JPH06302430A - 超電導磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】超電導コイルを冷却するために層間又は巻枠と
の間に設けた冷却ダクト内でヘリウムガスが停滞しない
ようにして、クエンチが発生する可能性を小さくする。 【構成】巻枠１の円筒部１１と内径側コイルとの間の間
隔片３１Ａと冷却ダクト４１Ａを、対称軸に対して斜め
の螺旋状に形成することによって、冷却媒体として冷却
ダクト３１Ａ内に充満している液体ヘリウムが蒸発して
生成したヘリウムガスが斜めの間隔片３１Ａに沿って上
昇することができるので、局部にヘリウムガスが停滞
し、その部分の超電導線が温度上昇しクエンチが発生す
るということがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エネルギー貯蔵装置
や超電導変圧器などに使用される通電電流が時間的に変
化する超電導磁石、特に超電導コイルの交流損失による
温度上昇を抑制するために設けられる冷却ダクトに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石が超電導状態を維持するため
には、温度、電流、発生磁束密度がそれぞれ臨界値より
小さいことが条件であり、これら臨界値はそれぞれ臨界
温度、臨界電流、臨界磁束密度と呼ばれている。温度、
電流、発生磁束密度のいずれもがそれぞれの臨界値以下
にある場合に限り超電導状態が維持され、一つでも臨界
値を越えると超電導状態から常電導状態へと転移してし
まう、いわゆるクエンチが発生する。クエンチが発生す
ると超電導磁石に蓄積されていた磁気エネルギーは常電
導状態になった超電導線の抵抗によるジュール熱として
放出され、冷媒である高価な液体ヘリウムの大量の蒸発
を引き起こす。また、前述のジュール熱のために超電導
磁石を構成する超電導線の温度が上昇し、焼損する恐れ
もある。このような理由でクエンチは超電導磁石にとっ
て有害なものであることがよく知られている。

【０００３】近年では、超電導磁石の交流応用、特にパ
ルス応用が各地で盛んに実施されている。超電導線に交
流やパルスなどの時間的に変化する電流が流れそれに伴
う磁場が発生すると、一般に交流損失と呼ばれている損
失が発生することが知られている。交流損失はヒステリ
シス損失、結合損失及び渦電流損失の３つの損失からな
っている。ヒステリシス損失は発生磁束密度の大きさに
比例しその時間的変化に依存しない、結合損失は発生磁
束密度の時間的変化の二乗に比例し、電流密度の大きさ
には依存しないという性質をそれぞれ持っている。渦電
流損は超電導素線が埋め込まれる安定化材としての常電
導導体に発生するものである。これらの交流損失の発生
は超電導線の温度を上昇させその温度が前述の臨界温度
を越えることによってクエンチが発生する可能性を高め
る要因になっている。そのため、交流損失を低減するた
めの種々の対策が施される。

【０００４】一つはヒステリシス損失を低減する方法で
あり、ヒステリシス損失は発生磁束密度の大きさの他に
超電導線を構成する超電導素線の線径に比例するという
特性がある。したがって、超電導素線を可能な限り細く
してヒステリシス損失を低減する。次に結合損失を低減
する方法は、結合損失が超電導素線の断面位置を長さ方
向に沿って周期的に変化させるツイストピッチに比例す
ることから、ツイストピッチを極力小さくすることであ
る。また、超電導線がクエンチしたときに電流をパイパ
スさせるために超電導素線を安定化材に埋め込んだ構成
が一般的に採用されるが、結合損失及び渦電流損失はこ
の素線間の安定化材の抵抗率に反比例する。したがっ
て、結合損失及び渦電流損失を低減するために抵抗率の
高い金属、例えば銅ニッケル合金などを安定化材とし使
用すればよい。しかし、あまり抵抗率の高い金属を安定
化材にすると、超電導線がクエンチして安定化材に電流
がパイパスしたときに発生熱と温度上昇が大きくなり、
超電導線が焼損する危険性が増大するという問題が生ず
るために、安易に抵抗率の高い安定化材を使用すること
はできない。特に、通電電流が１ｋＡ以上の大きな値の
超電導磁石の超電導線の安定化材は良導電金属である銅
又はアルミニュウムに限定されるのが実際である。

【０００５】そこで、超電導素線の周りを銅で覆い、銅
で覆われた素線間を金属バリアとしての銅ニッケル合金
で更に覆うという３層構造の超電導線が採用されること
がある。しかし、超電導素線を細くしたり３層構造を採
用するにしても交流損失の低減には限界がある。そこ
で、値が大きく、かつ時間的変化の速い磁束密度を発生
することのできる超電導磁石を実現するために、超電導
巻線の層間に対称軸に平行で周方向に等配にな間隔片を
設け、隣合う間隔片の間の隙間を液体ヘリウム又はヘリ
ウムガスが通る冷却ダクトを形成して、積極的に超電導
磁石内部を冷却して交流損失による温度上昇を抑制する
構成が採用される。

【０００６】図２は従来の超電導磁石の対称軸に垂直な
面の断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。これら
の図において、巻枠１及び超電導コイル２は円筒状をし
ており、巻枠１は超電導線２０が巻回される円筒部１１
とその両端に設けられて超電導コイル２の端部を固定す
るためのつば部１２とからなっている。超電導コイル２
は４層からなっていて、巻枠１の円筒部１１の外径面に
設けられた間隔片３１の上に超電導線２０が２層巻回さ
れて内径側コイル２１が形成され、その外径側に間隔片
３２が設けられ，更にその外径側に２層の外径側コイル
２２が形成される。この図では超電導線２０を丸線で図
示してあるが角線の場合もある。また、丸線の場合は超
電導線２０の断面寸法は図示に比べて細く巻数もはるか
に多いのが実際である。対称軸１００は図２では巻枠１
や超電導コイル２の同心円の中心点であり、図３では一
鎖線で示す上下の断面の中央を左右に走る線である。

【０００７】両端のつば部１２と超電導コイル２の端部
の間には隙間があって絶縁板３３がこの部分の間隔片と
して挿入されており、この絶縁板３３に溝が設けられて
いて半径方向に流体が流れることのできる半径ダクト４
３が形成されている。したがって、冷却ダクト４１，４
２はこれら半径ダクト４３を介して外部とつながってい
る。

【０００８】図３では超電導磁石は磁場が水平方向に発
生するよう横置きに設置するものとして図示してある
が、用途などによっては磁場が垂直方向に発生する縦置
きの場合もある。図４は図３の巻枠１の一部を切り出し
た斜視図である。この図において、間隔片３１は短冊状
をしておりこれを対称軸に平行になるように筒部１１に
所定の等配数で取付けられている。絶縁板３３に設けら
れている半径ダクト４３も半径方向に平行になるよう放
射状に設けられている。もちろん冷却ダクト４１と半径
ダクト４３とは連通するように配置されている。この図
では示されていない冷却ダクト４２は図２からも分かる
ように間隔片３１の外径側に位置している。冷却ダクト
４１，４２のいずれもが半径ダクト４３に連通するよう
に、１つの冷却ダクト４１、１つの間隔片３１ごとに１
つの半径ダクト４３が設けられている。

【０００９】超電導磁石は液体ヘリウム容器内に収納さ
れ冷却媒体としての液体ヘリウムに浸漬された状態で使
用される。したがって、正常の場合は冷却ダクト４１，
４２及び半径ダクト４３には液体ヘリウムが充満した状
態になっている。液体ヘリウムは沸騰温度を維持してい
るので、超電導コイル２に交流損失が発生すると液体ヘ
リウムが蒸発しその気化熱によって吸収され、代わりに
ヘリウムガスが発生する。このヘリウムガスは冷却ダク
ト４１，４２，４３を通って超電導磁石の外部に放出さ
れる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】超電導磁石が縦置きに
設置される場合には、冷却ダクト４１，４２は垂直方向
になるので、その中で発生したヘリウムガスは液体ヘリ
ウムとの比重の違いによって浮力を生じ、上に向かって
移動して半径ダクト４３を介して超電導磁石の外部に放
出されるので問題はない。しかし、横置きの場合、浮力
が生じてもヘリウムガスは上に向かうことができず冷却
ダクト４１，４２の中に停滞するという現象が生ずる。
前述のように超電導線２０の冷却は液体ヘリウムの蒸
発によって行われるのでヘリウムガスの一部が停滞する
とその部分の超電導線２０は液体ヘリウムに直接接して
いないために温度が上がりクエンチが発生する可能性が
高くなるという問題がある。

【００１１】この発明の目的は、このような問題を解決
し、クエンチ発生の原因になる冷却ダクト４１，４２内
でヘリウムガスが停滞するということのない超電導磁石
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、円筒状の巻枠と、この巻枠の外
径側に対称軸の方向に超電導線を並べて所定の巻数だけ
巻回してなる層を半径方向に積層して所定の層数の超電
導コイルが形成されてなる超電導磁石において、巻枠と
最内径側の層又は隣接する層の間に設けられた少なくと
も１層の冷却ダクトが対称軸に平行な直線に対して所定
の角度の斜めに形成されてなるものとする。

【００１３】

【作用】この発明の構成において、巻枠と最内径側の層
又は隣接する層の間に設けられた冷却ダクトを対称軸に
平行な直線に対して斜めに形成することによって、超電
導コイルが発生する損失が液体ヘリウムの蒸発熱で吸収
されて生成されたヘリウムガスが、斜めの冷却ダクトに
沿って上昇することができるので、局部にヘリウムガス
が停滞することがない。

【００１４】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例を示す巻枠とこれに設けられた
間隔片などの一部を切り出して示す斜視図であり、図４
と同じ部材については共通の符号を付けて詳しい説明を
省く。また、図４と類似の部材には添字Ａを付けて類似
をあることを示す。間隔片３１Ａは対称軸に対して一定
の角度斜めに配置したものであり短冊を螺旋状に取付け
た形になっている。間隔片３１Ａは前述のように機械的
強度を確保するためにＦＲＰが使用されるので短冊状の
板を図のように螺旋状に曲げるのは困難なのが普通であ
る。しかし、円筒状に成形したＦＲＰを所望の角度で斜
めに切断することによって容易に製作することができ
る。

【００１５】間隔片３１Ａを螺旋状にすることによっ
て、隣接する間隔片３１Ａの間に形成される冷却ダクト
４１Ａも同様に螺旋状になり、軸方向位置に応じてその
周方向位置が変化する。したがって、局部に発生したヘ
リウムガスは間隔片３１Ａに沿って上に移動することが
できる。そのため局部にヘリウムガスが停滞することが
なくなる。ヘリウムガスの停滞がなくなると、図３に示
す超電導線２０は常に液体ヘリウムに直接接して冷却さ
れるので局部過熱によるクエンチが発生する可能性が著
しく減少する。

【００１６】図１では図２の間隔片３２と冷却ダクト４
２に対応する間隔片３２Ａと冷却ダクト４２Ａとを図示
していないが、間隔片４２Ａは間隔片４１Ａと平行に螺
旋状となるように配置される。したがって、図１に対応
する超電導磁石の軸に垂直な断面図は図２と類似で、断
面がとられる軸方向位置によって間隔片４１，４２に対
応する間隔片４１Ａ，４２Ａの周方向位置が異なるだけ
である。

【００１７】間隔片４１Ａ，４２Ａ及び冷却ダクト３１
Ａ，３２Ａの幅と周方向の本数、対称軸に対する角度な
どは超電導線２０の断面寸法、層数、巻数及び半径など
によって最適な値が選定される点は従来の超電導磁石の
場合と同様である。

【００１８】

【発明の効果】この発明は前述のように、冷却ダクトを
対称軸に対して斜めに螺旋状に形成することにことによ
って、液体ヘリウムが蒸発して生成したヘリウムガス
は、斜めの冷却ダクトに沿って上昇することができるの
で、局部にヘリウムガスが停滞することがなく、そのた
め常に超電導線は直接液体ヘリウムに接しているので局
部的な温度上昇を抑制することができ、その結果クエン
チが発生する可能性が著しく少なくなって信頼性の高い
超電導磁石になるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す巻枠と間隔片の一部を
切り出して示す斜視図

【図２】従来の超電導磁石の対称軸に垂直な面の断面図

【図３】図２のＡ−Ａ断面図

【図４】図２の巻枠と間隔片の一部を切り出して示す斜
視図

【符号の説明】

１ 巻枠 １１ 筒部 １２ つば部 ２ 超電導コイル ２１ 内径側コイル ２２ 外径側コイル ３１Ａ 間隔片 ４１Ａ 冷却ダクト ３３Ａ 絶縁板 ４３Ａ 半径ダクト

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状の巻枠と、この巻枠の外径側に対称
   軸の方向に超電導線を並べて所定の巻数だけ巻回してな
   る層を半径方向に積層して所定の層数の超電導コイルが
   形成されてなる超電導磁石において、巻枠と最内径側の
   層又は隣接する層の間に設けられた少なくとも１層の冷
   却ダクトが対称軸に平行な直線に対して所定の角度の斜
   めに形成されてなることを特徴とする超電導磁石。
2. 【請求項２】間隔片が、絶縁材からなることを特徴とす
   る請求項１記載の超電導磁石。
3. 【請求項３】間隔片が、ガラス繊維強化合成樹脂からな
   ることを特徴とする請求項２記載の超電導磁石。