СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ КАТУШКА И СВЕРХПРОВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО
SUPERCONDUCTING COIL AND SUPERCONDUCTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к сверхпроводящей катушке и сверхпроводящему устройству и, в частности, к сверхпроводящей катушке, включающей в себя множество пакетированных плоских катушек и применяемой в сверхпроводящем устройстве, таком как сверхпроводящий магнит или сверхпроводящая ротационная машина, и сверхпроводящему устройству, включающему в себя сверхпроводящую катушку.
Заявлен приоритет по японской патентной заявке № 2012-049411, поданной 6 марта 2012 г., содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В сверхпроводящем устройстве, таком как сверхпроводящий магнит или сверхпроводящий электродвигатель, можно использовать множество пакетированных плоских сверхпроводящих катушек. Были предложены различные структуры: такие как структура, в которой пакетированные плоские сверхпроводящие катушки охлаждаются посредством проведения тепла от охлаждающей машины, или структура, в которой пакетированные плоские сверхпроводящие катушки охлаждаются при помощи хладагента, такого как газообразный гелий.
В качестве общепринятого примера плоской сверхпроводящей катушки известна сверхпроводящая катушка, пропитанная смолой для усиления электромагнитной силы, и сверхпроводящая катушка с вставленным армированным стекловолокном листом, расположенным между пакетированными плоскими катушками, содержащая полуотвержденную смолу (см. ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ 1).
На фиг. 4 показан общепринятый пример сверхпроводящей катушки, интегрированной посредством отверждения полуотвержденной смолы, содержащейся в армированном стекловолокном листе. Сверхпроводящая катушка 100 в данном примере включает в себя вакуумный контейнер 101, теплоизолирующий контейнер 102 внутри вакуумного контейнера 101 и катушечный слой 103, предусмотренный так, чтобы быть окруженным теплоизолирующим контейнером 102. В катушечном слое 103 множество плоских катушек 105, сформированных путем намотки сверхпроводящего провода в виде диска, расположены слоями вертикально и соосно участку 107 основы шпульки 106. Катушечный слой 103 расположен внутри теплоизолирующего контейнера 102. В сверхпроводящей катушке 100 лист 108, армированный стекловолокном, вставлен между пакетированными плоскими катушками 105, и пакетированная плоская катушка 105 и лист 108, армированный стекловолокном, связаны между собой. Над шпулькой 106 находится охлаждающая машина 109, проходящая вертикально через вакуумный контейнер 101 и теплоизолирующий контейнер 102. Сверхпроводящий провод, образующий плоскую катушку 105, можно охладить при помощи охлаждения за счет охлаждающей машины 109.
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ 1] Нерассмотренная японская патентная заявка, первая публикация № H6-151168.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В обычной сверхпроводящей катушке 100, в которой интегрированы лист 108, армированный стекловолокном, и плоская катушка 105, как показано на фиг. 4, когда разрушаются одна и более плоских катушек 105, следует заново изготовить всю сверхпроводящую катушку 100. В этом случае, имеется риск серьезного ущерба с точки зрения времени и затрат.
В частности, при использовании сверхпроводящего провода на основе оксида редкоземельного элемента, обычно трудно определить возникновение потери сверхпроводимости. По этой причине, если сгорает часть сверхпроводящего провода, формирующего плоскую катушку 105, следует повторно изготовить всю сверхпроводящую катушку. Таким образом, имеется проблема, связанная с серьезным ущербом, с точки зрения времени и затрат.
Ввиду ущерба, с точки зрения времени и затрат, также можно модифицировать сверхпроводящую катушку 100, в которой армированный стекловолокном лист 108 и плоская катушка 105 не интегрированы. Однако для обеспечения механической прочности сверхпроводящей катушки 100 и повышения термической стабильности всей катушки желательно интегрировать плоскую катушку 105, пропитанную смолой, и армированный стекловолокном лист 108.
Настоящее изобретение было сделано с учетом вышеизложенного, и задачей настоящего изобретения является получение сверхпроводящей катушки, включающей в себя множество плоских катушек, сформированных путем намотки сверхпроводящего провода, с такой структурой, в которой при возникновении по какой-либо причине проблемы в одной и более из плоских катушек в сборе плоскую катушку, в которой возникла проблема, можно заменить; а также задачей изобретения является получение сверхпроводящего устройства, содержащего такую сверхпроводящую катушку.
Для решения указанной задачи сверхпроводящая катушка согласно первому аспекту настоящего изобретения включает в себя: первую и вторую плоские катушки, сформированные путем намотки сверхпроводящего провода, пакетированные в направлении толщины, и прилегающие друг к другу; и охлаждающую подложку, предусмотренную в контакте с концевой поверхностью первой плоской катушки и разделяемую на несколько охлаждающих пластин.
Согласно вышеописанной сверхпроводящей катушке, поскольку охлаждающая подложка, расположенная на концевой поверхности плоской катушки, может быть разделена на множество охлаждающих пластин, наслоенные друг на друга плоские катушки можно могут быть отделены друг от друга путем разделения множеством охлаждающих пластин, образующих охлаждающую подложку. По этой причине можно удалить плоскую катушку, в которой возникла проблема, и заменить плоскую катушку другой, новой плоской катушкой. Иначе говоря, можно починить сверхпроводящую катушку без бесполезного расхода плоской катушки, в которой не возникла проблема. Таким образом, по сравнению с общепринятой технологией, в которой заменяют все плоские катушки при возникновении проблемы в одной и более плоских катушках, можно починить сверхпроводящую катушку с низкими затратами и не создавая отходов.
Кроме того, может быть дополнительно обеспечен связующий элемент. Охлаждающая подложка может быть вставлена между первой и второй плоскими катушками. Связующий элемент может связывать друг с другом охлаждающую подложку и первую плоскую катушку и связывать друг с другом охлаждающую подложку и вторую плоскую катушку. Первую и вторую катушку можно отделять друг от друга путем разделения между множеством охлаждающих пластин.
В этом случае, даже если охлаждающая пластина и плоская катушка связаны и интегрированы путем пропитывания смолой плоской катушки, находящейся в контакте с охлаждающей пластиной, пакетированные плоские катушки можно легко отделить друг от друга путем отделения друг от друга охлаждающих пластин, поскольку пакетированные охлаждающие пластины могут быть разделены. По этой причине можно обеспечить хорошую теплопроводность между плоской катушкой и охлаждающей пластиной и заменить только плоскую катушку, в которой возникла проблема. Таким образом, можно минимизировать ущерб с точки зрения времени и затрат на сверхпроводящий провод и плоскую катушку.
Кроме того, первую плоскую катушку и по меньшей мере пару из верхней и нижней охлаждающих пластин можно фиксировать при помощи связующего элемента, и вторую плоскую катушку и по меньшей мере пару из верхней и нижней охлаждающих пластин можно фиксировать при помощи связующего элемента.
Кроме того, можно дополнительно обеспечить охлаждающую машину, соединенную с охлаждающей подложкой через теплопроводящий элемент и соединительный элемент теплопроводящего элемента, предусмотренный в каждой из множества охлаждающих пластин и соединенный с теплопроводящим элементом.
В этом случае, каждую из множества охлаждающих пластин, образующих охлаждающую подложку, можно охладить путем охлаждения охлаждающей машиной через соединительный элемент теплопроводящего элемента. По этой причине, даже в структуре, в которой охлаждающие пластины просто наслоены друг на друга, так чтобы перекрывать друг друга, каждую охлаждающую пластину можно эффективно охладить при помощи охлаждающей машины и можно эффективно охладить каждую плоскую катушку, соединенную с охлаждающей пластиной через соединительный элемент теплопроводящего элемента. Таким образом, можно обеспечить сверхпроводящую катушку, имеющую ту же эффективность охлаждения, что и в общепринятой сверхпроводящей катушке.
Кроме того, дополнительно можно предусмотреть шпульку, включающую в себя верхний и нижний участки фланца, между которыми размещены первая и вторая плоские катушки в направлении толщины; и участком основы, предусмотренным между верхним и нижним участками фланца, вставленную в первую и вторую плоские катушки. Коэффициенты термического расширения участков фланца и участка основы могут быть больше коэффициентов термического расширения первой и второй плоских катушек и коэффициента термического расширения охлаждающей подложки.
Кроме того, дополнительно можно предусмотреть шпульку с верхним и нижним участками фланца, между которыми вставлены первая и вторая плоские катушки в направлении толщины, и участком основы предусмотренным между верхним и нижним участками фланца, вставленную в первую и вторую плоские катушки. Первая и вторая плоские катушки и охлаждающая подложка могут быть размещены между парой верхнего и нижнего участков фланца так, чтобы быть сжатыми в направлении толщины на величину, большую, чем величина сжатие в направлении толщины первой и второй плоских катушек и охлаждающей подложки в процессе охлаждения первой и второй плоских катушек охлаждающей подложкой.
Сверхпроводящее устройство согласно второму аспекту настоящего изобретения включает в себя: описанную выше сверхпроводящую катушку; внутренний контейнер, окружающий сверхпроводящую катушку; вакуумный контейнер, окружающий внутренний контейнер; и охлаждающую машину, проходящую через вакуумный контейнер и внутренний контейнер. Охлаждающая подложка соединена с концом охлаждающей машины, которая проходит к внутренней части внутреннего контейнера через теплопроводящий элемент. В соответствии с приведенным описанием сверхпроводящего устройства можно обеспечить сверхпроводящее устройство, включающее в себя сверхпроводящую катушку с множеством пакетированных плоских катушек, где плоскую катушку можно охладить при помощи охлаждающей подложки, предусмотренной в контакте с плоской катушкой.
Кроме того, поскольку охлаждающая подложка, расположенная на концевой поверхности плоской катушки, содержит множество охлаждающих пластин, пакетированные плоские катушки можно разделить путем отделения друг от друга множества наслоенных одна на другую охлаждающих пластин. Иначе говоря, можно удалить только плоскую катушку, в которой возникла проблема, из плоских катушек в сборке и заменить эту плоскую катушку другой, новой плоской катушкой. По этой причине можно минимизировать ущерб с точки зрения времени и затрат на сверхпроводящий провод и плоскую катушку и минимизировать число этапов изготовления плоской катушки. Таким образом, в соответствии со сверхпроводящим устройством в этом аспекте изобретения, по сравнению с общепринятой технологией, где необходимо заменять все плоские катушки, можно починить сверхпроводящую катушку быстро и с низкими затратами.
В соответствии с описанными выше аспектами настоящего изобретения, поскольку охлаждающая подложка, расположенная на концевой поверхности (верхняя поверхность или нижняя поверхность) плоской катушки, включает в себя множество охлаждающих пластин, пакетированные плоские катушки можно отделить друг от друга путем отделения друг от друга охлаждающих пластин. По этой причине можно удалить только плоскую катушку, в которой возникла проблема, и заменить данную плоскую катушку другой, новой плоской катушкой. Соответственно, можно минимизировать ущерб с точки зрения времени и затрат на замену сверхпроводящего провода и плоской катушки и минимизировать число этапов, необходимых для изготовления плоской катушки. Таким образом, в соответствии с данным аспектом настоящего изобретения, по сравнению с общепринятой технологией, где необходимо заменять все плоские катушки, можно починить сверхпроводящую катушку быстро и с низкими затратами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - это вид в плане сверхпроводящего магнитного устройства, включающего в себя сверхпроводящую катушку в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - это вид сбоку структурного примера сверхпроводящей катушки на основе способа охлаждения с применением газа.
Фиг. 3A - это частичный вид в разрезе примера общей конфигурации сверхпроводящего двигателя, включающего в себя сверхпроводящую катушку.
Фиг. 3B - это диаграмма, на которой показан пример относительного расположения сверхпроводящей катушки и ротора в сверхпроводящем двигателе, содержащем сверхпроводящую катушку.
Фиг. 4 - это вид в разрезе сверхпроводящего магнитного устройства, включающего в себя обычную сверхпроводящую катушку.
Фиг. 5 - это вид, на котором показан пример сверхпроводящей катушки согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, где первая и вторая плоские катушки 14a и 14b и охлаждающая подложка 11 сжаты в направлении толщины.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее будет описано сверхпроводящее магнитное устройство, включающее в себя сверхпроводящую катушку в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фигуры. Настоящее изобретение не ограничено приведенным ниже вариантом осуществления.
Сверхпроводящее магнитное устройство 1 на фиг. 1 включает в сеюя внешний контейнер 2, в котором можно понизить давление, такой как вакуумный контейнер, внутренний контейнер (теплоизолятор) 3 внутри внешнего контейнера 2, сверхпроводящую катушку 5, расположенную во внутреннем контейнере 3, участок 6 фланца, закрывающий верх внешнего контейнера 2, участок 7 фланца, закрывающий верх внутреннего контейнера 3, и охлаждающую машину 8.
Охлаждающая машина 8 имеет двухступенчатую структуру, включающую в себя первую и вторую ступени 8A и 8B. Охлаждающая пластина 11A сверхпроводящей катушки 5 соединена с теплоносителем 9, который проходит к дальнему концу второй ступени 8B через три теплопроводящих элемента 15 и имеет форму стержня. Соответственно, сверхпроводящая катушка 5 способна охлаждаться до критической температуры или ниже путем охлаждения охлаждающей машины 8.
В примере на фиг. 1, сверхпроводящая катушка 5 включает в себя две плоских катушки (две двойные плоские катушки 14). Каждая плоская катушка 14 включает в себя два плоских катушечных элемента 10, каждая из которых представляет собой сверхпроводящий оксидный провод, намотанный вокруг шпульки (не показан), пакетирована в направлении ширины. Конкретнее, как показано на фиг. 1, два плоских катушечных элемента 10 пакетированы в направлении ширины так, что положения центральных осей совпадают, а концевые поверхности соприкасаются друг с другом; катушки вставлены в намоточный барабан B2 шпульки B. Кольцеобразная охлаждающая пластина 11A расположена на каждой из верхних и нижних поверхностей пакетированных плоских катушечных элементов 10. Два пакетированных плоских катушечных элемента 10 образуют плоскую катушку 14.
В структуре на фиг. 1 сверхпроводящая катушка 5 включает в себя две плоских катушки 14, наслоенных друг на друга в вертикальном направлении, охлаждающую пластину 11A, расположенную на верхней поверхности верхней двойной плоской катушки (первая плоская катушка) 14a, другую охлаждающую пластину 11A, расположенную поверх охлаждающей пластины 11A, причем охлаждающую пластину 11A на нижней поверхности нижней двойной плоской катушки (вторая плоская катушка) 14b и другую охлаждающую пластину 11A, расположенную под охлаждающей пластиной 11A. На охлаждающей пластине 11A, расположенной на верхней поверхности нижней двойной плоской катушки (вторая плоская катушка) 14b, находится охлаждающая пластина 11A, расположенная на нижней поверхности верхней двойной катушки (первая плоская катушка) 14a.
Хотя в настоящем изобретении плоская катушка, вставленная между верхней и нижней охлаждающими пластинами - это двойная плоская катушка, можно использовать одну плоскую катушку, или же одна плоская катушка может быть пакетирована в три слоя и более.
Охлаждающая пластина 11A сформирована из металлического материала с хорошей теплопроводностью и обладает толщиной приблизительно от доли миллиметра до нескольких миллиметров. Тип металлического материала, образующего охлаждающую пластину 11A, ничем не ограничен, и его можно менять. Например, охлаждающая пластина 11A изготовлена из меди, как в случае не содержащей кислород меди, красной меди и латуни, медного сплава, алюминия или алюминиевого сплава.
Сверхпроводящая катушка 5 на фиг. 1 включает две наслоенные друг на друга плоских катушки 14 и охлаждающие пластины 11A, расположенные на верхней поверхности и на нижней поверхности двух расположенных одна на другой плоских катушек 14. Таким образом, сверхпроводящая катушка 5 на фиг. 1 включает в себя охлаждающую подложку 11, выполненную с возможностью содержать две охлаждающих пластины 11A, расположенные на нижней поверхности нижней двойной плоской катушки 14b; охлаждающую подложку 11, выполненную с возможностью содержать две охлаждающих пластины 11A, расположенные между верхней двойной плоской катушкой 14a и нижней двойной плоской катушкой 14b, и охлаждающую подложку 11, содержащую две охлаждающие пластины 11A, расположенные на верхней поверхности верхней двойной плоской катушки 14a. Две верхних и нижних охлаждающих пластины 11A, образующие охлаждающую подложку 11, соприкасающиеся с концевой поверхностью плоской катушки 14, связаны и зафиксированы на концевой поверхности плоской катушки 14 путем пропитки смолой (связующий элемент) 12, как в случае листа из смолы или эпоксидной смолы, армированного стекловолокном. В качестве способа связывания плоской катушки 14 с охлаждающей пластиной 11A имеется способ фиксирования охлаждающей пластины 11A адгезивом после пропитки плоской катушки 14 смолой и способ фиксирования охлаждающей пластины 11A путем пропитки плоской катушки 14 смолой. В первом случае на диаграмме связующее обозначено номером 12. В качестве связующего материала можно использовать эпоксидную смолу или смазку; предпочтительно использовать эпоксидную смолу. С другой стороны, верхняя и нижняя охлаждающие пластины 11A, образующие охлаждающую подложку 11, просто наложены одна на другую. Иначе говоря, две охлаждающие пластины 11A наслоены друг на друга так, чтобы их можно было разделить. Между верхней и нижней охлаждающими пластинами 11A, образующими охлаждающую подложку 11, при необходимости можно вставить смазку или другое вещество.
Кроме того, число охлаждающих пластин 11A, зафиксированных на плоской катушке 14, не ограничено двумя и может быть равно трем и более, пока охлаждающие пластины 11A можно отделить одну от другой.
На одном из концов (конец, близкий ко второй ступени 8B охлаждающей машины 8) охлаждающей пластины 11A образуется выступающая часть 11a, выдающаяся за боковую поверхность плоской катушки 14. На верхней поверхности и нижней поверхности на дистальных участках выступающих частей находится пара соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента, имеющих форму пластин, между которыми в вертикальном направлении вставлены дистальные участки выступающих частей 11a охлаждающих пластин 11A, перекрывающих друг друга в вертикальном направлении. Теплопроводящий элемент 15, проходящий от теплопроводящего тела 9, находящегося около второй ступни 8B, которая образует охлаждающую машину 8, вставлен между парой соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента. Теплопроводящий элемент 15 соединен со второй ступенью 8B охлаждающей машины 8 через теплопроводящее тело 9 для охлаждения от второй ступени 8B, которая образует охлаждающую машину 8.
Хотя это и не показано на диаграмме, пара соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента, между которыми в вертикальном направлении вставлены выступающие участки 11a, и выступающие участки 11a закреплены при помощи болта, проходящего через выступающий участок 11a и пару соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента, и гайки, привинченной на болт. Выступающие части 11a вставлены с одного конца пары соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента, а с другого конца вставлен теплопроводящий элемент 15. Болт, проходящий через теплопроводящий элемент 15, и пара соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента, а также гайка, навинченная на болт, скрепляют пару соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента и теплопроводящий элемент 15. Соединение между охлаждающей пластиной 11A и парой соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента не ограничено соединением при помощи болта и гайки, и можно также использовать другие типы соединения.
Теплопроводящее тело 9, соединительный элемент 13 теплопроводящего элемента и теплоотводящий элемент 15 сформированы из металлического материала с хорошее теплопроводностью. Металлический материал, образующий теплопроводящее тело 9, соединительный элемент 13 теплопроводящего элемента и теплоотводящий элемент 15 особо ничем не ограничены, и их можно соответствующим образом менять. Например, теплопроводящее тело 9, соединительный элемент 13 теплопроводящего элемента и теплоотводящий элемент 15 могут быть изготовлены из меди, такой как не содержащая кислород медь, красная медь и латунь, медный сплав, алюминий или алюминиевый сплав.
Посредством термически достаточном соединении выступающей части 11a, образованной охлаждающей пластиной 11A со второй ступенью 8B через пару соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента, теплоотводящий элемент 15 и теплопроводящее тело 9, как описано выше, охлаждение за счет плоской катушки 14 можно осуществить в достаточной степени посредством второй ступени 8B, которая образует охлаждающую машину 8.
В обычном устройстве охлаждающая подложка 11 выполнена в виде единой металлической пластины. С другой стороны, в настоящем варианте осуществления, охлаждающая подложка 11 образована двумя охлаждающими пластинами 11A. Если толщина охлаждающей пластины 11A составляет приблизительно половину от толщины одной металлической пластины в обычном устройстве, общая толщина сверхпроводящей катушки 5, включая две наслоенные друг на друга охлаждающих пластины 11A, та же, что и общая толщина сверхпроводящей катушки обычной структуры. Например, если использована охлаждающая пластина 11A толщиной в 1/2 толщины охлаждающей подложки в сверхпроводящей катушке с обычной структурой, плотность тока во всей сверхпроводящей катушке 5 (= прилагаемый ток x число витков/площадь сечения катушки) та же. Таким образом, влияние на характеристики катушки, как, например, снижение центрального магнитного поля в катушке, отсутствует. Кроме того, даже если толщина охлаждающей пластины 11A немного больше половины толщины охлаждающей подложки в сверхпроводящей катушке обычной структуры, влияние толщины всей сверхпроводящей катушки 5 невелико. По этой причине изменение в плотности тока на катушке вследствие изменения высоты катушки может быть немного меньше.
В сверхпроводящем магнитном устройстве 1 выполнены внешние клеммы 17 и 18 для подачи тока так, чтобы они проходили через фланец 6. Нижние концы внешних клемм 17 и 18 протянуты во внутренний контейнер 2 и соединены с верхним концом токоподвода 19. Нижний конец токоподвода 19 соединен с оксидным сверхпроводящим проводом (не показан), образующим каждую из плоских катушек 14 в сверхпроводящей катушке 5.
Внешний контейнер 2 соединен с вакуумным насосом (не показан) так, что во внешнем контейнере 2 можно снизить давление до заданного уровня вакуума. Внешние клеммы 17 и 18 соединены с источником питания (не показан), который расположен снаружи сверхпроводящего магнитного устройства 1, через линию токопровода, так, что можно генерировать желательное магнитное поле путем подачи тока от источника питания к сверхпроводящему проводу в сверхпроводящей катушке 5.
2
В качестве примера сверхпроводящего провода, намотанного вокруг плоской катушки 14 можно применять любой сверхпроводящий провод, который обычно обозначают как высокотемпературный сверхпроводящий провод, такой как сверхпроводящий провод на основе оксида редкоземельного элемента, сверхпроводящий провод на основе оксида висмута или сверхпроводящий провод из MgB.
В качестве сверхпроводящего провода на основе оксида редкоземельного элемента можно использовать сверхпроводящий провод лентообразной формы, сформированный путем наслоения промежуточного слоя, оксидного сверхпроводящего слоя, защитного слоя и стабилизирующего слоя на металлической подложке.
Промежуточный слой может иметь многослойную структуру и включать в себя в качестве несущего слоя барьерный слой или слой основы. В качестве ориентирующего слоя, который является основной частью промежуточного слоя, можно использовать тонкую пленку с хорошей кристаллической ориентацией, сформированную путем метода физического осаждения из газовой фазы, например, метода ионно-лучевого осаждения (далее метода IBAD). Для получения лучшей кристаллической ориентации можно нанести верхний слой на ориентирующий слой.
2
3
y
2
3
y
2
3
y
Когда на промежуточный слой наносят тонкую пленку из сверхпроводящего оксида редкоземельного элемента, можно использовать REBaCuO (RE обозначает редкоземельные элементы, такие как Y, La, Nd, Sm, Er и Gd), в частности Y123 (YBaCuO), Gdl23 (GdBaCuO) и др.
Защитный слой, сформированный так, чтобы покрывать поверхность оксидного сверхпроводящего слоя, может состоять из Ag или сплава Ag, а стабилизирующий слой, нанесенный на защитный слой, может быть сформирован из Cu или сплава Cu с хорошей проводимостью.
В качестве примера сверхпроводящего провода на основе оксида Bi можно использовать сверхпроводящий провод, изготовленный в виде ленты путем смешивания спеченных изделий, отвечающих BiSrCaCuO, как, например, фаза 2223, внутри металлической оболочки из металла с хорошей проводимостью, как, например, Ag, и прокатки.
2
2
В качестве примера сверхпроводящего провода из MgB можно использовать сверхпроводящий провод в форме ленты, сформированный в виде ленты или имеющий линейную форму и содержащий порошок MgB внутри металлической трубки и образующий многочисленные сердечники с применением способа порошка в трубке для снижения диаметра.
Сверхпроводящее магнитное устройство 1 на фиг. 1 применяют так, чтобы во внутренней части контейнера 2 было снижено давление при помощи вакуумного насоса (не показан) для получения вакуума; охлаждающая машина 8 охлаждает сверхпроводящую катушку 5 до критической температуры и ниже путем охлаждения, и затем подается ток от внешнего источника питания на сверхпроводящий провод сверхпроводящей катушки 5 через внешний клеммы 17 и 18. Охлаждающая машина 8 обладает способностью охлаждать сверхпроводящую катушку 5 до температуры ниже, чем приблизительно 91 K, когда сверхпроводник переходит в сверхпроводящее состояние, как при 4,2 K, 20 K или 40 K, хотя это зависит от модели.
Сверхпроводящее магнитное устройство 1 на фиг. 1 используют путем выполнения охлаждения сверхпроводящей катушки 5 до критической температуры и ниже при помощи теплопроводящего тела 9, трех охлаждающих пластин 15 и ряда охлаждающих подложек 11, таких как соединительные элементы 13 теплопроводящего элемента, от второй ступени 8B, которая образует охлаждающую машину 8.
В сверхпроводящем магнитном устройстве 1 охлаждающая подложка 11 включает в себя две охлаждающих пластины 11A. Две охлаждающих пластины 11A просто наложены одна на другую. По этой причине возникает возможность ухудшения термического контакта между охлаждающими пластинами 11A. Однако выступающая часть 11a охлаждающей пластины 11A встроена в пару соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента, между которыми 11a расположена вертикально. Иначе говоря, имеется два пути охлаждения через пару соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента, расположенных на верхней поверхности и нижней поверхности выступающих частей 11a. Таким образом, можно по отдельности проводить охлаждение охлаждающей пластины 11A при помощи теплоотводящего элемента 15 через пару соединительных элементов 13 теплопроводящего элемента. Соответственно, не снижается коэффициент теплопередачи охлаждающей пластины 11A.
Кроме того, предпочтительно использовать толщину охлаждающей пластины 11A, равную приблизительно половине толщины одного охлаждающей подложки в обычной структуре. Однако если охлаждающая пластина 11A толще, возрастает толщина всей сверхпроводящей катушки 5, но увеличение толщины охлаждающей пластины 11A по отношению к толщине всей сверхпроводящей катушки невелико. По этой причине степень снижения числа витков сверхпроводящего оксидного слоя, вызванная возрастанием толщины сверхпроводящего провода 5, очень мала, и невелико снижение плотности тока на сверхпроводящей катушке 5. Таким образом, отсутствует отрицательное влияние на эффективность сверхпроводящей катушки 5.
В сверхпроводящем магнитном устройстве 1, когда возникает проблема в оксидном сверхпроводящем проводе, можно заменить новой, отдельно изготовленной плоской катушкой 14 только плоскую катушку 14, в которой возникла проблема в сверхпроводящем проводе между двумя наслоенными друг на друга плоскими катушками 14 на фиг. 1.
По этой причине необязательно заменять всю сверхпроводящую катушку 5. Таким образом, не нужно напрасно выкидывать плоскую катушку 14, в которой проблемы отсутствуют.
В этой связи, хотя сверхпроводящая катушка 5 на фиг. 1 включает в себя две многослойные пакетированные плоские катушки 14, сверхпроводящая катушка 5 может включать в себя три и более пакетированные плоские катушки 14.
Кроме того, хотя сверхпроводящая катушка 5 на фиг. 1 включает в себя двойную плоскую катушку 14 в качестве первой и второй плоских катушек 14a и 14b, сверхпроводящая катушка 5 может включать в себя единственную плоскую катушку или плоскую катушку с тремя и более пакетированными плоскими катушками в качестве первой и второй плоских катушек 14a и 14b.
Кроме того, хотя сверхпроводящий провод 5 на фиг. 1 включает в себя две пакетированные плоские катушки 14 и охлаждающую подложку 11, соприкасающуюся с концевой поверхностью плоской катушки 14; плоская катушка 14 состоит из двух пакетированных плоских катушек 10; сверхпроводящая катушка не ограничена такой структурой. Например, можно использовать сверхпроводящий провод, включая множество пакетированных одиночных плоских катушек и охлаждающую подложку 11, предусмотренную в контакте с верхней и нижней поверхностью каждой одиночной плоской катушки.
На фиг. 2 показана структура сверхпроводящей катушки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, отвечающим способу охлаждения газом. На фиг. 3A и 3B показан пример сверхпроводящего двигателя (сверхпроводящее устройство), в котором использована сверхпроводящая катушка 20 с данной структурой.
Сверхпроводящая катушка 20 на фиг. 2 содержит две вертикально наслоенные друг на друга плоские катушки 14, вставленные в намоточный барабан B2 шпульку B, охлаждающую пластину 11A, предусмотренную на каждой верхней поверхности верхней двойной плоской катушки (первая плоская катушка) 14a, и на нижней поверхности нижней двойной плоской катушки (вторая плоская катушка) 14b, и охлаждающую подложку 11 между верхней двойной плоской катушкой (первая плоская катушка) 14a и нижней двойной плоской катушкой (вторая плоская катушка) 14b, а также включает в себя две охлаждающие пластины 11A.
Сверхпроводящая катушка 20 на фиг. 2 может быть использована так, чтобы охлаждающий газ G, такой как газообразный гелий, подавался к боковой поверхности плоской катушки 14, как показано стрелкой на данной диаграмме, и охлаждалась и охлаждала сверхпроводящий провод элемента 10 плоской катушки до критической температуры и ниже.
Сверхпроводящую катушку 20 на фиг. 2 используют в сверхпроводящем двигателе (сверхпроводящем устройстве) 30, имеющем структуру, показанную, например, на фиг. 3A и 3B. Сверхпроводящий двигатель 30 на фиг. 3A и 3B включает в себя ротор 32 типа вала, который вращается внутри закрытого, удлиненного в горизонтальном направлении контейнера 31 цилиндрической формы и сконструирован так, чтобы газ-охладитель, такой как газообразный гелий, можно было подавать внутрь контейнера 31.
Множество сверхпроводящих катушек 35 расположено вокруг центральной части вала 33 вращения. Множество нормально проводящих катушек 36, выполненных медными катушками на внутренней стенке контейнера 31 расположены вокруг множества сверхпроводящих катушек 35.
В вале вращения 33 имеется множество трубок для ввода и вывода охлаждающего газа. Таким образом, сверхпроводящую катушку 35 можно охладить до критической температуры и ниже путем введения охлаждающего газа из устройства для подачи холодильного агента (не показано), которое отдельно расположено снаружи от сверхпроводящего двигателя 30, в контейнер 31 через набор трубок. Хотя сверхпроводящая катушка 35 охлаждается до критической температуры и ниже, нормально проводящая катушка 36 находится при комнатной температуре.
Как показано на фиг. 3A и 3B, сверхпроводящая катушка 35 может быть расположена в виде слоя вокруг вращающегося вала 33. Сверхпроводящая катушка 20 на фиг. 2 может быть использована как сверхпроводящая катушка 35.
Сверхпроводящий двигатель 30 на фиг. 3A и 3B применяют так, чтобы сверхпроводящая катушка 35 охлаждалась до критической температуры или ниже при помощи охлаждающего газа, введенного в контейнер 31. Сверхпроводящий двигатель 30 можно использовать так, чтобы вращающийся вал 33 вращался магнитным полем, генерируемым обычной нормально проводящей катушкой 36 и сверхпроводящей катушкой 35, к которой подводят требуемый ток от отдельного источника питания (не показан).
Когда по какой-то причине возникает проблема в сверхпроводящем проводе на любой из сверхпроводящих катушек 35 при работе сверхпроводящего двигателя 30 на фиг. 3A и 3B, и проводится починка сверхпроводящего двигателя 30, можно заменить только плоскую катушку 14, включающую в себя сверхпроводящий провод, в котором возникла проблема, если структура сверхпроводящей катушки 35 та же, что и структура сверхпроводящей катушки 20 на фиг. 2. Иначе говоря, можно починить сверхпроводящий двигатель 30, заменив только плоскую катушку 14, которая является частью сверхпроводящей катушки 35, без замены всей сверхпроводящей катушки 35.
На фиг. 2 показан пример шпульки, образующей сверхпроводящую катушку согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Шпулька на фиг. 2 включает в себя верхний и нижний участки фланца B1, между которыми размещены первая и вторая плоские катушки 14a и 14b в направлении толщины; а намоточный барабан (участок основы) B2 находится между верхним и нижним участками фланца B1 и вставлен в первую и вторую плоские катушки 14a и 14b.
Предпочтительно, чтобы коэффициенты термического расширения участка фланца B1 и намоточного барабана (участка основы) B2, образующих катушку B на фиг. 2, были больше, чем коэффициент термического расширения первой плоской катушки 14a, коэффициент термического расширения второй плоской катушки 14b и коэффициент термического расширения охлаждающей подложки 11. В этом случае степень сжатия в направлении толщины первой и второй плоских катушек 14a и 14b и охлаждающей подложки 11 при охлаждении первой плоской катушки 14a и второй плоской катушки охлаждающей подложкой 11 меньше, чем степень сжатия намоточного барабана (участка основы) B2. По этой причине не имеет значения рост расстояния между плоскими катушками при охлаждении. Таким образом, можно дополнительно улучшить эту структуру без изменения плотности катушки даже при охлаждении, т.е. без изменения критической плотности тока на катушке. В качестве материала для формирования шпульки B предпочтительны GFRP, алюминий и пр., поскольку все они обладают высоким коэффициентом линейного расширения.
На фиг. 5 показан пример сверхпроводящей катушки согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, где первая и вторая плоские катушки 14a и 14b и охлаждающая подложка 11 сжаты в направлении толщины.
Как показано на фиг. 5, сверхпроводящая катушка 20 зажата (сжата) на величину сжатия b в направлении толщины при фиксированном давлении F. Здесь предпочтительно, чтобы величина сжатия b была больше суммы a величины сжатия в направлении толщины первой и второй плоских катушек 14a и 14b и охлаждающей подложки 11 при охлаждении первой и второй плоских катушек 14a и 14b. В этом случае не имеет значения рост расстояния между плоскими катушками при охлаждении. Таким образом, можно дополнительно улучшить эту структуру без изменения высоты катушки даже при охлаждении, т.е. без изменения критической плотности тока на катушке. В качестве описанного выше механизма сжатия сверхпроводящей катушки при фиксированном давлении F предпочтительно использовать тарельчатую пружину, пружину растяжения и т.д. для болта фланца для фиксации пары верхнего и нижнего фланцев.
Примеры
Была изготовлена сверхпроводящая катушка, описанная ниже в таблице 1.
2
3
2
3
2
2
3
7-x
Был изготовлен оксидный сверхпроводящий провод с общей толщиной приблизительно 0,23 мм, содержащий лентообразную подложку шириной 5 мм и толщиной 0,1 мм из сплава Hastelloy C276 (торговая марка компании Haynes Co., США) с барьерным слоем из AlO толщиной 100 нм, базовым слоем из YO толщиной 30 нм, ориентирующим слоем из MgO толщиной 10 нм, верхним слоем CeO толщиной 500 нм, оксидным сверхпроводящим слоем из GdBaCuO толщиной приблизительно 2 мкм, защитным слоем из Ag толщиной 10 мкм и слоем медного припоя толщиной 100 мкм на поверхности подложки.
Плоскую катушку формировали путем намотки сверхпроводящего слоя в 100 витков вокруг намоточного барабана, и намотанную часть пропитывали эпоксидной смолой и отверждали, формируя сверхпроводящую катушку. Затем сверхпроводящий провод погружали в жидкий азот и измеряли критический ток. Затем сверхпроводящую катушку использовали при сборе сверхпроводящего магнитного устройства со структурой, показанной на фиг. 1, и оценивали в условиях охлаждения.
Спецификации приведены ниже в таблице 1.
Таблица 1
Наименование
Обычная структура
Структура в примере
Внутренний диаметр катушки (мм)
60
60
Внешний диаметр катушки (мм)
131
131
Число витков/дисков
100
100
Число дисковых слоев
6
6
Лист смолы, армированный стекловолокном
Толщина 0,25 мм
Толщина 0,25 мм
Толщина
Охлаждающая подложка: 1,0 мм
Охлаждающая пластина: 0,5 мм
Число листов
Четыре охлаждающих подложки
Восемь охлаждающих пластин
Измеренная температура
50K
50K
Центральное магнитное поле
1,25T@166A
1,25T@166A
Как показывают данные таблицы 1, величина центрального магнитного поля и характеристики сверхпроводящего магнитного устройства были промежуточными между значениями в случае обычной сверхпроводящей катушки и сверхпроводящей катушки в настоящем примере. В соответствии со структурой в настоящем примере, две охлаждающие пластины, образующие охлаждающую подложку, можно отделить друг от друга. Соответственно, при возникновении проблемы в одной из плоских катушек заменяют только ту плоскую катушку, в которой возникла проблема. Таким образом, поскольку нет необходимости заменять все плоские катушки в сверхпроводящем магнитном устройстве в настоящем примере, сверхпроводящее магнитное устройство в настоящем примере эффективно по сравнению со сверхпроводящим магнитным устройством общепринятой структуры.
ОПИСАНИЕ НОМЕРОВ ПОЗИЦИЙ
1: сверхпроводящее магнитное устройство
2: внешний контейнер
3: внутренний контейнер (контейнер с низкотемпературным боковым экраном)
5: сверхпроводящая катушка
8: охлаждающая машина
8A: первая ступень
8B: вторая ступень
9: теплопроводящее тело
10: плоская катушка
11: охлаждающая подложка
11A: охлаждающая пластина
11a: выступающая часть
12: пропитывающая смола (связующий элемент, адгезив)
13: соединительные элементы теплопроводящего элемента
14: двойная плоская катушка
14a: верхняя двойная плоская катушка (первая плоская катушка)
14b: нижняя двойная плоская катушка (вторая плоская катушка)
15: теплопроводящий элемент
17,18: внешняя клемма
20: сверхпроводящая катушка
30: сверхпроводящий двигатель (сверхпроводящее устройство)
31: контейнер
32: ротор
33: вращающийся вал
35: сверхпроводящая катушка
36: нормально проводящая катушка
100: сверхпроводящая катушка
101: вакуумный контейнер
102: теплоизолирующий контейнер
103: многослойная катушка
105: плоская катушка
106: шпулька
107: основа
108: лист, армированный стекловолокном
109: охлаждающая машина
B: шпулька
B1: участок фланца
B2: намоточный барабан (участок основы)
F: фиксированное давление (для сжатия сверхпроводящей катушки 20 в направлении толщины)
b: сверхпроводящая катушка.