KR20090129979A - 초전도 코일 및 그것에 이용되는 초전도 도체 - Google Patents

초전도 코일 및 그것에 이용되는 초전도 도체 Download PDF

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KR20090129979A
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신이치 고바야시
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스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

초전도 선재가 권회된 팬케이크형 초전도 코일로서, 외주부에 테이프형 (Bi,Pb)2233 초전도 선재가 배치되고, 내주부에 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 배치되도록, 테이프형 (Bi,Pb)2233 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 전기적으로 직렬 접속된 초전도 도체를 권회하는 것에 의해, 비교적 고온에 있어서도, 높은 자장이 발생할 수 있는 저렴한 초전도 코일을 제공한다.

Description

초전도 코일 및 그것에 이용되는 초전도 도체{SUPERCONDUCTING COIL AND SUPERCONDUCTOR USED FOR THE SAME}
본 발명은, 초전도 코일에 관한 것으로, 특히 높은 운전 온도에 있어서도 강한 자장을 발생할 수 있는 초전도 코일 구조에 관한 것이다.
현재, 산화물 초전도 재료를 이용한 초전도 선재는, 다음 2종류가 정력적으로 개발되고 있다. 하나는, 파우더-인-튜브(powder-in-tube)법으로 제작되는 (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10±δ[δ는 0.1 정도의 수 : 이하 (Bi,Pb)2223이라고 함]상을 주성분으로 하는 테이프형 은 피복 초전도 선재이다(예컨대, 비특허문헌 1을 참조). 또 하나는, 금속 기판상에 기상법 혹은 액상법으로 초전도층이 형성된 테이프형 박막 초전도 선재이다. 박막 초전도 선재의 초전도 재료는, RE1Ba2Cu3OX(x는 7에 가까운 수 : 이하 RE123이라고 함)의 화학식으로 표현되는 산화물 초전도 재료이고, RE(Rare Earth : 레어 어스)의 부분에는, Y, Ho, Nd, Sm, Dy, Eu, La, Tm 등의 희토류 원소의 1개 혹은 그 혼합체가 배치된다(예컨대, 비특허문헌 2를 참조).
상기 초전도 선재를 이용하여, 자장 응용을 목적으로 한 초전도 코일이 제작되고 있다. 특허문헌 1에는, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재를 이용한 복수의 팬케이크 코일이 적층된 초전도 코일이 개시되어 있다. 이 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재로 제작된 초전도 코일은 20K 이하의 저온으로 냉각되고, 목적으로 하는 운전 전류가 코일에 흘러서, 자장을 발생시키고 있다.
테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재는 고온에 있어서의 자장에 대한 저항성이 별로 강하지 않아서, 자장이 걸리는 것에 의해 임계 전류치의 저하가 있다. 따라서, 코일 형상으로 되었을 때, 스스로 발생하는 자장에 의해서도 임계 전류치의 저하가 있다. 그 때문에, 운전 온도를 낮춤으로써 임계 전류치를 크게 하여 두어, 발생 자장하에서도 충분한 초전도 전류가 코일에 흐르도록 하고 있다. 이렇게 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재를 이용한 초전도 코일에 있어서, 비교적 큰 자장을 발생시키고자 하면, 코일은 20K 정도의 저온까지 냉각된다. 따라서, 초전도 코일을 냉각하는 장치로서는, 20K 정도의 저온까지 냉각가능한 장치가 필요하게 된다.
한편, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재는 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재에 비해서 자장에 대한 저항성이 강하고, 자장중 비교적 고온하에서도 임계 전류치의 저하는 작다. 그러나, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재는, 그 제작 공정이 복잡하고 또한 섬세하기 때문에, 일련의 길이로 코일을 형성할 수 있는 것과 같은 장척이고 균일한 선재를 얻기 어렵다. 또한, 그 양품률이 낮으므로 선재 비용이 높아지게 되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 공개 특허 제 1998-104911 호 공보
비특허문헌 1 : SEI 테크니컬 리뷰, 2006년 7월 제 169 호 페이지 103-108
비특허문헌 2 : SEI 테크니컬 리뷰, 2006년 7월 제 169 호 페이지 109-112
(발명이 해결하고자 하는 과제)
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여, 비교적 고온에 있어서도, 바꿔 말하면 높은 냉각 능력을 가지지 않는 냉각 장치를 이용하여도, 높은 자장을 발생할 수 있는 저렴한 초전도 코일과 그것에 이용되는 초전도 도체를 제공하는 것을 과제로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명자들은, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재 및 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 특성을 상세하게 조사하고, 각각의 선재의 특징을 융합시킴으로써, 상기 과제를 해결할 수 있는 발명의 완성에 이르렀다. 이하, 본 발명에 대해서 설명한다.
본 발명은, 초전도 선재가 권회된 팬케이크형 초전도 코일로서, 외주부에 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재가 배치되고, 내주부에 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 배치되도록, 상기 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 상기 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 전기적으로 직렬 접속된 초전도 도체가 권회되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 코일이다.
본 발명에 있어서, 상기 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 상기 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 폭이 동일한 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 전기적으로 직렬 접속된 도체가 권회되어 형성되고, 굽힘 직경이 상기 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 허용 굽힘 직경 미만인 내주측 부분을 모두 포함하도록, 상기 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 초전도 도체는 상기 어느 하나의 초전도 코일에 이용되는 초전도 도체이다.
(발명의 효과)
본 발명에 의해, 비교적 고온에서도, 높은 자장을 발생할 수 있는 저렴한 초전도 코일이 실현될 수 있다.
도 1은 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 구성을 모식적으로 도시하는 부분 단면 사시도,
도 2는 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 구성을 모식적으로 도시하는 부분 단면 사시도,
도 3은 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 박막 RE123 초전도 선재의 일정 자장에 있어서의 온도-임계 전류 특성을 나타낸 도면,
도 4는 대표적인 초전도 마그넷의 예를 도시하는 모식도,
도 5는 초전도 코일에 전류가 흘려진 경우, 도 4의 A-A' 단면에 있어서의 자장 강도 분포를 모식적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 초전도 코일 구성을 모식적으로 나타낸 단면 사시도,
도 7은 7개의 초전도 코일로부터 형성된 초전도 마그넷에 있어서의 도 4의 A-A' 단면에 해당하는 위치에 있어서의 자장 강도 분포를 모식적으로 나타낸 도면,
도 8은 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 박막 RE123 초전도 선재의 온도 30K에 있어서의 자장-임계 전류 특성을 나타낸 도면.
부호의 설명
11 : 산화물 초전도 선재 12 : 산화물 초전도 필라멘트
13 : 시스부 20 : 테이프형 박막 RE123 초전도 선재
21 : 금속 배향 기판 22 : 중간층
23 : 초전도 박막층 24 : 안정화층
25, 26 : 보호층 41 : 초전도 코일
42 : 전극 43 : 영구 전류 스위치
71, 72, 73, 74, 75, 76, 77 : 초전도 코일
이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명의 것과 반드시 일치하지는 않는다.
(실시형태)
도 1은 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 구성을 모식적으로 도시하는 부분 단면 사시도이다. 도 1을 참조하여, 복수 코어의 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재에 대해서 설명한다. 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재(11)는 길이방향으로 신장하는 복수개의 (Bi,Pb)2223 초전도체 필라멘트(12)와, 그들을 피복하는 시스 부(13)를 갖고 있다. 시스부(13)의 재질은, 예컨대 은이나 은 합금 등의 금속으로 구성되어 있다.
도 2는 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 구성을 모식적으로 도시하는 부분 단면도이다. 도 2를 참조하여, 대표적인 테이프형 박막 RE123 초전도 선재에 대해서 설명한다. 테이프형 박막 RE123 초전도 선재(20)는, 기판으로서 금속 배향 기판(21)과, 금속 배향 기판(21)상에 형성된 중간층(22)과, 중간층(22)상에 형성된 초전도 박막층(23)과, 초전도 박막층(23)을 보호하기 위한 안정화층(24)과, 전체를 보호하여 도전성을 높이기 위한 보호층(25, 26)으로 이루어진다.
금속 배향 기판(21)으로서는, 예컨대 Ni 배향 기판, Ni 합금계의 배향 기판 등을 선택할 수 있다. 중간층(20)은, 예컨대 CeO2나 YSZ(이트륨 안정화 지르코니아) 등의 산화물을 채용할 수 있다. 초전도 박막층(23)으로서는, 예컨대 HoBa2Cu3OX(x는 7에 가까운 수) 등의 RE123계 초전도 재료가 선택된다. 안정화층(24)과 보호층(25, 26)으로서는, Ag(은)이나 Cu(동)가 이용된다.
도 3은 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 일정 자장에 있어서의 온도-임계 전류 특성을 나타낸 도면이다. 액체 질소 온도(77K) 제로 자장에 있어서의 임계 전류치를 1로 하고, 3T의 자장이 각각 테이프면에 평행하게 걸린 경우의 임계 전류치[Ic(3T)/Ic(77K, 0T)]의 변화를 도시하고 있다. 예컨대, 77K 제로 자장의 임계 전류치가 100A이면, 세로축상 2의 위치에 점이 있으면, 3T의 자장중에서도 그 온도에서 200A의 임계 전류가 흐른다는 것이다.
어떠한 초전도 선재라도 온도가 저하하면, 임계 전류치는 증가한다. 증가의 양상은 테이프형 박막 RE123 초전도 선재쪽이 크다. 또한, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재에서는 50K 내지 60K에서 임계 전류치는 거의 0이 된다. 자장중에서의 임계 전류 특성은 테이프형 박막 RE123 초전도 선재쪽이 좋다는 것을 알 수 있다.
예컨대, 운전 온도가 60K에서, 테이프면에 평행한 자장이 3T 걸리는 것과 같은 초전도 코일을 형성하고자 한 경우, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재를 사용하려고 해도, 상기 조건하에서는, 임계 전류치가 0이므로 그러한 코일은 실현될 수 없다. 한편, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재는 동일 조건에서 유한의 임계 온도를 갖기 때문에, 상기의 초전도 코일을 형성하는 것은 가능하다.
또한, 50K 이하의 온도에서는, 위와 마찬가지(테이프면에 평행한 자장이 3T걸림)의 초전도 코일을 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재로 형성하는 것은 가능하다. 당연히 테이프형 박막 RE123 초전도 선재에 의해서도 실현될 수 있다. 단지, 발생 자장은, 흐르는 전류와 권회수의 곱으로 결정되기 때문에, 흐르는 전류치가 작은 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재로 코일을 형성한 경우, 권회수가 커져서, 코일 외경이 커져 버린다. 큰 직경의 코일을 냉각해야만 하기 때문에, 사용하는 냉동기의 냉각 능력도 높은 것이 요구된다.
또한, 자장중 초전도 특성 이외에도 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재를 비교한 경우, 다음의 이점이 테이프형 박막 RE123 초전도 선재쪽에 있다. 첫번째는, 보다 작은 곡률로 구부려도, 임계 전류치가 저하하기 어렵다. 즉 작게 감는 것이 가능하다. 두번째는, 외부로부터 걸리는 인장력에 대한 저항성이 강하다. 초전도 코일내에서, 초전도 선재는 전자력에 의한 후프력(인장력)을 받는다. 이 힘이 큰 경우에는, 선재중의 초전도 부분이 파괴되는 일도 있다. 테이프형 박막 RE123 초전도 선재에서는, 금속 배향 기판(21)이 보강재의 역할도 겸하고 있어서, 큰 인장력에도 견딜 수 있다.
자장중 특성이 좋은 테이프형 박막 RE123 초전도 선재를 이용하여, 고성능의 초전도 코일을 형성하는 것은 가능하지만, 상술한 바와 같이 테이프형 박막 RE123 초전도 선재는, 그 제작 공정이 복잡하고 또한 섬세하기 때문에, 일련의 길이로 코일을 형성할 수 있는 것과 같은 장척이고 균일한 선재를 얻기 어렵다. 또한, 그 양품률이 낮으므로 선재 비용이 높아지는 경향이 있다.
한편, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재에도 이점은 있다. 그것은, 선재 전체가 열전도성이 양호한 은 혹은 은 합금으로 피복되어 있기 때문에, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재에 비해 냉각이 용이하다는 것이다.
여기에서, 본 발명에서는, 각각의 선재의 이점을 살려서, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재와 전기적 직렬 접속하여 초전도 도체로서 이용하는 것에 의해 초전도 코일을 형성한다.
도 4는 대표적인 초전도 마그넷의 예를 도시하는 모식도이다. 초전도 선재를 팬케이크형으로 감아서, 초전도 코일(41)을 형성한다. 그 초전도 코일(41)을 목적에 따라 복수개, 전기적으로 접속한다. 이들에 전극(42)으로부터 전류를 통전하면 초전도 코일(41)내에 자장이 발생한다. 또한, 전극(42)간을 산화물 초전도 선재로 제작된 영구 전류 스위치(43)로 결합하고, 목적하는 자장까지 여자한 후 영 구 전류 스위치(43)를 ON으로 하면, 초전도 코일(41)-영구 전류 스위치(43)의 루프내에 영구 전류가 흐른다.
도 5는 초전도 코일에 전류가 흘려진 경우, 도 4의 A-A' 단면에 있어서의 자장 강도 분포를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 자장 강도 분포를 등고선으로 나타내고 있다. 도 5중 X점은 마그넷 내측의 높이방향 중심 위치이다. X'점은 마그넷 외측의 높이방향 중심점이다. A점 및 A'점은 마그넷 상단부의 내측점 및 외측점을 각각 나타낸다. 도 5에서 나타내고 있는 자장 강도는 실선 화살표 방향의 자장이다. 즉, 팬케이크형으로 감긴 선재의 테이프면과 평행하게 걸리는 자장이다.
마그넷 내측의 중심점(X점) 부근에서는, 거의 목적으로 하는 자장이, 예컨대 3T를 목적으로 하고 있다면 3T가 발생하고 있다. 도 5중, X점으로부터 X'점을 향해서 자장 강도는 작아진다. 예컨대, X1점에서는 2T, X2점에서는 1T, X3점보다 외측에서는 0.5T 이하의 자장이 된다. 또한, 마그넷 내부의 상하 방향으로도 내측으로부터 외측을 향해서 자장 강도는 작아진다. 어떠한 높이에서도, 마그넷 내측에서 자장이 강한 것은 도 5로부터 명확하다. 동일한 높이에 있는 동일 코일내에 있어서, 마그넷 내측부에서는 강한 자장이 걸리고, 외측부에서는 약한 자장밖에 걸리지 않는다.
그래서, 본 발명의 초전도 코일은 강한 자장이 걸리는 내측 부분에 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 배치되고, 자장이 약한 외측 부분에 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재가 배치되도록 양쪽 선재를 전기적으로 직렬 접속한 도체 를 이용해서 형성된다.
도 6은 본 발명의 초전도 코일 구성을 모식적으로 나타내는 부분 단면 사시도이다. 테이프형 박막 RE123 초전도 선재와 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재를 직렬로 접속하고, 초전도 코일 내측부(도 6중 B의 부분)에 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 권회되어 있고, 외측부(도 6중 C의 부분)에 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재가 권회된 팬케이크형 초전도 코일이다.
초전도 코일의 내측으로부터 어느 정도의 영역을 테이프형 박막 RE123 초전도 선재로 형성할지는, 운전 조건(온도, 자장)에 의해 임의로 설정할 수 있다. 고자장 발생 초전도 코일에 있어서도, 저온에서의 운전이면, 직경방향에 있어서 절반정도 이하의 내주부를 테이프형 박막 RE123 초전도 선재로 배치하면 좋고, 온도가 고온이면 절반정도 이상의 부분을 테이프형 박막 RE123 초전도 선재로 형성하면 좋다.
도 5에 도시되는 자장 분포를 가지는 초전도 마그넷을 7개의 팬케이크형 코일로 형성하는 경우를 예로 들어 본다. 도 7은 7개의 초전도 코일로 형성된 초전도 마그넷에 있어서의 도 4의 A-A' 단면에 해당하는 위치에 있어서의 자장 강도 분포를 모식적으로 나타낸 도면이다. 중심점(X점)에 있어서의 발생 자장은 3T이다. 도 7에 나타내는 마그넷은 7개의 초전도 코일(71, 72, 73, 74, 75, 76, 77)로 구성된다. 도 7중의 점선은 각 초전도 코일(71, 72, 73, 74, 75, 76, 77)의 경계를 나타낸다. 각 초전도 코일(71, 72, 73, 74, 75, 76, 77)은 전기적으로 직렬로 접속되어, 동일한 값의 전류치가 흐른다. 이 초전도 마그넷은 온도 30K로 유지하여 운 전된다. 중앙부에 배치된 초전도 코일(74)에 있어서, X점에서는 3T의 자장, X점으로부터 X2점 사이에서는 3T로부터 1T의 자장, X2점보다 외측에서는 1T 이하의 자장이 걸린다.
도 8은 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 온도 30K에 있어서의 자장-임계 전류 특성을 나타낸 도면이다. 도 8도 도 3과 마찬가지로 액체 질소 온도(77K) 제로 자장에 있어서의 임계 전류치를 1로 하고, 온도 30K에 있어서 자장이 각각 테이프면에 평행하게 걸린 경우의 임계 전류치[Ic(30K)/Ic(77K, 0T)]의 변화를 도시하고 있다.
77K 제로 자장에 있어서의 임계 전류치가 동일한 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재를 이용한 경우, 온도 30K에 있어서의 임계 전류치는, 도 8의 자장-임계 전류 특성으로부터 3T의 자장이 테이프면에 평행으로 걸린 RE123 초전도 선재와, 1T의 자장이 테이프면에 평행하게 걸린 (Bi,Pb)2223 초전도 선재에서 거의 동일하게 된다. 이것은, 도 8에 점선으로 도시한 [Ic(30K)/Ic(77K, 0T)]=2.8이 되는 것이, (Bi,Pb)2223에서는 1T 근방, RE123에서는 3T 근방인 것에 의해 알 수 있다.
상기와 같은 상태로 되는 초전도 코일(74)을, X2점으로부터 내측을 테이프형 박막 RE123 초전도 선재로 형성하고, X2점보다 외측을 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재로 형성한다. 초전도 선재에 흐르는 전류치는 가장 강한 자장이 결려 있는 부분에서 율속(律速)된다. 따라서, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재에서는 X점에 있어서의 임계 전류치가 가장 낮고, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재에서는 X2점 에 있어서의 임계 전류치가 가장 낮고, 그보다 외측의 영역, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재에서는 X-X2 사이, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재에서는 X2-X' 사이에 있어서는, 각각 X점, X2점에 있어서의 값 이상의 임계 전류치를 갖는다. 따라서, X점 혹은 X2점에 있어서의 임계 전류치 이하의 전류(마그넷 중심부에 3T의 자장을 발생시키기 위함)는 초전도 코일(74)의 초전도 상태를 유지한 채로 흘리는 것이 가능하다.
도 7에 도시되는 자장 분포로부터 초전도 코일(74)에 흘린 전류와 동일한 전류가 흐르기 때문에, 다른 초전도 코일(71, 72, 73, 75, 76, 77)도 상기와 마찬가지로, X2점보다 외측에 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재를 배치하여 형성되면 좋다는 것은 명확하다.
초전도 코일(74)과 같은 자장 분포에 노출되는 초전도 코일을 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재만으로 형성한 경우, 온도 30K에서는 운전할 수 없어서, 20K 정도까지 냉각해야만 한다. 또한, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재만으로, 동일한 초전도 코일을 제작하여 온도 30K에서 운전하는 것은 가능하지만, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 비용면에서 고가의 코일이 되어버린다. 그래서, 본 발명과 같이 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재 조합시켜 초전도 코일을 형성하면, 비교적 고온에서 운전할 수 있고, 또한 저렴한 초전도 코일이 된다. 또한, 외측의 체적이 큰 부분을 열전도성이 양호한 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재로 구성하고 있기 때문에 코일의 냉각도 효율적으로 실행할 수 있다.
상기의 경우, 77K 제로 자장에 있어서의 임계 전류치가 동일한 선재 끼리를 사용했지만, 77K 제로 자장에 있어서의 임계 전류치가 상이한 선재를 이용해도 좋고, 그때에는 다양한 변형의 선재 배치가 가능해진다. 예를 들면, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 77K 제로 자장의 임계 전류치가 테이프형 박막 RE123 초전도 선재보다 큰 경우에는, 도 7중 X2점보다 내측까지 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재를 배치할 수 있다. 어떠한 변형을 해도, 초전도 코일의 내측부에 테이프형 박막 RE123 초전도 선재를 배치하는 것은 공통이다.
본 발명에 있어서, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 폭이 동일한 것이 바람직하다. 일반적으로 팬케이크형 코일을 겹쳐서, 초전도 마그넷을 형성하는 경우, 각 팬케이크간에 냉동기로부터의 온도를 전달하기 위해 각 팬케이크간에 금속제의 냉각판이 배치된다. 가령 폭이 상이한 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재를 조합하여 코일을 형성하면, 코일 내측과 외측에서 팬케이크 코일 바닥면의 높이가 가지런하지 않은, 단차가 생긴 형상이 된다. 이러한 코일을 냉각하기 위해서는, 단차가 생긴 냉각판이 필요하게 되어 구조가 복잡해진다.
또한, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 전기적으로 직렬 접속된 도체가 권회해서 형성되고, 굽힘 직경이 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 허용 굽힘 직경 미만인 내주측 부분을 모두 포함하도록, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 배치되어 있는 초전도 코일이 바람직하다.
테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재 어느 선재도 작은 직경으로 구부리면 임계 전류치는 저하한다. 여기서 허용 굽힘 직경이란, 테이프면 수직방향으로 선재를 구부리는 경우, 초기 임계 전류치의 95% 미만이 되는 굽힘 직경을 의미한다. 일반적으로 사용되는 두께가 0.25mm 정도의 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 허용 굽힘 직경은 70mm 정도이다. 마찬가지로 일반적으로 사용되는 두께 0.1mm 정도의 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 허용 굽힘 직경은 10mm 정도이다.
매우 강한 자장을 발생시키는 경우, 액체에 헬륨 온도 정도의 운전을 전제로 하여, 초전도 코일은 내경을 작게 권회수를 많게 형성된다. 예컨대, 자장 발생 공간의 직경이 20mm 정도의 초전도 코일을 제작하고자 하는 경우, 그러한 초전도 코일의 내주부의 직경은 상기 두께 0.25mm 정도의 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 허용 굽힘 직경 이하이고, 임계 전류치를 저하시키지 않고 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재를 배치하는 것은 불가능하다.
상기와 같은 초전도 코일을 형성하는 경우에는, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 허용 굽힘 직경 미만인 내주측 부분을 테이프형 박막 RE123 초전도 선재로 구성하고, 그것보다 외주부를 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재로 구성하면 좋다. 그렇게 하면, 필요한 부분에만 고비용의 테이프형 박막 RE123 초전도 선재를 배치할 수 있어서, 저비용의 초전도 코일을 형성할 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 근거하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예)
폭 4.3±0.1mm, 두께 0.24±0.01mm의 형상을 갖는 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재 180m와, 폭 4.30±0.05mm, 두께 0.1±0.002mm의 형상을 갖는 테이프형 박막 RE123 초전도 선재 40m를 각각 60개씩 준비한다. 양쪽 선재의 액체 질소 온도에서의 임계 전류치는 어떠한 선재도 190A 내지 200A이다. 각 1개씩 2종의 선재의 일단을 납땜에 의해 각각 접속하여, 60개의 직렬 도체로 한다.
이러한 직렬 도체에 두께 약 15μm의 턴(turn)간 절연용 폴리이미드 테이프와 두께 0.1mm의 SUS 테이프를 서로 중첩시킨다. 이렇게 구성된 도체를, 테이프형 박막 RE123 초전도 선재측으로부터 보빈 주위에 감고, 내경 80mm, 외경 약 270mm, 높이 약 4.3mm, 내주부에 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가, 외주부에 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재가 배치된 60개의 팬케이크 코일을 제작한다.
상기 60개의 팬케이크 코일을 적층하여 각 코일 사이를 접합한다. 팬케이크 코일 사이는 두께 0.1mm의 FRP 시트를 개재시킴으로써 전기 절연한다. 적층된 코일의 상면, 하면 및 각 코일간에는, 냉각판으로서의 강판이 배치된다. 이러한 동판이 냉동기의 콜드 헤드에 열전도용 바아를 거쳐서 접속되어, 각 코일이 냉각된다. 적층된 초전도 코일은 단열 진공 용기내에 설치된다. 냉동기의 출력을 조정함으로써, 초전도 코일 전체를 10K 정도까지 임의의 온도로 설정할 수 있다.
(비교예)
실시예에서 이용한 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재만을 이용하여, 실시예와 동일한 내경과 높이를 갖고, 외경은 턴수를 실시예와 맞추기 위해서 약 300mm의 초전도 코일로 하고, 실시예와 마찬가지로 냉각한다.
실시예와 비교예의 코일을 각종의 온도로 냉각하여, 그 통전 특성을 조사한다. 시험 방법으로서는, 초전도 코일로의 통전 전류를 제로로 하여 두고, 초전도 코일이 각 온도에서 유지되도록 냉동기의 출력을 조절해서 평형 상태로 한다(초기 상태). 초기 상태로부터 초전도 코일에 70A 혹은 100A의 전류를 5분간 흘린다. 통전 전류의 크기에서 초전도 코일에 발생하는 자장이 변화된다. 초전도 코일에는 온도, 자장, 전류에 의해 결정되는 전압이 발생한다. 초전도 코일에서 발생한 전압에 의해 열이 발생하여, 초전도 코일의 온도가 변화된다. 이 온도 변화를 측정한다. 온도의 측정 위치는 적층된 초전도 코일의 상면 내주부이다. 표 1에 통전 특성 시험의 결과를 나타낸다. 표 1중의 자장은 초전도 코일의 중심점에 있어서의 값이다.
[표 1]
온도 10K 온도 20K 온도 30K 온도 40K
통전 전류 /중심 자장 통전 전류 /중심 자장 통전 전류 /중심 자장 통전 전류 /중심 자장
70A/6T 100A/9T 70A/6T 100A/9T 70A/6T 100A/9T 70A/6T
실시예 10K 10K 21K 22K 31K 32K 42K
비교예 10K 11K 22K 23K 32K 40K 53K
온도가 10K 및 20K에서는 실시예, 비교예도 70A 통전, 100A 통전 어떠한 경우에도 거의 온도 상승은 보이지 않는다. 즉 온도가 낮기 때문에, 어떠한 선재에서도 임계 전류치가 충분히 높고, 운전 전류는 임계 전류치에 비해 충분히 작기 때문에, 발생 전압과 그것에 의한 발열이 작다. 초전도 코일을 20K 이하의 온도로 냉각하면, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재만인 경우에도 9T 정도의 자장을 발생 시키는 것이 가능하다.
한편, 30K 이상의 온도에서는, 실시예쪽이 비교예에 비해 온도 상승이 작다. 이것은, 30K 이상의 온도에서는, 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 자장중 임계 전류치가 작아지고, 운전 전류가 임계 전류치와 거의 동등 혹은 그것 이상으로 되기 때문에, 큰 전압이 발생하여 그것이 열로 변하기 때문이다. 온도가 비교적 높은 30K, 40K에서의 사용을 생각한 경우에는, 본 발명과 같은 도체로 초전도 코일을 형성하면 좋은 것으로 판단된다.
본 명세서에 개시된 실시형태 및 실시예는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니라 특허청구범위에 의해 나타내고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
이상과 같이, 본 발명은 비교적 높은 운전 온도에 있어서도, 강한 자장을 발생할 수 있는 초전도 코일을 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 초전도 선재가 권회된 팬케이크형 초전도 코일에 있어서,
    외주부에 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재가 배치되고, 내주부에 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 배치되도록, 상기 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 상기 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 전기적으로 직렬 접속된 초전도 도체가 권회되어 있는 것을 특징으로 하는
    초전도 코일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 상기 테이프형 박막 RE123 초전도 선재의 폭이 동일한 것을 특징으로 하는
    초전도 코일.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재와 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 전기적으로 직렬 접속된 초전도 도체가 권회되어 형성되고, 굽힘 직경이 상기 테이프형 (Bi,Pb)2223 초전도 선재의 허용 굽힘 직경 미만인 내주측 부분을 모두 포함하도록, 상기 테이프형 박막 RE123 초전도 선재가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는
    초전도 코일.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 기재된 초전도 코일에 이용되는 것을 특징으로 하는
    초전도 도체.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5123604B2 (ja) * 2007-08-08 2013-01-23 株式会社神戸製鋼所 超電導コイル
GB2468359B (en) * 2009-03-06 2013-09-11 3 Cs Ltd Magnetic resonance system
JP5534712B2 (ja) * 2009-05-15 2014-07-02 株式会社東芝 高温超電導パンケーキコイルおよび高温超電導コイル
JP2013048125A (ja) * 2009-11-25 2013-03-07 Fujikura Ltd 超電導コイル及び超電導コイルの製造方法
JP5879749B2 (ja) 2011-05-30 2016-03-08 住友電気工業株式会社 超電導コイル、超電導マグネット、および超電導コイルの製造方法
RU2014111476A (ru) * 2011-08-26 2015-10-10 Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. Тело сверхпроводящей катушки и сверхпроводящее устройство
DE102013220142A1 (de) * 2013-10-04 2015-04-09 Bruker Biospin Gmbh Magnetspulenanordnung umfassend einen HTSL-Bandleiter und einen LTS-Draht, die einen Joint ausbilden
US9767948B2 (en) 2014-05-30 2017-09-19 Novum Industria Llc Light-weight, efficient superconducting magnetic energy storage systems
JP6419596B2 (ja) 2015-02-13 2018-11-07 株式会社東芝 薄膜線材の接続構造、その接続構造を用いた高温超電導線材およびその接続構造を用いた高温超電導コイル
CN106059394B (zh) * 2016-05-31 2018-07-31 西南交通大学 一种采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法
JP6913570B2 (ja) * 2017-08-25 2021-08-04 株式会社東芝 超電導テープ線、この超電導テープ線を用いた超電導電流リード、永久電流スイッチおよび超電導コイル
CN114123590A (zh) * 2021-11-25 2022-03-01 国网江苏省电力有限公司经济技术研究院 一种超导风力发电机的励磁绕组

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN87101048A (zh) * 1987-05-23 1988-12-14 中国科学院上海冶金研究所 氧化物超导线圈及其制造方法
JP2846361B2 (ja) * 1989-09-22 1999-01-13 古河電気工業株式会社 酸化物超電導コイルの製造方法
JP3090709B2 (ja) * 1991-04-24 2000-09-25 株式会社フジクラ 酸化物超電導線およびその製造方法
JP3001312B2 (ja) * 1991-11-14 2000-01-24 三菱電機株式会社 酸化物超電導コイル
JPH06243737A (ja) * 1993-02-18 1994-09-02 Asahi Glass Co Ltd 酸化物超電導コイル
JP3108704B2 (ja) * 1993-08-05 2000-11-13 三菱電機株式会社 テープローディング機構
JP2974108B2 (ja) * 1993-10-13 1999-11-08 財団法人国際超電導産業技術研究センター 高温超伝導バルク体とコイル磁石の複合体
US5531015A (en) 1994-01-28 1996-07-02 American Superconductor Corporation Method of making superconducting wind-and-react coils
US5764121A (en) * 1995-11-08 1998-06-09 Intermagnetics General Corporation Hybrid high field superconducting assembly and fabrication method
JPH10104911A (ja) 1996-09-26 1998-04-24 Fuji Xerox Co Ltd 帯電装置
TW385456B (en) * 1997-05-08 2000-03-21 Sumitomo Electric Industries Superconduction coil
JP2980097B2 (ja) 1997-05-08 1999-11-22 住友電気工業株式会社 超電導コイル
GB0120697D0 (en) * 2001-08-24 2001-10-17 Coated Conductors Consultancy Superconducting coil fabrication
US6925316B2 (en) * 2002-04-08 2005-08-02 Christopher M. Rey Method of forming superconducting magnets using stacked LTS/HTS coated conductor
JP2004153146A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Japan Superconductor Technology Inc 超電導マグネット装置
JP2007081254A (ja) * 2005-09-16 2007-03-29 Univ Of Tokyo 超伝導電磁石及びその製造方法
JP4962856B2 (ja) * 2007-03-28 2012-06-27 住友電気工業株式会社 超電導ケーブルの接続部の製造方法、接続部材及び接続部材の製作方法
JP4844458B2 (ja) * 2007-04-20 2011-12-28 住友電気工業株式会社 超電導コイルおよびそれに用いる超電導導体

Also Published As

Publication number Publication date
WO2008133003A1 (ja) 2008-11-06
DE112008000946T5 (de) 2010-03-11
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CN101542649B (zh) 2011-12-07
JP2008270307A (ja) 2008-11-06
JP4743150B2 (ja) 2011-08-10
CN101542649A (zh) 2009-09-23
US8185175B2 (en) 2012-05-22
DE112008000946B4 (de) 2018-07-26

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