(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線を巻枠に巻回して構成されるコイル部を２層以上有する超電導コイル装置において、前記各コイル部を予め層毎に独立の部材として構成し、内側の層の超電導線は機械的に巻枠に固定され、外側の層の超電導線は、前記内側の層の超電導線の固定端部近傍位置に先端部を重ねて半田付けによって電気的に接続されて複数層に構成し、２層目以上の層の巻枠は、その内側の層から超電導線が立ち上がる部分に切欠を有することを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
一の層から異なる層に電気的に接続される超電導線の端部の曲率径は、その超電導線に生じるひずみが０．１５％以下となるように設定したことを特徴とする請求項１記載の超電導コイル装置。
【請求項３】
各層の超電導線は半田付けによって接合され、その半田付けの長さは１ｃｍ以上に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の超電導コイル装置。
【請求項４】
コイル部の層数は３層以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項５】
内側の層から外側の層への超電導線の亘り部分に、超電導線を固定保持するための非磁性材料製の固定台を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項６】
固定台の最大高さが線径またはテープ等価直径のｅ倍以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項７】
固定台に超電導線の線径または幅よりも幅が広い溝を形成し、この溝に前記超電導線を沿わせたこと特徴とする請求項５または６記載の超電導コイル装置。
【請求項８】
固定台は、内側の層の超電導線の表面に接合される部分に溝を有すること特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項９】
超電導線はテープ状であり、各層ごとに２枚以上を重ねた状態で巻回されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項１０】
２枚以上のｍ枚を重ねた超電導線を用い、内側の層の巻枠側からｍ枚目と、その外側の層の巻枠側の１枚目とを接続するともに、前記内側の層の巻枠側からｍ−１枚目とその外側の層の巻枠側から２枚目とを接続し、以下同様の順に接続することにより、テープ状の超電導線の総長がそれぞれ等しくなる接続構成としたことを特徴とする請求項９に記載の超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば抵抗型限流器等に適用される大型の超電導コイル装置に係り、特に別個に製作した各層のコイルを連結して複数層とする場合の損失低減等を図った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、金属系超電導線、酸化物系超電導線等の超電導線を複数層巻回して構成される大型の超電導コイル装置においては、各層を個別に独立して製作し、各層の超電導コイル同士を金属製の電極で連結することが行われている。これは、複数の層を全体として一体的に構成する場合に比し、独立で製作する方が製作性が高いことによる。
【０００３】
また、抵抗型限流器の素子または、ＰＣＳ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｗｉｔｃｈ：永久電力スイッチ）のように無誘導コイルを製作する場合、連結部を短くするためには、同一の向きの層を直列接続することが望ましいが、そのような場合、連続で巻くことが困難であるため、各層独立に製作し、電極で各層を連結するのが一般的である。
【０００４】
図６（ａ），（ｂ）は、このような従来の一般的な超電導コイル装置の構成を説明するための図である。
【０００５】
即ち、図６（ａ），（ｂ）に示すように、内側に配置されるコイル（ｎ−１層）は円筒状の巻枠２に超電導線１を巻回して構成されており、外側に配置されるコイル（ｎ層）はｎ−１層よりも大径な巻枠６に超電導線７を巻回して構成されている。
【０００６】
これらの各コイルは個別に製作されており、製作後、図示のように各超電導線材１，７の端部が、両端に電極１９を有する接続具（例：銅製）２０によって接続されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した超電導コイル装置においては、超電導線１，７を互いに接続するための銅等の金属製連結具２０の電極部１９において、交流損失が大きくなり、コイル全体としての効率が悪くなる。また、コイルに対して突起物が生じることから、高電圧をかけた場合にサージ電圧に対して電界集中を起こす等の問題点がある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、各層の超電導線同士の接続部の損失低減が図れるとともに、電界集中が起きにくい超電導コイル装置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】
前記の目的を達成するため、請求項１の発明では、超電導線を巻枠に巻回して構成されるコイル部を２層以上有する超電導コイル装置において、前記各コイル部を予め層毎に独立の部材として構成し、内側の層の超電導線は機械的に巻枠に固定され、外側の層の超電導線は、前記内側の層の超電導線の固定端部近傍位置に先端部を重ねて半田付けによって電気的に接続されて複数層に構成し、２層目以上の層の巻枠は、その内側の層から超電導線が立ち上がる部分に切欠を有することを特徴とする超電導コイル装置を提供する。
【００１０】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、各層を独立に製作し、超電導線同士を直接に、つまりスイッチバックにより電気的に接続することで、無誘導コイルにおいても交流損失を低減でき、したがって金属の突起物を不要とすることができる。
【００１５】
請求項２の発明では、一の層から異なる層に電気的に接続される超電導線の端部の曲率径は、その超電導線に生じるひずみが０．１５％以下となるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置を提供する。
【００１６】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、次の層へ超電導線が亘る軌跡の曲率径について、発生するひずみが０．１５％以下となるように設定したことにより、ひずみによる性能劣化を防止することができる。
【００１７】
請求項３の発明では、各層の超電導線は半田付けによって接合され、その半田付けの長さは１ｃｍ以上に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル装置を提供する。
【００１８】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、超電導線を半田付けする長さは交流抵抗がほとんど変化しない１ｃｍ以上あれば十分である。
【００１９】
請求項４の発明では、コイル部の層数は３層以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超電導コイル装置を提供する。
【００２０】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、３層以上のコイルにも交流損失を低減することができ、金属の突起物を不要とすることができる。
【００２１】
請求項５の発明では、内側の層から外側の層への超電導線の亘り部分に、超電導線を固定保持するための非磁性材料製の固定台を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超電導コイル装置を提供する。
【００２２】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、超電導線を固定する台を備えることで、接続部分の線材の劣化を防ぐことが可能となる。
【００２３】
請求項６の発明では、固定台の最大高さが線径またはテープ等価直径のｅ倍以上であることを特徴とする請求項５記載の超電導コイル装置を提供する。
【００２４】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、固定台の高さが超電導線の等価直径のｅ倍以上あることで、内側の層の超電導線の磁界の影響を抑え、磁界により発生する交流損失を低減させることが可能となる。
【００２５】
請求項７の発明では、固定台に超電導線の線径または幅よりも幅が広い溝を形成し、この溝に前記超電導線を沿わせたこと特徴とする請求項５または６記載の超電導コイル装置を提供する。
【００２６】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、固定台の上の溝に線材を入れることで、接続部分の超電導線の保護が図れる。
【００２７】
請求項８の発明では、固定台は、内側の層の超電導線の表面に接合される部分に溝を有すること特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の超電導コイル装置を提供する。
【００２８】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、固定台の下に溝を設けることで、内側の層の超電導線の冷却を阻害することが防止できる。
【００２９】
請求項９の発明では、超電導線はテープ状であり、各層ごとに２枚以上を重ねた状態で巻回されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の超電導コイル装置を提供する。
【００３０】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、超電導線の枚数を２枚以上とすることで、電流容量を高めた場合にも低損失とすることができるという利点がある。
【００３１】
請求項１０の発明では、２枚以上のｍ枚を重ねた超電導線を用い、内側の層の巻枠側からｍ枚目と、その外側の層の巻枠側の１枚目とを接続するともに、前記内側の層の巻枠側からｍ−１枚目とその外側の層の巻枠側から２枚目とを接続し、以下同様の順に接続することにより、テープ状の超電導線の総長がそれぞれ等しくなる接続構成としたことを特徴とする請求項９に記載の超電導コイル装置を提供する。
【００３２】
本発明に係る超電導コイル装置によれば、各超電導線をそれぞれ内外対応して、即ち入れ子となるように接続することで、用いる線材の総長を揃えることが可能となり、電流容量を高めた場合にも偏流を防ぐことができ、その観点からも低損失にできるという効果が期待できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超電導コイル装置の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
【００３４】
第１実態形態（図１〜図３）
図１は基本的な構成例を示したものである。図１（ａ）は内側の層（ｎ−１層）の構成を示し、同図１（ｂ），（ｃ）は内側の層を外側の層（ｎ層）に連結した構成を示している。
【００３５】
本実施形態では、図１（ａ）に示すように、まず内側の超電導線１を円筒状の巻枠２に右回転により巻回し（右巻）、その超電導巻線１の一端を巻枠２の所定の固定位置３に位置決めし、半田付けによって固定する。なお、固定位置３には予め巻枠２と同一の曲率を有する金属製、例えば銅製の固定ブロックを設置しておくことが望ましい。
【００３６】
次に、内側層の超電導線１の固定端部付近の表面に対して半田４による接合位置を設定し、その後図１（ｂ），（ｃ）に示すように、外側層の超電導線７の先端部を重ねて半田４によって接合する。
【００３７】
この後、端部に切欠５を有する大径な前記同様の円筒状の外側の巻枠６を内側の巻枠２の外周側に被せ、切欠５を介して外側の超電導線７を巻枠６に右巻で巻装し、２層のコイルを製作する。超電導線７の曲率半径Ｒは、生じるひずみが０．１５％以下となるように設定してある。
【００３８】
このような構成によると、スイッチバック方式で直接、ｎ−１層の超電導線１とｎ層の超電導線７とを接続した構成とするので、ひずみによる性能劣化がなく、また銅電極で接続した従来のものに比して、接続部の損失を低減することができる。
【００３９】
図２は、半田付け長さを１ｃｍ，５ｃｍ，１０ｃｍとした場合の半田長さと損失との関係を実験結果により示したものである。この図２に示したように、本実施形態によれば、損失が極めて少ないことが認められる。
【００４０】
図３は超電導線１，７の接合部を固定台によって固定した具体的な構成を示している。
【００４１】
この例では、幅３．９ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＢｉ２２２３テープを超電導線とした２層の１００Ｖ２０Ａ級無誘導コイルを適用したものである。
【００４２】
まず、右巻きで１層目の超電導線１を巻枠２に巻回し、その超電導線１の端部を所定の固定位置３で半田付けにより固定し、超電導線を切断する。次に、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、例えば非磁性、例えばＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ：ガラス繊維強化プラスチック）製の固定台８を巻枠２にボルト等の締結具１０によって固定する。この固定台８は、例えば断面コ字形で、両方に溝９，１１を有する。この溝９，１１は、超電導線１，７を挿入できる大きさで、巻回方向に沿って形成されている。そして、超電導線１よりも１ｃｍ手前位置で半田を３ｃｍ付け、２層目の超電導線７を３ｃｍ分半田づけして、その超電導線７が張られた状態で、２層目の巻枠６を被せて構成される。
【００４３】
そして、高さ１ｃｍ、曲率半径１０ｃｍの固定台８の溝９の中に超電導線７を挿入し、２層目の超電導線７を巻枠６に右巻きで巻装し、コイルを製作する。固定台８の２層目の巻枠６と接するところは同一高さになっており、超電導線７はスムーズに固定台８から巻枠６へ巻かれていく。この固定台８は前記幅３．９ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのテープ状超電導線の等価直径のｅ倍よりも十分高い高さを有する。
【００４４】
以上の構成を有する本実施形態の超電導コイル装置によれば、ひずみによる性能劣化がなく、銅電極で接続した従来の場合と比較して、接続部の損失を８％から０．１２％に低減することができる。
【００４５】
第２実態形態（図４）
図４は本発明の第２実施形態を説明するための具体的な構成図である。
【００４６】
本実施形態では、超電導導体として幅３．９ｍｍ、厚み０．２４ｍｍのＡｇ合金Ｂｉ２２２３超電導テープを２枚ずつ重ねて用いた２層の無誘導コイルを構成したものであり、１層目の径を２０ｃｍ、２層目の径を２２ｃｍとしたものである。
【００４７】
即ち、１枚目超電導線１２および２枚目超電導線１３を１層目としてＧＦＲＰ製の溝付き巻枠２に右巻で巻回し、まず１枚目超電導線１２の端部を固定位置３で銅製の巻枠２に半田付け（４）により固定した後、切断する。２枚目超電導線１３は、１枚目超電導線１２の固定位置３よりも１０ｃｍ手前の位置でその１枚目超電導線１２の表面に半田付け（４′）して固定した後切断する。
【００４８】
次に、半田４′の位置よりも２ｃｍ手前の２枚目超電導線１３の表面に半田４ａを３ｃｍの長さで付け、ここに２層目の１枚目超電導線１４を半田付けする。さらに、１層目の１枚目超電導線１２の端部の固定位置３よりも２ｃｍ手前の表面に、２層目の２枚目超電導線１５を半田（４ｂ）付けし、これら各超電導テープ１４，１５に４ＭＰａの張力をかけた状態で、２層目のＧＦＲＰ製の溝付き巻枠６を被せる。なお、１層目の各超電導コイル１２，１３も４ＭＰａの張力で巻かれていることは言うまでもない。
【００４９】
そして、２層目の巻枠６に右巻きで巻き線を行い、コイルを製作する。これにより、コイルとしてのテープ総長は、５０ｍと５０．１ｍとなり、ほとんど一致させることができる。
【００５０】
本実施形態によれば、限流素子用として６．６ｋＶ１００Ａ級限流器用無誘導素子を製作したところ、用いるテープの長さが等しくなる構成とすることができ、これにより偏流の低減および通常損失の減少が図れ、効率９９％以上の素子が得られる。
【００５１】
第３実態形態（図５）
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の第３実施形態を説明するための具体的な構成図である。
【００５２】
本実施形態は、Ａｇ合金Ｂｉ２２１２テープ１枚を超電導線とした３層の無誘導コイルについてのものであり、１層目は径が２０ｃｍ、２層目は径が２２ｃｍ、３層目は径が２４ｃｍである。
【００５３】
本実施形態においては、２層目までは前記の第１実施形態と同一の手順で作成した。
【００５４】
次に、このコイルの上下を逆にして、図示しない巻とり機に取付け、２層目の巻き終り位置１６で半田付けされている部分から３ｃｍ手前の超電導線７の上に半田を４ｃｍつけ、３層目の超電導線１７を４ｃｍ分半田付けし、この超電導線１７が張られた状態で、３層目の巻枠１８を被せる。そして３層目の巻枠１８に右巻きで超電導線１７の巻き線を行い、コイルを製作する。
【００５５】
本実施形態によってＰＣＳを製作したところ、永久電流モード時間が１２時間という高性能が得られた。
【００５６】
【発明の効果】
以上の実施形態で詳述したように、本発明によれば、２層以上の層を独立に製作する超電導コイル装置にあって、超電導線同士を直接、半田付けで接続することにより、低損失化および電界集中の大幅な抑制が図れるという、優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明に係る超電導コイル装置の第１実施形態を示すもので、基本構成についての説明図。
【図２】前記実施形態による損失と半田付け長さとの関係を示すグラフ。
【図３】（ａ），（ｂ）は前記第１実施形態の具体的な構成を示す図。
【図４】本発明に係る超電導コイル装置の第２実施形態を示す具体的な構成図。
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明に係る超電導コイル装置の第３実施形態を示す具体的な構成図。
【図６】（ａ），（ｂ）は従来例を示す説明図。
【符号の説明】
１  超電導線
２  （ｎ−１層目の）巻枠
３  （超電導線の）固定位置
４  半田
５  切欠
６  （ｎ層目の）巻枠
７  （ｎ−１層目の）超電導線
８  （非磁性の）固定台
９  （超電導線の入る）溝
１０  締結具
１２  （ｎ−１層の）１枚目超電導線
１３  （ｎ−１層の）２枚目超電導線
１４  （ｎ層の）１枚目超電導線
１５  （ｎ層の）２枚目超電導線
１６  （ｎ＋１層目の端部の）固定位置
１７  （ｎ層目の）超電導線
１８  （ｎ＋１層目の）巻枠
１９  （銅）電極
２０  接続具
２１  超電導線が亘る部分の曲率
【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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【図６】
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