(57)【要約】【課題】  ヘリウムを必要としない、メンテナンスフリーで、信頼性が高く、取り扱いが容易な超伝導パルスコイルを提供し、この超伝導パルスコイルを用いた超伝導装置および超伝導電力貯蔵装置を実現すること。【解決手段】  巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成された超伝導コイルにおいて、超伝導導体の間にエポキシ樹脂等の充填材を充填すると共に、超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とを、独立して配置した。この超伝導パルスコイルを用いて超伝導装置および超伝導電力貯蔵装置を製作する。【選択図】    図５
2006203154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成された超伝導コイルにおいて、
前記超伝導導体の隙間にエポキシ樹脂などの充填材を充填すると共に、前記超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とを、独立して配置したことを特徴とする超伝導パルスコイル。
【請求項２】
前記超伝導導体は、前記第二の熱伝導部材が、固体冷却経路を介して冷凍機により冷却されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項３】
前記超伝導導体は、冷却経路を有する冷却パネルの形態に形成された第二の熱伝導部材を介して冷却されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項４】
前記第一および第二の熱伝導部材は、前記超伝導導体の巻回される方向に沿って交互に離間配置されると共に、前記超伝導導体の巻回される方向に直交する方向に延在される形態に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項５】
前記超伝導導体は、複数の超伝導フィラメントが常伝導金属の母材中に配設されてなる素線を撚ったものを並べて成型した成型撚線を、アルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属で被覆したものから構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項６】
前記超伝導導体は、導体内の成型撚線の幅広面に平行な方向の変動磁場に対して交流損失の低減が図られていることを特徴とする請求項５に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項７】
前記超伝導導体は、前記成型撚線の幅広面に平行な方向が変動磁場の方向と一致するように捻られながら巻き回されていることを特徴とする請求項５に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項８】
前記超伝導導体は、前記成型撚線をアルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属と共に押出し成形することによって形成された円形断面の線材から構成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項９】
前記第一の熱伝導部材は、前記線材の円形断面に対応した円弧状断面の溝を有するスペーサの形態に形成され、その円弧状断面溝は、前記巻き回された線材を所定の位置に支持するように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１０】
前記スペーサは、コイル断面での導体位置に合わせて板材に導体部分に相当する穴開け加工をした後、層毎に切断することによって形成されることを特徴とする請求項９に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１１】
前記スペーサは、コイル断面の円周方向の角度毎に異なる導体配置を有して形成されることを特徴とする請求項９に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１２】
前記スペーサは、一方の面には前記巻き終わった層の線材位置に対応する円弧状断面の溝が加工されると共に、他方の面にはこれから巻き線する層の線材位置に対応した円弧状断面の溝が加工されてなる形態に形成されることを特徴とする請求項９に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１３】
前記スペーサは、高熱伝導率を有すると共に電気的絶縁性に優れた繊維強化樹脂から形成されていることを特徴とする請求項９に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１４】
前記スペーサは、超高分子量ポリエチレン繊維（ダイニーマ）強化樹脂から形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１５】
前記第二の熱伝導部材は、絶縁された銅の素線の複数本を集め、撚合わせて形成されたリッツ線の形態に形成され、かつ前記巻枠の端部から外側に引き出されて固体冷却経路を形成していることを特徴とする請求項４〜１２のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１６】
巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、固体冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成された超伝導コイルにおいて、
前記超伝導導体の隙間にエポキシ樹脂などの充填材が充填されると共に、前記超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とが、前記超伝導導体の巻回される方向に沿って交互に離間配置され、かつ前記超伝導導体の巻回される方向に直交する方向に延在されるような形態に形成され、さらに、前記第二の熱伝導部材が、固体冷却経路を介して冷凍機により冷却されるように構成されていることを特徴とする超伝導パルスコイル。
【請求項１７】
前記超伝導導体は、複数の超伝導フィラメントが常伝導金属であるＣｕの母材中に配設されてなる素線を撚ったものを並べて成型した成型撚線を、アルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属と共に押出し成形によって形成した円形断面の線材から構成すると共に、前記成型撚線の幅広面に平行な方向が変動磁場の方向と一致するように捻られながらコイル形状に巻回され、
前記充填材は、エポキシ樹脂から形成され、
前記第一の熱伝導部材は、ダイニーマ繊維強化樹脂から形成されると共に、前記線材の円形断面に対応した円弧状断面の溝が形成されたスペーサの形態に形成され、さらに、
前記第二の熱伝導部材は、電気的に絶縁された銅の素線の複数本を集め、撚合わせて形成されたリッツ線の形態に形成され、かつ前記巻枠の端部から外側に引き出されて固体冷却経路を形成していることを特徴とする請求項１６に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１８】
前記コイルを構成する材料が２０K以下の極低温で高い熱拡散率を持つことを利用し、コイル内が数秒で均温化され、高い排熱特性を有することを特徴とする請求項１７に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項１９】
前記コイルを構成する超伝導導体、それの間に充填される充填材、第一の熱伝導部材または第二の熱伝導部材は、２０K以下の極低温領域において、0.007〜 0.09ｍ2/ｓの高熱拡散率を有することを特徴とする請求項１７に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項２０】
前記スペーサは、一方の面には前記巻き終わった層の線材位置に対応する円弧状断面の溝が加工されると共に、他方の面にはこれから巻き線する層の線材位置に対応した円弧状断面の溝が加工されてなる細長板状スペーサに形成されることを特徴とする請求項１６に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項２１】
前記複数層に巻回された超伝導導体の各層間に、第二の伝熱部材または冷却パネルなどの冷却パスを複数配設して、超伝導導体と第二の伝熱部材との接触面積を増加させるように形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイル。
【請求項２２】
真空容器と、その真空容器内に配設された超伝導コイルと、前記真空容器内に配設され、前記超伝導コイルを固体冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するための小型冷凍機と、前記超伝導コイルに発生した電流を真空容器の外側に取り出すための電流リードとからなる低温超伝導装置において、
前記超伝導コイルは、請求項１、２、４〜２１のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイルであることを特徴とする超伝導装置。
【請求項２３】
ＡＣスイッチと、ＡＣ／ＤＣコンバータと、超伝導（ＳＣ）コイルシステムと、ＳＭＥＳ制御システムと、補償電気負荷とを有する超伝導電力貯蔵装置において、
前記超伝導（ＳＣ）コイルシステムは、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の超伝導パルスコイルを用いていることを超伝導電力貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導パルスコイル、それを用いた超伝導装置および超伝導電力貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピューター等の情報機器では、データ保護のために無停電電源の使用が当たり前となってきている。一方、半導体工場などの製造設備や核融合科学や加速器科学の研究所などの実験装置などの科学分野の大型実験装置では、供給電力の瞬時電圧低下（以下、「瞬低」という）や瞬時停電（以下、「瞬停」という）などにより、操業中断や製品歩留まりの低下や実験中断によって大きな被害が発生しているにもかかわらず、その電力容量の大きさから有効な保護がなされていないのが現状である。商用電力系統の電圧低下や停電のほとんどは1秒以下の瞬低または瞬停であり、1秒程度の短時間の電力補償ができる大容量の超伝導電力貯蔵装置（以下、「ＳＭＥＳ」という）が開発できれば、上記の例のみでなく幅広い用途への適用が可能である。
【０００３】
ところで、ＳＭＥＳには高い信頼性と取り扱いの容易さが要求される。従って、ＳＭＥＳ用の超伝導コイルにも、取り扱いが容易で、メンテナンスフリーであることが最も重用視される。しかしながら、従来の浸漬冷却方式や強制冷却方式の超伝導コイルでは、取り扱いが容易でメンテナンスフリーなコイルとすることは難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、コイル冷却剤としてのヘリウムを必要としない、メンテナンスフリーで、信頼性が高く、取り扱いが容易な超伝導パルスコイルを提供することを主たる目的とするとするものである。
本発明の他の目的は、超伝導パルスコイルを用いた高信頼性の超伝導装置および瞬低対策用に好適なＳＭＥＳを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的の実現のために鋭意研究を重ねた結果、以下のような
内容を要旨構成とする発明に想到した。
【０００６】
すなわち、本発明は、
（１）巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成された超伝導コイルにおいて、
前記超伝導導体の隙間にエポキシ樹脂などの充填材が充填されると共に、前記超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とを、独立して配置したことを特徴とする超伝導パルスコイルである。
本発明において、前記超伝導導体は、前記第二の熱伝導部材が、固体冷却経路を介して冷凍機により冷却されるような伝導冷却型超伝導パルスコイルや、ヘリウムガス等の冷媒を用いた冷却経路を有する冷却パネルの形態に形成された間接冷却型超伝導パルスコイルに適用することができる。
【０００７】
本発明において、前記第一および第二の熱伝導部材は、超伝導導体の巻回される方向に沿って交互に離間配置されると共に、前記超伝導導体の巻回される方向に直交する方向に延在されるような形態に形成することができる。
前記超伝導導体は、複数の超伝導フィラメントが常伝導金属の母材中に配設されてなる素線を撚ったものを並べて成型した成型撚線を、アルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属で被覆したものから構成することができる。
【０００８】
前記超伝導導体は、導体内の成型撚線の幅広面に平行な方向が変動磁場の方向と一致するようにコイル形状に巻き回され、超伝導パルスコイルの交流損失を低減させるように構成することができる。
【０００９】
また、前記超伝導導体は、前記成型撚線をアルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属と共に押出し成形により形成される円形断面を有する線材から構成することができる。
また、前記第一の熱伝導部材は、前記線材の円形断面に対応した円弧状断面の溝を有するスペーサの形態に形成され、その円弧状断面の溝は、前記巻き回された線材を所定の位置に支持するように形成することができる。
前記スペーサは、一方の面には前記巻き終わった層の線材位置に対応する円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されると共に、他方の面にはこれから巻き線する層の線材位置に対応した円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されてなる細長板状スペーサに形成することができる。
また、前記スペーサは、コイル断面での導体位置に合わせて板材に導体部分に相当する穴開け加工をした後、層毎に切断することによって形成することができる。
また、前記スペーサは、コイル断面の円周方向の角度毎に異なる導体配置を有して形成することができる。
【００１０】
さらに、前記スペーサは、高熱伝導率を有すると共に電気的絶縁性に優れた繊維強化樹脂、例えば、超高分子量ポリエチレン繊維（ダイニーマ）強化樹脂から形成することができる。
【００１１】
本発明において、前記第二の熱伝導部材は、電気的に絶縁された銅の素線の複数本を集め、撚合わせて形成されたリッツ線の形態に形成され、かつ前記巻枠の端部から外側に引き出されて固体冷却経路を形成するように構成することができる。
また、本発明は、
（２）  巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、固体冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成された超伝導コイルにおいて、
前記超伝導導体の間にエポキシ樹脂などの充填材が充填されると共に、前記超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とが、前記超伝導導体の巻回される方向に沿って交互に離間配置され、かつ前記超伝導導体の巻回される方向に直交する方向に延在され、さらに、前記第二の熱伝導部材が、固体冷却経路を介して冷凍機により冷却されるように構成されていることを特徴とする超伝導パルスコイルである。
本発明において、前記超伝導導体は、複数の超伝導フィラメントが常伝導金属であるＣｕの母材中に配設されてなる素線を撚ったものを並べて成型した成型撚線を、アルミ二ウムまたはアルミニウム合金などの低融点金属と共に押出し成形によって形成した円形断面の線材から構成すると共に、導体の成型撚線の幅広面に平行な方向がコイル巻線内の変動磁場の方向と一致するように捻られながらコイル形状に巻回されて、超伝導パルスコイルの交流損失を低減させるように構成され、
前記充填材は、エポキシ樹脂から形成され、
前記第一の熱伝導部材は、ダイニーマ繊維強化樹脂から形成されると共に、前記線材の円形断面に対応した円弧状断面の溝が形成されたスペーサの形態に形成され、さらに、
前記第二の熱伝導部材は、電気的に絶縁された銅の素線の複数本を集め、撚合わせて形成されたリッツ線の形態に形成され、かつ前記巻枠の端部から外側に引き出されて固体冷却経路を形成するように構成することができる。
本発明においては、前記コイルを構成する材料が２０K以下の極低温で高い熱拡散率を持つことを利用し、コイル内が数秒で均温化され、高い排熱特性を有するように構成することができる。
具体的には、前記コイルを構成する超伝導導体、それの間に充填される充填材、第一の熱伝導部材または第二の熱伝導部材が、２０K以下の極低温では、0.007〜 0.09ｍ2/sの範囲の高熱拡散率を有し、３〜１０Kの極低温では、0.02〜0.9ｍ2/s、の範囲の高熱拡散率を有するようなコイル構成とすることができ、このような構成によれば、コイル内を数秒で均温化し、かつ排熱特性に優れた超伝導パルスコイルを得ることができる。
【００１２】
本発明において、前記複数層に巻回された超伝導導体の各層間に、第二の伝熱部材または冷却パネルなどの冷却パスを複数配設して、超伝導導体と第二の伝熱部材との接触面積を増加させるように形成することができる。
【００１３】
また、本発明において、前記スペーサは、一方の面には前記巻き終わった層の線材位置に対応する円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されると共に、他方の面にはこれから巻き線する層の線材位置に対応した円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されてなる細長板状スペーサに形成することができる。
また、前記（１）または（２）に記載された超伝導パルスコイルは、真空容器と、その真空容器内に配設された超伝導コイルと、前記真空容器内に配設され、前記超伝導コイルを固体冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するためのGM冷凍機と、前記超伝導コイルに通電した電流を真空容器の外側に取り出すための電流リードとからなる超伝導装置における超伝導コイルとして用いることができる。
さらに、前記（１）または（２）に記載された超伝導パルスコイルは、
ＡＣスイッチと、ＡＣ／ＤＣコンバータと、超伝導（ＳＣ）コイルシステムと、ＳＭＥＳ制御システムと、補償電気負荷とを有するＳＭＥＳにおける超伝導（ＳＣ）コイルシステムとして用いることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来の液体ヘリウムによる浸漬冷却方式または超臨界圧ヘリウムによる強制冷却方式を用いることなく、取り扱いが容易でメンテナンスフリーである伝導冷却型または間接冷却型の超伝導パルスコイルを得ることができる。
【００１５】
また、コイルを構成する超伝導導体、それの間に充填される充填材、第一の熱伝導部材および第二の熱伝導部材を、２０K以下の極低温領域において、高熱拡散率を有するような材料から構成することによって、コイル内が数秒で均温化され、かつ排熱特性に優れた超伝導パルスコイルを得ることができる。
【００１６】
さらに、このような超伝導パルスコイルを用いて、取り扱いが容易で高信頼性の超伝導装置や瞬低対策用に好適なＳＭＥＳが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明にかかる超伝導パルスコイルは、巻枠に複数層に巻回された超伝導導体を、冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するように構成され、超伝導導体同士の隙間にエポキシ樹脂等の充填材が充填されて、超伝導導体同士の熱接触を向上させるように構成されていると共に、超伝導導体の層間には、半径方向の伝熱を司る第一の熱伝導部材と、軸方向の伝熱を司る第二の熱伝導部材とを独立して配置したことを特徴とする。
このような超伝導パルスコイルは、これを臨界温度以下の低温に冷却するためのＧＭ冷凍機等と共に真空容器内に配置され、超伝導パルスコイルに通電した電流を真空容器の外側に取り出すための電流リードを設けて超伝導装置を構成することができる。
さらに、このような超伝導装置を、図１に示すような瞬低対策用のＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）における超伝導コイルシステムとして好適に用いることができる。
本発明にかかる超伝導パルスコイルが有利に適用されるＳＭＥＳは、例えば、図１に示すように、ＡＣスイッチ１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２と、超伝導コイルシステム３と、貯蔵装置制御システム４と、補償電気負荷５とを有する。前記ＡＣスイッチ１は、瞬時電圧低下や停電が生じたときに、補償電気負荷５を電力系統から切断し、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は、ＡＣスイッチ１が開放されたときに、補償電気装荷5の電力を補償するために超伝導コイルシステム３を放電するように構成し、超伝導コイルシステム３は、短時間に大エネルギーを取り出すために適した電力蓄積装置として使用され、貯蔵装置制御システム４は、瞬時電圧低下を検知し、ＡＣスイッチ１とＡＣ／ＤＣコンバータ２を制御するように構成することができる。
【００１８】
本発明にかかるＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）における超伝導コイルシステムとしては、取り扱いが容易で、メンテナンスフリーであること、そして高信頼性および高安全性の要求から、伝導冷却型超伝導パルスコイルを選択することが望ましい。
【００１９】
その理由は、液体ヘリウムによる浸漬冷却方式や超臨界ヘリウムによる強制冷却方式に比べて、高信頼性で高安全性であるからである。
【００２０】
本発明の超伝導パルスコイルで用いられる超伝導材料としては、金属系超伝導導体であるＮｂＴｉ合金やＮｂ3Ｓｎ等を用いることができ、特に、ＮｂＴｉ合金は、低コストで、取り扱いが容易であり、低交流損失で、生産性が高いという観点から好適であり、高コストで生産性に難のある超伝導体のＮｂ3Ｓｎや、高コストのＨＴＳ（高温超伝導）コイルに比べて有利である。なお、ＮｂＴｉ合金は、臨界温度が低く、導体冷却操作において温度余裕が低いことから、コイルが大型化しやすい。
【００２１】
パルスコイル用超伝導導体の材料についての比較を表１に、また、超伝導パルスコイルの冷却方式の比較を表２に、それぞれ示す。
【００２２】
【表１】
2006203154.tif 000003
【００２３】
【表２】
2006203154.tif 000004
本発明にかかる伝導冷却型超伝導パルスコイルにおいては、ヘリウムの高い比熱に頼ることができないため、導体の交流損失を極限まで低減すると同時に導体温度上昇を抑えた高比熱で高安定な超伝導導体が必要不可欠であり、本発明で用いられる超伝導導体は、このような要求を満たすように開発されたものである。
本発明で用いる超伝導導体10は、例えば、図２に示されるように、ＮｂＴｉ合金からなる複数の超伝導フィラメントを、常伝導金属のＣｕの母材中に配設した素線を撚ったものを並べて成型したＮｂＴｉ／Ｃｕ成型撚線11を、残留抵抗比（RRR）の低い（RRR＜10）アルミニウム（Ａｌ-1197）12またはアルミニウム合金のような低融点金属と共に押出成形することによって線材の形態に製作され、このような線材が、例えば、ポリイミドテープ13によって絶縁被覆されたものとして形成される。
このような超伝導導体10は、押し出し成型時の高温によって各素線間が低接触抵抗で接続され、高い安定性が確保されていると同時に、成型撚線の幅広面に平行（ＥＯ方向）に変動磁場が加わった場合の交流損失を最小にするように設計される。
【００２４】
すなわち、各素線間が低接触抵抗で接続されることによって、成型撚線の一部の素線が外部擾乱により常伝導に転移しても、他の素線に電流が転流し易くなるので、高い安定性が確保され、しかも、成型撚線を構成する素線のフィラメントの撚り方向と撚線の撚り方向を同じにすることにより、特定方向の変動磁場による誘導起電力をキャンセルして交流損失を低減させることができる、即ち、導体の交流損失特性に異方性を持ち、成型撚線の幅広面に平行（ＥＯ）に変動磁場が加わる場合の交流損失を低減させることができるからである。
【００２５】
さらに、前記成型撚線を包囲被覆する低残留抵抗比（10程度）のアルミニウムは、２０K程度の低温でも、室温の抵抗の1/10程度の比較的高い電気抵抗特性を有するため、アルミニウム内での交流損失を抑制することができると共に、成型撚線の幅広面と変動磁場の方向が一致するような撚りをコイルに入れた構造を支持するための補強材として機能する。
【００２６】
また、成型撚線を被覆するアルミニウムは、高比熱であるため、パルス通電時の交流揖失による導体の温度上昇を抑制している、即ち、パルス操作の際の温度上昇を抑えるヒートシンクとして機能している。
したがって、本発明においては、NbTi等の金属系低温超伝導導体を用いても、伝導冷却条件下でのパルス運転が可能となっている。
【００２７】
本発明に用いる超伝導導体10は、図３に示されるように、ガラス繊維強化樹脂等からなる巻枠、即ちボビン20の周面に、複数層に巻き回されて伝導冷却型超伝導コイルを構成する。この超伝導導体10のボビン20への巻き回しは、図４(a)、(b)に示される巻線装置を用いて、コイル内で発生する交流損失を低減するため、導体内の成型撚線の幅広方向が磁場方向と一致するように導体を稔りながら行なうことができる。図において、ボビン20に巻き回された超伝導導体10は、巻線30で示される。
図４(a)に示される巻線装置は、導体を送り出すボビン部分Ａと、捻れを入れる機構Ｂと、コイルを巻き取るボビン部分Ｃとから構成されており、図4（ｂ）に示されるように機構Ｂが捩れ角に相当する角度で回転すると、ボビンＡも同時に導体の軸のまわりに回転し、その結果、巻線30も同様の捻れ角でボビンＣに巻き取られる。この捻れ角は、機構ＢとボビンＣとの間に搭載されたセンサーを用いて、導体表面に予め設けた溝を検出することによって測定される。
【００２８】
本発明においては、ボビン20に複数層に巻き回された超伝導導体10の線材間の隙間には、エポキシ樹脂等の充填材が充填されて線材同士の熱接触を向上させるようにしていると共に、超伝導導体10の層間には、軸方向への伝熱パスとして素線絶縁した銅撚線（リッツ線）14が配置され、半径方向への伝熱パスとしてスペーサ15が配置される。
前記銅撚線（リッツ線）14は、高熱伝導率（400 〜 2000 W/mK）を有し、かつ高周波用途で用いることができるように形成され、一方、前記スペーサ15は、高熱伝導率を有するだけでなく、電気絶縁性に優れた樹脂、例えば、 超高分子量ポリエチレン繊維（例えば、商品名：ダイニーマ）強化樹脂から形成される。なお、前記スペーサ15は、伝熱パスとしての目的だけでなく、超伝導パルスコイルの機械的強度を上げるという機能も付与されている。
【００２９】
前記銅撚線（リッツ線）14およびスペーサ15は、図５に示すように、超伝導導体10の巻回される方向に直交する方向（軸方向）に延在されると共に、超伝導導体10の巻回される方向（周方向）に沿って交互に離間配置されている。
具体的には、前記スペーサ15は、円形断面の超伝導導体10からなる巻線30が所定の位置に正確に巻き回され、かつ位置ずれしないように、巻線30の円形断面に対応した円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工された平板状に形成されることが望ましい。さらに、一方の面には前記巻き終わった層の線材位置に対応する円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されると共に、他方の面にはこれから巻き線する層の線材位置に対応した円弧状断面の溝が軸方向に延長された形態に加工されてなる細長板状スペーサに形成されることがより望ましい。
【００３０】
前記スペーサ15は、コイル断面での導体位置に合わせて板材に導体部分（超伝導導体の巻線）に相当する穴開け加工をした後、層毎に切断することによって形成され、３次元の立体加工を必要としない加工が容易な平板状の2次元スペーサとすることが望ましい。
【００３１】
また、前記スペーサ15は、コイル断面の円周方向の角度毎に異なる導体配置のスペーサを準備することにより、層間の導体渡り部スペーサの複雑な3次元ＮＣ加工を不要とし、加工の容易な2次元スペーサの組み合わせで3次元の巻き線を可能としている。
【００３２】
一方、前記銅撚線（リッツ線）14は、超伝導導体10の層間に設けたスペーサ15間に配置され、交流損失を増加させることなく、コイル軸方向の高熱伝導特性を実現している。さらに、銅撚線（リッツ線）14は、ボビン20の外周面を挟んだ端部から外側に引き出されて、冷凍機のヘッド部に接続される固体冷却路を構成し、高効率の伝導冷却を実現している。
【００３３】
以上説明したように、本発明の超伝導パルスコイルにおいては、
1）スペーサに熱伝導率と電気絶縁性に優れた超高分子量ポリエチレン繊維（例えば、商品名：ダイニーマ）強化樹脂を採用して、コイル半径方向の高熱伝導特性を実現している。
2）リッツ線を層間のスペーサ間に配置することにより、交流損失を増加させることなく、コイル軸方向の高熱伝導特性を実現している。
3）コイル層間に配置したリッツ線をコイル端部より引き出し、冷凍機ヘッド部へ接続することにより、高効率の伝導冷却を実現している。
4）伝導冷却方式の採用により、コイル冷却に液体ヘリウムを必要としない、経済的で安全なパルスコイルシステムを実現している。即ち、従来のパルスコイルにおいては、冷却用に液体ヘリウムや超臨界圧ヘリウムを用いるので、異常蒸発や温度上昇によるヘリウムガスの体積膨張に起因する事故発生があったが、本発明では、コイル冷却に液体ヘリウムなどの冷媒を必要としない。
本発明にかかる超伝導装置は、図６に示すように、本発明にかかる超伝導パルスコイルを真空容器（クライオスタット）内に配設し、その超伝導コイルを固体冷却経路を介して臨界温度以下の低温に冷却するためのＧＭ冷凍機を同じ真空容器内に配設すると共に、超伝導コイルの電流を真空容器の外側に取り出すための電流リードを配設することによって構成することができる。
このような超伝導装置は、前述したようなＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）だけでなく、パルス運転を必要とする超伝導コイルの幅広い用途に適用することもできる。
以下、本発明の超伝導パルスコイルについて、実施例を参照にしてさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００３４】
（実施例１）
この実施例は、以下の表３に示されるような電気的および機械的特性を有する本発明にかかる超伝導導体を用いて製作され、瞬低対策用に用いるＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）の超伝導パルスコイル（蓄積エネルギー：1ＭＪ）に適用したものである。この1ＭＪ超伝導パルスコイルの最適な設計仕様を求めるために、コイルの最適磁場、最適電流密度、漏れ磁場および機械的強度の観点から種々の試験を行ったので、その結果を説明する。
【００３５】
【表３】
2006203154.tif 000005
なお、上記超伝導導体の交流損失は、短尺のサンプルを用いて測定され、結合損失時定数はＥＯ方向（成型撚線の幅広面に平行）で１０ミリ秒程度であるのに対して、ＦＯ方向（成型撚線の幅広面に垂直）の変動磁場が加わると８２ミリ秒程度まで増大することが確認されている。
Ａ．最適磁場
図７は、本発明にかかる超伝導パルスコイルの放電特性（動作状態）を示す。
【００３６】
図から分かるように、コイル電流は、1秒間で１０００Ａ（始点）から７０７Ａ（終点）に低減する一方で、蓄積エネルギーは、1コイルについて1ＭＪから０．５ＭＪに低下する。そして、1秒の早急な放電の後に、コイルは数分程度で１０００Ａの定格電流に再充電される。
【００３７】
ＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）用の超伝導コイルの固定されたパラメータは、蓄積エネルギーであり、磁場形状と強度は自由に選択できる。しかしながら、パルス操作中の交流損失による超伝導導体の温度上昇に起因する制約がある。
【００３８】
図７は、1秒パルス操作下の超伝導導体の許容される磁場を示している。この磁場は、成型撚線のＥＯ方向（低交流損失方向）に適用される。また、磁場は、導体の温度上昇が、電流分流温度（Ｔｓ−ｂｅｇｉｎｉｎｇとＴｓ−ｅｎｄ）より低い条件を満足するために、２．６５Ｔ以下に制約される。分流開始温度に余裕をもたせるため、コイルの最大磁場を２．５Ｔ以下に制限した設計を行った（表４を参照）。
【００３９】
なお、図８中、Ｔｓ−ｂｅｇｉｎｎｉｎｇは１０００Ａ（放電の始点）での電流分流温度であり、Ｔｓ−ｅｎｄは707Ａ（放電の終点）での電流分流温度である。また、Ｗ−ｃｏｎは、1秒パルス操作の超伝導導体の交流損失密度であり、Ｔ−ｍａｘは、断熱状態と仮定したときの1秒パルス操作後の超伝導導体の温度上昇を示す。
Ｂ．最適電流密度
超伝導導体の電流密度は３７．８Ａ／ｍｍ2である。コイル内の最大磁場が２．５Ｔに限定されているにもかかわらず、比較的低い値である。しかしながら、低い電流密度は、十分な温度余裕を満足するように設定した。温度余裕対導体電流密度の関係を図９に示す。導体電流密度は、ＮｂＴｉ／Ｃｕ成型撚線の断面積が一定としてアルミニウムの外径を変化させることにより変化させた。
【００４０】
例えば、３７．８Ａ／ｍ2の電流密度と２．５Ｔの磁場をもつ導体の温度上昇は、断熱状態を仮定した1秒パルスの後において７．２２Ｋである。７０７Ａ（放電の終点）での電流分流温度は８．０３Ｋである。
【００４１】
従って、温度余裕は０．８Kである。図９において、Ｗ−ａｌはアルミニウム部分の渦電流損を示し、低電流密度領域で大きくなることが分かる。設計電流密度でのアルミニウムの渦電流損は、アルミニウムの残留抵抗比（ＲＲＲ）が９．８５と低いために、ＮｂＴｉ／Ｃｕ成型撚線の結合損失に比べて無視できる程度のものである。本発明による超伝導導体においては、アルミニウム部分は交流損失を増加させることなく温度余裕を増加させるのに非常に有効である。
【００４２】
なお、図８中のＷ−ｃｏｎは全交流損失を示し、Ｗ−ａｌは1秒パルス操作中のアルミニウムの渦電流損失を示す。
Ｃ．漏れ磁場と機械強度
コイルのインダクタンスと磁気的蓄積エネルギーは、導体長さを一定に固定したとき、コイルの内径が増すほど大きくなる。大きな内径と短い軸長のコイルが一定インダクタンスにおいて、導体の長さを減少させるのに好ましい（図１０参照）。コイル内径は、漏れ磁場と導体応力の限界により制約される。漏れ磁場および導体応力をそれぞれコイルの内径の関数として図１１に示す。
【００４３】
漏れ磁場は、1ＭＪ、1秒瞬低対策ＳＭＥＳ用の２つのコイルの配列の中心から５ｍ離れた位置で計算した。2つのコイルを平行に置き、反対方向に磁化した。コイル巻線の層数を１４に固定し、コイルの長さは２Ｈの一定インダクタンスとなるように変えた。この結果、コイルの内径は、中心から５ｍ離れた位置で５ガウスの漏れ磁場の制限によれば、０．３ｍ以下とすべきである。漏れ磁場分布を図１２に示す。一方、コイルの内径は、コイルの応力限界が＜２０ＭＰａであることからも制限され、０．３５ｍ以下にする必要がある。
【００４４】
以上の（Ａ）〜（Ｃ）の観点から算出された１ＭＪパルスコイルシステムの最適な設計仕様を表４に示す。また、同設計のコイルのロードライン（ｌｏａｄｌｉｎｅ）を図１３に示す。
【００４５】
コイルは４．２Ｋ動作で大きな安定域をもつが、マージンは温度上昇に従って減少する。本発明にかかる超伝導導体の捻り巻線と、通常の巻線の性能比較を表５に示す。1秒放電の後の温度上昇の等高線図を図１４(a)〜(b)に示す。捻り巻線は、導体ＥＯ方向とコイル中の磁場方向とを整合するために導体の捻り角をコントロールしつつ巻かれたものである（図１４(a)参照）。通常巻線は導体の捻りなしに巻かれたものである（図１４(b)参照）。
【００４６】
捻り巻線は、1秒パルス操作後のその温度マージン内で動作されうる。しかしながら、通常巻線は電流分流温度をこえ、超伝導状態が破壊される（クエンチする）ことが分かる。
【００４７】
【表４】
2006203154.tif 000006
【００４８】
【表５】
2006203154.tif 000007
（実施例２）
この実施例は、以下の表６に示されるような電気的特性を有する本発明にかかる超伝導導体を用いて製作され、瞬低対策用に用いるＳＭＥＳ（超伝導電力貯蔵装置）の超伝導パルスコイル（蓄積エネルギー：１００KＪ）に適用したものである。この1００KＪ超伝導パルスコイルについて、以下のような条件で、冷却試験、定格通電試験、渦電流通電試験、高速遮断試験および繰り返し高速励磁試験をそれぞれ行った。
なお、この実施例では、スペーサは、高熱伝導率の電気的絶縁体であるダイニーマ繊維強化樹脂から形成され、１層当りのスペーサ数を４８（１周を４８分割）とし、これらのスペーサ間に素線絶縁した銅編線（リッツ線導体径：０．１ｍｍ、リッツ線長：およそ７０,０００ｍ、コイル内部のリッツ線の有効断面積：５，３８６ｍｍ2）を挿入することにより、伝導冷却に必要な高い冷却特性を実現した。
【００４９】
【表６】
2006203154.tif 000008
（１）冷却試験
この実施例にかかる伝導冷却型超伝導パルスコイルは、断熱真空容器（クライトスタット）に納められ、２台のＧＭ冷凍機によって伝導冷却を行なった。この２台のＧＭ冷凍機の合計の冷凍能力は、１段目は、５０Ｋで１２０Ｗであり、２段目は、４Ｋで３Ｗである。また、冷凍機への熱負荷を表７に示す。
【００５０】
【表７】
2006203154.tif 000009
この実施例にかかるパルスコイルの冷却曲線を図１５に示し、超伝導転移時の抵抗変化を図１６に示す。
【００５１】
なお、コイルの冷却は、液体窒素による2日間の強制冷却によりコイル温度が130Kになるまで冷却し、その後、小型冷凍機による伝導冷却を2日間実施して、4Kになるまで冷却することができた。夜間は液体窒素冷却を停止したため、延べ3日間（液化窒素強制冷却：1日、冷凍機伝導冷却：2日）で冷却が可能であった。これにより、コイル内の温度差はなく、均一に冷却されており、本発明にかかる伝導冷却コイルの優れた熱特性を確認することができた。
この際、図１７に示すように、コイル内の各所に、セルノックス温度計及び白金コバルト温度計を配置し、冷却および励磁中のコイル内の温度分布を測定した。また、熱特性測定のためのヒーターをコイル内面に配置して行なった。
（２）定格通電試験
【００５２】
図１８に示すように、定格電流1000Aで1時間の保持運転を行い、安定動作を確認した。冷凍機第2段の緩やかな温度上昇により、コイル温度が3．6Kから3．7Kへ上昇した。しかし、コイルから冷凍機第2段までの温度勾配（リッツ線の温度勾配）は一定に保たれていた。
（３）渦電流通電試験
図１９に示すように、コイル電流1230A（蓄積エネルギー150kJ）の過電流通電試験を実施した。10A／sの励磁・減磁速度での交流損失（16J＠123s）によるコイル温度上昇は約0．15Kであり、1230A、5分間の安定な通電保持に成功した。これによって、伝導冷却型超伝導パルスコイルの高い安定性を確認することができた。
（４）高速遮断試験
コイル電流1230Aから遮断時定数1．37秒（定格1秒放電時の約2倍の減磁速度）での高速電流遮断試験を実施した（時定数1．2秒での高速遮断時の交流損失は196J）。コイル内の温度上昇は、図２０に示すように、約0．8Kであり、コイル内の高い熱伝導特性を確認することができた。
【００５３】
また、コイル電流1230Aから時定数1．37秒での高速遮断時のコイル両端の発生電圧は、図２１に示すように、179Vであり、コイルの電気的絶縁が確保されていることを確認した。
【００５４】
さらに、図２２に示すように、コイル電流1230Aから時定数1．37秒での高速遮断時のコイルバランス電圧を観測した。定格減磁速度の倍の高速減磁を行っても、常伝導部の発生は見られなかった。伝導冷却型超伝導パルスコイルのパルス動作時の高い安定性を確認することができた。
（５）繰り返し励磁試験
図２３に示すように、励磁50A／s、減磁−50A／sで1000Aまでの三角波繰り返し励磁を20回実施した。1回の励磁／減磁の交流損失は28J／20s、1．4Wの交流損失が継続して発生するが、コイル内の温度上昇は1．1K以下に保たれた。冷凍機第2段の銅ステージの温度が0．65K上昇しており、コイル内はほぼ均一な温度であり、リッツ線部で0．45Kの温度勾配が発生していた。この繰り返し励磁試験の結果、伝導冷却コイルの高い除熱性能を確認することができた。
【００５５】
さらに、本発明において用いられるコイルの構成材料、銅およびアルミニウムについて、図２４に示すように、２０K以下の低温では、0.007〜 0.09m2/s、という高熱拡散率を有し、特に、３K〜１０Kの低温で、0.02〜0.9 m2/s、という高熱拡散率を有することが確認された。
【００５６】
また、巻線間に充填されたエポキシ樹脂や、巻枠を構成するガラス繊維強化樹脂も、５K以下の低温では、1.4 ×10-5 〜 1.2 ×10-4 m2/s のステンレスと同等以上の熱拡散率を有していることが確認された。
【００５７】
このことから、本発明にかかる伝導冷却型超伝導パルスコイルは、特に、１０K程度の極低温でも高い除熱性能を有していることが分かる。
【００５８】
なお、コイル構成部材に熱が拡散する時定数は、
熱拡散時定数＝（部材の厚さ）2／熱拡散率
で計算される。
【００５９】
リッツ線の平均長さ：１ｍ
コイル14層分の導体のアルミニウム部の厚み：８４ｍｍ
層間のエポキシ樹脂およびガラス繊維補強樹脂のボビン部の厚み：１０ｍｍ
とすると、
コイル内の各構成部材の熱拡散時定数は、図２５に示すように、４K付近では1秒程度となる。従って、コイル内及びリッツ線を介して冷凍機第2段までは、数秒程度の時定数で均温化できることが分かる。
【００６０】
上記の高速の熱拡散は、極低温のみで現れる特徴であり、液体窒素温度では熱拡散時定数が数100〜数1000秒程度になってしまうことが確認された。
【００６１】
したがって、この実施例にかかる超伝導パルスコイルでは、以下の(1)〜(6)のようなことが分かった。
1）実質3日間の冷却で、コイルを4Kまで冷却することができる。
2）定格電流1000Aで1時間の保持が可能であり、連続運転性能が確認された。
3）1，230A（蓄積エネルギー定格の1．5倍）の過電流を通電させることができる。
4）時定数1．37秒での高速遮断（定格放電時の2倍の減磁）でも、常伝導部は発生せず、高い安定性が確認された。
5）50A／s励磁、−50A／s減磁、ピーク値1000Aの三角波の連続通電が可能である。
6）コイルの各構成部材は、4Kでの熱拡散時定数1秒程度となり、数秒でコイル内および冷凍機第2段までが均温化されることが確認された。
【００６２】
このような伝導冷却型超伝導パルスコイルの優れた熱特性は、瞬低用超伝導電力貯蔵装置の超伝導パルスコイルに必要な1秒放電に余裕をもって対応できることを示している共に、連続パルス運転も可能であることが確認され、更なる応用範囲の拡大が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上説明したように、本発明の超伝導パルスコイルは、従来の液体ヘリウムによる浸漬冷却方式または超臨界圧ヘリウムによる強制冷却方式を用いることなく、取り扱いが容易でメンテナンスフリーである伝導冷却型または間接冷却型の超伝導パルスコイルとして有利であり、このような超伝導パルスコイルを用いて、取り扱いが容易で高信頼性の超伝導装置や瞬低対策用に好適な超伝導電力貯蔵装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明にかかる超伝導パルスコイルが適用された超伝導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）の概略的なブロック図である。
【図２】本発明にかかる超伝導パルスコイルを構成する超伝導導体の概略的な断面図である。
【図３】伝導冷却型超伝導コイルの断面構成を示す模式図である。
【図４】(a)は、巻枠に超伝導導体を巻き回すための巻線装置の概略を示す模式図であり、巻線に捻れを入れない状態を示し、(b)は、同じく巻線に捻れを入れた状態を示す。
【図５】伝導冷却型超伝導コイルのスペーサとリッツ線の位置関係を示す概略図である。
【図６】本発明にかかる超伝導パルスコイルを用いた超伝導装置（冷却構造）を示す概略図である。
【図７】実施例１にかかる超伝導パルスコイルの動作状態（放電、充電）を示すグラフである。
【図８】同じく、超伝導導体の許容磁場を示すグラフである。
【図９】同じく、超伝導導体の温度余裕対導体電流密度の関係を示すグラフである。
【図１０】同じく、コイル内径と必要導体長の関係を示すグラフである。
【図１１】同じく、コイル内径に対する漏れ磁場および導体応力の関係を示すグラフである。
【図１２】同じく、超伝導パルスコイルの漏れ磁場分布を示す等高線図である。
【図１３】同じく、超伝導パルスコイルのロードラインを示すグラフである。
【図１４】(a)は、本発明にかかる超伝導パルスコイルをなす捻れ巻線コイルの1秒放電後の温度上昇を示す等高線図であり、(b)は、通常の巻線コイルの1秒放電後の温度上昇を示す等高線図である。
【図１５】実施例２にかかる超伝導パルスコイルの温度変化（冷却曲線）を示すグラフである。
【図１６】同じく、超伝導パルスコイルの超伝導転移時のコイル抵抗変化を示すグラフである。
【図１７】同じく、超伝導パルスコイル内の温度計の配置個所を示す概略図である。
【図１８】同じく、超伝導パルスコイルの１時間連続通電試験におけるコイル電流およびコイル温度の変化を示す図である。
【図１９】同じく、超伝導パルスコイルの渦電流通電試験におけるコイル電流およびコイル温度上昇の変化を示す図である。
【図２０】同じく、超伝導パルスコイルの高速遮断試験におけるコイル電流およびコイル温度上昇の変化を示す図である。
【図２１】同じく、超伝導パルスコイルの高速遮断試験時のコイル電流およびコイル電圧の変化を示す図である。
【図２２】同じく、超伝導パルスコイルの高速遮断試験時のコイル電流およびコイルバランス電圧の変化を示す図である。
【図２３】同じく、超伝導パルスコイルの繰り返し励磁試験におけるコイル電流およびコイル温度上昇の変化を示す図である。
【図２４】同じく、超伝導パルスコイルを構成する各材料の熱拡散率の温度依存性を示す図である。
【図２５】同じく、超伝導パルスコイルを構成する各材料の熱拡散時定数を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１    ＡＣスイッチ
２    ＡＣ／ＤＣコンバータ
３    超伝導コイルシステム
４    電力貯蔵装置制御システム
５    補償電気負荷
１０  超伝導導体
１１  成型撚線
１２  アルミニウム
１３  ポリイミドテープ
１４  リッツ線
１５  スペーサ
【図１】
2006203154.tif 000010
【図２】
2006203154.tif 000011
【図３】
2006203154.tif 000012
【図４】
2006203154.tif 000013
【図５】
2006203154.tif 000014
【図６】
2006203154.tif 000015
【図７】
2006203154.tif 000016
【図８】
2006203154.tif 000017
【図９】
2006203154.tif 000018
【図１０】
2006203154.tif 000019
【図１１】
2006203154.tif 000020
【図１２】
2006203154.tif 000021
【図１３】
2006203154.tif 000022
【図１４】
2006203154.tif 000023
【図１５】
2006203154.tif 000024
【図１６】
2006203154.tif 000025
【図１７】
2006203154.tif 000026
【図１８】
2006203154.tif 000027
【図１９】
2006203154.tif 000028
【図２０】
2006203154.tif 000029
【図２１】
2006203154.tif 000030
【図２２】
2006203154.tif 000031
【図２３】
2006203154.tif 000032
【図２４】
2006203154.tif 000033
【図２５】
2006203154.tif 000034