JPH0523485B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は超電導磁石に使う円錐形無含浸巻線
に関する。

超電導磁石は磁石の巻線に非常に大きな電流密
度が得られる様にし、最も強力な抵抗形空心磁石
で発生される磁界の約10倍の非常に強い磁界を発
生することが出来る。超電導体は極低温度にある
時だけ、抵抗なしに電流を通すという性質を持つ
から、磁石は液体ヘリウム及び窒素によつて極低
温に冷却しなければならない。

エポキシ含浸巻線は、磁気共鳴用の超電導磁石
で予測し得る性能を実証した。この巻線は、典型
的には極めて清潔な、精密巻装の複雑なエポキシ
含浸過程、精密加工、及び円筒形支持構造に対す
る組立てを必要とする。ワイヤ並びに支持構造に
対する組立て部のエポキシ含浸を正しく行なわな
いと、エポキシ含浸をした巻線及び支持体を低温
槽の中に配置し、液体ヘリウムによつて極低温に
冷却した後、巻型及び巻線の冷却速度の差によ
り、支持体とエポキシ含浸巻線の間にひゞ割れが
起り得る。巻線に流れる電流による電磁力が、巻
線に対して外向きの力を加える。この結果、巻線
が移動すると、巻線の加熱が生じ、巻線の一部分
が超電導温度より高くなり、その結果巻線の抵抗
加熱が起る。巻線の一部分の抵抗加熱があると、
隣接区域が加熱され、その結果電流を通す巻線の
超電導性の消滅となる。巻線から放出される熱
が、低温槽から液体ヘリウムを急速に蒸発させる
ことがある。

現在、欠陥のある磁石に於けるワイヤの動きの
問題を解決する為に、ならしが使われている。磁
石のならしの際、磁石を過冷却し、流す電流を定
格電力に向つて増加する。ワイヤの動きが起り、
消滅が起る。再び磁石を冷却し、前に動いて消滅
の原因となつた巻線が新しい位置にとゞまるとい
う期待並びに予想の下に、電流レベルを増加す
る。ならしは時間と費用のかゝる（ヘリウムが失
われる為）ものであり、必ずしも有効な調整策で
はない。

巻線のピーク磁界を下げ、従つて巻線が受ける
応力を下げる為に、エポキシ含浸磁石の巻線の状
態を最適にする為の自由度も限られている。この
拘束は、空所のないエポキシ含浸を確実にする助
けとして、コイルの軸長を制限する必要がある為
である。この為、エポキシ含浸巻線の利用は最適
には至つていない。

この発明の目的は、超電導磁石に対する無含浸
巻線として、ならしをせずに予測可能に作用する
巻線を提供することである。

この発明の別の目的は、超電導磁石に対する無
含浸巻線として、製造並びに設計が簡単であつ
て、超電導体の利用を改善し、コストを切下げる
巻線を提供することである。

この発明の別の目的は、消滅の際巻線を保護
し、こうして磁石保護抵抗を省く為に、巻線支持
構造を利用することである。

発明の要約 この発明の１面では、超電導磁石の低温槽に使
う巻線が、全体的に円錐形の巻型を有する。超電
導磁石の動作中、隣合つたターンの間でターン間
の軸方向の圧縮が得られる様に、超電導ワイヤを
巻型の周りに張力をかけて巻付ける。

この発明の要旨は、特許請求の範囲に具体的に
且つ明確に記載してあるが、この発明の目的及び
利点は、以下図面について好ましい実施例を説明
する所から更によく理解されよう。

発明の詳しい説明 図面全体にわたり、同様な部分には同じ参照数
字を用いているが、第１図及び第２図について説
明すると、絶縁された超電導巻線７が、その大き
い方の半径を持つ底で対称的に結合された截頭円
錐形の２つの殻体で構成された巻型９の周りに強
い張力（典型的には20000乃至40000psi）の下に
巻装される。この巻線は、ゼネラル・エレクトリ
ツク・カンパニから入手し得るフオルメツクス
（登録商標）の様なポリビニール・フオルメル絶
縁によつて覆われた銅の母材中のニオブ・タンタ
ル合金で構成することが出来る。超電導体は、巻
型の周りを円周方向に伸びる肩１１によつて定め
られた部分に分けて巻装される。肩は軸方向の溝
孔が設けられていて、円周方向のすき間を作り、
これが巻線によつて生じたフープ応力を取去り、
巻装後も巻型の円錐形を保つことが出来る様にし
ている。希望する磁界の一様性の程度に応じて、
巻線の部分の数を定めることが出来る。巻線の部
分が多ければ多い程、巻型の作用区域の内部の磁
界の一様性が高くなる。磁気共鳴作像に使われる
超電導磁石では、磁石の中孔に中の磁界の非均質
性は像の解像度に悪影響を与える。

円錐形巻型９はアルミニウム、銅又は硝子繊維
で作ることが出来る。アルミニウム又は銅を使う
場合、圧延と溶接によつて製造することが出来
る。大量生産では、回転によつて殻体を製造する
ことが出来る。円錐面である為、超電導体はター
ン間の軸方向の圧縮をもつて巻装される。超電導
体は矩形断面を持つことが好ましい。巻線の層数
が少なくなる様に、超電導体を縁を立てゝ（矩形
断面の狭い側を巻型に接触させて）巻装すること
が好ましいが、これは不可欠ではない。巻型と巻
線の熱による収縮の為、並びに動作中に巻線に流
れる電流によつて生ずる磁気的な負荷の為に、巻
型から離れるのを防止する為に、超電導体を強い
張力の下に巻装することが必要である。巻装は１
つの部分の直径が小さい方の部分から始められ、
直径が大きい方へ向つて進められる。縁を立てゝ
巻装する時、「キーストーン現象」、即ち巻線の下
側部分が巻型と接触して巻装されることが起り、
以後の巻線の適正な整合を妨げることがある。縁
を立てゝ巻装を続ける為には、巻線の間に周期的
にスペーサを配置することが必要になることがあ
る。１つの部分の巻装を完了したら、超電導体を
はんだ付け等により、肩にしつかりと固定して、
次の巻装を開始する前に、張力状態を保つ。巻線
及び巻型が低温槽１３の中にある状態が第２図に
示されている。非均質性が3ppm又はそれ以下で
ある様な、截頭円錐の内部の作用容積が、第２図
に半円形の破線で示されている。

絶縁されていない銅又はアルミニウムのワイヤ
１０を張力をかけて超電導巻線に重ね巻きするこ
とにより、内側巻線のフープ応力を減少すること
が出来る。第３図には、第１図及び第２図に示す
様な形式で、巻型の各半分に単一層の３つのコイ
ルを持つ1.5Tの磁石に対する円錐形磁石の応力
解析が示されている。第３図の図表の小さいコイ
ルとは、巻型の直径が一層大きな部分を取巻くコ
イルであり、この表の大きいコイルとは、巻型の
直径が小さい部分に設けられたコイルであり、中
位のコイルが巻型の各半分で大きいコイルと小さ
いコイルの間にある。この図表で「内側」及び
「外側」とは、巻型の縦軸線に沿つて見て、巻型
の中心に一層近い側並びにこの中心から一層遠い
側を云う。300K及び4Kと記した欄の数字は、
夫々300°K及び4°Kに於ける付勢されていない磁
石に対する値である。1.5T及び2.1Tと記した欄
は、4°Kの動作で付勢した磁石に対するものであ
り、夫々磁界強度は1.5T及び2.1Tである。第３
図の図表に示す様に、巻線及び重ね巻きの張力を
正しく選択することにより、超電導体が低い温度
で残留張力がかゝる様にすることが出来る。半径
方向外向きの磁力の為、磁石を付勢した時、超電
導体の張力が増加する。円錐形巻型は常に圧縮状
態にある様に設計されている。巻型が常に張力を
受けるから、巻線が巻型から離れることが絶対に
ないことが保証され、動きの結果としての摩擦加
熱がごく小さくなる。

絶縁されていない超電導巻線は、幅約0.25乃至
0.5吋、厚さ0.002乃至0.010吋の幅方向のマイラー
（登録商標）、カプトン（登録商標）又はレザー絶
縁テープ（図面に示してない）の配列により、そ
れに隣接する内面及び外面から絶縁することが出
来る。これらのテープは円周方向に0.1乃至0.3吋
のすき間をおいて等間隔に設け、液体ヘリウムの
軸方向の流れが巻線の内部に流れることが出来る
様にする。

巻線はワイヤの動きを拘束する様に設計さえて
いるが、無限小の突然のワイヤの動きが起ること
が考えられる。超電導体の安定性を高める為、膜
絶縁の超電導体に、銅又はアルミニウムの様な熱
伝導度の高い金属の薄いテープを巻付けることが
出来る。このテープは0.0005乃至0.002吋であつ
てよく、重なりを小さくして巻付ける。更に、厚
さ0.0005乃至0.002吋のマイラー又はカプトンの
テープを、50％の重なりをもつて、金属テープの
周りに螺旋形に巻付け、導体の電気絶縁を施すこ
とが出来る。

第４図はフオルメツクス１５を用いて絶縁され
且つ金属テープ１６及び絶縁テープ１７によつて
覆われた超電導ワイヤ１４の表面を示す。これま
で説明した様な超電導ワイヤがフオルメツクスの
様な絶縁膜によつて被覆される。導体とテープの
間のすき間は液体ヘリウム１９で充填される。液
体ヘリウムは周囲の固体材料よりも、4°Kで比熱
が約300倍大きい。この為、液体ヘリウムで充填
された巻線の小さな空孔でも、多孔質巻線の比熱
をかなり大きくする。比熱が大きくなる為、導体
の動きによつて発生される摩擦加熱があつても、
それは金属テープを介してヘリウムに伝えられ、
温度上昇はごく僅かである。この為、超電導体の
臨界温度を越えない。

この超電導巻線は、金属の円錐形巻型及び重ね
巻きの両方に電気的に密結合である。この結合
は、巻型又は重ね巻きが導電度の高い材料で作ら
れていれば、消滅の際、巻線の磁気エネルギのか
なりの部分を散逸する観点から有利である。この
為、円錐形巻型及び重ね巻きが消滅の際の保護抵
抗として作用し、超電導磁石が吸収するエネルギ
を減少することが出来る。

次に第５Ａ図及び第５Ｂ図には、消滅状態を生
じた磁石の中孔に於ける探索コイル電圧の変化
と、磁石の電流の変化とを時間に対して示すグラ
フが示されている。消滅状態が発生すると、磁石
の電流が急に減少する。然し、探索コイル電圧で
測定した磁界の変化は、時間にわたつてゆつくり
と変化することが判るが、これは消滅状態の磁気
エネルギが徐々に散逸されることを示している。

第６図には、第１図に示す形式の２つの截頭円
錐で構成された巻型の上に、絶縁超電導ワイヤの
２層を張力をかけて巻装したこの発明の別の実施
例が示されている。この巻線に絶縁されていない
銅又はアルミニウム１０の重ね巻きをする。２層
巻線は、軸方向の長さを短くした巻型を使うこと
が出来る様にすることが理解されよう。

第７図には、正常領域と超電導領域とを分ける
4.2°Kに於ける電流対磁界強度と共に超電導特性
が示されている。夫々1.5T及び2Tを動作点とす
る１層及び２層の設計に対する２本の負荷線が示
されている。超電導ワイヤは0.04×0.2吋の断面
寸法を持つていて、縁巻きにしていると仮定して
いる。超電導ワイヤに於ける銅と超電導合金との
比は、１：７と仮定している。この負荷線から、
超電導巻線の電流が増加するにつれて、超電導性
が失われる点に達することが判る。1.5Tの動作
点は、この動作点が超電導と正常の境界から隔た
つているという点で安全余裕を持つことが判る。

以上、ならしをせずに予測し得る形で作用し、
製造並びに設計が簡単であつて、超電導体の利用
率を改善すると共にコストを切下げる超電導磁石
に対する無含浸巻線を説明した。

この発明を幾つかの好ましい実施例について具
体的に図示し且つ説明したが、当業者であれば、
この発明の範囲内で種々の変更が可能であること
が理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従つて円錐形巻型に巻装し
た単一超電導巻線の側面図、第２図は低温槽のハ
ウジング内に示した、1.5テスラ（Ｔ）の磁気共
鳴用磁石に用いる、第１図の円錐形巻型に設けた
単一層超電導巻線の部分的な断面図、第３図は第
１図の巻線及び巻型の応力解析を示す図表、第４
図は金属テープ及び絶縁テープで覆われた超電導
ワイヤの部分的な断面図、第５Ａ図及び第５Ｂ図
は共通の時間軸に対して、この発明に従つて構成
された超電導磁石の消滅状態の際の探索コイルの
電圧及び磁石の電流を示すグラフ、第６図は磁気
共鳴用の1.5Tの磁石に対する、円錐形巻型に巻
装した２重層超電導巻線の部分的な断面図、第７
図は磁界強度及びワイヤの電流の関数として負荷
線を示した超電導特性を示すグラフである。 主な符号の説明、７……超電導巻線、９……円
錐形巻型。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低温槽に使う超電導磁石に於て、 夫々その大きい方の半径を持つ底で結合された
   ２つの截頭円錐形の殻体からなる巻型９と、 超電導磁石の動作中、隣合つたターンの間でタ
   ーン間に軸方向の圧縮状態にとどまるように、前
   記巻型の周りに円周方向に少なくとも１層十分な
   張力をかけて巻装された超電導ワイヤ７の無含浸
   巻線と、 前記巻型の周りで円周方向に伸びていて互いに
   軸方向に相隔たる、半径方向に突出する複数個の
   対の肩１１とを含み、前記巻線の部分は各々が予
   定の対の隣合う肩の間に巻装された複数個のター
   ンを有し、該巻線の部分に隣合う肩の間の円周方
   向すき間にはターンは無く、 前記肩１１は、前記巻型が圧縮状態にある時に
   歪みを避ける為に、その中を通抜ける軸方向に延
   びる溝孔を持ち、更に 内側巻線のフープ応力が減少する様に、前記巻
   線の周りに張力をかけて重ね巻きしたワイヤ１０
   とを含み、前記超電導ワイヤ７及び該重ね巻きし
   たワイヤ１０の張力は、超電導磁石の動作中、前
   記巻型９が圧縮状態にとどまることにより、該超
   電導巻線７が該巻型９から離れず、動きの結果生
   ずる摩擦加熱がごく小さくなる様に選ばれている
   超電導磁石。 ２ 特許請求の範囲１に記載した超電導磁石に於
   て、前記超電導ワイヤ７の巻線が該巻線を取巻く
   絶縁膜１５を有する超電導磁石。 ３ 特許請求の範囲１又は２に記載した超電導磁
   石に於て、超電導巻線の各層に隣接する半径方向
   内側及び半径方向外側の面から絶縁する等間隔で
   軸方向に伸びる絶縁テープ１７の配列を有し、軸
   方向に伸びるテープの間１９に、超電導巻線に極
   低温ガスが流れることが出来る様にするすき間を
   作つた超電導磁石。 ４ 特許請求の範囲３に記載した超電導磁石に於
   て、前記超電導ワイヤ７に熱伝導度の高い金属テ
   ープ１６を巻付けると共に、絶縁を施すテープ１
   ７を更に巻付けてある超電導磁石。