特許 7438882 積層型高温超電導コイル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-16

(45)【発行日】2024-02-27

(54)【発明の名称】積層型高温超電導コイル装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/06 20060101AFI20240219BHJP

【ＦＩ】

H01F6/06 110

H01F6/06 ZAA

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020130710

(22)【出願日】2020-07-31

(65)【公開番号】P2022026976

(43)【公開日】2022-02-10

【審査請求日】2023-01-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(74)【代理人】

【識別番号】100118474

【弁理士】

【氏名又は名称】寺脇 秀▲徳▼

(74)【代理人】

【識別番号】100141911

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 譲

(72)【発明者】

【氏名】岩井 貞憲

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 寛史

【審査官】秋山 直人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０７１７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－１４１１０４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１７－０１０９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０１６６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１３４８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０１６６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１７１６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１２１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６１－１２９３０８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０６－００５４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７０７６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ６／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁製の第１の巻枠の周囲に高温超電導線材を巻回してなる高温超電導コイルをコイル中心軸方向に複数積層した積層型高温超電導コイル装置であって、
各高温超電導コイルの前記第１の巻枠の内周面に沿って前記第１の巻枠よりもヤング率の高い金属製の第２の巻枠が設けられ、前記第１の巻枠および前記第２の巻枠は固着もしくは連結固定されて設けられており、
コイル中心軸方向に隣接した前記第２の巻枠同士は連結固定または一体的に固定されていることを特徴とする積層型高温超電導コイル装置。

【請求項2】

少なくとも１つ以上の前記高温超電導コイルの積層の層間において、前記高温超電導コイル同士が非接着であるか、あるいは層間に離形材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の積層型高温超電導コイル装置。

【請求項3】

コイル中心軸方向に隣接した前記第２の巻枠同士は、この第２の巻枠それぞれの下端に形成された凸部と、前記第２の巻枠それぞれの上端に形成された凹部によって嵌合され、機械的に連結されることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型高温超電導コイル装置。

【請求項4】

コイル中心軸方向に隣接した前記第２の巻枠同士にはピン穴が穿設され、棒形状のピンが相対する前記ピン穴に挿入されて嵌め合う構成としていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の積層型高温超電導コイル装置。

【請求項5】

前記第１の巻枠、もしくは前記第２の巻枠、あるいはその両方に、コイル中心軸方向に貫通するキー溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の積層型高温超電導コイル装置。

【請求項6】

積層された前記高温超電導コイルおよび前記第１の巻枠、前記第２の巻枠から成る巻枠の上下端には、フランジ部材が固定配置され、前記第２の巻枠と前記フランジ部材の対向する位置には凹部または凸部が形成されて嵌合され、機械的に連結されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の積層型高温超電導コイル装置。

【請求項7】

複数積層される前記高温超電導コイルは、シングルパンケーキコイル、およびダブルパンケーキコイルのいずれか一方、もしくはその両方であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の積層型高温超電導コイル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、巻枠に高温超電導線材を巻回してなる高温超電導コイルを複数積層した積層型の高温超電導コイル装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

高温超電導線材を巻枠に巻き回してなる超電導コイルを中心軸方向に複数積層した積層型の高温超電導コイル装置は、通電時の自己磁場や外部磁場によって電磁力を受ける。このような電磁力によって、コイル径方向に膨らむ方向の電磁応力、所謂フープ応力や、軸方向の圧縮応力が生じ、超電導コイルの巻線部は径方向や軸方向に変形する。

【0003】

このような変形が原因で、超電導コイルが僅かにでも動いてしまうと、電磁力のアンバランスにより超電導コイル同士の接続部など機械的に弱い箇所が破壊され、最悪の場合焼損してしまう。

【0004】

そこで、特許文献１では、コイルの最内周面に沿って中心軸方向に貫通するように設けられた筒材と、該筒材の両端に固定されたフランジ部材を軸方向に圧縮することで変位に追随し、超電導コイルの動きを防止可能な構成が提案されている。また、特許文献２では、軸方向に隣接した超電導コイルの巻枠同士を機械的に連結させることにより、巻枠を一体化させ、積層した超電導コイル全体の機械強度を向上させる構成が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第６５６７３３４号公報

【文献】特許第６３０４９５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

コイル巻線部の高温超電導線材が絶縁被覆されていない場合、前記巻枠は、高温超電導線材との電気絶縁を確保するため、一般的に繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：ＦＲＰ）や補強型ポリテトラフルオロエチレン（補強型ＰＴＦＥ）等の絶縁材（絶縁製）で構成されている。そのため、１０Ｔを超えるような強磁場の発生が要求される強磁場マグネットのように高い電磁力が発生する超電導磁石においては、積層した超電導コイルの各々の巻線部の電磁力による変形に引きずられ、絶縁製の巻枠が各々変形してしまう。

【0007】

したがって、特許文献１、２に記載されているように超電導コイル全体での動きを防止していても、絶縁製の巻枠が各々変形することによって、巻線部の変形がさらに促され、超電導コイル内で発生する応力が増大してしまう。また、巻線部の変形の増大によって超電導コイル同士の接続部など機械的に弱い箇所が破壊され、最悪の場合焼損してしまう可能性があった。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記実施形態に係る積層型超電導コイル装置は、絶縁製の第１の巻枠の周囲に高温超電導線材を巻回してなる高温超電導コイルをコイル中心軸方向に複数積層した積層型高温超電導コイル装置であって、各高温超電導コイルの前記第１の巻枠の内周面に沿って前記第１の巻枠よりもヤング率の高い金属製の第２の巻枠が固着もしくは連結固定されて設けられており、コイル中心軸方向に隣接した前記第２の巻枠同士は連結固定または一体的に固定されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、積層型高温超電導コイル装置において、強磁場による高電磁力が発生するような場合であっても、巻枠、および巻線部の変形を抑制可能な積層型超電導コイル装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態に係る超電導コイルに用いられる高温超電導線材の一例を示す要部切断斜視図。

【図2】本発明の実施の形態に係る積層型高温超電導コイル装置に用いられる超電導コイルの一例を示し、（ａ）はその超電導コイルの斜視図、（ｂ）は断面図。

【図3】本発明の第１の実施例を示す積層型高温超電導コイル装置の断面図。

【図4】本発明の第１の実施例の変形例を示す積層型高温超電導コイル装置の断面図。

【図5】本発明の第２の実施例を示す積層型高温超電導コイル装置の断面図。

【図6】本発明の第２の実施例の変形例を示す積層型高温超電導コイル装置の断面図。

【図7】本発明の第３の実施例を示す積層型高温超電導コイル装置の断面図。

【図8】本発明の第３の実施例の変形例を示す積層型高温超電導コイル装置の断面図。

【図9】本発明の第４の実施例を示す超電導コイル装置の最内周を上から見た部分拡大図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0012】

（高温超電導線材）
図１は、本発明の実施の形態に係る高温超電導コイル装置に用いられる高温超電導線材（高温超電導線材）の一例を示す要部切断斜視図である。

【0013】

この高温超電導線材１は、少なくとも、テープ基板２と、中間層３と、超電導層４とを有し、その両面が安定化層５で被覆されている。

【0014】

また、必要に応じて、テープ基板２と中間層３との間に配向層６を、超電導層４と安定化層５との間に保護層７を設けることもできる。

【0015】

テープ基板２は、例えば、ハステロイ（登録商標）やＮｉＷといったＮｉ基合金の高強度金属等の材質で形成される。

【0016】

中間層２は拡散防止層であり、例えば、酸化セリウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、バリウムジルコニアなどの材質からなり、テープ基板２上に形成される。

【0017】

超電導層４は、例えば、ＲＥ１２３系の組成（ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７等）を有する超電導体薄膜からなる。なお、「ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７」の「ＲＥ」は希土類元素（例えば、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）等）及びイットリウム元素の少なくともいずれかを、「Ｂ」はバリウム（Ｂａ）を、「Ｃ」は銅（Ｃｕ）を、「Ｏ」は酸素（Ｏ）を意味している。

【0018】

安定化層５は、超電導層４に過剰に電気が流れた場合に超電導層４が燃焼するのを防止する目的で設けられ、導電性の銀等から形成される。

【0019】

配向層６は、テープ基板２上に中間層３を配向させて形成する目的で設けられ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等から形成される。なお、配向した基板を用いる場合には省略することができる。

【0020】

保護層７は、超電導層４が空気中の水分に触れて劣化するのを防止する等の目的で設けられ、銀等から形成される。なお、保護層７も超電導層４に過剰に電気が流れた場合に超電導層４が燃焼するのを防止する役割も果たす。

【0021】

このような多層からなる高温超電導線材１のテープ幅Ｗは例えば４～１２ｍｍ、テープ厚さｔは０．１～０．２ｍｍとされる。そしてこの高温超電導線材１は、長手方向の機械強度に優れている一方、テープ面垂直方向の引張応力（剥離応力）には脆弱であるという特徴を持っている。

【0022】

さらに、高温超電導線材１の周囲をポリイミドやポリイミドアミドのような絶縁材で被覆した絶縁被覆高温超電導線材としても良い。

【0023】

（超電導コイル）
高温超電導線材１は、図２（ｂ）に示すように絶縁テープ線８と重ね合わせ、コイル巻線部との電気絶縁を確保するためにガラス繊維強化プラスチックや補強型ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の絶縁材で形成された絶縁製の第１の巻枠９の周囲に渦巻状に巻回されて巻線部１１を形成する。さらに、複数の超電導コイルを積層する際、巻線部１１を他層の巻線部から絶縁保護するため、巻線部１１の上下面に絶縁層２０を固着させて、図２（ａ）に示すような超電導コイル１０を構成する。

【0024】

さらに、超電導コイル１０は、図示しないエポキシ等の樹脂で一体的に含浸硬化され、超電導コイル１０の使用時における高温超電導線材１の機械的動きを抑制し、コイル強度を保持すると共に、高温超電導線材１のターン間における絶縁保護を行い、超電導コイル１０の超電導状態が壊れる状態である「クエンチ」を防止するために有効であるとされている。

【0025】

（実施例１）
図３、図４を用いて実施例１を説明する。図３は本実施形態に係わる超電導コイル装置４０の断面図である。

【0026】

本実施形態の積層型高温超電導コイル装置４０は、図２に示した超電導コイル１１を図３に示すようにコイル中心軸方向に複数積層しており、超電導コイル１１同士は隣接しているが、軸方向の端面において図示しない樹脂などの層を介して接着はしていない。また、端面に樹脂などの層を設け、同じく図示しない樹脂との接着力が弱いフッ素樹脂、パラフィン、グリース、シリコンオイル等の離形材からなる層を挟むことで、超電導コイル１１同士の接着力を弱めてもよい。

【0027】

なお、隣接する超電導コイル１１同士は、図示しない位相の巻線部内周面および外周面において、金属製の接続部材や超電導線材などを介して電気的に接続される。このように構成することで、万が一、いずれかの超電導コイル１０に超電導特性の低下が生じた場合、もしくはクエンチが発生した場合に、健全な超電導コイル１０と容易に交換することができる。

【0028】

さらに、絶縁製の第１の巻枠９の内周面に沿って、金属製の第２の巻枠１２が、第１の固着層３０を介して設けられており、かつ、隣接する第２の巻枠１２同士が、第２の固着層３１を介して一体的に固定または固着されて構成される。なお、第１の固着層３０に替えて、嵌め合い構造やボルト締結などで、絶縁製の第１の巻枠９と金属製の第２の巻枠１２とを連結固定する構成としてもよい。

【0029】

また、積層された巻線部１１、および第１、第２の巻枠９，１２から成る巻枠の上下端には、軸方向の電磁応力や冷却による熱収縮によって圧縮することで変位に追随するためのフランジ部材２１が、図示しないボルトの締結などにより第２の巻枠１２、第１の巻枠９、あるいはその両方に固定されて配置されている。

【0030】

第１の固着層３０、および第２の固着層３１としては、例えば接着剤や、エポキシなどの樹脂、ゴム、ロウ材、ハンダなどが例示される。

【0031】

金属製の第２の巻枠１２の材質としては、絶縁製の第１の巻枠よりもヤング率が高く、応力に対する変形量が小さいものが好適であり、また、積層型高温超電導コイル装置４０の発生する磁場で磁化しない非磁性材料が好ましく、例えば銅やアルミ、銅合金、アルミ合金、ステンレス鋼などのＮｉ基合金、真鍮といった金属が良い。

【0032】

また、フランジ部材２１の材質としては、第２の巻枠１２と同様に、銅やアルミ、銅合金、アルミ合金、ステンレス鋼などのＮｉ基合金、真鍮といった金属だけでなく、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＦＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ）、補強型ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリカーボネートといった絶縁材を用いてもよい。

【0033】

このように構成された本実施の形態において、絶縁製の第１の巻枠９と金属製の第２の巻枠１２は固着もしくは連結固定して一体化されており、かつ、軸方向に隣接した金属製の第２の巻枠１２同士が連結固定または一体的に固定されている。

【0034】

本実施の形態によれば、絶縁製の第１の巻枠９は、よりヤング率が高い金属製の第２の巻枠１２によって補強されるため、コイル巻線部との電気絶縁は確保しつつも、コイル中心軸と垂直方向のコイル径方向に膨らむ電磁応力、所謂フープ応力や、コイル中心軸方向の圧縮応力によって巻線部１１が変形しようとしても、金属製の第２の巻枠１２によって変形が抑制される。すなわち、強磁場による高電磁力が発生するような場合であっても、巻枠、および巻線部の変形を抑制可能な積層型超電導コイル装置を提供することができる。

【0035】

なお、本実施例は、所謂シングルパンケーキ形状の超電導コイルを積層した構成を示したが、ダブルパンケーキ形状の超電導コイルを用いた場合にも同様の効果が期待でき、シングルパンケーキ形状の超電導コイルとダブルパンケーキ形状の超電導コイルを組み合わせて積層してもよい。また、超電導コイルの形状としては、本実施例で示したような円形状に限定されるものではなく、レーストラック型、鞍型、楕円などの円形ではない非円形コイルでも同様の効果が得られる。

【0036】

さらに、本実施例の図３では、第１の巻枠９と第２の巻枠１２とを固着層により一体的に固定する構成を示したが、図４に図３と同一部品には同一符号を付して示した積層型高温超電導コイル装置４１に示すように、隣接する２つの第２の巻枠１２にコの字形状の連結固定部品１３を嵌め込んで締結する構成でもよく、あるいは、連結板（図示せず）を当てて隣接する２つの第２の巻枠１２にボルト固定する構成としてもよい。なお、第１および第２の固着層３０，３１を併用してもよく、さらに機械強度を向上させることができる。

【0037】

（実施例２）
次に、図５、６を用いて実施例２を説明する。なお実施例１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。

【0038】

図５、６は本実施形態の実施例２に係わる積層型高温超電導コイル装置４２，４３の断面図である。本実施形態は、図５に示すように、各々の第２の巻枠１２ｂの上端に凹部１６が設けられ、下端には上記凹部１６に嵌合する凸部１７が形成された構成となっている。

【0039】

このように構成された本実施の形態において、コイル中心軸方向に隣接した第２の巻枠１２ｂ同士が嵌合して機械的に連結固定される。

【0040】

本実施形態によれば、コイル中心軸方向に隣接した第２の巻枠１２ｂ同士が嵌合する構造によって機械的に連結固定されているため、コイル中心軸に対して垂直な方向であるコイル径方向に膨らむ方向の電磁応力、所謂フープ応力に対して、さらに強固となり、実施例１よりも、さらに第１および第２の巻枠、および巻線部の変形が抑制された積層型超電導コイル装置４２を提供することができる。

【0041】

また、変形例として図６に示すように、さらに第２の巻枠１２ｃの上端部と下端部をテーパー形状の凹部１６ｃと凸部１７ｃにした構成でもよい。この場合、第２の巻枠１２ｃ同士の連結面の有効接触面積が増すことで、さらに機械強度を向上させることができる。また、第１および第２の固着層３０,３１を併用してもよく、さらに機械強度を向上させることができる。

【0042】

（実施例３）
次に、図７、８を用いて実施例３を説明する。なお実施例１乃至２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。図７、図８は本実施形態の実施例３に係わる超電導コイル装置４４，４５の断面図である。

【0043】

本実施形態は、図７に示すように、コイル中心軸方向に隣接した第２の巻枠１２ｄにピン穴１８が穿設され、棒形状のピン１４が相対するピン穴１８に挿入されて嵌め合う構成となっている。

【0044】

このように構成された本実施の形態において、軸方向に隣接した第２の巻枠１２ｄ同士は、ピン１４により連結固定部を周方向に離間させながら配置させることができる。

【0045】

本実施形態によれば、コイル中心軸方向に隣接した第２の巻枠１２ｄ同士の連結固定部を、周方向に離間させながら配置させることができるため、電磁力の微小なアンバランスによる周方向への変形に対しても抑制することができ、実施例１乃至２よりも、さらに第１、第２の巻枠９，１２、および巻線部１１の変形が抑制された積層型超電導コイル装置４４を提供することができる。

【0046】

また、実施例３の変形例として図８に示すように、第２の巻枠１２ｄ内にピン穴１８を穿設し、ピン１４ｂをコイル中心軸方向に延長して第２の巻枠１２ｄ内のピン穴１８を貫通させて設置しても良い。また、前記固着層３０を併用してもよく、さらに機械強度を向上させることができる。

【0047】

（実施例４）
次に、図９を用いて実施例４を説明する。なお実施例１乃至３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。図９は本実施形態に係わる超電導コイル装置４６の最内周を上から見た部分拡大図である。

【0048】

本実施形態は、図９に示すように、絶縁製の第１の巻枠９ｅ、固着層３０ｅ、金属製の第２の巻枠１２ｅに跨って、軸方向に貫通可能なキー溝１９が形成され、キー１５が嵌め込まれた構成となっている。

【0049】

このように構成された本実施の形態において、絶縁製の第１の巻枠９ｅ、固着層３０ｅ、金属製の第２の巻枠１２ｅがキー１５によって連結固定される。

【0050】

本実施形態によれば、絶縁製の第１の巻枠９ｅ、固着層３０ｅ、金属製の第２の巻枠１２ｅがキー１５によって連結固定されるため、電磁力の微小なアンバランスによる周方向への変形に対して、実施例３に比べてさらに変形を抑制することができ、実施例１乃至３よりも、さらに第一、第二の巻枠、および巻線部の変形が抑制された積層型超電導コイル装置を提供することができる。

【0051】

本発明のいくつか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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【符号の説明】

【0054】

１…高温超電導線材（薄膜超電導線材）、２…テープ基板、３…中間層、４…超電導層、５…安定化層、６…配向層、７…保護層、８…絶縁テープ線、９，９ｅ…絶縁製の第１の巻枠（第１の巻枠）、１０…超電導コイル（高温超電導コイル）、１１…巻線部、１２，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ…金属製の第２の巻枠（第２の巻枠）、１３…コの字形状の連結固定部品、１４，１４ｂ…ピン、１５…キー、１６，１６ｃ…凹部、１７，１７ｃ…凸部、１８…ピン穴、１９…キー溝、２０…絶縁層、２１…フランジ部材、３０，３０ｅ…第１の固着層、３１…第２の固着層、４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６…積層型高温超電導コイル装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】