(57)【要約】【課題】長い超伝導線材を稠密に巻いて形成された無誘導巻線と、この無誘導巻線用の巻枠と、これらを備えた永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超伝導磁石を提供する。【解決手段】巻胴に単線の超電導線をらせん状かつ稠密に巻きつけて形成された第１層目の超伝導コイル層と、前記巻胴の一端側に設けられた折返し部に前記第１層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を前記第１層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第２層目の超伝導コイル層とを少なくとも備えた無誘導巻線である。巻枠は超電導線材を折り返すことができる折返し部を有している。永久電流スイッチはこれらの無誘導巻線及び巻枠を備えている。超伝導磁石は、この永久電流スイッチを備えたものである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻胴に、単線の超電導線をらせん状かつ稠密に巻きつけて形成された第１層目の超伝導コイル層と、
前記巻胴の一端側に設けられた折返し部に前記第１層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を前記第１層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第２層目の超伝導コイル層とを少なくとも備えた無誘導巻線。
【請求項２】
前記巻胴の他端側に設けられた折返し部に第ｎ層目（ｎは偶数のうちいずれかまでの数）の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を前記第ｎ層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第ｎ＋１層目の超伝導コイル層と、
前記巻胴の一端側に設けられた折返し部に前記第ｎ＋１層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を前記第ｎ＋１層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第ｎ＋２層目の超伝導コイル層とをさらに備えた請求項１記載の無誘導巻線。
【請求項３】
巻胴と、前記巻胴の両端に設けられた円盤状のフランジとを備え、
前記フランジが、その半径方向に設けられた突起状部材を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の無誘導巻線用の巻枠。
【請求項４】
巻胴と、前記巻胴の両端に設けられたフランジとを備え、
前記フランジが、巻胴の端部を底とする溝部を形成するように並設された２枚の板状部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の無誘導巻線用の巻枠。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の無誘導巻線を備えた永久電流スイッチ。
【請求項６】
請求項３又は４に記載の巻枠をさらに備えた請求項５記載の永久電流スイッチ。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の永久電流スイッチを備えた超伝導磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、稠密に巻かれた無誘導巻線、この無誘導巻線用の巻枠、これらを備えた永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超伝導磁石に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁気エネルギー貯蔵システム、核融合システム、核磁気共鳴装置や磁気浮上列車、理化学実験用超電導磁石などの超電導コイルでは、運転中に直流電源から切り離して永久電流スイッチで短絡し、閉ループの中を電流が循環して長期に渡って流れ続けるいわゆる永久電流モードで使用するのが一般である。超電導永久電流スイッチは、超電導磁石と組み合わせて永久電流回路を実現させるために不可欠な要素である。超電導磁石を永久電流状態で運転する装置においては、図１に示す超電導磁石の回路概略図のように、超電導コイルと永久電流スイッチを並列接続して構成し、この並列回路を所望の電源にパワーリードを介して接続する構成が一般的になっている。なお、図１において、１は永久電流スイッチ、２は磁場発生用超伝導コイルである。超電導コイルを構成する超電導線は極低温においては超電導状態になって電気抵抗値が零になっており理論的には永久に電流が流れ続けることになる（例えば、下記特許文献１、２参照）。
【０００３】
なお、上記永久電流スイッチには、無誘導巻きされた超伝導コイルが用いられる。この無誘導巻きとは、超電導線を２本に折り返して先端の折り曲げ部を巻枠に設けた溝に挿入固定した上で２本単位に巻回して行く構成のものであり（例えば、下記特許文献３参照）、超電導線に流れる電流は常にこの２本の超電導線を反対方向に流れて互いに磁場を打ち消し合うことができる。永久電流スイッチにおいてこのような無誘導巻きを採用する第１の理由は、超電導コイルを励磁し、永久電流スイッチをクローズ（外部ヒーター電源から永久電流スイッチのヒーター部へ電流が流されていない状態）した後に、電源電流を下げて永久電流ループを完成させる際、永久電流スイッチに発生する電圧によりコイルの電流が変化することを防ぐためである。第２の理由は、周知のように超電導線は磁場が強いほど臨界電流が低下するという特性を持っているので、超電導巻線が生起する磁場の強度を低減するためである。第３の理由は、超電導コイルが生起する磁場を乱さないようにするためである。
【０００４】
また、永久電流スイッチが常電導（オープン）の状態（外部ヒーター電源から永久電流スイッチのヒーター部へ電流が流れている状態）では、コイルの励磁電圧により電流が永久電流スイッチに分流するが、この分流分はできるだけ少ないことが望ましい。したがって、永久電流スイッチの常電導（オープン）の状態での抵抗値は大きい方が望ましいので、永久電流スイッチはできるだけ長い超電導線を巻いて作製されることが望ましい。
【０００５】
しかし、上記特許文献３のように、無誘導巻きを実現するためあらかじめ長尺の線を二つ折にした２本を束ねた状態で巻き線する方法では、長尺の線を二つ折にして巻く作業が困難なため、あまり長い線材を使用することができなかった。
【０００６】
これを改善するため、下記特許文献４、５では溝を有するスペーサを層間に挟み、１ターン毎に巻き方向が逆になる巻き線とすることで長い線材を用いた無誘導巻きを実現した。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−５２９２０号公報
【特許文献２】特開２００１−１８５４１４号公報
【特許文献３】実開昭６２−３４４０８号公報
【特許文献４】特開２００４−５５９１３号公報
【特許文献５】特開２００４−６３７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記特許文献４、５で開示された無誘導巻線は、１ターン毎に超伝導線材の巻き方向が逆で形成しやすいものとは言えず、また稠密に巻くこともできていない。そのため、この無誘導巻線を永久電流スイッチに用いた場合には、線材長さに対する全体寸法が大きくなり熱容量が大きくなるため、常電導状態から超電導状態への高速切り替えができない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、長い超伝導線材を稠密に巻いて形成された無誘導巻線と、この無誘導巻線用の巻枠と、これらを備えた永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超伝導磁石を提供する。
【課題を解決するための手段及び効果】
【００１０】
本発明の無誘導巻線は、巻胴に、単線の超電導線をらせん状かつ稠密に巻きつけて形成された第１層目の超伝導コイル層と、前記巻胴の一端側に設けられた折返し部に前記第１層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を前記第１層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第２層目の超伝導コイル層とを少なくとも備えたものである。
【００１１】
また、本発明の無誘導巻線は、前記巻胴の他端側に設けられた折返し部に第ｎ層目（ｎは偶数のうちいずれかまでの数であって、以下同様）の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を前記第ｎ層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第ｎ＋１層目の超伝導コイル層と、前記巻胴の一端側に設けられた折返し部に前記第ｎ＋１層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を前記第ｎ＋１層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第ｎ＋２層目の超伝導コイル層とをさらに備えたものであることが好ましい。なお、「ｎは偶数のうちいずれかまでの数」とは、以下のようなものが挙げられる。例えば、偶数のうち６までの数とは、２、４、６であり、偶数のうち１０までの数とは、２、４、６、８、１０である。
【００１２】
上記構成により、超伝導線が稠密に巻かれて形成されるため、超伝導線の線材長さに対する全体寸法が最小となるので、その熱容量が最小となる無誘導巻線を提供できる。したがって、効率よく熱伝導できるので、常電導状態、超電導状態間の高速切り替えが可能な無誘導巻線を提供できる。また、長尺の超電導線の巻線がきわめて容易にかつ稠密にできるので、常電導状態の抵抗値が大きく、かつインダクタンスがほぼゼロの無誘導巻線を提供できる。
【００１３】
本発明の巻枠は、上記無誘導巻線用のものであって、巻胴と、前記巻胴の両端に設けられた円盤状のフランジとを備え、前記フランジが、その半径方向に設けられた突起状部材を有していることが好ましい。また、本発明の巻枠は、上記無誘導巻線用のものであって、巻胴と、前記巻胴の両端に設けられたフランジとを備え、前記フランジが、巻胴の端部を底とする溝部を形成するように並設された２枚の板状部材からなるものであってもよい。
上記構成により、上記無誘導巻線を稠密に巻くことができる巻枠を提供できる。
【００１４】
本発明の永久電流スイッチは、上記無誘導巻線を備えたものであることが好ましい。さらに上記巻枠のいずれか１つを備えたものであることが好ましい。
無誘導巻線が常電導状態である際、無誘導巻線の抵抗値が大きく、かつインダクタンスがほぼゼロであるので、ほとんど電流が流れこまない永久電流スイッチを提供できる。
【００１５】
本発明の超伝導磁石は、上記永久電流スイッチを備えたものであることが好ましい。
磁場発生用超電導コイルに超電導磁石電源の電流を流して励磁する際、上記永久電流スイッチがオフの状態（超電導コイルが常電導状態）であれば、超電導磁石電源の電流が上記永久電流スイッチに流れ込みにくくなるので、ジュール熱の発生の抑制につながり、超電導磁石の温度の上昇を抑えることができることから、超電導磁石の安定した運転ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図を参照しながら実施形態について説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る永久電流スイッチの概略断面図である。図３（ａ）は図２の永久電流スイッチに用いられている巻枠の正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図である。図４は、図３の巻枠に超電導線材が巻き付けられた際のフランジ部周辺の一部拡大図である。図５は図４のV−V矢視断面図、図６は図４のVI−VI矢視断面図である。      
【００１７】
本発明の実施の形態に係る永久電流スイッチ１０は、巻枠３と、ヒーター４と、超電導コイル５と、断熱材６とを備えるものである。
【００１８】
巻枠３は、図３（ａ）に示すように、線材を巻きつけるための巻胴３ａと、巻胴３ａの両端にそれぞれ設けられたフランジ３ｂ、３ｃとからなる。フランジ３ｂ、３ｃは、図３（ｂ）に示すように、半径方向に切り欠かれた凹部の底から半径方向かつ外部方向に、それぞれ突起状部材３ｂ1、３ｃ1が延設されて形成されている。
【００１９】
ヒーター４は、図２及び図６に示すように、マンガニン等からなる線材を巻枠３の巻胴３ａに巻きつけて１層形成されているものである。図６に示すように、このヒーター４の外周部は、表面をならすために粘着テープ７が巻かれている。なお、ヒーター４は、巻枠３に線材を巻きつけたものでなく、シート状のものを巻きつけたものであってもかまわない。
【００２０】
超電導コイル５は、巻枠３に無誘導巻きされた超電導線材５ａからなる。具体的には、超電導コイル５は、図４〜図６、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、粘着テープ７表面に、単線の超電導線材をらせん状かつ稠密に巻きつけて形成された第１層目の超伝導コイル層と、突起状部材３ｂ1に第１層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を第１層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第２層目の超伝導コイル層を形成する。そして、図示していないが同様に、巻胴３ａの他端側に設けられた突起状部材３ｃ1に第２層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて折り返し、この折り返した超伝導線を第２層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第３層目の超伝導コイル層を形成する。第４層目以降の超電導コイル層は、第２、第３層の超電導コイル層と同様の方法で形成していくことができる。こうして、所望する数の超電導コイル層を有する無誘導巻きの超電導コイル５を形成できる。なお、図６における突起状部材３ｂ1の左側の超電導線材５ａ同士は、間隔を空けて巻き付けられているが、詰めて巻き付けられていてもかまわない。また、図示しないが、超電導コイル５の巻き始め部分は、突起状部材とフランジ本体との間の溝を通してから巻胴３ａに巻きつけるようにすることが好ましい。
【００２１】
超電導線材５ａは、ＮｂＴｉなどからなる超電導線材である。超伝導線が稠密に巻かれて形成されるため、超伝導線の線材長さに対する全体寸法が最小となるので、その熱容量が最小となる無誘導巻線を提供できる。したがって、効率よく熱伝導できるので、常電導状態、超電導状態間の高速切り替えが可能な無誘導巻線を提供できる。また、長尺の超電導線の巻線がきわめて容易にかつ稠密にできるので、常電導状態の抵抗値が大きく、かつインダクタンスがほぼゼロの無誘導巻線を提供できる。
【００２２】
断熱材６は、レジンなどの樹脂からなるものである。なお、この断熱材６は、超電導コイル５を保護する役目も併せ持っている。
【００２３】
次に、永久電流スイッチ１０の作動について説明する。ヒーター４に電流が流れている間は、熱がヒーター４に発生するので、超電導コイル５は加温される。したがって、外部から冷却されてもその熱の方が上回れば、超電導コイル５が超電導状態になることはなく、電気抵抗を有することになる。なお、永久電流スイッチ１０の電気抵抗は、従来の無誘導線巻の永久電流スイッチに比べ同体積でも稠密に巻かれているので、その分電気抵抗は高い。ヒーター４に電流が流れていない間は、超電導コイル５は加温されないので、外部から冷却され超電導転移温度に到達した場合には超電導状態となり、電気抵抗がゼロの状態となる。
【００２４】
上記実施形態によれば、超伝導線材５ａが巻枠３に稠密に巻かれて形成されるため、超伝導線の線材長さに対する全体寸法が最小となるので、その熱容量が最小となる無誘導巻線を形成できる。さらに、効率よく熱伝導できるので、常電導状態、超電導状態間の高速切り替えが可能な無誘導巻線を有する永久電流スイッチ１０を提供できる。また、長尺の超電導線の巻線がきわめて容易にかつ稠密にできるので、常電導状態の抵抗値が大きく、かつインダクタンスがほぼゼロの無誘導巻線を形成でき、この無誘導巻線を有する永久電流スイッチ１０を提供できる。
【００２５】
したがって、本実施形態の永久電流スイッチ１０を、図１に示した超電導磁石の永久電流スイッチ１の代わりに用いると、磁場発生用超電導コイル２に超電導磁石電源の電流を流して励磁する際、永久電流スイッチ１０がオフの状態（超電導コイル５が常電導状態）であれば、超電導磁石電源の電流が永久電流スイッチ１０に流れ込みにくくなるので、ジュール熱の発生の抑制につながり、超電導磁石の温度の上昇を抑えることができることから、超電導磁石の安定した運転ができる。
【００２６】
次に、本発明の第２実施形態に係る永久電流スイッチについて説明する。
図７（ａ）は永久電流スイッチに用いられる巻枠の正面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の側面図である。なお、本発明の第２実施形態に係る永久電流スイッチは、フランジ周辺以外の部分において、第１実施形態に係る永久電流スイッチとほぼ同様であるので、以下では同様の部分（ヒーター１３、粘着テープ１４など）の説明を省略することがある。
【００２７】
巻枠１１は、図７（ａ）に示すように、線材を巻きつけるための巻胴１１ａと、巻胴１１ａの両端にそれぞれ設けられたフランジ１１ｂ、１１ｃとからなる。フランジ１１ｂは、図７（ｂ）に示すように、巻胴１１ａの端部を底とする溝部を形成するように並設された２枚の板状部材１１ｂ1、１１ｂ2からなる。フランジ１１ｃは、フランジ１１ｂと同様の２枚の板状部材１１ｃ1、１１ｃ2からなる。溝部の幅は、巻き付ける線材の太さと同じ幅以上であればよく、特にその幅に制約はない。したがって、本実施形態のように線材が１本ずつ重ねられた状態であってもよいし、広い幅が設けられている際には、その幅を埋めるように巻き付けられていてもよい。
【００２８】
超電導コイル１２は、巻枠１１に無誘導巻きされた超電導線材１２ａからなる。具体的には、超電導コイル１２は、図８〜図１１に示すように、粘着テープ１４表面に、単線の超電導線材をらせん状かつ稠密に巻きつけて形成された第１層目の超伝導コイル層と、フランジ１１ｂの２枚の板状部材１１ｂ1、１１ｂ2から形成される溝に第１層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて反対側で折り返し、この折り返した超伝導線を第１層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第２層目の超伝導コイル層を形成する。なお、巻胴１１ａ周囲への超伝導コイル１２の巻線方法は、第１実施形態と同様である。そして、図示していないが同様に、巻胴１１ａの他端側に設けられたフランジ１１ｃの２枚の板状部材１１ｃ1、１１ｃ2から形成される溝に第２層目の超伝導コイル層を巻き終えた残りの超伝導線を掛けて反対側で折り返し、この折り返した超伝導線を第２層目の超伝導コイル層の超伝導線間の凹部に沿って逆向きに巻きつけて形成された第３層目の超伝導コイル層を形成する。第４層目以降の超電導コイル層は、第２、第３層の超電導コイル層と同様の方法で形成していくことができる。こうして、所望する数の超電導コイル層を有する無誘導巻きの超電導コイル１２を形成できる。なお、図１１におけるフランジ１１ｂの溝部の超電導線材１２ａは、同方向に巻き付けられているが、異なる方向に巻き付けられていてもかまわない。フランジ１１ｃ周辺も図示していないが同様である。また、図示しないが、超電導コイル１２の巻き始め部分は、溝を通してから巻胴１１ａに巻きつけるようにすることが好ましい。
【００２９】
上記構成により、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。したがって、本実施形態の永久電流スイッチを、図１に示した超電導磁石の永久電流スイッチ１の代わりに用いると、第１実施形態と同様、磁場発生用超電導コイル２に超電導磁石電源の電流を流して励磁する際、永久電流スイッチがオフの状態（超電導コイル１２が常電導状態）であれば、超電導磁石電源の電流が永久電流スイッチに流れ込みにくくなるので、ジュール熱の発生の抑制につながり、超電導磁石の温度の上昇を抑えることができることから、超電導磁石の安定した運転ができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
本実施例では、本発明の第１実施形態に係る永久電流スイッチと同構成の永久電流スイッチを作製した。
【００３１】
（比較例１）
本比較例では、従来方法すなわち超電導線材を２本に折り返して先端の折り曲げ部を巻枠のフランジの内側に設けた溝に挿入固定した上で２本単位に巻回して、永久電流スイッチを作製した。なお、巻枠の巻胴の大きさ及び形状は、実施例１のものと同じである。
【００３２】
実施例１及び比較例１の永久電流スイッチについて仕様と熱バランスとを測定し、さらに実施例１及び比較例１の永久電流スイッチそれぞれを同じ伝導冷却型超電導磁石に組み込んで（図１と同様の回路構成）、各種の測定を行った（下記表１参照）。
【００３３】
【表１】
2006287142.tif 000003
【００３４】
実施例１と比較例１とを比較すると、比較例１は巻き線可能な線材長の制約から常伝導（オープン）時の抵抗が１００Ωであったが、実施例は使用できる線材長に余裕があり、また稠密に巻き線できるため比較例１と同じ外形寸法にて４倍の長さの線材を無誘導巻きすることができたことがわかる。したがって、このときの実施例１の永久電流スイッチの常伝導（オープン）時の抵抗は、４００Ωになっている。その結果、励磁時の永久電流スイッチのジュール熱による発熱が１／４に低減できるためマグネット温度は約０．９K低く押さえられ、安定した運転ができる。言い換えれば同じ運転温度を許容すれば同じマグネットで高磁場を発生させる、あるいは同じ発生磁場であればより小型のマグネットで実現できることになる。なお、線材量が４倍すなわち熱容量が４倍になったにもかかわらず、実施例１の永久電流スイッチは稠密に巻き線することで熱伝導性が向上したため、スイッチのオープン・クローズに要する時間は比較例１の１．５倍に抑えられ、実用上問題の無いレベルである。
【００３５】
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものでもない。例えば、突起状部材や溝部においては、上記実施形態のように秩序だった巻付けである必要はなく、折返しのためにのみ巻きつけられてさえいればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】一般的な超電導磁石の回路概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る永久電流スイッチの概略断面図である。
【図３】（ａ）は図２の永久電流スイッチに用いられている巻枠の正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図４】図３（ａ）のフランジ周辺部における超電導線材の巻き付け状態を示す一部拡大図である。
【図５】図４のV−V矢視断面図である。
【図６】図４のVI−VI矢視断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る永久電流スイッチの巻線方法を説明するために用いる斜視図である。
【図８】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る永久電流スイッチに用いられている巻枠の正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図９】図８（ａ）のフランジ周辺部における超電導線材の巻き付け状態を示す一部拡大図である。
【図１０】図９のX−X矢視断面図である。
【図１１】図９のXI−XI矢視断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１、１０    永久電流スイッチ
２          磁場発生用超電導コイル
３、１１    巻枠
３ａ、１１ａ    巻胴
３ｂ、３ｃ、１１ｂ、１１ｃ  フランジ
３ｂ1   ３ｃ1  突起状部材
４、１３        ヒーター
５、１２        超電導コイル
５ａ、１２ａ    超伝導線材
６              断熱材
７、１４        粘着テープ
１１ｂ1、１１ｃ1    板状部材
【図１】
2006287142.tif 000004
【図２】
2006287142.tif 000005
【図３】
2006287142.tif 000006
【図４】
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【図５】
2006287142.tif 000008
【図６】
2006287142.tif 000009
【図７】
2006287142.tif 000010
【図８】
2006287142.tif 000011
【図９】
2006287142.tif 000012
【図１０】
2006287142.tif 000013
【図１１】
2006287142.tif 000014