JP2008244278A - 超電導コイルおよび該超電導コイルを備えた超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルの放熱性と冷却効率を高めることにより、超電導コイルに通電可能な電流量を向上させる。
【解決手段】帯状の超電導線が巻回されたコイル部が複数層に積層された超電導コイルであって、前記コイル部間に介在されるスペーサにより前記コイル部が間隔をあけて積層され、前記スペーサは前記コイル部の内周側の間隔を保持する円筒状の内周側スペーサと、該内周側スペーサの外周側に周方向に間隔をあけて位置し、前記コイル部の外周側の間隔を保持する外周側スペーサからなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、超電導コイルおよび該超電導コイルを備えた超電導機器に関し、詳しくは、超電導線を巻回したコイル部が複数層に積層された超電導コイルの温度上昇を低減するものに関する。

従来、帯状の超電導線を巻回して形成された超電導コイルが提供されており、本出願人は、特開平１０−３０８３０６号公報（特許文献１）において、図７に示すように、超電導線を巻回して形成した複数のコイル部２をコイル軸線方向に積層し、隣接するコイル部２の超電導線を導通させて１つのコイルとした超電導コイル１を提供している。

特開平１０−３０８３０６号公報

しかしながら、特許文献１で提供している超電導コイル１は、隣接するコイル部２間に隙間を設けていないため放熱性が良くなく、かつ、各コイル部２間に冷媒が流入しないため冷却効率も良くない。これにより、超電導コイルの温度が上昇しやすく、超電導コイルに通電可能な電流量が低下しやすいため、改善の余地がある。

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、超電導コイルの放熱性と冷却効率を高めることにより、超電導コイルに通電可能な電流量を向上させることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、帯状の超電導線が巻回されたコイル部を複数備え、これらコイル部がスペーサを介して間隔をあけて積層されており、
前記スペーサは前記コイル部の内周側の間隔を保持する円筒状の内周側スペーサと、
該内周側スペーサの外周側に周方向に間隔をあけて位置し、前記コイル部の外周側の間隔を保持する外周側スペーサと、
からなることを特徴とする超電導コイルを提供している。

前記構成の超電導コイルによれば、コイル部間にスペーサを介在させることによりコイル部を間隔をあけて積層しており、コイル部間の全体にスペーサを介在させるのではなく、外周側スペーサを周方向に間隔をあけて配置することにより、外周側スペーサを配置していない箇所ではコイル部間に空隙が設けられている。このように、積層したコイル部間に空隙が設けられているため、各コイル部間に熱がこもることがなく放熱性が良く、かつ、この空隙に液体窒素等からなる冷媒が流入するため、超電導コイルの内周側の超電導線まで効率良く冷却することができる。これにより、超電導コイルの温度上昇を小さくでき、超電導コイルへの通電量を大きくすることができる。

前記内周側スペーサはリング状とし、その外周面に前記外周側スペーサを周方向に間隔をあけて突設し、
前記外周側スペーサは、径方向先端側のコイル軸線方向の寸法を内周側スペーサと同一とする一方、内周側スペーサと連続する基部側のコイル軸線方向の寸法を内周側スペーサよりも小さくしてＬ字状としていることが好ましい。

前記構成によれば、前記外周側スペーサのうち、内周側スペーサと連続する基部側のコイル軸線方向の寸法を小さくして、外周側スペーサの基部側とコイル部との間に空隙を設けているため、この空隙が冷媒の通路となり、外周側スペーサを設けた箇所でも冷媒を流通させることができ、冷却効率を更に高めることができる。
また、前記空隙は気泡の通路にもなるため、コイル部間に気泡が溜まって冷却効果が低下するのを防止することができる。
特に、コイル軸線方向を水平方向として配置した場合、超電導コイルの下部側でコイル部間に流入した冷媒の流れが悪くなり、気泡も溜まりやすくなる。よって、このような場合に、外周側スペーサを前記のような形状として冷媒・気泡流通用の空隙を設けた構成が好適である。
コイル軸線方向の寸法を内周側スペーサと同一とした先端側の部位の径方向長さは、コイルの径（外径−内径）の１／４以上としていることが好ましい。

また、前記外周側スペーサはＬ字状に限らず、外周側スペーサに周方向に貫通する貫通孔を設けて、該貫通孔を冷媒や気泡の流通路としてもよい。

前記内周側スペーサはリング状とする一方、前記外周側スペーサを前記内周側スペーサとは別体のブロック状とし、該外周側スペーサと内周側スペーサのコイル軸線方向の寸法を同一とし、これら外周側スペーサを前記内周側スペーサに対して径方向に間隔をあけて配置してもよい。
前記構成によれば、内周側スペーサと外周側スペーサとの間に設けた隙間が前記と同様に冷媒や気泡の通路となるため、冷却効率を向上させることができる。

前記超電導線が巻き付けられる巻枠の外周に前記内周側スペーサを一体に設けてもよい。
前記構成によれば、巻枠とは別に内周側スペーサを設ける必要がなくなり、部品点数を低減できると共に、巻枠に内周側スペーサを取り付ける作業が不要となるため、製造コストを低減することができる。

前記コイル部はシングルパンケーキコイルからなり、隣接するコイル部の超電導線同士が接続されている、あるいは、
前記コイル部の超電導線が最内周ターンの渡り部で連続するダブルパンケーキコイルである。

シングルパンケーキコイルからなるコイル部を積層した超電導コイルや、ダブルパンケーキコイルからなる超電導コイルは、コイル部間に熱がこもりやすいが、コイル部間に前記構成のスペーサを介在させることにより、超電導コイルの温度上昇を低減することができる。
また、超電導線を螺旋状に巻回したソレノイドコイルの場合にも、コイル部間に前記スペーサを介在させてもよい。

また、本発明は、前記超電導コイルを備えた超電導機器を提供している。
前記超電導機器としては、モータ、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等が挙げられる。

前述したように、本発明によれば、超電導線を巻回して形成したコイル部間の全体にスペーサを介在させるのではなく、外周側スペーサを周方向に間隔をあけて配置することにより、外周側スペーサを配置していない箇所ではコイル部間に空隙が設けられている。このように、積層したコイル部間に空隙が設けられているため、各コイル部間に熱がこもることがなく放熱性が良く、かつ、この空隙に液体窒素等からなる冷媒が流入するため、超電導コイルを効率良く冷却することができる。これにより、超電導コイルの温度上昇を小さくでき、超電導コイルへの通電量を大きくすることができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３に、本発明の第１実施形態を示す。
本実施形態の超電導コイル１０は、超電導機器である超電導モータに用いられるものである。該超電導コイル１０は、幅４ｍｍの帯状のビスマス系超電導線１１と絶縁テープ（図示せず）を重ね合わせた状態で円筒状の巻枠１２に巻回した第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂからなるダブルパンケーキコイルとしている。これら第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂとは、第１コイル部１０ａの最内周の超電導線１１と第２コイル部１０ｂの最内周の超電導線１１とを斜めに延びる渡り部（図示せず）の超電導線で連続させている。また、第１、第２コイル部１０ａ、１０ｂのコイル軸線方向の両端面には繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなる厚さ０．２ｍｍの絶縁シート１３を配置している。

前記第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂとの間に、図２に示すスペーサ２０を配置して、第１コイル部１０ａと第２コイル部２０ｂの間隔を保持している。
前記スペーサ２０は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなり、超電導コイル１０の内周側に配置される円筒状の内周側スペーサ２１と、該内周側スペーサ２１の外周面から径方向に突出し、周方向に間隔をあけて設けた外周側スペーサ２２からなる。本実施形態では、外周側スペーサ２２を内周側スペーサ２１の外周面から突設して、内周側スペーサ２１と外周側スペーサ２２を一体に設けて１つのスペーサ２０としている。

前記外周側スペーサ２２は、突出先端側をコイル軸線方向の寸法Ｌ１を大とした太幅部２２ａとする一方、内周側スペーサ２１の外面に連続する基部側をコイル軸線方向の寸法Ｌ２を小とした細幅部２２ｂとしてＬ字状としている。太幅部２２ａの寸法Ｌ１は内周側スペーサ２１のコイル軸線方向の寸法Ｌ３と同一とする一方、細幅部２２ｂの寸法Ｌ２は内周側スペーサ２１の寸法Ｌ３の半分としている。本実施形態では、太幅部２２ａの寸法Ｌ１と内周側スペーサ２１の寸法Ｌ３を４ｍｍ、細幅部２２ｂの寸法Ｌ２を２ｍｍとしている。また、太幅部２２ａの径方向の長さＬ４を、超電導コイル１０の径（外径−内径）の１／４より大としている。

前記スペーサ２０は、内周側スペーサ２１を巻枠１２に外嵌して取り付け、第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂの間に配置している。この状態で、内周側スペーサ２１と外周側スペーサ２２の下面全面が下方の第２コイル部１０ｂの上面と当接する一方、内周側スペーサ２１と外周側スペーサ２２の太幅部２２ａの上面が上方の第１コイル部１０ａの下面と当接し、第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂの間隔（本実施形態では４ｍｍ）が保持される。
また、外周側スペーサ２２の細幅部２２ｂと上方の第１コイル部１０ａとの間には、隙間が設けられ、冷媒・気泡流通用の空隙Ｓ１が形成される。このように、外周側スペーサ２２を設けていない位置と外周側スペーサ２２の細幅部２２ｂを設けた位置では、第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂの間が空隙Ｓ２、Ｓ１となるが、第１、第２コイル部１０ａ、１０ｂの内周側全体に内周側スペーサ２１を介在させると共に、外周側では周方向に間隔をあけて外周側スペーサ２２の太幅部２２ａを介在させているため、第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂの間隔を全ての位置で一定に保持することができる。
なお、巻枠１２の外周面と内周側スペーサ２１の内周面との間には隙間を設けており、該隙間に第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂとの間に架け渡される渡り部の超電導線を通している。

前記超電導コイル１０の形成方法は、まず、巻枠１２に超電導線１１を巻回して一方の第１コイル部１０ａを形成した後、巻枠１２にスペーサ２０を取り付け、第１コイル部１０ａと反対側に残りの超電導線１１を巻回して第２コイル部１０ｂを形成している。

前記構成によれば、第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂの間に外周側スペーサ２２を周方向に間隔をあけて設けることにより、外周側スペーサ２２を配置していない箇所ではコイル部間に空隙Ｓ２が設けられ、かつ、外周側スペーサ２２を設けた箇所でも基部側の細幅部２２ｂでは空隙Ｓ１が設けられ、コイル部間の周方向全周に亙って冷媒や気泡が流通可能となる。これにより、コイル部間に熱がこもることがなく放熱性が良く、かつ、この空隙に冷媒が流入するため、超電導コイル１０を効率良く冷却することができる。これにより、超電導コイルの温度上昇を小さくでき、超電導コイルへの通電量を大きくすることができる。
なお、本実施形態では、超電導コイル１０をダブルパンケーキコイルとしているが、２つ以上のシングルパンケーキコイルを積層し、隣接したシングルパンケーキコイルの超電導線同士を接続する構成としてもよい。
また、複数のダブルパンケーキコイルを積層し、積層したダブルパンケーキコイル間に本実施形態のスペーサを介在させてもよい。

図４に、第１実施形態の変形例を示す。
本変形例では、外周側スペーサ２２のコイル軸線方向の寸法を均一とし、該外周側スペーサ２２に周方向に貫通する貫通孔２２ｃを設けている。
前記構成によれば、貫通孔２２ｃが冷媒・気泡の流通路となり、前記第１実施形態と同様、超電導コイルの温度上昇を低減することができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

図５に、本発明の第２実施形態を示す。
本実施形態では、円筒状の内周側スペーサ２１とブロック状の外周側スペーサ２２を別体に設けている。内周側スペーサ２１の外周側に空隙Ｓ１をあけて外周側スペーサ２２を配置しており、かつ、外周側スペーサ２２同士は周方向に間隔をあけて配置している。内周側スペーサ２１と外周側スペーサ２２のコイル軸線方向の寸法は同一としている。
なお、外周側スペーサ２２は少なくとも一方のコイル部に接着剤を介して固定している。

前記構成によれば、前記第１実施形態と同様、第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂとの間に冷媒を流通させることができ、超電導コイルの温度上昇を低減することができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

図６に、本発明の第３実施形態を示す。
本実施形態では、円筒状の内周側スペーサ２１を巻枠１２の外周に一体に設け、巻枠１２とスペーサ２０を一体成形品としている。即ち、巻枠１２の外周面のコイル軸線方向中央に第１実施形態のスペーサ２０を突設している。ただし、渡り部を形成する箇所には内周側スペーサ２１を設けていない。

前記構成によれば、第１実施形態と同様、超電導コイル１０の上昇温度を低減できると共に、スペーサ２０を巻枠１２と一体に設けたため、部品点数を低減することができる。
なお、本実施形態においても、第２実施形態のように内周側スペーサ２１と外周側スペーサ２２を別体に設けてもよい。
また、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の超電導コイルは、自動車等の駆動用モータや、その他発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）等の超電導機器に用いられるものである。

本発明の第１実施形態の超電導コイルを示す斜視図である。 スペーサを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は要部拡大斜視図である。 超電導コイルの断面図である。 第１実施形態の変形例のスペーサを示す図面である。 本発明の第２実施形態を示す図面である。 本発明の第３実施形態を示す図面である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 超電導コイル
１０ａ 第１コイル部
１０ｂ 第２コイル部
１１ 超電導線
１２ 巻枠
２０ スペーサ
２１ 内周側スペーサ
２２ 外周側スペーサ
Ｓ１、Ｓ２ 空隙

Claims (7)

1. 帯状の超電導線が巻回されたコイル部を複数備え、これらコイル部がスペーサを介して間隔をあけて積層されており、
   前記スペーサは前記コイル部の内周側の間隔を保持する円筒状の内周側スペーサと、
   該内周側スペーサの外周側に周方向に間隔をあけて位置し、前記コイル部の外周側の間隔を保持する外周側スペーサと、
   からなることを特徴とする超電導コイル。
2. 前記内周側スペーサはリング状とし、その外周面に前記外周側スペーサを周方向に間隔をあけて突設し、
   前記外周側スペーサは、径方向先端側のコイル軸線方向の寸法を内周側スペーサと同一とする一方、内周側スペーサと連続する基部側のコイル軸線方向の寸法を内周側スペーサよりも小さくしてＬ字状としている請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記内周側スペーサはリング状とする一方、前記外周側スペーサを前記内周側スペーサとは別体のブロック状とし、該外周側スペーサと内周側スペーサのコイル軸線方向の寸法を同一とし、これら外周側スペーサを前記内周側スペーサに対して径方向に間隔をあけて配置している請求項１に記載の超電導コイル。
4. 前記超電導線が巻き付けられる巻枠の外周に前記内周側スペーサを一体に設けている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
5. 前記コイル部はシングルパンケーキコイルからなり、隣接するコイル部の超電導線同士が接続されている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
6. 前記コイル部の超電導線が最内周ターンの渡り部で連続するダブルパンケーキコイルである請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイルを備えた超電導機器。

Images