JP2008244283A - 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枠に巻回されたコイル部を複数備え、これらコイル部が積層した第１、第２スペーサを介して間隔をあけて積層されており、第１、第２スペーサのリングは径方向へ突出する山部と谷部とを周方向に連続させ、かつ、山部の頂点内面と谷部の頂点外面から夫々支持部を突出させた同一形状とされ、第１スペーサの山部に第２スペーサの谷部を位置させると共に第１スペーサの谷部に第２スペーサの山部を位置させて周方向に位置ずれさせ、山部と谷部との積層部に空隙をあけると共に、第１、第２スペーサの支持部は積層して重ね合わせられ、積層した支持部によりコイル部間の間隔を保持すると共に、積層した支持部の少なくともいずれか一方の支持部の内端と巻枠の外周面との間に隙間を設けている。
【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である。

従来より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枠に巻回されたコイル部を複数備え、これらコイル部が前記巻枠に外嵌するスペーサを介して間隔をあけて積層されており、
前記スペーサはリングからなる第１、第２スペーサを積層した構成とし、
前記第１、第２スペーサのリングは径方向へ突出する山部と谷部とを周方向に連続させ、かつ、山部の頂点内面と谷部の頂点外面から夫々支持部を突出させた同一形状とされ、
前記第１スペーサの山部に第２スペーサの谷部を位置させると共に第１スペーサの谷部に第２スペーサの山部を位置させて周方向に位置ずれさせ、前記山部と谷部との積層部に空隙をあけると共に、前記第１、第２スペーサの前記支持部は積層して重ね合わせられ、
前記積層した支持部により前記コイル部間の間隔を保持すると共に、前記積層した支持部の少なくともいずれか一方の支持部の内端と前記巻枠の外周面との間に隙間を設け、前記巻枠、コイル部および第１、第２スペーサにより閉鎖された空間が形成されない構成としていることを特徴とする超電導コイルを提供している。

本発明の超電導コイルは、前記のように、コイル部間にスペーサを介在させて、コイル部を間隔をあけて積層しており、該スペーサはコイル部間の全面に介在させるのではなく、リングからなる第１、第２スペーサを空隙を有する状態で積層させた構成としているため、超電導コイルの周方向のいずれの位置でも、液体窒素等の冷媒や気泡が流通するための空隙を設けることができる。
即ち、第１、第２スペーサの重ね合わせた支持部によりコイル部間の間隔を保持し、この支持部を重ね合わせた箇所では、少なくともいずれか一方の支持部の内端と巻枠の外周面との間に隙間を設けて、この隙間を冷媒や気泡の流通路としている。一方、支持部以外の箇所では、同一形状の第１スペーサと第２スペーサを周方向に位置ずれさせて空隙を設けているため、スペーサによりコイル部間の空隙が閉鎖されない。
これにより、第１コイル部と第２コイル部の間に全周に亙って連通する空隙を形成することができ、コイル部間に熱がこもることがなく放熱性を高めることができる。かつ、この空隙を液体窒素等からなる冷媒が流通するため、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。よって、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。

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、第１、第２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。

前記第１、第２スペーサの支持部のうち、少なくともそれぞれ３つの支持部は内端面を前記巻枠の外周面に当接させる位置決め用支持部とし、該位置決め用支持部を周方向に等間隔をあけて設けていることが好ましい。

前記構成によれば、第１、第２スペーサに設けた位置決め用支持部により、第１、第２スペーサを巻枠に位置決め固定することができ、第１、第２スペーサが周方向に回転して前記空隙を閉鎖してしまうのを防止することができる。
また、第１、第２スペーサの一方のスペーサの位置決め用支持部には、他方のスペーサの位置決め用支持部ではない支持部を重ね合わせ、少なくともいずれか一方の支持部の内端と巻枠の外周面との間に隙間を設けている。

前記第１、第２スペーサは樹脂製のリングを、前記山部と谷部とを有する形状、即ち、三角形の突出部を径方向の外方と内方に交互に屈折させたものである。具体的には、樹脂製の平板を前記形状に打ち抜いて形成することが好ましい。

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、同一形状の第１、第２スペーサを周方向に位置ずれさせて重ね合わせて配置することにより、積層したコイル部間に全周に亙って連通する空隙が設けられる。よって、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６に、本発明の実施形態を示す。
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２枚重ねて配置して、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、板状の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）を所要形状に打ち抜いて形成したリングからなり、該リングは径方向へ突出する山部２０ａと谷部２０ｂとを周方向に交互に連続させ、かつ、山部２０ａの頂点内面と谷部２０ｂの頂点外面からそれぞれ支持部２０ｃをコイル径方向に突出させている。
本実施形態では、周方向に１５度間隔で山部２０ａの頂点と谷部２０ｂの頂点を設けており、周方向に９０度間隔をあけて設けた４個の谷部２０ｂの頂点には頂点内面側にも支持部２０ｃを突出させており、内端面が巻枠１２と当接される位置決め用支持部２０ｃ’としている。また、本実施形態ではスペーサ２０の厚さは２ｍｍとしている。

前記スペーサ２０は、上層のスペーサ２０を第１スペーサ２０Ａ、下層のスペーサ２０を第２スペーサ２０Ｂとして積層した状態で巻枠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。
前記第２スペーサ２０Ｂは、図３及び図４に示すように、第１スペーサ２０Ａに対して周方向に１５度位置ずれさせて配置しており、第１スペーサ２０Ａの支持部２０ｃと第２スペーサ２０Ｂの支持部２０ｃが重ね合わされて、この重ね合わされた支持部２０ｃにより第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂの間の間隔を４ｍｍに保持している。
また、第１スペーサ２０Ａと第２スペーサ２０Ｂとは周方向に１５度（支持部１つ分）位置ずれさせているため、第１スペーサ２０Ａの山部２０ａに第２スペーサ２０Ｂの谷部２０ｂが配置されると共に、第１スペーサ２０Ａの谷部２０ｂに第２スペーサ２０Ｂの山部２０ａが配置される。

前記第１、第２スペーサ２０Ａ、２０Ｂの支持部２０ｃが配置される箇所では、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、少なくともいずれか一方の支持部２０ｃの内端と巻枠１２の外周面との間に空隙Ｓが形成されている。
一方、第１、第２スペーサ２０Ａ、２０Ｂの山部と谷部を積層した箇所でも、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂとの間に空隙Ｓが形成される。
このように、第１コイル部１０ａと第２コイル部１０ｂとの間には、全ての箇所に空隙Ｓが形成され、これら空隙Ｓはコイル周方向に連通している。

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に第１、第２スペーサ２０Ａ、２０Ｂ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、超電導線１１を巻回して形成した第１、第２コイル部１０ａ、１０ｂ間の全体にスペーサを介在させるのではなく、同一形状の第１、第２スペーサ２０Ａ、２０Ｂを周方向に位置ずれさせて重ね合わせて配置することにより、積層した第１、第２コイル部１０ａ、１０ｂ間に全周に亙って連通する空隙Ｓを設けることができる。よって第１、第２コイル部１０ａ、１０ｂ間に熱がこもることがなく放熱性が良く、かつ、この空隙Ｓ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１０の温度上昇を小さくでき、超電導コイル１０への通電量を大きくすることができる。
また、前記空隙Ｓは気泡の通路にもなるため、第１、第２コイル部１０ａ、１０ｂ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。
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。

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。

本発明の実施形態の超電導コイルを示す斜視図である。 スペーサの平面図である。 第１スペーサと第２スペーサを重ね合わせた状態を示す平面図である。 重ね合わせた第１スペーサと第２スペーサの要部拡大平面図である。 （Ａ）は図４のＡ−Ａ線位置における超電導コイルの断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線位置における超電導コイルの断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線位置における超電導コイルの断面図である。 （Ａ）は図４のＤ−Ｄ線位置における超電導コイルの断面図、（Ｂ）はＥ−Ｅ線位置における超電導コイルの断面図、（Ｃ）はＦ−Ｆ線位置における超電導コイルの断面図である。 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
２０Ａ 第１スペーサ
２０Ｂ 第２スペーサ
２０ａ 山部
２０ｂ 谷部
２０ｃ 支持部
２０ｃ’ 位置決め用支持部
Ｓ 空隙

Claims (6)

1. 帯状の超電導線が巻枠に巻回されたコイル部を複数備え、これらコイル部が前記巻枠に外嵌するスペーサを介して間隔をあけて積層されており、
   前記スペーサはリングからなる第１、第２スペーサを積層した構成とし、
   前記第１、第２スペーサのリングは径方向へ突出する山部と谷部とを周方向に連続させ、かつ、山部の頂点内面と谷部の頂点外面から夫々支持部を突出させた同一形状とされ、
   前記第１スペーサの山部に第２スペーサの谷部を位置させると共に第１スペーサの谷部に第２スペーサの山部を位置させて周方向に位置ずれさせ、前記山部と谷部との積層部に空隙をあけると共に、前記第１、第２スペーサの前記支持部は積層して重ね合わせられ、
   前記積層した支持部により前記コイル部間の間隔を保持すると共に、前記積層した支持部の少なくともいずれか一方の支持部の内端と前記巻枠の外周面との間に隙間を設け、前記巻枠、コイル部および第１、第２スペーサにより閉鎖された空間が形成されない構成としていることを特徴とする超電導コイル。
2. 前記第１、第２スペーサの支持部のうち、少なくともそれぞれ３つの支持部は内端面を前記巻枠の外周面に当接させる位置決め用支持部とし、該位置決め用支持部を周方向に等間隔をあけて設けている請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記第１、第２スペーサは、樹脂製のリングを前記山部と谷部とを有する形状に屈折させたものである請求項１または請求項２に記載の超電導コイル。
4. 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３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
6. 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。

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