JP5375042B2 - 誘導機器の超電導コイル - Google Patents

Description

この発明は、超電導変圧器や超電導リアクトルなどの誘導機器に適用される超電導コイルに関し、詳しくは内外複数のコイル層に分けて巻枠の周面に超電導線材を巻装した構成の超電導コイルを対象とする超電導線材の巻回，接続構造に係わる。

頭記の超電導コイルは高磁界発生手段として各種分野への応用の研究，開発が盛んに行われている。また、変圧器，リアクトルなどの誘導機器に適用する超電導コイルについても、液体窒素温度の領域での使用が可能な高温超電導体としてビスマス系（Ｂｉ系）の超電導線材が既に実用化され、さらに次世代の超電導線材として交流損失が低く、高電流密度，低コスト化が期待されているイットリウム系（Ｙ系），ホルミウム系（Ｈｏ系），ガドリニウム系（Ｇｄ系）などの酸化物超電導材を使用した超電導線材も実用化に向けて研究，開発が進んでいることは周知の通りである。

ここで、Ｂｉ系の超電導線材は、ビスマスを主体とする複合酸化物超電導材料（粉末）を銀パイプ（シース）に充填し、伸線、圧延、熱処理を繰り返しテープ状または丸線状に成形した超電導線材（シース線材）である。

これに対して、Ｙ系，Ｈｏ系，Ｇｄ系などのテープ状酸化物超電導線材は、例えば非特許文献１に開示されているように、金属テープ基板（ハステロイ，ステンレス等のテープ状金属基板）の片面にＩＢＡＤ法で蒸着した中間層（ＹＳＺ等），ＰＬＤ法で蒸着したキャップ層（ＣｅＯ2）を介して酸化物超電導体層を成膜し、さらに超電導体の安定化材層として酸化物超電導体層の表面に銀などの良導電性薄膜を積層した構造の線材であり、その模式図を図２に示す。図２において、ａは金属テープ基材、ｂは中間層、ｃは酸化物超電導体層、ｄは銀安定化材層である。

一方、上記の超電導線材を適用した誘導機器（例えば、変圧器，リアクトル）の超電導コイルとして、鉄心脚を包囲して配置した超電導コイルを内外に並べて同心配置した複数のコイル層に分け、コイル層ごとに超電導線材を円筒状の巻枠周面に巻装した構成になる超電導コイルが知られており（例えば、特許文献１）、その構成を図３（ａ），（ｂ）に示す。なお、図示例は一層分のコイル層を表し、そのコイル層１は円筒状の巻枠（絶縁物）２の外周面に形成した螺旋状の溝に沿って超電導線材３が巻装されている。

ところで、前記のように内外に同心配置した複数のコイル層の間でコイル同士を接続するには、各層の端部から引出した超電導線材の口出線の間を渡り接続する必要がある。

この場合に、Ｂｉ系超電導線材のように周面が銀シースで被覆されているシース線材であれば、線材の表裏の向きに関係なく線材の端部（銀シース）同士を重ね合わせた上で半田付け，あるいはろう付けすることにより容易に渡り接続できる。

これに対して、Ｙ系の酸化物超電導線材（図２参照）のように、金属テープ基材の片面に中間層を介して超電導体層および良導電性の安定化材層を成膜した超電導線材（以下、“薄膜超電導線材”と呼称する）では、金属テープ基材と超電導体層との間が酸化物の中間層で電気的に絶縁されているために、金属テープ基材とは反対側の超電導体層に被着した安定化材層で接続する必要がある。しかも、酸化物超電導体はセラミックの一種で曲げや歪みに弱い（超電導特性が低下する）ことから、この超電導線材は接続のために自由に曲げたり，捻回することは殆ど不可能である。

このために、先記した超電導コイル（特許文献１参照）のコイル層間で薄膜超電導線材同士を渡り接続する場合に、各コイル層の巻枠に巻装した超電導線材が同じ向き、例えば金属テープ基材を外径側に向けて巻枠の周面に巻装されていると、このままでは口出線の端部同士を重ねて安定化材層の間を半田付け（あるいは、ろう付け）する接続方法が採用できない。

そこで、従来の超電導コイルでは、図４（ａ）〜（ｄ）で示すように接続片（良電導性の金属片，あるいは渡り接続用の超電導線片）を介して口出線の間を渡り接続するようにしている。

図４は内外に同心配置した二層のコイル層からなる超電導コイルの例であり、（ａ）図は超電導コイルの平面図、（ｂ），（ｃ），（ｄ）図はそれぞれ（ａ）図における矢視Ａ，Ｂ，Ｃ部の拡大図である。この超電導コイルでは、内側のコイル層１Ａ，外側のコイル層１Ｂの巻枠２に、先記したＹ系，Ｈｏ系，Ｇｄ系などの薄膜超電導線材３Ａ，３Ｂがその線材の金属テープ層ａを外径側に向け、酸化物超電導体層ｃ，安定化材層ｄを内径側に向けて巻装されている（（ｂ），（ｃ）図参照）。なお、図４においては、中間層ｂを省略して示す。

そして、各コイル層のコイル端部からコイルの巻回方向に引出した薄膜超電導線材３Ａ，３Ｂの口出線３Ａ−１と３Ｂ−１との間を渡り接続するために図示の接続片４を用い、この接続片４を薄膜超電導線材３Ａ，３Ｂの安定化材層ｃの面に重ね合わせた上で、その重ね合わせ面を半田付け（あるいは、ろう付け）して渡り接続するようにしている（（ｄ）図参照）。
須藤 泰範、他４名、"イットリウム系酸化物超電導線材"、フジクラ技報、第１０７号、２００４年１０月発行、ｐ６８−７２、［0nline］、［平成２０年９月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ： HYPERLINK "http://www.fujikura.co.jp/00/gihou/gihou107/107#15.html" http://www.fujikura.co.jp/00/gihou/gihou107/107#15.html＞ 特開２００１−２４４１０８号公報（図４−図６）

ところで、図４に示した従来の超電導コイルの層間渡り接続構造では、次記のような問題がある。すなわち、先記のようにＢｉ系の超電導線材（シース線材）同士を接続する場合には線材の端部同士を直接重ね合わせて半田付けすることにより、半田付けの接続箇所は一箇所で済む。これに対して、図４のように内側と外側のコイル層１Ａ，１Ｂの巻枠２に巻装した超電導線材がテープ状の薄膜超電導線材で、かつその線材の表裏を同じ向きに巻装した場合には、図４（ｄ）のように接続片４を介して薄膜超電導線材３Ａ，３Ｂの口出線３Ａ−１と３Ｂ−１との間を渡り接続するために、半田付け接続箇所が二箇所になる。

したがって、コイルの通電に伴い超電導線材の接続箇所に生じるジュール発熱（半田接合層の電気抵抗によるジュール発熱）がＢｉ系の超電導線材同士の重ね合わせ接合と比べて２倍になる。このジュール発熱分は周囲の液体窒素で除熱されるが、ジュール発熱が増すとそれだけ接続箇所における超電導線材が温度上昇して超電導特性の不安定要因が増し、最悪の場合には接続部の発熱，温度上昇により超電導体がクエンチを引き起して超電導特性が著しく低下してしまう危険性もある。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、複数のコイル層間で超電導線材同士を渡り接続する際に、その接続部におけるジュール発熱を低く抑えて安定した通電性を確保できるように改良した超電導コイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明によれば、内外複数のコイル層に分けて円筒状の巻枠周面に超電導線材を巻装し、各コイル層から引出した超電導線材の口出線を隣り合うコイル層の間で渡り接続した誘導機器の超電導コイルであって、前記超電導線材が金属テープ基材の片面に中間層，酸化物超電導体層，良導電性金属の安定化材層を成膜した薄膜超電導線材であるものにおいて、
前記各コイル層のうち、奇数層と偶数層とで前記超電導線材の表，裏面を逆向きにして巻枠に巻装し、コイル巻回方向に沿って内外のコイル層からそれぞれ外径側，内径側に引出した口出線の渡り接続部にて薄膜超電導線材の安定化材層同士を重ね合わせて接合する（請求項１）。

また、前記構成において、外側コイル層からその内径側に引き出す超電導線材の口出線を、そのコイル層の巻枠に穿孔した斜め方向の線材引出穴を通じて導出すようにする（請求項２）。

上記したこの発明の構成によれば、内側のコイル層（奇数層）からコイルの巻回方向に沿って外径側に引出した超電導線材の口出線と外側のコイル層（偶数層）から内径側に引出した超電導線材の口出線とは互いに表裏が逆向きになる。これにより、奇数層のコイル層から引き出した薄膜超電導線材と偶数層のコイル層から引き出した接続相手の薄膜超電導線材との間で線材端部の安定化材層（銀などの良導電性金属膜）同士を直接重ね合わせた上で、この重ね合わせ面を半田付け（あるいは、ろう付け）することにより、従来の接続構造のように接続片を介することなく超電導線材の間を渡り接続することができる。

これにより、内外のコイル層間で超電導線材の口出線を接続する渡り接続部は接続箇所が一箇所で済み、この接続箇所のジュール発熱はＢｉ系超電導線材同士の接続と同等に低減できて安定した通電性を確保できる。

また、コイル層から巻枠の内径側に引き出す超電導線材の口出線を、巻枠の周面に穿孔した斜め方向の線材引出し穴を通じて引き出すようにしたことで、巻枠の外周面側に巻装した薄膜超電導線材を巻回方向に沿って大きな曲げ，歪みを加えることなく緩やかな曲率半径で内径側に引き出すことができる。

以下、この発明による実施の形態を図１（ａ）〜（ｄ）に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例は図４で述べたと同様な二層同心構造の超電導コイであり、図中で図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

この実施例では内径側から順に内側のコイル層１Ａを奇数層，外側のコイル層１Ｂを偶数層として、奇数層と偶数層とでは巻枠２に巻装する薄膜超電導線材３Ａと３Ｂの表，裏面を逆向きに定めている。すなわち、図示例では内側コイル層１Ａ（奇数層）の巻枠２に巻装した超電導線材３Ａは、図１（ｂ）で示すように金属テープ基材ａを内径側に向けて巻装しているのに対して、外側のコイル層１Ｂ（偶数層）の巻枠に巻装した超電導線材３Ｂは逆に金属テープ層ａを外径側に向けて巻装している（図１（ｃ）参照）。また、外側コイル層１Ｂの巻枠２の周面には、巻装した超電導線材３Ｂの巻回終端位置に合わせてコイルの巻回方向から緩やかな角度で内径側に傾斜した斜め方向の線材引出穴２ａを穿孔しておく（図１（ｄ）参照）。

そして、内外のコイル層１Ａ，１Ｂから引き出した超電導線材３Ａ，３Ｂの口出線３Ａ−１，３Ｂ−１の間を渡り接続する場合には、次記のような方法で口出線の間を導電接続する。まず、内側のコイル層１Ａ（奇数層）の口出線３Ａ−１はそのままコイルの巻回方向に沿って引き出しておく。一方、外側のコイル層１Ｂ（偶数層）からから引き出した口出線３Ｂ−１は前記の線材引出穴２ａに通してコイル層の内径側に引き出しておく。この状態では、図１（ｄ）で表すように超電導線材３Ａの超電導体層ｃ，安定化材層ｄの面と超電導線材３Ｂの超電導体層ｃ，安定化材層ｄの面とが互いに向き合って口出線３Ａ−１と３Ｂ−１とが対峙するようになる。そこで、口出線３Ａ−１と３Ｂ−１とを渡り接続するには、図示のように対峙し合う口出線３Ａ−１，３Ｂ−１の端部同士を直接重ね合わせた上で、その重ね合わせ面（安定化材層ｄ）を半田付けして導電接続する。

これにより、渡り接続部の半田付け接続箇所は一箇所で済むことになり、接続片４を介して口出線の間を導電接続した従来の渡り接続構造（図４参照）と比べて、接続部のジュール発熱を半分に低減して安定した超電導通電性を確保できる。

なお、三層以上のコイル層に分けて超電導コイルが構成されている場合には、内径側から数えて第１，第３，・・・のコイル層を奇数層、第２，第４，・・・のコイル層を偶数層として、図示実施例と同様に巻枠２に巻装する薄膜超電導線材の表，裏を交互に逆向きに定めて巻装することにより、図１（ｄ）と同様に安定化材層ｄ同士を直接重ね合わせ、従来構造の接続片（図４参照）を介さずに半田付けして渡り接続することができる。

また、図示実施例は超電導変圧器，リアクトルなどに採用する超電導コイルについて述べたが、それ以外の超電導電動機や超電導発電機などに適用する超電導コイルについても同様に実施適用することが可能である。

この発明の実施例による二層同心形超電導コイルの構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ（ａ）における矢視Ａ，Ｂ，Ｃの拡大断面図 図１の超電導コイルに採用する薄膜超電導線材の構造を表す模式図 図２の超電導線材を巻装したコイル層の構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）における矢視Ｘ−Ｘ断面図 従来の二層同心形超電導コイルの構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ（ａ）における矢視Ａ，Ｂ，Ｃの拡大断面図

符号の説明

１Ａ 内側コイル層（奇数層）
１Ｂ 外側コイル層（偶数層）
２ 巻枠
２ａ 線材引出穴
３Ａ 内側コイル層に巻装した超電導線材
３Ｂ 外側コイル層に巻装した超電導線材
３Ａ−１，３Ｂ−１ 口出線
ａ 薄膜超電導線材の金属テープ層
ｂ 中間層
ｃ 超電導体層
ｄ 安定化材層

Claims (2)

1. 内外複数のコイル層に分けて円筒状の巻枠周面に超電導線材を巻装し、各コイル層から引出した超電導線材の口出線を隣り合うコイル層の間で渡り接続した誘導機器の超電導コイルであって、前記超電導線材が金属テープ基材の片面に中間層，酸化物超電導体層，良導電性金属の安定化材層を成膜した薄膜超電導線材であるものにおいて、
   前記各コイル層のうち、奇数層と偶数層とで前記超電導線材の表，裏面を逆向きにして巻枠に巻装し、コイル巻回方向に沿って内外のコイル層からそれぞれ外径側，内径側に引出した口出線の渡り接続部にて薄膜超電導線材の安定化材層同士を重ね合わせて接合したことを特徴とする誘導機器の超電導コイル。
2. 請求項１に記載の超電導コイルにおいて、外側コイル層からその内径側に引き出す超電導線材の口出線を、そのコイル層の巻枠の周面に穿孔した斜め方向の線材引出穴を通して引き出したことを特徴とする誘導機器の超電導コイル。

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