JPH09148124A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導線を密巻し含浸材で含浸固定したソレ
ノイド状の超電導コイルにおいて、凝固収縮や外部応力
による含浸材の割れを防止でき、よってクエンチを抑制
してコイルの安定性の向上が図れる超電導コイルを提供
する。 【解決手段】 巻枠(1) の胴部(1a)外周にソレノイド状
に密巻した円形断面の超電導線(2) 間の間隙に、該超電
導線(2) 半径Ｒの 0.155Ｒ以下の半径をもつ円形断面の
ワイヤ(3) を巻き込んだ後に、同間隙に含浸材(4) を含
浸した構成の超電導コイルとする。 【効果】 超電導線間の間隙に巻き込んだワイヤによっ
て含浸材が入る空隙部を小さくして、含浸材の相当断面
積を小さく抑え、これによりコイル半径を大きくするこ
となく、含浸材の体積当たりの表面積を大きくして、凝
固収縮や外部応力による含浸材の微細な割れを防止でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温下で励磁さ
れて大きな電磁力を発生する超電導コイルに関し、特に
超電導線を密巻し含浸材で含浸固定したソレノイド状の
超電導コイルに関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイルにおいては、巻回した超電
導線が励磁時の電磁応力よって動き、その際に生じる摩
擦熱により超電導状態から常電導状態に転移し、短時間
で磁場が減少し大きな蓄積エネルギーが熱として放出さ
れる現象（クエンチ）がある。このクエンチを防ぐ手段
として、従来では、エポキシ樹脂等の含浸材を用いて超
電導線の巻線部を含浸して線間の空隙を埋めることで、
つまり液体状態の含浸材を巻線部の空隙に浸透させ、そ
の後に凝固させることで、超電導線の動きを抑制する方
法が採られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、エ
ポキシ樹脂等の合成樹脂からなる含浸材は、凝固する際
に収縮するため、上記のように巻線部に含浸材を含浸さ
せた超電導コイルでは、凝固した含浸材の内部または線
との境界面に微細な割れが生じる場合がある。そして、
含浸材に微細な割れが生じると、超電導線の固定が不十
分になり、励磁時の電磁応力で超電導線が動き、摩擦熱
によってクエンチを引き起こす。また、この超電導コイ
ルに通電したとき、超電導線に働く電磁応力により含浸
材の内部または境界面に微細な割れが生じ、この割れに
よって開放される機械的エネルギーが熱エネルギーに変
換し、クエンチを引き起こすことがある。また、含浸材
の相当断面積は超電導線の径が大きくなるほど、またコ
イル半径が大きくなるほど増大するので、含浸材の割れ
の傾向は、能力アップのための超電導線の大径化および
コイルの大型化に伴って顕著となる。

【０００４】ここで、含浸材の割れを防ぐため、超電導
線の巻線層間に繊維質のシートを挟み込んだ構造が採ら
れることがあるが、この場合、シートの厚みのためにコ
イル半径が大きくなり、それに伴い巻線密度が小さくな
って機能低下を招く。更に、巻線層間の超電導線がシー
トに遮られて直接に接触しないため、外部への熱伝導が
悪くなりコイル内に発生した微小な熱の冷却が妨げられ
る等の欠点がある。また、これらの問題はコイルの大型
化に伴ってより顕著になる。従って、クエンチを防いで
所期の電磁力を安定して発生させるには、超電導線を密
巻して機能低下を伴うコイル半径の増大を回避してな
お、凝固収縮や外部応力による含浸材の割れを防止でき
る超電導コイルを開発することが課題となる。

【０００５】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、超電導線の密巻を維持してなお、凝固収縮や
外部応力による含浸材の割れを防止でき、よって機能低
下を伴うことなく、クエンチを抑制してコイルの安定性
の向上が図れる超電導コイルを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成とされている。すなわち、１
つは、円形断面の超電導線を密巻し含浸材で含浸固定し
てなるソレノイド状の超電導コイルにおいて、前記超電
導線の隣接する線間の間隙に、該超電導線の半径Ｒに対
し 0.155Ｒ以下の半径をもつ円形断面のワイヤを巻き込
んでなることを特徴とする超電導コイルである。

【０００７】また１つは、各角部に円弧をもつ矩形断面
の超電導線を密巻し含浸材で含浸固定してなるソレノイ
ド状の超電導コイルにおいて、前記超電導線の隣接する
線間の間隙に、該超電導線の角部円弧の半径ｒに対し0.
25ｒ以下の直径をもつ円形断面のワイヤを巻き込んでな
ることを特徴とする超電導コイルである。

【０００８】また、上記ワイヤが、上記超電導線よりも
熱伝導率が大きくて比熱の小さい金属材料からなるもの
とされて良く、また、繊維質材料からなるものとされて
も良い。

【０００９】超電導線間の間隙に含浸させた含浸材が凝
固収縮する際の微細な割れを防ぐには、その含浸材の体
積当たりの表面積を大きくし、凝固時における含浸材の
温度分布を均等化させることが有効である。また、凝固
後の含浸材自体の強度を増して外部応力による割れを防
ぐには、同じく含浸材の体積当たりの表面積を大きく
し、含浸材に働く応力のモーメントを小さくすることが
有効である。しかし、円形断面ないしは各角部に円弧を
もつ矩形断面の超電導線を密巻した超電導コイルの場
合、その巻線部の断面構造を示す部分断面図である〔図
３〕の(a)図および (b)図に示すように、含浸材(11)が
入る超電導線(10),(10')の線間の間隙（空隙部Ａ）の形
状および体積割合は、円形超電導線(10)の半径Ｒおよび
矩形超電導線(10') の角部円弧ｒによって幾何学的に決
まり、一定である。

【００１０】これを解消するために、上記本発明の１つ
の超電導コイルでは、密巻した円形断面の超電導線の隣
接する線間の間隙に、該超電導線の半径Ｒに対し 0.155
Ｒ以下の半径をもつ円形断面のワイヤを巻き込むこと
で、また１つの超電導コイルでは、密巻した各角部に円
弧をもつ矩形断面の超電導線の隣接する線間の間隙に、
該超電導線の角部円弧半径ｒに対し0.25ｒ以下の直径を
もつ円形断面のワイヤを巻き込むことで、含浸材が入る
空隙部、つまり含浸材部の相当直径を小さくし、これに
より含浸材の体積当たりの表面積を大きくする。

【００１１】〔表１〕に、円形断面の超電導線を密巻し
たコイルに、該超電導線の半径Ｒの0.155Ｒの半径をも
つワイヤを巻き込んだ場合と、各角部に円弧をもつ矩形
断面の超電導線を密巻したコイルに、該超電導線の角部
円弧ｒの0.25ｒの直径をもつワイヤを巻き込んだ場合
の、含浸材が入る空隙部の断面積、周囲長さおよび相当
直（断面積／周囲長さ）を、ワイヤを用いていない従来
の場合と対比して示す。

【００１２】

【表１】

【００１３】〔表１〕に示すように、密巻した超電導線
間の間隙にワイヤを巻き込む本発明の超電導コイルで
は、含浸材部の相当直径を従来の 1/2〜2/5 に小さくす
ることができ、これにより超電導線の密巻状態を維持し
たままで、つまりコイル半径を大きくすることなく、含
浸材の体積当たりの表面積を大きくして、凝固収縮や外
部応力による含浸材の微細な割れを防止でき、よって機
能低下を伴うことなく、励磁時のクエンチを抑制してコ
イルの安定性を向上させることができる。

【００１４】また、ワイヤとして、超電導線よりも熱伝
導率が大きくて比熱の小さい金属材料、例えば、銅、銅
合金、アルミニウム、アルミニウム合金などのを用いた
場合、巻回された超電導線は熱伝導率が大きくて比熱の
小さい金属に接することになり、これによりコイル内に
発生した微小な発熱が冷却され、よってコイル安定性を
より向上させることができる。また、ワイヤとして、繊
維質材料を用いた場合も、上記と同様に、コイル半径を
大きくすることなく、含浸材の微細な割れを防止でき、
よって機能低下を伴うことなく、クエンチを抑制してコ
イルの安定性を向上させることができる。

【００１５】なお、上記本発明の１つの超電導コイルで
は、円形断面の超電導線間に巻き込むワイヤの半径を、
該超電導線の半径Ｒの 0.155Ｒ以下とし、また１つの超
電導コイルでは、矩形断面の超電導線間に巻き込むワイ
ヤの直径を、該超電導線の角部円弧半径ｒの0.25ｒ以下
としているが、これは以下の理由による。すなわち、円
形断面ないしは矩形断面の超電導線を密巻した場合、
〔図１〕の(b)図および〔図２〕の (b)図に示すよう
に、隣接する超電導線(1),(1')間に形成される空隙部の
形状は、それら超電導線(1),(1')の半径Ｒおよび角部円
弧ｒにより幾何学的に定まり、また、その空隙部断面で
の最大内接円も同様に幾何学的に求められる。これが前
者では 0.155Ｒの半径、後者では0.25ｒの直径となり、
それ以上の半径ないしは直径の場合では、それぞれの超
電導線を密に巻回できなくなるので、これら値を上限と
している。一方、そのワイヤの半径ないしは直径の下限
値は、特に限定する理由は認められないが、含浸材部の
相当直径を減少させる本来目的より、実施にあたって
は、上記の上限値それぞれの少なくとも50％以上、好ま
しくは80％以上をもって下限とされることが望ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。〔図１〕は本発明に係る超電導コ
イルの１実施形態の構成を示す図面であって、 (a)図は
概要構成を示す正断面図、 (b)図は (a)図のイ部拡大断
面図である。

【００１７】本例の超電導コイルは、〔図１〕の (a)図
に示すように、円筒状の胴部(1a)の両端部にフランジ(1
b)を設けた巻枠(1) と、この巻枠(1) の両フランジ(1b)
間の胴部(1a)外周にソレノイド状に密巻した円形断面の
超電導線(2) と、 (b)図に示すように、密巻した超電導
線(2) 間の間隙に巻き込まれた円形断面のワイヤ(3)
と、同間隙に含浸された含浸材(4) とを備えてなる。

【００１８】また、超電導線(2) は、 (b)図に示すよう
に、各巻線層間で隣接する２つの超電導線(2) それぞれ
と点接触するように密巻されており、一方、ワイヤ(3)
は、超電導線(2) の半径Ｒの 0.155Ｒ以下の半径をもつ
円形断面のもので、隣接する３つの超電導線(2) 間に形
成された変形三角形状の間隙に巻き込まれている。ま
た、含浸材(4) は、超電導線(2) とワイヤ(3) がソレノ
イド状に巻回された後に含浸されている。

【００１９】上記構成の本例の超電導コイルでは、密巻
した超電導線間の間隙に巻き込んだワイヤによって、含
浸材が入る空隙部を小さくして含浸材の相当直径を小さ
く抑えるので、これにより超電導線の密巻状態を維持し
たままで、つまりコイル半径を大きくすることなく、含
浸材の体積当たりの表面積を大きくして、凝固収縮や外
部応力による含浸材の微細な割れを防止でき、よって機
能低下を伴うことなく、励磁時のクエンチを抑制してコ
イルの安定性を向上させることができる。

【００２０】〔図２〕は本発明に係る超電導コイルの別
の実施形態の構成を示す図面であって、 (a)図は概要構
成を示す部分正断面図、 (b)図は (a)図のイ部拡大断面
図である。なお、本例の超電導コイルは、超電導線の断
面形状が異なる点を除いて、基本的な構成は前記例と同
じであるので、ここでは１部分のみを図示すると共に
〔図１〕と等価な各部に同符号を付してその説明を省略
し、差異点のみを要約して説明するものとする。

【００２１】〔図２〕に示す本例の超電導コイルでは、
各角部に円弧をもつ矩形断面の超電導線(2')を、巻枠
(1) の胴部(1a)外周に密巻しており、また、その超電導
線(2')は、 (b)図に示すように、各巻線層間で隣接する
２つの超電導線(2')それぞれと接触するように密巻され
ている。一方、ワイヤ(3) は、超電導線(2')の角部円弧
の半径ｒの0.25ｒ以下の直径をもつ円形断面のもので、
隣接する３つの超電導線(2')間に形成された変形三角形
状の間隙に巻き込まれている。

【００２２】上記構成の本例の超電導コイルでは、前記
例のものと同様に、巻き込んだワイヤによって含浸材の
相当直径を小さくし、これによりコイル半径を大きくす
ることなく、含浸材の体積当たりの表面積を大きくし
て、凝固収縮や外部応力による含浸材の微細な割れを防
止でき、よって機能低下を伴うことなく、励磁時のクエ
ンチを抑制してコイルの安定性を向上させることができ
る。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。〔図１〕に示した構成のもとで、外径0.45mmの銅
安定化NbTi超電導線を1400回密巻して、内径14Omm,外径
146mm,軸方向長さ100mm のコイルとし、これに、２液攪
拌時に液体であって、その後約24時間で固化し凝固時に
約10％体積が減少するエポキシ樹脂を含浸材として含浸
させ、かつ、超電導線の巻回時にその線間の間隙に、直
径0.070mm(超電導線半径Ｒの0.15Ｒの半径）の銅線を巻
き込んだ超電導コイル（No.１例）と、同じく直径0.070
mm のガラス繊維線を巻き込んだ超電導コイル（No.２
例）とを準備した。また、比較のために、上記超電導線
を同数同形状に密巻し、従来と同様に超電導線間の間隙
に線等を入れずに含浸材を含浸させた超電導コイル（比
較例）も準備した。なお、これら３種の超電導コイルの
定格電流値は 250Ａである。そして、上記３種の超電導
コイルそれぞれを、バックアップ磁場中で励磁し、クエ
ンチ(Quench)の電流を比較検討した。その結果を〔表
２〕に示す。

【００２４】

【表２】

【００２５】〔表２〕に示すように、従来と同様に超電
導線間の間隙に含浸材のみを含浸させた比較例の超電導
コイルは、定格以下で３回の繰り返しているが、本実施
例のNo.１およびNo.２例の超電導コイルは、いずれもク
エンチなしに定格に達しており、この結果から本発明の
優れた効果を確認することができた。

【００２６】なお、上記実施例では、円形断面の超電導
線を用いた超電導コイルの例について述べたが、その結
果から〔図２〕に示した超電導コイル、つまり密巻した
矩形断面の超電導線間の間隙にワイヤを巻き回した超電
導コイルにおいても、同様の効果が得られることは容易
に類推することができる。また、上記実施例は、銅安定
化NbTi超電導線を用いた場合の１例であるが、本発明は
NbTi超電導線だけに限定されるものではなく、あらゆる
種類の超電導線を用いた超電導コイルに適用することが
できる。

【００２７】また、前述の２実施形態において、円形断
面の超電導線を密巻する前者の超電導コイルでは、その
超電導線間に巻き込むワイヤの半径を、該超電導線の半
径Ｒの 0.155Ｒ以下とし、また矩形断面の超電導線を密
巻する前者の超電導コイルでは、その超電導線間に巻き
込むワイヤの直径を、該超電導線の角部円弧半径ｒの0.
25ｒ以下としているが、その上限を超える半径ないしは
直径では、それぞれの超電導線を密に巻回できなくなっ
て、機能低下を伴うコイル半径の増大を防ぐ本来目的が
達成できなくなるので、厳に回避する必要ある。一方、
そのワイヤの半径ないしは直径の下限値は、特に限定す
る理由は認められないが、含浸材の相当直径を減少させ
る本来目的より、実施にあたっては、上記の上限値それ
ぞれの少なくとも50％以上、好ましくは80％以上をもっ
て下限とされることが望ましい。

【００２８】また、前述の２実施形態および上記実施例
では、巻枠の両フランジ間の胴部外周に超電導線を密巻
することで捲線部を構成したが、本発明は、この構成に
限定されるものではなく、超電導線をソレノイド状に巻
回し含浸材で含浸固定するものであれば、例えば、中心
部に巻枠のない超電導コイルなどの他の構成の超電導コ
イルに適用して、同様の効果が得られることは言うまで
もない。しかも、能力アップを目的として超電導線を大
径化やコイルの大型化を図る場合に適用して、含浸材の
相当断面積の増大を抑える一方で体積当たりの表面積を
大きくし、凝固収縮や外部応力による微細な割れを効果
的に防止でき、よってクエンチを防いで所期の高電磁力
を安定して発生させることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明の超電導コ
イルは、超電導線の密巻を維持したままで、凝固収縮や
外部応力による含浸材の割れを防止でき、よって機能低
下を伴うことなく、クエンチを抑制してコイルの安定性
を向上させることができ、しかも能力アップを目的とす
る超電導線を大径化やコイルの大型化に容易に対応で
き、超電導コイルの性能向上と安定化に大きく寄与する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超電導コイルの１実施形態の構成
を示す図面であって、 (a)図は概要構成を示す正断面
図、 (b)図は (a)図のイ部拡大断面図である。

【図２】本発明に係る超電導コイルの別の実施形態の構
成を示す図面であって、 (a)図は概要構成を示す部分正
断面図、 (b)図は (a)図のイ部拡大断面図である。

【図３】従来の円形断面および矩形断面の超電導線を密
巻した超電導コイルの巻線部の断面構造を示す部分断面
図である。

【符号の説明】

(1)-- 巻枠 (1a)--胴部 (1b)--フランジ (2) --超電導線 (2')--超電導線 (3) --ワイヤ (4) --含浸材 Ｒ -- 円形超電導線の半径 ｒ -- 矩形超電導線の角部円弧半径

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円形断面の超電導線を密巻し含浸材で含
   浸固定してなるソレノイド状の超電導コイルにおいて、
   前記超電導線の隣接する線間の間隙に、該超電導線の半
   径Ｒに対し 0.155Ｒ以下の半径をもつ円形断面のワイヤ
   を巻き込んでなることを特徴とする超電導コイル。
2. 【請求項２】 各角部に円弧をもつ矩形断面の超電導線
   を密巻し含浸材で含浸固定してなるソレノイド状の超電
   導コイルにおいて、前記超電導線の隣接する線間の間隙
   に、該超電導線の角部円弧の半径ｒに対し0.25ｒ以下の
   直径をもつ円形断面のワイヤを巻き込んでなることを特
   徴とする超電導コイル。
3. 【請求項３】 前記ワイヤが、前記超電導線よりも熱伝
   導率が大きくて比熱の小さい金属材料からなる請求項１
   または２記載の超電導コイル。
4. 【請求項４】 前記ワイヤが、繊維質材料からなる請求
   項１または２記載の超電導コイル。