JP2009188065A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルに交流電流を流した場合に、超電導装置を小型で軽量化して超電導性能を向上させる。
【解決手段】交流電流で励磁される超電導線を巻回した超電導コイル１１と、真空とした内部に前記超電導コイル１１を収容している一方、冷媒は充填していない真空断熱容器１２と、真空断熱容器１２内にコールドヘッド１５を突出させている冷凍機１３と、真空断熱容器１２内でコールドヘッド１５と超電導コイル１１とを連結する超電導コイル１１直接冷却用の伝熱材１６を備え、超電導コイル１１の超電導温度を１０Ｋ以上６０Ｋ以下、超電導コイル１１により発生する磁場を０．１Ｔ以上２０Ｔ以下、超電導コイル１１に流れる電流を１０Ａ以上１０００Ａ以下としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導装置に関し、詳しくは、交流電流で励磁される超電導コイルを真空断熱容器内に収容した超電導装置において、超電導コイルの冷却機構を改善して超電導装置全体の小型化・軽量化を図ると共に、超電導性能を向上させるものである。

従来、超電導コイルを用いた装置として超電導モータや変圧器が提供されている。例えば特開２００７−３７３４３号公報（特許文献１）において、本出願人は超電導モータの固定子に超電導コイルを用いた超電導モータを提案している。該超電導モータにおいては、界磁側固定子の溝部に断熱容器を埋没し、該断熱容器に超電導コイルを収容している。断熱容器には断熱配管を介して液体窒素タンクを接続し、液体窒素を冷媒として循環させる冷却システムを設けて、超電導コイルを超電導温度まで冷却している。

液体窒素を冷媒として循環させて超電導コイルを冷却する冷却システムの一般的な構成は図４に示す構成からなる。即ち、冷却システム１は、断熱容器２内に超電導コイル３を収容し、断熱容器２に連結具４を介して断熱配管５を取り付けて液体窒素を冷媒として循環させている。断熱配管５にはポンプ６を設けて液体窒素を循環させる動力とすると共に、冷凍機７を取り付けたリザーバー８を設けている。
このように、超電導コイルを収容した断熱容器に液体窒素を充填することで、超電導コイル全体を冷却している。

前記液体窒素を冷媒とした冷却システムは、超電導コイルに交流電流を流す場合に用いられている。
超電導コイルに交流電流を流すと、超電導線自体が発熱して交流損失（ＡＣロス）が発生し、該交流損失のために超電導線がクエンチして超電導性能を失いやすくなる。該交流損失は超電導コイルに流れる電流の大きさと、超電導コイルの各位置において超電導コイルにかかる磁界強度によって定まる。
図５は磁場に対する交流損失の概略を示した図であり、磁場が強い場合には超電導コイルを冷却する温度によらず大きい交流損失が発生する。
このため、超電導コイルに交流電流を流した場合には、超電導コイルを確実に冷却して発熱を効率よく除去することが重要であり、液体窒素を冷媒とした冷却システムを用いることで、超電導コイル全体を確実に冷却することができる。

しかし、液体窒素は６４Ｋ（ケルビン）以上の温度でしか液体として存在できないため、冷媒として液体窒素を用いた場合には、これ以下の温度に超電導コイルを冷却することはできない。一方、超電導コイルを構成する高温超電導線は６４Ｋ以下に冷却するとより性能が向上することが知られている。
このため、液体窒素を用いて超電導コイルを冷却した場合は、超電導コイルを６４Ｋ以下に冷却した場合に比べて超電導コイルの臨界電流が小さく、超電導コイルにかかる磁場が弱い範囲でしか超電導状態を保つことができないという問題がある。

また、液体窒素等の冷媒により冷却を行う場合、断熱容器を二重槽にして外部からの熱侵入を抑制しなければならず、断熱容器の構造が複雑となるという問題がある。
さらに、冷媒を循環させるため、冷却システムは冷凍機に加えて断熱配管やポンプ、リザーバー、熱交換機等が必要となる。また、液体窒素などの液体冷媒の配管には特殊なコネクタが必要であり、冷却システムの構造が複雑でコスト高になるという問題がある。
さらにまた、冷却システムは、断熱配管等において外部から侵入する熱や、ポンプでの発熱等も冷却しなければならないため、冷凍機が大型化するという問題がある。

特に、超電導コイルに流す電流を交流電流とした場合には、前述したように交流損失が発生するため、冷却システムは該交流損失を確実に冷却しなければならず、さらに大型の冷凍機が必要となるという問題がある。とりわけ、超電導コイルにかかる磁場が大きい場合や、超電導コイルの巻き数が多く線量が多い場合には交流損失も大きくなるため、冷却システムが大型化し、超電導コイルを備えた装置全体も大型化するという問題がある。

特開２００７−３７３４３号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、超電導コイルに交流電流を流す場合において、超電導装置を小型化・軽量化して超電導性能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、交流電流で励磁される超電導線を巻回した超電導コイルと、
真空とした内部に前記超電導コイルを収容している一方、冷媒は充填していない真空断熱容器と、
前記真空断熱容器内にコールドヘッドを突出させている冷凍機と、
前記真空断熱容器内で前記コールドヘッドと前記超電導コイルとを連結する超電導コイル直接冷却用の伝熱材を備え、
前記超電導コイルの超電導温度を１０Ｋ以上６０Ｋ以下、前記超電導コイルにより発生する磁場を０．１Ｔ以上２０Ｔ以下、前記超電導コイルに流れる電流を１０Ａ以上１０００Ａ以下としていることを特徴とする超電導装置を提供している。

本発明の超電導装置は、交流電流を励磁する超電導コイルを真空断熱容器に収容し、超電導コイルを伝熱材を介して冷凍機で直接冷却している。このため、従来技術のように液体窒素の冷媒を使用する必要がなく、液体窒素で冷却できる限界の温度であった６４Ｋより低い温度まで超電導コイルを冷却できる。該冷却により、超電導コイルの臨界電流が大きく超電導コイルにかかる磁場が強い状態であっても超電導コイルを超電導状態とすることができ、超電導コイルの性能を向上させることができる。

また、液体窒素を用いる場合と比べて低い温度まで超電導コイルを冷却することで超電導コイルの臨界電流が大きくなるため、液体窒素を用いる場合と同じアンペアターン（超電導コイルに流す電流値と超電導コイルの巻き数の積）の起磁力を発生させるためには、少ない超電導コイルの巻き数でよく、超電導線の線量を減らすことができる。

特に、本発明の超電導装置の超電導コイルには交流電流を流しているため、超電導コイルに発生する交流損失は超電導線の線量により定まり、超電導線の線量が少ないほど交流損失も小さくなる。このため、交流損失を冷却するための冷却システムを小型化することができる。また、超電導線の線量を減らすことができるため、超電導コイル自体の小型化、軽量化を図ることができる。

さらに、本発明では冷媒を使用しないため、冷却システムに断熱配管やポンプ、リザーバー、熱交換機等が不要となり、冷却システムのコストを抑えることができると共に、小型化、軽量化することができる。さらにまた、断熱配管等からの侵入熱や、ポンプでの発熱等が減少するため、冷凍機は該発熱を冷却する必要がなく、冷凍機の小型化を図ることができる。

前記のように、超電導コイルの超電導温度は１０Ｋ以上６０Ｋ以下としている。
超電導温度、即ち超電導コイルの冷却温度を６０Ｋより高くした場合には、液体窒素の冷媒を用いた場合と比べて超電導コイルの性能に変化がないからである。また、超電導コイルの超電導温度を１０Ｋ未満とした場合には、冷凍機の冷却能力が低下するからである。
このとき、前記超電導コイルにより発生する磁場は０．１Ｔ以上２０Ｔ以下であり、より好ましくは０．５Ｔ以上２０Ｔ以下となる。また、前記超電導コイルに流れる電流は１０Ａ以上１０００Ａ以下となる。

前記断熱容器は金属材またはＦＲＰからなる１槽の容器からなり、
前記伝熱材は、銅、アルミから選択される高熱伝導率の金属からなる金属板または該金属からなる導体を絶縁被覆した金属線からなり、かつ、前記容器内部には、断熱材を充填していることが好ましい。

液体窒素等の冷媒により冷却を行う場合、断熱容器を二重槽にして外部からの熱侵入を抑制しなければならないが、本発明では断熱容器内を真空としているので、１槽の容器であっても十分な断熱性能を備えることができる。
また、伝熱材を熱伝導率が高い金属または金属線とすることで、冷凍機のコールドヘッドから伝熱材を介して超電導コイルを冷却することができる。
さらに、断熱容器内の空間には断熱材を充填しているため、輻射熱が超電導コイルに伝わることを防ぐことができる。断熱材としてはアルミ箔が軽量であるため好適に用いられる。

前記断熱容器を金属材とした場合には、強度が強いため断熱容器の厚さを薄くすることができ、小型化できる。また、断熱容器の周囲は大気と接しているため自然冷却や冷却水による冷却を簡単に低コストで行うことができる。
また、断熱容器をＦＲＰ（繊維強化樹脂）とした場合には、超電導コイルに交流電流を流しても断熱容器に誘導電流が流れて発熱することがなく、超電導装置全体の損失が小さくなり冷却効率を高めることができる。

前記超電導コイルは、複数のシングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルからなり、これら超電導コイルを樹脂製の中央連結芯材に積層固定しており、
前記中央連結芯材の軸線方向の両端にフランジ部を設け、該フランジ部に前記伝熱材と同種の金属板を固定し、該金属板と前記伝熱材とを半田付けで固定し、及び／または、
前記積層する超電導コイルの間に前記金属板を配置し、該金属板を前記伝熱材と半田付けで固定すると共に、該金属板と超電導コイルとの間に絶縁フィルムを介在させていることが好ましい。

前記構成によれば、超電導コイルの軸線方向の両端に設けた金属板に伝熱材を固定しているので、超電導コイルを両端から冷却することができる。また、積層する超電導コイルの間に金属板を配置しているので、超電導コイルの間からも冷却することができる。

前述したように、本発明の超電導装置によれば、交流電流を超電導コイルに流し、超電導コイルを冷凍機で伝熱板を介して直接冷却することで、液体窒素を用いる場合よりも低温で超電導コイルを使用することができる。さらに、冷却システムを小型化・軽量化できると共に超電導コイル自体の小型化・軽量化を図ることができ、超電導装置全体が小型かつ軽量となる。

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。
本発明の超電導装置１０は、交流電流で励磁される超電導線を巻回した超電導コイル１１を真空断熱容器１２に収容し、超電導コイル１１を冷凍機１３で冷却している。

真空断熱容器１２は金属材であるステンレスからなる断面環状の１槽の容器であり、冷媒を充填せずに内部を真空としている。
真空断熱容器１２の側壁に貫通孔１２ａを設け、冷凍機１３の伝熱管１４を貫通孔１２ａに挿入して固定し、冷凍機１３を真空断熱容器１２に取り付けている。冷凍機１３の伝熱管１４の先端にはコールドヘッド１５が取り付けられ、該コールドヘッド１５は真空断熱容器１２内に突出している。
冷凍機１３は、本実施形態ではクライオメック社製のＡＬ３２５を用いているが、住友重機械工業製ＳＲＤＫ４０８、アイシン製ＲＳ３７３等を用いてもよい。

また、真空断熱容器１２内には、超電導コイル１１を直接冷却するための伝熱材１６を設けている。伝熱材１６は高熱伝導率の銅板からなり、該伝熱材１６でコールドヘッド１５と超電導コイル１１とを連結し超電導コイル１１を冷却している。
なお、伝熱材１６は銅に替えて、アルミ等の熱伝導率の高い金属からなる金属の板を用いてもよい。また、該金属からなる導体を絶縁被覆したリッツ線等の金属線としてもよい。

さらに、真空断熱容器１２内には、輻射熱が超電導コイル１１に伝わるのを防止する断熱材１７を充填しており、該断熱材１７は積層したアルミ箔からなる。なお、図１では断熱材１７の一部のみを記載しているが、断熱材１７は真空断熱容器１２内全体に充填されている。

超電導コイル１１は複数のシングルパンケーキコイル１１ａから形成している。各シングルパンケーキコイル１１ａは、超電導線を樹脂製の円筒状の中央連結芯材１１ｂにフラットワイズ巻きしており、複数のシングルパンケーキコイル１１ａを軸線方向に複数積層固定して一つの超電導コイル１１としている。両端のパンケーキコイルの超電導線の端面をリード線（図示せず）を介して電源（図示せず）と接続している。
なお、超電導コイル１１はダブルパンケーキコイルから形成してもよい。

中央連結芯材１１ｂの軸線方向の両端には、超電導コイル１１と同径の円状のフランジ部１１ｃを設けている。該フランジ部１１ｃの内面は超電導コイル１１の軸線方向の両端面に接触させ、フランジ部１１ｃの外面には超電導コイル１１よりも径が大きい円状の金属板１８Ａを接着剤で固定している。即ち、超電導コイル１１と金属板１８Ａはフランジ部１１ｃで絶縁している。金属板１８Ａは伝熱材１６と同種の金属である銅からなる。

また、各シングルパンケーキコイル１１ａの間に金属板１８Ｂを配置し、該金属板１８Ｂと超電導コイル１１との間には絶縁フィルム１９を介在させている。絶縁フィルム１９は、熱的抵抗を小さくするためにできるだけ厚さが小さいものとし、本実施形態ではポリイミドフィルム１２．５μｍ厚を用いている。

さらに、これら金属板１８Ａ，１８Ｂの内面の外周側に伝熱材１６を半田付けで接続している。伝熱材１６は銅板を打ち抜きして作成し、コールドヘッド１５に接続するコールドヘッド接続部１６ａと、超電導コイル１１の両端の金属板１８Ａに接続する金属板接続部１６ｂと、シングルパンケーキコイル１１ａの間の金属板１８Ｂに接続する金属板接続部１６ｃとを設けている。

金属板接続部１６ｂの断面積は金属板接続部１６ｃの断面積よりも大きくしている。超電導コイル１１に交流電流を流すと、超電導コイル１１の軸線方向の両端には超電導線のテープ面に垂直方向の成分を備える磁場が発生し、該垂直方向成分の磁場は超電導コイル１１の交流損失、即ち発熱の原因となる。このため、超電導コイル１１の両端の金属板１８に接続する金属板接続部１６ｂの断面積を大きくすることで、超電導コイル１１の軸線方向の両端位置からコールドヘッド１５までの伝熱材１６の熱抵抗が小さくなるようにしている。
また、伝熱材１６の表面には、磁束の流れる方向と平行にスリット１６ｄを入れている。該スリット１６ｄにより、超電導コイル１１に交流電流を流したときに伝熱材１６の表面に流れる渦電流のルートを遮って、伝熱材１６に発生する誘導電流や渦電流による発熱を少なくしている。即ち、図１では縦方向にスリット１６ｄを入れているが、縦方向に限られるものではない。

次に、本発明の超電導装置１０の動作条件について説明する。
本発明の超電導装置１０の冷凍機１３は、超電導コイル１１に交流電流を流したときに超電導線に発生する発熱（交流損失、ＡＣロス）を冷却している。
図２はクライオメック社の冷凍機１３の型番ＡＬ３２５の性能を示す図である。
例えば、７０Ｋでは約２８０Ｗの冷却能力があり、２０Ｋでは約７０Ｗの冷却能力がある。即ち、冷凍機１３は、７０Ｋを保つ場合には約２８０Ｗの交流損失を冷却することができるが、２０Ｋのときは約７０Ｗの損失しか冷却することができず１／４倍に冷却能力が低下している。

一方、図３は超電導コイル１１が２０Ｋから７７Ｋに冷却されている場合に、磁場に対する臨界電流を示す図である。例えば、磁場が０．５Ｔで超電導コイル１１を使用する場合、臨界電流は７０Ｋでは約３０Ａ、２０Ｋまで冷却すると約６００Ａであり約２０倍となる。
このとき、超電導コイル１１の起磁力を示すアンペアターンは超電導コイル１１に流す電流と超電導コイル１１の巻き数の積で定義される。
このため、アンペアターンを一定とすると、超電導コイル１１を２０Ｋで使用する場合は７０Ｋで使用する場合に比べて臨界電流は２０倍となるため、巻き数は１／２０倍でよい。即ち、超電導線の線量が１／２０倍となる。

前述したように、交流損失とは、超電導コイル１１に交流電流を流したときに超電導線に発生する発熱による損失であり、交流損失は超電導線の線量に比例する。このため、超電導コイル１１を２０Ｋで使用する場合は７０Ｋで使用する場合に比べて、交流損失が１／２０倍となる。

従って、超電導コイル１１に交流電流を流したときに、超電導コイル１１を２０Ｋで使用する場合は７０Ｋで使用する場合に比べて、冷凍機１３の冷却能力は１／４倍となってしまうが、冷凍機１３により冷却されるべき交流損失による発熱量も１／２０倍となり、超電導コイル１１の冷却に必要な電力は１／５倍となる。すなわち、冷凍機１３の冷却能力の低下よりも交流損失による発熱量の低下の方が大きい。

このように、本発明の超電導装置１０は、交流損失による発熱量の低下が冷凍機１３の冷却能力の低下よりも大きい範囲の温度に超電導コイル１１を冷却して使用することで、超電導コイル１１の性能が向上する。

また、液体窒素を冷媒とした冷却システムを用いて７０Ｋに超電導コイル１１を冷却した場合と比較すると、本発明の超電導装置１０は２０Ｋに冷却が可能であるため、超電導コイル１１の線量が少なく交流損失が少なくなる上、冷却システムからの熱侵入や断熱容器１２の渦電流による損失、ポンプの発熱等を冷却する必要がない。このため、少ない巻き数の超電導線からの交流損失だけを冷却するだけでよく、該交流損失を液体窒素を冷媒とした場合の損失の１／４倍とできれば、本発明の超電導装置１０の方が冷却効率が向上する。

また、液体窒素を冷媒とした冷却システムを用いた場合には６４Ｋまでしか超電導コイル１１を冷却できないが、この場合、超電導コイル１１に高磁場が発生した場合には超電導コイル１１は超電導状態を保つことができない。図３に示すように、超電導コイル１１を７０Ｋに冷却した場合、超電導コイル１１にかかる磁場が約０．５Ｔ以下の場合には超電導状態を保つことができるが、約０．５Ｔより大きい磁場がかかる場合には超電導状態を保つことができない。
一方、本発明の超電導装置１０において２０Ｋまで超電導コイル１１を冷却すると、図３に示すように超電導コイル１１にかかる磁場が１２Ｔであっても超電導状態を保っている。

従って、本発明の超電導装置１０の動作条件は、超電導コイル１１の超電導温度を液体窒素で冷却する場合よりも低い１０Ｋ以上６０Ｋ以下まで冷却することで、超電導コイル１１により発生する磁場が０．１Ｔ以上２０Ｔ以下、より好ましくは０．５Ｔ以上１２Ｔ以下であり、超電導コイル１１に流れる電流が１０Ａ以上１０００Ａ以下となる。この場合に超電導コイル１１は超電導状態を保ち、超電導装置１０の運転が可能となる。

このように、本発明によれば、交流電流を励磁する超電導コイル１１を真空断熱容器１２に収容し、超電導コイル１１を伝熱材１６を介して冷凍機１３で直接冷却している。このため、従来技術のように液体窒素の冷媒を使用する必要がなく、液体窒素で冷却できる限界の温度であった６４Ｋより低い温度まで超電導コイル１１を冷却できる。該冷却により、超電導コイル１１の臨界電流が大きく超電導コイル１１にかかる磁場が強い状態であっても超電導コイル１１を超電導状態とすることができ、超電導コイル１１の性能を向上させることができる。

また、超電導コイル１１の臨界電流が大きくなるため、液体窒素を用いる場合と同じアンペアターン（超電導コイル１１に流す電流値と超電導コイル１１の巻き数の積）の起磁力を発生させるためには、少ない超電導コイル１１の巻き数でよく、超電導線の線量を減らすことができる。
特に、本発明の超電導装置１０の超電導コイル１１には交流電流を流しているため、超電導コイル１１に発生する交流損失は超電導線の線量により定まり、超電導線の線量が少ないほど交流損失も小さくなる。このため、交流損失を冷却するための冷却システムを小型化することができる。超電導線の線量を減らすことができるため、超電導コイル１１自体の小型化、軽量化を図ることができる。

また、本発明では冷媒を使用しないため、冷却システムに断熱配管やポンプ、リザーバー、熱交換機等が不要となり、冷却システムのコストを抑えることができると共に、小型化、軽量化することができる。さらに、断熱配管等からの侵入熱や、ポンプでの発熱等が減少するため、冷凍機１３は該発熱を冷却する必要がなく、冷凍機１３の小型化を図ることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の特許請求の範囲内の種々の形態が含まれるものである。

本発明である超電導装置の第１実施形態を示す全体的な概略構成図である。 冷凍機の冷却性能を示す図である。 超電導コイルの超電導温度における磁場に対する臨界電流を示す図である。 液体窒素を冷媒とした冷却システムの図である。 磁界に対する交流損失を示す図である。

符号の説明

１０ 超電導装置
１１ 超電導コイル
１１ａ シングルパンケーキコイル
１１ｂ 中央連結芯材
１１ｃ フランジ部
１２ 真空断熱容器
１３ 冷凍機
１５ コールドヘッド
１６ 伝熱材
１７ 断熱材
１８ 金属板
１９ 絶縁フィルム

Claims (3)

1. 交流電流で励磁される超電導線を巻回した超電導コイルと、
   真空とした内部に前記超電導コイルを収容している一方、冷媒は充填していない断熱容器と、
   前記真空断熱容器内にコールドヘッドを突出させている冷凍機と、
   前記真空断熱容器内で前記コールドヘッドと前記超電導コイルとを連結する超電導コイル直接冷却用の伝熱材を備え、
   前記超電導コイルの超電導温度を１０Ｋ以上６０Ｋ以下、前記超電導コイルにより発生する磁場を０．１Ｔ以上２０Ｔ以下、前記超電導コイルに流れる電流を１０Ａ以上１０００Ａ以下としている特徴とする超電導装置。
2. 前記断熱容器は金属材またはＦＲＰからなる１槽の容器からなり、
   前記伝熱材は、銅、アルミから選択される高熱伝導率の金属からなる金属板または該金属からなる導体を絶縁被覆した金属線からなり、かつ、
   前記容器内部には、断熱材を充填している請求項１に記載の超電導装置。
3. 前記超電導コイルは、複数のシングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルからなり、これら超電導コイルを樹脂製の中央連結芯材に積層固定しており、
   前記中央連結芯材の軸線方向の両端にフランジ部を設け、該フランジ部に前記伝熱材と同種の金属板を固定し、該金属板と前記伝熱材とを半田付けで固定し、または、
   前記積層する超電導コイルの間に前記金属板を配置し、該金属板を前記伝熱材と半田付けで固定すると共に、該金属板と超電導コイルとの間の絶縁フィルムを介在させている請求項１または請求項２に記載の超電導装置。

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