(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイル締付金具によって締め付けられる超電導コイルを冷却する内槽容器と、該内槽容器の外側に位置する真空容器と、それらを接続して荷重の受渡しをする荷重支持材から構成される超電導コイル装置の設計方法において、超電導コイルの円弧部の外側に配置される左右荷重支持材を取り付ける左右荷重支持材の取付金具と、前記超電導コイルの円弧部の内側に配置される上下荷重支持材を取り付ける上下荷重支持材の取付金具とを配置するとともに、前記上下荷重支持材の取付金具の周囲の内槽容器表面に上下荷重支持補強材を配置することにより、前記上下荷重支持材の取付金具付近のコイル歪を低減し、振動により発生する前記超電導コイル締付金具の発熱を低減することを特徴とする超電導コイル装置の設計方法。
【請求項２】
超電導コイル締付金具によって締め付けられる超電導コイルを冷却する内槽容器と、該内槽容器の外側に位置する真空容器と、それらを接続して荷重の受渡しをする荷重支持材から構成される超電導コイル装置において、
（ａ）超電導コイルの円弧部の外側に配置される左右荷重支持材を取り付ける左右荷重支持材の取付金具と、
（ｂ）前記超電導コイルの円弧部の内側に配置される上下荷重支持材を取り付ける上下荷重支持材の取付金具と、
（ｃ）前記上下荷重支持材の取付金具付近のコイル歪を低減し、振動により発生する超電導コイル締付金具の発熱を低減するための、前記上下荷重支持材の取付金具の周囲の内槽容器表面に配置される上下荷重支持補強材とを具備することを特徴とする超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導コイル装置の設計方法及び超電導コイル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、試作機の試験結果において、超電導コイルと内槽容器を一体として評価したコイル＋内槽容器の固有モードの変形度合いと液体ヘリウム蒸発量の相関を求め、固有モードでの変形を少なくするよう内槽容器の支持方法を決めるようにしており、試験と改良を繰り返し行い問題を解決するようにしているのが実態である。
【０００３】
このため、液体ヘリウムの蒸発量増分、つまり発熱の原因と推測されている内槽容器内での構成部材間の相対的なフレッティングについての評価はできておらず、固有モード以外の、変形を伴わないコイル振動における冷却媒体の蒸発量の予測はできていない。また、フレッティングの問題を解決しようとすると、有限要素法の接触問題等で定義して計算する方法が挙げられるが、これはモデル化が複雑であるため設計方法としては現実的ではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
超電導コイルは、運転中に電磁力や機械的な加振力を受けて振動する。この時、超電導コイルとその冷却容器である内槽容器、それを締結している構成部材間、例えば、締付金具と超電導コイルの接触部で、フレッティングが発生するなどして発熱し、液体ヘリウム（冷却媒体）が蒸発する。蒸発したヘリウムは通常、再度冷凍して内槽容器に循環させているが、この蒸発量は、超電導コイルを冷却する設備の容量に大きく影響する。例えば、必要な液体ヘリウム冷凍能力を確保するのに、１０００倍の消費電力を要するというのが実態である。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑みて、超電導設備の運転に大きく影響する、超電導コイルの振動に伴い発生する熱を低減することができる超電導コイル装置の設計方法及び超電導コイル装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導コイル締付金具によって締め付けられる超電導コイルを冷却する内槽容器と、この内槽容器の外側に位置する真空容器と、それらを接続して荷重の受渡しをする荷重支持材から構成される超電導コイル装置の設計方法において、超電導コイルの円弧部の外側に配置される左右荷重支持材を取り付ける左右荷重支持材の取付金具と、前記超電導コイルの円弧部の内側に配置される上下荷重支持材を取り付ける上下荷重支持材の取付金具とを配置するとともに、前記上下荷重支持材の取付金具の周囲の内槽容器表面に上下荷重支持補強材を配置することにより、前記上下荷重支持材の取付金具付近のコイル歪を低減し、振動により発生する前記超電導コイル締付金具の発熱を低減することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕超電導コイル締付金具によって締め付けられる超電導コイルを冷却する内槽容器と、この内槽容器の外側に位置する真空容器と、それらを接続して荷重の受渡しをする荷重支持材から構成される超電導コイル装置において、超電導コイルの円弧部の外側に配置される左右荷重支持材を取り付ける左右荷重支持材の取付金具と、前記超電導コイルの円弧部の内側に配置される上下荷重支持材を取り付ける上下荷重支持材の取付金具と、前記上下荷重支持材の取付金具付近のコイル歪を低減し、振動により発生する超電導コイル締付金具の発熱を低減するための、前記上下荷重支持材の取付金具の周囲の内槽容器表面に配置される上下荷重支持補強材とを具備することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明にかかる有限要素法による１コイルの歪分布解析の説明図であり、図１（ａ）はその１コイルの模式図、図１（ｂ）はそのコイルの固定態様を示す図、図２はそのコイル締付金具毎の歪分布解析結果を示す図であり、横軸はコイル締付金具位置、縦軸は等価弾性歪の総和（×１０-6）である。
【０００９】
図１において、１は超電導コイル、２は超電導コイル締付金具、３は内槽（内槽容器）、４は超電導コイル１の円弧部７に配置される左右荷重支持材４′の取付金具、５は上下荷重支持材、６は超電導コイルの直線部、７は超電導コイル１の円弧部、８は超電導コイル１の円弧部７の内側に配置される上下荷重支持材５の取付金具である。
【００１０】
このような、内槽容器３内に配置される超電導コイル１を準備し、超電導コイル単体の上下機械加振を行い、超電導コイル上下振動とヘリウム（冷却媒体）蒸発量増分の関係を把握するとともに、解析によって超電導コイルの歪分布を求め、コイル歪と蒸発量増分の関係を解析と試験結果から評価する。
超電導コイル１の上下加振試験では、顕著なコイル変形がなくても蒸発量増分が発生すること、内槽部の温度測定結果からその蒸発量増分は上下荷重支持材５や左右荷重支持材４′の体積発熱等ではなく、主に内槽容器３内部で発生していることを確認した。
【００１１】
解析結果では、図２に示すように、上下荷重支持材５の取付金具８の影響と考えられる顕著な増分Ａが見受けられた。なお、Ｂは左右荷重支持材４′の取付金具４の影響と考えられる増分である。
このことから、超電導コイル１と上下荷重支持材５の取付金具８の間での荷重伝達において、コイル締付金具の荷重分担にアンバランスが生じ、特定のコイル締付金具に大きな負荷がかかることにより、振動による超電導コイル１と特定のコイル締付金具（図２の例では金具位置６等）間の摩擦に起因して発生する熱（Ｈｅ蒸発量増分）が大きいことがわかる。
【００１２】
そこで、歪解析により上下加振に伴うコイル周上での歪分布を求め、左右荷重支持材４′の取付金具４および上下荷重支持材５の取付金具８付近のコイル歪が大きいこと、特に、上下荷重支持材５の取付金具８でのコイル歪が突出していることを確認した。
さらに、コイル歪の大きい箇所≒発熱箇所と仮定し、その検証を行った。
【００１３】
すなわち、歪解析でコイル歪みが突出していた上下荷重支持材５の取付金具８付近のコイル歪を低減するために、上下荷重支持材５の取付金具８の周囲の内槽容器表面に上下荷重支持補強材９（図３参照）を配置して、振動試験を行って発熱が低減されることを確認した。
図３は本発明の実施例である補強材を配置した状態を示す図である。
【００１４】
この図から明らかなように、内槽容器３と上下荷重支持材５の取付金具８との接合部の内槽容器３の表面に上下荷重支持補強材９を配置する。
図４は本発明のコイル装置による場合と従来のコイル装置による場合の試験結果を示す図であり、図２の歪解析結果で明らかなように、左右荷重支持材４′を取り付けた取付金具４の影響を排除するため左右荷重支持材４′を取り外した状態で実験を行った。横軸は単位時間あたりの超電導コイル負担荷重振動：ＦＴＬ（ＭＮ／ｓ）、縦軸はＨｅ熱負荷増分（Ｗ）を示している。
【００１５】
この図から明らかなように、従来のコイル装置ｂ（■表示）によれば、Ｈｅ蒸発量増分がかなり高いのに対して、本発明のコイル装置ａ（◇表示）によれば、従来のコイル装置ｂの場合に比べて、Ｈｅ蒸発量を概略６０％低減することができる。
このように、本発明では、歪解析を基に、上下荷重支持材５の取付金具８付近に上下荷重支持補強材９を配置することにより、超電導コイル１の歪を緩和させる内槽容器３の補強を実施して、蒸発量低減効果を上下加振試験で確認した。
【００１６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００１７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、超電導コイルの冷却媒体の発熱を低減することができ、必要な冷却媒体の冷凍能力を抑えることができ、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる有限要素法による１コイルの歪分布解析の説明図である。
【図２】  本発明にかかるコイル締付金具毎の歪分布解析結果を示す図である。
【図３】  本発明の実施例を示す内槽容器表面補強材を配置した状態を示す図である。
【図４】  本発明のコイル装置による場合と従来のコイル装置による場合の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１    超電導コイル
２    超電導コイル締付金具
３    内槽（内槽容器）
４    左右荷重支持材の取付金具
４′    左右荷重支持材
５    上下荷重支持材
６    超電導コイルの直線部
７    超電導コイルの円弧部
８    上下荷重支持材の取付金具
９    上下荷重支持補強材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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