(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅比が異なる複数の銅安定化NbTi超電導線で巻線されたソレノイド状の超電導コイルにおいて、外層側超電導コイルの巻線部の熱収縮率を内層側超電導コイルの巻線部の熱収縮率よりも大きくするために、外層側超電導コイルの巻線部の超電導線の銅比を内層側超電導コイルの巻線部の超電導線の銅比よりも大きくしたことを特徴とする超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電流密度で通電し、大きな電磁力に曝されるNbTi超電導コイルにおいて、巻線層間に生じる径方向外向きの応力を径方向内向きにすることにより、巻線層間の剥離による含浸材の割れや巻線の動きによる発熱を防止し、超電導マグネットをクエンチすることなしに安定に励磁する超電導コイル技術に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ソレノイド状の超電導コイルは通電し励磁すると、自ら発生した磁場によって超電導線に超電導コイルの径方向外向きの大きな電磁力が作用する。この電磁力の分布によって超電導コイルの巻線層間を剥離させる方向に、引っ張りの応力が生じることがある。このような応力が含浸材と超電導線との耐剥離強度以上であると、巻線層間の剥離が起きてその部分が発熱する。発熱量が小さければ超電導線は超電導状態を保ったままであるが、発熱量がある大きさ以上になるとクエンチを起こす。
【０００３】
巻線層間の剥離を防止するために、従来技術では、図５に示すように、超電導コイルの外側に支持材13としてガラス繊維やステンレス鋼等の高強度の金属線を張力をかけて巻線することで、超電導コイル11が径方向外向きに膨らむ変形を抑えて、各巻線層での応力が超電導コイルの径方向内向きの圧縮応力になるようにしている。このことによって、超電導コイルの巻線層間の剥離を防止し、クエンチすることなしに超電導マグネットを安定に励磁することを実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、外側から支持材13によって超電導コイル11の変形を抑える構造では、支持材13の占める分だけ超電導マグネットの外径が太くなり、磁場の発生に無関係な無駄なスペースが必要となる。また、同芯円筒状の複数の超電導コイルを有し、その各々の超電導コイルに支持材が必要な場合は、内側の超電導コイルの外径が太くなるので、その外側にある超電導コイルの内径を大きくしてやる必要がある。しかし、内径が大きくなることによって、その超電導コイルの周方向にかかる応力は増大することになる。このため、超電導コイルのひずみを抑えるために、より強固な支持材や超電導線の線径を太くすることが外側の超電導コイルには必要となる。その結果、超電導マグネットはさらに大きくなってしまう。
【０００５】
また、支持材を超電導コイルの外側に施すための工程も新たに必要となる。さらに、金属等の導体を支持材に使用した場合には、電気絶縁の対策も施す必要があるので製造工程が繁雑となる。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するために成されたもので、外層側の超電導コイルに内層側の超電導コイルよりも熱収縮率の大きい超電導線を使用することにより巻線層間の剥離を防止し、超電導コイルの外側に施していた支持材をなくした超電導コイルを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】その要旨は、銅比が異なる複数の銅安定化NbTi超電導線で巻線されたソレノイド状の超電導コイルにおいて、外層側超電導コイルの巻線部の熱収縮率を内層側超電導コイルの巻線部の熱収縮率よりも大きくするために、外層側超電導コイルの巻線部の超電導線の銅比を内層側超電導コイルの巻線部の超電導線の銅比よりも大きくしたことを特徴とする。
【０００８】
外層側超電導コイルに巻線された銅安定化NbTi超電導線の銅比が内層側超電導コイルに巻線された銅安定化NbTi超電導線の銅比よりも大きい場合、室温から液体ヘリウム温度の 4.2Ｋまでの銅の熱収縮率は 0.324％で、NbTiの熱収縮率の0.19％よりも大きいので、銅を多く含む外層側の超電導線の方が内層側の超電導線よりも熱収縮率は大きくなる。したがって、外層側が内層側よりも銅比が大きい超電導線を巻線した超電導コイルを室温から超電導状態を実現させる温度以下まで冷却したとき、外層側の巻線部が内層側の巻線部を径方向内向きに圧縮することとなり、超電導コイル内ではさらなる圧縮力が生じる。この圧縮力が電磁力によって生じる超電導コイルの径方向外向きの引っ張り力を上回ることによって、巻線層間の応力を圧縮方向にすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を挙げて本発明の実施の形態について説明する。図１に示す巻枠３に被覆径0.92mmの銅安定化NbTi超電導線を40層巻くことで、約 149Ａの通電によってマグネット中心に磁束密度 8Ｔの磁場を発生する超電導コイルを構成した。
【００１０】
この40層全てを銅比 1の銅安定化NbTi超電導線で巻線し、 8Ｔの磁場を発生するまで励磁したときの超電導コイル内の各巻線層間に発生する径方向の応力分布を図２に示す。図２に示すように、この場合超電導コイル内では、内側の40mm付近まで径方向外向きの引っ張り応力が発生している。
【００１１】
この引っ張り応力を径方向内向きの圧縮応力にするために、図５に示すように、超電導コイル11の外側に支持材13としてステンレス鋼のワイヤを張力をかけて、厚さ 3.4mmになるまで巻線した。この場合の 8Ｔの磁場を発生するまで励磁したときの超電導コイル内の各巻線層間に発生する径方向の応力分布を図３に示す。超電導コイル11の外側に支持材13を施しているため、図３に示すように、超電導コイル11内の各巻線層間に発生する径方向の応力は全て径方向内向きの圧縮応力となる。しかし、超電導コイル11の外側に支持材13を施すことで製造工程が繁雑となり、さらに超電導マグネットの外径が 6.8mmも太くなる。
【００１２】
この弊害を避けるために、図１に示すように、全40層の巻線内で、内側から30層を銅比 1の銅安定化NbTi超電導線で巻線した内層側超電導コイル１と、残り10層を線径が同じで銅比が 3の銅安定化NbTi超電導線を巻線した外層側超電導コイル２とで超電導コイルを構成した。この場合の 8Ｔの磁場を発生するまで励磁したときの超電導コイル内の各巻線層間に発生する径方向の応力分布を図４に示す。
【００１３】
この場合、外層側超電導コイル２の超電導線の銅比は、内層側超電導コイル１の超電導線の銅比よりも大きいため、外層側超電導コイル２の熱収縮が内層側超電導コイル１の熱収縮よりも大きくなる。そのため、図４に示すように、外層側超電導コイル２は外側から内側に向かうにつれて径方向内向きの圧縮応力が大きくなる。その結果、内層側超電導コイル１では各巻線層間の応力が、支持材13としてステンレス鋼のワイヤを巻線したときと同じように、全て径方向内向きの圧縮応力となる。したがって、本発明の超電導コイルは巻線層間の剥離を防止し、超電導マグネットをクエンチすることなく、安定に励磁することができる。
【００１４】
上記は、内層側超電導コイルと外層側超電導コイルとで構成する超電導コイルの例であるが、超電導線の銅比を段階的に変えて、内層側超電導コイルと外層側超電導コイルとの間に中間層超電導コイルを複数個挿入した超電導コイルを構成することも可能である。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明に係わる超電導コイルは外層側の超電導コイルに内層側の超電導コイルよりも熱収縮率の大きい超電導線を使用しているため、磁場により発生する径方向外向きの引っ張り力を上回る径方向内向きの圧縮力を発生させることができるため、巻線層間の剥離を防止し、超電導マグネットを安定に励磁することができるとともに、従来超電導コイルの外側に施していた支持材をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる超電導コイルの断面図である。
【図２】銅比 1の銅安定化NbTi超電導線を40層巻線し、 8Ｔの磁場を発生するまで励磁したときの超電導コイル内の各巻線層間に発生する径方向の応力分布を示す図である。
【図３】超電導コイルの外側に支持材を施した場合の、銅比 1の銅安定化NbTi超電導線を40層巻線し、 8Ｔの磁場を発生するまで励磁したときの超電導コイル内の各巻線層間に発生する径方向の応力分布を示す図である。
【図４】内側から30層を銅比 1の銅安定化NbTi超電導線で巻線し、残り10層を線径が同じで銅比が 3の銅安定化NbTi超電導線を巻線し、 8Ｔの磁場を発生するまで励磁したときの超電導コイル内の各巻線層間に発生する径方向の応力分布を示す図である。
【図５】従来の超電導コイルの断面図である。
【符号の説明】
１…内層側超電導コイル、２…外層側超電導コイル、３…巻枠、11…超電導コイル、12…巻枠、13…支持材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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