JP2008004868A - Superconducting coil, and quenching prevention method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、極低温下で励磁される超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止方法に関し、特に、軸方向両端にフランジ部を有する略円筒状の巻枠に超電導線材を螺旋状に巻回して構成される超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止方法に関するものである。 The present invention relates to a superconducting coil excited at a cryogenic temperature and a method for preventing quenching of a superconducting coil, and in particular, is configured by spirally winding a superconducting wire around a substantially cylindrical winding frame having flange portions at both axial ends. The present invention relates to a superconducting coil and a method for preventing quenching of a superconducting coil.
従来、強磁界を発生させる超電導コイルは、円筒状の軸部とこの軸部の軸方向両端から径外方向に延設されるフランジ部とを有する巻枠に超電導線材を螺旋状に巻回することにより構成されており、極低温(約4.2K以下)に冷却した状態で通電することにより励磁されるようになっている。 Conventionally, a superconducting coil that generates a strong magnetic field spirally winds a superconducting wire around a winding frame having a cylindrical shaft portion and a flange portion extending radially outward from both axial ends of the shaft portion. And is excited by energization in a state of being cooled to a very low temperature (about 4.2 K or less).
ところで、励磁状態の超電導コイルでは、通電電流と自ら発した磁界との相互作用により超電導線材(ここでは、巻回状態にある超電導線材の集合体)を超電導コイルの径方向に膨らませようとするフープ力が当該超電導線材に作用する。これにより、超電導線材が微小変位するので、その変位部分で摩擦熱が生じ、クエンチ現象が発生する場合があるという不都合がある。 By the way, in a superconducting coil in an excited state, a hoop that attempts to expand a superconducting wire (in this case, a collection of superconducting wires in a wound state) in the radial direction of the superconducting coil by the interaction between an energizing current and a magnetic field generated by itself. Force acts on the superconducting wire. Thereby, since the superconducting wire is slightly displaced, there is a disadvantage that frictional heat is generated at the displaced portion and a quench phenomenon may occur.
そこで、上記不都合を解消するために、超電導線材を超電導コイルの軸方向に圧縮する力を当該超電導線材に付与することで、超電導線材を微小変位し難くし、クエンチ現象を抑制する技術が提案されている。例えば、特許文献1には、巻枠に軸方向の引張荷重を加えた状態で超電導線材を巻回し、巻回後に上記軸方向の引張荷重を解除することにより、励磁前に巻枠から超電導線材に十分な大きさの軸方向の圧縮力を作用させるように構成された超電導コイルが開示されている。
しかしながら、上記特許文献1では、励磁状態の超電導コイルにおける超電導線材の微小変位を抑制するために、励磁前に超電導線材に十分な大きさの圧縮力を作用させるように構成したので、巻枠や超電導線材に常時大きな負荷が加わることになる。その結果、構成部材の早期劣化を招く虞があるという問題点がある。 However, in the above-mentioned Patent Document 1, in order to suppress a small displacement of the superconducting wire in the superconducting coil in an excited state, it is configured to apply a sufficiently large compressive force to the superconducting wire before excitation. A large load is always applied to the superconducting wire. As a result, there exists a problem that there exists a possibility of causing the early deterioration of a structural member.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、構成部材の早期劣化を抑制しつつクエンチ現象の発生を抑えることが可能な超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a superconducting coil and a method for preventing quenching of a superconducting coil capable of suppressing the occurrence of a quench phenomenon while suppressing early deterioration of components. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、この発明の請求項1に記載の超電導コイルは、極低温下で励磁される超電導コイルであって、円筒状の軸部と、前記軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠と、前記軸部の外周に螺旋状に巻回される超電導線材と、前記一対のフランジ部の外周縁部位同士を橋絡するように前記フランジ部間に架設される補強材とを備え、前記補強材は、前記超電導線材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有しており、極低温下で前記一対のフランジ部の外周縁部位を互いに近接する方向に変位させるように収縮することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a superconducting coil according to claim 1 of the present invention is a superconducting coil excited at a cryogenic temperature, and has a cylindrical shaft portion and a diameter from both axial ends of the shaft portion. A winding frame including a pair of flange portions extending outward, a superconducting wire spirally wound around the outer periphery of the shaft portion, and an outer peripheral edge portion of the pair of flange portions so as to bridge each other And a reinforcing material installed between the flange portions, the reinforcing material has a heat shrinkage rate larger than that of the superconducting wire, and the outside of the pair of flange portions at an extremely low temperature. The peripheral part is contracted so as to be displaced in a direction approaching each other.
なお、上記フランジ部の外周縁部位は、フランジ部の外周縁の上面、外周縁の下面または外周面を示している。 In addition, the outer periphery part of the said flange part has shown the upper surface of the outer periphery of the flange part, the lower surface or outer peripheral surface of an outer periphery.
この請求項1に記載の超電導コイルでは、上記のように、一対のフランジ部の外周縁部位同士を超電導線材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率の補強材で橋絡し、この補強材を、極低温下で一対のフランジ部の外周縁部位を互いに近接する方向に変位させるように収縮させるように構成することによって、冷却時に補強材を超電導線材よりも軸方向に大きく収縮させることができるので、一対のフランジ部の外周縁部位を、対応する超電導線材の外周部を軸方向外側から挟み込むように互いに近接させることができる。これにより、超電導線材の外周部にフランジ部による圧縮力を十分に作用させることができるので、超電導線材の外周部の微小変位を抑制することができる。その結果、クエンチ現象の発生を抑制して超電導コイルを安定して励磁させることができる。しかも、請求項1に記載の超電導コイルでは、超電導線材の微小変位を十分に抑制可能な大きさの圧縮力を冷却時の熱収縮差によって積極的に作用させる構成となっているため、従来のように励磁前の段階、すなわち、常温下で行われる例えば超電導コイルの輸送や設置の段階から巻枠および超電導線材に大きな圧縮力を加える必要がない。これにより、前記圧縮力の負荷による構成部材の早期劣化を抑制することができる。 In the superconducting coil according to claim 1, as described above, the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions are bridged with a reinforcing material having a thermal contraction rate larger than that of the superconducting wire, and the reinforcing material is By constructing the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions so as to be displaced toward each other at a cryogenic temperature, the reinforcing material can be contracted more in the axial direction than the superconducting wire during cooling. Therefore, the outer peripheral edge part of a pair of flange part can mutually be adjoined so that the outer peripheral part of a corresponding superconducting wire may be pinched | interposed from an axial direction outer side. Thereby, since the compressive force by a flange part can fully be acted on the outer peripheral part of a superconducting wire, the micro displacement of the outer peripheral part of a superconducting wire can be suppressed. As a result, the occurrence of the quench phenomenon can be suppressed and the superconducting coil can be stably excited. In addition, the superconducting coil according to claim 1 has a configuration in which a compressive force of a size capable of sufficiently suppressing a minute displacement of the superconducting wire is positively acted on by a heat shrinkage difference during cooling. Thus, it is not necessary to apply a large compressive force to the winding frame and the superconducting wire from the stage before excitation, that is, the stage of transporting and installing the superconducting coil performed at room temperature. Thereby, the early deterioration of the structural member by the load of the said compressive force can be suppressed.
上記請求項1に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記補強材は、前記一対のフランジ部に対して軸方向に略無負荷となる状態で前記フランジ部間に架設されている(請求項2)。このように、冷却前の段階で、補強材を、一対のフランジ部に対して軸方向に略無負荷となる状態でこれらフランジ部間に架設することによって、冷却時以外に巻枠および超電導線材に負荷が加わることがほぼなくなるので、構成部材の早期劣化をより一層抑制することができる。 In the superconducting coil according to the first aspect, preferably, the reinforcing member is provided between the flange portions in a state of being substantially unloaded in the axial direction with respect to the pair of flange portions. ). In this way, at the stage before cooling, the reinforcing material is laid between the flange portions in a state of being substantially unloaded in the axial direction with respect to the pair of flange portions, so that the winding frame and the superconducting wire are not used during cooling. Since almost no load is applied to the component, early deterioration of the constituent members can be further suppressed.
上記請求項1または2に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記補強材は、前記フランジ部の外径と略等しい内径を有する円筒部を含み、前記円筒部は、前記一対のフランジ部の外周縁部位同士を全周に亘って橋絡するように前記フランジ部間に架設されている(請求項3)。このように構成すれば、冷却時に、超電導線材の外周部に全周に亘ってフランジ部による圧縮力を十分に作用させることができるので、超電導線材の外周部の微小変位をより確実に抑制することができる。これにより、クエンチ現象の発生をさらに抑制することができる。 The superconducting coil according to claim 1 or 2, wherein the reinforcing member preferably includes a cylindrical portion having an inner diameter substantially equal to an outer diameter of the flange portion, and the cylindrical portion is an outer portion of the pair of flange portions. It is constructed between the said flange parts so that a peripheral part may be bridged over a perimeter (Claim 3). If comprised in this way, the compressive force by a flange part can fully be made to act on the outer peripheral part of a superconducting wire at the time of cooling, Therefore The micro displacement of the outer peripheral part of a superconducting wire is suppressed more reliably. be able to. Thereby, generation | occurrence | production of the quench phenomenon can further be suppressed.
上記請求項3に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記補強材は、前記円筒部の軸方向両端から径内方向に延設されて前記巻枠の一対のフランジ部を軸方向両外側から挟み込むように前記フランジ部に隣接して配される一対の補強材側フランジ部を含み、極低温下で前記一対の補強材側フランジ部を前記巻枠の各フランジ部に当接させて前記一対のフランジ部を互いに近接する方向に変位させるように収縮する(請求項4)。このように構成すれば、冷却時に、一対のフランジ部の外周縁部位を含む比較的広範囲な領域を互いに近接させることができるので、超電導線材の外周部を含む比較的広範囲な領域にフランジ部による圧縮力を作用させることができる。これにより、超電導線材の微小変位を広範囲に亘って抑制することができる。 In the superconducting coil according to claim 3, preferably, the reinforcing member extends radially inward from both axial ends of the cylindrical portion and sandwiches the pair of flange portions of the winding frame from both axial outer sides. A pair of reinforcing material side flange portions arranged adjacent to the flange portion, and the pair of reinforcing material side flange portions are brought into contact with the flange portions of the winding frame at a cryogenic temperature. The flange portions are contracted so as to be displaced in directions close to each other. If comprised in this way, since a comparatively wide area | region including the outer peripheral part of a pair of flange part can mutually be adjoined at the time of cooling, a flange part is made into the comparatively wide area | region including the outer peripheral part of a superconducting wire. A compressive force can be applied. Thereby, the micro displacement of a superconducting wire can be suppressed over a wide range.
上記請求項1または2に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記補強材は、複数の板材であり、前記板材は、それぞれ、前記一対のフランジ部の外周縁部位同士を部分的に橋絡するように前記フランジ部間に架設される橋絡部を含んでいる(請求項5)。このように補強材を複数の板材で構成すれば、各板材を巻枠の径方向外側からフランジ部に取り付けることができるので、補強材の取付作業を簡便化することができる。 In the superconducting coil according to claim 1 or 2, preferably, the reinforcing member is a plurality of plate members, and each of the plate members partially bridges the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions. Thus, a bridging portion constructed between the flange portions is included. Thus, if a reinforcing material is comprised with a some board | plate material, since each board | plate material can be attached to a flange part from the radial direction outer side of a winding frame, the attachment operation | work of a reinforcing material can be simplified.
上記請求項5に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記板材は、それぞれ、前記橋絡部の軸方向両端から径内方向に延設されて前記巻枠の一対のフランジ部を軸方向両外側から挟み込むように前記フランジ部に隣接して配される一対の折曲げ部を含み、極低温下で前記一対の折曲げ部を前記巻枠の各フランジ部に当接させて前記一対のフランジ部を互いに近接する方向に変位させるように収縮する(請求項6)。このように構成すれば、冷却時に、一対のフランジ部の外周縁部位を含む比較的広範囲な領域を互いに近接させることができるので、超電導線材の外周部を含む比較的広範囲な領域にフランジ部による圧縮力を作用させることができる。これにより、超電導線材の微小変位を広範囲に亘って抑制することができる。 In the superconducting coil according to claim 5, preferably, each of the plate members extends radially inward from both axial ends of the bridging portion, and the pair of flange portions of the winding frame are disposed on both outer sides in the axial direction. A pair of bent portions disposed adjacent to the flange portion so as to be sandwiched between the pair of flange portions, and the pair of bent portions are brought into contact with the flange portions of the winding frame at an extremely low temperature. Are contracted so as to be displaced in directions close to each other. If comprised in this way, since a comparatively wide area | region including the outer peripheral part of a pair of flange part can mutually be adjoined at the time of cooling, a flange part is made into the comparatively wide area | region including the outer peripheral part of a superconducting wire. A compressive force can be applied. Thereby, the micro displacement of a superconducting wire can be suppressed over a wide range.
上記請求項1〜6のいずれか一項に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記超電導線材は、NbTi、Nb3SnおよびNb3Alからなるグループより選択される材料を含み、前記補強材は、アルミニウム、アルミニウム合金およびステンレス鋼からなるグループより選択される材料を含んでいる(請求項7)。このような材料からなる超電導線材および補強材を用いれば、容易に、補強材の熱収縮率を超電導線材の熱収縮率よりも大きくすることができる。 In the superconducting coil according to any one of claims 1 to 6, preferably, the superconducting wire includes a material selected from the group consisting of NbTi, Nb 3 Sn, and Nb 3 Al, and the reinforcing material is And a material selected from the group consisting of aluminum, aluminum alloys and stainless steel. If a superconducting wire and a reinforcing material made of such materials are used, the heat shrinkage rate of the reinforcing material can be easily made larger than the heat shrinkage rate of the superconducting wire.
上記請求項1〜7のいずれか一項に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記補強材は、前記巻枠の熱収縮率以上の熱収縮率を有している(請求項8)。このように構成すれば、冷却時に補強材を巻枠以上に軸方向に大きく収縮させることができるので、一対のフランジ部が、その外周縁部位が内周縁部位に比べて軸方向により離間するように反り返るのを防止しつつ、超電導線材の外周部に内周部以上にフランジ部による圧縮力を作用させることができる。これにより、超電導線材の外周部の微小変位を十分に抑制することができる。 In the superconducting coil according to any one of claims 1 to 7, preferably, the reinforcing material has a thermal contraction rate equal to or higher than a thermal contraction rate of the winding frame (claim 8). If comprised in this way, since a reinforcing material can be shrink | contracted greatly in an axial direction more than a winding frame at the time of cooling, a pair of flange parts are spaced apart by the axial direction compared with an inner peripheral part. It is possible to apply a compressive force due to the flange portion to the outer peripheral portion of the superconducting wire more than the inner peripheral portion while preventing warping. Thereby, the micro displacement of the outer peripheral part of a superconducting wire can be fully suppressed.
この発明の請求項9に記載の超電導コイルのクエンチ防止方法は、極低温下で励磁される超電導コイルのクエンチ防止方法であって、円筒状の軸部と、前記軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠を準備する工程と、前記軸部の外周に超電導線材を螺旋状に巻回する工程と、前記超電導線材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する補強材を準備する工程と、前記補強材を、前記一対のフランジ部の外周縁部位同士を橋絡するように前記フランジ部間に架設する工程と、前記補強材が、極低温下で前記一対のフランジ部の外周縁部位を互いに近接する方向に変位させるように収縮する工程とを備えることを特徴とする。 A quenching prevention method for a superconducting coil according to claim 9 of the present invention is a quenching prevention method for a superconducting coil excited at a cryogenic temperature, and includes a cylindrical shaft portion and a diameter from both axial ends of the shaft portion. A step of preparing a winding frame including a pair of flange portions extending outward, a step of spirally winding a superconducting wire around the outer periphery of the shaft, and a thermal contraction rate of the superconducting wire A step of preparing a reinforcing material having a heat shrinkage rate, a step of laying the reinforcing material between the flange portions so as to bridge outer peripheral edge portions of the pair of flange portions, and the reinforcing material And a step of contracting so as to displace the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions in directions close to each other at a low temperature.
この請求項9に記載の超電導コイルのクエンチ防止方法では、一対のフランジ部の外周縁部位同士を超電導線材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率の補強材で橋絡し、この補強材を、極低温下で一対のフランジ部の外周縁部位を互いに近接する方向に変位させるように収縮させることによって、冷却時に補強材を超電導線材よりも軸方向に大きく収縮させることができるので、一対のフランジ部の外周縁部位を、対応する超電導線材の外周部を軸方向外側から挟み込むように互いに近接させることができる。これにより、超電導線材の外周部にフランジ部による圧縮力を十分に作用させることができるので、超電導線材の外周部の微小変位を抑制することができる。その結果、クエンチ現象の発生を抑制して超電導コイルを安定して励磁させることができる。しかも、請求項9に記載の超電導コイルのクエンチ防止方法では、超電導線材の微小変位を十分に抑制可能な大きさの圧縮力を冷却時の熱収縮差によって積極的に作用させているため、従来のように励磁前の段階、すなわち、常温下で行われる例えば超電導コイルの輸送や設置の段階から巻枠および超電導線材に大きな圧縮力を加える必要がない。これにより、前記圧縮力の負荷による構成部材の早期劣化を抑制することができる。 In the method for preventing quenching of the superconducting coil according to claim 9, the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions are bridged with a reinforcing material having a thermal contraction rate larger than that of the superconducting wire, and the reinforcing material is By contracting the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions in a direction close to each other at a cryogenic temperature, the reinforcing material can be contracted more in the axial direction than the superconducting wire during cooling. The outer peripheral edge portions of the portions can be brought close to each other so as to sandwich the outer peripheral portion of the corresponding superconducting wire from the outside in the axial direction. Thereby, since the compressive force by a flange part can fully be acted on the outer peripheral part of a superconducting wire, the micro displacement of the outer peripheral part of a superconducting wire can be suppressed. As a result, the occurrence of the quench phenomenon can be suppressed and the superconducting coil can be stably excited. In addition, in the method for preventing quenching of the superconducting coil according to claim 9, since the compressive force that can sufficiently suppress the micro displacement of the superconducting wire is made to act positively by the difference in thermal contraction during cooling, Thus, it is not necessary to apply a large compressive force to the winding frame and the superconducting wire from the stage before excitation, that is, the stage of transport and installation of the superconducting coil, which is performed at room temperature. Thereby, the early deterioration of the structural member by the load of the said compressive force can be suppressed.
上記請求項9に記載の超電導コイルのクエンチ防止方法において、好ましくは、前記補強材を前記フランジ部間に架設する工程は、前記一対のフランジ部に対して軸方向に略無負荷となる状態で前記フランジ部間に前記補強材を架設する工程を含んでいる(請求項10)。このように、冷却前の段階で、補強材を、一対のフランジ部に対して軸方向に略無負荷となる状態でこれらフランジ部間に架設することによって、冷却時以外に巻枠および超電導線材に負荷が加わることがほぼなくなるので、構成部材の早期劣化をより一層抑制することができる。 In the method for preventing quenching of a superconducting coil according to claim 9, preferably, the step of laying the reinforcing member between the flange portions is in a state in which there is substantially no load in the axial direction with respect to the pair of flange portions. A step of laying the reinforcing material between the flange portions (claim 10); In this way, at the stage before cooling, the reinforcing material is laid between the flange portions in a state of being substantially unloaded in the axial direction with respect to the pair of flange portions, so that the winding frame and the superconducting wire are not used during cooling. Since almost no load is applied to the component, early deterioration of the constituent members can be further suppressed.
この発明の超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止方法によれば、冷却時に補強材を超電導線材よりも軸方向に大きく収縮させることができるので、一対のフランジ部の外周縁部位を、対応する超電導線材の外周部を軸方向外側から挟み込むように互いに近接させることができる。これにより、超電導線材の外周部にフランジ部による圧縮力を十分に作用させることができるので、超電導線材の外周部の微小変位を抑制することができる。その結果、クエンチ現象の発生を抑制して超電導コイルを安定して励磁させることができる。しかも、本発明の超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止方法では、超電導線材の微小変位を十分に抑制可能な大きさの圧縮力を冷却時の熱収縮差によって積極的に作用させているため、従来のように励磁前の段階、すなわち、常温下で行われる例えば超電導コイルの輸送や設置の段階から巻枠および超電導線材に大きな圧縮力を加える必要がない。これにより、前記圧縮力の負荷による構成部材の早期劣化を抑制することができる。 According to the superconducting coil and the method of preventing quenching of the superconducting coil of the present invention, the reinforcing material can be contracted more in the axial direction than the superconducting wire during cooling. The outer peripheral portions of the two can be brought close to each other so as to be sandwiched from the outside in the axial direction. Thereby, since the compressive force by a flange part can fully be acted on the outer peripheral part of a superconducting wire, the micro displacement of the outer peripheral part of a superconducting wire can be suppressed. As a result, the occurrence of the quench phenomenon can be suppressed and the superconducting coil can be stably excited. Moreover, in the superconducting coil and the method for preventing quenching of the superconducting coil according to the present invention, since the compressive force capable of sufficiently suppressing the minute displacement of the superconducting wire is made to act positively by the heat shrinkage difference during cooling, Thus, it is not necessary to apply a large compressive force to the winding frame and the superconducting wire from the stage before excitation, that is, the stage of transport and installation of the superconducting coil, which is performed at room temperature. Thereby, the early deterioration of the structural member by the load of the said compressive force can be suppressed.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図であり、図2は、図1に示した超電導コイルの平面図である。また、図3は、図1に示した超電導コイルを極低温に冷却した状態を示した正面断面図である。まず、図1および図2を参照して、本発明の第1実施形態による超電導コイルの全体構成について説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a front sectional view showing the overall configuration of the superconducting coil according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the superconducting coil shown in FIG. FIG. 3 is a front sectional view showing a state where the superconducting coil shown in FIG. 1 is cooled to a cryogenic temperature. First, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the whole structure of the superconducting coil by 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
第1実施形態の超電導コイルは、極低温(約4.2K以下)に冷却した状態で通電することにより励磁されるように構成されている。この超電導コイルは、図1に示すように、アルミニウム合金からなる巻枠10と、NbTiからなる超電導線材20とを備えている。
The superconducting coil of the first embodiment is configured to be excited by energizing in a state cooled to a cryogenic temperature (about 4.2 K or less). As shown in FIG. 1, the superconducting coil includes a winding
巻枠10は、円筒状の軸部11と、軸部11の軸方向両端から径外方向に延びるように設けられた一対のフランジ部12,13とを含んでいる。フランジ部12(13)は、当該フランジ部12(13)の内周縁部位に相当する内周部12a(13a)と、当該フランジ部12(13)の外周縁部位に相当する外周部12b(13b)とを有しており、内周部12a(13a)において軸部11の軸方向端部に連設されている。
The
なお、アルミニウム合金からなる巻枠10の室温から約4.2Kの極低温までの熱収縮率は、約0.4%である。また、巻枠10の材料としては、上記アルミニウム合金以外のステンレス鋼等を挙げることができる。そして、ステンレス鋼からなる巻枠10の室温から約4.2Kの極低温までの熱収縮率は、約0.3%である。
The thermal contraction rate of the
超電導線材20は、軸部11の外周に螺旋状(またはソレノイド状)に巻回されている。なお、本実施形態の超電導線材20は、巻回状態にある超電導線材の集合体を示している。この超電導線材20の室温から約4.2Kの極低温までの熱収縮率は、約0.2〜0.3%である。なお、超電導線材20の材料としては、上記NbTi以外のNb3SnおよびNb3Al等を挙げることができる。
The
ここで、第1実施形態の超電導コイルは、図1および図2に示すように、アルミニウム合金からなる補強材30をさらに備えている。
Here, as shown in FIGS. 1 and 2, the superconducting coil of the first embodiment further includes a reinforcing
補強材30は、フランジ部12,13の外径と略等しい内径の円筒部31を含んでいる。この円筒部31は、一対のフランジ部12,13に対して軸方向に略無負荷となる状態で一対のフランジ部12,13の外周部12b,13b同士、詳しくはフランジ部12,13の外周面同士を全周に亘って橋絡するようにフランジ部12,13の間に架設されている。すなわち、一対のフランジ部12,13の間隔がほとんど変化することのないように補強材30の巻枠10への取付が行われるようになっている。
The reinforcing
なお、アルミニウム合金からなる補強材30の室温から約4.2Kの極低温までの熱収縮率は、上記巻枠10の熱収縮率と略等しい約0.4%である。また、補強材30の材料としては、上記アルミニウム合金以外のアルミニウム、ステンレス鋼、銅、銅合金、チタン、チタン合金およびFRP(Fiberglass Reinforced Plastics)樹脂等を挙げることができる。
The heat shrinkage rate of the reinforcing
上記構成の超電導コイルのクエンチ防止方法としては、まず、円筒状の軸部11と、軸部11の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部12,13とを含むアルミニウム合金からなる巻枠10を準備する。そして、巻枠10の軸部11の外周にNbTiからなる超電導線材20を巻回する。
As a method for preventing quenching of a superconducting coil having the above-described configuration, first, an aluminum alloy including a
次に、超電導線材20の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有するアルミニウム合金からなる補強材30を準備する。そして、補強材30を、一対のフランジ部12,13に対して軸方向に略無負荷となる状態で一対のフランジ部12,13の外周部12b,13b同士を橋絡するようにフランジ部12,13の間に架設する。詳細には、円筒部31の軸方向両端の内周面をフランジ部12,13の外周面(外周部12b,13b)に溶接することによって補強材30を巻枠10に取り付けている。本実施形態では、補強材30の円筒部31が一対のフランジ部12,13に対して軸方向に略無負荷となる状態でフランジ部12,13の間に架設されているため、補強材30の巻枠10への取付に際して、一対のフランジ部12,13の間隔がほとんど変化することがない。なお、補強材30を例えばネジ等の締結部材を用いて巻枠10に取り付けてもよい。以上のようにして超電導コイルを組み立てる。
Next, a reinforcing
そして、この超電導コイルを極低温に冷却して通電し励磁状態にすると、図3に示すように、通電電流と自ら発した磁界との相互作用により超電導線材20にフープ力Aが作用する。これにより、超電導線材20が径方向に膨らむ。
When the superconducting coil is cooled to a very low temperature and energized to be excited, a hoop force A acts on the
また、極低温に冷却すると、巻枠10、超電導線材20および補強材30が各構成材料の熱収縮率にしたがって収縮する。ここで、本実施形態では、補強材30の熱収縮率が、巻枠10の熱収縮率と略等しく、かつ超電導線材20の熱収縮率よりも大きくなるように構成されている。このため、冷却時に、巻枠10および補強材30が、超電導線材20よりも大きく収縮することとなる。
Moreover, when it cools to cryogenic temperature, the winding
そして、一対のフランジ部12,13の内周部12a,13aが軸部11の熱収縮に引っ張られることで超電導線材20を挟み込むように互いに近接する方向に変位する。また、補強材30が一対のフランジ部12,13の外周部12b,13b同士を橋絡するようにフランジ部12,13間に架設されていることから、一対のフランジ部12,13の外周部12b,13bが補強材30の熱収縮に引っ張られることで超電導線材20を挟み込むように互いに近接する方向に変位する。これにより、図3に示すように、巻枠10の軸部11の熱収縮による矢印a方向の引張り力により、フランジ部12,13の内周部12a,13aが超電導線材20の内周部に十分な大きさの圧縮力Bを付与するとともに、補強材30の熱収縮による矢印a方向の引張り力により、フランジ部12,13の外周部12b,13bが超電導線材20の外周部に十分な大きさの圧縮力Cを付与している。
And the inner
例えば図7に示す補強材30を具備していない超電導コイルでは、巻枠110の軸部111の熱収縮による矢印a方向の引張り力のみによって、超電導線材120にフランジ部112,113からの軸方向の圧縮力を作用させる構成であるので、フランジ部112,113の内周部112a,113aが超電導線材120に十分な大きさの圧縮力Bを付与可能である一方、フランジ部112,113の外周部112b,113bが超電導線材120に付与する圧縮力C´が上記圧縮力Bに対して小さくなる。従って、フランジ部112,113の外周部112b,113bが超電導線材120に十分な大きさの圧縮力を付与することができないので、超電導線材120のうちフランジ部112,113の外周部112b,113bに挟み込まれる部分の極低温下での微小変位を抑制するのが困難である。
For example, in the superconducting coil that does not include the reinforcing
これに対して、本実施形態では、上述のように極低温で巻枠10の軸部11および補強材30の円筒部31が矢印a方向に十分に収縮するので、巻枠10のフランジ部12,13の内周部12a,13aおよび外周部12b,13bが超電導線材20に十分な大きさの圧縮力B,Cを付与することができる。これにより、超電導線材20の極低温下での微小変位を十分に抑制し、クエンチ現象の発生を抑制することが可能である。
On the other hand, in the present embodiment, the
なお、ステンレス鋼からなる巻枠10を用いた場合には、補強材30の熱収縮率が巻枠10の熱収縮率よりも大きくなる。このように構成すれば、冷却時に補強材30を巻枠10以上に軸方向に大きく収縮させることができるので、一対のフランジ部12,13が、その外周部12b,13bが内周部12a,13aに比べて軸方向により離間するように反り返るのを防止しつつ、超電導線材20の外周部に内周部以上にフランジ部12,13による圧縮力を作用させることができる。これにより、超電導線材20の外周部の微小変位を十分に抑制することができる。
In addition, when the winding
第1実施形態では、上記のように、一対のフランジ部12,13の外周部12b,13b同士を超電導線材20の熱収縮率よりも大きい熱収縮率の補強材30で橋絡し、この補強材30を、極低温下で一対のフランジ部12,13の外周部12b,13bを互いに近接する方向に変位させるように収縮させることによって、冷却時に補強材30を超電導線材20よりも軸方向に大きく収縮させることができるので、一対のフランジ部12,13の外周部12b,13bを、対応する超電導線材20の外周部を軸方向外側から挟み込むように互いに近接させることができる。これにより、超電導線材20の外周部にフランジ部12,13による圧縮力B,Cを十分に作用させることができるので、超電導線材20の外周部の微小変位を抑制することができる。その結果、クエンチ現象の発生を抑制して超電導コイルを安定して励磁させることができる。しかも、第1実施形態の超電導コイルでは、超電導線材20の微小変位を十分に抑制可能な大きさの圧縮力B,Cを冷却時の熱収縮差によって積極的に作用させているため、従来のように励磁前の段階、すなわち、常温下で行われる例えば超電導コイルの輸送や設置の段階から巻枠10および超電導線材20に大きな圧縮力を加える必要がない。これにより、前記圧縮力の負荷による構成部材の早期劣化を抑制することができる。
In the first embodiment, as described above, the outer
また、第1実施形態では、冷却前の段階で、補強材30を、一対のフランジ部12,13に対して軸方向に略無負荷となる状態でこれらフランジ部12,13間に架設することによって、冷却時以外に巻枠10および超電導線材20に負荷が加わることがほぼなくなるので、構成部材の早期劣化をより一層抑制することができる。
In the first embodiment, the reinforcing
また、第1実施形態では、上記のように、フランジ部12,13の外径と略等しい内径の円筒部31を、一対のフランジ部12,13の外周部12b,13b同士を全周に亘って橋絡するようにフランジ部12,13間に架設することによって、冷却時に、超電導線材20の外周部に全周に亘ってフランジ部12,13による圧縮力を十分に作用させることができるので、超電導線材20の外周部の微小変位をより確実に抑制することができる。これにより、クエンチ現象の発生をさらに抑制することができる。
Moreover, in 1st Embodiment, as above-mentioned, the
(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a front sectional view showing the overall configuration of the superconducting coil according to the second embodiment of the present invention.
この第2実施形態の超電導コイルは、図4に示すように、上記第1実施形態とは異なる構成の補強材40を備えている。補強材40は、第1実施形態の円筒部31と略同様の構成の円筒部41と、円筒部41の軸方向両端から径内方向に延びるように設けられた一対の補強材側フランジ部42,43とを含んでいる。
As shown in FIG. 4, the superconducting coil of the second embodiment includes a reinforcing
補強材側フランジ部42,43は、巻枠10の一対のフランジ部12,13を軸方向外側から挟み込むように該フランジ部12,13の軸方向外側、つまりフランジ部12の上面側およびフランジ部13の下面側に隣接して配されており、極低温下で一対のフランジ部12,13を互いに近接する方向に変位させるように収縮する。
The reinforcing material
第2実施形態では、上記のように、極低温下で巻枠10の各フランジ部12,13に当接して一対のフランジ部12,13を互いに近接する方向に変位させるように収縮する一対の補強材側フランジ部42,43を円筒部41の軸方向両端から径内方向に延設することによって、冷却時に、フランジ部12の外周縁の上面(外周部12b)を含む比較的広範囲な領域と、フランジ部13の外周縁の下面(外周部13b)を含む比較的広範囲な領域とを互いに近接させることができるので、超電導線材20の外周部を含む比較的広範囲な領域にフランジ部12,13による圧縮力を作用させることができる。これにより、超電導線材20の微小変位を広範囲に亘って抑制することができる。
In the second embodiment, as described above, a pair of contractions are brought into contact with the
(第3実施形態)
図5は、本発明の第3実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a front sectional view showing the overall configuration of the superconducting coil according to the third embodiment of the present invention.
この第3実施形態の超電導コイルは、図5に示すように、上記第1および第2実施形態の構成とは異なり、補強材として巻枠10の周囲に等間隔で配設される複数(本実施形態では8つ)の板材50を備えている。板材50は、それぞれ、橋絡部51を含んでおり、各橋絡部51は、一対のフランジ部12,13の外周部12b,13b同士を部分的に橋絡するようにフランジ部12,13の間に架設されている。
As shown in FIG. 5, the superconducting coil of the third embodiment differs from the configurations of the first and second embodiments described above in that a plurality of (conventional) coils disposed at equal intervals around the
この構成の超電導コイルでは、組立時に、各板材50を一対のフランジ部12,13の外周部12b,13b同士を橋絡するように巻枠10の径方向外側からフランジ部12,13に取り付けることとなる。
In the superconducting coil having this configuration, at the time of assembly, each
第3実施形態では、上記のように、補強材として複数の板材50を用いたので、各板材50の橋絡部51を巻枠10の径方向外側からフランジ部12,13に取り付けることができるので、補強材のフランジ部12,13への取付作業を簡便化することができる。
In the third embodiment, as described above, since the plurality of
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
例えば、上記第1実施形態では、補強材30をフランジ部12,13の外周面に取り付けてフランジ部12,13の径方向外側に配する例について示したが、これに限らず、図6に示すように、補強材30をフランジ部12,13によって挟み込まれるようにフランジ部12の外周縁の下面(外周部12b)とフランジ部13の外周縁の上面(外周部13b)との間に取り付けてもよい。
For example, in the said 1st Embodiment, although the
また、上記第3実施形態では、板材50を橋絡部51のみからなる構成としたが、これに限らず、板材50が、橋絡部51の軸方向両端から径内方向に延びるように設けられた一対の折曲げ部をさらに含む構成としてもよい。このように構成すれば、冷却時に、一対のフランジ部12,13の外周部12b,13bを含む比較的広範囲な領域を互いに近接させることができるので、超電導線材20の外周部を含む比較的広範囲な領域にフランジ部12,13による圧縮力を作用させることができる。これにより、超電導線材20の微小変位を広範囲に亘って抑制することができる。
Moreover, in the said 3rd Embodiment, although the board |
10 巻枠
11 軸部
12,13 フランジ部
12b,13b 外周部(外周縁部位)
20 超電導線材
30,40 補強材
31,41 円筒部
42,43 補強材側フランジ部
50 板材(補強材)
51 橋絡部
10
20
51 Bridge
Claims (10)
円筒状の軸部と、前記軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠と、
前記軸部の外周に螺旋状に巻回される超電導線材と、
前記一対のフランジ部の外周縁部位同士を橋絡するように前記フランジ部間に架設される補強材とを備え、
前記補強材は、前記超電導線材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有しており、極低温下で前記一対のフランジ部の外周縁部位を互いに近接する方向に変位させるように収縮することを特徴とする超電導コイル。 A superconducting coil excited at a cryogenic temperature,
A winding frame including a cylindrical shaft portion and a pair of flange portions extending radially outward from both axial ends of the shaft portion;
A superconducting wire wound spirally around the outer periphery of the shaft portion;
A reinforcing material provided between the flange portions so as to bridge the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions;
The reinforcing material has a thermal contraction rate larger than that of the superconducting wire, and contracts so as to displace the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions toward each other at an extremely low temperature. Superconducting coil characterized by
前記円筒部は、前記一対のフランジ部の外周縁部位同士を全周に亘って橋絡するように前記フランジ部間に架設されていることを特徴とする請求項1または2に記載の超電導コイル。 The reinforcing material includes a cylindrical portion having an inner diameter substantially equal to the outer diameter of the flange portion,
3. The superconducting coil according to claim 1, wherein the cylindrical portion is constructed between the flange portions so as to bridge the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions over the entire circumference. 4. .
前記板材は、それぞれ、前記一対のフランジ部の外周縁部位同士を部分的に橋絡するように前記フランジ部間に架設される橋絡部を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の超電導コイル。 The reinforcing material is a plurality of plate materials,
The said board | plate material is respectively included in the bridge part constructed between the said flange parts so that the outer-periphery edge parts of a pair of said flange parts may be partially bridged. Superconducting coil.
前記補強材は、アルミニウム、アルミニウム合金およびステンレス鋼からなるグループより選択される材料を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の超電導コイル。 The superconducting wire includes a material selected from the group consisting of NbTi, Nb 3 Sn and Nb 3 Al,
The superconducting coil according to any one of claims 1 to 6, wherein the reinforcing material includes a material selected from the group consisting of aluminum, an aluminum alloy, and stainless steel.
円筒状の軸部と、前記軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠を準備する工程と、
前記軸部の外周に超電導線材を螺旋状に巻回する工程と、
前記超電導線材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する補強材を準備する工程と、
前記補強材を、前記一対のフランジ部の外周縁部位同士を橋絡するように前記フランジ部間に架設する工程と、
前記補強材が、極低温下で前記一対のフランジ部の外周縁部位を互いに近接する方向に変位させるように収縮する工程とを備えることを特徴とする超電導コイルのクエンチ防止方法。 A method for preventing quenching of a superconducting coil excited at a cryogenic temperature,
Preparing a reel including a cylindrical shaft portion and a pair of flange portions extending radially outward from both axial ends of the shaft portion;
A step of spirally winding a superconducting wire around the outer periphery of the shaft portion;
Preparing a reinforcing material having a thermal contraction rate larger than the thermal contraction rate of the superconducting wire;
Laying the reinforcing member between the flange portions so as to bridge the outer peripheral edge portions of the pair of flange portions;
A method for preventing quenching of a superconducting coil, comprising: a step of contracting the reinforcing material so as to displace outer peripheral edge portions of the pair of flange portions in a direction close to each other at a cryogenic temperature.
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