DE112012002309T5

DE112012002309T5 - Supraleitende Spule, supraleitender Magnet und Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule

Info

Publication number: DE112012002309T5
Application number: DE112012002309.9T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kato; Eisaku Ueno
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2014-03-27
Also published as: WO2012165085A9; WO2012165085A1; JP2012248727A; KR101867122B1; US20140031235A1; CN103563017B; KR20140043404A; CN103563017A; JP5879749B2; US9171660B2

Abstract

Ein Innenumfangsabschnitt wird durch Wickeln eines ersten oder eines zweiten supraleitenden Drahtes (11, 12), die jeweils eine Bandform haben, gebildet. Ein Außenumfangsabschnitt wird durch Wickeln des anderen des ersten und des zweiten supraleitenden Drahtes (11, 12) um den Innenumfangsabschnitt gebildet. Ein Schweißabschnitt (74) verbindet den ersten und den zweiten supraleitenden Draht (11, 12) durch Verschweißen zwischen dem Innenumfangsabschnitt und dem Außenumfangsabschnitt miteinander. Der erste supraleitende Draht (11) hat eine höhere Festigkeit als der zweite supraleitende Draht (12). Der zweite supraleitende Draht (12) hat eine geringere Dicke als der erste supraleitende Draht (11).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Spule, einen supraleitenden Magneten und ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule.
STAND DER TECHNIK
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2008-153372 offenbart eine supraleitende Spule, die durch Wickeln eines Wismut-basierten bandförmigen supraleitenden Drahtes gebildet wird. Der supraleitende Draht wird zu einer Rennbahnform mit einem geraden Abschnitt und einen bogenförmigen Abschnitt gewickelt.
ZITIERUNGSLISTE
PATENTDOKUMENT

PTD 1: japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2008-153372

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG TECHNISCHES PROBLEM
Wenn während der Herstellung oder Verwendung einer supraleitenden Spule übermäßige mechanische Spannungen auf einen supraleitenden Draht einwirken, so wird der supraleitende Draht beschädigt, und die Zuverlässigkeit der supraleitenden Spule kann darunter leiden. Zum Beispiel ist beim Wickeln eines supraleitenden Drahtes um einen Kern während der Herstellung einer supraleitenden Spule ein Abschnitt des Wicklungsanfangs, das heißt, ein Innenumfangsabschnitt, beschädigungsanfällig, weil er einen kleineren Krümmungsradius hat als ein Abschnitt am Wicklungsende. Um eine solche Beschädigung zu vermeiden, sollte die Festigkeit des supraleitenden Drahtes lediglich durch Vergrößern seiner Dicke erhöht werden. Normalerweise sollte eine supraleitende Spule jedoch eine vorgeschriebene Anzahl von Windungen haben, und in diesem Fall führt eine größere Dicke eines supraleitenden Drahtes zu einer Vergrößerung einer supraleitenden Spule. Das heißt, bei einer supraleitenden Spule mit einer vorgeschriebenen Anzahl von Windungen muss zwischen der Zuverlässigkeit einer supraleitenden Spule und ihrer Verkleinerung immer ein Kompromiss getroffen werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darum die Bereitstellung einer supraleitenden Spule, eines supraleitenden Magneten und eines Verfahrens zur Herstellung einer supraleitenden Spule, womit eine Verkleinerung erreicht werden kann, während gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit in einer supraleitenden Spule mit einer vorgeschriebenen Anzahl von Windungen gewährleistet wird.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine supraleitende Spule gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Oxidsupraleiter und einen Innenumfangsabschnitt, einen Außenumfangsabschnitt und einen Schweißabschnitt auf. Der Innenumfangsabschnitt wird durch Wickeln eines ersten oder eines zweiten supraleitenden Drahtes, die jeweils eine Bandform haben, ausgebildet. Der Außenumfangsabschnitt wird durch Wickeln des anderen des ersten und des zweiten supraleitenden Drahtes um den Innenumfangsabschnitt ausgebildet. Der Schweißabschnitt verbindet den ersten und den zweiten supraleitenden Draht durch Verschweißen zwischen dem Innenumfangsabschnitt und dem Außenumfangsabschnitt miteinander. Der erste supraleitende Draht hat eine höhere Festigkeit als der zweite supraleitende Draht. Der zweite supraleitende Draht hat eine geringere Dicke als der erste supraleitende Draht.
Gemäß der supraleitenden Spule der vorliegenden Erfindung kann vom Innenumfangsabschnitt und vom Außenumfangsabschnitt derjenige, der eine höhere Festigkeit erfordert, aus dem ersten supraleitenden Draht gebildet werden, während derjenige, der eine geringere Festigkeit erfordert, aus dem zweiten supraleitenden Draht gebildet werden kann. Insbesondere kann ein Abschnitt, der eine höhere Festigkeit erfordert, aus einem supraleitenden Draht von höherer Festigkeit gebildet werden, während ein Abschnitt, der eine geringere Festigkeit erfordert, aus einem supraleitenden Draht von geringerer Dicke gebildet werden kann. Darum kann eine supraleitende Spule mit einer vorgeschriebenen Anzahl von Windungen verkleinert werden, während gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet wird.
Der Innenumfangsabschnitt kann durch Wickeln des ersten supraleitenden Drahtes gebildet werden. Außerdem kann der Außenumfangsabschnitt durch Wickeln des zweiten supraleitenden Drahtes gebildet werden.
Somit wird der Innenumfangsabschnitt, der mit einem kleineren Krümmungsdurchmesser gewickelt ist als der Außenumfangsabschnitt, aus einem supraleitenden Draht mit höherer Festigkeit gebildet. Darum kann eine Beschädigung eines supraleitenden Drahtes infolge eines kleinen Krümmungsdurchmessers vermieden werden.
Der erste und der zweite supraleitende Draht, die durch den Schweißabschnitt miteinander verbunden werden, können zu einer Rennbahnform mit einem geraden Abschnitt und einem gekrümmten Abschnitt gewickelt werden. Außerdem kann mindestens ein Teil des Schweißabschnitts an dem gekrümmten Abschnitt angeordnet werden.
Somit wird während der Herstellung der supraleitenden Spule mindestens ein Teil des Schweißabschnitts an dem gekrümmten Abschnitt angeordnet, so dass eine straffere Wicklung erreicht wird. Daher besteht, weil eine Position des Schweißabschnitts stabilisiert wird, weniger Gefahr, dass sich der Schweißabschnitt während des Wickelns verschiebt. Somit kann eine Beschädigung des zweiten supraleitenden Drahtes, das heißt eines supraleitenden Drahtes mit geringerer Dicke, an einem Endabschnitt des Schweißabschnitts infolge einer Verschiebung des Schweißabschnitts verhindert werden.
Der Schweißabschnitt braucht lediglich an dem gekrümmten Abschnitt angeordnet zu sein.
Wenn sich der Schweißabschnitt über den geraden Abschnitt und den gekrümmten Abschnitt erstreckt, so besteht weniger Gefahr, dass sich ein Abschnitt des Schweißabschnitts, der an dem gekrümmten Abschnitt angeordnet ist, in der oben beschriebenen Weise verschiebt, während bei einem Abschnitt, der an dem geraden Abschnitt angeordnet ist, die Gefahr des Verrutschens besteht. Folglich ist es wahrscheinlich, dass der Schweißabschnitt an einer Grenze zwischen dem geraden Abschnitt und dem gekrümmten Abschnitt an Qualität einbüßt. Eine solche Qualitätseinbuße kann verhindert werden, indem man den Schweißabschnitt nur an dem gekrümmten Abschnitt anordnet.
Bei der oben beschriebenen supraleitenden Spule kann der Schweißabschnitt eine Länge von mindestens 2 cm haben.
Somit kann der Schweißabschnitt einen elektrischen Widerstand von einem Wert haben, der im Hinblick auf die praktische Verwendbarkeit hinreichend niedrig ist.
Bei der oben beschriebenen supraleitenden Spule kann ein Höhenunterschied zwischen dem Innenumfangsabschnitt und dem Außenumfangsabschnitt bestehen, weil eine Breite der Bandform des ersten supraleitenden Drahtes größer ist als eine Breite der Bandform des zweiten supraleitenden Drahtes. In diesem Fall kann die supraleitende Spule einen Abstandshalterabschnitt haben, der den Höhenunterschied vergräbt.
Somit kann eine Lücke, die durch den Höhenunterschied zwischen dem Innenumfangsabschnitt und dem Außenumfangsabschnitt entsteht, vergraben werden. Darum kann eine Verschlechterung der Wärmeleitung infolge dieser Lücke vermieden werden.
Ein supraleitender Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung hat die oben beschriebene supraleitende Spule, einen wärmeisolierenden Behälter und eine Stromversorgung. Der wärmeisolierende Behälter nimmt die supraleitende Spule auf. Die Stromversorgung ist mit der supraleitenden Spule verbunden.
Gemäß dem supraleitenden Magneten der vorliegenden Erfindung kann von dem Innenumfangsabschnitt und dem Außenumfangsabschnitt der supraleitenden Spule derjenige, der eine höhere Festigkeit erfordert, aus dem ersten supraleitenden Draht gebildet werden, während einer, der eine geringere Festigkeit erfordert, aus dem zweiten supraleitenden Draht gebildet werden kann. Und zwar kann ein Abschnitt, der eine höhere Festigkeit erfordert, aus einem supraleitenden Draht von höherer Festigkeit gebildet werden, während ein Abschnitt, der eine geringere Festigkeit erfordert, aus einem supraleitenden Draht von geringerer Dicke gebildet werden kann. Darum kann bei einem supraleitenden Magneten mit einer supraleitenden Spule mit einer vorgeschriebenen Anzahl von Windungen die von der supraleitenden Spule verlangte Festigkeit gewährleistet werden, während gleichzeitig die Größe der supraleitenden Spule verringert werden kann, indem ein supraleitender Draht mit geringerer Dicke verwendet wird. Darum kann ein supraleitender Magnet verkleinert werden, während die Zuverlässigkeit des supraleitenden Magneten gewährleistet ist.
Ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule mit einem Oxidsupraleiter und umfasst die folgenden Schritte.
Ein Innenumfangsabschnitt wird durch Wickeln eines ersten oder eines zweiten supraleitenden Drahtes, die jeweils eine Bandform haben, gebildet. Nachdem der Innenumfangsabschnitt gebildet wurde, werden der erste und der zweite supraleitende Draht durch Schweißen miteinander verbunden. Nachdem der erste und der zweite supraleitende Draht miteinander verbunden wurden, wird ein Außenumfangsabschnitt gebildet, indem der andere des ersten und des zweiten supraleitenden Drahtes um den Innenumfangsabschnitt gewickelt wird. Der erste supraleitende Draht hat eine höhere Festigkeit als der zweite supraleitende Draht. Der zweite supraleitende Draht hat eine geringere Dicke als der erste supraleitende Draht.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule der vorliegenden Erfindung wird der Schweißabschnitt gebildet, nachdem der Innenumfangsabschnitt gebildet wurde. Darum kommt es während der Bildung des Innenumfangsabschnitts zu keiner Beschädigung eines supraleitenden Drahtes durch den Schweißabschnitt.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer supraleitenden Spule mit einer vorgeschriebenen Anzahl von Windungen eine Verkleinerung einer supraleitenden Spule erreicht werden, während eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Aufbau einer supraleitenden Spule in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1.
3 ist eine Grundrissansicht, die schematisch einen Abschnitt in der unmittelbaren Umgebung eines Schweißabschnitts zwischen einem ersten und einem zweiten supraleitenden Draht, die in der supraleitenden Spule in 1 verwendet werden, zeigt.
4 ist ein Schaubild einer schematischen zweidimensionalen Anordnung der supraleitenden Spule in 1.
5 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines ersten supraleitenden Drahtes, der in der supraleitenden Spule in 1 verwendet wird.
6 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines zweiten supraleitenden Drahtes, der in der supraleitenden Spule in 1 verwendet wird.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen ersten Schritt in einem Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen zweiten Schritt in dem Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen dritten Schritt in dem Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine Grundrissansicht, die ein Beispiel eines Bruches zeigt, der in dem zweiten supraleitenden Draht in der unmittelbaren Umgebung des Schweißabschnitts zwischen dem ersten und dem zweiten supraleitenden Draht entstanden ist.
11 ist eine teilweise Querschnittsansicht, die schematisch eine supraleitende Spule in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen supraleitenden Magneten in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen supraleitenden Magneten in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Struktur einer supraleitenden Spule zeigt, die in dem supraleitenden Magneten in 13 enthalten ist.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die gleichen oder entsprechende Elemente in den folgenden Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und dass ihre Beschreibung nicht wiederholt wird.
(Erste Ausführungsform)
Bezugnehmend insbesondere auf die 1 bis 4 ist eine supraleitende Spule 80 in der vorliegenden Ausführungsform durch Wickeln eines supraleitenden Drahtes 10 aus einem Oxidsupraleiter gebildet, wie durch einen Pfeil A angedeutet ist (1). Genauer gesagt, wird der supraleitende Draht 10 zu einer Rennbahnform mit einem geraden Abschnitt ST und einem gekrümmten Abschnitt CR gewickelt (4).
Der supraleitende Draht 10 wird gebildet, indem der erste und der zweite supraleitende Draht 11, 12, die jeweils eine Bandform haben, mittels eines Schweißabschnitts 74 miteinander verbunden werden. Es ist zu beachten, dass „Schweißen” im vorliegenden Text ein Konzept ist, das auch „Löten” beinhaltet. Darum kann der „Schweißabschnitt” auch ein „Lötabschnitt” sein.
Bevorzugt ist mindestens ein Teil des Schweißabschnitts 74 an dem gekrümmten Abschnitt CR angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Schweißabschnitt 74 lediglich an dem gekrümmten Abschnitt CR angeordnet.
Der Schweißabschnitt 74 verbindet den ersten und den zweiten supraleitenden Draht 11, 12 über eine Verbindungslänge SL (3) in einer Längsrichtung miteinander. Der Schweißabschnitt 74 besteht zum Beispiel aus Lot. Bevorzugt beträgt die Verbindungslänge SL, das heißt eine Länge des Schweißabschnitts 74, mindestens 2 cm, und in diesem Fall kann der Verbindungswiderstand nicht höher als ungefähr 100 nΩ sein. Es ist zu beachten, dass eine Auskerbung an einem Ende von mindestens einem des ersten und des zweiten supraleitenden Drahtes 11, 12 über eine Auskerbungslänge TL, die kürzer als die Verbindungslänge SL ist, angeordnet sein kann.
Die supraleitende Spule 80 hat einen Innenumfangsabschnitt 73 und einen Außenumfangsabschnitt 75 in einer zweidimensionalen Anordnung, wie in 4 gezeigt. Der Innenumfangsabschnitt 73 wird durch Wickeln des ersten supraleitenden Drahtes 11 gebildet. Der Außenumfangsabschnitt 75 wird durch Wickeln des zweiten supraleitenden Drahtes 12 um den Innenumfangsabschnitt 73 gebildet. Der Schweißabschnitt 74 verbindet den ersten und den zweiten supraleitenden Draht 11, 12 miteinander durch Verschweißen zwischen dem Innenumfangsabschnitt 73 und dem Außenumfangsabschnitt 75 dergestalt, dass der Innenumfangsabschnitt 73 und der Außenumfangsabschnitt 75 elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
Bezugnehmend insbesondere auf die 5 und 6 besitzen der erste und der zweite supraleitende Draht 11, 12 Dicken T1 bzw. T2. Obgleich jede der Dicken T1 und T2 nahe ungefähr einer Abmessung T liegt (einer ungefähren Abmessung je Schicht in einem Stapel aus supraleitenden Drähten, die durch Wickeln der supraleitenden Drähte in 1 erhalten werden), ist Dicke T1 größer als Dicke T2. Und zwar hat der zweite supraleitende Draht 12 eine geringere Dicke als der erste supraleitende Draht 11. Zum Beispiel liegt die Abmessung T ungefähr im Bereich von 0,2 bis 0,4 mm, und eine Differenz zwischen den Dicken T1 und T2 beträgt ungefähr 0,1 bis 0,2 mm.
Außerdem hat der erste supraleitende Draht 11 eine höhere Festigkeit als der zweite supraleitende Draht 12. Es ist zu beachten, dass „Festigkeit” im vorliegenden Text Zugfestigkeit und Biegefestigkeit meint. Darum hat der supraleitende Draht 11 eine höhere Zugfestigkeit und Biegefestigkeit als der zweite supraleitende Draht 12. Die Zugfestigkeit wird zum Beispiel als ein Wert der Zugspannung gemessen, bei dem sich ein kritischer Strom durch einen supraleitenden Draht auf 95% verringert und ein größerer Wert davon eine höhere Festigkeit anzeigt. Die Biegefestigkeit wird zum Beispiel als ein Krümmungsdurchmesser gemessen, bei dem sich ein kritischer Strom durch einen supraleitenden Draht auf 95% verringert und ein kleinerer Wert davon eine höhere Festigkeit anzeigt. Zum Beispiel hat der erste supraleitende Draht 11 eine Zugfestigkeit von 270 MPa, der zweite supraleitende Draht 12 hat eine Zugfestigkeit von 130 MPa, der erste supraleitende Draht 11 hat eine Biegefestigkeit von 60 mm, und der zweite supraleitende Draht 12 hat eine Biegefestigkeit von 70 mm.
Der erste und der zweite supraleitende Draht 11, 12 haben Breiten W1 bzw. W2. Jede der Breiten W1 und W2 ist nahe ungefähr einer Abmessung W (einer ungefähren Abmessung der supraleitenden Spule 80 in einer Richtung der Wicklungsachse in 1). Breite W1 ist größer als Breite W2, und folglich gibt es einen Höhenunterschied D (2) zwischen dem Innenumfangsabschnitt 73 und dem Außenumfangsabschnitt 75. Zum Beispiel liegt die Abmessung W ungefähr im Bereich von 4 bis 5 mm, und eine Differenz zwischen den Breiten W1 und W2 beträgt ungefähr 0,2 mm.
Genauer gesagt, wird der erste supraleitende Draht 11 in der vorliegenden Ausführungsform gebildet, indem ein Draht ähnlich dem zweiten supraleitenden Draht 12 zwischen einem Paar Laminierungsabschnitten 11a in einer Dickenrichtung angeordnet wird. Mit dieser Struktur ist die Dicke T1 größer als die Dicke T2, und der erste supraleitende Draht 11 hat eine höhere Festigkeit als der zweite supraleitende Draht 12. Der Laminierungsabschnitt 11a besteht zum Beispiel aus Edelstahl. Das Paar Laminierungsabschnitte 11a ist mit einem Paar Lötabschnitten 11b verbunden, die dazwischen angeordnet sind. Das Paar Lötabschnitte 11b nimmt einen Draht ähnlich dem ersten supraleitenden Draht 12 in einer Breitenrichtung zwischen sich auf. Mit dieser Struktur ist die Breite W1 größer als die Breite W2.
Der zweite supraleitende Draht 12 kann zum Beispiel ein Wismut(Bi)-basierter supraleitender Draht sein. Genauer gesagt, hat der zweite supraleitende Draht 12 mehrere Supraleiter 12a, die sich in einer Längsrichtung erstrecken, und einen Mantelabschnitt 12b, der den gesamten Umfangsrand der mehreren Supraleiter 12a bedeckt. Der Mantelabschnitt 12b steht in Kontakt mit dem Supraleiter 12a. Jeder der mehreren Supraleiter 12a ist bevorzugt ein Wismut-basierter Supraleiter zum Beispiel mit einer Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-basierten Zusammensetzung und insbesondere ein Material, das eine solche Bi 2223-Phase enthält, dass ein Atomverhältnis zwischen Wismut und Blei:Strontium:Calcium:Kupfer in einer angenäherten Weise durch im Wesentlichen ein Verhältnis von 2:2:2:3 dargestellt wird, das optimal ist. Ein Material für den Mantelabschnitt 12b besteht zum Beispiel aus Silber oder einer Silberlegierung. Es ist zu beachten, dass auch ein einzelner Supraleiter 12a bereitgestellt werden kann.
Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule 80 beschrieben.
Wie in 7 dargestellt, wird zunächst der Innenumfangsabschnitt 73 durch Wickeln des ersten supraleitenden Drahtes 11 gebildet.
Wie in 8 dargestellt, wird der Schweißabschnitt 74 an einem Endabschnitt des ersten supraleitenden Drahtes 11 gebildet, der an einer Außenumfangsfläche des Innenumfangsabschnitts 73 frei liegt. Der Schweißabschnitt 74 wird insbesondere aus einer Hartlötlegierung gebildet und wird bevorzugt aus Lot gebildet.
Wie in 9 dargestellt, werden der erste und der zweite supraleitende Draht 11, 12 durch Schweißen mittels des Schweißabschnitts 74 miteinander verbunden. Genauer gesagt, wird der Schweißabschnitt 74 erwärmt, während ein Endabschnitt des zweiten supraleitenden Drahtes 12 mit dem Schweißabschnitt 74 in Kontakt steht.
Es ist zu beachten, dass, um das Verschieben des Endabschnitts des ersten supraleitenden Drahtes zu vermeiden, wo der Schweißabschnitt 74 während dieses Verbindens gebildet wurde, dieser Endabschnitt bevorzugt zuvor an dem Innenumfangsabschnitt 73 befestigt wird. Diese Befestigung kann zum Beispiel mit Hilfe eines Polyimidbandes erreicht werden.
Durch das Wickeln des zweiten supraleitenden Drahtes 12 um den Innenumfangsabschnitt 73, nachdem der erste und der zweite supraleitende Draht 11, 12 in der oben beschriebenen Weise verbunden wurden, wird der Außenumfangsabschnitt 75 gebildet. Beim Wickeln des zweiten supraleitenden Drahtes 12 wird eine Zugkraft an den zweiten supraleitenden Draht 12 in seiner Längsrichtung angelegt. In einem Fall, wo der Schweißabschnitt 74 an dem gekrümmten Abschnitt CR angeordnet ist, legt diese Zugkraft eine einwärts gerichtete Kraft an den Schweißabschnitt 74 an. Darum wird der supraleitende Draht 10 in der unmittelbaren Umgebung des Schweißabschnitts 74 straffer gewickelt.
Wie oben dargelegt, wird die supraleitende Spule 80 (1) erhalten.
Gemäß der supraleitenden Spule 80 in der vorliegenden Ausführungsform kann von dem Innenumfangsabschnitt 73 und dem Außenumfangsabschnitt 75 derjenige, der eine höhere Festigkeit erfordert, aus dem ersten supraleitenden Draht 11 gebildet werden, während derjenige, der eine geringere Festigkeit erfordert, aus dem zweiten supraleitenden Draht 12 gebildet werden kann. Insbesondere kann ein Abschnitt, der eine höhere Festigkeit erfordert, aus einem supraleitenden Draht von höherer Festigkeit gebildet werden, während ein Abschnitt, der eine geringere Festigkeit erfordert, aus einem supraleitenden Draht von geringerer Dicke gebildet werden kann. Folglich ist ein Durchschnittswert der Abmessung T (1) kleiner als in einem Fall, wo die Festigkeit des supraleitenden Drahtes 10 über die gesamte Länge erhöht wird. Somit kann, während die supraleitende Spule 80 eine vorgeschriebene Anzahl von Windungen besitzt, eine Verkleinerung der supraleitenden Spule 80 in einer Grundrissansicht (4) erreicht werden, und gleichzeitig kann eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet werden.
Genauer gesagt, wird der Innenumfangsabschnitt 73 durch Wickeln des ersten supraleitenden Drahtes 11 gebildet, und der Außenumfangsabschnitt 75 wird durch Wickeln des zweiten supraleitenden Drahtes 12 gebildet. Somit wird der Innenumfangsabschnitt 73, der mit einem Krümmungsdurchmesser, der kleiner als der des Außenumfangsabschnitts 75 ist, gewickelt wird, aus einem supraleitenden Draht mit höherer Festigkeit gebildet. Darum kann eine Beschädigung eines supraleitenden Drahtes infolge eines kleinen Krümmungsdurchmessers vermieden werden.
In einem Fall, wo mindestens ein Teil des Schweißabschnitts 74 an dem gekrümmten Abschnitt CR angeordnet ist, wird während der Herstellung der supraleitenden Spule 80 eine straffere Wicklung erreicht, weil mindestens ein Teil des Schweißabschnitts 74 an dem gekrümmten Abschnitt CR angeordnet ist. Weil also eine Position des Schweißabschnitts 74 stabilisiert wird, ist die Gefahr geringer, dass sich der Schweißabschnitt 74 während der Herstellung der supraleitenden Spule 80 verschiebt. Somit kann verhindert werden, dass der zweite supraleitende Draht 12, das heißt, ein supraleitender Draht mit geringerer Dicke, an einem Endabschnitt des Schweißabschnitts 74 infolge des Verschiebens des Schweißabschnitts 74 beschädigt wird (wie zum Beispiel durch einen Bruch RP in 10).
In einem Fall, wo der Schweißabschnitt 74 lediglich an dem gekrümmten Abschnitt CR angeordnet ist, ist der Schweißabschnitt 74 nicht an dem geraden Abschnitt ST angeordnet, wo eine Lockerung während der Herstellung der supraleitenden Spule 80 wahrscheinlich ist. Weil also eine Position des Schweißabschnitts 74 zusätzlich stabilisiert wird, wird die Gefahr noch geringer, dass der Schweißabschnitt 74 während der Herstellung der supraleitenden Spule 80 verrutscht. Somit kann noch zuverlässiger verhindert werden, dass der zweite supraleitende Draht 12, das heißt, ein supraleitender Draht mit geringerer Dicke, an einem Endabschnitt des Schweißabschnitts 74 infolge des Verschiebens des Schweißabschnitts 74 beschädigt wird. Wenn alternativ der Schweißabschnitt 74 während der Herstellung der supraleitenden Spule 80 über den geraden Abschnitt ST und den gekrümmten Abschnitt CR angeordnet wird, so ist die Gefahr geringer, dass ein Abschnitt des Schweißabschnitts 74, der sich an dem gekrümmten Abschnitt CR befindet, in der oben beschriebenen Weise verschiebt, während ein Abschnitt, der an dem geraden Abschnitt ST angeordnet ist, sich wahrscheinlich verschieben wird. Folglich neigt der Schweißabschnitt an einer Grenze zwischen dem geraden Abschnitt ST und dem gekrümmten Abschnitt CR zur Qualitätsminderung. Eine solche Qualitätsminderung kann verhindert werden, indem man den Schweißabschnitt 74 lediglich an dem gekrümmten Abschnitt CR anordnet.
In einem Fall, wo der Schweißabschnitt 74 in der oben beschriebenen supraleitenden Spule 80 eine Länge von mindestens 2 cm hat, kann der Schweißabschnitt 74 einen elektrischen Widerstand mit einem Wert haben, der im Hinblick auf die praktische Verwendbarkeit hinreichend klein ist.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule 80 in der vorliegenden Ausführungsform wird der Schweißabschnitt 74 gebildet, nachdem der Innenumfangsabschnitt 73 gebildet wurde. Darum ist im Gegensatz zu einem Fall, wo der Innenumfangsabschnitt 73 gewickelt wird, nachdem der erste und der zweite supraleitende Draht 11, 12 mittels des Schweißabschnitts 74 miteinander verbunden wurden, eine Beschädigung eines supraleitenden Drahtes, insbesondere ein Bruch RP (10), infolge des Schweißabschnitts 74 während der Bildung des Innenumfangsabschnitts 73 unwahrscheinlich.
Obgleich in der vorliegenden Ausführungsform der erste supraleitende Draht 11 für den Innenumfangsabschnitt 73 verwendet wird und der zweite supraleitende Draht 12 für den Außenumfangsabschnitt 75 verwendet wird, kann in einem Fall, wo die Zuverlässigkeit des Außenumfangsabschnitts 75 eine spezielle Anforderung ist, auch der erste supraleitende Draht 11 für den Außenumfangsabschnitt 75 verwendet werden, und der zweite supraleitende Draht 12 kann für den Innenumfangsabschnitt 73 verwendet werden. Außerdem braucht die Breite W1 des ersten supraleitenden Drahtes 11 nicht unbedingt größer zu sein als die Breite W2 des zweiten supraleitenden Drahtes. Des Weiteren braucht eine supraleitende Spule nicht unbedingt eine Rennbahnform zu haben, sondern die Form kann auch kreisförmig oder polygonal sein.
(Zweite Ausführungsform)
Bezugnehmend auf 11 besitzt eine supraleitende Spule 90 in der vorliegenden Ausführungsform mehrere supraleitende Spulen 80 gemäß der ersten Ausführungsform, einen Abstandshalterabschnitt 91, eine Isolierplatte 92 und eine Kühlungsplatte 93.
Der Abstandshalterabschnitt 91 ist ein Abstandshalter, der mindestens einen Teil des Höhenunterschieds D vergräbt (2). Bevorzugt ist eine Höhe des Abstandshalterabschnitts 91 (eine vertikale Abmessung in 11) gleich dem Höhenunterschied D (einer vertikalen Abmessung in 2). Insbesondere ist eine Höhe des Abstandshalterabschnitts bevorzugt gleich einer Differenz zwischen der Breite W1 und der Breite W2.
Der Abstandshalterabschnitt 91 wird bevorzugt aus einem bahnartigen Material, das aus einem Isolator besteht, gebildet, und wird insbesondere aus einem bahnartigen Prepreg-Material oder einem bahnartigen FRP(Fiber Reinforced Plastic)-Material gebildet.
Die Kühlungsplatten 93 sind so angeordnet, dass sie jede supraleitende Spule 80 zwischen sich aufnehmen. Die Kühlungsplatte 93 dient zum thermischen Verbinden der supraleitenden Spule 80 mit einem (nicht gezeigten) Kühlaggregatkopf. Die Isolierplatte 92 ist zwischen die Kühlungsplatte 93 und die supraleitende Spule 80 eingesetzt. Die mehreren supraleitenden Spulen 80 werden in einer Richtung der Wicklungsachse gestapelt, wobei die Kühlungsplatte 93 und die Isolierplatte 92 dazwischen angeordnet werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann der Abstandshalterabschnitt 91 eine durch den Höhenunterschied D erzeugte Lücke vergraben. Darum kann eine Verschlechterung der Wärmeleitung, die durch diese Lücke verursacht wird (wie zum Beispiel eine Verschlechterung der Wärmeleitung zwischen dem Außenumfangsabschnitt 75 und der Kühlungsplatte 93) vermieden werden.
Außerdem kann in einem Fall, wo ein Material für den Abstandshalterabschnitt 91 ein bahnartiges Prepreg-Material oder FRP ist, ein Unterschied beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Abstandshalterabschnitt 91 und dem supraleitenden Draht 10 verringert werden.
Es ist zu beachten, dass es in einem Fall, wo eine supraleitende Spule direkt durch ein Fluid wie zum Beispiel flüssigen Stickstoff gekühlt wird, nicht erforderlich ist, die Kühlungsplatte 93 anzuordnen.
(Dritte Ausführungsform)
Bezugnehmend auf 12 dient ein supraleitender Magnet 100 in der vorliegenden Ausführungsform zum Erzeugen eines Magnetfeldes H und hat eine supraleitende Spule 90 (11), einen wärmeisolierenden Behälter 101, eine Stromversorgung 102 und einen Kühlaggregatkopf 103. Der wärmeisolierende Behälter 101 nimmt die supraleitende Spule 90 auf. Die Stromversorgung 102 ist mit der supraleitenden Spule 90 verbunden.
Gemäß dem supraleitenden Magneten 100 in der vorliegenden Ausführungsform kann von dem Innenumfangsabschnitt 73 und dem Außenumfangsabschnitt 75 (11) der supraleitenden Spule 90 derjenige, der eine höhere Festigkeit erfordert, aus dem ersten supraleitenden Draht 11 gebildet werden (5), während derjenige, der eine geringere Festigkeit erfordert, aus dem zweiten supraleitenden Draht 12 gebildet werden kann (6). Insbesondere kann ein Abschnitt, der eine höhere Festigkeit erfordert, aus einem supraleitenden Draht von höherer Festigkeit gebildet werden, während ein Abschnitt, der eine geringere Festigkeit erfordert, aus einem supraleitenden Draht von geringerer Dicke gebildet werden kann. Darum kann bei dem supraleitenden Magneten 100 mit der supraleitenden Spule 90 mit einer vorgeschriebenen Anzahl von Windungen nicht nur die erforderliche Festigkeit der supraleitenden Spule 90 gewährleistet werden, sondern die supraleitende Spule 90 kann außerdem verkleinert werden, indem man einen supraleitenden Draht mit geringerer Dicke verwendet. Somit kann der supraleitende Magnet 100 verkleinert werden, während die Zuverlässigkeit des supraleitenden Magneten 100 gewährleistet ist.
Es ist zu beachten, dass anstelle des Kühlaggregatkopfes 103 auch ein Niedrigtemperaturfluid, wie zum Beispiel flüssiger Stickstoff, verwendet werden kann.
(Vierte Ausführungsform)
Bezugnehmend auf 13 besitzt ein supraleitender Magnet 300 in der vorliegenden Ausführungsform supraleitende Spulen 290 und 390. Die supraleitende Spule 390 hat eine zylindrische Form und generiert ein im Wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld H in ihrem Inneren. Die supraleitende Spule 390 wird zum Beispiel durch Wickeln eines supraleitenden Drahtes aus NbTi gebildet. Die supraleitende Spule 290 ist so konfiguriert, dass die supraleitende Spule 290 in ihrer Gesamtheit das Magnetfeld H empfängt, das durch die supraleitende Spule 390 generiert wird.
Bezugnehmend auf 14 wird die supraleitende Spule 290 durch ringförmiges Wickeln des supraleitenden Drahtes 10 gebildet. Genauer gesagt, hat die supraleitende Spule 290 einen Innenumfangsabschnitt, der durch Wickeln des zweiten supraleitenden Drahtes 12 gebildet wird (6), und einen Außenumfangsabschnitt, der durch Wickeln des ersten supraleitenden Drahtes 11 gebildet wird (5).
Es ist zu beachten, dass andere Merkmale als die oben genannten im Wesentlichen die gleichen sind wie die der oben beschriebenen dritten Ausführungsform, dass die gleichen oder entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen haben und dass ihre Beschreibung nicht wiederholt wird.
Durch das Magnetfeld H, das durch die supraleitende Spule 390 generiert wird, wird eine Ringspannung an den supraleitenden Draht 10 der supraleitenden Spule 290 angelegt. Die Ringspannung wird proportional zu einer Entfernung r von der Mitte der Wicklung größer. Wenn also eine supraleitende Spule einfach nur durch Wickeln eines einzigen Typs eines supraleitenden Drahtes gebildet wird, so ist eine Ringspannung, die an den Außenumfangsabschnitt angelegt wird, größer als die Ringspannung, die an den Innenumfangsabschnitt angelegt wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Innenumfangsabschnitt aus dem zweiten supraleitenden Draht 12 mit geringerer Dicke gebildet. Darum wird die supraleitende Spule 290 verkleinert, während der Außenumfangsabschnitt, auf den wahrscheinlich eine große Ringspannung einwirkt, aus dem ersten supraleitenden Draht 11 mit höherer Festigkeit gebildet wird. Somit kann eine Abnahme der Zuverlässigkeit aufgrund der Ringspannung vermieden werden.
Beispiele
Die Ringspannung, die auf den supraleitenden Draht 10 einwirkt, der die supraleitende Spule 290 bildet (14), die in dem supraleitenden Magneten 300 enthalten ist (13), wurde simuliert.
Die Simulationsbedingungen waren folgende. Ein supraleitender Draht mit der Breite W1 = 4,5 mm, der Dicke T1 = 0,30 mm, einer Zugfestigkeit von 270 MPa und einer Biegefestigkeit von 60 mm wurde als der erste supraleitende Draht 11 verwendet (5). Ein supraleitender Draht mit der Breite W2 = 4,3 mm, der Dicke T2 = 0,23 mm, einer Zugfestigkeit von 130 MPa und einer Biegefestigkeit von 70 mm wurde als der zweite supraleitende Draht 12 verwendet (6). In der supraleitenden Spule 290 wurde der zweite supraleitende Draht 12 an den Innenumfangsabschnitt angelegt, dessen Entfernung r von der Achse 50 bis 75 mm betrug, und der erste supraleitende Draht 11 wurde an den Außenumfangsabschnitt angelegt, dessen Entfernung r 75 bis 100 mm betrug. Ein Stromfluss durch die supraleitende Spule 290 wurde auf 200 A eingestellt. Das durch die supraleitende Spule 390 generierte Magnetfeld H wurde auf 8 T eingestellt.
Im Ergebnis einer Berechnung betrug die Ringspannung, die auf den zweiten supraleitenden Draht 12 einwirkte, der den Innenumfangsabschnitt der supraleitenden Spule 29 bildete, 81 MPa am innersten Abschnitt (r = 50 mm) und 121 MPa am äußersten Abschnitt (r = 75 mm). Diese Belastungen lagen innerhalb des Zugfestigkeitsbereichs von 130 MPa des zweiten supraleitenden Drahtes 12.
Außerdem betrug die Ringspannung, die auf den ersten supraleitenden Draht 11 einwirkte, der den Außenumfangsabschnitt der supraleitenden Spule 29 bildete, 89 MPa am innersten Abschnitt (r = 75 mm) und 119 MPa am äußersten Abschnitt (r = 100 mm). Diese Belastungen lagen innerhalb des Zugfestigkeitsbereichs von 270 MPa des ersten supraleitenden Drahtes 12.
Es versteht sich, dass die Ausführungsformen und das Beispiel, die im vorliegenden Text offenbart wurden, in jeder Hinsicht veranschaulichend und nicht-einschränkend sind. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch den Wortlaut der Ansprüche und nicht durch die obige Ausführungsformen definiert und soll alle Modifikationen enthalten, die unter den Geist und Geltungsbereich der Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

10: supraleitender Draht
11: erster supraleitender Draht
12: zweiter supraleitender Draht
73: Innenumfangsabschnitt
74: Schweißabschnitt
75: Außenumfangsabschnitt
80, 90: supraleitende Spule
91: Abstandshalterabschnitt
92: Isolierplatte
93: Kühlungsplatte
100: supraleitender Magnet
101: wärmeisolierender Behälter
102: Stromversorgung
103: Kühlaggregatkopf
CR: gekrümmter Abschnitt
D: Höhenunterschied

Claims

Supraleitende Spule (80, 90) mit einem Oxidsupraleiter, umfassend: einen Innenumfangsabschnitt (73), der durch Wickeln eines ersten oder eines zweiten supraleitenden Drahtes (11, 12), die jeweils eine Bandform haben, gebildet wird, einen Außenumfangsabschnitt (75), der durch Wickeln des anderen des ersten und des zweiten supraleitenden Drahtes um den Innenumfangsabschnitt gebildet wird, und einen Schweißabschnitt (74), der den ersten und den zweiten supraleitenden Draht durch Verschweißen zwischen dem Innenumfangsabschnitt und dem Außenumfangsabschnitt miteinander verbindet, wobei der erste supraleitende Draht eine höhere Festigkeit hat als der zweite supraleitende Draht und der zweite supraleitende Draht eine geringere Dicke hat als der erste supraleitende Draht.
Supraleitende Spule nach Anspruch 1, wobei der Innenumfangsabschnitt durch Wickeln des ersten supraleitenden Drahtes gebildet wird und der Außenumfangsabschnitt durch Wickeln des zweiten supraleitenden Drahtes gebildet wird.
Supraleitende Spule nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und der zweite supraleitende Draht, die durch den Schweißabschnitt miteinander verbunden sind, zu einer Rennbahnform mit einem geraden Abschnitt (ST) und einem gekrümmten Abschnitt (CR) geformt sind und mindestens ein Teil des Schweißabschnitts an dem gekrümmten Abschnitt angeordnet ist.
Supraleitende Spule nach Anspruch 3, wobei der Schweißabschnitt lediglich an dem gekrümmten Abschnitt angeordnet ist.
Supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schweißabschnitt eine Länge von mindestens 2 cm hat.
Supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Höhenunterschied zwischen dem Innenumfangsabschnitt und dem Außenumfangsabschnitt besteht, weil eine Breite der Bandform des ersten supraleitenden Drahtes größer ist als eine Breite der Bandform des zweiten supraleitenden Drahtes, und die supraleitende Spule des Weiteren einen Abstandshalterabschnitt umfasst, der den Höhenunterschied vergräbt.
Supraleitender Magnet (100), umfassend: die supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, einen wärmeisolierenden Behälter (101), der die supraleitende Spule aufnimmt, und eine Stromversorgung (102), die mit der supraleitenden Spule verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule (80, 90) mit einem Oxidsupraleiter, umfassend die Schritte des: Ausbildens eines Innenumfangsabschnitts (73) durch Wickeln eines ersten oder eines zweiten supraleitenden Drahtes (11, 12), die jeweils eine Bandform haben, Verbindens des ersten und des zweiten supraleitenden Drahtes miteinander durch Schweißen nach dem Schritt zum Ausbilden eines Innenumfangsabschnitts, und Ausbildens eines Außenumfangsabschnitts (75) durch Wickeln des anderen des ersten und des zweiten supraleitenden Drahtes um den Innenumfangsabschnitt nach dem Schritt zum Verbinden des ersten und des zweiten supraleitenden Drahtes, wobei der erste supraleitende Draht eine höhere Festigkeit hat als der zweite supraleitende Draht und der zweite supraleitende Draht eine geringere Dicke hat als der erste supraleitende Draht.