JPH10507589A - 輪郭が変化する超電導磁気コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 同じ連続長さの超電導ワイヤから巻回された、異なる寸法をもつ１対のパンケーキコイルを有する二重パンケーキコイル。本発明の二重パンケーキコイルは、同心状に配置されかつ多コイル超電導磁気コイル組立体の長手方向軸線に沿って電気的に相互接続されている。各二重パンケーキは、ほぼ同じ外側寸法をもつ隣接二重パンケーキコイルの少なくとも他方のパンケーキコイルに電気的に接続されたパンケーキコイルを有する。長手向に沿った超電導磁気コイル組立体の内外の寸法が変化しても、隣接するパンケーキ間の電気的で接続は比較的真っ直ぐすなわち「曲がっていない」超電導ワイヤからなるセグメントを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 輪郭が変化する超電導磁気コイル 発明の背景 本発明は、超電導磁気コイルに関する。 従来技術において知られているように、超電導体の最も驚異的な特性は、超電 導体が臨界温度Ｔ_c以下に冷却されるとその電気抵抗を消失することである。 臨界温度Ｔ_cおよび臨界磁界以下では、超電導体は、その臨界電流密度（Ｊ_c） までの電流密度を運ぶことができる。臨界電流密度とは、物質がその超電導特性 を喪失して通常の電導状態に戻るときの電導密度をいう。 超電導体は、該超電導体がコイルの形状に巻回されるソレノイド、レーストラ ック磁石、多極磁石等の超電導磁気コイルの製造に使用できる。コイルの温度が 充分に低くて、ＨＴＳ導体が超電導状態で存在できるときは、電流容量並びにコ イルにより発生される磁界の強さが極めて増大される。 一般的な超電導材料として、ニオブ−チタンと、ニオブ−錫と、および、希土 類元素−酸化銅系（すなわち、ＹＢＣＯ）、タリウム−バリウム−カルシウム− 酸化銅系（すなわち、ＴＢＣＣＯ）、水銀−バリウム−カルシウム−酸化銅系（ すなわち、ＨｇＢＣＣＯ）およびビスマス−ストロンチウム−カルシウム−酸化 銅系（すなわち、ＢＳＣＣＯ）の構成メンバのような酸化銅とがある。鉛（すな わち、（Ｂｉ、Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃またはＢｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏｘ(ＢＳ ＣＣＯ 2223)）およびＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₄（ＹＢＣＯ１２３）を任意に含有する或 るＢＳＣＣＯコンパウンドは、これらの超電導性および対応する電流密度特性が 比較的高温（それぞれ、Ｔ_c＝１１５Ｋおよび９５Ｋ）で達成されるため、特に 優れた性能を発揮する。 第１図に示すように、このような超電導磁気コイルの製造に使用される超電導 体は、コアの直径の周囲に曲げることができる薄いテープ５の形状に形成できる 。或る実施例では、薄いテープは、個々の超電導フィラメント７を含む多フィラ メント複合超電導体として製造され、フィラメント７は、多フィラメント複合超 電 導体のほぼ長さ方向に延びておりかつマトリックス形成材料８（一般に、銀まそ の他の貴金属からなる）により包囲すなわち支持されている。マトリックス形成 材料は導電体であるけれども、超電導体ではない。超電導フィラメントおよびマ トリックス形成材料が、一体となって多フィラメント複合電導体を構成する。或 る用途では、超電導フィラメントおよびマトリックス形成材料が絶縁層（図示せ ず）内に封入される。マトリックス形成材料に対する超電導材料の比率は「充填 比」として知られており、一般に５０％以下である。また、テープは、「パウダ インチューブ（ＰＩＴ）」形態またはテープ状基体の表面上に超電導体が蒸着さ れたコーテッドテープを含む良く知られた形態に構成できる。 磁気コイルは、一般に１つまたは２つのアプローチを用いて、超電導テープに より巻回される。層巻きとして知られている第１アプローチでは、超電導体は、 第１層が形成されるまで、巻き部(turns)を互いに隣接させて巻くことによりコ アの回りに巻回される。 パンケーキ巻きとして知られている他のアプローチでは、超電導テープが先行 巻き部の上に巻回され、これによりコイルの軸線に対して垂直な巻き部の平面を 形成する。一連のパンケーキコイルを用いてコイルを形成する用途では、パンケ ーキコイルを二重パンケーキとして巻回できる。 或る用途では、パンケーキコイル（単一または二重）を用いた超電導磁気コイ ル組立体は、コイル組立体の長さに沿って同軸状に配置される幾つかのコイルで 構成できる。個々のコイルは、例えば酸化銅セラミックのような上記種類の超電 導材料から作られた短い長さの超電導ワイヤまたは超電導リボンを用いて相互接 続される。 発明の要約 本発明の１つの形態では、超電導磁気コイル組立体が、長手方向軸線の回りで 同心状に配置されかつ電気的に接続された二重パンケーキコイルを有し、各二重 パンケーキコイルが１対の個々のパンケーキコイルからなり、個々の各パンケー キコイルがコイル組立体の長手方向軸線の回りで巻回された超電導体を備え、電 気的に接続されたパンケーキコイルからなるコイル組立体が、長手方向軸線に対 し変化する半径方向断面を有している。 二重パンケーキの個々のパンケーキ間の境界は、ほぼコイル組立体の内径に沿 って位置しかつ特殊な巻回および構造技術により同じ連続長さの超電導ワイヤで 形成される。「架橋」と呼ばれる二重パンケーキコイル間の電気的相互接続は、 ほぼ等しい外側寸法をもつ互いに隣接する二重パンケーキ対の個々のパンケーキ 間の比較的真直なすなわち「曲がっていない」テープ状電導材料を用いて行なわ れる。パンケーキを架橋する電導材料は、全体的に超電導材料からなる中実片で 構成するか、または、パンケーキの金属シースまたは完全な超電導継手を形成す べくパンケーキのエッチングされた外側層と接触する超電導材料を介してパンケ ーキと接触する複合超電導ワイヤで構成するのが好ましい。パンケーキコイル間 の接触は、ロウ付け、圧力接触および高温反応を含む他の方法を用いて行なうこ ともできるが、これらに限定されるものではない。超電導ワイヤのセグメントは 、パンケーキコイルの長手方向軸線に対して垂直な方向のパンケーキコイルの外 側輪郭に倣うことができるように僅かに湾曲していてもよいが、セグメントが、 隣接する二重パンケーキの個々のコイルを架橋するとき、コイルの長手方向軸線 に沿って本質的に曲がらない(例えば、１つの複合ワイヤの厚さより曲りが小さ い)。かくして、超電導磁気コイル組立体は、その長さに沿って非均一の内側寸 法および／または外側寸法にして、組立体の二重パンケーキコイル間の低損失の 電気的相互接続を形成する複合超電導ワイヤの実質的に曲がっていない部片の使 用を可能にすると同時に、磁界形状または磁界密度を与える。 超電導ワイヤからなる比較的曲りの小さい電気的相互接続を設けることにより 、相互接続の電気的および機械的信頼性が増大される。すなわち、これは、大部 分の場合、所望の超電導特性を得るべく選択された材料の機械的特性による。酸 化銅セラミック形の材料のように、このような材料は、一般に大きな張力（例え ば、曲げ工程中に創出されるような力）を付与することに耐えられず、過度に曲 げたときに容易にクラックが入るか破断されてしまう。このような材料は、しば しば、これらの曲げ歪み値および限界歪み値により特徴付けられる。曲げ歪みは 、電導体の厚さの１／２を曲率半径で割った値に等しく、一方、電導体の限界歪 みは、材料が電気的性能の劇的低下を被る前に支持できる歪み量として定義され る。限界歪み値は、電導体の製造に使用される成形工程によるところが大きく、 一般に、 使用される工程に従って0.05〜1.0 ％の間にある。曲げ歪みの増大により、継手 を横切る抵抗および電圧が付随して増大する。電導体の曲げ歪みが電導体の限界 歪みを超えると、抵抗は、電導体の電流容量従ってコイルにより発生される最大 磁界が大幅に低下するところまで増大する。 本発明の特定実施例は、１つ以上の次の特徴を有する。 或る用途では、コイル組立体の外側寸法が、超電導磁気コイルの中央領域から 端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って変化している。例え ば、互いに隣接する二重パンケーキコイルの外側寸法は、超電導磁気コイルの中 央領域から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に増 大していない（すなわち、一定であるか、減少している）。同様に、互いに隣接 する二重パンケーキコイルの外側寸法は、超電導磁気コイルの中央領域から端領 域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に減少していない（ すなわち、一定であるか、増大している）。少なくとも１つの二重パンケーキの 対をなす個々のパンケーキコイルのうちの第１のパンケーキコイルは、対をなす 他方の個々のパンケーキとは異なる外側寸法を有する。或る実施例では、１つ以 上の二重パンケーキが１対の個々のパンケーキコイルを有し、該コイルの外側寸 法はほぼ同じであるが、コイル組立体の他の二重パンケーキコイルのパンケーキ の外側寸法とは異なっている。 同様に、コイル組立体の内側寸法は、超電導磁気コイルの中央領域から端領域 に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って変化している。例えば、互 いに隣接する二重パンケーキコイルの内側寸法は、超電導磁気コイルの中央領域 から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に増大して いない（すなわち、一定であるか、減少している）。同様に、互いに隣接する二 重パンケーキコイルの内側寸法は、超電導磁気コイルの中央領域から端領域に向 かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に減少していない（すなわ ち、一定であるか、増大している）。少なくとも１つの二重パンケーキの対をな す個々のパンケーキコイルのうちの第１のパンケーキコイルは、対をなす他方の 個々のパンケーキとは異なる内側寸法を有する。対をなす個々のパンケーキコイ ルを接続する超電導体ワイヤの部分は、対をなす他方の個々のパンケーキコイル に隣接する側面で、小さい方の内側寸法のパンケーキコイルに固定されており、 個々のパンケーキコイルを架橋する部分の機械的支持体を形成する。 他の実施例では、１つ以上の二重パンケーキが、１対の個々のパンケーキコイ ルを有し、該コイルの内側寸法はほぼ同じであるが、コイル組立体の他の二重パ ンケーキコイルのパンケーキの内側寸法とは異なっている。一例では、コイル組 立体が個々のパンケーキで形成された二重パンケーキを有し、各二重パンケーキ は同じ内側寸法をもつように巻回されている。しかしながら、全ての二重パンケ ーキは異なる内側寸法を有しかつ長手方向軸線に沿って同心状に配置されて、変 化する内側直径をもつコイル組立体を形成している。 変化する内側寸法をもつ超電導磁気コイル組立体の外側寸法は、超電導磁気コ イルの中央領域から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って 変化させることもできる。例えば、このような実施例では、互いに隣接する二重 パンケーキコイルの外側寸法は、超電導磁気コイルの中央領域から端領域に向か って超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に減少または増大させること ができる。少なくとも１つの二重パンケーキの対をなす個々のパンケーキコイル の１つは、対をなす他の個々のパンケーキとは異なる外側寸法にすることができ る。 二重パンケーキコイルは、ほぼ等しい外側寸法をもつ隣接二重パンケーキコイ ルの個々のパンケーキコイル間に電気的接続部を備えた円形にすることができる 。別の構成として、二重パンケーキコイルはレーストラック状またはサドル状（ すなわち、最外半径方向領域が減少している形状）にすることができる。超電導 体は異方性、例えば、酸化物超電導体のビスマス系（例えば、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂ Ｃｕ₃ＯｘまたはＢｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏｘ(ＢＳＣＣＯ 2223 またはＢＳＣＣＯ 2212)またはイットリウム系の構成メンバのような異方性高温超電導体で構成で きる。超電導体は、単フィラメントまたは多フィラメント複合超電導体を用いて 、超電導テープとして形成することができる。一般に、多フィラメント複合超電 導体は、多フィラメント複合電導体の長さを延ばしかつマトリックス形成材料に より包囲されている個々の超電導フィラメントを有する。或る用途では、多フィ ラメント複合超電導体はよじることができる。例えば複合超電導材料から なる超電導テープとして形成された電導性架橋セグメントは、互いに隣接する二 重パンケーキコイルの個々のパンケーキコイル間の電気的接続部を形成するのに 使用できる。 本発明の他の態様によれば、長手方向軸線に沿って変化する半径方向断面をも つ超電導磁気コイル組立体の製造方法において、 ａ）二重パンケーキコイルを形成するステップを有し、各二重パンケーキコイ ルが、コイル組立体の長手方向軸線の回りで連続長さの超電導体から巻回された １対のパンケーキコイルからなり、少なくとも１つの前記二重パンケーキコイル が、異なる内側寸法をもつ１対のパンケーキコイルを備え、 ｂ）各二重パンケーキコイルの少なくとも１つのパンケーキコイルが、隣接す る二重パンケーキの隣接するパンケーキコイルの外側寸法にほぼ等しい外側寸法 をもつように長手方向軸線に沿って二重パンケーキコイルを同心状に位置決めす るステップと、 ｃ）各二重パンケーキの少なくとも１つのパンケーキコイルと、ほぼ等しい外 側寸法をもつ隣接する二重パンケーキのパンケーキコイルとを電気的に接続する ステップとを更に有することを特徴とする方法が提供される。 好ましい実施例では、対をなすパンケーキコイルを接続する超電導ワイヤの部 分が、対をなす個々のパンケーキコイルのうちの他方のパンケーキコイルに隣接 する側面で、小さい方の内側寸法をもつパンケーキコイルに固定される。二重パ ンケーキコイルは、超電導材料の架橋長さに接続できる。 本発明の更に別の態様では、コイルの長手方向軸線の回りに巻回された超電導 体からなる、第１内側寸法をもつ第１パンケーキコイルと、コイルの長手方向軸 線の回りに巻回された超電導体からなる、第１寸法とは異なる第２内側寸法をも つ第２パンケーキコイルとを有し、第１パンケーキコイルおよび第２パンケーキ コイルが連続長さの超電導材料から巻回されている超電導二重パンケーキ磁気コ イルが提供される。 変化する内側寸法および外側寸法をもつ二重パンケーキコイルは、一定体積内 の所望の磁界分布を与えるように組み合わせて、例えば、一定形状または特定超 電導体の体積条件に適合させることができる。この方法により、超電導体の端領 域における超電導体の量を減少させると同時に、磁界を最大にすることができる 。かくして、中央領域に一定レベルの磁界を付与するのに一般に必要とされる超 電導体の全体量を減少させることができる。また、内側寸法および／または外側 寸法は、軸線方向長さに沿ってほぼ均一なまたは特殊な形状をもつ磁界を形成す るように選択できる。 本発明の他の長所および特徴は、下記の説明および請求の範囲の記載から明ら かになるであろう。 図面の簡単な説明 第１図は、多フィラメント複合電導体を示す断面図である。 第２図は、二重パンケーキコイルを備えた多スタック形超電導コイルを示す斜 視図である。 第３図は、第２図の３−３線に沿う断面図である。 第４図は、コイル巻回装置を示す図面である。 第５図は、本発明の他の実施例を示す断面図である。 第６図は、コイル組立体の内径が変化している本発明の他の実施例を示す断面 図である。 第７図は、コイル組立体の内径が変化している本発明の他の実施例を示す断面 図である。 第８図は、第７図の８−８線の方向から見た側面図である。 第９図は、コイル組立体の内径が変化している本発明の更に別の実施例を示す 断面図である。 好ましい実施例の説明 第２図および第３図に示すように、機械的に頑丈な高性能超電導コイル組立体 １０は、多数の二重「パンケーキ」コイル（この実施例では６つの別々の二重パ ンケーキセクション）１２〜１７を有し、各コイルは同軸巻回（co-wound）複合 電導体を有する。各二重「パンケーキ」コイルは、平行に巻回された同軸巻回電 導体を有し、該電導体は、次に互いに軸線方向に積み重ねられる。図示の電導体 は、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏｘ（一般にはＢＳＣＣＯ 2223 として示される）の ような高温酸化銅セラミック超電導材料である。各二重パンケーキコイル１２ 〜１７はパンケーキコイル１２ａ〜１７ａを有し、該パンケーキコイル１２ａ〜 １７ａはこれらと関連するパンケーキコイル１２ｂ〜１７ｂより小さい直径を有 する。対をなす２つのコイルは、第４図に関連して後述するアプローチを用いて 、同じ連続長さの超電導テープから巻回される。第２図および第３図には円形の 二重パンケーキコイル１２〜１７が示されているが、他の用途では、各二重パン ケーキを、磁気コイルの製造に一般的に使用されている他の形状（レーストラッ クコイルおよびサドル形コイルを含む）にすることができる。 コイル１２〜１７は内部支持管１８により支持されており、該支持管１８の頂 部に第１端部材１９が取り付けられかつ支持管１８の反対側の端部には第２端部 材２０が螺着され、二重「パンケーキ」コイルを押圧するようになっている。内 部支持管１８および端部材１９、２０は、アルミニウムまたはプラスチック（例 えば、Ｇ−１０）のような非磁性体で作られている。或る用途では、内部支持管 １８および端部材１９、２０を設けないで、自立コイル組立体を形成することが できる。電流は、第３図に示すように反時計回り方向に流れ、軸線に沿う磁界ベ クトル２６（第２図）が、コイル組立体１０の頂部を形成する端部材１９に対し てほぼ垂直（長手方向軸線２９の方向）であると仮定する。 個々の二重パンケーキコイル１２〜１７を電気的に一体に直列回路に接続する のに、超電導材料からなる短い架橋セグメント２２が使用され、該架橋セグメン ト２２はコイル自体の巻回に使用された同じＢｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏｘで形成さ れる。別の構成として、より重い架橋材料を使用できる。また、セグメント２２ は、個々のパンケーキの外径がほぼ等しい境界に沿って隣接する二重パンケーキ を相互接続する。例えば、二重パンケーキ１２、１３のパンケーキ１２ｂ、１３ ａを架橋するセグメント２２が示されている。直径の異なるパンケーキ間の境界 は、第４図に関連して後述する二重パンケーキ巻回技術により「接続」箇所が全 く存在しない、コイル組立体１０の内径に沿って存在するため、短い架橋セグメ ント２２はコイル組立体の外径に沿ってのみ必要とされる。ほぼ同じ外径をもつ 隣接パンケーキコイルを設けることにより、超電導架橋セグメントを曲げたり引 っ張ったりする必要がなく、従って前述の好ましくない効果を回避できる。コイ ル組立体１０に電流を供給できるようにするため、一定長さの超電導材料 （図示せず）により、コイル組立体１０の一端と、一方の端部材１８に配置され たターミナル支柱２４のうちの１つのターミナル支柱２４とが接続される。架橋 セグメントは、金属、複合超電導体または純粋超電導体で作ることができる。 コイル組立体１０の軸線方向長さに沿う超電導体の分布は均一ではなく、組立 体の端領域よりも中央領域の方が多量の超電導体を有している。二重パンケーキ １２〜１７のこの構造は、コイル組立体１０の中央領域２３に磁界の増大が望ま れ、コイルの外端領域２５における磁界のレベルはそれ程重要ではないような用 途に良く適している。磁界のこのレベルは、コイル組立体１０の最大直径のパン ケーキ（例えば、パンケーキ１４ｂ、１５ａ）の直径に等しい均一外径をもつ超 電導磁気コイルを用いても達成できるが、この磁界は、より多量の超電導体を用 いて達成される訳であり、冷却を必要とするのでエネルギ効率は小さい。 本発明の一実施例では、７つの二重パンケーキコイルが長手方向軸線に沿って 同軸状に整合されており、2.75インチの高さをもつ超電導磁気コイル組立体を形 成している。７つの二重パンケーキコイルはＢＳＣＣＯ 2223／銀超電導複合テ ープを巻回したものであり、全てのパンケーキコイルは1.125 インチの内径を有 し、コイル組立体の内部ボアを形成している。７つの二重パンケーキコイルのう ちの３つのコイルは慣用的な形式(すなわち、同じ外径をもつ個々のパンケーキ) からなり、約6.0 インチの外径を有する。他の７つの二重パンケーキコイルのう ちの２つのコイルも慣用的な形式からなり、約5.0 インチの外径（Ｏ．Ｄ．）を 有する。これらの２つの二重パンケーキコイルはコイル組立体の両端部に配置さ れる。最外端部の小さい（5.0 インチ）外径の二重パンケーキコイルと最内方の 6.0 インチの外径の二重パンケーキコイルとの間には、本発明に従って製造され た２つの二重パンケーキコイルがある。これらの２つの二重パンケーキコイルの 各々は移行コイルとして機能し、5.0 インチの外径をもつ個々のパンケーキおよ び6.0 インチの外径をもつ個々のパンケーキを有する。二重パンケーキコイル間 の電気的相互接続は、二重パンケーキコイルの巻回に使用される短い長さの同じ 複合超電導テープで形成される。この超電導磁気コイル組立体は、機械的クライ オクーラにより２７°Ｋに冷却したとき、2.1 テスラの中心軸線磁界が得られた 。 第４図を参照して、各二重「パンケーキ」コイル１２〜１７を形成するアプロ ーチを説明する。このアプローチは、本発明の譲受人に譲渡されたM.D．Manlief ,G.N．Riley，Jr.，J．Voccio,およびA.J．Rodenbushの出願に係る係属中の1994 年１月２８日付米国特許出願第08/188,220号(該米国特許出願は本願に援用する) においてより完全に説明されている。第４図に示すアプローチでは、先ず、マン ドレル３０が、旋盤のチャック３１に取り付けられた巻回軸３２に取り付けられ る。巻回軸３２には貯蔵スプール３６が取り付けられる。スプール３４の回りに 最初に巻回されかつパンケーキ（一般に大径のパンケーキ）の１つを巻回するの に必要とされる、テープ３３の全長の第１部分が貯蔵スプール３６上に巻回され 、これにより、一定長さのテープ３３が２つのスプール間に共有される。アーム ３５に取り付けられたスプール３４は、テープ３３の長さの第１部分を収容し、 テープ３３の第２部分を収容する貯蔵スプール３６は、マンドレル３０に対して 回転しないように固定される。次に、絶縁スプール３８上に巻回されるクロス（ 布）３７がアーム３５に取り付けられる。次に、マンドレルが回転され、クロス ３７がテープ３３の第１部分と一緒にマンドレル３０上に巻回され、単一の「パ ンケーキ」コイルを形成する。第１「パンケーキ」コイルをマンドレルに固定す るため、第１「パンケーキ」コイルの回りに熱電対ワイヤが巻回される。次に、 巻回軸３２がチャック３１から取り外され、テープ３３の長さの第２部分を収容 する貯蔵スプール３６がアーム３５上に取り付けられる。次に、絶縁材料の層が 第１「パンケーキ」コイルに重ねて配置され、テープ３３の第２半部およびクロ ス３７が、上記方法を用いてマンドレル３０上に一緒に巻回される。これにより 、最初に形成された「パンケーキ」コイルに隣接して第２「パンケーキ」コイル が形成され、絶縁材料の層が両コイルを分離している。次に、最終熱処理中にコ イル構造を支持すべく、第２「パンケーキ」コイルの回りに熱電対ワイヤが巻回 される。コイルの温度および電気的挙動をモニタリングするため、電圧タップお よび熱電対ワイヤを、二重「パンケーキ」コイルのテープ３３上の種々の位置に 取り付けることができる。また、絶縁特性を向上させかつ種々の層を所定位置に 確実に保持するため、熱処理後に、全てのコイルをエポキシ樹脂で含浸すること ができる。二重「パンケーキ」コイルは、最終熱処理工程中に、テープの全長の 一縁部を直接酸化環境に露出することができる。絶縁材料の層と一緒に多層 の超電導体を交互に巻回し、コイルを形成することができる。良く知られたリア クタアンドワインド法(react-and-wind method)のような、二重パンケーキコイ ルを形成する他のアプローチを使用することもできる。 第２図および第３図に示しかつ上述した二重パンケーキコイル構造は、コイル の中央部での磁界が強く、充分なエネルギを発生する超電導コイル組立体を構成 する。また、本発明の概念は、コイルの軸線方向長さに沿う電流容量の均一性を 達成することを目的とする異方性超電導材料と一緒に巻回される超電導磁気コイ ルの形成にも使用できる。 例えば第５図を参照すると、二重パンケーキ６０〜６５の外径は、磁界の垂直 成分の大きさに関する電流容量の低下を補償するため、コイルの中央領域６７か ら端領域６９に向かって増大している。従来技術において良く知られているよう に、（上記Ｃｕ−Ｏベースセラミック超電導体のような異方性超電導材料を用い る場合）、磁界の垂直成分は、磁力線がコイルの長手方向軸線にほぼ平行になる コイルの中央領域で最小であり、磁力線がループを形成するように湾曲する端領 域で垂直方向に増大する。 コイル組立体の所望の磁界特性を得るのに、互いに隣接するパンケーキの外径 がほぼ等しいパンケーキコイル対のあらゆる構成を使用できる。例えば、異なる 直径のパンケーキとなるように巻回された二重パンケーキを備えたコイル組立体 は、個々のパンケーキまたは均一外径の二重パンケーキコイルに首尾よく同等に 使用できる。コイル組立体は、コイルの中央領域から端領域に向かって、長手方 向軸線に沿って増大または減少する長手方向の外径輪郭をもつように構成できる 。或いは、外径輪郭をコイルの軸線に沿って上下に段状に形成し、任意の所望の 磁界形成輪郭またはモータのロータコイルのような特定の幾何学的形状に適合さ せることができる。また、本発明の概念は、レーストラック磁石、ソレノイドお よび多極磁石を含む種々の形状の超電導磁気コイルにも適用できる。 また、本発明の概念は、外径輪郭がほぼ一定であるか上記のように変化する超 電導磁気コイル組立体であって、内径輪郭も変化する超電導磁気コイル組立体の 構成にも適用できる。この構成のコイル組立体は、例えば同じ外径をもつ二重パ ンケーキ（但し、各二重パンケーキは異なる内径を有する）を用いて形成できる （各二重パンケーキの個々のパンケーキは同じ内径を有する）。次に、二重パン ケーキはコイル組立体の長手方向軸線に沿って配置され、これにより、例えば、 組立体の内径は軸線に沿って単調に増大または減少する。 他の実施例である第６図および第７図を参照すると、それぞれのコイル組立体 ８０、９０の長手方向軸線１００に沿って配置される二重パンケーキコイルは、 内径の異なる個々のパンケーキを有する。コイルの外径に沿う境界に短い長さの 架橋セグメント８１を使用して、異なる内径をもつ互いに隣接する二重パンケー キを電気的に相互接続する。外側輪郭が段状になっているこれらの実施例のよう に、特定用途に従って、種々の形状のコイルおよび種々の段状内側輪郭を使用で きる。個々の二重パンケーキを支持するのに、内部支持管を使用してもよいし、 使用しなくてもよい。 第６図を参照すると、超電導磁気コイル８０は、内径がコイルの中央領域８８ から端領域８９に向かって減少するように配置されたパンケーキコイル８２〜８ ７を有している。このような構成は、超電導モータまたは超電導加速度計に好ま しい。例えば、超電導モータの用途では、内径が第６図に示すように変化する超 電導二重パンケーキを用いて１つ以上のステータを製造できる。このようにすれ ば、ステータは、内側ボア内に配置されるロータの外形に厳格に合わせることが できる。 第７図を参照すると、超電導磁気コイル組立体９０は、内径が中央領域９８か ら端領域９９に向かって増大しているパンケーキコイル９２〜９７を有する。こ の構成をもつコイルは、磁気共鳴撮像および化学分光の用途に魅力的である。こ の特定実施例では、外側のパンケーキコイル９２、９７を構成する個々のパンケ ーキコイル９２ａ、９２ｂ；９７ａ、９７ｂは、第２図および第３図に関連して 前述した構造と同じである。すなわち、これらの二重パンケーキコイルの内径は ほぼ一定であるが、外径は異なっている。 第６図および第７図のそれぞれのパンケーキコイル８２〜８７および９３〜９ ６は、第４図に関連して説明したのと同じ一般的方法で巻回できる。しかしなが ら、マンドレルは、異なる外径をもつ部分（各部分は、二重パンケーキの個々の パンケーキの巻回に適合する）となるように構成できる。例えば、超電導テー プの第１部分がマンドレルの外径部分上に巻回されて、「単一」のパンケーキコ イルの第１部分が形成される。次に、貯蔵スプール上の残余のテープがアームに 移動され、２つの個々のパンケーキの第２部分が、マンドレルの第２の異なる外 径部分の上に巻回される。マンドレルの異なる直径部分の変化の度合いに基づい て、個々のパンケーキ間の移行部にテープを支持させるためのガイドまたはトラ ック要素を設けることができる。このようなガイド要素は、テープの電流容量に 悪影響を与えるテープの破断または曲げ歪みを低減させるのに必要である。 第８図は、コイル組立体９０の二重パンケーキコイルの側面図であり、二重パ ンケーキ９４の個々のパンケーキ９４ａ、９４ｂ間の境界を示す。図示のように 、超電導テープの螺旋部分１０２が、パンケーキ９４ａの内径からパンケーキ９ ４ｂの内径に巻き解かれる。二重パンケーキがエポキシ含浸されている場合には 、テープの螺旋部分１０２がパンケーキ９４ｂの内側面１０４に固定され、螺旋 部分１０２に対する機械的支持を与える。或る用途では、パンケーキコイル９４ ａ、９４ｂ間の異なる直径の領域を完全にエポキシ含浸するのが適している。 第９図には、本発明の他の実施例による超電導コイル組立体１１０が示されて おり、該組立体１１０は、この長手方向軸線に沿って配置された二重パンケーキ コイル１１４〜１１９を有している。第２図、第３図および第５図〜第７図に関 連して上述した実施例とは異なり、各二重パンケーキは、同じ内径および外径を 有する１対の個々のパンケーキコイルを有している。しかしながら、第９図に示 すように、コイル組立体１１０の互いに隣接する二重パンケーキは異なる内径を 有し、これにより、変化する内径のコイル組立体を形成する。コイル組立体の内 径は、任意の特定形状または超電導体の体積条件（図示のように、コイル組立体 の中央領域から端領域に向かって増大する内径を含む）に適合するように変化で きる。この実施例では、各二重パンケーキ１１４〜１１９を形成するのに、第４ 図に関連して上述したアプローチを使用できる。 従って、変化する内径および外径をもつ二重パンケーキコイルの組合せは、所 望の磁界分布を与えるのに、コイル設計者に高度の自由度を与えることに留意す べきである。このようなコイルは、高レベルの均質性または特殊分野での高い強 度レベルをもつ磁界を与えるように構成できる。 他の実施例も請求の範囲に記載の本発明の範囲内に包含される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０８／５４１，６３９ (32)優先日 1995年10月10日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＣＮ，ＪＰ，Ｎ Ｚ，ＲＵ (72)発明者 マルゼモッフ アレクシス ピー アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02173 レキシントン ウォルナット ス トリート 37 (72)発明者 ガンブル ブルース ビー アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02181 ウェルズリー パインウッド ロ ード 14

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．超電導磁気コイル組立体において、 コイル組立体の長手方向軸線に沿って同軸状に配置された少なくとも複数の 二重パンケーキコイルを有し、各二重パンケーキが１対の個々のパンケーキコイ ルを備え、各個々のパンケーキコイルがコイル組立体の長手方向軸線の回りに巻 回された超電導体を備え、各二重パンケーキコイルが、隣接するパンケーキコイ ルに電気的に接続され、電気的に接続されたパンケーキコイルからなるコイル組 立体が、長手方向軸線に対し変化する半径方向断面を有することを特徴とする超 電導磁気コイル組立体。 ２．前記コイル組立体の内側寸法が、超電導磁気コイルの中央領域から端領域に 向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って変化していることを特徴とす る請求の範囲第１項に記載の超電導磁気コイル組立体。 ３．互いに隣接する二重パンケーキコイルの内側寸法が、超電導磁気コイルの中 央領域から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に増 大していないことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の超電導磁気コイル組立 体。 ４．互いに隣接する二重パンケーキコイルの内側寸法が、超電導磁気コイルの中 央領域から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に減 少していないことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の超電導磁気コイル組立 体。 ５．少なくとも１つの二重パンケーキの対をなす個々のパンケーキコイルのうち の第１のパンケーキコイルが、対をなす他方の個々のパンケーキとは異なる内側 寸法を有することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の超電導磁気コイル組立 体。 ６．対をなす個々のパンケーキコイルを接続する超電導体の部分が、対をなす他 方の個々のパンケーキコイルに隣接する側面で、小さい方の内側寸法のパンケー キコイルに固定されていることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の超電導磁 気コイル組立体。 ７．少なくとも１つの二重パンケーキの対をなす個々のパンケーキコイルのうち の第１のパンケーキコイルが、対をなす他方の個々のパンケーキとほぼ同じ内側 寸法を有し、少なくとも１つの二重パンケーキの内側寸法が、コイル組立体の少 なくとも１つの他の二重パンケーキコイルの内側寸法とは異なっていることを特 徴とする請求の範囲第２項に記載の超電導磁気コイル組立体。 ８．各二重パンケーキの対をなす個々のパンケーキコイルの各々が、対をなす他 方の個々のパンケーキとほぼ同じ内側寸法を有し、少なくとも１つの二重パンケ ーキが、コイル組立体の他の二重パンケーキとは異なる内側寸法を有することを 特徴とする請求の範囲第７項に記載の超電導磁気コイル組立体。 ９．コイル組立体の外側寸法が、超電導磁気コイルの中央領域から端領域に向か って超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って変化していることを特徴とする請 求の範囲第２項に記載の超電導磁気コイル組立体。 10．互いに隣接する二重パンケーキコイルの外側寸法が、超電導磁気コイルの中 央領域から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って減少して いることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の超電導磁気コイル組立体。 11．互いに隣接する二重パンケーキコイルの外側寸法が、超電導磁気コイルの中 央領域から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って増大して いることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の超電導磁気コイル組立体。 12．少なくとも１つの二重パンケーキの対をなす個々のパンケーキコイルのうち の第１のパンケーキコイルが、対をなす他方の個々のパンケーキとは異なる外側 寸法を有することを特徴とする請求の範囲第９項に記載の超電導磁気コイル組立 体。 13．コイル組立体の外側寸法が、超電導磁気コイルの中央領域から端領域に向か って超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って変化していることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の超電導磁気コイル組立体。 14．互いに隣接する二重パンケーキコイルの外側寸法が、超電導磁気コイルの中 央領域から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に増 大していないことを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の超電導磁気コイル組 立体。 15．互いに隣接する二重パンケーキコイルの外側寸法が、超電導磁気コイルの中 央領域から端領域に向かって超電導磁気コイルの長手方向軸線に沿って単調に減 少していないことを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の超電導磁気コイル組 立体。 16．少なくとも１つの二重パンケーキの対をなす個々のパンケーキコイルのうち の第１のパンケーキコイルが、対をなす他方の個々のパンケーキとは異なる外側 寸法を有することを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の超電導磁気コイル組 立体。 17．少なくとも１つの二重パンケーキの対をなす個々のパンケーキコイルのうち の第１のパンケーキコイルが、対をなす他方の個々のパンケーキとほぼ同じ外側 寸法を有し、少なくとも１つの二重パンケーキの外側寸法が、コイル組立体の少 なくとも１つの他の二重パンケーキコイルの外側寸法とは異なっていることを特 徴とする請求の範囲第１３項に記載の超電導磁気コイル組立体。 18．各二重パンケーキの対をなす個々のパンケーキコイルの各々が、対をなす他 方の個々のパンケーキとほぼ同じ外側寸法を有し、少なくとも１つの二重パンケ ーキが、コイル組立体の他の二重パンケーキとは異なる外側寸法を有することを 特徴とする請求の範囲第１７項に記載の超電導磁気コイル組立体。 19．各二重パンケーキコイルの個々のパンケーキコイルが、隣接する二重パンケ ーキコイルの外側寸法に沿って、隣接する二重パンケーキコイルの個々のパンケ ーキコイルに電気的に接続されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載 の超電導磁気コイル組立体。 20．前記二重パンケーキコイルが円形であることを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の超電導磁気コイル組立体。 21．前記二重パンケーキコイルがレーストラック状であることを特徴とする請求 の範囲第１項に記載の超電導磁気コイル組立体。 22．前記二重パンケーキコイルがサドル状であることを特徴とする請求の範囲第 １項に記載の超電導磁気コイル組立体。 23．前記超電導体が異方性高温超電導体であることを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載の超電導磁気コイル組立体。 24．前記異方性高温超電導体が、酸化物超電導体のビスマス系の構成メンバであ ることを特徴とする請求の範囲第２３項に記載の超電導磁気コイル組立体。 25．前記異方性高温超電導体が、酸化物超電導体のイットリウム系の構成メンバ であることを特徴とする請求の範囲第２３項に記載の超電導磁気コイル組立体。 26．前記超電導体が、多フィラメント複合電導体の長さを延ばしかつマトリック ス形成材料により包囲または支持されている個々の超電導フィラメントを備えた 多フィラメント複合超電導体からなる超電導体テープとして形成されていること を特徴とする請求の範囲第１項に記載の超電導磁気コイル組立体。 27．導電性架橋セグメントが、互いに隣接する二重パンケーキコイルの個々のパ ンケーキコイル間の電気的接続を形成することを特徴とする請求の範囲第１項に 記載の超電導磁気コイル組立体。 28．導電性架橋セグメントが、複合超電導材料からなる超電導テープとして形成 されていることを特徴とする請求の範囲第２７項に記載の超電導磁気コイル組立 体。 29．長手方向軸線に沿って変化する半径方向断面をもつ超電導磁気コイル組立体 の製造方法において、 ａ）二重パンケーキコイルを形成するステップを有し、各二重パンケーキコ イルが、コイル組立体の長手方向軸線の回りで連続長さの超電導体から巻回され た１対のパンケーキコイルからなり、少なくとも１つの前記二重パンケーキコイ ルが、異なる内側寸法をもつ１対のパンケーキコイルを備え、 ｂ）各二重パンケーキコイルの少なくとも１つのパンケーキコイルが、隣接 する二重パンケーキの隣接するパンケーキコイルの外側寸法にほぼ等しい外側寸 法をもつように長手方向軸線に沿って二重パンケーキコイルを同心状に位置決め するステップと、 ｃ）各二重パンケーキの少なくとも１つのパンケーキコイルと、ほぼ等しい 外側寸法をもつ隣接する二重パンケーキのパンケーキコイルとを電気的に接続す るステップとを更に有することを特徴とする方法。 30．対をなす個々のパンケーキコイルのうちの他方のパンケーキコイルに隣接す る側面で、対をなすパンケーキコイルを、小さい方の内側寸法をもつパンケー キコイルに接続する超電導体の部分を固定するステップを更に有することを特徴 とする請求の範囲第２９項に記載の方法。 31．前記二重パンケーキコイルと、実質的に曲がっていない超電導材料の長さと を接続するステップを更に有することを特徴とする請求の範囲第２９項に記載の 方法。 32．コイルの長手方向軸線の回りに巻回された超電導体からなる、第１内側寸法 をもつ第１パンケーキコイルと、 コイルの長手方向軸線の回りに巻回された超電導体からなる、前記第１寸法 とは異なる第２内側寸法をもつ第２パンケーキコイルとを有し、 前記第１パンケーキコイルおよび第２パンケーキコイルが連続長さの超電導 材料から巻回されていることを特徴とする超電導二重パンケーキ磁気コイル。