JP2015162495A - 高温超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】口出し電極の設置による超電導特性の劣化または不安定化を防止した高温超電導コイルを提供する。
【解決手段】実施形態にかかる高温超電導コイル１０は、巻回された高温超電導線材からなるパンケーキコイル１２が中心軸Ｃの方向に複数積層されて電気的に接続された巻線部材１３と、巻線部材１３の中心軸Ｃの方向の上端および下端にそれぞれ配置されるフランジ１４と、上端および下端に位置するパンケーキコイル１２の外周面にそれぞれ設置される導電突起１６と、フランジ１４に固定されるとともに導電突起１６に電気的に接触する口出し電極１７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の層からなるテープ形状の高温超電導線材を巻回した高温超電導コイルに関する。

第二世代の超電導線材と呼ばれるイットリウム系（ＲＥ系）の線材は、超電導コイルとして様々な機器への適用が期待されている。

一般にＲＥ系の超電導線材は、少なくとも酸化物超電導層を含む複数の層で構成される３ｍｍ〜１２ｍｍ程度の幅のテープ形状をしている。
このＲＥ系の線材を構成する層は非常に剥離しやすいことが知られおり、超電導性はこの剥離やその他の応力によるクラックなどで容易に喪失する。

ところで、高温超電導コイルは、超電導線材および絶縁テープを積層させて巻回させたパンケーキコイルを、巻回の中心軸の方向に複数積層したものとして使用されることがある。
積層される各々のパンケーキコイルは、一般的にはその最外周に取り付けられた口出し電極で、隣接する他のパンケーキコイルに電気的に接続される。

しかし、口出し電極をパンケーキコイルの巻線部材に直接設置してしまうと、この設置した箇所に、電磁力や冷却時の熱応力などによる局所的な力がかかることがある。
高温超電導コイルの超電導特性は、このような超電導線材にかかる局所的な力で、劣化してしまう恐れがある。

そこで、口出し電極を高温超電導コイルの最内周の巻枠に取り付けて、口出し電極の強度を高めるとともに超電導特性の劣化を防止する方法がとられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−０３６２９４号公報

しかしながら、口出し電極を最内周に設置するといった従来の技術では、口出し電極を流れる電流が作る磁場で高温超電導コイルの中心部に発生する磁場が乱れてしまうという課題があった。
また、この最内周に設置された口出し電極によって、磁場が発生する必要な空間（ボア）も小さくなるという課題もあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、口出し電極の設置による超電導特性の劣化または不安定化を防止した高温超電導コイルを提供することを目的とする。

本実施形態にかかる高温超電導コイルは、巻回された高温超電導線材からなるパンケーキコイルが中心軸の方向に複数積層されて電気的に接続された巻線部材と、前記巻線部材の前記中心軸の方向の上端および下端にそれぞれ配置されるフランジと、前記上端および前記下端に位置するパンケーキコイルの外周面にそれぞれ設置される導電突起と、前記フランジに固定されるとともに前記導電突起に電気的に接触する口出し電極と、を備えるものである。

本発明により、口出し電極の設置による超電導特性の劣化または不安定化を防止した高温超電導コイルが提供される。

（Ａ）は実施形態にかかる高温超電導コイルの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の高温超電導コイルのＩ−Ｉ断面における側面断面図。 実施形態にかかる高温超電導コイルを構成する超電導線材の構成図。 （Ａ）は実施形態にかかる高温超電導コイルを構成する１つのパンケーキコイルの上面図、（Ｂ）は（Ａ）のパンケーキコイルの側面断面図。 実施形態にかかる高温超電導コイルを構成するパンケーキコイルの変形例を示す概略斜視図。 実施形態にかかる高温超電導コイルの変形例を示す側面断面図。 （Ａ）は実施形態にかかる高温超電導コイルの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の高温超電導コイルのＩＩ−ＩＩ断面における側面断面図。 （Ａ）は実施形態にかかる高温超電導コイルの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の高温超電導コイルのＩＩＩ−ＩＩＩ断面における側面断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（実施形態）
図１（Ａ）は、実施形態にかかる高温超電導コイル１０（以下、単に「超電導コイル１０」という）の上面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の超電導コイル１０のＩ−Ｉ断面における側面断面図である。

実施形態にかかる超電導コイル１０は、図１に示されるように、巻回された高温超電導線材２０（図２参照。以下、単に「超電導線材２０」という）からなるパンケーキコイル１２が中心軸Ｃの方向に複数積層されて電気的に接続された巻線部材１３と、巻線部材１３の中心軸Ｃの方向の上端および下端にそれぞれ配置されるフランジ１４と、上端および下端に位置するパンケーキコイル１２の外周面にそれぞれ設置される導電突起１６と、フランジ１４に固定されるとともに導電突起１６に電気的に接触する口出し電極１７と、を備える。

巻線部材１３は、巻回された超電導線材２０からなるパンケーキコイル１２が中心軸Ｃの方向に複数積層されて電気的に接続されたものである。
図１（Ｂ）では８つのパンケーキコイル１２が積層されて巻線部材１３を構成している。
まず、巻線部材１３を構成するパンケーキコイル１２およびこのパンケーキコイル１２を構成する超電導線材２０について、図２および図３を用いて説明する。

図２は、実施形態にかかる超電導コイル１０を構成する超電導線材２０の構成図である。
超電導線材２０は、例えば、ステンレスまたは銅などの高強度の金属材質である基板２２と、基板２２の上に形成されて基板２２と超電導層２５の熱収縮の際に起因する熱歪みを防止する中間層２４と、中間層２４を基板２２の上に配向させるマグネシウムなどからなる配向層２３と、中間層２４の上に形成される酸化物でできた超電導層２５と、銀、金または白金などで組成されて超電導層２５に含まれる酸素が超電導層２５から拡散することを防止して超電導層２５を保護する保護層２６と、銅またはアルミニウムなどの良伝導性の金属メッキであり超電導層２５への過剰電流の迂回経路となってクエンチ現象を防止する安定化層２１と、から構成される。

ただし、超電導線材２０を構成する層の種類および数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて多くても少なくてもよい。
これら超電導線材２０を構成する層は、微小な応力で容易に剥離し、超電導性が不安定化する。

図３（Ａ）は実施形態にかかる超電導コイル１０を構成する１つのパンケーキコイル１２の上面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のパンケーキコイル１２の側面断面図である。
超電導線材２０は、数μｍ〜数ｍｍ程度の厚さの絶縁テープ（図示せず）などとともに巻枠３１に巻回されてパンケーキコイル１２となる。

パンケーキコイル１２は単体での使用も可能であるが、複数が中心軸Ｃの方向に積層させることにより磁力の出力を高めることもできる。
複数のパンケーキコイル１２が積層される場合、パンケーキコイル１２どうしは、互いに絶縁されて、その最内周または最外周のみで電気的に接続されている。

図３のパンケーキコイル１２の一例では、パンケーキコイル１２は、その最内周に巻枠３１を備えている。
パンケーキコイル１２が巻枠３１を備えている場合、樹脂などからなる巻枠３１の一部は導電体部３１ａ（３１）とされる。
導電体部３１ａは、接続素子３２（図１）が設置されてパンケーキコイル１２を他のパンケーキコイル１２とその最内周で電気的に接続させるために設けられるものである。

巻枠３１を備えていないパンケーキコイル１２には、接続素子３２を最内周の超電導線材２０に直接設置することが可能であるので、導電体部３１ａを備える必要もない。
また、図４は、実施形態にかかる超電導コイル１０を構成するパンケーキコイル１２の変形例を示す図である。

図４に示されるように、巻線部材１３が同一の超電導線材２０をあたかも２つのパンケーキコイル１２のように巻回した、いわゆるダブルパンケーキコイル１５で構成される場合がある。
この場合も、既にこれら２つのパンケーキコイル１２が、その最内周で電気的に接続されているので、上述した巻枠３１は不要となる。

巻線部材１３において、図１に示されるように、隣り合うパンケーキコイル１２は、最内周または最外周のいずれかでハンダなどで設置された接続素子３２で電気的に接続されている。

通電時には、例えば１つ目のパンケーキコイル１２を超電導線材２０に沿って外周から内周へ電流が流れ、最内周の接続素子３２に流入する。
最内周の接続素子３２に流入した電流は、この接続素子３２に接続された次のパンケーキコイル１２に流入する。

次のパンケーキコイル１２では、内周から外周に向けて超電導線材２０に沿って電流が流れた後、最外周の接続素子３２によって、さらに次のパンケーキコイル１２へ流入する。
なお、巻線部材１３は、上述したように、ダブルパンケーキコイル１５で構成されることもある。
この場合は、最外周でのみ接続素子３２で隣接するパンケーキコイル１２を電気的に接続すればよい。

フランジ１４は、巻線部材１３の中心軸Ｃの方向の上端および下端にそれぞれ配置される。
フランジ１４は、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの絶縁物または絶縁処理された金属から構成される。

フランジ１４は、図１に示されるように、巻線部材１３の上端および下端の端面に例えば接着剤（図示せず）で接着される。
ただし、フランジ１４が強固にこの端面に接着されると、フランジ１４が接着された超電導線材２０または絶縁テープなどの各々の部材の有する熱収縮率に従った自由な収縮が阻害される。

この場合、剥離応力に弱い超電導線材２０を構成する層が剥離してしまい、上端および下端のパンケーキコイル１２の超電導特性を劣化させてしまう。
そこで、図５の実施形態にかかる超電導コイル１０の変形例に示されるように、接着剤のパンケーキコイル１２との界面に、離形処理３３を施してもよい。

離形処理３３により、フランジ１４は、熱収縮時にパンケーキコイル１２から容易に剥がれ、パンケーキコイル１２の自由な収縮を阻害しないこととなる。
離形処理３３としては、パンケーキコイル１２と接着剤との接触面に、例えば、フッ素樹脂テープ、パラフィン、グリースおよびシリコンオイルからなる群より選ばれた少なくとも一種の離形材が接着または塗布される。

なお、フランジ１４が巻線部材１３にのみ接着される場合、離形処理３３によりフランジ１４が完全に外れてしまう可能性がある。
しかし、超電導コイル１０は、超電導機器において、既設の位置規定部材（図示せず）に挟まれるように設置されることも多い。
このような場合、位置規定部材によってフランジ１４の外側から巻線部材１３に向けて押し付ける力が働くので、離形処理３３が施されていても、完全には外れない。

また、図６および図７は、実施形態にかかる超電導コイル１０の変形例を示す図である。
図６（Ａ）は、実施形態にかかる超電導コイル１０の上面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の超電導コイル１０のＩＩ−ＩＩ断面における側面断面図である。
図７も同様に、図７（Ａ）は、実施形態にかかる超電導コイル１０の上面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の超電導コイル１０のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における側面断面図である。

図６に示されるように、フランジ１４を巻枠３１に接触するものにして、この巻枠３１に、例えば接着またはボルトなどの締結手段（図示せず）で機械的に固定されていてもよい。
さらに、図７に示されるように、上端および下端のフランジ１４を一体形成してもよい。
この場合、巻枠３１がない場合には巻線部材１３の最内周、巻枠３１がある場合にはさらにその内側で上端と下端のフランジ１４を接続する。

上述した２例のようにフランジ１４を巻線部材１３以外のものに固定することで、上端および下端のパンケーキコイル１２を拘束することなく、ずれを防止することができる。
つまり、フランジ１４が、上述した位置規定部材の機能も有することとなる。

導電突起１６は、図１から図７に示されるように、上端および下端に位置するパンケーキコイル１２の外周面に、それぞれ設置される。
導電突起１６は、例えば既設の接続素子３２と同一の金属などの材料で、接続素子３２と同様の要領で上端および下端のパンケーキコイル１２に設置される。
パンケーキコイル１２の外周面に設置されていないフランジ１４側の一端は、中心軸Ｃに沿って突出している。

超電導コイル１０の巻線部材１３には、その使用時に一般に数十Ａの大電流が流れる。
この大電流が、パンケーキコイル１２の最外周から導電突起１６に流入する。
よって、導電突起１６をパンケーキコイル１２の外周面と同一の曲率にして、外周面に密着させて接触面の面積を広くすることで、抵抗を小さくする必要がある。

導電突起１６は、図７の変形例に示されるように、突出した一端が、中心軸Ｃに向けて内側に曲げられるなど、自由にその形状が設計できる。
ただし、例えば図７に示されるように、内側に曲げられた面が、パンケーキコイル１２の最外周以外の超電導線材２０に接触して短絡しないようにする。

口出し電極１７は、フランジ１４に固定されるとともに、導電突起１６に電気的に接触する。
この口出し電極１７は、例えばフランジ１４に設けられた切り欠き部に嵌めこむ、またはボルトで留めるなど、機械的に固定される。

口出し電極１７の形状は、図１から図６に例示した板状や、図７に例示した棒状などに限られず、超電導コイル１０が設置される環境に合わせて自由に決定することができる。
また、形状に加え、フランジ１４に固定されて導電突起１６に接触していれば、その固定の位置も限定されない。
つまり、例えば口出し電極１７がつくる磁場の超電導コイル１０への影響の小さい個所に口出し電極１７を設置することもできる。

なお、口出し電極１７の導電突起１６との接触面は、接触面における導電突起１６の形状と同一に揃えられる。
巻線部材１３を流れた大電流は、導電突起１６を介して口出し電極１７に流入する。
この大電流の流入により、非超電導材料である導電突起１６および口出し電極１７は、発熱する。
この発熱を最小限に抑制するため、導電突起１６および口出し電極１７の接触面積を大きくして、その接触部分の抵抗を小さくする必要がある。

そこで、口出し電極１７の導電突起１６との接触面における形状を同一に揃えて、これらの接触面を最大限に大きくする。
なお、口出し電極１７も導電体でできているので、巻回されている超電導線材２０どうしを短絡させないよう、巻線部材１３と接触させないようにする。
超電導コイル１０の使用時には、この口出し電極１７に端子を接続して、超電導コイル１０に電圧をかける。

以上のように、実施形態にかかる超電導コイル１０によれば、口出し電極１７の設置による超電導特性の劣化または不安定化を防止することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…高温超電導コイル（超電導コイル）、１２…パンケーキコイル、１３…巻線部材、１４…フランジ、１５…ダブルパンケーキコイル、１６…導電突起、１７…口出し電極、２０…高温超電導線材（超電導線材）、２１…安定化層、２２…基板、２３…配向層、２４…中間層、２５…超電導層、２６…保護層、３１（３１ａ）…巻枠（導電体部）、３２…接続素子、３３…離形処理、Ｃ…中心軸。

Claims (7)

1. 巻回された高温超電導線材からなるパンケーキコイルが中心軸の方向に複数積層されて電気的に接続された巻線部材と、
   前記巻線部材の前記中心軸の方向の上端および下端にそれぞれ配置されるフランジと、
   前記上端および前記下端に位置するパンケーキコイルの外周面にそれぞれ設置される導電突起と、
   前記フランジに固定されるとともに前記導電突起に電気的に接触する口出し電極と、を備えることを特徴とする高温超電導コイル。
2. 前記口出し電極は、内側に曲げられていることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導コイル。
3. 前記導電突起の前記口出し電極との接触面は、前記接触面における前記口出し電極の形状と同一に揃えられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高温超電導コイル。
4. 前記巻線部材は、その最内周に巻枠を備え、
   前記フランジは、前記巻枠に機械的に固定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
5. 前記上端および前記下端の前記フランジは、一体形成されていることを特徴とする請求項４に記載の高温超電導コイル。
6. 前記フランジを前記上端または前記下端の前記パンケーキコイルに接着する接着剤を備え、
   前記接着剤の前記パンケーキコイルとの界面は、離形処理が施されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
7. 前記離形処理として、フッ素樹脂テープ、パラフィン、グリースおよびシリコンオイルからなる群より選ばれた少なくとも一種の離形材が接着または塗布されることを特徴とする請求項６に記載の高温超電導コイル。

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