JP5127527B2 - Superconducting coil device - Google Patents

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Description

本発明は、超電導線材をコイル状に巻線したパンケーキコイルを積層した超電導コイルを有する超電導コイル装置に関する。   The present invention relates to a superconducting coil device having a superconducting coil in which pancake coils obtained by winding a superconducting wire in a coil shape are stacked.

超電導装置は、例えば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)、超電導限流器などの種々の用途に用いられる。超電導装置には、テープ状の超電導線材を巻線したパンケーキコイルを、複数個積層して構成された超電導コイルを用いることが知られている(例えば特許文献1参照)。特許文献1の超電導コイルは、端部のパンケーキコイルにおいて超電導線材の例えばテープ幅を大きくして断面積を変え、臨界電流を確保していた。   The superconducting device is used for various applications such as a magnetic resonance imaging diagnostic device (MRI), a superconducting magnetic energy storage device (SMES), and a superconducting current limiter. It is known to use a superconducting coil formed by laminating a plurality of pancake coils wound with a tape-shaped superconducting wire in a superconducting device (see, for example, Patent Document 1). In the superconducting coil of Patent Document 1, in the pancake coil at the end, for example, the tape width of the superconducting wire is increased to change the cross-sectional area to ensure the critical current.

一方、この超電導線材は種々の方法により作製される。近年、磁場中の臨界電流密度特性などに優れた、イットリウム系超電導体に代表される、基材上に高度に2軸配向した超電導薄膜を成長させた超電導線材、いわゆるコーティッドコンダクタの開発が進められており、実用化の段階にまで到達している。また、特にナノドットやナノロッドに代表される人工ピンの技術により、臨界電流密度の磁場角度依存性を低減した材料の超電導線材も提案されている。   On the other hand, this superconducting wire is produced by various methods. In recent years, the development of so-called coated conductors, which are superconducting wires made by growing highly biaxially oriented superconducting thin films, such as yttrium-based superconductors, which have excellent critical current density characteristics in a magnetic field, have been promoted. It has reached the stage of practical use. In addition, a superconducting wire made of a material in which the dependence of the critical current density on the magnetic field angle is reduced by an artificial pin technique represented by nanodots and nanorods has been proposed.

このような超電導線材(コーティッドコンダクタ)は、テープ状の形態をしているため、コイル状に巻線した場合にテープ面に垂直な磁場成分Bが大きく印加される部位では、大きな交流損失が発生するという問題がある。そして、コーティッドコンダクタの交流損失低減のための手段としては、線材にスリットを入れて有効的な線材幅を低減する方法が考案されていた(例えば特許文献2参照)。このような構成にすることにより、確かに交流損失低減の効果は確認されている。
特開平7−142245号公報 特開2005−85612号公報
Since such a superconducting wire (coated conductor) has a tape-like form, when it is wound in a coil shape, a large AC loss occurs at a site where a large magnetic field component B⊥ is applied perpendicular to the tape surface. There is a problem that occurs. As a means for reducing the AC loss of the coated conductor, a method of reducing the effective wire width by putting a slit in the wire has been devised (see, for example, Patent Document 2). With such a configuration, the effect of reducing AC loss has been confirmed.
Japanese Patent Laid-Open No. 7-142245 JP-A-2005-85612

しかしながら、上記特許文献2における、スリットを入れたコーティッドコンダクタの作製には、スリットを入れるための手間が余計にかかってしまい、コイル製作コストが増大してしまうという問題がある。また、スリットを入れた場合にはコイル内部でスリットにより分断された超電導素線間の超電導線材内での相対的な位置を入れ替える転移という処置を行わなければならず、この点もコイルの構成を複雑にするためにコイル製作コストを増大させてしまう。   However, the manufacture of a coated conductor with a slit in the above-mentioned Patent Document 2 has a problem that the labor for inserting the slit is excessive and the coil manufacturing cost increases. In addition, when a slit is inserted, it is necessary to carry out a treatment of changing the relative position in the superconducting wire between the superconducting wires separated by the slit inside the coil. To increase complexity, the coil manufacturing cost is increased.

さらには、コーティッドコンダクタにスリットを入れた場合、線材としての臨界電流が低下するという問題が生じた。これは、コーティッドコンダクタを構成する超電導層の不均一性が一つの原因である。超電導層の一部に非超電導部位あるいは低臨界電流密度部位があった場合、スリットを入れない状態では、流路中に岩が突出した川に流れる水のように、電流は非超電導部位あるいは低臨界電流密度部位を回避して流れることにより、電流の流れは維持される。一方、スリットを入れて有効的な線材幅を狭くした場合については、スリットにより分断された超電導素線と同サイズの非超電導部位あるいは低臨界電流密度部位があった場合は、その素線に流れる電流は迂回できないため、線材の長手方向に一箇所でも上述の非超電導部位あるいは低臨界電流密度部位があれば、その部位の臨界電流以上の電流は流れないことになる。特に非超電導部位が存在した場合には、その素線に電流は全く流れない。   Furthermore, when a slit is formed in the coated conductor, there arises a problem that the critical current as the wire is lowered. This is partly due to the non-uniformity of the superconducting layer constituting the coated conductor. If there is a non-superconducting part or a low critical current density part in a part of the superconducting layer, the current will flow to the non-superconducting part or low, like water flowing in a river with rocks protruding in the channel, without slits. By flowing around the critical current density site, the current flow is maintained. On the other hand, when the effective wire width is narrowed by inserting a slit, if there is a non-superconducting part or low critical current density part of the same size as the superconducting element parted by the slit, it flows to that element. Since the current cannot be bypassed, if there is at least one non-superconducting portion or low critical current density portion in the longitudinal direction of the wire, current exceeding the critical current at that portion does not flow. In particular, when there is a non-superconducting portion, no current flows through the element wire.

このような非超電導部位あるいは低臨界電流密度部位がスリットにより分断された各超電導素線に一箇所ずつでも存在した場合には、その超電導線材全体の臨界電流もかなり低下してしまう結果になる。このような非超電導部位あるいは低臨界電流密度部位が出現する確率は線材長が長いほど高くなるため、大型の超電導コイルほどこの問題は大きくなる。   If such a non-superconducting part or a low critical current density part is present in each superconducting wire segmented by a slit, the critical current of the entire superconducting wire is considerably reduced. Since the probability that such a non-superconducting part or a low critical current density part appears is higher as the wire length is longer, this problem becomes larger as the superconducting coil is larger.

一方、近年、上述したようにコーティッドコンダクタやナノドット等を用いた超電導線材のように磁気電流特性に優れた超電導線材が開発されているが、未だ、研究段階にあり、これを超電導コイル装置に適用し実用化した例はない。   On the other hand, in recent years, superconducting wires with excellent magnetic current characteristics such as superconducting wires using coated conductors and nanodots have been developed as described above, but they are still in the research stage, and they are used in superconducting coil devices. There are no examples of application and practical application.

本発明者等は、上記課題に着目し、超電導線材をコイル状に巻線したパンケーキコイルからなる超電導コイル装置に磁気電流特性に優れた超電導線材を適用することにより、非常に簡便で、確実に臨界電流を確保し、かつ交流損失を低減することができることを新たに見出した。   The present inventors pay attention to the above-mentioned problems, and by applying a superconducting wire material excellent in magnetic current characteristics to a superconducting coil device comprising a pancake coil in which a superconducting wire is wound in a coil shape, it is very simple and reliable. It was newly found that a critical current can be secured and AC loss can be reduced.

したがって、本発明は、超電導線材をコイル状に巻線したパンケーキコイルからなる超電導コイル装置において、より簡便で、より確実に超電導コイルの臨界電流を確保し、かつ交流損失を低減することができる超電導コイルを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention is a superconducting coil device comprising a pancake coil in which a superconducting wire is wound in a coil shape, and can more easily and more reliably secure the critical current of the superconducting coil and reduce the AC loss. An object is to provide a superconducting coil.

上記課題を解決するため、本発明の超電導コイル装置は、所定幅のテープ状の超電導線材を同一方向に巻線したパンケーキコイルを、前記パンケーキコイルの幅方向に複数個積層して構成された超電導コイルを有する超電導コイル装置において、前記超電導線材は、臨界電流密度の磁場角度依存性を低減した材料からなり、両端部に配置されたパンケーキコイルを構成する超電導線材の幅を、他に配置されたパンケーキコイルを構成する超電導線材の幅よりも狭くしたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a superconducting coil device according to the present invention is configured by laminating a plurality of pancake coils each having a tape-shaped superconducting wire having a predetermined width wound in the same direction in the width direction of the pancake coil. In the superconducting coil device having a superconducting coil, the superconducting wire is made of a material that reduces the dependence of the critical current density on the magnetic field angle, and the width of the superconducting wire constituting the pancake coil disposed at both ends is It is characterized by being narrower than the width of the superconducting wire constituting the arranged pancake coil.

本発明によれば、超電導コイルの径方向の磁場成分が大きいコイル端部に配置するパンケーキコイルのみ幅の狭い超電導線材で巻線するだけで、非常に簡便で確実に、臨界電流を確保し、かつ交流損失を低減することができる。   According to the present invention, only the pancake coil disposed at the end of the coil having a large magnetic field component in the radial direction of the superconducting coil is wound with the superconducting wire having a narrow width, so that the critical current can be secured very simply and reliably. In addition, AC loss can be reduced.

以下、本発明に係る高温超電導コイル装置の実施形態を図面及び図面に付した符号を引用して説明する。
[第一の実施形態]
本実施形態の高温超電導コイルは、パンケーキコイルを複数個積層して構成されている。パンケーキコイルは、金属基材の片面に中間層を介して超電導層及び導電性金属層を順に積層形成してなるテープ状の超電導線材を巻線している。超電導層は、銅酸化物系超電導体であり、当該超電導体を構成する元素には、Y,Gd,Nd,Ho,Dy,Ty,Er,Tm,Yb,Eu,Sm,Pr,Ce,La,Sc,Tb,Luのいずれかの少なくとも1種類が含まれている。
Embodiments of the high-temperature superconducting coil device according to the present invention will be described below with reference to the drawings and the reference numerals attached to the drawings.
[First embodiment]
The high-temperature superconducting coil of this embodiment is configured by stacking a plurality of pancake coils. The pancake coil is formed by winding a tape-shaped superconducting wire formed by sequentially laminating a superconducting layer and a conductive metal layer on one side of a metal substrate via an intermediate layer. The superconducting layer is a copper oxide based superconductor, and the elements constituting the superconductor include Y, Gd, Nd, Ho, Dy, Ty, Er, Tm, Yb, Eu, Sm, Pr, Ce, La. , Sc, Tb, and Lu are included.

まず、高温超電導コイルの臨界電流について説明する。
本発明では、高温超電導線材として、臨界電流密度の磁場角度依存性を低減した材料を用いている。
First, the critical current of the high temperature superconducting coil will be described.
In the present invention, a material in which the dependence of the critical current density on the magnetic field angle is reduced is used as the high-temperature superconducting wire.

これまでの高温超電導線材では、コイル端部はテープ面に垂直な磁場成分が大きいため、相対的に臨界電流密度が小さくなり、端部のパンケーキコイルの線材幅を狭くすることは臨界電流値の観点から困難であった。しかし、特にナノドットやナノロッドに代表される人工ピンを導入したRE系のコーティッドコンダクタの場合には、磁場に対する臨界電流の異方性が大きく改善されているため、線材のテープ面に垂直な磁場成分B(超電導結晶のc軸に平行な磁場成分)が印加された場合についても、テープ面に平行な磁場成分が印加された場合の臨界電流に比較して大きな相違が見られなくなっている。 In conventional high-temperature superconducting wires, the coil end has a large magnetic field component perpendicular to the tape surface, so the critical current density is relatively small, and reducing the wire width of the end pancake coil is the critical current value. It was difficult from the point of view. However, especially in the case of RE coated conductors with artificial pins typified by nanodots and nanorods, the critical current anisotropy with respect to the magnetic field has been greatly improved. Even when the component B (magnetic field component parallel to the c-axis of the superconducting crystal) is applied, there is no significant difference compared to the critical current when the magnetic field component parallel to the tape surface is applied. .

このようにRE系のコーティッドコンダクタの場合、ナノドットやナノロッドに代表される人工ピンを導入すれば、臨界電流の磁場角度依存性が大幅に改善されて低くなり、従来のようにBに対して大幅に臨界電流が低下することがなくなった。従来のNbTi、NbSnなどのように臨界電流値が磁場の絶対値に依存する傾向に近づいており、磁場の絶対値が中央部より相対的に小さなコイル端部では、臨界電流密度が高く、臨界電流値を大きくすることができる。このためコイル端部では、線材幅が関与する超電導層の断面積も磁場の絶対値の大きなコイル中央部より小さくしても臨界電流が確保され、問題がなくなった。 In this way, in the case of RE-based coated conductors, if artificial pins typified by nanodots and nanorods are introduced, the magnetic field angle dependence of critical current is greatly improved and reduced as compared with B as in the past. As a result, the critical current is not greatly reduced. Like the conventional NbTi, Nb 3 Sn, etc., the critical current value tends to depend on the absolute value of the magnetic field, and the critical current density is high at the coil end where the absolute value of the magnetic field is relatively smaller than the central part. The critical current value can be increased. For this reason, even if the cross-sectional area of the superconducting layer related to the wire width is made smaller at the coil end portion than that at the coil central portion where the absolute value of the magnetic field is large, the critical current is secured and the problem is eliminated.

図1は、パンケーキコイルを複数積層して構成した高温超電導コイルに発生する磁場φと臨界電流密度(単位テープ幅あたりのIc)を説明する図である。
すべてのパンケーキコイルに流れる電流は等しいので、磁場が低く臨界電流密度が高ければテープ幅を狭くすることができることを示している。
FIG. 1 is a diagram illustrating a magnetic field φ and a critical current density (Ic per unit tape width) generated in a high-temperature superconducting coil configured by stacking a plurality of pancake coils.
The current flowing through all pancake coils is equal, indicating that the tape width can be narrowed if the magnetic field is low and the critical current density is high.

図2は、パンケーキコイルへの通電電流を考慮した臨界電流と最低限必要となるテープ幅の関係を示したグラフである。
パンケーキコイルに加わる磁場の値がコイル毎に異なるため、臨界電流Icとテープ幅との関係(傾き)もそれぞれ異なることを示している。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the critical current in consideration of the energization current to the pancake coil and the minimum required tape width.
Since the value of the magnetic field applied to the pancake coil is different for each coil, the relationship (inclination) between the critical current Ic and the tape width is also different.

図3は、本発明の第一の実施形態における高温超電導コイルを示す図である。(a)は高温超電導コイルの全体を示し、(b)は端部に配置されたパンケーキコイルを示し、(c)は端部以外に配置されたパンケーキコイルを示す。
本実施形態の高温超電導コイルは、2種類のシングルパンケーキコイルを複数個、例えば合計8個積層して構成されている。
FIG. 3 is a diagram showing the high-temperature superconducting coil in the first embodiment of the present invention. (A) shows the whole high temperature superconducting coil, (b) shows the pancake coil arrange | positioned at the edge part, (c) shows the pancake coil arrange | positioned other than an edge part.
The high-temperature superconducting coil of this embodiment is configured by stacking a plurality of, for example, a total of eight types of two types of single pancake coils.

2種類のパンケーキコイルのうちパンケーキコイル1は、コイル高さが相対的に低く、幅の狭い高温超電導線材3で巻線されており、他方のパンケーキコイル2は、コイル高さが相対的に高く、相対的に幅の広い高温超電導線材4で巻線されている。8枚のパンケーキコイルを積層する際に、幅の狭い高温超電導線材3で作製したパンケーキコイル1は、当該高温超電導コイルの端部に配置され、端部以外の部分に関しては、幅の広い高温超電導線材4で作製したパンケーキコイル2が配置されている。   Of the two types of pancake coils, the pancake coil 1 has a relatively low coil height and is wound with a narrow high-temperature superconducting wire 3, and the other pancake coil 2 has a relative coil height. It is wound with a high temperature superconducting wire 4 that is relatively high and relatively wide. When laminating eight pancake coils, the pancake coil 1 made of the narrow high-temperature superconducting wire 3 is arranged at the end of the high-temperature superconducting coil, and the portions other than the end are wide. A pancake coil 2 made of the high temperature superconducting wire 4 is disposed.

次に、高温超電導コイルの交流損失について説明する。
図4は、高温超電導コイルでのパンケーキコイルの位置とそのパンケーキコイルで発生する交流損失の相対量を示したグラフである。
Next, the AC loss of the high temperature superconducting coil will be described.
FIG. 4 is a graph showing the position of the pancake coil in the high-temperature superconducting coil and the relative amount of AC loss generated in the pancake coil.

コイル端部は、コイル径方向の磁場成分(高温超電導線材3のテープ面に垂直に印加される磁場成分B)が大きく、ヒステリシス損失は主にはBの値に比例する。このため、コイル端部に配置されたパンケーキコイルほど、発生するヒステリシス損失は相対的に大きな値になる。 The coil end portion has a large magnetic field component in the coil radial direction (magnetic field component B 印 加 applied perpendicular to the tape surface of the high-temperature superconducting wire 3), and the hysteresis loss is mainly proportional to the value of B . For this reason, the hysteresis loss which generate | occur | produces becomes a relatively large value, so that the pancake coil arrange | positioned at the coil edge part.

図4において、すべてのパンケーキコイルに使用する高温超電導線材の幅が同じ場合の交流損失である。ここで、パンケーキコイル内部で発生するヒステリシス損失は、線材幅にほぼ比例する(超電導線材の幅を半減すれば、交流損失はほぼ半減する)ので、端部に配置されたパンケーキコイルの線材幅を低減できれば、交流損失低減には非常に有効であるといえる。図1に示したようにコイル端部に配置するパンケーキコイルのみ幅の狭い超電導線材を用いることにより、コイル特性を損なうことなく交流損失を簡便でかつ確実に低減することができる。   In FIG. 4, it is an alternating current loss when the widths of the high-temperature superconducting wires used for all pancake coils are the same. Here, the hysteresis loss generated inside the pancake coil is almost proportional to the wire width (if the width of the superconducting wire is halved, the AC loss is almost halved), so the wire rod of the pancake coil placed at the end If the width can be reduced, it can be said that it is very effective for reducing AC loss. As shown in FIG. 1, by using a narrow superconducting wire only for the pancake coil arranged at the end of the coil, the AC loss can be easily and reliably reduced without impairing the coil characteristics.

したがって、図1に示すようなコイル端部に幅の狭い高温超電導線材3で作製したパンケーキコイル1を配置してもコイルとしての成立性に問題がないことが分かった。
ただし、このような構成をする場合に超電導コイルの運転温度において、通電電流値が高温超電導線材3あるいは高温超電導線材4の臨界電流値を超えてしまっては、コイル焼損などの事故が発生する可能性が極めて大きい。このため、超電導コイルの運転温度における高温超電導線材3あるいは高温超電導線材4の臨界電流値が当該超電導コイルへの通電電流値と等しいかあるいは上回っておく必要がある。
Therefore, it has been found that even if the pancake coil 1 made of the narrow high-temperature superconducting wire 3 is arranged at the end of the coil as shown in FIG.
However, in such a configuration, if the energizing current value exceeds the critical current value of the high-temperature superconducting wire 3 or the high-temperature superconducting wire 4 at the operating temperature of the superconducting coil, an accident such as coil burning may occur. The nature is extremely large. For this reason, it is necessary that the critical current value of the high-temperature superconducting wire 3 or the high-temperature superconducting wire 4 at the operating temperature of the superconducting coil is equal to or higher than the energizing current value to the superconducting coil.

この際の高温超電導線材の臨界電流値の定義は、高温超電導線材1cmあたりに発生する電圧が1マイクロボルトになったときの電流値である(1μV/cm)。このように構成することにより、交流損失が小さくて、かつコイル焼損などの事故が起こることのない高温超電導コイルを構成することができた。   The definition of the critical current value of the high-temperature superconducting wire at this time is the current value when the voltage generated per 1 cm of the high-temperature superconducting wire is 1 microvolt (1 μV / cm). By configuring in this way, it was possible to configure a high-temperature superconducting coil that has low AC loss and that does not cause accidents such as coil burnout.

なお、本実施形態において端部以外のパンケーキコイル2の高温超電導線材4の幅は、作製上の都合で中央部に配置されたパンケーキコイルの高温超電導線材の幅に合わせて同じとしている。   In this embodiment, the width of the high-temperature superconducting wire 4 of the pancake coil 2 other than the end portions is the same in accordance with the width of the high-temperature superconducting wire of the pancake coil disposed in the center for convenience of production.

[第二の実施形態]
図5は、本発明の第二の実施形態における高温超電導コイルを示す図である。(a)は高温超電導コイルの全体を示し、(b)は中央部寄りで端部近くに配置されたパンケーキコイルを示す。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a diagram showing a high-temperature superconducting coil according to the second embodiment of the present invention. (A) shows the entire high-temperature superconducting coil, and (b) shows a pancake coil disposed near the end near the center.

本実施形態の高温超電導コイルは、3種類のシングルパンケーキコイルを複数個、例えば合計8個積層して構成されている。3種類のパンケーキコイルのうち高温超電導コイル端部に配置されたパンケーキコイル1は、第一の実施形態の図1(a)と同様に、幅の狭い高温超電導線材3で巻線されている。高温超電導コイルの中央部寄りでパンケーキコイル1に隣接するパンケーキコイル5は、コイル高さがパンケーキコイル1より高くパンケーキコイル2より低く、図5(b)に示すように、高温超電導線材3よりは幅が広い高温超電導線材6で巻線されている。また、パンケーキコイル5よりさらに高温超電導コイルの中央部寄りに配置されているパンケーキコイル2については、第一の実施形態の図1(b)と同様に、高温超電導線材3及び高温超電導線材6よりさらに幅が広い高温超電導線材4で巻線されている。   The high-temperature superconducting coil of the present embodiment is configured by laminating a plurality of three types of single pancake coils, for example, a total of eight. Of the three types of pancake coils, the pancake coil 1 disposed at the end of the high-temperature superconducting coil is wound by a narrow high-temperature superconducting wire 3 as in FIG. 1A of the first embodiment. Yes. The pancake coil 5 adjacent to the pancake coil 1 near the center of the high temperature superconducting coil has a coil height higher than that of the pancake coil 1 and lower than that of the pancake coil 2, and as shown in FIG. It is wound with a high-temperature superconducting wire 6 that is wider than the wire 3. Moreover, about the pancake coil 2 arrange | positioned near the center part of the high temperature superconducting coil further from the pancake coil 5, the high temperature superconducting wire 3 and the high temperature superconducting wire are similar to FIG. 1B of the first embodiment. It is wound with a high-temperature superconducting wire 4 wider than 6.

このように、高温超電導線材のテープ面に垂直な磁場成分Bのスカラー量に応じて高温超電導線材の幅を変化させていくことにより、図1に示した第一の実施形態と比較して、より交流損失を低減することが可能であることが分かった。なお、この際も、超電導コイルの運転温度において、高温超電導線材3、高温超電導線材4あるいは高温超電導線材6の臨界電流値が、当該超電導コイルへの通電電流値と等しいかあるいは上回っていることが必要である。 In this way, by changing the width of the high-temperature superconducting wire according to the scalar quantity of the magnetic field component BB perpendicular to the tape surface of the high-temperature superconducting wire, compared with the first embodiment shown in FIG. It was found that the AC loss can be further reduced. In this case as well, at the operating temperature of the superconducting coil, the critical current value of the high-temperature superconducting wire 3, the high-temperature superconducting wire 4, or the high-temperature superconducting wire 6 may be equal to or higher than the current value applied to the superconducting coil. is necessary.

なお、中央部寄りに配置されているパンケーキコイル2の高温超電導線材4の幅は、作製上の都合で中央部に配置されたパンケーキコイルの高温超電導線材の幅に合わせて同じとしている。   Note that the width of the high-temperature superconducting wire 4 of the pancake coil 2 arranged closer to the center is the same according to the width of the high-temperature superconducting wire of the pancake coil arranged in the center for convenience of production.

図6は、本発明の第二の実施形態における高温超電導コイルの変形例である。
端部から3枚目のパンケーキコイルが、図5では、図1(c)に示す相対的に幅が広い高温超電導線材4で巻線されていたのに対し、図6では、同じく端部から3枚目のパンケーキコイル5が、高温超電導線材4より幅狭な高温超電導線材6で巻線されている。このように、端部から中央部に向けて配置されるパンケーキコイルについて、隣接するパンケーキコイル同士については、端部に近く配置されたパンケーキコイルを構成する超電導線材の方が、幅狭かあるいは同じ幅であるように構成することにより、高温超電導コイルで発生する交流損失を低減することができる。
FIG. 6 is a modification of the high temperature superconducting coil in the second embodiment of the present invention.
In FIG. 5, the third pancake coil from the end was wound with the relatively wide high-temperature superconducting wire 4 shown in FIG. 1 (c), whereas in FIG. A third pancake coil 5 is wound with a high-temperature superconducting wire 6 narrower than the high-temperature superconducting wire 4. As described above, with respect to the pancake coils arranged from the end portion toward the center portion, the superconducting wires constituting the pancake coil arranged close to the end portion are narrower with respect to adjacent pancake coils. Alternatively, the AC loss generated in the high-temperature superconducting coil can be reduced by configuring the same width.

なお、端部から2枚目に配置されているパンケーキコイル5の高温超電導線材6の幅は、作製上の都合で3枚目に配置されたパンケーキコイルの高温超電導線材の幅に合わせて同じとしている。   In addition, the width of the high-temperature superconducting wire 6 of the pancake coil 5 arranged on the second sheet from the end is matched with the width of the high-temperature superconducting wire of the pancake coil arranged on the third sheet for convenience of production. It is the same.

以上、第一、第二の実施形態において、中央部から端部までの各パンケーキコイルの高温超電導線材の幅についての例を説明したが、中央部に配置されたパンケーキコイルから端部に配置されたパンケーキコイルまで1つ又は複数のパンケーキコイル毎に段階的に狭くしてもよい。   As described above, in the first and second embodiments, the example of the width of the high-temperature superconducting wire of each pancake coil from the central part to the end part has been described, but from the pancake coil arranged in the central part to the end part. One or more pancake coils may be stepped down to the arranged pancake coil.

[第三の実施形態]
図7は、本発明の第三の実施形態における高温超電導コイルを示す図である。(a)は高温超電導コイルの全体を示し、(b)は端部に配置されたパンケーキコイルを示す。
[Third embodiment]
FIG. 7 is a diagram showing a high-temperature superconducting coil according to the third embodiment of the present invention. (A) shows the whole high temperature superconducting coil, (b) shows the pancake coil arrange | positioned at the edge part.

本実施形態の高温超電導コイルは、2種類のシングルパンケーキコイルを複数個、例えば合計8個積層して構成されている。2種類のパンケーキコイルのうち高温超電導コイル端部に配置されたパンケーキコイル7は、基体(図示せず)上に形成された高温超電導線材の幅方向にスリット9が入った形状の高温超電導線材8で巻線されている。   The high-temperature superconducting coil of this embodiment is configured by stacking a plurality of, for example, a total of eight types of two types of single pancake coils. Of the two types of pancake coils, the pancake coil 7 disposed at the end of the high-temperature superconducting coil is a high-temperature superconducting shape having a slit 9 in the width direction of the high-temperature superconducting wire formed on the substrate (not shown). It is wound with a wire 8.

このようにスリット9の入った高温超電導線材8を使用することにより、高温超電導線材8で発生する交流損失を低減することができる。スリット9が入った高温超電導線材については、超電導線材を幅方向に完全に分断するため、例えばスリット9の幅と同じ大きさの欠陥部位が存在した場合、その欠陥のあるスリット9には電流が流れないことになるが、そのような欠陥部位が線材長手方向に分散してトータルとしすべてのスリット9に存在した場合には、最悪の場合、その超電導線材には超電導電流を流せないことになる。そのような確率は高温超電導線材の単長が長くなればなるほど高くなる。スリット9を入れなければ、電流は川の水が岩を避けて流れるように、その欠陥部位を避けて流れることができる。   By using the high-temperature superconducting wire 8 having the slits 9 as described above, the AC loss generated in the high-temperature superconducting wire 8 can be reduced. For the high-temperature superconducting wire having the slit 9, in order to completely divide the superconducting wire in the width direction, for example, when a defective portion having the same size as the width of the slit 9 exists, current is passed through the defective slit 9. However, in the worst case, the superconducting current cannot flow through the superconducting wire when such defective portions are dispersed in the longitudinal direction of the wire and are present in all the slits 9. . Such a probability becomes higher as the single length of the high-temperature superconducting wire becomes longer. If the slit 9 is not inserted, the current can flow around the defective part as the river water flows through the rock.

すなわち、スリット9を入れたために、元々は超電導電流を流すことができる線材であったものが、超電導電流を流すことができなくさせたことになる。このように、高温超電導線材にスリット9を入れることはリスクを伴う。本発明では、そのリスク9を極力避けるために、スリット9入り高温超電導線材の使用量を必要最小限にとどめ、スリット9が入った高温超電導線材8で巻線したパンケーキコイル7を高温超電導コイルの端部を優先的に配置するものである。ここで、図7では、パンケーキコイル7は端部のみの配置となっているが、端部には必ず配置し、その他のより中央部のパンケーキコイルについても必要に応じて配置してもよい。   In other words, since the slit 9 is inserted, the wire that was originally capable of flowing a superconducting current can no longer flow the superconducting current. Thus, putting the slit 9 in the high-temperature superconducting wire involves a risk. In the present invention, in order to avoid the risk 9 as much as possible, the amount of use of the high-temperature superconducting wire containing the slit 9 is kept to the minimum necessary, and the pancake coil 7 wound with the high-temperature superconducting wire 8 containing the slit 9 is used as the high-temperature superconducting coil. Are arranged with priority. Here, in FIG. 7, the pancake coil 7 is arranged only at the end portion, but it is always arranged at the end portion, and other pancake coils at the center portion may be arranged as necessary. Good.

[第四の実施形態]
本実施形態は、高温超電導コイルに冷却装置を備えた例である。冷却装置は、熱伝導部材と冷却部を有する。
[Fourth embodiment]
The present embodiment is an example in which a high-temperature superconducting coil is provided with a cooling device. The cooling device includes a heat conducting member and a cooling unit.

図8は、本発明の第四の実施形態における冷却装置の熱伝導部材を示す図である。
図2に示すように高温超電導コイルの端部に配置されたパンケーキコイルほど発生する交流損失は大きいため、端部のパンケーキコイルほど効率的に冷却する必要がある。本実施形態では、アルミニウムや銅などの良伝熱材で構成された、熱伝導部材であるストリップ状の冷却板10を介して冷却部により高温超電導コイルを冷却するものである。冷却板10は、その一方の端部が、最も発生する交流損失量の密度が低い高温超電導コイル中央部に配置されている。すなわち、超電導コイルの中央部から上下両端部方向に冷却板10が対称に配置され、冷却板10は、中央部から端部に配置された各パンケーキコイルの外周部又は内周部に接続され、端部に配置されたパンケーキコイル側の冷却板10に冷却部が接続されている。
FIG. 8 is a view showing a heat conducting member of the cooling device in the fourth embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, since the AC loss generated in the pancake coil arranged at the end of the high-temperature superconducting coil is larger, the end pancake coil needs to be cooled more efficiently. In the present embodiment, the high-temperature superconducting coil is cooled by the cooling unit via the strip-like cooling plate 10 that is a heat conducting member and is made of a good heat transfer material such as aluminum or copper. One end of the cooling plate 10 is arranged at the center of the high-temperature superconducting coil having the lowest density of the AC loss that occurs most. That is, the cooling plate 10 is symmetrically arranged from the central portion of the superconducting coil toward the upper and lower end portions, and the cooling plate 10 is connected to the outer peripheral portion or inner peripheral portion of each pancake coil arranged from the central portion to the end portion. The cooling unit is connected to the cooling plate 10 on the pancake coil side arranged at the end.

図9は、本発明の第四の実施形態における高温超電導コイルの冷却装置全体の一例を示す図である。
冷却板10のもう一方の端部は、高温超電導コイルを冷却するための冷却部である冷凍機冷却ステージ11に接続される。
FIG. 9 is a diagram showing an example of the entire cooling apparatus for a high-temperature superconducting coil according to the fourth embodiment of the present invention.
The other end of the cooling plate 10 is connected to a refrigerator cooling stage 11 that is a cooling unit for cooling the high-temperature superconducting coil.

超電導コイルの各パンケーキコイルは、冷却板10を介して冷却部に接続されている。冷却板10の一方の端部が、中央部に配置されたパンケーキコイルに接続され、冷却板10のもう一方の端部が、冷凍機冷却ステージ11に接続されている。上下対称に配置された冷却板10に冷凍機冷却ステージ11が熱的に接続されている。   Each pancake coil of the superconducting coil is connected to the cooling unit via the cooling plate 10. One end of the cooling plate 10 is connected to a pancake coil disposed in the center, and the other end of the cooling plate 10 is connected to the refrigerator cooling stage 11. A refrigerator cooling stage 11 is thermally connected to the cooling plate 10 arranged vertically symmetrically.

このように構成することにより、交流損失密度が最も高い高温超電導コイルの端部のパンケーキコイル1が冷却板10を介して冷凍機冷却ステージ11に最も近いことになり、効率的に高温超電導コイルを冷却することができる。   By configuring in this way, the pancake coil 1 at the end of the high-temperature superconducting coil having the highest AC loss density is closest to the refrigerator cooling stage 11 via the cooling plate 10, and the high-temperature superconducting coil efficiently. Can be cooled.

なお、本実施形態において上下対称の配置例を示したが、パンケーキコイルの発熱が上下非対称に場合はその発熱量に応じて冷却板10を非対称とすることができるのはもちろんである。   In the present embodiment, an example of a vertically symmetric arrangement is shown. However, when the heat generated by the pancake coil is asymmetric in the vertical direction, it is a matter of course that the cooling plate 10 can be asymmetric according to the amount of heat generated.

図10は、本発明の第四の実施形態における高温超電導コイルの冷却装置全体の他の例を示す図である。
図10に示した例は、図9に示した例の代替案であり、冷却板10が熱的に接続される冷却部は、冷却板10の端部に高温超電導コイルを冷却するための冷熱源13、及び冷熱源13と冷却板10との間の熱交換を行うための熱交換器12を備えている。このような構成により、図9の例と同様の効果を得ることができる。
FIG. 10 is a diagram showing another example of the entire cooling apparatus for a high-temperature superconducting coil in the fourth embodiment of the present invention.
The example shown in FIG. 10 is an alternative to the example shown in FIG. 9, and the cooling unit to which the cooling plate 10 is thermally connected is a cooling unit for cooling the high-temperature superconducting coil at the end of the cooling plate 10. The heat exchanger 12 for performing heat exchange between the source 13 and the cold heat source 13 and the cooling plate 10 is provided. With such a configuration, the same effect as in the example of FIG. 9 can be obtained.

[第五の実施形態]
図11は、本発明の第五の実施形態における高温超電導コイルを示す図である。
例えばSMESにおいて、高温超電導コイルをトロイダル形状に配置することが行われる。高温超電導コイル14は、例えば第一の実施形態の図1(a)に示した高温超電導コイルを示している。高温超電導コイル14を円周方向等配(等間隔)にトロイダル形状に配置することにより、高温超電導線材に垂直に印加される磁場成分Bは低減される(理想的なトロイダル配置の場合は、無限長ソレノイドと同じように高温超電導線材に垂直に印加される磁場成分はゼロになる)。その結果、交流損失の低減効果は、本発明の第一〜第三の実施形態で示した効果に上乗せされて高くなる。
[Fifth embodiment]
FIG. 11 is a diagram showing a high-temperature superconducting coil according to the fifth embodiment of the present invention.
For example, in SMES, high temperature superconducting coils are arranged in a toroidal shape. The high temperature superconducting coil 14 is, for example, the high temperature superconducting coil shown in FIG. 1A of the first embodiment. By arranging the high temperature superconducting coils 14 in a toroidal shape in the circumferential direction at equal intervals (equal intervals), the magnetic field component BB applied perpendicularly to the high temperature superconducting wire is reduced (in the case of an ideal toroidal arrangement, Like the infinite length solenoid, the magnetic field component applied perpendicular to the high temperature superconducting wire is zero). As a result, the AC loss reduction effect is enhanced by being added to the effects shown in the first to third embodiments of the present invention.

[第六の実施形態]
図12は、本発明の第五の実施形態における高温超電導コイルを示す図である。
例えばSMESにおいて、高温超電導コイルをマルチポール配置することが行われる。マルチポール配置とは、同一形状の複数個のコイルを、隣り合うコイルの磁界の向きが違うように配置したものである。高温超電導コイル15は、例えば第一の実施形態の図1(a)に示した高温超電導コイルを示している。高温超電導コイル15を図12に示すようにマルチポール配置した場合、高温超電導コイル15単体の場合と比較して高温超電導線材に垂直に印加される磁場成分は増加する。したがって、図12に示すように高温超電導コイルをマルチポール配置する場合には、第一〜第三の実施形態に記載したような交流損失低減手段を使用することが非常に有効である。
[Sixth embodiment]
FIG. 12 is a view showing a high-temperature superconducting coil according to the fifth embodiment of the present invention.
For example, in SMES, high-temperature superconducting coils are arranged in multipoles. In the multipole arrangement, a plurality of coils having the same shape are arranged such that the directions of magnetic fields of adjacent coils are different. The high temperature superconducting coil 15 is, for example, the high temperature superconducting coil shown in FIG. 1A of the first embodiment. When the high-temperature superconducting coil 15 is arranged in a multipole as shown in FIG. 12, the magnetic field component applied perpendicularly to the high-temperature superconducting wire increases as compared to the case of the high-temperature superconducting coil 15 alone. Therefore, when the high-temperature superconducting coils are arranged in a multipole as shown in FIG. 12, it is very effective to use the AC loss reducing means as described in the first to third embodiments.

パンケーキコイルを複数積層して構成した高温超電導コイルに発生する磁場と臨界電流密度(単位テープ幅あたりのIc)を説明する図。The figure explaining the magnetic field and critical current density (Ic per unit tape width) which generate | occur | produce in the high temperature superconducting coil comprised by laminating | stacking a plurality of pancake coils. パンケーキコイルへの通電電流を考慮した臨界電流と最低限必要となるテープ幅の関係を示したグラフ。A graph showing the relationship between the critical current and the minimum required tape width in consideration of the current flowing through the pancake coil. 本発明の第一の実施形態における高温超電導コイルを示す図であり、(a)は高温超電導コイルの全体を示す図、(b)は端部に配置されたパンケーキコイルを示す図、(c)は端部以外に配置されたパンケーキコイルを示す図。It is a figure which shows the high temperature superconducting coil in 1st embodiment of this invention, (a) is a figure which shows the whole high temperature superconducting coil, (b) is a figure which shows the pancake coil arrange | positioned at the edge part, (c) ) Is a view showing a pancake coil arranged at a portion other than the end portion. 高温超電導コイルでのパンケーキコイルの位置とそのパンケーキコイルで発生する交流損失の相対量を示したグラフ。The graph which showed the relative amount of the alternating current loss which generate | occur | produces the position of the pancake coil in a high-temperature superconducting coil, and the pancake coil. 本発明の第二の実施形態における高温超電導コイルを示す図であり、(a)は高温超電導コイルの全体を示す図、(b)は中央部寄りで端部近くに配置されたパンケーキコイルを示す図。It is a figure which shows the high temperature superconducting coil in 2nd embodiment of this invention, (a) is a figure which shows the whole high temperature superconducting coil, (b) is the pancake coil arrange | positioned near the edge part near the center part. FIG. 本発明の第二の実施形態における高温超電導コイルの変形例を示す図。The figure which shows the modification of the high temperature superconducting coil in 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三の実施形態における高温超電導コイルを示す図であり、(a)は高温超電導コイルの全体を示す図、(b)は端部に配置されたパンケーキコイルを示す図。It is a figure which shows the high temperature superconducting coil in 3rd embodiment of this invention, (a) is a figure which shows the whole high temperature superconducting coil, (b) is a figure which shows the pancake coil arrange | positioned at the edge part. 本発明の第四の実施形態における高温超電導コイルの冷却装置の熱伝導部材を示す図。The figure which shows the heat conductive member of the cooling device of the high temperature superconducting coil in 4th embodiment of this invention. 本発明の第四の実施形態における高温超電導コイルの冷却装置全体の一例を示す図。The figure which shows an example of the whole cooling device of the high temperature superconducting coil in 4th embodiment of this invention. 本発明の第四の実施形態における高温超電導コイルの冷却装置全体の他の例を示す図。The figure which shows the other example of the whole cooling device of the high temperature superconducting coil in 4th embodiment of this invention. 本発明の第五の実施形態におけるトロイダル配置の高温超電導コイルを示す図。The figure which shows the high temperature superconducting coil of the toroidal arrangement | positioning in 5th embodiment of this invention. 本発明の第六の実施形態におけるマルチポール配置の高温超電導コイルを示す図。The figure which shows the high temperature superconducting coil of the multipole arrangement | positioning in 6th embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…パンケーキコイル(コイル高さが相対的に低い)、2…パンケーキコイル(コイル高さが相対的に高い)、3…高温超電導線材(線材幅が相対的に狭い)、4…高温超電導線材(線材幅が相対的に広い)、5…パンケーキコイル(コイル高さがパンケーキコイル1より高くパンケーキコイル2より低い)、6…高温超電導線材(線材幅が高温超電導線材3より広く高温超電導線材4より狭い)、7…パンケーキコイル(スリット入りの高温超電導線材で巻線したタイプ)、8…スリットを入れた高温超電導線材、9…スリット、10…冷却板(熱伝導部材)、11…冷凍機冷却ステージ、12…熱交換器、13…冷熱源、14…高温超電導コイル、15…高温超電導コイル。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pancake coil (coil height is relatively low), 2 ... Pancake coil (coil height is relatively high), 3 ... High temperature superconducting wire (wire width is relatively narrow), 4 ... High temperature Superconducting wire (relatively wide wire rod), 5 ... pancake coil (coil height is higher than pancake coil 1 and lower than pancake coil 2), 6 ... high temperature superconducting wire (wire width is higher than high temperature superconducting wire 3) Widely narrower than the high-temperature superconducting wire 4, 7 ... pancake coil (type wound with a high-temperature superconducting wire with slits), 8 ... high-temperature superconducting wire with slits, 9 ... slit, 10 ... cooling plate (heat conducting member) ), 11 ... Refrigerator cooling stage, 12 ... Heat exchanger, 13 ... Cold source, 14 ... High temperature superconducting coil, 15 ... High temperature superconducting coil.

Claims (10)

所定幅のテープ状の超電導線材を同一方向に巻線したパンケーキコイルを、前記パンケーキコイルの幅方向に複数個積層して構成された超電導コイルを有する超電導コイル装置において、
前記超電導線材は、臨界電流密度の磁場角度依存性を低減した材料からなり、両端部に配置されたパンケーキコイルを構成する超電導線材の幅を、他に配置されたパンケーキコイルを構成する超電導線材の幅よりも狭くしたことを特徴とする超電導コイル装置。
In a superconducting coil apparatus having a superconducting coil configured by laminating a plurality of pancake coils wound in the same direction with a tape-shaped superconducting wire having a predetermined width in the width direction of the pancake coil ,
The superconducting wire is made of a material in which the dependence of the critical current density on the magnetic field angle is reduced, and the width of the superconducting wire constituting the pancake coil arranged at both ends is set to the superconductivity constituting the pancake coil arranged elsewhere. A superconducting coil device characterized by being narrower than the width of a wire.
両端部に配置されたパンケーキコイルを構成する超電導線材は、臨界電流値が所定の通電電流値を超えるのに必要な幅としたことを特徴とする請求項1記載の超電導コイル装置。   2. The superconducting coil device according to claim 1, wherein the superconducting wire constituting the pancake coil disposed at both ends has a width necessary for a critical current value to exceed a predetermined energizing current value. 各パンケーキコイルを構成する超電導線材の幅を、中央部に配置されたパンケーキコイルから両端部に配置されたパンケーキコイルまで1つ又は複数のパンケーキコイル毎に段階的に狭くしたことを特徴とする請求項1又は2記載の超電導コイル装置。   The width of the superconducting wire constituting each pancake coil is narrowed step by step for one or a plurality of pancake coils from the pancake coil arranged at the center to the pancake coils arranged at both ends. The superconducting coil device according to claim 1 or 2, characterized in that 前記超電導コイルの端部に配置されたパンケーキコイルを構成する超電導線材は、前記超電導線材の幅方向を分断し、かつ前記超電導線材の長手方向に延びる1本以上のスリットが入っていることを特徴とする請求項1ないし3記載の超電導コイル装置。   The superconducting wire constituting the pancake coil disposed at the end of the superconducting coil is divided into the width direction of the superconducting wire and includes one or more slits extending in the longitudinal direction of the superconducting wire. The superconducting coil device according to any one of claims 1 to 3. 前記テープ状の超電導線材は、金属基材の片面に中間層を介して超電導層及び導電性金属層を順に積層形成したことを特徴とする請求項1ないし4記載の超電導コイル装置。   5. The superconducting coil device according to claim 1, wherein the tape-shaped superconducting wire is formed by sequentially laminating a superconducting layer and a conductive metal layer on one side of a metal substrate via an intermediate layer. 前記超電導層は、銅酸化物系超電導体であり、前記超電導体を構成する元素には、Y,Gd,Nd,Ho,Dy,Ty,Er,Tm,Yb,Eu,Sm,Pr,Ce,La,Sc,Tb,Luのいずれかの少なくとも1種類が含まれていることを特徴とする請求項5記載の超電導コイル装置。   The superconducting layer is a copper oxide-based superconductor, and elements constituting the superconductor include Y, Gd, Nd, Ho, Dy, Ty, Er, Tm, Yb, Eu, Sm, Pr, Ce, 6. The superconducting coil device according to claim 5, wherein at least one of La, Sc, Tb, and Lu is included. 前記超電導コイル装置は、熱伝導部材と冷却部を有する冷却装置を備え、前記冷却装置において、
前記超電導コイルの中央部から両端部方向に前記熱伝導部材が配置され、前記熱伝導部材は、中央部から端部に配置された各パンケーキコイルに接続され、前記端部に配置されたパンケーキコイル側の前記熱伝導部材に前記冷却部が接続されていることを特徴とする請求項1ないし6記載の超電導コイル装置。
The superconducting coil device includes a cooling device having a heat conducting member and a cooling unit, in the cooling device,
The heat conducting member is disposed in the direction from the center of the superconducting coil to both ends, and the heat conducting member is connected to each pancake coil disposed from the center to the end, and the pan disposed at the end. 7. The superconducting coil device according to claim 1, wherein the cooling unit is connected to the heat conducting member on the cake coil side.
前記冷却部は、冷凍機冷却ステージ、又は熱交換器と冷熱源を有することを特徴とする請求項7記載の超電導コイル装置。   The superconducting coil device according to claim 7, wherein the cooling unit includes a refrigerator cooling stage, or a heat exchanger and a cooling heat source. 前記超電導コイルの複数を、等間隔にトロイダル状に配置したことを特徴とする請求項1ないし8記載の超電導コイル装置。   9. The superconducting coil device according to claim 1, wherein a plurality of the superconducting coils are arranged in a toroidal shape at equal intervals. 前記超電導コイルの複数を、等間隔にマルチポール配置したことを特徴とする請求項1ないし8記載の超電導コイル装置。   The superconducting coil device according to any one of claims 1 to 8, wherein a plurality of superconducting coils are arranged in multipoles at equal intervals.
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