JP6513915B2

JP6513915B2 - 高温超電導コイルおよび高温超電導磁石装置

Info

Publication number: JP6513915B2
Application number: JP2014162429A
Authority: JP
Inventors: 泰造戸坂; 寛史宮崎; 貞憲岩井; 賢司田崎; 圭小柳; 茂貴高山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: JP2016039289A

Description

本発明の実施形態は、高温超電導線材を使用した超電導コイルおよびこの超電導コイルを使用した超電導装置の焼損防止技術に関する。

現在、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀を用いたＢＳＣＣＯ線材やレアアース（ＲＥ：ＲｅａｒＥａｒｔｈ）を含む（ＲＥ）Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇を用いたＲＥＢＣＯ線材を代表とする高温超電導線材を用いた高温超電導コイルの研究が盛んにされている。
このような高温超電導コイルは、通常４．２Ｋ近傍で運転される低温超電導コイルと異なり、比熱が大きくなる２０Ｋから７７Ｋで運転される。
このため、含浸樹脂のクラックや超電導線材のわずかな動き（ワイヤムーブメント）などによって、不測の急激な常電導転移（クエンチ現象）が発生することはほとんどない。

しかしながら、高温超電導コイルも、運転温度の上昇などによって超電導電流が高温超電導線材の臨界電流を超過して、熱暴走を発生させることがある。
高温超電導コイルの場合、その比熱の大きさから、熱暴走が発生しても常電導転移が局所にとどまるために熱暴走の検出が困難であり、焼損に至る可能性が高い。

焼損を防止する手段の１つに、金属基板、中間層、超電導層、保護層および安定化層が積層されるＲＥＢＣＯ線材においては、安定化層を厚くする方法がある。
しかし、安定化層を厚くするとコイルの電流密度が低下し、高い電流密度が得られるという高温超電導線材（以下、単に「線材」という）を用いる利点が低下する。
電流密度を維持して焼損を防止する方法として、近年では巻回されて隣接する線材どうし（以下、「巻線線材間」という）を電気的に導通させる方法が研究されている。

従来では、巻線線材間の間隙（以下、「巻線線材間隙」という）は、絶縁体からなる含浸材で充填されて絶縁されてきた。
この絶縁性を確実にするために、セラミックス繊維をスペーサとして配置する方法も提案されている。
ところで、線材どうしの接触を効果的に防止して、熱処理後の超電導特性を向上させるために、高温超電導コイルの作製過程で、巻線線材間にスペーサを配置することがある。
このスペーサは、炭素繊維であってもよいことが知られているが、一般に熱処理時に燃焼する。一部残存する場合でも、巻線線材間隙に含浸材が充填されて巻線線材間は電気的に絶縁されることとなる。
巻線線材間が絶縁されない場合、超電導電流が、線材が巻回されて形成する経路に沿って周回せずに短絡してしまい、磁場が予定された強度に発生しなくなるからである。

しかし、巻線線材間が電気的に導通されていれば、常電導転移した部分（以下、単に「常電導部分」という）に流れる超電導電流を隣接する線材に迂回させることができる。
常電導部分を迂回させることで、磁場の発生を阻害させるものの、局所的な発熱を抑制しながら常電導部分を拡大させ、焼損を回避することが可能となる。
巻線線材間を導通させるという同様の考案は、高温超電導材料が発見される以前にも、大型超電導コイルがクエンチした際のダメージを回避する方法として提案されている。

特開２０００−２７７３２２号公報米国特許第４７６０３６５号明細書特開平１０−２８９６２３号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、励磁時に、超電導電流が短絡して予定された強度の磁場の発生を阻害または大きく遅延させてしまう。
そこで、巻線線材間を適当な電気抵抗を付与して導通させ、磁場の発生の阻害などを最小限に抑制して超電導電流を迂回させる必要がある。

しかし、巻線線材間の電気抵抗を、電流密度を低下させることなく厳密に調整することは、容易ではない。
例えば、巻線線材間隙に線材と同一の幅で表面が平坦な常電導体のテープを配置する方法をとると、テープの材質の決定時に、このテープの電気抵抗率が決定してしまう。
よって、テープの電気抵抗を高める場合はテープを厚くする必要があり、超電導コイルの電流密度を低下させる。

また、常電導部の迂回や発生する磁場を安定させる観点から、テープ長手方向における電気抵抗の不安定な変化または予定していない不均一性は好ましくない。
しかし、巻線を一体化させ機械強度を高めるために、巻線線材間隙に電気絶縁体である含浸材を充填した場合、テープと線材との間隙に含浸材が不均一侵入するなどして、巻線線材間の電気抵抗を均一で安定的なものにすることは容易ではない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、巻線線材間の電気抵抗値の広い範囲での設定が可能であるとともにこの電気抵抗値がテープ長手方向に均一な高温超電導コイルおよび高温超電導磁石装置を提供することを目的とする。

本実施形態にかかる高温超電導コイルは、少なくとも酸化物超電導体を含むテープ状の高温超電導線材と、巻回された前記高温超電導線材間の隣接した面の間に配置されて前記隣接した面のそれぞれと複数箇所で電気的に接触する常電導体と、を備え、前記常電導体には、テープ厚さ方向に振幅を有する波形形状に加工されているものである。

本発明により、巻線線材間の電気抵抗値の広い範囲での設定が可能であるとともにこの電気抵抗値がテープ長手方向に均一な高温超電導コイルおよび高温超電導磁石装置が提供される。

第１実施形態にかかる高温超電導コイルの概略上面断面図。高温超電導線材の構成斜視図。第１実施形態にかかる高温超電導コイルのスペーサの斜視図。（Ａ）は巻回前の高温超電導線材に対するスペーサの配置方法の一例を示す図、（Ｂ）は巻回前の高温超電導線材に対するスペーサの配置方法の変形例を示す図、（Ｃ）は巻回前の高温超電導線材に対するスペーサの配置方法の変形例を示す図。（Ａ）は第２実施形態にかかる高温超電導コイルのスペーサの構成図、（Ｂ）は図５（Ａ）のスペーサのＡ−Ａ断面における断面図。第３実施形態にかかる高温超電導コイルの概略外形図。第３実施形態にかかる高温超電導コイルの概略斜視図。第４実施形態にかかる高温超電導コイルの高温超電導線材および含浸材の断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる高温超電導コイル１０（以下、単に「超電導コイル１０」という）の概略上面断面図である。

第１実施形態にかかる超電導コイル１０は、図１示されるように、テープ状の高温超電導線材２０（以下、単に「線材２０」という）と、巻回された線材２０の対向する位置の隣接面１１の間（巻線線材間隙）に配置されて隣接面１１のそれぞれと複数箇所で電気的に接触する常電導体１２と、を備える。
なお、第１実施形態において、常電導体１２は、図１に示されるようなスペーサ１２ａ（１２）である。

まず、各実施形態にかかる超電導コイル１０の線材２０の構成を、図２を用いて説明する。図２は、線材２０の構成斜視図である。
線材２０は、例えば第二世代のＲＥ系の高温超電導物質からなる酸化物超電導層２５を含むテープ状の線材である。

線材２０は、例えば、ニッケル基合金、ステンレスまたは銅などの高強度の金属材質である基板２２と、基板２２の上に形成されて基板２２と酸化物超電導層２５の熱収縮の際に起因する熱歪みを防止する中間層２４と、中間層２４を基板２２の表面に配向させるマグネシウムなどからなる配向層２３と、中間層２４の上に形成される酸化物でできた酸化物超電導層２５と、銀、金または白金などで組成され、酸化物超電導層２５に含まれる酸素が酸化物超電導層２５から拡散することを防止して酸化物超電導層２５を保護する保護層２６と、銅またはアルミニウムなどの良伝導性金属であり酸化物超電導層２５への過剰電流の迂回経路となってクエンチ現象を防止する安定化層２１と、から構成される。

ただし、線材２０を構成する各層の種類および数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて多くても少なくてもよい。また、このような層構造をとるＲＥＢＣＯ線材に限定されるものではなく、酸化物超電導体のフィラメントから構成されるＢＳＣＣＯ線材や、ＭｇＢ_２線材でもよい。
なお、図には示されていないが、最上層および最下層の２層の安定化層２１は互いに電気的に接続されている。
このように構成された線材２０はスペーサ１２ａに重ねられて（図４（Ａ））、このスペーサ１２ａとともに、高いテンションを付与しながら例えば巻枠１３（図６）などに巻回される。

ここで、図３は、第１実施形態にかかる超電導コイル１０のスペーサ１２ａの斜視図である。
スペーサ１２ａは、図３に示されるように、テープ厚さ方向に振幅を有する波形形状に加工されている。
このスペーサ１２ａは、常電導性を有する、例えば銅や銀などを主成分とする金属または炭素繊維などを素材とする。

このようなスペーサ１２ａは線材２０とともに巻回されることで、巻線線材間隙に配置されることとなる。
そして、隣接面１１に複数箇所で電気的に接触することで、隣接する線材２０を導通させる経路を形成する。

例えば、図１に示されるように、常電導部分１７が局所的に発生した場合、この常電導部分１７にはスペーサ１２ａと同程度の電気抵抗が発生する。
電気抵抗が発生すると、オームの法則に従って、この常電導部分１７に流入しようとしていた電流の一部がスペーサ１２ａを介して隣接する線材２０へ流れる。
このように、超電導電流Ｉの一部が常電導部分１７を迂回することで、常電導部分１７の焼損を回避させることができる。

ところで、超電導電流Ｉは、線材２０の巻回された形状に基づくインダクタンスによって、励磁の際、容易には線材２０に沿って周回しない。
よって、巻線線材間の電気抵抗が低いと、超電導電流Ｉは、線材２０を横断してしまい、磁場の発生に予定どおりに寄与しない。
しかし、スペーサ１２ａを波形の腹部分でのみ接触させて、その接触箇所の個数を調整することで、巻線線材間の電気抵抗を調整する。

この調整では、スペーサ１２ａの成形時に決定することができるとともに、その波長を変化させることで電気抵抗を容易に変更することができる。
よって、スペーサ１２ａを用いれば、容易に電気抵抗の厳密な調整をすることができるので、長時間発生しつづける微小電流ｉを抑制する電気抵抗にすることができる。
なお、スペーサ１２ａの厚さを変化させることでも、電気抵抗を調整することができる。
この場合、スペーサ１２ａの振幅を変化させずにスペーサ１２ａの厚さを変化させることできるので、巻線線材間隙を拡大することによる電流密度の低下は発生しない。

ところで、スペーサ１２ａは、巻回された際の外力で、弾性を有する１〜２００％の変形率を発生させるものが好適に使用される。
このように微小にひずむことで、スペーサ１２ａが、巻回されて隣接する線材２０の隣接面１１の両方と、波形の腹部分で確実に接触することになるからである。

確実に接触させることで、超電導コイル１０を含浸材１６に含浸させた場合も、この含浸材１６がこの接触箇所に容易に侵入して、電気的に絶縁してしまうことを防止する。
つまり、スペーサ１２ａと線材２０とを含浸材１６で固着させ、超電導コイル１０の機械強度を向上させる場合でも、スペーサ１２ａが隣接面１１に規則的に接触するため、巻線線材間の電気抵抗は均一に維持される。

また、図４（Ａ）は、巻回前の線材２０に対するスペーサ１２ａの配置方法の一例を示す図である。
スペーサ１２ａは、例えば、図４（Ａ）に示されるように、線材２０と同一のテープ幅を有し、線材２０の各層とともに積層される。
線材２０およびスペーサ１２ａには、例えば、それぞれテンションがかけられながら、巻枠１３に巻回される。

また、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）は、巻回前の線材２０に対するスペーサ１２ａの配置方法の変形例を示す図である。
図４（Ｂ）に示されるように、線材２０にスペーサ１２ａを螺旋状に巻回させて、予めスペーサ１２ａと一体となった線材２０を巻回させてもよい。
また、図４（Ｃ）に示されるように、線材２０のテープ幅のスペーサ１２ａを線材２０の周りに筒状にして被覆してもよい。

以上のように、第１実施形態にかかる超電導コイル１０およびこの超電導コイル１０を使用した高温超電導磁石装置によれば、巻線線材間の電気抵抗値の広い範囲での設定が可能であるとともに、この電気抵抗値をテープ長手方向に均一にすることができる。
また、超電導コイル１０の機械強度を向上させるために、スペーサ１２ａおよび線材２０を含浸材１６で固着させた場合に、接触部位にいて、電気的接続を確保するとともに、外力を付与しても巻線線材間の電気抵抗値が容易に変化しない。
すなわち、超電導コイル１０に外力が付与されても、テープ長手方向の巻線線材間の電気抵抗値を均一に維持することができる。

（第２実施形態）
図５（Ａ）は第２実施形態にかかる超電導コイル１０のスペーサ１２ｂの構成図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のスペーサ１２ｂのＡ−Ａ断面における断面図である。

第２実施形態にかかる超電導コイル１０は、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示されるように、スペーサ１２ｂが、導電性の複数の細線１４が垂直に編み込まれて構成される。
複数の細線１４が編み込まれることで、スペーサ１２ｂは、細線１４に直線線材を用いても、その厚さ方向に波形を有することとなる。当然、細線１４に、波形の形状加工を施してもよい。
このように編み込んで形成されるスペーサ１２ｂも、巻回されることでかかる外力によって、弾性を有して僅かにゆがみ、それぞれの隣接面１１と確実に接触する。

なお、スペーサ１２ｂが複数の細線１４で編み込まれていること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

以上のように、第２実施形態によれば、スペーサ１２ｂを形状加工しなくとも、隣接する線材２０の両方と複数箇所でこのスペーサ１２ｂを接触させることができる。
また、同一素材で作製した場合、第１実施形態のスペーサ１２ａに比べて、細線面に垂直にかかる外力に対する機械強度が高くなる。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態にかかる超電導コイル１０Ａの概略外形図である。
また、図７は、第３実施形態にかかる超電導コイル１０Ａの概略斜視図である。

第３実施形態にかかる超電導コイル１０Ａは、図６に示されるように、線材２０が、１本で巻回中心軸に沿ったレイヤ巻および折り返しを繰り返してｎ層（ｎ＝１，２，３，…）のレイヤ層１９を構成する。
そして、スペーサ１２ｃが、図７に示されるように、第ｋレイヤ層１９_ｋと第ｋ＋１レイヤ層１９_ｋ＋１（ｋ＝１，２，…，ｎ−１）との間隙に配置される。
スペーサ１２ｃは、例えば、第ｋレイヤ層１９_ｋの円周と同一の縦幅および巻線部分を被覆する横幅を有する長方形のシートである。
スペーサ１２ｃは、第１実施形態のスペーサ１２ａまたは第２実施形態のスペーサ１２ｂと同様に、厚み方向に波形の形状を有する。

高温超電導コイル１０は、一般に、その巻回方法の差異によっていくつかの種類に分別される。
よく知られているのは、中心軸の周りに同心円状に巻回されるパンケーキコイルまたは図６に示されるようなレイヤ巻コイル１０Ａ（１０）などである。
レイヤ巻コイル１０Ａは、通常１本の線材２０を、螺旋形状に例えば巻枠１３に沿って巻回して、巻枠１３の終端部で折り返して、同様に螺旋形状に巻回して形成される。

ところで、スペーサ１２ｃの使用量が多くなると、その分、超電導コイル１０の全体の電流密度が低下する。
そこで、図７に示されるように、スペーサ１２ｃで被覆されていない線材２０で螺旋形状に巻回して第ｋレイヤ層１９_ｋを形成させて、この第ｋレイヤ層１９_ｋの外表にスペーサ１２ｃを一周させて被覆する。

そして、スペーサ１２ｃを被覆するように、巻枠１３の終端部で折り返した線材２０を巻回して、第ｋ＋１レイヤ層１９_ｋ＋１を形成する。
スペーサ１２ｃを第ｋレイヤ層１９_ｋと第ｋ＋１レイヤ層１９_ｋ＋１との間隙に配置することで、常電導部分１７が一部のレイヤ層１９に発生した場合に、他のレイヤ層１９に微小電流ｉを横断させることができる。

なお、レイヤ層１９を形成するごとにスペーサ１２ｃを配置すること以外は、第３実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように第３実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え、超電導コイル１０の全体としての電流密度をさらに向上させることができる。
また、線材２０が予めスペーサ１２ｃで被覆されていない場合でも、巻線線材間隙にスペーサ１２ｃを配置することができる。

（第４実施形態）
図８は、第４実施形態にかかる超電導コイル１０の線材２０および含浸材１６の断面図である。

第４実施形態にかかる超電導コイル１０は、図８に示されるように、スペーサ１２ａは、含浸材１６に混入される粒子（以下、「常電導粒子１２ｄ」という）である。
常電導粒子１２ｄは、隣接する線材２０の間隙幅に対して数分の１〜数十分の１程度の粒径を有する。
常電導粒子１２ｄどうしおよび常電導粒子１２ｄと線材２０とは、確率的に接触して線材２０を導通させる。

常電導粒子１２ｄの混入割合を高めることで、このような接触する確率は高くなり、より多くの横断する微小電流ｉを発生させることができる。
よって、巻回された超電導コイル１０の含浸材１６への含浸の段階において、微小電流ｉの発生の容易さを変更することができる。

また、この発生の容易さの調整は、常電導粒子１２ｄの添加量の加減によるので、調整が非常に容易である。
よって、第１実施形態〜第３実施形態のスペーサ１２（１２ａ〜１２ｃ）を配置したうえで、さらに含浸の際、常電導粒子１２ｄで最終的な微小電流ｉの発生の容易さを調整してもよい。

なお、常電導体１２が常電導粒子１２ｄであること以外は、第４実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第４実施形態にかかる超電導コイル１０によれば、第１実施形態の効果に加え、より容易に横断する微小電流ｉの発生の容易さを調整することができる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の超電導コイル１０およびこの超電導コイル１０を使用した高温超電導磁石装置によれば、上述した形状の常電導体１２を巻線線材間隙に配置することにより、巻線線材間の電気抵抗値の広い範囲での設定が可能であるとともに、この電気抵抗値をテープ長手方向に均一にすることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…高温超電導コイル（超電導コイル）、１０Ａ（１０）…レイヤ巻コイル、１１…隣接面、１２…常電導体、１２ａ〜１２ｃ（１２）…スペーサ、１２ｄ（１２）…常電導粒子、１３…巻枠、１４…細線、１６…含浸材、１７…常電導部分、１９…レイヤ層、１９_k+1（１９）…第ｋレイヤ層、２０…高温超電導線材（線材）、２１（２０）…安定化層、２２（２０）…基板、２３（２０）…配向層、２４（２０）…中間層、２５（２０）…酸化物超電導層、２６（２０）…保護層、Ｉ…超電導電流、ｉ…微小電流。

Claims

少なくとも酸化物超電導体を含むテープ状の高温超電導線材と、
巻回された前記高温超電導線材間の隣接した面の間に配置されて前記隣接した面のそれぞれと複数箇所で電気的に接触する常電導体と、を備え、
前記常電導体には、テープ厚さ方向に振幅を有する波形形状に加工されていることを特徴とする高温超電導コイル。
少なくとも酸化物超電導体を含むテープ状の高温超電導線材と、
巻回された前記高温超電導線材間の隣接した面の間に配置されて前記隣接した面のそれぞれと複数箇所で電気的に接触する常電導体と、を備え、
前記常電導体は、導電性の細線が縦横に編み込まれて構成されていることを特徴とする高温超電導コイル。
少なくとも酸化物超電導体を含むテープ状の高温超電導線材と、
巻回された前記高温超電導線材間の隣接した面の間に配置されて前記隣接した面のそれぞれと電気的に接触する常電導体と、を備え、
前記常電導体の材料は、炭素繊維であり、
前記常電導体は、テープ厚さ方向に振幅を有する波形形状に加工され、又は導電性の細線が縦横に編み込まれて構成されることで前記隣接した面と均一に離散した複数箇所で電気的に接触することを特徴とする高温超電導コイル。
少なくとも酸化物超電導体を含むテープ状の高温超電導線材と、
巻回された前記高温超電導線材間の隣接した面の間に配置されて前記隣接した面のそれぞれと接触する常電導体と、を備え、
前記高温超電導線材は、１本で巻回中心軸に沿ったレイヤ巻および折り返しを繰り返してｎ層（ｎ＝１，２，３，…）のレイヤ層を構成して、前記常電導体は、第ｋレイヤ層と、第ｋ＋１レイヤ層（ｋ＝１，２，…，ｎ−１）との間隙に配置され、
前記常電導体は、テープ厚さ方向に振幅を有する波形形状に加工され、又は導電性の細線が縦横に編み込まれて構成されることで前記隣接した面と均一に離散した複数箇所で電気的に接触することを特徴とする高温超電導コイル。
少なくとも酸化物超電導体を含むテープ状の高温超電導線材と、
巻回された前記高温超電導線材間の隣接した面の間に配置されて前記隣接した面のそれぞれと複数箇所で電気的に接触する常電導体と、を備え、
前記常電導体は、巻回された際の外力で、弾性を有する１〜２００％の変形率を発生させるものであり、
前記常電導体は、テープ厚さ方向に振幅を有する波形形状に加工され、又は導電性の細線が縦横に編み込まれて構成されることで前記隣接した面と均一に離散した複数箇所で電気的に接触することを特徴とする高温超電導コイル。
前記常電導体と前記高温超電導線材とは、含浸材で含浸されて互いに固着されていることを特徴とする請求項３に記載の高温超電導コイル。
前記常電導体の材料は、炭素繊維であることを特徴とする請求項２に記載の高温超電導コイル。
前記高温超電導線材は、１本で巻回中心軸に沿ったレイヤ巻および折り返しを繰り返してｎ層（ｎ＝１，２，３，…）のレイヤ層を構成して、前記常電導体は、第ｋレイヤ層と、第ｋ＋１レイヤ層（ｋ＝１，２，…，ｎ−１）との間隙に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
前記常電導体は、巻回された際の外力で、弾性を有する１〜２００％の変形率を発生させるものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の高温超電導コイルを用いたことを特徴とする高温超電導磁石装置。