JP2531820B2 - 超電導コイル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、超電導コイル装置に関し、例えば、磁気
浮上列車の浮上用や案内用あるいは電磁推進船の推進モ
ータに装着される超電導コイル装置に関する。

（従来の技術） このようなタイプの超電導コイル装置、例えば、レー
ストラック型超電導コイル装置は、レーストラック状に
巻回され且つエポキシ樹脂により堅固に固定された超電
導線からなる巻回体と、この巻回体を収納し且つこの巻
回体に対応するようにレーストラック状に形成されたク
ライオスタットとを備えている。巻回体の半径方向外方
及び内方に、クライオスタットの外周壁及び内周壁が位
置されている。これらの外周壁及び内周壁と巻回体との
間に液体ヘリウムの流路が規定されている。この液体ヘ
リウムによって巻回体が転移温度以下に冷却されると、
巻回体は、常電導状態から超電導状態に転移される。巻
回体がこの状態において励磁されると、巻回体は、電気
的なロス無しに、強い電磁界を発生する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、この巻回体が励磁されているとき、強大な
電磁力であるフープ力が巻回体の半径方向に作用する。
このフープ力により、巻回体が真円状に変形されると、
超電導線がクエンチして常電導状態に転移する虞れがあ
る。

そのため、巻回体は、巻回体とクライオスタットの外
周壁及び内周壁との間（即ち、液体ヘリウムの流路）に
挟持された複数の取付具により、クライオスタットの外
周壁及び内周壁に取付けられている。尚、この取付具
は、液体ヘリウムの流通を許容する孔を有している。さ
らに、クライオスタットの内周壁は補強部材により連結
されている。これにより、巻回体の移動は、一応防止さ
れている。

しかしながら、巻回体の冷却効率が低下するため、液
体ヘリウムの流路に、多数の取付具が配置されることが
できない。そのため、巻回体の変形は、完全に防止され
ることができず、巻回体が若干変形することがある。こ
の巻回体の変形に伴って、取付具が巻回体に擦れ、摩擦
熱が発生する。この摩擦熱の一部は、液体ヘリウムによ
り冷却される。しかし、摩擦熱の残りは、巻回体の外周
域及び内周域の超電導線に伝達されて、これらの超電導
線は、クエンチし、その結果、巻回体全体の超電導線が
クエンチすることがある。

そこで、この発明の目的は、巻回体に侵入する熱によ
り巻回体の超電導線がクエンチすることを防止し、その
結果安定して励・消磁できる超電導コイル装置を提供す
ることにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明に係る超電導コ
イル装置は、超電導線を複数回巻回して形成された巻回
体と、この巻回体の隣接する前記超電導線同士を互いに
堅固に固定する固定手段と、前記巻回体を収容し、かつ
超電導状態に冷却するクライオスタットと、前記巻回体
を前記クライオスタット内に取付ける取付手段とを具備
し、前記巻回体は、内周域および外周域の少なくとも一
方の周域が、該周域以外の域に巻回されている超電導線
材より銅比が高い超電導線材、前記周域以外の域に巻回
されている超電導線材より超電導部分の断面積が大きい
超電導線材、前記周域以外の域に巻回されている超電導
線材より超電導転移温度が高い超電導線材の中から選ば
れた少なくとも一種の高安定化超電導線を巻回して形成
されていることを特徴としている。

（作用） この発明では、巻回体の外周域及び内周域から入る熱
により超電導線がクエンチすることが防止され、その結
果、巻回体全体の超電導線がクエンチすることが防止さ
れる。

すなわち、今、巻回体の内周域が高安定化超電導線を
巻回して形成されている場合を例にとる。励・消磁時に
発生するフープ力に起因する巻回体の変形で巻回体の内
周部と該内周部をクライオスタットに固定するための固
定手段との間に滑りが生じると、滑り部分において摩擦
熱が発生する。この摩擦熱の一部は巻回体を冷却するた
めの冷媒に吸収されるが、残りは巻回体に伝達される。

ここで、巻回体の内周域が該周域以外の域に巻回され
ている超電導線材より銅比の高い超電導線材を巻回して
形成されているものとすると、内周部から侵入した熱に
起因して内周域に位置している超電導線材の超電導エレ
メントの一部が常電導に転移しても、この内周域の超電
導線材は銅比が高いので、抵抗値の十分小さい、つまり
ジュール熱の発生が少ない銅部分を電流がバイパスして
流れる。したがって、超電導エレメントの常電導転移し
た部分を再び超電導状態に復帰させることが可能とな
り、結局、巻回体全体がクエンチする可能性を極めて低
くできる。

また、巻回体の内周域が該周域以外の域に巻回されて
いる超電導線材より超電導部分の断面積の大きい超電導
線材を巻回して形成されているものとすると、この線材
には電流密度に十分な余裕があるので、内周部から侵入
した熱によって線材の温度が少々上昇しても常電導に転
移しにくく、したがって巻回体全体がクエンチする可能
性を極めて低くできる。

さらに、巻回体の内周域が該周域以外の域に巻回され
ている超電導線材より超電導転移温度の高い超電導線材
を巻回して形成されているものとすると、この線材はそ
もそも超電導転移温度が高いので、内周部から侵入した
熱によって線材の温度が少々上昇しても超電導転移温度
以下である限りクエンチすることはない。したがって、
内周部から侵入した熱で高安定化超電導線がクエンチす
る可能性は極めて低く、結局、巻回体全体がクエンチす
る可能性を極めて低くできる。

このように、巻回体の内周域および外周域の少なくと
も一方の周域を前述した高安定化超電導線で形成してい
るので、外部から侵入した熱によって巻回体がクエンチ
するのを巻回体自身で防止することができる。

なお、巻回体の全体を高安定化超電導線で形成するこ
とは、巻回体のコスト増加を招くことになるが、本発明
では外部から熱が侵入し易い部分だけを高安定化超電導
線で形成しているので、上述した不具合も解消できるこ
とになる。

（実施例） 以下、この発明の好ましい実施例を説明する。

第１図には、この発明の第１の実施例に係る超電導コ
イル装置が示されている。このコイル装置の巻回体11
は、レーストラック状に巻回された超電導線からなって
いる。この超電導線は、例えばNb−Tiの超電導体の芯材
と、この超電導体の芯材を包持する銅のマトリックス
（安定化材）とからなる多芯細線複合線である。尚、第
１図に符号Ｘで示される方向を、巻回体11の軸線方向、
符号Ｙで示される方向を、巻回体11の半径方向、符号θ
で示される方向を、巻回体11の周方向と規定する。

巻回体11の隣接する超電導線間の空間に、軟質状態の
硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）が充填されて硬化
され、その結果、隣接する超電導線が相互に堅固に固定
されている。この硬化性樹脂は、巻回体11を覆うように
塗布されて、巻回体11の回りに硬化樹脂層12を形成して
いる。

この巻回体11は、これに対応してレーストラック状に
形成されたクライオスタット13内に収納されている。こ
のクライオスタット13の外壁と、巻回体11の硬化樹脂層
12との間には、冷却媒体（例えば、液体ヘリウム）が流
通する流路14が形成されている。従って、液体ヘリウム
がこの流路14を流通され、巻回体11が転移温度以下に冷
却されると、巻回体は超電導状態に転移されてこの状態
で維持される。

複数の取付具15が、クライオスタット13の外壁と巻回
体11外周の硬化樹脂層12との間に挟持されている。巻回
体11は、これらの取付具15によりクライオスタット13に
堅固に取付けられている。各取付具15は、第２図及び第
３図に示されるように、比熱の高いステンレスからなる
第１部15−１と、このステンレス部15−１と巻回体11の
硬化樹脂層12との間に配置され且つFRPからなる第２部1
5−２とからなっている。尚、第１部15−１には、液体
ヘリウムの流通を許容する孔16が形成されている。ま
た、第１図に示されるように、クライオスタット13の内
周壁は、補強部材17により連結されている。これによ
り、巻回体11の半径方向の変形が防止されている。

さらに、第４図に最も良く示されるように、第１の実
施例では、巻回体11の半径方向中間の層は、通常の超電
導線21により形成されているが、巻回体11の外周域の２
層及び内周域の２層は、クエンチし難い高安定化超電導
線22により形成されている。これら通常の超電導線21及
び高安定化超電導線22は、半田付けなどにより接続され
ており、上述したように配置されるように巻回されてい
る。

この高安定化超電導線22は、例えば、（１）その断面
積が通常の超電導線のそれよりも大きい超電導線、
（２）銅比の高い超電導線、（３）超電導部分の断面積
が大きい超電導線、（４）転移温度が比較的高いNb₃S
n、又はV₃Gaの化合物系超電導体からなる超電導線であ
る。または、これに代えて、高安定化超電導線22は、こ
れらの４種の超電導線の少なくとも２つの組合わせであ
っても良い。

フープ力による巻回体11の変形を防止するため、取付
具15及び補強部材17が超電導コイル装置に設けられてい
る。しかしながら、取付具15は、巻回体11の周方向に所
定間隔をおいて配置されており、巻回体11全体が完全に
固定されていない。そのため、巻回体11の変形は、完全
に防止することができない。その結果、フープ力により
巻回体11が変形されるのに伴って、巻回体11の硬化樹脂
層12と取付具15の第２部15−２との間の境界面23に、摩
擦熱が発生する。この摩擦熱の一部は、液体ヘリウムに
吸収されるが、摩擦熱の残りは、巻回体11に伝達され
る。特に、取付具15の境界面23の中央部で発生された摩
擦熱は、巻回体11に伝達される可能性が高い。

従来、伝達された摩擦熱によって、巻回体の外周域及
び内周域に位置する超電導線がクエンチし、ひいては、
巻回体全体がクエンチすることがあった。

これに対して、この第１の実施例では、巻回体11の外
周域の２層及び内周域の２層は、高安定化超電導線22に
より形成されている。そのため、摩擦熱が巻回体11に侵
入したとしても、摩擦熱により高安定化超電導線22がク
エンチされる可能性は、極めて低い。そのため、巻回体
11全体がクエンチされる可能性も極めて低くなる。これ
により、超電導コイル装置は、安定して励磁されること
ができる。

本発明者達は、この第１の実施例に係る超電導コイル
装置を励磁する実験を行った。その結果、第１の実施例
に係る装置のクエンチ発生電流（クエンチが生じる際の
電流値）は、従来の装置に比べて大幅に高かった。その
ため、第１の実施例に係る装置を従来の装置に比べて極
めて安定に励磁することができた。

尚、この実施例では、巻回体11の外周域の２層及び内
周域の２層が、高安定化超電導線22により形成されてい
る。しかしながら、巻回体11の外周域又は内周域近辺の
層が高安定化超電導線22により形成されていれば良い。

次に、第５図を参照して、この発明の第２の実施例を
説明する。

この実施例では、巻回体11の超電導線は、通常のもの
である。しかしながら、巻回体11の半径方向外方及び内
方において、例えば銅線、アルミニウム線である良熱伝
導線31が巻回されている。この良熱伝導線31は、エポキ
シ樹脂層12により固定されている。

従って、この実施例では、摩擦熱が巻回体11に侵入し
ようとする場合、摩擦熱は、良熱伝導線31に侵入し、巻
回体の周方向に良熱伝導線31内を伝達され、伝達される
途中に消失する。そのため、摩擦熱が巻回体11に侵入す
ることが防止され、巻回体の最外層及び最内層の超電導
線がクエンチすることが防止され、ひいては、巻回体11
全体のクエンチが防止されている。

また、本発明者達は、この第２の実施例に係る超電導
コイル装置を励磁する実験も行った。その結果、第１の
実施例同様、クエンチ発生電流は、従来の装置に比べて
大幅に高かった。

良熱伝導線31に代えて、良熱伝導性の板状部材が巻回
体11に巻回されている場合には、渦電流が発生する可能
性があるが、この実施例では、そのような可能性はな
い。

次に、第６図を参照して、この発明の第３の実施例を
説明する。

この実施例の巻回体11は、第１の実施例の巻回体と同
じに構成されている。巻回体11の硬化樹脂層12に、比熱
の高いステンレス部材41が埋設されている。

境界面23で発生した摩擦熱は、比熱の高いステンレス
部材41により、巻回体11に侵入することが妨げられる。
従って、巻回体の最外層及び最内層の超電導線がクエン
チすることが防止され、ひいては、巻回体11全体のクエ
ンチが防止されている。また、この実施例では、巻回体
11の外周域の２層及び内周域の２層が高安定化超電導線
22により形成されているため、巻回体の最外層及び最内
層の超電導線がクエンチすることが一層防止されてい
る。

次に、第７図及び第８図を参照して、この発明の第４
の実施例を説明する。

この実施例では、巻回体11の硬化樹脂層12の取付具15
に当接しない部分（仮想線で示す部分）51が切欠かれて
いる。そのため、第７図及び第８図に矢印で示すよう
に、摩擦熱は、巻回体11に伝達されるよりも、液体ヘリ
ウムの方に伝達され易い。そのため、先の実施例と同様
に、巻回体の最外層及び最内層の超電導線がクエンチす
ることが防止され、ひいては、巻回体11全体のクエンチ
が防止されている。

次に、第９図を参照して、この発明の第５の実施例を
説明する。

取付具の第２部15−２は、FRP層15−３と、銅、アル
ミニウムなどの良熱伝導層15−４とからなっている。従
って、第９図に矢印で示されるように、摩擦熱は、巻回
体11に伝達されるよりも、良熱伝導層15−４を介して液
体ヘリウムの方に伝達され易い。そのため、先の実施例
と同様に、巻回体の最外層及び最内層の超電導線がクエ
ンチすることが防止され、ひいては、巻回体11全体のク
エンチが防止されている。

次に、第10図を参照して、この発明の第６の実施例を
説明する。

この実施例では、巻回体11の軸線方向外域の２層が、
高安定化超電導線61により形成されている。

クライオスタット13の外壁を通して、熱が、巻回体の
軸線方向に、巻回体11の軸線方向外域の層に侵入するこ
とがある。しかしながら、この熱が巻回体11の軸線方向
外域の層に侵入したとしても、熱により高安定化超電導
線61がクエンチされる可能性は、極めて低い。そのた
め、巻回体11全体がクエンチされる可能性も極めて低く
なる。これにより、超電導コイル装置は、安定して励磁
されることができる。

［発明の効果］ 上述したように、この発明では、巻回体の外周域及び
内周域から入る熱により超電導線がクエンチすることが
防止され、その結果、巻回体全体の超電導線がクエンチ
することが防止される。

また、クエンチ防止手段は、巻回体の超電導線の一部
であり且つ巻回体の外周域又は内周域に配置された高安
定化超電導線を含んでいる。そのため、摩擦熱が巻回体
に侵入したとしても、摩擦熱により高安定化超電導線が
クエンチされる可能性は、極めて低く、巻回体全体がク
エンチされる可能性も極めて低くなる。

以上により、超電導コイル装置は、安定して励磁され
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１の実施例に係る超電導コイル
装置の部分断面を含む斜視図、第２図は、第１図に示さ
れた超電導コイル装置の部分拡大斜視図、第３図は、第
２図のIII−III線に沿う断面図、第４図は、第１図に示
された超電導コイル装置の断面図、第５図は、第２の実
施例に係る超電導コイル装置の断面図、第６図は、第３
の実施例に係る超電導コイル装置の断面図、第７図は、
第４の実施例に係る超電導コイル装置の部分拡大斜視
図、第８図は、第７図のVIII−VIII線に沿う断面図、第
９図は、第５の実施例に係る超電導コイル装置の部分断
面図、第10図は、第６の実施例に係る超電導コイル装置
の断面図である。 11……巻回体、12……硬化樹脂層（固定手段）、13……
クライオスタット、15……取付具（取付手段）、22……
高安定化超電導線（クエンチ防止手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 正治 東京都港区芝浦１丁目１番１号 株式会 社東芝本社事務所内 (72)発明者 ローハナ チャンドラ ティラカ 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−70505（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−48003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−283604（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−119507（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−152212（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−80070（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導線を複数回巻回して形成された巻回
   体と、この巻回体の隣接する前記超電導線同士を互いに
   堅固に固定する固定手段と、前記巻回体を収容し、かつ
   超電導状態に冷却するクライオスタットと、前記巻回体
   を前記クライオスタット内に取付ける取付手段とを具備
   し、前記巻回体は、内周域および外周域の少なくとも一
   方の周域が、該周域以外の域に巻回されている超電導線
   材より銅比が高い超電導線材、前記周域以外の域に巻回
   されている超電導線材より超電導部分の断面積が大きい
   超電導線材、前記周域以外の域に巻回されている超電導
   線材より超電導転移温度が高い超電導線材の中から選ば
   れた少なくとも一種の高安定化超電導線を巻回して形成
   されていることを特徴とする超電導コイル装置。