(57)【要約】【課題】高温超電導導体の長所と低温超電導導体の長所をあわせもちコンパクトで安定な複合超電導導体および超電導磁石を提供する。【解決手段】複数の異なる特性の超電導導体を並列して成り、前記超電導導体の少なくとも２つが超電導臨界電流密度、超電導臨界磁界及び超電導転移温度の少なくとも１つにおいて２．５倍以上異なる構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる特性の超電導導体を並列して成り、前記超電導導体の少なくとも２つが超電導臨界電流密度、超電導臨界磁界及び超電導転移温度の少なくとも１つにおいて２．５倍以上異なることを特徴とする複合超電導導体。
【請求項２】
前記複数の超電導導体は、交流損失の相異が１０倍以下であることを特徴とする請求項１記載の複合超電導導体。
【請求項３】
前記複数の超電導導体は、相互に電気的に接触し、あるいはツイストされ、あるいは所定間隔毎に転位されていることを特徴とする請求項１記載の複合超電導導体。
【請求項４】
前記複数の超電導導体の長さ方向に沿う補強材を備えていることを特徴とする請求項１記載の複合超電導導体。
【請求項５】
請求項１に記載の複合超電導導体を巻回されてなるコイルを備え、前記複合超電導導体の超電導特性が前記コイルの内周部と外周部で異なることを特徴とする超電導磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導電力貯蔵装置やパルス磁場発生装置等に用いられる複合超電導導体および超電導磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導電力貯蔵装置やパルス磁場発生装置等の超電導磁石において、蓄積エネルギーを短時間に放出する場合、磁石自体の交流損失で磁石温度が上昇する。この温度上昇が超電導導体の超電導転移温度を超えると、超電導磁石はクエンチ（常電導転移）する。低温超電導導体からなる超電導磁石の場合には、クエンチまでの温度マージンが高温超電導導体からなる超電導磁石に比較して小さいため、急激な温度上昇を伴う運転には不向きである。
【０００３】
他方、高温超電導導体の場合には、超電導臨界温度が低温超電導導体に比較して高いために、クエンチまでの温度マージンが大きい。しかし、超電導臨界温度以下でクエンチに至らない場合においても、温度上昇に伴う超電導臨界電流密度の低下のために超電導磁石のフロー損失が増加して、冷却が不足すると超電導磁石が熱暴走する場合がある。そのために、エネルギー放出は、交流損失やフロー損失による発熱に対して、超電導導体が熱的に安定であることが一つの条件になっている。（下記非特許文献１参照）
【０００４】
また、高温超電導導体は低温超電導導体に比較して、超電導臨界磁界と超電導転移温度が高い反面、一般に高価で、交流損失が大きく、また許容歪が小さい上に剛性が低いため巻線作業が難しい等の欠点がある。このため、超電導磁石装置における高温超電導導体の適用は、低温超電導導体では実現できない運転温度や、高温超電導導体でしか到達できない高磁界発生箇所、あるいは低温超電導導体よりも超電導臨界電流が高くとれるような条件下で適用するのが一般的である。（下記非特許文献２参照）
更に、多くの場合、高温超電導導体の剛性の低さを補う目的で、高温超電導導体には金属材料の補強材を付与してコイルにすることが一般的である。
【０００５】
【非特許文献１】
１９９９年度秋季低温工学・超電導学会講演予稿集Ｂ３−１５
「高速励磁型Ｎｂ３Ｓｎマグネット」
【非特許文献２】
２００２年度秋季低温工学・超電導学会講演予稿集２Ｄ−ａ０５
「Ｂｉ２２２３線材による高温超電導パンケーキ型コイルの開発（２）」
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように高温超電導導体を用いた超電導磁石は、低温超電導導体を用いた超電導磁石に比較して、超電導臨界温度が高いために許容温度上昇に関する温度マージンが大きい反面、交流損失が大きいために上昇温度も高いという問題がある。また高温超電導導体の剛性を補強する場合、補強材を設けることによりコイル電流密度が低下するため、必要な起磁力を確保しようとすると、コイルが大型化するという問題がある。
【０００７】
更に、交流損失で超電導磁石の温度が上昇した直後にも依然として超電導状態であって、かつ、通電できることが求められる場合、仮に温度上昇以前には低温超電導導体によっても通電電流の一部を担えたとしても、温度上昇後の通電の条件から、高価な高温超電導導体による磁石構成を選択せざるを得ないという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、高温超電導導体の長所と低温超電導導体の長所をあわせもちコンパクトで安定な複合超電導導体および超電導磁石を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は複合超電導導体であり、複数の異なる特性の超電導導体を並列して成り、前記超電導導体の少なくとも２つが超電導臨界電流密度、超電導臨界磁界及び超電導転移温度の少なくとも１つにおいて２．５倍以上異なる構成とする。
【００１０】
請求項２の発明は、前記複数の超電導導体は、交流損失の相異が１０倍以下である構成とする。
請求項３の発明は、前記複数の超電導導体は、相互に電気的に接触し、あるいはツイストされ、あるいは所定間隔毎に転位されている構成とする。
【００１１】
請求項４の発明は、前記複数の超電導導体の長さ方向に沿う補強材を備えている構成とする。
請求項５の発明は超電導磁石であり、請求項１に記載の複合超電導導体を巻回されてなるコイルを備え、前記複合超電導導体の超電導特性が前記コイルの内周部と外周部で異なる構成とする。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の複合超電導導体の断面図である。
図１（ａ）に示す複合超電導導体３は１本の円形断面の高温超電導導体１と１本の円形断面の低温超電導導体２を並列にした構成であり、図１（ｂ）に示す複合超電導導体３は複数本の円形断面の高温超電導導体１と複数本の円形断面の低温超電導導体２を矩形に並列にした構成であり、図１（ｃ）に示す複合超電導導体３は複数本の円形断面の高温超電導導体１と複数本の円形断面の低温超電導導体２を円形に並べた構成であり、図１（ｄ）に示す複合超電導導体３は矩形断面の高温超電導導体１と矩形断面の低温超電導導体２を並列にした構成である。
【００１３】
高温超電導導体１および低温超電導導体２としては、図２に示すように、それぞれＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８，（ＢｉＰｂ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０，ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７，およびＮｂＴｉ，Ｎｂ３Ｓｎ，Ｎｂ３Ａｌを用いることができる。図２にはこれらの超電導導体の超電導臨界電流密度、上部臨界磁場および超電導転移温度も示してある。
【００１４】
本実施の形態に係る複合超電導導体は、高温超電導導体１と低温超電導導体２を一体化させて、一つにまとめた複合超電導導体３に形成したものである。高温超電導導体１と低温超電導導体２の種類と本数は、それぞれ異なる種類を異なる本数備えてもよい。その際、高温超電導導体１と低温超電導導体２の少なくとも２つが、その超電導臨界電流密度、超電導臨界磁界及び超電導転移温度の少なくとも１つが、２．５倍以上異なるようにするのがよい。また、高温超電導導体１の交流損失に対して低温超電導導体２の交流損失が１／１０倍以下の組合せにするのがよい。
【００１５】
本実施の形態では、高温超電導導体１と低温超電導導体２を組み合わせた複合超電導導体３にすることで、低温超電導導体２が単独の場合における温度マージンが低い問題、一方、高温超電導導体１が単独の場合における、剛性が低く、かつ、導体コストが高い問題を回避することができる。本実施の形態の複合超電導導体は、高温超電導と低温超電導の両方の特長を備えている。したがって安定で蓄積エネルギーを短時間で放出することができるコンパクトな超電導磁石を実現することができる。
【００１６】
図３は、本発明の第２の実施の形態の複合超電導導体を示す概念図である。本実施の形態では高温超電導導体１と低温超電導導体２とが電気的に接触しており、図３（ａ）では、所定の区間ごとに転位を施してある。図３（ｂ）では高温超電導導体１と低温超電導導体２をツイスト（より合せ）してある。
【００１７】
本実施の形態では、複合超電導導体３を構成する高温超電導導体１と低温超電導導体２のインピーダンスの差異を解消することができるので、超電導導体１，２における電流の偏流を回避することができる。また超電導導体１，２間の転流の時定数を小さくすることができるので、超電導導体１，２間の転流に長時間必要とする問題を回避することができる。
【００１８】
このように、本実施の形態の複合超電導導体は、複数の高温超電導導体１と低温超電導導体２を電気的に接触させて、かつ転位が施されているので、高温超電導と低温超電導の両方の特長を備えている。したがって安定で蓄積エネルギーを短時間で放出することができるコンパクトな超電導磁石を実現することができる。
【００１９】
図４は、本発明の第３の実施の形態の複合超電導導体を示す断面図である。本実施の形態の複合超電導導体３は高温超電導導体１と低温超電導導体２と補強部材４からなる。補強部材４としては、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、ニッケル合金、金属酸化物繊維、カーボン繊維のいずれかのうち少なくとも１つを用いる。
【００２０】
本実施の形態の複合超電導導体３は、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、ニッケル合金、酸化物繊維、カーボン繊維のいずれかのうち少なくとも１つからなる補強部材４を備えているので、高い機械的強度を有し、高温超電導と低温超電導の両方の特長を備えている。したがって、安定でコンパクトな超電導磁石を実現することができる。
【００２１】
つぎに本発明の第４の実施の形態の超電導磁石について説明する。
本実施の形態の超電導磁石は図５に示すように、同芯状に配置された超電導コイル５および６からなる。超電導コイル５と超電導コイル６はグレーディングされ、異なる構成の複合超電導導体３ａ，３ｂにより構成されている。
【００２２】
すなわち、複合超電導導体３ａにおける高温超電導導体の占積率を複合超電導導体３ｂに比較して大きくするか、または構成する超電導導体の本数を増やすかの少なくともどちらか一方とする。この構成によって、超電導コイル５が超電導コイル６に比較して高磁界側に位置することから、磁場の大きさに応じた適切な通電容量を有する超電導磁石を実現することができる。
【００２３】
あるいは、複合超電導導体３ａを複合超電導導体３ｂに比較して、より交流損失が小さい超電導導体で構成するか、または交流損失が小さい超電導導体の占積率を大きくするかの少なくともどちらか一方とする。この構成によって、超電導磁石をパルス運転する際に、超電導コイル５では超電導コイル６に比較してより磁場変化量が大きくなることから、磁場変化量に応じた適切な低損失化を実現することができる。
【００２４】
あるいはまた超電導コイル５の温度環境が超電導コイル６の温度環境と異なる場合に、より温度が高い環境におかれる側の複合超電導導体において、他方の複合超電導導体に比較して、高温超電導導体の占積率を大きくする。このようにすることで、温度環境に応じた適切な通電容量を有する超電導磁石を実現することができる。
【００２５】
なお、超電導コイル５，６の数は３個以上あってもよいし、１個の超電導コイル５，６の内部を複数の複合超電導導体でグレーディングしてもよい。また、超電導コイル５，６は蓄積エネルギーの一部あるいは全体を放出した直後にも超電導状態を保持していることが望ましい。
【００２６】
このように、本実施の形態の超電導磁石は、複合超電導導体３ａにより構成される超電導コイル５と複合超電導導体３ｂにより構成される超電導コイル６とでグレーディングされているため、高温超電導と低温超電導の両方の特長を備え、安定で、かつ蓄積エネルギーを短時間で放出が可能で、コンパクトな超電導磁石を実現することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、高温超電導導体の長所と低温超電導導体の長所をあわせもちコンパクトで安定な複合超電導導体および超電導磁石を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の４種類の複合超電導導体を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の複合超電導導体を構成する高温超電導導体および低温超電導導体を示す表。
【図３】本発明の第２の実施の形態の２種類の複合超電導導体を示す側面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の４種類の複合超電導導体を示す断面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の超電導磁石を示す断面図。
【符号の説明】
１…高温超電導導体、２…低温超電導導体、３，３ａ，３ｂ…複合超電導導体、４…補強部材、５，６…超電導コイル。
【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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