JP2006203154A - Superconducting pulse coil, and superconducting device and superconducting power storage using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超伝導パルスコイル、それを用いた超伝導装置および超伝導電力貯蔵装置に関する。 The present invention relates to a superconducting pulse coil, a superconducting device using the same, and a superconducting power storage device.
コンピューター等の情報機器では、データ保護のために無停電電源の使用が当たり前となってきている。一方、半導体工場などの製造設備や核融合科学や加速器科学の研究所などの実験装置などの科学分野の大型実験装置では、供給電力の瞬時電圧低下（以下、「瞬低」という）や瞬時停電（以下、「瞬停」という）などにより、操業中断や製品歩留まりの低下や実験中断によって大きな被害が発生しているにもかかわらず、その電力容量の大きさから有効な保護がなされていないのが現状である。商用電力系統の電圧低下や停電のほとんどは1秒以下の瞬低または瞬停であり、1秒程度の短時間の電力補償ができる大容量の超伝導電力貯蔵装置（以下、「ＳＭＥＳ」という）が開発できれば、上記の例のみでなく幅広い用途への適用が可能である。 In information devices such as computers, the use of uninterruptible power supplies has become commonplace for data protection. On the other hand, in large-scale experimental equipment in the scientific field such as manufacturing equipment such as semiconductor factories and laboratory equipment such as nuclear fusion science and accelerator science laboratories, instantaneous voltage drop (hereinafter referred to as “instantaneous drop”) or instantaneous power failure (Hereinafter referred to as “instantaneous power outage”), but there has been no significant protection from the amount of power capacity, despite significant damage caused by operation interruptions, product yield declines, and experiment interruptions. Is the current situation. Most of the voltage drop and power outage in the commercial power system is a low voltage or power outage of 1 second or less, and a large-capacity superconducting power storage device (hereinafter referred to as “SMES”) that can compensate for a short time of about 1 second. If it can be developed, it can be applied not only to the above example but also to a wide range of uses.
ところで、ＳＭＥＳには高い信頼性と取り扱いの容易さが要求される。従って、ＳＭＥＳ用の超伝導コイルにも、取り扱いが容易で、メンテナンスフリーであることが最も重用視される。しかしながら、従来の浸漬冷却方式や強制冷却方式の超伝導コイルでは、取り扱いが容易でメンテナンスフリーなコイルとすることは難しい。 By the way, SMES requires high reliability and easy handling. Therefore, the superconducting coil for SMES is most regarded as being easy to handle and maintenance-free. However, conventional superconducting coils of the immersion cooling method or forced cooling method are difficult to handle and easy to maintain.
そこで、本発明は、コイル冷却剤としてのヘリウムを必要としない、メンテナンスフリーで、信頼性が高く、取り扱いが容易な超伝導パルスコイルを提供することを主たる目的とするとするものである。
本発明の他の目的は、超伝導パルスコイルを用いた高信頼性の超伝導装置および瞬低対策用に好適なＳＭＥＳを提供することにある。
Therefore, the main object of the present invention is to provide a superconducting pulse coil that does not require helium as a coil coolant, is maintenance-free, has high reliability, and is easy to handle.
Another object of the present invention is to provide a highly reliable superconducting device using a superconducting pulse coil and a SMES suitable for measures against a sag.
本発明者らは、上記目的の実現のために鋭意研究を重ねた結果、以下のような
内容を要旨構成とする発明に想到した。
As a result of intensive studies for realizing the above object, the present inventors have come up with an invention having the following contents.
すなわち、本発明は、
（１）巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成された超伝導コイルにおいて、
前記超伝導導体の隙間にエポキシ樹脂などの充填材が充填されると共に、前記超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とを、独立して配置したことを特徴とする超伝導パルスコイルである。
本発明において、前記超伝導導体は、前記第二の熱伝導部材が、固体冷却経路を介して冷凍機により冷却されるような伝導冷却型超伝導パルスコイルや、ヘリウムガス等の冷媒を用いた冷却経路を有する冷却パネルの形態に形成された間接冷却型超伝導パルスコイルに適用することができる。
That is, the present invention
(1) In a superconducting coil configured to cool a superconducting conductor wound in a plurality of layers on a winding frame to a low temperature below a critical temperature via a cooling path,
The gap between the superconducting conductors is filled with a filler such as an epoxy resin, and between the superconducting conductors, a first heat conducting member that controls heat transfer in the radial direction and heat transfer in the axial direction. The superconducting pulse coil is characterized in that the second heat conducting member is arranged independently.
In the present invention, the superconducting conductor uses a conduction cooling type superconducting pulse coil in which the second heat conducting member is cooled by a refrigerator via a solid cooling path, or a refrigerant such as helium gas. The present invention can be applied to an indirect cooling superconducting pulse coil formed in the form of a cooling panel having a cooling path.
本発明において、前記第一および第二の熱伝導部材は、超伝導導体の巻回される方向に沿って交互に離間配置されると共に、前記超伝導導体の巻回される方向に直交する方向に延在されるような形態に形成することができる。
前記超伝導導体は、複数の超伝導フィラメントが常伝導金属の母材中に配設されてなる素線を撚ったものを並べて成型した成型撚線を、アルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属で被覆したものから構成することができる。
In the present invention, the first and second heat conducting members are alternately spaced apart along the direction in which the superconducting conductor is wound, and are orthogonal to the direction in which the superconducting conductor is wound. It can be formed in such a form as to extend.
The superconducting conductor is formed of a twisted strand formed by arranging a plurality of superconducting filaments arranged in a base metal of a normal metal, and is formed of a low twisted wire such as aluminum or aluminum alloy. It can be composed of one coated with a melting point metal.
前記超伝導導体は、導体内の成型撚線の幅広面に平行な方向が変動磁場の方向と一致するようにコイル形状に巻き回され、超伝導パルスコイルの交流損失を低減させるように構成することができる。 The superconducting conductor is wound in a coil shape so that the direction parallel to the wide surface of the molded stranded wire in the conductor coincides with the direction of the varying magnetic field, and is configured to reduce the AC loss of the superconducting pulse coil. be able to.
また、前記超伝導導体は、前記成型撚線をアルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属と共に押出し成形により形成される円形断面を有する線材から構成することができる。
また、前記第一の熱伝導部材は、前記線材の円形断面に対応した円弧状断面の溝を有するスペーサの形態に形成され、その円弧状断面の溝は、前記巻き回された線材を所定の位置に支持するように形成することができる。
前記スペーサは、一方の面には前記巻き終わった層の線材位置に対応する円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されると共に、他方の面にはこれから巻き線する層の線材位置に対応した円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されてなる細長板状スペーサに形成することができる。
また、前記スペーサは、コイル断面での導体位置に合わせて板材に導体部分に相当する穴開け加工をした後、層毎に切断することによって形成することができる。
また、前記スペーサは、コイル断面の円周方向の角度毎に異なる導体配置を有して形成することができる。
In addition, the superconducting conductor can be composed of a wire having a circular cross section formed by extruding the molded stranded wire together with a low melting point metal such as aluminum or an aluminum alloy.
The first heat conducting member is formed in the form of a spacer having a groove with an arcuate cross section corresponding to the circular cross section of the wire, and the groove with the arcuate cross section has a predetermined wire shape. It can be formed to support the position.
The spacer is processed so that a groove having an arc-shaped cross section corresponding to the position of the wire rod of the layer that has been wound is formed on one surface so as to be extended in the axial direction, and the layer to be wound is formed on the other surface. A groove having an arc-shaped cross section corresponding to the position of the wire can be formed on an elongated plate-like spacer that is processed into a shape extended in the axial direction.
Further, the spacer can be formed by cutting each layer after punching a plate material corresponding to the conductor portion in accordance with the conductor position in the coil cross section.
In addition, the spacer can be formed with a different conductor arrangement for each circumferential angle of the coil cross section.
さらに、前記スペーサは、高熱伝導率を有すると共に電気的絶縁性に優れた繊維強化樹脂、例えば、超高分子量ポリエチレン繊維（ダイニーマ）強化樹脂から形成することができる。 Furthermore, the spacer can be formed of a fiber reinforced resin having high thermal conductivity and excellent electrical insulation, for example, an ultra high molecular weight polyethylene fiber (Dyneema) reinforced resin.
本発明において、前記第二の熱伝導部材は、電気的に絶縁された銅の素線の複数本を集め、撚合わせて形成されたリッツ線の形態に形成され、かつ前記巻枠の端部から外側に引き出されて固体冷却経路を形成するように構成することができる。
また、本発明は、
（２） 巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、固体冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成された超伝導コイルにおいて、
前記超伝導導体の間にエポキシ樹脂などの充填材が充填されると共に、前記超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とが、前記超伝導導体の巻回される方向に沿って交互に離間配置され、かつ前記超伝導導体の巻回される方向に直交する方向に延在され、さらに、前記第二の熱伝導部材が、固体冷却経路を介して冷凍機により冷却されるように構成されていることを特徴とする超伝導パルスコイルである。
本発明において、前記超伝導導体は、複数の超伝導フィラメントが常伝導金属であるＣｕの母材中に配設されてなる素線を撚ったものを並べて成型した成型撚線を、アルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属と共に押出し成形によって形成した円形断面の線材から構成すると共に、導体の成型撚線の幅広面に平行な方向がコイル巻線内の変動磁場の方向と一致するように捻られながらコイル形状に巻回されて、超伝導パルスコイルの交流損失を低減させるように構成され、
前記充填材は、エポキシ樹脂から形成され、
前記第一の熱伝導部材は、ダイニーマ繊維強化樹脂から形成されると共に、前記線材の円形断面に対応した円弧状断面の溝が形成されたスペーサの形態に形成され、さらに、
前記第二の熱伝導部材は、電気的に絶縁された銅の素線の複数本を集め、撚合わせて形成されたリッツ線の形態に形成され、かつ前記巻枠の端部から外側に引き出されて固体冷却経路を形成するように構成することができる。
本発明においては、前記コイルを構成する材料が２０K以下の極低温で高い熱拡散率を持つことを利用し、コイル内が数秒で均温化され、高い排熱特性を有するように構成することができる。
具体的には、前記コイルを構成する超伝導導体、それの間に充填される充填材、第一の熱伝導部材または第二の熱伝導部材が、２０K以下の極低温では、0.007〜 0.09ｍ2/sの範囲の高熱拡散率を有し、３〜１０Kの極低温では、0.02〜0.9ｍ2/s、の範囲の高熱拡散率を有するようなコイル構成とすることができ、このような構成によれば、コイル内を数秒で均温化し、かつ排熱特性に優れた超伝導パルスコイルを得ることができる。
In the present invention, the second heat conducting member is formed in the form of a litz wire formed by collecting and twisting a plurality of electrically insulated copper strands, and the end of the reel It can be configured to be drawn out from the outside to form a solid cooling path.
The present invention also provides:
(2) In a superconducting coil configured to cool a superconducting conductor wound in a plurality of layers on a winding frame to a low temperature below a critical temperature via a solid cooling path,
A filler such as epoxy resin is filled between the superconducting conductors, and between the superconducting conductors, a first heat conducting member that controls heat transfer in the radial direction, and heat transfer in the axial direction. Second heat conductive members are alternately spaced along the direction in which the superconducting conductor is wound, and extend in a direction perpendicular to the direction in which the superconducting conductor is wound; The second heat conducting member is a superconducting pulse coil configured to be cooled by a refrigerator through a solid cooling path.
In the present invention, the superconducting conductor is formed by arranging a molded stranded wire formed by arranging a plurality of superconducting filaments arranged in a base metal made of Cu, which is a normal metal, and twisted together. It is composed of a wire with a circular cross section formed by extrusion molding together with a low melting point metal such as aluminum or an aluminum alloy, and the direction parallel to the wide surface of the molded stranded wire of the conductor matches the direction of the variable magnetic field in the coil winding It is configured to reduce the AC loss of the superconducting pulse coil by being wound into a coil shape while being twisted by
The filler is formed from an epoxy resin,
The first heat conducting member is formed from a Dyneema fiber reinforced resin and is formed in the form of a spacer in which a groove having an arc-shaped cross section corresponding to the circular cross section of the wire is formed.
The second heat conducting member is formed in the form of a litz wire formed by collecting and twisting a plurality of electrically insulated copper strands, and pulled out from the end of the reel. And can be configured to form a solid cooling path.
In the present invention, utilizing the fact that the material constituting the coil has a high thermal diffusivity at an extremely low temperature of 20K or less, the inside of the coil is soaked in a few seconds and configured to have high exhaust heat characteristics. Can do.
Specifically, the superconducting conductor constituting the coil, the filler filled between them, the first heat conducting member or the second heat conducting member is 0.007 to 0.09 m at an extremely low temperature of 20K or less. It has a high thermal diffusivity in the range of 2 / s, in the cryogenic 3～10K, can be a coil configuration having 0.02~0.9m 2 / s, high thermal diffusivity in the range of, like this According to the configuration, it is possible to obtain a superconducting pulse coil having a uniform temperature in a few seconds and excellent exhaust heat characteristics.
本発明において、前記複数層に巻回された超伝導導体の各層間に、第二の伝熱部材または冷却パネルなどの冷却パスを複数配設して、超伝導導体と第二の伝熱部材との接触面積を増加させるように形成することができる。 In the present invention, a plurality of cooling paths such as a second heat transfer member or a cooling panel are disposed between the layers of the superconductive conductor wound around the plurality of layers, so that the superconductive conductor and the second heat transfer member are arranged. It can be formed so as to increase the contact area.
また、本発明において、前記スペーサは、一方の面には前記巻き終わった層の線材位置に対応する円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されると共に、他方の面にはこれから巻き線する層の線材位置に対応した円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されてなる細長板状スペーサに形成することができる。
また、前記（１）または（２）に記載された超伝導パルスコイルは、真空容器と、その真空容器内に配設された超伝導コイルと、前記真空容器内に配設され、前記超伝導コイルを固体冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するためのGM冷凍機と、前記超伝導コイルに通電した電流を真空容器の外側に取り出すための電流リードとからなる超伝導装置における超伝導コイルとして用いることができる。
さらに、前記（１）または（２）に記載された超伝導パルスコイルは、
ＡＣスイッチと、ＡＣ／ＤＣコンバータと、超伝導（ＳＣ）コイルシステムと、ＳＭＥＳ制御システムと、補償電気負荷とを有するＳＭＥＳにおける超伝導（ＳＣ）コイルシステムとして用いることができる。
Further, in the present invention, the spacer is processed into a shape in which a groove having an arc-shaped cross section corresponding to the position of the wire rod of the layer that has been wound is extended in the axial direction on one surface, and on the other surface. From this, it is possible to form an elongated plate-like spacer formed by processing a groove having an arc-shaped cross section corresponding to the wire position of the layer to be wound into an axially extended form.
The superconducting pulse coil described in (1) or (2) is a vacuum vessel, a superconducting coil disposed in the vacuum vessel, and the superconducting coil disposed in the vacuum vessel. The superconducting device in the superconducting device comprising a GM refrigerator for cooling the coil to a low temperature below the critical temperature via a solid cooling path and a current lead for taking out the current passed through the superconducting coil to the outside of the vacuum vessel. It can be used as a conductive coil.
Furthermore, the superconducting pulse coil described in (1) or (2) is:
It can be used as a superconducting (SC) coil system in SMES having an AC switch, an AC / DC converter, a superconducting (SC) coil system, a SMES control system, and a compensating electrical load.
本発明によれば、従来の液体ヘリウムによる浸漬冷却方式または超臨界圧ヘリウムによる強制冷却方式を用いることなく、取り扱いが容易でメンテナンスフリーである伝導冷却型または間接冷却型の超伝導パルスコイルを得ることができる。 According to the present invention, a conductive cooling type or indirect cooling type superconducting pulse coil that is easy to handle and maintenance free is obtained without using the conventional immersion cooling method using liquid helium or the forced cooling method using supercritical pressure helium. be able to.
また、コイルを構成する超伝導導体、それの間に充填される充填材、第一の熱伝導部材および第二の熱伝導部材を、２０K以下の極低温領域において、高熱拡散率を有するような材料から構成することによって、コイル内が数秒で均温化され、かつ排熱特性に優れた超伝導パルスコイルを得ることができる。 In addition, the superconducting conductor constituting the coil, the filler filled therebetween, the first heat conducting member and the second heat conducting member have a high thermal diffusivity in a cryogenic region of 20K or less. By using the material, it is possible to obtain a superconducting pulse coil in which the inside of the coil is soaked in a few seconds and excellent in exhaust heat characteristics.
さらに、このような超伝導パルスコイルを用いて、取り扱いが容易で高信頼性の超伝導装置や瞬低対策用に好適なＳＭＥＳが得られる。 Furthermore, by using such a superconducting pulse coil, it is possible to obtain a highly reliable superconducting device that is easy to handle and SMES suitable for measures against a sag.
本発明にかかる超伝導パルスコイルは、巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成され、超伝導導体同士の隙間にエポキシ樹脂等の充填材が充填されて、超伝導導体同士の熱接触を向上させるように構成されていると共に、超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とを独立して配置したことを特徴とする。
このような超伝導パルスコイルは、これを臨界温度以下の低温に冷却するためのＧＭ冷凍機等と共に真空容器内に配置され、超伝導パルスコイルに通電した電流を真空容器の外側に取り出すための電流リードを設けて超伝導装置を構成することができる。
さらに、このような超伝導装置を、図１に示すような瞬低対策用のＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）における超伝導コイルシステムとして好適に用いることができる。
本発明にかかる超伝導パルスコイルが有利に適用されるＳＭＥＳは、例えば、図１に示すように、ＡＣスイッチ１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２と、超伝導コイルシステム３と、貯蔵装置制御システム４と、補償電気負荷５とを有する。前記ＡＣスイッチ１は、瞬時電圧低下や停電が生じたときに、補償電気負荷５を電力系統から切断し、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は、ＡＣスイッチ１が開放されたときに、補償電気装荷5の電力を補償するために超伝導コイルシステム３を放電するように構成し、超伝導コイルシステム３は、短時間に大エネルギーを取り出すために適した電力蓄積装置として使用され、貯蔵装置制御システム４は、瞬時電圧低下を検知し、ＡＣスイッチ１とＡＣ／ＤＣコンバータ２を制御するように構成することができる。
The superconducting pulse coil according to the present invention is configured to cool a superconducting conductor wound in a plurality of layers on a winding frame to a low temperature below a critical temperature via a cooling path, and in a gap between the superconducting conductors. Filled with a filler such as an epoxy resin to improve the thermal contact between the superconducting conductors, and between the superconducting conductors, a first heat conducting member that controls heat transfer in the radial direction And the 2nd heat conductive member which manages heat transfer of an axial direction is arrange | positioned independently, It is characterized by the above-mentioned.
Such a superconducting pulse coil is arranged in a vacuum vessel together with a GM refrigerator or the like for cooling it to a low temperature below the critical temperature, and is used to take out the current supplied to the superconducting pulse coil to the outside of the vacuum vessel. A superconducting device can be constructed by providing a current lead.
Furthermore, such a superconducting device can be suitably used as a superconducting coil system in a SMES (superconducting power storage device) as a measure against voltage sag as shown in FIG.
The SMES to which the superconducting pulse coil according to the present invention is advantageously applied includes, for example, an
本発明にかかるＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）における超伝導コイルシステムとしては、取り扱いが容易で、メンテナンスフリーであること、そして高信頼性および高安全性の要求から、伝導冷却型超伝導パルスコイルを選択することが望ましい。 The superconducting coil system in the SMES (superconducting power storage device) according to the present invention is a conduction-cooled superconducting pulse coil because it is easy to handle, is maintenance-free, and requires high reliability and safety. It is desirable to select.
その理由は、液体ヘリウムによる浸漬冷却方式や超臨界ヘリウムによる強制冷却方式に比べて、高信頼性で高安全性であるからである。 The reason is that it is more reliable and safer than the immersion cooling method using liquid helium or the forced cooling method using supercritical helium.
本発明の超伝導パルスコイルで用いられる超伝導材料としては、金属系超伝導導体であるＮｂＴｉ合金やＮｂ3Ｓｎ等を用いることができ、特に、ＮｂＴｉ合金は、低コストで、取り扱いが容易であり、低交流損失で、生産性が高いという観点から好適であり、高コストで生産性に難のある超伝導体のＮｂ3Ｓｎや、高コストのＨＴＳ（高温超伝導）コイルに比べて有利である。なお、ＮｂＴｉ合金は、臨界温度が低く、導体冷却操作において温度余裕が低いことから、コイルが大型化しやすい。 As the superconducting material used in the superconducting pulse coil of the present invention, NbTi alloy, Nb 3 Sn or the like which is a metallic superconducting conductor can be used. In particular, NbTi alloy is low in cost and easy to handle. Yes, it is suitable from the viewpoint of low AC loss and high productivity, and is advantageous compared to Nb 3 Sn, which is a high-cost and difficult to produce, and high-cost HTS (high temperature superconducting) coil It is. The NbTi alloy has a low critical temperature and has a low temperature margin in the conductor cooling operation, so that the coil tends to be large.
パルスコイル用超伝導導体の材料についての比較を表１に、また、超伝導パルスコイルの冷却方式の比較を表２に、それぞれ示す。 Table 1 shows a comparison of the materials of the superconducting conductor for the pulse coil, and Table 2 shows a comparison of cooling methods of the superconducting pulse coil.
本発明で用いる超伝導導体10は、例えば、図２に示されるように、ＮｂＴｉ合金からなる複数の超伝導フィラメントを、常伝導金属のＣｕの母材中に配設した素線を撚ったものを並べて成型したＮｂＴｉ／Ｃｕ成型撚線11を、残留抵抗比（RRR）の低い（RRR＜10）アルミニウム（Ａｌ-1197）12またはアルミニウム合金のような低融点金属と共に押出成形することによって線材の形態に製作され、このような線材が、例えば、ポリイミドテープ13によって絶縁被覆されたものとして形成される。
このような超伝導導体10は、押し出し成型時の高温によって各素線間が低接触抵抗で接続され、高い安定性が確保されていると同時に、成型撚線の幅広面に平行（ＥＯ方向）に変動磁場が加わった場合の交流損失を最小にするように設計される。
For example, as shown in FIG. 2, the
Such a
すなわち、各素線間が低接触抵抗で接続されることによって、成型撚線の一部の素線が外部擾乱により常伝導に転移しても、他の素線に電流が転流し易くなるので、高い安定性が確保され、しかも、成型撚線を構成する素線のフィラメントの撚り方向と撚線の撚り方向を同じにすることにより、特定方向の変動磁場による誘導起電力をキャンセルして交流損失を低減させることができる、即ち、導体の交流損失特性に異方性を持ち、成型撚線の幅広面に平行（ＥＯ）に変動磁場が加わる場合の交流損失を低減させることができるからである。 That is, by connecting each strand with a low contact resistance, even if some strands of the molded stranded wire are transferred to normal conduction due to external disturbance, current can be easily commutated to other strands. High stability is ensured. Moreover, by making the twist direction of the filaments of the strands forming the formed twisted wire the same as the twist direction of the twisted wires, the induced electromotive force due to the varying magnetic field in a specific direction is canceled and AC The loss can be reduced, that is, the AC loss characteristic of the conductor has anisotropy, and the AC loss can be reduced when a variable magnetic field is applied in parallel (EO) to the wide surface of the molded stranded wire. is there.
さらに、前記成型撚線を包囲被覆する低残留抵抗比（10程度）のアルミニウムは、２０K程度の低温でも、室温の抵抗の1/10程度の比較的高い電気抵抗特性を有するため、アルミニウム内での交流損失を抑制することができると共に、成型撚線の幅広面と変動磁場の方向が一致するような撚りをコイルに入れた構造を支持するための補強材として機能する。 Further, aluminum having a low residual resistance ratio (about 10) surrounding and covering the molded stranded wire has a relatively high electrical resistance characteristic of about 1/10 of room temperature resistance even at a low temperature of about 20K. The alternating current loss can be suppressed, and it functions as a reinforcing material for supporting a structure in which a twist is placed in the coil so that the wide surface of the molded stranded wire and the direction of the variable magnetic field coincide.
また、成型撚線を被覆するアルミニウムは、高比熱であるため、パルス通電時の交流揖失による導体の温度上昇を抑制している、即ち、パルス操作の際の温度上昇を抑えるヒートシンクとして機能している。
したがって、本発明においては、NbTi等の金属系低温超伝導導体を用いても、伝導冷却条件下でのパルス運転が可能となっている。
In addition, since aluminum covering the formed stranded wire has high specific heat, it suppresses the temperature rise of the conductor due to AC loss during pulse energization, i.e. functions as a heat sink to suppress the temperature rise during pulse operation. ing.
Therefore, in the present invention, even when a metal-based low-temperature superconducting conductor such as NbTi is used, pulse operation under a conductive cooling condition is possible.
本発明に用いる超伝導導体10は、図３に示されるように、ガラス繊維強化樹脂等からなる巻枠、即ちボビン20の周面に、複数層に巻き回されて伝導冷却型超伝導コイルを構成する。この超伝導導体10のボビン20への巻き回しは、図４(a)、(b)に示される巻線装置を用いて、コイル内で発生する交流損失を低減するため、導体内の成型撚線の幅広方向が磁場方向と一致するように導体を稔りながら行なうことができる。図において、ボビン20に巻き回された超伝導導体10は、巻線30で示される。
図４(a)に示される巻線装置は、導体を送り出すボビン部分Ａと、捻れを入れる機構Ｂと、コイルを巻き取るボビン部分Ｃとから構成されており、図4（ｂ）に示されるように機構Ｂが捩れ角に相当する角度で回転すると、ボビンＡも同時に導体の軸のまわりに回転し、その結果、巻線30も同様の捻れ角でボビンＣに巻き取られる。この捻れ角は、機構ＢとボビンＣとの間に搭載されたセンサーを用いて、導体表面に予め設けた溝を検出することによって測定される。
As shown in FIG. 3, a
The winding device shown in FIG. 4 (a) is composed of a bobbin portion A for sending out a conductor, a mechanism B for twisting, and a bobbin portion C for winding a coil, as shown in FIG. 4 (b). Thus, when the mechanism B rotates at an angle corresponding to the twist angle, the bobbin A also rotates around the axis of the conductor at the same time. As a result, the winding 30 is wound around the bobbin C at the same twist angle. This twist angle is measured by detecting a groove provided in advance on the conductor surface using a sensor mounted between the mechanism B and the bobbin C.
本発明においては、ボビン20に複数層に巻き回された超伝導導体10の線材間の隙間には、エポキシ樹脂等の充填材が充填されて線材同士の熱接触を向上させるようにしていると共に、超伝導導体10の層間には、軸方向への伝熱パスとして素線絶縁した銅撚線（リッツ線）14が配置され、半径方向への伝熱パスとしてスペーサ15が配置される。
前記銅撚線（リッツ線）14は、高熱伝導率（400 〜 2000 W/mK）を有し、かつ高周波用途で用いることができるように形成され、一方、前記スペーサ15は、高熱伝導率を有するだけでなく、電気絶縁性に優れた樹脂、例えば、 超高分子量ポリエチレン繊維（例えば、商品名：ダイニーマ）強化樹脂から形成される。なお、前記スペーサ15は、伝熱パスとしての目的だけでなく、超伝導パルスコイルの機械的強度を上げるという機能も付与されている。
In the present invention, the gap between the wires of the
The copper stranded wire (Litz wire) 14 has a high thermal conductivity (400 to 2000 W / mK) and is formed so that it can be used in high frequency applications, while the
前記銅撚線（リッツ線）14およびスペーサ15は、図５に示すように、超伝導導体10の巻回される方向に直交する方向（軸方向）に延在されると共に、超伝導導体10の巻回される方向（周方向）に沿って交互に離間配置されている。
具体的には、前記スペーサ15は、円形断面の超伝導導体10からなる巻線30が所定の位置に正確に巻き回され、かつ位置ずれしないように、巻線30の円形断面に対応した円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工された平板状に形成されることが望ましい。さらに、一方の面には前記巻き終わった層の線材位置に対応する円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されると共に、他方の面にはこれから巻き線する層の線材位置に対応した円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されてなる細長板状スペーサに形成されることがより望ましい。
As shown in FIG. 5, the copper stranded wire (Litz wire) 14 and the
Specifically, the
前記スペーサ15は、コイル断面での導体位置に合わせて板材に導体部分（超伝導導体の巻線）に相当する穴開け加工をした後、層毎に切断することによって形成され、３次元の立体加工を必要としない加工が容易な平板状の2次元スペーサとすることが望ましい。
The
また、前記スペーサ15は、コイル断面の円周方向の角度毎に異なる導体配置のスペーサを準備することにより、層間の導体渡り部スペーサの複雑な3次元ＮＣ加工を不要とし、加工の容易な2次元スペーサの組み合わせで3次元の巻き線を可能としている。
Further, the
一方、前記銅撚線（リッツ線）14は、超伝導導体10の層間に設けたスペーサ15間に配置され、交流損失を増加させることなく、コイル軸方向の高熱伝導特性を実現している。さらに、銅撚線（リッツ線）14は、ボビン20の外周面を挟んだ端部から外側に引き出されて、冷凍機のヘッド部に接続される固体冷却路を構成し、高効率の伝導冷却を実現している。
On the other hand, the copper stranded wire (Litz wire) 14 is disposed between the
以上説明したように、本発明の超伝導パルスコイルにおいては、
1）スペーサに熱伝導率と電気絶縁性に優れた超高分子量ポリエチレン繊維（例えば、商品名：ダイニーマ）強化樹脂を採用して、コイル半径方向の高熱伝導特性を実現している。
2）リッツ線を層間のスペーサ間に配置することにより、交流損失を増加させることなく、コイル軸方向の高熱伝導特性を実現している。
3）コイル層間に配置したリッツ線をコイル端部より引き出し、冷凍機ヘッド部へ接続することにより、高効率の伝導冷却を実現している。
4）伝導冷却方式の採用により、コイル冷却に液体ヘリウムを必要としない、経済的で安全なパルスコイルシステムを実現している。即ち、従来のパルスコイルにおいては、冷却用に液体ヘリウムや超臨界圧ヘリウムを用いるので、異常蒸発や温度上昇によるヘリウムガスの体積膨張に起因する事故発生があったが、本発明では、コイル冷却に液体ヘリウムなどの冷媒を必要としない。
本発明にかかる超伝導装置は、図６に示すように、本発明にかかる超伝導パルスコイルを真空容器（クライオスタット）内に配設し、その超伝導コイルを固体冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するためのＧＭ冷凍機を同じ真空容器内に配設すると共に、超伝導コイルの電流を真空容器の外側に取り出すための電流リードを配設することによって構成することができる。
このような超伝導装置は、前述したようなＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）だけでなく、パルス運転を必要とする超伝導コイルの幅広い用途に適用することもできる。
以下、本発明の超伝導パルスコイルについて、実施例を参照にしてさらに詳しく説明する。
As explained above, in the superconducting pulse coil of the present invention,
1) Ultra high molecular weight polyethylene fiber (for example, trade name: Dyneema) reinforced resin with excellent thermal conductivity and electrical insulation is used for the spacer to achieve high thermal conductivity in the coil radial direction.
2) By arranging the litz wire between the spacers between the layers, high heat conduction characteristics in the coil axis direction are realized without increasing AC loss.
3) Litz wire placed between coil layers is pulled out from the coil end and connected to the refrigerator head to achieve highly efficient conduction cooling.
4) By adopting a conduction cooling system, we have realized an economical and safe pulse coil system that does not require liquid helium for coil cooling. That is, in the conventional pulse coil, liquid helium or supercritical pressure helium is used for cooling. Therefore, there was an accident due to abnormal evaporation or volume expansion of helium gas due to temperature rise. No refrigerant such as liquid helium is required.
As shown in FIG. 6, the superconducting device according to the present invention has the superconducting pulse coil according to the present invention disposed in a vacuum vessel (cryostat), and the superconducting coil is below the critical temperature via the solid cooling path. A GM refrigerator for cooling to a low temperature can be provided in the same vacuum vessel, and a current lead for taking out the current of the superconducting coil to the outside of the vacuum vessel can be provided.
Such a superconducting device can be applied not only to SMES (superconducting power storage device) as described above, but also to a wide range of superconducting coils that require pulse operation.
Hereinafter, the superconducting pulse coil of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
（実施例１）
この実施例は、以下の表３に示されるような電気的および機械的特性を有する本発明にかかる超伝導導体を用いて製作され、瞬低対策用に用いるＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）の超伝導パルスコイル（蓄積エネルギー：1ＭＪ）に適用したものである。この1ＭＪ超伝導パルスコイルの最適な設計仕様を求めるために、コイルの最適磁場、最適電流密度、漏れ磁場および機械的強度の観点から種々の試験を行ったので、その結果を説明する。
Example 1
This embodiment is manufactured by using the superconducting conductor according to the present invention having the electrical and mechanical characteristics as shown in Table 3 below, and is a SMES (superconducting power storage device) used for measures against a sag. This is applied to a superconducting pulse coil (accumulated energy: 1 MJ). In order to obtain the optimum design specifications of this 1MJ superconducting pulse coil, various tests were conducted from the viewpoint of the optimum magnetic field, optimum current density, leakage magnetic field and mechanical strength of the coil, and the results will be described.
Ａ．最適磁場
図７は、本発明にかかる超伝導パルスコイルの放電特性（動作状態）を示す。
A. Optimal Magnetic Field FIG. 7 shows the discharge characteristics (operating state) of the superconducting pulse coil according to the present invention.
図から分かるように、コイル電流は、1秒間で１０００Ａ（始点）から７０７Ａ（終点）に低減する一方で、蓄積エネルギーは、1コイルについて1ＭＪから０．５ＭＪに低下する。そして、1秒の早急な放電の後に、コイルは数分程度で１０００Ａの定格電流に再充電される。 As can be seen, the coil current decreases from 1000 A (start point) to 707 A (end point) in 1 second, while the stored energy decreases from 1 MJ to 0.5 MJ per coil. Then, after a quick discharge of 1 second, the coil is recharged to a rated current of 1000 A within a few minutes.
ＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）用の超伝導コイルの固定されたパラメータは、蓄積エネルギーであり、磁場形状と強度は自由に選択できる。しかしながら、パルス操作中の交流損失による超伝導導体の温度上昇に起因する制約がある。 The fixed parameter of the superconducting coil for SMES (superconducting power storage device) is the stored energy, and the magnetic field shape and strength can be freely selected. However, there are limitations due to the temperature rise of the superconducting conductor due to AC loss during pulse operation.
図７は、1秒パルス操作下の超伝導導体の許容される磁場を示している。この磁場は、成型撚線のＥＯ方向（低交流損失方向）に適用される。また、磁場は、導体の温度上昇が、電流分流温度（Ｔｓ−ｂｅｇｉｎｉｎｇとＴｓ−ｅｎｄ）より低い条件を満足するために、２．６５Ｔ以下に制約される。分流開始温度に余裕をもたせるため、コイルの最大磁場を２．５Ｔ以下に制限した設計を行った（表４を参照）。 FIG. 7 shows the allowable magnetic field of a superconducting conductor under 1 second pulse operation. This magnetic field is applied in the EO direction (low AC loss direction) of the molded stranded wire. Further, the magnetic field is restricted to 2.65 T or less in order to satisfy the condition that the temperature rise of the conductor is lower than the current shunt temperature (Ts-beginning and Ts-end). In order to provide a margin for the diversion start temperature, a design was performed in which the maximum magnetic field of the coil was limited to 2.5 T or less (see Table 4).
なお、図８中、Ｔｓ−ｂｅｇｉｎｎｉｎｇは１０００Ａ（放電の始点）での電流分流温度であり、Ｔｓ−ｅｎｄは707Ａ（放電の終点）での電流分流温度である。また、Ｗ−ｃｏｎは、1秒パルス操作の超伝導導体の交流損失密度であり、Ｔ−ｍａｘは、断熱状態と仮定したときの1秒パルス操作後の超伝導導体の温度上昇を示す。
Ｂ．最適電流密度
超伝導導体の電流密度は３７．８Ａ／ｍｍ2である。コイル内の最大磁場が２．５Ｔに限定されているにもかかわらず、比較的低い値である。しかしながら、低い電流密度は、十分な温度余裕を満足するように設定した。温度余裕対導体電流密度の関係を図９に示す。導体電流密度は、ＮｂＴｉ／Ｃｕ成型撚線の断面積が一定としてアルミニウムの外径を変化させることにより変化させた。
In FIG. 8, Ts-beginning is a current shunt temperature at 1000 A (starting point of discharge), and Ts-end is a current shunting temperature at 707 A (end point of discharge). W-con is the AC loss density of the superconducting conductor operated with a 1-second pulse, and T-max indicates the temperature rise of the superconducting conductor after the 1-second pulse operation when it is assumed to be an adiabatic state.
B. Optimal current density The current density of the superconducting conductor is 37.8 A / mm 2 . Despite the maximum magnetic field in the coil being limited to 2.5T, it is a relatively low value. However, the low current density was set to satisfy a sufficient temperature margin. FIG. 9 shows the relationship between the temperature margin and the conductor current density. The conductor current density was changed by changing the outer diameter of aluminum with the cross-sectional area of the NbTi / Cu molded stranded wire being constant.
例えば、３７．８Ａ／ｍ2の電流密度と２．５Ｔの磁場をもつ導体の温度上昇は、断熱状態を仮定した1秒パルスの後において７．２２Ｋである。７０７Ａ（放電の終点）での電流分流温度は８．０３Ｋである。 For example, the temperature rise of a conductor with a current density of 37.8 A / m 2 and a magnetic field of 2.5 T is 7.22 K after a one second pulse assuming an adiabatic condition. The current shunt temperature at 707A (end point of discharge) is 8.03K.
従って、温度余裕は０．８Kである。図９において、Ｗ−ａｌはアルミニウム部分の渦電流損を示し、低電流密度領域で大きくなることが分かる。設計電流密度でのアルミニウムの渦電流損は、アルミニウムの残留抵抗比（ＲＲＲ）が９．８５と低いために、ＮｂＴｉ／Ｃｕ成型撚線の結合損失に比べて無視できる程度のものである。本発明による超伝導導体においては、アルミニウム部分は交流損失を増加させることなく温度余裕を増加させるのに非常に有効である。 Therefore, the temperature margin is 0.8K. In FIG. 9, W-al indicates the eddy current loss of the aluminum portion, and it can be seen that it increases in the low current density region. The eddy current loss of aluminum at the design current density is negligible compared to the coupling loss of NbTi / Cu molded stranded wire because the residual resistance ratio (RRR) of aluminum is as low as 9.85. In the superconducting conductor according to the present invention, the aluminum portion is very effective in increasing the temperature margin without increasing the AC loss.
なお、図８中のＷ−ｃｏｎは全交流損失を示し、Ｗ−ａｌは1秒パルス操作中のアルミニウムの渦電流損失を示す。
Ｃ．漏れ磁場と機械強度
コイルのインダクタンスと磁気的蓄積エネルギーは、導体長さを一定に固定したとき、コイルの内径が増すほど大きくなる。大きな内径と短い軸長のコイルが一定インダクタンスにおいて、導体の長さを減少させるのに好ましい（図１０参照）。コイル内径は、漏れ磁場と導体応力の限界により制約される。漏れ磁場および導体応力をそれぞれコイルの内径の関数として図１１に示す。
In FIG. 8, W-con represents the total AC loss, and W-al represents the eddy current loss of aluminum during the 1-second pulse operation.
C. Leakage magnetic field and mechanical strength When the conductor length is fixed, the coil inductance and magnetic stored energy increase as the coil inner diameter increases. A coil having a large inner diameter and a short axial length is preferable for reducing the length of the conductor at a constant inductance (see FIG. 10). The coil inner diameter is constrained by the limits of leakage magnetic field and conductor stress. The leakage magnetic field and conductor stress are shown in FIG. 11 as a function of the inner diameter of the coil.
漏れ磁場は、1ＭＪ、1秒瞬低対策ＳＭＥＳ用の２つのコイルの配列の中心から５ｍ離れた位置で計算した。2つのコイルを平行に置き、反対方向に磁化した。コイル巻線の層数を１４に固定し、コイルの長さは２Ｈの一定インダクタンスとなるように変えた。この結果、コイルの内径は、中心から５ｍ離れた位置で５ガウスの漏れ磁場の制限によれば、０．３ｍ以下とすべきである。漏れ磁場分布を図１２に示す。一方、コイルの内径は、コイルの応力限界が＜２０ＭＰａであることからも制限され、０．３５ｍ以下にする必要がある。 The leakage magnetic field was calculated at a position 5 m away from the center of the arrangement of the two coils for the 1 MJ, 1 second instantaneous voltage drop countermeasure SMES. Two coils were placed in parallel and magnetized in opposite directions. The number of coil winding layers was fixed to 14, and the length of the coil was changed to have a constant inductance of 2H. As a result, the inner diameter of the coil should be 0.3 m or less according to the 5 gauss leakage field limitation at a position 5 m away from the center. The leakage magnetic field distribution is shown in FIG. On the other hand, the inner diameter of the coil is limited because the stress limit of the coil is <20 MPa, and needs to be 0.35 m or less.
以上の（Ａ）〜（Ｃ）の観点から算出された１ＭＪパルスコイルシステムの最適な設計仕様を表４に示す。また、同設計のコイルのロードライン（ｌｏａｄｌｉｎｅ）を図１３に示す。 Table 4 shows the optimum design specifications of the 1MJ pulse coil system calculated from the above viewpoints (A) to (C). Moreover, the load line of the coil of the same design is shown in FIG.
コイルは４．２Ｋ動作で大きな安定域をもつが、マージンは温度上昇に従って減少する。本発明にかかる超伝導導体の捻り巻線と、通常の巻線の性能比較を表５に示す。1秒放電の後の温度上昇の等高線図を図１４(a)〜(b)に示す。捻り巻線は、導体ＥＯ方向とコイル中の磁場方向とを整合するために導体の捻り角をコントロールしつつ巻かれたものである（図１４(a)参照）。通常巻線は導体の捻りなしに巻かれたものである（図１４(b)参照）。 The coil has a large stability range at 4.2K operation, but the margin decreases with increasing temperature. Table 5 shows a performance comparison between the twisted winding of the superconducting conductor according to the present invention and a normal winding. FIGS. 14A to 14B show contour diagrams of the temperature rise after 1 second discharge. The twisted winding is wound while controlling the twist angle of the conductor in order to match the direction of the conductor EO and the direction of the magnetic field in the coil (see FIG. 14 (a)). The normal winding is wound without twisting the conductor (see FIG. 14B).
捻り巻線は、1秒パルス操作後のその温度マージン内で動作されうる。しかしながら、通常巻線は電流分流温度をこえ、超伝導状態が破壊される（クエンチする）ことが分かる。 The torsion winding can be operated within its temperature margin after a 1 second pulse operation. However, it can be seen that the normal winding exceeds the current shunt temperature and the superconducting state is destroyed (quenched).
この実施例は、以下の表６に示されるような電気的特性を有する本発明にかかる超伝導導体を用いて製作され、瞬低対策用に用いるＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）の超伝導パルスコイル（蓄積エネルギー：１００KＪ）に適用したものである。この1００KＪ超伝導パルスコイルについて、以下のような条件で、冷却試験、定格通電試験、渦電流通電試験、高速遮断試験および繰り返し高速励磁試験をそれぞれ行った。
なお、この実施例では、スペーサは、高熱伝導率の電気的絶縁体であるダイニーマ繊維強化樹脂から形成され、１層当りのスペーサ数を４８（１周を４８分割）とし、これらのスペーサ間に素線絶縁した銅編線（リッツ線導体径：０．１ｍｍ、リッツ線長：およそ７０,０００ｍ、コイル内部のリッツ線の有効断面積：５，３８６ｍｍ2）を挿入することにより、伝導冷却に必要な高い冷却特性を実現した。
This embodiment is manufactured using a superconducting conductor according to the present invention having electrical characteristics as shown in Table 6 below, and is a superconducting pulse of a SMES (superconducting power storage device) used as a measure against a sag. This is applied to a coil (accumulated energy: 100 KJ). With respect to this 100 KJ superconducting pulse coil, a cooling test, a rated current test, an eddy current test, a high-speed interruption test, and a repeated high-speed excitation test were performed under the following conditions.
In this embodiment, the spacers are made of Dyneema fiber reinforced resin, which is an electrical insulator with high thermal conductivity, and the number of spacers per layer is 48 (one circle is divided into 48), and the space between these spacers is Insertion of insulated copper braided wire (Litz wire conductor diameter: 0.1 mm, Litz wire length: approx. 70,000 m, effective cross-sectional area of Litz wire inside coil: 5,386 mm 2 ) for conduction cooling The necessary high cooling characteristics were realized.
この実施例にかかる伝導冷却型超伝導パルスコイルは、断熱真空容器（クライトスタット）に納められ、２台のＧＭ冷凍機によって伝導冷却を行なった。この２台のＧＭ冷凍機の合計の冷凍能力は、１段目は、５０Ｋで１２０Ｗであり、２段目は、４Ｋで３Ｗである。また、冷凍機への熱負荷を表７に示す。
なお、コイルの冷却は、液体窒素による2日間の強制冷却によりコイル温度が130Kになるまで冷却し、その後、小型冷凍機による伝導冷却を2日間実施して、4Kになるまで冷却することができた。夜間は液体窒素冷却を停止したため、延べ3日間（液化窒素強制冷却：1日、冷凍機伝導冷却：2日）で冷却が可能であった。これにより、コイル内の温度差はなく、均一に冷却されており、本発明にかかる伝導冷却コイルの優れた熱特性を確認することができた。
この際、図１７に示すように、コイル内の各所に、セルノックス温度計及び白金コバルト温度計を配置し、冷却および励磁中のコイル内の温度分布を測定した。また、熱特性測定のためのヒーターをコイル内面に配置して行なった。
（２）定格通電試験
The coil can be cooled by forced cooling with liquid nitrogen for 2 days until the coil temperature reaches 130K, then conduction cooling with a small refrigerator for 2 days and cooling to 4K. It was. Since the cooling of liquid nitrogen was stopped at night, cooling was possible for a total of 3 days (liquid nitrogen forced cooling: 1 day, refrigerator conduction cooling: 2 days). Thereby, there was no temperature difference in the coil and it was cooled uniformly, and the excellent thermal characteristics of the conduction cooling coil according to the present invention could be confirmed.
At this time, as shown in FIG. 17, a Cell Knox thermometer and a platinum-cobalt thermometer were arranged at various locations in the coil, and the temperature distribution in the coil during cooling and excitation was measured. In addition, a heater for measuring thermal characteristics was placed on the inner surface of the coil.
(2) Rated current test
図１８に示すように、定格電流1000Aで1時間の保持運転を行い、安定動作を確認した。冷凍機第2段の緩やかな温度上昇により、コイル温度が3．6Kから3．7Kへ上昇した。しかし、コイルから冷凍機第2段までの温度勾配（リッツ線の温度勾配）は一定に保たれていた。
（３）渦電流通電試験
図１９に示すように、コイル電流1230A（蓄積エネルギー150kJ）の過電流通電試験を実施した。10A／sの励磁・減磁速度での交流損失（16J＠123s）によるコイル温度上昇は約0．15Kであり、1230A、5分間の安定な通電保持に成功した。これによって、伝導冷却型超伝導パルスコイルの高い安定性を確認することができた。
（４）高速遮断試験
コイル電流1230Aから遮断時定数1．37秒（定格1秒放電時の約2倍の減磁速度）での高速電流遮断試験を実施した（時定数1．2秒での高速遮断時の交流損失は196J）。コイル内の温度上昇は、図２０に示すように、約0．8Kであり、コイル内の高い熱伝導特性を確認することができた。
As shown in FIG. 18, a 1 hour holding operation was performed at a rated current of 1000 A, and stable operation was confirmed. The coil temperature rose from 3.6K to 3.7K due to a gradual temperature rise in the second stage of the refrigerator. However, the temperature gradient from the coil to the second stage of the refrigerator (the temperature gradient of the litz wire) was kept constant.
(3) Eddy current energization test As shown in FIG. 19, an overcurrent energization test with a coil current of 1230A (accumulated energy of 150 kJ) was performed. The coil temperature rise due to AC loss (16J @ 123s) at an excitation / demagnetization rate of 10A / s was about 0.15K, and it was possible to maintain stable energization for 5 minutes at 1230A. This confirmed the high stability of the conduction-cooled superconducting pulse coil.
(4) High-speed interruption test A high-speed current interruption test was performed with a coil current of 1230A and an interruption time constant of 1.37 seconds (approximately twice the demagnetization rate of rated 1-second discharge) (with a time constant of 1.2 seconds). AC loss at high speed shutoff is 196J). As shown in FIG. 20, the temperature rise in the coil was about 0.8 K, and high heat conduction characteristics in the coil could be confirmed.
また、コイル電流1230Aから時定数1．37秒での高速遮断時のコイル両端の発生電圧は、図２１に示すように、179Vであり、コイルの電気的絶縁が確保されていることを確認した。 Also, the voltage generated at both ends of the coil at the time of high-speed interruption with a time constant of 1.37 seconds from the coil current 1230A is 179V as shown in FIG. 21, and it was confirmed that the electrical insulation of the coil was secured. .
さらに、図２２に示すように、コイル電流1230Aから時定数1．37秒での高速遮断時のコイルバランス電圧を観測した。定格減磁速度の倍の高速減磁を行っても、常伝導部の発生は見られなかった。伝導冷却型超伝導パルスコイルのパルス動作時の高い安定性を確認することができた。
（５）繰り返し励磁試験
図２３に示すように、励磁50A／s、減磁−50A／sで1000Aまでの三角波繰り返し励磁を20回実施した。1回の励磁／減磁の交流損失は28J／20s、1．4Wの交流損失が継続して発生するが、コイル内の温度上昇は1．1K以下に保たれた。冷凍機第2段の銅ステージの温度が0．65K上昇しており、コイル内はほぼ均一な温度であり、リッツ線部で0．45Kの温度勾配が発生していた。この繰り返し励磁試験の結果、伝導冷却コイルの高い除熱性能を確認することができた。
Furthermore, as shown in FIG. 22, the coil balance voltage at the time of high-speed cutoff with a time constant of 1.37 seconds was observed from the coil current 1230A. Even when high-speed demagnetization that was twice the rated demagnetization rate was performed, no normal conduction part was observed. High stability during pulse operation of the conduction-cooled superconducting pulse coil was confirmed.
(5) Repetitive Excitation Test As shown in FIG. 23, triangular wave repetitive excitation up to 1000 A was performed 20 times with excitation 50 A / s and demagnetization −50 A / s. The AC loss of one excitation / demagnetization is 28J / 20s, and the AC loss of 1.4W continues to occur, but the temperature rise in the coil was kept below 1.1K. The temperature of the copper stage of the second stage of the refrigerator was increased by 0.65K, the temperature inside the coil was almost uniform, and a temperature gradient of 0.45K was generated in the litz wire part. As a result of this repeated excitation test, high heat removal performance of the conductive cooling coil could be confirmed.
さらに、本発明において用いられるコイルの構成材料、銅およびアルミニウムについて、図２４に示すように、２０K以下の低温では、0.007〜 0.09m2/s、という高熱拡散率を有し、特に、３K〜１０Kの低温で、0.02〜0.9 m2/s、という高熱拡散率を有することが確認された。 Furthermore, as shown in FIG. 24, the constituent materials of the coil used in the present invention, copper and aluminum, have a high thermal diffusivity of 0.007 to 0.09 m 2 / s at a low temperature of 20 K or less, in particular 3K to It was confirmed to have a high thermal diffusivity of 0.02 to 0.9 m 2 / s at a low temperature of 10K.
また、巻線間に充填されたエポキシ樹脂や、巻枠を構成するガラス繊維強化樹脂も、５K以下の低温では、1.4 ×10-5 〜 1.2 ×10-4 m2/s のステンレスと同等以上の熱拡散率を有していることが確認された。 In addition, the epoxy resin filled between the windings and the glass fiber reinforced resin that constitutes the winding frame are equivalent to or better than stainless steel of 1.4 × 10 -5 to 1.2 × 10 -4 m 2 / s at a low temperature of 5K or less. It was confirmed to have a thermal diffusivity of
このことから、本発明にかかる伝導冷却型超伝導パルスコイルは、特に、１０K程度の極低温でも高い除熱性能を有していることが分かる。 From this, it can be seen that the conduction cooled superconducting pulse coil according to the present invention has a high heat removal performance even at an extremely low temperature of about 10K.
なお、コイル構成部材に熱が拡散する時定数は、
熱拡散時定数＝（部材の厚さ）2／熱拡散率
で計算される。
The time constant for heat diffusion to the coil components is:
Thermal diffusion time constant = (thickness of member) 2 / calculated by thermal diffusivity.
リッツ線の平均長さ：１ｍ
コイル14層分の導体のアルミニウム部の厚み：８４ｍｍ
層間のエポキシ樹脂およびガラス繊維補強樹脂のボビン部の厚み：１０ｍｍ
とすると、
コイル内の各構成部材の熱拡散時定数は、図２５に示すように、４K付近では1秒程度となる。従って、コイル内及びリッツ線を介して冷凍機第2段までは、数秒程度の時定数で均温化できることが分かる。
Average length of litz wire: 1m
Thickness of aluminum part of conductor for 14 layers of coil: 84mm
Interlayer epoxy resin and glass fiber reinforced resin bobbin thickness: 10 mm
Then,
As shown in FIG. 25, the thermal diffusion time constant of each component in the coil is about 1 second near 4K. Therefore, it can be seen that the temperature can be equalized with a time constant of about several seconds up to the second stage of the refrigerator through the coil and the litz wire.
上記の高速の熱拡散は、極低温のみで現れる特徴であり、液体窒素温度では熱拡散時定数が数100〜数1000秒程度になってしまうことが確認された。 The above high-speed thermal diffusion is a feature that appears only at an extremely low temperature, and it has been confirmed that the thermal diffusion time constant becomes several hundred to several thousand seconds at the liquid nitrogen temperature.
したがって、この実施例にかかる超伝導パルスコイルでは、以下の(1)〜(6)のようなことが分かった。
1）実質3日間の冷却で、コイルを4Kまで冷却することができる。
2）定格電流1000Aで1時間の保持が可能であり、連続運転性能が確認された。
3）1，230A（蓄積エネルギー定格の1．5倍）の過電流を通電させることができる。
4）時定数1．37秒での高速遮断（定格放電時の2倍の減磁）でも、常伝導部は発生せず、高い安定性が確認された。
5）50A／s励磁、−50A／s減磁、ピーク値1000Aの三角波の連続通電が可能である。
6）コイルの各構成部材は、4Kでの熱拡散時定数1秒程度となり、数秒でコイル内および冷凍機第2段までが均温化されることが確認された。
Therefore, in the superconducting pulse coil according to this example, the following (1) to (6) were found.
1) The coil can be cooled to 4K by cooling for 3 days.
2) It was possible to hold for 1 hour at a rated current of 1000A, confirming continuous operation performance.
3) Overcurrent of 1,230A (1.5 times the stored energy rating) can be applied.
4) Even with high-speed interruption with a time constant of 1.37 seconds (demagnetization twice that of rated discharge), a normal conduction part did not occur and high stability was confirmed.
5) Continuous energization of triangular wave with 50A / s excitation, -50A / s demagnetization and peak value of 1000A is possible.
6) It was confirmed that each component of the coil had a thermal diffusion time constant at 4K of about 1 second, and that the temperature inside the coil and the second stage of the refrigerator was equalized in a few seconds.
このような伝導冷却型超伝導パルスコイルの優れた熱特性は、瞬低用超伝導電力貯蔵装置の超伝導パルスコイルに必要な1秒放電に余裕をもって対応できることを示している共に、連続パルス運転も可能であることが確認され、更なる応用範囲の拡大が期待できる。 The excellent thermal characteristics of such a conduction-cooled superconducting pulse coil show that it can cope with the 1-second discharge required for the superconducting pulse coil of the superconducting power storage device for sag, and has continuous pulse operation. It is confirmed that this is possible, and further expansion of the application range can be expected.
以上説明したように、本発明の超伝導パルスコイルは、従来の液体ヘリウムによる浸漬冷却方式または超臨界圧ヘリウムによる強制冷却方式を用いることなく、取り扱いが容易でメンテナンスフリーである伝導冷却型または間接冷却型の超伝導パルスコイルとして有利であり、このような超伝導パルスコイルを用いて、取り扱いが容易で高信頼性の超伝導装置や瞬低対策用に好適な超伝導電力貯蔵装置が得られる。 As described above, the superconducting pulse coil according to the present invention can be easily handled and maintenance free without using a conventional immersion cooling method using liquid helium or a forced cooling method using supercritical pressure helium, or indirectly. It is advantageous as a cooling type superconducting pulse coil. By using such a superconducting pulse coil, it is possible to obtain a superconducting device that is easy to handle and highly reliable, and a superconducting power storage device that is suitable for measures against sag. .
１ ＡＣスイッチ
２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
３ 超伝導コイルシステム
４ 電力貯蔵装置制御システム
５ 補償電気負荷
１０ 超伝導導体
１１ 成型撚線
１２ アルミニウム
１３ ポリイミドテープ
１４ リッツ線
１５ スペーサ
1
Claims (23)
前記超伝導導体の隙間にエポキシ樹脂などの充填材を充填すると共に、前記超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とを、独立して配置したことを特徴とする超伝導パルスコイル。 In a superconducting coil configured to cool a superconducting conductor wound in a plurality of layers on a winding frame to a low temperature below the critical temperature via a cooling path,
The gap between the superconductive conductors is filled with a filler such as an epoxy resin, and a first heat conductive member that controls heat transfer in the radial direction and a first heat transfer member that controls heat transfer in the axial direction are provided between the superconductive conductors. A superconducting pulse coil, wherein two heat conducting members are arranged independently.
前記超伝導導体の隙間にエポキシ樹脂などの充填材が充填されると共に、前記超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とが、前記超伝導導体の巻回される方向に沿って交互に離間配置され、かつ前記超伝導導体の巻回される方向に直交する方向に延在されるような形態に形成され、さらに、前記第二の熱伝導部材が、固体冷却経路を介して冷凍機により冷却されるように構成されていることを特徴とする超伝導パルスコイル。 In a superconducting coil configured to cool a superconducting conductor wound in multiple layers on a winding frame to a low temperature below the critical temperature through a solid cooling path,
The gap between the superconducting conductors is filled with a filler such as an epoxy resin, and between the superconducting conductors, a first heat conducting member that controls heat transfer in the radial direction and heat transfer in the axial direction. The second heat conducting member is alternately spaced along the direction in which the superconducting conductor is wound, and extends in a direction perpendicular to the direction in which the superconducting conductor is wound. A superconducting pulse coil, wherein the second heat conducting member is further cooled by a refrigerator via a solid cooling path.
前記充填材は、エポキシ樹脂から形成され、
前記第一の熱伝導部材は、ダイニーマ繊維強化樹脂から形成されると共に、前記線材の円形断面に対応した円弧状断面の溝が形成されたスペーサの形態に形成され、さらに、
前記第二の熱伝導部材は、電気的に絶縁された銅の素線の複数本を集め、撚合わせて形成されたリッツ線の形態に形成され、かつ前記巻枠の端部から外側に引き出されて固体冷却経路を形成していることを特徴とする請求項１６に記載の超伝導パルスコイル。 The superconducting conductor is an aluminum or aluminum alloy formed from a twisted strand formed by arranging a plurality of superconducting filaments arranged in a base material of Cu, which is a normal conducting metal, The wire is wound in a coil shape while being twisted so that the direction parallel to the wide surface of the molded stranded wire coincides with the direction of the variable magnetic field. ,
The filler is formed from an epoxy resin,
The first heat conducting member is formed from a Dyneema fiber reinforced resin and is formed in the form of a spacer in which a groove having an arc-shaped cross section corresponding to the circular cross section of the wire is formed.
The second heat conducting member is formed in the form of a litz wire formed by collecting and twisting a plurality of electrically insulated copper strands, and pulled out from the end of the reel. The superconducting pulse coil according to claim 16, wherein a solid cooling path is formed.
前記超伝導コイルは、請求項１、２、４〜２１のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイルであることを特徴とする超伝導装置。 Compact refrigeration for cooling a superconducting coil disposed in the vacuum vessel and the superconducting coil to a low temperature below a critical temperature via a solid cooling path. In a low-temperature superconducting device comprising a machine and a current lead for taking out the current generated in the superconducting coil to the outside of the vacuum vessel,
The superconducting device according to any one of claims 1, 2, 4 to 21, wherein the superconducting coil is the superconducting pulse coil.
前記超伝導（ＳＣ）コイルシステムは、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイルを用いていることを超伝導電力貯蔵装置。
In a superconducting power storage device having an AC switch, an AC / DC converter, a superconducting (SC) coil system, a SMES control system, and a compensating electrical load,
The superconducting power storage device using the superconducting pulse coil according to any one of claims 1 to 21 in the superconducting (SC) coil system.
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