JP2003505866A - 超伝導コイル組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は端部ピースと、該端部ピースに隣接する少なくとも１つのパンケーキ組立体とを具備する、磁場発生用携帯型、高電力超伝導コイル組立体を提供するが、該パンケーキ組立体は超伝導材料と半径方向熱伝達プレートとを備えており、該超伝導材料は該半径方向熱伝達要素と該端部ピースとの間に配置される。該端部ピース及び該半径方向熱伝達要素と熱伝導性結合を有する熱伝導要素が使用中該マグネットから発生される熱を除去する。本発明は又該超伝導マグネット材料が中に入るへこまされたチャンネルを中に有するマンドレルとスプライスブロックとを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【関連出願の相互参照】

本出願は１９９９年７月１４日出願の米国仮出願第６０／１４３，６６６号の
特典を請求する。

【０００２】

【発明の背景】

１．発明の分野 本発明は電流源によりエネルギーを与えられる超伝導装置（superconducting
devices）、特に非常に高い磁気的な力（magnetic force）を発生する超伝導コ
イル（superconducting coils）及び超伝導マグネット（superconducting magne
t）の分野に関する。この様なマグネットは分離装置（separation devices）の
様な種々の利用を有し、鉱石、特にスラリーの形式（form of slurry）での２酸
化チタン鉱石（titanium dioxide ores）の精錬（refining）の分野で有用であ
る。 ２．背景技術の説明 超伝導は、或る金属が非常に低温に冷却された時、電気の完全な導体になる現
象である。実際の応用では、超伝導材料は比較的少ない電力消費で非常に高い磁
場（magnetic fields）を発生出来る強力電磁石（powerful electromagnets）を
作るために使用されてもよい。超伝導材料は、それらの超伝導特性を保持するた
めに２，３度ケルビン（a few degrees Kelvin）程に低い温度に保たれねばなら
ない。

【０００３】 超伝導マグネットは、完成したマグネット捲き線（completed magnet winding
）を形成するために相互にスタックされるパンケーキコイルを形成するよう、マ
ンドレル（mandrel）上の、伝導体（conductor）、絶縁体（insulator）、そし
て支持材料（support material）の層の形式で、超伝導材料の捲き回（turns）
を捲くことにより製造される。該超伝導材料は限定された柔軟性と低い構造強度
を有する材料の平らなバンドに典型的に形成される。該平らな超伝導体を効率的
に捲き、該コイルの外側に配置された端部リードを電気端子用に得るために、該
コイルは内側から外側へ対で捲かれることが多く、それは該対の各コイルへ接続
する捲き線転移部分（winding transition portion）を該内側に必要とする。こ
れは”２重パンケーキ（double pancake）”組立体と呼ばれるものを形成する。
１つの２重パンケーキ組立体はスプライス（splice）で隣接２重パンケーキ組立
体に電気的に接続される。該スプライスは該コイルの外側でスプライス転移部分
（splice transition portion）に配置されることが多い。該コイルが該捲き線
転移部分上を横切る場所のみならず該スプライス転移部分が下にあるコイル上を
渡る場所でも該超伝導体上に高い応力（stress）が掛かりそれは電気的故障の源
となるかも知れない。動作中、１テスラ（one tesla）を越える高い磁場から生
じる大きな力が該構造上に展開される。該パンケーキ内の該超伝導材料は、それ
らの超伝導特性を保持するために約−２５０から−２７０℃（２３から３°Ｋ）
の温度に冷却されねばならない。該材料は該材料を熱的に絶縁するために真空コ
ンテナー内に置かれる。使用時は、熱が該パンケーキ内で展開されそれも又該組
立体から除去されねばならない。低温超伝導体（low temperature superconduct
or）｛エルテーエス（LTS）｝用の２から４°Ｋ又は高温超伝導体（high temper
ature superconductor）｛エイチテーエス（HTS）｝用の２０から２５°Ｋの温
度を達成するために、液体ヘリウムの様な、極低温流体（cryogenic fluid）内
に該全組立体を浸すことにより該構造体内の該低温を達成し、動作熱（operatin
g heat）を除去するのが普通である。これはオープン冷却システム（open refri
gerant system）と呼ばれるが、それは使用時遮断及び再接続される極低温流体
接続が該構造に必要とされるからである。これは複雑なケーシングの設計と該構
造体を通して流体を循環させるためのシステムを要する。該マグネットがスター
トアップされそして保守用にシャットダウンされる時、該極低温流体は除去され
交換され、それは該転移部分を含む該組立体を熱応力にさらす。

【０００４】 もう１つの冷却システムは伝導型結合（conductive connections）を使用して
該マグネットコイル組立体に結合される閉じられた冷却システム（closed refri
gerant system）であり、該流体は、該マグネット組立体から遮断及び再接続さ
れる時決して開かれない”コールドヘッド（cold head）”で終端となる分離さ
れたシステム内に常に含まれる。これは伝導冷却システム（conductive cooling
system）と呼ばれ、伝導距離が短い｛数十センチメートル（数インチ）の桁の
｝小規模マグネットシステムでのみ成功裡に使用されて来た。伝導冷却システム
は構造を簡略化し、それは望ましいことであるが、大型コイル組立体ではそれは
、多数のパンケーキ組立体を横切る多数の高伝導率の機械的結合（high conduct
ivity mechnical connections）を行う挑戦的問題を招くことになる。オオクラ
他（Ohkura, et al）への米国特許第５、８６１、７８８号は極低温冷却器と冷
却ヘッドを使用した超伝導マグネットでの熱発生に伴う問題を説明している。

【０００５】 鉱石精錬、特にスラリーの形式での２酸化チタン鉱石精錬の分野では、適当な
磁気的分離器（magnetic separation equipment）のある場所へ多量の鉱石を出
荷することを避けるために遠隔地に磁気的分離器を提供することが望ましい。遠
隔地での複雑なオープン極低温冷却システムの運転は問題があり、閉じられた極
低温冷却システムにより管理出来る熱負荷を発生する強力超伝導マグネットは今
まで開発されていない。極低温流体内にパンケーキ構造を浸す必要無く、多数の
パンケーキを使う大型マグネット組立体から熱を除去するシステムのニーヅが存
在する。又高い磁気的力を生ずる大型２重パンケーキ設計で低応力転移部分のニ
ーヅが存在する。

【０００６】

【発明の概要】

本発明は該装置中に低い応力と最小温度上昇を有する、携帯型、高電力超伝導
のコイルとマグネットを提供する。本発明の磁場発生用超伝導コイル組立体は端
部ピース（end piece）と、該端部ピースに隣接する少なくとも１つのパンケー
キ組立体とを具備しており、該パンケーキ組立体は超伝導材料と半径方向熱伝達
要素とを備えており、該超伝導材料は該半径方向熱伝達要素と該端部ピースとの
間に配置されており、そして該超伝導コイル組立体は又、該端部ピース及び該半
径方向熱伝達要素と熱伝導結合を有する熱伝導要素を具備している。

【０００７】 本発明は又中に提供されたへこまされたチャンネル（recessed channel）を有
する、超伝導２重パンケーキコイル組立体用のマンドレルを提供するが、前記へ
こまされたチャンネルは超伝導材料を置くための幅と深さとを有する。

【０００８】 本発明は又超伝導マグネット内のパンケーキのスタックから熱を除去する方法
に関するが、それは半径方向熱伝達用に該パンケーキを越えて延びる部分を有す
るパンケーキの間の熱伝導層を提供することと、該パンケーキを越えて延びる該
伝導層部分を通過し、そして軸方向熱伝達提供用にパンケーキの該スタックの端
部で熱伝導リング内に進む、熱伝導要素を提供することとに依る。該端部リング
と、極低温流体（cryogenic fluid）を使う外部熱伝達装置との間で熱伝導通路
が確立される。

【０００９】 本発明は又該超伝導材料を、支持しかつ２重パンケーキ構造内の２つのパンケ
ーキ間の低応力通路内に導くための低応力転移コネクターである。本発明は又超
伝導材料を、支持しかつ１つの２重パンケーキ構造ともう１つの間の低応力通路
内に導くためのスプライスコネクターである。

【００１０】

【本発明の詳細な説明】

本発明の超伝導コイルは、設計基準に依って、約５度ケルビン（5 degrees Ke
lvin）から約５０度ケルビンまでで、好ましくは約１５度ケルビンから約２５度
ケルビンまでで、より好ましくは約２０度ケルビンで、動作する高温超伝導マグ
ネット（high temperature superconducting magnet）｛エイチテーエス（HTS）
｝で使用されてもよい。該設計の中心の場は約０．１テスラから約５テスラまで
、より好ましくは約１．０テスラから３．０テスラまでに及んでもよい。達成さ
れる応力／ひずみレベルは０．２％より低い機械的ひずみ、好ましくは０．１２
％より低い機械的ひずみ、より好ましくは０．１％より低い機械的ひずみである
。該超伝導コイル組立体内の温度の上昇又は傾斜（temperature rise or gradie
nts）は３度ケルビンより少ない桁であり、好ましくは１度ケルビンより少ない
、又はより好ましくは０．５度ケルビンより少ない該超伝導コイル内温度の上昇
又は傾斜が本発明により得られる。

【００１１】 金属ヨーク（metal yoke）２２，金属極片（metal pole piece）２４、金属メ
ッシフイルター２８を有するフイルター室２６、超伝導コイル３２を有する極低
温コイル空洞３０、そして入り口コンドゥイット（inlet conduit）３４及び出
口コンドゥイット（outlet conduit）３６を備える磁気的分離器の線図が図１に
示される。該入り口コンドゥイット３４はシャットオフ弁３８を有し、該出口コ
ンドゥイット３６はシャットオフ弁４０を有する。動作では、２酸化チタンと不
純物の様な、金属スラリーが開いた弁３８を通り，入り口コンドゥイット３４を
通り，フイルターメッシ２８を通り、そして出口コンドゥイット３６内の開いた
シャットオフ弁４０を通過する。該フイルター材料へのスラリー流れ内の不純物
を引き出すよう作用する強い磁場を発生するために該超伝導マグネットコイルは
直流電流でエネルギーを与えられる。出口コンドゥイット３６から流れる出口流
れは純化された２酸化チタンスラリーである。動作期間后、該フイルター２８は
不純物でクロッグされ（clogged）、該スラリーの流れは停止され、そして該弁
３８と４０は閉じられ、該マグネットへの電流はオフとなる。該フイルターは、
該コンドゥイットを給水源に接続し、該フイルター２８をフラッシすることによ
り、水の様な洗浄流体でフラッシされ得る。代わりに、該フイルター２８を有す
る該極片２４は該ヨークから除去され得て、該クロッグされたフイルターは清浄
品と交換される。該マグネットがオフ及びオンに切り替えられる時、消失（coll
pasing）及び展開（expanding）する磁場は該超伝導コイル３２内の金属素子内
に渦電流と発熱を生ずる。この熱は該超伝導材料を加熱することを避けるために
除去されねばならない。

【００１２】 図２Ａは、図１の磁気的分離器２０で有用な超伝導コイル組立体４２を示す。
該コイル組立体４２は環状で、開いたボア側４４（open bore side）と外側（ou
ter side）４６とを有する。該コイル組立体４２は複数のパンケーキコイルを有
し、それらは好ましくは２重パンケーキ組立体４８として公知の対で作られるの
がよい。各パンケーキコイルの間に熱伝導性材料、好ましくはアルミニウム製の
冷却用プレート（cooling plate）５０があるのがよく、該熱伝導性材料は、そ
れが熱を円周方向及び軸線方向に伝導してもよいが、主として該コイル間を半径
方向に熱を伝導する（すなわち該プレート厚さを通して）。該コイル組立体４２
の頂部には熱伝導性材料、好ましくはアルミニウム製の端部リング（end ring）
５２があり、該組立体の底部には熱伝導性材料、好ましくはアルミニウム製の端
部リング５４があり、それらは円周方向及び半径方向に熱を伝導する。該端部リ
ング５２は動作中該リング内で渦電流を遮断するためにギャップ５３を有する。
該リングを強化するために、電気絶縁体製の、ブリッジプレート（bridge plate
）５５が該ギャップ５３を橋渡しする。端部リング５４は同様なギャップとブリ
ッジプレートを有する。該端部リング、プレートそしてコイルは該コイルのボア
側と外側の周りに配置されたタイボルト（tie bolts）５６により一緒に保持さ
れる。該タイボルトは該コイル組立体４２の熱的な膨張と収縮を受け入れるため
に各端部にばねワッシャー５８とナット６０を有する。該端部リング、プレート
そしてタイボルトの間で渦電流用電気回路の完成を避けるために、該タイボルト
はチューブ状絶縁体でカバーされており、該ばねワッシャーを該端部リングから
分離する絶縁体ワッシャー（示されてない）がある。該組立体の外側の周りに複
数の熱伝導要素（thermally conductive elements）、冷却用ロッド（cooling r
od）６２が配置されており、それは該コイル組立体の頂部の半分の該端部リング
５２と該プレート５０の孔を通過するよう示されている。該冷却用ロッド６２は
矢印６４で示される軸線方向に熱を伝導し、好ましくは銅又は銅合金であるのが
よい。又該組立体の外側の周りに複数の熱伝導要素、冷却用ロッド６３が配置さ
れており、それは該コイル組立体の底部の半分の該端部リング５４と該プレート
５０の孔を通過するよう示されている。該冷却用ロッド６３は矢印６５で示され
る軸線方向に熱を伝導し、好ましくは銅又は銅合金であるのがよい。該ロッド６
２の頂上の端部は熱伝導ストラップ６６と６８により結合されている。該ロッド
６３の底部の端部は熱伝導ストラップ７０と７２（示されてない）により結合さ
れている。ストラップ６６，６８，７０そして７２は好ましくは銅又は銅合金で
あるのがよい。熱伝導性端部リングだけに頼るのに比較して該銅ストラップは該
コイル組立体４２の周りに円周方向によりよい熱伝導を提供すると信じられる。
又該端部リングは該組立体に構造的強度を提供する。

【００１３】 該冷却用ロッドは、該ストラップ、リング、そしてプレートの孔を通すか、又
はそれらの周辺の縁に取付られたか、何れかの後に半田付けにより該ストラップ
、端部リング、そしてプレートに取付られた無垢のロッド又はバーを含む。該冷
却用ロッドは、それら内に置かれる孔と整合された該ストラップ、端部リング、
そしてプレートの間に置かれる複数のチューブ状スペーサーを有してもよい。該
プレートの特定の１つにねじ込まれるか又はねじを有する端部にナットを提供さ
れたボルトが、該スペーサー及び孔を通過させられてもよい。該冷却用ロッドは
、ナット間に該ストラップ、リングそしてプレートを確実にクランプするために
、孔の両側上にナットを有し、該ストラップ、リングそしてプレートの孔を通過
するねじ付きロッドを有してもよい。該冷却ロッドは該端部リング及びプレート
内の孔内に置かれ、そして低熱抵抗を有して確実に結合するように該孔のボアに
対し拡張し加圧するために、従来の機械的又は油圧的手段により外方にスウエー
ジ（swaged）されるチューブ状部材であってもよい。更に該熱抵抗を減ずるため
に、機械的結合を使う冷却用ロッドの実施例は金メッキされるか又は他の低熱抵
抗コーテイング、又は熱伝導グリースが該冷却用ロッドと他の熱伝達要素、すな
わちストラップ、端部リングそしてプレートとの間の接触点に付けられてもよい
。

【００１４】 図２Ｂは、該ストラップ、端部リング、そしてプレートと係合するために外方
へスウエージされたチューブである冷却用ロッド６２ａの好ましい実施例を図解
する。図解の様に、該チューブ状ロッド６２ａはプレート５０の孔７１を通過し
次いで該ボア７３内に置かれた従来の油圧拡張装置により拡張される。該装置は
該ボア７３の端部７５の様な、１端で１時的に閉じそして該封じられたボアに油
圧を掛ける。これは該チューブを確実に該孔７１の周囲に対し加圧し、プレート
間のチューブを、７７に於ける様にボア７３の中央軸線に対し外方へ僅かにバル
ジ（bulges）する。もし該装置の閉じる要素が該端部７５での機械的拡張を妨げ
れば、この端部は該ボア７３内に挿入された従来の機械的拡張装置で拡張され得
る。該チューブ状の冷却用ロッドの配置とスウエージングは該コイル組立体４２
を組み立てる最後の過程で行われ得る。

【００１５】 図１８は本発明の代わりの実施例を示すがそこでは該組立体の外側４６の周り
の６２（組立体４２の頂部の半分用であり、示されてない）及び６３（該組立体
の底部の半分で）の様な冷却用ロッドに加えて、該コイル組立体４２の内部のボ
ア側４４の周りに、冷却用ロッド６３ａ及び６２ａ（頂部の半分用であり、示さ
れてない）の様な、冷却用ロッドがある。図１８は端部リング５４と、５０ａ、
５０ｂ、そして５０ｄの様な、冷却用プレートとを通過する冷却用ロッド６３を
有するが、該プレートは下記で説明する様に２重パンケーキ組立体４８ａ及び４
８ｂ内で、そしてそれら間に配置される。冷却用プレート５０ａは２重パンケー
キ組立体４８ａ内に配置され冷却用ロッド６３に結合され、そして冷却用プレー
ト５０ｂは２重パンケーキ組立体４８ａ内に配置され、冷却用ロッド６３に結合
される。冷却用プレート５０ｄはパンケーキ組立体４８ａ及び４８ｂの間に配置
され外側４６で冷却用ロッド６３に結合され、そして該ボア中心線４３から隔て
られた内部ボア側４４で冷却用ロッド６３ａに結合される（尺度合わせされてな
い）。冷却用ロッド６３ａは又端部リング５４を通過する。同様な配置は又該組
立体４２の頂部半分用にも存在する。

【００１６】 本発明の実施例では、該超伝導コイル組立体４２の冷却のニーヅに依って、冷
却用ロッドは内部ボア側４４に位置してもよく、冷却用ロッドは該外側４６に位
置してもよく、或いはそれらは該内部ボア側４４と該外側４６と双方に位置して
もよい。

【００１７】 それに結合された柔軟な熱伝導組立体７６を有する熱伝導ブロック７４が該端
部リング５２に取付られているが、該組立体は該コイル組立体の頂部半分を冷却
するための極低温冷却器のコールドヘッド８０に従来の仕方で取付られたもう１
つの熱伝導ブロック７８にも結合されている。該柔軟な組立体７６は好ましくは
複数の編組（braided）された熱伝導材料、好ましくは銅ストリップから成るの
がよく、該ストリップはブロック７４及び７８に半田付けされる。伝導性ストラ
ップ６６及び６８の端部は又熱伝導ブロック７４に物理的にそして熱的に結合さ
れる。熱的ブロックと、柔軟な熱的組立体とそして伝導性ストラップ端部のこの
配置は、該コイル組立体の底部の半分を冷却するためのもう１つの極低温冷却器
のコールドヘッド８２への結合用に端部リング５４でも繰り返される。該コイル
組立体４２は、それぞれ頂部及び底部の端部リング５２及び５４とプレート５０
とを通過する軸方向スロット８１を有して示されるが、該スロットは、赤外線放
射遮蔽及び真空室の様な追加的な従来型要素を含む該超伝導コイル３２内にそれ
が組み立てられた後、該コイル組立体４２の頂部から底部へのアクセスを可能に
する。

【００１８】 図３は図の頂部に示された軸方向スロット８１用カットアウト（cutout）を有
して配向された２重パンケーキ組立体４８ａの平面図を示す。該組立体４８ａは
マンドレル８４を有するが、該マンドレルの周りに、環状プレート５０ａの頂部
側上で超伝導コイル８６ａが捲かれ、プレート５０ａの底部側上でもう１つ超伝
導コイル８６ｂ（この図では見えない）が捲かれる、。コイル８６ａは絶縁ワッ
シャー８８ａによりプレート５０ａから分離される。好ましい実施例では、絶縁
ワッシャー８８ａはジー１０シーアール（G-10CR）材料製であるが該材料はアイ
オワ州ポストビルのインダストリアルラミネート／ノプレックス社（Industrial
Laminates/Noplex, Inc. of Postville, Iowa）から入手可能なガラスフアイバ
ー強化フエノール樹脂（glass fiber reinforced phnolic）である。プレート５
０ａは使用中該プレート内に形成される何等かの渦電流を遮断するため複数の半
径方向スロット９０を備えており、そしてそれは該組立体からプレート５０ａを
除去する助けとなるよう使用され得る。該２重パンケーキ組立体が修理されそし
て該超伝導材料が救助される必要がある場合、プレート５０ａを除去出来る小セ
グメントに分離するためにプレート５０ａの外周から該スロット９０まで切断が
行われ得る。２重パンケーキ組立体４８ａのコイル組立体４２内への配置後、使
用中のプレート５０ａの周りの渦電流循環を止めるために１つの半径方向スロッ
トが該周辺まで通して切断される。プレート５０ａ内の大きな径の孔８９はロッ
ド６２用に提供され（図２Ａ）、小さい径の孔９１はタイボルト５６用に提供さ
れる（図２Ａ）。該コイル８６ａの内径にはセグメント８５がありそこに捲き線
転移部分が該マンドレル８４内で配置される。該コイル８６ａの外径にはセグメ
ント８３がありそこに２重パンケーキコイル間のスプライス転移が配置される。
図３では該２つのセグメント８３，８５は重なって示されているが、望むならそ
れらは重ならないように相互に変位されてもよい。

【００１９】 冷却用ロッドが該コイル組立体の内部側に位置する図１８に示される実施例で
は、プレート５０ａのセグメントがセグメント８５（該超伝導材料がプレート５
０ａの１つの側からもう一方の側へ捲き線転移を受けるセグメント）から遠い領
域で該マンドレルを通って進めるようにすることが望ましい。プレート５０ａが
該マンドレルを通って進む領域では、それは図１８で２４８の長短ダッシュ線で
示す様に該冷却用ロッド６３ａにより係合され得る。この技術は各２重パンケー
キコイル組立体内の他のプレートにも適用され得るので、もしこの様な対策が該
コイル組立体の望まれる冷却を達成するために要求されるならば、プレート５０
ａ，５０ｂ、そして５０ｃの様な全てのプレートが図１８で示す様に該冷却用ロ
ッド６３ａにより係合され得る。

【００２０】 図４Ａは図３で断面４Ａ−４Ａの位置で取られた３つの２重パンケーキ組立体
４８ａ、４８ｂ、そして４８ｃを通る断面である。該２重パンケーキ４８ａは、
ジー１０シーアール（G-10CR）の様な電気絶縁材料の２枚のスリップシート（sl
ip sheets）９２及び９４によりそれから分離された端部リング５４の頂部上に
置かれた該コイル組立体４２（図２Ａ）の底部で示されている。該２重パンケー
キコイルの熱的運動中該スリップシートは該リング及びコイルへの損傷を避ける
ために該端部リングとの摩擦を減じる。同様なスリップシートは該頂部の端部リ
ングにも同様に配置される。２重パンケーキ４８ａを構成する各コイル８６ａ及
び８６ｂは、コイル８６ｂ内の９５として集合的に示される超伝導材料ストリッ
プと絶縁材料ストリップの積層品（laminate）と、９８として示される支持材料
ストリップとから構成されるが、９５及び９８の積層品はコイル８６ｂ内の８７
として集合的に示される。積層品８７は２重パンケーキ４８ａのマンドレル８４
ａの周りに螺旋状に捲かれる。コイル８６ａはマンドレル８４ａの周りに第１の
円周方向に螺旋状に捲かれ、コイル８６ｂはマンドレル８４ａの周りに第２の円
周方向に捲かれ、第２円周方向は第１円周方向の反対である。例えば、もし上か
ら見て（すなわち、図３の斜視図）、もし該第１円周捲き線方向が時計回りなら
ば、第２円周捲き線方向は反時計回りである。該支持材料９８は該超伝導材料へ
の損傷を避けるために該コイル内で垂直負荷を取るよう残りの積層品より僅かに
高いバンドを有するのが典型的で、好ましくはステンレス鋼製であるのがよい。
該超伝導材料を保護するために該支持材料９８は又捲き線中は引っ張り負荷を、
そして動作中は周方向応力（hoop stresses）を取る。プレート５０ａはコイル
８６ａと８６ｂの間に置かれる。プレート５０ａとコイル８６ａの間に絶縁ワッ
シャー８８ａが配置され、プレート５０ａとコイル８６ｂの間に絶縁ワッシャー
８８ｂが置かれる。プレート５０ｂは同様に２重パンケーキ４８ｂ内に配置され
、プレート５０ｃは同様に２重パンケーキ４８ｃ内に配置される。

【００２１】 プレート５０ｄは２重パンケーキ４８ａと２重パンケーキ４８ｂの間に置かれ
る。絶縁ワッシャー８８ｃはプレート５０ｄとコイル８６ａの間に置かれ、そし
て絶縁ワッシャー８８ｄは２重パンケーキ４８ｂ内でプレート５０ｄとコイル８
６ｃの間に置かれる。プレート５０ｅは同様に２重パンケーキ４８ｂと２重パン
ケーキ４８ｃの間に絶縁ワッシャーと共に配置される。該コイル、絶縁ワッシャ
ー、そしてプレートの間の熱伝導率を改良するために、該インターフエースに伝
導グリース（conductive grease）を付けることが望ましい。インジウムグリー
ス（indium grease）又は酸化亜鉛のセラミック粒子を含むシリコン油溶媒のグ
リース（grease of silicon oil solvent containing ceramic grains of ZnO）
又は他の伝導性グリース又はオイルが使用出来る。

【００２２】 コイル８６ｂはマンドレル８４ａ内のへこまされたチャンネル（recessed cha
nnel）１０２内に嵌合する超伝導積層品材料（superconducting laminate mater
ial）の結合部分１００によりコイル８６ａに結合される。それは該２つのコイ
ル間で連続し蛇行する転移を形成するが、断面４Ａ−４Ａの位置では、該結合部
分１００はコイル８６ａと８６ｂの間に半分示される。この結合部分は全ての２
重パンケーキ用に典型的である。２重パンケーキ４８ａのコイル８６ａはスプラ
イス部分１０４により２重パンケーキ４８ｂのコイル８６ｃに結合されるが、該
スプライス部分ではコイル８６ａ上の超伝導積層品の端部とコイル８６ｃの超伝
導積層品の端部との間でスプライスが形成される。スプライス部分はスプライス
ブロック１０８のへこまされたチャンネル１０６内に含まれる。該スプライスブ
ロック１０８はコイル８６ａと８６ｃの超伝導材料の外側捲き回（outer turns
）上で静止するよう配置される。該スプライスブロック１０８は該プレート５０
ｄと係合する溝１１０を有する。それは該２つのコイル間で連続して蛇行する転
移を形成するが、断面４Ａ−４Ａの位置では、該スプライス部分１０４はコイル
８６ａと８６ｃの間で半分示される。このスプライス部分は該コイル組立体内の
全ての２重パンケーキの結合用に典型的である。コイル８６ｂ上の超伝導材料の
端部１１２は動作中直流電流源に電気的に接続される。該電流はコイル８６ｂの
捲き回を通り、結合部分１００を通り、コイル８６ａの捲き回を通り、スプライ
ス部分１０４を通り、コイル８６ｃの捲き回を通って、この仕方で該超伝導材料
の終了する組立体４２（図２Ａ）の頂部コイルまでの全てのパンケーキコイルを
通るよう続きそして該直流源の反対端部へ電気的に接続される。

【００２３】 図４Ｂは図３の断面４Ｂ−４Ｂの部分図であり、それは捲き線転移セグメント
８５（図３）から遠い場所でのマンドレル８４ａの様なマンドレルと、プレート
５０ａの様な冷却用プレートの関係を示す。該マンドレル４８ａはプレート５０
ａの内部エッジ１０９のみならず絶縁ワッシャー８８ａの内部エッジ１１１及び
絶縁ワッシャー８８ｂの内部エッジ１１３も受け入れる溝１３２を有する。これ
は該２重パンケーキの製作を容易化するために該マンドレルに対するワッシャー
及びプレートを軸方向及び半径方向に位置付けるのに役立つ。図１８の実施例の
様な、本発明の或る実施例では、コイル組立体の内部側上の冷却チューブと係合
するようにプレート５０ａのセグメントに該マンドレルを通って過ぎられるよう
にするために該溝１３２は該マンドレル８４ａを完全に通って進んでいる。

【００２４】 図５Ａはマンドレル８４を示すが、それはステンレス鋼で製作されるのが好ま
しく、使用中該マンドレル内の渦電流を遮断するために電気的絶縁コネクター１
１６により閉じられたギャップ１１４を有する。上記説明の様に、１つの受け入
れ可能な絶縁材料はジー１０シーアール（G-10CR）である。該コネクターは図５
Ｂでより詳細に示されるが、そこでは該コネクター１１６は該マンドレルの外面
１２０の部分を形成するセグメント１１８と該マンドレル８４の内面１２４の部
分を形成するセグメント１２２とを有する。ねじとしてこの実施例で示される、
フアスナー（Fasteners）は該コネクター１１６を該マンドレル８４へ保持する
。該ねじが除去されると、該コネクターは除去され得て、該マンドレルの直径は
、自由端１２８を自由端１３０の方へ動かすことにより減少出来て、それは図４
のプレート５０ａ、５０ｂそして５０ｃの様なプレートとの該マンドレルの組立
時に有用である。該マンドレルは環状プレート５０（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）
の内部エッジを受け入れる該外面１２０の部分内に溝１３２を有しそれは。本発
明の実施例では、該マンドレルの外面１２０の部分１３４は該へこまされたチャ
ンネル１０２に付随する特徴を有し（図４Ａ）そこでは溝１３２はは必ずしも必
要でなくそれは欠けるか又は使用されない。部分１３４の角度的長さは使用され
る該超伝導材料の柔軟性、該コイル組立体の形状、そして該コイル組立体が使用
中受けると期待される熱サイクリングに依る。小直径コイル及び／又は柔軟性の
より低い超伝導材料及び／又はより頻繁な熱サイクリングは部分１３４の大きな
角度的長さ（angular length）を要し、大直径コイル及び／又はより柔軟な超伝
導材料及び／又は頻度の少ない熱サイクリングは部分１３４の小さな角度的長さ
を要するのみでよい。本発明の好ましい実施例では部分１３４は約９０度である
。溝１３２の或る部分は該２重パンケーキ組立体の付随部品の整合と組立で有用
であるが、それはほんの小部分であるので、へこまされたチャンネル１０２の角
度的長さは約６０度から約３６０度であってもよい。好ましくはそれは６０度以
上で３６０度より少なく、より好ましくはそれは６０度以上で１８０度以下であ
る。

【００２５】 図６Ａ及び６Ｂはマンドレル８４内のチャンネル１０２の詳細を示す。図６Ａ
は図５Ａの６Ａ−６Ａ方向の立面図であり、それはチャンネル１０２の近くで遮
断される溝１３２を有する外面１２０を示す。図６Ｂで、該超伝導積層品８７は
チャンネル１０２内に置かれて示され、プレート５０の部分は交互の長短ダッシ
ュ線で示される。へこまされたチャンネル１０２の底面１３３は、該超伝導積層
品用の蛇行する通路を形成し、表面１２０の下に横たわり、それが表面１２０と
同レベルで溝１３２の頂部側１３８の上にある位置１３６でスタートし、そして
それが表面１２０と同レベルで溝１３２の底部側１４２の下にある位置１４０で
終了する。点１３８と１４０の間の点では、表面１３３は該超伝導積層品８７の
幅１４１（図６Ｂ）と概略等しい距離１３９で表面１２０の下にあるので、該積
層品はチャンネル１０２内に完全に含まれる。溝１３２は上記議論の様にプレー
ト５０を受け入れるので、該チャンネルは点１３６でのプレート５０の１つの側
上の位置から点１４０のプレート５０の反対側上の位置まで進む。図６Ａで、プ
レート５０は図面の明確化のために省略された。本発明の実施例では、チャンネ
ル１０２は、該マグネット組立体の中心軸線に対し、螺旋形である。チャンネル
１０２の高さ１４６は該超伝導材料積層品８７の高さと概略等しい（図４Ａ及び
６Ｂ）。

【００２６】 図６Ｂを参照すると、点１４０の左で、該積層品８７はマンドレル８４の外面
１２０と接触して静止する。点１４０から右へ動くと、該積層品８７はチャンネ
ル１０２の底面１３３と接触しそして、該積層品が位置１４４で完全に表面１２
０の下に来るか又は該積層品８７の表面と該表面１２０とが概略一致するまで該
表面１２０の下を徐々に移動する。これは該積層品が、又溝１３２の端部間の該
領域１４８で僅かにその内部エッジ１０９ａ上に浮き上がる（relieved）プレー
ト５０を過ぎて動くことを可能にする。該超伝導積層品を連続的に支持し、超伝
導積層品の捲き回が相互に重なる時突然の方向変化を半径方向及び円周方向で除
去する蛇行通路、底面を有するへこまされたチャンネルを備える該マンドレルは
該積層品内の該超伝導材料を損傷する機会を最小化すると信じられる。又該プレ
ート５０（図４での５０ａ、５０ｂ、そして５０ｃの様な）はプレート５０との
溝１３２の係合により該２重パンケーキ内の位置で安定化され、それは据え付け
を容易化し、コイル組立体４２（図２Ａ）の軸方向でのシフトを除去する。

【００２７】 図７Ａは図４の７Ａ−７Ａ方向の立面図を示すが、ジー１０シーアール（G-10
CR）の様な絶縁材料製のスプライスブロック１０８のみを示す。ブロック１０８
はへこまされたチャンネル１０６を有する外面１５０を備える。図７Ｂで、ブロ
ック１０８はコイル８６ａと８６ｃ内の超伝導積層品の最後の全捲き回、８７ｃ
ｄに対して位置するよう示される。ブロック１０８は内面１５８上の溝１１０と
整合されたスロット１５２と１５４を有するが、該スロット及び溝は図７Ｂで長
短ダッシュ線で示されたプレート５０ｄと係合するよう配置されている。へこま
されたチャンネル１０６の底面１６０は該超伝導積層品用の蛇行路を形成しその
長さに亘って表面１５０の下に横たわり、そしてそれが内面１５８と同レベルに
なる端部１６２と１６３での鋭いエッジへとテーパー形になっている。上記及び
図４での議論の様に溝１１０はプレート５０ｄを受け入れるので、該チャンネル
は位置１６４でのプレート５０ｄの１つの側上の位置から位置１６６でのプレー
ト５０ｄの反対側上の位置まで進む。プレート５０では図面の明確化のため図７
Ａから省略されている。チャンネル１０６の高さ１６８はチャンネル１０６の底
面１６０に対して置かれた該超伝導積層品８７の高さ１７０より高いので、該ス
プライスされた超伝導積層品８７は該チャンネル１０６内に完全に含まれる。図
７Ｂの右側の超伝導積層品端部８７ａは図４の２重パンケーキ４８ａのコイル８
６ａから来ており、図７Ｂの左側の端部８７ｂは図４の２重パンケーキ４８ｂの
コイル８６ｃから来ている。該２つの端部はスプライスを形成するために領域１
７２上のチャンネル１０６内で出会うが、該スプライスは該超伝導積層品の高さ
１７０より僅かに高い。２重パンケーキコイル組立体内のコイルの最後の捲き回
８７ｃｄにより支持され、そして該超伝導積層品を連続的に支持し、突然の方向
変化を半径方向と軸線方向に除去する蛇行通路、底面を有するへこまされたチャ
ンネルを備えた、該スプライスブロックは該積層品内の該超伝導材料を損傷する
機会を最小化すると信じられる。又該スプライスブロックはプレート５０ｄとの
溝１１０の係合により位置的に安定化されそれは据え付けと該コイル組立体４２
（図２Ａ）の軸線方向のシフトを除去する。該スプライスブロックは電気絶縁材
料製なのでそれは該スプライス内の該超伝導材料の該コイル組立体４２内の他の
伝導性要素との偶然の接触を防止する。もしスプライスブロックが電気伝導性材
料製であるなら、追加的な絶縁性具備が必要である。本発明の実施例ではチャン
ネル１０６は該マグネット組立体の中心軸線に対し、螺旋形である。

【００２８】 図８は超伝導積層品８７ａ及び８７ｂの２つの端部間の典型的スプライスの線
図を示す。端部８７ａからの絶縁フイルム１７４ａの内端は図の頂部で端部８７
ｂからの絶縁フイルム１７４ｂの内端と重なる。該図でそれの下に端部８７ａか
らの超伝導材料の６枚の層の端部、１７６ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ、ｆと端部８７ｂ
からの１７６ｇ，ｈ，ｉ、ｊ、ｋ、ｌがある。該端部は、端部１７６ｇとの端部
１７６ａの様に、隣接しており、そして全ての隣接端部は図示の様に相互に離れ
るようずらされる（staggered apart from one another）。全ての端部を、一緒
にそして隣接端部の各対に隣り合う該超伝導材料に、積層するように隣接端部の
各対に半田１７８が付けられる。端部８７ａからの絶縁フイルム１８０ａの外端
は端部８７ｂからの絶縁フイルム１８０ｂの外端と重ね合わされる。最後に端部
８７ａからのバンド９８ａが端部８７ｂからのバンド９８ｂと重ね合わされそれ
ら間に半田１８２が付けられる。バンド９８ａと９８ｂは好ましくはステンレス
鋼製であるのがよい。該スプライス内の半田が該超伝導材料と該ステンレス鋼バ
ンド間の電気通路を創らないことを注意すべきである。この種のずらされ、隣接
するスプライスは該超伝導材料が重ね合わされるスプライスに比較してスプライ
ス内の高さ形成を限定する。

【００２９】 図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、そして９Ｄは本発明の該マンドレルと冷却用プレートを
使用して本発明の２重パンケーキ組立体を作る組立過程を図解する。

【００３０】 図９Ａを参照して、 １．図解された順序で該絶縁ワッシャー８８ａ、冷却用プレート５０そしてワ
ッシャー８８ｂを整合しそして１８４に於ける様な円周方向特徴を回転式に整合
する。

【００３１】 図９Ｂを参照して、 ２．過程１からの組立られた部品の内径にロール１８６を通す。ロール１８６
は２重パンケーキの１つのコイルに要する超伝導積層品８７ｅを表し、ロール１
８８は２重パンケーキのもう一方のコイルに要する超伝導積層品８７ｆを表す。
ロール１８６と１８８は１枚の絶縁プライ（one insulating ply）、６枚の高温
超伝導（エイチテーエス）プライ｛six high temperature superconducting(HTS
) plies｝、１枚の絶縁プライそして１枚のステンレス鋼支持プライを含む典型
的超伝導積層品の連続したワンピース（continuous piece）である。

【００３２】 ３．捲き線転移セグメント内に必要なものより僅か長い長さ用の該６枚のエイ
チテーエスプライの周りに絶縁プライ材料のピースを４捲き回捲きそしてロール
１８６と１８８の間の１９０で該積層品上に中心を置く。

【００３３】 図９Ｃを参照して、 ４．マンドレル８４の捲き線転移チャンネル１０２を整合させ中心合わせしそ
れでそれが位置１９０で該捲かれたエイチテーエスプライ（過程３）と整合し過
程１からの組み立てられた部分を有するマンドレルの円周方向の特徴と回転的に
整合する。

【００３４】 ５．該過程２のプライ長さと過程３の捲かれたエイチテーエスプライを該捲き
線転移チャンネル１０２内に注意深く置く。

【００３５】 図９Ｄを参照して、 ６．マンドレル８４内のコネクター１１６を取り除く。

【００３６】 ７．注意深く、該マンドレル端部を一緒に閉じ、該過程１の絶縁ワッシャーと
冷却用プレートを該マンドレル溝１３２内へ嵌合する（又図５Ａ，６Ａ及び６Ｂ
も）。該プレートカットアウト（図６Ｂの１４８）は１９０で該マンドレル捲き
線転移チャンネル上で中心合わせされねばならない。

【００３７】 ８．該マンドレル端部を離れるよう動かし、コネクター１１６を再据え付けし
、絶縁ワッシャーと冷却用プレートがマンドレル溝１３２内へ嵌合されたことを
確認する。

【００３８】 ９．時計方向に冷却用プレート５０の頂部上のワッシャー８８ａに接しながら
、該マンドレルの周りにロール１８６の積層品を捲き始める。該積層品の第１捲
き回が該捲き線転移チャンネルに近付いたら、該チャンネルの長さ用のエイチテ
ーエスプライの周りに絶縁体プライ材料のピースの４捲き回を捲く。

【００３９】 １０．ロール１８６を用いた該２重パンケーキの第１の側の捲き線を完了する
。必要なパンケーキ外径を達成すうために積層品の追加捲き回又はフィラー（fi
ller）の追加を要するかも知れない。捲き線張力の消失を防止するため外側捲き
回を固着する。パンケーキからパンケーキへのスプライス用又はパンケーキ端部
の電流源への端末形成（termination）用に適当な追加的積層品が提供されるこ
と。

【００４０】 １１．該２重パンケーキの第２側を完成するためにワッシャー８８ｂに接する
プレート５０の反対側上で反時計方向で捲き線するためロール１８８を用いて過
程９及び１０を繰り返す。

【００４１】 図１０は本発明の磁場を発生するための超伝導コイル組立体２００（図２Ａの
組立体４２と同様な）の頂部の部分的断面図を示し、特に、それが動作時に該超
伝導コイル組立体２００を通る熱流を図解する。単一パンケーキ構成が使用され
てもよいが、好ましい実施例では２重パンケーキ組立体（図４Ａの括弧内で示さ
れ、組立体４８ａ、ｂ、ｃと同様な）２１０ａ、２１０ｂそして２１０ｃ（部分
的に示された）が使用されそれら間に配置された分離プレート５０ｘ及び５０ｙ
を有する。これらの２重パンケーキ組立体の構造は上記で詳細に説明された。分
離プレート５０ｘと５０ｙは構造と機能に於いてプレート５０ｋ、５０ｍ、５０
ｎと同様であり、好ましい実施例では、ここでチューブ６２として示された、熱
伝導性要素の据え付けを見越すために開口部８９を備えている。チューブ６２は
中空であり、各プレート５０ｋ、５０ｘ、５０ｍ、５０ｙそして５０ｎと熱伝導
性結合を提供するために機械的又は油圧的手段によりスウエージされてもよい。
チューブ６２は又端部リング５２，高熱流束ストラップ（high heat flux strap
）６６，そして柔軟な熱伝導組立体７６と熱的に結合される。端部リング５２，
各プレート５０ｋ、５０ｘ、５０ｍ、５０ｙそして５０ｎ、そしてロッド６２の
材料用の種々の熱膨張／収縮（thermal expansion/reduction）係数を有する適
当な材料の選択を用いて、各々間の熱的結合は改良され温度低下をもたらすがそ
れは該プレートは該ロッドより大きい度合で収縮するからである。例えば、熱伝
導性材料、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金が端部リング５２，各
プレート５０ｋ、５０ｘ、５０ｍ、５０ｙそして５０ｎ用に使用され、そして熱
伝導性材料、好ましくは銅又は銅合金がロッド６２用に使用されてもよい。これ
らの原理は本発明の該超伝導コイルの下部半分の構造にも同様に適用される。

【００４２】 図１０では、熱流は矢印で示され、熱源が該パンケーキ内の該超伝導材料と考
えられる時、それは最小抵抗の通路に従うので、種々の程度にではあるが、該熱
は軸方向及び半径方向の双方に流れる。該超伝導材料内の熱は、該パンケーキ内
の垂直に配向された支持材料９８へそしてそれを通り、次いで層８８ｅ及び８８
ｆを通り、そして、それら間に位置付けられた超伝導材料用のプレート５０ｋ及
び５０ｘ内へ流れる。プレート５０ｋ及び５０ｘは該熱エネルギーを伝達しそし
て該熱は半径方向に外方へロッド６２へと流れる。ロッド６２は該熱エネルギー
を伝達しそして熱は軸方向に端部リング５２及び柔軟な熱伝導組立体７６へ流れ
る。該熱は２１２，２１４，２１６，２１７，２１８そして２１９の様な半径方
向にそして２２０，２２２，２２４、２２６，２２８、２３０そして２３２の様
な軸方向に主として流れる。柔軟な組立体７６を通して流れる該熱エネルギーは
次いで該極低温冷却ユニット７８により除去される。該コイル組立体４２の底部
半分は全く同様な仕方で動作する。かくして、動作中は、本発明の該超伝導コイ
ルは全体を通して、１度ケルビンより少ない変動を有して、好ましくは０．５度
ケルビンより少ない変動しか伴わず殆ど一定温度に保持される。

【００４３】 図では該端部ピースはリングとして、該半径方向熱伝達要素はプレートとして
そして熱伝導要素はロッド又はチューブとして描かれているが、該マグネットの
特定の応用に依って、各ピース用に異なる形状が使用されてもよい。 実験的モデル ０．８ｍの直径の極低温冷却（cryocooled）の高温超伝導｛エイチテーエス（
HTS）｝マグネットの熱的及び応力／ひずみ解析がコンピユータモデル化により
提供された。該マグネットの設計的中心場は〜２テスラである。該エイチテーエ
スマグネットは２０Ｋの目標動作温度で極低温冷却された。該エイチテーエス導
体及びその対応する支持構造について応力／ひずみ値を決定するために非線形の
応力／ひずみ解析が、１）引っ張り捲き線（tension winding）、２）軸方向予
圧縮（axial pre-compression）、３）２０Ｋまでのクールダウン（cool down）
、そして４）マグネットエネルギー賦与（magnet energization）、と云う製造
、動作の４重要段階について行われた。結果は、該エイチテーエス導体とその支
持構造が該装置の製造及び動作中に受け入れ可能な応力／ひずみレベル（０．２
％より低い機械的導体ひずみ）より下に留まることを示した。加えて、該エイチ
テーエス導体捲き線内での適切な熱除去を示すために定常状態の熱解析が行われ
た。結果は、最悪の場合の動作シナリオを表す１２Ｗ入力に対して３Ｋより低い
最大温度上昇を示した。

【００４４】 磁気的分離器用に開発されたエイテーエスコイル性能仕様は下記表１にリスト
化され、白陶土（kaolin）工業で現在使用される現在の商業的エルテーエス（LT
S）磁気的分離器に基づく。

【００４５】

【表１】

【００４６】 ２テスラの中心磁場は、バッチ型分離器で商業的に利用可能なものを代表する
ため選ばれた。該エイチテーエスコイル用の寸法要求は該白陶土及び２酸化チタ
ン工業で現在使用されているものにより決定された。使用寿命、磁気的及び熱的
サイクル数、立ち上げ時間他の項目での他の要求は冷却システムを除いて商業的
エルテーエス磁気的分離器で使用されているものを示した。現在、この直径の商
業的な磁気的分離器で使用される該エルテーエスコイルは冷媒として液体ヘリウ
ムを使用することに限定されて来た。

【００４７】 該エイチテーエスコイル性能要求に基づいて、詳細なエイチテーエスコイル概
念設計が作られた。該設計のキー要素を表２に概説する。

【００４８】

【表２】

【００４９】 該コイル用エイチテーエス導体は銀鞘入り（silver sheathed）Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X（Ｂｉ−２２２３）パウダーインチューブ（powder-in-tube）多数
フイラメントテープ（multi-filamentary tape）の数本のストランド（several
strands）である。各Ｂｉ−２２２３テープは約４ｍｍ幅で０．２５ｍｍの厚さ
であり、６１本より多いエイチテーエスフイラメントを含む。該エイチテーエス
テープは〜２．５対１の普通金属対超伝導体比を有する。該導体は予成型（pre-
formed）された捲き線用マンドレル上に２重パンケーキコイルとなるよう引っ張
り捲き（tension wound）された。ステンレス鋼の支持ストリップが該コイル内
の周方向応力（hoop tension）を支持するよう使用された。各２重パンケーキコ
イルはスタックされ１つの連続エイチテーエスコイルを形成するよう一緒にスプ
ライスされた。該スタックされたエイチテーエスコイル組立体はクールダウン（
cool-down）及びエネルギー賦与（energization）中導体移動を最小化するため
張力ロッド（tension rods）を介して軸方向に予圧縮された。捲き回対捲き回及
びパンケーキ対パンケーキの絶縁にそれぞれカプトン（Kapton R）及びジー１０
（G-10）が使用された。電流リードは約６０Ｋのインターセプト温度（intercep
t temperature）を有するバイナリー型エイチテーエス電流リードである。該電
流リードのより低い段階（エイチテーエス部分）は銀−１０％金合金化Ｂｉ−２
２２３パウダーインチューブテープ（silver - 10% gold alloyed Bi-2223 powd
er-in-tube tape）である。約６０Ｋで動作する６０６１−Ｔ６アルミニウムシ
ールド（shield）が室温放射熱負荷を中断（intercept）するため使用された。
該エイテーエスコイル組立体はドーナッツ型の真空極低温冷却器（vacuum cryos
tat）内に設置された。該極低温冷却器は鉄ヨーク構造の内側に設置された。該
全マグネット組立体（該鉄ヨークを含む）は輸送可能なように設計された。 応力／ひずみ解析 製造から動作までのエイチテーエスの４つの重要状態、すなわち１）引っ張り
捲き線、２）室温での軸方向予圧縮、３）２０Ｋまでのクールダウン、そして４
）マグネット励磁、で該エイチテーエス導体とその対応する支持構造での応力／
ひずみを決定するために非線形有限要素法解析｛エフイーエイ（FEA）｝が使用
された。該マグネット励磁応力／ひずみ解析用に、商業的な境界要素法コード（
Boundary Element Method code）を使用した２次元｛２デー（2D）｝及び３次元
｛３デー（3D）｝電磁解析が該磁気的力を決定した。

【００５０】 該構造解析を完成するためにアバカスバージョン５．８（ABAQUS Version 5.8
）エフイーエイ（FEA）コードが使用された。図１１は陰影を付けた種々の材料
部品を有する２重パンケーキ断面の１／２の２次元軸対称解析を示す。該解析要
素は該層の上下の各パンケーキコイルの半分と共に絶縁層２５０と金属層２５２
を含む。軸対称要素を使用することにより、該解析は該マンドレル２５４の周り
の１連の同心リングとして該螺旋捲き線コイルを近似する。該内径領域２５６内
の最初の３つの内径｛アイデー（ID）｝コイルプライと該外径領域２５８内の最
後の３つの外径｛オーデー（OD）｝コイルプライは、これらの極端な実際条件を
より良くシミュレートするために別のエイチテーエスプライ２６０とステンレス
鋼｛エスエス（SS）｝支持プライ２６２を含めた。中央のプライは基本的挙動を
モデル化するために平均特性を用いてシミュレートされた。該解析の各部分間の
接触面が定義された。

【００５１】 該パンケーキコイル捲き線を通る下部切断面は軸方向運動に対し制限された。
上部切断面は軸方向に一緒に動くよう制限された。これらの境界条件は該全マグ
ネットの中央部分をシミュレートする。

【００５２】 該パンケーキ捲き線過程の解析は各エイチテーエス及びエスエスのプライの対
での初期周方向応力を定義することを含む。これらの応力を掛けられたプライの
対は実際の捲き線過程を模倣するために１度に１対で解除された。該初期応力は
、該エイチテーエス及びエスエスのプライ内の該周方向応力が、解除後、該捲き
線張力と整合するように調整された。各新しい対が解除される時、該前に解除さ
れた内径プライ（ID plies）が圧縮され、結果としてそれらの初期張力を失う。

【００５３】 図１２は、別々のエイチテーエス及びエスエスプライを有する拡大した内径領
域２５６と外径領域２５８のみ用の該捲かれたパンケーキの解析での最終周方向
ひずみを示す。該マンドレル及び内径エイチテーエスプライは全て圧縮状態にあ
る。該内径エスエスプライは、該捲き線張力より可成り少ないが、なお引っ張り
状態にある。該外径エスエスプライは全て、概略該捲き線張力レベルでの引っ張
り状態にある。該捲き線シュミレーション中接触面間で摩擦は含まれてない。

【００５４】 該解析への軸方向負荷の印加は該スタックされたパンケーキのクランプされた
組立体をシミュレートする。該捲かれたパンケーキ解析への最終軸方向圧縮負荷
は該エネルギーを与えられた負荷と比較して大きくない。

【００５５】 次のシミュレーションは該マグネットを２０Ｋまで冷却することを含む。この
状態用には、該接触面間の摩擦が該解析に含まれる。熱膨張係数の差のために、
該エイチテーエス、エスエス、絶縁体そして金属材料は全て異なる量で収縮する
。これは該エイチテーエス／エスエスプライを該マンドレルへ締めて保持してい
る該圧縮応力を除去（unload）する傾向がある。モデル化する課題の挑戦は、該
エイチテーエス材料に過剰ひずみを掛ける（overstraining）ことなく該内径エ
イチテーエスプライに該マンドレルとの接触を保持させるに必要な捲き張力（wi
nd tension）のレベルを決定することである。もし不充分な捲き張力が使用され
れば、該内径エイチテーエスプライは隣接プライとの接触を失い、熱伝達能力を
危うくする。

【００５６】 図１３は該マグネット用の２０Ｋに冷却された条件での該内径領域２５６と外
径領域２５８での半径方向ひずみを示す。中間のプライはこれらの境を接するひ
ずみ状態の間に入る。重要な結果は、該エイチテーエスプライは該隣接エスエス
支持プライと共に全て半径方向圧縮状態にあることである。引っ張りの半径方向
ひずみのみは該絶縁層と外径エスエスプライとの間の摩擦による。

【００５７】 最終状態は該励磁負荷をシミュレートする。これは該解析で該エイチテーエス
材料に半径方向加速度を印加することにより達成される。該加速度は該コイルの
内径から外径まで２：１の比で線形に変化した。該加速度の大きさは、該エネル
ギー賦与されたマグネット内で発生される全半径方向力を作るよう設定された。
加えて、該磁気的解析からの軸方向圧縮負荷が該頂部エイチテーエス／エスエス
パンケーキ切断面（top HTS/SS pancake cut plane）に印加される。

【００５８】 図１４は該エネルギーを賦与されたコイルの該内径領域２５６と外径領域２５
８での該エイチテーエス周方向ひずみを示す。示される様に、該ひずみレベルは
該エイチテーエス材料の０．２％能力の相当下にある。

【００５９】 該エイチテーエスの軸方向ひずみは図１５に示される。これらのひずみは該大
きな軸方向にエネルギーを賦与された負荷により圧縮性である。該エスエス支持
プライが該軸方向力の大きな部分を担うので、該エイチテーエスにより担われる
該負荷は低い。

【００６０】 表３は該３つの最高負荷状態で該最初と最後のプライ用の該エイチテーエス及
びエスエス支持プライ内のひずみを詳細に示す。応力は該エイチテーエス材料の
能力内にある。

【００６１】

【表３】

【００６２】 熱的解析 普通の動作条件下で最高コイル温度を決定するために静的線形エフイーエイ（
static linear FEA）が使用された。交流損失及び該熱的解析への入力として使
用される直流静的熱負荷（２０Ｋで〜１２Ｗ）が別の解析で計算された。該放射
シールド及び該エイチテーエス電流リード用に６０Ｋの温度インターセプト（te
mperature intecept）が仮定された。それぞれ該モデルを創りそして該モデルの
解析を行うためにエイチピービジュアライズシー１６０ワークステーション（HP
Visualize C160 Workstation）上で動作するプロ／エンジニアアール及びプロ
／メカニカアールサーマルレリース１９．０（Pro/ENGINEER R and Pro/MECHNIC
A R THERMAL Release 19.0）ソフトウエアが使用された。２種類の定常状態熱伝
導解析が行われたが、すなわち該マグネットを通る１／２断面の２次元軸対称解
析と３次元解析である。熱的解析入力は表４に概説される。

【００６３】 該２次元軸対称モデルについては、コイルパンケーキの数とコイル当たり捲き
回（表２参照）は〜１０：１に合併（consolidated）される一方該コイルの全体
の物理的寸法は保持された。この合併は等価な１０ケのパンケーキの構造を生じ
るがその中では各パンケーキは詳細には３捲き回構造である（図１６参照）。薄
い外側銅シエル（thin outer copper shell）２６４は実際の軸方向冷却の特徴
をシミュレートする。該１２Ｗの熱負荷は線形に減少する半径方向傾斜を持たせ
て該エイチテーエス要素に分布された。図１６は該１／２の合併された構造断面
用の２次元解析熱的フリンジプロットである。線２６６は該コイル組立体の中心
線、線２６８は該組立体の軸方向中間面（axial midplane）である。２０Ｋのス
タート動作温度について、該２次元解析は該エイチテーエス材料内の２０．４６
Ｋの最高温度を予測した。

【００６４】 該３次元モデルについては、該パンケーキコイル構造は３捲き回の等価な単一
パンケーキを与えるように一緒にまとめられた。該２次元モデルを用いて計算さ
れ検証された直交異方性の熱的特性（Orthotropic thermal properties）が該ま
とめられた構造に割り当てられた。該３次元モデルは渦電流遮断部（eddy curre
nt breaks）、パンケーキスプライス、電流リード接続の非対称的特徴及び該２
つの極低温冷却器の個別的設置を含む（表４参照）。

【００６５】

【表４】

【００６６】 図１７は該まとめられたコイル構造の３次元熱的解析フリンジプロットである
。２０Ｋのスタート用動作温度について、該３次元解析は該エイチテーエスコイ
ル内で２２．１９Ｋの最高温度を予測した。該柔軟な極低温冷却器結合（示され
てない）を跨ぐ０．５０Ｋの計算温度差の追加は２２．６９Ｋまでの最高エイチ
テーエスコイル温度を生じる。

【００６７】 概説すると、動作を通してのマグネット組立体の４つの状態をシミュレートす
るために２次元軸対称応力／ひずみ解析が行われた。該解析の結果は、該機械的
応力は室温で１０ＭＰＡより、そして２０Ｋ及び４００Ａで３２．６ＭＰＡより
小さい。これらの値は該エイチテーエス材料の動作限界内に充分入っている。定
常状態動作条件下で該コイルの最高温度を決定するために２次元軸対称及び３次
元の熱的解析が行われた。１２Ｗの熱負荷に対して、該２次元及び３次元解析結
果は、それぞれ〜０．５Ｋ及び３Ｋの最大温度上昇（maximum △ΔT）を示す。
これらの値は該エイチテーエスマグネットシステムの充分な安全動作エンベロー
プ（safe operating envelope）の中に充分ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 スラリー流体用の磁気的分離器の線図である。

【図２Ａ】 超伝導コイル組立体の斜視図である。

【図２Ｂ】 チューブ状冷却用ロッドと複数の冷却用プレートの間の結合を示す図２Ａの部
分の拡大図である。

【図３】 ２重パンケーキコイルの平面図である。

【図４Ａ】 ２重パンケーキマンドレル内の捲き線転移チャンネルと該２重パンケーキコイ
ルを結合するスプライスブロック内のスプライス転移チャンネルとを示す図３の
４Ａ−４Ａ方向で見た断面図である。

【図４Ｂ】 ２重パンケーキマンドレルの溝内に係合した冷却用プレートの詳細を示す図３
の４Ｂ−４Ｂ方向で見た断面図である。

【図５Ａ】 コネクターを有するマンドレルの斜視図である。

【図５Ｂ】 該コネクターの拡大平面図である。

【図６Ａ及び６Ｂ】 図５Ａのマンドレルの６Ａ−６Ａ方向で見た捲き線転移チャンネルの、それぞ
れ、立面図及び平面図である。

【図７Ａ及び７Ｂ】 図４の該スプライスブロックの７Ａ−７Ａ方向で見たスプライス転移チャンネ
ルの、それぞれ立面図及び平面図である。

【図８】 ２つの２重パンケーキ組立体の間のスプライスの側面線図である。

【図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、そして９Ｄ】 本発明のマンドレルと冷却用プレートを用いて２重パンケーキを作るための組
立過程を図解する。

【図１０】 本発明の超伝導コイル組立体の頂部の断面での熱流れを示す。

【図１１】 マグネットの部分の２次元解析を示す。

【図１２】 マグネット組立体の部分でのフープひずみを示す。

【図１３】 マグネット組立体の部分での半径方向ひずみを示す。

【図１４】 エネルギーを与えられたマグネット組立体の部分内のフープひずみを示す。

【図１５】 エネルギーを与えられたマグネット組立体の部分内の軸方向ひずみを示す。

【図１６】 ２次元解析の熱の縞状プロットを示す。

【図１７】 ３次元解析の熱の縞状プロットである。

【図１８】 内部熱伝導要素を有するマグネットの部分を、部分断面で、示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウエステンドルフ，チヤールズ・エル，ジ ユニア アメリカ合衆国デラウエア州19808ウイル ミントン・チヤールストンドライブ218 (72)発明者 ホフマン，ウイリアム・シー，ジユニア アメリカ合衆国デラウエア州19711ニユー アーク・ワーシントンパークロード47

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中に提供されたへこまされたチャンネルを具備する超伝導２
   重パンケーキコイル組立体用マンドレルに於いて、前記へこまされたチャンネル
   が超伝導材料を置くための幅と深さとを備えることを特徴とする超伝導２重パン
   ケーキコイル組立体用マンドレル。
2. 【請求項２】 請求項１のマンドレルに於いて、前記へこまされたチャンネ
   ルは蛇行した通路であることを特徴とするマンドレル。
3. 【請求項３】 請求項１のマンドレルに於いて、前記へこまされたチャンネ
   ルは螺旋形であることを特徴とするマンドレル。
4. 【請求項４】 請求項１のマンドレルに於いて、前記へこまされたチャンネ
   ルは可変的深さと実質的に一定の幅とを有し、そして前記超伝導材料は前記チャ
   ンネルの最大深さの点で前記チャンネル内に完全に含まれることを特徴とするマ
   ンドレル。
5. 【請求項５】 請求項４のマンドレルに於いて、前記マンドレルは実質的に
   円形であり、前記へこまされたチャンネルは前記円形マンドレルの約６０度から
   ３６０度の円弧内に配置されることを特徴とするマンドレル。
6. 【請求項６】 中に提供されたへこまされたチャンネルを具備する超伝導２
   重パンケーキコイル組立体用スプライスブロックに於いて、前記へこまされたチ
   ャンネルはスプライスされた超伝導材料を置くための幅と深さとを備えることを
   特徴とする超伝導２重パンケーキコイル組立体用スプライスブロック。
7. 【請求項７】 請求項６のスプライスブロックに於いて、前記へこまされた
   チャンネルが蛇行した通路であることを特徴とするスプライスブロック。
8. 【請求項８】 請求項６のスプライスブロックに於いて、前記へこまされた
   チャンネルが螺旋形であることを特徴とするスプライスブロック。
9. 【請求項９】 請求項６のスプライスブロックに於いて、前記へこまされた
   チャンネルは可変的深さと実質的に一定の幅とを有し、前記スプライスされた超
   伝導材料が前記チャンネルの最大深さの点で前記チャンネル内に完全に含まれる
   ことを特徴とするスプライスブロック。
10. 【請求項１０】 磁場発生用超伝導コイル組立体に於いて、 端部ピースと、 前記端部ピースに隣接する少なくとも１つのパンケーキ組立体とを具備してお
    り、前記パンケーキ組立体は超伝導材料と半径方向熱伝達要素とを備えており、
    前記超伝導材料は前記半径方向熱伝達要素と前記端部ピースとの間に配置されて
    おり、そして該磁場発生用超伝導コイル組立体は又、 前記端部ピースと前記半径方向熱伝達要素とに熱伝導結合を有する熱伝導要素
    を具備することを特徴とする磁場発生用超伝導コイル組立体。
11. 【請求項１１】 請求項１０の超伝導コイル組立体に於いて、前記熱伝導要
    素は前記超伝導材料と接触していないことを特徴とする超伝導コイル組立体。
12. 【請求項１２】 請求項１０の超伝導コイル組立体に於いて、前記熱伝導要
    素は前記端部ピース又は前記半径方向熱伝達要素より大きい熱伝導率を有するこ
    とを特徴とする超伝導コイル組立体。
13. 【請求項１３】 請求項１０の超伝導コイル組立体に於いて、前記熱伝導結
    合はスウエージされていることを特徴とする超伝導コイル組立体。
14. 【請求項１４】 請求項１０の超伝導コイル組立体に於いて、前記半径方向
    熱伝達要素はプレートであり、前記端部ピースはリングであることを特徴とする
    超伝導コイル組立体。
15. 【請求項１５】 請求項１０の超伝導コイル組立体に於いて、前記熱伝導要
    素は金をコートされた銅を含むことを特徴とする超伝導コイル組立体。
16. 【請求項１６】 請求項１１の超伝導コイル組立体に於いて、前記熱伝導要
    素の中心軸線は該超伝導コイル組立体の中心軸線と平行に配置され、前記超伝導
    材料の最も外の部分の外にあることを特徴とする超伝導コイル組立体。
17. 【請求項１７】 請求項１１の超伝導コイル組立体に於いて、前記熱伝導要
    素の中心軸線は該超伝導コイル組立体の中心軸線と平行に配置され、前記超伝導
    材料の最も内側の部分の外部にあることを特徴とする超伝導コイル組立体。
18. 【請求項１８】 請求項１６の超伝導コイル組立体に於いて、第２の熱伝導
    要素があり、該第２の熱伝導要素の中心軸線は該超伝導コイル組立体の中心軸線
    と平行に配置されており、前記超伝導材料の最も内側の部分の外部にあることを
    特徴とする超伝導コイル組立体。
19. 【請求項１９】 請求項１０の超伝導コイル組立体に於いて、前記半径方向
    熱伝達プレートが最も外の部分の周りに複数の孔を有しており、前記熱伝導要素
    は複数の冷却用ロッドを備えており、各ロッドは該熱伝達プレート内の孔と係合
    することを特徴とする超伝導コイル組立体。
20. 【請求項２０】 請求項１９の超伝導コイル組立体が更に、該パンケーキ組
    立体の反対側で該端部リングに隣接する熱伝導ストラップを具備しており、前記
    複数のロッドの各々は該ストラップと熱的に結合された端部を有することを特徴
    とする超伝導コイル組立体。
21. 【請求項２１】 材料の流れから不純物を抽出する方法に於いて、 該流れを超伝導マグネット組立体のマグネットコイル内に配置された磁化可能
    なフイルターを通して進ませる課程と、 該マグネット組立体に直流電流でエネルギーを与える過程と、 該マグネット組立体を該マグネットコイルに結合された閉じられた冷却システ
    ムで冷却する過程であるが、該冷却する過程により該不純物を該フイルターへ磁
    気的に引き、該不純物を該流れから除去するために、該冷却する過程とを具備す
    ることを特徴とする材料の流れから不純物を抽出する方法。
22. 【請求項２２】 請求項２１の方法が更に、 該流れを通して進ませることを停止させ、該マグネット組立体へのエネルギー
    源を絶つ過程と、 該フイルターから該不純物を清掃する過程と、 該通して進ませそしてエネルギーを与える過程を繰り返す過程とを具備するこ
    とを特徴とする方法。
23. 【請求項２３】 請求項２２の方法に於いて、該流れを通して進ませる過程
    が２酸化チタンと不純物とを含むスラリーを通して進ませる過程を備えることを
    特徴とする方法。
24. 【請求項２４】 磁場発生用超伝導コイル組立体を冷却する方法に於いて、 第１超伝導パンケーキ組立体の１つの側に隣接する熱伝導端部リングを置く過
    程と、 該端部プレートに閉じられた冷却システムを結合する過程と、 該第１超伝導パンケーキ組立体の該反対側に隣接する第１半径方向熱伝達プレ
    ートを置き、該第１プレートと第１パンケーキ組立体との間の熱的結合を確立す
    る過程と、そして 該第１プレートと該リングとの間に熱エネルギー流れ通路を提供し、それによ
    り該第１パンケーキ組立体と該冷却システムとの間の冷却通路を確立するするた
    めに、該端部リングと該第１プレートの間に熱伝導要素を結合する過程とを具備
    することを特徴とする磁場発生用超伝導コイル組立体を冷却する方法。
25. 【請求項２５】 請求項２４の方法が更に、 該第１半径方向熱伝達プレートに隣接して第２超伝導パンケーキ組立体を置く
    過程と、 該第２パンケーキ組立体の該反対側に隣接して第２半径方向熱伝達プレートを
    置きそして該第２パンケーキ組立体と、該第１プレートと、そして該第２プレー
    トとの間の熱的結合を確立する過程と、そして 該第２プレートと該リングとの間の熱エネルギー流れ通路を提供し、それによ
    り該第２パンケーキ組立体と該冷却システムとの間の冷却通路を確立するために
    該端部リングと該第２プレートの間に該熱伝導要素を結合する過程とを具備する
    ことを特徴とする方法。