeldintensität ist ein Magnetfeld in der Richtung, die durch die durchgezogene Pfeillinie angedeutet ist. Dies bedeutet, daß das Magnetfeld parallel zu der Bandebene der Drähte verläuft, die zu einer flachen Gestalt gewickelt sind.
An einer Position nahe dem Mittelpunkt (Punkt X) auf der Innenseite des Magneten wird, wenn das Zielmagnetfeld zum Beispiel 3 T ist, 3 T erzeugt. In 5 nimmt die Magnetfeldintensität vom Punkt X in Richtung des Punktes X' so ab, daß sie zum Beispiel 2 T bei X1 beträgt, 1 T bei X2 beträgt und 0,5 T oder weniger an einem Punkt außerhalb X3 beträgt. Des Weiteren nimmt die Magnetfeldintensität von der Innenseite in Richtung der Außenseite in der vertikalen Richtung ab. Wie aus 5 zu erkennen ist, ist es klar, daß das Magnetfeld an der Innenseite auf jeder Höhe des Magneten stärker ist. In einer Spule auf derselben Höhe liegt das stärkere Magnetfeld am inneren Teil des Magneten an, und das schwächere Magnetfeld liegt am äußeren Teil des Magneten an.
Darum wird eine supraleitende Spule der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Leiters hergestellt, der durch elektrisches Verbinden des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes und des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes in Reihe in einer solchen Weise gebildet wird, daß der erstere am inneren Teil positioniert wird, wo das Magnetfeld stärker ist, während der letztere am äußere Teil positioniert wird, wo das Magnetfeld schwächer ist.
6 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die schematisch die Struktur einer supraleitenden Spule der vorliegenden Erfindung zeigt. Es ist eine supraleitende Spule mit einer flachen Gestalt, in der ein bandförmiger supraleitender RE123-Draht und ein bandförmiger supraleitender (Bi, Pb)2223-Draht dergestalt in Reihe verbunden sind, daß der bandförmige supraleitende RE123- Draht auf der Innenseite (Teil B in 6) der supraleitenden Spule gewickelt ist, während der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht auf der Außenseite (Teil C in 6) der supraleitenden Spule gewickelt ist.
Es ist möglich, gemäß den Betriebsbedingungen (Temperatur und Magnetfeld) nach Bedarf den Betrag einzustellen, in dem der bandförmige supraleitende RE123-Draht der Innenseite der supraleitenden Spule zugeordnet ist. Um zum Beispiel eine supraleitende Spule herzustellen, die ein starkes Magnetfeld bei niedriger Arbeitstemperatur erzeugt, kann der bandförmige supraleitende RE123-Draht in einem Innenumfangsteil angeordnet werden, der weniger als die Hälfte in der radialen Richtung beansprucht, während im Fall einer hohen Arbeitstemperatur der bandförmige supraleitende RE123-Draht an einem Innenumfangsteil angeordnet werden kann, der mehr als die Hälfte in der radialen Richtung beansprucht.
Im Folgenden wird ein Beispiel erläutert, wo ein supraleitender Magnet mit der in 5 gezeigten Magnetfeldverteilung aus sieben flachen Spulen hergestellt wird. 7 ist ein Schaubild, das eine Magnetfeldstärkeverteilung bei einer Position, die dem Querschnitt A-A' von 4 entspricht, mit Bezug auf einen supraleitenden Magneten zeigt, der aus sieben supraleitenden Spulen gebildet ist. Das erzeugte Magnetfeld am Mittelpunkt (Punkt X) ist 3 T. Der in 7 gezeigte Magnet besteht aus sieben supraleitenden Spulen 71, 72, 73, 74, 75, 76 und 77. Die Strichlinien in 7 bezeichnen die Grenzen einer jeden der supraleitenden Spulen 71, 72, 73, 74, 75, 76 und 77. Die supraleitenden Spulen 71, 72, 73, 74, 75, 76 und 77 sind elektrisch in Reihe verbunden, und ein elektrischer Strom mit einem identischen Wert fließt durch jede von ihnen. Dieser supraleitende Magnet wird betrieben, während seine Temperatur bei 30 K gehalten wird. In der supraleitenden Spule 74, die in der Mitte angeordnet ist, betragen die erzeugten Magnetfelder: 3 T bei Punkt X; 3 T bis 1 T bei Punkt X bis Punkt X2; und 1 T oder weniger außerhalb von Punkt X2.
8 ist ein Diagramm, das magnetfeldkritische Stromeigenschaften eines supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines supraleitenden RE123-Dünnfilmdrahtes bei einer Temperatur von 30 K zeigt. In 8, wie in 3, wo der kritische Stromwert in dem Null-Magnetfeld bei einer Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) 1 ist, ist die Veränderung des kritischen Stromwertes (Ic(30 K)/Ic(77 K, 0 T)) in dem Fall aufgetragen, wo ein Magnetfeld von 3 T parallel zu den jeweiligen Bandebenen anliegt.
Wenn der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht und der bandförmige supraleitende RE123-Draht, die den gleichen kritischen Stromwert im 77 K- und Null-Magnetfeld aufweisen, verwendet werden, so ist, wie anhand der magnetfeldkritischen Stromeigenschaften in 8 zu erkennen ist, der kritische Stromwert bei einer Temperatur von 30 K für den supraleitenden RE123-Draht, der in einem Magnetfeld von 3 T angeordnet ist, das parallel zur der Bandebene anliegt, und den supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht, der in einem Magnetfeld von 1 T angeordnet ist, das parallel zu der Bandebene anliegt, im wesentlichen gleich. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß der Punkt von Ic(30 K)/Ic(77 K, 0 T)) = 2,8 in der Nähe von 1 T im Fall des (Bi, Pb)2223 und in der Nähe von 3 T im Fall des RE123 liegt, wie durch eine durchbrochene Linie in 8 gezeigt.
Die supraleitende Spule 74, die solche Bedingungen aufweist, wie sie oben beschrieben wurden, wird hergestellt, indem der bandförmige supraleitende RE123-Draht in dem Bereich innerhalb von Punkt X2 angeordnet wird und der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht in dem Bereich außerhalb von Punkt X2 angeordnet wird. Der Wert eines elektrischen Stroms, der in einen supraleitenden Draht eingespeist werden kann, wird an einem Teil ermittelt, der sich im stärksten Magnetfeld befindet. Der kritische Stromwert des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes ist am Punkt X am niedrigsten, und der kritische Stromwert des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes ist am Punkt X2 am niedrigsten. Somit hat der bandförmige supraleitende RE123-Draht in dem Bereich außerhalb jener Punkte, das heißt in der Region X-X2, einen kritischen Stromwert oberhalb des Wertes von Punkt X, und in der Region X2-X' hat der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht einen kritischen Stromwert oberhalb des Wertes von Punkt X2. Darum kann ein elektrischer Strom (zum Erzeugen eines Magnetfeldes von 3 T im mittleren Teil des Magneten), der unterhalb des kritischen Stromwertes von Punkt X oder Punkt X2 liegt, fließen, der die supraleitende Spule 74 im supraleitenden Zustand hält.
Aus der in 7 gezeigten Magnetfeldverteilung ergibt sich, daß die anderen supraleitenden Spulen 71, 72, 73, 75, 76 und 77 hergestellt werden können, indem der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht in einem Bereich außerhalb des Punktes X2 angeordnet wird, wie oben beschrieben, da der elektrische Strom fließt, welcher der gleiche ist wie der elektrische Strom, der in die supraleitende Spule 74 eingespeist wird.
Wenn eine supraleitende Spule, die einer Magnetfeldverteilung wie die supraleitende Spule 74 ausgesetzt werden soll, allein unter Verwendung des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes hergestellt wird, so kann sie nicht bei einer Temperatur von 30 K betrieben werden, und sie muß auf etwa 20 K gekühlt werden. Ebenso kann eine ähnliche supraleitende Spule, die allein unter Verwendung des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes hergestellt wird, bei einer Temperatur von 30 K arbeiten. Jedoch ist eine solche Spule aufgrund der hohen Kosten des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes teuer. Darum ist es bei Verwendung des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes und des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes in Kombination wie bei der vorliegenden Erfindung möglich, eine kostengünstige supraleitende Spule herzustellen, die bei vergleichsweise hoher Temperatur arbeiten kann. Darüber hinaus kann eine solche Spule effizient gekühlt werden, weil der äußere Teil, der ein größeres Volumen aufweist, durch den bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gebildet wird.
In dem oben angesprochenen Fall werden supraleitende Drähte verwendet, die einen identischen kritischen Stromwert des 77 K- und Null-Magnetfeldes aufweisen. Es ist jedoch möglich, Drähte zu verwenden, die unterschiedliche kritische Stromwerte des 77 K- und Null-Magnetfeldes aufweisen. In einem solchen Fall ist es möglich, verschiedene Anordnungen der Drähte zu verwenden. Zum Beispiel kann in einem Fall, wo der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht einen größeren kritischen Stromwert des 77 K- und Null-Magnetfeldes als der bandförmige supraleitende RE123-Draht hat, der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht an einem inneren Teil jenseits des Punktes X2 in 7 angeordnet werden. In jeder Variation der Anordnung ist der bandförmige supraleitende RE123-Draht immer auf der Innenseite der supraleitenden Spule angeordnet.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die Breite des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und die Breite des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes vorzugsweise gleich. Wenn ein supraleitender Magnet durch Übereinanderlegen flacher Spulen hergestellt wird, so werden im Allgemeinen Kühlplatten aus Metall zwischen benachbarten Flachspulen angeordnet, um die Temperatur von der Kühleinrichtung zu jedem Intervall zwischen den Flachspulen zu übertragen. Wenn eine Spule durch Kombinieren eines bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes hergestellt wird, die unterschiedliche Breiten aufweisen, so hat die Spule eine Gestalt, die Unregelmäßigkeiten im Höhenniveau der Unterseite aufweist, wobei das Höhenniveau der Innenseitenposition nicht mit dem Höhenniveau der Außenseitenposition übereinstimmt. In einem solchen Fall ist es zum Kühlen einer solchen Spule erforderlich, eine Kühlplatte mit einer stufenförmigen Oberfläche entsprechend dem Höhenunterschied herzustellen, so daß die Struktur kompliziert wird.
Des Weiteren wird eine supraleitende Spule bevorzugt in der Weise hergestellt, daß man einen Leiter, der aus einem bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht und einem bandförmigen supraleitenden RE123-Draht, die elektrisch in Reihe verbunden sind, gebildet ist, so wickelt, daß der Wicklungsdurchmesser des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes den gesamten Innenumfangsteil innerhalb des Bereichs enthält, der kleiner als der zulässige Biegedurchmesser des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes ist.
Der kritische Stromwert nimmt ab, wenn ein Draht mit einem kleinen Wicklungsdurchmesser gewickelt wird, unabhängig davon, ob es sich um einen bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht oder einen bandförmigen supraleitenden RE123-Draht handelt. Im vorliegenden Text meint der Begriff ”zulässiger Biegedurchmesser” einen Wicklungsdurchmesser, der weniger als 95% des anfänglichen kritischen Stromwertes aufweist, wenn ein Draht in einer Richtung senkrecht zur Bandebene gewickelt wird. Der zulässige Biegedurchmesser des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes mit einer Dicke von etwa 0,25 mm, der allgemein verwendet wird, ist etwa 70 mm. Gleichermaßen ist der zulässige Biegedurchmesser des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes mit einer Dicke von etwa 0,1 mm, der allgemein verwendet wird, etwa 10 mm.
In einem Fall, wo ein sehr starkes Magnetfeld erzeugt werden soll, wird eine supraleitende Spule durch eine erhöhte Zahl von Windungen mit einem kleineren Wicklungsdurchmesser hergestellt, mit der Maßgabe, daß der Betrieb bei etwa der Temperatur von flüssigem Helium stattfindet. Um zum Beispiel eine supraleitende Spule herzustellen, bei der der Durchmesser des Raumes des zu erzeugenden Magnetfeldes etwa 20 mm beträgt, ist der Durchmesser des Innenumfangsteils einer solchen supraleitenden Spule kleiner als der oben angesprochene zulässige Biegedurchmesser des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes mit einer Dicke von etwa 0,25 mm, weshalb es unmöglich ist, den bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Draht ohne Verschlechterung des kritischen Stromwertes anzuordnen.
In dem Fall, wo eine supraleitende Spule wie die oben angesprochene hergestellt wird, sollte der bandförmige supraleitende RE123-Draht den Innenumfangsteil innerhalb des Bereichs einnehmen, der kleiner als der zulässige Biegedurchmesser des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes ist, und der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht sollte den Außenumfangsteil davon einnehmen. Dadurch wird die Herstellung einer kostengünstigen supraleitenden Spule möglich, indem man den teuren bandförmigen supraleitenden RE123-Draht nur in dem erforderlichen Teil anordnet.
BEISPIEL
Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung ausführlicher anhand von Beispielen beschrieben.
BEISPIEL
Es wurden sechzig Stück des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes, die eine Breite von 4,3 ± 0,1 mm, eine Dicke von 0,24 ± 0,01 mm und eine Länge von 180 m aufwiesen, und sechzig Stück des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes, die eine Breite von 4,30 ± 0,05 mm, eine Dicke von 0,1 ± 0,002 mm und eine Länge von 40 m aufwiesen, hergestellt. Diese Drähte hatten einen kritischen Stromwert von 190 A bis 200 A bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff. Sechzig Stück Serienleiter wurden durch Verlöten einer Art dieser Drähte mit der anderen Art dieser Drähte an einem Ende jedes Stücks hergestellt.
Diese Serienleiter wurden mit einem Edelstahlband mit einer Dicke von 0,1 mm und einem Polyimidband mit einer Dicke von etwa 15 μm als eine Isolierschicht zwischen den einzelnen supraleitenden Schichten laminiert. Die auf diese Weise hergestellten Leiter wurden von der Seite des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes dergestalt um einen Wickelkern gewickelt, daß der bandförmige supraleitende RE123-Draht in dem Innenumfangsteil angeordnet war und der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht an dem Außenumfangsteil angeordnet war. Auf diese Weise wurden sechzig Flachspulen mit jeweils einem Innendurchmesser von 80 mm, einem Außendurchmesser von etwa 270 mm und einer Höhe von etwa 4,3 mm hergestellt.
Die auf diese Weise hergestellten 60 Flachspulen wurden übereinandergelegt, und die Intervalle der Spulen wurden miteinander verbunden. Die Flachspulen wurden jeweils elektrisch isoliert, indem eine glasfaserverstärkte Kunststofflage mit einer Dicke von 0,1 mm zwischen sie gelegt wurde. Kupferlagen wurden als eine Kühlplatte zwischen den Spulen und auf der Ober- und Unterseite des Spulenstapels angeordnet. Diese Kupferlagen wurden über einen wärmeleitfähigen Stab mit einem Kühlkopf einer Kühleinrichtung so verbunden, daß jede Spule gekühlt wurde. Der Stapel aus supraleitenden Spulen wurde in ein isoliertes Vakuumgefäß gelegt. Es war möglich, die Temperatur der gesamten supraleitenden Spulen durch Justieren der Ausgangsleistung der Kühleinrichtung beliebig auf etwa 10 K einzustellen.
Die Temperatur der gesamten supraleitenden Spulen kann durch Justieren der Ausgangsleistung der Kühleinrichtung beliebig auf etwa 10 K eingestellt werden.
VERGLEICHSBEISPIEL
Eine supraleitende Spule mit dem gleichen Innendurchmesser und der gleichen Höhe wie in dem Beispiel und einem Außendurchmesser von etwa 300 mm, so daß die gleiche Anzahl von Windungen wie in dem Beispiel vorhanden war, wurde allein unter Verwendung des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes hergestellt, der in dem Beispiel verwendet wurde, und ihre Kühlung erfolgt in der gleichen Weise wie in dem Beispiel.

Es wurden die Stromtransporteigenschaften der Spulen des Beispiels und des Vergleichsbeispiels, die auf verschiedene Temperaturen gekühlt wurden, untersucht. Das Testverfahren war wie folgt. Der fließende Strom, der in die supraleitenden Spulen eingespeist wurde, wurde zuvor auf null gesetzt, und die Ausgangsleistung der Kühleinrichtung für die supraleitenden Spulen wurde auf einen Gleichgewichtszustand (Anfangszustand) gesteuert, so daß es möglich war, die supraleitenden Spulen auf den jeweiligen Temperaturen zu halten. Aus dem Anfangszustand heraus wurde ein elektrischer Strom von 70 A oder 100 A fünf Minuten lang in die supraleitenden Spulen eingespeist. Das in den supraleitenden Spulen erzeugte Magnetfeld änderte sich entsprechend dem Betrag des fließenden Stroms. Eine Spannung, die durch die Temperatur, das Magnetfeld und den elektrischen Strom bestimmt wurde, entstand in den supraleitenden Spulen. Die Temperatur der supraleitenden Spulen änderte sich entsprechend der Wärme, die durch die Spannung erzeugt wurde, die in den supraleitenden Spulen entstand. Die Temperaturveränderungen wurden gemessen. Die Position der Temperaturmessung war der Innenumfangsteil der Oberseite des Stapels aus supraleitenden Spulen. Die Ergebnisse des Stromtransporteigenschaftstests sind in der Tabelle gezeigt. Die in der Tabelle gezeigten Magnetfelder sind Werte am Mittelpunkt der supraleitenden Spulen. Tabelle

	Temperatur 10 K		Temperatur 20 K		Temperatur 30 K		Temperatur 40 K
	fließender Strom/zentrales Magnetfeld		fließender Strom/zentrales Magnetfeld		fließender Strom/zentrales Magnetfeld		fließender Strom/zentrales Magnetfeld
	70 A/6 T	100 A/9 T	70 A/6 T	100 A/9 T	70 A/6 T	100 A/ 9 T	70 A/6 T
Beispiel	10 K	10 K	21 K	22 K	31 K	32 K	42 K
Vergleichsbeispiel	10 K	11 K	22 K	23 K	32 K	40 K	53 K

Es gab nur eine geringe Temperaturerhöhung sowohl in dem Beispiel als auch in dem Vergleichsbeispiel mit Bezug auf die Energiebeaufschlagung durch 70 A oder 100 A bei Temperaturen von 10 K und 20 K. Mit anderen Worten: da die Temperatur niedrig war, war der kritische Stromwert für beide Drähte ausreichend hoch. Dementsprechend war der Arbeitsstrom im Vergleich zu dem kritischen Stromwert ausreichend klein, und folglich waren die erzeugte Spannung und die dadurch entstandene Wärme gering. Wenn die supraleitenden Spulen auf eine Temperatur von 20 K oder weniger gekühlt werden, so ist es möglich, ein Magnetfeld von etwa 24 T selbst in dem Fall zu erzeugen, wo nur der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht verwendet wird.
Andererseits war bei einer Temperatur von 30 K oder mehr der Temperaturanstieg in dem Beispiel geringer als in dem Vergleichsbeispiel. Das lag daran, daß der kritische Stromwert des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes in dem Magnetfeld abnimmt, und folglich war der Arbeitsstrom im wesentlichen gleich oder höher als der kritische Stromwert, was zur Entstehung einer hohen Spannung führte, wodurch Wärme erzeugt wurde. Darum versteht es sich, daß zur Verwendung bei einer vergleichsweise hohen Temperatur wie zum Beispiel 30 K oder 40 K vorzugsweise eine supraleitende Spule unter Verwendung eines Leiters gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden sollte.
Es ist zu beachten, daß die im vorliegenden Text offenbarten Ausführungsformen und Beispiele in allen Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Es ist beabsichtigt, daß der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung nicht durch die obige Beschreibung definiert wird, sondern durch die Ansprüche und daß Äquivalente und Modifikationen innerhalb des Geltungsbereichs der Ansprüche liegen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung eine supraleitende Spule bereitstellen, die in der Lage ist, ein starkes Magnetfeld bei vergleichsweise hoher Betriebstemperatur zu erzeugen.
Zusammenfassung
Es wird eine kostengünstige supraleitende Spule bereitgestellt, die ein starkes Magnetfeld bei vergleichsweise hoher Temperatur erzeugen kann. Die supraleitende Spule wird in einer flachen Gestalt hergestellt, indem ein supraleitender Leiter, der durch elektrisches Verbinden eines bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes in Reihe gebildet wird, dergestalt gewickelt wird, daß der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht in dem Außenumfangsteil angeordnet ist und der bandförmige supraleitende RE123-Draht in dem Innenumfangsteil angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 10-104911 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- SEI Technical Review Nr. 169, Ausgabe vom Juli 2006, Seiten 103–108 [0005]
- SEI Technical Review Nr. 169, Ausgabe vom Juli 2006, Seiten 109–112 [0005]

Claims

Flache supraleitende Spule, die durch Wickeln eines supraleitenden Leiters hergestellt wird, der durch elektrisches Verbinden eines bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und eines bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes in Reihe gebildet wird, wobei der bandförmige supraleitende (Bi, Pb)2223-Draht in dem Außenumfangsteil angeordnet ist und der bandförmige supraleitende RE123-Draht in dem Innenumfangsteil angeordnet ist.
Supraleitende Spule nach Anspruch 1, wobei die Breite des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes und die Breite des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes gleich sind.
Supraleitende Spule nach Anspruch 1 oder 2, wobei der bandförmige supraleitende RE123-Draht so angeordnet ist, daß der Wicklungsdurchmesser des bandförmigen supraleitenden RE123-Drahtes den gesamten Innenumfangsteil enthält, der innerhalb des Bereichs liegt, der kleiner als der zulässige Biegedurchmesser des bandförmigen supraleitenden (Bi, Pb)2223-Drahtes ist.
Supraleitender Leiter, der in einer Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 3 verwendet wird.