JP6305689B2 - 超電導コイル - Google Patents

Description

本発明は、テープ型超電導線材を用いた超電導コイルに関する。

近年、超電導コイルに用いられる超電導線材として、高温超電導線材からなるテープ形状の超電導線（テープ型超電導線材という）を用いることが行われている。このテープ型超電導線材は、例えばパンケーキ状に巻回して使用される。

また、巻回されたテープ型超電導線材は、その両端部に外部接続するための電極が接合される。この電極は、テープ型超電導線材が巻回される巻枠に固定されている。

また超電導コイルの稼動時は、超電導状態を実現するためテープ型超電導線材は冷却される。この冷却時における冷却効率を高めるため、巻回されるテープ型超電導線材間の隙間に充填材を充填・固化することが行われている（特許文献１）。

特開２００８−３０５８６１号公報

上記のテープ型超電導線材及び充填材は、冷却されることにより熱収縮を行う。しかしながら、テープ型超電導線材の熱収縮率と、充填材の熱収縮率は異なっている。また、テープ型超電導線材の両端部に接合される電極は、巻枠等に機械的に固定されている。

このため、テープ型超電導線材を冷却した際、この熱収縮率の相違に起因してテープ型超電導線材に応力集中が発生する可能性がある。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、テープ型超電導線材に応力集中が発生するのを抑制した超電導コイルを提供することにある。

本発明のある態様によると、
巻枠に巻回されたテープ型超電導線材と、
前記巻枠に固定されており、前記テープ型超電導線材の端部が接続される電極と、
積層された前記テープ型超電導線材同士の間に配設される充填材と、を有する超電導コイルであって、
前記テープ型超電導線材において、一の前記電極との境界を含み、一の前記電極から他の前記電極に向けた所定範囲と対向する前記テープ型超電導線材との間に前記充填材が配設されていない非配設部を設けたことを特徴とする。

本発明のある態様によると、テープ型超電導線材と充填材との熱収縮率差に起因したテープ型超電導線材に応力集中が発生するのを防止することができる。

図１はある実施形態である超電導コイルを示しており、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。 図２は、ある実施形態である超電導コイルの電極近傍を拡大して示す平面図である。 図３は、ある実施形態である超電導コイルの電極近傍のテープ型超電導線材を拡大して示す概略構成図である。 図４は、ある実施形態である超電導コイルの電極近傍のテープ型超電導線材に作用するローレンツ力を説明するための図である。 図５は、他の実施形態である超電導コイルの電極近傍のテープ型超電導線材を拡大して示す概略構成図である。 図６は、参考例である超電導コイルの電極近傍のテープ型超電導線材を拡大して示す概略構成図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１及び図２は、本発明のある実施形態である超電導コイル１０を示している。超電導コイル１０は、巻枠２０、コイル本体３０、電極４０、及び非配設部７０等を有している。

巻枠２０は、巻芯２１、上部フランジ２２、及び下部フランジ２３を有している。この巻枠２０は非磁性材料により形成されており、例えば樹脂で一体成形することができる。なお、巻枠２０は、巻芯２１、上部フランジ２２、及び下部フランジ２３を別箇に形成し、これを接合する構成とすることもできる。

巻芯２１は、後述するテープ型超電導線材５０が巻回される際に巻回中心となるものである。上部フランジ２２は、巻芯２１の上部に設けられている。また下部フランジ２３は、巻芯２１の下部に設けられている。

上部フランジ２２と下部フランジ２３は同一直径とされており、また巻芯２１の直径よりも大きく設定されている。このため、巻枠２０は全体としてボビン状の形状を有する。

コイル本体３０は、複数（本実施形態では４個）のコイル巻回体３２Ａ〜３２Ｄを有している。このコイル巻回体３２Ａ〜３２Ｄは、巻枠２０の巻芯２１に上下方向（図１（Ｂ）に矢印Ｚ１，Ｚ２で示す方向）に同軸状に積層されている。また各コイル巻回体３２Ａ〜３２Ｄは、テープ型超電導線材５０をパンケーキ形状に巻回したものである。

テープ型超電導線材５０は、例えばＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥは希土類元素）を用いることができる。このテープ型超電導線材５０は、テープ状とされた基材上にＲＥ−１２３系酸化物超電導体等の超電導材を成膜したものである。

またテープ型超電導線材５０が超電導状態を実現するため、超電導コイル１０は図示しない冷凍機（例えば、ギフォード・マクマホン冷凍機等）により冷却される。この冷却時における冷却効率を高めるため、巻枠２０にテープ型超電導線材５０を巻回する際、巻回されるテープ型超電導線材５０の間に充填材６０を充填し固化することが行われている（図３の右端部を参照）。

よって、各コイル巻回体３２Ａ〜３２Ｄは、平面視した状態ではテープ型超電導線材５０と充填材６０が交互に積層された状態となっている。

また充填材６０は、低温時における熱伝導性、絶縁性等に優れた材料が好ましい。この充填材６０としては、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。この充填材６０は接着剤と等価の機能も有するため、積層されるテープ型超電導線材５０の間に充填材６０が配設された場合、この積層されるテープ型超電導線材５０は充填材６０により固定された状態となる。

また複数のコイル巻回体３２Ａ〜３２Ｄは、それぞれが電気的に接続されている。そして、この接続された複数のコイル巻回体３２Ａ〜３２Ｄの両端部には、超電導コイル１０を外部接続するための電極４０が接合される。

電極４０は、電極本体４１、固定部４２、及び線材接合部４３を有している。この電極４０は、例えば導電性が良好である銅により形成することができる。特にその中でも、電気特性の良好な純度の高い無酸素銅を用いることが望ましい。なお、電極４０の材料として、銅以外の導電性材料を用いることも可能である。

電極４０は、巻枠２０の上部フランジ２２に固定される。電極４０は、電極本体４１の側方に延出する固定部４２を有している。この固定部４２は、固定ボルト４７が挿通される挿通孔が形成されている。また、上部フランジ２２の挿通孔と対応する位置には、固定ボルト４７が締結されるボルト孔が形成されている。

電極４０は、固定ボルト４７を挿通孔を挿通しボルト孔に固定することにより上部フランジ２２に固定される。電極４０が上部フランジ２２に固定された状態で、電極本体４１は上部フランジ２２から上方向に立設した状態となる。

このように、電極４０は巻枠２０に固定ボルト４７を用いて固定されるため、固定状態において電極４０が巻枠２０に対して変位するようなことはない。

前記のように、テープ型超電導線材５０の両端部は電極４０に接合され、電気的に接続される。電極４０の下部には線材接合部４３が形成されている。

テープ型超電導線材５０の端部は、例えばはんだ付け等の接合方法を用いて線材接合部４３に接合される。この接合状態において、テープ型超電導線材５０の端部は線材接合部４３に電気的に接続されると共に機械的に固定される。よって接合位置において、テープ型超電導線材５０の端部と線材接合部４３との間で変位が生じるようなことはない。

ここで、電極４０とテープ型超電導線材５０が接合される近傍位置に注目する。

図３は、図２に矢印Ａで示す破線で示す部分を拡大して示す概略構成図である。前記のように、巻枠２０にテープ型超電導線材５０を巻回する際、テープ型超電導線材５０が積層される（重ね合わされる）部分には充填材６０が充填される。

しかしながら本実施形態では、対向するテープ型超電導線材５０の間に充填材６０が配設されていない領域を設けている（以下、この充填材６０が配設されていない領域を非配設部７０という）。この非配設部７０は、図２及び図３に示されるように、テープ型超電導線材５０の一端部に接合された電極４０から、テープ型超電導線材５０の他端部に接合された電極４０に向けて（図２及び図３に矢印Ｘ２で示す方向に向けて）、所定範囲に亘り設けられている。

この非配設部７０の形成範囲（図３に矢印Ｌ１で示す）は、電極４０がテープ型超電導線材５０に接合された接合範囲（図３に矢印Ｌ２で示す）のテープ型超電導線材５０が延出している側の端部の位置（図３に矢印Ｐ１で示す位置。以下、境界位置Ｐ１という）から、充填材６０が配設された端部の位置（図３に矢印Ｐ２で示す位置。以下、配設端部位置Ｐ２という）までをいう。

非配設部７０の形成範囲では、図２及び図３に示されるように、対向するテープ型超電導線材５０同士の間には間隙部７１が形成されるか、或いは、図示しないが対向する一対のテープ型超電導線材５０が接触した状態となる。

この非配設部７０は、例えばコイル本体３０の製造工程時において、テープ型超電導線材５０を巻回する際に非配設部７０とする範囲にわたり充填材６０を配設しないことにより形成することができる。また、予め非配設部７０に該当する範囲に離型剤を塗布しておくことにより、非配設部７０に該当する範囲の充填材６０をテープ型超電導線材５０を巻回した後に取り除くことも可能である。

なお、非配設部７０に該当する範囲の充填材６０は必ずしも取り除く必要はない。離型剤を配設した場合には、非配設部７０と充填剤６０との間に離型剤が介在することになる。離型剤は充填材６０と積層されるテープ型超電導線材５０とを固定するものではないため、充填剤が非配設部７０に介在しても、実質的に充填材６０が配設されてない状態と等価となる。また、テープ型超電導線材５０同士の間に接着剤としての機能を有さない充填剤を介在させてもよい。このように、実質的に充填材６０が配設されてない状態と等価となる領域についても、非配設部７０というものとする。

ところで前記のように、超電導コイル１０が機能するためには、テープ型超電導線材５０を超電導状態とする必要があり、このため超電導コイル１０は図示しない冷凍機により冷却される。

冷凍機によりコイル本体３０（テープ型超電導線材５０）に対して冷却処理が行われることにより、積層されたテープ型超電導線材５０の間に配設された充填材６０も冷却される。前記のように充填材６０はエポキシ樹脂等の樹脂であり、テープ型超電導線材５０は前記の超電導材料を含むものである。

よって、テープ型超電導線材５０の熱収縮率（熱線膨張係数）と、充填材６０の熱収縮率（熱線膨張係数）は異なっている。即ち、冷却した場合にテープ型超電導線材５０に発生する収縮（図に黒塗りの矢印で示す）の大きさと、充填材６０に発生する収縮（図に白抜きの矢印で示す）に差が発生する。

このため、冷却を行った際にテープ型超電導線材５０と充填材６０との間の熱収縮差により両者間に応力が発生する可能性があることは前述した通りである。

また電極４０は、巻枠２０（上部フランジ２２）に固定ボルト４７を用いて機械的に強固に固定されている。よって、仮に図６に示す参考例のように、非配設部７０を設けることなくテープ型超電導線材５０の全範囲に充填材６０を配設した場合、配設端部位置Ｐにおいて応力集中が発生する可能性が高い。

これ対して本実施形態では、境界位置Ｐ１から配設端部位置Ｐ２までの所定範囲に充填材６０が配設されていない非配設部７０が形成されている。この非配設部７０は、充填材６０が存在しないためテープ型超電導線材５０と充填材６０との熱収縮率差に起因した応力の発生を低減するか、或いはなくすることができる。

特に本実施形態では、応力集中が発生し易い境界位置Ｐ１を含む領域に非配設部７０が設けられている。このため、応力集中によりテープ型超電導線材５０に損傷が生じることを有効に防止することができる。

次に、非配設部７０の位置及び長さ（図３に矢印Ｌ１で示す）について説明する。

非配設部７０は前記のようにテープ型超電導線材５０と充填材６０との熱収縮率差に起因した応力の発生を低減するものであるため、応力集中が発生しやすい境界位置Ｐ１を含むことが好ましい。

また、図５に示すように電極４０の下部位置に充填材６０を配設しても（この充填材６０を特に電極下充填材６０ａという）、この電極下充填材６０ａの長さは短い。また電極４０の直下位置では、テープ型超電導線材５０及び充填材６０の熱収縮は、上部フランジ２２に強固に固定された電極４０により規制される。このため、電極４０の下部位置に必ずしも非配設部７０を設ける必要はない。

よって非配設部７０は、少なくとも境界位置Ｐ１よりも他方の電極に向けた方向（図３に矢印Ｘ２で示す方向）に形成することが好ましい。

また、非配設部７０の長さＬ１は、上記の熱応力の発生を抑制するためには長く設定することが望ましい。しかしながら、超電導コイル１０を構成するテープ型超電導線材５０には、磁場からローレンツ力が印加される。

このローレンツ力は、図４に矢印Ｆで示すように、テープ型超電導線材５０の延在方向に対し直交する方向に印加される。充填材６０が配設された非配設部７０以外の領域では、充填材６０に対して機械的強度が低いテープ型超電導線材５０は、充填材６０により保持される。よって、テープ型超電導線材５０がローレンツ力により損傷するようなことはない。

しかしながら非配設部７０においては、このローレンツ力をテープ型超電導線材５０のみで受けることになる。よって、非配設部７０の範囲は、テープ型超電導線材５０がローレンツ力により影響を受けない範囲に設定することが好ましい。

よって本実施形態では、非配設部７０の範囲は少なくとも境界位置Ｐ１を含み、ローレンツ力により非配設部７０におけるテープ型超電導線材５０が損傷を受けない範囲に設定されている。

このように設定した非配設部７０を設けることにより、テープ型超電導線材５０と充填材６０との熱収縮差に起因して発生する応力集中によるテープ型超電導線材５０の損傷、及びローレンツ力によるテープ型超電導線材５０の損傷の何れをも防止することができ、信頼性の高い超電導コイル１０を実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能なものである。

１０ 超電導コイル
２０ 巻枠
２１ 巻芯
２２ 上部フランジ
２３ 下部フランジ
３０ コイル本体
３２Ａ〜３２Ｄ コイル巻回体
４０ 電極
４１ 電極本体
４２ 固定部
４３ 線材接合部
４５ 電極ホルダ
４７ 固定ボルト
５０ テープ型超電導線材
６０ 充填材
６０ａ 電極下充填材
７０ 非配設部
７１ 間隙部
７２ 電極下間隙部

Claims (2)

1. 巻枠に巻回されたテープ型超電導線材と、
   前記巻枠に固定されており、前記テープ型超電導線材の端部が接続される電極と、
   積層された前記テープ型超電導線材同士の間に配設される充填材と、を有する超電導コイルであって、
   前記テープ型超電導線材において、一の前記電極との境界を含み、一の前記電極から他の前記電極に向けた所定範囲と対向する前記テープ型超電導線材との間に前記充填材が配設されていない非配設部を設けたことを特徴とする超電導コイル。
2. 前記非配設部は、対向する前記テープ型超電導線材同士の間に間隙が形成されることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。

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