JP2007080940A - 超電導コイル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】超電導コイルの超電導状態が破れ常電導状態に転移した場合にも、安定した絶縁耐力を維持することのできる超電導コイル装置を提供する。
【解決手段】超電導線材１を巻回し口出し線４を有する超電導コイル１０と、超電導コイル１０を浸漬冷却する低温流体５を貯留する低温容器６とを備えた超電導コイル装置において、超電導コイル１０が通電損失あるいは常電導転移などで発熱する際に発生する気泡が口出し線４の近傍に流入することを防ぐ防泡手段（１１）を具備する構成とする。
【選択図】図１
【解決手段】超電導線材１を巻回し口出し線４を有する超電導コイル１０と、超電導コイル１０を浸漬冷却する低温流体５を貯留する低温容器６とを備えた超電導コイル装置において、超電導コイル１０が通電損失あるいは常電導転移などで発熱する際に発生する気泡が口出し線４の近傍に流入することを防ぐ防泡手段（１１）を具備する構成とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、超電導線材を巻回してなる超電導コイルを液体窒素や液体ヘリウムなどの低温流体に浸漬冷却して超電導状態を保持する超電導コイル装置に関する。
超電導コイルは、ニオブチタン、ニオブ３スズ等の金属系超電導線材あるいはビスマス系、イットリウム系等の酸化物系超電導線材をコイル状に巻回して構成される。超電導コイルは、超電導状態を実現するために一般的に液体窒素や液体ヘリウムなどの低温流体（冷媒）に浸漬される。このようにすると、超電導コイルの周囲が低温流体によって覆われ、内部が低温流体で満たされた状態になるので良好な冷却条件が得られる（下記非特許文献１参照）。
浸漬冷却による従来の超電導コイル装置の代表的な構成例を図８に示す。超電導コイル１０は、絶縁材３を層間絶縁として超電導線材１を巻回し、エポキシ樹脂等の含浸材２によって超電導線材１の相互間および超電導線材１と絶縁材３のあいだを固着した構成になっている。コイルに巻回した超電導線材１の両端、および場合によっては中間にも、口出し線４が設けられる。図示していないが、この口出し線４から電流リードを介して、低温容器６の外部の電源あるいは電気系統に接続される。このように構成された超電導コイル１０は、口出し線４も含めて液体窒素や液体ヘリウムなどの低温流体５に浸漬された状態で冷却される。
上記のような、超電導コイル１０を低温流体５に浸漬した構成は、超電導コイル装置として代表的なものであるが、その適用分野によっては問題を生ずる可能性がある。それは電力分野へ適用するケースで、ある程度の耐電圧を考える必要がある場合である。低温流体５は絶縁媒体としても寄与するので、超電導コイル装置は低温流体５の絶縁耐力のデータに基づいて製作される。問題なのは、超電導コイル１０が何らかの要因で、超電導状態が破れ常電導状態に転移する場合があることである。この常電導転移を度外視しての設計製作は実際的ではない。
超電導コイル１０が常電導転移した場合、超電導コイル１０の周囲は、部分的に気泡に覆われる。したがって耐電圧の設計は、最悪のケースとして気泡が存在する条件を考慮する必要がある。気泡が存在する場合、耐電圧に関してもっとも厳しいのは口出し線４である。一般に口出し線４は、矩形状の金属で構成されるため、巻回されている超電導線材１よりも電界集中を起こしやすい。また、巻回されている超電導線材１にて生成した気泡が上昇して口出し線４を覆いやすい。口出し線４において電界集中が起きると、接地電位にある低温容器６に対して、絶縁破壊を起こす可能性がある。もちろん、口出し線４の周囲が液体ではなく気体に覆われた状態を絶縁設計の前提することは、考え方としてはありうるが、絶縁距離が大きくなりサイズの増大を招くことになる。
電気学会大学講座 超電導工学（１９７４年出版、発売元：オーム社）
電気学会大学講座 超電導工学（１９７４年出版、発売元：オーム社）
上記のように、従来の超電導コイル装置では、高電圧に対して適用するケースにおいて、超電導コイルが何らかの要因で、超電導状態が破れ常電導状態に転移した場合、電界集中を生じやすい口出し線が気泡に覆われ、口出し線と低温容器の間で絶縁破壊を生じやすいという問題がある。
そこで本発明は、安定した絶縁耐力を維持することのできる超電導コイル装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、超電導線材を巻回し口出し線を有する超電導コイルと、前記超電導コイルを浸漬冷却する低温流体を貯留する低温容器とを備えた超電導コイル装置において、前記超電導コイルが発熱する際に発生する気泡が前記口出し線を覆うことを防ぐ防泡手段を具備する構成とする。
請求項４の発明は、超電導線材を巻回し口出し線を有する超電導コイルと、前記超電導コイルを浸漬冷却する低温流体を貯留する低温容器とを備えた超電導コイル装置において、前記低温容器内を前記超電導コイルの運転温度における飽和圧力よりも高い圧力に保持する圧力調整機構を備えている構成とする。
請求項５の発明は、超電導線材を巻回し口出し線を有する超電導コイルと、前記超電導コイルを浸漬冷却する低温流体を貯留する低温容器とを備えた超電導コイル装置において、前記超電導コイルの外側に前記超電導コイルから前記低温流体への熱伝達を遅延させる熱緩和層を備えている構成とする。
請求項６の発明は、超電導線材を巻回し口出し線を有する超電導コイルと、前記超電導コイルを浸漬冷却する低温流体を貯留する低温容器とを備えた超電導コイル装置において、前記口出し線は、前記超電導コイルの下側に設けられている構成とする。
本発明によれば、安定した絶縁耐力を維持することのできる超電導コイル装置を提供することができる。
以下、本発明に係る超電導コイル装置の第１ないし第７の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態を示す。
本実施の形態の超電導コイル装置は、低温容器６内に貯留された液体窒素や液体ヘリウムなどの低温流体５に浸漬された超電導コイル１０を備え、超電導コイル１０は、シート状の絶縁材３を層間絶縁として多層に巻回した超電導線材１と、超電導線材１の巻き始めと巻き終わり、および場合によっては中間部からも取り出された口出し線４と、超電導線材１と絶縁材３と口出し線４の根元部に含浸されたエポキシ樹脂等の含浸材２とからなり、口出し線４に防泡手段である気泡流入抑制部材１１を設けた構成である。
図１に本発明の第１の実施の形態を示す。
本実施の形態の超電導コイル装置は、低温容器６内に貯留された液体窒素や液体ヘリウムなどの低温流体５に浸漬された超電導コイル１０を備え、超電導コイル１０は、シート状の絶縁材３を層間絶縁として多層に巻回した超電導線材１と、超電導線材１の巻き始めと巻き終わり、および場合によっては中間部からも取り出された口出し線４と、超電導線材１と絶縁材３と口出し線４の根元部に含浸されたエポキシ樹脂等の含浸材２とからなり、口出し線４に防泡手段である気泡流入抑制部材１１を設けた構成である。
気泡流入制御部材１１の材質について特に制約はない、金属あるいは樹脂などの絶縁体でもよい。コイル上部に取り付けるフランジのごとき構成が望ましい。口出し線４と絶縁されている必要はあるので、金属を使用した場合は、フランジ形状の気泡流入制御部材１１を口出し線４が貫通する部分に絶縁層を介在させる必要がある。あるいは、気泡流入制御部材１１を口出し線４と導通させてもよいが、その場合には低温容器６と電気絶縁する必要がある。
本実施の形態の超電導コイル装置では、口出し線４の周辺に気泡流入抑制部材１１が設置されているので、超電導コイル１０が常電導転移したときに気泡が生成しても、口出し線４がその気泡に覆われることがない。したがって、気泡内の放電によって口出し線４の近傍が絶縁破壊に至ることが抑制され、安定した絶縁耐力を維持することができる。
（第２の実施の形態）
本実施の形態の超電導コイル装置は、図２に示すように、口出し線４の周囲に防泡手段である障壁１２を設置した構成を具備している。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態の超電導コイル装置は、図２に示すように、口出し線４の周囲に防泡手段である障壁１２を設置した構成を具備している。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
障壁１２の材質について特に制約はない、金属あるいは樹脂などの絶縁体でもよい。コイル上部に取り付けるフランジのごとき構成が望ましい。あるいは、口出し線４を貫通させて配置する円板形状の板材でもよい。絶縁については、第１の実施の形態におけると同様である。
本実施の形態によれば、超電導コイル１０が常電導転移したときに気泡が生成しても、口出し線４が気泡に覆われることを障壁１２によって防止して、安定した絶縁耐力を得ることができる。
なお、本実施の形態は、障壁１２の角部１４を曲面にするとさらによい。このようにすると、角部１４における電界が緩和され、絶縁耐力を更に高めることができる。
なお、本実施の形態は、障壁１２の角部１４を曲面にするとさらによい。このようにすると、角部１４における電界が緩和され、絶縁耐力を更に高めることができる。
（第３の実施の形態）
本実施の形態の超電導コイル装置は、図３に示すように、口出し線４に設けた障壁１２にシールドリング１５を設置した構成である。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態の超電導コイル装置は、図３に示すように、口出し線４に設けた障壁１２にシールドリング１５を設置した構成である。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態によれば、口出し線４の周辺の電界を緩和し、耐電圧性能を高めることができる。なお、第１の実施の形態における気泡流入制御部材１１もシールドリング１５を設けるようにしてもよい。
（第４の実施の形態）
図４に本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態の超電導コイル装置は、低温容器６に圧力調整機構１６を接続した構成である。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
図４に本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態の超電導コイル装置は、低温容器６に圧力調整機構１６を接続した構成である。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態によれば、低温流体５の飽和圧力よりも低温容器６内の圧力を高めることにより、低温流体５をサブクール状態として、超電導コイル１０の発熱による気泡生成を抑制する効果が得られる。
（第５の実施の形態）
図５に本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態の超電導コイル装置は、超電導コイル１０の周囲に熱緩和層１７を配置した構成である。熱緩和層１７はエポキシ樹脂、ＦＲＰ等の絶縁体の層である。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
図５に本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態の超電導コイル装置は、超電導コイル１０の周囲に熱緩和層１７を配置した構成である。熱緩和層１７はエポキシ樹脂、ＦＲＰ等の絶縁体の層である。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態によれば、超電導コイル１０の発熱の際に、コイル表面と低温流体５の間の熱伝達を遅延させ、気泡生成までの時間を遅延する効果がある。気泡生成時間を遅らせることにより、気泡生成時には印加電圧が低下し、耐電圧性能が高まる効果が得られる。
（第６の実施の形態）
本実施の形態の超電導コイル装置は、図６に示すように、超電導コイル１０を鉛直方向に対して傾けた構成を有している。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態の超電導コイル装置は、図６に示すように、超電導コイル１０を鉛直方向に対して傾けた構成を有している。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態によれば、超電導コイル１０が常電導転移したときに生成する気泡が口出し線４部分に滞留することを抑制して、安定した絶縁耐力を得ることができる。
（第７の実施の形態）
本実施の形態の超電導コイル装置は、図７に示すように、超電導コイル１０の口出し線４を下側に配置した構成を有している。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態の超電導コイル装置は、図７に示すように、超電導コイル１０の口出し線４を下側に配置した構成を有している。超電導コイル１０の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態によれば、超電導コイル１０が常電導転移したときに生成する気泡が口出し線４部分に到達することを抑制して、安定した絶縁耐力を得ることができる。
１…超電導線材、２…含浸材、３…絶縁材、４…口出し線、５…低温流体、６…低温容器、１０…超電導コイル、１１…気泡流入抑制部材、１２…障壁、１４…角部、１５…シールドリング、１６…圧力調整機構、１７…熱緩和層。
Claims (6)
- 超電導線材を巻回し口出し線を有する超電導コイルと、前記超電導コイルを浸漬冷却する低温流体を貯留する低温容器とを備えた超電導コイル装置において、前記超電導コイルが通電損失あるいは常電導転移などで発熱する際に発生する気泡が前記口出し線を覆うことを防ぐ防泡手段を具備することを特徴とする超電導コイル装置。
- 前記防泡手段は、角部が電界を緩和する形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の超電導コイル装置。
- 前記防泡手段は、前記防泡手段の電界を緩和するシールドリングを備えていることを特徴とする請求項２記載の超電導コイル装置。
- 超電導線材を巻回し口出し線を有する超電導コイルと、前記超電導コイルを浸漬冷却する低温流体を貯留する低温容器とを備えた超電導コイル装置において、前記低温容器内を前記超電導コイルの運転温度における飽和圧力よりも高い圧力に保持する圧力調整機構を備えていることを特徴とする超電導コイル装置。
- 超電導線材を巻回し口出し線を有する超電導コイルと、前記超電導コイルを浸漬冷却する低温流体を貯留する低温容器とを備えた超電導コイル装置において、前記超電導コイルの外側に前記超電導コイルから前記低温流体への熱伝達を遅延させる熱緩和層を備えていることを特徴とする超電導コイル装置。
- 超電導線材を巻回し口出し線を有する超電導コイルと、前記超電導コイルを浸漬冷却する低温流体を貯留する低温容器とを備えた超電導コイル装置において、前記口出し線は、前記超電導コイルの下側に設けられていることを特徴とする超電導コイル装置。
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