JPWO2013133319A1 - 超電導コイル及び超電導機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2012年3月6日に、日本に出願された特願2012−049411号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
パンケーキ型の超電導コイルの一従来例として、電磁力補強のために全体に樹脂を含浸させた超電導コイル、及び、積層されたパンケーキコイル間に挟まれた、半硬化樹脂を含むガラス繊維強化シートを硬化させることにより一体化された超電導コイルが知られている(特許文献1参照)。
また、特に希土類系の酸化物超電導線材を用いた場合、一般にクエンチの検出は困難である。このため、万が一、パンケーキコイル105を構成する超電導線材の一部が焼損した場合、超電導コイル100の全体を製作し直さなくてはならず、時間及び費用の面で大きな損害が生じる問題がある。
時間及び費用の面での損害を考慮すると、ガラス繊維強化シート108とパンケーキコイル105とが一体化されていない超電導コイル100採用することも挙げられている。しかしながら、超電導コイル100の機械強度を確保して、コイル全体の熱安定性を高めるためには、樹脂含浸されたパンケーキコイル105と、ガラス繊維強化シート108とを一体化することが望ましい。
上記超電導コイルによれば、パンケーキコイルの端面に配置された冷却基板を複数枚の冷却板に分離可能であるため、冷却基板を構成する複数枚の冷却板同士を分離することで積層したパンケーキコイル同士を分離できる。このため、問題が生じたパンケーキコイルを取り外し、他の新規のパンケーキコイルと交換することができる。すなわち、問題が生じていないパンケーキコイルを無駄にすることなく超電導コイルの修理ができる。従って、一部のパンケーキコイルに問題が生じた場合に、全数のパンケーキコイルを交換していた従来技術に比べ、無駄なく低コストで超電導コイルの修理ができる。
この場合、冷却板に接するパンケーキコイルに含浸された樹脂により、冷却板とパンケーキコイルとが接着されて一体化されていても、重ねられた冷却板同士は分離可能であるので、冷却板同士を分離することで積層されたパンケーキコイル同士を容易に分離できる。このため、パンケーキコイルと冷却板との良好な伝熱性を確保でき、かつ、問題が生じたパンケーキのみを交換することができる。したがって、超電導線材およびパンケーキコイルの時間及び費用の面での損害を最小限にすることができる。
この場合、冷却基板を構成する複数枚の冷却板のそれぞれについて伝熱接続体を介して冷凍機で冷却できる。このため、冷却板同士を単に重ねて積層させた構造であっても、個々の冷却板を冷凍機で効率良く冷却でき、さらに伝熱接続体を介して冷却板に接続された個々のパンケーキコイルを効率良く冷却できる。よって、従来の超電導コイルと同等の冷却効率を有する超電導コイルを提供できる。
また、パンケーキコイルの端面に配置された冷却基板が複数枚の冷却板から構成されるので、重ねられた冷却板同士を分離することで積層したパンケーキコイル同士を分離できる。すなわち、組み立てられたパンケーキコイルのうちの、問題が生じたパンケーキコイルのみを取り外し、他の新規のパンケーキコイルと交換することができる。このため、超電導線材及びパンケーキコイルの時間及び費用の面での損害、若しくはパンケーキコイルの再作製などの工数を最小限に抑えることができる。従って、本態様に係る超電導機器によれば、パンケーキコイルの全数を交換しなければならない従来技術に比べ、低コストで、且つ早期に超電導コイルの修理ができる。
図1に示す超電導マグネット装置1は、真空容器などの減圧可能な外部容器2と、外部容器2の内部に設置された内部容器(熱シールド)3と、内部容器3に収容された超電導コイル5と、外部容器2の上部を閉じるフランジ部6と、内部容器3の上部を閉じるフランジ部7と、冷凍機8と、を備える。
冷凍機8は第1ステージ8Aと第2ステージ8Bとからなる2段構造を有している。第2ステージ8Bの先端部に延設され、且つロッド状に形成された伝熱体9に3本の伝熱部材15を介し超電導コイル5の冷却板11Aが接続されている。したがって、冷凍機8からの伝導冷却により超電導コイル5を臨界温度以下に冷却できるように構成されている。
図1に示されている構造において、超電導コイル5は、上下方向に積層された2つのパンケーキコイル14と、上段のダブルパンケーキコイル(第一パンケーキコイル)14a上面に配置された冷却板11Aと、この冷却板11Aの上に重ねられた他の冷却板11Aと、下段のダブルパンケーキコイル(第二パンケーキコイル)14bの下面に配置された冷却板11Aと、この冷却板11Aの下に重ねられた他の冷却板11Aと、を備えている。下段のダブルパンケーキコイル(第二パンケーキコイル)14bの上面に配置された冷却板11Aの上には、上段のダブルパンケーキコイル(第一パンケーキコイル)14aの下面に配置された冷却板11Aが重ねられている。
なお、この実施形態では上下の冷却板に挟まれているパンケーキコイルは、ダブルパンケーキコイルであるが、シングルパンケーキコイルでも、シングルパンケーキコイルが3層以上に重なったものでもよい。
なお、パンケーキコイル14に固定されている冷却板11Aは2枚に限られず、相互に分離可能であれば、3枚以上であってもよい。
図面では略されているが、突出部11aと一対の伝熱接続体13とを貫通するボルト及び前記ボルトに螺合するナットにより、突出部11aを上下方向において挟み付けている一対の伝熱接続体13と突出部11aとは一体化されている。また、一対の伝熱接続体13の一端において突出部11aが挟まれ、その他端において伝熱部材15が挟み込まれている。伝熱部材15と一対の伝熱接続体13とを貫通するボルト及び前記ボルトに螺合するナットにより、一対の伝熱接続体13と伝熱部材15とが一体化されている。なお、冷却板11Aと一対の伝熱接続体13との接続はボルト及びナットを用いた接続に限らず、他の接続構造を用いても良い。
伝熱体9、伝熱接続体13、及び伝熱部材15は、良熱伝導性の金属材料から形成される。伝熱体9、伝熱接続体13、及び伝熱部材15を形成する金属材料は特に制限されず、適宜変更可能である。伝熱体9、伝熱接続体13、及び伝熱部材15は、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅などの銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金などから構成できる。
外部容器2は、図示略の真空ポンプに接続されていて、外部容器2の内部を所望の真空度まで減圧できるように構成されている。また、外部接続端子17及び18は、超電導マグネット装置1の外部に配置された図示略の電源に電流リード線を介し接続され、この電源から超電導コイル5内の超電導線材に通電して所望の磁場を発生できるように構成されている。
希土類系酸化物超電導線材として、金属テープの基材上に中間層、酸化物超電導層、保護層、及び安定化層を積層させてテープ状に形成された超電導線材を例示できる。
中間層は、下地層として拡散防止層又はベッド層を含む複層構造を有することができる。中間層の主体となる配向層として、イオンビームアシスト蒸着法(以下、IBAD法と略記する。)等の物理的蒸着法により形成される結晶配向性が良好な薄膜を用いることができる。更に良好な結晶配向性を得るために、配向層の上にキャップ層を設けることができる。
希土類系酸化物超電導体から形成される薄膜を中間層に適用する場合は、REBa2Cu3Oy(REはY、La、Nd、Sm、Er、Gd等の希土類元素を表す)、具体的には、Y123(YBa2Cu3Oy)又はGd123(GdBa2Cu3Oy)などを例示できる。
酸化物超電導層の表面を覆うように形成される保護層は、Ag又はAg合金から形成でき、保護層上に積層する安定化層は良導電性のCu又はCu合金から形成できる。
MgB2超電導線材として例えばMgB2の粉末を金属パイプの内部に収容し、縮径するパウダーインチューブ法により多芯化したテープ状あるいは線状に形成された超電導線材を用いることができる。
図1に示す超電導マグネット装置1は、冷凍機8を構成する第2ステージ8Bから伝熱体9、3本の伝熱部材15、及び複数の伝熱接続体13等の複数の冷却基板11を介して、超電導コイル5を臨界温度以下まで伝導冷却して使用される。
また、冷却板11Aの厚さを従来構造における冷却基板1枚の厚さの1/2程度にすることが好ましい。しかしながら、冷却板11Aをより厚く形成した場合、超電導コイル5全体の厚みは大きくなるが、超電導コイル5全体の厚みに対する冷却板11Aの厚み増加分はわずかである。このため、超電導コイル5の厚みが増加することにより生じる酸化物超電導線材における巻線数の減少割合は極めて少なく、超電導コイル5の電流密度低下は軽微である。従って、超電導コイル5の性能に悪影響は生じない。
このため、超電導コイル5の全体を交換する必要がない。従って、超電導線材に問題が生じていないパンケーキコイル14を無駄にすることがない。
また、図1に示す超電導コイル5は、第一パンケーキコイル14a及び第二パンケーキコイル14bとして、ダブルパンケーキコイル14を備えているが、第一パンケーキコイル14a及び第二パンケーキコイル14bとして、シングルパンケーキコイル、又は、積層された3つ以上のパンケーキコイルエレメントを有するパンケーキコイルを備えても良い。
また、図1に示す超電導コイル5は、積層された2つのパンケーキコイル14と、パンケーキコイル14の端面に接するように設けられた冷却基板11と、を備え、各パンケーキコイル14は、積層された2つのパンケーキコイルエレメント10を有しているが、このような構造に限らない。例えば、積層された複数のシングルパンケーキコイルと、個々のシングルパンケーキコイルの上面及び下面に接するように設置された冷却基板11と、を備えた超電導コイルとしても良い。
図2に示す超電導コイル20は、ボビンBの巻胴B2に挿入されている上下方向に積み重ねられた2つのパンケーキコイル14と、上段のダブルパンケーキコイル(第一パンケーキコイル)14aの上面と下段のダブルパンケーキコイル(第二パンケーキコイル)14bの下面とにそれぞれ1枚ずつ設けられた冷却板11Aと、上段のダブルパンケーキコイル(第一パンケーキコイル)14aと下段のダブルパンケーキコイル(第二パンケーキコイル)14bとの間に設けられ、2枚の冷却板11Aから構成される冷却基板11と、を備える。
図2に示す超電導コイル20は、例えば、図3A及び図3Bに示す構造を有する超電導モーター(超電導機器)30に適用される。図3A及び図3Bに示す超電導モーター30は、円筒状に形成された密閉型の横長の容器31の内部に回転自在に設けられた軸型の回転子32を備え、ヘリウムガス等の冷却ガスを容器31の内部に供給できるように構成されている。
回転軸33の内部には冷却ガスを流入及び流出させる複数の配管が設けられている。このため、超電導モーター30の外部に別途設けられている図示略の冷媒供給装置から前記複数の配管を通って容器31の内部に導入された冷却ガスにより超電導コイル35を臨界温度以下に冷却できる。超電導コイル35は臨界温度以下に冷却されるが、常電導コイル36は常温に保持される。
図3A及び図3Bに示すように、回転軸33の周囲に積層するように超電導コイル35を配置することができる。この超電導コイル35として図2に示す超電導コイル20を採用することができる。
図2に示すボビンBは第一パンケーキコイル14a及び第二パンケーキコイル14bを厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部B1と、上下一対のフランジ部B1の間に設けられ、第一パンケーキコイル14a及び第二パンケーキコイル14bに挿入される巻胴(胴部)B2と、を有する。
図5に示すように、超電導コイル20は一定圧力Fによって厚さ方向に収縮量bだけ圧縮されている(押し込まれている)。ここで、収縮量bは、第一パンケーキコイル14a及び第二パンケーキコイル14bの冷却時における第一パンケーキコイル14a、第二パンケーキコイル14b、及び冷却基板11の厚さ方向における収縮量の合計aよりも大きいことが好ましい。この場合、冷却時にパンケーキコイル間の距離が離れる懸念が無い。したがって、冷却時でもコイルの高さが変わることなく、すなわち、コイル臨界電流密度が変わることなく、本構造の優位性をさらに強化することができる。なお、上述の一定圧力Fで押し込む機構としては、上下一対のフランジを止めるフランジボルト等に皿バネ、引張バネなどを使うことが好ましい。
ハステロイC276(米国ヘインズ社商品名)から構成される幅5mm、厚さ0.1mmのテープ状基材と、その表面に設けられた、厚さ100nmのAl2O3の拡散防止層、厚さ30nmのY2O3のベッド層、厚さ10nmのMgOの配向層、厚さ500nmのCeO2のキャップ層、厚さ約2μmのGdBa2Cu3O7−xの酸化物超電導層、厚さ10μmのAgの保護層、及び厚さ100μmの銅貼り合わせテープと、から構成される全体厚さ約0.23mmの酸化物超電導線材を用意した。
上記超電導線材を巻胴に100ターン巻回してパンケーキコイルを構成し、巻回部分にエポキシ樹脂を含浸させて硬化させ、超電導コイルを形成した。その後、液体窒素中に超電導コイルを浸漬して臨界電流を測定した。この後、超電導コイルを図1に示す構造を有する超電導マグネット装置に組み込み、伝導冷却下において評価を行った。
その仕様は以下の表1に示す通りである。
2 外部容器
3 内部容器(低温側シールド容器)
5 超電導コイル
8 冷凍機
8A 第1ステージ
8B 第2ステージ
9 伝熱体
10 パンケーキコイルエレメント
11 冷却基板
11A 冷却板
11a 突出部
12 含浸樹脂(接着要素、接着剤)
13 伝熱接続体
14 ダブルパンケーキコイル
14a 上段のダブルパンケーキコイル(第一パンケーキコイル)
14b 下段のダブルパンケーキコイル(第二パンケーキコイル)
15 伝熱部材
17、18 外部接続端子
20 超電導コイル
30 超電導モーター(超電導機器)
31 容器
32 回転子
33 回転軸
35 超電導コイル
36 常電導コイル
100 超電導コイル
101 真空容器
102 熱シールド容器
103 コイル積層体
105 パンケーキコイル
106 ボビン
107 胴部
108 ガラス繊維強化シート
109 冷凍機。
B ボビン
B1 フランジ部
B2 巻胴(胴部)
F (超電導コイル20を厚さ方向に圧縮する)一定圧力
b 超電導コイル
上記超電導コイルによれば、パンケーキコイルの端面に配置された冷却基板を複数枚の冷却板に分離可能であるため、冷却基板を構成する複数枚の冷却板同士を分離することで積層したパンケーキコイル同士を分離できる。このため、問題が生じたパンケーキコイルを取り外し、他の新規のパンケーキコイルと交換することができる。すなわち、問題が生じていないパンケーキコイルを無駄にすることなく超電導コイルの修理ができる。従って、一部のパンケーキコイルに問題が生じた場合に、全数のパンケーキコイルを交換していた従来技術に比べ、無駄なく低コストで超電導コイルの修理ができる。
Claims (7)
- それぞれ超電導線材を巻回して形成され、厚さ方向に積み重ねられた、互いに隣接する第一パンケーキコイル及び第二パンケーキコイルと、
前記第一パンケーキコイルの端面に接するように設けられ、複数の冷却板に分離可能な冷却基板と、を備えることを特徴とする超電導コイル。 - 請求項1に記載の超電導コイルであって、
接着要素をさらに備え、
前記冷却基板は、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルの間に挟まれ、
前記接着要素が前記冷却基板と前記第一パンケーキコイルとの間、及び、前記冷却基板と前記第二パンケーキコイルとの間を接着し、
前記複数の冷却板同士の分離により前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルが相互に分離自在である超電導コイル。 - 請求項2に記載の超電導コイルであって、
前記第一パンケーキコイルと少なくとも上下一対の前記冷却板とが前記接着要素により固定され、前記第二パンケーキコイルと少なくとも上下一対の前記冷却板とが前記接着要素により固定されていることを特徴とする超電導コイル。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の超電導コイルであって、
前記冷却基板に伝熱部材を介して接続される冷凍機と、
前記複数の冷却板のそれぞれに設けられ、前記伝熱部材に接続する伝熱接続体と、をさらに備えることを特徴とする超電導コイル。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の超電導コイルであって、
前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを前記厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部と、上下一対の前記フランジ部の間に設けられ、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルに挿入される胴部と、を有するボビンをさらに備え、
前記フランジ部及び前記胴部の熱膨張係数は、前記第一パンケーキコイルの熱膨張係数、前記第二パンケーキコイルの熱膨張係数、及び前記冷却基板の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする超電導コイル。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の超電導コイルであって、
前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを前記厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部と、上下一対の前記フランジ部の間に設けられ、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルに挿入される胴部と、を有するボビンをさらに備え、
前記冷却基板による前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを冷却時における前記第一パンケーキコイル、前記第二パンケーキコイル、及び前記冷却基板の前記厚さ方向における収縮量よりも大きい量だけ前記厚さ方向において圧縮されるように、前記第一パンケーキコイル、前記第二パンケーキコイル、及び前記冷却基板は、前記上下一対の前記フランジ部に挟まれていることを特徴とする超電導コイル。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の超電導コイルと、
前記超電導コイルを囲む内部容器と、
前記内部容器を囲む真空容器と、
前記真空容器と前記内部容器とを貫通する冷凍機と、を備え、
前記内部容器の内部に延出した前記冷凍機の先端に、伝熱部材を介して前記冷却基板が接続されることを特徴とする超電導機器。
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