JP5342749B2 - 高温超電導コイル - Google Patents

Description

本発明は、高温超電導線材を巻回しマグネットやリアクトルとして用いられる高温超電導コイルに関する。

高温超電導線材を用いた高温超電導コイルは液体窒素温度で稼動するのでメリットが大きいが、高温超電導線材の超電導特性を劣化させないために、高温超電導線材に加わるひずみや応力に注意を払った設計、製作が行われる必要がある。最近、テープ状の金属基板上に中間層を形成し、その上に厚さ数μｍの高温超電導層を形成した第２世代線材とよばれる高温超電導線材が製造されるようになってきた。この高温超電導線材を用いて高温超電導コイルを設計、製作する方法としては、巻線時に曲げ中心に対して、高温超電導層を内側に位置させることで、高温超電導層に引っ張りひずみが加わらないようにする方法が知られている（特許文献１および２）。また、高温超電導線材の曲げ加工に際して超電導特性を劣化させない工夫として、高温超電導層の上に安定化金属層を形成させ、かつ金属基板と安定化金属層の厚さを同じにすることで、高温超電導層を曲げひずみの中立軸近傍に配置する方法が知られている（特許文献３）。
特開平３−７４０１２号公報 特開平６−５２７３１号公報 特開平７−７３７５８号公報

高温超電導線材に加わるひずみや応力に注意を払った設計、製作方法としては、コイル製作時だけではなく、むしろ高温超電導コイルを励磁した時の電磁力や、冷却した時の熱応力も重要である。例えば、特許文献３にあるような、高温超電導層が曲げ変形に対する中立軸近傍にくるような高温超電導線材を用いれば、曲げ加工は全く問題がない。また、通常の高温超電導コイルの曲げ半径は、曲げひずみに対しては問題とならない大きさである。すなわち高温超電導層に加わるひずみが十分に小さければ、曲げ加工時のひずみを理由として、特許文献１や特許文献２にあるように、高温超電導層が内側に、金属基板が外側になるように巻線する必要はない。

一方で、第２世代線材と呼ばれる高温超電導線材は、高温超電導層が中間層で剥離しやすく、剥離した場合には超電導特性が劣化してしまうという問題がある。この問題は、高温超電導コイル製作時の通常の曲げ加工ではほとんど生じない。むしろ高温超電導コイルを励磁した時の電磁力や、冷却した時の熱応力が、高温超電導層を剥離させる可能性があり、この点への対処が必要である。

高温超電導コイルで強い磁場を発生させた場合、高温超電導線材に強い電磁力が作用する。この電磁力は、高温超電導層に直接作用するが、高温超電導層は非常に薄いため、電磁力が作用する方向によっては、非常に強い引き剥がし力になる。また、高温超電導コイルは通常、樹脂等の含浸材で含浸されている。含浸材は他のコイル構成部材よりも熱収縮率が大きいため、高温超電導コイルを冷却した場合に、各部材の構成比率や熱収縮率の関係により高温超電導層を剥離させるように作用する可能性がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、強い磁場を発生させる際の電磁力や、冷却する際の熱応力に耐えることのできる高温超電導コイルを提供することを目的とする。

本発明は、高温超電導線材を巻線してなる高温超電導コイルであって、励磁したときの電
磁力の大きさ及び向きが高温超電導コイルの断面内の位置によって異なる高温超電導コイ
ルにおいて、前記高温超電導線材は、テープ形状の金属基板上に中間層を介して高温超電
導層が形成され、この高温超電導層上に安定化層が形成されてなり、前記高温超電導線材
に作用する電磁力が最大になるコイル断面位置において電磁力の向きが前記高温超電導層
から前記金属基板にむかう方向と一致するように巻線され、前記巻線された高温超電導線
材の周囲は離形材で離形されて含浸材が充填され前記高温超電導線材と含浸材が直接接触
しない構成であり、前記高温超電導コイルを冷却しこの含浸材が収縮した場合に離形材が
剥離することを特徴とする。

本発明の高温超電導コイルは、強い磁場を発生させる際の電磁力に耐えることができる。

以下、本発明に係る高温超電導コイルの２つの実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態を図１から図５を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施の形態の高温超電導コイル１の断面を示し、励磁したときの電磁力Ｆの分布を示している。高温超電導コイル１に用いられる高温超電導線材３は、その断面構造を図１（ｂ）に示すように、テープ形状の金属基板４上に薄い中間層５を形成し、その上に高温超電導層６を形成し、その上にクエンチ現象を阻止するため低電気抵抗金属からなる安定化層７を構成した構成になっている。安定化層７は、高温超電導層６に低電気抵抗金属を半田付けして形成してもよい。また、高温超電導層６を挟む安定化層７と金属基板４の厚さをほぼ同等にしている。高温超電導線材３は、絶縁材８で１ターン毎に絶縁されながら巻きまわされ、含浸材９で含浸される。

高温超電導線材３としてはＹＢＣＯテープ線材やＤｙＢＣＯテープ線材が用いられる。金属基板４としてはハステロイ、Ｎｉ−Ｗ合金などが用いられ、中間層５としては酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化セシウム（ＣｅＯ₂）などが用いられ、高温超電導層６としてはＹＢＣＯ、ＤｙＢＣＯ、ＧｄＢＣＯなどのＲｅ１２３系材料が用いられ、安定化層７としては銀や銅が用いられ、絶縁材８としてはポリイミドフィルム、ポリアミドスシート、ガラス編等が用いられ、含浸材９としてはエポキシレジンが用いられ、補強板１０としてはステンレス鋼やハステロイが用いられ、安定化板１１としては銅が用いられ、離形材１３としてはパラフィンが用いられる。

高温超電導コイル１を冷却し、励磁すると、電流が流れている高温超電導層６に電磁力Ｆが作用する。高温超電導コイル１の断面内の位置で電磁力Ｆの大きさや、向きは異なる。一方で、高温超電導線材３は、中間層５の部分で、高温超電導層６が中間層５から剥離しやすい特性を有している。高温超電導層６が中間層５から剥離すると、超電導特性は極端に劣化する。

本実施の形態の高温超電導コイルは、図１に示すように、電磁力Ｆが最大となる部位において、高温超電導層６に作用する電磁力Ｆによって高温超電導層６が金属基板４側に押し付けられる方向になるように、高温超電導線材３を巻線する方向を選択しているので、高温超電導線材３の超電導特性を劣化させることなく高温超電導コイル１を励磁することができる。また、高温超電導層６が、高温超電導線材３の厚さ方向のほぼ中央に位置するので、線材を曲げても高温超電導層６にほとんど歪みが加わることがない、つまり曲げ方向が超電導特性に影響することがない。すなわち、このような構成の高温超電導線材３を用いれば、巻線時の曲げ歪みに関しては、金属基板４側もしくは、安定化層７側のどちらを内側にして巻いても問題はない。

本実施の形態は、図２に示すように、安定化層７の上にステンレスなどの高強度金属からなる補強板１０を半田付けした構成としてもよい。このような構成では、高温超電導層６は、より剥離しにくくなるので、磁場の向きが、最大磁場位置とは異なる位置において、すなわち、電磁力Ｆが高温超電導層６を中間層５から剥離させるように作用する場合においても、高温超電導線材３の超電導特性を劣化させることなく高温超電導コイル１を励磁することができる。

また本実施の形態の高温超電導コイル１に用いる高温超電導線材３の構造としては、図３に示すように、金属基板４と安定化層７の外側に低抵抗金属の安定化板１１を半田１２で接合した構造や、図４に示すように金属基板４と安定化層７の外側に補強板１０を半田で接合した構造を採用してもよい。このような構造では、金属基板４と高温超電導層６の間が剥離しにくくなるので、高温超電導線材３の超電導特性を劣化させることなく高温超電導コイル１を励磁することができる。

本実施の形態はまた、図５に示すように、同芯上に配置された２つの要素コイル２ａ，２ｂによって高温超電導コイル１を構成することによって、磁場の向きが最大磁場となる位置とは逆向きになる部位においても、高温超電導層６に作用する電磁力Ｆを金属基板４側に押し付ける方向になるように、高温超電導線材３を巻回することができるので、さらに効果的である。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態の高温超電導コイル１の断面を示している。第１の実施の形態と同じ構成には同じ符号を付して重複する説明は省略する。本実施の形態では、高温超電導コイル１を構成する高温超電導線材３の周囲に離形材１３を配置し、高温超電導線材３と含浸材９が直接接触しない構成になっている。

高温超電導線材３に作用する剥離力として、電磁力Ｆ以外にも冷却時の熱応力が問題となる場合がある。含浸材９は多くの場合有機物であり、高温超電導コイル１に用いられる他の部材よりも熱収縮率が大きいため、高温超電導コイル１を冷却したときに高温超電導線材３に大きな熱応力を作用させ、高温超電導層６を中間層５から剥離させるように作用する。

本実施の形態の高温超電導コイルは、高温超電導線材３の周囲に離形材１３が配置されているため、含浸材９が冷却時に収縮したとしても、離形材１３が剥離し、高温超電導線材３に剥離力が働くことがないので、高温超電導線材３の超電導特性を劣化させることなく高温超電導コイルを冷却することができる。

本発明の第１の実施の形態の高温超電導コイルの構成を示し、（ａ）はコイル断面における電磁力分布を示す図、（ｂ）は（ａ）のｂ部分の構成を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例の高温超電導コイルの構成を示し、（ａ）はコイル断面における電磁力分布を示す図、（ｂ）は（ａ）のｂ部分の構成を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ部分の構成を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態の第２の変形例の高温超電導コイルを構成する高温超電導線材の構成を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態の第３の変形例の高温超電導コイルを構成する高温超電導線材の構成を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態の第４の変形例の高温超電導コイルの構成を示し、（ａ）はコイル断面における電磁力分布を示す図、（ｂ）は（ａ）のｂ部分の構成を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ部分の構成を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態の高温超電導コイルの構成を示し、（ａ）はコイルの断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ部分の構成を示す断面図。

符号の説明

１…高温超電導コイル、２ａ，２ｂ…要素コイル、３…高温超電導線材、４…金属基板、５…中間層、６…高温超電導層、７…安定化層、８…絶縁材、９…含浸材、１０…補強板、１１…安定化板、１２…半田、１３…離形材、Ｆ…電磁力。

Claims (6)

1. 高温超電導線材を巻線してなる高温超電導コイルであって、励磁したときの電磁力の大
   きさ及び向きが高温超電導コイルの断面内の位置によって異なる高温超電導コイルにおい
   て、
   前記高温超電導線材は、テープ形状の金属基板上に中間層を介して高温超電導層が形成
   され、この高温超電導層上に安定化層が形成されてなり、前記高温超電導線材に作用する
   電磁力が最大になるコイル断面位置において電磁力の向きが前記高温超電導層から前記金
   属基板にむかう方向と一致するように巻線され、前記巻線された高温超電導線材の周囲は
   離形材で離形されて含浸材が充填され前記高温超電導線材と含浸材が直接接触しない構成
   であり、前記高温超電導コイルを冷却しこの含浸材が収縮した場合に離形材が剥離するこ
   とを特徴とする高温超電導コイル。
2. 前記高温超電導線材は、前記金属基板の厚さと前記安定化層の厚さがほぼ同じであり、
   前記高温超電導層が厚さ方向のほぼ中央に位置していることを特徴とする請求項１に記載
   の高温超電導コイル。
3. 前記高温超電導線材は、前記安定化層の上に接合された補強板を備えていることを特徴
   とする請求項１に記載の高温超電導コイル。
4. 前記高温超電導線材は、両面に設けられ相互に半田付けされた安定化板を備えているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の高温超電導コイル。
5. 前記高温超電導線材は、両面に設けられ相互に半田付けされた補強板を備えていること
   を特徴とする請求項１に記載の高温超電導コイル。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の複数の高温超電導コイルを同心状に配置したこと
   を特徴とする高温超電導コイル。

Images