JP2024058899A - 超電導コイル及び超電導コイルの設計方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】１つの超電導コイルの中にコイル巻線の電流密度の異なる部分を容易に形成することができる。
【解決手段】超電導コイル１０は、帯状の超電導線材２０と帯状のスペーサ３０とが重ね合わされたコイル巻線１３を巻回して形成される。スペーサ３０は、コイル巻線１３の巻回方向において厚みの異なる部分を有する。
【選択図】図２
【解決手段】超電導コイル１０は、帯状の超電導線材２０と帯状のスペーサ３０とが重ね合わされたコイル巻線１３を巻回して形成される。スペーサ３０は、コイル巻線１３の巻回方向において厚みの異なる部分を有する。
【選択図】図２
Description
本発明は、超電導コイル及びその設計方法に関する。
帯状の超電導線材を巻回して形成される超電導コイルが知られている（例えば特許文献１参照）。
こうした超電導コイルを用いた各種の機器（以下、超電導機器という）においては、所望の三次元磁場分布を得るために、電流密度の異なる複数の超電導コイルが設けられている。このため、超電導コイルの個数が増えるとともに、超電導コイル同士を接続する工数が増える。また、通電される電流値の大きさが超電導コイル毎に大きく異なる場合には、超電導コイル毎に電源が必要となる。このため、電源の個数に応じて超電導コイルと電源とを接続する電流リードの個数が増える。
その結果、配線が複雑になることに加えて、極低温に冷却する必要のある超電導コイルに対して電流リードを介して熱が侵入しやすくなる。このため、冷却設備等が大型化及び複雑化する等の問題がある。また、超電導機器を運転可能な温度範囲が縮小されるという問題も生じる。
これらのことから、冷却設備等の小型化、単純化、及び超電導機器を運転可能な温度範囲の拡大が可能なコイルが望まれている。
上記課題を解決するための超電導コイル及び超電導コイルの設計方法の各態様を記載する。
［態様１］
帯状の超電導線材と帯状のスペーサとが重ね合わされたコイル巻線を巻回して形成される超電導コイルであって、前記スペーサは、前記コイル巻線の巻回方向において厚みの異なる部分を有する、超電導コイル。
［態様１］
帯状の超電導線材と帯状のスペーサとが重ね合わされたコイル巻線を巻回して形成される超電導コイルであって、前記スペーサは、前記コイル巻線の巻回方向において厚みの異なる部分を有する、超電導コイル。
同構成によれば、コイル巻線は、同巻回方向においてスペーサの断面積が異なる部分を有することとなる。ここで、コイル巻線の電流密度は、コイル巻線に通電される電流値を、超電導線材の断面積とスペーサの断面積との和で除した値となる。このため、上記巻回方向においてコイル巻線の電流密度を異ならせることができる。したがって、１つの超電導コイルの中にコイル巻線の電流密度の異なる部分を容易に形成することができる。
［態様２］
前記スペーサは、一定の厚みを有する線材が複数枚積層されて形成されている部分を有し、前記巻回方向において前記線材の積層枚数が異なることで前記スペーサの厚みが異なっている、態様１に記載の超電導コイル。
前記スペーサは、一定の厚みを有する線材が複数枚積層されて形成されている部分を有し、前記巻回方向において前記線材の積層枚数が異なることで前記スペーサの厚みが異なっている、態様１に記載の超電導コイル。
同構成によれば、一定の厚みを有する線材の積層枚数を巻回方向において異ならせることでスペーサの厚みを容易に異ならせることができる。
［態様３］
前記巻回方向において前記線材の積層枚数が１枚ずつ増減することで前記スペーサの厚みが徐変されている、態様２に記載の超電導コイル。
［態様３］
前記巻回方向において前記線材の積層枚数が１枚ずつ増減することで前記スペーサの厚みが徐変されている、態様２に記載の超電導コイル。
同構成によれば、巻回方向において線材の積層枚数が１枚ずつ増減することで、スペーサに生じる厚み方向の段差を小さくできる。これにより、スペーサと重ね合わされる超電導線材に生じる厚み方向の段差を小さくできるので、超電導線材に作用する厚み方向の応力を低減することができる。
［態様４］
前記スペーサは、導電性材料により形成されている、態様１から態様３のいずれか一項に記載の超電導コイル。
前記スペーサは、導電性材料により形成されている、態様１から態様３のいずれか一項に記載の超電導コイル。
同構成によれば、常電導転移、すなわちクエンチが発生したときに、隣り合う超電導線材同士の間にスペーサを介して電流が流れるようになる。これにより、超電導線材の発熱が抑制されるので、超電導コイルの損傷を抑制することができる。
［態様５］
帯状の超電導線材と帯状のスペーサとが重ね合わされたコイル巻線を巻回して形成される超電導コイルの設計方法であって、前記コイル巻線の巻回方向において前記コイル巻線の電流密度を高くする部分の前記スペーサの厚みを、前記巻回方向において前記コイル巻線の電流密度を低くする部分の前記スペーサの厚みに比べて小さく設定する、超電導コイルの設計方法。
帯状の超電導線材と帯状のスペーサとが重ね合わされたコイル巻線を巻回して形成される超電導コイルの設計方法であって、前記コイル巻線の巻回方向において前記コイル巻線の電流密度を高くする部分の前記スペーサの厚みを、前記巻回方向において前記コイル巻線の電流密度を低くする部分の前記スペーサの厚みに比べて小さく設定する、超電導コイルの設計方法。
同方法によれば、１つの超電導コイルの中にコイル巻線の電流密度の異なる部分を容易に形成することができる。
本発明によれば、１つの超電導コイルの中にコイル巻線の電流密度の異なる部分を容易に形成することができる。
以下、図１～図４を参照して、一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、超電導コイル１０は、帯状の超電導線材２０と帯状のスペーサ３０とが重ね合わされたコイル巻線１３を巻回して形成されている。
図１及び図２に示すように、超電導コイル１０は、帯状の超電導線材２０と帯状のスペーサ３０とが重ね合わされたコイル巻線１３を巻回して形成されている。
本実施形態では、コイル巻線１３を超電導コイル１０の内周側から外周側に向けて巻回することで円形の超電導コイル１０が形成されている。
なお、以降において、コイル巻線１３の巻回方向、すなわち超電導コイル１０の周方向を単に巻回方向Ｃとして説明する。
なお、以降において、コイル巻線１３の巻回方向、すなわち超電導コイル１０の周方向を単に巻回方向Ｃとして説明する。
次に、各構成について詳細に説明する。
＜超電導線材２０＞
図３に示すように、超電導線材２０は、基材層２１と、中間層２２と、超電導層２３と、保護層２４と、安定化層２５とを有している。
＜超電導線材２０＞
図３に示すように、超電導線材２０は、基材層２１と、中間層２２と、超電導層２３と、保護層２４と、安定化層２５とを有している。
基材層２１は、帯状である。基材層２１は、ニッケル合金、銀、銀合金等の金属材料により形成されている。
中間層２２は、基材層２１の一方の面に設けられている。中間層２２は、電気絶縁性の材料により形成されている。中間層２２は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム（Ｙ）酸化物、アルミニウム（Ａｌ）酸化物、ランタン・マンガン酸化物（Ｌａ・Ｍｎ酸化物）等の化合物により形成されていることが好ましい。
中間層２２は、基材層２１の一方の面に設けられている。中間層２２は、電気絶縁性の材料により形成されている。中間層２２は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム（Ｙ）酸化物、アルミニウム（Ａｌ）酸化物、ランタン・マンガン酸化物（Ｌａ・Ｍｎ酸化物）等の化合物により形成されていることが好ましい。
超電導層２３は、中間層２２のうち基材層２１とは反対側の面に設けられている。
超電導層２３は、希土類系酸化物超電導体により形成されている。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。ここで、ＲＥは、希土類元素を表す。超電導層２３は、例えばイットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、ガドリニウム・バリウム・銅酸化物（Ｇｄ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、イットリウム・ガドリニウム混合体（Ｙ：Ｇａ＝７：３）・バリウム・銅酸化物〔（Ｙ，Ｇａ）Ｂａ／Ｃｕ〕等である。
超電導層２３は、希土類系酸化物超電導体により形成されている。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。ここで、ＲＥは、希土類元素を表す。超電導層２３は、例えばイットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、ガドリニウム・バリウム・銅酸化物（Ｇｄ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、イットリウム・ガドリニウム混合体（Ｙ：Ｇａ＝７：３）・バリウム・銅酸化物〔（Ｙ，Ｇａ）Ｂａ／Ｃｕ〕等である。
なお、超電導層２３は、例えばＣＶＤ法（化学蒸着法）やＰＬＤ法（パルスレーザー蒸着法）により形成されていることが好ましい。
保護層２４は、基材層２１、中間層２２、及び超電導層２３の積層体の外周面を全周にわたって覆っている。
保護層２４は、基材層２１、中間層２２、及び超電導層２３の積層体の外周面を全周にわたって覆っている。
保護層２４は、導電性材料により形成されている。保護層２４は、銀等の金属材料により形成されていることが好ましい。保護層２４は、例えばスパッタリングにより形成されていることが好ましい。
安定化層２５は、保護層２４の外周面を全周にわたって覆っている。安定化層２５は、導電性材料により形成されている。安定化層２５は、銅等の金属材料により形成されていることが好ましい。安定化層２５は、例えばメッキにより形成されていることが好ましい。
超電導線材２０は、巻回方向Ｃにおいて一定の厚みを有している。
＜スペーサ３０＞
図２に示すように、スペーサ３０は、巻回方向Ｃにおいて厚みの異なる部分を有している。スペーサ３０は、第１部分３１と、第１部分３１に比べて厚みが大きい部分である第２部分３２とを有している。
＜スペーサ３０＞
図２に示すように、スペーサ３０は、巻回方向Ｃにおいて厚みの異なる部分を有している。スペーサ３０は、第１部分３１と、第１部分３１に比べて厚みが大きい部分である第２部分３２とを有している。
本実施形態では、第１部分３１が、超電導コイル１０の外周部分に設けられている。また、第２部分３２が、超電導コイル１０の内周部分に設けられている。したがって、超電導コイル１０は、スペーサ３０の第１部分３１を含むコイル巻線１３により形成された第１部分１１と、スペーサ３０の第２部分３２を含むコイル巻線１３により形成された第２部分１２とを有している。
本実施形態では、第１部分１１が、超電導コイル１０の外周部分に設けられている。また、第２部分１２が、超電導コイル１０の内周部分に設けられている。
スペーサ３０は、一定の厚みを有する線材３０ａにより形成されていることが好ましい。
スペーサ３０は、一定の厚みを有する線材３０ａにより形成されていることが好ましい。
スペーサ３０の第１部分３１は、例えば一層の線材３０ａにより形成されている。
スペーサ３０の第２部分３２は、複数枚積層された線材３０ａにより形成されている。本実施形態では、２枚積層された線材３０ａにより形成されている（図４参照）。
スペーサ３０の第２部分３２は、複数枚積層された線材３０ａにより形成されている。本実施形態では、２枚積層された線材３０ａにより形成されている（図４参照）。
このように、本実施形態では、巻回方向Ｃにおいて線材３０ａの積層枚数が異なることでスペーサ３０の厚みが異なっている。
スペーサ３０は、例えば導電性材料により形成されている。スペーサ３０は、金属材料により形成されていることが好ましい。スペーサ３０は、ステンレス鋼等の高強度金属材料により形成されていることが好ましい。
スペーサ３０は、例えば導電性材料により形成されている。スペーサ３０は、金属材料により形成されていることが好ましい。スペーサ３０は、ステンレス鋼等の高強度金属材料により形成されていることが好ましい。
次に、本実施形態の作用について説明する。
図２に示すように、コイル巻線１３は、巻回方向Ｃにおいてスペーサ３０の断面積が異なる部分を有することとなる。ここで、コイル巻線１３の電流密度は、コイル巻線１３に通電される電流値を、超電導線材２０の断面積とスペーサ３０の断面積との和で除した値となる。
図２に示すように、コイル巻線１３は、巻回方向Ｃにおいてスペーサ３０の断面積が異なる部分を有することとなる。ここで、コイル巻線１３の電流密度は、コイル巻線１３に通電される電流値を、超電導線材２０の断面積とスペーサ３０の断面積との和で除した値となる。
例えばコイル巻線１３の高さ（図２の上下方向の長さ）が１２ｍｍであり、超電導線材２０の厚みが０．１ｍｍであり、スペーサ３０の第１部分３１の厚みが０．１ｍｍである場合、第１部分１１を構成するコイル巻線１３の断面積は、２．４ｍｍ２となる。コイル巻線１３に通電される電流値が５０４Ａとすると、第１部分１１を構成するコイル巻線１３の電流密度は、２１０Ａ／ｍｍ２となる。
一方、スペーサ３０の第２部分３２の厚みが０．２ｍｍである場合、第２部分１２を構成するコイル巻線１３の断面積は、３．６ｍｍ２となる。コイル巻線１３に通電される電流値が５０４Ａとすると、第２部分１２を構成するコイル巻線１３の電流密度は、１４０Ａ／ｍｍ２となる。
このように、巻回方向Ｃにおいてコイル巻線１３の電流密度を第１部分１１と第２部分１２とで異ならせることができる。
こうした技術思想に基づき、超電導コイル１０の設計方法は、巻回方向Ｃにおいてコイル巻線１３の電流密度を高くする部分のスペーサ３０の厚みを、巻回方向Ｃにおいてコイル巻線１３の電流密度を低くする部分のスペーサ３０の厚みに比べて小さく設定する。
こうした技術思想に基づき、超電導コイル１０の設計方法は、巻回方向Ｃにおいてコイル巻線１３の電流密度を高くする部分のスペーサ３０の厚みを、巻回方向Ｃにおいてコイル巻線１３の電流密度を低くする部分のスペーサ３０の厚みに比べて小さく設定する。
次に、本実施形態の効果について説明する。
（１）超電導コイル１０は、帯状の超電導線材２０と帯状のスペーサ３０とが重ね合わされたコイル巻線１３を巻回して形成される。スペーサ３０は、コイル巻線１３の巻回方向Ｃにおいて厚みの異なる部分を有する。
（１）超電導コイル１０は、帯状の超電導線材２０と帯状のスペーサ３０とが重ね合わされたコイル巻線１３を巻回して形成される。スペーサ３０は、コイル巻線１３の巻回方向Ｃにおいて厚みの異なる部分を有する。
こうした構成によれば、上記作用を奏することから、１つの超電導コイル１０の中にコイル巻線１３の電流密度の異なる部分を容易に形成することができる。
（２）スペーサ３０は、一定の厚みを有する線材３０ａが複数枚積層されて形成されている第２部分１２を有する。巻回方向Ｃにおいて線材３０ａの積層枚数が異なることでスペーサ３０の厚みが異なっている。
（２）スペーサ３０は、一定の厚みを有する線材３０ａが複数枚積層されて形成されている第２部分１２を有する。巻回方向Ｃにおいて線材３０ａの積層枚数が異なることでスペーサ３０の厚みが異なっている。
こうした構成によれば、一定の厚みを有する線材３０ａの積層枚数を巻回方向Ｃにおいて異ならせることでスペーサ３０の厚みを容易に異ならせることができる。
（３）スペーサ３０は、導電性材料により形成されている。
（３）スペーサ３０は、導電性材料により形成されている。
こうした構成によれば、常電導転移、すなわちクエンチが発生したときに、隣り合う超電導線材２０同士の間にスペーサ３０を介して電流が流れるようになる。これにより、超電導線材２０の発熱が抑制されるので、超電導コイル１０の損傷を抑制することができる。
（４）超電導コイル１０の設計方法は、コイル巻線１３の巻回方向Ｃにおいてコイル巻線１３の電流密度を高くする部分のスペーサ３０の厚みを、コイル巻線１３の電流密度を低くする部分のスペーサ３０の厚みに比べて小さく設定する。
こうした方法によれば、１つの超電導コイル１０の中にコイル巻線１３の電流密度の異なる部分を容易に形成することができる。
（５）超電導層２３が導電性材料により形成された保護層２４により覆われているとともに、保護層２４が導電性材料により形成された安定化層２５により覆われている。このため、過電流を超電導層２３から保護層２４及び安定化層２５に流すことで、超電導層２３を保護することができる。
（５）超電導層２３が導電性材料により形成された保護層２４により覆われているとともに、保護層２４が導電性材料により形成された安定化層２５により覆われている。このため、過電流を超電導層２３から保護層２４及び安定化層２５に流すことで、超電導層２３を保護することができる。
（６）スペーサ３０は、ステンレス鋼等の高強度金属材料により形成されている。この場合、スペーサ３０によりコイル巻線１３が補強されるので、超電導コイル１０が発生させる電磁力によってコイル巻線１３が変形することを抑制できる。
＜変更例＞
上記実施形態は、例えば以下のように変更して実施することもできる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
上記実施形態は、例えば以下のように変更して実施することもできる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・スペーサ３０は、導電性材料により形成されているものに限定されず、電気絶縁性の材料により形成されていてもよい。
・図５に示すように、巻回方向Ｃにおいて線材３０ａの積層枚数が１枚ずつ増減することでスペーサ３０の厚みを徐変させるようにしてもよい。
・図５に示すように、巻回方向Ｃにおいて線材３０ａの積層枚数が１枚ずつ増減することでスペーサ３０の厚みを徐変させるようにしてもよい。
こうした構成によれば、巻回方向Ｃにおいて線材３０ａの積層枚数が１枚ずつ増減することで、スペーサ３０に生じる厚み方向の段差を小さくできる。これにより、スペーサ３０と重ね合わされる超電導線材２０に生じる厚み方向の段差を小さくできるので、超電導線材２０に作用する厚み方向の応力を低減することができる。
・線材３０ａ自体の厚みを巻回方向Ｃにおいて部分的に異ならせることによってスペーサ３０の厚みを異ならせるようにしてもよい。
・超電導層２３は、Ｂｉ系酸化物超電導体により形成されていてもよい。また、金属系超電導体により形成されていてもよい。
・超電導層２３は、Ｂｉ系酸化物超電導体により形成されていてもよい。また、金属系超電導体により形成されていてもよい。
・本開示の超電導コイルは、円形コイルに限定されず、レーストラック形状、矩形形状、Ｄ型形状、あるいは三角形形状等の非円形コイルとして具体化することもできる。また、本開示の超電導コイルは、ソレノイドコイルとして具体化することもできる。
１０…超電導コイル
１１…第１部分
１２…第２部分
１３…コイル巻線
２０…超電導線材
２１…基材層
２２…中間層
２３…超電導層
２４…保護層
２５…安定化層
３０…スペーサ
３０ａ…線材
３１…第１部分
３２…第２部分
１１…第１部分
１２…第２部分
１３…コイル巻線
２０…超電導線材
２１…基材層
２２…中間層
２３…超電導層
２４…保護層
２５…安定化層
３０…スペーサ
３０ａ…線材
３１…第１部分
３２…第２部分
Claims (5)
- 帯状の超電導線材と帯状のスペーサとが重ね合わされたコイル巻線を巻回して形成される超電導コイルであって、
前記スペーサは、前記コイル巻線の巻回方向において厚みの異なる部分を有する、
超電導コイル。 - 前記スペーサは、一定の厚みを有する線材が複数枚積層されて形成されている部分を有し、
前記巻回方向において前記線材の積層枚数が異なることで前記スペーサの厚みが異なっている、
請求項１に記載の超電導コイル。 - 前記巻回方向において前記線材の積層枚数が１枚ずつ増減することで前記スペーサの厚みが徐変されている、
請求項２に記載の超電導コイル。 - 前記スペーサは、導電性材料により形成されている、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超電導コイル。 - 帯状の超電導線材と帯状のスペーサとが重ね合わされたコイル巻線を巻回して形成される超電導コイルの設計方法であって、
前記コイル巻線の巻回方向において前記コイル巻線の電流密度を高くする部分の前記スペーサの厚みを、前記巻回方向において前記コイル巻線の電流密度を低くする部分の前記スペーサの厚みに比べて小さく設定する、
超電導コイルの設計方法。
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