(57)【要約】  超電導磁石用の超電導接続構造であって、細長い接続部（１）が１つ以上の超電導コイル（３）の超電導ワイヤ（２）の超電導フィラメント（２１）間に形成され、余剰ワイヤ（３０）が前記細長い接続部と１つ以上の超電導コイルとの間に備えられる、前記超電導接続構造。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導磁石用の超電導接続構造であって、１つ以上の超電導コイル（３）の超電導ワイヤ（２）の超電導フィラメント（２１）間に細長い接続部（１）が形成されており、余剰ワイヤ（３０）が、前記細長い接続部と前記１つ以上の超電導コイルとの間に備えられている前記超電導接続構造において、前記細長い接続部は、前記１つ以上の超電導コイルと前記余剰ワイヤとの間の位置で、少なくとも１つの超電導ワイヤと熱的に接触していることを特徴とする、前記超電導接続構造。
【請求項２】
前記細長い接続部が、前記１つ以上の超電導コイルと前記余剰ワイヤとの間の位置で、少なくとも１つの超電導ワイヤと電気的に接触している、請求項１に記載の超電導接続構造。
【請求項３】
前記細長い接続部が、結合ワイヤ（２７）によって少なくとも１つの超電導ワイヤに結合されている、請求項１または２に記載の超電導接続構造。
【請求項４】
前記細長い接続部が、超電導はんだ（４２）を含む、請求項１から３までのいずれか１項に記載の超電導接続構造。
【請求項５】
前記細長い接続部が、少なくとも１つの超電導ワイヤにはんだ付けされている、請求項４に記載の超電導接続構造。
【請求項６】
前記細長い接続部（１）および少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）の隣接部分が、超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）へ埋め込まれている、請求項４に記載の超電導接続構造。
【請求項７】
前記少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）に対して垂直な方向での、超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）の大きさが２０ｍｍ未満である、請求項６に記載の超電導接続構造。
【請求項８】
前記少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）に対して垂直な方向での、超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）の大きさが１０ｍｍ未満である、請求項７に記載の超電導接続構造。
【請求項９】
前記余剰ワイヤが８の字型のループの構成で保持されている、請求項１から８までのいずれか１項に記載の超電導接続構造。
【請求項１０】
前記余剰ワイヤが複数のケーブルタイ（２６）によって８の字型のループの構成で保持されている、請求項４に記載の超電導接続構造。
【請求項１１】
合計の局所磁場が非誘導性に巻かれた巻線の面に対して実質的に平行であるように、他の磁場の影響も考慮に入れることがある。前記８の字型のループの構成が本質的に平面であり、且つ前記８の字型のループの構成の平面が超電導磁石の磁場に対して平行に配置されている、請求項９または１０に記載の超電導接続構造。
【請求項１２】
前記細長い接続部（１）が、前記１つ以上の超電導コイル（３）と前記余剰ワイヤ（３０）との間の位置で２つの超電導ワイヤ（２）と電気的に接触しており、且つ、クエンチの場合、電流は、余剰ワイヤの長さを通って流れることなく、前記２つの超電導ワイヤの一方から前記超電導ワイヤの他方へと流れることができる、請求項２に記載の超電導接続構造。
【請求項１３】
超電導磁石用の超電導接続構造の形成方法であって、以下の段階：
・  １つ以上の超電導コイル（３）から延伸する超電導ワイヤ（２）を準備する段階、ここで、各々の超電導ワイヤは熱伝導性のシース（２２）内に包まれている超電導フィラメント（２１）を含む、
・  各々の超電導ワイヤの自由端で前記シースを除去することによって、ある長さの超電導フィラメントを露出する段階、
・  前記超電導フィラメントを接続部（１）に形成する段階、
・  前記接続部を、前記コイルと前記接続部との間の位置で、少なくとも１つのワイヤと熱的に接触させて取り付ける段階
を含む、方法。
【請求項１４】
前記接続部を、前記コイル（３）と前記接続部との間の位置で、少なくとも１つのワイヤ（２）と熱的に接触させて取り付ける段階が、細長い超電導接続部（１）を形成すること、および前記細長い超電導接続部（１）を、対応する少なくとも１つのシース（２２）の先端（２３）と前記超電導コイルとの間において、少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）の周りに巻き付けることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ある長さの余剰ワイヤ（３０）を前記コイルと前記接続部との間に残し、前記接続部を、前記ワイヤと熱的に接触させて、前記コイルと前記余剰ワイヤとの間の位置で取り付ける、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記細長い接続部を、前記超電導接続部の先端（２５）が折り返し点（２４）よりもシースの先端（２３）に近く位置するように、折り返し点（２４）で折り返す、請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記細長い接続部を、はんだ（４２）内で被覆された超電導フィラメントから形成し、そのように形成された前記細長い接続部を次に前記ワイヤの周りに巻き付けて、結合材によって所定の位置に結合する、請求項１３から１６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記細長い接続部を、前記ワイヤのシース（２２）にはんだ付けする、請求項１３から１６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記細長い接続部（１）および少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）の隣接部分を、超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）へ埋め込む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）に対して垂直な方向での、前記超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）の大きさが２０ｍｍ未満である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）に対して垂直な方向での、前記超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）の大きさが１０ｍｍ未満である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記余剰ワイヤ（３０）を８の字型の構成に巻く、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記８の字型のループの構成が本質的に平面であり、且つ前記８の字型のループの構成の平面を超電導磁石の磁場に対して平行に配置する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＭＲＩシステム用の超電導磁石における超電導接続部の構造に関する。本発明は、そのような超電導接続部における余剰ワイヤを収納するための構造にも関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、ＭＲＩシステム用の従来の超電導磁石を示す。これは、寒剤容器１２を含むクライオスタットを含む。冷却された超電導磁石１０が寒剤容器１２内に備えられ、前記寒剤容器自体は外側の真空チャンバ（ＯＶＣ）１４内に保持されている。１つ以上の熱輻射シールド１６が、寒剤容器１２と外側の真空チャンバ１４との間の真空空間内に備えられている。いくつかの公知の構造においては、クライオスタットの側面に向かって、このために備えられたタレット１８内に位置する冷凍機受け口１５内に冷凍機１７が取り付けられている。代替的に、冷凍機１７は、クライオスタットの上部に取り付けられたアクセスネック（ベント管）２０を保持するアクセスタレット１９内に位置することもある。いくつかの構造においては、冷凍機１７は、寒剤ガスを寒剤容器１２内で液体に再凝縮することにより冷却するために、積極的な冷却をもたらす。冷凍機１７は、輻射シールド１６を冷却するためにも役立つことができる。図１に示されるように、冷凍機１７は２段階の冷凍機であってもよい。第１の冷却段階は、輻射シールド１６に熱的につながっており、典型的には８０〜１００Ｋの範囲である第１の温度への冷却をもたらす。第２の冷却段階は、典型的には４〜１０Ｋの範囲であるさらに低い温度への寒剤ガスの冷却をもたらす。
【０００３】
負の電気接続部２１ａは通常、クライオスタットの本体を通じて磁石１０に備えられる。正の電気接続部２１は通常、ベント管２０を通る導体によって備えられる。
【０００４】
超電導磁石１０は、電気的に相互接続された超電導ワイヤの多数のコイルを含む。それらの接続部、およびコイルおよび他の電気機器の電気的な相互接続を完成するために必要とされる他のものは、最小限の接続抵抗および効果的な冷却を確実にするように注意して構成される。本発明は、そのような用途において有用な方法および接続部に関する。
【０００５】
本発明の方法および接続部は、少なくとも、超電導接続部の効率的な冷却および余剰ワイヤの収納の分野における利点をもたらす。余剰ワイヤは、超電導磁石の寿命の間に必要に応じて接続を解除したり、再構成したりすることを可能にするために、典型的には超電導接続部の構造内にあることが望ましい。
【０００６】
超電導接続部を効果的に冷却するための従来の構造は、冷却手段と接続部との間に、電気的には絶縁しているが熱的には伝導性である界面を含む。しかしながら、そのような従来の構造は、典型的には、正確に組み立てるために必要な高価且つ複雑な部品を必要とするという欠点を有する。追加のコストおよび複雑さは、電気絶縁をもたらし且つ電圧破壊試験を行わなければならないことに起因する。そのような構造の例は、米国特許第８２５３０２４号明細書(US8253024)、米国特許出願公開第２０１３／００９０２４５号明細書(US20130090245)、米国特許出願公開第２０１４／００２４５３４号明細書(US20140024534)、米国特許出願公開第２０１６／００８６６９３号明細書(US20160086693)、中国特許第１０１４１４７４２号明細書(CN101414742B)内に開示されている。
【０００７】
他の公知の解決策においては、寒剤、例えば気体または液体のヘリウム、ネオンまたは窒素を含有する冷却管が、接続部と寒剤容器または他のいくつかの冷却部品との間に備えられている。冷却管と接続部との間で電気絶縁を確実にするために、電気的には絶縁しているが熱的には伝導性である要素が備えられなければならない。そのような構造は、寒剤ガスまたは液体と共に高価且つ複雑な管および容器を必要とするという欠点を有する。そのような部品は、漏れがなく、且つ圧力容器として使用するために認可されていなければならない。管と接続部との間の電気絶縁をもたらさなければならないことにより、さらなる複雑さが生じる。そのような構造の例は、米国特許第８３１５６８０号明細書(US8315680)内に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第８２５３０２４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／００９０２４５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１４／００２４５３４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１６／００８６６９３号明細書
【特許文献５】中国特許第１０１４１４７４２号明細書
【特許文献６】米国特許第８３１５６８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の１つの側面は、接続部付近での余剰の超電導ワイヤの収納に関する。通常は、余剰の超電導ワイヤを巻き、且つ接続部を埋め込むために使用されるのと同じ超電導合金を使用してそれを固定する。通常、余剰の超電導ワイヤは、液体の超電導合金で満たされた金属カップの内側で巻かれ、冷却して固められる。これは、大きな体積の円筒形の超電導合金を作り出す。しかしながら、そのような大きな体積の超電導合金の使用は、フラックスジャンプしやすい接続部を作り出しかねない。大きな塊の超電導合金は、長い冷却時間を必要とし、その合金を入れるためのカップが備えられなければならない。合金を溶融し、その中に接続部を浸漬するために、比較的高い温度の段階が行なわれなければならない。再接続の段階が必要とされる場合、余剰の超電導ワイヤを接続部のカップから抜き出すことも困難であり、且つ厄介であることがある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、本発明は、接続された超電導ワイヤの余剰長を接続部付近で収納するためのワイヤの収納構造を備える超電導接続構造を提供する。本発明の構造は、冷却寒剤浴の不在下であっても、接続部の効果的な冷却をもたらす。
【００１１】
従って、本発明は、添付の特許請求の範囲に定義される超電導接続部および超電導接続部の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明の上記およびさらなる対象、特徴および利点は、例示的な目的としてのみ記載される以下の特定の実施態様の説明と、関連する添付の図面からより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】クライオスタット内に超電導コイルを含む従来のＭＲＩ磁石システムの例を示す図である。
【図２】本発明の実施態様による超電導接続部の例を示す図である。
【図３】図２に示された図面の一部の拡大図を示す図である。
【図４】接続部が中実のブロックに埋め込まれている実施態様を示す図である。
【図５】コイル間の相互インダクタンスの問題を説明するための、本発明の実施態様を示す図である。
【図６】図５の変化形を示す図である。
【図７】特定の環境下での余剰ワイヤおよび超電導接続部を通じた電流の経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
従って、本発明は、超電導磁石用の超電導接続部であって、１つ以上の超電導コイルの超電導ワイヤの超電導フィラメント間に細長い接続部が形成されており、余剰ワイヤが、電気的に前記細長い接続部と前記１つ以上の超電導コイルとの間に備えられており、ここで、前記細長い接続部は、前記１つ以上の超電導コイルと前記余剰ワイヤとの間の位置で、少なくとも１つの超電導ワイヤと熱的に接触している、前記超電導接続部を提供する。
【００１５】
図２は、本発明の例示的な実施態様による超電導接続部を模式的に説明する。超電導ワイヤのコイル３が超電導磁石の部分を形成する。それらは冷却手段で冷却され、図示されていないが、図１を参照して説明されるとおり、寒剤材料および冷凍機を含み得る。代替的に、いくつかの現代の超電導磁石システムの場合のように、液体の寒剤の浴を含有する寒剤容器は備えられない。冷却は、例えば中実のサーマルバスに沿って低温の冷凍機に伝導することによって超電導ワイヤのコイル３にもたらされてもよいし、または冷却は冷却ループ、つまりループ内を循環し且つ低温の冷凍機によって冷却される寒剤の閉じられたサイホンによるものであってもよい。そのような磁石システムにおいては、接続部を超電導温度で維持するための液体の寒剤の浴はない。本発明は、超電導磁石システム内の超電導ワイヤ間の接続部を冷却する効果的な方式を提供する一方で、必要な場合、接続部を再構成するために要される余剰の超電導ワイヤの収納部を提供することを目的としている。
【００１６】
接続部１は、自身が超電導ワイヤのコイル３の部分を形成する２つの超電導ワイヤ２から、典型的には超電導ワイヤのそれぞれのコイル３からの各々１つのワイヤから構成されている。図２に示されるとおり、ワイヤ２の「尾部」は、それらの長さの一部にわたってそれぞれの絶縁スリーブ２０内に包まれている(encased)ことがある。絶縁スリーブはＰＶＣ管、ナイロン組紐またはエナメルコーティングであってよい。接続部１は尾部の端部で形成されている。
【００１７】
当該技術分野において周知のとおり、且つ図３に示されるとおり、超電導ワイヤ２は典型的には、導電体、例えば銅、銀、アルミニウム等のシース２２内に埋め込まれた細長い超電導フィラメント２１を含む。各々のワイヤの自由端では、シース２２は有意な長さ、例えば１０〜３０ｃｍにわたって除去されて、フィラメント２１が露出される。これを例えばフッ化水素によるエッチングによって達成して、シース２２の材料を除去し、フィラメント２１の表面を洗浄できる。それにより、超電導フィラメントが特定の長さにわたって露出される。
【００１８】
接続されるべきワイヤのフィラメントを合わせて撚り合わせるかまたは編組して、細長い超電導接続部１を形成する。次いで、編組または撚り合わせられたフィラメントを、例えばインジウムと共にスズめっきして、超電導合金によって超電導フィラメントの表面の濡れを補助することができる。次いで、前記細長い超電導接続部１をはんだ、好ましくは超電導はんだ、例えば鉛ビスマス内で被覆できる。次いで、前記細長い超電導接続部１を、超電導ワイヤ２の少なくとも１つと熱的に接触させて、この例においては超電導ワイヤ２の周りに巻き付けることによって、対応する少なくとも１つのシース２２の先端２３と超電導コイル３との間で配置する。図２に示されるとおり、前記接続部１は、超電導コイル３と細長い超電導接続部１の第１の端部との間で、ワイヤ２の金属シースに熱的に結合されている。前記細長い超電導接続部１は、対応する少なくとも１つのシース２２の先端２３（図３）と超電導コイル３との間で、巻き付ける以外の方式で超電導ワイヤ２の少なくとも１つに熱的に結合されることができるが、細長い接続部１と超電導ワイヤ２の少なくとも１つのシース２２との間での効果的な熱接触が、対応する少なくとも１つのシース２２の先端２３と超電導コイル３との間で確立されるべきである。記載された熱接触に加えて、細長い接続部１を機械的にしっかりと所定の位置に保持すべきであり、なぜなら、自由に動くと、ワイヤのシース材料内で誘導される渦電流に起因して、接続部のクエンチを引き起こしかねないからである。例えば銅、アルミニウムまたは銀の細い結合ワイヤ１４を使用して、接続部をワイヤに結合することにより、熱結合を改善できる。それにより、接続部１と超電導ワイヤのコイル３との間で、良好な熱接触が確実になる。接続部１において発生した熱はワイヤ２に伝導され、次いでそのワイヤに沿って伝導されることにより、超電導ワイヤのコイル３へと伝導される。そのような熱は、超電導ワイヤのコイル３を冷却するために備えられる冷却装置によって運び去られる。
【００１９】
本発明によれば、この構造は、細長い超電導接続部１から冷却されたコイル３への、比較的短い伝熱経路をもたらす。本発明の構造がないと、熱は、冷却されたコイルに達するために、細長い接続部１から、余剰ワイヤ３０の長さに沿って通過しなければならない。本発明は、細長い超電導接続部と冷却コイルとの間の遙かに低減された熱の経路をもたらし、細長い超電導接続部の冷却効率を高め、細長い超電導接続部において生じるクエンチの確度を低減する。
【００２０】
細長い超電導接続部１を、該接続部において使用されたものと同じはんだを使用してワイヤ２にはんだ付けすることにより、接続部とワイヤ２との間の非常に効果的な熱のつながり、および接続部についての非常に効果的な機械的支持をもたらすことができる。結合ワイヤ２７の使用は、それらの利点をある程度もたらす。特定の実施態様において、結合ワイヤおよびはんだを使用できる。
【００２１】
接続部１は超電導フィラメントの有意な長さにわたって、例えば１０〜３０ｃｍにわたって形成される。これは、低い接続抵抗および高い電流処理能力を確実にする。
【００２２】
好ましくは、接続部１は、超電導ワイヤのコイル３の比較的近くでワイヤ２に熱的につなげられて、接続部１と超電導ワイヤのコイル３との間の効果的な熱結合を確実にする。
【００２３】
代替的な実施態様において、細長い接続部１と、少なくとも１つの超電導ワイヤ２との間の熱的および機械的な接触を、クランプ留め、プレス、または適した接着剤、例えばＨｅｎｋｅｌ  Ｌｔｄ．から得られるＬＯＣＴＩＴＥ（登録商標）  ＳＴＹＣＡＳＴ（登録商標）樹脂を用いた接着によって得ることができる。
【００２４】
前記接続部を、図１に示される真空領域または寒剤容器内に配置することができる。しかしながら、寒剤容器内に配置すれば、隣接する寒剤材料の沸騰または対流により、接続部に冷却をもたらすことができる。
【００２５】
上記で説明したとおり、超電導コイル３は、図示されない冷却手段によって、超電導コイル３の超電導動作を可能にするために十分な冷たさの低温に冷却される。ワイヤ２のシース２２と熱的に接触されている接続部１は、それらのシースに沿った、冷却された超電導コイル３への熱伝導によって冷却される。
【００２６】
シース２２は熱伝導性の材料、例えば銅、アルミニウム、銀、またはそれらの金属のいくつかまたは全ての組み合わせ製である。細長い接続部１は、超電導ワイヤ２のシース２２と、電気的接触、並びに熱的および機械的接触を成すことができ、なぜなら、シース２２と細長い接続部１とは同電圧となるからである。シース２２の熱伝導性により、細長い接続部１から超電導コイル３に向かって熱が運ばれる。
【００２７】
図７は、超電導動作中、およびクエンチ（quench）後の本発明の超電導接続部を通る電流の経路を示す。通常の超電導動作中、電流は経路７１に沿って流れる。経路７１は、一方の接続された超電導ワイヤ２に従って細長い超電導接続部１に至り、前記細長い超電導接続部１を通過して、他方の接続された超電導ワイヤ２に従って出る。
【００２８】
クエンチ後、超電導ワイヤ２および細長い超電導接続部１は抵抗性になる。典型的には、金属シース２２は、この状態でフィラメント２１より低抵抗である。クエンチ後、電流は経路７２に沿って流れる。経路７２は、一方の接続された超電導ワイヤ２に従うが、フィラメント２１よりも金属シース２２に沿う。細長い超電導接続部１で、電流は一方のワイヤの金属シース２２から他方のワイヤの金属シース２２へと好ましく伝達し、存在する場合ははんだを通って、他方の接続された超電導ワイヤ２に従って出る。
【００２９】
図２に示すとおり、細長い接続部１は、細長い超電導接続部１の先端２５が折り返し点２４よりもシース２２の先端２３に近く位置するように、折り返し点２４のところで折り返すことができる。折り返し点２４では、曲率半径が、細長い接続部１の超電導フィラメント２１に損傷が生じ得るほどにはきつくないように注意しなければならない。
【００３０】
ワイヤ２を合わせて保持するための例えば銅ワイヤの結合材２６、および／または細長い超電導接続部１をワイヤ２のシース２２と機械的に接触させて保持するための例えば銅ワイヤの結合材２７を使用することによって、本発明の接続部の組み立てを容易にすることができる。１つの実施態様において、細長い超電導接続部１を、はんだ、例えば超電導はんだにおいて被覆された超電導フィラメントから形成でき、次いで、図２に示すようにその細長い超電導接続部１をワイヤ２の周りに巻き付け、結合材２７によって所定の位置で結合することができる。
【００３１】
代替的な実施態様において、さらなるはんだ付け段階を適用して、細長い接続部をワイヤ２のシース２２にはんだ付けして、細長い接続部１とワイヤ２との間で改善された熱伝導性をもたらすことができる。超電導はんだ、例えば鉛ビスマスまたはインジウムスズが好ましく使用される。そのようなさらなるはんだ付け段階は、結合材２７による細長い接続部１の、ワイヤ２のシース２２への結合に先立ち、それに続いて、またはその代わりに行うことができる。
【００３２】
１つの実施態様において、図４に示されるとおり、鋳型４０を準備し、細長い接続部１および少なくとも１つの超電導ワイヤ２の隣接部分を前記鋳型内に配置し、前記鋳型を超電導はんだ４２、例えば鉛ビスマスまたはインジウムスズまたは他の超電導合金または化合物で充填し、細長い接続部１および少なくとも１つの超電導ワイヤ２の隣接部分を、超電導合金または化合物の中実のブロック４２へと埋め込む（cast）。特定の実施態様において、鋳型４０は、溶融した合金または化合物を注ぎやすくするために、Ｕ字形状の鋳型であるが、他の形状の鋳型も適宜使用できる。
【００３３】
本発明の特徴によれば、図２に示されるとおり、ある長さの余剰ワイヤ３０が存在し、超電導コイル３と細長い接続部１との間でワイヤ２の一部を形成する。本発明の１つの実施態様において、余剰ワイヤ３０は、約９０ｃｍの長さを有することができ、これは細長い接続部１を３回まで再構成するために十分な長さである。示されるとおり、１つ以上の長さのスリーブ２０を、余剰ワイヤ３０にわたって配置できる。
【００３４】
余剰ワイヤ３０は、ワイヤ２を含むループとして、電気的に細長い接続部１と超電導コイル３との間に備えられる。示される実施態様において、且つ好ましくは、余剰ワイヤ３０は８の字型の構成に巻かれ、余剰ワイヤ３０により作り出される電流ループと、ＭＲＩシステムの主たる永続性の回路により作り出される電流ループとの間の磁場結合（相互インダクタンス）を低減する。これを、図５、６を参照してさらに説明する。
【００３５】
当該技術分野において周知のとおり、且つ図２に示される８の字型の構造の２つのループ３２、３４を参照して、第１のループ３２に囲まれた面積が第２のループ３４によって囲まれた面積と等しい場合に、最小の磁場結合が生じる。他の実施態様は３つまたは４つのループを有することがあり、ただし、第１のループおよび第３のループで囲まれた全体の面積は、第２のループおよび存在する場合、第４のループによって囲まれた面積に等しい。８の字型の構造の交差点では電気絶縁が備えられ、その点でのそれぞれのワイヤの電気シース間の電気伝導を防ぐ。
【００３６】
図５に示される実施態様において、且つ好ましくは、第１のループ３２は第２のループ３４によって囲まれる面積と同じ面積を囲む。これは、超電導磁石全体を表す電流の経路を含む磁石のループL１  ３５と、第１のループ３２と第２のループ３４とを合わせた影響を含むＬ２との間の相互インダクタンスを最小化する。第１のループ３２および第２のループ３４は囲む面積が等しいが、反対方向に電流を運ぶので、それらの影響は本質的に相殺される。図６は単独のループＬ２’  ３７を示し、これは、第１のループ３２および第２のループ３４を含むＬ２の代わりに使用される場合、ループＬ１とループＬ２’との間の望ましくない磁場結合をもたらすことがある。
【００３７】
上記のように構成される場合、ループＬ２の第１のループ３２および第２のループ３４は本質的に無誘導性であるが、ただし、細長い超電導接続部１で接続された２つのワイヤ２は、互いに近く且つ平行である。
【００３８】
他の実施態様において、図６に示されるような単独のループＬ２’  ３７の使用が可能であるが、ただし、前記単独のループＬ２’  ３７は、磁石のループＬ１  ３５によって生成される磁場と正確に平行に配列される。そのような場合、余剰ワイヤ３０の８の字型のループへの構成は必要とされないことがあり、なぜなら、磁石のループＬ１  ３５と単独のループＬ２’  ３７の余剰ワイヤとの間の相互インダクタンスがゼロに近くなり得るからである。単独のループＬ２’  ３７と、磁石外部の任意の磁場源との間の相互誘導を回避するように注意しなければならない。
【００３９】
上記のように配置され得る小さな相互インダクタンスの結果、８の字型の構造の余剰ワイヤ３０上の、超電導磁石の磁場から生じる正味の力も最小化される。これは、取り付ける構造を簡単にし、且つ有益である。
【００４０】
好ましくは、いかなる場合でも、余剰ワイヤ３０を含有するループは、平坦な、本質的に平面の構造として形成される。特定の実施態様において、余剰ワイヤ３０を含有するループは、超電導磁石１０によって生成される磁場が余剰ワイヤ３０を含有するループの平面に対して実質的に平行であるように、ＯＶＣ１４の内側に配置されて、超電導磁石１０と余剰ワイヤ３０を含有するループとの間の磁気結合を最小化する。
【００４１】
合計の局所磁場が非誘導性に巻かれた巻線の面に対して実質的に平行であるように、他の磁場の影響も考慮に入れることがある。そのような構造物は、超電導磁石および前記超電導磁石と関連する他のコイルの通電の結果としての外部場の変化に起因する、非誘導性に巻かれた巻線において誘導される電流を最小化する。例えば、勾配磁場コイルは素早く変化する磁場を生成し、これは主たる磁場において生じ得る変化よりも、余剰ワイヤ３０のループにおける電流を誘導することについて、より大きな可能性を有し得る。
【００４２】
超電導ワイヤ２は、実施可能である限り、所定の位置に固定されることが重要である。超電導ワイヤが自由に動けると、超電導コイルの磁場内で動きが起こり、従って該ワイヤ内で電圧が誘導され、それが磁石の磁場との干渉を引き起こすことがあり、且つ磁場のクエンチすらみちびきかねない。
【００４３】
示された実施態様において、これはナイロンのケーブルタイ２６を使用することによって達成される。
【００４４】
代替的な実施態様において、余剰ワイヤ３０を、このために備えられた保持支柱の周りに巻き付けることができる。当業者には明らかなとおり、余剰ワイヤを所定の位置に保持するための他の手段を用いることができる。
【００４５】
例示的な実施態様において、発明者らは、本発明による接続部が、超電導状態での使用において、１０-12オーム未満の抵抗を有し、１０００アンペアまでの電流で１０-6ワット以下の電力散逸をもたらすことを見出した。この低レベルの電力散逸は、接続部と超電導ワイヤ３のコイルとの間の高い熱伝導性と相まって、接続部の温度が非常にわずかにしか上昇しないことを意味する。
【００４６】
フラックスジャンプの現象はＥ．Ｗ．ＣｏｌｌｉｎｇｓおよびＭ．Ｄ．Ｓｕｍｐｔｉｏｎ、“Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  ＡＣ  Ｌｏｓｓｅｓ  ｉｎ  ＨＴＳＣ／Ａｇ  Ｍｕｌｔｉｆｉｌａｍｅｎｔａｒｙ  Ｓｔｒａｎｄｓ”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  Ｖｏｌ．  ３、Ｎｏ．１１／１２、５５１〜５５７ページ、１９９５内で議論されている。
【００４７】
磁石接続部のフラックスジャンプは、磁石全体のクエンチをみちびくことがあるので、合理的に可能な限り回避すべきである。
【００４８】
フラックスジャンプの断熱理論から、特徴的なフラックスジャンプの大きさは、比熱Ｃ、臨界温度Ｔcと動作温度Ｔとの間の差に比例し、且つ超電導体の臨界電流密度Ｊcに反比例することが示され得る（式１）：
【数１】
2021526296.tif 000003
超電導合金のサイズがａFJを上回る場合、フラックスジャンプが可能である。
【００４９】
超電導接続部において使用される超電導合金４２のＣ、Ｔc、動作温度ＴでのＪcの組み合わせは、特徴的な大きさａFJが１０〜２０ｍｍ未満であることを必要とすることが多い。この大きさの制限は、超電導合金４２内に埋め込まれた接続された超電導ワイヤの余剰長３０を収納することを非常に困難にする。
【００５０】
本発明の少なくとも１つの実施態様によれば、余剰ワイヤ３０は８の字型のループに収納される。このようにワイヤ収納部３０を構成すると、超電導合金４２の大きさを、特徴的な大きさａFJ未満に減少することが可能である。図４の実施態様の場合、これは、ワイヤ２に垂直な方向の超電導材料の大きさが２０ｍｍ未満、好ましくは１０ｍｍ未満であることを意味する。超電導合金４２のサイズが減少すると、接続部の超電導材料４２におけるフラックスジャンプの傾向が減少する。局所磁場の方向で超電導材料４２の大きさを２０ｍｍ未満、好ましくは１０ｍｍ未満に制限することは、フラックスジャンプに対する断熱安定性をもたらす。
【図１】
2021526296.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月10日(2019.10.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導磁石用の超電導接続構造であって、１つ以上の超電導コイル（３）の超電導ワイヤ（２）の超電導フィラメント（２１）間に細長い接続部（１）が形成されており、余剰ワイヤ（３０）が、電気的に前記細長い接続部と前記１つ以上の超電導コイルとの間に備えられている前記超電導接続構造において、前記細長い接続部は、電気的に前記１つ以上の超電導コイルと前記余剰ワイヤとの間の位置で、少なくとも１つの超電導ワイヤと熱的に接触していることを特徴とする、前記超電導接続構造。
【請求項２】
前記細長い接続部が、電気的に前記１つ以上の超電導コイルと前記余剰ワイヤとの間の位置で、少なくとも１つの超電導ワイヤと電気的に接触している、請求項１に記載の超電導接続構造。
【請求項３】
前記細長い接続部が、結合ワイヤ（１４）によって少なくとも１つの超電導ワイヤに結合されている、請求項１または２に記載の超電導接続構造。
【請求項４】
前記細長い接続部が、超電導はんだ（４２）を含む、請求項１から３までのいずれか１項に記載の超電導接続構造。
【請求項５】
前記細長い接続部が、少なくとも１つの超電導ワイヤにはんだ付けされている、請求項４に記載の超電導接続構造。
【請求項６】
前記細長い接続部（１）および少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）の隣接部分が、超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）へ埋め込まれている、請求項４に記載の超電導接続構造。
【請求項７】
前記少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）に対して垂直な方向での、超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）の大きさが２０ｍｍ未満である、請求項６に記載の超電導接続構造。
【請求項８】
前記少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）に対して垂直な方向での、超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）の大きさが１０ｍｍ未満である、請求項７に記載の超電導接続構造。
【請求項９】
前記余剰ワイヤが８の字型のループの構成で保持されている、請求項１から８までのいずれか１項に記載の超電導接続構造。
【請求項１０】
前記余剰ワイヤが複数のケーブルタイ（２７）によって８の字型のループの構成で保持されている、請求項４に記載の超電導接続構造。
【請求項１１】
前記８の字型のループの構成が本質的に平面であり、且つ前記８の字型のループの構成の平面が超電導磁石の磁場に対して平行に配置されている、請求項９または１０に記載の超電導接続構造。
【請求項１２】
前記細長い接続部（１）が、電気的に前記１つ以上の超電導コイル（３）と前記余剰ワイヤ（３０）との間の位置で２つの超電導ワイヤ（２）と電気的に接触しており、且つ、クエンチの場合、電流は、余剰ワイヤの長さを通って流れることなく、前記２つの超電導ワイヤの一方から前記超電導ワイヤの他方へと流れることができる、請求項２に記載の超電導接続構造。
【請求項１３】
超電導磁石用の超電導接続構造の形成方法であって、以下の段階：
・  １つ以上の超電導コイル（３）から延伸する超電導ワイヤ（２）を準備する段階、ここで、各々の超電導ワイヤは熱伝導性のシース（２２）内に包まれている超電導フィラメント（２１）を含む、
・  各々の超電導ワイヤの自由端で前記シースを除去することによって、ある長さの超電導フィラメントを露出する段階、
・  前記超電導フィラメントを接続部（１）に形成する段階、
・  前記接続部を、電気的に前記コイルと前記接続部との間の位置で、少なくとも１つのワイヤと熱的に接触させて取り付ける段階
を含み、
ある長さの余剰ワイヤ（３０）を前記超電導コイルと前記超電導接続部との間に残し、且つ前記超電導接続部を、前記超電導ワイヤと熱的に接触させて、前記超電導コイルと前記余剰ワイヤとの間の位置で取り付ける、
方法。
【請求項１４】
前記接続部を、電気的に前記コイル（３）と前記接続部との間の位置で、少なくとも１つのワイヤ（２）と熱的に接触させて取り付ける段階が、細長い超電導接続部（１）を形成すること、および前記細長い超電導接続部（１）を、対応する少なくとも１つのシース（２２）の先端（２３）と前記超電導コイルとの電気的な間において、少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）の周りに巻き付けることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記細長い接続部を、前記超電導接続部の先端（２５）が折り返し点（２４）よりもシースの先端（２３）に近く位置するように、折り返し点（２４）で折り返す、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記細長い接続部を、はんだ（４２）内で被覆された超電導フィラメントから形成し、そのように形成された前記細長い接続部を次に前記ワイヤの周りに巻き付けて、結合材（１４）によって所定の位置に結合する、請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記細長い接続部を、前記ワイヤのシース（２２）にはんだ付けする、請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記細長い接続部（１）および少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）の隣接部分を、超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）へ埋め込む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）に対して垂直な方向での、前記超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）の大きさが２０ｍｍ未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの超電導ワイヤ（２）に対して垂直な方向での、前記超電導合金または化合物の中実のブロック（４２）の大きさが１０ｍｍ未満である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記余剰ワイヤ（３０）を８の字型の構成に巻く、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記８の字型のループの構成が本質的に平面であり、且つ前記８の字型のループの構成の平面を超電導磁石の磁場に対して平行に配置する、請求項２１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
図１は、ＭＲＩシステム用の従来の超電導磁石を示す。これは、寒剤容器１２を含むクライオスタットを含む。冷却された超電導磁石１０が寒剤容器１２内に備えられ、前記寒剤容器自体は外側の真空チャンバ（ＯＶＣ）１３内に保持されている。１つ以上の熱輻射シールド１６が、寒剤容器１２と外側の真空チャンバ１３との間の真空空間内に備えられている。いくつかの公知の構造においては、クライオスタットの側面に向かって、このために備えられたタレット１８内に位置する冷凍機受け口１５内に冷凍機１７が取り付けられている。代替的に、冷凍機１７は、クライオスタットの上部に取り付けられたアクセスネック（ベント管）２０を保持するアクセスタレット１９内に位置することもある。いくつかの構造においては、冷凍機１７は、寒剤ガスを寒剤容器１２内で液体に再凝縮することにより冷却するために、積極的な冷却をもたらす。冷凍機１７は、輻射シールド１６を冷却するためにも役立つことができる。図１に示されるように、冷凍機１７は２段階の冷凍機であってもよい。第１の冷却段階は、輻射シールド１６に熱的につながっており、典型的には８０〜１００Ｋの範囲である第１の温度への冷却をもたらす。第２の冷却段階は、典型的には４〜１０Ｋの範囲であるさらに低い温度への寒剤ガスの冷却をもたらす。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
超電導接続部を効果的に冷却するための従来の構造は、冷却手段と接続部との間に、電気的には絶縁しているが熱的には伝導性である界面を含む。しかしながら、そのような従来の構造は、典型的には、正確に組み立てるために必要な高価且つ複雑な部品を必要とするという欠点を有する。追加のコストおよび複雑さは、電気絶縁をもたらし且つ電圧破壊試験を行わなければならないことに起因する。そのような構造の例は、米国特許第８２５３０２４号明細書(US8253024)、米国特許出願公開第２０１３／００９０２４５号明細書(US20130090245)、米国特許出願公開第２０１４／００２４５３４号明細書(US20140024534)、米国特許出願公開第２０１６／００８６６９３号明細書(US20160086693)、中国特許第１０１４１４７４２号明細書(CN101414742B)内に開示されている。
特開昭６０−１８２６７３号公報および特開昭６０−１７５３８３号公報は、超電導体接続部を製造および冷却するための構造および方法を記載している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第８２５３０２４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／００９０２４５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１４／００２４５３４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１６／００８６６９３号明細書
【特許文献５】中国特許第１０１４１４７４２号明細書
【特許文献６】米国特許第８３１５６８０号明細書
【特許文献７】特開昭６０−１８２６７３号公報
【特許文献８】特開昭６０−１７５３８３号公報
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
従って、本発明は、超電導磁石用の超電導接続部であって、１つ以上の超電導コイルの超電導ワイヤの超電導フィラメント間に細長い接続部が形成されており、余剰ワイヤが、電気的に前記細長い接続部と前記１つ以上の超電導コイルとの間に備えられており、ここで、前記細長い接続部は、電気的に前記１つ以上の超電導コイルと前記余剰ワイヤとの間の位置で、少なくとも１つの超電導ワイヤと熱的に接触している、前記超電導接続部を提供する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
接続されるべきワイヤのフィラメントを合わせて撚り合わせるかまたは編組して、細長い超電導接続部１を形成する。次いで、編組または撚り合わせられたフィラメントを、例えばインジウムと共にスズめっきして、超電導合金によって超電導フィラメントの表面の濡れを補助することができる。次いで、前記細長い超電導接続部１をはんだ、好ましくは超電導はんだ、例えば鉛ビスマス内で被覆できる。次いで、前記細長い超電導接続部１を、超電導ワイヤ２の少なくとも１つと熱的に接触させて、この例においては超電導ワイヤ２の周りに巻き付けることによって、電気的に対応する少なくとも１つのシース２２の先端２３と超電導コイル３との間で配置する。図２に示されるとおり、前記接続部１は、電気的に超電導コイル３と細長い超電導接続部１の第１の端部との間で、ワイヤ２の金属シースに熱的に結合されている。前記細長い超電導接続部１は、電気的に対応する少なくとも１つのシース２２の先端２３（図３）と超電導コイル３との間で、巻き付ける以外の方式で超電導ワイヤ２の少なくとも１つに熱的に結合されることができるが、細長い接続部１と超電導ワイヤ２の少なくとも１つのシース２２との間での効果的な熱接触が、対応する少なくとも１つのシース２２の先端２３と超電導コイル３との間で確立されるべきである。記載された熱接触に加えて、細長い接続部１を機械的にしっかりと所定の位置に保持すべきであり、なぜなら、自由に動くと、ワイヤのシース材料内で誘導される渦電流に起因して、接続部のクエンチを引き起こしかねないからである。例えば銅、アルミニウムまたは銀の細い結合ワイヤ１４を使用して、接続部をワイヤに結合することにより、熱結合を改善できる。それにより、接続部１と超電導ワイヤのコイル３との間で、良好な熱接触が確実になる。接続部１において発生した熱はワイヤ２に伝導され、次いでそのワイヤに沿って伝導されることにより、超電導ワイヤのコイル３へと伝導される。そのような熱は、超電導ワイヤのコイル３を冷却するために備えられる冷却装置によって運び去られる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
細長い超電導接続部１を、該接続部において使用されたものと同じはんだを使用してワイヤ２にはんだ付けすることにより、接続部とワイヤ２との間の非常に効果的な熱のつながり、および接続部についての非常に効果的な機械的支持をもたらすことができる。結合ワイヤ１４の使用は、それらの利点をある程度もたらす。特定の実施態様において、結合ワイヤおよびはんだを使用できる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
図３に示すとおり、細長い接続部１は、細長い超電導接続部１の先端２５が折り返し点２４よりもシース２２の先端２３に近く位置するように、折り返し点２４のところで折り返すことができる。折り返し点２４では、曲率半径が、細長い接続部１の超電導フィラメント２１に損傷が生じ得るほどにはきつくないように注意しなければならない。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
ワイヤ２を合わせて保持するための例えば銅ワイヤの結合材２６、および／または細長い超電導接続部１をワイヤ２のシース２２と機械的に接触させて保持するための例えば銅ワイヤの結合材１４を使用することによって、本発明の接続部の組み立てを容易にすることができる。１つの実施態様において、細長い超電導接続部１を、はんだ、例えば超電導はんだにおいて被覆された超電導フィラメントから形成でき、次いで、図２に示すようにその細長い超電導接続部１をワイヤ２の周りに巻き付け、結合材１４によって所定の位置で結合することができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
本発明の特徴によれば、図２に示されるとおり、ある長さの余剰ワイヤ３０が存在し、電気的に超電導コイル３と細長い接続部１との間でワイヤ２の一部を形成する。本発明の１つの実施態様において、余剰ワイヤ３０は、約９０cmの長さを有することができ、これは細長い接続部１を３回まで再構成するために十分な長さである。示されるとおり、１つ以上の長さのスリーブ２０を、余剰ワイヤ３０にわたって配置できる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
示された実施態様において、これはナイロンのケーブルタイ２７を使用することによって達成される。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2021526296.tif 000011
【図２】
2021526296.tif 000012
【図３】
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【図４】
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【図５】
2021526296.tif 000015
【図６】
2021526296.tif 000016
【図７】
2021526296.tif 000017
【国際調査報告】
2021526296.tif 000018
2021526296.tif 000019