JP2015532526A - 超電導コイル装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

超電導コイル装置とこのコイル装置の製造方法が提示されている。この超電導コイル装置は、１つの円筒形支持体（２２）と、１つの超電導テープ状導体（１）からなる少なくとも２つのコイル巻線（Ｗ１、Ｗ２）とを含む。この超電導テープ状導体（１）は、１つの二重に連結されたトポロジーを有し、この二重に連結されたトポロジーの内部に１つの連続した超電導層（２０）と２つの分岐導体（２、４）を含み、これらの分岐導体が２つの逆方向の螺旋状巻線の形で円筒形支持体（２２）の周囲に配置されている。本発明による方法は、１つの円筒形支持体（２２）と、少なくとも１つの支持テープ（１６）と１つの超電導層（１０）を含む１つの超電導テープ状導体（１）とを有する超電導コイル装置の製造方法を提示している。この製造方法では、超電導層（２０）を被着する前に、または、その後で、超電導テープ状導体（１）の長手（６）方向に支持テープ（１６）にスリットを入れることによって、二重に連結されたトポロジーを有する超電導テープ状導体（１）が作られ、前記二重に連結されたトポロジーを有する超電導テープ状導体（１）が逆方向の螺旋状巻線の形で前記円筒形支持体（２２）の周囲に巻かれる。
【選択図】図３

Description

本発明は、１つの超電導テープ状導体からなる複数のコイル巻線を有する超電導コイル装置とこのコイル装置の製造方法に関する。

より強力、かつ、より均一な磁場を発生する目的で、連続短絡電流モードで運転される超電導コイルが使用される。磁束密度が０．５Ｔから２０Ｔの間にある均一な磁場は、例えば、核磁気共鳴スペクトル分光（ＮＭＲスペクトル分光）および磁気共鳴画像生成に必要とされる。これらの磁石は通常は、外部電流回路を介して充電され、次いで、外部電源から遮断される。というのは、結果として生じる連続短絡電流モードにおいてほぼ無損失の電流が超電導コイルを介して流れるからである。結果として生じるこの強力な磁場は、外部電流回路のノイズの影響を受けないので、時間的に特に安定である。

公知の巻線技術を利用する場合には、１本または多数の超電導ワイヤが支持体上に巻かれ、この場合、複数の異なるワイヤセクションが、できるだけ小さいオーム抵抗を有するワイヤ接続により、または、超電導接続により、相互に接続される。臨界温度が２３Ｋ以下のＮｂＴｉおよびＮｂ₃Ｓｎのような従来の低温超電導体に対しては、複数のワイヤセクションを接続するために超電導接触を行うための技術および複数の巻線を１つの超電導連続電流スイッチと接続するための技術が在る。この場合、この超電導連続電流スイッチはコイルの電流回路の一部であり、外部電流を注入するために加熱により常電導状態に転移される。加熱を停止し、運転温度に冷却した後に、コイルのこの部分も再び超電導状態になる。

高温超電導体、即ち、高Ｔｃ超電導体（ＨＴＳ）は２５Ｋ以上の臨界温度を有する超電導材料であり、幾つかの材料類、例えば、銅酸化物超電導体では、７７Ｋ以上であり、この場合には、液体ヘリウム以外の極低温冷却材を用いて運転温度に達することができる。ＨＴＳ材料は、ＮＭＲスペクトル分光および磁気共鳴画像生成用の磁気コイルを作るのに特に魅力的である。というのは、多くの材料が２０Ｔ以上の高い臨界磁場を有しているからである。より強い臨界磁場により、ＨＴＳ材料は、例えば１０Ｔ以上の強い磁場を発生するためには、原理的に低温超電導体よりも適している。

ＨＴＳ磁気コイルを製造する際の１つの問題は、ＨＴＳ、特に第２世代ＨＴＳ、いわゆる２Ｇ−ＨＴＳ、を超電導接続するのに適した技術がないことである。この２Ｇ−ＨＴＳワイヤは通常は平らなテープ状導体の形状をしている。複数の超電導テープ状導体の間に常電導性の接点が挿入されると、このコイルにおける損失は無視することができず、発生された磁場は数時間または数日の間に著しく減衰する（これについては、下記の文献を参照されたい）。

「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ」誌、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．１、Ｍａｒｃｈ ２００２、４７６頁〜４７９頁 「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ」誌、Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．２、Ｊｕｎｅ ２００８、９５３頁〜９５６頁

本発明の課題は、上記の欠点を避ける超電導コイル装置を提供することにある。本発明のもう一つの課題は、前記コイル装置のための製造方法を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載されたコイル装置、および、請求項１４に記載された方法により解決される。

本発明によるコイル装置は、１つの円筒形支持体と、１つの超電導テープ状導体からなる少なくとも２つのコイル巻線とを含む。この超電導テープ状導体は１つの二重に連結されたトポロジーを有し、この二重に連結されたトポロジー内部に１つの連続する超電導層を有する。さらに、この超電導テープ状導体は２つの分岐導体を含み、これらの分岐導体は２つの逆方向の螺旋状巻線の形で円筒形支持体の周囲に配置されている。

幾何学的トポロジーにおける「二重に連結された」という用語はここでは、この超電導テープ状導体が、１つの穴を有する１つの単一ループを有していることを意味する。「二重に連結されたトポロジー内部の１つの連続する超電導層」は、前記ループ全体に亘って、常電導性の接点を有する接続が存在することなく、超電導的な接続が行われている層、を意味する。

本発明によるコイル装置により、強力で、均一な、そして、時間的に一定な磁場を発生することができる。というのは、このコイル装置はほぼ無損失で連続短絡電流モードで運転することができるからである。

本発明による方法により、１つの円筒形支持体と１つの超電導テープ状導体とを有し、この超電導テープ状導体が少なくとも１つの支持テープと１つの超電導層とを含んでいる超電導コイル装置の製造方法が提供される。この製造方法において、超電導層を被着する前に、または、その後に、この超電導テープ状導体の長手方向に支持テープにスリットをいれることによって、１つの二重に連結されたトポロジーを有する１つの超電導テープ状導体が作られ、二重に連結されたトポロジーを有するこの超電導テープ状導体が複数の逆方向の螺旋状巻線の形で円筒形支持体の周囲に巻きつけられる。

本発明による製造方法によって、二重に連結されたトポロジーの内部に前記の連続した超電導層を形成することができ、その際に、例えば、ろう付け工程や焼結工程による後工程の接続をする必要がない。

本発明によるコイル装置の有利な形態とその発展形態が請求項１に従属する請求項に記載されている。これによれば、このコイル装置はさらに次の特徴を有することができる。
−前記超電導層が高Ｔｃ超電導体を含むことができる。
−この高Ｔｃ超電導体は材料ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xを含むことができ、ここでＲＥは１つの希土類元素またはその混合物を表わす。
−この高Ｔｃ超電導体は材料ＭｇＢ₂を含むことができる。
−複数のコイル巻線の間に少なくとも１つの電気絶縁層を配置することができる。
−前記電気絶縁層と前記超電導テープ状導体は、一緒に前製作されて、１つの巻線テープを形成することができる。
−前記超電導テープ状導体は、円筒形支持体の表面上にほぼ平らに載置することができる。
−前記コイル装置は、逆方向の螺旋状巻線からなる互いに重なり合う多数の巻線対を含むことができる。
−前記超電導テープ状導体は、１つの加熱可能領域を含むことができ、この加熱可能領域は１つの加熱装置と熱的に接触している。この加熱可能領域内で前記超電導テープ状導体は超電導スイッチとして作用し、このスイッチは前記加熱により常電導状態に転移する。このようなスイッチにより、本コイル装置の超電導状態を継続する領域への電流の注入が有利に可能となる。
−前記加熱可能領域は螺旋状巻線の外側に設けることができる。この場合、この加熱可能領域は円筒形支持体と熱的に接触しないように配置するのが好適であり、それによって、超電導状態が継続する領域の加熱を有利に避けることができる。
−代案として、この加熱可能領域を、円筒形支持体に対して熱絶縁された、螺旋状巻線の一部として形成することができる。
−前記加熱可能領域に対する代案として、コイル装置が局所磁場発生用の装置を含むことができ、この局所磁場発生装置は超電導テープ状導体の１つの領域をその局所磁場によって常導電状態に転移させることができる。
−前記コイル装置は、このコイルを外部電源と接続するための少なくとも２つの接点を含むことができる。
−これら２つの接点は、コイルの加熱可能領域の両側に、あるいは、局所磁場発生装置の両側に配置するのが好適である。その際、外部電流を、まだ超電導状態が継続するコイル領域に導入することができる。

本発明による製造方法の有利な形態およびその発展形態は、請求項１４に従属する請求項に記載されている。この製造方法はさらに以下の特徴を有することができる。
−前記二重に連結された超電導テープ状導体が、１つの電気絶縁層と共に前製作されて、１つの巻線テープを形成し、この巻線テープが逆方向の螺旋状巻線を製造するために、１つのストックロールから解かれる。
−ストックロールから解くことによって逆方向の複数の螺旋状巻線を製作する際に、各コイル巻線を作るために、このストックロールから前記超電導テープ状導体を一度で引出すことができる。この方法は好適には、このような方法に対して十分なねじれ安定度を有するように形成することができる２Ｇ−ＨＴＳテープ状導体で実施される。
−単一連結された超電導テープ状導体には、レーザーまたはダイヤモンド鋸でスリットを入れることができる。

本発明を以下の好ましい実施例に基づき図を参照して説明する。

二重に連結されたトポロジーを有する超電導テープ状導体の模式的な上面図を示す。 図１のII-II線に沿う断面による２Ｇ−ＨＴＳ超電導テープ状導体の断面図の例 超電導コイル装置の模式的な側面図で、本実施例における分岐導体の巻線を示す。

図１は二重に連結されたトポロジーを有する超電導テープ状導体の模式的な上面図を示し、これは単一連結されたトポロジーを有する１つの超電導テープ状導体にスリットを入れることにより作られている。この例では、このスリット入れ作業はレーザーを用いて行われている。ここに示された実施例はＮＭＲ分光法について記載したものである。この例では、当初、単一連結されたテープ状導体の長さ６は１０００ｍである。しかし、この長さは実際には、より短くても、より長くてもよい。磁気共鳴画像生成用のコイル装置では、その長さはここに記載された長さの何倍にもなることがある。この超電導テープ状導体は、２つのほぼ同じ寸法の分岐導体２と４を含む。第１分岐導体２を通って電流Ｉ₂が流れ、第２分岐導体を通って電流Ｉ₄が反対方向に流れるので、二重に連結された超電導テープ状導体１全体を通って閉じた環状電流が流れる。当初、単一連結されたテープ状導体の幅８は、この例では１０ｍｍであり、両方の分岐導体２と４の幅はスリットされた部位でそれぞれ５ｍｍである。使用されるテープ状導体材料に応じて、この幅を実際には、より大きく、または、より小さくすることもできる。

図２は超電導テープ状導体１の断面であり、２Ｇ−ＨＴＳの層構成が模式的に示されている。この例では、超電導テープ状導体１は１つの絶縁層１０と固定接続されて、１つの巻線テープ１２を形成している。この絶縁層１０は、この例では、厚さ５０μｍのカプトンテープ（Ｋａｐｔｏｎ；登録商標）であるが、他の絶縁材料、例えば、他のプラスチックで構成してもよい。同様に二重に連結された巻線テープ１２は、互いに並んでいる両方の分岐導体２と４とを含み、これらの互いに並んでいる分岐導体２と４を有する巻線テープ１２全体が、ここには示されていない１つのストックロール上に巻かれ、二重に連結された巻線テープ１２をこのストックロールから解く（ほどく）ことによってコイル装置が作られる。それぞれの分岐導体２と４の層構成は、絶縁層１０の上に、先ず、常電導のカバー層１４を有し、このカバー層はこの例では厚さ２０μｍの銅層である。その上に支持テープ１６が続き、これはここでは、厚さ５０μｍのニッケル・タングステン合金の基板である。この代わりに鋼テープまたは、例えば、ハステロイ（登録商標）のような合金製のテープを使用することもできる。この支持テープ１６の上に、厚さ０．５μｍのバッファー層１８が配置されており、このバッファー層は酸化物材料ＣｅＯ₂とＹ₂Ｏ₃とを含む。この上に本来の超電導層２０、ここでは、厚さ１μｍのＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xの層が続き、これがさらに、厚さ２０μｍの銅のカバー層でカバーされている。この超電導層２０は二重に連結されたトポロジー全体に亘って１つの連続した層を形成している。この材料ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xの代わりに、これに相応する他の希土類を用いたＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xを使用することもできる。ここに示された例では、それぞれの分岐導体２、４における絶縁層１０の幅は超電導テープ状導体１の他の部分の幅よりも幾分広いので、コイル装置を巻く際に互いに並んで配置される両方の分岐導体を互いに確実に絶縁することができる。図示された例の代案として、超電導テープ状導体１の両側に絶縁層１０を設置することもできる、あるいは、超電導テープ状導体１の両方の側面部を複数の絶縁層で保護することも可能である。また、１つの絶縁層を、コイル巻線を製作する時に最初に、別のテープとしてコイル装置に編み込むことも可能である。

図３は超電導コイル装置の模式的な側面図であり、本実施例における分岐導体２と４の巻線を明示する。両方の分岐導体２と４は、互いに逆方向の螺旋状巻線の形で円筒形支持体２２の周囲に配置されている。図３に示された電流方向矢印Ｉ₂とＩ₄から分かるように、このテープ状導体を通って流れる環状電流は両方の分岐導体２と４において円筒形支持体２２の周りを同一方向に流れるので、このコイル装置によって強い磁場を発生することができる。円筒形支持体２２は、この例では、中空円筒であり、この中空円筒の内部に、スペクトル分光で検査される試料のための試料収容部が設けられる。超電導コイル装置の運転中には超電導テープ状導体１全体が臨界温度以下に冷却されるのが好適であり、この場合に、円筒形支持体２２も非常に低い温度に冷却される。しかし、円筒形支持体２２は試料収容部に対して絶縁されているので、検査すべき試料を冷却する必要はない。

図３では例として、単に僅かな巻線Ｗ₁、Ｗ₂、…だけが示されているが、実際のコイル装置は一般にこのような巻線を多数、この例では、５０００巻線有している。これらの巻線は、逆方向の螺旋状巻線からなる層を多数重ね合わせて形成することもできる。巻線Ｗ₁、Ｗ₂、…が毎回完全に巻かれる間に、両方の分岐導体２と４が２回交差し、この例では、その都度、分岐導体２と分岐導体４が常に交互に上側にきている。この配置により、この二重に連結された巻線テープ１２を、ここには示されていないストックロールから一挙に解くことが可能となり、この場合、二重に連結されたトポロジーを製造のために分割せずにすみ、また、超電導層を後から接続する必要もない。図３に示すように、この超電導テープ状導体は巻線Ｗ₁、Ｗ₂、…の部分ではほぼ平らに円筒形支持体上に載置されている。

図３にはさらに２つの接点２６が示されており、これらの接点によって超電導テープ状導体１が外部の電流回路２８と接続されている。この電流回路２８は、運転開始時またはコイルの充電時に、電源３０からコイル装置に電流を供給するためのものである。これらの接点２６は、ここでは差し込み可能に構成されているので、電流回路２８との接続は充電過程の後で解除することができる。これらの接点２６の近傍に加熱可能な領域２４があり、この領域において超電導テープ状導体が、図示されていない加熱装置と熱的に接触しているので、この領域をコイル充電のために臨界温度以上の温度に加熱することができ、それによって、常電導となる。この装置によりこの領域において超電導スイッチが形成され、その後超電導状態が継続するコイル領域への充電電流の注入が可能となる。電流注入完了後にこの加熱装置を遮断することができ、その結果、超電導テープ状導体１の全ての領域を再び超電導状態にし、このコイルを連続短絡電流モードにおいてほぼ無損失の導体にすることができる。ここに示された例では、加熱可能な領域２４は円筒形支持体２２とは分離して配置されており、コイル巻線を含んでいない。これにより、加熱可能領域２４を、冷却された円筒形支持体２２から良好に熱絶縁することが可能となる。代案として、この加熱可能領域２４を複数の螺旋状巻線の中に巻き込むことも可能であり、それにより、連続短絡モード時にこの領域が同様に磁場の発生に寄与することができる。この場合には、加熱可能領域の巻線を、円筒形支持体２２に対して熱的に絶縁された別の支持体の周りに配置するのが好適である。

１ 超電導テープ状導体
２ 分岐導体
４ 分岐導体
６ 長さ
８ 幅
１０ 絶縁層
１２ 巻線テープ
１４ 常電導カバー層
１６ 支持テープ
１８ バッファー層
２０ 超電導層
２２ 支持体
２４ 加熱可能部
２６ 接点
２８ 電流回路
３０ 電源
Ｉ₂ 電流方向
Ｉ₄ 電流方向
Ｗ₁ コイル巻線
Ｗ₂ コイル巻線

Claims (15)

1. １つの円筒形支持体（２２）と、１つの超電導テープ状導体（１）からなる少なくとも２つのコイル巻線（Ｗ₁、Ｗ₂）とを含む超電導コイル装置であって、前記超電導テープ状導体（１）が、１つの二重に連結されたトポロジーを有し、この二重に連結されたトポロジー内部において１つの連続した超電導層（２０）を含み、さらに２つの分岐導体（２、４）を含み、これら２つの分岐導体が２つの逆方向の螺旋状巻線の形で前記円筒形支持体（２２）の周囲に配置されていることを特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記超電導層（２０）が高Ｔｃ超電導体を含むことを特徴とする請求項１に記載のコイル装置。
3. 前記高Ｔｃ超電導体がＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xまたはＭｇＢ₂を含む、請求項２に記載のコイル装置。
4. 前記複数のコイル巻線（Ｗ₁、Ｗ₂）の間に少なくとも１つの電気絶縁層（１０）が配置されていることを特徴とする先行する複数請求項のいずれか１つに記載のコイル装置。
5. 前記少なくとも１つの電気絶縁層（１０）と前記超電導テープ状導体（１）とが、一緒に前製作されて、１つの巻線テープ（１２）を形成することを特徴とする請求項４に記載のコイル装置。
6. 前記超電導テープ状導体（１）が前記円筒形支持体（２２）の表面にほぼ平らに載置されていることを特徴とする先行する複数請求項のいずれか１つに記載のコイル装置。
7. 逆方向の螺旋状巻線からなる互いに重なり合う多数の巻線対を含む、先行する複数請求項のいずれか１つに記載のコイル装置。
8. 前記超電導テープ状導体（１）が、加熱装置に熱的に接触している加熱可能な領域（２４）を含むことを特徴とする先行する複数請求項のいずれか１つに記載のコイル装置。
9. 前記加熱可能な領域（２４）が前記螺旋状巻線の外部に設けられていることを特徴とする請求項８に記載のコイル装置。
10. 前記加熱可能な領域（２４）が前記螺旋状巻線の一部を構成し、この螺旋状巻線の一部が前記円筒形支持体（２２）に対して熱的に絶縁されていることを特徴とする請求項８に記載のコイル装置。
11. 局所磁場発生用の装置を含み、該装置が前記超電導テープ状導体（１）の１つの領域を前記局所磁場によって常電導状態に転移することができる、請求項１から７のいずれか１つに記載のコイル装置。
12. 前記コイルを外部電源（３０）に接続するための少なくとも２つの接点（２６）を含む、先行する複数請求項のいずれか１つに記載のコイル装置。
13. 前記複数の接点（２６）が前記加熱可能な領域（２４）の両側に、または、前記局所磁場発生用装置の両側に配置されている、請求項８から１１のいずれか１つに従属する限りにおける請求項１２に記載のコイル装置。
14. １つの円筒形支持体（２２）と、少なくとも１つの支持テープ（１６）および１つの超電導層（２０）を含む１つの超電導テープ状導体（１）とを有する超電導コイル装置の製造方法であって、前記超電導層（２０）を被着する前に、または、その後で、超電導テープ状導体（１）の長手（６）方向に支持テープ（１６）にスリットを入れることによって、二重に連結されたトポロジーを有する超電導テープ状導体（１）が作られ、前記二重に連結されたトポロジーを有する超電導テープ状導体（１）が逆方向の螺旋状巻線の形で前記円筒形支持体（２２）の周囲に巻かれることを特徴とする超電導コイル装置の製造方法。
15. 前記二重に連結された超電導テープ状導体（１）が１つの電気絶縁層（１０）と接続されて、巻線テープ（１２）が予め製作され、複数の逆方向の螺旋状巻線を製造するためにこの巻線テープ（１２）が１つのストックロールから解かれることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。

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