JP2018117042A - 高温超電導永久電流スイッチ及び高温超電導磁石装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そのため、高温超電導線材と一緒にヒーター線を共巻することで、永久電流スイッチ内部の高温超電導線材を均一かつ迅速に温度上昇させる手段が提案されている。
なお、以下の説明において、同一又は類似の構成には同じ符号を付し、重複説明を省略する。
第1の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチについて、図1〜図3を用いて説明する。
まず、本実施形態に係る高温超電導線材1について説明する。
高温超電導線材1は、複数の層からなる薄膜状(テープ状)の積層体からなり、その厚さD1は、例えば約0.1mm〜0.2mmであり、幅W1は、例えば約4mm〜12mmである。
なお、図1の例では、基層2と中間層3との間に配向層6が配置されているが、配向層6は適宜省略してもよい。また、安定化層5も片面のみでもよいし、省略してもよい。
中間層3は拡散防止層であり、基層2中の材料が、超電導層4中に拡散するのを防止する。中間層3の材質は、例えば、酸化セリウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、または、バリウムジルコニア等からなり、基層2上に直接形成されている。
また、高温超電導線材1の周囲をポリエステル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリイミドアミド等の絶縁材で被覆し、絶縁被覆付き高温超電導線材としてもよい。
第1の実施形態における高温超電導永久電流スイッチ50は、図3に示すように、高温超電導線材1、テープ状のヒーター線材8、及び高温超電導線材1とヒーター線材8との電気的絶縁を確保するための第1絶縁材9が共巻された共巻コイル11a、11bから構成される。
巻枠10は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック、補強型PTFE(補強型ポリテトラフルオロエチレン)、又は絶縁被覆された金属等によって構成される。
なお、各共巻コイル11a、11bの外周面及び/又は側面に、温度を均一化するための無酸素銅または高純度アルミニウム等の高熱伝導部材(例えば、高熱伝導板材)を配置してもよい。
上述したように、第1絶縁材9をヒーター線材8に密着被覆したことで、従来の絶縁テープ線を共巻する場合と比較して、第1絶縁材9を含む絶縁層30の厚さを薄くすることができる。これにより高温超電導永久電流スイッチ50を強制的にクエンチさせた場合でも、ジュール発熱はより短時間で隣接する高温超電導線材1又はヒーター線材8に拡散することができるので熱暴走を抑制することが可能となる。
以上説明したように、本第1の実施形態によれば、第1絶縁材9をヒーター線材8に密着被覆したことで、第1絶縁材を破損することなく巻回することができる。これにより第1絶縁材9を含む絶縁層30の厚さを薄く形成することが可能となるため、高温超電導永久電流スイッチ50を強制クエンチさせ、高温超電導線材1を常電導状態に転移させる場合、高温超電導線材1から発生するジュール発熱は、より短時間で隣接する高温超電導線材1又は隣接するヒーター線材8に拡散することが可能となる。その結果、高温超電導永久電流スイッチ50の熱暴走を、より確実に防止することが可能となる。
また、第1の実施形態では、共巻コイル11間のインダクタンスを互いにキャンセルするために、2つの共巻コイル11a、11bを積層する例について説明したが、これに限定されず、共巻コイルの数を、4、6、8等、2以上の偶数としてもよい。
さらに、第1の実施形態では、高温超電導永久電流スイッチ50の形状が円板形状である例について説明したが、レーストラック型、鞍型、楕円型等のように非円形形状であってもよく、さらに任意の3次元形状であってもよい。
第2の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチについて、図4を用いて説明する。
本第2の実施形態では、高温超電導線材1とヒーター線材8との間に配置された絶縁層30の層厚Thを、温度浸透厚さδ以下になるように設定することを特徴とする。
常電導転移温度は高温超電導線材1の材料に依存するが、許容最高温度は少なくとも高温超電導線材1又は共巻コイル11が損傷しない温度に設定される。また、熱拡散係数a (m2/sec)は、絶縁層30を構成する材料の物性値から決定される熱伝導率k(W/(m・K))、比重ρ(kg/m3)、及び比熱c (J/(kg・K))に基づいて、下記式1により求められる。
a = k /(ρc) ・・・(式1)
δ = √(12kt/(ρc) ) = √(12at) ・・・(式2)
一例として、通常運転時の電流値が200A、常電導転移温度が50K、高温超電導線材1の幅が4mmであり、高温超電導線材1を構成する層として安定化層が含まれておらず、また、保護層7の厚さが2μmである場合を想定する。
T’= 50 +qt/ (ρc) …(式3)
そして、上述の式2に、エポキシ樹脂の熱伝導率(例えば、0.18W/(m・K))と、時間t、比熱c、比重ρの値を代入すると、0.04ミリ秒後の温度浸透厚さδ(=8μm)が得られる。
第2の実施形態によれば、高温超電導線材1とヒーター線材8との間に配置された絶縁層30の層厚Thを、許容最高温度に到達しないような温度浸透厚さδ以下になるように設定することで、高温超電導永久電流スイッチを強制クエンチさせても、高温超電導線材1の温度が許容最高温度に達しない。すなわち、高温超電導線材1の温度が許容最高温度に達する前に、高温超電導線材1の熱が、隣接するヒーター線材8又は高温超電導線材1に到達するため、高温超電導永久電流スイッチ全体にジュール発熱を拡散させることができる。これにより、高温超電導線材1に局所的に熱がこもって、高温超電導線材1が熱暴走したり焼損したりするのを未然に防止することができる。
第3の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチ50について、図5を用いて説明する。
本第3の実施形態では、図5に示すように、高温超電導線材1とヒーター線材8との間に配置される絶縁層30に、例えば粒子状の高熱伝導性セラミックス、高熱伝導性プラスチック及び高熱伝導性有機化合物のうちの少なくとも1つからなる粒子状の高熱伝導性物質31を含有させる構成としている。
また、高熱伝導性物質31は、第1絶縁材9及び第2絶縁材20のうちのいずれか一方又は両方に含まれていてもよい。
第3の実施形態では、絶縁層30の中に、複数の粒子状の高熱伝導性物質31を含有させることにより、絶縁層30の熱伝導率を向上させることができる。
第3の実施形態によれば、絶縁層30に高熱伝導性物質31を含有させることで、熱拡散係数を高くすることが可能となるため、高温超電導永久電流スイッチを強制クエンチさせても、ジュール発熱をより短時間で隣接するヒーター線材8または隣接する高温超電導線材1に拡散させることができる。したがって、第3の実施形態では、第1の実施形態または第2の実施形態と比較して、高温超電導永久電流スイッチの熱暴走をより短時間で抑制することが可能である。
第4の実施形態における高温超電導磁石装置70について、図6を用いて説明する。
第4の実施形態における高温超電導磁石装置70は、高温超電導永久電流スイッチ50と、有限のインダクタンスを有し磁場を発生する高温超電導コイル40と、励磁電源42と、高温超電導コイル40を保護する保護抵抗44とを備える。高温超電導永久電流スイッチ50は、上述の第1乃至第3の実施形態のいずれかにおける高温超電導永久電流スイッチによって構成される。
第5の実施形態に係る高温超電導磁石装置70について、図7を用いて説明する。
第5の実施形態では、電気的特性が異なる2つの高温超電導永久電流スイッチ50a、50bが、高温超電導コイル40と電気的に並列接続されている点で、第4の実施形態と異なる。その他の点では第4の実施形態と同様である。
2つの高温超電導永久電流スイッチ50a、50bは、高温超電導線材1における安定化層の有無又は厚さが異なっている点で、電気的特性が相違している。
また、他方の高温超電導永久電流スイッチ50bでは、高温超電導線材1の安定化層は厚く、強制クエンチ時に用いられる。
第5の実施形態では、高温超電導磁石装置70の通常運転時には、温度を変化させる際に安定化層が無いか又は薄い高温超電導永久電流スイッチ50aを使用し、他方、緊急遮断のために高温超電導永久電流スイッチを強制クエンチする際には、安定化層がより厚い高温超電導永久電流スイッチ50bを使用し、高温超電導線材1の温度上昇を小さくする。このように、電気的特性の異なる2つの高温超電導永久電流スイッチ50a、50bを使い分けることにより、高温超電導磁石装置70の様々な制御に好適に対応させることが可能となる。
第5の実施形態によれば、強制クエンチ時には、安定化層がより厚い高温超電導永久電流スイッチ50bを使用することで、高温超電導線材1において発生する発熱密度を低くすることができる。したがって、高温超電導永久電流スイッチを強制クエンチさせても、高温超電導線材1の温度上昇を小さくすることができる。
また、通常運転時には、安定化層が無いか又は薄い高温超電導永久電流スイッチ50aを使用し、これにより、高温超電導永久電流スイッチの熱暴走をより確実に防止することが可能となる。
Claims (11)
- 高温超電導線材とヒーター線材とが共巻された共巻コイルを有する高温超電導永久電流スイッチであって、
前記ヒーター線材の周囲を第1絶縁材からなる絶縁層で被覆したことを特徴とする高温超電導永久電流スイッチ。 - 前記第1絶縁材からなる絶縁層の厚みを、前記高温超電導線材が許容最高温度に達しない温度浸透厚さ以下とすることを特徴とする請求項1記載の高温超電導永久電流スイッチ。
- 前記第1絶縁材に高熱伝導性物質を含有させたことを特徴とする請求項1又は2記載の高温超電導永久電流スイッチ。
- 前記第1絶縁材からなる絶縁層及び前記高温超電導線材の周囲の少なくとも一部に導電性樹脂からなる第2絶縁材を充填したことを特徴とする請求項1記載の高温超電導永久電流スイッチ。
- 前記第1絶縁材及び第2絶縁材からなる絶縁層の厚みを、前記高温超電導線材が許容最高温度に達しない温度浸透厚さ以下とすることを特徴とする請求項4記載の高温超電導永久電流スイッチ。
- 前記第1絶縁材及び/又は前記第2絶縁材に高熱伝導性物質を含有させたことを特徴とする請求項4又は5記載の高温超電導永久電流スイッチ。
- 前記温度浸透厚さは、前記高温超電導線材が常電導転移温度から許容最高温度に達するまでの時間をt、前気絶縁層の熱拡散係数をaとしたとき、√(12at)であることを特徴とする請求項2乃至6のいずれかに記載の高温超電導永久電流スイッチ。
- 前記共巻コイルを軸方向に複数積層するとともに、各共巻コイルは相互のインダクタンスがキャンセルするように巻回されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の高温超電導永久電流スイッチ。
- 前記ヒーター線材の代わりに高温超電導線材の周囲を第1絶縁材からなる絶縁層で被覆したことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の高温超電導永久電流スイッチ。
- 請求項1乃至9のいずれかに記載の高温超電導永久電流スイッチに並列に接続された高温超電導コイルと、前記高温超電導コイルに接続された励磁電源及び保護抵抗を有することを特徴とする高温超電導磁石装置。
- 電気的特性の異なる複数の高温超電導永久電流スイッチを直列に配置したことを特徴とする請求項10記載の高温超電導磁石装置。
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