JP2010016026A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルの温度上昇および発熱量の低減を図るために冷却構造を改善する。
【解決手段】交流電流で励磁される超電導線材を巻回したパンケーキ型の超電導コイル２を積層した積層体３と、冷媒を充填せずに、真空とした内部に前記超電導コイルの積層体を収容している断熱容器４と、前記断熱容器内にコールドヘッドを突出させている冷凍機５とを備え、前記積層した超電導コイル間の全ての間および積層体の両端外面に、それぞれ伝熱材１０の一端側に設けた環状板部１０ｄを挿入し、これら各円環板部を前記各超電導コイルの端面と全面接触させる一方、該複数の伝熱材の他端を前記冷凍機のコールドヘッドと連結している。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導装置に関し、詳しくは、超電導コイルを断熱容器内の真空部に収容し、該真空部に冷凍機のコールドヘッドを挿入して、超電導コイルを直冷伝熱式で冷却する冷却機構を備えた超電導装置において、超電導コイルの冷却効率を高めるものである。

超電導装置において、超電導コイルに直流電流を流す場合と、交流電流を流す場合の２種類がある。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い問題がある。
そのため、超電導コイルに交流電流を流す場合には、超電導コイルを確実に冷却してクエンチを発生させないようにするため、冷却機構が重要となる。

そのため、例えば、特開２００７−３７３４３号公報において、本出願人は、断熱容器内に超電導コイルを収容し、該断熱容器を断熱配管を介して液体窒素タンクと接続し、液体窒素を冷媒として断熱容器内に供給し、超電導コイルを超電導温度に冷却する装置を提案している。

しかしながら、液体窒素は凝固点である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、６８Ｋ〜７７Ｋでの高温超電導材に流れる臨界電流は低く、最大磁場は１Ｔ以下となり、高磁場を発生できない問題がある。
このように、超電導コイルに流せる電流は制限され、特に磁場が高くなると僅かな電流しか流せず、低い電流で超電導コイルを運転せざるを得ない問題がある。
磁場をなるべく高くするため、超電導コイルの巻数（ターン数）を大きくすると、超電導線材が増加し、超電導線材の増加に伴い交流ロスにより発熱量が増加する。発熱量が増加すると冷却性能を強化する必要があり、大容量の冷凍機が必要となり、冷却システムが巨大化する問題がある。

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、超電導コイルを１０Ｋ〜５０Ｋに冷却できるように冷却性能を高め、超電導線材を増加することなく、臨界電流を高くできるようにす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材を巻回したパンケーキ型の超電導コイルを積層した積層体と、
冷媒は充填せず、真空とした内部に前記超電導コイルの積層体を収容している断熱容器と、
前記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を備え、
前記積層した超電導コイル間の全ての間および積層体の両端外面に、それぞれ伝熱材の一端に設けた環状板部を挿入し、これら各環状板部を前記各超電導コイルの軸線方向の端面と接触させる一方、該複数の伝熱材の他端を前記冷凍機のコールドヘッドと連結していることを特徴とする超電導装置を提供している。

前記のように、本発明の超電導装置では、交流電流を励磁する超電導コイルを断熱容器の真空とした内部に収容し、冷凍機のコールドヘッドとそれぞれ接続した伝熱材の先端に環状板部を設け、該環状板部を積層した超電導コイルの各環状の端面と略全面接触させている。
このように、コールドヘッドと連結した伝熱材と各超電導コイルの端面を接触させて直冷伝熱式で冷却することにより、ビスマス系あるいはイットリウム系の高温超電導線材を５０ケルビンから１０ケルビンまで冷却することができる。該冷却により超電導線材の臨界電流を大きくでき、超電導コイルの通電量を高めることができる。

また、高温超電導線材からなる超電導コイルの冷却に液体窒素を用いる場合と比較して、低い温度まで超電導コイルを冷却し、臨界電流を大きくなるため、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ターン数の積）の起磁力を発生させるためには、ターン数を少なくでき、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は超電導コイルに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材の線量に比例し、線量が少ない程、交流損失も少なくなる。このため、交流損失を減少するために必要な冷却機構を小型化でき、かつ、超電導線の線量の減少により超電導コイル自体を小さくでき、超電導装置全体の小型化・軽量化を図ることができる。

前記超電導線材は高温超電導線材とし、前記伝熱板との接触で超電導線材を前記のように、６４ケルビン以下の１０ケルビン〜５０ケルビンに冷却していることが好ましい。
このように、液体窒素を用いて冷却した場合の冷却温度６４ケルビンより低くしているため、超電導コイルの性能を高めることができる。なお、１０ケルビン未満とした場合には、冷凍機の冷凍能力を高める必要があり、冷凍機が大型化する問題がある。
前記１０ケルビン〜５０ケルビンとした場合には、高温超電導線材からなる超電導コイルに発生する磁場は０．５Ｔ〜２０Ｔとなり、超電導コイルに通電可能な電流は１０Ａ〜１０００Ａとすることができる。

本発明のパンケーキ型の超電導コイルの積層体は、ダブルパンケーキコイルを２個以上積層して４個以上のパンケーキコイルの積層体、あるいはシングルパンケーキコイルを３個以上積層して３個以上のパンケーキコイルの積層体等からなる。
ダブルパンケーキの場合、最内周で連続させた１層目のパンケーキコイルと２層目のパンケーキコイルとの間で伝熱材の環状板部を挿入し、パンケーキコイルの軸線方向両端面の全面と接触させている。積層体の軸線方向両端の最外面にも環状板部を接触させているため、全てのパンケーキコイルは軸線方向の両端面の全面が環状板部と接触することになり、超電導コイルを均等に冷却することができる。

前記コールドヘッドと接続する各伝熱材は、熱伝導率が高い無酸素銅板を含む銅系金属板から形成することが好ましい。
なお、熱伝導率が高い材質で絶縁性を有する材質があれば、好適に用いることができるが、１０〜５０ケルビンでの低温時における熱伝導率が優れた素材は、前記無酸素銅板である。

前記のように、超電導コイルの間に挿入して、超電導コイルの端面と接触させる伝熱材を無酸素銅板を含む銅系金属板で形成すると、該環状板部に沿って渦電流が発生しやすくなる。
よって、環状板部に、外周端より内周側へ径方向に切り込んだ第１スリットと、内周端より外周側へ径方向へ切り込んだ第２スリットとを周方向に間隔をあけて交互に設け、かつ、第１スリットと第２スリットとは径方向中央部の位置は重なる位置としていることが好ましい。

前記第１スリットと第２スリットとを設けることにより、環状板部の全周に回る大きな渦電流をスリットで遮断することができ、渦電流が発生しても隣接するスリット間の狭い範囲の小さな渦電流とすることができ、渦電流による発熱を低減できる。
前記隣接する第１スリットと第２スリットとは周方向に１５度〜３０度で設けていることが好ましい。

また、前記積層した超電導コイルの端末をジョイントして直列通電できる構成としていることが好ましい。

超電導コイルの積層体を収容する前記断熱容器(クライオスタット)は、ステンレスやアルミニウムからなる金属またはＦＲＰからなる外壁と内壁とを真空層を挟んで設けた二重壁として、熱の侵入を確実に防止できる構成としても良いが、前記コールドヘッドに接続した伝熱材を各超電導コイルの軸線方向の両端面に全面接触させて冷却能力を高めているため、外壁のみからなる１槽でも良い。
断熱容器を１槽とし、金属材で形成した場合には、強度が大きいため断熱容器の厚さを薄くでき、軽量化することができる。また、断熱容器の周囲は外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行うことができる。
断熱容器を１槽としてＦＲＰで形成した場合には、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はなく、超電導装置全体の熱損失が小さくなり冷却効率を高めることができる。

また、真空とした断熱容器の内部に、超電導コイルの積層体を樹脂を充填したシールドケースからなるコイルケース内に内蔵した状態で収容してもよい。この場合、断熱容器内に突出させるコールドヘッドをコイルケース内に配置し、コイルケース内に配置する伝熱材の端部と接続している。

前記構成からなる本発明の超電導装置では、パンケーキ型の超電導コイルの積層体の間および積層体の軸線方向の両側外面にコールドヘッドとそれぞれ接続した伝熱材に設けた環状板部を配置し、各超電導コイルの両端面の略全面を環状板部と接触させて、直冷伝熱式で冷却している。該冷却機構とすると、超電導コイルの冷却温度を、液体窒素を用いる場合と比較して、遥かに低下させることができる。その結果、臨界電流を高くでき、超電導線材のターン数を減少でき、それに伴って、交流電流で励磁した場合に生じる交流損失による発熱量を低減できる。このように、超電導コイルのターン数を減少できるため、超電導コイルの小型化および軽量化を図ることができる。

以下、本発明の超電導装置の実施形態を図１乃至図５を参照して説明する。
超電導装置１は、交流電流で励磁される高温超電導線材を巻回した２つのダブルパンケーキ２を積層し、合計４個のパンケーキ型の超電導コイル（２Ａ〜２Ｄ）の積層体３を断熱容器４（クライオスタット）の真空とした内部に収容している。

断熱容器４はステンレスからなるボックス状の外壁４ａを備えた１槽の容器であり、内部４ｂには冷媒を充填せずに真空としている。
断熱容器４の外壁４ａの上壁４ａ−１に冷凍機５を搭載している。該冷凍機５は２段式冷凍機からなり、該冷凍機５の下面から突設した第一ステージ５ａの下端を上壁４ａ−１に固定し、第２ステージ５ｂを上壁４ｂ−１に貫通させ、下端のコールドヘッド５ｃを真空とした内部４ｂに突出させている。

断熱容器４の内部４ｂに支持台６を固定し、該支持台６の一側に前記コールドヘッド５ｃの下端部を配置し、該コールドヘッド５ｃの下端部と支持台６の上面との間に５枚の伝熱材１０の一端部を重ねて介設し、ボルト７でコールドヘッド５ｃの下端部と５枚の伝熱材１０とを一体的に締結し、５枚の伝熱材１０（１０Ａ〜１０Ｅ）にコールドヘッド５ｃから熱伝導している。

支持台６の他側の上面には、前記２つのダブルパンケーキコイルを積層した積層体３を保持用の内枠８に外嵌し、内枠８の上部外周から突設したフランジ部８ａと支持台６とをボルト９で締結して固定している。

前記５枚の伝熱材１０は無酸素銅板で形成し、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す形状としている。各伝熱材１０の一端側は前記コールドヘッド５ｃとの連結部１０ａとし、ボルト穴１０ｂを設けている。他端側に貫通穴１０ｃを設け、該貫通穴１０ｃを囲む一側部１０ｄ−１が半円環形状で、他側部１０ｄ−２は一端側に連続した形状の環状板部１０ｄを設けている。貫通穴１０ｃの内径は超電導コイル２の内径と同等とし、環状板部１０ｄの外径は超電導コイル２の外径と同等としている。

上下に５枚重ねてコールドヘッド５ｃと連結する伝熱材１０のうち、図３（Ｃ）に示す最下層の伝熱材１０Ａは連結部１０ａから環状板部１０ｄまで直線状の平板形状のままで積層体３側へと延在させ、最下層の超電導コイル２Ａの下端面に環状板部１０ｄを配置し、超電導コイル２Ａの下端面の全面に接触させている。

図３（Ａ）（Ｂ）に示す、下から２層目の伝熱材１０Ｂから最上層の伝熱材１０Ｅまで、先端側の環状板部１０ｄに達する前に上向きの屈折部１０ｆを設け、該屈折部１０ｆの上端から水平の屈折部１０ｇを設け、該屈折部１０ｇの先端に環状板部１０ｄを設けている。
前記屈折部１０ｆの上端位置は２層目の伝熱材１０Ｂは最も低く、３層目、４層目、最上層の５層目と、上端位置を次第に高くしている。これにより、２〜４層目の伝熱材１０Ｂ〜１０Ｄの先端の環状板部１０ｄの位置が、上下に積層する超電導コイル２の各層の間に丁度位置するように設定し、最上層の伝熱材１０Ｅが積層体３の最上層の超電導コイル２Ｄの上端面に接触するようにしている。

前記伝熱材１０の環状板部１０ｄには、図３（Ａ）および図４に示すように、外周端より内周側へ径方向に切り込んだ第１スリット１１と、内周端より外周側へ径方向へ切り込んだ第２スリット１２とを周方向に間隔をあけて交互に設けている。
円環形状の一側部１０ｄ−１では、第１スリット１１と第２スリット１２の長さは同等とし、径方向の中心部を越えて延在させ、第１スリット１１と第２スリット１２とは径方向中央部の位置は重なる位置としている。
他側部１０ｄ−２の両側には周方向の両側に長尺な一対の第１スリット１１ａを設けているが、これら長尺な第１スリット１１ａで挟まれた部分は内周側から外周側へ切り込んだ第２スリット１２のみを間隔をあけて設けている。

本実施形態では、第１スリット１１および第２スリット１２とはそれぞれ３０度ピッチで設け、隣接する第１スリット１１と第２スリット１２とは１５度ピッチとしている。
環状板部１０ｄの内径および外径は超電導コイル２の内径および外径と対応させている本実施形態では内径を７０ｍｍとし、環状板部の径寸法は１０ｍｍとし、第１スリット１１ａを除いて、第１、第２スリット１１、１２とを７ｍｍの長さで切り込んで形成している。また、第１、第２スリット１１、１２のスリット幅は０．２〜０．５ｍｍとしている。

また、前記各伝熱材１０には、連結部１０ａと環状板部１０ｄとの間に前記積層体３の内枠８のフランジ８ａと支持台６とを締結するボルト９を貫通させるボルト穴１０ｈを設け、伝熱材１０Ｂ〜１０Ｅの水平の屈折部１０ｇを位置決め保持している。

前記各超電導コイル２の端末に接続した端子２０は図５に示すようにジョイント端子２１を介して直列に接続し、該ジョイント端子２１に接続したリード線２２を断熱容器４から外部に引き出し、交流電源２３と接続している。

前記構成からなる冷却機構を備えた超電導装置１では、冷凍機５のコールドヘッド５ｃと直接に接続した５枚の伝熱材１０の各環状板部１０ｄを積層体３を構成する各超電導コイル２の上下両端面の全面に接触させているため、各超電導コイル２に均等にコールドヘッドからの冷熱を伝導することができる。これにより、超電導コイル２を１０〜５０ケルビンの領域まで冷却することができる。

また、伝熱材１０を絶縁材ではない無酸素銅板で形成しているが、第１、第２スリット１１、１２を設けているため、環状板部１０ｄの全周に沿った渦電流を遮断できる。渦電流が発生しても、第１スリット１１と第２スリット１２との間の１５度の間で生じる小さい渦電流とすることができ、渦電流の発生による発熱を最小限に抑制することができる。

なお、伝熱材１０として、特殊な良熱伝導性絶縁材、例えば、ＡＬＮ、ＡＬ２０３等のセラミック、ＣＦＲＰなどの複合樹脂を用いて形成すると、スリットを設けなくとも良い。

（実験例）
超電導コイルを内径７０ｍｍ、外径８８ｍｍ、ターン数３３３ターン、定格電流６０Ａ、最大磁場０．６６Ｔ、インダクタンス１１ｍＨ、超電導線材の長さ８０ｍｍ、超電導線材の断面を２．８ｍｍ×０．１６ｍｍとした。周波数１．５Ｈｚ〜３Ｈｚで通電し、コイル温度上昇から通電後ヒータで校正して発熱量を測定した。
伝熱材として実施形態の無酸素銅板を用い、環状板部に前記スリットを設けた第１実施例と、スリットを設けていない第２実施例とを設け、スリットの有無による温度の上昇と発熱量の相違を比較した。その結果を図６（Ａ）（Ｂ）に示す。

図６（Ａ）に示すコイル温度の上昇に関しては、スリットありの場合はスリット無しとした場合よりも温度が上昇せず、温度上昇率は半減した。また、図６（Ｂ）に示す発熱量についても、スリットありの場合はスリット無しとした場合よりも発熱量は少なく、発熱量は１／３に低減した。これにより、超電導装置の運転温度は、スリットありとした場合３Ｈｚでも２１Ｋ〜２６Ｋ程度で十分に安定して運転できることが確認できた。

本発明は前記実施形態に限定されず、積層するパンケーキ型のコイルはシングルパンケーキの積層体としても良く、かつ、積層個数も限定されない。また、断熱容器は二重壁としてもよく、かつ、伝熱材の環状板部に形成するスリットの個数も適宜に変更できる等、本発明の要旨を逸脱しない範囲の実施形態が含まれる。

本発明の超電導装置の全体構成図である。 図１の断熱容器を除いた平面図である。 伝熱材を示し、（Ａ）は伝熱材１０Ｂ〜１０Ｅの平面図、（Ｂ）は伝熱材１０Ｂ〜１０Ｅの断面図、（Ｃ）は伝熱材１０Ａの断面図である。 伝熱材の環状板部に設けるスリットを示す拡大図である。 超電導コイルと交流電源との接続部を示す概略図である。 （Ａ）（Ｂ）は環状板部にスリットを設けた場合と、スリット無しの場合との比較実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 超電導装置
２（２Ａ〜２Ｄ） 超電導コイル
３ 積層体
４ 断熱容器
５ 冷凍機
５ｃ コールドヘッド
１０（１０Ａ〜１０Ｅ） 伝熱材
１０ａ 連結部
１０ｄ 環状板部
１１ 第１スリット
１２ 第２スリット
２３ 交流電源

Claims (3)

1. 交流電流で励磁される超電導線材を巻回したパンケーキ型の超電導コイルを積層した積層体と、
   冷媒を充填せずに、真空とした内部に前記超電導コイルの積層体を収容している断熱容器と、
   前記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を備え、
   前記積層した超電導コイル間の全ての間および積層体の両端外面に、それぞれ伝熱材の一端に設けた環状板部を挿入し、これら各環状板部を前記各超電導コイルの軸方向の両端面と接触させる一方、該複数の伝熱材の他端を前記冷凍機のコールドヘッドと連結していることを特徴とする超電導装置。
2. 前記伝熱材は無酸素銅板を含む銅系金属板からなる請求項１に記載の超電導装置。
3. 前記伝熱材の環状板部に、外周端より内周側へ径方向に切り込んだ第１スリットと、内周端より外周側へ径方向へ切り込んだ第２スリットとを周方向に間隔をあけて交互に設け、かつ、第１スリットと第２スリットとは径方向中央部の位置は重なる位置としている請求項１に記載の超電導装置。

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