JP2021015833A - 超電導コイル及び超電導コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルを焼損させる熱暴走を防止できると共に、超電導コイルを短時間に消磁させることができること。【解決手段】超電導線材が巻き回されて巻回径方向に積層されることで形成され、一対の巻線側面１９を備えた巻線部材１２と、巻線部材の巻線第１側面１９Ａに設けられ、異なるターンの超電導線材を電気的に接続する迂回路２５と、巻線部材の巻線第２側面１９Ｂの少なくとも一部に設けられ、巻線部材と熱的に接触するヒータ２７と、を有して構成されたものである。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は超電導コイル、及びこの超電導コイルが複数積層された超電導コイルユニットに関する。

超電導線材は、極低温に冷却し超電導状態とすることでジュール熱を発生させずに電流を流すことができる。超電導線材をコイル化して得られる超電導コイルは、主に超電導磁石として用いられる。超電導線材には超電導状態の維持が可能な電流密度、温度及び磁場の範囲、即ち臨界電流密度、臨界温度及び臨界磁場があるため、超電導状態になって電気抵抗がほぼゼロになっても、無限に電流を流せるわけではない。

電流密度、温度及び磁場のいずれかがこれらの臨界値を越えると、超電導線材は常電導状態に転移する。常電導転移した箇所に電流が流れると、ジュール熱によってコイルの温度が上昇し、超電導線材を焼損させる熱暴走が発生する恐れがある。焼損した超電導線材は、再度冷却しても超電導状態とはならないため、超電導コイルとして復旧不可能になってしまう。よって、超電導コイルには、熱暴走を防止するための対策が必要になる。

そこで、超電導コイルの異なるターンの超電導線材同士をターン間で迂回路により短絡させることで、常電導転移した部分に流れる電流を、異なるターンの超電導線材に迂回させることができる。電流が常電導転移箇所を迂回することで、常電導転移箇所での局所的な発熱を抑制して、超電導コイルを熱暴走から保護することが可能になる。このようにして、超電導コイルの焼損による超電導磁石の故障を防ぐことができる。

一方、超電導磁石を運転中に、超電導磁石に磁性体が引き寄せられるなどの事故が発生した場合には、直ちに発生磁場をゼロにする必要がある。従って、定格運転中の超電導コイルを通常よりも短い時間で消磁する「緊急消磁」を行えることが好ましい。

特開２０１７−１０３３５２号公報

上述のように、超電導コイルの側面に迂回路を設けることにより異なるターンの超電導線材同士を電気的に接続する技術が開示されている。この技術では、超電導線材にて常電導転移が生じたときに、超電導線材に流れている電流の一部が迂回路へ流れ、迂回路を通じて別の超電導線材へ流れることにより超電導コイルの熱暴走を防ぐことが可能になる。

しかしながら、上述の開示技術では、コイルターン間が電気的に短絡することで、電流が超電導線材と迂回路からなる閉ループを流れることになり、超電導コイルの消磁に長い時間を要するという課題がある。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、超電導コイルを焼損させる熱暴走を防止できると共に、超電導コイルを短時間に消磁させることができる超電導コイル及び超電導コイルユニットを提供することを目的とする。

本発明の実施形態における超電導コイルは、超電導線材が巻き回されて巻回径方向に積層されることで形成され、一対の側面を備えた巻線部材と、前記巻線部材の前記側面の一方に設けられ、異なるターンの前記超電導線材を電気的に接続する迂回路と、前記巻線部材の前記側面の他方の少なくとも一部に設けられ、前記巻線部材と熱的に接触するヒータと、を有して構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態における超電導コイルユニットは、前記発明の実施形態における超電導コイルが、その巻回軸方向に沿って複数積層されて構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、超電導コイルを焼損させる熱暴走を防止できると共に、超電導コイルを短時間に消磁させることができる。

第１実施形態に係る超電導コイルを示す斜視図。 図１のII−II線のコイル経方向に沿う断面を含む図１の超電導コイルを示す斜視図。 図１の超電導コイルを構成する高温超電導線材（薄膜線材）の一部破断状態で示す斜視図。 図２のＸ部を拡大して示すコイル経方向に沿う断面図。 図２及び図４のヒータの周方向形状を示す超電導コイルの底面図。 一般的な超電導コイルを具備する超電導装置の電源駆動モードを説明する回路図。 一般的な超電導コイルを具備する超電導装置の永久電流モードを説明する回路図。 図１の超電導コイルを具備する超電導装置の電源駆動モードにおける通常運転状態を説明する回路図。 図１の超電導コイルを具備する超電導装置の電源駆動モードにおける遮断動作状態を説明する回路図。 第２実施形態に係る超電導コイルを示す底面図。 第３実施形態に係る超電導コイルユニットのコイル径方向に沿う部分断面図。 第３実施形態に係る超電導コイルユニットの他の形態をコイル径方向に切断して示す断面図。 第４実施形態に係る超電導コイルユニットのコイル経方向に沿う部分断面図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜９）
図１は、第１実施形態に係る超電導コイルを示す斜視図である。また、図２は、図１のII−II線のコイル経方向に沿う断面を含む図１の超電導コイルを示す斜視図である。これらの図１及び図２に示す第１実施形態を含めた各実施形態の超電導コイルは、高温超電導線材または低温超電導線材から構成されるが、高温超電導線材を用いた場合を一例として説明する。

図１及び図２に示す超電導コイル１０は、高温超電導線材としての薄膜線材１１(図３)が巻枠１３に巻き回されることで、巻回軸Ｏの方向に貫通する空間を有するパンケーキ状の巻線部材１２を形成することにより構成される。薄膜線材１１を同心円状に巻き回してパンケーキ状に形成されたコイルをパンケーキコイルと呼ぶ。なお、図１では１枚のパンケーキ状に形成されたいわゆるシングルパンケーキコイルを図示しているが、２枚のパンケーキ状に形成されたいわゆるダブルパンケーキコイルとしても良い。ただし、以下では、特に高い効果を発揮するシングルパンケーキを用いた場合を説明する。

高温超電導線材は、図３に示されるように、一般に薄膜状の層が積層されたテープ形状の薄膜線材１１として構成される。この薄膜線材１１は、例えばレアメタル酸化物（ＲＥ酸化物）からなる超電導層１６を含むＲＥＢＣＯ線材などの線材である。

薄膜線材１１は、例えば、ニッケル基合金、ステンレスまたは銅などの高強度の金属材質である基板９と、この基板９の上に形成される中間層１５と、この中間層１５を基板９の表面に配向させるマグネシウムなどからなる配向層１４と、中間層１５の上に形成される酸化物でできた超電導層１６と、銀、金または白金などで組成される保護層１７と、銅またはアルミニウムなどの良伝導性金属である安定化層１８と、を有して構成される。

中間層１５は、基板９と超電導層１６の熱収縮の際に起因する熱歪みを防止する。保護層１７は、超電導層１６に含まれる酸素が超電導層１６から拡散することを防止して、超電導層１６を保護している。安定化層１８は、超電導層１６への過剰通電電流の迂回経路となって熱暴走を防止する。ただし、薄膜線材１１を構成する各層の種類及び数はこれに限定されるものではない。

巻線部材１２は、図２に示すように、薄膜線材１１が巻き回されて巻回径方向(つまりコイル径方向)に積層されることで形成され、一対の巻線側面１９(巻線第１側面１９Ａ、巻線第２側面１９Ｂ)を有する。また、超電導コイル１０では、隣接するターンの薄膜線材１１同士の間隙をコイルターン間隙と呼ぶ。図４に示すように、隣接するターンの薄膜線材１１の間には、コイルターン間隙の絶縁のために絶縁性部材２０が挿入される。絶縁性部材２０としては、例えばポリイミド等により形成された絶縁性のテープが好適に用いられる。テープ状の絶縁性部材２０は、薄膜線材１１と共巻することによりコイルターン間に挿入される。

超電導コイル１０は、エポキシ樹脂などの粘着性を有する絶縁材料で含浸されることもある。粘着性のある絶縁材料で含浸されることにより、超電導コイル１０内の隣接する薄膜線材１１と絶縁性部材２０とが固着され、超電導コイル１０の熱伝導度及び機械的強度が向上する。なお、エポキシ樹脂などの粘着性を有する絶縁材料もターン間に挿入されることで絶縁性部材２０として働き得るが、超電導コイル１０のターン間の確実な絶縁のためには、テープ状の絶縁性部材２０により確実にコイルターン間を絶縁することが好ましい。

超電導コイル１０を含めた一般的な超電導コイル１００は、図６及び図７に示すように超電導コイル用電源２１に接続され、この超電導コイル用電源２１から常に電流が供給された状態で運転するいわゆる電源駆動モードでの運転(図６)と、超電導コイル１００(超電導コイル１０を含む)の両端が永久電流スイッチ２２により短絡された状態で運転されるいわゆる永久電流モードでの運転(図７)とがある。

緊急消磁の際、電源駆動モードの場合には、遮断スイッチ２３をＯＦＦ操作し、外部保護抵抗２４と超電導コイル１００(超電導コイル１０を含む)とを閉ループに形成することで、超電導コイル１００に蓄積されたエネルギーを外部保護抵抗２４にてジュール熱として消費する。一方、永久電流モードの場合には、永久電流スイッチ２２をＯＦＦ操作して外部保護抵抗２４と超電導コイル１００(超電導コイル１０を含む)とを閉ループに形成することで、超電導コイル１００に蓄積されたエネルギーを外部保護抵抗２４にてジュール熱として消費する。

以下、このように超電導コイル用電源２１を回路から切り離したり、永久電流スイッチ２２をＯＦＦ操作したりすることで、外部保護抵抗２４と超電導コイル１００(超電導コイル１０を含む)とを閉ループに形成することを「遮断動作」と呼ぶ。

図１及び図２に示す超電導コイル１０は、特に図４に示すように、一対の巻線側面１９の一方（巻線第１側面１９Ａ）に、超電導コイル１０内の異なるターンの薄膜線材１１同士を電気的に接続する迂回路２５が設けられる。この迂回路２５の材料は、通常運転時においての超電導コイル１０の抵抗より大きく、且つ超電導コイル１０の常電導転移時の抵抗よりも小さい抵抗の材料が選択される。この材料は例えば、銅、ステンレス、アルミもしくはインジウムなどの常電導金属、半導体、導電性プラスチック、セラミックス材、導電性樹脂または超電導材料などである。また、グラファイト、炭素繊維または炭素繊維複合材などのカーボン材料なども迂回路２５の材料として好適に用いることができる。

これらの迂回路２５の材料は、板材または箔などにして圧着またはハンダ接続などにより電気的に巻線部材１２に接続される。また、迂回路２５の材料を薄膜線材１１の巻線第１側面１９Ａにメッキまたは塗布して迂回路２５を形成してもよい。特に、メッキによって迂回路２５を形成すると、迂回路２５を薄くすることができ、超電導コイル１０の自由な変形を阻害しない。

迂回路２５の外側には巻線側面絶縁材２６が設けられる。この巻線側面絶縁材２６は、迂回路２５を介して超電導コイル１０の外に電流が流出するのを防止する。また、巻線側面絶縁材２６は、超電導コイル１０をエポキシ樹脂などの粘着性を有する絶縁材料で含浸する場合や、迂回路２５として導電性樹脂を用いる場合には、それらの樹脂が硬化するまでの間、樹脂の形状を保つ機能を果たす。

薄膜線材１１では、通電電流の限界である臨界電流に近づくにつれ、徐々に外部磁場が侵入し、超電導状態が局所的に破壊された部分が常電導転移する。この局所的な常電導転移に伴うフラックスフロー抵抗は、ジュール損失による発熱を発生する。この発熱により超電導コイル１０の温度が局所的に上昇すると、フラックスフロー抵抗が増大し、それに伴いジュール損失による発熱が増大して、超電導コイル１０の温度がさらに上昇する。このように、局所的な常電導転移に伴うフラックスフロー抵抗の発生は、超電導コイル１０の局所的な温度上昇を招き、超電導コイル１０の熱暴走の原因になる。

超電導コイル１０の巻線部材１２における異なるターンの薄膜線材１１と迂回路２５とが電気的に接続されることによって、薄膜線材１１の一部で、常電導転移によりフラックスフロー抵抗が局所的に発生したとき、図４に示すように、超電導コイル１０の周方向に流れていた通電電流Ｉの一部Ｉ´が、迂回路２５を介して他ターンのコイル径方向の薄膜線材１１へ迂回する。これにより、局所的に常電導状態に転移した常電導転移箇所２８に多量の通電電流Ｉが流れてジュール熱が発生する事態が抑制されるので、熱暴走の発生が抑制される。

ここで、超電導コイル１０のコイル径方向に迂回する電流の大きさについて、図８を用いて説明する。超電導コイル１０の周方向に流れていた通電電流Ｉの一部Ｉ´が、迂回路２５を介して他のターンの薄膜線材１１に迂回したとき、超電導コイル１０の周方向に流れる通電電流はＩからＩ−Ｉ´に減少する。このとき、迂回路２５を経てコイルターン間を迂回する迂回電流Ｉ´は、コイルターン間の抵抗(つまり迂回路２５の抵抗)をＲ´とし、フラックスフロー抵抗をＲとすると、Ｒ／(Ｒ＋Ｒ´)に比例する。よって、フラックスフロー抵抗Ｒが増大すればするほど、より多くの迂回電流Ｉ´が迂回路２５を経てコイル径方向に迂回することになる。これにより、局所的に常電導状態に転移した常電導転移箇所２８に多量の通電電流Ｉが流れることを未然に防止でき、熱暴走等の発生が抑制される。

また、図２及び図４に示すように、超電導コイル１０では、巻線側面１９の迂回路２５が設けられていない他方の側面（巻線第２側面１９Ｂ）にヒータ２７が設けられている。このヒータ２７は、例えば高抵抗の金属や細線化した金属を絶縁材で被覆した構造をしており、図示しない外部電源により通電することでジュール熱を発生させる。超電導コイル１０の軸長を小さくするために、ヒータ２７はシート状に加工するのが好ましい。このヒータ２７は巻線部材１２に熱的に直接接触していてもよく、また巻線側面絶縁材２６を介して巻線部材１２に熱的に間接に接触してもよい。

ヒータ２７により発生したジュール熱は巻線部材１２の温度を上昇させて、この巻線部材１２を構成する薄膜線材１１の一部を常電導転移させる。薄膜線材１１の一部をより短時間に常電導転移させるためには、図５のように、ヒータ２７を巻線第２側面１９Ｂの限られた範囲(例えば内周側部分)に設けることで、巻線第２側面１９Ｂの単位面積を通って巻線部材１２に印加される熱量を大きくしてもよい。その際、ヒータ２７は、超電導コイル１０の巻線部材１２における薄膜線材１１の臨界温度が低い部分、つまり巻線第２側面１９Ｂの内周側部分に設けられることが好ましい。更に、ヒータ２７は、超電導コイル１０の周方向に沿って環状に形成されることで、巻線部材１２の巻線第２側面１９Ｂにおいて巻線部材１２の巻回軸Ｏに関して点対称な位置に設けられる。

図９に示すように、遮断スイッチ２３のＯＦＦ操作による遮断動作時に超電導コイル１０を流れる電流Ｉｏは、超電導コイル１０の巻線部材１２の薄膜線材１１と迂回路２５とからなる閉ループを流れ、超電導コイル１０のインダクタンスをＬとすると、減衰時定数τ＝Ｌ／(Ｒ＋Ｒ´)で減衰していく。この遮断動作の後にヒータ２７により巻線部材１２に熱を与えるとフラックスフロー抵抗Ｒが増大して、減衰時定数τが短くなり、超電導コイル１０が短時間に消磁する。

つまり、図４に示すように、超電導コイル１０の遮断動作の後に、ヒータ２７の加熱により超電導コイル１０の巻線部材１２の薄膜線材１１を常電導転移させることで、この常電導に転移した部分を流れる電流が多量のジュール熱を発生させ、超電導コイル１０に蓄積されたエネルギーを速やかに消費することが可能になる。この際、ヒータ２７と巻線部材１２間の熱抵抗を、巻線側面絶縁材２６の厚さを調整することで小さくすれば、ヒータ２７の熱により超電導コイル１０の巻線部材１２の薄膜線材１１の温度を素早く上昇させて、超電導コイル１０をより一層短時間に消磁させることが可能になる。

ところで、ヒータ２７は、超電導コイル１０における巻線部材１２の巻線側面１９のうち、迂回路２５が設けられた巻線第１側面１９Ａとは反対側の巻線第２側面１９Ｂに設置されている。これにより、ヒータ２７と巻線部材１２間の熱抵抗は、迂回路２５を流れる迂回電流Ｉ´（即ち、後述の迂回路２５の電気抵抗）に対する影響を考慮することなく独立して設定することが可能になり、また、迂回路２５は、その超電導コイル１０の巻回軸Ｏ方向の熱抵抗（即ち、後述の迂回路厚さＴ）のヒータ２７に対する影響を考慮することなく、超電導コイル１０の焼損防止に十分な迂回電流Ｉ´を確保可能に設定される。

つまり、超電導コイル１０の焼損を防ぐために十分な迂回電流Ｉ´(図８)の値は、超電導コイル１０の電流密度や蓄積エネルギーの違いにより異なる。迂回路２５を介して巻線部材１２のコイルターン間を迂回する迂回電流Ｉ´の大きさをコントロールする場合、この迂回電流Ｉ´は、図８に示すように、Ｒ／(Ｒ＋Ｒ´)に比例する。

このうち、薄膜線材１１の経験磁場や温度によって変化するフラックスフロー抵抗Ｒをコントロールすることは困難である。また、迂回路２５の抵抗Ｒ´は、図４及び図５に示すコイルターン間の距離Ｍ、コイル周長Ｃ、迂回路厚さＴ、迂回路２５の抵抗率ρを用いて、Ｒ´＝ρ×Ｍ÷(Ｃ×Ｔ)で表される。ここで、コイルターン間の距離Ｍとコイル周長Ｃは、超電導コイル１０の内径及び外径で決まる値であり、また、迂回路２５の抵抗率ρは、迂回路２５の材料の特性によって決まる。従って、迂回路２５の抵抗Ｒ´を連続的に変化させることが可能なパラメータは迂回路厚さＴとなる。

仮に、ヒータ２７が迂回路２５の外側に設けられた場合、迂回路厚さＴを２倍にすると迂回路２５の抵抗Ｒ´は１／２倍になり、迂回電流Ｉ´の値を２倍にすることができるが、同時に、迂回路２５における巻回軸Ｏ方向の熱抵抗の値が２倍になって、ヒータ２７に対して不利になってしまう。逆に、迂回路２５における巻回軸Ｏ方向の熱抵抗の値を１／２倍にするために迂回路厚さＴを１／２倍にすると、迂回路２５のコイル径方向の電気抵抗が２倍になって、迂回電流Ｉ´の値が１／２倍になり、超電導コイル１０の焼損を防止するために不十分になってしまう。

そこで、本第１実施形態の超電導コイル１０では、迂回路２５が設けられる巻線第１側面１９Ａとは反対側の巻線第２側面１９Ｂにヒータ２７を設け、巻線部材１２とヒータ２７間の熱抵抗の値を、巻線部材１２とヒータ２７間に介在される巻線絶縁材２６の厚さで調整している。これにより、ヒータ２７と巻線部材１２間の熱抵抗の値は、迂回路２５の迂回路厚さＴに依存することなく、従って、迂回電流Ｉ´に対して独立に設定される。また、迂回路２５における巻回軸Ｏ方向の熱抵抗（即ち、迂回路厚さＴ）のヒータ２７に対する影響を考慮する必要がないので、迂回電流Ｉ´は超電導コイル１０の焼損防止に十分な値に確保される。これらの結果、巻線部材１２とヒータ２７間の熱抵抗と迂回電流Ｉ´とを適切な値に両立することが可能になる。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。
（１）図２及び図４に示すように、薄膜線材１１が巻き回され積層されて形成される巻線部材１２の巻線第１側面１９Ａに設けられた迂回路２５は、巻線部材１２を形成する薄膜線材１１の異なるターンを電気的に接続している。このため、薄膜線材１１に常電導転移箇所２８が局所的に生じた場合に、薄膜線材１１を流れる電流が迂回路２５を経て異なるターンのコイル径方向の薄膜線材１１に流れることで、常電導転移箇所２８に多量の電流が流れることを未然に防止できる。この結果、超電導コイル１０を焼損させる熱暴走の発生を防止できる。

（２）薄膜線材１１が巻き回され積層されて形成される巻線部材１２の巻線第２側面１９Ｂには、巻線部材１２と熱的に接触するヒータ２７が設けられている。このため、遮断スイッチ２３による遮断動作の後にヒータ２７の熱によって、巻線部材１２の薄膜線材１１を昇温させて常電導転移させることで、超電導コイル１０のフラックスフロー抵抗Ｒが増大する。この結果、超電導コイル１０の電流の減衰時定数τ を短くすることができ、超電導コイル１０を短時間に消磁させることができる。

（３）超電導コイル１０は、上述の(１)及び(２)に述べたように、巻線部材１２の巻線第１側面１９Ａに迂回路２５が、巻線第１側面１９Ａとは反対側の巻線第２側面１９Ｂにヒータ２７がそれぞれ設けられている。このため、迂回路２５は、ヒータ２７のための巻回軸Ｏ方向の熱抵抗を考慮することなく迂回路厚さＴを設定して、迂回路２５を流れる迂回電流Ｉ´の値を決定できるので、超電導コイル１０の通常運転時における熱暴走を確実に防止できる。また、ヒータ２７は、迂回路２５の存在を考慮することなく、ヒータ２７と巻線部材１２との間の熱抵抗を設定できるので、超電導コイル１０の遮断動作の後に、ヒータ２７の熱により巻線部材１２の薄膜線材１１を迅速に常電導に転移させて、超電導コイル１０を短時間に消磁させることができる。

（４）図４及び図５に示すように、ヒータ２７は、超電導コイル１０の巻線部材１２における巻線第２側面１９Ｂの少なくとも一部、例えば巻線第２側面１９Ｂの限られた範囲に熱的に接触して設けられる。このため、巻線第２側面１９Ｂの単位面積当たりに付与される熱量が大きくなり、巻線部材１２の薄膜線材１１の一部を短時間で常電導転移させることができる。また、ヒータ２７は、超電導コイル１０の巻線部材１２における巻線第２側面１９Ｂの内周側部分に設けられている。この巻線第２側面１９Ｂの内周側部分は、巻線部材１２を形成する薄膜線材１１の臨界温度が超電導コイル１０内で低く、常電導転移し易い箇所である。これにより、ヒータ２７は、超電導コイル１０において常電導転移し易い箇所を迅速に常電導転移させることができる。

これらの結果、ヒータ２７は、超電導コイル１０の遮断動作の後に超電導コイル１０を迅速に常電導に転移させて、超電導コイル１０のフラックスフロー抵抗Ｒを短時間に増大させ、これにより、超電導コイル１０の電流の減衰時定数τをより短くすることで、超電導コイル１０をより一層短時間に消磁させることができる。

［Ｂ］第２実施形態（図１０）
図１０は、第２実施形態に係る超電導コイルを示す底面図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態の超電導コイル３０が第１実施形態と異なる点は、ヒータ３１が巻線部材１２の巻線第２側面１９Ｂにおける内周側に、巻線部材１２の周方向に分割して複数設置され、それぞれが超電導コイル３０（巻線部材１２）の巻回軸Ｏに関して対称な位置に設けられた点である。

超電導コイル３０には、通常運転時に、自らが発生する磁場によって電磁力が作用する。この超電導コイル３０の発生磁場が通常運転時に超電導コイル３０の巻回軸Ｏに関して対称であるから、電磁力は、超電導コイル３０の周方向に均一に作用しており、超電導コイル３０の周方向の張力（フープ力）となる。

図９に示す遮断スイッチ２３のＯＦＦ操作による超電導コイル３０の遮断動作の後に、超電導コイル３０の巻線部材１２の薄膜線材１１と迂回路２５との閉ループに電流Ｉ_０が流れる際に、仮に、ヒータ３１により常電導に転移した部分が超電導コイル３０（巻線部材１２）の巻回軸Ｏに関して非対称な位置に存在すると、超電導コイル３０の発生磁場も超電導電導コイル３０の巻回軸Ｏに関する対称性が失われて、超電導コイル３０の周方向に不均一な電磁力が作用することになる。この状態で超電導コイル３０に作用する電磁力が設計の範囲を超えると、超電導コイル３０の巻線部材１２の薄膜線材１１が劣化して、超電導コイル３０が焼損する恐れがある。

これに対し、本第２実施形態の超電導コイル３０は、第１実施形態の効果（１）〜（４）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。

（５）超電導コイル３０では、ヒータ３１が巻線部材１２の周方向に分割して複数配置され、それぞれのヒータ３１が、超電導コイル３０（巻線部材１２）の巻回軸Ｏに関して対称な位置に設けられている。このため、超電導コイル３０の遮断動作の後にヒータ３１から超電導コイル３０の巻線部材１２に付与される熱量によって巻線部材１２の薄膜線材１１に生ずる常電導転移部分は、巻線部材１２の巻回軸Ｏに関して対称な位置になる。この結果、超電導コイル３０に、周方向に不均一な電磁力が作用することを防止できるので、超電導コイル３０の焼損を未然に防止できる。

［Ｃ］第３実施形態（図１１及び図１２）
図１１は、第３実施形態に係る超電導コイルユニットのコイル径方向に沿う部分断面図である。この第３実施形態において第１及び第２実施形態と同様な部分については、第１及び第２実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第３実施形態の超電導コイルユニット３５は、第１または第２実施形態の複数の超電導コイル１０または３０が、それらの巻回軸Ｏ方向に沿って積層されて構成されたものである。

つまり、超電導コイルユニット３５は、図１１に示すように、超電導コイル１０または３０が巻回軸Ｏ方向に沿って積層されて構成される。超電導コイルユニット３５は、第１または第２実施形態の超電導コイル１０または３０のみを積層することが好ましいが、一部が、ヒータ２７または３１が設けられていない超電導コイルであってもよい。また、巻回軸Ｏ方向に隣り合う超電導コイル１０または３０で１つのヒータ２７または３１を共有してもよい。

更に、積層されて隣接する超電導コイル１０または３０間の巻回軸Ｏ方向の距離は任意であり、これらの各距離が異なっていてもよい。また、図１２のように、複数の超電導コイル１０または３０を組み合わせた超電導コイルユニット３５を更に複数個巻回軸Ｏ方向に組み合わせることで、いわゆるマルチコイル配置の超電導コイルユニット３６としてもよい。

また、図１１に示す超電導コイルユニット３５を構成する各超電導コイル１０または３０では、これらの超電導コイル１０または３０に設けられた迂回路２５の電気抵抗値と、ヒータ２７または３１の容量（発熱量）との少なくとも一方は、超電導コイル１０または３０毎に調整可能に構成される。

つまり、超電導コイルユニット３５の各超電導コイル１０または３０では、通電電流Ｉにより発生した磁場Ｂの強度及び向きは各位置により異なる。具体的には、通常、超電導コイルユニット３５の両端に位置する超電導コイル１０または３０では、磁場Ｂの剥離方向（すなわち、コイル径方向）の成分が最大になるため、この両端に位置する超電導コイル１０または３０は、臨界電流値Ｉｃが低く、常電導転移し易い。従って、臨界電流値Ｉｃが低い超電導コイル１０または３０ほど、迂回路２５の電気抵抗を小さな値に設定して迂回路２５に電流を流し易くするなど、それぞれの超電導コイル１０または３０で迂回路２５の電気抵抗を異なる値に調整して、各超電導コイル１０または３０で迂回する通電電流Ｉの値を変更してもよい。

また、超電導コイルユニット３５の各超電導コイル１０または３０では、ヒータ２７または３１の容量（発熱量）を超電導コイル１０または３０毎に異なる値に調整して、超電導コイル１０または３０のフラックスフロー抵抗Ｒの値を変更し、これにより、超電導コイル１０または３０の電流の減衰時定数τを調整してもよい。

以上のように構成されたことから、本第３実施形態においても、第１及び第２実施形態の効果（１）〜（５）と同様な効果を奏するほか、次の効果（６）及び（７）を奏する。

（６）超電導コイル１０または３０が巻回軸Ｏ方向に積層されて構成された超電導コイルユニット３５では、各超電導コイル１０または３０に設けられた迂回路２５の電気抵抗値が超電導コイル１０または３０毎に調整可能に構成されている。従って、臨界電流値Ｉｃが低くなる超電導コイルユニット３５の両端に位置する超電導コイル１０または３０における迂回路２５の電気抵抗Ｒ´の値を、他の超電導コイル１０または３０の迂回路２５よりも小さく設定することで、迂回路２５を流れる迂回電流値Ｉ´を大きくすることができる。これにより、超電導コイルユニット３５の両端に位置する超電導コイル１０または３０の巻線部材１２における薄膜線材１１の常電導転移を防止して、この超電導コイル１０または３０を焼損させる熱暴走を防止できる。

（７）超電導コイル１０または３０が巻回軸Ｏ方向に積層されて構成された超電導コイルユニット３５では、各超電導コイル１０または３０に設けられたヒータ２７または３１の容量（発熱量）が、超電導コイル１０または３０毎に調整可能に構成された場合に、超電導コイル１０または３０を短時間に消磁させることができる。

つまり、特に前述の（６）の如く、超電導コイルユニット３５の両端に位置する超電導コイル１０または３０において迂回路２５の電気抵抗Ｒ´の値が小さく設定されて、超電導コイルユニット３５の両端に位置するそれぞれの超電導コイル１０または３０の電流の減衰時定数τが長く設定されてしまった場合には、それらの超電導コイル１０または３０のヒータ２７または３１の容量（発熱量）を超電導コイル１０または３０毎に調整する。これにより、超電導コイル１０または３０の遮断動作の後に巻線部材１２の薄膜線材１１の温度を上昇させて、超電導コイル１０または３０のフラックスフロー抵抗Ｒの値を大きく設定する。この結果、超電導コイル１０または３０の電流の減衰時定数τを短く調整して、超電導コイルユニット３５の両端に位置する超電導コイル１０または３０を短時間に消磁させることができる。

［Ｄ］第４実施形態（図１３）
図１３は、第４実施形態に係る超電導コイルユニットのコイル経方向に沿う部分断面図である。この第４実施形態において第１〜第３実施形態と同様な部分については、第１〜第３実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第４実施形態の超電導コイルユニット４０は、第１または第２実施形態の超電導コイル１０または３０が、それらの巻回軸Ｏ方向に沿って積層されて構成されると共に、各超電導コイル１０または３０の積層方向中央位置で且つその積層方向に直交する面（以下、対称面４１と称する）に関して対称な位置に存在する超電導コイル１０または３０では、内径、外径及びターン数、並びにヒータ２７または３１の位置及び形状が等しく構成された点である。

特に、超電導コイルユニット４０における各超電導コイル１０または３０に設けられたヒータ２７または３１が、超電導コイルユニット４０の対称面４１に関して対称に配置されたことで、ヒータ２７または３１の発熱により超電導コイル１０または３０の巻線部材１２の薄膜線材１１に生ずる常電導に転移する部分も、超電導コイルユニット４０の対称面４１に関して対称な位置に略同時に発生する。

以上のように構成されたことから、本第４実施形態によれば、第１〜第３実施形態の効果（１）〜（７）と同様な効果を奏するほか、次の効果（８）を奏する。

（８）超電導コイルユニット４０における各超電導コイル１０または３０に設けられたヒータ２７または３１が、超電導コイルユニット４０の対称面４１に関して対称に配置されている。これにより、ヒータ２７または３１の発熱により超電導コイルユニット４０を構成する各超電導コイル１０または３０の巻線部材１２の薄膜線材１１に生ずる常電導に転移する部分も、超電導コイルユニット４０の対称面４１に関して対称な位置に同時に発生する。この結果、超電導コイルユニット４０に生ずる電磁力の対称面４１に関するバランスが保持されるので、超電導コイルユニット４０を構成する超電導コイル１０または３０の焼損を未然に防止できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図１及び図２では、迂回路２５及びヒータ２７が設けられた巻線部材１２の形状がいわゆるパンケーキ形状の超電導コイル１０を例示したが、巻線部材１２の形状が非円形に巻き回したレーストラック型、鞍型、楕円またはソレノイド型の超電導コイルであっても本発明を適用することができる。

１０…超電導コイル、１１…薄膜線材（超電導線材）、１２…巻線部材、１９…巻線側面、１９Ａ…巻線第１側面（側面の一方）、１９Ｂ…巻線第２側面（側面の他方）、２５…迂回路、２７…ヒータ、２８…常電導転移箇所、３０…超電導コイル、３１…ヒータ、３５、４０…超電導コイルユニット、Ｏ…巻回軸

Claims (6)

1. 超電導線材が巻き回されて巻回径方向に積層されることで形成され、一対の側面を備えた巻線部材と、
   前記巻線部材の前記側面の一方に設けられ、異なるターンの前記超電導線材を電気的に接続する迂回路と、
   前記巻線部材の前記側面の他方の少なくとも一部に設けられ、前記巻線部材と熱的に接触するヒータと、を有して構成されたことを特徴とする超電導コイル。
2. 前記ヒータは、巻線部材の側面の他方の少なくとも一部であって、超電導線材の臨界温度が超電導コイル内で低くなる箇所に熱的に接触して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記ヒータは、巻線部材の巻回軸に関して対称な位置に設けられた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. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導コイルが、その巻回軸方向に沿って複数積層されて構成されたことを特徴とする超電導コイルユニット。
5. 前記超電導コイルに設けられた迂回路の電気抵抗値とヒータの容量との少なくとも一方が、前記超電導コイル毎に調整可能に構成されたことを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルユニット。
6. 前記超電導コイルに設けられたヒータは、前記超電導コイルの積層方向中央位置で且つ前記積層方向に直交する面に関して対称な位置に配置されたことを特徴とする請求項４または５に記載の超電導コイルユニット。

Images