(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオスタットの極低温容器内に収容された超伝導回路にＤＣ電流を流すように配置された超伝導電流ポンプであって、前記超伝導回路は、１つまたは複数の超伝導コイル及び１つ以上の線またはテープの超伝導素子を備え、前記超伝導電流ポンプは、前記極低温容器の外部にロータ及び前記極低温容器の内部にステータを備え、前記ステータは、前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子を備え、前記ロータ及び前記ステータは、前記極低温容器の断熱壁が通過するギャップによって分離され、前記ロータは、１つ以上の磁場発生素子を備え、
前記ロータ及び前記ステータは、所定の状態が得られるように、前記１つ以上の磁場発生素子からの磁束を、前記ロータ及び前記ステータとの間の前記ギャップを横切ってかつ前記断熱壁を通して磁気回路に集中させるための強磁性材料を少なくとも部分的に備えており、
前記磁束は、前記ステータの前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子を一方向に貫通しており、前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子は、前記ロータ及び前記ステータとの間を通過して低磁束密度または無磁束密度の領域を介して前記ステータから出ており、
前記所定の状態は、前記極低温容器内の前記ステータに対する前記極低温容器の外部の前記ロータの動きが、前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子及び前記極低温容器内の前記超伝導回路に流れるようＤＣ電流を誘導する状態であり、
前記磁束は、前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子に微視的スケールで局部的な磁束渦を形成するが、前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子に流れる正味の前記ＤＣ電流を巨視的なレベルで伝導するのに十分な超伝導電流経路を排除することはないだけの十分に高い磁束密度で、前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子を貫通している、前記超伝導電流ポンプ。
【請求項２】
前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子はステータのアパーチャを通って出る、請求項１に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項３】
前記１つまたは複数の超伝導コイルは、前記ロータが動くにつれて前記回路における電流を徐々に蓄積するのに十分なインダクタンスを有する、請求項１または２に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項４】
前記ロータとステータが、前記ギャップを画定するよう前記ロータの回転軸に平行なまたは実質的に平行な方向に相互に変位する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項５】
前記ロータとステータが同心円状に配置され、前記ギャップが前記ロータの回転軸の周囲にある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項６】
円筒形ロータ組立体が、円筒形ステータ組立体の内側または外側に位置する、請求項５に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項７】
前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子が前記ステータの周囲に配置され、前記磁場発生素子が前記ステータの前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子と対向する前記ロータの周囲に配置される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項８】
前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子は、ステータのアパーチャの通過を含めて前記ステータの周囲に巻かれている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項９】
前記ギャップが約２ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲にある、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項１０】
前記ギャップが約１０ｍｍ超である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項１１】
前記１つ以上の磁場発生素子が、１つ以上の永久磁石または電磁石を備える、請求項１〜１０のいずれかに記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項１２】
前記ロータの速度を制御するように配置されたモータ制御システムを備える、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項１３】
前記超伝導回路の前記電流を示す信号を前記制御システムに提供するように配置されたセンサをさらに備える、請求項１２に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項１４】
前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子は、高温超伝導材料を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項１５】
前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子が、同じ全通電容量を有するより大きな幅の超伝導素子から縦方向に分割された少なくとも２つの超伝導素子を含む、請求項１〜１４のいずれかに記載の超伝導電流ポンプ。
【請求項１６】
クライオスタットの極低温容器内に収容された超伝導回路にＤＣ電流を流すように配置された超伝導電流ポンプであって、前記超伝導回路は、１つまたは複数の超伝導コイル及び１つ以上の線またはテープの超伝導素子を備え、
前記超伝導電流ポンプは、所定の状態が得られるように、前記極低温容器の断熱壁が通過するギャップによって分離された、前記極低温容器の外部の１つ以上の磁場発生素子及び前記極低温容器の内部のステータを備え、
かつ、磁束が前記ステータの前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子を一方向に貫通するよう、前記磁束を前記ギャップを横切ってかつ前記断熱壁を通して磁気回路に集中させるための強磁性材料を備えており、前記強磁性材料は、前記極低温容器の外部の前記１つ以上の磁場発生素子及び前記極低温容器の内部の前記ステータに隣接しており、
前記１つ以上の線またはテープの超伝導素子は、前記１つ以上の磁場発生素子及び前記ステータとの間を通過して低磁束密度または無磁束密度の領域を介して前記ステータから出ており、
前記所定の状態は、前記極低温容器の外部の前記１つ以上の磁場発生素子及び前記極低温容器の内部の前記ステータとの間の相対運動が、前記極低温容器の内部の前記超伝導回路に流れるようＤＣ電流を誘導する状態であり、
前記磁束は、前記１つ以上の超伝導素子に微視的スケールで局部的な磁束渦を形成するが、前記１つ以上の超伝導素子に流れる正味の前記ＤＣ電流を巨視的なレベルで伝導するのに十分な超伝導電流経路を排除することはないだけの十分に高い磁束密度で、前記１つ以上の超伝導素子を貫通している、前記超伝導電流ポンプ。
【請求項１７】
前記クライオスタットが、蒸発潜熱及び／または熱機械式冷凍機よって冷却するように動作可能な液体凍結剤を備える冷凍システムを含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプを含むシステム。
【請求項１８】
前記断熱壁が、低い導電率を有する、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプを含むシステム。
【請求項１９】
前記クライオスタットが回転クライオスタットである、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の超伝導電流ポンプを含むシステム。
【請求項２０】
前記ステータ及びロータが、前記回転クライオスタットと共通の回転軸の周囲で相互に回転する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記超伝導コイルが、発電機またはモータのロータコイルを形成する、請求項１９または２０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導回路を励磁するための超伝導電流ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超伝導（ＨＴＳ）線の商業生産及び用途は、十分に確立されている。高温超伝導体材料は、典型的にはＴｃ＞７７Ｋであるような超伝導転移温度（Ｔｃ）が高いタイプＩＩの超伝導体である。ＨＴＳ線から巻かれた電磁コイルは、Ｔｃ未満の温度で動作されると、高電流密度での極めて低いレベルの熱放散により高い磁場を達成することができる。温度をＴｃ未満に維持するために、冷却源に結合されたクライオスタット内に超伝導コイルを収容することが必要である。電流は一般的に、通常の導電性金属から作られた電流リードを含む電気回路を介してＨＴＳ超伝導回路に供給される。これらの電流リードはクライオスタットの壁を貫通し、超伝導回路をクライオスタット容器の外部に位置する電流源に接続する。このような電流リードは、高電流で動作する電流リードに沿った熱伝導及び電流リード内での抵抗損の両方による極低温環境への熱負荷の重要な源である。加えて、付随する電流源及び高電流ケーブルは、設置面積が大きく、容易に携帯できず、そして高価である。
【０００３】
低温超伝導（ＬＴＳ）線（ＮｂＴｉなど）は、電磁コイルを形成するためにしばしば使用される。ＬＴＳ線は超伝導接合部と接合することができ、完全超伝導回路を製造することができる。外部電流源が除去された後に回路の周囲に永続的な超伝導電流を維持するように、外部電流源を用いて完全超伝導回路を励磁することができる。現在、製造現場でＨＴＳ導体間の超伝導接合を達成することは現実的ではない。したがって、ＨＴＳ回路は永久電流モードで動作することができず、超伝導回路内の抵抗接合部における損失のバランスをとるために、常に外部電流源を接続したままにする必要がある。
【０００４】
電磁誘導は、回路に物理的に接続することなく超伝導回路内に電流を生成するために使用されてきた。このアプローチを採用した装置は、従来より「超伝導ＤＣ発電機」もしくは「超伝導磁束ポンプ」と呼ばれてきた。「磁束ポンプ」という用語は、バルク超伝導材料内で永続的なバルク磁化を誘導するか、または超伝導回路の周囲を流れる正味の電流を生成する広範囲のデバイスを指すように使用される。本明細書において、「超伝導電流ポンプ」という用語は、正味の電流を超伝導回路の周囲に流すよう誘導する装置を指す。用語「回転磁束ポンプ」及び「電流ポンプ」は、本明細書では交換可能に使用される。
【０００５】
超伝導磁束ポンプは、スイッチ型磁束ポンプまたは回転型磁束ポンプのいずれかに大別することができる。スイッチ型磁束ポンプには可動部分がなく、回路内のスイッチを操作することによって磁束ポンピングが実現される。例えば、国際特許出願公開第ＷＯ２０１０／０７０３１９号は、切り替え可能な磁性材料の使用によって高温超伝導体（ＨＴＳ）材料のバルク片を磁化する磁束ポンプを開示している。回転する磁束ポンプは、励磁すべき超伝導回路の一部を含むステータに対して動くロータを含む可動部分を有する。ロータは、１つ以上の永久磁石のような磁束源を担持する。ロータは、磁束源からの磁束が超伝導回路の一部を貫通して超伝導体を横切って超伝導回路に電流を誘導するようにステータの近くに配置される。回転磁束ポンプは、電流ポンピングが起こることを可能にするためにステータの超伝導回路素子に十分な磁束密度を発生させるため、ロータとステータとの間のギャップが数ミリメートル未満であることを必要とする。回転部品は、クライオスタットの内部に配置され、機械的結合がクライオスタットの壁を貫通してロータを電気モータのような回転運動源に接続する。回転磁束ポンプは、ＮｂＴｉ（Ｔｃ＝９．２Ｋ）からＹＢＣＯ（Ｔｃ≒９５Ｋ）までの種々の転移温度を有するタイプＩまたはタイプＩＩの超伝導材料と共に用いられてきた。ロータ及びステータを、径方向磁束形状もしくは軸方向磁束形状、またはそれらの組み合わせのいずれかに好都合に配置することができる。径方向磁束形状とは、ロータ片とステータ片が共通の同心軸の周囲に配置され、磁束接続部がステータとロータとの間の半径方向のギャップを横切ることを意味する。軸方向磁束形状とは、ロータ片とステータ片が共通軸に沿って直線的に変位して、磁束接続部がロータとステータとの間に形成される軸方向のギャップを横切るようにすることを意味する。例えば、国際特許出願公開第ＷＯ２０１２／０１８２６５号に開示されている磁束ポンプ構成体は、超伝導回路に電流を誘導するためにＨＴＳステータ線に近接して回転する一連の永久磁石を担持するロータを有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、既知の超伝導磁束ポンプと、電磁コイルを含む超伝導回路への応用を改善し、もしくは少なくとも公共に有用な選択肢を提供することである。
【０００７】
本明細書では、特許明細書及び他の文書を含む外部情報源が参照されている場合、これは一般に、本発明の特徴を論じるための文脈を提供することを目的とする。別段の定めがない限り、そのような情報源への参照は、いかなる権限においても、そのような情報源が先行技術であること、もしくは当該分野における共通の一般知識の一部を形成することの認可として解釈されるべきではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの形態の概略として、本発明は、クライオスタットの極低温容器内に収容された超伝導回路にＤＣ電流を流すように配置された超伝導電流ポンプを備え、該超伝導回路は、１つまたは複数の超伝導コイル及び１つ以上の超電導素子を備え、該電流ポンプは、該極低温容器の外部にロータ及び該極低温容器の内部にステータを備え、該ロータ及び該ステータは、該極低温容器の断熱壁が通過するギャップによって分離され、該ロータは、１つ以上の磁場発生素子を備え、該ロータ及び該ステータは、該極低温容器内の該ステータに対する該極低温容器の外部の該ロータの動きが、該極低温容器内の該超伝導回路にＤＣ輸送電流を流すよう誘導するように磁束が該ステータに関連付けられる該超伝導回路の１つ以上の超伝導素子を貫通するよう、少なくとも部分的に該磁束を該ロータ及び該ステータとの間の該ギャップを横切ってかつ壁を通り磁気回路に集中させるための強磁性材料を備える。
【０００９】
電流ポンプは、超伝導素子（複数可）に対して磁場発生素子（複数可）を移動させるように配置され、それによって、該超伝導素子（複数可）を横切り、超伝導回路のインピーダンスを横切る駆動電圧を発生させる起電力を誘導することにより超伝導素子の周囲に電流を流し、磁束の正味の流れが存在するよう、磁束渦が超伝導素子（複数可）を通過するようにさせる。
【００１０】
少なくともいくつかの実施形態では、超伝導回路は、励磁され、また超伝導素子を通過する磁気回路内の電流が移動磁場発生素子の作用によって段階的に増加するにつれて電流を徐々に蓄積するのに十分なインダクタンスを有する、１つ以上の超伝導コイルを備える。
【００１１】
ロータとステータヨークとの間に形成される磁気回路は、超伝導素子（複数可）を貫通する磁束が超伝導回路を貫通しないロータヨークへの復帰経路を辿るように配置されている。
【００１２】
少なくともいくつかの実施形態では、磁場発生素子は、永久磁石、電磁石及びそれらの類似物のうちの少なくとも１つまたは組み合わせを含む。１つの形態において、磁場発生素子は、１つ以上の永久磁石のみを含むことができる。
【００１３】
１つの形態では、ロータ及びステータは、ロータの回転軸に実質的に平行な方向にギャップを形成するように相互に軸方向に変位される。あるいは、ロータ及びステータは、ロータの回転軸に実質的に垂直な方向に径方向のギャップを形成するように同心円状に配置される。
【００１４】
少なくともいくつかの実施形態では、ギャップは約２〜３０ｍｍの範囲にある。より好ましくは、ギャップは約６ｍｍを超え、もしくは約１０ｍｍを超え、もしくは約１５ｍｍを超える。別の形態では、ギャップは約３０ｍｍを超えてもよい。
【００１５】
１つの形態では、ステータとロータヨークが円筒状に形成され、ステータ円筒の表面に超伝導素子（複数可）が配置され、ロータ円筒の表面に磁場発生素子が配置される。
【００１６】
少なくともいくつかの実施形態では、円筒形ロータ組立体が円筒形ステータ組立体の内部もしくは外部に位置し、クライオスタットの壁は、クライオスタットの壁を通って何らかの再突入する形体を避けるように配置されている。
【００１７】
別の形態では、ステータ及びロータヨークは一対の平行なディスクを備え、超伝導素子（複数可）はステータディスクの一面に放射状に配置され、ここで磁場発生素子は、ステータ上の超伝導素子に面する外周においてロータの一方の側に配置される円盤状の円板である。
【００１８】
少なくともいくつかの実施形態では、電流ポンプは、ロータとステータとの間のギャップを実質的に変化させることなくロータをステータに対して回転させるように動作可能な共通のキャリアを備える。
【００１９】
少なくともいくつかの実施形態では、磁場発生素子はまた、共通のキャリアによってステータに対して動くように配置されている。
【００２０】
１つの形態では、電流ポンプは、ロータの回転速度を制御する制御システムを備える。
【００２１】
少なくともいくつかの実施形態では、制御システムは、ロータとステータとの間のギャップを制御するように動作可能である。
【００２２】
１つの形態では、電流ポンプは、超伝導回路の周囲の電流を示す信号を制御システムに提供するように動作可能なセンサを備える。
【００２３】
少なくともいくつかの実施形態では、センサは、電流センサ、ホールセンサ、ＧＭＲセンサ、磁束ゲート磁力計、ＥＰＲセンサもしくはＮＭＲセンサのうちの１つ以上である。
【００２４】
少なくともいくつかの実施形態では、電流ポンプはまた、超伝導回路の部分の温度を示す信号を制御システムに提供するように動作可能な１つ以上の温度センサを備える。
【００２５】
１つの形態では、超伝導素子（複数可）は、１つ以上の高温超伝導（ＨＴＳ）材料を含む。少なくともいくつかの実施形態では、ＨＴＳ材料は、ゼロ磁場及び大気圧で７７Ｋを超える超伝導転移温度を有する。超伝導材料は、ＢｉＳｒＣａＣｕＯ、（Ｒｅ）ＢａＣｕＯ（ここで、ＲｅはＹまたはＧｄまたは他のランタノイド希土類である）、もしくは任意の他の適切な材料のうちのいずれか１つ以上を含むことができる。別の形態では、超伝導素子（複数可）は、少なくとも部分的にＭｇＢ２を含む。
【００２６】
１つの形態では、超伝導素子は、線、リボン、テープ、フィルム、もしくは任意の類似の形態を含む。好ましくは、超伝導素子の厚さは、その最も薄い寸法において約１ｍｍ未満である。より好ましくは、超伝導材料は、その最も薄い寸法において最大１００μｍの、または最も薄い寸法において１０μｍ未満の厚さを有する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、最も薄い寸法は、ロータの回転軸に垂直に向けられる。いくつかの他の実施形態では、最も薄い寸法は、ロータの回転軸に平行に向けられる。
【００２８】
少なくともいくつかの実施形態では、超伝導回路は、ロータとステータとの間のギャップで電流ポンプの磁気回路に入り、該ギャップ内で高い磁束密度を受ける。少なくともいくつかの実施形態では、超伝導回路は、ロータとステータとの間のギャップで電流ポンプの磁気回路に入り、超伝導素子の浸透磁場Ｂｐｅｎを超える磁束密度を受ける。
【００２９】
使用時には、ギャップ内の磁束密度は、ステータの周囲に配設された超伝導素子を貫通し、微視的スケールで局部的な磁束渦を形成するのに十分高いが、巨視的レベルで超伝導回路を通過する正味の輸送電流を運ぶのに十分な超伝導電流経路を排除するのに十分なほどには高くない。
【００３０】
１つの形態では、ロータ上の磁場発生素子からの磁束によって貫通される超伝導素子は、個々の素子の幅が同じ全通電容量の単一の超伝導素子の幅よりも小さくなるように、縦方向に２つ以上の素子に分割される。これは、超伝導電流ポンプ内の散逸エネルギー損失を低減するために達成される。
【００３１】
少なくともいくつかの実施形態では、強磁性ステータヨークは、超伝導回路が高磁束密度を受けることなく電流ポンプの磁気回路を出ることを可能にするように成形される。
【００３２】
少なくともいくつかの実施形態では、ステータは、超伝導回路が磁気回路を出ることができるように、強磁性ヨークを通って延びる、例えばアパーチャもしくは穴、もしくはチャネルのような少なくとも１つの開口部を含む。
【００３３】
１つの形態では、ロータ及びステータヨークは、１つ以上の強磁性金属もしくは強磁性金属を含む複合材料から製造される。
【００３４】
１つの形態では、ステータヨークは、低い磁気保磁力を有する１つ以上の強磁性金属を含む。
【００３５】
１つの形態では、ヨークは、非強磁性接着剤を使用して積層された強磁性シートのスタック、もしくは非強磁性マトリックス内に分布した強磁性材料を含む。
【００３６】
少なくともいくつかの実施形態では、ステータヨークは、磁束を超伝導素子の領域に向ける突起またはポールを含む。１つの形態では、ステータヨークは、超伝導素子の表面で受ける磁場変動の強度を最大にするために磁束を超伝導素子に向かって順次に、次に超伝導素子から離れるようにロータ上の磁場発生素子と相互作用する整列した突起を含む。
【００３７】
少なくともいくつかの実施形態では、クライオスタット冷凍システムは、蒸発潜熱及び／または熱機械式冷凍機によって冷却するように動作可能な液体冷媒である。熱機械式冷凍機は、ＧＭ、スターリング、もしくはパルスチューブ冷凍機の１つである。
【００３８】
クライオスタット壁は、真空、多層断熱材及び／または冷却された熱シールドのうちの少なくとも１つから選択された断熱材を含む。少なくともいくつかの実施形態では、ロータとステータとの間に配設されたクライオスタット壁は、ガラス繊維複合材料、ステンレス鋼及び／または薄い及び／またはスリット状の多層箔の１つ以上のような低導電率材料を含む。
【００３９】
別の形態では、超伝導回路は、発電機またはモータのロータ上に位置し、回転クライオスタット内に収容されたコイルを備え、電流ポンプロータは、回転するクライオスタットの外側に位置し、発電機またはモータのロータと同じ軸の周囲に回転する。少なくともいくつかの実施形態では、電流ポンプステータ及び電流ポンプロータは、回転クライオスタットの回転軸と同じ軸の周囲で相互に回転する。少なくともいくつかの実施形態では、回転クライオスタット内に収容された超伝導コイルは、発電機もしくはモータのロータコイルを形成する。
【００４０】
１つの形態では、超伝導素子は、個々の素子の幅が同じ全通電容量を有する単一の超伝導素子の幅よりも小さくなるように、縦方向に２つ以上の素子に分割される。少なくともいくつかの実施形態では、磁気回路を通過する超伝導素子の領域は、超伝導素子を縞状にすることによって形成された２つ以上の縦方向区分に分割される。
【００４１】
上述したように、本発明の超伝導電流ポンプは、極低温容器の外部のロータと極低温容器内のステータとを備える。ロータ及びステータは、極低温容器の断熱壁が通過するギャップによって分離される。ロータは、１つ以上の磁場発生素子を含み、ロータ及びステータは、磁束がステータに関連付けられる超伝導回路の１つ以上の超伝導素子（複数可）を貫通するようにロータとステータとの間のギャップを、及び壁を通り横切って磁束を磁気回路に集中させるため少なくとも部分的に強磁性材料を含む。極低温容器の外部のロータの相対運動は、極低温容器内の超伝導回路の周囲を流れるＤＣ輸送電流を誘導する。本発明の利点は、下記を含むことができる。
・クライオスタットへの熱漏れの経路を導入する可能性があり、ひいては熱負荷を増加させ、したがって低温部品を極低温容器内で必要な低動作温度で維持し、必要な冷却出力を増加させるために、極低温容器の外部の駆動モータと内部ロータとの間の結合はないことである。極低温容器への熱漏れは、液体冷媒の沸騰速度を増加させるか、または熱機械式冷凍機のコスト、サイズ及び電力消費を増加させる。
・クライオスタット内には、乱流を引き起こし、液体冷媒の蒸発速度を上昇させる可動部分がない。
・回転部品または軸受け用の潤滑剤を極低温で確実に動作させるようサポートする極低温容器内の軸受けの必要がない。
・一般に、極低温容器内に可動部分がないことは、クライオスタット内の可動部分の極めて高い信頼性に対する一般的な要件を取り除く。故障部品の修理のためのクライオスタットの分解は、磁石のウォームアップと真空シールの破壊を必要とする。これは、通常、複雑で時間がかかり、高コストな作業である。
【００４２】
回転超伝導電流ポンプは、磁束渦がＨＴＳ材料内に形成されるよう超伝導回路内のＨＴＳ材料の領域に磁場を周期的に印加する必要がある。磁束渦は、超伝導回路の周囲で駆動される正味の電流の所望の方向に垂直な方向にＨＴＳ材料を完全に貫通しなければならない。完全な磁束の浸透が生じる最低限の磁場強度が存在し、この最小浸透磁場を本明細書ではＢｐｅｎと呼ぶ。
【００４３】
浸透磁束渦は、生成した磁場の移動方向に磁束渦を引きずるようにＨＴＳ材料に対して生成した不均一磁場を移動させることによって、ＨＴＳ材料を通して移動させることができる。回転超伝導電流ポンプでは、これは、ロータ上の磁気素子からの磁束が超伝導回路の１つ以上の部分を通過し、生成磁場がＢｐｅｎを超えるように超伝導体表面の高磁束密度の移動領域を周期的に生成するよう磁気素子を含むロータをステータに対して回転させることにより達成される。ＨＴＳ材料を通る磁束渦の正味の運動は、超伝導コイルを含むことができる超伝導回路の周囲に正味の電流を駆動し、維持する超伝導回路の部分にわたって誘導されたＥＭＦをもたらす。
【００４４】
本明細書に記載の回転超伝導電流ポンプの動作のためには、超伝導素子で印加される磁場は、超伝導回路の消失を防止するために、ＨＴＳ材料の上側臨界磁場Ｂｃ２より小さくなければならない。上側臨界磁場Ｂｃ２は、タイプＩＩ超伝導体が超伝導挙動を示す最大生成磁場である。
【００４５】
概略として、本発明はまた、少なくとも１つの超伝導コイルと１つ以上の超伝導素子とを備える超伝導回路を超伝導転移温度もしくはそれ以下に維持するために極低温容器内に取り付けられた該超伝導回路と、該超伝導回路を励磁するように配置された上記のような超伝導電流ポンプとを備える超伝導システムを備える。
【００４６】
超伝導回路は、超伝導材料の部分間に１つ以上の常伝導接合のような１つ以上の非超伝導部分を含むことができる。本明細書において、「ＨＴＳ」材料という用語は、Ｔｃ＞７７Ｋ（ゼロ磁場及び大気圧で）を有するＩＩ型超伝導材料の両方を指し、そしてＭｇＢ２（実質的により低い約３９ＫのＴｃを有する）も指す。
【００４７】
ＨＴＳ線は、ＨＴＳ材料の１つ以上の連続した長さが含まれる線またはリボンまたはテープの長さを指す。現在商業的に製造されているＨＴＳ線の例としては、Ｓｕｐｅｒｐｏｗｅｒ  Ｉｎｃ．及びＦｕｊｉｋｕｒａ  Ｌｔｄ．によって製造された被覆導線を含む。他の多くの製造業者も被覆ＨＴＳ導電線を供給する。コーティングされたＨＴＳ導線は、１つ以上のセラミック薄膜の積層された一組が堆積される金属リボン基板を含む。薄膜の積層は、ＨＴＳ材料（ＹＢａＣｕＯまたはＧｄＢａＣｕＯなど）の薄膜層（厚さ＜１０ｕｍ）を含み、金属リボン基板上に堆積され、積層構造全体が金属コーティング材料の１つ以上の層内に封入される。典型的には、被覆導線は約１００μｍの厚さであり、１００ｍを超える連続長で製造することができる。今日生産されているＨＴＳ線の別の例は、Ｓｕｍｉｔｏｍｏが製造するＢＳＣＣＯ線である。ＢＳＣＣＯ線は、長方形の断面を有する長い線を形成するよう銀マトリックス内に封入されたＢＳＣＣＯ  ＨＴＳ材料の複数の細糸を含む。ＭｇＢ２線材の例は、Ｃｏｌｕｍｂｕｓ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ＳｐＡによって製造される。
【００４８】
超伝導特性を維持するためには、超伝導回路は低温で動作されなければならない。物質が超伝導特性を有する温度は臨界温度Ｔｃとして知られている。典型的には、臨界温度以下に動作を維持するために、超伝導回路はクライオスタットの内部に配置される。クライオスタットは、外部源から超伝導構成部品及びそれらの支持構造（「コールドマス」）への熱の流れを妨げる１つ以上の断熱壁または境界を含む。残留熱流束は、冷却電力源によってバランスされ、したがって、コールドマスを一定温度に維持する。冷却電力源は、蒸発によって熱を吸収する極低温流体及び／またはＧｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ、ＳｔｉｒｌｉｎｇまたはＰｕｌｓｅ  Ｔｕｂｅ冷凍機のような熱機械式冷凍機であってもよい。熱の流れを導くためコールドマスと冷蔵庫との間に熱伝導性構成素子が配設されて、冷却マニホールドを形成する。
【００４９】
本明細書で用いられたように、
・名詞の後の「（複数可）」は、名詞の複数形及び／または単数形を意味する。
・「及び／または」は、「及び」もしくは「または」またはその両方を意味する。
・「含む」は、「少なくとも一部分からなる」を意味する。本明細書において、その用語を含む文を解釈する場合、各用語またはクレームにその用語が先行する特徴はすべて存在する必要があるが、他の特徴も存在し得る。「含み」及び「含んで」などの関連用語も同様に解釈されるべきである。
・「ロータ」、「極低温容器の外部」及び超伝導回路内で誘導される「ＤＣ電流」及び「ＤＣ輸送電流」は、後で言及する意味を有する。
【発明の効果】
【００５０】
本発明の目的は、既知の超伝導磁束ポンプと、電磁コイルを含む超伝導回路への応用を改善し、もしくは少なくとも公共に有用な選択肢を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
本発明は、ここで単なる例として、そして次の図面を参照してさらに説明される。
【００５２】
【図１ａ】それぞれ、クライオスタット内の超伝導回路に電流を注入するための従来技術の構成を概略的に示す。
【図１ｂ】それぞれ、クライオスタット内の超伝導回路に電流を注入するための従来技術の構成を概略的に示す。
【図１ｃ】本発明によるクライオスタット内の超伝導回路に電流をポンピングするための構成を概略的に示す。
【図２ａ】磁気双極子からの磁束線が超伝導材料の平面片に対してどのようにずれているかを示している。
【図２ｂ】磁気双極子からの磁束線が超伝導材料の平面片に対してどのようにずれているかを示している。
【図２ｃ】磁気双極子からの磁束線が超伝導材料の平面片に対してどのようにずれているかを示している。
【図３】本発明の超伝導磁束ポンプの一実施形態をより詳細に示す。
【図４】軸方向磁束超伝導電流ポンプの実施形態の一部の断面図である。
【図５ａ】図４の軸方向磁束超伝導電流ポンプのステータヨークを示す。
【図５ｂ】図４の軸方向磁束超伝導電流ポンプのステータヨーク内のアパーチャ周囲の磁束線分布の拡大図である。
【図６ａ】軸方向磁束超伝導電流ポンプの一実施形態の概略図である。
【図６ｂ】図６ａの線Ｉ−Ｉに沿った図６ａの軸方向磁束超伝導電流ポンプの断面図である。
【図７】軸方向磁束超伝導電流ポンプの別の実施形態の概略図である。
【図８】軸方向磁束超伝導電流ポンプのさらなる実施形態の概略図である。
【図９ａ】発電機またはモータの超伝導ロータコイルを励磁するために発電機またはモータ内に同軸に組み込まれた軸方向磁束超伝導電流ポンプの一実施形態の長尺断面図である。
【図９ｂ】図１３ａの組み込み型超伝導電流ポンプ及び発電機もしくはモータの一部の拡大図である。
【図１０】本発明の軸方向磁束超伝導電流ポンプの出力電流対時間のプロットである。
【図１１】本発明の軸方向磁束超伝導電流ポンプの出力電圧対時間のプロットである。
【図１２】ロータとステータとの間の軸方向のギャップの関数としての本発明の軸方向磁束電流ポンプの初期出力電圧のプロットである。
【図１３】超伝導電流ポンプの３つの異なる設計からの誘導電流のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１ａは、クライオスタット１０３内に収容された電磁コイル１０５を含む従来技術の超伝導回路２０を概略的に示す。動作中、断熱壁３０を含むクライオスタット１０３は、内部温度を超伝導回路の内部の超伝導素子の超伝導遷移温度で、もしくはそれ以下に維持する。超伝導回路２０は、クライオスタット壁３０を貫通する通常の導電性電流リード３を使用することによって回路に電流を注入する外部電流源を用いて励磁される。
【００５４】
図１ｂは、クライオスタット１０３内に収容された電磁コイル１０５を含む別の従来技術の超伝導回路２０を概略的に示す。超伝導回路２０は、クライオスタット容器１０３内に位置するロータ１１を備える回転磁束ポンプを用いて励磁される。ロータ１１への駆動シャフト６がクライオスタット壁３０を貫通する。
【００５５】
図１ｃは、本発明の超伝導電流ポンプによって励磁されるクライオスタット１０３内に収容された電磁コイル１０５を含む超伝導回路２０を概略的に示す。超伝導電流ポンプは、極低温容器１０３の外側のロータ１１と、容器内のステータ２１とを含む。電気モータ及びモータ制御装置のようなロータを回転させるための手段（図示せず）も極低温容器１０３の外側にある。極低温容器の断熱容器壁はロータとステータとの間を通過する。ロータは、１つ以上の磁場発生素子を備え、ロータ及びステータは、極低温容器内の該ステータに対する極低温容器の外部のロータの相対的な動きが、極低温容器内の超伝導回路の周囲にＤＣ輸送電流を流すよう誘導し、磁束が該ステータに関連付けられる超伝導回路の１つ以上の超伝導素子（複数可）を貫通するように、少なくとも部分的に該磁束をロータとステータとの間のギャップを横切ってかつ壁を通り磁気回路に集中させるための強磁性材料を備える。電流は、図１ａ及び図１ｂのように電流リード３もしくは駆動シャフト６によってクライオスタット壁３０を貫通することなく超伝導回路２０に注入される。
【００５６】
図３は、本発明の超伝導磁束ポンプの一実施形態をより詳細に示す図であり、図４は、電流ポンプの一部の断面図であり、図５は、電流ポンプのステータヨークを示し、図５ｂは、使用時のステータヨーク内の出口アパーチャ周囲の磁束線の分布の拡大図である。超伝導電流ポンプは、クライオスタット１０３内に収納された超伝導回路２０を励磁するために使用される。図示された実施形態では、超伝導回路２０は、超伝導コイル１０５と、ステータヨークの周囲もしくは中に部分的に配設された１つ以上の超伝導素子２０１とを含む。超伝導コイル１０５及び１つ以上の超伝導素子２０１は、通常の導電性接合部（図示せず）によって接合することができる。
【００５７】
本発明によれば、電流ポンプは、少なくともロータ１１及びステータ２１を含み、それぞれが、極低温容器１０３の壁３０を通り伸長するギャップ１０６によって分離された強磁性ヨーク１５を少なくとも部分的に含む。ギャップの大きさは、ロータの磁場発生素子とステータの超伝導素子との間の距離の最小である。１つの形態では、ギャップ１０６は、約２〜３０ｍｍの範囲にあり、もしくは約６ｍｍより大きく、１０ｍｍより大きく、もしくは１５ｍｍより大きい。別の形態では、ギャップは約３０ｍｍを超える。
【００５８】
電流ポンプは、ギャップ１０６を横切ってステータ２１に関連付けられる超伝導素子２０１を貫通する磁束を提供するようロータ１１により担持される１つ以上の磁場発生素子１２を含む。ロータ１１の一対の強磁性ヨーク１５及びステータ２１は、ギャップ１０６を横切り、超伝導素子２０１を貫通し、その後再度超伝導回路を貫通することなくロータヨーク１５に戻るよう磁場発生素子１２で発生した磁束の通路を提供する低磁気抵抗の磁気回路を共に形成する。
【００５９】
図３に示すように、超伝導素子２０１は、磁場発生素子１２によって提供される集束磁束線にさらされたロータ１１とステータ２１との間のギャップ１０６を通過する。示された実施形態では、超伝導素子２０１は、先ずステータ２１の周縁部からギャップ１０６に入り、ステータヨーク１５内に形成された出口開口部２３を介してギャップ１０６から離れる。これにより、超伝導素子２０１は、ロータ及びステータロータの磁場発生素子１２及び２２の間を別の方向ではない１つの方向に通過する。出口開口部もしくはアパーチャ２３は、超伝導素子２０１が低い対向磁場もしくは対向磁場のない状態でステータを出ることを可能にする、より高い磁気抵抗領域を含む。その後、別の開口部２３を通過してギャップ１０６をステータ２１の対向端部から離した後にギャップ１０６に再び入る。別の実施形態では、超伝導素子２０１はギャップ１０６に１回だけもしくは複数回出入りする。一実施形態では、ステータヨーク１５は、磁場発生素子１２ａ及び１２ｂに対向して位置する磁束集中強磁性突出部もしくは磁極２２ａ及び２２ｂを含む。
【００６０】
ロータ１１は、電動モータ１３によって駆動される。磁場発生素子１２がステータ２１の強磁性突起を通過するとき、超伝導素子２０１の表面で印加される磁束は、超伝導体の磁束浸透に必要とされる最小印加磁場であるＢｐｅｎより大きい。磁場発生素子１２が超伝導素子２０１に対して動くと、磁束渦は超伝導素子２０１の一方の側に入り、続いて対向側から出る。これにより、超伝導素子２０１を横切る磁束線の正味の流れが生じ、正味の電流（依然としてその上に幾らかのリップルを有する可能性がある）が超伝導回路２０の周囲にポンピングされ、それによって超伝導コイルが励磁される。
【００６１】
上述したように、ロータ１１、駆動モータ１３、及び関連するモータ制御装置は、極低温容器の外側に位置する。必要な分離は、ステータとロータとの間の分離を横切って磁束線を導く低磁気抵抗の磁気回路を共同して形成するステータとロータにおける強磁性鉄ヨークを組み込むことによって達成される。これは、図２ａ〜図２ｃ及び図４を参照してさらに説明される。
【００６２】
図２ａ〜図２ｃは、タイプＩＩの超伝導体の永久磁石と薄いストリップの３つの異なる構成を示す。図２ａにおいて、永久磁石８は、印加された磁場が磁束線１０が超伝導体９を完全に貫通するのに必要な磁場であるＢｐｅｎよりも大きくなるように超伝導体９の表面に近接して配置される。この構成では、磁束線が超伝導体材料を介して引きずられるよう永久磁石を超伝導体の表面に沿って移動させることにより、超伝導体９に正味の電流を誘導することができる。ｄ１は永久磁石８と超伝導体９との間の軸方向変位を示す。
【００６３】
図２ｂにおいて、永久磁石８と超伝導体９との間の軸方向変位は、ｄ２によって示され、図２ａにおけるｄ１より大きい。その結果、超伝導体表面に垂直な磁場はＢｐｅｎよりも小さく、磁束線１０は超伝導体９から放出される。この構成では、磁束線が超伝導体材料を通り引き出されないため超伝導体を通る正味の電流を誘導することは不可能である。
【００６４】
図２ｃでは、永久磁石８と超伝導体ストリップとの間の分離は図２ｂと同じであるが、強磁性鉄ヨーク１５は、超伝導体ストリップを通過する低減された磁気抵抗の磁気回路を形成するように配置される。鉄ヨーク１５が存在すると、超伝導体表面に磁束が集中し、局所的な磁場強度がＢｐｅｎよりも大きくなる。この構成では、磁束線を超伝導体材料に移動させるように永久磁石８を超伝導体９の表面を横切って移動させることによって超伝導体９に正味の電流を誘導することもやはり可能である。
【００６５】
図４は、軸方向磁束超伝導電流ポンプの実施形態の一部の断面を示す。ロータ１１は、モータ１３によって駆動され軸線１４を中心に回転し、磁場発生素子１２をステータ２１を越えて掃引し、超伝導素子２０１を横切る磁束線を駆動し、超伝導回路２０の周囲を流れる電流を駆動する。
【００６６】
ロータ１１は、強磁性ヨーク１５と、強磁性ヨーク１５上に担持された１つ以上の磁場発生素子１２とを含む。磁場発生素子１２からクライオスタット壁３０を通ってステータ２１へと延び、その後クライオスタット壁３０を通ってロータ１１へ戻る連続磁束経路４０が１対の強磁性ヨーク１５によって形成される。一実施形態では、ステータ２１の強磁性ヨークは、ロータ１１がステータ２１に対して回転する際に磁場発生素子１２に直接対向する１つ以上の突出部２２を含む。超伝導回路２０の少なくとも一部、例えば超伝導素子２０１は、強磁性ヨーク１５の突出部２２上に配置される。ステータ２１の強磁性突出部２２は、ロータ１１及びステータ２１間に形成された磁束経路４０に集束作用を有し、このような突出部２２がない平面的な強磁性ヨーク形状の場合に比べて、超伝導素子２０１の表面における磁場強度が増加する。
【００６７】
ロータ１１及びステータ２１における強磁性ヨーク１５は、鉄材料もしくは少なくとも保磁力が低く残留磁場の低い強磁性材料であることが好ましい。１つの形態では、強磁性ヨーク１５は、強磁性材料と非強磁性材料の両方を含む複合材料から形成される。例えば、ヨークを、渦電流損失を最小にするために非強磁性絶縁シートで挟まれた強磁性金属の積層シートから形成することができる。別の例では、強磁性ヨークは、非強磁性マトリックス材料内に埋め込まれた強磁性金属素子から形成される。強磁性ヨークは、ロータ磁場発生素子１２が超伝導素子２０１を通過する際に、ステータ２１の周囲に配設された超伝導素子２０１の表面に磁束を集中させる。ステータ内の強磁性ヨークはまた、磁束密度の変動の全振幅が、超伝導素子２０１を通過する各磁場発生素子１２に対して最大になることを保証する。示された実施形態では、ステータヨーク１５は、超伝導回路２０及びクライオスタット１０３に対し静止している。ロータヨークは、これらの素子に対して回転する。
【００６８】
１つの形態では、超伝導素子２０１は、高温超伝導素子または低温超伝導素子、例えばＨＴＳまたはＬＴＳ線、テープなどである。ステータ２１上の超伝導素子２０１としてのＨＴＳ素子の使用は、ＬＴＳ超伝導回路と比較して高温での動作を可能にする。より高い温度では、導体はより大きな熱容量を有し、実質的に増加した熱負荷の存在下で超伝導挙動を維持することを可能にする。増大した熱負荷公差は、ステータの近傍におけるクライオスタットの絶縁、厚さまたは種類の低減を可能にする。例えば、実験的検証は、約１０〜１５ｍｍの範囲の絶縁厚さが、全最大電流３００Ａでポンピングしながらステータ温度を約５０〜７７Ｋに維持するための適切な断熱を提供することを示している。
【００６９】
試験及び電磁気モデリングは、電流が、ＨＴＳ超伝導素子２０１と磁場発生素子１２との間に１５ｍｍを超えるギャップを有する本発明の超伝導電流ポンプを用いて、超伝導ＨＴＳコイル１０５及び正常に導通する接合部を含む超伝導ＨＴＳ回路２０の周囲にポンピングされ得ることを示す。これは、ＨＴＳ超伝導素子２０１に周期的に印加される最大磁場強度が磁束の浸透に必要な最小磁場、Ｂｐｅｎよりも高くなることを保証にするために、ロータ及びステータ上の強磁性ヨークの間に形成された磁気回路の設計によって達成される。
【００７０】
１つの形態では、ステータ２１とロータ１５との間の磁束ギャップ１０６領域内に配置されるクライオスタット壁３０は、非強磁性材料を含み、好ましい実施形態では、金属材料を含まない。いくつかの実施形態では、クライオスタット壁３０は、クライオスタット壁内の多層絶縁（ＭＬＩ）素子の一部としての薄い金属シートを含むことができる。
【００７１】
上述したように、ステータ２１内の強磁性ヨーク１５は、超伝導回路２０を磁束ポンプのステータ領域から出させるために磁束に対する高い磁気抵抗の領域を含むことができる。高い磁気抵抗の領域は、図３〜図５に示されたアパーチャ２３、もしくはステータヨーク１５を貫通するその他の類似の形態のような開口部であってもよい。アパーチャ２３は、ヨーク１５内の周囲の強磁性体と比較して磁束に対して高い磁気抵抗を示す。ヨーク１５内の強磁性材料は、ロータとの間に形成された磁気回路の戻り経路を形成し、アパーチャ２３は、超伝導回路のこの部分を貫く磁束なしに、超伝導回路２０が、磁気回路のステータ領域を出ることができる磁束密度の低い領域を提供する。
【００７２】
図５ｂは、ステータヨーク内のアパーチャ２３のまわりの磁束線の分布の拡大図であり、特に、ステータ２１内の磁束経路４０がアパーチャ２３を迂回することを示している。アパーチャ内の磁束は弱く、好ましくは超伝導体Ｂｐｅｎの磁束浸透の臨界電場よりも低い。このように、アパーチャ２３は、さもなければ回転磁場発生素子１２の作用に対抗するであろうｅｍｆを誘導するのに十分なほど強い移動磁束の領域を受けることなく、超伝導回路２０が磁気回路から効率的に通過できる有効な経路を提供する。
【００７３】
いくつかの実施形態では、超伝導回路２０の一部を形成する超伝導素子２０１は、超伝導ＨＴＳ材料と非超伝導材料の両方を含む複合構造を有する。好ましくは、ＨＴＳ超伝導素子内のＨＴＳ材料は、印加された磁束線に平行な方向に寸法的に薄いフィルムであり、その結果、超伝導素子の対向面から出現するように、ロータからの少なくともいくつかの磁束が超伝導素子を周期的に貫通する。いくつかの実施形態では、超伝導素子２０１は、薄い方向の軸がステータヨーク突起２２の表面における磁束の方向と平行になるように配向された被覆導体ＨＴＳ線である。いくつかの実施形態では、超伝導素子２０１は、ＨＴＳ線またはＨＴＳテープの２つ以上の層を含んでもよい。いくつかの実施形態では、超伝導素子２０１は、少なくとも部分的に、磁場発生素子からの磁束によって貫通される個々の超伝導素子の幅を減少させるように、２つ以上の縦方向区分にさらに分割されてもよい。
【００７４】
いくつかの実施形態では、磁場発生素子１２は、少なくとも１つ以上の高保磁力永久磁石を含む。例えば、ＮｄＦｅＢ等の希土類系磁石を使用することができる。
【００７５】
図６ａ及び図６ｂは、軸方向磁束超伝導電流ポンプ１０及び超伝導回路２０の一部分の実施形態を示している。前述のように、電流ポンプは、ステータ２１に面したロータ１１の表面に複数の磁場発生素子１２が位置する鉄ロータ１１を備える。磁場素子１２は、１つ以上の永久磁石、電磁石、もしくはそれらの組み合わせを含むことができる。鉄ロータ１１は、クライオスタット１０３（図６ａには図示せず、図６ｂに示すクライオスタット壁３０）の外側に配置されている。クライオスタット１０３の内部には強磁性体のステータ２１が配置されている。クライオスタットの絶縁壁３０は、ギャップ１０６内のステータ２１とロータ１１との間に位置している。ロータ１１とステータ２１内の一対の強磁性ヨーク１５は、ステータ２１とロータ１１との間のギャップ１０６内の磁束密度を導き、増加させるよう働く。磁気回路は、ロータ１１とステータ２１の軸中心方向に位置する低磁気抵抗ギャップを横切って逆流することによって完成する。
【００７６】
１つ以上の超伝導素子２０１、例えばＨＴＳ線は、ステータ２１によって担持され、クライオスタット１０３内の超伝導回路２０の一部を形成する。ＨＴＳステータ線は、ロータ１１とステータ２１との間のギャップ１０６を通過し、ロータ１１とステータ２１によって形成される磁気回路に入る。ＨＴＳステータ線は、ステータ内の低磁束密度の領域を介して磁気回路から離れる。低磁束密度の領域は、強磁性ステータ２１の外縁に位置するか、もしくはステータ２１の強磁性体のアパーチャ２３などの開口部によって形成されてもよい。いくつかの実施形態では、ステータ２１は、超伝導素子２０１の表面における最大磁束密度をさらに増加させるフィールド集束強磁性突起２２を含む。ＨＴＳステータ線表面の磁場密度が浸透磁場Ｂｐｅｎよりも高い場合、ロータ１１の運動は、超伝導素子２０１を横切って移動するよう磁束渦を駆動し、電流を超伝導回路２０の周囲に流す。
【００７７】
超伝導電流ポンプを用いて超伝導コイルもしくはマグネットを励磁する場合、超伝導回路２０における電流の増加率を変えることが望ましい場合がある。これは、所望の電流に達するまで超伝導回路２０を横切るｅｍｆを増加させるようモータ１３の運転速度を上げることによって、次いで電流を一定レベルに維持するようにモータ１３の速度を低下させることによって、ロータ１１の回転速度を変えて達成することができ、そして超伝導回路の抵抗性接合部などの要因によるエネルギーの散逸及び超伝導ＨＴＳステータ線内の磁束運動のような他の散逸的損失を補償する。
【００７８】
いくつかの実施形態では、モータ１３の回転速度は、閉ループ制御によって制御され、ポンプ電流を所望のレベルに維持する。これに加えて、もしくはその代わりに、ギャップ１０６内の磁束密度を減少させるために電流が増加し、超伝導回路を横切る誘導電圧が減少すると、回転磁石１２をステータ２１からさらに遠ざけるようロータ１１を軸方向に移動させることができる。これはまた、磁束摩擦及び他の散逸効果によるＨＴＳステータ線２０１内のエネルギー損失を低減する。この方法は、軸方向ギャップを最適化できるように、電流ポンプの構成を必要条件に従って調整することを可能にする。例えば、開回路電圧を最大にするか、もしくは電流ポンプの「実効内部抵抗」を最小にすることができる。
【００７９】
超伝導回路２０は、超伝導回路２０の温度を所定の動作温度以下、特に超伝導回路の超伝導転移温度以下に維持するように動作するクライオスタット１０３内に収容される。超伝導回路の種々の部分の温度は、極低温冷却システムと超伝導回路と電流ポンプステータ２１との間の熱的接続を提供する冷却マニホールドの設計によって制御することができる。例えば、超伝導電流ポンプ内のＨＴＳステータ線のような超伝導素子は、電流ポンプによって励磁される超伝導コイル１０５もしくは磁石がよりも温度が高いことが望ましい。この手法は、ＨＴＳステータ線内の磁束摩擦を低減し、したがって、ロータ１１を動かすのに必要なトルクを低減する。
【００８０】
図７は、図６と同様の軸方向磁束超伝導電流ポンプの別の実施形態を示しているが、接続された超伝導回路２０を横切るｅｍｆパルス最大値を増加させるように直列に接続された磁気回路に繰り返し出入りする超伝導回路２０を有することが異なる。
【００８１】
図８は、接続された超伝導回路２０の周囲にポンピングされ得る全最大電流を増加させるようステータ２１の周囲に配設された複数の並列回路構成に超伝導回路２０を配置することが図６及び図７のものとは異なる軸方向磁束超伝導電流ポンプのさらなる実施形態を示している。図８の実施形態では、ステータ２１は、超伝導素子２０１の間に配置された追加の強磁性突起２２ｃを含む。これらの追加の突起２２ｃは、ロータ１１上の磁場発生素子１２がステータ２１に対して動くときのように、超伝導体表面上の磁場変動の振幅を最大にするように動作する。これは、先ず磁場素子１２がＨＴＳ超伝導素子２０１に最も接近して通過するとき磁束線が超伝導素子２０１内に集束され、続いて磁石が超伝導素子２０１の間に位置する強磁性突出部２２ｃに最も接近して回転するとき磁束線がＨＴＳ超伝導素子２０１から離れるように集束されるような反復動作によって達成される。これらの追加の突出強磁性歯２２ｃは、次の磁束線が超伝導素子２０１に入る前に超伝導素子２０１を出る磁束渦の数を最大にする。
【００８２】
別の実施形態は、図６、図７及び図８に示されているような軸方向磁束電流ポンプと同様にもしくはそれに代えて、径方向磁束ポンプを含む。例えば、その全体の参照により本明細書に組み込まれたＷＯ２０１２／０１８２６５は、磁束ポンプ及び超伝導体回路構成体を示す。
【００８３】
図９ａは、発電機もしくはモータの超伝導ロータコイルを励磁するために、発電機もしくはモータ内に同軸に組み込まれた軸方向磁束超伝導電流ポンプの実施形態の縦断面図であり、図９ｂは、図１３ａの組み込み型超伝導電流ポンプ及び発電機もしくはモータの一部の拡大図である。発電機１３もしくは電気モータは、ステータ本体２１ａ及びロータ１１ａを備える。発電機ロータは、超伝導電流ポンプ１０のステータ２１を通過する部分２０１を含む超伝導回路内に接続された１つ以上の超伝導ロータコイル１０５ａを含む回転クライオスタット１０３を備える。超伝導電流ポンプ１０のロータ１１は、回転クライオスタット１０３の外側に位置し、発電機／モータのロータ１１ａと同軸に配置されている。電流ポンプのロータ１１は、発電機のロータ１１ａに対して共回転方向もしくは逆回転方向に回転する。電流は超伝導回路２０の周囲にポンピングされ、発電機１３もしくはモータの超伝導ロータコイル１０５ａを励磁する。この実施形態は、回転クライオスタットを備え、回転クライオスタットの外側のロータは、回転クライオスタット内のステータに対して動く。ステータ及びロータは、回転クライオスタットと共に共通の回転軸の周囲で相互に回転する。
【００８４】
この実施形態における本発明を適用することは、回転クライオスタットの壁を貫通する電流リード、及び静止した基準フレームから回転ロータコイルへと励磁電流を伝達するために通常必要とされる回転電気接触もしくはブラシレスコンバータ技術の必要性を除去する。
【００８５】
いくつかの実施形態では、電流ポンプのロータと電流ポンプのステータとの間のギャップを増減するために、超伝導電流ポンプのロータを回転軸に沿って移動させることができる。これは、軸ギャップを最適化できるように、電流ポンプの構成を必要条件に従って調整することを可能にする。例えば、この手法は、開回路電圧を最大にすることができ、もしくは電流ポンプの「有効内部抵抗」を最小限にすることができる。
【００８６】
上述したように、本発明によれば、クライオスタットの絶縁効率及び、回転磁束ポンプを使用したシステムの信頼性及びメンテナンス性を向上させることができる。本発明は、超伝導電流ポンプのロータ及びステータを物理的に分離し、熱障壁もしくは絶縁壁がロータとステータとの間のギャップに配置される。少なくともいくつかの実施形態では、成形された強磁性ヨークは、ロータとステータとの間のギャップ内の磁束密度を増加させ、したがって、クライオスタットの絶縁壁を収容するためにギャップを広げることによって生じる磁束密度の低下を補償する。本発明の超伝導電流ポンプは、さもなければ回転クライオスタットの壁を貫通する電流リードの必要性を除去する。電流ポンプはまた、静止した基準フレームから回転するロータコイルに励磁電流を伝達するために通常必要とされる回転電気接点もしくはブラシレスコンバータ技術の必要性を除去する。特に、ロータとロータを回転させる手段、モータとロータとの間の接続部及びすべての軸受けは、クライオスタットの外部に及び周囲温度で位置する。その結果、有利には、従来の軸受けをすべての可動部分に使用することができる。さらに、可動部分の保守及び修理は、接続されているポンプもしくは磁石の低温部品を暖める必要がない簡単な工程になる。
【００８７】
本発明の別の実装形態では、極低温容器の外側に位置する電流ポンプのロータすなわち可動部分は、回転につれて動くことはできないが、直線的もしくは半直線的に反復して（単方向で）移動することができ、また特許請求の範囲を含む本明細書の「ロータ」は、それに応じて理解される。
【００８８】
また、ロータが極低温容器の外部に位置し、ステータが極低温容器内に位置する間、ロータは、ステータ容器の温度と周囲環境温度との間の温度に維持される関連付けられる容器内に位置し、「極低温容器の外部」という用語もまた、それに応じて理解されるべきである。
【００８９】
＜実験＞
図１０、図１１及び図１２は、超伝導電流ポンプが超伝導コイルを含む超伝導回路に接続されている、本発明による超伝導電流ポンプの実施例の性能を特徴付ける実験結果を示す。この場合、使用された超伝導電流ポンプは、図６に示されている軸方向磁束タイプのものであり、ロータ本体とステータ本体の両方を強磁性鉄から製造した。ロータは、寸法が１／２インチ×１／２インチ×１／２インチの等間隔の９つのＮｄＦｅＢ磁石からなる。ステータと超伝導回路を７７Ｋで動作した。ステータは、ステータとロータとの間に形成された磁気回路を一度通過した単一の被覆導電性ＹＢＣＯ線を含んでいた。超伝導回路は、略５７ＡのコイルＩｃ及び２．７ｍＨのインダクタンスを示すＨＴＳ線から巻かれたコイルを含んでいた。超伝導コイルは、通常の導電性金属はんだ接合を使用してステータから超伝導ＹＢＣＯ線に接続された。はんだ接合部は、約１μΩの全直列抵抗を有する回路の通常の導電部分を形成した。各実験は、ｔ≦０で超伝導回路に電流が流れず、現在のポンプロータが静止するように初期化された。ｔ＝０において、現在のポンプロータは静止状態から加速され、ステータにおける磁場変動の周波数は、所望の定常状態周波数に達するまで１２．７Ｈｚ／ｓの速度で増加した。
【００９０】
図９は、軸方向磁束超伝導電流ポンプの一実施形態を使用して行われる一連の実験の実行に対する超伝導回路内の電流対時間のグラフを示す。ロータとステータとの間の軸方向のギャップの値は、各実験の実行の前に固定され、異なる値の軸方向のギャップを使用する一連の実行のために得られたデータが示されている。それぞれの場合において、ロータは、ロータ磁石が超伝導線を通過する周波数が静止から４８Ｈｚに達するまで、安定して加速された。この周波数は、各実行の残りの間一定に保たれた。超伝導回路の初期電流はゼロに設定した。超伝導回路内の電流は最初に増加することがわかる。これは、超伝導回路内の超伝導コイルの誘導インピーダンスに打ち勝つように作用する電流ポンプのｅｍｆの結果である。この構成で電流ポンプから得られる回路開放電圧がより大きいため、軸方向ギャップが小さい場合、電流の増加率がより急激に生じる。超伝導回路内の電流は、軸方向のギャップの大きさによって異なる固定された最大電流値Ｉｓａｔで飽和する。Ｉｓａｔの値は、超伝導電流ポンプ内に誘導される電圧が、超伝導回路における損失に起因するエネルギー散逸に打ち勝つために必要な電圧に等しい点によって決定される。超伝導回路内のエネルギー散逸は、通常の導電性接合部の抵抗による損失と電流ポンプステータを通過する超伝導回路の一部を含む回路の超伝導材料内の磁束密度を変動させる電流と時間の相互作用による損失を含む。
【００９１】
図１１は、電流ポンプステータ内にある超伝導回路の部分にわたって測定された電圧のグラフを示す。これは時間の関数としてプロットされている。測定された電圧データは、０．１秒の積分時間を使用して得られた平均値である。実質的に短い積分時間を使用してデータを得る場合、測定された電圧は、ロータ上の個々の磁石が超伝導ステータ線上を通過するときに発生する時変ｅｍｆによる電流ポンプの動作周波数においてパルスを示すことは注意するべきである。このパルス効果は、コイルインダクタンスの影響によって、及び個々のパルスの周期よりも実質的に長い測定積分時間を使用することによって「平均化」される。測定された出力電圧は、ロータが最初にその動作速度まで加速されると急速に上昇することがわかる。その後、すべての場合において電圧が低下し、ゼロに近いがゼロではない値に近づく。この挙動は、超伝導電流ポンプ動作の特徴である。超伝導電流ポンプからの初期出力電圧は、ステータ内の超伝導線がロータから印加された磁束を遮断する速度によって決定される。この電圧は、超伝導コイルのインピーダンスに打ち勝ち、超伝導回路の周囲の電流を励磁するように作用する。しかしながら、回路内の電流が増加すると、時変磁場と電流との相互作用による電流ポンプ内の損失も増加する。これは、超伝導電流ポンプの「実効内部抵抗」をもたらし、電流の関数としての測定出力電圧の低下をもたらす。電流ポンプの「実効内部抵抗」は、動作周波数の増加と共に増加することが観察される。「実効内部抵抗」は、軸方向のギャップが大きくなると減少する。電流ポンプの測定された定常状態出力電圧の漸近値は、定常電流Ｉｓａｔで動作したとき超伝導回路の残留抵抗に打ち勝つために必要な電圧に等しい。
【００９２】
図１２は、３６０Ｈｚで動作させたときのロータとステータとの間のギャップの関数としての超伝導電流ポンプの最大測定出力電圧のプロットを示す。１．８２ｍｍのギャップで、最大測定出力電圧は２０ｍＶを超えた。１６．１３ｍｍのギャップで出力電圧は０．１８ｍＶに低下した。この値はゼロを超え、したがって電流が超伝導回路の周囲を流れるよう駆動する。
【００９３】
図１３は、超伝導電流ポンプの３つの異なる設計からのＩｓａｔの測定値のプロットを示す。Ｉｓａｔは、ロータ上に取り付けられた永久磁石とステータ上の超伝導線の表面との間のギャップの関数としてプロットされている。すべての３つの構成において、ＹＢＣＯ被覆導電線がステータ内で使用され、永久磁石素子が同様のサイズのＮｄＦｅＢ磁石を含んでいた。超伝導電流ポンプのための３つの異なる構成が示され、それぞれ、Ｇｅｎ１、Ｇｅｎ２及びＧｅｎ３と命名されている。各プロットは、超伝導材料が存在しない場合のステータからの軸方向距離、ｘに位置する永久磁石によるステータ表面での軸方向磁場強度を示す。Ｇｅｎ１は、強磁性ヨークを含まないＷＯ２０１２／０１８２６５に開示されたものと同様の径方向電流ポンプ構成体を記載している。この構成では、ステータで受ける磁場は、自由空間内の分離された永久磁石の磁場に類似している。Ｇｅｎ２は、ロータとステータの間に低磁気抵抗磁気回路が実現されるように、ロータ及びステータの強磁性体を含む図６に示すような軸方向電流ポンプ構成体を記載している。磁場は、ロータ上の永久磁石とステータとの間の軸方向のギャップ、ｘについて、ステータ表面で測定される。Ｇｅｎ３は、ロータ及びステータ内に強磁性ヨーク片を含み、強磁性ヨークの幾何学的形状がステータ表面での最大垂直Ｂ磁場をさらに向上させるように調整された別の軸方向電流ポンプ構成体を記載している。このデータは、強磁性ヨーク片を使用しなければ、印加ｂ磁場がＢｐｅｎを下回るので、１０ｍｍを超えるギャップを横切る電流ポンピングが容易に可能ではないことを実証している。しかしながら、ロータ及びステータ上の強磁性ヨークの使用は、ロータ及びステータ間の１５ｍｍを超えるギャップで電流ポンピングが起こるように、ステータにおける印加磁場を増加させる。ロータとステータとの間の距離の増加は、クライオスタットの絶縁壁がロータとステータとの間に配置されることを可能にし、したがって、すべての電流ポンプの移動部品が室温で動作するよう、ロータがクライオスタットの外側に位置することを可能にし、極低温システムに熱伝導負荷を与えることがない。
【００９４】
本発明の前述の説明はその好ましい形態を含む。添付の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱することなく、変更を加えることができる。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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