(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却効率、加工性に優れ、かつ電力損失を低減した超電導コイルを提供する。【解決手段】筒状絶縁性の巻枠１２ａ、１２ｂと、巻枠の外周面に巻き付けられている絶縁性のスペーサ１３ａ、１３ｂと、絶縁性のスペーサに巻き付けられている超電導線材１１ａ、１１ｂとを備え、スペーサ１３ａ、１３ｂは巻枠１２ａ、１２ｂに周方向に巻き付けられており、波型またはジグザグ状に屈曲しており、巻き付けられたスペーサ１３ａ、１３ｂの波型またはジグザグ状の山となる部分に超電導線材１１ａ、１１ｂを嵌合するための凹欠き部が複数、所定の間隔で設けられており、超電導線材１１ａ、１１ｂはスペーサ１３ａ、１３ｂの凹欠き部に嵌合して巻き付けられており、巻枠１２ａ、１２ｂの表面と巻き付けられた超電導線材１１ａ、１１ｂの表面との間にスペーサ１３ａ、１３ｂにより隙間が形成されている。【選択図】図１
2016178119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状絶縁性の巻枠と、
前記巻枠の外周面に巻き付けられている絶縁性のスペーサと、
前記絶縁性のスペーサに巻き付けられている超電導線材とを備え、
前記スペーサは、前記巻枠に周方向に巻き付けられており、波型またはジグザグ状に屈曲しており、巻き付けられた前記スペーサの前記波型またはジグザグ状の山となる部分に前記超電導線材を嵌合するための凹欠き部が複数、所定の間隔で設けられており、
前記超電導線材は、前記スペーサの前記凹欠き部に嵌合して巻き付けられており、前記巻枠の表面と巻き付けられた前記超電導線材の表面との間に前記スペーサにより隙間が形成されている
ことを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記超電導線材が、レアアースメタル系またはビスマス系のテープ状高温超電導線材であることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記巻枠と前記スペーサとをそれぞれ内層用と外層用の２個備え、内層用のスペーサが内層用の巻枠に、外層用のスペーサが外層用の巻枠にそれぞれ巻き付けられており、
前記内層用のスペーサは、前記外層用の巻枠の内側に配置されており、
前記内層用のスペーサと前記外層用のスペーサとに前記超電導線材を逆向きに巻き付けることにより、無誘導巻き構成とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体窒素などの冷媒に浸漬冷却して用いられる超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルは、抵抗ゼロで大電流を流すことができるため、限流器、リアクトル、マグネット等、電力用及び産業用のさまざまな機器へ応用されている。特に、液体窒素の温度で超電導性を有する高温超電導材料の発見を契機として有望視されるようになり、例えば超電導コイルを用いた限流器の開発が精力的に行われている。
【０００３】
このような限流器として、例えば、図４に示すように、同心円状の複数の巻き枠毎に巻線（超電導線材）が逆向きに巻かれて無誘導巻きに構成された超電導コイル２を冷媒３２が充填されたクライオ容器と称される断熱容器３１に収納することにより構成された限流器３がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
そして、このような限流器において、１つの巻き枠で無誘導を実現するために、図５に示すように、１つの巻枠２２に２つの巻線（超電導線材）２１ａ、２１ｂを互いに逆向きにして２層巻きにし、内側に巻回した層（巻線）２１ａと外側に巻回した層（巻線）２１ｂとが重なる部分に絶縁体２３を配置した無誘導巻き構成の超電導コイル２も用いられている。
【０００５】
また、コイル巻線が容易でかつ冷却効率の高い超電導コイルとして、図６に示す超電導コイルが考案されている。この超電導コイル４は、絶縁材で作られた２枚の端板４３の間に、同じく絶縁材で作られた複数本の支柱４４を設けた多角柱の籠状の巻枠４２に超電導線材を巻き付けて巻線４１を構成している。この超電導コイル４は、冷媒に浸漬冷却されるとき、巻線４１の外周面だけでなく、内周面も冷媒と接触するため、冷却効率に優れる。また、図７に示す超電導コイル４は、内層４ａと外層４ｂの２層からなり、それぞれに端板４３ａ、４３ｂ、支柱４４ａ、４４ｂを備える巻枠４２ａ、４２ｂおよび巻線４１ａ、４１ｂが設けられている。そして、このような構成とすることにより、内層４ａと外層４ｂの間の距離を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２４７７３３号公報
【特許文献２】特開２００８−２１０９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図５に示した超電導コイル２は、巻枠２２に直に巻線２１ａ、２１ｂが巻かれているため、片面しか直接冷媒に接することができず、線材の冷却を十分に確保することができない。また、絶縁体２３に挟み込まれた部位では、両面とも直接冷媒に接することができないため、さらに、冷却効率が低下する。
【０００８】
一方、図６、図７に示した超電導コイル４は、籠状の巻枠４２に超電導線材を巻き付けて巻線４１を構成させているため、図４に示した超電導コイル２より冷却効率は優れている。しかしながら、図７に示した超電導コイル４は、複数本の支柱４４を設けた多角柱の籠状の巻枠の作製が容易ではないため加工性に劣る。また、内層４ａと外層４ｂを別々に巻いて接続する必要があり、接続部で電力損失や局部的温度上昇が生じるという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は、冷却効率や加工性に優れ、電力損失が低減された超電導コイルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、
筒状絶縁性の巻枠と、
前記巻枠の外周面に巻き付けられている絶縁性のスペーサと、
前記絶縁性のスペーサに巻き付けられている超電導線材とを備え、
前記スペーサは、前記巻枠に周方向に巻き付けられており、波型またはジグザグ状に屈曲しており、巻き付けられた前記スペーサの前記波型またはジグザグ状の山となる部分に前記超電導線材を嵌合するための凹欠き部が複数、所定の間隔で設けられており、
前記超電導線材は、前記スペーサの前記凹欠き部に嵌合して巻き付けられており、前記巻枠の表面と巻き付けられた前記超電導線材の表面との間に前記スペーサにより隙間が形成されている
ことを特徴とする超電導コイルである。
【００１１】
請求項１に記載の発明においては、巻枠の表面に波型またはジグザグ状に屈曲したスペーサが巻き付けられており、スペーサの山部に設けられた凹欠き部に嵌合して超電導線材が巻き付けられる。このとき、巻き付けられた超電導線材とスペーサとの接触面積が小さくなり、超電導線材の裏面側と巻枠の表面との間には隙間が形成される。これにより、超電導線材は両面で充分に冷媒と接触することができ、充分に冷却される。この結果、冷却効率に優れる超電導コイルを提供することができる。
【００１２】
また、本請求項の発明に係る超電導コイルは、一般的な超電導コイルに用いられる巻枠の外周面にスペーサを巻き付けるだけで構成させることができるため、加工性にも優れる。
【００１３】
また、無誘導巻き構成とするために超電導コイルを２層構造とする場合に、内層と外層とを別々に巻く必要がなく、接続部を形成する必要もないため、電力損失が低減される。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、
前記超電導線材が、レアアースメタル系またはビスマス系のテープ状高温超電導線材であることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルである。
【００１５】
レアアースメタル系の高温超電導体は臨界電流密度や高磁場下での特性が優れている。一方、ビスマス系の高温超電導体は臨界温度が１１０Ｋと高い。このため、これらの高温超電導体を用いて形成された高温超電導線材は、本発明に係る超電導コイルを構成させる超電導線材として好ましい。また、テープ状であると、線材をより柔軟に曲げることができるため、超電導コイルを作製することが容易になる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、
前記巻枠と前記スペーサとをそれぞれ内層用と外層用の２個備え、内層用のスペーサが内層用の巻枠に、外層用のスペーサが外層用の巻枠にそれぞれ巻き付けられており、
前記内層用のスペーサは、前記外層用の巻枠の内側に配置されており、
前記内層用のスペーサと前記外層用のスペーサとに前記超電導線材を逆向きに巻き付けることにより、無誘導巻き構成とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導コイルである。
【００１７】
請求項３に記載の発明においては、請求項１または請求項２に記載の超電導コイルを用いて無誘導巻きを構成している。このため、冷却効率に優れ、加工性が良く、電力損失が低減されている。この結果、限流器（超電導限流器）用としてより好適な超電導コイルを提供することができる。
【００１８】
さらに、このような超電導コイルで無誘導巻きを構成した場合、外層および内層のいずれも内側に巻枠を有しており、また、外層と内層の間には隙間が形成されないため、機械的に堅牢である。また、外層の内側の巻枠を、例えば可撓性のあるプレスボード材を使用すれば、前記したように、内層と外層とを別巻にせず連続して巻き付けることができるため、従来のような接続部が不要となり、電力損失が低減する。なお、プレスボード材の上に熱硬化樹脂シートをさらに巻いてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、冷却効率、加工性に優れ、かつ電力損失を低減した超電導コイルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態の超電導コイルの構造を模式的に示す平断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態の超電導コイルに用いられるスペーサの斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態の超電導コイルに用いられるスペーサの正面図である。
【図４】従来の超電導コイルを用いた限流器の構造を模式的に示す図である。
【図５】従来の超電導コイルの一例を示す斜視図である。
【図６】従来の超電導コイルの他の一例を示す断面図および斜視図である。
【図７】従来の超電導コイルのさらに他の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施の形態に基づいて、図面を用いて説明する。
【００２２】
１．超電導コイル
はじめに本実施の形態の超電導コイルの構成について説明する。図１は本実施の形態の超電導コイルの構成を模式的に示す平断面図であり、内層と外層の２層構造を備えている超電導コイルの図である。また、図２は本実施の形態の超電導コイルに用いられるスペーサの斜視図である。図１、図２において１１ａ、１１ｂはそれぞれ内層および外層の巻線であり、１２ａ、１２ｂはそれぞれ内層および外層の巻枠であり、１３ａ、１３ｂはそれぞれ内層および外層のスペーサである。また、図２の１４は凹欠き部である。
【００２３】
内層のスペーサ１３ａ、外層のスペーサ１３ｂは平面視で波型に屈曲しており、それぞれ円筒状の巻枠１２ａ、１２ｂに巻き付けられている。また、内層のスペーサ１３ａの外接円の径は、外層の巻枠１２ｂの内径と等しい大きさであり、内層のスペーサ１３ａは外層の巻枠１２ｂに内接している。これにより、内層と外層の間隔が一定の間隔に保たれる。
【００２４】
また、内層の巻線１１ａと外層の巻線１１ｂは連なっており、内層のスペーサ１３ａと外層のスペーサ１３ｂとに逆方向に巻き付けられ、接続部を設けることなく無誘導巻きを構成している。
【００２５】
スペーサ１３ａ、１３ｂの内接円の径は、それぞれ巻枠１２ａ、１２ｂの外周の長さに略等しく、スペーサ１３ａ、１３ｂの幅は巻枠１２ａ、１２ｂの高さと略等しくなるように設定されている。また、スペーサ１３ａ、１３ｂが巻き付けられて山となる部分には、巻線１１ａ、１１ｂを嵌合するための凹欠き部１４が複数、所定の間隔で設けられている（図２参照）。
【００２６】
巻枠１２ａ、１２ｂの直径および高さは、用途に応じて、また、巻線１１ａ、１１ｂが冷媒と充分に接触して高い冷却を得ることや内層と外層との間に充分な距離を確保することなどを考慮して、適宜決定される。また、スペーサ１３ａ、１３ｂの波の高さ（屈曲高さ）は巻枠１２ａ、１２ｂの直径などに応じて適宜決定され、屈曲のピッチは冷却効率や巻線１１ａ、１１ｂの支持機能などを考慮して適宜決定される。
【００２７】
凹欠き部１４の深さはスペーサ１３ａ、１３ｂの屈曲高さより小さく、巻線１１ａ、１１ｂは凹欠き部１４に嵌合されてスペーサ１３ａ、１３ｂに巻き付けられている。これにより、巻線１１ａ、１１ｂとスペーサ１３ａ、１３ｂとが小さい面積で接触すると共に、巻枠１２ａ、１２ｂと巻線１１ａ、１１ｂとの間に隙間が形成されて、巻線１１ａ、１１ｂを良好に冷却することができる。
【００２８】
より詳細には、巻線１１ａの内周面と、巻枠１２ａの外周面およびスペーサ１３ａの谷側の外周面との間、さらには巻線１１ａの外周面と、巻枠１２ｂの内周面との間およびスペーサ１３ａの山側の内周面との間にそれぞれ隙間が形成される。また、巻線１１ｂの内周面と、巻枠１２ｂの外周面およびスペーサ１３ｂの谷側の外周面との間、さらには巻線１１ｂの外周面とスペーサ１３ｂの山側の内周面との間にそれぞれ隙間が形成される。
【００２９】
また、巻線１１ａ、１１ｂは、位置ずれが起きないように凹欠き部１４によって所定の間隔で巻き付けられている。凹欠き部１４の深さはこれらの隙間が偏りなく形成されるよう、スペーサ１３ａ、１３ｂの屈曲高さ等に応じて適宜決定され、幅は巻線の太さ（幅）に略等しい大きさに設定される。
【００３０】
２．スペーサ
スペーサ１３ａ、１３ｂの屈曲の形状は、図３（ａ）に示す波型の他に、図３（ｂ）に示す矩形など、多角形のジグザグに屈曲したものが用いることができる。この内でも、波型は屈曲形状を維持するのに充分な強度が得られやすいため好ましい。
【００３１】
スペーサは、巻枠に適切に巻き付けることができるという観点から、常温で柔軟性がある材料から構成されていることが好ましい。また、巻線との接触面積を小さく、かつ容積を増加させないという観点から、薄い材料を用いて製造されていることが好ましい。一方、使用時には変形しないだけの硬度が求められるという観点からは、液体窒素中に浸漬冷却された状態では硬度が増す材料が好ましい。
【００３２】
３．巻線
巻線には、例えば、液体窒素温度で超電導体となる酸化物超電導体を用いたテープ状の高温超電導線材が用いられる。このような高温超電導線材としては、ＹやＧｄ等のレアアースメタルなどを含むＲＥ１２３系（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ、ＲＥ：レアアースメタル）超電導体やＢｉ２２２３相などを主体とするＢｉ系超電導体からなる超電導層を形成させた公知のテープ状の超電導線材が挙げられる。また、テープ状の金属系超電導線材も用いることができる。
【００３３】
巻線の巻回回数、巻線の断面形状、外形断面及び超電導層断面の寸法、臨界電流値（Ｉｃ）などの電気的特性などは超電導コイルの用途などに応じて適宜選択される。
【００３４】
４．巻枠
巻枠の筒の形状は特に限定されないが、機械的な堅牢性を考慮すると、円筒状が好ましく、巻枠は薄くて堅牢なものが好ましく、プレスボード材を使用した場合には、前記したように、内層と外層とを別巻にせず連続して巻き付けることができ、従来のような接続部が不要となって電力損失が低減する。また、プレスボード材に替えて、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などのＦＲＰを用いてもよい。
【００３５】
このように、本実施の形態に係る超電導コイルは、加工性および冷却機能に優れると共に、接続部での電力損失および局部的発熱がないという優れた性能を有する。また、過大な電流が流れたときに高速で超電導状態が消失してインピーダンスが上昇すると共に、過大電流が流れなくなったときには、容易に元の超電導状態に復帰させることができるため、限流器用超電導コイルとして好適である。
【００３６】
以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１、２、４                                              超電導コイル
３                                                      限流器
４ａ                                                    内層
４ｂ                                                    外層
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、４１、４１ａ、４１ｂ    巻線
１２ａ、１２ｂ、２２、４２、４２ａ、４２ｂ              巻枠
１３ａ、１３ｂ                                          スペーサ
１４                                                    凹欠き部
２３                                                    絶縁体
３１                                                    断熱容器
３２                                                    冷媒
４３、４３ａ、４３ｂ                                    端板
４４、４４ａ、４４ｂ                                    支柱
【図１】
2016178119.tif 000003
【図２】
2016178119.tif 000004
【図３】
2016178119.tif 000005
【図４】
2016178119.tif 000006
【図５】
2016178119.tif 000007
【図６】
2016178119.tif 000008
【図７】
2016178119.tif 000009