成蹊大学理工学研究報告
J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ.
Vol.44 No.1 (2007) pp.11-16

Bi2223/Ag 高温超電導テープ線材を用いたダブルパンケーキコイルのクエンチ特性
松浦 宏行＊1，石郷岡猛＊２，二ノ宮晃＊3

Measurement of Quench Characteristics of HTS Tape and CoilHiroyuki MATSUURA＊1, Takeshi ISHIGOHKA＊2, Akira NINOMIYA＊3,
ABSTRACT： Different from low temperature superconductors, Bi-2223/Ag HTS (High TemperatureSuperconductor) tapes have lower “n” value. This characteristic brings rather “fuzzy” notification of thecritical current. It depends on the cooling condition. This means that the critical current of Bi-2223/Ag
tape can not be decided absolutely. Rather we should focus on the temperature rise characteristics of thecoil against over-current exceeding the critical current. If the temperature of the coil keeps a finite value
without thermal runaway, the coil can be used continuously. We call the uppermost current without
thermal runaway as “tolerance current”. Considering the situation mentioned above, the authors havestudied the temperature rise characteristics of HTS coil for both DC and AC currents. Two coolingconditions are adopted. One is a cooling by immersion in liquid nitrogen bath, and the other is aconduction cooling by GM (Gifford-McMahon) refrigerator. From the experimental result, the “tolerancecurrent” of the Bi-2223/Ag coil for various conditions is obtained.
Keywords：High-Temperature Superconductor (HTS), Coil,Bi-2223/Ag HTS tape, critical current, tolerancecurrent（Received March 26, 2007）
直流電流を印加したときの常電導転移特性を調べ，従来１．はじめにの臨界電流に加えて新たに許容電流を求めた。なお，本超電導機器を実電力系統で使用する場合，系統の短絡故障などにより臨界電流を超える電流が流れることが考論文では，高温超電導体が熱暴走を起こす直前の電流を許容電流と定義した。

えられる。このとき超電導機器は超電導状態から常電導状態への転移(クエンチ)が起こり，超電導機器は本来の２．実験方法性能を発揮できず，電力の供給が停止し電力系統の信頼2．1性を損なってしまう。

超電導コイル

一方，高温超電導体は金属系超電導体と比べ，臨界電本実験ではコイルを自作し実験を行った。実験で使用

流を超えて常電導電圧が発生しても熱暴走を起こさなけ

したコイルの諸元を TableⅠに，外観を Fig.１に示す。

れば継続して通電できるという長所がある。[1]～[5]このコイルは冷凍機のコールドヘッドに取り付けて冷却

そこで本論文では HTS テープ線材及び同線材を用いし実験を行うことを考慮している。そのためコイルの巻て作製したコイルに，冷却条件を変え，交流，ならびにき芯には熱伝導が良い銅円筒を用いた。また，交流磁界*1：工学研究科電気電子工学専攻修士学生による渦電流を防止するため銅円筒にはにスリットを入：電気電子工学専攻教授 (ishigoka@st.seikei.ac.jp)

れた。コイルは巻線後エポキシで固定し，冷凍機と距離*2(Professor,Dept.

ofElectricalandMechanicalをとって配置した。

Engineering)*3：電気電子工学専攻助手－11－

TABLE Ⅰ
自作 HTS コイル諸元
無誘導型ダブルパンケーキコイル
使用線材

Bi-2223/Ag

線材の臨界電流Ｉｃ

91〔A〕

巻き数(１層)10 ターン

内径/外径50/60〔mm〕

巻芯材料

銅

使用線材長

350〔cm〕

インダクタンス

0.01〔mH〕
Fig.３. 熱電対設置図.
３．実験及び結果

本実験では超電導コイルに電流タップ間電圧が一定になるまで実験を行った。直流・交流，LN2・冷凍機での実験結果を次に示す。なお，実験結果は温度について議論する為常電導体から発生する電圧は消さず誘導性電圧のみを消去した。また交流での実験において発生する電流・電圧は全て実効値である。
3．1

直流での実験結果

LN2・冷凍機で冷却した自作コイルに直流を印加し，定Fig.１. コイル外観

常状態時に発生する電圧と温度を測定した。それぞれの2．2測定結果を次に示す。

実験回路

Fig.２に実験回路を示す。実験ではこの回路に一定の直流・交流を印加し続け，タップ間で検出される電圧が3．1．1

LN2 での測定結果を Fig.４に示す。このとき許容電流一定になったところで測定を行った。
LN2(液体窒素)中での実験ではコイルを LN2 浴中にすることで温度を一定に保ち，冷凍機の実験では温度ステージをヒーターと熱電対を用いて 75K 一定に保つことで行った。熱電対の設置場所を Fig.３に示す。

LN2 で冷却した場合(熱暴走直前の電流)は 75A，測定時のコイルの温度は80.1K であった。
またこの測定結果より，コイルの直流臨界電流は 21A,n 値は 2.7 となった。

Fig.４. 直流・LN2 での実験結果

Fig.２. 実験回路図－12－3. 1. 2

冷凍機で冷却した場合同様に冷凍機での測定を行った。結果を Fig.５に示す。
このとき許容電流は 30A，コイルの温度は 84K であった。
また，この測定結果より，コイルの冷凍機における直流臨界電流は 9.9A，n 値は 3.8 となった。

Fig.７. 交流・冷凍機での実験結果
3．3

熱暴走

タップ間電圧が一定にならなかった場合，コイルは熱暴走を起こし電圧・温度の急速な増加が見られた。その実験結果の例として Fig.８に直流冷凍機実験時における許容電流 (30A)の測定結果を，Fig.９に許容電流を超え

Fig.５. 直流・冷凍機での実験結果た直後の印加電流(31A)の測定結果を示す。
3．2

交流での実験結果

同様に LN2・冷凍機で冷却した自作コイルに交流(値は実効値)を印加し，定常状態時に発生する電圧と温度を測定した。それぞれの測定結果を次に示す。なおこの測定結果はキャンセルコイルで誘導分は除去してある。
3．2．1

LN2 で冷却した場合LN2 での測定結果を Fig.６に示す。このとき許容電流は 60A，そのときの温度は 81.6K となった。

Fig.８. 直流 30A(伝導冷却における許容電流)をコイ
ルに印加したときの温度と電圧の変化

Fig.６. 交流・LN2 での実験結果
3．2．2

冷凍機で冷却した場合同様に冷凍機での測定を行った。結果を Fig.７に示す。
測定結果より許容電流は 26A，この時コイルの温度は 86K

Fig.９. 直流 31A(伝導冷却における許容電流直後)の電流をコイルに印加したときの温度と電圧の変化であった。

－13－

1/mm3 当たりの発熱 W［W/mm3］は次のように求め

４．シミュレーションについてた。
本研究では実際に行った実験を，有限要素法解析ソフ

印加電流 I [A]，そのときのタップ間電圧 V [V]，コイト ANSYS を用いて解析を行った。これは数値解析によル内径 50.2mm，外径 58mm，厚さ 3.9mm である。こる許容電流を再現し，解析によって許容電流を定めるこの条件より単位体積あたりの発熱 W［W/mm3］はとを目指すためである。この解析では液体窒素による冷W = (コイル全体の発熱)×(コイルの体積)

却と冷凍機による伝導冷却中でのコイルの発熱状況を調= (I・V )/5303 ［W/mm3］べた。
4．1

ここでコイル全体の発熱を求める際の電圧 V と電流 I

解析モデル

実験で使用したモデルは，コイルが円周方向に一様には，液体窒素中でのコイルの臨界電流のグラフにおける発熱するため Fig.10 のように円筒座標系を採用して二電流と発生電圧特性から求めた。コイルの V-I 特性グラ次元の熱伝導を調べた。巻線部分は銅，エポキシ，カプフを Fig.11 に示す。

トンテープ，超電導テープ線材からなっているが，本研究ではコイル部分を一つの材料として考えた。

Fig.11. LN2 温度におけるコイルの V-I 特性
Fig.10. 模擬モデル概略図
4．3
4．2

解析結果

この計算で得たコイルの V-I 特性の理論値と実測値の入力条件

各素材の熱伝導率は TABLE Ⅱのように設定した。こ比較を行った。液体窒素冷却，冷凍機伝導冷却の両方にこで線材＋カプトンテープ＋エポキシの部分はコイルのついて，理論値と実測値を比較したものを，それぞれ巻き数が 10 ターン，カプトンテープの巻き数が 9 ター

Fig.12，および Fig.13 に示す。

ン，残りはエポキシであることを計算して設定した。
冷却条件は液体窒素中にコイルを入れて冷却する方法と冷凍機による伝導冷却の二つを模擬した。液体窒素を用いるシミュレーションではモデル図の混合部を除く全周囲を 77.3 K で一定とし，冷凍機を用いるシミュレーシ
ョンでは縦長の銅筒の上辺だけが 76 K で一定を維持しているものとした。
TABLE Ⅱ
各素材の熱伝導率
銅

0.401〔W/mmK〕

エポキシ

0.0015〔W/mmK〕

カプトンテープ

0.0008〔W/mmK〕

線材＋カプトンテープ＋エポキシ

0.12815〔W/mmK〕－14－

Fig.12. LN2 冷却における実測値と計算値の比較(直流時)

TABLE Ⅲ
自作 HTS コイルの定格電流
交直の別と冷却方式

許容電流 [A]定格電流

直流, 液体窒素冷却7553直流, 冷凍機伝導冷却3021交流, 液体窒素冷却6042交流, 冷凍機伝導冷却

2618６．まとめ
Bi-2223/Ag テープ線材で無誘導型ダブルパンケーキ

Fig.13. 伝導冷却における実測値と計算値の比較(直流時)

コイルを作製し，LN2・冷凍機での冷却条件における直流・交流印加時の熱暴走特性について調べ許容電流を得

液体窒素冷却の場合，実測値と計算値は，傾向としてた。その結果以下の結論を得た。

は一致しているが，かなりの差がある。これは，線材＋1）冷凍機で超電導テープ線材を使用する場合，定格カプトンテープ＋エポキシの複合層の材料定数の設定の電流は冷媒の冷却能力に依存する。

不正確さによるものと思われる。

2）交流(実効値)電流の許容電流は直流電流より低い。
3）液体窒素冷却における許容電流は冷凍機による伝導冷却の場合より高い。

５．考 察

4）HTS コイルの定格電流は，印加電流の波形や様々5．1な冷却条件によって定められる許容電流を考慮して直流・交流の比較決められるべきである。

実験結果より LN2・冷凍機での場合の両方で，直流より交流(実効値)を印加するほうが熱暴走を早く起こすこ

実用的な観点から，今後高温超電導コイルの定格電流とがわかった。これは波高値で発生する熱に対し冷却がと許容電流の関係を研究する必要があろう。

間に合わない為だと思われる。そのため直流より交流のほうがわずかながら熱暴走温度が高い。

参考文献
5．2

LN2・冷凍機の比較実験結果より，LN2 で冷却した方が冷凍機で冷却を行[1] I. Tanaka, H. Miyazaki, M. Iwakuma, K. Funaki, H.

った場合より熱暴走を発生する電流が高いが，一旦熱暴

Hayashi, and A. Tomioka, “Heat Characteristics of a

走が始まると，急激に温度が上昇することがわかった。

Cryocooler-Cooled

これは冷凍機の冷却能力が LN2 よりも低く，また LN2Coil”, Abstracts of Cryogenic Society of Japan

Oxide Superconducting Pulsed

が一定の温度を超えると核沸騰から膜沸騰になり冷却能Conference, Vol.72, Paper No.2E-p35, June 2005.

力が低下するためだと思われる。そのため LN2 では抵抗

[2] S. Chigusa, I. Tanaka, T. Miyazaki, M. Iwakuma, K.

が直線的に増加しているのにもかかわらず，ある時点かFunaki, H. Hayashi, and A. Tomioka, “Thermal Analysis

ら温度が急速に増加することを確認できた。

of a Cryocooler-Cooled Bi2223 Superconducting Pulsed
Coil (1)”, Abstracts of Cryogenic Society of Japan

これにより冷凍機の冷却能力の向上やコイルと冷凍機の熱交換を増加させることでLN2浴中よりも超電導体をConference, Vol.73, Paper No.1D-p01, Nov. 2005.

より安全に使用する使用する環境を作れる可能性がある。

[3] I. Tanaka, S. Chigusa, T. Miyazaki, M. Iwakuma, K.
Funaki, H. Hayashi, and A. Tomioka, “Thermal Analysis

5．3

of a Cryocooler-Cooled Bi2223 Superconducting Pulsed

定格電流について

Coil (2)”, Abstracts of Cryogenic Society of Japan

実験より HTS コイルの許容電流は冷却方法に依存していることがわかる。実用の観点ではコイル定格電流はConference, Vol.73, Paper No.1D-p02, Nov. 2005.

「許容電流」のおよそ 70%であるべきである。そこで，[4] S. Chigusa, M. Iwakuma, K. Funaki, H. Hayashi, and A.

実験結果より Table Ⅲに様々な使用条件におけるコイ

Tomioka, “Thermal Analysis of a Cryocooler-Cooled

ル定格電流をまとめる。

Bi2223 Superconducting Pulsed Coil”, Abstracts of－15－

Cryogenic Society of Japan Conference, Vol.74, Paper
No.2P-p29, May 2005.
[5] A. Kawagoe, H. Yamamuro, F. Sumiyoshi, T. Mito, H.
Chikaraishi, T. Baba, M. Yokota, Y. Morita, H. Ogawa,T. Hemmi, K. Okumura, R. Abe, and M. Iwakuma,“Heat Transfer Properties of a Conduction Cooled
Prototype LTS Pulse Coil for UPS-SMES”, IEEETransactions on Applied Superconductivity, Vol.16,No.2, pp.624-627, June 2006.

－16－