專利名稱：用于超導線圈的筒體和超導螺線管線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶狀超導線材繞其多層螺旋卷繞以便形成超導線圈的筒體，并且涉及通過將帶狀超導線材圍繞筒體多層卷繞而形成的螺線管線圈。更特別是，本發(fā)明涉及一種具有圓柱形鼓并通過簡單的卷繞操作使得帶狀超導線材圍繞筒體多層螺旋卷繞以便形成螺線管線圈并且在鼓的兩端反繞同時減小線材的變形的筒體，并且涉及一種形成有筒體的螺線管線圈。
背景技術(shù)：
作為超導線材，例如NbTi或Nb3Sn的金屬超導線材和例如氧化鉍和氧化釔的氧化物超導線材是公知的。前者金屬超導線材成形為具有圓形或矩形截面的厚帶。由于需要通過滾壓或其它方法調(diào)節(jié)氧化物晶體的取向，后者氧化物超導線材通常成形為薄帶。
扁平卷繞和螺線管卷繞是用于卷繞超導線材以便形成超導線圈的方法。迄今為止，主要使用扁平卷繞。扁平卷繞方法在例如日本未審查專利申請公開文本NO.2001-332415中披露。但是近年來，越來越多地使用螺線管線圈主要作為超導線圈，以便用于分析和醫(yī)療保健，例如核磁共振分析和磁共振成形。這是由于可以容易地獲得高度一致的磁場。例如未審查專利申請公開文本NO.10-289817中披露了一種螺線管卷繞的方法。
卷繞-和-反應(yīng)技術(shù)以及反應(yīng)-和-卷繞技術(shù)用來通過這種超導線材形成螺線管線圈。在卷繞-和-反應(yīng)技術(shù)中，在線材圍繞筒體卷繞之后給予線材超導性能。相比之下，在反應(yīng)-和-卷繞技術(shù)中，在給予線材超導性能之后線材圍繞筒體卷繞。在通過卷繞-和-反應(yīng)技術(shù)形成氧化物超導線圈時，由于線材卷繞成線圈并且接著進行氧化加熱以變成超導，減小了由于線材變形造成的超導性能退化。另一方面，由于緊密卷繞成線圈的線材進行加熱同時將氧氣從外部供應(yīng)其上，線圈內(nèi)部容易缺氧。此外，已經(jīng)指出由于在卷繞之后高溫下進行加熱難以絕緣線圈。為此，如所述的日本未審查專利申請公開文本H10-289817教導那樣，提出一種方法，其中同樣在卷繞之后氧化加熱過程中經(jīng)由筒體的鼓內(nèi)設(shè)置的通氣孔從線圈內(nèi)部供應(yīng)氧化氣體。
相比之下，在反應(yīng)-和-卷繞技術(shù)中，可以供應(yīng)足夠量的氧以便使得線材超導。但是，在超導線材螺旋(螺線管)卷繞以便形成多個層時，線材在反繞位置(線材從第一層反繞到第二層、從第二層反繞到第三層、從第三層反繞到第四層等)處嚴重變形。這種變形使得超導性能退化。為此，似乎提出了多種方法來減小反繞位置處線材的變形，盡管它們在多種文件中沒有特別描述。但是，就本發(fā)明人所知來說，沒有提出一種滿意地減小反繞位置處的變形并有助于反繞操作的方法。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到所述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種帶狀超導線材繞其多層螺旋卷繞以便形成螺線管線圈的筒體，該筒體使得超導線材從某個層到隨后層的過程中在鼓的端部處容易和平緩反繞，同時減小超導線材的變形，而不考慮超導線材是否由金屬或氧化物形成，或者是否螺線管線圈由反應(yīng)-和-卷繞技術(shù)或卷繞-和-反應(yīng)技術(shù)形成。本發(fā)明的另一目的在于提供一種形成有筒體并且減小超導性能退化的緊湊螺線管線圈。
為了解決所述問題，按照本發(fā)明的一個方面的用于超導線圈的筒體包括帶狀線材(超導帶和超導帶的前體)繞其多層螺旋卷繞的圓柱形鼓；以及從鼓的每個端部延伸并且具有以任意角度傾斜的錐形部分。
錐形表面可以恒定角度傾斜，或者可以包括兩個或多個傾斜面，使得傾斜角度逐步增加。作為選擇，錐形表面可以是彎曲面，使得傾斜角度以無級方式連續(xù)增加。
按照本發(fā)明另一方面的螺線管線圈包括圍繞所述筒體的鼓多層螺旋卷繞的帶狀超導線材。帶狀線材通過接觸錐形部分卷繞而沿著筒體的錐形部分反繞，并且通過反繞操作，帶狀線材的螺旋卷繞角度從α改變成-α。
本發(fā)明的筒體具有極度簡單的結(jié)構(gòu)，其中具有以任意角度傾斜的錐形表面的錐形部分設(shè)置在鼓的每個端部處。采用這種結(jié)構(gòu)，通過簡單地沿著錐形部分反繞，帶狀超導線材或其前體可容易、平緩并螺旋卷繞，以便形成隨后層，并且減小變形。
另外，如上所述，由于可以減小反繞位置處造成的變形，具有極好的超導性能的螺線管線圈具有高生產(chǎn)率和低成本，而不考慮它是否通過反應(yīng)-和-卷繞技術(shù)或卷繞-和-反應(yīng)技術(shù)來形成。


圖1是按照方面實施例的筒體的前視圖；圖2是表示帶狀線材圍繞圖1所示的筒體螺旋卷繞的狀態(tài)的示意圖；圖3是按照本發(fā)明另一實施例的筒體的前視圖；圖4是按照本發(fā)明又一實施例的筒體的前視圖；圖5是按照本發(fā)明再一實施例的筒體的前視圖；圖6是按照本發(fā)明再一實施例的筒體的前視圖；圖7是按照本發(fā)明用于第一實例的筒體的前視圖；圖8是用于第一實例的帶狀線材的示意圖；圖9是用于第二實例的筒體的前視圖；以及圖10是用于第二實例的帶狀線材的示意圖。
具體實施例方式
按照本發(fā)明的筒體包括圓柱形鼓，并且用來形成超導螺線管線圈。帶狀(片狀)超導線材或其前體圍繞鼓多層螺旋卷繞。錐形部分從筒體的鼓的每個端部延伸，并且具有以任意角度傾斜的錐形表面，使得錐形部分的直徑朝著其尖端減小。
圖1是按照本發(fā)明實施例的筒體的前視圖。如圖1所示，錐形部分2從圓柱形鼓1的每個端部延伸，并且具有以任意角度θ傾斜的錐形表面。帶狀線材3從鼓1的一端以任意螺旋卷繞角度γ圍繞筒體螺旋緊密卷繞，如圖2所示。在這種情況下，在帶狀線材3的相鄰繞圈相互覆蓋時，帶狀線材3在重疊位置處局部升高。這干擾了電磁波并且不利地影響線圈性能。因此，需要采取注意，使得帶狀線材3的繞圈不重疊。
在這種情況下，滿足下面的關(guān)系表達式P＝W/sinαπd＝Ptanα＝(W/sinα)×(sinα/cosα)＝W/cosαcosα＝W/πd，即α＝arcos(W/πD)其中D表示鼓1的外直徑，W表示帶狀線材3的寬度，P表示螺旋節(jié)距以及α表示螺旋卷繞角度。即對于緊密卷繞來說希望的是滿足α＝arcos(W/πD)的條件。
在間隔件布置在帶狀線材3的相鄰繞圈之間以便絕緣時，所述寬度W是線材3的寬度和間隔件的寬度之和。
對于所述的螺旋卷繞結(jié)構(gòu)來說，帶狀線材3可圍繞鼓1平緩和螺旋地卷繞。
但是，如現(xiàn)有技術(shù)描述中所指出那樣，在公知螺線管線圈中，圖1所示的錐形部分2不設(shè)置在鼓的導前端部處。因此，在通過從鼓的一端到另一端螺旋卷繞帶狀線材形成一個層并且?guī)罹€材接著在相反方向上反繞以便在形成的層上形成一個層，調(diào)節(jié)反繞操作的螺旋卷繞角度是非常困難和煩瑣的。另外，需要以三維復雜方式保持帶狀線材，以便調(diào)節(jié)螺旋卷繞角度。在折疊部分處的超導性能顯著下降。此外，由于對于每個反繞操作來說需要相當長的線材，帶狀線材的浪費不能忽略。
相比之下，此實施例的筒體具有從鼓1的兩個端部延伸的錐形部分2，并因此可以平緩和容易地進行所述的反繞操作，如下面描述那樣。圖2是表示在錐形部分2處將帶狀線材3反繞在鼓1上的狀態(tài)的示意圖。在圖2中，注意部件局部放大。圖2的右側(cè)是表示沿著錐形部分2將帶狀線材3再次反繞在鼓1上的狀態(tài)的展開示意圖。
如圖所示，在帶狀線材3圍繞鼓1螺旋卷繞并且從鼓1的端部到錐形部分(傾斜面)2時，它還圍繞錐形部分2緊密卷繞。因此，帶狀線材3與錐形部分2緊密接觸卷繞，同時按照錐形表面的傾斜角度改變卷繞方向。
錐形部分2的錐形表面相對于筒體的中心線AO對稱，如圖2右側(cè)上的展開示意圖所示。因此，在帶狀線材3圍繞鼓1以螺旋卷繞角度α卷繞到錐形部分2的同時，它以與螺旋角度α相反的角度-α從錐形部分2反繞到鼓1。帶狀線材3接著圍繞鼓1以螺旋卷繞角度-α圍繞鼓1螺旋卷繞，以便形成隨后層。
在帶狀線材3螺旋卷繞并到達鼓1的左端部時，它與錐形部分2緊密接觸卷繞，并且螺旋卷繞方向(角度)從-α自然地改變成α。類似于所述情況，帶狀線材3接著圍繞鼓1以螺旋卷繞角度α卷繞。
因此通過沿著錐形部分2在鼓1的兩個端部處重復所述的反繞操作，帶狀線材3可平緩反繞以便依照順序和緊密方式形成隨后層，同時減小反繞所需的長度，并且沒有在端部處不規(guī)則地升高帶狀線材3。此外，帶狀線材3的變形只通過反繞操作中在鼓1的表面和錐形部分2之間的傾斜角度的略微差別造成。因此，變形本身可以減小。在傾斜角度設(shè)計成較小時，帶狀線材3圍繞錐形部分2卷繞的部分的長度變得略微較大，但是反繞部分處的變形進一步減小。
按照本發(fā)明實施例的筒體的特征在于錐形部分設(shè)置在鼓的每個端部處，如上所述。鼓1的直徑和長度以及錐形部分2的傾斜角度和長度不受到限制，并且可以根據(jù)需要任意改變。鼓1和錐形部分2的材料也不受到限制，并且可以采用任何材料，只要它們具有適當結(jié)構(gòu)強度并沒有不利地影響超導性能即可。
在氧化加熱之前通過這種筒體卷繞氧化物超導線材的前體并且氧化物超導線圈通過反應(yīng)-和-卷繞技術(shù)制造時，需要在卷繞之后進行氧化加熱。因此，使用能夠經(jīng)受氧化加熱的例如陶瓷的耐熱和耐氧化材料，并且細槽或通氣孔可設(shè)置在鼓內(nèi)，或者鼓可由網(wǎng)格構(gòu)件形成，使得氧化加熱從內(nèi)部有效進行。
使用按照此實施例的筒體可減小線材反繞時帶狀線材的變形。因此，即使使用氧化物超導線材，只要它相對薄，也可以多層連續(xù)和螺旋卷繞，而不造成損壞和裂紋。
雖然在所述實施例中錐形部分2的錐形表面以恒定角度傾斜，它可以通過兩個或多個傾斜面來形成(圖3的兩個傾斜面2a和2b)，使得傾斜角度朝著錐形部分2的尖端增加，如圖3所示。由于在線材圍繞傾斜面卷繞時造成的帶狀線材的變形可以進一步減小，這是優(yōu)選的。作為選擇，在錐形表面是其傾斜角度以無級方式改變的彎曲面2z時，如圖4所示，可以進一步減小變形。如圖5和6所示，凸緣4可設(shè)置在每個錐形部分2的端部處。
該實施例的所述筒體具有簡單結(jié)構(gòu)，如圖所示。簡單來說，錐形部分從具有任意尺寸(直徑和長度)的鼓的每個端部延伸，并且具有以任意角度傾斜的錐形表面。通過將與錐形部分接觸的圍繞鼓螺旋卷繞的帶狀線材反繞的簡單操作，線材可平緩卷繞，以便形成隨后層，同時減小反繞部分處造成的線材變形。
圍繞筒體螺線管卷繞的超導線材(或其前體)的類型不特別受到限制，并且可以使用所有的氧化物超導線材和金屬超導線材。氧化物超導線材的實例是由Bi-2212(Bi2Sr2Ca1Cu2Oy)和Bi-2223(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)形成的氧化鉍超導線材，以及包括YBCO(YBa2Cu3Ox)的前體多種氧化物超導線材和日本未審查專利申請公開文本NO.2003-115225中披露的氧化物超導線材。金屬超導線材的實例是由Nb3Sn、NbTi、Nb3Al、NbZr、MgB2和V3Ga形成的超導線材。
由于金屬超導線材本身具有中等柔性，它可以圍繞此實施例的筒體連續(xù)和多層螺線管卷繞，而沒有任何問題。氧化物超導線材的前體也可圍繞筒體在變形狀態(tài)下螺線管卷繞。即使使用具有的變形性能的氧化物超導線材，也適用于卷繞-和-反應(yīng)技術(shù)以及反應(yīng)-和-卷繞技術(shù)兩者，如上所述，這是由于可以減小反繞造成的線材的變形。
在通過圍繞筒體螺線管卷繞超導帶狀線材形成的線圈中，圍繞鼓多層緊密卷繞的線材可在具有在鼓的軸向上延伸的一定長度的區(qū)域內(nèi)形成高度一致的磁場，并且可以實現(xiàn)極好的性能，以便超導線圈用于分析和醫(yī)療保健，例如核磁共振分析和磁共振成像。
雖然下面結(jié)合實例特別描述本發(fā)明的構(gòu)造和操作優(yōu)點，應(yīng)該理解到本發(fā)明不局限于以下的實例，在不偏離本發(fā)明以上所述和下面描述的范圍的情況下可以進行適當變型，并且這些變型包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
第一實例圖8所示的具有10mm寬度W和0.2mm厚度t的帶狀線材圍繞筒體以88°的螺旋卷繞角度α緊密和螺線管卷繞，筒體具有80mm圓柱形部分的外直徑D、500mm的長度L以及30°的錐形角度θ，使得線材的相鄰繞圈不相互重疊。線材以88°角度從圓柱形部分的一端卷繞到錐形部分，以便形成第一層，并且與錐形部分緊密接觸地反繞。帶接著圍繞圓柱形部分在與第一層的方向相反的方向上以88°卷繞，由此形成第二層。因此，線材可平緩反繞，以便形成第二層，同時與錐形部分緊密接觸。
第二實例圖10所示的具有10mm寬度W和0.2mm厚度t的帶狀線材圍繞筒體以88°的螺旋卷繞角度α緊密和螺線管卷繞，筒體具有80mm圓柱形部分的外直徑D、500mm的長度L以及10°的錐形角度θ1和30°的錐形角度θ2，使得線材的相鄰繞圈不相互重疊。線材以88°角度從圓柱形部分的一端卷繞到第一錐形部分，以便形成第一層，并且與第一錐形部分和第二錐形部分緊密接觸地反繞，并且接著圍繞圓柱形部分在與第一層的方向相反的方向上以88°卷繞，由此形成第二層。因此，線材可與錐形部分緊密接觸平緩反繞，以便形成第二層。
在線材多層螺線管卷繞時，線圈直徑逐步增加，并且相對于錐形部分的卷繞角度略微變化。但是，由于錐形部分的功能不改變，可以進行多層卷繞而沒有任何問題。
按照以下的規(guī)格，由Bi-2223(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)形成的帶狀超導線材圍繞不銹鋼筒體螺線管卷繞，該筒體具有與第一和第二實例中描述的相同螺線管結(jié)構(gòu)螺線管卷繞的參數(shù)內(nèi)直徑80mm、外直徑80.8mm、長度500mm、繞圈/層49、層數(shù)2、繞圈數(shù)量98隨后，所得螺線管線圈浸入環(huán)氧樹脂以便固定卷繞，并且接著在液體氦中在4.2K下進行激勵測試。因此，可以通過1000A的電流，并且產(chǎn)生0.24T的磁場。
接著，螺線管線圈插入金屬超導磁體的內(nèi)層，在具有100mm直徑的圓柱形空間內(nèi)產(chǎn)生17T的磁場，并且在17T的背景磁場中進行激勵測試。在這種情況下操作溫度設(shè)置在4.2K。因此，可以通過400A的電流，并且產(chǎn)生0.097T的磁場。產(chǎn)生磁場和背景磁場的總和是17.097T。
權(quán)利要求
1.一種用于超導線圈的筒體，包括超導線材或超導線材的前體繞其多層螺旋卷繞的鼓；以及從鼓的每個端部延伸的錐形部分；其中超導線材或前體成形為帶狀；以及其中錐形部分具有以任意角度傾斜的錐形表面，使得錐形部分的直徑朝著其尖端減小。
2.如權(quán)利要求1所述的筒體，其特征在于，錐形表面以恒定角度傾斜。
3.如權(quán)利要求1所述的筒體，其特征在于，錐形表面包括多個傾斜面，使得錐形表面的傾斜角度逐步增加。
4.如權(quán)利要求1所述的筒體，其特征在于，錐形表面是彎曲面，使得錐形表面的傾斜角度連續(xù)增加。
5.一種螺線管線圈，包括成形為帶狀并且圍繞如權(quán)利要求1-4任一項所述的筒體的鼓多層螺旋卷繞的超導線材或超導線材的前體；其中通過與錐形部分接觸卷繞，超導線材或前體沿著錐形部分反繞；以及其中在超導線材或前體反繞時，超導線材或前體的螺旋卷繞角度從α改變成-α。
全文摘要
一種用于超導線圈的筒體包括圓柱形鼓以及從鼓的每個端部延伸的錐形部分。成形為帶狀的超導線材或超導線材前體圍繞鼓多層螺旋卷繞。錐形部分具有以任意角度傾斜的錐形表面。
文檔編號H01F6/06GK1933044SQ200610128588
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月5日
發(fā)明者財津享司, 宮武孝之, 宮崎隆好, 尾崎修, 福山和宏 申請人:株式會社神戶制鋼所