JPH08505011A - 空冷式磁心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 放電ポンプ式レーザー、たとえばエキシマーレーザー、金属蒸気レーザー、およびパルスＣＯ₂レーザーの商業的および医学的利用により、全出力を増大させるために反復速度を増大させるという要求が生じた。しかし反復速度の増大は、これらのレーザーを駆動させるために用いられる磁心のロスをも増大させる。磁心を冷却するためには、既知の磁心構造につき空冷を利用するのは不適当である。その結果、磁心材料の過度の温度上昇が磁心特性の不都合な変化、たとえば飽和磁気誘導の低下をもたらす。さらに過度の温度上昇は巻線上または磁心自体の内部の層間絶縁の絶縁材料に損傷を与える可能性がある。本発明は、レーザーに用いられている磁心の現在の断面積および長さの範囲内で、改良された冷却性を備え、かつ冷却流体を必要としない磁心を提供する。本発明の磁心は少なくとも２つの同軸コアレットを含み、それらのコアレットは磁性非晶質金属合金から形成され、かつガス通路によって実質的に分離されている。本発明の磁心は線形誘導粒子加速器における高電力パルス電源を含めた種々のパルス電力用途における磁心材料として、エネルギーをパルス電源からこれらの加速器のビームにカップリングさせるための誘導モジュールとして、および慣性閉込め融合の研究のための発電機の磁気スイッチとして、ならびにエキシマーレーザー、金属蒸気レーザー、およびパルスＣＯ₂アセンブリー線形レーザーを駆動するための磁気変調器に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】 空冷式磁心 発明の背景 本発明は空冷式磁心に関するものである。 ガラス質金属合金または金属ガラスとしても知られている非晶質金属合金は、 長距離秩序（ｌｏｎｇ ｒａｎｇｅ ｏｒｄｅｒ）の欠如した準安定材料である 。非晶質金属合金は簡便には当技術分野で慣用される加工法を用いて、溶融物か ら急冷により製造される。そのような非晶質金属合金の例およびそれらの製造方 法は、同一出願人による米国特許第３，８５６，５１３号明細書に記載されてい る。非晶質金属合金がもつ有利な軟磁性は、多様な磁心、たとえば配電変圧器お よびスイッチ−モード電源における材料としてのそれらの広範な用途に利用され ている。 それらの軟磁心に関する用途の１つはパルス電力におけるものである。この用 途においては、長い捕捉期間（ａｃｑｉｓｉｓｉｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）を伴う低 い平均入力が、短い伝達期間で送電される高いピーク電力をもつ出力に変換され る。このように高い電力パルスの電気エネルギーを生じる際には、１００Ｔ／μ ｓに及ぶ著しい高速磁化反転（ｆａｓｔ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｖ ａｒｓａｌ）が磁心材料において起こる。パルス電力用途の例には、磁気パルス コンプレッションのための、およびターンオン中の回路素子の保護のための可飽 和リアクトル、ならびに線形誘導粒子加速器におけるパルス変成器が含まれる。 非晶質金属合金は、高い抵抗率および薄いリボンの形状をもち、このため高速 磁化反転下でのロスが低いので、パルス電力用途に好適である。（たとえばスミ スおよびナターシン（Ｃａｒｌ Ｈ．Ｓｍｉｔｈ，Ｄａｖｉｄｓｏｎ Ｍ．Ｎａ ｔｈａｓｉｎｇｈ)，“高速パルス励磁下での金属ガラスの磁性”，ＩＥＥＥ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＲＥＣＯＲＤ ＯＦ ＴＨＥ １６ＴＨ ＰＯＷＥＲ ＭＯＤＵＬＡＴＯＲ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ，２４０（１９８４）を参照されたい 。）さらに非晶質金属合金はそれらの非結晶性のため磁気結晶異方性（ｍａｇｎ ｅｔｏ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）をもたず、従って焼 なましして、高い磁化速度下での材料の飽和磁気誘導の２倍の理論的最大値に近 い値 を伴う極めて大きな磁束幅（ｆｌｕｘ ｓｗｉｎｇ）を付与することができる。 非晶質金属合金のこれらの有利な観点により、それらは線形誘導粒子加速器にお ける高電力パルス電源を含めた種々のパルス電力用途における磁心材料として、 エネルギーをパルス電源からこれらの加速器のビームにカップリングさせるため の誘導モジュールとして、および慣性閉込め融合（ｉｎｅｒｔｉａｌ ｃｏｎｆ ｉｎｅｍｅｎｔ ｆｕｓｉｏｎ）の研究のための発電機の磁気スイッチとして、 ならびにエキシマーレーザーを駆動するための磁気変調器において利用されてい る。 放電ポンプ式レーザー（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ−ｐｕｍｐｅｄ ｌａｓｅｒ）、 たとえばエキシマーレーザー、金属蒸気レーザー、およびパルスＣＯ₂レーザー の商業的および医学的利用により、全出力を増大させるために反復速度を増大さ せるという要求が生じた。しかし反復速度の増大は、これらのレーザーを駆動さ せるために用いられる磁心のロスをも増大させる。磁心を冷却するためには、既 知の磁心構造につき空冷を利用するのは不適当である。その結果、磁心材料の過 度の温度上昇が磁心特性の不都合な変化、たとえば飽和磁気誘導の低下をもたら す。さらに過度の温度上昇は巻線上または磁心自体の内部の層間絶縁の絶縁材料 に損傷を与える可能性がある。 磁心の対流冷却は、磁心の有効表面積により制限され、コアーロスと表面積の 比率により決定される。可飽和磁心用途においては、磁心の断面積、および単位 体積当たりのコアーロスがそのシステムについてのシステムパラメーターにより 固定されるので、この比率は抑制される。磁心の内径および外径を増大させると 有効表面積は増大するが、これに比例してコアーロスも増大し、結果的に温度が 同じぐ上昇する。磁心の長さを増大させると同様に有効表面積が増大するが、こ れはレーザー内のスペースの制限のため実用的でない場合が多い。 工業的には冷却流体、たとえば油またはクロロフルオロカーボンが磁心の冷却 のために用いられている。冷却流体は磁心内のチャネル（流路）を貫通する。リ ード（Ｋ．Ｗ．Ｒｅｅｄ）ら，“反復パルス型磁気スイッチのためのチャネル冷 却法”，ＩＥＥＥ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＲＥＣＯＲＤ ＯＦ ＴＨＥ １９ ９０ １９ＴＨ ＰＯＷＥＲ ＭＯＤＵＬＡＴＯＲ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ，１９ ２（１９９０）、およびストーン（Ｒ．Ｓｔｏｎｅ）ら，“ＬＬＮＬおよびサン ディアにおける磁心冷却研究”，ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＭＡＧＮＥＴＩ Ｃ ＰＵＬＳＥ ＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ ＷＯＲＫＳＨＯＰ ２，１０４（１ ９９１）を参照されたい。ストーンらは、現在用いられている１，１，２−トリ クロロ−１，２，２−トリフルオロエタン（ＣＦＣ−１１３）は反復速度の高い デバイス内で適切に冷却するためには加圧しなければならないこと、ならびに加 圧システムは環境、安全性および価格上の理由で望ましくないので他の冷却流体 を考慮しなければならないことを教示している。 さらにリードらは、磁心が２枚のプレートを向き合わせて取り付けることによ り形成された、その直径全体にわたる１本の垂直通路を有し、それはプレート間 の種々の幅および厚さのポリマーストリップにより形成された多数のチャネルを 有するという実験につき教示している。これらのチャネル内に冷却オイルが配置 された。この参考文献は、この実験構造体が巻取り過程において適宜な間隔で構 築物に多数のポリカーボネートストリップを配置することにより磁心に冷却チャ ネルを形成するための実際の技術を模したものであることを教示している。スト ーンらは、絶縁体の層と交互の非晶質金属層により形成された巻き磁心（ｗｏｕ ｎｄ ｃｏｒｅ）を教示している。冷却流体ＣＦＣ−１１３が補助的な冷却チャ ネルと共に、またはチャネルなしで用いられる。 従って当技術分野においては、レーザーに用いられている磁心の現在の断面積 および長さの範囲内で、改良された冷却性を備え、かつ冷却流体を必要としない 新規な磁心構造体が要望されている。冷却流体の使用はシステムに経費を付加し 、環境に対しても望ましくない。 発明の概要 本発明者らは、当技術分野における前記の要望に応える磁心を開発した。本発 明は、レーザーに用いられている磁心の現在の断面積および長さの範囲内で、改 良された冷却性を備え、かつ冷却流体を必要としない磁心を提供する。本発明の 磁心は少なくとも２つの同軸コアレット（ｃｏｒｅｌｅｔ）を含み、それらのコ アレットは磁性非晶質金属合金から形成され、かつガス通路によって実質的に分 離されている。 本発明の磁心は、主磁心が半径方向に少なくとも２つの同軸コアレットに小分 割され、それらのコアレット間にガス通路を備えていることにより、磁心の自由 または強制対流冷却により排除される熱が増大するので、使用に有利である。本 明細書において用いられる“コアレット”という語は、主磁心よりサイズが小さ い磁心を意味する。 本発明は、ガスによって実質的に分離された少なくとも２つの同軸の磁性非晶 質金属合金円筒を含む磁心をも提供する。好ましい態様において本発明は、磁性 非晶質金属合金リボンおよび少なくとも１つのスペーサーシートを含む改良され た冷却性を備えた磁心であって、その際リボンおよびスペーサーシートが同時に 巻取られて、スペーサーシートのうちの１つによって実質的に分離された少なく とも２つのリボンコアレットを有する磁心を形成したものを提供する。 本発明の他の利点は以下の記載、添付の図面および後記の請求の範囲から明ら かになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、少なくとも２つの同軸コアレットを有する本発明の磁心を示す。 図２は、少なくとも３つの同軸コアレットを有する本発明の磁心を示す。 図３は、少なくとも３つの同軸コアレットおよび２つのスペーサーシートを有 する本発明の磁心を示す。 図４は、本発明に使用しうるスペーサーシートのデザインを示す。 好ましい態様の詳細な説明 図１の磁心１０につき述べる。磁心１０は２つの同軸コアレット１２を有し、 その際コアレットは磁性非晶質金属合金で作成され、ガス通路１４によって実質 的に分離されている。コアレット１２は任意の磁性非晶質金属合金で作成するこ とができる。好ましい非晶質金属合金には、同一出願人による米国特許第５，０ １１，５５３および５，０６２，９０９号明細書（参考として本明細書に引用す る）に記載される鉄基合金が含まれる。他の好ましい非晶質金属合金は下記のメ トグラス（Ｍｅｔｇｌａｓ、登録商標）合金である： これらはアライド−シグナル・インコーポレーテッド、アメリカ合衆国ニュージ ャージー州モリスタウン、から入手される。同一出願人による米国特許第４，０ ６７，７３２号明細書（参考として本明細書に引用する）にはメトグラス（登録 商標）２８２６ＭＢ合金が記載されている。同一出願人による米国特許第４，２ １９，３５５号明細書（参考として本明細書に引用する）にはメトグラス（登録 商標）２６０５ＳＣ合金が記載され、同一出願人による米国特許第４，３２１， ０９０号明細書（参考として本明細書に引用する）にはメトグラス（登録商標） ２６０５ＣＯ合金が記載されている。 より好ましい合金はＣｏ₆₉Ｆｅ₄Ｎｉ₁Ｍｏ₂Ｂ₁₂Ｓｉ₁₂；Ｆｅ₈₁Ｂ_13.5Ｓｉ_3.5 Ｃ₂；Ｆｅ₆₆Ｃｏ₁₈Ｂ₁₅Ｓｉ₁；およびＦｅ₇₈Ｓｉ₁₃Ｂ₉である。極めて好ましい 合金はＣｏ₆₉Ｆｅ₄Ｎｉ₁Ｍｏ₂Ｂ₁₂Ｓｉ₁₂である。 一般に非晶質金属合金はリボンの形で製造され、次いで標準的な金属マンドレ ル１６上に巻取られる。図示されていないが、好ましくは非晶質金属合金は絶縁 体と同時にせん状に巻取られて、コアレット１２を形成する。磁心に一般に用い られる任意の絶縁材を本発明に使用しうる。有用な絶縁材の例は、同一出願人に よる米国特許第５，０９１，２５３号明細書（参考として本明細書に引用する） に記載されている。磁心１０に付与される巻線には標準的な金属マンドレル１６ が用いられる。一般に金属シート１８が磁心１０の外周りに巻付けられる。標準 的な金属マンドレル１６および金属シート１８は一般にステンレス鋼またはアル ミニウムで作成される。 好ましくはコアレット１２は円筒形であり、従って本発明はガスによって実質 的に分離された少なくとも２つの同軸の磁性非晶質金属合金円筒を含む磁心を提 供する。好ましくはこれらのコアレットの幅は実質的に等しい。 本発明においては、任意の不活性ガスを使用しうる。有用なガスの好ましい例 には、アルゴン、窒素および空気が含まれる。好ましくは空気が用いられる。通 路１４内のガスは対流により循環してもよく、または強制的に循環させられても よい。ガスを循環させる任意の手段、たとえばファンまたは圧縮ガス流を使用し うる。好ましくは通路１４内のガスは循環させられる。ガス通路１４の最小幅は 、許容し得ないほどの循環ガス圧力降下を生じないのに十分なものとすべきであ る。特別な用途については、ガス通路１４の最大幅が磁心１０についての全外径 の拘束により制限される場合がある。 本発明者らは、循環ガスで満たされた通路１４によって実質的に分離された少 なくとも２つのコアレット１２の存在によって磁心１０の冷却性が改良されるこ とを見出した。本発明者らは、循環ガスで満たされた通路によって実質的に分離 された少なくとも２つのコアレットを含まない先行技術の磁心と比較した場合、 磁心１０の温度上昇が１６％以上低下することを見出した。 図２の好ましい磁心につき述べる。磁心２０は３つの同軸コアレット２２を含 み、その際コアレット２２は磁性非晶質金属合金で作成され、隣接コアレットは 循環ガスで満たされた通路２４によって実質的に分離されている。コアレット２ ２は先にコアレット１２につき述べた任意の磁性非晶質金属合金で作成すること ができる。図示されていないが、好ましくはコアレット２２は非晶質金属合金と 絶縁材の交互の層からなる。図２の磁心２０を作成する際には、標準的な金属マ ンドレル２６および金属ラッパー２８を使用しうる。好ましくはコアレット２２ は円筒形であり、従って本発明は隣接円筒がガスによって実質的に分離された少 なくとも３つの同軸の磁性非晶質金属合金円筒を含む磁心を提供する。 図２の磁心２０には任意の不活性ガスを使用しうる。有用なガスの好ましい例 には、アルゴン、窒素および空気が含まれる。好ましくは空気が用いられる。通 路２４内のガスは対流により循環してもよく、または強制的に循環させられても よい。ガスを循環させる任意の手段、たとえばファンまたは圧縮ガス流を使用し うる。好ましくは通路２４内のガスは循環させられる。ガス通路２４の最小幅は 、許容し得ないほどの循環ガス圧力降下を生じないのに十分なものとすべきであ る。特別な用途については、ガス通路２４の最大幅が磁心２０についての全外径 の拘束により制限される場合がある。 本発明者らは、隣接コアレット２２がガス通路２４によって実質的に分離され た、少なくとも３つのコアレット２２の存在によって、磁心２０の冷却性が改良 されることを見出した。本発明者らは、隣接コアレットがガス通路によって実質 的に分離された少なくとも３つのコアレットを含まない先行技術の磁心と比較し た場合、磁心２０の温度上昇が２５％以上低下することを見出した。 本発明の磁心は少なくとも２つのコアレットを含む。特別な用途については、 コアレットの最大数は磁心についての全外径の拘束により、および加工費により 制限される場合がある。 本発明の他の好ましい磁心は、磁性非晶質金属合金リボンおよび少なくとも１ つのスペーサーシートを含み、その際リボンおよびスペーサーシートが同時に巻 取られて、スペーサーシートのうちの１つによって実質的に分離された少なくと も２つのリボンコアレットを有する磁心を形成する。これらの好ましい磁心の１ つを示した図３について述べる。改良された冷却性を備えた磁心３０は、磁性非 晶質金属合金リボンおよび少なくとも１つのスペーサーシートを含み、その際リ ボンおよびスペーサーシートが同時に巻取られて、少なくとも３つのリボンコア レット３２および少なくとも２つのスペーサーシート３４を有する磁心３０を形 成し、その際隣接コアレット３２はスペーサーシート３４のうちの１つによって 実質的に分離されている。図示されていないが、好ましくはコアレット３２は磁 性非晶質金属合金と絶縁材の交互の層からなる。 図３に示すようにスペーサーシートが非晶質金属合金と同時に巻取られた際に チャネル３６を与える限り、任意のスペーサーシート３４を使用しうる。図４は 種々のスペーサーシートデザイン３４Ａ、３４Ｂおよび３４Ｃを示す。スペーサ ーシート３４は有利には冷却チャネル３６を保持し、より機械的安定性の高い磁 心の作成を可能にする。好ましくは実質的に等しい半径方向および円周方向寸法 を有するスペーサーシート３４Ｃが本発明に用いられる。本発明者らは、スペー サーの半径方向および円周方向寸法が実質的に等しい場合、コアレット間の通路 内の循環ガスに提供される全冷却表面が２倍になることを見出した。 スペーサーシート３４が熱伝導性材料で作成される場合、スペーサーシート３ ４は冷却ガスに暴露される全冷却表面を増大させ、これによりコアレットの冷却 が増大する。従って好ましくはスペーサーシート３４またはスペーサーは熱伝導 性材料、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼で作成される。好ましくはス ペーサーシート３４は陽極処理（ａｎｏｄｉｚｅｄ）アルミニウムで作成される 。図示されていないが、図１のガス通路１４および図２のガス通路２４内にも、 ガス通路内にチャネルを備えるためにスペーサーを挿入することができる。図３ の磁心３０を作成する際には標準的な金属マンドレル３８および金属ラッパー４ ０を使用しうる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 て、エネルギーをパルス電源からこれらの加速器のビー ムにカップリングさせるための誘導モジュールとして、 および慣性閉込め融合の研究のための発電機の磁気スイ ッチとして、ならびにエキシマーレーザー、金属蒸気レ ーザー、およびパルスＣＯ₂アセンブリー線形レーザー を駆動するための磁気変調器に有用である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも２つの同軸コアレットを含み、それらのコアレットが磁性非晶 質金属合金から形成され、かつガス通路によって実質的に分離されている磁心。 ２．少なくとも３つの同軸コアレットを含み、隣接コアレットがガス通路によ って実質的に分離されている、請求項１に記載の磁心。 ３．磁性非晶質金属合金がＣｏ₆₉Ｆｅ₄Ｎｉ₁Ｍｏ₂Ｂ₁₂Ｓｉ₁₂；Ｆｅ₈₁Ｂ_13.5 Ｓｉ_3.5Ｃ₂；Ｆｅ₆₆Ｃｏ₁₈Ｂ₁₅Ｓｉ₁；およびFｅ₇₈Ｓｉ₁₃Ｂ₉よりなる群から選 ばれる公称組成を有する、請求項１に記載の磁心。 ４．磁性非晶質金属合金がＣｏ₆₉Ｆｅ₄Ｎｉ₁Ｍｏ₂Ｂ₁₂Ｓｉ₁₂の公称組成を有 する、請求項１に記載の磁心。 ５．ガス通路が空気で実質的に満たされている、請求項１に記載の磁心。 ６．通路がさらに、該通路内に実質的にチャネルを形成するスペーサーを含む 、請求項１に記載の磁心。 ７．スペーサーが熱伝導性材料で作成された、請求項６に記載の磁心。 ８．各チャネルの半径方向寸法と円周方向寸法が実質的に等しい、請求項６に 記載の磁心。 ９．ガスによって実質的に分離された少なくとも２つの同軸の磁性非晶質金属 合金円筒を含む磁心。 １０．少なくとも３つの同軸の磁性非晶質金属合金円筒を含み、隣接円筒がガ スによって実質的に分離されている、請求項９に記載の磁心。