JP7614993B2 - Superconducting coil and superconducting coil device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、熱暴走又はクエンチを防止する機能を備えた超電導コイル及び超電導コイル装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to superconducting coils and superconducting coil devices that have the ability to prevent thermal runaway or quenching.
超電導線材には、超電導状態を維持できる電流、温度、磁場の範囲、いわゆる臨界電流、臨界温度、臨界磁場が存在する。したがって電気抵抗がほぼゼロといえども無限に電流が流せるわけではなく、いずれかの臨界値を超えると、常電導状態への転移現象、すなわちクエンチが発生する。
このようなクエンチによる常電導転移領域のジュール発熱は、瞬時に超電導コイルを熱暴走させ、最悪の場合、焼損に至る危険性があるため、クエンチに対する保護技術が不可欠である。
Superconducting wires have a critical current, critical temperature, and critical magnetic field that allow them to maintain the superconducting state. Therefore, even if the electrical resistance is nearly zero, it is not possible for an infinite current to flow. When any of the critical values is exceeded, a transition to a normal conductive state, i.e., a quench, occurs.
Such Joule heating in the normal transition region due to quenching can instantly cause thermal runaway in the superconducting coil, and in the worst case scenario, can lead to burning, so protection technology against quenching is essential.
クエンチ保護に関する従来技術としては、たとえば超電導コイルと並列に保護抵抗をつなぐ方法がある。この方法は、常電導状態に転移することで発生するコイル電圧や温度上昇を検出し、これをトリガーとして励磁電源を遮断するものである。遮断後は超電導コイルと保護抵抗の閉回路となるため、室温部に配置した保護抵抗のジュール発熱で超電導コイルの蓄積エネルギーが消費され、コイルに流れる電流を減衰させることができる。 One conventional technique for quench protection is to connect a protective resistor in parallel with the superconducting coil. This method detects the coil voltage and temperature rise that occurs when the coil transitions to a normal conductive state, and uses this as a trigger to cut off the excitation power supply. After cutting off, the superconducting coil and protective resistor form a closed circuit, so the stored energy in the superconducting coil is consumed by Joule heating in the protective resistor placed in the room temperature section, and the current flowing through the coil can be attenuated.
このような超電導コイルに使用する超電導線材としては、たとえばBi2Sr2Ca2Cu3O10線材やRE1B2C3O7線材といった高温超電導線材がある。高温超電導線材を用いた超電導コイルでは、従来のNbTiなどの低温超電導線材に比べ、20K~50Kといった高い温度でも高い臨界電流密度を有するため、高温での高電流密度運転が可能となる。 Examples of superconducting wires used in such superconducting coils include high-temperature superconducting wires such as Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 wire and RE 1 B 2 C 3 O 7 wire. A superconducting coil using high-temperature superconducting wire has a high critical current density even at high temperatures of 20 K to 50 K compared to conventional low-temperature superconducting wires such as NbTi, and therefore enables high current density operation at high temperatures.
しかしながら、高電流密度運転時にクエンチが生じた場合、20K~50Kの温度範囲では、低温超電導線材を使った超電導コイルよりも運転温度が高いため比熱が大きく、常電導転移領域の拡大が遅い。また、高電流密度運転すると発熱密度も高くなるため、上述した従来技術のクエンチ保護方法では、検知する前に局所的に熱暴走が発生し焼損してしまう。 However, if a quench occurs during high current density operation, in the temperature range of 20K to 50K, the operating temperature is higher than that of a superconducting coil using low-temperature superconducting wire, so the specific heat is large and the normal transition region expands slowly. In addition, since high current density operation also increases the heat generation density, the quench protection method of the conventional technology described above causes localized thermal runaway and burns out before it can be detected.
そこで、超電導コイル内部の異なるターンの超電導線材同士がターン間で短絡されていれば、常電導転移した部分に流れる電流を異なるターンの超電導線材に迂回させることができる。電流が常電導部分を迂回することで、常電導転移領域での局所的な発熱、および熱暴走を抑制することが可能である。
具体的には、超電導コイルのコイル径方向に沿った巻線部の側面に超電導線材と電気的に接続された迂回路を設けることにより、迂回路を介して異なるターンの超電導線材同士を短絡する手段が提案されている。
Therefore, if the superconducting wires of different turns inside the superconducting coil are short-circuited between the turns, the current flowing through the part where the normal transition has occurred can be diverted to the superconducting wires of different turns. By diverting the current through the normal conductive part, it is possible to suppress localized heat generation and thermal runaway in the normal transition region.
Specifically, a method has been proposed in which a bypass is provided on the side of the winding portion of the superconducting coil along the radial direction of the coil, the bypass being electrically connected to the superconducting wire, thereby short-circuiting the superconducting wire of different turns via the bypass.
上述した従来の超電導コイルにおいて、最内周部や最外周部に電極を取り付けて通電する場合、電極と接続された部分の超電導線材が常電導転移した際には、電流が常電導転移した超電導線材を避けて電極に流れる経路が存在しないため、常電導転移した超電導線材に電流が流れ続けてしまい、局所的に発熱し、焼損するリスクがある。 In the above-mentioned conventional superconducting coil, when electrodes are attached to the innermost or outermost circumference and electricity is passed through it, if the superconducting wire connected to the electrodes undergoes a normal conductive transition, there is no path for the current to flow to the electrodes avoiding the superconducting wire that has undergone a normal conductive transition, so the current continues to flow through the superconducting wire that has undergone a normal conductive transition, creating the risk of localized heat generation and burning.
仮に電極に接続された超電導線材のうち、一部分のみが常電導転移した場合は、電流が常電導転移していない部分の超電導線材を介して電極に流れることが可能であるが、電極と超電導線材の接続部の面積が実質的に減少することとなり、局所的に発熱して焼損する原因になりうる。 If only a portion of the superconducting wire connected to the electrode undergoes a normal conductive transition, current can flow to the electrode via the portion of the superconducting wire that does not undergo a normal conductive transition. However, this effectively reduces the area of the connection between the electrode and the superconducting wire, which can cause localized heat generation and burnout.
また、nターン目の超電導線材からn+1ターンの超電導線材へ電流が迂回する際は、1ターン分の周長を使って電流を転流することができるが、電極は通常、周方向長さが限られているため、超電導線材との接続部の大きさは超電導線材の1ターン分の周長より小さい。 In addition, when the current is diverted from the nth turn of the superconducting wire to the n+1th turn of the superconducting wire, the current can be diverted using the circumferential length of one turn. However, since the electrodes usually have a limited circumferential length, the size of the connection part with the superconducting wire is smaller than the circumferential length of one turn of the superconducting wire.
したがって、例え一部であっても電極と接続された部分の超電導線材が常電導転移すると、発熱して焼損の原因になりうる。
本発明の実施形態はこのような課題を解決するためになされたもので、熱暴走又はクエンチの発生を抑制することが可能な超電導コイル及び超電導コイル装置を提供することを目的とする。
Therefore, even if only a part of the superconducting wire connected to the electrode undergoes a normal conductive transition, it may generate heat and cause burning.
The embodiments of the present invention have been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a superconducting coil and a superconducting coil device that are capable of suppressing the occurrence of thermal runaway or quenching.
上記課題を解決するために、本実施形態に係る超電導コイルは、高温超電導層を含む薄膜状の層が積層されたテープ形状の高温超電導線材が巻回されて形成される巻線部と、前記巻線部の最内周及び/又は最外周において前記高温超電導線材に接続される内側電極及び/又は外側電極と、前記巻線部の巻回軸方向と垂直な端面に設けられて、前記高温超電導線材の軸方向端部同士を電気的に接続し、迂回路を形成する導電性部材を備える超電導コイルであって、前記導電性部材は、前記巻線部から巻回径方向の内周側及び又は外周側に延在し、前記内側電極及び/又は外側電極の巻回軸方向と垂直な表面に接触していることを特徴とする。
また、本実施形態に係る超電導コイル装置は、本実施形態の超電導コイルを巻回軸方向に複数積層したことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the superconducting coil of this embodiment is a superconducting coil comprising a winding section formed by winding a tape-shaped high-temperature superconducting wire in which thin-film layers including a high-temperature superconducting layer are stacked, an inner electrode and/or an outer electrode connected to the high-temperature superconducting wire at the innermost and/or outermost circumferences of the winding section, and a conductive member provided on an end surface perpendicular to the winding axis direction of the winding section, electrically connecting axial ends of the high-temperature superconducting wire to each other and forming a detour, characterized in that the conductive member extends from the winding section to the inner circumference side and/or the outer circumference side in the winding radial direction and is in contact with a surface of the inner electrode and/or the outer electrode perpendicular to the winding axis direction.
Further, the superconducting coil device according to this embodiment is characterized in that a plurality of superconducting coils according to this embodiment are stacked in the winding axis direction.
本発明の実施形態によれば、超電導コイル及び超電導コイル装置の熱暴走又はクエンチの発生を抑制することができる。 According to an embodiment of the present invention, it is possible to suppress the occurrence of thermal runaway or quenching in superconducting coils and superconducting coil devices.
まず、一般的な高温超電導線材及び超電導コイルの構成、作用効果を説明する。 First, we will explain the structure, function and effects of typical high-temperature superconducting wire and superconducting coils.
(高温超電導線材)
図1の一般的な高温超電導線材20の構成図を用いて、高温超電導線材20の構成を説明する。
(High-temperature superconducting wire)
The configuration of a general high-
高温超電導線材20は、図1に示されるように、一般に薄膜状の層が積層されたテープ形状の薄膜線材から構成されている。この高温超電導線材(以下、「薄膜線材」ともいう。)20は、例えばレアメタル酸化物(RE酸化物)からなる高温超電導層25を含むREBCO線材等の線材である。
As shown in FIG. 1, the high-temperature
薄膜線材20は、例えば、ニッケル基合金、ステンレス又は銅などの高強度の金属材質である基板22と、基板22の上に形成される中間層24と、中間層24を基板22の表面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高温超電導層25と、銀、金又は白金等で組成される保護層26と、銅又はアルミニウム等の良伝導性金属である安定化層21と、から構成される。
The thin-
中間層24は、基板22と高温超電導層25の熱収縮の際に起因する熱歪みを防止する。保護層26は、高温超電導層25に含まれる酸素が高温超電導層25から拡散することを防止して、高温超電導層25を保護している。安定化層21は、高温超電導層25への過剰通電電流の迂回経路となって熱暴走を防止する。
なお、薄膜線材20を構成する各層の種類および数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて変更可能である。
The
The types and numbers of layers constituting the
(超電導コイル)
図2は一般的な超電導コイル10の斜視図、図3は図2のII-II線断面図、図4は図3の領域Ωの拡大断面図である。
(Superconducting coil)
FIG. 2 is a perspective view of a typical
図2及び図3に示される超電導コイル10は、薄膜線材20が巻枠14へ巻回されることにより、巻回軸中心Cを貫通する空間を有するパンケーキ状の巻線部12を形成することによって得られる。なお、巻線部12を形成した後に巻枠14を取り除くことで、巻枠14を伴わない超電導コイル10としてもよい。薄膜線材20を同心円状に巻回してパンケーキ状に形成されたコイルをパンケーキコイルと呼ぶ。
ここで、図2に示すように、超電導コイル10の巻回軸と平行な方向を巻回軸方向、薄膜線材20を巻き回す方向をコイル周方向、巻回により薄膜線材20が積層される方向をコイル径方向と呼ぶ。
2 and 3 is obtained by winding the thin-
As shown in FIG. 2, the direction parallel to the winding axis of the
巻線部12は、薄膜線材20が巻回によって積層されることで形成される一対の巻線端面部18を有する。また、超電導コイル10において隣接する別のターンの薄膜線材20同士の間隙のことを単にコイルターン間と呼ぶ。
The
図4に示すように、薄膜線材20の間には、隣接するターン間の絶縁のために、絶縁性部材33が挿入される。絶縁性部材33としては、例えばポリイミドなどにより形成された絶縁性のテープが好適に用いられる。テープ状の絶縁性部材33は、薄膜線材20と共巻することによりコイルターン間に挿入される。
As shown in FIG. 4, an
また、超電導コイル10は、エポキシ樹脂などの粘着性を有する絶縁材料で含浸されることもある。粘着性のある樹脂で含浸されることにより、超電導コイル10内の隣接する薄膜線材20と絶縁性部材33が固着され、超電導コイル10の熱伝導度及び機械的強度が向上する。なお、エポキシ樹脂などの粘着性を有する絶縁材料もターン間に挿入されることで絶縁性部材33として機能するが、超電導コイルターン間の確実な絶縁のためには、テープ状のポリイミド等により確実にコイルターン間を絶縁することが好ましい。
The
(迂回路)
超電導コイル10は、図4に示されるように、一対の巻線端面部18の少なくとも片面に、超電導コイル10内の異なる位置の薄膜線材20同士を電気的に接続する導電性部材からなる迂回路19(「導電性部材」ともいう。)を備える。なお、一対の巻線端面部18の両方に迂回路19を設けてもよい。
(Detour)
4, the
迂回路19の材料は、通常運転時においての超電導コイル10の抵抗より大きく、かつこの超電導コイル10の常電導転移時の抵抗よりも小さい抵抗の材料が選択される。例えば、銅、ステンレス、アルミ又はインジウムなどの常電導金属、半導体、導電性プラスチック、セラミックス材、導電性樹脂あるいは超電導材料などである。また、グラファイト、炭素繊維又は炭素繊維複合材などのカーボン材料なども迂回路19として好適に用いることができる。
The material of the
これらの材料は、シート状の板材又は箔などにして圧着又ははんだ接続などによって巻線部12に接続される。また、一方の巻線端面部18にメッキ又は塗布して、迂回路19を形成してもよい。特にメッキによって迂回路19を形成すると、迂回路19を薄くすることができ、超電導コイル10の自由な変形を阻害しない。さらに、迂回路19をメッキや塗布で形成することで、迂回路19の巻回軸方向の厚みを調整し、迂回路19の抵抗値を調整することができる。
These materials are formed into sheet-like plate materials or foils and connected to the winding
また、迂回路19は、図5に示すような導電性樹脂層36を塗布して形成してもよい。この導電性樹脂層36は例えば、導電性を持たない樹脂に導電性粉末35を混入させたものを用いることができる。この場合、導電性樹脂層36に配合される導電性粉末35の割合や種類を変更することにより、導電性樹脂層36の体積抵抗率を容易に調整することができる。
The
導電性粉末35としては、例えばカーボンブラック、炭素繊維又はグラファイトなどのカーボン系の粉末が用いられるが、金属微粒子、金属酸化物、金属繊維又はウィスカーなどの金属系の粉末が用いられてもよい。また、微粒子又は合成繊維を金属コートすることで導電性粉末35にしてもよい。
As the
さらに、巻線端面部18の位置ごとに異なる組成の導電性樹脂層36を塗布して迂回路19を形成してもよい。また、導電性樹脂層36はコイル径方向に隣り合う薄膜線材20同士の間を含めた巻線部12の一部又は全部を含浸させて形成してもよい。
Furthermore, a
このようにすることで、導電性樹脂層36と薄膜線材20の接触面積を大きくし、導電性樹脂層36と薄膜線材20の間の接触抵抗を低減することができる。
なお、コイル径方向に隣接する薄膜線材20の間に絶縁性部材33を用いずに、隣接する薄膜線材20同士を直接接触させてもよい。この場合、隣接する薄膜線材20の外表面を覆う安定化層21がコイル径方向に接触することで電気的に接続され、迂回路19として機能する。
In this way, the contact area between the
Incidentally, adjacent thin-
(絶縁板)
図4に示す例では迂回路19の端面に絶縁板16が設けられており、迂回路19や巻線部12を隣り合う他の超電導コイル10等から絶縁する。絶縁板16としてはエポキシ樹脂や繊維強化プラスチックが好適に用いられる。
(insulating plate)
4, an insulating
(迂回路の作用効果)
ここで、迂回路(導電性部材)19を設けることで熱暴走等が発生することを抑制できる作用効果について説明する。
(Effects of detours)
Here, the effect of providing the bypass path (conductive member) 19 to suppress the occurrence of thermal runaway or the like will be described.
薄膜線材20は、通電電流の限界である臨界電流に近づくにつれ、徐々に外部磁場が侵入し、局所的に超電導状態が破壊された部分が常電導転移する。この局所的な常電導転移に伴うフラックスフロー抵抗は、ジュール損失による発熱を発生するため、コイル温度の上昇などで増大すると熱暴走又はクエンチ(以下、まとめて「熱暴走等」という)を誘引する。
As the thin-
この熱暴走等の発生を抑制するために迂回路19を設けることで、薄膜線材20の一部で常電導転移による局所的なフラックスフロー抵抗が発生したときに、コイル周方向に流れていた通電電流Iの一部Iaが、迂回路を介して隣接する他のターンの薄膜線材20に、コイル径方向へ迂回することができる(図示せず)。
By providing a
ここで、コイル周方向に流れる通電電流はIからI-Iaに減少する。このとき、迂回路19の抵抗をRa、フラックスフロー抵抗をRとすると、コイル径方向に迂回する電流Iaは、R/(R+Ra)に比例する。よって、フラックスフロー抵抗の増大に伴い、より多くの通電電流がコイル径方向に迂回することになる(図示せず)。
よって、局所的に常電導状態に転移した常電導箇所に多量の通電電流Iが流れるのを未然に防止することができ、熱暴走等の発生を抑制することができる。
Here, the energizing current flowing in the coil circumferential direction decreases from I to I-Ia. At this time, if the resistance of the
Therefore, it is possible to prevent a large amount of energizing current I from flowing through a normal conductive portion that has locally transitioned to a normal conductive state, and the occurrence of thermal runaway and the like can be suppressed.
なお、コイルターン間を、迂回路19を介して電気的に接続すると、フラックスフロー抵抗が発生したときだけでなく、超電導コイル10を非通電状態から定格電流値まで励磁する際にも、誘導電圧により電源から供給される通電電流Iの一部I’が、迂回路19を介して他のターンの薄膜線材20に、コイル径方向へ迂回してしまう(図示せず)。励磁完了後は誘導電圧が発生しないため、迂回路19に流れた電流I’は徐々にコイル周方向に流れ込むこととなり、設計した磁場の値に到達するまでに時間を要する。
When the coil turns are electrically connected via the
したがって、コイルターン間の抵抗を低くすればするほど、より多くの電流が励磁中に迂回してしまい、不要に励磁時間が長くなってしまう。迂回路19の抵抗Raはフラックスフロー抵抗発生時に十分な量の電流が迂回路19へ転流できる程度に小さな抵抗で、かつ、超電導コイル10を非通電状態から定格電流値まで励磁する際に、不要に励磁時間が長くならないような大きな抵抗に設定することが好ましい。
Therefore, the lower the resistance between the coil turns, the more current is diverted during excitation, and the longer the excitation time becomes unnecessarily. It is preferable to set the resistance Ra of the
(電極)
上述した超電導コイル10に通電を行う際は、巻線部12の両端部をそれぞれ外部電源の端子に電気的に接続する必要がある。外部電源の端子から引き出したリード線を超電導コイル10に電気的に接続するための導電性の部品として、一般的に電極40(内側電極40a、外側電極40b)が用いられる(図6~図8参照)。
(electrode)
When energizing the above-described
電極40は巻線部12の最内周ターン及び/又は最外周ターンの薄膜線材20にはんだ付けなどにより電気的に接続され、超電導コイル10を通流する通電電流Iを流入又は流出させる。超電導コイル10に電気的接続された電極40が直接、又は他の導電性を持った部品を介して間接的にリード線と電気的に接続されることで、超電導コイル10は外部電源の端子と電気的に接続される。
The electrodes 40 are electrically connected to the thin-
電極40は例えば銅、銀、金又はインジウムやこれらの合金で好適に構成される。図3における巻枠14の一部を銅、銀、金又はインジウムやこれらの合金で置き換えることで、電極40としてもよい。
The electrode 40 is preferably made of, for example, copper, silver, gold, indium, or an alloy thereof. The electrode 40 may be formed by replacing a portion of the
図6に超電導コイル10の最内周に内側電極40a、最外周に外側電極40bを取り付けた際の斜視図を示し、図7(a)、(b)に図6の領域Ω1、領域Ω2の拡大断面図を示す。
Figure 6 shows a perspective view of the
ここで、電極40と薄膜線材20が接続されている部分の巻回周方向長さと、巻線部12内で隣接する薄膜線材20同士が迂回路19によって接続されている部分の巻回周方向長さの違いについて述べる。
Here, we will discuss the difference between the circumferential length of the portion where the electrode 40 and the thin-
超電導コイル10の電流を流出入させるために用いる電極40は必要以上に大きくすると以下のデメリット(1)~(4)が発生する。
(1)装置全体の重量が増加する。(2)装置の体積が増加する。(3)熱容量が大きくなり、薄膜線材20にはんだ付けする際の加熱に時間がかかる。(4)電極製作のコストが増加する。
If the electrodes 40 used for inputting and outputting the current of the
(1) The weight of the entire device increases, (2) The volume of the device increases, (3) The heat capacity increases, and it takes time to heat the
したがって、電極40は電流を流した際に発生する発熱が装置の冷却能力を超えない範囲で、できるだけ小さく設計されるのが一般的である。
このことから、多くの場合、電極40の周方向長さは、電極40が接続されるターンの薄膜線材20の周方向長さより小さく設計される。例えば、電極40の周方向長さを、薄膜線材20の周方向長さの約半分の大きさに設計してもよい。また、電極40の周方向長さを、薄膜線材20の周方向長さの10分の1以下としてもよい。
Therefore, the electrodes 40 are generally designed to be as small as possible, provided that the heat generated when a current is passed through them does not exceed the cooling capacity of the device.
For this reason, in many cases, the circumferential length of the electrode 40 is designed to be smaller than the circumferential length of the thin-
図8に示す例では、コイル内周側に内側電極40aを取り付けた場合の薄膜線材20との接続長をL1、コイル外周側に外側電極40bを取り付けた場合の薄膜線材20との接続長をL2とし、薄膜線材20の周方向長さの約10分の1以下としている。
In the example shown in FIG. 8, the connection length with the thin-
内側電極40a及び外側電極40bに隣接していない薄膜線材20が常電導転移した場合には、電流は1ターン分の周長を使って迂回路19を介して隣接する薄膜線材20に迂回することができる。
When a thin-
しかしながら、内側電極40a又は外側電極40bに隣接した薄膜線材20が常電導転移した場合には、電流は常電導箇所15を避けて通るため(図7(a)、(b)参照)、実質的に有効な内側電極40a又は外側電極40bと薄膜線材20の接続部周方向長さがさらに短くなってしまう。これにより、接続部の電気抵抗が増加し、発熱してしまうという問題がある。
However, when the thin-
さらに、内側電極40a又は外側電極40bと薄膜線材20の接続部の周方向長さよりも長い区間で常電導転移が生じた場合には、電流が常電導箇所15を避けて電極40に流れ込むことができず、常電導箇所15に電流が流れ続けてしまい、発熱してしまうという問題がある。
Furthermore, if a normal conductive transition occurs in a section longer than the circumferential length of the connection between the
(超電導コイル装置)
超電導コイル10は、図9に示すように、巻回軸方向に同心円状に複数積層して、超電導コイル装置100としてもよい。
(Superconducting coil device)
As shown in FIG. 9, a plurality of
一般的な超電導コイル装置100は、積層された複数の超電導コイル10のうち、隣接する2つに架設される金属板41を有する。金属板41は薄膜線材20にはんだ付けなどにより電気的に接続されて、架設される2つの超電導コイル10のうち、片方の超電導コイル10から流出した通電電流Iをもう片方の超電導コイル10に流入させる。
A typical
金属板41は例えば銅、銀、金又はインジウムやこれらの合金で好適に構成される。超電導コイル装置100を構成する複数の超電導コイル10のうち、一つの超電導コイル10に注目すると、金属板41は超電導コイル10を通流する通電電流Iを流入又は流出させる役割をしており、電極40と同一視できる。したがって、超電導コイル10が複数積層されて超電導コイル装置100を構成する際の金属板41も電極40を構成する。
以下、本発明に係る超電導コイルの実施形態について、図面を参照して説明する。
The
Hereinafter, embodiments of a superconducting coil according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
第1の実施形態に係る超電導コイルを図10、図11(a)、(b)を用いて説明する。
[First embodiment]
The superconducting coil according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 10, and FIGS.
(構成)
図10は第1の実施形態に係る超電導コイル10の概観図であり、図11(a)、(b)は、図10に示す領域Ω3、Ω4の拡大断面図である。
(composition)
FIG. 10 is a schematic view of the
本実施形態に係る超電導コイル10では、内側電極40aが巻線部12の最内周ターンの薄膜線材20に接続されており、巻線端面部18に設けられた迂回路19が径方向の内周側に延在し、内側電極40aの巻回軸方向に垂直な内側電極表面50aに接触している(図11(a))。
In the
また、外側電極40bは巻線部12の最外周ターンの薄膜線材20に接続されており、巻線端面部18に設けられた迂回路19が径方向の外周側に延在し、外側電極40bの巻回軸方向に垂直な外側電極表面50bに接触している(図11(b))。迂回路19は内側電極表面50a及び外側電極表面50bの少なくとも一部に接触していれば効果が得られるが、内側電極表面50a及び外側電極表面50bの全面に接触していた方が高い効果が得られる。
The
迂回路19を内側電極表面50a及び外側電極表面50bに接触させる方法としては、直接接触させても効果が得られるが、はんだや銀ペースト等の伝導率が高い他の部材を介して接触させてもよい。いずれの方法であっても、迂回路19と内側電極40a及び外側電極40bが薄膜線材20を介さずに電気的に接続されることで効果を発揮する。
As a method for contacting the
(作用)
上記のように構成した本実施形態に係る超電導コイル10の作用について説明する。
まず、巻線部12から外側電極40bへ電流が流出する場合を考える。従来の超電導コイル10では、外側電極40bと隣接する薄膜線材20が常電導転移した場合、図7(b)に示すように、常電導箇所15を避けて巻線部12から外側電極40bに電流が流れる経路が存在しないため、電流は常電導箇所15を通って外側電極40bへ流出する。
(Action)
The operation of the
First, consider the case where a current flows out from the winding
また、図7(a)では迂回路19は内側電極40aの巻回軸方向と平行な表面に接触可能であるが、薄膜線材20と内側電極40aの軸方向長さの差により生じるわずかな段差で接触しているのみであり、接触抵抗が大きいために十分な電流が迂回することができず、常電導箇所15を避けて電流が流れることができない恐れがある。
In addition, in FIG. 7(a), the
これに対して、第1の実施形態の超電導コイル10では、図11(a)、(b)に示すように、迂回路19が薄膜線材20と内側電極40a及び外側電極40bを電気的に接続するために、常電導箇所15を避けて巻線部12から内側電極40a又は外側電極40bへ電流が流れる経路が存在する。これにより、電流は常電導箇所15を避けて内側電極40a又は外側電極40bへ流出することができる。
In contrast, in the
(効果)
以上説明したように、従来の図7(a)、(b)に示す超電導コイル10では内側電極40a及び外側電極40bと隣接する薄膜線材20が常電導転移した場合、電流は常電導箇所15を通って内側電極40a又は外側電極40bへ流出するために、局所的に発熱して焼損する恐れがある。
(effect)
As described above, in the
一方、本第1の実施形態に係る超電導コイル10では、図11(a)、(b)に示すように、常電導箇所15を避けて、電流を薄膜線材20から迂回路19を介して内側電極40a又は外側電極40bへ流出させることができるため、常電導箇所15における局所的な発熱を防ぎ、超電導コイル10の熱暴走又はクエンチの発生を抑制することが可能となる。
On the other hand, in the
[第2の実施形態]
第2の実施形態に係る超電導コイルを図12、図13(a)、(b)を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
Second Embodiment
A superconducting coil according to a second embodiment will be described with reference to Fig. 12, Fig. 13(a) and Fig. 13(b). Note that the same components as those in the above embodiment are given the same reference numerals, and duplicated descriptions will be omitted.
(構成)
第2の実施形態に係る超電導コイル10では、口出し電極42が内側電極40aに接続され、迂回路19は口出し電極42にも接触している。同様に外側電極40bにも口出し電極42が接続され、迂回路19は外側口出し電極42にも接触している。
(composition)
In the
これらの口出し電極42はそれぞれ内側及び外側電極40a、40bを延長する目的で、はんだ付けやねじ止めなどの方法で、内側及び外側電極40a、40bに固定され、電気的に接続される。口出し電極42の材料としては、銅、銀、金、インジウムやこれらの合金で好適に構成される。これらの口出し電極42と内側及び外側電極40a、40bを同じ材料で製作してもよい。口出し電極42はリード線を介して電源に接続され、超電導コイル10に電流が流出入する際の電流路の一部となる。
These
(作用効果)
迂回路19と内側及び外側電極40a、40bの接続部には接触抵抗があるため、電流が常電導箇所15を避けて迂回路19を介して内側及び外側電極40a、40bに流れる際には、迂回路19との接触部で発熱しうる。本第2の実施形態では、迂回路19が口出し電極42にも電気的に接続されることで、迂回路19に流れる電流が超電導コイル10の外へ流出する経路の断面積が増加し、接触抵抗が低減される。
(Action and Effect)
Since there is contact resistance at the connection portion between the
したがって、迂回路19と内側及び外側電極40a、40bの接続部の発熱が抑制されるので、超電導コイル10の熱暴走又はクエンチの発生リスクをさらに低減することができる。
As a result, heat generation at the connection between the
[第3の実施形態]
第3の実施形態に係る超電導コイルを図14(a)、(b)を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[Third embodiment]
A superconducting coil according to a third embodiment will be described with reference to Figures 14(a) and 14(b). Note that the same components as those in the above-mentioned embodiment are given the same reference numerals, and duplicated descriptions will be omitted.
(構成)
第3の実施形態に係る超電導コイル10では、迂回路19が内側及び外側電極40a、40bの全体を覆うように配置されている。超電導コイル10に備えられた巻枠14や口出し電極42が電極40に接続されている場合は、その接続面を除いた表面を覆うことでも同様の効果を発揮する。
(composition)
In the
(作用効果)
本実施形態においては、迂回路19を内側及び外側電極40a、40bの全体を覆うように配置することで、迂回路19と内側及び外側電極40a、40bの接続部の面積を増加させ、これにより接続部の接触抵抗を低減することができる。
したがって、迂回路19と内側及び外側電極40a、40bの接続部の発熱が抑制されるので、超電導コイル10の熱暴走又はクエンチの発生リスクを低減することができる。
(Action and Effect)
In this embodiment, the
Therefore, heat generation at the connection portion between the
[第4の実施形態]
第4の実施形態に係る超電導コイルを、図15を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[Fourth embodiment]
A superconducting coil according to a fourth embodiment will be described with reference to Fig. 15. Note that the same components as those in the above-mentioned embodiments are given the same reference numerals, and duplicated descriptions will be omitted.
(構成)
第4の実施形態に係る超電導コイル10では、図15に示すように、内側及び外側電極40a、40bが設けられた側の径方向端部に、巻線部12の径方向端部(最内周又は最外周)を覆うように、迂回路19を全周に亘って延在させている。超電導コイル10が巻枠14や内側及び外側口出し電極42を備えている場合は、それらの部材との接続面を除いた表面を覆うことでも同様の効果を発揮する。また、巻枠14や内側及び外側口出し電極42を含めて覆っても同様の効果を発揮する。
(composition)
15, in the
(作用効果)
本実施形態においては、超電導コイル10の最内周又は最外周の全周に亘って迂回路19が配置されるため、薄膜線材20から内側及び外側電極40a、40bへ迂回路19を介して電流が流れる際の電流路の断面積が増加し、当該電流路の抵抗値が低減できる。
したがって、十分な量の電流が薄膜線材20から迂回路19へ流れるため、超電導コイル10の熱暴走又はクエンチの発生リスクをさらに低減することができる。
(Action and Effect)
In this embodiment, the
Therefore, a sufficient amount of current flows from the thin-
[第5の実施形態]
第5の実施形態に係る超電導コイルを、図16を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[Fifth embodiment]
A superconducting coil according to the fifth embodiment will be described with reference to Fig. 16. Note that the same components as those in the above-mentioned embodiments are given the same reference numerals, and duplicated descriptions will be omitted.
第5の実施形態に係る超電導コイル10では、巻線部12が複数の薄膜線材20を束ねて巻回されている。薄膜線材20を束ねる枚数nに制限はないが、通常n=2~5枚程度の範囲で束ねられる。n本の薄膜線材20を束ねて使用することで、実質的に薄膜線材20の臨界電流をn倍とすることができるメリットがある。
In the
一方で、複数の薄膜線材20をそれぞれ内側及び外側電極40a、40bに電気的に接続する必要があるために、仮に内側及び外側電極40a、40bと薄膜線材20を迂回路19が電気的に接続していない場合には、以下のデメリットが生じる。
On the other hand, since it is necessary to electrically connect the multiple thin-
すなわち、内側及び外側電極40a、40bの周方向長さをLとし、束ねる薄膜線材20の本数をn本とし、内側及び外側電極40a、40bに接続する周方向長さを各薄膜線材20で均等に割り振るとすると、内側及び外側電極40a、40bと薄膜線材20との接続部の周方向長さはL/nとなり、薄膜線材20を1本のみとした場合と比較して内側及び外側電極40a、40bとの接続部の周長が小さくなる。
In other words, if the circumferential length of the inner and
したがって、薄膜線材20を1本のみとした場合と比較して、内側及び外側電極40a、40bと隣接した薄膜線材20が常電導転移した場合の発熱が大きくなる。図16に、長さL1の内側電極40aと2本の薄膜線材20a、20bを用いた場合の位置関係を示す。
Therefore, compared to when only one thin-
(作用効果)
本実施形態においても、迂回路19が内側電極40aと薄膜線材20a、20bを電気的に接続しているため、内側電極40aと隣接した薄膜線材20a、20bが常電導転移した場合には、薄膜線材20a、20bを流れている電流は迂回路19を介して内側電極40aへ流れることで、常電導箇所15を避けることができる。よって、上述したデメリットを低減しつつ、薄膜線材20a、20bを束ねることによるメリットを得ることができる。
したがって、十分な量の電流が複数の薄膜線材20a、20bから迂回路19へ流れるため、超電導コイル10の熱暴走又はクエンチの発生リスクを低減することができる。
(Action and Effect)
In the present embodiment, too, the
Therefore, a sufficient amount of current flows from the multiple thin-
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, modifications, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their variations are within the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims, as well as the scope and gist of the invention.
例えば、迂回路、導電性部材及び絶縁材が設けられた巻線部の形状として、いわゆるパンケーキ形状の超電導コイルを例示した。しかし、適用できる巻線部は、パンケーキ形状のものに限定されない。また、鞍型、楕円型、立体型などの非円形形状コイルなどにも適用することができる。 For example, a so-called pancake-shaped superconducting coil is given as an example of the shape of the winding section in which the bypass path, conductive member, and insulating material are provided. However, applicable winding sections are not limited to pancake-shaped ones. In addition, the invention can also be applied to non-circular coils such as saddle-shaped, elliptical, and three-dimensional coils.
10…超電導コイル、12…巻線部、14…巻枠、15…常電導箇所、16…絶縁板、18…巻線端面部、19…迂回路(導電性部材)、20…高温超電導線材(薄膜線材)、21…安定化層、22…基板、23…配向層、24…中間層、25…高温超電導層、26…保護層、33…絶縁性部材、35…導電性粉末、36…導電性樹脂層、40…電極、40a…内側電極、40b…外側電極、41…金属板、42…口出し電極、50a…内側電極表面、50b…外側電極表面、100…超電導コイル装置 10...superconducting coil, 12...winding section, 14...winding frame, 15...normally conductive portion, 16...insulating plate, 18...winding end surface, 19...detour (conductive member), 20...high-temperature superconducting wire (thin-film wire), 21...stabilizing layer, 22...substrate, 23...orientation layer, 24...intermediate layer, 25...high-temperature superconducting layer, 26...protective layer, 33...insulating member, 35...conductive powder, 36...conductive resin layer, 40...electrode, 40a...inner electrode, 40b...outer electrode, 41...metal plate, 42...lead electrode, 50a...inner electrode surface, 50b...outer electrode surface, 100...superconducting coil device
Claims (8)
前記導電性部材は、前記巻線部から巻回径方向の内周側及び又は外周側に延在し、前記内側電極及び/又は外側電極の巻回軸方向と垂直な表面に接触していることを特徴とする超電導コイル。 A superconducting coil comprising: a winding section formed by winding a tape-shaped high-temperature superconducting wire in which thin-film layers including a high-temperature superconducting layer are stacked; an inner electrode and/or an outer electrode connected to the high-temperature superconducting wire at the innermost and/or outermost periphery of the winding section; and a conductive member provided on an end surface perpendicular to the winding axis direction of the winding section, electrically connecting axial ends of the high-temperature superconducting wire to each other and forming a bypass path,
A superconducting coil characterized in that the conductive member extends from the winding portion to the inner and/or outer circumferential sides in the winding radial direction and is in contact with a surface of the inner electrode and/or outer electrode perpendicular to the winding axis direction.
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