JP5806344B2 - 支持構造体に結合されたコイルを有する超電導電磁石 - Google Patents

Description

本発明は、支持構造体に結合された超電導線コイルを有する超電導電磁石に関する。

特に、本発明は、超電導磁石における超電導コイル組立体の温度が急に変化した場合に超電導コイルと支持構造体との間に熱により生じる応力を減少させるような超電導磁石に関する。

本発明は、特に、実質的に環状の超電導コイル組立体を有し、共通軸のまわりに並べられているがその軸に沿って互いにずらされた電磁石に関する。そのような構成は、一般にソレノイド磁石と呼ばれるが、厳密に言うとソレノイドではない場合がある。

図１および図２は、ソレノイド磁石として支持構造体に結合されたコイルの配列の一例を概略的に示す。

図１は、超電導線のコイル１０が巻型１２内の環状空洞に巻き込まれた周知の従来の構成を示す（特許文献１参照）。構造体は、実質的に軸Ａ−Ａに関して３６０度の対称性を有し、また実質的に平面Ｂ−Ｂに関して反射対称性を有する。巻型は、典型的には、環状溝が形成された旋削アルミニウム管である。あまり一般的でない他の変形では、巻型は、モールド成形され、または、ガラス繊維強化エポキシ樹脂などの複合材料に旋削される。
典型的な製造工程では、コイル１０は、コイル内で線を結合する硬化材料（典型的にはエポキシ樹脂）で含浸される。コイル１０は、典型的には、コイルと巻型の間に滑り面を作成する材料を使用することにより、半径方向内側面（Ａ１面として知られる）、軸方向内側面（Ｂ１面として知られる）、および軸方向外側面（Ｂ２面として知られる）で巻型１２から絶縁される。これらの寸法は、磁石中心に対して定義される。代替の実施形態では、コイルは、すべての面で支持構造体に結合されてもよい。

図１に示されたように、面Ａ１およびＡ２は、それぞれ軸Ａ−Ａから半径Ａ１，Ａ２にあり、面Ｂ１およびＢ２は、それぞれ平面Ｂ−Ｂから軸方向変位量Ｂ１，Ｂ２にある。いわゆる「中心コイル」は、対称平面Ｂ−Ｂに対して、Ｂ１＝０と対称平面によって反射されたＢ２とを有するように定義される。他のすべてのコイルは、対称平面によって反射されたＢ１とＢ２によって定義することができる。

図２は、そのような巻型が提供されない代替構成を示す。代わりに、コイル１０は、その外側面（面Ａ２として知られる）が一般に実質的に円筒形状の支持構造体１４に結合される。この構造体は、コイル１０を型に巻き付け、ガラス繊維布などの充填材料をコイルの半径方向外側面の上に巻き付け、構造体全体にエポキシ樹脂などの硬化材料を含浸させることによって製造される。従って、コイル１０は、半径方向外側（Ａ２）面のみにより支持構造体１４に結合される。

コイル１０は、典型的には銅マトリックス中の複数のＮｂＴｉフィラメントのマトリックスで構成された超電導線で作成される。巻かれた線は、エポキシ樹脂などのきわめて薄い電気絶縁層によって分離される。しかしながら、コイルの熱膨張率と熱伝導率は、円周方向では銅のものと近い。半径方向と軸方向で、熱膨張率は、線と樹脂の複合層の熱膨張率の組み合わせによって決定される。

支持構造体の材料、例えばアルミニウムまたはＧＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）は、ある程度異なる熱伝導率と熱膨張率を有する。コイルと支持構造体の組立体が、急な温度変化を受けると、コイルと支持構造体は、異なる程度まで異なる割合で膨張または収縮する。比較的低い熱伝導率を有する材料の場合は、温度変化はゆっくりしか効果を現さないが、高い熱伝導率を有する材料の場合は、温度変化はより早く効果を現す。さらに、より大きい熱膨張率を有する材料は、温度変化の結果、小さい熱膨張率の材料よりも大きく膨張または収縮する。

材料が温度によって膨張または収縮するので、材料の寸法が変化する比率として歪の値が定義されることがある。例えば、長さｄの物体が、長さΔｄだけ変化した場合、関連歪みは、Δｄ／ｄと表される。

異なる材料の歪値は、それらの温度変化が類似している場合でも異なる。

前述のコイル組立体のいずれでも、コイルの歪は、隣り合った支持構造体の歪みと異なる。これは、結合界面のせん断歪によりコイルと支持構造体との結合界面を破損させる危険がある。その結果、使用中に、コイルにかかる機械力が、コイルを動かし、支持構造体に結合されたコイルの界面に亀裂を作り、コイルの曲がりが応力と内部亀裂を発生させ、これが、クエンチの原因になることがある。

クエンチの際、超電導電磁石の磁界に蓄積されたエネルギーは、典型的には支持構造体との機械的相互作用、コイル内の樹脂の内部亀裂、または線の過度の緊張によって生じる熱によって引き起こされる超電導状態の乱れのために、コイルと超電導磁石内で急に熱に放散される。多くの既知の構成が、エネルギーをいくつかのコイルにわたって拡散させ、その後で１つのコイルにクエンチが起こる。しかしながら、この結果、コイルが素早く加熱されるが、コイルに結合された支持構造体は、同じように迅速には熱くならない。この結果、コイルと支持構造体間に表面歪みの差が生じ、コイルと支持構造体との結合が破損する危険がある。

図１に示されたような、コイルと支持構造体との間に滑り面を有する磁石構造では、コイルが、支持構造体と無関係に動くことができ、したがって、コイルと巻型と間の破壊は、スティックスリップ問題に限定される。コイルが巻型に結合された状態の図１に示されたものと類似の磁石構造では、コイルと巻型との間の結合の破壊が、クエンチをまねくことがある。
図２に示されたような磁石構造では、コイル１０と支持構造体１４との間の結合の破壊によって、コイルがある程度軸方向に動くことがあり、これがクエンチをまねくことがある。

特表２００８−５４１４６６

従って、本発明は、軸方向に配設された複数の環状の超電導線コイルを備えるソレノイド超電導電磁石であって、隣接する前記超電導線コイルの間に環状の支持要素を配設して前記環状の超電導線コイルを支持する支持構造体に結合されたソレノイド超電導電磁石において、コイルが急な温度変化を受けるときにコイルと隣接した支持構造体との間の界面歪みの差を小さくする装置を提供することを目的とする。そのような温度変化の例には、動作温度への磁石の初期冷却と、クエンチの際の磁石の加熱が挙げられる。

本発明は、特許請求の範囲で特定されたような装置を提供する。
即ち、「軸方向に配設された複数の環状の超電導線コイルを備える超電導電磁石において、隣接する超電導線コイルの間に環状の支持要素を配設して前記環状の超電導線コイルを支持することを特徴とする。」

本発明の上記およびその他の目的、特徴および利点は、図面に示す実施形態の例に関する以下の説明からより明らかになるであろう。

支持構造体に結合されたコイルを含む従来のソレノイド超電導電磁石の例を示す図である。 支持構造体に結合されたコイルを含む従来のソレノイド超電導電磁石の異なる例を示す図である。 支持構造体に結合されたコイルを含む本発明の実施形態の一例によるソレノイド超電導電磁石の構成を示す図である。 支持構造体に結合されたコイルを含む本発明の実施形態の一例によるソレノイド超電導電磁石の図３とは異なる実施形態の一例を示す図である。 図４に示す実施形態の一例で使用される支持体部分の概略図である。

以下、この発明の実施形態について説明する。図３は、本発明の実施形態の一例によるソレノイド超電導電磁石の構成を示す図である。ここで、コイル１０は、複数の支持要素１６の間に巻き付けられる。コイル１０は、例えばエポキシ樹脂などの硬化材料によって複数の支持要素１６に結合される。したがって、コイル１０は、その軸方向内側（Ｂ１）面と軸方向外側（Ｂ２）面だけで複数の支持要素１６を含む支持構造体に結合される。そのような構造体は、複数の支持要素１６を巻管に一時的に取り付け、支持構造体の間の巻管上にコイル１０を巻き、コイル１０にエポキシ樹脂などの硬化材料を含浸させることによって形成され、硬化材料は、複数のコイル１０を複数の支持要素１６に結合する働きもする。

図３の支持要素１６は、機械的強度、熱膨張率、密度の適切な特性を有するアルミニウム、複合材料または任意の材料の環状片とすることができる。適切な材料には、金属（典型的に、アルミニウムとステンレス鋼）、商標Ｔｕｆｎｏｌ，Ｄｕｒｏｓｔｏｎｅで知られるような複合材料、ガラス玉または布が埋め込まれた種々のエポキシ樹脂、または機械強度、ヤング率および熱膨張率の適切な特性を有する材料の任意の他の組み合わせが挙げられる。

図４は、図３の構成の変形例の部分切断図を示し、図３の複数の環状支持要素１６が、コイルの軸方向面のまわりの円周方向に離間された支持ブロック１８によって置き換えられている。

この構造体は、図３の構造体を製造するために説明された方法と類似の方法によって製造されてもよいが、支持ブロック１８の適正な間隔を保証し、コイルの巻線を支持し、含浸工程中に樹脂を排除するためにスペーサブロック（図示せず）が複数の支持ブロック１８間に位置決めされる。そのようなスペーサブロックは、樹脂含浸後に構造体から除去することができる。

従って、この構成では、コイル１０は、その軸方向内側面（Ｂ１）と軸方向外側面（Ｂ２）だけで、また円周方向に離間された場所でのみ、支持ブロック１８を含む支持構造体に結合される。

図４の支持ブロック１８は、適切な機械強度、熱膨張率および密度の特性を有するアルミニウム、複合材料または任意の材料でよい。適切な材料には、金属（典型的には、アルミニウムとステンレス鋼）、商標Ｔｕｆｎｏｌ，Ｄｕｒｏｓｔｏｎｅで販売されているような複合材料、ガラス玉または布が埋め込まれた種々のエポキシ樹脂、適切な機械強度、ヤング率および熱膨張率の特性を有する材料の他の組み合わせが挙げられる。

図４Ａの支持ブロック１８は、図４に示す実施形態の一例で使用される支持体部分の概略図を示す。

前述のように、温度を急に変化させる２つの最も一般的な事象は、クエンチと初期冷却である。

クエンチの際、前述のように、コイルが急に熱くなり、超電導状態から抵抗状態への転移によってエネルギーがコイル内に放散され、典型的にはコイルの方が熱膨張率が大きいので、コイルが、支持構造体より大きくかつ速く膨張する傾向がある。

また、初期冷却の際、コイルと支持構造体は、含まれる材料のそれぞれの熱伝導率と熱膨張率に応じて異なる割合で収縮する。

温度変化の結果として起こる最終的なコイルと支持構造体のサイズの変化と、その結果生じる定常状態の界面歪みは、コイルと支持構造体のそれぞれの熱膨張率に依存する。

上記の記載から明らかなように、本発明によれば、軸方向に配設された複数の環状の超電導線コイルを備えるソレノイド超電導電磁石であって、隣接する前記超電導線コイルの間に環状の支持要素を配設して前記環状の超電導線コイルを支持する支持構造体に結合されたソレノイド超電導電磁石において、前記複数の超電導線コイルは、その軸方向内側（Ｂ１）面と軸方向外側（Ｂ２）面だけで前記支持構造体に結合されることとしたので、従来装置に比べて、コイルが急な温度変化を受けるときにコイルと隣接した支持構造体との間の界面歪みの差を小さくする超電導電磁石を提供することができる。

本発明は、限定された数の特定の実施形態に関連して説明されたが、多数の変形および変更が当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、特許請求の範囲に特定された通りである。

１０ コイル
１２ 巻型
１４ 支持構造体
１６ 支持要素
１８ 支持構造体（支持ブロック）

Claims (2)

1. 軸方向に配設された複数の環状の超電導線コイル（１０）を備えるソレノイド超電導電磁石であって、隣接する前記超電導線コイルの間に環状の支持要素（１６）を配設して前記環状の超電導線コイルを支持する支持構造体に結合されたソレノイド超電導電磁石において、
   前記複数の超電導線コイルは、その軸方向内側（Ｂ１）面と軸方向外側（Ｂ２）面だけで前記支持構造体に結合されることを特徴とするソレノイド超電導電磁石。
2. 前記環状の支持要素（１６）は、円周方向に離間された場所に配設された複数の支持ブロック（１８）からなることを特徴とする請求項１に記載のソレノイド超電導電磁石。

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