JP2012256744A - Superconductive coil - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導コイルに関する。 The present invention relates to a superconducting coil.
超電導コイルは、磁気共鳴画像診断装置(MRI)や超電導磁気エネルギー貯蔵装置(SMES)といった様々な用途に使用される。これまで超電導線材として、NbTi等の金属系超電導体が広く用いられてきたが、近年、Bi2Sr2CaCu2O8+δ(Bi2212)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ(Bi2223)などのビスマス系超電導体や、REBa2Cu3O7−δ(RE123、RE:希土類元素)で表される希土類系超電導体を用いた酸化物高温超電導線材の開発が進んでいる。この酸化物高温超電導線材は、金属系超電導線材に比べて臨界温度が高温であるため、より高い温度での使用が可能であることから、コイル等への応用の開発も進んでいる。 Superconducting coils are used in various applications such as magnetic resonance imaging diagnostic equipment (MRI) and superconducting magnetic energy storage equipment (SMES). Conventionally, metallic superconductors such as NbTi have been widely used as superconducting wires, but in recent years, Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ (Bi2212), Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + δ (Bi2223) and the like have been used. Development of high-temperature oxide superconducting wires using bismuth-based superconductors and rare earth-based superconductors represented by REBa 2 Cu 3 O 7-δ (RE123, RE: rare earth elements) is in progress. Since this oxide high-temperature superconducting wire has a critical temperature higher than that of metal superconducting wires, it can be used at higher temperatures, and development of application to coils and the like is also progressing.
酸化物高温超電導線材は、そのほとんどがテープ状であり、このようなテープ状の酸化物高温超電導線材を用いたコイルとして、パンケーキコイル、2個のパンケーキコイルが積層されたダブルパンケーキコイル、あるいはダブルパンケーキコイルを複数個積層して構成されるものが知られている。このようなコイルには電流リードに接続するための電極が取り付けられており、その電極形状として特許文献1のようなものが提案されている。
Most of oxide high-temperature superconducting wires are in the form of tape, and as a coil using such a tape-like oxide high-temperature superconducting wire, a pancake coil and a double pancake coil in which two pancake coils are laminated Or what is constituted by laminating a plurality of double pancake coils is known. An electrode for connecting to the current lead is attached to such a coil, and an electrode shape such as that disclosed in
超電導コイルと電流リードを接続する電極には、銅等の低抵抗金属が用いられるが、大電流を流すと少なからずジュール熱が発生し、電極付近の超電導線材の温度が上昇して特性が劣化してしまうことがある。
特許文献1に記載の超電導コイルの電極部構造は、円弧状接触部が超電導線材の末端部に接続され、かつ、この円弧状接触部から外径方向へ固定部が突出された構造となっている。そのため、電導コイルからの電極長を長くする必要がある場合は、常電導部である電極(固定部)の長さが長くなるほど、常電導部の抵抗によるジュール発熱により、超電導コイルの電極部付近で発熱するおそれがある。
A low resistance metal such as copper is used for the electrode that connects the superconducting coil and the current lead. However, when a large current is applied, Joule heat is generated, and the temperature of the superconducting wire near the electrode rises and the characteristics deteriorate. May end up.
The electrode structure of the superconducting coil described in
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、電極との接続部における発熱を抑制できる超電導コイルを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a conventional situation, and it aims at providing the superconducting coil which can suppress the heat_generation | fever in a connection part with an electrode.
上記課題を解決するため、本発明の超電導コイルは、テープ状の超電導線材を巻回してなるコイル体と、このコイル体の前記超電導線材の巻回終端部と電気的に接続する電極と、前記超電導線材の巻回終端部と前記電極とが接合された電極接合部と接合され、かつ、冷凍機と接続された冷却ブロックと、を備え、前記超電導線材の巻回終端部が前記コイル体の径方向外側に向かって引き出され、この巻回終端部と重なるように前記電極が前記コイル体の径方向に向いて設置され、前記冷却ブロックの少なくとも前記電極接合部との接触部分が、熱伝導性の絶縁体よりなることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a superconducting coil of the present invention includes a coil body formed by winding a tape-shaped superconducting wire, an electrode electrically connected to a winding terminal portion of the superconducting wire of the coil body, A cooling block connected to an electrode joint where the winding end portion of the superconducting wire and the electrode are joined, and connected to a refrigerator, and the winding end portion of the superconducting wire is the coil body The electrode is drawn out radially outward, and is placed in the radial direction of the coil body so as to overlap with the winding end portion, and at least a contact portion of the cooling block with the electrode joint is thermally conductive It is characterized by comprising a conductive insulator.
本発明の超電導コイルによれば、超電導線材の端部と常電導体である電極が重ね合わせられて接合された構成である。そのため、電極の接続抵抗を低減でき、ジュール熱の発生を抑制して電極接続部における発熱を抑えることができる。さらに、電極接合部に冷凍機に接続され、かつ、少なくとも電極接続部との接触部分が熱伝導性の絶縁材よりなる冷却ブロックが接続されていることにより、電極接続部で発熱が起こった場合にも、伝導冷却により電極接続部を冷却することができる。従って、本発明の超電導コイルは、電極との接続部における発熱が少なく、安定に運転できる。
また、本発明の超電導コイルは、冷却ブロックにより電極接合部の電極が冷却される構成であるため、電極に接続された電流リードからの熱進入を抑え、電極の発熱を抑えることができる。
According to the superconducting coil of the present invention, the end of the superconducting wire and the electrode which is a normal conductor are superposed and joined. For this reason, the connection resistance of the electrode can be reduced, the generation of Joule heat can be suppressed, and the heat generation at the electrode connection portion can be suppressed. Furthermore, when heat is generated at the electrode connection part because the electrode joint part is connected to the refrigerator, and at least the contact part with the electrode connection part is connected with a cooling block made of a heat conductive insulating material. In addition, the electrode connection portion can be cooled by conduction cooling. Therefore, the superconducting coil of the present invention generates little heat at the connection with the electrode and can be operated stably.
In addition, since the superconducting coil of the present invention has a configuration in which the electrode at the electrode joint is cooled by the cooling block, it is possible to suppress the heat intrusion from the current lead connected to the electrode and suppress the heat generation of the electrode.
本発明の超電導コイルにおいて、前記熱伝導性の絶縁体の熱伝導率が50W/m/K以上であることが好ましい。
本発明の超電導コイルにおいて、前記冷却ブロックの少なくとも前記電極接合部との接触部分が、窒化アルミニウムまたは炭化珪素よりなることがさらに好ましい。
この場合、良好な熱伝導率を有する絶縁材である窒化アルミニウムまたは炭化珪素より冷却ブロックが構成されることにより、電極接合部との絶縁性を保ちつつ、冷凍機から冷却ブロックを介して電極接合部へと効率的に伝導冷却ができ、電極接合部の発熱を効果的に抑えることができる。
In the superconducting coil of the present invention, it is preferable that the thermal conductivity of the thermally conductive insulator is 50 W / m / K or more.
In the superconducting coil of the present invention, it is more preferable that at least a contact portion of the cooling block with the electrode joint portion is made of aluminum nitride or silicon carbide.
In this case, the cooling block is composed of aluminum nitride or silicon carbide, which is an insulating material having a good thermal conductivity, so that the electrode bonding is performed from the refrigerator through the cooling block while maintaining insulation with the electrode bonding portion. Conductive cooling can be efficiently performed to the portion, and heat generation at the electrode joint can be effectively suppressed.
本発明の超電導コイルにおいて、前記超電導線材が、基材と、該基材上方に設けられた酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上方に設けられた安定化層とを備えてなり、前記電極が、前記超電導線材の前記安定化層上に、該安定化層と電気的に接続するように設けられてなることが好ましい。
この場合、超電導線材の巻回終端部の安定化層上に電極が設けられる構成であるため、常電導体である電極と超電導線材が確実に電気的に接続されている構成となる。そのため、超電導線材との接続部における接続抵抗を小さく抑え、電極における発熱を抑制できる。
In the superconducting coil of the present invention, the superconducting wire comprises a base material, an oxide superconducting layer provided above the base material, and a stabilization layer provided above the oxide superconducting layer, It is preferable that an electrode is provided on the stabilization layer of the superconducting wire so as to be electrically connected to the stabilization layer.
In this case, since the electrode is provided on the stabilization layer at the winding termination portion of the superconducting wire, the electrode which is a normal conductor and the superconducting wire are reliably electrically connected. Therefore, the connection resistance at the connection portion with the superconducting wire can be kept small, and heat generation at the electrode can be suppressed.
本発明の超電導コイルにおいて、前記超電導線材の巻回終端部と前記電極とが接合された電極接合部が、前記コイル体の周方向から径方向外側に向かって一体に折り曲げられてなり、前記電極の前記コイル体周面に沿う部分と、該電極の前記コイル体の外側に延出された部分との両方が、前記安定化層と電気的に接続されてなることもできる。
この場合、超電導線材の巻回終端部の安定化層上に電極が設けられ、且つ電極のコイル体周面に沿う部分とコイル体外側に延出された部分との両方が超電導線材の端部と電気的に接続されている構成であるため、常電導体である電極と超電導線材との接触面積を大きくとることができ、接続抵抗をより小さく抑え、電極における発熱を効果的に抑制できる。
また、電極の周側部と延出部の両方が超電導線材の安定化層に接続されているため、超電導線材巻回終端部の折り曲げ部分を電極で補強した構造とすることができる。従って、超電導コイルへの通電時に生じる可能性のある振動などによる電極の位置ずれを抑制できる。
In the superconducting coil of the present invention, an electrode joint portion where the winding terminal portion of the superconducting wire and the electrode are joined is integrally bent from the circumferential direction of the coil body toward the radially outer side, Both the portion along the circumferential surface of the coil body and the portion of the electrode extending to the outside of the coil body may be electrically connected to the stabilization layer.
In this case, an electrode is provided on the stabilization layer at the winding end of the superconducting wire, and both the portion along the circumferential surface of the coil body and the portion extending to the outside of the coil body are end portions of the superconducting wire. Therefore, the contact area between the normal conductor electrode and the superconducting wire can be increased, the connection resistance can be further reduced, and heat generation at the electrode can be effectively suppressed.
In addition, since both the peripheral side portion and the extension portion of the electrode are connected to the stabilization layer of the superconducting wire, the bent portion of the superconducting wire winding end portion can be reinforced with the electrode. Therefore, it is possible to suppress the displacement of the electrode due to vibrations that may occur when the superconducting coil is energized.
本発明の超電導コイルにおいて、前記コイル体を複数備え、これら複数のコイル体は隣接するコイル体同士が電気的に接続されて同軸的に積層され、積層されたコイル体の上方および下方に冷凍機に接続された冷却板が配置され、最上段および最下段のコイル体において、前記超電導線材の巻回終端部と前記電極とが接合された電極接合部が、前記冷却ブロックを介して前記冷却板に接続されていることもできる。
この場合、電極接合部に接合された冷却ブロックが、冷却板と接続された構成とすることにより、冷却ブロックを介した電極接合部の伝導冷却の効率が向上するだけでなく、電極接合部の接合構造を強固にすることができる。
The superconducting coil according to the present invention includes a plurality of the coil bodies, and the plurality of coil bodies are coaxially stacked with the adjacent coil bodies being electrically connected to each other, and a refrigerator above and below the stacked coil bodies. A cooling plate connected to the electrode, and in the uppermost and lowermost coil bodies, an electrode joint where the winding terminal portion of the superconducting wire and the electrode are joined is connected to the cooling plate via the cooling block. Can also be connected.
In this case, the cooling block joined to the electrode joint is connected to the cooling plate, so that not only the efficiency of conduction cooling of the electrode joint through the cooling block is improved, but also the electrode joint The joining structure can be strengthened.
本発明の超電導コイルにおいて、前記コイル体を2個備え、各コイル体の前記超電導線材の巻回終端部と前記電極とが接合された電極接合部が近接するようにこれらのコイル体が同軸的に積層され、近接する前記電極接合部間に前記冷却ブロックが配置されてなることもできる。
この場合、各コイル体の電極接合部間に冷却ブロックが配置された構成であるため、電極接合部を冷却ブロックで機械的に補強した構造とすることができる。従って、超電導コイルへの通電時に生じる可能性のある振動などにより電極が位置ずれすることを抑制できる。
In the superconducting coil of the present invention, two coil bodies are provided, and the coil bodies are coaxial so that the winding end portion of the superconducting wire of each coil body and the electrode joint portion where the electrode is joined are close to each other. The cooling block may be arranged between the adjacent electrode joints that are stacked on each other.
In this case, since it is the structure by which the cooling block was arrange | positioned between the electrode junction parts of each coil body, it can be set as the structure which reinforced the electrode junction part with the cooling block. Therefore, it is possible to prevent the electrodes from being displaced due to vibrations that may occur during energization of the superconducting coil.
本発明によれば、超電導線材に電極が接合された電極接合部に、冷凍機に接続された冷却ブロックが接合されている構成であるため、電極接合部を伝導冷却することができ、電極との接続部における発熱を抑制できる超電導コイルを提供できる。 According to the present invention, since the cooling block connected to the refrigerator is joined to the electrode joint where the electrode is joined to the superconducting wire, the electrode joint can be conductively cooled, and the electrode and The superconducting coil which can suppress the heat_generation | fever in a connection part can be provided.
以下、本発明に係る超電導コイルの実施の形態について図面に基づいて説明する。
図1は本発明に係る超電導コイルの第1実施形態を示す概略斜視図であり、図2は図1に示す超電導コイルが冷凍機に接続された装置の一例構造を示す概略模式図であり、図3は図1に示す超電導コイルが備える超電導線材の一例構造を示す概略斜視図であり、図4は図1に示す超電導コイルの電極接続部および冷却ブロックの構造を模式的に示す上面図である。
Embodiments of a superconducting coil according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a first embodiment of a superconducting coil according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing an example structure of an apparatus in which the superconducting coil shown in FIG. 1 is connected to a refrigerator. 3 is a schematic perspective view showing an example of the structure of the superconducting wire provided in the superconducting coil shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a top view schematically showing the structure of the electrode connecting portion and the cooling block of the superconducting coil shown in FIG. is there.
図1に示す超電導コイル10は、同一径のドーナツ状の第1のコイル体21と第2のコイル体22とが、同軸的に上下に積層されて構成されている。
第1のコイル体21は、後述する超電導線材1が安定化層側を外側にして同心円状、反時計回りに多数回巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体である。第2のコイル体22は、後述する超電導線材1が安定化層側を外側にして同心円状、時計回りに多数回巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体である。なお、各コイル体21、22の形状はドーナツ状に限定されず、楕円形のレーストラック状であってもよい。
A
The
各コイル体の内側に位置する第1のコイル体21の巻回始端と第2のコイル体22の巻回始端とは、互いに隣接するように配されており、良導電性の接続板(図示略)により、電気的および機械的に接続されている。また、各コイル体21、22の最外周において、超電導線材の巻回終端が各コイル体の径方向外側に向かって引き出され、引き出された超電導線材1Aには、後述の如く平板状の電極5が接合されている。各コイル体21、22の巻回終端で超電導線材と電極5が接合された電極接合部7は近接するように配置されており、2つの電極接合部7、7の間には立方体形状の冷却ブロック9が配置されている。冷却ブロック9は冷凍機に接続されており、かつ、2つの電極接合部7、7に接合されている。
The winding start end of the
本実施形態の超電導コイル10は、図2に示すように冷凍機38に接続されて使用される。図2に示す装置30は、真空容器などの収容容器39の内部に配置された超電導コイル10と、収容容器39の内部の超電導コイル10を臨界温度以下に冷却するための冷凍機38とを備えて構成されている。超電導コイル10はその上下方向から銅などの良熱伝導性材料よりなり、各コイル体21、22よりも径の大きい円盤状の冷却板31、31により挟み込まれており、冷却板31はその外側において良熱伝導性材料よりなる熱伝導バー36に接続されている。冷凍機38と熱伝導バー36と冷却板31とは接続されており、これにより冷凍機38により冷却板31が伝導冷却され、さらに冷却板31により超電導コイル10全体が冷却される構成となっている。
The
超電導コイル10の冷却ブロック9は、良熱伝導性材料よりなる冷却用ケーブル32を介して、冷凍機38と接続された良熱伝導性材料よりなる熱伝導バー37に接続されている。これにより冷凍機38により冷却ブロック9が伝導冷却され、さらに冷却ブロック9により超電導コイル10の電極接合部7が冷却される構成となっている。なお、図2に示す装置では、冷却ブロック9が冷却用ケーブル32の他に、冷却板31にも接触する構成となっているが、冷却ブロック9は冷却板31のみを介して冷凍機38より伝導冷却される構成とすることもできる。
超電導コイル10の電極接合部7の電極5は電流リード34、34を介して収容容器39の外部の電源35に接続されており、この電源35から超電導コイル10に通電できるようになっている。また、収容容器39は、真空ポンプ33に接続されており、内部を目的の真空度に減圧できるように構成されている。
The
The
図3に示すように、第1のコイル体21および第2のコイル体22を構成する超電導線材1は、テープ状の基材11の上にベッド層12と中間層15とキャップ層16と酸化物超電導層17とが積層されるとともに、酸化物超電導層17の上に安定化基層18と安定化層19が積層され、全体が絶縁性の被覆層20で覆われて概略構成されている。超電導線材1において、基材11とベッド層12と中間層15とキャップ層16と酸化物超電導層17と安定化基層18と安定化層19とから超電導線材本体部1Aが構成されている。なお、超電導線材1においてベッド層12は略することもできる。また、図1に示す如く、各コイル体21、22の超電導線材1は、その巻回終端側において被覆層20が除去され、被覆層20から引き出された状態で、その安定化層19上に電極5が接合されている。
As shown in FIG. 3, the
本実施形態の超電導線材1に適用できる基材11は、通常の超電導線材の基材として使用でき、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ハステロイB、C、G、N、W(米国ヘインズ社商品名)などのニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、またはニッケル合金に集合組織を導入した配向N−W基板のような配向金属基材等が挙げられる。基材11の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、10〜500μmである。
The
ベッド層12は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、必要に応じて配され、例えば、Y2O3、Si3N4、Al2O3等から構成される。ベッド層12の厚さは例えば10〜200nmである。
The
また、本発明において、超電導線材1は図3に示す構造に限るものではなく、基材11とベッド層12との間に拡散防止層が介在された構造としても良い。拡散防止層は、Si3N4、Al2O3、あるいは希土類金属酸化物等から構成され、その厚さは例えば10〜400nmである。
In the present invention, the
中間層15は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層される酸化物超電導層17の結晶配向性を制御するために2軸配向する物質から選択される。中間層15の好ましい材質として具体的には、Gd2Zr2O7、MgO、ZrO2−Y2O3(YSZ)、SrTiO3、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、Zr2O3、Ho2O3、Nd2O3等の金属酸化物を例示することができる。
The
中間層15の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、0.005〜2μmの範囲とすることができる。
中間層15は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着(IBAD)法等の物理的蒸着法、化学気相成長法(CVD法)、塗布熱分解法(MOD法)、溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、IBAD法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、酸化物超電導層17やキャップ層16の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。
The thickness of the
The
キャップ層16は、中間層15よりも高い面内配向度が得られ、好ましい材質として具体的には、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、Zr2O3、Ho2O3、Nd2O3等が例示できる。キャップ層16は、PLD法(パルスレーザ蒸着法)、スパッタリング法等で成膜することができ、大きな成膜速度を得られる点でPLD法を用いることが望ましい。
キャップ層16の膜厚は、500〜1000nmとすることが好ましい。
The
The film thickness of the
酸化物超電導層17は公知のもので良く、具体的には、REBa2Cu3Oy(REはY、La、Nd、Sm、Er、Gd等の希土類元素を表す)なる材質のものを例示できる。この酸化物超電導層17として、Y123(YBa2Cu3O7−X)又はGd123(GdBa2Cu3O7−X)などを例示することができる。
酸化物超電導層17の厚みは、0.5〜5μm程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
酸化物超電導層17は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法(CVD法)、塗布熱分解法(MOD法)等で積層することができる。
The
The
The
酸化物超電導層17の上に積層されている安定化基層18はAgあるいは貴金属などの良電導性かつ酸化物超電導層17と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。Agの安定化基層18を成膜するには、スパッタ法などの成膜法を採用し、その厚さを1〜30μm程度に形成できる。
The stabilizing
安定化層19は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、酸化物超電導層17が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、安定化基層18とともに、酸化物超電導層17の電流が転流するバイパスとして機能する。
安定化層19を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅(Cu−Zn合金)等の銅合金、ステンレス等の比較的安価なものを用いるのが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅がより好ましい。
安定化層19の厚さは10〜300μmとすることが好ましい。安定化層19は、公知の方法で形成することができ、めっき法、スパッタ法あるいは銅などの金属テープを安定化基層18上に半田付けする方法などにより形成することができる。
The
The metal material constituting the
The thickness of the
以上のように構成された超電導線材1の巻回終端部において、超電導線材1の安定化層19上に電極5が接合されている。図4は、本実施形態の超電導コイルにおける電極接続部7と冷却ブロック9の構造を模式的に示す上面図である。なお、第1のコイル体21と第2のコイル体22との電極接続部の構造は、各コイル体を構成する超電導線材の巻回方向が逆であること、電極接続部における電極の接合方向が周方向逆向きである。図4に示す上面図において、左側に位置する電極接合部7は積層方向下側の第1のコイル体21より引き出された超電導線材本体部1Aと電極5との接合構造であり、右側に位置する電極接合部7は積層方向上側の第2のコイル体22より引き出された超電導線材本体部1Aと電極5との接合構造である。
The
各コイル体21、22の電極接合部7において、巻回終端で被覆層20が所定の長さ除去され、被覆層20から引き出された基材11〜安定化層19の積層体、すなわち超電導線材本体部1Aは、折り曲げ部1Kからコイル体径方向外側に向かって所定長さ延設されている。超電導線材本体部1Aは折り曲げ部1Kにおいて、安定化層19側を内側、基材11側を外側として折り曲げられている。
電極接合部7の超電導線材本体部1Aの安定化層19表面上には、平板状の電極5が半田等の電気的接合材により接合されている。
In the electrode
On the surface of the
超電導線材本体部1Aの先端部1aと電極5の先端部5aは、略同一位置とされている。電極5の先端部5aは外部励磁用電源(図示略)などの外部機器の端子と直接接続されていてもよく、図2に示すように電力リード34を介して電源35に接続されていてもよい。
電極5は、電極材料として従来公知の材料を用いることが可能であり、高い導電性を有する金属、例えば、銅、銀、金、白金、またはこれらの金属を少なくとも1種含む合金が挙げられ、中でも安価で導電率の優れた銅が好ましい。また、電極5はめっき銅より形成されていてもよい。電極5の寸法は各コイル体21、22の寸法に合わせて適宜調整される。電極5の幅方向の寸法は、接続抵抗を抑えることができるため、超電導線材1の幅と略同一とされることが好ましい。電極5の厚さは、特に制限されず、通電電流値、接続作業性、機械強度などを考慮して適宜調整すればよく、例えば、1〜3mm程度とされる。
The
The
電極5と、超電導線材本体部1Aの安定化層19との接合は、電気的および機械的に接続されていればよく、例えば、半田付け、導電性接着剤等により接合することができるが、汎用性、接合性、取り扱いの容易性の点で半田が好ましい。半田としては、特に限定されず、例えば、Pb−Sn系合金半田、Sn−Ag系合金、Sn−Bi系合金、Sn−Cu系合金、Sn−Zn系合金等の鉛フリー半田、共晶半田、低温半田等が挙げられ、これらの半田を1種または2種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、融点が300℃以下の半田を用いるのが好ましい。これにより、300℃以下の温度で半田付けすることが可能となるので、半田付けの熱によって酸化物超電導層17の特性が劣化することを抑止することができる。
The
電極接合部7に接合されている冷却ブロック9は、熱伝導性の絶縁材より形成されている。冷却ブロック9を構成する材料の熱伝導性としては、常温における熱伝導率が50W/m/K以上であることが好ましい。冷却ブロック9を構成する材料の常温における熱伝導率の上限値は特に限定されず、絶縁性であれば熱伝導率が高い程好ましい。
また、冷却ブロック9は、絶縁破壊電圧が1MV/cm以上である絶縁材よりなることが好ましい。本実施形態の超電導コイル10は、冷却ブロック9において1kV程度の絶縁が保たれていればよく、このような絶縁を保つためには、冷却ブロック9の厚さを10μm以上とすることが好ましい。冷却ブロック9の寸法は、特に制限されず、各コイル体21、22や電極接合部7の寸法に応じて適宜調整可能である。
冷却ブロック9の材質としては、前記した高熱伝導率を有する絶縁材である窒化アルミニウム(常温における熱伝導率100〜350W/m/K、絶縁破壊電圧11.7MV/cm)または炭化珪素(常温における熱伝導率50〜350W/m/K、絶縁破壊電圧2.0MV/cm)が好ましい。これらの材質より冷却ブロック9が構成されることにより、電極接合部7との絶縁性を保ちつつ、冷凍機から冷却ブロック9を介して電極接合部7へと効率的に伝導冷却ができ、電極接合部7の発熱を抑えることができる。
The
The
As a material of the
冷却ブロック9は、全体が前記した熱伝導性の絶縁材より形成されていてもよいが、少なくとも電極接合部7と接触する部分が熱伝導性の絶縁材より形成されている構成でもよい。図5(a)は本発明に係る超電導コイル10の電極接合部7および冷却ブロック9の第2の例を示す模式図であり、図5(b)は本発明に係る超電導コイル10の冷却ブロック9の第3の例を示す断面図である。なお、図5(a)において、図4に示す電極接合部7と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一要素の説明は省略する。
The
図5(a)に示す例において、冷却ブロック9Bは、電極接合部7と接触する面9a、9aが前述した熱伝導性の絶縁材より形成されており、これらの面9a、9a間に挟まれた部分は、銅などの良熱伝導性材料から構成されている。この例の冷却ブロック9Bも、前記した第1実施形態の冷却ブロック9と同様に、電極接合部7との絶縁性を保ちつつ、冷凍機から冷却ブロック9を介して電極接合部7へと効率的に伝導冷却ができ、電極接合部7の発熱を抑えることができる。
In the example shown in FIG. 5A, in the
また、本発明に係る超電導コイルにおいて、図5(b)に示す冷却ブロック9Cのように、外側に位置する面9cが前述した熱伝導性の絶縁材より形成されており、これらの面9cに囲まれた内側の部分9dが銅などの良熱伝導性材料から構成されていてもよい。面9cは、例えば、内側の部分9dに対して溶射などにより熱伝導性の絶縁材をコーティングすることで形成できる。この例の冷却ブロック9Cは、外側に位置する面9cが電極接合部7と接触する構成となるため、前記した第1実施形態の冷却ブロック9と同様に、電極接合部7との絶縁性を保ちつつ、冷凍機から冷却ブロック9を介して電極接合部7へと効率的に伝導冷却ができ、電極接合部7の発熱を抑えることができる。
Further, in the superconducting coil according to the present invention, as in the cooling block 9C shown in FIG. 5B, the
冷却ブロック9と電極接合部7の超電導線材本体部1Aとの接合は、機械的に接続されていればよく、例えば、エポキシ樹脂などの接着剤等により接合することができる。
また、冷却ブロック9と電極接合部7との接合は、図6に示すようにねじ等の固定具42により行ってもよい。この場合、電極接合部7の超電導線材本体部1Aが固定具42により損傷されて超電導特性が劣化することを防ぐため、電極接合部7の電極5の一部を超電導線材本体部1Aよりも幅広に形成し、この幅広部分5Hに穴41を形成し、穴41を介して固定具42を冷却ブロック9に形成したねじ孔43に螺合することにより電極5と冷却ブロック9とを固定して接合すればよい。
The
Further, the
本実施形態の超電導コイル10は、電極接合部7において常電導体である電極5のほぼ全体に亘って、超電導線材本体部1Aの安定化層19が接合されて電気的に接続された構造である。そのため、電極5の接続抵抗を低減でき、ジュール熱の発生を抑制して電極接続部7における発熱を抑えることができる。さらに、電極接合部7に冷凍機に接続された冷却ブロック9が接続されていることにより、電極接続部7で発熱が起こった場合にも、伝導冷却により電極接続部7を冷却することができる。従って、本実施形態の超電導コイル10は、電極との接続部における発熱が少なく、安定に運転できる。
The
また、本実施形態の超電導コイル10は、冷却ブロック9により電極接合部7の電極5が冷却される構成であるため、電極5に接続された電流リードからの熱進入を抑え、電極5の発熱を抑えることができる。
さらに、本実施形態の超電導コイル10は、各コイル体21、22の電極接合部7、7間に冷却ブロック9が配置された構成であるため、電極接合部7、7を冷却ブロック9で機械的に補強した構造とすることができる。従って、超電導コイル10への通電時に生じる可能性のある振動などにより電極5が位置ずれすることを抑制できる。また、接合部分の強度が高いので、他の端子との接続の作業性が向上する。
In addition, since the
Further, since the
また、本実施形態の超電導コイル10は、超電導線材1を安定化層19側を外側として巻回したコイル体21、22より構成され、且つ電極接続部7において超電導線材本体部1Aの巻回終端部が安定化層19を内側とし、基材11を外側としてコイル径方向外側に折り曲げられた構成である。そのため、超電導線材本体部1Aの折り曲げ部1Kにおいて、酸化物超電導層17に圧縮応力がかかるので酸化物超電導層17が劣化せず、折り曲げにより超電導特性が低下することを抑制できる。これは、酸化物超電導層に引張応力がかかると酸化物超電導層にマイクロクラックなどの欠陥を導入してしまう可能性が強く、この欠陥の導入により酸化物超電導層の臨界電流密度を著しく低下させてしまう問題があるのに対し、酸化物超電導層に圧縮応力がかかる場合には前記欠陥を導入させてしまう可能性が少ないことに起因している。
The
上述の第1実施形態の超電導コイル10では、冷却ブロック9が電極接合部7、7の間に配置された構造を示したが、本発明の超電導コイルはこの例に限定されない。図7(a)は本発明に係る超電導コイルの第2実施形態を示す分解斜視図であり、図7(b)は同超電導コイルの正面図であり、図8は本発明に係る超電導コイルの第3実施形態を示す斜視図である。図7および図8において、上記第1実施形態の超電導コイル10と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一要素の説明は省略する。
In the
図7に示す超電導コイル10Bは、上記第1実施形態の超電導コイル10とは、冷却ブロック9の設置位置が異なっている。本実施形態の超電導コイル10において、超電導線材1から引き出された超電導線材本体部1Aは折り曲げ部1Kでコイル系方向外側に向かって基材11側を外側にして折り曲げられており、超電導線材本体部1Aの安定化層19上の電極5が接合されて電極接合部7を構成している。電極接合部7の電極5には、冷凍機に接続された立方体形状の冷却ブロック9が接合されている。本実施形態の超電導コイル10Bは、図2に示す例と同様に冷凍機に接続されて使用される。超電導コイル10Bはその上下方向から冷凍機に接続された冷却板31、31により挟み込まれ、冷凍機から伝導冷却される構成となる。
The
図7(b)に示すように、第1のコイル体21の電極接合部7と接合された冷却ブロック9は、下側の冷却板31に接着剤または固定具などにより接合されている。また、第2のコイル体22の電極接合部7と接合された冷却ブロック9は、上側の冷却板31に接着剤または固定具などにより接合されている。このように、電極接合部7と接合された冷却ブロック9が冷却板31とも接合する構成とすることにより、冷却ブロック9を介した電極接合部7の伝導冷却の効率が向上するだけでなく、電極接合部7の接合構造を強固にすることができる。
本実施形態の超電導コイル10Bも上記第1実施形態の超電導コイル10と同様に、電極の接続部の発熱を抑えることができる。
As shown in FIG. 7B, the
Similarly to the
図8に示す超電導コイル10Cは、上記第1実施形態の超電導コイル10とは、冷却ブロック9の設置位置が異なっている。本実施形態の超電導コイル10Cにおいて、各コイル体21、22の電極接合部7、7を内部に含むように冷却ブロック9Dが配置されている。すなわち、冷却ブロック9Dを貫通するように電極接合部7、7が設けられている。
この例の超電導コイル10Cでは、上記第1および第2実施形態の超電導コイル10、10Bよりも、電極接合部7と冷却ブロック9Dとの接触面積を大きくとることができ、冷凍機が接続された冷却ブロック9Dから電極接合部7をより効果的に伝導冷却することができる。また、電極接合部7が冷却ブロック9Dを貫通する構造であるため、電極接合部7の接合構造をより強固にすることができる。
The superconducting coil 10C shown in FIG. 8 is different from the
In the superconducting coil 10C of this example, the contact area between the
上述の第1〜第3実施形態の超電導コイル10、10B、10Cでは、コイル径方向に折り曲げられた超電導線材本体部1Aに、平板状の電極5が接合された例を示したが、本発明の超電導コイルはこの例に限定されない。図9は本発明に係る超電導コイルの第4実施形態の電極接合部と冷却ブロックの構造を模式的に示す上面図である。図9において、上記第1実施形態の超電導コイル10と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一要素の説明は省略する。なお、図9に示す上面図において、左側に位置する電極接合部7は積層方向下側の第1のコイル体21より引き出された超電導線材本体部1Aと電極5との接合構造であり、右側に位置する電極接合部7は積層方向上側の第2のコイル体22より引き出された超電導線材本体部1Aと電極5との接合構造である。
In the superconducting coils 10, 10 </ b> B, and 10 </ b> C of the first to third embodiments described above, the example in which the
本実施形態の超電導コイル10Dは、各コイル体21、22の電極接合部7において、巻回終端で被覆層20が所定の長さ除去され、被覆層20から引き出された超電導線材本体部1Aは、コイル体周方向に沿って所定長さ延設された後、折り曲げ部1Kからコイル体径方向外側に向かって所定長さ延設されている。超電導線材本体部1Aは折り曲げ部1Kにおいて、安定化層19側を内側、基材11側を外側として折り曲げられている。
電極接合部7の超電導線材本体部1Aの安定化層19の表面上には、電極5Bが接合されている。電極5Bは超電導線材本体部1Aの形状に沿って超電導線材本体部1Aの巻回終端部と一体化されており、コイル体周方向に沿う周側部5Sとコイル体径方向外側に延出された延出部5Eとで構成されている。電極5Bは折り曲げ部5Kにおいて折り曲げられた構造となっている。
超電導線材1Aの周側部1Sの安定化層19と、電極5Bの周側部5Sは、半田等の電気的接合材により接合されている。また、超電導線材1Aの延出部1Eの安定化層19と、電極5Bの延出部5Eは、半田等の電気的接合材により接合されている。
In the
An
The
超電導線材本体部1Aの先端部1aと電極5Bの先端部5aは、略同一位置とされている。超電導線材本体部1Aの折り曲げ部1Kの内側(安定化層19側)と、電極5Bの折り曲げ部5Kの外側は、半田等の電気的接合材により接合されている。電極5Bの先端部5aは外部励磁用電源(図示略)などの外部機器の端子と直接接続されていてもよく、電力リード(図示略)などを介して接続されていてもよい。
電極5Bの材質は上記した電極5と同様である。電極5Bの寸法は各コイル体21、22の寸法に合わせて適宜調整される。電極5Bの幅方向の寸法は、接続抵抗を抑えることができるため、超電導線材1の幅と略同一とされることが好ましい。電極5Bの厚さは、特に制限されないが、折り曲げが可能な程度の厚さ、例えば、1〜3mm程度とされる。
電極5Bと超電導線材本体部1Aの安定化層19との接合は、上記した電極5と超電導線材本体部1Aとの接合方法と同様である。
The
The material of the
The joining of the
本実施形態の超電導コイル10Dは、電極接合部7において常電導体である電極5Bの周側部5Sから延出部5Eに亘って、超電導線材本体部1Aの安定化層19が接合されて電気的に接続された構造であるため、電極5Bの接続抵抗を低減でき、ジュール熱の発生を抑制して電極接続部における発熱を抑えることができる。さらに、電極接合部7に冷凍機に接続された冷却ブロック9が接続されていることにより、電極接続部7で発熱が起こった場合にも、伝導冷却により電極接続部7を冷却することができる。従って、本実施形態の超電導コイル10Dは、電極との接続部における発熱が少なく、安定に運転できる。
また、電極5Bの周側部5Sと延出部5Eの両方が超電導線材本体部1Aの安定化層に半田付けされている場合、超電導線材1の巻回終端部の折り曲げ部分を電極5Bで補強した接合構造とすることができる。従って、超電導コイル10Dへの通電時に生じる可能性のある振動などにより電極5Bが位置ずれすることを抑制できる。また、接合部分の強度が高いので、他の端子との接続の作業性が向上する。
In the
Further, when both the
上記第1〜第4実施形態の超電導コイル10、10B、10C、10Dでは、2個のコイル体21、22が積層されたダブルパンケーキコイルについて説明したが、本発明の超電導コイルはこの例に限定されず、ダブルパンケーキコイルが複数個積層されて構成されていてもよい。
図10は本発明に係る超電導コイルの第5実施形態の超電導コイル10Eを備える装置の一例を示す模式図である。図10において、上記第1〜第4実施形態の超電導コイル10、10B、10C、10Dおよび装置30と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一要素の説明は省略する。
In the superconducting coils 10, 10B, 10C, and 10D of the first to fourth embodiments, the double pancake coil in which the two
FIG. 10 is a schematic view showing an example of a device including the
図10に示す超電導コイル10Eは、同一径のドーナツ状の第1のコイル体と第2のコイル体とが、同軸的に上下に積層されてなる5個のダブルパンケーキコイル51、52、53、54、55が、さらに同軸的に積層されて構成されている。
各ダブルパンケーキコイル51〜55は、超電導線材1が安定化層側を外側にして同心円状、反時計回りに多数回巻回されて構成されたパンケーキ型の第1のコイル体の上に、超電導線材1が安定化層側を外側にして同心円状、時計回りに多数回巻回されて構成されたパンケーキ型の第2のコイル体が積層されて構成されている。各コイル体の構成は上記した第1のコイル体21および第2のコイル体22と電極接合部7の構造以外は同様である。
A
Each of the double pancake coils 51 to 55 is formed on a pancake-type first coil body formed by winding the
各ダブルパンケーキコイル51〜55の内側において、各コイルを構成する第1のコイル体の巻回始端と第2のコイル体の巻回始端とは、互いに隣接するように配されており、良導電性の接続板(図示略)により、電気的および機械的に接続されている。また、隣接する各ダブルパンケーキコイル51と52、52と53、53と54、54と55において、その最外周に位置する超電導線材の巻回終端が互いに隣接するように配されており、良導電性の接続板(図示略)により、電気的および機械的に接続されている。
Inside each of the double pancake coils 51 to 55, the winding start end of the first coil body and the winding start end of the second coil body constituting each coil are arranged adjacent to each other. Electrically and mechanically connected by a conductive connection plate (not shown). Moreover, in each adjacent
最下段のダブルパンケーキコイル51の下側の第1のコイル体の巻回終端部では、前記した超電導線材本体部1Aがコイル体の径方向外側に向かって引き出され、引き出された超電導線材1Aには、平板状の電極5が接合されている。最上段のダブルパンケーキコイル55の上側の第2のコイル体の巻回終端部では、前記した超電導線材本体部1Aがコイル体の径方向外側に向かって引き出され、引き出された超電導線材本体部1Aには、平板状の電極5が接合されている。最上端のダブルパンケーキコイル55および最下段のダブルパンケーキコイル51に接続された電極5は、電流リード34を介して収容容器39の外部に設置された電源35に接続されており、この電源35からダブルパンケーキ51〜55全体に通電できるようになっている。
At the winding end portion of the first coil body on the lower side of the lowermost
図10に示す装置50において、本実施形態の超電導コイル10Eは収容容器39の内部に配置され、冷凍機38に接続されて使用される。超電導コイル10Eの上下および各ダブルパンケーキコイル51〜55の間には、各ダブルパンケーキコイル51〜55よりも径の大きい円盤状の冷却板31が設置されており、冷却板31はその外側において熱伝導バー36に接続されている。冷凍機38と熱伝導バー36と冷却板31とは接続されており、これにより冷凍機38により冷却板31が伝導冷却され、さらに冷却板31により超電導コイル10E全体が冷却される構成となっている。
In the
最上端のダブルパンケーキコイル55および最下段のダブルパンケーキコイル51に電極5が接合された電極接合部7には、立方体形状の冷却ブロック9が接合されている。冷却ブロック9は、接合構造を強固にするために、超電導コイル10の上方および下方に配置された冷却板31に接着剤や固定具により固定されている。冷却ブロック9は、電極接合部7の電極5および超電導線材本体部1Aのいずれに接合されていてもよい。
超電導コイル10Eの冷却ブロック9は、冷却用ケーブル32により、熱伝導バー37を介して冷凍機38と接続された良熱伝導性材料よりなる熱伝導板47に接続されている。これにより冷凍機38により冷却ブロック9が伝導冷却され、さらに冷却ブロック9により超電導コイル10Eの電極接合部7が冷却される構成となっている。なお、図10に示す装置では、冷却ブロック9が冷却用ケーブル32の他に、冷却板31にも接触する構成となっているが、冷却ブロック9は冷却板31のみを介して冷凍機38より伝導冷却される構成とすることもできる。
本実施形態の超電導コイル10Eも上記第1実施形態の超電導コイル10と同様に、電極の接続部の発熱を抑えることができる。
A cube-shaped
The
Similarly to the
以上、本発明の超電導コイルについて説明したが、上記実施形態において、超電導コイルを構成する各部一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施形態では、図3に示すようにテープ状の基材上に中間層などを介して酸化物超電導層が積層された構成の超電導線材を使用してコイル体とする例を示したが、本発明の超電導コイルはこの例に限定されない。図11に示す超電導線材100のように、Bi2Sr2Can−1CunO4+2n+δなる組成等に代表される臨界温度の高いBi系の酸化物超電導層101を銀または銀合金のシース材102で被覆したテープ状の線材を使用することもできる。その場合、超電導線材100を巻回してコイル体とし、その巻回終端部においてシース材102と電極を半田等で接合して電極接合部を構成し、この電極接合部に冷却ブロックを接合すればよい。なお、この例の超電導線材100は、酸化物超電導層101の原料粉末が充填された銀または銀合金製のパイプを伸線して多芯化し、さらに伸線、圧延および焼成を繰り返すPIT法(Powder In Tube法)などにより製造される。
The superconducting coil of the present invention has been described above. However, in the above-described embodiment, it is an example of each part constituting the superconducting coil, and can be appropriately changed without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, an example in which a coil body is formed using a superconducting wire having a configuration in which an oxide superconducting layer is laminated on a tape-like base material via an intermediate layer or the like as shown in FIG. However, the superconducting coil of the present invention is not limited to this example. As
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
幅5mm、厚さ0.1mmのテープ状のハステロイ(米国ヘインズ社製商品名)製の基板上に、スパッタ法によりAl2O3(拡散防止層;膜厚150nm)を成膜した上に、イオンビームスパッタ法によりY2O3(ベッド層;膜厚20nm)を成膜した。次いで、このベッド層上に、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)によりMgO(中間層;膜厚10nm)を形成した上に、パルスレーザー蒸着法(PLD法)により1.0μm厚のCeO2(キャップ層)を成膜した。次いでCeO2層上にPLD法により1.0μm厚のGdBa2Cu3O7(酸化物超電導層)を形成し、さらに酸化物超電導層上にスパッタ法により10μm厚の銀層(安定化基層)を形成した。その後、0.1mm厚の銅テープ(安定化層)を半田により銀層上に積層して超電導線材本体部を作製した。続いて、得られた超電導線材本体部にポリイミドテープを隙間無く巻き付けることにより超電導線材を作製した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to these Examples.
Example 1
On the substrate made of tape-like Hastelloy (trade name, manufactured by Haynes, USA) having a width of 5 mm and a thickness of 0.1 mm, an Al 2 O 3 (diffusion prevention layer; film thickness of 150 nm) film was formed by sputtering. Y 2 O 3 (bed layer; film thickness: 20 nm) was formed by ion beam sputtering. Next, MgO (intermediate layer; film thickness: 10 nm) was formed on the bed layer by ion beam assisted vapor deposition (IBAD method), and then 1.0 μm thick CeO 2 (PLD method) was formed by pulse laser vapor deposition (PLD method). (Cap layer) was formed. Next, a 1.0 μm thick GdBa 2 Cu 3 O 7 (oxide superconducting layer) is formed on the CeO 2 layer by a PLD method, and a 10 μm thick silver layer (stabilizing base layer) is formed on the oxide superconducting layer by a sputtering method. Formed. Thereafter, a 0.1 mm thick copper tape (stabilization layer) was laminated on the silver layer with solder to produce a superconducting wire main body. Subsequently, a superconducting wire was produced by winding a polyimide tape around the obtained superconducting wire main body without any gaps.
次いで、得られたポリイミドテープ付きの超電導線材を安定化層側が外側となるように、直径60mmの円筒状のFRP(繊維強化プラスチック)製の巻き枠に同心円状に200回巻回して外径110mmのパンケーキコイルを作製した。次に、同様の手順でパンケーキコイルをもう1個作製し、2個のパンケーキコイルを同軸的に積層させ、これらのパンケーキコイルの内側で超電導線材の巻回始端部同士を電気的および機械的に接合して、ダブルパンケーキコイルを作製した。 Next, the obtained superconducting wire with polyimide tape is wound 200 times concentrically around a cylindrical FRP (fiber reinforced plastic) winding frame with a diameter of 60 mm so that the stabilization layer side is on the outside, and the outer diameter is 110 mm. A pancake coil was prepared. Next, another pancake coil is produced in the same procedure, and two pancake coils are laminated coaxially, and the winding start ends of the superconducting wires are electrically and electrically connected to each other inside these pancake coils. Mechanically joined to make a double pancake coil.
次に、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から100mmの部分を露出させて、コイル径方向外側に折り曲げた。そして、コイル径方向外側に引き出した超電導線材本体部の端部の安定化層上に、図6に示す形状の厚さ2mm、長さ100mm、幅5mm(電極端部から0〜30mmの部分の幅は10mm)の銅製の電極を半田付けして、各パンケーキコイルに電極接合部を形成した。
続いて、各パンケーキコイルの電極接合部の間に、幅30mm、長さ30mm、高さ10mmの立方体形状の窒化アルミニウム(熱伝導率100〜350W/m/K(室温)、絶縁破壊電圧11.7MV/cm)製の冷却ブロックを用意し、この冷却ブロックを図6に示すように各パンケーキコイルの電極接合部の間に挟み込む構造となるように、電極の端部から0〜30mmの幅広となった部分に対して、超電導線材本体部を貫通しないようにして、ネジで固定して図1に示す構造の超電導コイルを作製した。
Next, the polyimide tape at the winding end of each pancake coil was removed, and a portion of 100 mm was exposed from the end of the superconducting wire main body, and was bent outward in the coil radial direction. Then, on the stabilization layer at the end of the superconducting wire main body drawn to the outside in the coil radial direction, the shape shown in FIG. A copper electrode having a width of 10 mm) was soldered to form an electrode joint on each pancake coil.
Subsequently, between the electrode joints of each pancake coil, a cube-shaped aluminum nitride (
次に、作製した超電導コイルをその上下方向から直径150mm、厚さ10mmの円盤状の銅製の冷却板で挟み込み、図2に示す構造の装置にセットした。冷却板と窒化アルミニウム製の冷却ブロックを冷凍機に接続し、冷却板と電極にそれぞれ温度センサーを取り付け、冷凍機を作動させて超電導コイル全体を30Kに冷却した。この状態で、超電導コイルの臨界電流値の60%に相当する電流値200Aを1時間通電したところ、冷却板の上昇温度は0.1Kであり、電極の上昇温度は2Kであった。 Next, the produced superconducting coil was sandwiched by a disk-shaped copper cooling plate having a diameter of 150 mm and a thickness of 10 mm from above and below, and set in an apparatus having the structure shown in FIG. A cooling plate and a cooling block made of aluminum nitride were connected to the refrigerator, temperature sensors were attached to the cooling plate and the electrodes, respectively, and the refrigerator was operated to cool the entire superconducting coil to 30K. In this state, when a current value of 200 A corresponding to 60% of the critical current value of the superconducting coil was energized for 1 hour, the rising temperature of the cooling plate was 0.1 K, and the rising temperature of the electrode was 2 K.
(比較例1)
冷却ブロックをFRP(繊維強化プラスチック;熱伝導率0.8W/m/K(室温)、絶縁破壊電圧1.9MV/cm)製とした以外は、実施例1と同様にして超電導コイルを作製した。作製した超電導コイルを実施例1と同様にして図2に示す装置にセットし、30Kにて通電試験を行ったところ、超電導コイルの臨界電流値の60%の電流を1時間通電した後における冷却板の上昇温度は0.1Kであり、電極の上昇温度は15Kであった。
(Comparative Example 1)
A superconducting coil was produced in the same manner as in Example 1 except that the cooling block was made of FRP (fiber reinforced plastic; thermal conductivity 0.8 W / m / K (room temperature), dielectric breakdown voltage 1.9 MV / cm). . The produced superconducting coil was set in the apparatus shown in FIG. 2 in the same manner as in Example 1, and an energization test was conducted at 30 K. Cooling after energizing 60% of the critical current value of the superconducting coil for 1 hour. The rising temperature of the plate was 0.1K, and the rising temperature of the electrode was 15K.
(比較例2)
冷却ブロックとして、幅30mm、長さ30mm、厚さ10mmの立方体形状の銅製ブロックに、電極接合部と接触する2面を0.5mm厚のポリイミドシート(熱伝導率0.3W/m/K(室温)、絶縁破壊電圧2.8MV/cm)を積層したものを使用し、図5(a)に示す構造となるように電極接合部と銅製ブロックとの間にポリイミドシートが配置されるように固定したこと以外は、実施例1と同様にして超電導コイルを作製した。作製した超電導コイルを実施例1と同様にして図2に示す装置にセットし、30Kにて通電試験を行ったところ、超電導コイルの臨界電流値の60%の電流を1時間通電した後における冷却板の上昇温度は0.1Kであり、電極の上昇温度は7Kであった。
(Comparative Example 2)
As a cooling block, a cube-shaped copper block having a width of 30 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 10 mm is coated with a polyimide sheet (thermal conductivity 0.3 W / m / K ( Room temperature) and a dielectric breakdown voltage of 2.8 MV / cm) are used, and a polyimide sheet is disposed between the electrode joint and the copper block so as to have the structure shown in FIG. A superconducting coil was produced in the same manner as in Example 1 except that it was fixed. The produced superconducting coil was set in the apparatus shown in FIG. 2 in the same manner as in Example 1, and an energization test was conducted at 30 K. Cooling after energizing 60% of the critical current value of the superconducting coil for 1 hour. The rising temperature of the plate was 0.1K, and the rising temperature of the electrode was 7K.
以上の結果より、熱伝導性の絶縁体である窒化アルミニウム製の冷却ブロックを備える実施例1の超電導コイルでは、比較例1、2の超電導コイルと比較して電極の発熱が抑えられていた。 From the above results, in the superconducting coil of Example 1 provided with a cooling block made of aluminum nitride, which is a thermally conductive insulator, heat generation of the electrodes was suppressed as compared with the superconducting coils of Comparative Examples 1 and 2.
本発明は、例えば超電導モータ、限流器など、各種超電導機器に用いられる超電導コイルに利用することができる。 The present invention can be used for a superconducting coil used in various superconducting devices such as a superconducting motor and a current limiting device.
1…超電導線材、1A…超電導線材本体部、1S…周側部、1E…延出部、1K…折り曲げ部、5、5B…電極、5S…周側部、5E…延出部、5K…折り曲げ部、7…電極接合部、9、9B、9C、9D…冷却ブロック、10、10B、10C、10D、10E…超電導コイル、11…基材、12…ベッド層、15…中間層、16…キャップ層、17…酸化物超電導層、18…安定化基層、19…安定化層、20…被覆層、21…第1のコイル体、22…第2のコイル体、30…装置、31…冷却板、32…冷却用ケーブル、33…真空ポンプ、34…電流リード、35…電源、36、37…熱伝道バー、38…冷凍機、39…収容容器、42…固定具、50…装置、100…超電導線材、101…酸化物超電導層、102…シース材。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記超電導線材の巻回終端部が前記コイル体の径方向外側に向かって引き出され、この巻回終端部と重なるように前記電極が前記コイル体の径方向に向いて設置され、
前記冷却ブロックの少なくとも前記電極接合部との接触部分が、熱伝導性の絶縁体よりなることを特徴とする超電導コイル。 A coil body formed by winding a tape-shaped superconducting wire, an electrode electrically connected to the winding end portion of the superconducting wire of the coil body, and the winding end portion of the superconducting wire and the electrode are joined. A cooling block joined to the electrode joint and connected to the refrigerator,
The winding end portion of the superconducting wire is drawn toward the outside in the radial direction of the coil body, and the electrode is installed facing the radial direction of the coil body so as to overlap the winding end portion,
A superconducting coil, wherein at least a contact portion of the cooling block with the electrode joint portion is made of a heat conductive insulator.
前記電極が、前記超電導線材の前記安定化層上に、該安定化層と電気的に接続するように設けられてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の超電導コイル。 The superconducting wire comprises a base material, an oxide superconducting layer provided above the base material, and a stabilization layer provided above the oxide superconducting layer,
The superconductivity according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrode is provided on the stabilization layer of the superconducting wire so as to be electrically connected to the stabilization layer. coil.
最上段および最下段のコイル体において、前記超電導線材の巻回終端部と前記電極とが接合された電極接合部が、前記冷却ブロックを介して前記冷却板に接続されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の超電導コイル。 A plurality of the coil bodies are provided, and adjacent coil bodies are electrically connected to each other and are coaxially stacked, and cooling plates connected to the refrigerator above and below the stacked coil bodies are provided. Arranged,
In the uppermost and lowermost coil bodies, an electrode joint portion in which the winding terminal portion of the superconducting wire and the electrode are joined is connected to the cooling plate via the cooling block. The superconducting coil according to any one of claims 1 to 5.
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