JPH09252527A

JPH09252527A - 超電導装置

Info

Publication number: JPH09252527A
Application number: JP8057965A
Authority: JP
Inventors: Chikushi Hara; 築志原; Takeshi Okuma; 武大熊; Masahiko Nakade; 雅彦中出; Takashi Yazawa; 孝矢澤; Tsutomu Kurusu; 努来栖; Shiyunji Nomura; 俊自野村; 和行 ▲鶴▼永; Kazuyuki Tsurunaga; Jun Matsuzaki; 順松崎; Kenji Tazaki; 賢司田崎
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-22
Anticipated expiration: 2016-03-14
Also published as: JP3442923B2

Abstract

(57)【要約】【課題】導電材製の容器内に無誘導巻接続された複数層
構成の超電導コイルを収容してなる超電導装置におい
て、定常時に容器の壁に生じる渦電流損失を効果的に減
少させる構成を提供する。【解決手段】導電材製の容器３１内に無誘導巻接続され
た複数層構成の超電導コイル３２を収容してなる超電導
装置において、超電導コイル３２を囲むように容器内に
配置された良導電材製の電磁シールド体４３と、超電導
コイル３２の内側に配置されて超電導コイル３２の各層
で発生する交番磁場のバランスをとる導電材製のバラン
ス調整体４４とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導装置に係
り、特に低温冷媒液を収容する導電材製の容器内に無誘
導巻構成の超電導コイルを収容してなる超電導装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、超電導線は、その線材固
有の臨界電流値を越える電流が流れようとすると、ほと
んど瞬時に常電導状態に転移（クエンチ）する。このよ
うに常電導状態に転移すると、今までの抵抗零の状態か
ら高抵抗状態へと切換わる。

【０００３】このような超電導線特有の現象に着目し、
最近では電力系統で用いられる超電導限流器の開発が盛
んに行われている。超電導限流器には、無誘導巻構成の
超電導コイルを限流素子として直接使用する抵抗動作型
と、無誘導巻構成の超電導コイルをトリガコイルとして
用い、このトリガコイルと並列に設けられたリアクトル
等の限流素子に転流させて限流する転流動作型とがあ
る。いずれのタイプにおいても、定常状態においては電
力系統の電流を無誘導巻構成の超電導コイルに直接流す
方式が採用される。

【０００４】無誘導巻構成の超電導コイルとしては、た
とえば２個のコイルを互いに発生磁場を打消すように直
列に接続した直列構成のものと、互いに発生磁場を打消
すように並列に接続した並列構成のものとがあるが、超
電導線に流す電流の密度を下げる意味から専ら並列構成
のものが用いられる。

【０００５】図１２には電力系統で用いられる抵抗動作
型の超電導限流器の代表的な例が示されている。なお、
実際に電力系統で用いられる場合には三相構成となる
が、この図では単相構成で示してある。

【０００６】この超電導限流器の主要部は、断熱容器１
と、この断熱容器１内に収容された無誘導巻構成の超電
導コイル２と、この超電導コイル２と一緒に断熱容器１
内に収容されて超電導コイル２を浸漬冷却する液体ヘリ
ウムで代表される極低温冷媒液３と、この極低温冷媒液
３の蒸発ガスを再凝縮する極低温冷凍機４と、超電導コ
イル２の両端を電力系統に接続するための２本の電流リ
ード５とで構成されている。

【０００７】断熱容器１は、超電導コイル２と極低温冷
媒液３とを収容する内槽１１と、この内槽１１を取囲む
ように配置された外槽１２と、この外槽１２と内槽１１
との間に形成された真空断熱層１３とで構成されてい
る。内槽１１は、超電導コイル２がクエンチして限流動
作が行われたときのジュール熱で極低温冷媒液３が蒸発
して起こる内圧上昇に十分耐え得るように、通常、ステ
ンレス鋼で形成されている。

【０００８】なお、図１２に示す例では真空断熱層１３
に熱シールド板１４が配置してあり、この熱シールド板
１４は極低温冷凍機４のたとえば中間冷却ステージ（５
０Ｋ程度）に熱的に接続されている。

【０００９】超電導コイル２は、たとえば図１３に示す
ように、巻枠１５，１６に臨界温度がたとえば１０数
Ｋ、臨界電流値が電力系統の定格電流波高値のたとえば
２倍程度の超電導線１７を互いに逆向きに巻回してなる
第１層コイル１８と第２層コイル１９とを直線状の中心
軸を共有するように同心円状に配置し、これら第１層コ
イル１８と第２層コイル１９とを超電導線２０と真空導
入端子２１，２２とを使って並列に接続して無誘導化し
たものとなっている。

【００１０】２本の電流リード５は、図１２の例ではそ
れぞれ酸化物超電導リード２３と銅リード２４とを直列
に接続した構成となっている。そして、酸化物超電導リ
ード２３と銅リード２４との接続部分がそれぞれ補助冷
凍機２５の５０Ｋ程度の冷却ステージ２６に電気絶縁状
態で、かつ熱的に接続されている。また、各銅リード２
４の一端側は、内槽１１，熱シールド板１４、外槽１２
を気密に、かつ電気絶縁状態に貫通して電力系統に接続
されるようになっている。

【００１１】このように構成された超電導限流器では、
超電導コイル２に電力系統の電流がそのまま流れる。超
電導コイル２は無誘導巻構成であるため、インダクタン
スがほぼ零であり、また抵抗値も零であるため負荷とし
て作用することはない。

【００１２】電力系統に短絡事故などが発生して第１層
コイル１８および第２層コイル１９を構成している超電
導線１７に臨界電流値を越える電流が流れようとする
と、第１層コイル１８および第２層コイル１９が瞬時に
クエンチし、この結果、第１層コイル１８および第２層
コイル１９が高抵抗体となって系統電流が増加するのを
抑える。このとき、内槽１１内に大きなジュール熱が発
生するので、極低温冷媒液３が蒸発する。この蒸発分は
極低温冷凍機４によって徐々に再凝縮される。なお、限
流された系統電流は図示しない遮断器によって遮断され
る。

【００１３】ところで、上記のように構成される超電導
限流器にあって、極低温冷凍機４の容量を抑えるために
は、定常時に内槽１１内に侵入する熱負荷を十分に小さ
くすることが望まれる。侵入する熱負荷としては、超電
導コイル２の交流損失や、電流リード５を介して熱伝導
で外部から侵入する熱や、内槽１１の壁における渦電流
損失などがある。

【００１４】これらの熱負荷のうち、内槽１１の壁で生
じる渦電流損失は次のような理由で発生する。すなわ
ち、限流素子である超電導コイル２を無誘導巻構成にし
ても、通常は僅かではあるが第１層コイル１８で発生し
た磁束と第２層コイル１９で発生した磁束とに差が生じ
る。一方、内槽１１は、前述したように限流時における
内圧上昇時の耐力確保の点から導電材であるステンレス
鋼で形成される。このため、超電導コイル２から出た磁
束がステンレス鋼で形成された内槽１１の壁と磁気的に
結合するとき、この壁に上述した差の磁束によって渦電
流損失を発生させる。この渦電流損失は無視できない大
きさである。

【００１５】このような渦電流損失を減少させるため
に、内槽１１を大きくし、内槽１１の壁と超電導コイル
２との間の距離を十分に大きくすることが考えられる
が、このような構成を採用すると、極低温冷凍機４の容
量増加を招くばかりか、全体の大型化を招くことにな
る。

【００１６】そこで、図１３に示すように、超電導コイ
ル２を囲むように、銅やアルミニウムなどのような良導
電材で円筒状に形成された電磁シールド体２７を配置
し、この電磁シールド体２７に流れる渦電流で上述した
差の磁束を打消す向きの磁束を発生させ、これによって
内槽１１の壁で生じる渦電流損失を減少させることが考
えられている。

【００１７】しかしながら、このような対策を講じたも
のにあっても次のような問題があった。すなわち、超電
導コイル２を構成している第１層コイル１８と第２層コ
イル１９とは、電磁シールド体２７に対してそれぞれ独
立して磁気的結合状態にある。その結合の強さは、距離
的に近い、つまり外側に位置している第２層コイル１９
の方が第１層コイル１８より強い。この結合の強さは、
第２層コイル１９の見かけ上のインピーダンスを下げる
ように作用する。このため、第１層コイル１８の電流値
よりも第２層コイル１９の電流値が大きくなり、前述し
た差の磁束をさらに増加させる。この結果、今度は電磁
シールド体２７での渦電流損失が増加し、条件によって
は電磁シールド体２７を設けていないときに内槽１１の
壁で発生する渦電流損失よりも電磁シールド体２７での
渦電流損失の方が大きくなる場合もあった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、低温冷媒
液を収容する導電材製の容器内に、各層で発生する交番
磁場を相互間で打消すように無誘導巻接続された複数層
構成の超電導コイルを収容するとともに、容器の壁に生
じる渦電流損失を減少させるために超電導コイルを囲む
ように良導電材製の電磁シールド体を配置してなる従来
の超電導装置にあっては、電磁シールド体の存在によっ
て各層間のインダクタンスバランスが崩れ、これが原因
となって渦電流損失を効果的に減少させることができな
いという問題があった。

【００１９】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
き、導電材製の容器を用いたときに問題となる容器壁で
の渦電流損失を効果的に減少させることができ、もって
冷凍機容量の低減化に寄与できる超電導装置を提供する
ことを目的としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明に係る超電導装置では、冷温冷媒液
を収容する導電材製の容器と、同心円状の形態をなす複
数層構造に形成され、各層で発生する交番磁場を相互間
で打消すように接続されて前記容器内に収容された無誘
導巻構成の超電導コイルと、この超電導コイルを囲むよ
うに前記容器内に配置された良導電材製の電磁シールド
体と、前記超電導コイルの内側に配置されて上記超電導
コイルの各層で発生する交番磁場のバランスをとる導電
材製のバランス調整体とを備えている。

【００２１】なお、前記バランス調整体は、超電導コイ
ルにおける巻枠の一部を兼ねていてもよい。上記目的を
達成するために、請求項３の発明に係る超電導装置で
は、冷温冷媒液を収容する導電材製の容器と、同心円状
の形態をなす複数層構造に形成され、各層で発生する交
番磁場を相互間で打消すように接続されて前記容器内に
収容された無誘導巻構成の超電導コイルと、この超電導
コイルを囲み、かつ前記容器の内面に近接配置された良
導電材製の電磁シールド体とを備えている。

【００２２】上記目的を達成するために、請求項４の発
明に係る超電導装置では、冷温冷媒液を収容する導電材
製の容器と、同軸的に配置された偶数のコイルブロック
で構成されるとともに各コイルブロックが同心円状の形
態をなす偶数層構造に形成され、各コイルブロックでは
各層で発生する交番磁場を相互間で打消すように、かつ
各コイルブロック間では軸を基準にして電流の流れる方
向条件が各コイルブロックを通して全て等しい偶数の電
流通路が形成されるように隣接するブロックの各層を接
続して前記容器内に収容された無誘導巻構成の超電導コ
イルと、この超電導コイルを囲むように前記容器内に配
置された良導電材製の電磁シールド体とを備えている。

【００２３】上記目的を達成するために、請求項５の発
明に係る超電導装置では、冷温冷媒液を収容する導電材
製の容器と、同心円状の形態をなす４層構造に形成さ
れ、最も内側に位置している１層目と最も外側に位置し
ている４層目とに周方向に同じ向きの交番電流を流すべ
く両層を直列に接続して第１回路を構成し、２層目と３
層目とに周方向に流れる交番電流の向きを上記第１回路
とは逆向きとすべく両層を直列に接続して第２回路を構
成し、上記第１回路と第２回路とを並列に接続するとと
もに１層目と２層目との間の断面積を３層目と４層目と
の間の断面積にほぼ等しく設定して前記容器内に収容さ
れた無誘導巻構成の超電導コイルと、この超電導コイル
を囲むように前記容器内に配置された良導電材製の電磁
シールド体とを備えている。

【００２４】上記目的を達成するために、請求項６の発
明に係る超電導装置では、低温冷媒液を収容する導電材
製の容器と、直線状の中心軸を共有する４層構造に形成
され、最も内側に位置している１層目と最も外側に位置
している４層目とに周方向に同じ向きの交番電流を流す
べく両層を直列に接続して第１回路を構成し、２層目と
３層目とに周方向に流れる交番電流の向きを上記第１回
路とは逆向きとすべく両層を直列に接続して第２回路を
構成し、上記第１回路と第２回路とを並列に接続すると
ともに１層目と２層目については各層の軸方向中央部が
最も小径となる形状に、３層目と４層目については各層
の軸方向中央部が最も大径となる形状に形成されて前記
容器内に収容された無誘導巻構成の超電導コイルと、こ
の超電導コイルを囲むように前記容器内に配置された良
導電材製の電磁シールド体とを備えている。

【００２５】上記目的を達成するために、請求項７の発
明に係る超電導装置では、低温冷媒液を収容する導電材
製の容器と、円環状の巻枠の外周に互いに逆向きにトロ
イダル状に巻回された２層構造に形成され、かつ２層を
並列に接続して前記容器内に収容された無誘導巻構成の
超電導コイルと、この超電導コイルを囲むように前記容
器内に配置された良導電材製の電磁シールド体とを備え
ている。

【００２６】上記目的を達成するために、請求項８の発
明に係る超電導装置では、低温冷媒液を収容する導電材
製の容器と、それぞれが同心円状の形態をなす複数層構
造に形成され、各層で発生する交番磁場を相互間で打消
すように接続されて前記容器内に同軸的に収容された無
誘導巻構成の３個の超電導コイルと、これら３個の超電
導コイルを一体に囲むように前記容器内に配置された良
導電材製の電磁シールド体とを備えている。

【００２７】上記目的を達成するために、請求項９の発
明に係る超電導装置では、低温冷媒液を収容する導電材
製の容器と、それぞれが同心円状の形態をなす複数層構
造に形成され、各層で発生する交番磁場を相互間で打消
すように接続されて前記容器内に各軸を平行させ、かつ
正三角形の各頂点に各軸を位置させて収容された無誘導
巻構成の３個の超電導コイルと、これら３個の超電導コ
イルを一体に囲むように前記容器内に配置された良導電
材製の電磁シールド体とを備えている。

【００２８】上記構成であると、超電導コイルを構成し
ている各層に流れる電流のバランスが電磁シールド体に
よって崩されるのを防止できたり、あるいは導電材製の
容器の壁を通る磁束そのものを少なくできる。この結
果、容器内および容器の壁で生じる渦電流損失を低減す
ることが可能となる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の第１の実施形態
に係る超電導装置、ここには本発明を抵抗動作型の超電
導限流器に適用した例の要部だけが示されている。実際
に電力系統で用いられる場合には三相構成となるが、こ
の図では単相分だけを取出し、しかも断熱容器の内槽に
収容される要素だけを示している。

【００３０】図中、３１は断熱容器内の内槽を示してい
る。この内槽３１は前述したように、限流動作が行われ
たときのジュール熱で起こる内圧上昇に十分耐え得るよ
うにステンレス鋼で形成されている。

【００３１】内槽３１内には限流素子を構成する無誘導
巻の超電導コイル３２と、この超電導コイル３２を浸漬
冷却する液体ヘリウムで代表される極低温冷媒液３３と
が収容されている。

【００３２】超電導コイル３２は、エポキシ樹脂をマト
リックスとしたガラス繊維強化プラスチックやアルミナ
繊維，ポリエチレン繊維あるいはこれらの混合繊維で強
化されたプラスチックで内半径ｒと外半径Ｒとの比が0.
98以下に形成され、外周面に巻線用の螺旋溝と冷却用の
流路溝とを備えた巻枠３４，３５に臨界温度がたとえば
１０数Ｋ、臨界電流値が電力系統の定格電流波高値のた
とえば２倍程度の超電導線３６を互いに逆向きに巻回し
てなる第１層コイル３７と第２層コイル３８とを中心軸
を共有するように同心円状に配置し、これら第１層コイ
ル３７と第２層コイル３８とを超電導線３９，接続端子
４０，真空導入端子４１ａ，４１ｂを使って並列に接続
して無誘導化したものとなっている。

【００３３】真空導入端子４１ａ，４１ｂは、内槽３１
の底壁を液密に、かつ絶縁状態に貫通して電力系統に接
続するための図示しない２本の電流リードに接続されて
いる。電流リードの構成や冷却構成については図１２に
示される従来例と同様である。

【００３４】超電導コイル３２の外側には、銅、アルミ
ニウム、超電導材等の良導電材で筒状に形成された電磁
シールド体４３が超電導コイル３２を囲むように同心円
的に配置されている。また、超電導コイル３２の内側に
は、同じく銅、アルミニウム、超電導材等の良導電材で
筒状に形成されたバランス調整体４４が同心円的に配置
されている。このバランス調整体４４は、後述するよう
に、電磁シールド体４３の存在によって第１層コイル３
７に流れる電流と第２層コイル３８に流れる電流とがア
ンバランスになるのを抑制する機能を発揮する。

【００３５】なお、電磁シールド体４３およびバランス
調整体４４は、上述した材料の線材を閉ループ構成に巻
回したものであってもよい。このような構成であると、
電磁シールド体４３の存在によって第１層コイル３７に
流れる電流と第２層コイル３８に流れる電流とがアンバ
ランスになるのをバランス調整体４３で抑制でき、電磁
シールド体４３に本来の渦電流損失抑制機能を発揮させ
ることができる。

【００３６】すなわち、説明を簡単化するために、今、
バランス調整体４４を考慮にいれず、超電導コイル３２
と、電磁シールド体４３とを電気回路にモデル化して考
える。第１層コイル３７に流れる電流Ｉ₁ 、第２層コイ
ル３８に流れる電流Ｉ₂ 、電磁シールド体４３に流れる
電流Ｉ₃ は、以下の方程式の解として与えられる。

【００３７】

【数１】

【００３８】なお、(1) 〜(3) 式において、Ｖは超電導
コイル３２の両端電圧、Ｌ₁ は第１層コイル３７の自己
インダクタンス、Ｌ₂ は第２層コイル３８の自己インダ
クタンス、Ｌ₃ は電磁シールド体４３の自己インダクタ
ンス、Ｒ₃ は電磁シールド体４３の抵抗、Ｍ₁₂は第１層
コイル３７と第２層コイル３８との間の相互インダクタ
ンス、Ｍ₁₃は第１層コイル３７と電磁シールド体４３と
の間の相互インダクタンス、Ｍ₂₁は第２層コイル３８と
第１層コイル３７との間の相互インダクタンス、Ｍ₂₃は
第２層コイル３８と電磁シールド体４３との間の相互イ
ンダクタンス、Ｍ₃₁は電磁シールド体４３と第１層コイ
ル３７との間の相互インダクタンス、Ｍ₃₂は電磁シール
ド体４３と第２層コイル３８との間の相互インダクタン
スである。

【００３９】第２層コイル３８は、構造的に第１層コイ
ル３７に比べて電磁シールド体４３に近いので、電磁シ
ールド体４３に対する相互誘導が大きい。すなわち、Ｍ
₂₃が大きいので、電磁シールド体４３の存在は、第２層
コイル３８の誘導電圧を低下させるように作用する。こ
の結果、第２層コイル３８に流れる電流Ｉ₂ が第１層コ
イル３７に流れる電流Ｉ₁ に比べて大きくなり、第１層
コイル３７で発生する磁束と第２層コイル３８で発生す
る磁束との差が大きくなる。このために電磁シールド体
４３での渦電流損失を増加させる。

【００４０】しかし、図１に示すように、超電導コイル
３２の内側にバランス調整体４４を設けると、第１層コ
イル３７は第２層コイル３８に比べて構造的にバランス
調整体４４に近い状態となる。このため、第１層コイル
３７は第２層コイル３８に比べてバランス調整体４４に
対する相互誘導が大きい。今、第１層コイル３７とバラ
ンス調整体４４との間の相互インダクタンスをＭ₁₄と
し、バランス調整体４４に流れる電流をＩ₄ とすると、
第１層コイル３７の両端電圧Ｖは、(1) 式に、

【００４１】

【数２】を加えた値となる。

【００４２】すなわち、バランス調整体４４は、第１層
コイル３７の誘導電圧を低下させるように作用する。こ
の結果、第１層コイル３７の電流が増加する。したがっ
て、バランス調整体４４を設けることによって、電磁シ
ールド体４３の存在によって起こる第２層コイル３８の
電流増加分に見合う分だけ第１層コイル３７の電流を増
加させることができ、第１層コイル３７に流れる電流と
第２層コイル３８に流れる電流とをバランスさせること
ができるので、バランスの崩れによって起こる電磁シー
ルド体４３での渦電流損失の増加を抑制することができ
る。すなわち、上記構成によって電磁シールド体４３で
の渦電流損失を抑制した状態で、なおかつ内槽３１の壁
で生じる渦電流損失を抑制することができる。

【００４３】なお、上記例においては、電磁シールド体
４３を超電導コイル３２の外周だけに設けているが、軸
方向両側にも設けてもよい。また、上記例のように、巻
枠３４，３５の内半径ｒと外半径Ｒとの比を0.98以下に
設定しておくと、限流動作後に超電導線３６を再び超電
導転移させて系統電流を再通電させたときに起こり易い
クエンチの発生を防止することができる。

【００４４】すなわち、電力系統に短絡事故が発生する
と、超電導コイル３２がクエンチし、高抵抗化して限流
動作が行われるが、このときのジュール熱で極低温冷媒
液３３である液体ヘリウムが蒸発して巻枠の周辺に高圧
ガス領域が発生する。このときの圧力は 5〜10kg/ cm²
にも達する。このため、巻枠３４，３５の肉厚が薄い場
合には巻枠が弾性変形する。

【００４５】このような弾性変形が起こると、超電導線
３６が機械的に安定した位置からずれ易く、限流動作後
に超電導線３６を再び超電導転移させて系統電流を再通
電すると、電磁力で超電導線３６が次の安定位置へと動
き易い。巻線が僅かでも動くと、それに伴って摩擦熱が
発生する。一般に液体ヘリウムのような極低温下では物
質の比熱が極めて小さいので、僅かな摩擦熱でも超電導
線３６を常電導転移させる温度まで上昇させてしまう。
このため、限流動作後の再通電が困難になる虞がある。

【００４６】巻枠３４，３５の内半径ｒと外半径Ｒとの
比を0.98以下に設定しておくと、巻枠の周辺に上述した
レベルの高圧ガス領域が発生しても、巻枠の弾性変形を
抑制できるので、限流動作後の再通電時に起こるクエン
チ発生を抑制でき、装置としての安定性を向上させるこ
とができる。

【００４７】図３にはガラス繊維強化プラスチックを素
材とし、外径250mm 、軸方向長さ400mm 、内径0 〜247m
m で、外面にそれぞれ巻線用の螺旋溝と冷却用の流路溝
を備えた１１種類の巻枠に線径2.5mm の超電導線を一定
の張力でソレノイド状に巻回してなる１１個の超電導コ
イルについて、液体ヘリウム中に浸漬してクエンチ電流
Ｉq およびクエンチ時に巻枠に生じた歪み量を測定した
結果が示されている。

【００４８】この図から判るように、巻枠の内径と外径
との比に依存して歪み量が変化し、またクエンチ電流Ｉ
q も変化している。たとえば、内径と外径との比が0.99
の場合には約1800Ａでクエンチしたのに対して、内径と
外径との比が 0、つまり中実の巻枠を用いた場合にはク
エンチを起こさずに2500Ａまで通電することができる。
このことからも、巻枠の内径と外径との比をできるだけ
小さくすることが有効である。

【００４９】なお、巻枠の機械的強度を大きくする手段
として、図２に示すように、巻枠の内側部分４５を銅や
アルミニウムなどの良導電材やステンレス鋼などの金属
材で形成し、外側部分４６をガラス繊維強化プラスチッ
クで形成した複合構成の巻枠４７としてもよい。この場
合、金属材で形成された内側部分４５を図１に示したバ
ランス調整体４４に兼用させるようにしてもよい。

【００５０】図４には本発明の第２の実施形態に係る超
電導装置、ここにも本発明を抵抗動作型の超電導限流器
に適用した例の要部だけが示されている。この図では図
１と同一機能部分が同一符号で示してある。したがっ
て、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００５１】この例では、バランス調整体を設ける代り
に、電磁シールド体４３を超電導コイル３２からでき得
る限り遠ざけ、内槽３１の内面に十分に近接して配置し
ている。

【００５２】このような構成であると、第１層コイル３
７および第２層コイル３８と電磁シールド体４３との間
の相互誘導を小さくでき、しかも両者の差を小さくでき
るので、電磁シールド体４３の存在によって第１層コイ
ル３７に流れる電流と第２層コイル３８に流れる電流と
がアンバランスになるのを防止できる。このため、バラ
ンスの崩れによって起こる電磁シールド体４３での渦電
流損失の増加を抑制することができる。

【００５３】図５には超電導コイル３２と電磁シールド
体４３との間の距離と第１層，第２層コイル３７，３８
に流れる電流との関係を調べた実測例が示されている。
これは、第１層コイル３７が直径220 mmで38ターン、第
２層コイル３８が直径240mmで38ターンの超電導コイル
３２を用い、電磁シールド体４３として銅の円筒を用い
た場合の例である。

【００５４】この図５から判るように、電磁シールド体
４３の内径が265mm 程度では各層コイルの電流アンバラ
ンスが大きいが、内径が360mm 程度の電磁シールド体４
３を用いると、各層コイルの電流をバランスさせること
ができる。そして、内径が400mm 以上の電磁シールド体
４３を用いることによって、各層コイルの電流を自己イ
ンダクタンスと相互インダクタンスとによって決まる値
に落ち着かせることができる。

【００５５】なお、図４に示す例においては、電磁シー
ルド体４３を超電導コイル３２の外周だけに設けている
が、軸方向両側にも設けてもよい。図６には本発明の第
３の実施形態に係る超電導装置、ここにも本発明を抵抗
動作型の超電導限流器に適用した例の要部だけが示され
ている。この図では図１と同一機能部分が同一符号で示
してある。したがって、重複する部分の詳しい説明は省
略する。

【００５６】この例では、直線状の軸を中心にして同心
円状に配置された第１層コイル５１および第２層コイル
５２からなるコイルブロック５３と、同じく直線状の軸
を中心にして同心円状に配置された第１層コイル５４お
よび第２層コイル５５からなるコイルブロック５６とを
同軸的に配置している。

【００５７】ここで、コイルブロック５３における第１
層コイル５１とコイルブロック５６における第２層コイ
ル５５とは同一方向に巻線されており、コイルブロック
５３における第２層コイル５２とコイルブロック５６に
おける第１層コイル５４とは上記とは逆方向に巻線され
ている。

【００５８】そして、コイルブロック５３における第１
層コイル５１とコイルブロック５６における第２層コイ
ル５５とを直列に接続して第１回路５７を構成し、また
コイルブロック５３における第２層コイル５２とコイル
ブロック５６における第１層コイル５４とを直列に接続
して第２回路５８を構成し、これら第１回路５７と第２
回路５８とを並列に接続して無誘導構成の超電導コイル
５９を構成している。

【００５９】この例の場合、超電導コイル５９の外側
に、これと同心円的に筒状の電磁シールド体４３が配置
されており、超電導コイル５９の内側にはなにも配置さ
れていない。

【００６０】このような構成であると、第１回路５７と
第２回路５８との電磁シールド体４３に対する配置条件
を等しくできるので、第１回路５７と第２回路５８との
電磁シールド体４３に対する相互誘導効果を等しくでき
る。したがって、第１回路５７に流れる電流と第２回路
５８に流れる電流とを等しくできるので、電磁シールド
体４３で生じる渦電流損失を抑制した状態で、かつ内槽
３１の壁で生じる渦電流損失を抑制することができる。

【００６１】なお、図６では各コイルブロックを同心円
状の形態をなす２層構造に形成し、かつ２つのコイルブ
ロックを同軸的に配置しているが、各コイルブロックを
同心円状の形態をなす２層以上の偶数層構造に形成し、
２個以上の偶数個のコイルブロックを同軸的に配置し、
各コイルブロックでは各層で発生する交番磁場を相互間
で打消すように、かつ各コイルブロック間では軸を基準
にして電流の流れる方向条件が各コイルブロックを通し
て全て等しい偶数の電流通路が形成されるように隣接す
るブロックの各層を接続して無誘導巻の超電導コイルを
構成するようにしてもよい。

【００６２】また、図６に示す例においては、電磁シー
ルド体４３を超電導コイル３９の外周だけに設けている
が、軸方向両側にも設けてもよい。図７には本発明の第
４の実施形態に係る超電導装置、ここにも本発明を抵抗
動作型の超電導限流器に適用した例の要部だけが示され
ている。この図では図１と同一機能部分が同一符号で示
してある。したがって、重複する部分の詳しい説明は省
略する。

【００６３】この例では、第１層コイル〜第４層コイル
６１，６２，６３，６４を同心円状の形態に配置してい
る。ここで、第１層コイル６１と第４層コイル６４とは
同じ方向に巻線してあり、第２層コイル６２と第３層コ
イル６３とは上記とは逆方向に巻線してある。

【００６４】そして、第１層コイル６１と第４層コイル
６４とを直列に接続して第１回路６５を構成し、第２層
コイル６２と第３層コイル６３とを直列に接続して第２
回路６６を構成し、これら第１回路６５と第２回路６６
とを並列に接続して無誘導構成の超電導コイル６７を構
成している。

【００６５】また、この例では、第１層コイル６１と第
２層コイル６２との間の断面積と第３層コイル６３と第
４層コイル６４との間の断面積を等しくしている。この
ような構成であると、第１層コイル６１と第２層コイル
６２との間から湧き出した磁束を図中太実線６８で示す
ように第３層コイル６３と第４層コイル６４との間に吸
込ませることができる。したがって、内槽３１の壁に到
達しようとする磁束の量そのものを大幅に少なくでき
る。このため、電磁シールド体４３で生じる渦電流損失
を抑制した状態で、かつ内槽３１の壁で生じる渦電流損
失を抑制することができる。

【００６６】なお、図７に示す例においては、電磁シー
ルド体４３を超電導コイル６７の外周だけに設けている
が、軸方向両側にも設けてもよい。図８には本発明の第
５の実施形態に係る超電導装置、ここにも本発明を抵抗
動作型の超電導限流器に適用した例の要部だけが示され
ている。この図では超電導コイル７０だけが示されてい
る。そして、図１と同一機能部分が同一符号で示されて
いる。

【００６７】この超電導コイル７０は、同心円状の形態
に配置された第１層コイル〜第４層コイル７１，７２，
７３，７４で構成されている。ここで、第１層コイル７
１と第４層コイル７４とは同じ方向に巻線してあり、第
２層コイル７２と第３層コイル７３とは上記とは逆方向
に巻線してある。

【００６８】そして、第１層コイル７１と第４層コイル
７４とを直列に接続して第１回路７５を構成し、第２層
コイル７２と第３層コイル７３とを直列に接続して第２
回路７６を構成し、これら第１回路７５と第２回路７６
とを並列に接続して無誘導構成の超電導コイル７０を構
成している。

【００６９】また、この例において特徴的な点は、第１
層コイル７１および第２層コイル７２の巻枠７７，７８
は、軸方向の両端部が大径で中央部が小径となる鼓状に
形成されている。また、第３層コイル７３および第４層
コイル７４の巻枠７９，８０は、軸方向の両端部が巻枠
７７，７８の両端部にほぼ対向するように小径で中央部
が大径となる太鼓状に形成されている。

【００７０】また、この例においても、超電導コイル７
０を囲むように図示しない電磁シールド体が配置されて
いる。このような構成であると、第２回路７６で発生し
た磁束は、図中太実線８１で示すように、円状に近い経
路を通る。同様に、第１回路７５で発生した磁束も円状
に近い経路を通る。したがって、内槽の壁に到達しよう
とする磁束の量そのものを大幅に少なくできる。このた
め、電磁シールド体で生じる渦電流損失を抑制した状態
で、かつ内槽の壁で生じる渦電流損失を抑制することが
できる。

【００７１】図９(a) (b) には本発明の第６の実施形態
に係る超電導装置、ここにも本発明を抵抗動作型の超電
導限流器に適用した例の要部だけが示されている。この
図では超電導コイル９０だけが示されている。そして、
図１と同一機能部分が同一符号で示されている。

【００７２】超電導コイル９０は、円環状の巻枠９１の
外周に超電導線３６を互いに逆向きにトロイダル状に巻
回した２層構造とし、内層コイル９２と外層コイル９３
とを並列に接続して無誘導巻にしている。

【００７３】なお、この例においても、超電導コイル９
０を囲むように図示しない電磁シールド体が配置されて
いる。このような構成であると、内層コイル９２および
外層コイル９３で発生した磁束のほとんどを巻枠９１を
中心とする環状通路に通すことができる。したがって、
内槽の壁に到達しようとする磁束の量そのものを大幅に
少なくできる。このため、電磁シールド体で生じる渦電
流損失を抑制した状態で、かつ内槽の壁で生じる渦電流
損失を抑制することができる。

【００７４】図１０には本発明の第７の実施形態に係る
超電導装置、ここにも本発明を抵抗動作型の超電導限流
器に適用した例の要部だけが示されている。この図には
三相系統に対応させたコイル配置が示されている。ま
た、この図では図１と同一機能部分が同一符号で示され
ている。

【００７５】Ｕ相超電導コイル１００、Ｖ相超電導コイ
ル１０１およびＷ相超電導コイル１０２は、それぞれ超
電導線３６を互いに逆向きに巻回してなる第１層コイル
３７と第２層コイル３８とを中心軸を共有するように同
心円状に配置し、これら第１層コイル３７と第２層コイ
ル３８とを並列に接続して無誘導化したものとなってい
る。

【００７６】この例においては、Ｕ相超電導コイル１０
０、Ｖ相超電導コイル１０１およびＷ相超電導コイル１
０２が直線状の中心軸上に同軸配置されている。そし
て、各超電導コイルの両端は、超電導線３９，接続端子
４０，真空導入端子４１ａ，４１ｂを使って並列に接続
して無誘導化されるとともに内槽３１外に導かれてい
る。

【００７７】また、この例では、同軸的配置されたＵ相
超電導コイル１００、Ｖ相超電導コイル１０１およびＷ
相超電導コイル１０２の回りおよび軸方向端部を覆うよ
うに良導電材で形成された電磁シールド体１０３が配置
されている。

【００７８】Ｕ相超電導コイル１００、Ｖ相超電導コイ
ル１０１およびＷ相超電導コイル１０２に流れる電流の
位相が120 ゜ずつずれているので、この例のように各相
の超電導コイルを同軸的に配置しておくと、発生磁束を
重ね合わせキャンセルすることができる。したがって、
渦電流損失を起こす磁束の量そのものを大幅に少なくで
きる。このため、電磁シールド体１０３で生じる渦電流
損失を抑制した状態で、かつ内槽３１の壁で生じる渦電
流損失を抑制することができる。

【００７９】図１１(a) 、(b) には、本発明の第８の実
施形態に係る超電導装置、ここにも本発明を抵抗動作型
の超電導限流器に適用した例の要部だけが示されてい
る。この図には三相系統に対応させたコイル配置が示さ
れている。また、この図では図１および図９と同一機能
部分が同一符号で示されている。

【００８０】Ｕ相超電導コイル１００、Ｖ相超電導コイ
ル１０１およびＷ相超電導コイル１０２は、それぞれ超
電導線３６を互いに逆向きに巻回してなる第１層コイル
３７と第２層コイル３８とを中心軸を共有するように同
心円状に配置し、これら第１層コイル３７と第２層コイ
ル３８とを並列に接続して無誘導化したものとなってい
る。

【００８１】この例においては、Ｕ相超電導コイル１０
０、Ｖ相超電導コイル１０１およびＷ相超電導コイル１
０２は、各中心軸を互いに平行させ、かつ図１１(b) に
示すように各中心軸が正三角形の頂点に位置するように
配置されている。そして、各超電導コイルの両端は、超
電導線３９，接続端子４０，真空導入端子４１ａ，４１
ｂを使って並列に接続して無誘導化されるとともに内槽
３１外に導かれている。

【００８２】また、この例では、Ｕ相超電導コイル１０
０、Ｖ相超電導コイル１０１およびＷ相超電導コイル１
０２が配置されている回りおよび軸方向端部を覆うよう
に良導電材で形成された電磁シールド体１０４が配置さ
れている。

【００８３】Ｕ相超電導コイル１００、Ｖ相超電導コイ
ル１０１およびＷ相超電導コイル１０２に流れる電流の
位相が120 ゜ずつずれているので、この例のように各相
の超電導コイルを同一平面上に120 ゜ずつ空間位相をず
らして配置しておくと、発生磁束を重ね合わせキャンセ
ルすることができる。したがって、渦電流損失を起こす
磁束の量そのものを大幅に少なくできる。このため、電
磁シールド体１０４で生じる渦電流損失を抑制した状態
で、かつ内槽３１の壁で生じる渦電流損失を抑制するこ
とができる。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低温冷媒液を収容する導電材製の容器内に、各層で発生
する交番磁場を相互間で打消すように無誘導巻接続され
た複数層構成の超電導コイルを収容するとともに、容器
の壁に生じる渦電流損失を減少させるために超電導コイ
ルを囲むように良導電材製の電磁シールド体を配置した
とき、電磁シールド体の存在によって各層間のインダク
タンスバランスが崩れ、これが原因となって渦電流損失
が増加するのを効果的に減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導装置にお
ける要部の概略縦断面図

【図２】巻枠の一形態を示す斜視図

【図３】巻枠の肉厚とクエンチ電流との関係を実測した
結果を示す図

【図４】本発明の第２の実施形態に係る超電導装置にお
ける要部の概略縦断面図

【図５】超電導コイルと電磁シールド体との間の距離と
各層の電流との関係を実測した結果を示す図

【図６】本発明の第３の実施形態に係る超電導装置にお
ける要部の概略縦断面図

【図７】本発明の第４の実施形態に係る超電導装置にお
ける要部の概略縦断面図

【図８】本発明の第５の実施形態に係る超電導装置にお
ける要部の概略縦断面図

【図９】(a) は本発明の第６の実施形態に係る超電導装
置における要部の概略平面図で、(b) は(a) におけるＡ
−Ａ線切断矢視図

【図１０】本発明の第７の実施形態に係る超電導装置に
おける要部の概略縦断面図

【図１１】(a) は本発明の第７の実施形態に係る超電導
装置における要部の概略縦断面図で、(b) は(a) におけ
るＢ−Ｂ切断矢視図

【図１２】超電導装置の応用例の１つである超電導限流
器の概略縦断面図

【図１３】同超電導限流器において定常時における渦電
流損失を低減するための従来の手段を説明するための図

【符号の説明】

３１…内槽３２，５９，６７，７０，９０…超電導コイル３３…極低温冷媒液３４，３５，４７，７７，７８，７９，８０，９１…巻
枠３６…超電導線３７，５１，５４，６１，７１…第１層コイル３８，５２，５５，６２，７２…第２層コイル３９…超電導線４０…端子４１ａ，４１ｂ…真空導入端子４３，１０３…電磁シールド体４４…バランス調整体５７，６５，７５…第１回路５８，６６，７６…第２回路１００…Ｕ相超電導コイル１０１…Ｖ相超電導コイル１０２…Ｗ相超電導コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中出雅彦東京都千代田区内幸町一丁目１番３号東京電力株式会社内 (72)発明者矢澤孝神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者来栖努神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者野村俊自神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 ▲鶴▼永和行東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者松崎順東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者田崎賢司神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低温冷媒液を収容する導電材製の容器と、
同心円状の形態をなす複数層構造に形成され、各層で発
生する交番磁場を相互間で打消すように接続されて前記
容器内に収容された無誘導巻構成の超電導コイルと、こ
の超電導コイルを囲むように前記容器内に配置された良
導電材製の電磁シールド体と、前記超電導コイルの内側
に配置されて上記超電導コイルの各層で発生する交番磁
場のバランスをとる導電材製のバランス調整体とを具備
してなることを特徴とする超電導装置。
【請求項２】前記バランス調整体は、前記超電導コイル
における巻枠の一部を兼ねていることを特徴とする請求
項１に記載の超電導装置。
【請求項３】低温冷媒液を収容する導電材製の容器と、
同心円状の形態をなす複数層構造に形成され、各層で発
生する交番磁場を相互間で打消すように接続されて前記
容器内に収容された無誘導巻構成の超電導コイルと、こ
の超電導コイルを囲み、かつ前記容器の内面に近接配置
された良導電材製の電磁シールド体とを具備してなるこ
とを特徴とする超電導装置。
【請求項４】低温冷媒液を収容する導電材製の容器と、
同軸的に配置された偶数のコイルブロックで構成される
とともに各コイルブロックが同心円状の形態をなす偶数
層構造に形成され、各コイルブロックでは各層で発生す
る交番磁場を相互間で打消すように、かつ各コイルブロ
ック間では軸を基準にして電流の流れる方向条件が各コ
イルブロックを通して全て等しい偶数の電流通路が形成
されるように隣接するブロックの各層を接続して前記容
器内に収容された無誘導巻構成の超電導コイルと、この
超電導コイルを囲むように前記容器内に配置された良導
電材製の電磁シールド体とを具備してなることを特徴と
する超電導装置。
【請求項５】低温冷媒液を収容する導電材製の容器と、
同心円状の形態をなす４層構造に形成され、最も内側に
位置している１層目と最も外側に位置している４層目と
に周方向に同じ向きの交番電流を流すべく両層を直列に
接続して第１回路を構成し、２層目と３層目とに周方向
に流れる交番電流の向きを上記第１回路とは逆向きとす
べく両層を直列に接続して第２回路を構成し、上記第１
回路と第２回路とを並列に接続するとともに１層目と２
層目との間の断面積を３層目と４層目との間の断面積に
ほぼ等しく設定して前記容器内に収容された無誘導巻構
成の超電導コイルと、この超電導コイルを囲むように前
記容器内に配置された良導電材製の電磁シールド体とを
具備してなることを特徴とする超電導装置。
【請求項６】低温冷媒液を収容する導電材製の容器と、
直線状の中心軸を共有する４層構造に形成され、最も内
側に位置している１層目と最も外側に位置している４層
目とに周方向に同じ向きの交番電流を流すべく両層を直
列に接続して第１回路を構成し、２層目と３層目とに周
方向に流れる交番電流の向きを上記第１回路とは逆向き
とすべく両層を直列に接続して第２回路を構成し、上記
第１回路と第２回路とを並列に接続するとともに１層目
と２層目については各層の軸方向中央部が最も小径とな
る形状に、３層目と４層目については各層の軸方向中央
部が最も大径となる形状に形成されて前記容器内に収容
された無誘導巻構成の超電導コイルと、この超電導コイ
ルを囲むように前記容器内に配置された良導電材製の電
磁シールド体とを具備してなることを特徴とする超電導
装置。
【請求項７】低温冷媒液を収容する導電材製の容器と、
円環状の巻枠の外周に互いに逆向きにトロイダル状に巻
回された２層構造に形成され、かつ２層を並列に接続し
て前記容器内に収容された無誘導巻構成の超電導コイル
と、この超電導コイルを囲むように配置された良導電材
製の電磁シールド体とを具備してなることを特徴とする
超電導装置。
【請求項８】低温冷媒液を収容する導電材製の容器と、
それぞれが同心円状の形態をなす複数層構造に形成さ
れ、各層で発生する交番磁場を相互間で打消すように接
続されて前記容器内に同軸的に収容された無誘導巻構成
の３個の超電導コイルと、これら３個の超電導コイルを
一体に囲むように前記容器内に配置された良導電材製の
電磁シールド体とを具備してなることを特徴とする超電
導装置。
【請求項９】低温冷媒液を収容する導電材製の容器と、
それぞれが同心円状の形態をなす複数層構造に形成さ
れ、各層で発生する交番磁場を相互間で打消すように接
続されて前記容器内に各軸を平行させ、かつ正三角形の
各頂点に各軸を位置させて収容された無誘導巻構成の３
個の超電導コイルと、これら３個の超電導コイルを一体
に囲むように前記容器内に配置された良導電材製の電磁
シールド体とを具備してなることを特徴とする超電導装
置。