JPH0746648B2 - 超電導コイル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、たとえば超電導磁気浮上車（リニアモーター
カー）等に使用される超電導コイル、特に内槽容器に収
納される超電導コイル部材を液体ヘリウムで間接的に冷
却してなる構造を有する超電導コイルに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

現在、将来的な交通機関の一つとして開発が進められて
いるリニアモーターカーに使用される超電導コイルは、
通常、超電導コイル部材が収納された内槽容器を、真空
の外槽容器内に支持し、かつその内槽容器の周囲を液体
ヘリウム等により極低温状態に冷却保持してなる構成を
有するものが一般的となっている。

ところで、このような超電導コイルにあっては、極低温
の内槽容器に対して、外部熱の侵入をできるだけ遮断す
る必要があるとともに、車両の磁気浮上時に作用する大
きな荷重力に対する内槽容器の強度を安定させることが
必要であるばかりでなく、省エネルギ的な見地から、超
電導コイルの断面を小さくして、地上コイルとの空隙を
小さくし、車両の浮上走行に必要な起磁力を低減させる
一方、超電導コイル自体の重量を軽減化させることが大
きな課題となっている。

すなわち、第７図に示すように、車両Ａが軌道Ｂ上を走
行する時、軌道Ｂ上に設けられた案内用地上コイル１
に、車両Ａに取付けた超電導コイル２を対向配置して、
これら両コイル1,2間に誘導反発力を生じさせることに
より車両Ａを浮上させて推進力を得るものであるが、こ
の浮上力を得るための起磁力は、両コイル1,2の中心間
の距離Ｙに大きく左右され、この距離Ｙが小さい程、起
磁力が小さくて済み、省エネルギ化を図ることが可能と
なる。

そこで、従来の超電導コイルにおいては、第８図及び第
９図に示すように、ステンレス鋼からなる内槽容器３を
偏平断面でもってレーストラック形状の環状に形成し、
かつその内径部間を補強材3aで補強してなる構成を有す
るものが採用されている。この内槽容器３内の中央部に
配設される超電導コイル部材４は、ニオブチタン合金か
らなる超電導線材を複数回巻回した後、その層間及び外
周部を絶縁層５で絶縁含浸することにより剛性の強化を
図ってなるもので、前記内槽容器３内の中央部にスペー
サ６を介して支持固定されるようになっている。すなわ
ち、前記超電導コイル部材４は、スペーサ６との保持部
分に強化プラスチック（FRP）などの図示しない絶縁板
を介して内槽容器３内に固定され、前記スペーサ６に通
気孔７及び切欠溝８を設けてその周囲を冷却槽に形成す
るとともに、この冷却槽内に液体ヘリウムを封入させる
ことにより、いわゆる周囲浸漬冷却方式によって冷却さ
れるようになっている。

しかしながら、上記した従来構造のものでは、内槽容器
３内に収納された超電導コイル部材４がスペーサ６の介
在によって保持されていることから、超電導コイル中心
と地上コイル中心との間の距離を充分に小さくすること
ができず、しかも全体の重量軽減化にも不充分であっ
た。

また、このような従来の不具合を解消する具体例とし
て、第10図に示すようなスペーサを用いない断面構造を
有するものが考えられる。すなわち、内槽容器３を第１
及び第２のチャンネル部材31,32によって囲まれる閉断
面の内側冷却槽33とこの内側冷却層33の外側に環状に形
成される断面Ｈ型の外側溝状巻線部34との互いに隣接す
る２室断面構造にし、外側溝状巻線部34に超電導コイル
部材４を巻回した後、蓋である第３のチャンネル部材35
を覆せて溶接し組立てるようになっている。

ところが、上記した内槽容器３の構造では、第８図及び
第９図に示す従来の浸漬方式のものと比較して間接一面
冷却方式となっていることから、全体をコンパクト化で
き、軽量で製作も容易であるという利点を有する反面、
冷却槽33に満たされた液体ヘリウムによる超電導コイル
部材４の冷却作用は、ステンレス鋼及びエポキシ樹脂等
の絶縁層を間に介しているため、熱伝導率が悪く、例え
ばステンレス鋼の熱伝導率を1.0（4.2k値）とした場
合、エポキシ樹脂からなる絶縁層は約0.25であり、超電
導コイル部材に安定材として用いる銅は約6,000という
ように各々の熱伝導率が大幅に異なることから、冷却効
率が非常に悪くなる。ましてや、従来の超電導コイルで
は、コイル部材をある一定の予圧縮をもたせた状態で内
槽容器に収納しているのに対し、上記した巻枠一体型の
間接冷却方式では、コイル部材と内槽容器とを単に一体
に含浸された状態にしか過ぎないため、各々の部材間が
充分な接触状態であっても、接触熱抵抗が生じ易く、ま
た微小な空隙が存在すれば、熱伝導能力は極端に劣化す
る。したがって、組立完成後の超電導コイルの冷却槽に
液体ヘリウムを注液して極低温とした場合に、約300kの
常温から約4.2kの液体ヘリウム温度に急激な温度変化を
繰り返すと、内槽容器とコイル部材との間に熱膨張率の
相違による微小な剥離層が発生し、このような剥離層の
発展によって内槽容器から絶縁層への熱伝導が桁外れに
低下し、超電導コイル部材の冷却不足を招いて初期予冷
のための時間が長くなるばかりでなく、超電導コイルと
しての基本的性能を満たさないといった問題が生じる。

〔発明の目的〕

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、間接一面冷却方式の超電導コイルにおいて、内槽容
器の内側冷却槽と外側溝状巻線部との間の熱伝達特性を
良好にして冷却効率を高め、超電導コイル部材の冷却不
足を解消して予冷時間の短縮化を図るとともに、運転時
の磁場の影響により発生する誘導電流による発熱を抑え
て、安定した冷却性能特性を維持する超電導コイルを提
供することを目的とする。

［発明の概要］ 上述した目的を達成するために、本発明は、超電導コイ
ル部材が巻装される環状の外側溝状巻線部と、この外側
溝状巻線部と隣接して外側溝状巻線部に沿って形成され
る内側冷却槽と、外側溝状巻線部に蓋を接合し、外側溝
状巻線部と蓋とで超電導コイル部材を収納する内槽容器
と、外側溝状巻線部の内外両表面の少なくとも内面側に
設けられ、内槽容器の周方向に分断して形成される熱伝
導率の良好な材料層とを有してなる。

この構成により、熱伝導率の良好な材料層により、内槽
容器の内側冷却槽と外側溝状巻線部との間の熱伝達特性
が良好になり、内側冷却槽の冷媒による外側溝状巻線部
に巻装された超電導コイル部材の間接冷却効率が向上し
て、超電導コイル部材の冷却不足を解消することがで
き、予冷時間の短縮化を図ることができる。

しかも、熱伝導率の良好な材料層が内槽容器の周方向に
分断されているので、運転時の磁場の影響により発生す
る誘導電流が少なくなり、その誘導電流による発熱を抑
えて、安定した冷却性能特性を維持することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を第１図から第４図に示す一実施例を参照
しながら説明する。なお、本発明の図示の実施例におい
て、第10図に示す超電導コイルと構成が重複する部分は
同一符号を用い、その説明は省略する。

すなわち、本発明は、第１図から第４図に示すように、
超電導コイル２を構成する内槽容器３の超電導コイル部
材４が巻装される外側溝状巻線部34の内表面に熱伝導率
の良好な材料層である銅メッキによる皮膜層11を形成し
たもので、この皮膜層11は第３図に示すように、一部分
がマスキング処理されて全周に亘るのを分断回避し、通
電中あるいは走行中の誘導電流によって発熱が過大にな
るのを防止してなるとともに、第２図に示すように、第
３のチャンネル部材35の接合部分にも、超電導コイル部
材４の巻線後の溶接作業を実施するためにマスキング処
理を施している。

また、第５図及び第６図は、本発明に係る超電導コイル
の他の実施例を示し、第５図は内槽容器３に施される皮
膜層11を一定の間隔をもって分断して、誘導電流による
発熱の影響をより低減化させてなる構成とし、第６図は
皮膜層11を内槽容器３の内外両面に形成し、これによっ
て内槽容器３の外壁面部に２点破線で示すような予冷用
配管12等をロウ付けすることが可能になるように構成し
てなるものである。

しかして、上記した超電導コイル２の構成によれば、超
電導コイル部材４が巻装される内槽容器３の外側溝状巻
線部34の内表面に、ステンレス鋼よりも約6000倍の熱伝
導率を有する銅メッキからなる皮膜層11を形成してなる
ことから、超電導コイル部材４が内側冷却槽33に一面し
か接触していない場合にも、皮膜層11の形成によって熱
伝達が積極的に行なわれ、冷却性能を格段に向上させる
ことが可能になる。したがって、冷却過程において、万
一超電導コイル部材４の絶縁層５と内槽容器３との間に
両者の熱膨張率の差による剥離現象によって空隙が若干
生じても、超電導コイル部材４の冷却を充分に行なうこ
とができ、例えば内槽容器３の板厚を5mm、皮膜槽11の
厚さを0.05mmとしてその断面積が1/100になるように設
定した場合にも、熱伝導率が約6000倍であるため、60倍
の熱伝達が行なえる。

また、内槽容器３の外表面部にも銅メッキからなる皮膜
槽11を形成した場合、内槽容器３の表面状態がステンレ
ス層から銅層へと変化し、内槽容器３と、これを収納す
る外槽容器、例えば輻射熱シールド板間には、輻射熱伝
達が発生し、これによって、内槽容器３への熱侵入量は
両者の温度差と内槽容器３の表面状態に伴う輻射率に比
例するため、従来のようなステンレス鋼の表面をバフ研
磨等により輻射熱量を低減させても、その輻射率εは0.
1程度であり、輻射率が0.005の銅面では輻射熱を約1/20
に低減することが可能になるばかりでなく、表面のバフ
研磨作業が省略できる。

さらに、内槽容器３に形成された導電性金属材料である
銅メッキ皮膜層11が該内槽容器３の全周に亘っている場
合には、電気抵抗が非常に小さい１ターンループによる
励・消磁時の電磁気誘導によって大きな誘導電流が流れ
て熱を発生するが、前述の如く該皮膜層11が周方向に分
断されているので、全周に亘って誘導電流が流れること
ができなくなり、仮に誘導電流が発生したとしても、極
めてわずかな電流となるか、又は皮膜層11の各々分断さ
れた小区域の範囲内で小さなループを作って流れる程度
で、誘導電流による発熱が低減され、車両走行中に地上
コイルから受ける変動磁界による誘導電流損失も低減で
き、より熱負荷の低減化が図れ、安定した冷却特性を保
持することが可能になる。

なお、本発明の実施例においては、内槽容器への皮膜層
の形成に銅メッキ処理のみで行なったが、これに限定さ
れるものではなく、銅メッキ層の上に銅製の平網線のよ
うな編導線層を半田付け等で固着しても良く、この場合
は、内槽容器の巻線部への銅メッキ処理が内側冷却槽側
表面のみで済み、また超電導コイル部材を平網線で包む
ような構成とする。さらに、熱伝導率の良好な材料層の
他の実施例としては、例えばステンレス鋼と銅とからな
るクラッド板、ステンレス鋼へ銅あるいはアルミニウム
を爆着または溶射等させることによって形成されるもの
でも良い。さらにまた、外側溝状巻線部の内面側への皮
膜層の形成を全周面に亘って行なっているが、一面の
み、または２面、３面でも同様な作用、効果を得ること
ができ、また冷却容量によっては部分的に形成しても良
い。

更に本発明の超電導コイルは間接一面冷却方式を採用し
ているため、車両上の超電導コイル中心と軌道上の地上
コイル中心との間の距離を小さくすることができるた
め、その起磁力を低減化させることができ、省エネルギ
化が期待できるとともに、組み立て作業性に優れ、量産
性の向上を図ることができる。

その他、本発明は、本発明の要旨を変えない範囲で種々
変形実施可能なことは勿論である。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、超電導コイル部
材への冷却性能を高めることができるので、予冷時間の
短縮化を図ることができるとともに、材料層を内槽容器
の周方向に分断しているので、運転時の磁場の影響によ
り発生する誘導電流が少なくなり、その誘導電流による
発熱を抑えて、安定した冷却性能特性を維持することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超電導コイルの一実施例を示す一
部切欠した概略構成図、第２図は第１図II−II線におけ
る要部拡大断面図、第３図は同じく内槽容器への銅メッ
キ処理状態を示す概略的斜視図、第４図は第３図IV−IV
線における要部拡大断面図、第５図及び第６図は本発明
に係る内槽容器への銅メッキ処理状態の他の実施例を示
す説明図、第７図は超電導磁気浮上車の軌道走行状態の
一般的構造を示す概略的説明図、第８図は従来の超電導
コイルを一部切欠して示す概略構成図、第９図は第８図
IX−IX線における要部拡大断面図、第10図は従来の巻枠
一体型間接冷却方式の内槽容器の構造を示す要部拡大断
面図である。 ２…超電導コイル、３…内槽容器、33…内側冷却槽、34
…外側溝状巻線部、４…超電導コイル部材、11…材料
層。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導コイル部材が巻装される環状の外側
   溝状巻線部と、 この外側溝状巻線部と隣接して前記外側溝状巻線部に沿
   って形成される内側冷却槽と、 前記外側溝状巻線部に蓋を接合し、前記外側溝状巻線部
   と前記蓋とで前記超電導コイル部材を収納する内槽容器
   と、 前記外側溝状巻線部の内外両表面の少なくとも内面側に
   設けられ、前記内槽容器の周方向に分断して形成される
   熱伝導率の良好な材料層と を有する超電導コイル。
2. 【請求項２】前記材料層は、銅メッキの皮膜層からなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超電導
   コイル。
3. 【請求項３】前記材料層は、銅メッキ層と、この銅メッ
   キ層に固着させた編導線層とからなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の超電導コイル。
4. 【請求項４】前記材料層は、ステンレス鋼と、このステ
   ンレス鋼へ銅またはアルミニウムを爆着または溶射させ
   ることにより形成したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の超電導コイル。
5. 【請求項５】前記材料層は、ステンレス鋼と銅とのクラ
   ッド板により形成したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の超電導コイル。