(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-12
(54)【発明の名称】超伝導磁石用超伝導スイッチ
(51)【国際特許分類】
A61B 5/055 20060101AFI20240705BHJP
H01F 6/04 20060101ALI20240705BHJP
H10N 60/20 20230101ALI20240705BHJP
【ＦＩ】
A61B5/055 331
A61B5/055 ZAA
H01F6/04
H10N60/20 Z
A61B5/055 360
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023575705
(86)(22)【出願日】2021-06-11
(85)【翻訳文提出日】2024-02-06
(86)【国際出願番号】 US2021036982
(87)【国際公開番号】W WO2022260677
(87)【国際公開日】2022-12-15
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】100129779
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 俊久
(74)【代理人】
【識別番号】100151286
【弁理士】
【氏名又は名称】澤木 亮一
(72)【発明者】
【氏名】ヴァーミリヤ，マーク・アーネスト
(72)【発明者】
【氏名】ウー，アンボー
(72)【発明者】
【氏名】三根 進
(72)【発明者】
【氏名】シュ，ミンフェン
【テーマコード（参考）】
4C096
4M114
【Ｆターム（参考）】
4C096AD08
4C096CA02
4C096CA15
4C096CA48
4C096CA54
4M114AA19
4M114BB03
4M114BB04
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4M114BB08
4M114CC03
4M114CC16
4M114DA32
4M114DA35
4M114DB22
4M114DB48
4M114DB53
(57)【要約】
超伝導磁石は、冷却媒体を収容する冷却タンクと、磁場を発生させるために構成された１以上の超伝導回路とを含む。超伝導磁石は、１以上の超伝導回路に通電するため１以上の超伝導回路に接続した電源と、１以上の超伝導回路の端部と電気的に接続した超伝導スイッチとをさらに備える。超伝導スイッチは、超伝導巻線と、超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び冷却タンク内の冷却媒体に熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材とを含む。熱伝導部材は、少なくとも第１の層及び第２の層を含む。第１の層は、第１の熱伝導率を有する金属材料で構成されている。第２の層は、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成される。
【選択図】図３
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷却媒体を収容する冷却タンクと、磁場を発生させるために構成された１以上の超伝導回路と、
前記１以上の超伝導回路に通電するため前記１以上の超伝導回路に接続した電源と、
前記１以上の超伝導回路の端部と電気的に接続した超伝導スイッチと
を備える超伝導磁石であって、前記超伝導スイッチが、
超伝導巻線と、
前記超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び前記冷却タンク内の冷却媒体に熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、前記熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が、第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材と
を備える、超伝導磁石。
【請求項2】
前記超伝導スイッチの超伝導巻線がバイファイラ巻超伝導巻線である、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項3】
第２の層の熱膨張率（ＣＴＥ）が第１の層の熱膨張率（ＣＴＥ）と実質的に等しい、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項4】
第２の層が、第１の層よりも高い引張強さを有する、請求項３に記載の超伝導磁石。
【請求項5】
第２の層が、エポキシ樹脂を用いて第１の層に接合されている、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項6】
第１の層の金属材料が、純度９９．９９％超の高純度金属材料からなる、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項7】
前記高純度金属材料が、焼鈍高純度アルミニウムを含む、請求項６に記載の超伝導磁石。
【請求項8】
第１の層がタングステン又は白金のいずれかで構成されている、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項9】
第２の層の材料が、第１の層の金属材料の合金である、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項10】
４０Ｋ未満の第１の温度域での第１の層の第１の熱伝導率が、５０Ｋ超の第２の温度域での第１の層の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きい、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項11】
第２の温度域が、磁石励磁プロセスの初期段階で当該超伝導スイッチが電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含む、請求項１０に記載の超伝導磁石。
【請求項12】
第１の温度域が、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む、請求項１０に記載の超伝導磁石。
【請求項13】
前記超伝導スイッチが、電流リード線で電気的に接続した１本以上のリード線を含み、前記電流リード線が、励磁プロセス時に電源と電気的に接続される、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項14】
当該超伝導磁石が、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置又は発電機のいずれかの一部である、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項15】
超伝導磁石の１以上の超伝導回路の端部に電気的に接続するための超伝導スイッチであって、当該超伝導スイッチが、超伝導巻線と、
前記超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、前記熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材と
を備える超伝導スイッチ。
【請求項16】
超伝導スイッチを有する超伝導磁石を励磁する方法であって、前記超伝導スイッチが、超伝導巻線と、前記超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び前記超伝導磁石の冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、前記熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材とを備えており、当該方法が、前記超伝導スイッチの臨界温度よりも高い目標温度に前記超伝導スイッチを加熱するステップと、
前記超伝導磁石を励磁するため前記超伝導スイッチに電圧を印加するステップであって、前記超伝導スイッチの自己ジュール発熱によって目標温度を維持する、ステップと、
前記超伝導磁石の励磁中に前記超伝導スイッチの温度が徐々に低下するように、前記超伝導スイッチの電圧を徐々に下げるステップと
を含む方法。
【請求項17】
前記超伝導スイッチの電圧を非線形又は段階的制御によって調整することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
第２の層の熱膨張率（ＣＴＥ）が第１の層のＣＴＥと実質的に等しく、第２の層が、第１の層よりも高い引張強さを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
４０Ｋ未満の第１の温度域での第１の層の第１の熱伝導率が、５０Ｋ超の第２の温度域での第１の層の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きい、請求項１６に記載の方法。
【請求項20】
第２の温度域が、磁石励磁プロセスの初期段階で前記超伝導スイッチが電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含み、第１の温度域が、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、超伝導磁石に関するものであり、さらに具体的には、超伝導磁石のための改良超伝導スイッチに関する。
【背景技術】
【0002】
超伝導磁石は、超伝導回路のコイルから作られた電磁石である。超伝導回路はその超伝導状態では電気抵抗がないので、通常の線材よりも格段に大きな電流を流すことができ、強い磁場を発生させる。したがって、超伝導磁石は、ほとんどの最も強力な非超伝導磁石の磁場よりも大きな磁場を発生させることができ、巻線内でエネルギーが熱として放散されないので運転コストが下がる。そのため、超伝導磁石は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置、並びに核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光器、発電機、質量分析計、核融合炉、粒子加速器のような科学機器に常用されている。
【0003】
動作中、超伝導磁石巻線は臨界温度（巻線材料が通常の抵抗状態から変化して超伝導体になる温度）未満に冷却する必要がある。通例、巻線はその臨界温度よりも大幅に低い温度まで冷却されるが、これは温度が低いほど超伝導巻線の動作が向上する（その非超伝導状態に戻らずに維持することができる電流及び磁場が高まる）からである。そこで、超伝導を維持するのに十分な温度に磁石巻線を維持するために２通りの冷却方式（すなわち液体冷却及び機械的冷却）が常用される。液体冷却では、液体ヘリウムが冷却剤として用いられるが、その沸点は４．２Ｋであり、大半の巻線材料の臨界温度を大幅に下回る。そこで、超伝導磁石及び液体ヘリウムは、クライオスタットと呼ばれる断熱容器内に収容される。別法として、超伝導磁石は二段式機械冷凍を用いて冷却することもできる。
【0004】
超伝導磁石のある動作モードでは、いったん磁石が励磁されたら、巻線を超伝導材料で短絡させることができる。短絡はスイッチ（永久スイッチとも呼ばれる）によって行われるが、これは一般に、巻線の両端に接続され、かつ小型ヒータに取り付けられた磁石内の超伝導材料片をいう。こうして、巻線は超伝導閉ループとなり、電源を切り離すことができて、磁場を維持しながら長時間永久電流が流れる。この永久モードの利点は、最良の電源で達成できるものよりも磁場の安定性が優れており、巻線に電力供給するためのエネルギーを必要としないことである。
【0005】
したがって、磁石を最初にオンする際に、スイッチはその転移温度超まで加熱され、スイッチは抵抗性となる。永久モードで動作させるため、所望の磁場が得られるまで供給電流を調整してから、ヒータは切られる。永久スイッチはその超伝導温度まで冷却されて、巻線を短絡させる。しかる後、電源を切ることができる。
【0006】
ただし、液体ヘリウムが充填された管を用いて巻線を冷却する従来の冷凍冷却では、スイッチのランプアップ及び保持時の液体ヘリウムの利用量が液体冷却よりも格段に多い。
【0007】
そこで、本開示は、液体ヘリウム回路への伝導によって冷却される超伝導回路のための改良超伝導スイッチに関する。具体的には、スイッチは、磁石のランプアップ及び保持段階での液体ヘリウムの沸騰量を最小限に抑制するため、所望のスイッチ動作温度について最適化した熱伝導特性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１６／１１６５５５号明細書
【発明の概要】
【0009】
本開示技術の態様及び利点について、以下の詳細な説明に記載するが、以下の詳細な説明から自明となるものもあろうし、或いは本開示技術の実施を通して習得できるものもあろう。
【0010】
一態様では、本開示は超伝導磁石に関する。超伝導磁石は、冷却媒体を収容する冷却タンクと、磁場を発生させるために構成された１以上の超伝導回路とを含む。超伝導磁石は、１以上の超伝導回路に通電するため１以上の超伝導回路に接続した電源と、１以上の超伝導回路の端部と電気的に接続した超伝導スイッチとをさらに備える。超伝導スイッチは、超伝導巻線と、超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び冷却タンク内の冷却媒体に熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材とを含む。熱伝導部材は、少なくとも第１の層及び第２の層を含む。第１の層は、第１の熱伝導率を有する金属材料で構成される。第２の層は、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成される。
【0011】
一実施形態では、超伝導スイッチの超伝導巻線は、バイファイラ巻超伝導巻線であってもよい。別の実施形態では、第２の層の熱膨張率（ＣＴＥ）は、第１の層の熱膨張率（ＣＴＥ）と実質的に等しく、例えば±１０％以内である。
【0012】
追加の実施形態では、第２の層は、第１の層よりも高い引張強さを有する。別の実施形態では、第２の層は、エポキシ樹脂を用いて第１の層に接合される。
【0013】
追加の実施形態では、第１の層の金属材料は、純度９９．９９％超の高純度金属材料からなる。例えば、一実施形態では、高純度金属材料は、焼鈍高純度アルミニウムであってもよい。別の実施形態では、第１の層はタングステン又は白金からなる。
【0014】
別の実施形態では、第２の層の材料は、第１の層の金属材料の合金である。
【0015】
ある実施形態では、４０Ｋ未満の第１の温度域での第１の層の第１の熱伝導率は、５０Ｋ超の第２の温度域での第１の層の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きい。かかる実施形態では、第２の温度域は、磁石励磁プロセスの初期段階で超伝導スイッチが電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含む。別の実施形態では、第１の温度域は、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む。
【0016】
幾つかの実施形態では、超伝導スイッチは、１以上の超伝導回路と直列に電気的に接続される。
【0017】
追加の実施形態では、超伝導スイッチは、電流リード線と電気的に接続した１以上のリード線をさらに含んでいてもよい。かかる実施形態では、電流リード線は、励磁プロセス時に電源と電気的に接続される。
【0018】
さらに別の実施形態では、超伝導磁石は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置又は発電機の一部である。
【0019】
別の態様では、本開示は、超伝導磁石の１以上の超伝導回路の端部に電気的に接続するための超伝導スイッチに関する。超伝導スイッチは、超伝導巻線と、超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材とを含む。熱伝導部材は、少なくとも第１の層及び第２の層を含む。第１の層は、第１の熱伝導率を有する金属材料で構成される。第２の層は、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成される。
【0020】
さらに別の態様では、本開示は、超伝導スイッチを有する超伝導磁石を励磁する方法に関する。超伝導スイッチは、超伝導巻線と、超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材とを含む。熱伝導部材は、少なくとも第１の層及び第２の層を含む。第１の層は、第１の熱伝導率を有する金属材料で構成される。第２の層は、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成される。本方法は、超伝導スイッチの臨界温度よりも高い目標温度に超伝導スイッチを加熱するステップを含む。また、本方法は、超伝導磁石を励磁するため超伝導スイッチに電圧を印加するステップであって、超伝導スイッチの自己ジュール発熱によって目標温度を維持する、ステップを含む。さらに、本方法は、超伝導磁石の励磁中に超伝導スイッチの温度が徐々に低下するように、超伝導スイッチの電圧を徐々に低下させるステップを含む。
【0021】
一実施形態では、本方法は、超伝導スイッチの電圧を非線形又は段階的制御によって調整することを含んでいてもよい。
【0022】
本開示技術の上記その他の特徴、態様及び利点については、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって理解を深めることができよう。添付の図面は、本明細書の内容の一部をなすものであり、本開示技術の様々な実施形態を例示するとともに、発明の詳細な説明と併せて本技術の原理を説明するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【0023】
本開示技術について、以下の詳細な説明において、添付の図面を参照して、当業者に対して、最良の形態を含めて、実施できるように十分に開示する。
【図1】本開示技術に係る超伝導磁石の一実施形態の斜視図を示す。
【図3】本開示技術に係る超伝導磁石の超伝導スイッチの一実施形態の斜視図を示す。
【図6】本開示技術に係る超伝導スイッチの別の実施形態の詳細な斜視図を示し、特に管に電気的に結合した超伝導スイッチの超伝導巻線及び熱伝導部材を示す。
【図10】本開示技術に係る超伝導スイッチを有する超伝導磁石を励磁する方法の一実施形態の流れ図を示す。
【図11】本開示技術に係る各種金属材料の熱伝導率（ｙ軸）対温度（ｘ軸）の一実施形態のグラフを示す。
【図12】本開示技術に係る各種金属材料の冷凍能力（ｙ軸）対高温端温度（ｘ軸）の一実施形態のグラフを示す。
【図13】本開示技術に係るスイッチ温度（ｙ軸）対時間（ｘ軸）のグラフを示す。
【図14】本開示技術に係る磁石ランプ（ｙ軸）時の各種パラメータ対ランプ時間（ｘ軸）のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本開示の様々な実施形態について詳細に説明し、その１以上の実施例を図面に示す。各実施例は、本技術を限定するものではなく、例示のためのものである。実際、特許請求の範囲に記載された技術的範囲及び技術的思想を逸脱することなく、本技術に様々な修正及び変更をなし得ることは当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示又は記載された特徴を、別の実施形態と共に用いてさらに別の実施形態とすることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその均等の範囲に属する修正及び変更を包含する。
【0025】
一般に、本開示は、最小インダクタンスを達成するためにバイファイラ巻きモードの超伝導回路で巻回した超伝導磁石のための超伝導スイッチに関する。一実施形態では、例えば、超伝導スイッチの熱伝導部材の一端がスイッチの本体に熱結合し、熱伝導部材の他端が極低温冷却ヒートシンクに熱結合している。さらに、熱伝導部材は、少なくとも２層からなり、１層は熱伝導性金属シートであり、もう１層は熱伝導性が低く、剛性の高い材料であって、金属シートの機械的支持体として機能する。２つの層の熱膨張率（ＣＴＥ）は比較的近い。こうして、超伝導スイッチは、超伝導磁石の至適化された非線形励磁を可能にし、この励磁プロセス中の寒剤の総消費量を最小限に抑制することもできる。
【0026】
ここで図面を参照すると、図１～図３は本開示技術に係る超伝導磁石１０の一実施形態の斜視図を示す。かかる超伝導磁石は、限定されるものではないが、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置、ＮＭＲ分光器、発電機、質量分析計、核融合炉、粒子加速器、浮上、誘導、推進などを始めとする様々な用途で有用である。具体的には、図１は、本開示技術に係る超伝導磁石１０の一実施形態の全体斜視図を示し、図２は、本開示技術に係る超伝導磁石１０の一実施形態の透視斜視図を示し、図３は、本開示技術に係る超伝導磁石１０の一実施形態の内部斜視図を示す。
【0027】
具体的には、図２に示すように、超伝導磁石１０は、一般にクライオスタットと呼ばれる断熱容器１２を備える。本明細書では、クライオスタットという用語は、極低温システムを収容する容器をいう。さらに、図３に示すように、超伝導磁石１０の断熱容器１２は、断熱容器１２の内部に内部構造２９で支持された１以上の超伝導回路１６又はコイルを含んでいる。したがって、かかる実施形態では、断熱容器１２は、線材を絶対零度近くまで（例えば１０Ｋ、好ましくは４Ｋまで）冷却できるように、１以上の超伝導回路１６を遮熱する。例えば、図３に示すように、断熱容器１２は、液体ヘリウムをタンク１５から内部構造２９へ及び／又は断熱容器１２の外壁全体に搬送する複数の導管２１を含んでいてもよい。さらに、一実施形態では、断熱容器１２の外側部分は、外部環境と断熱容器１２内の低温部品との間に配置された熱シールドを提供して、輻射伝熱も最小限にするする真空容器である。
【0028】
さらに具体的には、図に示すように、１以上の超伝導回路１６はコイル状に配置することができ、磁場を発生させるために構成することができる。特に図１に示すように、超伝導磁石１０は、超伝導回路１６に通電するため超伝導回路１６に接続される電源１８をさらに備える。
【0029】
こうして、１以上の超伝導回路１６はその超伝導状態では電気抵抗がないので、通常の線材よりも格段に大きな電流を流すことができ、強い磁場を発生させる。さらに、動作中、１以上の超伝導回路１６は、それらの臨界温度（すなわち線材が通常の抵抗状態から変化して超伝導体になる温度）未満に冷却しなければならない。通例、温度が低いほど超伝導巻線の動作が向上する（その非超伝導状態に戻らずに維持することができる電流及び磁場が高まる）ので、１以上の超伝導回路１６は、それらの臨界温度よりも大幅に低い温度に冷却される。
【0030】
そこで、図１～図３の実施形態に示すように、超伝導磁石１０は、１以上の超伝導回路１６を冷却するための液体冷却をもたらす冷却システム１４をさらに含んでいてもよい。さらに具体的には、図に示すように、冷却システム１４は、冷却媒体１７又は冷却剤を収容する１以上の冷却タンク１５を含んでいてもよい（図３）。例えば、一実施形態では、冷却媒体１７は、線材の臨界温度をはるかに下回る４．２Ｋの沸点を有する液体ヘリウムである。
【0031】
超伝導磁石１０のある動作モードでは、超伝導回路１６は、磁石が励磁されたら、超伝導材料片で短絡することができる。かかる実施形態では、例えば、短絡は、永久スイッチとも呼ばれる超伝導スイッチ２０によって行うことができる。換言すると、超伝導スイッチ２０は、一般に、超伝導磁石１０の内部の超伝導材料片であって、１以上の超伝導回路１６の巻線端に接続され、その温度を線材の転移温度を超える温度に上昇させることができるヒータを備える。かかる実施形態では、図９に示すように、超伝導スイッチ２０のリード線２３，２５，２７は、励磁プロセス時に電源１８と電気的に接続される電流リード線と電気的に接続してもよい。さらに具体的には、図に示すように、リード線２３は主巻線に接続され、リード線２７は超伝導スイッチ２０に接続され、リード線２５は電源に接続され、スイッチ２０は主巻線と電気的に並列となる。
【0032】
さらに、図４に示すように、超伝導スイッチ２０を液体ヘリウムで冷却できるようにするため、フィン型銅熱交換器のような熱交換器３０を備えていてもよい。こうして、熱交換器３０をオフにして、超伝導スイッチ２０がその転移温度未満に冷却されると、１以上の超伝導回路１６は超伝導閉ループとなるので、電源１８を切り離すことができ、磁場を維持しながら長時間永久電流が流れる。したがって、この永久モードの利点は、最良の電源で達成できるものよりも磁場の安定性が優れており、巻線に電力を供給するためのエネルギーを必要としないことである。
【0033】
さらに、超伝導磁石１０を最初にオンにする際に、超伝導スイッチ２０はその転移温度超まで加熱され、超伝導スイッチ２０は抵抗性となる。所望の磁場が得られるまで供給電流を調整してから、ヒータは切られる。超伝導スイッチ２０は、その超伝導温度まで冷却されて、１以上の超伝導回路１６を短絡させる。しかる後、電源１８を切ることができる。
【0034】
次に図４～図７を参照すると、超伝導スイッチ２０は、超伝導巻線２２と熱伝導部材２４とを含む。例えば、一実施形態では、超伝導巻線は、最小インダクタンスを達成するためのバイファイラ巻超伝導巻線であってもよい。さらに、一実施形態では、熱伝導部材２４は、超伝導巻線２２に熱結合した第１の端部２６と、冷却タンク１５に熱結合した第２の端部２８とを含む。例えば、図４に示すように、熱交換器３０は、冷却タンク１５内に装着され、冷却タンク１５のタンク壁１９に例えばろう付けによって固定された銅ロッドのような熱伝導性ロッド３２によって超伝導スイッチ２０に熱接続してもよい。さらに、図４及び図５に示すように、追加の支持構造３４を、例えばはんだ付けによって伝導性ロッド３２に取り付けてもよく、それに熱伝導部材２４の第２の端部２８を固定することができる。別の実施形態では、図６に示すように、熱伝導部材２４は、導管２１の１つに取り付けてもよい。かかる実施形態では、熱伝導部材２４は、１以上の銅編組ストラップを用いて導管２１に取り付けてもよく、銅編組ストラップは熱伝導部材２４及び導管２１に固定し得る。
【0035】
次に図８を参照すると、熱伝導部材２４の８－８矢視断面図を示す。特に、図に示すように、熱伝導部材２４は、少なくとも第１の層３６及び第２の層３８を含む。第１の層３６は、第１の熱伝導率を有する金属材料からなる。さらに、図に示すように、第２の層３８は、第１の層３６を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成される。なお、図に示すように、第２の層３８は、エポキシ樹脂４０を用いて第１の層３６に接合してもよい。
【0036】
さらに、一実施形態では、第２の層３８の熱膨張率（ＣＴＥ）は、第１の層３６のＣＴＥと実質的に等しく、例えば±１０％以内である。さらに、一実施形態では、第２の層３８は、第１の層３６よりも高い引張強さを有する。追加の実施形態では、第１の層３６の金属材料は、純度９９．９９％超の高純度金属材料からなるものであってもよい。例えば、一実施形態では、高純度金属材料は、焼鈍高純度アルミニウムであってもよい。別の実施形態では、第１の層３６は、タングステン又は白金からなるものであってもよい。別の実施形態では、第２の層３８の材料は、第１の層３６の金属材料の合金であってもよい。
【0037】
したがって、一実施形態では、４０Ｋ未満の第１の温度域（約１５Ｋ～約３０Ｋなど）での第１の層３６の第１の熱伝導率は、５０Ｋ超の第２の温度域（約５０Ｋ～約６０Ｋなど）での第１の層３６の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きくてもよい。かかる実施形態では、第２の温度域は、磁石励磁プロセスの初期段階で超伝導スイッチ２０が電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含む。別の実施形態では、第１の温度域は、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む。
【0038】
次に図１０を参照すると、本開示技術に係る超伝導スイッチを有する超伝導磁石の励磁方法１００の一実施形態の流れ図が示してある。一般に、本明細書では、図１～図９を参照して上記で説明した超伝導磁石１０及び超伝導スイッチ２０を参照して方法１００について説明する。ただし、当業者には明らかであろうが、方法１００は、一般に、適切な構成を有するあらゆる超伝導磁石で利用することができる。さらに、図１０は、例示及び説明のため特定の順序で実行されるステップを示しているが、本方法は、特定の順序又は構成に限定されるものではない。当業者には自明であろうが、本願の開示内容を用いて、本方法の様々なステップを、本開示技術の範囲から逸脱せずに、様々に、省略、再配置、組合せ及び／又は適合させることができる。
【0039】
符号１０２で示すように、本方法１００は、超伝導スイッチ２０の臨界温度よりも高い目標温度に超伝導スイッチ２０を加熱するステップを含む。符号１０４で示すように、本方法１００は、超伝導磁石１０を励磁するため超伝導スイッチ２０に電圧を印加するステップであって、超伝導スイッチ２０の自己ジュール発熱によって目標温度を維持するステップを含む。符号１０６で示すように、本方法１００は、超伝導磁石１０の励磁中に超伝導スイッチ２０の温度が徐々に低下するように、超伝導スイッチ２０の電圧を徐々に低下させるステップを含む。一実施形態では、本方法１００は、超伝導スイッチの電圧を非線形又は段階的制御によって調整することを含んでいてもよい。
【0040】
したがって、本開示の超伝導スイッチ２０は、超伝導磁石１０の至適化された非線形励磁を可能にし、この励磁プロセス中の寒剤の総消費量を最小限に抑制することもできる。特に、図１１～図１４に示すように、本開示技術の利点をさらに例示するため、様々なグラフを示す。図１１は、本開示技術に係る各種金属材料の熱伝導率（ｙ軸）対温度（ｘ軸）のグラフ２００を示す。特に、図に示すように、焼鈍高純度アルミニウムからなる超伝導スイッチ２０は、他の材料に比べて（例えば、２０４，２０６，２０８）、非線形ランププロセス（例えば、曲線２０２）でスイッチを徐々に冷却する。さらに、かかる実施形態では、スイッチ冷却のためにラッチ極低温バルブは不要である。
【0041】
図１２は、本開示技術に係る各種金属材料の冷凍能力（ｙ軸）対高温端温度（ｘ軸）のグラフ３００を示す。特に、図に示すように、焼鈍高純度アルミニウムからなる超伝導スイッチ２０（曲線３０２）は、銅（曲線３０６）よりも、特にスイッチを閉じて磁石１０を保持するための低温域（約１５Ｋ～約３０Ｋ）で、高い積分冷凍能力を有する。曲線３０４、３０８及び３１０は、それぞれタングステン、白金及びアルミニウムとの比較のために示してある。
【0042】
図１３は、本開示技術に係るスイッチ温度（ｙ軸）対時間（ｘ軸）のグラフ４００を示す。特に、図に示すように、グラフ４００は、電圧４０４の非線形ランププロファイルをスイッチ温度４０２と対比して示す。図１４は、本開示技術に係る磁石ランプ時の様々なパラメータ（ｙ軸）対ランプ時間（ｘ軸）のグラフ５００を示す。特に、図に示すように、グラフ５００は、コイル電流５０２、使用した液体ヘリウム体積５０４及び液体ヘリウム温度５０６を示す。
【0043】
本発明の様々な態様及び実施形態は、以下の実施態様項によって定義される。
［実施態様項１］
冷却媒体を収容する冷却タンクと、
磁場を発生させるために構成された１以上の超伝導回路と、
１以上の超伝導回路に通電するため１以上の超伝導回路に接続した電源と、
１以上の超伝導回路の端部と電気的に接続した超伝導スイッチと
を備える超伝導磁石であって、超伝導スイッチが、
超伝導巻線と、
超伝導巻線に熱結合した第１の端部、及び冷却タンク内の冷却媒体に熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が、第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材と
を備える、超伝導磁石。
［実施態様項２］
超伝導スイッチの超伝導巻線がバイファイラ巻超伝導巻線である、実施態様項１に記載の超伝導磁石。
［実施態様項３］
第２の層の熱膨張率（ＣＴＥ）が第１の層の熱膨張率（ＣＴＥ）と実質的に等しい、実施態様項１又は実施態様項２に記載の超伝導磁石。
［実施態様項４］
第２の層が、第１の層よりも高い引張強さを有する、実施態様項３に記載の超伝導磁石。
［実施態様項５］
第２の層が、エポキシ樹脂を用いて第１の層に接合されている、実施態様項１乃至実施態様項４のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項６］
第１の層の金属材料が、純度９９．９９％超の高純度金属材料からなる、実施態様項１乃至実施態様項５のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項７］
高純度金属材料が、焼鈍高純度アルミニウムを含む、実施態様項６に記載の超伝導磁石。
［実施態様項８］
第１の層がタングステン又は白金のいずれかで構成されている、実施態様項１乃至実施態様項７のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項９］
第２の層の材料が第１の層の金属材料の合金である、実施態様項１乃至実施態様項８のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１０］
４０Ｋ未満の第１の温度域での第１の層の第１の熱伝導率が、５０Ｋ超の第２の温度域での第１の層の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きい、実施態様項１乃至実施態様項９のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１１］
第２の温度域が、磁石励磁プロセスの初期段階で超伝導スイッチが電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含む、実施態様項１０に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１２］
第１の温度域が、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む、実施態様項１０に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１３］
超伝導スイッチが、電流リード線と電気的に接続した１以上のリード線を含んでおり、電流リード線が、励磁プロセス時に電源と電気的に接続される、実施態様項１乃至実施態様項１２のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１４］
超伝導磁石が、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置又は発電機のいずれかの一部である、実施態様項１乃至実施態様項１３のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１５］
超伝導磁石の１以上の超伝導回路の端部に電気的に接続するための超伝導スイッチであって、当該超伝導スイッチが、
超伝導巻線と、
超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材と
を備える、超伝導スイッチ。
［実施態様項１６］
超伝導スイッチを有する超伝導磁石を励磁する方法であって、超伝導スイッチが、超伝導巻線と、超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び超伝導磁石の冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材とを備えており、当該方法が、
超伝導スイッチの臨界温度よりも高い目標温度に超伝導スイッチを加熱するステップと、
超伝導磁石を励磁するため超伝導スイッチに電圧を印加するステップであって、超伝導スイッチの自己ジュール発熱によって目標温度を維持する、ステップと、
超伝導磁石の励磁中に超伝導スイッチの温度が徐々に低下するように、超伝導スイッチの電圧を徐々に下げるステップと
を含む方法。
［実施態様項１７］
超伝導スイッチの電圧を非線形又は段階的制御によって調整することをさらに含む、実施態様項１６に記載の方法。
［実施態様項１８］
第２の層の熱膨張率（ＣＴＥ）が第１の層のＣＴＥと実質的に等しく、第２の層が第１の層よりも高い引張強さを有する、実施態様項１６又は実施態様項１７に記載のの方法。
［実施態様項１９］
４０Ｋ未満の第１の温度域での第１の層の第１の熱伝導率が、５０Ｋ超の第２の温度域での第１の層の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きい、実施態様項１６乃至実施態様項１８のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様項２０］
第２の温度域が、磁石励磁プロセスの初期段階で超伝導スイッチが電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含み、第１の温度域が、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む、実施態様項１９に記載の方法。
［実施態様項１］
冷却媒体を収容する冷却タンクと、
磁場を発生させるために構成された１以上の超伝導回路と、
１以上の超伝導回路に通電するため１以上の超伝導回路に接続した電源と、
１以上の超伝導回路の端部と電気的に接続した超伝導スイッチと
を備える超伝導磁石であって、超伝導スイッチが、
超伝導巻線と、
超伝導巻線に熱結合した第１の端部、及び冷却タンク内の冷却媒体に熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が、第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材と
を備える、超伝導磁石。
［実施態様項２］
超伝導スイッチの超伝導巻線がバイファイラ巻超伝導巻線である、実施態様項１に記載の超伝導磁石。
［実施態様項３］
第２の層の熱膨張率（ＣＴＥ）が第１の層の熱膨張率（ＣＴＥ）と実質的に等しい、実施態様項１又は実施態様項２に記載の超伝導磁石。
［実施態様項４］
第２の層が、第１の層よりも高い引張強さを有する、実施態様項３に記載の超伝導磁石。
［実施態様項５］
第２の層が、エポキシ樹脂を用いて第１の層に接合されている、実施態様項１乃至実施態様項４のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項６］
第１の層の金属材料が、純度９９．９９％超の高純度金属材料からなる、実施態様項１乃至実施態様項５のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項７］
高純度金属材料が、焼鈍高純度アルミニウムを含む、実施態様項６に記載の超伝導磁石。
［実施態様項８］
第１の層がタングステン又は白金のいずれかで構成されている、実施態様項１乃至実施態様項７のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項９］
第２の層の材料が第１の層の金属材料の合金である、実施態様項１乃至実施態様項８のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１０］
４０Ｋ未満の第１の温度域での第１の層の第１の熱伝導率が、５０Ｋ超の第２の温度域での第１の層の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きい、実施態様項１乃至実施態様項９のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１１］
第２の温度域が、磁石励磁プロセスの初期段階で超伝導スイッチが電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含む、実施態様項１０に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１２］
第１の温度域が、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む、実施態様項１０に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１３］
超伝導スイッチが、電流リード線と電気的に接続した１以上のリード線を含んでおり、電流リード線が、励磁プロセス時に電源と電気的に接続される、実施態様項１乃至実施態様項１２のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１４］
超伝導磁石が、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置又は発電機のいずれかの一部である、実施態様項１乃至実施態様項１３のいずれか１項に記載の超伝導磁石。
［実施態様項１５］
超伝導磁石の１以上の超伝導回路の端部に電気的に接続するための超伝導スイッチであって、当該超伝導スイッチが、
超伝導巻線と、
超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材と
を備える、超伝導スイッチ。
［実施態様項１６］
超伝導スイッチを有する超伝導磁石を励磁する方法であって、超伝導スイッチが、超伝導巻線と、超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び超伝導磁石の冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材とを備えており、当該方法が、
超伝導スイッチの臨界温度よりも高い目標温度に超伝導スイッチを加熱するステップと、
超伝導磁石を励磁するため超伝導スイッチに電圧を印加するステップであって、超伝導スイッチの自己ジュール発熱によって目標温度を維持する、ステップと、
超伝導磁石の励磁中に超伝導スイッチの温度が徐々に低下するように、超伝導スイッチの電圧を徐々に下げるステップと
を含む方法。
［実施態様項１７］
超伝導スイッチの電圧を非線形又は段階的制御によって調整することをさらに含む、実施態様項１６に記載の方法。
［実施態様項１８］
第２の層の熱膨張率（ＣＴＥ）が第１の層のＣＴＥと実質的に等しく、第２の層が第１の層よりも高い引張強さを有する、実施態様項１６又は実施態様項１７に記載のの方法。
［実施態様項１９］
４０Ｋ未満の第１の温度域での第１の層の第１の熱伝導率が、５０Ｋ超の第２の温度域での第１の層の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きい、実施態様項１６乃至実施態様項１８のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様項２０］
第２の温度域が、磁石励磁プロセスの初期段階で超伝導スイッチが電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含み、第１の温度域が、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む、実施態様項１９に記載の方法。
【0044】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲と文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と非本質的な差しかない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【0045】
１０ 超伝導磁石
１２ 断熱容器
１４ 冷却システム
１５ 冷却タンク
１６ 超伝導回路
１７ 冷却媒体
１８ 電源
２０ 超伝導スイッチ
２１ 導管
２２ 超伝導巻線
２３ リード線
２４ 超伝導部材
２５ リード線
２６ 熱伝導部材の第１の端部
２７ リード線
２８ 熱伝導部材の第２の端部
２９ 断熱容器の内部構造
３０ 熱交換器
３２ 熱伝導性ロッド
３４ 追加の支持構造
３６ 熱伝導部材の第１の層
３８ 熱伝導部材の第２の層
４０ エポキシ樹脂
１２ 断熱容器
１４ 冷却システム
１５ 冷却タンク
１６ 超伝導回路
１７ 冷却媒体
１８ 電源
２０ 超伝導スイッチ
２１ 導管
２２ 超伝導巻線
２３ リード線
２４ 超伝導部材
２５ リード線
２６ 熱伝導部材の第１の端部
２７ リード線
２８ 熱伝導部材の第２の端部
２９ 断熱容器の内部構造
３０ 熱交換器
３２ 熱伝導性ロッド
３４ 追加の支持構造
３６ 熱伝導部材の第１の層
３８ 熱伝導部材の第２の層
４０ エポキシ樹脂
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【手続補正書】
【提出日】2024-05-17
【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】
冷却媒体を収容する冷却タンクと、磁場を発生させるために構成された１以上の超伝導回路と、
前記１以上の超伝導回路に通電するため前記１以上の超伝導回路に接続した電源と、
前記１以上の超伝導回路の端部と電気的に接続した超伝導スイッチと
を備える超伝導磁石であって、前記超伝導スイッチが、
超伝導巻線と、
前記超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び前記冷却タンク内の冷却媒体に熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、前記熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が、第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材と
を備える、超伝導磁石。
【請求項2】
前記超伝導スイッチの超伝導巻線がバイファイラ巻超伝導巻線である、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項3】
第２の層の熱膨張率（ＣＴＥ）が第１の層の熱膨張率（ＣＴＥ）と実質的に等しい、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項4】
第２の層が、第１の層よりも高い引張強さを有する、請求項３に記載の超伝導磁石。
【請求項5】
第２の層が、エポキシ樹脂を用いて第１の層に接合されている、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項6】
第１の層の金属材料が、純度９９．９９％超の高純度金属材料からなる、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項7】
前記高純度金属材料が、焼鈍高純度アルミニウムを含む、請求項６に記載の超伝導磁石。
【請求項8】
第１の層がタングステン又は白金のいずれかで構成されている、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項9】
第２の層の材料が、第１の層の金属材料の合金である、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項10】
４０Ｋ未満の第１の温度域での第１の層の第１の熱伝導率が、５０Ｋ超の第２の温度域での第１の層の第１の熱伝導率よりも３倍以上大きい、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項11】
第２の温度域が、磁石励磁プロセスの初期段階で当該超伝導スイッチが電気抵抗性を保つ状態にあるときの温度を含む、請求項１０に記載の超伝導磁石。
【請求項12】
第１の温度域が、第２の温度域の約３分の１～２分の１に等しい温度を含む、請求項１０に記載の超伝導磁石。
【請求項13】
前記超伝導スイッチが、電流リード線で電気的に接続した１本以上のリード線を含み、前記電流リード線が、励磁プロセス時に電源と電気的に接続される、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項14】
当該超伝導磁石が、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置又は発電機のいずれかの一部である、請求項１に記載の超伝導磁石。
【請求項15】
超伝導スイッチを有する超伝導磁石を励磁する方法であって、前記超伝導スイッチが、超伝導巻線と、前記超伝導巻線に熱結合した第１の端部及び前記超伝導磁石の冷却タンクに熱結合した第２の端部を有する熱伝導部材であって、前記熱伝導部材が、少なくとも第１の層及び第２の層を備えており、第１の層が第１の熱伝導率を有する金属材料で構成され、第２の層が、第１の層を支持し、かつ第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する材料で構成されている、超伝導部材とを備えており、当該方法が、前記超伝導スイッチの臨界温度よりも高い目標温度に前記超伝導スイッチを加熱するステップと、
前記超伝導磁石を励磁するため前記超伝導スイッチに電圧を印加するステップであって、前記超伝導スイッチの自己ジュール発熱によって目標温度を維持する、ステップと、
前記超伝導磁石の励磁中に前記超伝導スイッチの温度が徐々に低下するように、前記超伝導スイッチの電圧を徐々に下げるステップと
を含む方法。
【国際調査報告】