JP2011066309A - 超電導コイルおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クエンチを抑えることが可能な超電導コイルを提供する。
【解決手段】この超電導コイル１は、ソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って積層されるように巻回された超電導線材からなるコイル部２０と、このコイル部２０の互いに径方向に隣り合う層間にコイル部２０と同心に設けられる筒状のスペーサ３０とを備えている。スペーサ３０は、超電導線材の線膨張率よりも大きい線膨張率のアルミニウムからなる。また、スペーサ３０は、含浸後に所定の運転温度まで冷却される間に当該スペーサ３０とこのスペーサ３０の外周に隣接する超電導線材とを剥離させるだけの熱収縮量を有するような径方向の厚みに形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイルおよびその運転方法に関する。

従来、超電導線材をソレノイド状にかつ径方向に複数層となるように巻回してなるコイル部を備えた超電導コイルが知られている。

この超電導コイルでは、巻線後に当該超電導コイルを含浸材に含浸することで、励磁運転中の超電導線材の微小変位を抑制している。

また、上記超電導コイルでは、コイル部の互いに径方向に隣り合う層間に筒状のスペーサを設ける場合がある。

例えば、線径が互いに異なる複数種類の超電導線材を用いて形成される超電導コイルでは、径方向外側の超電導線材を内側の俵積み状態の超電導線材に影響されることなく軸方向に密に巻回する目的で、異なる線径の超電導線材間にスペーサを設けることがある。

また、特許文献１のように、コイル部の放熱性を高めて超電導線材が微小変位した時の当該コイル部の温度上昇を抑制することによりクエンチを抑える目的で、高い吸熱性を有する材料からなるスペーサを層間に設けることがある。

特開平１１−１３５３１８号公報

上記超電導コイルでは、冷却後の励磁運転の際に、超電導線材に作用する電磁力等によってスペーサとこのスペーサの外側の超電導線材とが剥離し、その剥離に起因してクエンチが発生する。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、クエンチを抑えることが可能な超電導コイルおよびその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の超電導コイルは、ソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って積層されるように巻回された超電導線材からなるコイル部と、このコイル部の互いに径方向に隣り合う層間に前記コイル部と同心に設けられる筒状のスペーサとを備え、巻線状態で含浸材に含浸される超電導コイルであって、前記スペーサは、前記超電導線材の線膨張率よりも大きい線膨張率の材料からなるとともに、含浸後に所定の運転温度まで冷却される間に当該スペーサとこのスペーサの外周に隣接する超電導線材とを剥離させるだけの熱収縮量を有するような径方向の厚みをもつことを特徴とする。

この請求項１に記載の超電導コイルでは、上記のように材料および厚みが設定されたスペーサをコイル部の径方向に隣り合う層間に設けたので、励磁運転前の冷却中に、スペーサとこのスペーサの外周に隣接する超電導線材とを接着している含浸材に割れが発生して両者が剥離する。ここで、一度割れた含浸材は再接着しないことから、励磁運転中に両者が剥離することがなくなる。その結果、クエンチが抑えられる。

請求項２に記載の超電導コイルは、請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記スペーサは、アルミニウムからなることを特徴とする。

このように、比較的大きい線膨張率を有するアルミニウムからなるスペーサを設けることによって、スペーサとその外側の超電導線材とを容易に剥離させることができる。

また、アルミニウムからなるスペーサは例えば樹脂シートからなるスペーサに比べて厚みを確保しやすいので、これによっても両者を容易に剥離させることができる。

さらに、所定の厚みを確保すべく前記樹脂シートを多数積層してスペーサを形成する作業を行う場合に比べて、スペーサの形成作業が容易である。

また、高い放熱性をもつアルミニウムからなるスペーサを設けることによって、コイル部の放熱性が高まるので、クエンチが抑えられる。

請求項３に記載の超電導コイルは、請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記スペーサは、線材がソレノイド状に巻回されて形成されていることを特徴とする。

このように、線材をソレノイド状に巻回してスペーサを形成すれば、当該スペーサに必要な所望の厚みを容易に確保することができるようになる。

請求項４に記載の超電導コイルは、請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記スペーサは、周方向に連続する複数の円弧状部材を周方向で連結することにより形成されていることを特徴とする。

このような複数の円弧状部材を連結して形成されるスペーサを用いれば、スペーサの形成時に巻線作業を伴わない。

また、本発明の請求項５に記載の超電導コイルの運転方法は、超電導コイルを含浸材に含浸した後、所定の運転温度まで冷却し、その冷却後に励磁運転する超電導コイルの運転方法であって、超電導線材をソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って積層されるように巻回してコイル部を形成するとともに、そのコイル部の互いに径方向に隣り合う層間に、前記超電導線材の線膨張率よりも大きい線膨張率の材料からなるとともに、含浸後の冷却中に当該スペーサとこのスペーサの外周に隣接する超電導線材とを剥離させるだけの熱収縮量を有するような径方向の厚みをもつ筒状のスペーサを前記コイル部と同心に設けることで超電導コイルを形成する工程と、前記冷却中に前記スペーサの径方向の熱収縮によってこのスペーサと超電導線材とを剥離させる工程と、前記スペーサと前記超電導線材とが剥離した状態で前記超電導コイルを励磁運転する工程とを備えることを特徴とする。

この請求項５に記載の超電導コイルの運転方法によれば、冷却中にスペーサとこのスペーサの外周に隣接する超電導線材とを当該スペーサの径方向の熱収縮によって剥離させ、それらが剥離した状態で超電導コイルを励磁運転する。ここで、一度割れた含浸材は再接着しないことから、励磁運転中に両者が剥離することがなくなる。その結果、クエンチが抑えられる。

本発明の超電導コイルおよびその運転方法によれば、冷却中にスペーサとこのスペーサの外周に隣接する超電導線材とを当該スペーサの径方向の熱収縮によって剥離させ、それらが剥離した状態で超電導コイルを励磁運転することができるので、励磁運転中に両者が剥離することがなくなる。その結果、クエンチを抑えることができる。

本発明の一実施形態による超電導コイルの構成を示した正面断面図である。 運転温度まで冷却された状態の超電導コイルの正面断面図である。 スペーサの正面断面図である。 他の構成のスペーサの斜視図である。 スペーサと外側コイル体との間の面圧を求めるために用いられるモデルコイルの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による超電導コイルの構成を示した正面断面図である。また、図２は、冷却状態の超電導コイルの正面断面図である。また、図３および図４は、スペーサの構成例を示した図である。まず、本発明の一実施形態による超電導コイル１の構成について説明する。

本実施形態の超電導コイル１は、所定の運転温度（約４Ｋ）まで冷却された状態で励磁されることにより高磁場を発生するように構成されている。

この超電導コイル１は、図１に示すように、巻枠１０と、コイル部２０と、本発明に係るスペーサ３０とを備えている。なお、図中の符号Ｒは当該超電導コイル１の軸心を示している。

また、超電導コイル１は、冷却前に巻線状態でエポキシ等の含浸材に含浸されるようになっている。これにより、コイル部２０を構成する超電導線材が励磁運転中に微小変位することが抑えられる。

巻枠１０は、円筒状の外周面を有する胴部１１と、この胴部１１の軸方向両端から径外方向に延びる一対のフランジ部１２とを含んでいる。前記一対のフランジ部１２に挟まれる領域で胴部１１の周囲にコイル部２０が形成される。

コイル部２０は、内側コイル体２１と、この内側コイル体２１の径方向外側に設けられる外側コイル体２２とを含んでいる。

内側コイル体２１は、断面円形状の超電導線材４０を、ソレノイド状にかつ径方向に俵積み状態で複数層（図１では３層）に亘って積層されるように、胴部１１の外周に巻回することにより形成されている。

外側コイル体２２は、前記超電導線材４０の線径よりも小さい線径の断面円形状の超電導線材５０を、ソレノイド状にかつ径方向に俵積み状態で複数層（図１では３層）に亘って積層されるように、後述のスペーサ３０の外周に巻回することにより形成されている。

なお、超電導線材４０，５０は、張力を付与されながら巻回されるため、胴部１１と内側コイル体２１との間、および、スペーサ３０と外側コイル体２２との間には、巻線時に面圧が既に発生している。

そして、上記のように線径の異なる複数種類（本実施形態では２種類）の超電導線材４０，５０を用いてコイル部２０を形成することによって、当該コイル１のサイズを変化させることなく巻線回数を増やすことができるという効果がある。

なお、超電導線材４０，５０の材料としては、例えばＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎが挙げられる。

スペーサ３０は、内側コイル体２１と外側コイル体２２との間に設けられている。

ここで、本実施形態のスペーサ３０は、アルミニウムにより形成されている。このようにスペーサ３０の材料としてアルミニウムを用いることによって、当該スペーサ３０の線膨張率が前記外側コイル体２２の線膨張率よりも十分に大きくなる。従って、冷却時には、スペーサ３０とこのスペーサ３０の外周に隣接する外側コイル体２２との間の面圧が減少するように、両者間に互いに離間する方向の引っ張り応力が作用する。

なお、スペーサ３０の材料としては、アルミニウム以外に、ポリテトラフルオロエチレンやナイロン等の上記超電導線材４０，５０の材料であるＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎよりも大きい線膨張率を有する樹脂材料が挙げられる。

また、本実施形態のスペーサ３０は、含浸後に運転温度まで冷却される間に前記引っ張り応力が含浸材の接着力（接着強度）を上回って当該スペーサ３０と外側コイル体２２とを剥離させるだけの熱収縮量を有するような径方向の厚みをもっている。

このため、当該超電導コイル１を運転温度まで冷却した状態では、図２に示すように、スペーサ３０の外周部３０ａと外側コイル体２２の内周部２２ａとが互いに離間して剥離部分ｄが形成されるようになる。

また、このような材料および厚みのスペーサ３０であれば、比較的大きな剛性を有している。従って、超電導線材５０を、内側コイル体２１の俵積み状態の超電導線材４０の影響を受けることなく、容易に、スペーサ３０の外周に軸方向に密に巻回することができる。

以下、本発明に係るスペーサ３０の具体的な構成例を挙げる。

図３に示すスペーサ３０は、断面矩形状のアルミニウム線６０がソレノイド状にかつ径方向に複数層（図３では２層）となるように巻回されることにより形成されている。

ところで、従来から、コイル部の保護のために当該コイル部の外周に巻回されるバインド線として、断面矩形状のアルミニウム線が好適に用いられている。従って、上記のように、断面矩形状のアルミニウム線６０でスペーサ３０を形成するようにすれば、バインド線をスペーサ３０の形成に利用することができるので、スペーサ３０用の線材を別途用意する必要がない。

また、断面矩形状のアルミニウム線６０を径方向に複数層となるように巻回してスペーサ３０を形成することによって、当該スペーサ３０に必要な所望の厚みを容易に確保することができる。

なお、丸型のアルミニウム線をソレノイド状に巻回することにより形成されたスペーサであってもよい。

また、図４に示すスペーサ３０は、アルミニウムからなる一対の半円筒状部材７１，７２と、これらの半円筒状部材７１，７２を互いの円弧端縁が付き合う姿勢で連結する２つの連結部材７３とで構成されている。連結部材７３は、例えばボルトおよびナットから構成されている。なお、半円筒状部材７１，７２は、本発明の「円弧状部材」の一例である。

このような一対の半円筒状部材７１，７２を連結して形成されるスペーサ３０を用いれば、スペーサ３０の形成時に巻線作業を伴わない。

なお、スペーサ３０としては、上記アルミニウムからなる金属製のスペーサに限らず、例えば樹脂シートを径方向に複数積層してなる樹脂製のスペーサを、その厚みを適宜設定して設ける構成であってもよい。

次に、上記構成の超電導コイル１の形成工程から運転工程までを説明する。

まず、巻枠１０の胴部１１の外周に超電導線材４０を巻き付けて内側コイル体２１を形成する。次に、その内側コイル体２１の外側に本発明に係るスペーサ３０を設ける。なお、図３に示すスペーサ３０を設ける場合には、内側コイル体２１の外周にアルミニウム線６０をソレノイド状にかつ径方向に複数層となるように巻き付ける。また、図４に示すスペーサ３０を設ける場合には、一対の半円筒状部材７１，７２を、その内周が内側コイル体２１の外周に沿うようにかつ互いの円弧端縁が付き合う姿勢で当該コイル体２１の外側に配し、連結部材７３によってそれらを連結する。

次に、スペーサ３０の外周に超電導線材４０とは線径の異なる超電導線材５０を巻き付けて外側コイル体２２を形成する。そして、内側コイル体２１の超電導線材４０の端部と外側コイル体２２の超電導線材５０の端部とを電気的に接続し、これによって超電導コイル１を形成する。

このように形成された超電導コイル１を含浸材に含浸し、その後、所定の運転温度まで冷却する。本実施形態の超電導コイル１では、この冷却中すなわち前記運転温度に達するまでの間にスペーサ３０と外側コイル体２２との間の含浸材に割れが発生して両者が剥離する。そして、両者３０，２２が剥離した状態で超電導コイル１の励磁運転が行われる。

本実施形態の超電導コイル１では、上記のように材料および厚みが設定されたスペーサ３０を両コイル体２１，２２間に設けたので、励磁運転前の冷却中に、スペーサ３０とこのスペーサ３０の外周に隣接する外側コイル体２２の超電導線材５０とを接着している含浸材に割れが発生してスペーサ３０と外側コイル体２２とが剥離する。ここで、一度割れた含浸材は再接着しないことから、励磁中に両者３０，２２が剥離することがなくなる。その結果、クエンチが抑えられる。

また、本実施形態の超電導コイル１では、上記のように、比較的大きい線膨張率のアルミニウムからなるスペーサ３０を用いることによって、スペーサ３０と外側コイル体２２とを容易に剥離させることができる。

また、アルミニウムからなるスペーサ３０は例えば樹脂シートからなるスペーサに比べて厚みを確保しやすいので、これによっても両者３０，２２を容易に剥離させることができる。

さらに、所定の厚みを確保すべく前記樹脂シートを多数積層してスペーサを形成する作業を行う場合に比べて、スペーサ３０の形成作業が容易である。

また、高い放熱性をもつアルミニウムからなるスペーサ３０を設けることによって、コイル部２０の放熱性が高まるので、クエンチが抑えられる。

次に、具体的な材料や厚み等の寸法が設定された実施例による超電導コイルについて、上記の効果が得られるか、すなわち励磁運転前の冷却中に剥離が発生するかを検証する。なお、本実施例の超電導コイルにおいても上記実施形態と同一符号を用いて説明する。

以下では、超電導コイル１を所定の運転温度（約４Ｋ）まで冷却したときの当該超電導コイル１のスペーサ３０と外側コイル体２２との間の面圧を求め、両者間に作用する引っ張り応力を求める。そして、その引っ張り応力と含浸材の接着力との大きさを比較することにより前記検証を行う。

まず、スペーサ３０と外側コイル体２２との間の面圧を求めるために、図５に示すような４層からなるモデルコイル１０１を用いて、当該コイル１０１の中心から数えて３番目の層Ｆ３と４番目の層Ｆ４との間に作用する面圧Ｐ_３を既知の定数で表した式を導出する。

なお、このモデルコイル１０１においては、その中心から数えて１番目の層Ｆ１が本実施形態の超電導コイル１の巻枠１０の胴部１１に相当し、２番目の層Ｆ２が内側コイル体２１に相当し、３番目の層Ｆ３がスペーサ３０に相当し、４番目の層Ｆ４が外側コイル体２２に相当する。

そして、各寸法や物性値を以下の記号で表した。

コイル１０１の中心から層Ｆ１の内周面までの距離をｒ_０、中心から層Ｆ１の外周面までの距離をｒ_１、中心から層Ｆ２の外周面までの距離をｒ_２、中心から層Ｆ３の外周面までの距離をｒ_３、中心から層Ｆ４の外周面までの距離をｒ_４とした。

また、層Ｆ１を構成する材料の線膨張率、ヤング率およびポアソン比をそれぞれα_１、Ｅ_１およびγ_１とし、層Ｆ２を構成する材料の線膨張率、ヤング率およびポアソン比をそれぞれα_２、Ｅ_２およびγ_２とし、層Ｆ３を構成する材料の線膨張率、ヤング率およびポアソン比をそれぞれα_３、Ｅ_３およびγ_３とし、層Ｆ４を構成する材料の線膨張率、ヤング率およびポアソン比をそれぞれα_４、Ｅ_４およびγ_４とした。

そして、温度変化量をΔＴとしたときに、層Ｆ１の外周面、各層Ｆ２，Ｆ３の内周面および外周面、層Ｆ４の内周面の前記温度変化量ΔＴのみに依存する６つの変位量δ_１ｏ、δ_２ｉ、δ_２ｏ、δ_３ｉ、δ_３ｏおよびδ_４ｉは、それぞれ、既知の定数を用いて次式（１）〜（６）のように表される。

また、層Ｆ１，Ｆ２間に面圧Ｐ_１が作用し、層Ｆ２，Ｆ３間に面圧Ｐ_２が作用し、層Ｆ３，Ｆ４間に面圧Ｐ_３が作用していると仮定した場合に、層Ｆ１の外周面、各層Ｆ２，Ｆ３の内周面および外周面、層Ｆ４の内周面の前記面圧Ｐ_１〜Ｐ_３のみに依存する６つの未知数としての変位量δ_１ｏ´´、δ_２ｉ´´、δ_２ｏ´´、δ_３ｉ´´、δ_３ｏ´´およびδ_４ｉ´´は、それぞれ、一様な内圧および外圧を受ける厚肉円筒シェルの公式より次式（７）〜（１２）のように表される。なお、面圧は、径方向の外向きを正方向とした。

なお、上記δ´は、層Ｆ１の外周面、各層Ｆ２，Ｆ３の内周面および外周面、層Ｆ４の内周面の前記温度変化量ΔＴと前記面圧Ｐ_１〜Ｐ_３との両方に依存する変位量を示している。

これらの６つの式（７）〜式（１２）は６つの未知数（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，δ_１ｏ´＝δ_２ｉ´，δ_２ｏ´＝δ_３ｉ´，δ_３ｏ´＝δ_４ｉ´）を含んでいるため、当該６つの未知数を全て既知の定数で表すことができる。その結果、面圧Ｐ_３は次式（１３）のように表される。

次に、上記式（１３）を利用して、本実施例の超電導コイル１を常温（２９３Ｋ）から運転温度（４Ｋ）まで冷却したときに当該超電導コイル１のスペーサ３０と外側コイル体２２との間に作用する面圧を求める。

この実施例の超電導コイル１では、内半径が１００ｍｍ、厚みが１０ｍｍのアルミニウムからなる巻枠１０の胴部１１に、ＮｂＴｉからなる超電導線材４０をその厚みが２０ｍｍとなるまで巻回して内側コイル体２１を形成するとともに、ＮｂＴｉからなる超電導線材５０をその厚みが１００ｍｍとなるまで巻回して外側コイル体２２を形成した。

また、各材料の物性値を以下に示す。

常温（２９３Ｋ）から運転温度（４Ｋ）までの間の平均線膨張率αは、ＮｂＴｉが９．０９×１０^−６（なお、コイル部の線膨張率はＮｂＴｉ９６％、絶縁材４％として計算した。）で、アルミニウムが１．４４×１０^−５である。また、ヤング率Ｅは、ＮｂＴｉが７９ＧＰａ（なお、コイル部のヤング率はＮｂＴｉ９６％、絶縁材４％として計算した。）で、アルミニウムが７５ＧＰａである。また、ポアソン比γは、ＮｂＴｉ、アルミニウムともに０．３４である。

ここで、本実施例の超電導コイル１では、両コイル体２１，２２の間に設けられるスペーサ３０の材料をアルミニウムとし、当該スペーサ３０の厚みを８ｍｍに設定した。

このような構成の超電導コイル１を常温から運転温度まで冷却した時のスペーサ３０と外側コイル体２２との間に作用する面圧は、上記式（１３）に各数値を代入することで求められ、約−１０ＭＰａとなる。これは、スペーサ３０と外側コイル体２２とに互いに離間する方向の１０ＭＰａの引っ張り応力が作用していることを示している。

そして、エポキシ含浸材の一般的な接着力（接着強度）が約９ＭＰａであることから、両者間に作用する引っ張り応力が含浸材の接着力を上回ることがわかった。

従って、本実施例の超電導コイル１を運転温度まで冷却すると、スペーサ３０と外側コイル体２２との間の含浸材が両者間に作用する引っ張り応力に耐えられずに割れ、これによって両者３０，２２が剥離することがわかった。

なお、上記式（１３）を利用して、運転温度まで冷却する間にスペーサ３０と外側コイル体２２とを剥離させるために必要な当該スペーサ３０の厚みを割り出すことも可能である。すなわち、超電導コイル１の各部材の材料およびスペーサ３０の厚み以外の各部材の寸法がわかっている場合、それらの値を式（１３）に代入すれば、運転温度まで冷却する間にスペーサ３０と外側コイル体２２とを剥離させるために必要な当該スペーサ３０の厚みの下限値を求めることができる。

また、上記実施形態では、線径の異なる超電導線材４０，５０間にスペーサ３０を設ける構成の超電導コイル１について示したが、これに限らず、例えば、コイル部の放熱の目的で層間に設けられるスペーサについてもその材料や厚みを適宜設定することによって、上記実施形態の効果を得ることが可能である。

１ 超電導コイル
２０ コイル部
３０ スペーサ
４０、５０ 超電導線材
６０ アルミニウム線
７１，７２ 半円筒状部材（円弧状部材）

Claims (5)

1. ソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って積層されるように巻回された超電導線材からなるコイル部と、このコイル部の互いに径方向に隣り合う層間に前記コイル部と同心に設けられる筒状のスペーサとを備え、巻線状態で含浸材に含浸される超電導コイルであって、
   前記スペーサは、前記超電導線材の線膨張率よりも大きい線膨張率の材料からなるとともに、含浸後に所定の運転温度まで冷却される間に当該スペーサとこのスペーサの外周に隣接する超電導線材とを剥離させるだけの熱収縮量を有するような径方向の厚みをもつことを特徴とする超電導コイル。
2. 前記スペーサは、アルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記スペーサは、線材がソレノイド状に巻回されて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル。
4. 前記スペーサは、周方向に連続する複数の円弧状部材を周方向で連結することにより形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル。
5. 超電導コイルを含浸材に含浸した後、所定の運転温度まで冷却し、その冷却後に励磁運転する超電導コイルの運転方法であって、
   超電導線材をソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って積層されるように巻回してコイル部を形成するとともに、そのコイル部の互いに径方向に隣り合う層間に、前記超電導線材の線膨張率よりも大きい線膨張率の材料からなるとともに、含浸後の冷却中に当該スペーサとこのスペーサの外周に隣接する超電導線材とを剥離させるだけの熱収縮量を有するような径方向の厚みをもつ筒状のスペーサを前記コイル部と同心に設けることで超電導コイルを形成する工程と、
   前記冷却中に前記スペーサの径方向の熱収縮によってこのスペーサと超電導線材とを剥離させる工程と、
   前記スペーサと前記超電導線材とが剥離した状態で前記超電導コイルを励磁運転する工程とを備えることを特徴とする超電導コイルの運転方法。

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