High current small flexible conductor which contains a high-temperature superconducting tape |
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| 申请号 | JP2009521789 | 申请日 | 2007-07-23 | 公开(公告)号 | JP5431932B2 | 公开(公告)日 | 2014-03-05 |
| 申请人 | アメリカン スーパーコンダクター コーポレイションAmerican Superconductor Corporation; | 发明人 | アレクサンダー オットー; ラルフ ピー メイソン; ジェイムズ エフ マグワイア; ジー ユアン; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | 磁場を発生させるために使用するケーブルであって、 個々のテープの幅及び長さによって形成された平面に対して同一平面の複数の高温超電導（ＨＴＳ）テープを含んで上部構造を形成するように配列された複数のＨＴＳスタックを含み、該ＨＴＳスタックの第１のＨＴＳテープが、該ＨＴＳスタックにおける該個々のＨＴＳテープの上方に位置決めされたＨＴＳテープから該幅の方向にある一定の距離だけ変位した、 少なくとも１つのケーブル、 を含み、 前記複数のＨＴＳテープの少なくとも一端が、前記複数のＨＴＳスタックのいずれか１つに位置する別のＨＴＳテープの端部と直列に接続されている、 ことを特徴とするケーブル。 前記ＨＴＳスタックの各ＨＴＳテープは、前記幅方向に沿って同じ方向に変位していることを特徴とする請求項１に記載のケーブル。 前記ＨＴＳスタックの各ＨＴＳテープは、同じ距離だけ変位していることを特徴とする請求項１に記載のケーブル。 前記複数のＨＴＳテープは、菱形状の断面を有するスタックを形成することを特徴とする請求項１に記載のケーブル。 前記複数のスタックは、前記複数のＨＴＳテープの前記幅及び前記長さによって形成された平面が前記上部構造の断面の周囲の一部に対して平行に配列されることを特徴とする請求項１に記載のケーブル。 前記上部構造は、六角形断面構造を有することを特徴とする請求項１に記載のケーブル。 前記上部構造は、三角形断面構造を有することを特徴とする請求項１に記載のケーブル。 前記上部構造は、ケーブルの軸の周りに捻られることを特徴とする請求項１に記載のケーブル。 少なくともＮ個のＨＴＳテープを含み、 第（Ｎ−１）番目のＨＴＳテープの第１の端部が、第Ｎ番目のＨＴＳテープの第２の端部に直列に接続され、 前記第Ｎ番目のＨＴＳテープ及び前記第（Ｎ−１）番目のＨＴＳテープは、前記複数のＨＴＳスタックのいずれか１つに位置している、 ことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。 前記ＨＴＳテープは、 前記第（Ｎ−１）番目のＨＴＳテープの前記第１の端部と前記第Ｎ番目のＨＴＳテープの前記第２の端部とを接続することができるプラグを有する接続ボックス、 を利用して互いに接続されている、 ことを特徴とする請求項９に記載のケーブル。 請求項１に記載のケーブルと、 ＨＴＳテープを超電導状態に維持するための冷却システムと、 制御された電流を前記ＨＴＳテープ内に供給するための電源と、 を含むことを特徴とする消磁システム。 前記冷却システムは、 前記ケーブルを収容するクライオスタットと、 クーラントと、 前記クーラントを冷却する冷凍装置と、 前記クーラントを前記クライオスタットに供給するポンプと、 を含む、 ことを特徴とする請求項１１に記載の消磁システム。 前記クライオスタットは、クーラントの流れを２つの異なる流れに分けることができる制限器を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の消磁システム。 前記制限器は、制限器本体、少なくとも１つのシールリング、及び少なくとも１つのシールキャップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の消磁システム。 前記少なくとも１つのシールキャップは、クーラントの２つの異なる流れの割合を制御するために締め付けることができることを特徴とする請求項１４に記載の消磁システム。 前記少なくとも１つのシールリングは、フルオロポリマーを含むことを特徴とする請求項１４に記載の消磁システム。 前記ＨＴＳテープが半田を使用して互いに接続されていることを特徴とする請求項９に記載のケーブル。 前記ＨＴＳテープは、前記第（Ｎ−１）番目のＨＴＳテープの前記第１の端部と前記第Ｎ番目のＨＴＳテープの前記第２の端部が圧接によって互いに接続されることを特徴とする請求項９に記載のケーブル。 |
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| 说明书全文 | 関連出願への相互参照 本発明は、高通電の可撓性導体に関する。 より詳細には、本発明は、高温超電導材料を含有する高通電の可撓性導体に関する。 有意な損失なしに大量の電流を伝送することができる軽量導体は、多数の用途において求められている。 例えば、多くの電気精錬用途において（例えば、アルミニウム生産工程）、大量の電流が必要である。 軽量の高電流導体を必要とする他の用途は、軍艦を含む。 船は、現在、コイルケーブル（消磁ケーブルと呼ばれる）の複合システムを装備しており、典型的に強磁性体で作られた船体上に生じた磁場を逓減する。 これは、船が、磁場の変化を検知すると爆発する磁気機雷を避けることを可能にする。 上述の例示的な用途における高電流要件に対応するために、典型的に銅又はアルミニウムで作られた大直径ワイヤが一般的に利用される。 しかし、これは、望ましくなく重く、嵩ばり、かつ非可撓性のケーブルをもたらす。 有意な損失なしに大量の電流を運ぶことができる低減した重量と増大した可撓性を有するケーブルは、まだ実現されていない。 本発明は、一般的には高温超電導（ＨＴＳ）ケーブル及びそれを作る方法に関する。 本発明のある一定の実施形態によると、ＨＴＳケーブルは、従来技術のものに勝る有意な利点を提供するより大きな可撓性、低重量、及び高通電容量を提供する。 本発明のある一定の実施形態によると、ＨＴＳケーブルは、個々のテープの幅及び長さによって形成された平面に対して実質的に同一平面に積み重ねられてＨＴＳスタックを形成する複数の高温超電導（ＨＴＳ）テープを含むことができ、ＨＴＳスタックの個々のＨＴＳテープは、ＨＴＳスタックにおける個々のＨＴＳテープの上方に位置決めされた第２のＨＴＳテープから幅方向にある一定の距離だけ変位している。 更に、複数のＨＴＳスタックは、ケーブル軸の周りで捻られた上部構造を形成するように配列することができる。 ＨＴＳケーブルを作る方法も本明細書に説明する。 本発明のある一定の実施形態によると、本方法は、個々のＨＴＳテープの幅及び長さによって形成された平面に対して実質的に同一平面上に複数の高温超電導（ＨＴＳ）テープを配列してＨＴＳスタックを形成する段階を含むことができ、ＨＴＳスタックの個々のＨＴＳテープは、ＨＴＳスタックにおける個々のＨＴＳテープの上方に位置決めされた第２のＨＴＳテープから幅方向にある一定の距離だけ変位している。 更に、本方法は、複数のＨＴＳスタックを上部構造内に配列する段階と、ケーブル軸の周りで上部構造を捻る段階とを含むことができる。 本発明のある一定の実施形態により、消磁ケーブルのような磁場を発生させるために使用するケーブルも説明する。 磁場発生ケーブルは、上部構造を形成するために配列された複数の高温超電導（ＨＴＳ）スタックを有する少なくとも１つのケーブルを含むことができ、ＨＴＳスタックは、個々のＨＴＳテープの幅及び長さによって形成された平面に対して実質的に同一平面の複数のＨＴＳテープを含み、ＨＴＳスタックの個々のＨＴＳテープは、ＨＴＳスタックにおける個々のＨＴＳテープの上方に位置決めされたＨＴＳテープから幅方向にある一定の距離だけ変位しており、複数のＨＴＳテープの少なくとも一端は、複数のＨＴＳスタックのいずれか１つに位置する別のＨＴＳテープの端部と直列に接続される。 本発明のある一定の実施形態によると、本発明の磁場発生ケーブルは、消磁システムにおいて利用することができる。 消磁システムは、本発明の磁場発生ケーブルに加えて、ＨＴＳテープを超電導状態に維持するための冷却システムと、制御された電流をＨＴＳテープ内へ供給するための電源とを含むことができる。 本発明の上記及び他の目的、並びに利点は、同じ参照文字が全体を通して同じ部分を意味する添付図面を参照して以下の詳細説明を考慮すると明らかになるであろう。 本発明は、強固で可撓性であり、軽量かつ小型の高温超電導（ＨＴＳ）ケーブルを提供する。 ある一定の実施形態では、本発明のＨＴＳケーブルは、ある一定の数のＨＴＳテープを望ましい構成に組み立てることによって製作することができる。 本明細書で用いられる場合、「ケーブル」は、可撓性マルチテープ組立体を形成するために配列されるか又は組み立てられた複数のＨＴＳテープを意味する。 ケーブルは、本明細書で説明するような単一ＨＴＳスタック又は上部構造を形成するために配列された複数のＨＴＳスタックを含む。 本明細書で用いられる場合、高温超電導体は、２０Ｋ及びそれよりも高い温度（すなわち、Ｔ C ≧２０Ｋの臨界温度）で高温超電導体の超電導挙動を維持することができる材料を意味する。 例えば、高温超電導体は、約１気圧の液体窒素をクーラントとして利用する時（例えば、約７７Ｋ）、高温超電導体の超電導挙動を維持する。 超電導材料はまた、それ以下では材料がその超電導挙動を維持する電流である臨界電流Ｉ Cを示す。 高温超電導体の例は、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）及びイットリウム・バリウム・銅酸化物（ＹＢＣＯ）タイプの超電導体のような銅酸化物超電導体、並びに二ホウ化マグネシウム（ＭＧＢ 2 ）のような他のものを含む。 ある一定の実施形態では、ＨＴＳテープは、例えば、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている米国特許公開第２００３／００６２６５９号に説明されているような公知の従来の方法を用いて調製することができる。 例えば、ＢＳＣＣＯテープのようなＨＴＳテープは、粉末（前駆体又は実際のＨＴＳ粉末のいずれか）を金属（一般的には銀）管内に装填する段階と、管をより小さな寸法のワイヤ内に引き込む段階と、ワイヤを他のワイヤと共に別の金属管内に詰め直す段階と、詰め直した管を引き出す段階と、縮小されたフィラメントの少なくとも１つの寸法が望ましい寸法を得るまで詰め直す段階と引き出す段階を繰り返す段階とによって調製することができる。 次に、圧延装置を利用して、１対の反転高強度金属シリンダ間にフィラメントを通すことによってフィラメントをテープ形状に平坦化することができる。 その後に熱処理段階を実施して、望ましいＨＴＳテープを形成することができる。 他の実施形態では、ＨＴＳテープは、例えば、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている米国特許公開第２００５／０１５９２９８号、米国特許公開第２００６／００４０８３０号、及び米国特許公開第２００６／００７３９７９号に説明されているような公知の方法を用いて説明されているように調製することができる。 例えば、ＹＢＣＯテープのようなＨＴＳテープは、望ましいテクスチャを有する可撓性金属又は金属合金基板を調製する段階と、基板上にバッファ層を堆積させる段階と、バッファ層の上にＹＢＣＯ前駆体材料を堆積させる段階と、前駆体材料を処理してＹＢＣＯのＨＴＳ材料を形成する段階と、ＹＢＣＯ材料の上に貴金属の保護膜を堆積させる段階とによって調製することができる。 様々な異なるタイプのＨＴＳテープを利用して、本発明のＨＴＳケーブルを生成することができる。 一部の例示的なＨＴＳテープ構造を図１に示している。 例えば、上述のＨＴＳテープは、図１Ａに示すようにＨＴＳテープ１００として概略的に示すことができる。 図１Ａに示すＨＴＳテープ１００は、機械的特性を改良すると同時に環境及び熱安定性を提供するために、金属又は絶縁層１０２で更にメッキするか又は被覆することができる。 金属層の一般的な厚みは、テープの厚みの最大約１／２であり、かつ金属は、図１Ｂに示すように、例えば、銅、銀、ニッケル、又は銅−亜鉛又は銅−ニッケルのような合金を含むことができる。 代替的に、図１Ａに示すＨＴＳテープ１００は、ＨＴＳテープ１００を囲む半田１０４を備えることができ、かつ図１Ｃに示すように、ＨＴＳテープ１００の両側に補強ストリップ１０６を更に含むことができる。 例えば、補強ストリップ１０６は、ステンレス鋼、銅、及び真鍮又はモネルのような銅合金、及びモリブデンなどのような金属を含むことができる。 補強ストリップ１０６は、あらゆる従来型又は有利な方法を用いてＨＴＳテープ１００に接合することができる（金属層１０２の有無に関わらず）。 １つの例示的な方法は、ＨＴＳテープ１００及び補強ストリップ１０６を半田槽に通し、半田被覆部分を一緒に加圧成形することにより、半田１０４でストリップをＨＴＳテープ１００に接合する段階を含む。 様々な寸法を有するＨＴＳテープを用いることができる。 しかし、補強前の一般的なＨＴＳテープは、約３から５ｍｍの幅及び約０．１３から０．２７ｍｍの厚みを有する。 補強後には、ＨＴＳテープは、一般的に約３から５．５ｍｍの幅及び約０．１９から０．７ｍｍの厚みを有する。 本明細書で用いられる場合、用語ＨＴＳテープは、好ましいＨＴＳテープのいずれも包含することを意図している。 図２に示すように、ＨＴＳテープの適切な数を積み重ね、かつ組み立てて、本発明のある一定の実施形態によるケーブルを形成することができる。 例えば、あらゆる数のＨＴＳテープ２００（５、１０、２５、５０、その他）を積み重ねて、ＨＴＳスタックを形成することができる。 一例として、ＨＴＳテープを配列して、平行四辺形スタック又は菱形スタックを形成することができる。 本明細書で用いられる場合、菱形スタックは、スタックが実質的に菱形である断面形状を有するＨＴＳテープを収容するスタックを意味し、かつ平行四辺形スタックは、スタックが実質的に平行四辺形を形成する断面形状を有するＨＴＳテープを収容するスタックを意味する。 例えば、菱形断面の縁部は、互いに対してほぼ等しい長さにすることができ、反対側の縁部は、互いに対してほぼ平行にすることができ、かつ縁部によって形成された角度は、互いに対して垂直である必要はない。 図２は、組み立てられたＨＴＳテープ２００の断面図であり、結果として実質的に菱形断面、すなわち、「菱形スタック」をもたらす積み重ね配列を示している。 本明細書で用いられる場合、実質的に菱形断面は、全ての４つの側面が実質的に等しい長さであり（例えば、０パーセントから２０パーセントまでの範囲の長さの差は、満足できる）、かつ菱形の４つの内角のいずれも９０°ではない四角形（例えば、２つが４５°と２つが１３５°の内角、２つが６０°と２つが１２０°の内角、２つが６２°と２つが１１８°の内角、その他）を意味する。 ＨＴＳテープ２００は、２つの隣接ＨＴＳテープ２００間に設けられたコンプライアント材料２０２で任意的に積み重ねることができる。 コンプライアント材料２０２は、導体、半導体、又は絶縁体とすることができる。 各菱形スタックは、ＨＴＳテープ２００のほぼ総数Ｎを収容することができ、式中Ｎは、Ｎ＝（Ｗ／Ｔ）ｓｉｎθとして定められ、Ｗは、ＨＴＳテープの幅であり、θは、菱形断面の傾斜角度（例えば、θ〜６０°）であり、Ｔは、ＨＴＳテープの厚みである。 ＨＴＳテープの厚み（Ｔ）は、金属層１０２、半田１０４、補強ストリップ１０６、及び／又はＨＴＳテープ２００を囲むコンプライアント材料２０２の厚みを含むことができることに注意されたい。 次に、菱形スタックは、ポリマー、紙、及び／又は金属箔ストリップなどを備えた菱形スタック２００の螺旋形又は円筒形包装のようなあらゆる適切な手段２０４によって一緒に保持することができる。 ある一定の実施形態では、ＨＴＳテープ２００は、ポリイミドフィイルム（ＫＡＰＴＯＮ）、フルオロポリマー（ＴＥＦＬＯＮ）、被覆ワニス、ラッカー、エナメル、メタクリレート（ポリメチルメタクリレート）、及びエポキシ樹脂（紫外線硬化性エポキシ樹脂）などのような絶縁材料で更に覆い、被覆し、及び／又は包むことができる。 他の実施形態では、ＨＴＳテープは、グラファイト含浸紙、グラファイト含浸ポリマーフィルム、導電性ポリマーフィルム（ポリチオフェンフィルム）、低導電性金属合金、及び金属間フィルムなどのような半導体材料で覆い、被覆し、及び／又は包むことができる。 ある一定の実施形態では、菱形スタックは、六角形構造のような構造体に更に組み立てることができる。 本明細書で用いられる場合、上部構造は、ＨＴＳスタックを一緒に組み立てることによって形成された構造を意味する。 例えば、六角形構造は、実質的に六角形の断面幾何学形状を有するケーブルを形成するために組み立てられた複数のＨＴＳスタック（例えば、菱形スタック）を意味する。 組立体は、例えば、３つの菱形スタック（Ｈ１スタック、図３Ａ参照）、１２の菱形スタック（Ｈ２スタック、図３Ｂ参照）、２７の菱形スタック（Ｈ３スタック）、及び４８の菱形スタック（Ｈ４スタック）などを含むことができ、菱形スタックの実際の数は、周方向の六角形幾何学形状を提供する組立体を形成するように選択される。 ある一定の実施形態では、菱形スタックは、ＨＴＳテープが、六角形上部構造の最も近い掃引円周に対してほぼ平行（できる限り）であるように上部構造内に配列することができる。 六角形構造は、あらゆる好ましい手段によって所定位置に保持することができる。 １つの好ましい方法は、例えば、ポリマーテープ又は予備形成へリックスで包んでいる。 包装は、大きな圧力を働かせ過ぎてその運動及び可撓性に損傷を与え又はこれらを制限することなく、組立体の一体性を維持するのに十分な圧縮を与えることができる。 菱形形状スタックは、実質的に同様の幅及び厚みのＨＴＳテープで高充填率まで容易に充填され、これは、次に、ＨＴＳテープの高充填部分をその断面上に有する六角形上部構造を形成するように配列することができる点に注意すべきである。 これは、導体の有効半径を低減し、その電流密度及び曲げ公差を増大せる。 ある一定の実施形態では、上部構造は、図３Ｃに示すように菱形スタックからの上部構造の形成に役立つ上部構造形成器３０８を用いて形成することができる。 例えば、好ましい上部構造形成器は、中心軸と互いに１２０度離間した中心軸から突出する３つのリブとを有し、包むか又は封入する前に上部構造体を所定位置に保持するのを容易にする細長位置決め器とすることができる。 ある一定の実施形態では、図３Ａに示すように、個々のＨＴＳテープ３００を群分けして（任意的な交互配置されたコンプライアント材料２０２は、示していない）菱形スタック３０２を形成し、３つの菱形スタック３０２を一緒に組み立て、Ｈ１スタック３０４の六角形構造を形成することができる。 Ｈ１スタック３０４は、絶縁ワイヤ、絶縁テープ、金属箔、及び螺旋形スリットプラスチック導管などで螺旋形又は円筒形に包むようなあらゆる適切な手段３０６によって一緒に保持することができる。 他の実施形態では、複数の菱形スタック３０２を接合して、より大きな構造体を形成することができる。 図３Ｂに示すように、１２の菱形スタック３０２を一緒に組み立てて、より大きな六角形構造（Ｈ２スタック３０８）を形成することができる。 これらのＨ２スタック構造体では、中心の３つの菱形スタックは、最初に包まれた後にＨ２スタック３０８を形成するために上部に対して次の層を組み立て、かつ包むことができる。 代替的に、組立体全体は、ワンパスで組み立て、かつ包むことができる。 このような配列は、約３−４倍のＨＴＳケーブルの電流容量の増加をもたらす可能性がある。 ＨＴＳケーブルの電流容量は、他の方法によって増加させることができる点に注意すべきである。 例えば、各ＨＴＳテープのための臨界電流（Ｉ C ）は、例えば、温度を低下させることによって増加させることができる。 更に、各ＨＴＳテープの断面積を増大させて、ＨＴＳケーブルの電流を増加させることができる。 特定の設計基準に合わせた他の好ましい配列は、当業者には容易に明らかであろう。 ケーブルを構成する個々のＨＴＳテープ、並びに菱形要素は、例えば、異なる色の包装材料又はパターン化の使用によって独自にマーク付けすることができる。 一部の場合には、このような独自のマーク付けは、端と端を接続する時にテープの簡単な識別を可能にすることができる。 上述のように好ましい六角形構造を形成すると、六角形構造全体は、ケーブル軸、すなわち、六角形断面構造の平面に対して垂直な軸の周りで回転させて、そのケーブル軸に沿った捻りを有するＨＴＳケーブルを得ることができる。 捻りは、ピッチが連続螺旋モード又は振動モードの状態にあるように与えることができる。 例えば、螺旋モードでは、ケーブルは、ケーブルの長さにわたってケーブルの軸の周りで一方向に捻ることができる。 振動モードでは、ケーブルは、例えば、完全３６０度回転に対して最初にケーブルの軸の周りで一方向に局所的に捻ることができる。 次に、隣接領域は、例えば、完全３６０度回転に対してその領域の軸の周りで逆方向に捻ることができる。 捻りの方向のこのような変化は、ケーブルの長さに沿って前後に継続することができる。 簡単な製造の利点を提供することができる好ましい手法は、当業者には容易に明らかであろう。 ある一定の実施形態では、六角形構造を「過度に捻って」、材料の跳ね返り効果に対処することができる。 例えば、１メートル当たり１捻りの捻りピッチが望ましい場合には、六角形構造は、最初に１メートル当たり１捻り、１メートル当たり１．５捻り、１メートル当たり２捻り、１メートル当たり３捻り、１メートル当たり５捻り、１メートル当たり７捻り、及び１メートル当たり１０捻りなどの捻りを有するように捻ることができる。 このような過度の捻りにより、目標捻りピッチ値（例えば、１メートル当たり１捻りのピッチ）までＨＴＳケーブルを弛緩させることができる。 理論に束縛されることは望まないが、ＨＴＳケーブルの軸に沿って捻りを与えることにより、以下の利点を提供するであろう。 第１に、捻りは、必要な曲げ力の低下に起因してＨＴＳケーブルに可撓性の改善をもたらすことができる。 第２に、捻りは、局所歪み補償に起因してＨＴＳケーブルの損傷（Ｉ C劣化によって測定された時）が起こる前に、より小さな直径に曲げ公差の改善をもたらすことができる。 第３に、捻りは、交流又は傾斜電界モードで作動する時に、特に、各ＨＴＳテープ間の絶縁又は半導体分離層と組み合わせる場合に、ＨＴＳケーブルに電力損失の低下をもたらすことができる。 本発明は、菱形スタック及び六角形上部構造体に関連して上述したが、本発明は、菱形スタック及び／又は六角形上部構造体に限定されない点に注意すべきである。 スタック及び／又は上部構造体のあらゆる好ましい形態を選択することができる。 例えば、平行四辺形、台形、及び三角形などの形状のスタックも、当業者には容易に理解されるように本発明に包含されると理解すべきである。 更に、平行四辺形上部構造（例えば、並列して組み立てられた２つの菱形スタック）、及び菱形上部構造（例えば、一緒に組み立てられた４つの菱形スタック）などのようなあらゆる好ましい上部構造を本発明に包含することができる。 ある一定の実施形態では、３倍鏡面対称性を有する上部構造を形成することができる。 説明した六角形構造は、３倍鏡面対称性を有する上部構造の例である。 しかし、３倍鏡面対称性を有する他の上部構造体も本発明に包含することができる。 例えば、図３Ｄは、３つの点線ｍ１からｍ３の周りに３倍鏡面対称性を有する構造を示し、これは、菱形スタックの３つが除去された状態の六角形構造である。 ３倍鏡面対称性を有する様々な異なる上部構造体は、当業者には容易に明らかであろう。 ある一定の実施形態では、製造の簡素化、高電流密度を得たＨＴＳテープによる高度の断面占有度、上部構造の有効直径の減少、及び全体の曲げ公差の改良を得るようにスタック及び上部構造体の形状を選択することができる。 ある一定の実施形態では、各ＨＴＳテープに作用するケーブルの垂直磁場成分を最小にするために、ＨＴＳテープの大きな表面積部分がＨＴＳケーブルの掃引周囲部全体に対してできるだけ平行に近くなる領域を最大にするようにスタックを整列させることができる。 理論に束縛されることは望まないが、垂直磁場成分は、平行磁場成分よりも臨界電流を低減することができる。 従って、ＨＴＳテープの大きな表面積部分がＨＴＳケーブルの掃引周囲部全体に対してほぼ平行である構成がより有益であろう。 例えば、平行四辺形断面スタック３１０を用いて、図３Ｅに示すように三角形上部構造を形成することができる。 図示のように、平行四辺形スタックは、スタックのベース幅よりも幾分小さいスタックの傾斜縁部で形成することができる。 次に、これらの平行四辺形スタックの３つは、例えば、図３Ｅに示すように、三角形の形状である上部構造形成器３１４を用いて三角形上部構造３１２に形成することができる。 しかし、丸い又は多角形断面を有する上部構造形成器３１４のようなあらゆる好ましい上部構造形成器３１４を利用することができる。 用途 このような通電用途では、ＨＴＳケーブルは、２つ又はそれよりも多くの異なる端子（すなわち、電流リードイン及び電流リードアウト）を接続することができる。 このような構成では、電流負荷は、２つ又はそれよりも多くの異なる端子間で互いに並列にＨＴＳケーブルのＨＴＳテープを接続することによって最大にするか又は最適にすることができる。 更に、付加的ＨＴＳケーブルは、必要に応じて並列に接続することができる。 ＨＴＳケーブルは、好ましいクライオスタット及び絶縁材料内に設置して、冷却することによりＨＴＳケーブルを超電導状態に維持することができる。 冷却ヘリウムガス、液体窒素、又はネオンは、ＨＴＳケーブルを冷却するのに利用することができる。 ＨＴＳケーブルによって接続された端子は、端子とＨＴＳケーブルの間の接触抵抗の量を最小にするように更に設計することができる。 更に、端子はまた、クライオスタットへ移送される熱を最小にするように設計することができる。 本発明のＨＴＳケーブルはまた、消磁ケーブルのような軽量、高磁場、大面積マグネットとして利用することができる。 このような用途では、実際に剛性形態で組み立てて出荷するには大き過ぎる直径を有する磁場発生ケーブルは、可撓性クライオスタットにおいて本発明のＨＴＳケーブルにジャケットを付けること、及び巻き「コイル」を形成するために近くのＨＴＳテープと直列に個々のＨＴＳテープを配線することによって現場で製造することができる。 本明細書で用いられる場合、近くのＨＴＳテープは、直列に接続するあらゆるＨＴＳテープを意味する場合がある。 例えば、近くのＨＴＳテープは、スタック内に収容された連続ＨＴＳテープを意味する場合がある。 しかし、近くのＨＴＳはまた、端部を他端と直列に接続できる限り、異なるスタック内、異なる上部構造体内、又は更に異なるＨＴＳケーブル内に収容されたＨＴＳテープをも意味する場合がある。 クライオスタットに出入りする電流リード（すなわち、端子）は、第１のＨＴＳテープの第１の端部及び最後のＨＴＳテープの第２の端部に接続することができる。 このようにして、高磁場のためのマグネットは、殆どあらゆる大きな形状、及び約殆どあらゆる天然又は人工の物体に対して容易に製造することができる。 更に、このような大きなマグネットのインダクタンスは、ループ内の直列対並列接続ＨＴＳテープの適切な比率を選択することによって容易に調整することができる。 マグネットを移動又は修復する必要がある場合には、ＨＴＳテープの接続端部を分離することができ、かつ可撓性クライオスタットで囲んだＨＴＳケーブルは、新しい場所で容易に輸送して再組み立てすることができる比較的小さなパッケージ内に巻き上げることができる。 図４Ａ及び４Ｂは、磁場を発生するようにＨＴＳケーブルを利用する方法の様々な実施形態を示し、ここで図４Ｂは、より小型の設計を示している。 図示のように、１つ又はそれよりも多くのＨＴＳケーブル４００は、ＨＴＳテープ４０２の端部が、任意的に接続ボックス４１０内で、直列に接続された可撓性クライオスタット４０４（クライオスタット４０４の一部分だけを示している）で囲むことができる。 クライオスタット４０４は、任意的にスペーサ７０６（図７Ａから７Ｃを参照）を収容して、クライオスタット４０４内のＨＴＳケーブル４００の移動を低減することができる。 冷凍装置４０６は、好ましいガス又は液体（例えば、冷却ヘリウムガス又は冷却液体窒素）を冷却することができ、ポンプ４０８は、クライオスタット４０４内に冷却ガス又は液体４１２を供給して、ＨＴＳテープ４０２を超電導状態に維持することができる（図７Ａから７Ｃも参照）。 冷却ヘリウムガスがクライオスタットの入口と出口の間を迂回しないようにするために、流れ制限器４１３をＨＴＳケーブル４００内に設置することができる。 図４Ａに示すように、冷凍装置４０６及びポンプ４０８は、別々の構成要素として具現化することができる。 より小型の設計に対して、冷凍装置４０６、ポンプ４０８、及び接続ボックス４１０は、装置が好ましいクーラントの冷却と、この好ましいクーラントのクライオスタット４０４内への提供との同時機能を提供する単一構成要素として統合することができる（図４Ｂ参照）。 一部の実施形態では、接続ボックス４１０は、図４Ｂに示すように摺動可能容器として設計することができる。 上述の冷凍装置４０６、ポンプ４０８、及びクライオスタット４０４を含む好ましい冷却システムは、米国特許第６、３４７、５２２号及び米国特許第６、６２５、９９２号により完全に説明されており、これらの両方は、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている。 米国特許第６、３４７、５２２号及び米国特許第６、６２５、９９２号の冷却システムに関する付加的な詳細はまた、米国特許第５、４８２、９１９号、米国特許第６、０２３、９３４号、及び米国特許第６、１７３、５７７号に見出すことができ、これらの全ては、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている。 図４Ｃは、接続ボックス４１０内のＨＴＳテープ４０２の端部の拡大図を更に示している。 図示のように、ＨＴＳテープ４０２Ａから４０２Ｎの各個々の端部は、互いに直列に接続されている。 例えば、ＨＴＳテープは、第（Ｎ−１）ケーブル４０２（Ｎ−１）２の第２の端部が、第Ｎケーブル４０２Ｎ１の第１の端部に接続されるまで、第１のＨＴＳテープ４０２Ａ２の第２の端部が、第２のＨＴＳテープ４０２Ｂ１の第１の端部に接続し、第２のＨＴＳテープ４０２Ｂ２の第２の端部が、第３のＨＴＳテープ４０２Ｃ１の第１の端部に接続し、第３のＨＴＳテープ４０２Ｃ２の第２の端部が、第４のＨＴＳテープ４０２Ｄ１の第１の端部に接続する等々であるように直列に接続することができ、ここで、磁場発生ケーブルは、ＨＴＳテープの少なくともＮ個のループ又はターンを収容する。 磁場発生ケーブルは、為されたＮ個の直列接続（すなわち、Ｎ個のループ又はターン）よりも多くのＨＴＳテープの数を収容することができる点に注意すべきである。 第１のＨＴＳ４０２Ａ１の第１の端部及び第Ｎ番目のＨＴＳテープ４０２Ｎ２の第２の端部は、電源（図示せず）に出入りする電流リード（すなわち、端子）に接続することができる。 本明細書に説明するように直列にＨＴＳテープを接続することは、大型巻きコイルマグネットの形成を実質的に可能にするものである。 ＨＴＳテープの端部は、あらゆる好ましい手段で互いに接続することができる。 例えば、ＨＴＳテープの端部は、低抵抗半田で端部を一緒に半田付けすることによって接続することができる。 代替的に、ＨＴＳテープの端部は、ＨＴＳテープを破壊することなく物理的に接合し、かつ圧接する（一緒に圧迫する）ことができる。 別の実施形態では、図４Ｄに示すように、接続ボックス４１０を利用することができ、圧力接触プラグ４１４（すなわち、「雌ジャッキ」として作用する）を配列して、ＨＴＳテープ４０２Ａ２から４０２Ｎ１（すなわち、「雄ジャッキ」として作用する）の端部を受け取る。 ＨＴＳテープ間で接続を形成するための他の好ましい手段は、当業者には容易に明らかであろう。 例えば、ある一定の実施形態では、１つ又はそれよりも多くのＨＴＳケーブルは、１つの接続ボックス４１０を用いて接続することができ、接続ボックス４１０は、十分な数のプラグを収容して、２つ、３つ、４つなどの数のＨＴＳケーブルを接続することを可能にすることができる。 ある一定の実施形態では、制限器４１３は、制限器の外径とクライオスタットの内径との間の間隙を変更することによって迂回冷却ガスの割合を制御するように設計することができる。 図４Ｅに示すように、循環機構を利用して、入口４１３ａと出口４１３ｂの間のあらゆる「高温」区画を最小にすることができる。 更に、制限器４１３はまた、過剰の流れが入口４１３ａと出口４１３ｂの間に導入されないように、冷却ガスの流れの制御を可能にすることができる。 図４Ｅは、制限器本体４１３ｃ、外部シールリング４１３ｄ、外部シールキャップ４１３ｅ、内部シールリング４１３ｆ、及び内部シールキャップ４１３ｇを更に示している。 入口流れ４１３ａはまた、２つの流れに分けることができる。 第１の流れ４１３ｈは、より長い経路（例えば、約ＨＴＳケーブル４００の長さ）を循環することができるが、第２の流れ４１３ｉは、より短い経路（例えば、制限器本体４１３ｃの長さ）を通して流れることができる。 制限器の流れ抵抗は、流れ４１３ｈと４１３ｉの間の流量分布を判断することができ、この流量分布は、内部シールキャップ４１３ｇ及び／又は外部シールキャップ４１３ｅを締め付けることによって制御することができる。 ある一定の実施形態では、制限器本体４１３ｃ、内部シールキャップ４１３ｇ、及び外部シールキャップ４１３ｅは、エポキシ結合剤（例えば、Ｇ１０）内に組み込まれた連続フィラメントガラス布のような様々な材料から作ることができる。 内部シールリング４１３ｆ及び外部シールリング４１３ｄの両方はまた、フルオロポリマー（例えば、ＧＯＲＥ−ＴＥＸ）のような様々な材料から作ることができる。 迂回冷却ガス（第２の流れ４１３ｉ）の割合は、全流量の５パーセントから１０パーセントになるように制御することができる。 電流リード４１３ｊは、図４Ｅに示すように強制ガス流によって冷却することができる。 この配列では、流れは、小径管４１３ｋ内に収容された電流リードの下部に導入することができる。 小さな管の直径を用いて、ガス流れ（４１３ｈと４１３ｉに分割する前）と電流リード４１３ｊの間の熱伝導係数を高めることができる。 本発明のいくつかの異なるＨＴＳケーブルが、表１に示すように製作された。 一般的には、ＢＳＣＣＯベーステープ幅は、以下の表１に示すように製作された。 ＹＢＣＯベースＨＴＳテープは、４センチメートルの広いテープに作られ、かつ約３ｍｍから１０ｍｍに及ぶ（例えば、以下の表１に示す最後の例を参照）小さなサイズまで細長く切られ、これらは、ＢＳＣＣＯベーステープの幅に同等である。 図５Ａの例示的なＨＴＳケーブルの写真に示すように、各ＨＴＳケーブルは、ケーブル軸に沿って見ると、Ｈ１スタックを形成する８つのＨＴＳテープ各々のうちの３つの菱形スタックを収容している。 図５Ｂは、ケーブル軸に対して垂直に見た時のポリテトラフルオロエチレン（ＴＥＦＬＯＮ）包装で螺旋状に包まれた３つの菱形スタックを示している。 ＨＴＳケーブルは、１メートル当たり約１捻りの最終軸捻りピッチを与えるように捻られ、かつ最初に１メートル当たり１つ又はそれよりも多くの完全３６０度捻り（１メートル当たり約２．５完全捻り）に捻られて、跳ね返り効果に対処している。 ＨＴＳケーブルに利用された得られるＨＴＳテープは、有意な劣化なく性能を発揮した。 例えば、組み立て前のＡｇ−ＢＳＣＣＯベースＨＴＳテープのＩ Cは、約１２０Ａであった。 組み立て後のＡｇ−ＢＳＣＣＯベースＨＴＳテープのＩ Cは、他のＨＴＳテープ中を電流が流れない状態で測定した時に約１２０Ａであった。 他のＨＴＳテープ中を電流が流れる状態で測定した時に、Ｉ Cは、おそらくは他のＨＴＳテープから生じた有意に大きな自己場に起因して約８０Ａまで減少した。 曲げ試験も、７５μｍ積層ストリップを備えたＡｇ−ＢＳＣＣＯから作られたＨ１スタックＨＴＳケーブルに対して行われた。 青色、赤色、及び緑色として色分けされた３つの異なるケーブルが試験された。 六角形構造の各菱形の内縁近く及び各菱形の外縁近くに位置するいくつかのＨＴＳテープが測定された。 例えば、「外側の青色」は、六角形構造の菱形の外縁近くにある青色に色分けされたケーブル中のＨＴＳテープを意味する。 「内側の赤色」は、六角形構造の菱形の内縁近くにある赤色に色分けされたケーブル中のＨＴＳテープを意味する。 図６に示すように、９５パーセント以上のＩ C保持が１．５ｍ曲げ直径で観察された。 更に、約８０−９０パーセントのＩ C保持が０．４ｍ曲げ半径で観察された。 加えて、捻りが、有意に少ない曲げ力を必要とするケーブルの軸に沿って与えられた後、ＨＴＳケーブルは、可撓性が遙かに大きいことが手動操作によって観察された。 従って、ＨＴＳケーブルは、捻った後に操作することが遙かに容易であった。 互いに直列に接続した３９のＨＴＳテープを有する磁場発生ケーブルが、図４Ａ、４Ｃ、７Ａ、及び７Ｂに示すように製作された。 図７Ａ及び７Ｂに示すように、２つの４０ｍ長のＨＴＳケーブル７０２及びスペーサ７０６（ＨＴＳケーブルの移動を最小にする）は、可撓性クライオスタットに嵌合された。 各ＨＴＳケーブルは、３つの菱形スタック（Ｈ１スタックを形成する）を有し、かつ各菱形スタックは、９つのＨＴＳテープを有した。 従って、５４の可能な接続の中でも、３９の直列接続は、ＨＴＳテープの３９のループ又はターンを形成するために作られたものである。 ＨＴＳテープの端部は、半田によって直列に接続され、冷却ヘリウムが、クライオスタットに送り込まれた。 得られた磁場発生ケーブルは、約４０Ｋで以下の特性を有した。 上述のようにループに形成されたいくつかのＨＴＳテープのＩ Cは、７５Ｋ及び８５Ｋで測定された。 図８は、約８５ＡのＩ C値を示す７５Ｋで得られた測定Ｉ−Ｖ曲線を示している。 ＨＴＳテープのＩ C値も、同様の方法で８５Ｋで判断された。 これらの実験値から、４０ＫでのＩ C値は、直線関係を仮定して外挿し、約１８０Ａになった（図９参照）。 従って、図９に示す外挿グラフから、４０００アンペア−ターンを達成する４０Ｋでの最大予測電流及び最大作動温度は、以下に示すように推定することができる。 磁場発生ケーブルに組み立てる前に、各ＨＴＳテープは、７５Ｋで８５Ａの測定値とは対照的に、７５Ｋで約１２０Ａの初期Ｉ C値を有した点に注意すべきである。 この減少の一部又は全ては、ケーブルのより高い磁場に起因するＩ Cの低下に起因している場合があり、それは、一部は接続部におけるワイヤの幾らかの損傷に起因していると考えられる。 それにも関わらず、電流の約１０５Ａが約４０Ｋの平均作動温度で印加された時に、電流リード（超電導ループを包含しない）に沿った全電圧低下が約０．１Ｖ（右側垂直軸に示す＝０．０５Ｖ＋０．０５Ｖ）であったので、図１０は、このような劣化が作動中に大きな懸念になる可能性は低いことを示している。 反対に、ループの全てを通して測定された全電圧低下（左側垂直軸）は、電流の約１０５Ａが約４０Ｋの平均作動温度で印加された時に、僅か約４．５８ｘ１０ -3 Ｖであった。 図１１は、磁場発生ケーブル全体が、約１２時間で約４０Ｋまで冷却されたことを示している。 図１１に示す最終平坦区域に達した後に（すなわち、約１２時間後に）、０ｍと４０ｍにおけるケーブル間の温度差は、４Ｋよりも小さかった（曲線「Ａ」参照）。 磁場発生ケーブル全体が、約６０Ｋ（曲線「Ｂ」参照）と８０Ｋ（曲線「Ｃ」参照）まで冷却された時に、０ｍと４０ｍにおけるケーブル間の温度差は、約５Ｋと７Ｋまでそれぞれ僅かに増加した（図１２参照）。 作動中に生じる場合がある熱を推定するために、正弦波交流電流（図１３の挿入部分参照）が磁場発生ケーブルに供給され、温度上昇が約４時間にわたって測定された。 最悪の事態に近づけるために、電流は、正の範囲の値に維持された。 図１３に示すように、１Ｋ未満の温度上昇がケーブルを通して観察され、温度は、約２から２．５時間後に安定するように見えた。 これらの実施例は、従来技術からの本発明の優位性を明らかに示している。 本発明の説明及び実施形態を精査すると、当業者は、本発明の本質から逸脱することなく、本発明を実施するのに修正及び同等な置換を行うことができることを理解するであろう。 引用による組み込み ３００ 高温超電導テープ３０２ 菱形スタック３０４ Ｈ１スタック３０６ 保持手段 |
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