JP2009158680A - 超電導コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の超電導コイルが並列接続された超電導コイル装置において、各超電導コイル相互間のコイルバランスを取ってＩｏｐ／Ｉｏｃの差を低減することができる超電導コイル装置を提供する。
【解決手段】超電導コイルＡ，Ｂと、超電導コイルＡ，Ｂを収納すると共に冷却するクライオスタット１５と、超電導コイルＡ，Ｂの一端を、それぞれクライオスタット１５の外部へ引き出す電流リード７，８と、超電導コイルＡ，Ｂの他端を、クライオスタット１５の外部へ引き出すと共に超電導コイルＡ，Ｂに電流を供給する直流電源１００の一方の極に接続する電流リード１０と、直流電源１００の他方の極とクライオスタット１５の外部に引き出された電流リード７，８とをそれぞれ接続すると共に、それぞれ所定の抵抗値が設定された電気抵抗調整用ケーブル１１，１２とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導磁気エネルギー貯蔵装置に代表される液体冷媒冷却型の超電導マグネット、および冷凍機冷却型の超電導マグネット等に利用される超電導コイル装置に関する。

超電導磁気エネルギー貯蔵装置（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ、以下ＳＭＥＳと略する）は、他のエネルギー貯蔵装置と比べて、貯蔵効率が高い、エネルギーの出し入れ速度が速い等の特長を有しており、開発が進められている。この場合、所定の電力を取り出すため、必要以上に高電圧化することを避けるために、超電導コイルの電流容量を大容量化するように設計されることが多い。

そのために、超電導コイルには５００Ａから１ｋＡ以上の電流を給電することになる。超電導コイルに、磁気的に安定して超電導電流を流すためには、超電導コイルのフィラメント径をある程度以下に細くする必要がある。そのため、超電導素線を太径化して超電導コイルの電流容量を大容量化するには困難性を伴う。

フィラメント径を細くしつつ超電導コイルの電流容量を増大させるには、超電導素線内のフィラメント数を増やせばよいが、超電導素線内のフィラメント数を増加させるには、製造設備上の問題で困難性を伴う。

そこで、超電導コイルの電流容量を大容量化させるために、超電導素線を複数本束ねて集合導体化する方法が知られている。この方法によって得られる導体として、ケーブル・イン・コンジット導体やラザフォード導体などがある。しかし、これらの導体では、電流が特定の素線に集中したり、それを防ぐために素線間の電気抵抗を低下させると素線間に結合電流が流れて大きな交流損失発生の原因となったりするため、取り扱いが難しいという問題がある。

一方、電流の大容量化の方法として、上記のような導体の大容量化ではなく、電流容量の小さい導体から成る複数の超電導コイルを並列に接続するという構成が提案されている。この場合、各超電導コイルの電気抵抗がゼロのため、各超電導コイルに流れる電流は、僅かな接続抵抗の比に対応した電流分布となり、極端な場合には並列コイル間で数倍もの分配比で電流が流れるという問題が生じる恐れがある。

この問題を解決する方法として、例えば、冷却容器内に収納された複数の超電導コイルに対して、各超電導コイルはその両端子を個別の電流リードで個々に容器外に導出するようにし、その個別の電流リード間に電源を接続することによって、各超電導コイルに流れる電流の分配を改善することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

これによれば、各超電導コイルに流れる電流の分配は、電流リードの抵抗値で決まる。そして、電流リードの抵抗値をある程度大きな一定の抵抗値に設定することで、接続抵抗の影響を低減することができる。そうすると、僅かな接続抵抗のバラツキによって、並列接続された各超電導コイルに流れる電流の分配比が数倍になるというようなことがなく、特定のコイルに偏って大きな電流が流れるという偏流問題は回避できるとしている。
特開２００６−３３２５１３号公報

しかしながら、実際の回路では、各超電導コイル間で臨界電流が異なるというケースがよく生じる。さらに、コイル両端子とそれに接続されている電流ケーブルとの接続抵抗が各超電導コイル間で異なるために、上記の各超電導コイルに接続されている電流リードを一定値にしたとしても、各超電導コイルで異なる臨界電流まで同時に流す（各超電導コイルには異なった電流を意図して流す）ということはできない。

酸化物超電導コイルのように、磁束フロー領域での通電が可能な場合は、微小電圧が発生した状態で通電することが期待できるが、各コイルの臨界電流まで同時に流すことができなければ、コイル両端に発生する電圧を等しくしてコイルバランスを取りながらの通電を行うことができなくなる。また、超電導コイルがなんらかの原因でクエンチした場合、コイルバランスが良い状態（各超電導コイルの臨界電流Ｉｃ、各超電導コイルの通電電流Ｉｏｐとするとき、Ｉｏｐ／Ｉｃが各超電導コイルで略等しい状態）にしておかなければ、Ｉｏｐ／Ｉｃの値が低い特定のコイルに大きなクエンチ電流が誘発されて、そのコイルが機械的損傷を受けることになる。これは、酸化物系、金属系の種類を問わず共通して同じことが言える。

このような課題が存在するために、これまで、集合導体における偏流、結合損失等を低減し、かつコイルバランスを取って複数のコイル相互間でＩｏｐ／Ｉｏｃの差を低減しつつ、複数の超電導コイルに同時に通電することが困難であるという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、複数の超電導コイルが並列接続された超電導コイル装置において、各超電導コイル相互間のコイルバランスを取ってＩｏｐ／Ｉｏｃの差を低減することができる超電導コイル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超電導コイル装置は、複数の超電導コイルと、前記複数の超電導コイルを収納すると共に冷却する冷却容器と、前記各超電導コイルの一端を、前記冷却容器の外部へ引き出すと共に、当該複数の超電導コイルに電流を供給する電源装置の一方の極に接続する第１電流リードと、前記各超電導コイルの他端を、前記冷却容器の外部へ引き出すと共に前記電源装置の他方の極に接続する第２電流リードと、前記各超電導コイルの一端から前記第１電流リードを介して前記電源装置の一方の極に至る電流経路中に、前記各超電導コイルと直列に設けられる複数の抵抗部とを備え、前記複数の抵抗部は、個別に抵抗値が設定可能である。

この構成によれば、冷却容器内で複数の超電導コイルが冷却される。また、各超電導コイルの一端が、複数の第１電流リードによってそれぞれ冷却容器の外部へ引き出される。そして、第２電流リードによって、各超電導コイルの他端が、冷却容器の外部へ引き出されると共に電源装置の一方の極に接続される。さらに、各超電導コイルの一端から第１電流リードを介して電源装置の一方の極に至る電流経路中に、各超電導コイルと直列に設けられ、個別に抵抗値が設定可能な複数の抵抗部が設けられている。

そうすると、複数の超電導コイルが並列接続されるので、小電流容量の素線を超電導線材として用いることが可能となる結果、ケーブル・イン・コンジット導体やラザフオード導体などの大電流容量導体を用いた場合のような、特定の素線への電流集中や結合損失の増大を低減することが容易となる。また、各超電導コイルと直列に接続された各抵抗部の抵抗値を、個別に設定することにより、各超電導コイルの通電電流Ｉｏｐを調節することができるので、各超電導コイル相互間における、臨界電流Ｉｃと通電電流Ｉｏｐとの比（Ｉｏｐ／Ｉｃ）の差を低減し、各超電導コイル相互間のコイルバランスをとることが容易となる。

また、前記抵抗部は、前記冷却容器の外部に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、抵抗部は冷却容器の外部に設けられるので、抵抗部による発熱によって、超電導コイルが加熱されるおそれが低減される。また、冷却容器外部に設けられていれば、通電して各コイルに流れるＩｏｐを容易に調節することができる。

また、前記複数の抵抗部は、前記各抵抗部の環境温度における抵抗値の最大値と最小値との差が、５．０×１０^−７Ω〜２．０×１０^−４Ωの範囲内となるように、各抵抗部の抵抗値が設定されていることが好ましい。

この構成によれば、抵抗部の抵抗値の差が２．０×１０^−４Ω以下であれば、抵抗部の抵抗値を略２．０×１０^−４Ω以下にすることが可能となるので、抵抗部による発熱を、強制冷却によって排除することが容易となる。また、抵抗部の抵抗値の差は、５．０×１０^−７Ω以上となるので、抵抗部の抵抗値の差が、超電導コイルや電流リードにおける接続抵抗の抵抗値と近似して通電電流Ｉｏｐの調節が困難になるおそれが低減される。

また、前記複数の抵抗部は、ケーブルであり、当該ケーブルの長さに応じて前記抵抗値が設定されることが好ましい。

この構成によれば、各超電導コイルと直列に接続されたケーブルの長さに応じて前記抵抗値が設定される。そうすると、ケーブルは低抵抗であるから、ケーブルの長さを設定することで、前記抵抗値を設定することとすれば、各抵抗部（各ケーブル）毎に微妙な抵抗値の設定が容易となる結果、各超電導コイル相互間における、臨界電流Ｉｃと通電電流Ｉｏｐとの比（Ｉｏｐ／Ｉｃ）の差を低減させるように、各抵抗部（各ケーブル）の抵抗値を設定することが容易となる。

また、前記複数の抵抗部は、ケーブルであり、当該ケーブルの太さに応じて前記抵抗値が設定されるようにしてもよい。

そうすると、ケーブルは低抵抗であるから、ケーブルの太さを設定することで、前記抵抗値を設定することとすれば、各抵抗部（各ケーブル）毎に微妙な抵抗値の設定が容易となる結果、各超電導コイル相互間における、臨界電流Ｉｃと通電電流Ｉｏｐとの比（Ｉｏｐ／Ｉｃ）の差を低減させるように、各抵抗部（各ケーブル）の抵抗値を設定することが容易となる。

また、前記複数の抵抗部は、ケーブルであり、当該ケーブルの材質に応じて前記抵抗値が設定されるようにしてもよい。

そうすると、ケーブルは低抵抗であるから、ケーブルの材質を設定することで、前記抵抗値を設定することとすれば、各抵抗部（各ケーブル）毎に微妙な抵抗値の設定が容易となる結果、各超電導コイル相互間における、臨界電流Ｉｃと通電電流Ｉｏｐとの比（Ｉｏｐ／Ｉｃ）の差を低減させるように、各抵抗部（各ケーブル）の抵抗値を設定することが容易となる。

また、前記複数の抵抗部はケーブルであり、当該ケーブルの長さ、太さ、及び材質のうち少なくとも一つに応じて前記抵抗値が設定されるようにしてもよい。

また、前記ケーブルは、長さ方向の少なくとも一部において導体が露出し、当該露出部分において、前記各超電導コイルの一端、前記第１電流リード、及び前記電源装置のうちいずれか一つと露出した導体とが接続されており、当該接続箇所の位置に応じて前記抵抗値が設定されることが好ましい。

この構成によれば、ケーブルにおいて露出している導体部分と、各超電導コイルの一端、前記第１電流リード、及び前記電源装置のうちいずれか一つとの接続箇所を変えるだけで、電源装置の他方の極と第１電流リードとの間におけるケーブルの長さ、すなわち抵抗値を変えることができるので、臨界電流Ｉｃと通電電流Ｉｏｐとの比（Ｉｏｐ／Ｉｃ）の差を低減させるように、各抵抗部（各ケーブル）の抵抗値を設定することが容易となる。

このような構成の超電導コイル装置は、冷却容器内で複数の超電導コイルが冷却される。また、各超電導コイルの一端が、複数の第１電流リードによってそれぞれ冷却容器の外部へ引き出される。そして、第２電流リードによって、各超電導コイルの他端が、冷却容器の外部へ引き出されると共に電源装置の一方の極に接続される。さらに、それぞれ所定の抵抗値が設定された複数の抵抗部によって、電源装置の他方の極と冷却容器の外部に引き出された複数の第１電流リードとがそれぞれ接続される。

そうすると、複数の超電導コイルが並列接続されるので、小電流容量の素線を超電導線材として用いることが可能となる結果、ケーブル・イン・コンジット導体やラザフオード導体などの大電流容量導体を用いた場合のような、特定の素線への電流集中や結合損失の増大を低減することが容易となる。また、各超電導コイルの一端と接続された各第１電流リードの抵抗値を、個別に設定することにより、各超電導コイルの通電電流Ｉｏｐを調節することができるので、各超電導コイル相互間における、臨界電流Ｉｃと通電電流Ｉｏｐとの比（Ｉｏｐ／Ｉｃ）の差を低減し、各超電導コイル相互間のコイルバランスをとることが容易となる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る超電導コイル装置の構成の一例を示す回路図である。図１に示す超電導コイル装置１は、例えば、超電導コイルＡ，Ｂ、外部電極３，４、内部電極６、電流リード７，８（第１電流リード）、電流リード１０（第２電流リード）、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２（抵抗部）、及び超電導コイルＡ，Ｂを収容するクライオスタット１５（冷却容器）を備えている。

超電導コイルＡ，Ｂは、例えば、同一の枠体に巻回されて、シングルパンケーキ型のコイル体であるシングルパンケーキコイル２が構成されている。シングルパンケーキコイル２は、超電導コイルＡ，Ｂ、外部電極３，４、及び内部電極６を含む。

図２は、図１に示すシングルパンケーキコイル２の全体を示す概略図である。図３は、図２に示すシングルパンケーキコイル２の断面図である。シングルパンケーキコイル２は、略円筒形状の巻枠２０に、超電導コイルＡ，Ｂが同心に巻回されて構成されている。

巻枠２０は、超電導コイルＡ，Ｂが巻き付けられる筒状の巻胴２１と、この巻胴２１の軸方向両端部から巻胴２１の円周方向に亘って巻胴２１の延びる方向と直交する方向に延びる鍔部２２とを有している。

そして、超電導コイルＡを構成する例えばテープ状の超電導線材Ａ１と、超電導コイルＢを構成する例えばテープ状の超電導線材Ｂ１とが、厚さ方向に重ねられた状態で、かつその重ねられた順序のまま巻枠２０の上部に同心円状に所定回数巻回されることにより、シングルパンケーキコイル２が構成されている。超電導線材Ａ１，Ｂ１の巻回状態では、超電導線材Ａ１がシングルパンケーキコイル２の径方向内側に位置し、超電導線材Ｂ１がシングルパンケーキコイル２の径方向外側に位置している。

また、シングルパンケーキコイル２の内部では、内部電極６以外では、超電導線材Ａ１と超電導線材Ｂ１とは電気的に接続されておらず、超電導コイルＡと超電導コイルＢの独立した２個の超電導コイルを構成している。

また、巻胴２１の一部に、内部電極６が組み込まれている。内部電極６は、例えば断面略半円弧形状を有し、一方向に延びる棒状の銅製部材である。そして、超電導線材Ａ１，Ｂ１の巻始め側の一端が、例えば半田６４によって内部電極６に接続されている。内部電極６には、電流リード１０の一端が接続されている。

そして、超電導線材Ａ１の他端には、例えば平板状の銅製部材からなる外部電極３が取り付けられている。さらに、外部電極３には、電流リード７の一端が接続されている。また、超電導線材Ｂ１の他端には、例えば平板状の銅製部材からなる外部電極４が取り付けられている。さらに、外部電極４には、電流リード８の一端が接続されている。

クライオスタット１５は、例えばシングルパンケーキコイル２を液体窒素や液体ヘリウムとともに収容する真空断熱容器である。クライオスタット１５は、外部環境から熱遮蔽した状態で、シングルパンケーキコイル２を極低温に保持するように構成されている。なお、クライオスタット１５は、冷凍機によってシングルパンケーキコイル２を冷却するタイプのものであってもよい。

電流リード７，８，１０は、例えばクライオスタット１５内で極低温下に晒される超電導体で構成された超電導電流リードと、クライオスタット１５の外部に取り出されて常温下に晒される銅または銅合金等の低抵抗金属製の導体とが直列接続されて構成されている。また、電流リード７，８，１０の超電導電流リード側が、外部電極３，４、及び内部電極６と接続されている。

そして、電流リード１０におけるクライオスタット１５の外部に引き出された部分に、直流電源１００（電源装置）の正極が接続されている。また、電流リード７におけるクライオスタット１５の外部に引き出された部分に、電気抵抗調整用ケーブル１１を介して直流電源１００の負極が接続されている。そして、電流リード８におけるクライオスタット１５の外部に引き出された部分に、電気抵抗調整用ケーブル１２を介して直流電源１００の負極が接続されている。

これにより、クライオスタット１５に収容された超電導コイルＡ，Ｂに、直流電源１００から直流電流が供給されるようになっている。

電気抵抗調整用ケーブル１１，１２は、クライオスタット１５の外部に配置され、例えば断面積３０ｍｍ^２、長さ５００ｍｍのケーブルである。また、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２の被覆の一部が長手方向に全長に亘って除去され、導体が露出されている。そして、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２と電流リード７，８との接続箇所、及び電気抵抗調整用ケーブル１１，１２と直流電源１００との接続箇所のうち少なくとも一方を、自由に変更可能にされている。

この場合、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２と電流リード７，８との接続箇所、及び電気抵抗調整用ケーブル１１，１２と直流電源１００との接続箇所のうち少なくとも一方を変化させることにより、電流リード７と直流電源１００との間の抵抗値Ｒａ、及び電流リード８と直流電源１００との間の抵抗値Ｒｂを個別に変化させて、設定することができる。従って、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２で生じる抵抗値を変化させて、任意の抵抗値Ｒａ，Ｒｂを設定することが容易となる。

そして、超電導コイルを流れる通電電流がＩｏｐ、超電導コイルの臨界電流がＩｃであるとき、超電導コイルＡにおけるＩｏｐ／Ｉｃと、超電導コイルＢにおけるＩｏｐ／Ｉｃとが略等しくなるように、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２によって、抵抗値Ｒａ，抵抗値Ｒｂが設定されている。

なお、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２と電流リード７，８との接続箇所、及び電気抵抗調整用ケーブル１１，１２と直流電源１００との接続箇所のうち少なくとも一方を設定することにより、抵抗値Ｒａ，抵抗値Ｒｂを設定する例に限られず、例えば電気抵抗調整用ケーブル１１，１２の長さをそれぞれ設定することで、抵抗値Ｒａ，抵抗値Ｒｂを設定するようにしてもよい。

また、内部電極６は、個別の電極が超電導コイルＡ，Ｂにそれぞれ接続されて構成されていてもよい。また、電流リード１０の代わりに、上記個別の電極と直流電源１００とを接続するように、複数の電流リードが並列接続されていてもよい。また、電流リード１０と直流電源１００との間にも、電気抵抗調整用ケーブルが接続されていてもよい。

上述のように構成された超電導コイル装置１によれば、複数の超電導コイルＡ，Ｂを並列接続することにより、小電流容量の素線を超電導線材Ａ１，Ｂ１として用いることが可能となるため、ケーブル・イン・コンジット導体やラザフオード導体などの大容量導体で問題となる特定の素線への電流集中や結合損失の技術的な課題を回避することが容易となる。また、各超電導コイルＡ，Ｂに接続された電流リード７，８と直流電源１００までの間の直流抵抗（抵抗値Ｒａ，Ｒｂ）を個別に調整することにより、各超電導コイルＡ，ＢのＩｏｐ／Ｉｃを略等しくすることが可能となり、コイルバランスが取れた状態での通電が可能となる。

また、超電導コイル装置１の動作状態での環境温度、例えば超電導コイル装置１が設置されている場所の室温における各電流リード７，８と直流電源１００までの直流抵抗の差が、５．０×１０^−７Ω〜２．０×１０^−４Ωの範囲内になるように、抵抗値Ｒａ，Ｒｂを個別に調整すると、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２のうち一方を略０Ωにすれば、その調整分の抵抗による発熱は、１０００Ａ通電の場合でも最大で２００Ｗとなる。最大で２００Ｗの発熱であれば、発熱部分を強制冷却するなどして安定した通電が可能である。その調整によって生じた抵抗発熱は、超電導コイルの冷却を行うクライオスタット１５の外部で生じるので、超電導コイルＡ，Ｂの冷却効率にはほとんど影響が無い。

直流抵抗の差が５．０×１０^−７Ωより小さい場合は、回路系の接続抵抗の値に近づき、超電導コイルＡ，ＢのＩｏｐ／Ｉｃを等しくする調整が困難となる。また、各電流リード７，８から直流電源１００までの直流抵抗の差が２．０×１０^−４Ωよりも大きくなると、調整分の抵抗による発熱が大きくなり過ぎ、超電導コイルＡ，ＢのＩｏｐ／Ｉｃを等しくできても安定した通電ができなくなる。より望ましい各電流リードから電源までの直流抵抗の差は、２．０×１０^−６Ω〜８．０×１０^−５Ωである。

なお、例えば図４に示すように、図１に示すシングルパンケーキコイル２における超電導コイルＡ，Ｂに、さらに超電導コイルＣを並列接続して外部電極５を設けることにより、超電導コイルが三つ並列接続されたシングルパンケーキコイル２ａを構成してもよい。そして、外部電極５を電流リード９（第１電流リード）と電気抵抗調整用ケーブル１３（抵抗部）とを介して直流電源１００へ接続することで、超電導コイル装置１ａを構成するようにしてもよい。

また、例えば図５に示すように、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２，１３をクライオスタット１５内に収容し、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２，１３の一端を電流リード７によってクライオスタット１５の外部に引き出して、直流電源１００へ接続するようにしてもよい。

このような構成の超電導コイル装置１ａにおいて、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２，１３の抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃが、例えば超電導コイルＡ，Ｂ，ＣにおけるＩｏｐ／Ｉｃのすべてが略等しくなるように、設定されている。また、抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃの最大値と最小値との差が、５．０×１０^−７Ω〜２．０×１０^−４Ωの範囲内となるように、抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃが設定されている。

超電導コイルは複数並列接続されていればよく、四つ以上並列接続されていてもよい。また、複数の超電導コイルは、クライオスタット１５に収容されていればよく、シングルパンケーキコイルとして構成される例に限らない。

以下、図１に示す超電導コイル装置１及び図４に示す超電導コイル装置１ａを実際に構成して実験した実施例１及び実施例２と、実施例１及び実施例２の構成から電気抵抗調整用ケーブルを取り除いた比較例１及び比較例２について、説明する。

（比較例１）
図６は、比較例１に係る超電導コイル装置１０１の構成を示す回路図である。図６に示す超電導コイル装置１０１は、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２を備えず、電流リード７，８が直接直流電源１００の負極に接続されている。

具体的には、幅１０ｍｍ、厚さ０．１２ｍｍ、長さ５６５０ｍｍのＹ系テープ線材からなる超電導線材Ａ１と、幅１０ｍｍ、厚さ０．１２ｍｍ、長さ５６７０ｍｍのＹ系テープ線材からなる超電導線材Ｂ１との二枚のＹ系テープ線材を用意した。そして、幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのガラスクロステープとこれら二枚の超電導線材Ａ１，Ｂ１とを重ねて、図２に示す巻枠２０に各９層共巻きして、シングルパンケーキコイル２を作製した。

また、超電導線材Ａ１，Ｂ１の巻始め側の一端を、内部電極６に半田で接続した。そして、超電導線材Ａ１，Ｂ１の他端に、外部電極３，４をそれぞれ取り付けた。コイルの内部では、内部電極６以外では、超電導線材Ａ１，Ｂ１は電気的に接続されておらず、超電導コイルＡと超電導コイルＢとの独立した２個の超電導コイルを構成している。

このシングルパンケーキコイル２を、クライオスタット１５内に装着した。内部電極６に結線された電流リード１０は、超電導コイルＡと超電導コイルＢとで共有されている。外部電極３，４はそれぞれ個別の電流リード７，８に結線されている。

そして、クライオスタット１５内に液体窒素を導入してシングルパンケーキコイル２を冷却した。さらに、直流電源１００によって、超電導コイル装置１０１へ供給する電流を徐々に増大させて、超電導コイルＡの両端の電圧Ｖａと超電導コイルＢの両端の電圧Ｖｂとをそれぞれ測定した。

図７は、比較例１における実験結果を示すグラフである。横軸は、直流電源１００から超電導コイル装置１０１へ供給される電流値、すなわち超電導コイルＡに流れる電流Ｉａと超電導コイルＢに流れる電流Ｉｂとの合計電流Ｉｔを示している。

１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いた場合における合計電流Ｉｔは、内側の超電導線材Ａ１（超電導コイルＡ）の電圧Ｖａに基準を適用すると１０２Ａ、外側の超電導線材Ｂ１（超電導コイルＢ）の電圧Ｖｂに基準を適用すると１１６Ａであり、両者の差が１４Ａとなった。

また、合計電流Ｉｔが１０２Ａのときに、超電導コイルＡでは１．０μＶ／ｃｍの電界に相当する電圧が発生して臨界電流に達しているのに対し、超電導コイルＢではほとんど電圧が発生していない。各テープ線材に５０Ａずつの電流が流れているときに、超電導コイルの発生する最大経験磁場は５．６ｍＴである。事前に測定した超電導コイルＡ，Ｂの液体窒素温度７７．３Ｋ、磁場５．６ｍＴにおける臨界電流は、それぞれ５３Ａ、６３Ａであった。超電導コイルＡのＩｏｐ／Ｉｃが５３Ａ／５３Ａ＝１．００のとき、超電導コイルＢのＩｏｐ／Ｉｃは（１０２−５３）Ａ／６３Ａ＝０．７８であり、両者で２２％の差が生じた。

また、比較例１における上述のシングルパンケーキコイル２を、冷凍機冷却型のクライオスタット１５に装着して、図６に示す超電導コイル装置１０１を構成した。そして、シングルパンケーキコイル２を、２０Ｋに冷却し、通電して超電導コイルＡ、超電導コイルＢの両端の電圧を測定した。

１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの電流Ｉａと電流Ｉｂとの合計電流Ｉｔは、内側の超電導線材Ａ１（超電導コイルＡ）の電圧Ｖａに基準を適用すると５１０Ａ、外側の超電導線材Ｂ１（超電導コイルＢ）の電圧Ｖｂに基準を適用すると５７８Ａであり、両者の差が６８Ａとなった。

また、超電導線材Ａ１，Ｂ１に、それぞれ２５０Ａずつ電流が流れているときに、超電導コイルの発生する最大経験磁場は１６．８ｍＴである。事前に測定した超電導コイルＡ，Ｂの温度２０Ｋ、磁場２８．０ｍＴにおける臨界電流は、それぞれ２６３Ａ，３１２Ａであった。超電導コイルＡのＩｏｐ／Ｉｃが２６３Ａ／２６３Ａ＝１．００のとき、超電導コイルＢのＩｏｐ／Ｉｃは（５１０−２６３）Ａ／３１２Ａ＝０．７９であり、両者で２１％の差が生じた。

（比較例２）
図８は、比較例２に係る超電導コイル装置１０１ａの構成を示す回路図である。図８に示す超電導コイル装置１０１ａは、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２，１３を備えず、電流リード７，８，９が直接直流電源１００の負極に接続されている。

具体的には、幅１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ４５００ｍｍのＹ系テープ線材からなる超電導線材Ａ１と、幅１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ４５０７ｍｍのＹ系テープ線材からなる超電導線材Ｂ１と、幅１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ４５１５ｍｍのＹ系テープ線材からなる超電導線材Ｃ１との三枚のＹ系テープ線材を用意した。そして、幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのガラスクロステープとこれら三枚の超電導線材Ａ１，Ｂ１，Ｃ１とを重ねて、図２に示す巻枠２０に各７層共巻きして、シングルパンケーキコイル２を作製した。

また、超電導線材Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の巻始め側の一端を、内部電極６に半田で接続した。そして、超電導線材Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の他端に、外部電極３，４，５をそれぞれ取り付けた。コイルの内部では、内部電極６以外では、超電導線材Ａ１，Ｂ１，Ｃ１は電気的に接続されておらず、超電導コイルＡと超電導コイルＢと超電導コイルＣとの独立した三個の超電導コイルを構成している。

このシングルパンケーキコイル２を、クライオスタット１５内に装着した。内部電極６に結線された電流リード１０は、超電導コイルＡと超電導コイルＢと超電導コイルＣとで共有されている。外部電極３，４，５はそれぞれ個別の電流リード７，８，９に結線されている。

そして、クライオスタット１５内に液体窒素を導入してシングルパンケーキコイル２を冷却した。さらに、直流電源１００によって、超電導コイル装置１０１へ供給する電流を徐々に増大させて、超電導コイルＡの両端の電圧Ｖａと超電導コイルＢの両端の電圧Ｖｂと超電導コイルＣの両端の電圧Ｖｃとをそれぞれ測定した。

１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの超電導コイルＡに流れる電流Ｉａ、超電導コイルＢに流れる電流Ｉｂ、及び超電導コイルＣに流れる電流Ｉｃの合計電流Ｉｔは、内側の超電導線材Ａ１（超電導コイルＡ）の電圧Ｖａに基準を適用すると１６５Ａ、中央の超電導線材Ｂ１（超電導コイルＢ）の電圧Ｖｂに基準を適用すると１９１Ａ、外側の超電導線材Ｃ１（超電導コイルＣ）の電圧Ｖｃに基準を適用すると１６８Ａとなり、電流Ｉａ、電流Ｉｂ、及び電流Ｉｃにおける電流値の最大値と最小値との差が２６Ａとなった。

また、超電導線材Ａ１，Ｂ１，Ｃ１に、それぞれ５０Ａずつ電流が流れているときに、超電導コイルの発生する最大経験磁場は２．１ｍＴである。事前に測定した超電導コイルＡ，Ｂ，Ｃの液体窒素温度７７．３Ｋ、磁場２．１ｍＴにおける臨界電流は、それぞれ５６Ａ、５９Ａ，６４Ａであった。

外側の超電導線材Ｃ１の電流−電圧特性において、１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの合計電流Ｉｔが１６８Ａであることから、この状態での超電導コイルＡのＩｏｐ／Ｉｃは｛５６＋（１６８−１６５）｝Ａ／５６Ａ＝１．０５、超電導コイルＣのＩｏｐ／Ｉｃは６４Ａ／６４Ａ＝１．００、超電導コイルＢのＩｏｐ／Ｉｃは（１６８−５９−６４）Ａ／５９Ａ＝０．７６ということになる。すなわち、三コイルの各Ｉｏｐ／Ｉｃにおいて、最大値と最小値との差が、１．０５−０．７６＝２９％となった。

また、比較例２における上述のシングルパンケーキコイル２を、冷凍機冷却型のクライオスタット１５に装着して、図８に示す超電導コイル装置１０１ａを構成した。そして、シングルパンケーキコイル２を、２０Ｋに冷却し、通電して超電導コイルＡ、超電導コイルＢ、超電導コイルＣの両端の電圧を測定した。

１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの超電導コイルＡ、超電導コイルＢ、超電導コイルＣの合計電流Ｉｔは、超電導コイルＡの電圧に基準を適用すると８２５Ａ、超電導コイルＢの電圧に基準を適用すると９５７Ａであり、超電導コイルＣの電圧に基準を適用すると８３８Ａであり、三つの超電導コイルにおける各合計電流Ｉｔの最大値と最小値との差が１３２Ａとなった。

また、超電導線材Ａ１，Ｂ１，Ｃ１に、それぞれ２７０Ａずつ電流が流れているときに、超電導コイルの発生する最大経験磁場は１１．３ｍＴである。

事前に測定した超電導コイルＡ，Ｂ，Ｃの温度２０Ｋ、磁場１１．３ｍＴにおける臨界電流は、それぞれ２８０Ａ、２９４Ａ、３１８Ａであった。

外側の超電導線材Ｃ１の電流−電圧特性において、１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの合計電流Ｉｔが８３８Ａであることから、超電導コイルＡのＩｏｐ／Ｉｃが｛２８０＋（８３８−８２５）｝Ａ／２８０Ａ＝１．０５のとき、超電導コイルＣのＩｏｐ／Ｉｃは３１８Ａ／３１８Ａ＝１．００、超電導コイルＢのＩｏｐ／Ｉｃは（８３８−２９３−３１８）Ａ／２９４Ａ＝０．７７であり、三つの超電導コイルにおける各Ｉｏｐ／Ｉｃの最大値と最小値との差が１．０５−０．７７＝２８％となった。

（実施例１）
図１に示す超電導コイル装置１において、比較例１で作製したシングルパンケーキコイル２を、液体窒素が導入されたクライオスタット１５内に装着して冷却した。また、超電導コイルＡ，Ｂの外部電極３，４を、それぞれ個別の電流リード７，８に結線し、電流リード７，８から直流電源１００まで接続するケーブルの途中に、導体断面積３０ｍｍ^２、全体の長さ５００ｍｍ（被覆を一部長手方向に全長に亘って除去し、適当な長さを選択して電気抵抗を調整できるようにした）の電気抵抗調整用ケーブル１１，１２を、電流リード７，８と直列に接続した。

また、内側の超電導線材Ａ１（超電導コイルＡ）用の電流リード７に接続されている電気抵抗調整用ケーブル１１の使用する部分の長さを２００ｍｍとし、外側の超電導線材Ｂ１（超電導コイルＢ）用の電流リード８に接続されている電気抵抗調整用ケーブル１２の使用する部分の長さを１１５ｍｍとした。このとき、両電気抵抗調整用ケーブルの使用する部分の長さの差は８５ｍｍで、電気抵抗の差は５．０×１０^−５Ωである。

そして、直流電源１００によって、超電導コイル装置１へ供給する電流を徐々に増大させて、超電導コイルＡの両端の電圧Ｖａと超電導コイルＢの両端の電圧Ｖｂとをそれぞれ測定した。

図９は、図１に示す超電導コイル装置１を実際に構成して実験した実施例１の実験結果を示すグラフである。横軸は、直流電源１００から超電導コイル装置１へ供給される電流値、すなわち超電導コイルＡに流れる電流Ｉａと超電導コイルＢに流れる電流Ｉｂとの合計電流Ｉｔを示している。

１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いた場合における合計電流Ｉｔは、内側の超電導線材Ａ１（超電導コイルＡ）の電圧Ｖａに基準を適用すると１１６Ａ、外側の超電導線材Ｂ１（超電導コイルＢ）の電圧Ｖｂに基準を適用すると１１７Ａとなり、両者の差は１Ａしかない。

また、超電導コイルＡのＩｏｐ／Ｉｃが５３Ａ／５３Ａ＝１．００のとき、超電導コイルＢのＩｏｐ／Ｉｃは（１１６−５３）Ａ／６３Ａ＝１．００であり、両者の差は比較例１における２２％から０％に低減でき、コイルバランスが理想的に取れた状態にすることができた。

また、実施例１における上述のシングルパンケーキコイル２を、冷凍機冷却型のクライオスタット１５に装着して、図１に示す超電導コイル装置１を構成した。そして、シングルパンケーキコイル２を、２０Ｋに冷却し、通電して超電導コイルＡ、超電導コイルＢの両端の電圧を測定した。

１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの電流Ｉａと電流Ｉｂとの合計電流Ｉｔは、内側の超電導線材Ａ１（超電導コイルＡ）の電圧Ｖａに基準を適用すると５７４Ａ、外側の超電導線材Ｂ１（超電導コイルＢ）の電圧Ｖｂに基準を適用すると５８５Ａであり、両者の差が１１Ａしかない。

また、超電導線材Ａ１，Ｂ１に、それぞれ２５０Ａずつ電流が流れているときに、超電導コイルの発生する最大経験磁場は２８．０ｍＴである。事前に測定した超電導コイルＡ，Ｂの温度２０Ｋ、磁場２８．０ｍＴにおける臨界電流は、それぞれ２６３Ａ，３１２Ａであった。超電導コイルＡのＩｏｐ／Ｉｃが２６３Ａ／２６３Ａ＝１．００のとき、超電導コイルＢのＩｏｐ／Ｉｃは（５７４−２６３）Ａ／３１２Ａ＝１．００であり、両者の差を比較例１における２１％から０％に低減でき、コイルバランスが理想的に取れた状態にすることができた。

（実施例２）
図４に示す超電導コイル装置１ａにおいて、比較例２で作製したシングルパンケーキコイル２を、液体窒素が導入されたクライオスタット１５内に装着して冷却した。また、超電導コイルＡ，Ｂ，Ｃの外部電極３，４，５を、それぞれ個別の電流リード７，８，９に結線し、電流リード７，８，９から直流電源１００まで接続するケーブルの途中に、導体断面積３０ｍｍ^２、全体の長さ５００ｍｍ（被覆を一部長手方向に全長に亘って除去し、適当な長さを選択して電気抵抗を調整できるようにした）の電気抵抗調整用ケーブル１１，１２，１３を、電流リード７，８，９と直列に接続した。

また、内側の超電導線材Ａ１（超電導コイルＡ）用の電流リード７に接続されている電気抵抗調整用ケーブル１１の使用する部分の長さを２３０ｍｍとし、中央の超電導線材Ｂ１（超電導コイルＢ）用の電流リード８に接続されている電気抵抗調整用ケーブル１２の使用する部分の長さを２００ｍｍとし、外側の超電導線材Ｃ１（超電導コイルＣ）用の電流リード９に接続されている電気抵抗調整用ケーブル１３の使用する部分の長さを２３０ｍｍとして、各超電導コイルの両端電圧と電流の特性を調べた。

このとき、各電気抵抗調整用ケーブルにおける最短のものと最長のものとの長さの差は３０ｍｍで、電気抵抗の差は１．８×１０^−５Ωである。また、１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの合計電流Ｉｔは、超電導コイルＡの電圧Ｖａに基準を適用した場合で１７９Ａ、超電導コイルＢの電圧Ｖｂに基準を適用した場合で１７６Ａ、超電導コイルＣの電圧Ｖｃに基準を適用した場合で１８１Ａであった。

超電導コイルＡの電流−電圧特性において、１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの合計電流Ｉｔが１７９Ａであることから、この状態での超電導コイルＡのＩｏｐ／Ｉｃは５６Ａ／５６Ａ＝１．００、超電導コイルＢのＩｏｐ／Ｉｃは｛５９＋（１７９−１７６）｝Ａ／５９Ａ＝１．０５、超電導コイルＣのＩｏｐ／Ｉｃは（１７９−５６−６２）／６４＝０．９５ということになる。

すなわち、三コイルにおける各Ｉｏｐ／Ｉｃの最大値と最小値との差が１．０５−０．９５＝１０％となった。このように、実施例２によれば、三コイルの各Ｉｏｐ／Ｉｃの差を、比較例２における２９％から１０％に低減でき、コイルバランスを改善することができた。

また、実施例２における上述のシングルパンケーキコイル２を、冷凍機冷却型のクライオスタット１５に装着して、図４に示す超電導コイル装置１ａを構成した。そして、シングルパンケーキコイル２を、２０Ｋに冷却し、通電して超電導コイルＡ、超電導コイルＢ、超電導コイルＣの両端の電圧を測定した。

１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの超電導コイルＡ、超電導コイルＢ、超電導コイルＣの合計電流Ｉｔは、超電導コイルＡの電圧に基準を適用すると８９５Ａ、超電導コイルＢの電圧に基準を適用すると８８０Ａであり、超電導コイルＣの電圧に基準を適用すると９０５Ａであり、三つの超電導コイルにおける各合計電流Ｉｔの最大値と最小値との差が２５Ａとなった。

また、超電導線材Ａ１，Ｂ１，Ｃ１に、それぞれ３００Ａずつ電流が流れているときに、超電導コイルの発生する最大経験磁場は１２．４ｍＴであった。

また、事前に測定した超電導コイルＡ，Ｂ，Ｃの温度２０Ｋ、磁場１２．４ｍＴにおける臨界電流は、それぞれ２７８Ａ、２９２Ａ、３１５Ａであった。外側の超電導線材Ａ１の電流−電圧特性において、１．０μＶ／ｃｍの電界基準を用いたときの合計電流Ｉｔが８９５Ａであることから、この状態での超電導コイルＡのＩｏｐ／Ｉｃは２７８Ａ／２７８Ａ＝１．００、超電導コイルＢのＩｏｐ／Ｉｃは｛２９２＋（８９５−８８０）｝Ａ／２９２Ａ＝１．０５、超電導コイルＣのＩｏｐ／Ｉｃは（８９５−２９２−３０７）／３１５＝０．９４ということになる。

すなわち、超電導コイルＡ，Ｂ，Ｃにおける各Ｉｏｐ／Ｉｃの最大値と最小値との差として、１．０５−０．９４＝１１％の値が得られた。このように、実施例２によれば、三コイルの各Ｉｏｐ／Ｉｃの最大値と最小値との差を、比較例２の２８％から１１％に低減でき、コイルバランスを改善することができた。

実施例１および実施例２では、内部電極６を複数の超電導コイルで共通に用いる構成としたが、外部電極と同様に内部電極も各超電導コイルごとに個別のものを用いてもよい。

また、実施例１および実施例２では、各超電導コイルに接続された電流リードと電源までの間の各直流電気抵抗を調整する方法として、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２（１３）の長さを調節したが、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２（１３）の太さや材質を調節しても、同様の効果が期待できる。

例えば、実施例１において、電気抵抗調整用ケーブル１１，１２として、導体断面積６０ｍｍ^２の銅製ケーブルを用いる場合、電気抵抗調整用ケーブル１１の使用する部分の長さを４００ｍｍとし、電気抵抗調整用ケーブル１２の使用する部分の長さを２３０ｍｍとしても、実施例１と同等の効果が得られる。

また、実施例１において、ケーブルの材質を銅からアルミニウムに変え、導体断面積３０ｍｍ^２のケーブルを用いる場合、電気抵抗調整用ケーブル１１の使用する部分の長さを１３１ｍｍとし、電気抵抗調整用ケーブル１２の使用する部分の長さを７６ｍｍとしても、実施例１と同等の効果が得られる。

このように、本発明に係る超電導コイル装置によれば、複数の超電導コイル間におけるコイルバランスを取って、Ｉｏｐ／Ｉｏｃの差を低減しつつ各素線に通電しながら、複数の超電導コイルに同時に磁場を発生させるということが可能となる。これにより、合計して５００Ａ以上のクラスの大電流を超電導コイルに通電することが可能となり、ＳＭＥＳなどの超電導電力機器を集合導体がもつ偏流、結合損失等の技術課題を回避することができる超電導コイル装置を、簡素な構成で構成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る超電導コイル装置の構成の一例を示す回路図である。 図１に示すシングルパンケーキコイルの全体を示す概略図である。 図２に示すシングルパンケーキコイルの断面図である。 図１に示す超電導コイル装置の変形例を示す回路図である。 図１に示す超電導コイル装置の変形例を示す回路図である。 比較例１に係る超電導コイル装置の構成を示す回路図である。 比較例１における実験結果を示すグラフである。 比較例１に係る超電導コイル装置の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る実施例１の実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１，１ａ 超電導コイル装置
２，２ａ シングルパンケーキコイル
３，４，５ 外部電極
６ 内部電極
７，８，９，１０ 電流リード
１１，１２，１３ 電気抵抗調整用ケーブル
１５ クライオスタット
１００ 直流電源
Ａ，Ｂ，Ｃ 超電導コイル
Ａ１，Ｂ１，Ｃ１ 超電導線材
Ｉｃ 臨界電流
Ｉｏｐ 通電電流
Ｉｔ 合計電流

Claims (8)

1. 複数の超電導コイルと、
   前記複数の超電導コイルを収納すると共に冷却する冷却容器と、
   前記各超電導コイルの一端を、前記冷却容器の外部へ引き出すと共に、当該複数の超電導コイルに電流を供給する電源装置の一方の極に接続する第１電流リードと、
   前記各超電導コイルの他端を、前記冷却容器の外部へ引き出すと共に前記電源装置の他方の極に接続する第２電流リードと、
   前記各超電導コイルの一端から前記第１電流リードを介して前記電源装置の一方の極に至る電流経路中に、前記各超電導コイルと直列に設けられる複数の抵抗部とを備え、
   前記複数の抵抗部は、個別に抵抗値が設定可能であること
   を特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記抵抗部は、前記冷却容器の外部に配置されていること
   を特徴とする請求項１記載の超電導コイル装置。
3. 前記複数の抵抗部は、
   前記各抵抗部の環境温度における抵抗値の最大値と最小値との差が、５．０×１０^−７Ω〜２．０×１０^−４Ωの範囲内となるように、各抵抗部の抵抗値が設定されていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の超電導コイル装置。
4. 前記複数の抵抗部は、
   ケーブルであり、当該ケーブルの長さに応じて前記抵抗値が設定されること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
5. 前記複数の抵抗部は、
   ケーブルであり、当該ケーブルの太さに応じて前記抵抗値が設定されること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
6. 前記複数の抵抗部は、
   ケーブルであり、当該ケーブルの材質に応じて前記抵抗値が設定されること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
7. 前記複数の抵抗部はケーブルであり、
   当該ケーブルの長さ、太さ、及び材質のうち少なくとも一つに応じて前記抵抗値が設定されること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
8. 前記ケーブルは、
   長さ方向の少なくとも一部において導体が露出し、
   当該露出部分において、前記各超電導コイルの一端、前記第１電流リード、及び前記電源装置のうちいずれか一つと露出した導体とが接続されており、
   当該接続箇所の位置に応じて前記抵抗値が設定されること
   を特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。

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