JP2021039978A - High-temperature superconducting coil - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、積層された薄層から構成されてテープ状に成形された高温超電導線を用いた高温超電導コイルに関する。 An embodiment of the present invention relates to a high-temperature superconducting coil using a high-temperature superconducting wire composed of laminated thin layers and formed into a tape shape.
近年、レアアース(RE:Rear Earth)を含む(RE)Ba2Cu3Oz系(ここで、z=6.2〜7であり、REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd及びHoから選択された少なくとも1種以上の元素を示す。)を用いたREBCO線材を代表とする高温超電導線材を用いた高温超電導コイルの研究が盛んにされている。特に、厚さ百μm程度の基板上に、複数の種類の層を形成して作製される高温超電導線は、高磁場下での電流容量が大きいという特性がある。よって、高磁場を発生させるために必要な高い電流密度および高い許容応力を有する高温超電導コイルの実現が期待されている。 In recent years, a (RE) Ba2Cu3Oz system containing rare earths (REs) (where z = 6.2-7, where RE is at least one selected from Y, Nd, Sm, Eu, Gd and Ho). Research on high-temperature superconducting coils using high-temperature superconducting wires typified by REBCO wires using (indicating elements of more than one species) has been actively conducted. In particular, a high-temperature superconducting wire produced by forming a plurality of types of layers on a substrate having a thickness of about 100 μm has a characteristic of having a large current capacity under a high magnetic field. Therefore, it is expected to realize a high-temperature superconducting coil having a high current density and a high allowable stress required to generate a high magnetic field.
実用される高温超電導コイルの形成方法は、高温超電導線の巻回方法の違いによっていくつかに大別することができる。 Practical methods for forming high-temperature superconducting coils can be roughly classified into several methods depending on the method of winding the high-temperature superconducting wire.
これらの形成方法で代表的なものに、高温超電導線を同心円状に巻回した径の異なる複数のパンケーキコイルを同一平面内に配置し、一方の径の小さなコイルは他方の径の大きなコイルの内側に位置し、径の小さなコイルの外周と径の大きなコイルの内周との間に金属板が架設されて、電気的に接続される。 As a typical example of these forming methods, a plurality of pancake coils having different diameters in which high-temperature superconducting wires are wound concentrically are arranged in the same plane, and one coil having a small diameter is a coil having a large diameter. A metal plate is erected between the outer circumference of the coil having a small diameter and the inner circumference of the coil having a large diameter, and is electrically connected.
この金属板によって接続された全てのパンケーキコイルは、超電導電流が通流する1つの経路を形成している。 All the pancake coils connected by this metal plate form one path through which the superconducting current flows.
高温超電導線は、また、高温超電導線長手方向に高い外力をかけても超電導特性が失われないという特徴もある。一方、この高温超電導線は、上述した複数の層の積層方向にかかる外力に対しては脆弱であり、微小な外力で容易に超電導特性を劣化させてしまう。 The high-temperature superconducting wire is also characterized in that the superconducting characteristics are not lost even when a high external force is applied in the longitudinal direction of the high-temperature superconducting wire. On the other hand, this high-temperature superconducting wire is vulnerable to the external force applied in the stacking direction of the plurality of layers described above, and the superconducting characteristics are easily deteriorated by a minute external force.
例えば、高温超電導線に局部的に曲げ応力がかかった場合、容易に層の剥離や層の破断が発生して、超電導特性が低下する。 For example, when a bending stress is locally applied to a high-temperature superconducting wire, the layer is easily peeled off or the layer is broken, and the superconducting characteristics are deteriorated.
従来から、高温超電導線の始端に接続する電極を巻枠に固定するなどして、高温超電導線が不要に歪むことを防止する工夫がなされている。 Conventionally, a device has been devised to prevent the high-temperature superconducting wire from being unnecessarily distorted by fixing an electrode connected to the starting end of the high-temperature superconducting wire to a winding frame.
しかしながら、径方向に複数配置されたコイル間の高温超電導線に金属板を架設する場合、金属板の周縁周辺の高温超電導線が劣化するという課題があった。 However, when a metal plate is erected on a high-temperature superconducting wire between a plurality of coils arranged in the radial direction, there is a problem that the high-temperature superconducting wire around the periphery of the metal plate deteriorates.
高温超電導線にかかる応力は、金属板が接合されている部分と接合されていない部分との境界である金属板の周縁で不連続になる。この場合、高温超電導線のうちこの周縁の近傍が微小に変形するなどして、応力が周縁周辺に集中する。 The stress applied to the high-temperature superconducting wire becomes discontinuous at the peripheral edge of the metal plate, which is the boundary between the portion where the metal plate is joined and the portion where the metal plate is not joined. In this case, the stress is concentrated around the peripheral edge of the high-temperature superconducting wire due to slight deformation in the vicinity of the peripheral edge.
上述したように、高温超電導線は、層の積層方向の応力に脆弱であるので、この応力によって高温超電導線の層の剥離や破断が発生するおそれがある。つまり、高温超電導線に金属板が架設されることで、金属板をはんだ付けする際の熱応力または冷却時の応力集中等により、金属板の周縁周辺の高温超電導線が劣化する可能性がある。このような劣化は、特に積層体の最上層または最下層に貼り合される安定化層が薄く形成されている場合に顕著となる。 As described above, the high-temperature superconducting wire is vulnerable to stress in the layer stacking direction, and this stress may cause peeling or breakage of the layer of the high-temperature superconducting wire. In other words, when a metal plate is erected on the high-temperature superconducting wire, the high-temperature superconducting wire around the periphery of the metal plate may deteriorate due to thermal stress when soldering the metal plate or stress concentration during cooling. .. Such deterioration becomes remarkable especially when the stabilizing layer bonded to the uppermost layer or the lowermost layer of the laminated body is thinly formed.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、少なくとも高温超電導層を含む積層体で構成される高温超電導線が巻回されてなる径の異なるコイルが径方向に複数配置された高温超電導コイルにおいて、コイルの周縁における金属板の架設による高温超電導線の耐劣化性能を向上させた高温超電導コイルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and at least a high temperature in which a plurality of coils having different diameters formed by winding a high temperature superconducting wire composed of a laminated body including a high temperature superconducting layer are arranged in the radial direction. It is an object of the present invention to provide a high-temperature superconducting coil having improved deterioration resistance performance of a high-temperature superconducting wire due to erection of a metal plate on the periphery of the coil.
本実施形態にかかる高温超電導コイルは、少なくとも高温超電導層を含む積層体で構成される高温超電導線が巻回されてなる径の異なるコイルが径方向に複数配置された高温超電導コイルにおいて、内側からn番目(ただし、nは1以上の自然数)のコイルの最外周の外表面もしくはn+1番目のコイルの最内周の内表面の少なくともどちらか一方に貼り合される可撓性を有する導体の補強線材と、内側からn番目のコイルの最外周およびn+1番目のコイルの最内周を補強線材に架設される可撓性を有する金属板と、を備えることを特徴とする。 The high-temperature superconducting coil according to the present embodiment is a high-temperature superconducting coil in which a plurality of coils having different diameters formed by winding a high-temperature superconducting wire composed of a laminated body including at least a high-temperature superconducting layer are arranged in the radial direction from the inside. Reinforcement of a flexible conductor that is attached to at least one of the outermost outer surface of the nth coil (where n is a natural number of 1 or more) or the innermost inner surface of the n + 1th coil. It is characterized by comprising a wire rod and a flexible metal plate in which the outermost outer circumference of the nth coil from the inside and the innermost circumference of the n + 1st coil are erected on the reinforcing wire rod.
本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、少なくとも高温超電導層を含む積層体で構成される高温超電導線が巻回されてなる径の異なるコイルが径方向に複数配置された高温超電導コイルにおいて、コイルの周縁における金属板の架設による高温超電導線の耐劣化性能を向上させた高温超電導コイルを提供することにある。 The embodiment of the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and at least coils having different diameters formed by winding a high-temperature superconducting wire composed of a laminated body including a high-temperature superconducting layer are arranged in the radial direction. It is an object of the present invention to provide a high-temperature superconducting coil having a plurality of arranged high-temperature superconducting coils having improved deterioration resistance performance of the high-temperature superconducting wire due to the erection of a metal plate on the peripheral edge of the coil.
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態) (First Embodiment)
図1は、第1実施形態にかかる同一平面内で径方向に接続した大きさの異なるパンケーキコイルを示す高温超電導コイルの斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view of a high-temperature superconducting coil showing pancake coils having different sizes connected in the radial direction in the same plane according to the first embodiment.
第1実施形態にかかる高温超電導コイル10は、図1に示されるように、2つの径の異なる巻枠9に巻き回されて積層され基板を含む積層体である高温超電導線2から成るパンケーキコイル1(1a、1b)を同一平面内に配置し、一方の径が小さなパンケーキコイル(内側からn番目(ただし、nは1以上の自然数)のパンケーキコイル)1aは別の径が大きなパンケーキコイル(n+1番目のパンケーキコイル)1bの内側に位置しており、径が小さなパンケーキコイル1aの最外周と径が大きなパンケーキコイル1bの最内周との間を、巻枠9の一部に配置された導電体部6から可撓性を有する導体の補強線材3を介して金属板4によって電気的に接続されている。
As shown in FIG. 1, the high-temperature
そして、巻回されて対向する高温超電導線2の対向面間の間隙に接着材が配置され、この接着材は、フッ素樹脂テープ、パラフィン、グリース、シリコンオイルからなる群より選ばれた少なくとも一種で構成され離形層が形成されて、高温超電導線2の対向面への接着力を抑制する離形処理が施されている。
Then, an adhesive is arranged in the gap between the facing surfaces of the high-temperature
なお、この補強線材3は、金属板4よりもパンケーキコイル1の径方向の厚さが薄く構成され、積層体の積層方向にかかる剥離応力に対する超電導特性の低下比率がパンケーキコイル1を構成する高温超電導線2と比較して低い高温超電導線材としても良い。そして、この高温超電導線材はビスマス系超電導線材で構成されても良い。また、パンケーキコイル1を構成する積層体の両端(積層体の積層方向に垂直な方向の端部)の層は、常電導体で組成される安定化層であり、積層体の両端の安定化層は、互いに電気的に接続されている。
The reinforcing
図2は、第1実施形態にかかる高温超電導コイル10におけるパンケーキコイル1aとパンケーキコイル1b間の接続部を示す要部拡大平面図である。
FIG. 2 is an enlarged plan view of a main part showing a connection portion between the
金属板4は大きな曲率部4aと小さな曲率部4bとを組み合わせた形状であり、これにより金属板4は超電導コイル10間の接続方向に対して可撓性を有している。また、金属板4の大きな曲率部4aの表面には高温超電導線材5を沿わせて貼り合わせている。
The
高温超電導コイル10を冷却すると熱収縮によりパンケーキコイル11間接続部には、パンケーキコイル1aの表面の高温超電導線2に対して剥離方向の力が作用して超電導特性の劣化の原因となるが、金属板4はパンケーキコイル1間の接続方向に対して可撓性を有することから、上記の剥離方向の力を緩和することでパンケーキコイル1における高温超電導線2の超電導特性の劣化を防止することが出来る。
When the high-temperature
また、この補強線材3の端辺は、パンケーキコイル1の径方向に対して端部に向けて細くテーパが設けられている。このテーパは、外表面と接触する補強線材3を最大表面積とする複数の補強線材3が積層されて形成されている。
Further, the end side of the reinforcing
さらに、この補強線材3の端辺は、パンケーキコイル1の巻回軸方向に対して勾配を有する構成としても良く、補強線材3のパンケーキコイル1の周方向の長さは、金属板4の周方向の長さよりも長く設定しても良い。さらにまた、高温超電導線2の側面のうち基板に関して高温超電導層と反対側の側面に補強線材3を設けている。
Further, the end side of the reinforcing
これは、径が小さなパンケーキコイル1aの最外周表面の高温超電導線2に対して剥離方向の力を徐々に伝達させることによって、より剥離方向の力を緩和することができるからである。
This is because the force in the peeling direction can be further relaxed by gradually transmitting the force in the peeling direction to the high-temperature
さらに、金属板4が可撓性を有するためには金属板4の断面積を小さく設定する必要がある。金属板4の断面積が小さくなると電気抵抗が高くなるため、金属板4のみでパンケーキコイル1aおよびパンケーキコイル1b間を接続して通電すると発熱量が大きくなり、発熱量によっては温度上昇によりパンケーキコイル1の超電導状態が維持できなくなることもある。しかし、本実施形態では金属板4の表面に高温超電導線材5を貼り付けているため、高温超電導線材5に電気が迂回して電気抵抗を低くすることが出来る。
Further, in order for the
また、上述した補強線材3および金属板4の少なくとも一方は、可撓性および電気抵抗を低く抑えるためにインジウム、銅、銀、金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の少なくとも1つの材料から選択されて構成され、この補強線材3および金属板4は一体に形成されていても良い。
Further, at least one of the reinforcing
以上より、本実施形態の手法を用いることで、パンケーキコイル1aおよびパンケーキコイル1b間の接続部における電気抵抗を低く抑えつつ、接続部が可撓性を有することで熱収縮によって高温超電導線2の表面に発生する剥離力を緩和することでパンケーキコイル1における高温超電導線2の超電導特性の劣化を防止するという、2つの効果を両立することが可能となる。
From the above, by using the method of the present embodiment, the electric resistance at the connection portion between the
なお、本実施形態においてパンケーキコイル1(1a、1b)を同一平面内に配置している例で示したが、内外パンケーキコイルにおいて段差を有して上面から見て重ならない状態であれば同一平面内と見なして本実施例にかかる金属板4を使用しても同様の効果を有することができる。
In this embodiment, the pancake coils 1 (1a, 1b) are arranged in the same plane, but if the inner and outer pancake coils have a step and do not overlap when viewed from the upper surface. The same effect can be obtained even if the
(第2実施形態) (Second Embodiment)
図3から図5は、各々第2実施形態にかかる高温超電導コイル10におけるパンケーキコイル1aとパンケーキコイル1b間の接続部を示す要部拡大平面図である。なお、図3から図5において図2と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。
3 to 5 are enlarged plan views of main parts showing the connection portion between the
第1実施形態においては図2で示すように、金属板4が大きな曲率部4aと小さな曲率部4bとを組み合わせた形状である場合について示したが、第2実施形態においては図3に示すように、曲線部7aと直線部7bとを組み合わせた形状の金属板7として構成され、直線部7bの表面に高温超電導線材5を沿わせて貼り合わせてもよい。
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the case where the
また、第2実施形態の変形例として、図4に示すように、曲線部7aと直線部7bとを組み合わせた可撓部の形状を増やして金属板7として構成し、直線部7bの表面に高温超電導線材5を沿わせて貼り合わせてもよい。
Further, as a modification of the second embodiment, as shown in FIG. 4, the shape of the flexible portion in which the
さらに、第2実施形態の第2変形例として、図5に示すように、屈曲部8aと直線部8bとを組み合わせた形状の金属板8で構成され、直線部8bの表面に高温超電導線材5を沿わせて貼り合わせてもよい。
Further, as a second modification of the second embodiment, as shown in FIG. 5, a
上記構成によって、本発明の第2実施形態においても、第1実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。 With the above configuration, the same actions and effects as those of the first embodiment can be obtained in the second embodiment of the present invention.
(第3実施形態) (Third Embodiment)
図6は、第3実施形態にかかる超電導コイルにおけるパンケーキコイル間の接続部を示す要部拡大平面図である。なお、図6において、図2と同一の構成には同一の符号を付してその構成の説明は省略する。 FIG. 6 is an enlarged plan view of a main part showing a connection portion between pancake coils in the superconducting coil according to the third embodiment. In FIG. 6, the same configurations as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and the description of the configurations will be omitted.
第1実施形態においては図2で示すように、金属板4表面の両面に高温超電導線材5を沿わせて貼り合わせた場合について示したが、第3実施形態においては、接続部の材料の関係等、電気抵抗が低く上昇温度が低い場合には、図6のように金属板4表面の片面に高温超電導線材5を沿わせて貼り合わせてもよい。
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, a case where the high-
上記構成によって、本発明の第3実施形態においても、第1実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。 With the above configuration, the same actions and effects as those of the first embodiment can be obtained in the third embodiment of the present invention.
(第4実施形態) (Fourth Embodiment)
図7は、第4実施形態にかかる同一平面内で径方向に接続した大きさの異なるコイルを示す高温超電導コイルの斜視図である。 FIG. 7 is a perspective view of a high-temperature superconducting coil showing coils having different sizes connected in the radial direction in the same plane according to the fourth embodiment.
第4実施形態にかかる高温超電導コイル11は、図1に示されるように、2つの径の異なる巻枠9に巻き回された高温超電導線2から成るコイル12(12a、12b)を同一平面内に配置し、一方の径が小さなコイル(内側からn番目(ただし、nは1以上の自然数)のコイル)12aは別の径が大きなコイル(n+1番目のコイル)12bの内側に位置しており、径が小さなコイル12aの最外周と径が大きなコイル12bの最内周との間を、巻枠9の一部に配置された導電体部6から可撓性を有する導体の補強線材3を介して金属板4によって電気的に接続されている。
As shown in FIG. 1, the high-
超電導コイル11を構成するコイル12は、図7に示すレーストラック型形状に限らず、鞍型形状、複数の曲線もしくは直線を組み合わせた2次元または3次元形状を含むコイルに適用してもよい。
The
よって、本発明の第4実施形態においても、パンケーキコイル以外のコイルにおいて、実施形態1から3の構成は適用でき、第1実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。 Therefore, also in the fourth embodiment of the present invention, the configurations of the first to third embodiments can be applied to the coils other than the pancake coil, and the same actions and effects as those of the first embodiment can be obtained.
なお、上記実施形態においてコイルを同一平面内に配置している例で示したが、内外コイルにおいて段差を有して上面から見て重ならない状態であれば同一平面内と見なして本実施例にかかる金属板4を使用しても同様の効果を有することができる。
In addition, although the example in which the coils are arranged in the same plane in the above embodiment is shown, if the inner and outer coils have a step and do not overlap when viewed from the upper surface, they are regarded as in the same plane and in this embodiment. The same effect can be obtained by using such a
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、組み合わせを行うことができる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention.
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。 These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1(1a、1b)…パンケーキコイル、2…高温超電導線、3…補強線材、4(4a、4b)…金属板、5…高温超電導線材、6…導電体部、7(7a、7b)…金属板、8(8a、8b)…金属板、9…巻枠、10…高温超電導コイル、11…高温超電導コイル、12(12a、12b)…コイル。 1 (1a, 1b) ... Pancake coil, 2 ... High-temperature superconducting wire, 3 ... Reinforcing wire, 4 (4a, 4b) ... Metal plate, 5 ... High-temperature superconducting wire, 6 ... Conductor, 7 (7a, 7b) ... metal plate, 8 (8a, 8b) ... metal plate, 9 ... winding frame, 10 ... high-temperature superconducting coil, 11 ... high-temperature superconducting coil, 12 (12a, 12b) ... coil.
Claims (17)
内側からn番目(ただし、nは1以上の自然数)のコイルの最外周の外表面もしくはn+1番目のコイルの最内周の内表面の少なくともどちらか一方に貼り合される可撓性を有する導体の補強線材と、
内側からn番目のコイルの最外周およびn+1番目のコイルの最内周を補強線材に架設される可撓性を有する金属板と、を備えることを特徴とする高温超電導コイル。 In a high-temperature superconducting coil in which a plurality of coils having different diameters formed by winding a high-temperature superconducting wire composed of a laminate including at least a high-temperature superconducting layer are arranged in the radial direction.
A flexible conductor that is attached to at least one of the outermost outer surface of the nth coil (where n is a natural number of 1 or more) or the innermost inner surface of the n + 1th coil from the inside. Reinforcing wire and
A high-temperature superconducting coil comprising: a flexible metal plate in which the outermost circumference of the nth coil from the inside and the innermost circumference of the n + 1st coil are erected on a reinforcing wire rod.
前記高温超電導線の側面のうち前記基板に関して前記高温超電導層と反対側の側面に前記補強線材を設ける請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の高温超電導コイル。 The laminate includes a substrate as a layer and
The high-temperature superconducting coil according to any one of claims 1 to 12, wherein the reinforcing wire is provided on the side surface of the high-temperature superconducting wire opposite to the high-temperature superconducting layer with respect to the substrate.
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