JP2023526616A - 積層プレート超伝導マグネットのための鏡像反転された巻線パック - Google Patents

Abstract

マグネットおよびマグネットシステムは、積層されたマグネットベースプレートを備える。プレートのそれぞれは、電流が通電されると磁界を生成する伝導体（例えば、高温超伝導体）の巻線を含む溝を備える。この磁界は、積層体においてローレンツ力を発生させ、そのローレンツ力が伝導体を異なる方向に異なる大きさで押す。それによって、プレートは逆方向に配向され（鏡像反転され）、これらの力が常に伝導体を、溝から引っ張るのではなく、溝に押し込む。伝導体は、はんだ付けまたはエポキシの埋め込みによってそれらの溝においてさらに補強され得る。例えばシステムが外部から印加された磁界を経験したときに、ローレンツ力が積層体の中点に関して対称的となる必要はないため、いくつかの積層体は、鏡像反転された向きよりも１つの向きにおいて多くのプレートを有し得る。いくつかの構成において、追加の鏡像反転された側部プレートが追加され得る。【選択図】図１

Description

本開示は、一般に超伝導マグネットに関し、詳しくは所望のローレンツ負荷に応じた、巻かれた超伝導体を含むプレートの積層に関する。

非絶縁（ＮＩ）高温超伝導体（ＨＴＳ）巻線を有する超伝導マグネットは、総電流密度、熱安定性、および機械的完全性という３つの主要な測定基準で超伝導マグネット性能を向上させる能力を実証してきた。らせん溝付きで、積層プレートの非絶縁超伝導マグネット設計は、商業的に実現可能であることと、大口径マグネットに拡張可能であることとの両方を有する設計において上記の特徴を十分に活用し、システム性能が可能な最も高い磁界と蓄積磁気エネルギーとを扱うことを推進すると考えられている。この設計は、構造的に堅牢な、らせん溝付きベースプレートを基本構成要素として利用する。溝は、様々な構成において、ＨＴＳテープと共巻き材料との複合物が充填される。それらは、シングルまたはダブルパンケーキのモジュールになるように組み立てられ、そのパンケーキモジュールは、高磁界マグネットのための巻線パックを形成するためにともに積層される。この設計のさらなる詳細は、２０１８年１２月２７日に出願された「Ｓｐｉｒａｌ－Ｇｒｏｏｖｅｄ， Ｓｔａｃｋｅｄ－Ｐｌａｔｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｓ Ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」という名称で、その全内容が参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願第１６／２３３，４１０号に記載されている。

開示される実施形態は、積層体の異なる位置における予想動作磁界強度に応じたパターンに積層され、それにより、結果として生じる負荷が常に溝に向かい、したがって構造プレート自体にかかることを確実にするマグネットプレートを含む。これは、ベースプレートの配向を変更することによって、例えば、積層体の下半分における伝導体の配置が上半分を「鏡像反転」するようにプレートの配置を「上下反転」し、機械的な留め具および電気的接合体に対して適切な修正を加えることによって実現される。この設計による巻線パックは、少なくとも、伝導体をその溝に固定するために使用される材料の選択におけるより大きな柔軟性、それらの材料の構造上の要件の削減、製造上の許容範囲の拡大、製造フローに対する固有の耐性増加、またはそれらの組み合わせといういくつかの利点をもたらす。

したがって、第１の実施形態は、複数のマグネットプレートを備えるシステムである。マグネットプレートのそれぞれは、溝付きの表面の反対側に平坦な表面を有する。マグネットプレートのそれぞれはまた、溝付きの表面における溝を通る伝導体を有する。複数のマグネットプレートが積層体状に配置され、それによって、磁界を生成するためにマグネットプレートのそれぞれの伝導体に電流が印加されると、生成された磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む。

いくつかの実施形態では、マグネットプレートの半分は、溝付きの表面が積層体の最上部に向けて配置され、マグネットプレートの残り半分は、溝付きの表面が積層体の最下部に向けて配置される。いくつかの実施形態は、第２の複数のマグネットプレートをさらに有しており、第２の複数のマグネットプレートのそれぞれは、平坦な表面と溝付きの表面と有し、第２の複数のマグネットプレートのそれぞれは、溝付きの表面における溝を通る伝導体を有する。これらの実施形態では、第２の複数のマグネットプレートの半分は、溝付きの表面が積層体の左に向けて配置され、マグネットプレートの残り半分は、溝付きの表面が積層体の右に向けて配置される。したがって、第２の複数のマグネットプレートは、第１の複数のマグネットプレートの向きに垂直な向きを有する。

いくつかの実施形態では、マグネットプレートの半分より多いマグネットプレートは、溝付きの表面が積層体の最上部に向けて配置され、マグネットプレートの半分よりも少ない残りのマグネットプレートは、溝付きの表面が積層体の最下部に向けて配置される。

いくつかの実施形態では、マグネットプレートの少なくとも１つは、同質の希土類酸化銅超伝導体を含む伝導体を有する。

いくつかの実施形態では、マグネットプレートの少なくとも１つは、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含む伝導体を有する。伝導体は、円形断面、または方形断面、または別の形状の断面を有し得る。

いくつかの実施形態では、マグネットプレートの少なくとも１つは、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの複数の積層体を含む伝導体を有する。ＨＴＳテープの複数の積層体は、ＨＴＳテープの複数の積層体によって生成された熱を除去するための冷却チャネルの周りに配置されてもよい。

いくつかの実施形態では、マグネットプレートの少なくとも１つは、溝付きの表面における溝にはんだ付けされる、または溝付きの表面における溝にエポキシを使用して埋め込まれる伝導体を有する。

いくつかの実施形態では、マグネットプレートの少なくとも１つは、鋼またはグラスファイバー複合材料を含む。

別の実施形態は、溝付きの表面を有するハウジングであって、ハウジングは、溝付きの表面のうちの１つにおける溝をそれぞれが通る複数の伝導体を有する。磁界を生成するために複数の伝導体のそれぞれに対して電流が印加されると、生成された磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む。

いくつかの実施形態では、複数の伝導体の少なくとも１つは、同質の希土類酸化銅超伝導体を含む。

いくつかの実施形態では、複数の伝導体の少なくとも１つは、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含む。伝導体は、円形断面、または方形断面、または別の形状の断面を有し得る。

いくつかの実施形態では、複数の伝導体の少なくとも１つは、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの複数の積層体を含む。ＨＴＳテープの複数の積層体は、ＨＴＳテープの複数の積層体によって生成された熱を除去するための冷却チャネルの周りに配置されてもよい。

いくつかの実施形態では、複数の伝導体の少なくとも１つは、その溝にはんだ付けされ、またはその溝にエポキシを使用して埋め込まれる。

いくつかの実施形態では、ハウジングは、鋼またはグラスファイバー複合材料を含む。

さらに別の実施形態は、複数のマグネット巻線パックを備えるマグネットシステムである。各巻線パックは、複数のマグネットプレートを有する。マグネットプレートのそれぞれは、溝付きの表面の反対側の平坦な表面と、溝付きの表面における溝を通る伝導体とを有する。複数のマグネットプレートがそれぞれの巻線パックに配置され、それによって、磁界を生成するためにマグネットプレートのそれぞれの伝導体に電流が印加されると、生成された磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む。

いくつかの実施形態では、マグネット巻線パックの少なくとも２つは、マグネットプレートの異なる構成を有する。マグネットシステムは、ソレノイドとして構成されてもよく、またはトロイドとして構成されてもよい。

さらなる実施形態は、複数のプレートを備えるマグネットであって、プレートのそれぞれは、溝付きの表面の反対側に平坦な表面を有し、プレートのそれぞれは、溝付きの表面における溝を通る伝導体を有する。複数のプレートは、第１のプレートと第２のプレートとを含み、第１のプレートの平坦な表面と第２のプレートの平坦な表面との両方が第１のプレートの溝付きの表面と第２のプレートの溝付きの表面との間に存在するように第１のプレートおよび第２のプレートが配置される。

いくつかの実施形態では、第１のプレートの平坦な表面が第２のプレートの平坦な表面に接触する。

いくつかの実施形態では、第１のプレートの平坦な表面および第２のプレートの平坦な表面が絶縁層の対向する側部に接触する。

いくつかの実施形態では、プレートの少なくとも１つは、高温超伝導体テープの積層体を有する伝導体を備える。伝導体は、円形断面、または方形断面を有し得る。

なお、本明細書で開示された概念、技法、および構造は、他の手法で具体化され得ること、さらに上記の特定の実施形態の列挙は、本開示の発明の範囲を限定しないことを理解されたい。

開示される実施形態を構築および使用する手法およびプロセスは、添付図面の図を参照することによって理解され得る。図に示される構成要素および構造は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに本明細書に記載の概念の原理を図示することに重点が置かれることを理解されるべきである。異なる図にわたって、同様の参照番号が対応部材を示す。さらに、実施形態は、例として示されており、以下の図における限定として示されていない。

マグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図であり、各プレートがいくつかの溝を含み、各溝が円形断面を有する伝導体を含む。 図１にあるようなマグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図であり、追加の鏡像反転された側部マグネットプレートを有する。 マグネットプレートの非対称的に鏡像反転された積層体の断面図である。 いくつかの溝を有する単一マグネットプレートの断面図であり、伝導体が放射状の層に配置される。 マグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図であり、各プレートがいくつかの溝を含み、各溝が円形断面を有して高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含む伝導体を含む。 図５にあるようなマグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図であり、追加の鏡像反転された側部マグネットプレートを有する。 マグネットプレートの非対称的に鏡像反転された積層体の断面図である。 いくつかの溝を有する単一マグネットプレートの断面図であり、円形伝導体が放射状の層に配置される。 マグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図であり、各プレートがいくつかの溝を含み、各溝が、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含む方形断面を有する伝導体を含む。 図９にあるようなマグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図であり、追加の鏡像反転された側部マグネットプレートを有する。 マグネットプレートの非対称的に鏡像反転された積層体の断面図である。 いくつかの溝を有する単一マグネットプレートの断面図であり、方形伝導体が放射状の層に配置される。 マグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図であり、各プレートがいくつかの溝を含み、各溝が円形断面を有する伝導体を含み、冷却チャネルの周りに高温超伝導体（ＨＴＳ）テープのいくつかの積層体を有する。 図１３にあるようなマグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図であり、追加の鏡像反転された側部マグネットプレートを有する。 マグネットプレートの非対称的に鏡像反転された積層体の断面図である。 いくつかの溝を有する単一マグネットプレートの断面図であり、円形伝導体が放射状の層に配置される。 ソレノイドにおける異なる位置で使用される異なる鏡像反転構成を有するマグネットプレートのいくつかの積層体の断面図であり、各プレートがいくつかの溝を含み、各溝が伝導体を含む。

大きな自己磁界は、動作中に超伝導マグネットの巻線パックにおいて発生する。その結果、大きなローレンツ負荷が伝導体上で発生する。一連の積層プレートから成る巻線パックに関して、それぞれの積層プレートは、そのプレート内の溝に伝導体が埋め込まれており、プレートの面に垂直に整列されたローレンツ負荷の成分、いわゆる面外ローレンツ負荷は、重要な役割を果たす。溝の全てを同一方向に向けてプレートを積層することによって構築された巻線パックを考える。これらの伝導体の半分において、先行技術の巻線パックで知られるように、負荷はそのそれぞれの溝に向かっている一方、これらの伝導体の残り半分において、負荷はそのそれぞれの溝に向かっていない。したがって、後者の半分における伝導体は、ベースプレートの構造材料によっては支えられないが、代わりに、銅キャップ、はんだ、または冷却液のチャネルなど、非構造材料によっては支えられる負荷を経験する。

開示される実施形態は、物理学の基本原理、すなわち、電流が互いに平行に流れる伝導体（例えば、マグネット巻線パック中の伝導体など）が自己磁界に起因して引き寄せられることを利用する。この原理を適用するために、動作自己磁界の下で、各プレートの伝導体がプレートの積層体の構造的完全性を助ける方向にその伝導体自体を引っ張るように、マグネットプレートの積層体におけるマグネットプレートは配向される。すなわち、本明細書で説明される概念によれば、プレートの溝に配置された伝導体を通って流れる電流の結果として生じる力が所望の方向に発生するように、プレートを配置（または配向）することが可能であると認識されている。例えば、その溝に高温超伝導体（例えば、ＨＴＳケーブルまたは１つまたは複数のＨＴＳテープ）が配置されたプレートの積層体を含む実施形態において、プレートは、ＨＴＳに対する力がプレートの溝にＨＴＳを押し込むように配向され得る。すなわち、ＨＴＳテープは、プレートの溝に引き込まれる（引き出されるのではない）。

ここで図１を参照すると、複数のマグネットプレート、ここでは、６個のマグネットプレート１０ａ～１０ｃおよび１２ａ～１２ｃの積層体は、多くの超伝導体（そのうちの２つが「１４」で示される）がそのそれぞれの溝１６に配置されている。実施形態において、溝１６は、プレート内にらせん溝として設けられ、この場合、図１の実施形態は、らせん溝付きの積層プレートマグネット設計に相当する。重要なのは、マグネットプレートが、対称面１８を中心として対称的に配置されることである。したがって、マグネットプレート１０ａ～１０ｃ、１２ａ～１２ｃは、対称面１８（例えば中心対称面）を中心として「鏡像反転」されたものであると言える。したがって、マグネットプレート１０ａは、マグネットプレート１２ａの鏡像であり、１０ｂ／１２ｂ対および１０ｃ／１２ｃ対も同様である。例示的な実施形態では、各プレートが複数の溝を有し、各溝が円形断面を有する伝導体（例として、同質の伝導体でもよい）を含む。

「鏡像反転された」巻線パックは、伝導体溝の配置が中心対称面を中心として「鏡像反転された」ものである。図１のらせん溝付き積層プレートマグネット設計は、外部から印加される磁場がなく、生成された自己磁場のみを有するマグネットにおいてその鏡像反転された配置を実現する。したがって、巻線パックにおける最下部の３つのプレート１０ａ～１０ｃは、最上部の３つのプレート１２ａ～１２ｃに引き寄せられる。換言すれば、全てのマグネットプレートは、積層体の中心面１８に引き寄せられ、したがって中心面１８はプレートの配置のための対称面として使用される。

対称的な磁界が存在するときに、任意の偶数のマグネットプレートが中心対称面をはさんで鏡像反転されてもよく、したがって６個のマグネットプレートが図１に示されるという事実は限定的でないことを認識されたい。したがって、マグネットの動作要件によれば、２個、４個、８個、１０個、またはそれ以上のマグネットプレート（任意の偶数のマグネットプレート）は図１の完全に対称的な設計で使用され得る。積層体に関して非対称的である磁界の場合は、特に図３と関連して以下に論じられる。

この設計は、特定の派生的な利点を有する。例えば、マグネットプレート間に冷却チャネルを有するマグネット設計において、反射面に配置されるそのようなチャネルは、必要に応じて、断面積が大幅に削減されることが可能であり、または削除されることが可能である。

したがって、図１の実施形態は、複数のマグネットプレートを有し、そのマグネットプレートのそれぞれが、溝付きの表面の反対側に平坦な表面を有し、マグネットプレートのそれぞれが、溝付きの表面における溝を通る伝導体を有する。複数のマグネットプレートが積層体状に配置され、それによって、磁界を生成するためにマグネットプレートのそれぞれの伝導体に電流が印加されると、生成された磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む。すなわち、マグネットの動作の結果として生じるローレンツ力は、対称面に向かって伝導体を押すまたは引くように全体として方向づけられる（すなわち、大きさおよび方向が向けられるようにする）。マグネットプレート１２ａ～１２ｃの半分は、溝付きの表面が積層体の最上部に向けて配置され（すなわち、開放し）、そのマグネットプレートの残り半分は、溝付きの表面が積層体１０ａ～１０ｃの最下部に向けて配置される（すなわち、開放する）。それによって、プレート、溝、および伝導体が図１に示すように配置されると、力がそれぞれの伝導体を、それが配置される溝の「最下部」（すなわち、最内部）表面、例えば表面１７に向かって動かす。

いくつかの実施形態では、各伝導体１４は、その溝にはんだ付けされる、またはエポキシを使用して埋め込まれる、のいずれかが行われ得ることを理解されたい。マグネットプレート１０ａ～１０ｃ、１２ａ～１２ｃのそれぞれは、鋼などの導電体でもよいが、グラスファイバー複合材料などの絶縁体でもよい。

以下の説明から明らかとなるように、本明細書で説明される広い概念が多くの異なる種類のプレート、溝、およびケーブルに適用され得ることを認識されたい。プレート、溝、およびケーブルは、多種多様な形状を有して設けられてもよく、いくつかのそのような形状が、本明細書における図において示される。任意の種類の超伝導ケーブルが、ある断面形状を有する溝に配置され得る。いくつかの実施形態では、ケーブル（例えばケーブル１４）は、ＨＴＳテープ積層体を備え得る。いくつかの実施形態では、ケーブル（例えばケーブル１４）は、超伝導材料（例えばＨＴＳテープ）が配置され得る１つまたは複数の溝を有するフォーマを含み得る。また、円形、楕円形、正方形、または長方形を含むがそれに限定されない任意の規則的または不規則的な断面形状を有するケーブル（例えばケーブル１４）が設けられてもよい。同様に、円形、楕円形、正方形、または長方形を含むがそれに限定されない任意の規則的または不規則的な断面形状を有する溝（例えば溝１６）が設けられてもよい。

ここで図２を参照すると、図１のようにマグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図が示され、追加の鏡像反転された側部マグネットプレート２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂを有する。これらの追加の側部プレートは、巻線パックの細長い断面のために、この形状を有するマグネットが有益である用途のために追加され得る。図２によるマグネットプレートは、曲線または湾曲部の周りに配置された場合、外側の伝導体を構造の中心から離れた方向に引っ張ることによってこの構成の有効度を低減する望ましくない力を経験する場合があることを理解されたい。これらの非対称の力は、図３に関連して以下で論じられる原理に従って非対称構成を用いることによって打ち消されることが可能である。

図２の実施形態は、第１の複数のマグネットプレート１０ａ～１０ｃ、１２ａ～１２ｃと類似した第２の複数のマグネットプレート２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂを有する。第２の複数のマグネットプレート（すなわち、プレート２０ａ、２０ｂ）の半分は、溝付きの表面が積層体の左に向けて配置され（または、開放し）、複数のマグネットプレートの残り半分（すなわち、マグネットプレート２２ａ、２２ｂ）は、溝付きの表面が積層体の右に向けて配置される（または、開放する）。マグネットプレート２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂは、第２の対称面３０を中心として配置される。

マグネットがプレートと平行な外部の磁界成分を経験する用途において、正味の面外Ｉ×Ｂ負荷が鏡面反射面に対してシフトされる。この状況は、例えば、トカマクのためのトロイダル磁界（ＴＦ）巻線パックにおいて直面し得る。この状況において、ＴＦ巻線パックは、ポロイダル磁界（ＰＦ）コイルセットによって生成された磁界にさらされる。ＴＦ自己磁界がＴＦ伝導体の位置においてＰＦ磁界よりも非常に強力であるため、面外Ｉ×Ｂ負荷パターンにおけるそのシフトは小さいが、積層体内のプレートの位置に応じて変化する。

これに関連して、図３において、マグネットプレートの非対称的に鏡像反転された（すなわち、面３２を中心に鏡像反転された）積層体の断面図が示される。積層体の非対称的な負荷を吸収するために、図３の実施形態では、マグネットプレートの半分よりも多いマグネットプレート３４ａ～３４ｄは、溝付きの表面が積層体の最上部に向けて配置され、マグネットプレートの半分よりも少ない残りのマグネットプレート３６ａ、３６ｂは、溝付きの表面が積層体の最下部に向けて配置される。この実施形態は、例えば、以下で説明される図１７のソレノイドで有利に使用できる

任意の数のマグネットプレートが対称面（例えば面３２）をはさんで非対称に鏡像反転されてもよく、したがって６個のマグネットプレートが図３に示されるという事実は限定的でないことを認識されたい。したがって、任意の他の数のマグネットプレートは、奇数または偶数に関わらず、マグネットの動作要件に従って、図３に示される原理による非対称設計において使用され得る。非対称的な配置は、巻線パックが、図３に示されるものの外部にある伝導体によって生成された磁界にさらされる状況において有益な場合がある。この場合、対称面（すなわち、面３２）の位置は選択可能であり、したがってそれぞれの個別の伝導体によって経験される総ローレンツ負荷の垂直成分が対称面に向かって方向づけられる。

図４は、いくつかの溝（そのうちの溝４２ａ、４２ｂ、４２ｃが例示される）を有する単一のマグネットプレートまたはハウジング４０の断面図であり、伝導体が放射状の層に配置される。図１、図２、および図３に示される複数の積層プレートとは異なり、図４に示される単一のハウジングは、伝導体の全てを保持する。このハウジングは、８個の伝導体（１側部につき２個、そのうちの伝導体４４ａ、４４ｂが例示される）から成る内輪と、１６個の伝導体（１側部につき４個、そのうちの伝導体４６ａ、４６ｂが例示される）から成る外輪において、伝導体のいくつかを保持する。この構成を実現するため、内輪と外輪と（例えば溝４２ａ、４２ｂ）の両方に伝導体を保持する溝は、外輪のみ（例えば溝４２ｃ）に伝導体を保持する溝よりも深い。

伝導体を対称面に向かって引っ張る図１、図２、および図３の伝導体によって生成される自己磁界とは逆に、図４の構成において生成される自己磁界は、伝導体の全てを放射状の内側に、ハウジングの中心に向かって引っ張る。したがって、図４の設計のための伝導体は放射対称に配置され、それによってそれらの伝導体はそれらの溝に引き込まれ、構造的ハウジングに当たり、図１、図２、および図３の積層プレート配置と同一の機能的結果をもたらす。

したがって、図４は、溝付きの表面を有するハウジングを示し、そのハウジングは、溝付きの表面のうちの１つにおける溝をそれぞれが通る複数の伝導体を有する。磁界を生成するために複数の伝導体のそれぞれに対して電流が印加されると、生成された磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む。上述した複数のプレートシステムへの修正は、適宜、図４に示される実施形態に適用され得ることを理解されたい。

本明細書で開示される概念、技法、および構造の実施形態は、伝導体構成に依存していないことを理解されたい。したがって、いくつかの実施形態では、伝導体は、図１から図４に示されるように、同質の希土類酸化銅（例えばＲＥＢＣＯ）で形成される高温超伝導体（ＨＴＳ）を含む。他の実施形態は、図５から図８に示され以下で論じられるように、任意選択の共巻きを有する層状に積層されたＨＴＳテープを含む。伝導体は、円形断面、または図９から図１２に示され以下で論じられるような方形断面、または何らかの他の形状の断面を有し得る。さらに他の実施形態では、複数のＨＴＳテープ積層体が単一の伝導体に存在してもよく、図１３から図１６に示され以下で論じられるように、熱を除去するための冷却チャネルの周りに配置されてもよい。

したがって、図５において、マグネットプレートの鏡像反転された積層体の断面図が示され、各プレートがいくつかの溝を含み、各溝が円形断面を有して高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を有する伝導体を含む。図５の実施形態は、ＨＴＳテープ積層体５０が他のやり方で同質の伝導体内部で使用されることを除いて、図１の実施形態と同一である。同様に、図６、図７および図８も、上記の変更以外は図２、図３および図４とそれぞれ同一である。特に、同一のマグネットプレート１０ａ～１０ｃ、１２ａ～１２ｃ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ、３４ａ～３４ｄ、３６ａ、３６ｂ、４０は、異なるタイミングで異なる伝導体とともに再度利用され得ることを理解されたい。

図９は、マグネットプレート６０ａ～６０ｃ、６２ａ～６２ｃの鏡像反転された積層体の断面図であり、各プレートがいくつかの溝（そのうちの溝６６が例示される）を含み、各溝が方形断面を有する伝導体（そのうちの伝導体６４が例示される）を含み、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープ５０の積層体を含む。図９の実施形態は、図９の伝導体が円形の断面ではなく方形断面を有し、溝が同様にそのような伝導体を確実に収容するために方形に成形されることを除いて、ＨＴＳテープ積層体を備える伝導体を有する溝付きのマグネットプレートを含む限り図５の実施形態と類似している。同様に、図１０、図１１および図１２も、上記の変更以外は図６、図７および図８とそれぞれ類似している。特に、図１０は二次対称面７０を示し、図１１は中心からずれた対称面７２を示す。

図１３は、マグネットプレート８０ａ～８０ｃ、８２ａ～８２ｃの鏡像反転された積層体の断面図であり、対称面８４を中心として鏡像反転されており、各プレートがいくつかの溝を含み、各溝が円形断面を有する伝導体を含み、冷却チャネルの周りに高温超伝導体（ＨＴＳ）テープのいくつかの積層体を有する。図１３の実施形態は、各伝導体（そのうちの伝導体８６が例示される）がＨＴＳテープの複数の積層体と、伝導体内に冷却チャネルとを含むことを除いて、図５の実施形態と類似している。同様に、図１４、図１５および図１６も、上記の変更以外は図６、図７および図８とそれぞれ類似している。

図１７は、ソレノイドにおいて異なる位置で使用される異なる鏡像反転構成を有するマグネットプレートのいくつかの積層体または巻線パック９０ａ、９０ｂ、９０ｃ（まとめて巻線パック９０）の断面図であり、各プレートがいくつかの溝を含み、各溝が伝導体を含む。各巻線パックは、単一の伝導体がいくつかのマグネットプレートを通って巻かれた単一のマグネットコイルでもよい。もしくは、各マグネットプレートは、それ自体の伝導体が複数の溝を通って巻かれてもよく、それにより、モジュラー設計を実現する。ただし、一般的に、各巻線パックは、比較的強い局所自己磁界と、他の巻線パックによって生成された比較的弱い局所磁界とを経験する。これらの外部磁界は、ソレノイド内のその位置に応じて、動作中に各巻線パック内部で経験される磁界において非対称性を引き起こし得る。

図１７の断面から、３つの全ての巻線パック９０ａ、９０ｂ、９０ｃが鏡像反転された溝付きプレート構成を使用することが明らかである。中央のパック９０ｂは、（図１のように）中央に鏡面反射プレート９２ｂを有する一方、端部のパック９０ａ、９０ｃは、（図３のように）それらの中心からずれた鏡面反射面９２ａ、９２ｃを有する。端パック９０ａ、９０ｃのための片寄り反射面９２ａ、９２ｃは、それらの巻線が各端コイル９０ａ、９０ｃ内の巻線のうちの自己引力に加えて、中央コイル９０ｂに向かう全体引力を経験するため、有益である。

より詳しくは、動作中の最上部巻線パック９０ａの局所磁界は、ソレノイドの中心に向かうわずかなバイアスを有しながら、全体的にパックの中心に向かっている。最上部巻線パック９０ａにおけるマグネットプレート９４ａ～９４ｃからなる３つは、それらの上面に溝を有し、第４のマグネットプレート９４ｄはその下面に溝を有する。この構成は、この巻線パックの自己磁界を他の巻線パックによって生成された磁界と均衡し、それによって全ての伝導体がそれらの溝に引っ張られる。同一の原理を使用して、最下部巻線パック９０ｃは、最上部巻線パック９０ａの鏡像である。したがって、最内部のマグネットプレート９８ａがその上面に溝を有する一方、３つの最外部のマグネットプレート９８ｂ～９８ｄがそれらの下面に溝を有する。

中間の巻線パック９０ｂの自己磁界と他の巻線パックによって生成された磁界の合計との両方が、動作中にソレノイドの中心に向かうローレンツ力を発生させる。中間巻線パック９０ｂは、最上部および最下部の巻線パックとは異なって磁界を均衡する。したがって、中間巻線パック９０ｂは、中心対称面９２ｂを中心として単純に対称的である。特に、マグネットプレート９６ａおよび９６ｂがそれらの上面に溝を有する一方、マグネットプレート９６ｃおよび９６ｄは完全に鏡像反転された構成でそれらの下面に溝を有する。

したがって、図１７は、複数のマグネット巻線パックを備えるソレノイドを示し、各巻線パックは複数のマグネットプレートを有し、そのマグネットプレートのそれぞれは、平坦な表面と溝付きの表面とを有し、マグネットプレートのそれぞれは、溝付きの表面における溝を通る伝導体を有する。複数のマグネットプレートがそれぞれの巻線パックに配置され、それによって、磁界を生成するためにマグネットプレートのそれぞれの伝導体に電流が印加されると、生成された磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む。マグネット巻線パックの少なくとも２つは、マグネットプレートの異なる構成を有する。

実施形態において、様々な巻線パックにおけるマグネットプレートの数と、それらの特定の積層構成とは、本明細書で開示される概念、技法および構造が適用される用途における動作要件によって決定され得ることを理解されたい。本明細書における図のそれぞれにおいて各積層体または巻線パックに示される特定の数のプレートは、本発明の主題の範囲を必ずしも限定しない。

当業者は、本明細書で開示された概念、結果、および技法の他の実施形態を認識し得る。本明細書で説明される概念および技法に従って構成された超伝導ケーブルおよびマグネットプレートは、マグネットを形成するために超伝導ケーブルが巻かれてコイルとなる用途を含めて、多種多様な用途にとって有益であり得ることを理解されたい。例えば、そのような一用途は、例えば、上記のようなケーブルが巻かれてマグネットとなり得る、固体物理学、生理学、またはたんぱく質に対して核磁気共鳴（ＮＭＲ）研究を実行することである。別の用途は、小型の高磁界マグネットが必要とされる有機体またはその一部のメディカルスキャニングのために臨床的な磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）を実行することである。さらに別の用途は、大口径ソレノイドが必要とされる高磁界ＭＲＩである。さらに別の用途は、物理学、化学、および材料科学において磁気的研究を実行するためである。さらなる用途は、材料加工または調査のための粒子加速器、発電機、一般的に陽子線治療、放射線治療、および放射線発生のための医用加速器、超伝導エネルギー蓄積、磁気流体（ＭＨＤ）発電機、および採鉱、半導体作製、およびリサイクルなどの材料分離のためのマグネットにある。なお、上記の用途の列挙は徹底的なものではなく、本明細書で開示された概念、プロセス、技法がそれらの範囲から逸脱することなく適用されるさらなる用途が存在することを理解されたい。

本明細書で使用される場合、「高温超伝導体」または「ＨＴＳ」は、３０Ｋを上回る臨界温度を有する材料を指し、この臨界温度は、それ未満では材料の電気抵抗が零に降下する温度を指す。

溝内にマグネットプレートおよび伝導体を配置する説明上の例が本明細書で説明され、図に示されている。それらの溝の特定のサイズおよび形状は例としてのみ提供されており、特記しない限り、特定の断面形状またはサイズが必須である、または望ましいとして暗示されていないことが理解される。

このように、説明された概念を示す少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明したが、様々な改変、修正、および改善は、当業者が容易に思いつくことを理解されたい。そのような改変、修正、および改善は、本開示の一部であることが意図され、本明細書で説明される概念の趣旨および範囲内にあることが意図される。さらに、本明細書で説明される概念の利点が示されるが、本明細書で説明される技術の全ての実施形態が、説明された全ての利点を含むわけではないことを理解されたい。いくつかの実施形態は、本明細書で有益であるとして説明されたいずれかの特徴を実施しない場合があり、いくつかの例で、説明された特徴のうちの１つまたは複数は、さらなる実施形態を実現するために実施され得る。したがって、上述の説明および図面は一例に過ぎない。

本明細書で説明される概念の様々な態様は、単独、組み合わせ、または上記で説明された実施形態で具体的に説明されていない様々な構成において使用されてもよく、したがって、その用途において上記の説明で記載され、または図面に示された構成要素の詳細および構成に限定されない。例えば、一実施形態で説明された態様は、他の実施形態で説明された態様と、任意のやり方で組み合わされ得る。

また、本明細書で説明される概念は、方法として具体化されてもよい。方法の一部として実行される動作は、任意の適切なやり方で順序づけることができる。それに応じて、動作が図示される順序と異なる順序で実行され、例示的な実施形態における順次の動作として示される場合でも、いくつかの動作を同時に実行することを含み得る実施形態が構築され得る。

請求項の要素を修飾するための請求項における「第１」、「第２」、「第３」などの順序を表す用語の使用は、方法の動作が実行されるが別の順序または時間的な順序に対する、１つの請求項の要素の何らかの優先度、優先順位または順序を単独で暗示するものではなく、請求項の要素を区別するために、特定の名称を有する１つの請求項要素を、（順序を表す用語の使用のために）同一の名称を有する別の要素から区別する表示としてのみ使用される。

「およそ」および「約」という用語は、いくつかの実施形態では目標値の±２０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内、さらにいくつかの実施形態では目標値の±２％以内を意味するために使用され得る。「およそ」および「約」という用語は、目標値を含み得る。「ほぼ等しい」という用語は、いくつかの実施形態では互いに±２０％以内、いくつかの実施形態では互いに±１０％以内、いくつかの実施形態では互いに±５％以内、さらにいくつかの実施形態では互いに±２％以内である値を指すために使用され得る。

「ほぼ」という用語は、いくつかの実施形態の比較測定の±２０％以内、いくつかの実施形態では±１０％以内、いくつかの実施形態では±５％以内、さらにいくつかの実施形態では±２％以内である値を指すために使用され得る。例えば、第２の方向に「ほぼ」垂直な第１の方向は、いくつかの実施形態では第２の方向とともに９０°の角度を形成する±２０％以内、いくつかの実施形態では第２の方向とともに９０°の角度を形成する±１０％以内、いくつかの実施形態では第２の方向とともに９０°の角度を形成する±５％以内、さらにいくつかの実施形態では第２の方向とともに９０°の角度を形成する±２％以内である第１の方向を指し得る。

また、本明細書で使用される語法および用語は説明を目的としたものであり、限定するとしてみなされるべきではない。「含む」、「備える」、または「有する」、「含有する」、「伴う」、および本明細書におけるそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目と、その等価物とともに、追加項目を包含することが意図される。

上記説明の目的のために、「上」、「下」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「最上部」、「最下部」という用語およびそれらの派生語は、図面の図において配向されるように、説明される構造および方法に関係する。「上に置かれる」「最上部に」、「最上部上に」、「～上に配置される」、または「～の最上部に配置される」という用語は、第１の構造などの第１の要素が第２の構造などの第２の要素上に存在することを意味し、界面構造などの介在要素は、第１の要素と第２の要素との間に存在し得ることを意味する。「直接接続」という用語は、第１の構造などの第１の要素と、第２の構造などの第２の要素が、２つの要素の界面における中間層または中間構造なしで接続されることを意味する。

上記の詳細な説明において、実施形態の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で１つまたは複数の個々の実施形態でともにグループ化される。本開示の方法は、請求項が本明細書で明示した特徴よりも多くの特徴を必要とするという意図を反映しているとして解釈されるべきではない。むしろ、発明の態様が、それぞれの開示される実施形態における全特徴よりも少ない特徴に存在する場合がある。

本開示の主題である様々な概念、構造、および技法を示す役割を果たす実施を説明したが、これらの概念、構造、および技法を組み込んだ他の実施が使用され得ることは、ここで当業者にとって明らかになるであろう。したがって、本特許の範囲は、説明された実施に限定されるものではなく、むしろ以下の請求項の趣旨および範囲によってのみ限定されるものであると考えられる。

Claims (34)

1. 複数のマグネットプレートを備えるシステムであって、前記マグネットプレートのそれぞれは、溝付きの表面の反対側に平坦な表面を有し、前記マグネットプレートのそれぞれは、前記溝付きの表面における溝を通る伝導体を有し、
   前記複数のマグネットプレートが積層体状に配置され、それによって、磁界を生成するために前記マグネットプレートのそれぞれの前記伝導体に電流が印加されると、生成された前記磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む、システム。
2. 前記マグネットプレートの半分は、溝付きの表面が前記積層体の最上部に向けて配置され、前記マグネットプレートの残り半分は、溝付きの表面が前記積層体の最下部に向けて配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 第２の複数のマグネットプレートをさらに備えており、前記第２の複数のマグネットプレートのそれぞれは、平坦な表面と溝付きの表面とを有し、前記第２の複数のマグネットプレートのそれぞれは、前記溝付きの表面における溝を通る伝導体を有し、
   前記第２の複数のマグネットプレートの半分は、溝付きの表面が前記積層体の左に向けて配置され、前記マグネットプレートの残り半分は、溝付きの表面が前記積層体の右に向けて配置される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記マグネットプレートの半分より多いマグネットプレートは、溝付きの表面が前記積層体の最上部に向けて配置され、前記マグネットプレートの半分より少ない残りのマグネットプレートは、溝付きの表面が前記積層体の最下部に向けて配置される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記マグネットプレートの少なくとも１つは、同質の希土類酸化銅超伝導体を含む伝導体を有する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記マグネットプレートの少なくとも１つは、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含む伝導体を有する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記伝導体は円形断面を有する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記伝導体は方形断面を有する、請求項６に記載のシステム。
9. 前記マグネットプレートの少なくとも１つは、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの複数の積層体を含む伝導体を有する、請求項１に記載のシステム。
10. ＨＴＳテープの前記複数の積層体は、ＨＴＳテープの前記複数の積層体によって生成された熱を除去するための冷却チャネルの周りに配置される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記マグネットプレートの少なくとも１つは、前記溝付きの表面の前記溝にはんだ付けされる伝導体を有する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記マグネットプレートの少なくとも１つは、エポキシを使用して前記溝付きの表面の前記溝に埋め込まれる伝導体を有する、請求項１に記載のシステム。
13. 前記マグネットプレートの少なくとも１つは鋼を含む、請求項１に記載のシステム。
14. 前記マグネットプレートの少なくとも１つはグラスファイバー複合材料を含む、請求項１に記載のシステム。
15. 溝付きの表面を有するハウジングを備えるシステムであって、前記ハウジングは、前記溝付きの表面のうちの１つにおける溝をそれぞれが通る複数の伝導体を有し、
    磁界を生成するために前記複数の伝導体のそれぞれに対して電流が印加されると、生成された前記磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む、システム。
16. 前記複数の伝導体の少なくとも１つは、同質の希土類酸化銅超伝導体を含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記複数の伝導体の少なくとも１つは、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含む、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記伝導体は円形断面を有する、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記伝導体は方形断面を有する、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記複数の伝導体の少なくとも１つは、高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの複数の積層体を含む、請求項１５に記載のシステム。
21. ＨＴＳテープの前記複数の積層体は、ＨＴＳテープの前記複数の積層体によって生成された熱を除去するための冷却チャネルの周りに配置される、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記複数の伝導体の少なくとも１つは、その溝にはんだ付けされる、請求項１５に記載のシステム。
23. 前記複数の伝導体の少なくとも１つは、エポキシを使用してその溝に埋め込まれる、請求項１５に記載のシステム。
24. 前記ハウジングは鋼を含む、請求項１５に記載のシステム。
25. 前記ハウジングはグラスファイバー複合材料を含む、請求項１５に記載のシステム。
26. 複数のマグネット巻線パックを備えるマグネットシステムであって、各巻線パックは複数のマグネットプレートを有し、前記マグネットプレートのそれぞれは溝付きの表面の反対側に平坦な表面を有し、前記マグネットプレートのそれぞれは、前記溝付きの表面における溝を通る伝導体を有し、
    前記複数のマグネットプレートがそれぞれの巻線パックに配置され、それによって、磁界を生成するために前記マグネットプレートのそれぞれの前記伝導体に電流が印加されると、生成された前記磁界の結果として生じるローレンツ力が各伝導体をそのそれぞれの溝に押し込む、マグネットシステム。
27. 前記マグネット巻線パックの少なくとも２つは、マグネットプレートの異なる配置を有する、請求項２６に記載のマグネットシステム。
28. ソレノイドとして構成される、またはトロイドとして構成される、請求項２６に記載のマグネットシステム。
29. 複数のプレートを備えるマグネットであって、前記プレートのそれぞれは、溝付きの表面の反対側に平坦な表面を有し、前記プレートのそれぞれは、前記溝付きの表面における溝を通る伝導体を備えており、
    前記複数のプレートは、第１のプレートと第２のプレートとを含み、前記第１のプレートの前記平坦な表面と前記第２のプレートの前記平坦な表面との両方が前記第１のプレートの前記溝付きの表面と前記第２のプレートの前記溝付きの表面との間に存在するように前記第１のプレートおよび前記第２のプレートが配置される、マグネット。
30. 前記第１のプレートの前記平坦な表面が前記第２のプレートの前記平坦な表面に接触する、請求項２９に記載のマグネット。
31. 前記第１のプレートの前記平坦な表面および前記第２のプレートの前記平坦な表面が絶縁層の対向する側部に接触する、請求項２９に記載のマグネット。
32. 前記プレートの少なくとも１つは、高温超伝導体テープの積層体を有する伝導体を含む、請求項２９に記載のマグネット。
33. 前記伝導体は円形断面を有する、請求項３２に記載のマグネット。
34. 前記伝導体は方形断面を有する、請求項３２に記載のマグネット。

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