JP2012182265A - グレーディングされた高温超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】 コイル内側の層の配置を工夫することにより、コイル全体での通電電流を増加させ、超電導線材の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができる、グレーディングされた高温超電導コイルを提供する。
【解決手段】 グレーディングされた高温超電導コイルにおいて、高温超電導コイル１の内側では各層ごとの超電導線材２，４の本数を多くし、高温超電導コイル１の外側に向かうほど各層ごとの超電導線材６の本数を少なくするようにして、高温超電導コイル１全体での通電電流を向上させ、超電導線材２，４，６の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができるように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、グレーディング（ｇｒａｄｉｎｇ）された高温超電導コイルに関するものである。

従来、近年高温超電導磁石（高温超電導コイル）の開発が進んでいる（下記非特許文献１参照）ものの、高温超電導線材が高価なことが問題である。超電導状態を維持できるか否かは、温度、通電電流、経験磁場の３条件で決まるため、超電導線材の性能に合わせて超電導コイルを設計する必要がある。

竹松 卓也他，「エポキシ含浸によるＹＢＣＯダブルパンケーキコイルの特性劣化」，第８３回 ２０１０年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集，ｐｐ．２４６

高温超電導コイルの経験する磁場はコイルの内側に近付くほど強くなる。経験磁場が大きいほど磁界電流値は小さくなるため、コイル内側の線材性能によってコイル全体の臨界電流が決まってしまう。ところが、従来の高温超電導コイル１０１は、図４に示すように、絶縁層１０３と交互に積層される各層ごとの超電導線材１０２の本数が一定である。超電導線材をコイルにした場合、コイルの中心付近で高い磁場が発生するため、常電導状態に転移するのはコイル内側の超電導線材である。例えば、図５に示されるように、高温超電導コイル１０１が中心磁場が５Ｔ級のものであるとすると、コイル面から高さ１ｃｍの表面では内側の磁場分布は３．３Ｔ、中程では２．３Ｔ、外側では１．０Ｔとなり、経験磁場が小さいコイル外側の超電導線材はその通電電流に余裕があり、性能を十分に活かしきれないといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、コイル内側の層の配置を工夫することにより、コイル全体での通電電流を増加させ、超電導線材の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができる、グレーディングされた高温超電導コイルを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕グレーディングされた高温超電導コイルにおいて、高温超電導コイルの内側では各層ごとの超電導線材の本数を多くし、高温超電導コイルの外側に向かうほど各層ごとの超電導線材の本数を少なくするようにして、高温超電導コイル全体での通電電流を向上させ、超電導線材の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができるように構成したことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のグレーディングされた高温超電導コイルにおいて、前記高温超電導コイルの全体の層数が１００層の場合、前記高温超電導コイルの内側の２０層を二重巻となし、残りの８０層を一重巻としたことを特徴とする。

本発明によれば、コイル内側の層の配置を工夫することにより、コイル全体での通電電流を向上させ、超電導線材の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができる。
また、高温超電導線材の使用量を減らすことができるので、超電導磁石の製作コストを低減できる。

本発明の実施例を示すグレーディングされた高温超電導コイルの断面図である。 本発明のグレーディングされた高温超電導コイルの数値解析モデルを示す図である。 図２のグレーディングされた高温超電導コイルの解析結果を示す図である。 従来の高温超電導コイルの断面図である。 従来の５Ｔ級高温超電導コイル表面での磁場分布例を示す図である。

本発明のグレーディングされた高温超電導コイルは、高温超電導コイルの内側では各層ごとの超電導線材の本数を多くし、高温超電導コイルの外側に向かうほど各層ごとの超電導線材の本数を少なくなるようにして、高温超電導コイル全体での通電電流を向上させ、超電導線材の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができるように構成した。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示すグレーディングされた高温超電導コイルの断面図である。
この図において、２はこのグレーディングされた高温超電導コイル１の内側に配置される、貼り合わされた複数層からなる超電導線材、３はその外周に配置される絶縁層、４はその絶縁層３の外周に配置される、貼り合わされた複数層からなる超電導線材であり、それよりも外周側には従来のように絶縁層５と単層からなる超電導線材６とが順次積層されて表面に至る。なお、絶縁層５は厚さ０．０２５〜０．０５ｍｍ、幅４ｍｍ、単層からなる超電導線材６は例えば、厚さ０．１ｍ、幅４ｍｍである。

このように、本発明のグレーディングされた高温超電導コイルは、高温超電導コイルの内側では各層ごとの超電導線材の本数を多くし、高温超電導コイルの外側に向かうほど各層ごとの超電導線材の本数を少なくするようにし、高温超電導コイル全体の臨界電流を高めるようにしている。
図２は本発明のグレーディングされた高温超電導コイルの数値解析モデルを示す図であり、図３はその解析結果を示す図である。

図２において、１１は高温超電導コイル、１１Ａはそのコイルの内周部、１２は磁場評価面である。
図２に示すように、磁場評価面１２をコイルの半径方向の面に設置し、解析では、図３（ａ）に示すような一般的な一重巻コイル（比較例）と、図３（ｂ）に示すような内側２０層のみを二重にしてグレーディングされた高温超電導コイルを対象とした。なお、両者の外形寸法は、内径５０ｍｍ、外径１０４ｍｍ、厚さ４．２ｍｍの同じ寸法とし、一重巻コイル（比較例）の巻数は２００とした。

図３（ａ）では、一般的な一重巻コイルにおける１００Ａ通電時の磁場分布を示しており、コイル内側の面２１で最大磁場が０．７Ｔとなり、コイル表面２２ではこれよりもだいぶ小さな磁場となっていることが分かる。
図３（ｂ）では、本発明に係るグレーディングされた高温超電導コイルにおける磁場分布を示している。

コイル内側の面３１での最大磁場が、図３（ａ）で得られた０．７Ｔと同様になるよう設定したところ、通電電流は１２８Ａとなった。コイル内側の面３１に近い二重巻コイル部分３３からコイル表面３２に向かって広い範囲で、最大磁場０．７Ｔに近い磁場分布が得られている。
また、両者の通電電流×ターン数（アンペアターン）を求めると以下のようになる。

図３（ａ）の場合は、１００〔Ａ〕×２００＝２００００〔ＡＴ〕であるのに対して、図３（ｂ）の場合は、１２８〔Ａ〕×（１６０＋２０）＝２３０４０〔ＡＴ〕であり、図３（ａ）に比べて図３（ｂ）の場合の方が、１５％ほどアンペアターンが増加しており、このことからも、本発明のグレーディングされた高温超電導コイルでは広い範囲で高い磁場が得られることがわかる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のグレーディングされた高温超電導コイルは、コイル内側の層の配置を工夫することにより、コイル全体での通電電流を増加させ、超電導線材の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができる、グレーディングされた高温超電導コイルとして利用可能である。

１ グレーディングされた高温超電導コイル
２，４ 複数層からなる超電導線材
３，５ 絶縁層
６ 単層からなる超電導線材
１１ 高温超電導コイル
１１Ａ コイルの内周部
１２ 磁場評価面
３１ コイル内側の面
３２ コイル表面
３３ 二重巻コイル部分

Claims (2)

1. 高温超電導コイルの内側では各層ごとの超電導線材の本数を多くし、高温超電導コイルの外側に向かうほど各層ごとの超電導線材の本数を少なくするようにして、高温超電導コイル全体での通電電流を向上させ、超電導線材の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができるように構成したことを特徴とするグレーディングされた高温超電導コイル。
2. 請求項１記載のグレーディングされた高温超電導コイルにおいて、前記高温超電導コイルの全体の層数が１００層の場合、前記高温超電導コイルの内側の２０層を二重巻となし、残りの８０層を一重巻としたことを特徴とするグレーディングされた高温超電導コイル。

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