JP5548423B2 - Superconducting coil - Google Patents
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Description
本発明は、レーストラック形状の超電導コイルに関する。 The present invention relates to a racetrack-shaped superconducting coil.
超電導マグネットや超電導電動機の界磁コイルとして、レーストラック型超電導コイルを用いる場合がある。レーストラック型超電導コイルにおいては、対向する一対の円弧部と円弧部間で対向する一対の直線部とを有するレーストラック形状の巻枠に超電導線材が巻きつけられる。 A racetrack superconducting coil may be used as a field coil for a superconducting magnet or a superconducting motive. In a racetrack superconducting coil, a superconducting wire is wound around a racetrack-shaped winding frame having a pair of arc portions facing each other and a pair of linear portions facing each other between the arc portions.
レーストラック型超電導コイルの直線部においては、円弧部に比べて超電導線材を巻枠に押し付ける力が加わりにくい。超電導状態を得るために低温に冷却した際、超電導線材が弛み蛇行してしまう。そのため、超電導線材の臨界電流低下等の超電導特性が劣化するという問題が生じてしまう。 In the straight portion of the racetrack superconducting coil, it is difficult to apply a force for pressing the superconducting wire against the winding frame as compared with the arc portion. When cooled to a low temperature to obtain a superconducting state, the superconducting wire loosens and snakes. Therefore, there arises a problem that the superconducting characteristics such as a decrease in the critical current of the superconducting wire are deteriorated.
超電導線材の弛みを解決するため、超電導線材を弛みなく巻くことができるコイル製造装置や、コイルの外周に圧縮力を加える加圧治具を巻いた構造の提案がされている(特許文献1及び2参照)。しかし、提案された解決方法では、製造装置や加圧治具が新たに必要となり、コストの増加を招いてしまう。 In order to solve the slack of the superconducting wire, there has been proposed a coil manufacturing apparatus capable of winding the superconducting wire without slack, and a structure in which a pressing jig for applying a compressive force is wound around the outer periphery of the coil (Patent Document 1 and 2). However, in the proposed solution, a manufacturing apparatus and a pressure jig are newly required, resulting in an increase in cost.
本発明の目的は、コストの増加を招くことなく、超電導線材の弛みを防止することが可能なレーストラック形状の超電導コイルを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a racetrack-shaped superconducting coil capable of preventing a superconducting wire from slackening without causing an increase in cost.
本発明の一態様によれば、中心軸に対して垂直に切った断面において、対向する一対の円弧により、外側に膨らみを有する形状の対向する一対の曲線を繋いだ外周形状を有する環状の巻枠と、巻枠の外周に巻かれた超電導線材とを備え、一対の曲線のそれぞれは、中央部が両端部よりも外側に膨らんだ曲線であり、曲線の両端を結ぶ直線の長さに対する、直線からの中央部の突出厚さの百分率が1.25%以上、且つ6.25%以下であり、直線の延伸方向における巻枠の幅が直線の直交方向における巻枠の幅より大きい超電導コイルが提供される。 According to one aspect of the present invention, in a cross section cut perpendicularly to the central axis, an annular winding having an outer peripheral shape connecting a pair of opposing curves having a bulge outward by a pair of opposing arcs. A frame and a superconducting wire wound around the outer periphery of the winding frame, each of the pair of curves is a curve in which the center portion swells outward from both ends, and the length of a straight line connecting both ends of the curve, A superconducting coil in which the percentage of the projecting thickness of the central portion from the straight line is not less than 1.25% and not more than 6.25%, and the width of the winding frame in the extending direction of the straight line is larger than the width of the winding frame in the orthogonal direction of the straight line Is provided.
本発明によれば、コストの増加を招くことなく、超電導線材の弛みを防止することが可能なレーストラック形状の超電導コイルを提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the superconducting coil of the race track shape which can prevent the slack of a superconducting wire, without causing the increase in cost.
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。 The following embodiments of the present invention exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention. The technical idea of the present invention is based on the material and shape of component parts. The structure, arrangement, etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope described in the claims.
本発明の実施の形態に係る超電導コイルは、図1に示すように、巻枠10、及び超電導線材12を備える。巻枠10は環状で、超電導線材12は巻枠10の外周に巻かれる。
The superconducting coil according to the embodiment of the present invention includes a
巻枠10は、図2に示すように、巻枠10の中心軸に対して垂直に切った断面において、対向する第1及び第2円弧部14a、14b、及び第1及び第2円弧部14a、14bの間を接続する一対の中間部16を有する。第1及び第2円弧部14a、14bの外縁は、それぞれ半径Rで中心点Ca、Cbの円弧Aa、Abである。中間部16の外縁は、曲線Acである。
As shown in FIG. 2, the
曲線Acの両端に結ぶ直線SLに直交する方向において、曲線Acは直線SLから巻枠10の外側にふくらみを有する曲線である。曲線Acの突出部の厚さはdである。曲線Acは、例えば、円弧Aa、Abよりも大きな曲率半径を有する円弧、楕円弧等の曲線である。
The curve Ac is a curve having a bulge on the outside of the
巻枠10は、直線SLの延伸方向に長幅Lf、及び直線SLの直交方向に短幅Wfを有する。また、対向する直線SLの長さLは中間部16の長さで、対向する直線SL間の間隔Wは円弧Aa、Abの弦長である。
The
巻枠10として、ガラス繊維強化プラスティック(GFRP)、カーボン繊維強化プラスティック(CFRP)、窒化アルミニウム(AlN)、及びステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮等の金属材料が使用可能である。
As the
超電導線材12は、図3に示すように、テープ状の基板40上に中間層42、超電導層44、及び安定化層46を含む。例えば、超電導層44として、通常の超伝導体が使用可能であるが、高温超電導体、特に、ビスマス(Bi)系酸化物、希土類酸化物等の酸化物系高温超電導体が望ましい。希土類酸化物等として、ガドリニウム(Gd)、イットリウム(Y)、サマリウム(Sm)等の希土類元素(RE)、バリウム(Ba)、及び銅(Cu)を1:2:3の元素比で含む希土類酸化物(REBa2Cu3Ox、以下においてRE123系酸化物超電導体と記す。)等が用いられる。
As shown in FIG. 3, the
基板40として、Ni合金テープ等が用いられる。中間層42として、ガドリニウムジルコニウム酸化物(Gd2Zr2O7)、酸化セリウム(CeO2)、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等の酸化物、又はこれらの酸化物の多層膜が用いられる。安定化層46として、銀(Ag)等の金属が用いられる。
A Ni alloy tape or the like is used as the
従来のレーストラック型超電導コイルでは、図4に示すように、対向する第1及び第2円弧部114a、114bと、第1及び第2円弧部114a、114b間で対向する一対の中間部116とを有する巻枠110に超電導線材112が巻きつけられる。
In the conventional racetrack superconducting coil, as shown in FIG. 4, the first and
第1及び第2円弧部114a、114bの外縁は円弧であるので、第1及び第2円弧部114a、114bにおいては、超電導線材112を巻枠110に押し付ける力が働く。しかし、中間部116の外縁は直線であるので、中間部116においては、超電導線材112を巻枠110に押し付ける力が発生しない。そのため、超電導コイルを液体窒素温度等の低温に冷却した際、超電導線材が弛み蛇行してしまう。その結果、超電導線材の臨界電流低下等の超電導特性が劣化してしまう。
Since the outer edges of the first and
実施の形態では、中間部16の外縁は曲線Acである。したがって、第1及び第2円弧部14a、14bと同様に、中間部16においても超電導線材12を巻枠10に押し付ける力が働く。超電導コイルを低温に冷却しても、超電導線材12の弛みを防止することができ、超電導線材12の超電導特性の劣化を防止することが可能となる。
In the embodiment, the outer edge of the
なお、レーストラック形状コイルは、通常用いられる円形コイルに比べると、デッドスペースを減少させることができる。したがって、レーストラック形状の超電導コイルを用いることにより、超電導マグネット、超電導電動機、発電機等を小型化することが可能となる。このような観点から、図2に示した超電導コイルでは、巻枠10の長幅Lfは、短幅Wfより大きくする。即ち、Lf>Wf=W+2dとする。
Note that the racetrack-shaped coil can reduce the dead space as compared to a circular coil that is normally used. Therefore, by using a racetrack-shaped superconducting coil, it is possible to downsize a superconducting magnet, a superconducting motive, a generator, and the like. From such a viewpoint, in the superconducting coil shown in FIG. 2, the long width Lf of the winding
図1及び図2に示した超電導コイルについて、中間部16の曲線Acの曲率半径を変えることにより最大距離dを変化させて作製し、超電導特性の劣化を評価している。具体的には、巻枠10は、GFRP製で、第1及び第2円弧部14a、14bの半径Rが約35mm、直線SLの間隔Wが約70mm、直線SLの長さLが約80mm、第1及び第2円弧部14a、14bの厚さが約5mmである。巻枠10に、RE123系酸化物超伝導体を含む厚さが約0.2mm、幅が約5mm、全長約5mの超電導線材12が巻きつけられる。The superconducting coil shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured by changing the maximum distance d by changing the radius of curvature of the curve Ac of the
表1に示すように、巻枠10の中間部16の曲率半径を変えて、厚さdがそれぞれ1mm、3mm、5mmとした試料A、B、Cを準備した。この場合、厚さdの長さLに対する百分率はそれぞれ1.25%、3.75%、6.25%となる。また、比較例として、図4に示したように、中間部が直線である従来のレーストラック型超電導コイルも準備した。
作製した超電導コイルについて、液体窒素中で臨界電流を測定し、巻線前の超電導線材の臨界電流と比較することにより超電導特性の劣化の有無を判定した。なお、超電導線材の巻線により発生する経験磁場による臨界電流の低下は無視している。 About the produced superconducting coil, the critical current was measured in liquid nitrogen, and the presence or absence of deterioration of superconducting characteristics was judged by comparing with the critical current of the superconducting wire before winding. Note that the decrease in critical current due to the empirical magnetic field generated by the winding of the superconducting wire is ignored.
表1に示すように、中間部16の外縁を曲線Acとした試料A、B、Cではいずれも超電導特性の劣化はない。一方、中間部116の外縁が直線である比較例では、超電導特性が劣化している。また、超電導コイルの臨界電流測定後の外観検査において、試料A、B、Cでは超電導線材12に異常がなく、比較例では超電導線材112が蛇行していることを確認している。
As shown in Table 1, the samples A, B, and C in which the outer edge of the
このように、実施の形態による超電導コイルでは、中間部16が曲線Acであるので、中間部16においても超電導線材12を巻枠10に押し付ける力が働く。そのため、超電導コイルを液体窒素温度に冷却しても、超電導線材12の弛みを防止することができ、超電導線材12の超電導特性の劣化を防止することができる。
Thus, in the superconducting coil according to the embodiment, since the
また、巻枠10として、超電導線材12よりも小さな線膨張係数の材料を用いることが望ましい。超電導コイルを低温に冷却する場合、線膨張係数が大きな超電導線材12のほうが巻枠10より収縮する。その結果、超電導線材12には、巻枠10に対して押し付ける力が作用するため、超電導線材12の弛みを更に効果的に防止することが可能となる。特に、図3に示したRE123系酸化物超伝導体を用いた超電導線材12では、中間層42、超電導層44及び安定化層46の厚さの総和に比べて、基板40の厚さのほうが大きい。したがって、巻枠10が、基板40より線膨張係数が小さくなるようにする。例えば、基板40として用いられるNi合金の線膨張係数は、約11×10-6K-1であるので、巻枠10として線膨張係数が約4×10-6K-1のAlN等が使用可能である。
Moreover, it is desirable to use a material having a smaller linear expansion coefficient than the
なお、図1及び図2に示した巻枠10では、中間部16の内縁は直線となっている。しかし、中間部16の内縁は曲線であってもよい。図5に示すように、巻枠10aの中間部16の内縁を曲線Acと相似の曲線としてもよい。
In addition, in the
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
Although the embodiments of the present invention have been described as described above, it should not be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
本発明の実施の形態においては、レーストラック形状の超電導コイルについて説明しているが、巻枠に直線部が含まれる超電導コイルにも適用することができる。例えば、矩形状の巻枠では、角部以外の4辺が直線である。この場合、図6に示すように、巻枠10bの4辺を曲線にすればよい。例えば、長幅Lを有する外縁においては、点線で示した矩形状の辺から厚さdの突出部を有する曲線を設ける。短幅Laを有する外縁においては、点線で示した矩形状の辺から厚さdaの突出部を有する曲線を設ける。ここで、厚さdの長幅Lに対する百分率、及び厚さdaの短幅Laに対する百分率はともに1.25%以上とする。
In the embodiment of the present invention, a racetrack-shaped superconducting coil is described, but the present invention can also be applied to a superconducting coil in which a linear portion is included in a winding frame. For example, in a rectangular winding frame, the four sides other than the corners are straight lines. In this case, as shown in FIG. 6, the four sides of the
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments that are not described herein. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
本発明は、超電導マグネット、超電導電動機、発電機等に利用することができる。 The present invention can be used for superconducting magnets, superconducting motives, generators, and the like.
10…巻枠
12…超電導線材
14a…第1円弧部
14b…第2円弧部
16…中間部
40…基板
42…中間層
44…超電導層
46…安定化層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記巻枠の外周に巻かれた超電導線材とを備え、
前記一対の曲線のそれぞれは、中央部が両端部よりも外側に膨らんだ曲線であり、該曲線の両端を結ぶ直線の長さに対する、前記直線からの前記中央部の突出厚さの百分率が1.25%以上、且つ6.25%以下であり、前記直線の延伸方向における前記巻枠の幅が前記直線の直交方向における前記巻枠の幅より大きいことを特徴とする超電導コイル。 In a cross section cut perpendicular to the central axis, an annular winding frame having an outer peripheral shape connecting a pair of opposing curves of a shape having a bulge on the outside by a pair of opposing arcs;
A superconducting wire wound around the outer periphery of the reel,
Each of the pair of curves is a curve in which the central portion swells outward from both ends, and the percentage of the protruding thickness of the central portion from the straight line with respect to the length of the straight line connecting both ends of the curve is 1 A superconducting coil having a width of not less than .25% and not more than 6.25% , wherein the width of the winding frame in the straight line extending direction is larger than the width of the winding frame in the direction perpendicular to the straight line.
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