JP5921940B2 - 超電導コイルの伝導冷却板及び超電導コイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、希土類系酸化物超電導体を用いた超電導線材を巻回して形成された超電導コイルを伝導冷却するための超電導コイルの伝導冷却板及びそれを備えた超電導コイル装置に関する。

超電導コイルを冷却する場合、臨界温度が比較的高い希土類系酸化物超電導体を用いた超電導コイルにおいては、冷媒浸漬を必要としない冷凍機を用いた伝導冷却によって冷却を行うことが可能である。この伝導冷却を行うための伝導冷却板は、一般に銅等の熱伝導性の高い金属を使用して製作されている。

この種の伝導冷却板を備えた冷凍機冷却型超電導磁石装置が特許文献１に記載されている。すなわち、伝導冷却板を高熱伝導部材と剛性部材との複合材料から形成し、高熱伝導部材側が超電導コイルと密接するように構成されている。高熱伝導部材としては銅、アルミニウム等が用いられ、剛性部材としてはステンレス鋼、ＦＲＰ等が用いられている。そして、高熱伝導部材は、剛性部材に対して半田付け、ボルト締め等の手段により接合されている。

特開２００１−１６７９２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている従来構成においては、高熱伝導部材が銅、アルミニウム等の金属で形成されていることから、重くなるとともに、高熱伝導部材が導電体であるため電流が流れないように非連続体にする必要がある。すなわち、図５に示すように、超電導コイル２６の端面に対向配置される高熱伝導部材２７は複数（例えば４つ）に分割された分割体２７ａ〜２７ｄとして構成しなければならない。このため、高熱伝導部材２７の構成が複雑になるとともに、超電導コイル２６への組付が面倒になるという欠点があった。

さらに、高熱伝導部材は高い導電性を有しているため、高熱伝導部材と超電導コイルとの短絡を防止すべく両者間に絶縁材料を介装しなければならなかった。加えて、高熱伝導部材と絶縁材料や剛性部材とが異種材料で形成され、それらの熱膨張率には差があることから、冷却時において高熱伝導部材に変形が生じる。このため、高熱伝導部材が絶縁材料や剛性部材から離れる部分が生じ、冷却効率が低下するという問題があった。

そこで、本発明の目的とするところは、軽量化を図ることができ、連続体として構成することができるとともに、電気絶縁性を高め、かつ変形を抑制して冷却効率を向上させることができる超電導コイルの伝導冷却板及び超電導コイル装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の超電導コイルの伝導冷却板は、希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材を巻回して形成され、その外周には外周枠が設けられた超電導コイルの軸線方向の端面に配置される伝導冷却板であって、前記伝導冷却板は外周枠と同じ繊維強化樹脂により形成されるとともに、伝導冷却板は前記繊維強化樹脂に熱伝導性を有するフィラーが配合されて形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明の超電導コイルの伝導冷却板は、請求項１に係る発明において、前記伝導冷却板は、超電導コイルの軸線方向の両端面に配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明の超電導コイルの伝導冷却板は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記伝導冷却板は、一体環状に形成されていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明の超電導コイルの伝導冷却板は、請求項１から請求項３のいずれか一項に係る発明において、前記伝導冷却板は、外周枠に対して連結固定されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明の超電導コイル装置は、希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材を巻回して形成された超電導コイルと、該超電導コイルの外周に配置される外周枠と、前記超電導コイルの軸線方向の端面に配置される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超電導コイルの伝導冷却板とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
本発明の超電導コイルの伝導冷却板は、希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材を巻回して形成され、その外周には外周枠が設けられた超電導コイルの軸線方向の端面に配置されるようになっており、繊維強化樹脂により形成されている。繊維強化樹脂として例えばガラス繊維強化樹脂は、銅、アルミニウム等の金属に比べて比重が小さいことから、伝導冷却板を軽量にすることができる。

また、繊維強化樹脂は電気絶縁性を有していることから、分割配置して電気絶縁性を図る必要がなく、例えば一体環状に形成することができる。さらに、外周枠を伝導冷却板と同じ繊維強化樹脂で形成し、伝導冷却板を外周枠に固定することにより、冷却時における伝導冷却板の変形を抑えることができ、超電導コイルの端面に対する伝導冷却板の密着性を維持することができる。

従って、本発明の超電導コイルの伝導冷却板によれば、軽量化を図ることができ、連続体として構成することができるとともに、電気絶縁性を高め、かつ変形を抑制して冷却効率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明を具体化した一実施形態の伝導冷却板を超電導コイルの両端面に配置する状態を示す分解斜視図。 （ａ）はシングルパンケーキコイルの外周に外周枠を配置した状態を示す横断面図、（ｂ）は同じくシングルパンケーキコイルの外周に外周枠を配置した状態を示す縦断面図、（ｃ）はシングルパンケーキコイルの外周に外周枠を配置した状態で両端面に伝導冷却板を接合した状態を示す要部拡大断面図。 基板上に中間層を介して超電導層を形成した超電導線材を示す断面図。 シングルパンケーキコイルの外周に外周枠を配置した状態でシングルパンケーキコイルの両端面に伝導冷却板をボルトで固定した状態を示す平面図。 従来図を示し、超電導コイルの端面に分割された伝導冷却板を配置した状態を示す分解斜視図。

以下、本発明の超電導コイルの伝導冷却板の一実施形態を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、超電導コイルとしてのシングルパンケーキコイル（以下、単にコイルともいう）１１の内周には円筒状の内周枠１２が配置され、外周には同じく円筒状をなす外周枠１３が配置されるとともに、コイル１１の軸線方向の両端部には一対の伝導冷却板１４が配置されて超電導コイル装置１５が構成されている。各伝導冷却板１４には各一対の冷却リード１６の一端が接続され、伝導冷却板１４を冷却してコイル１１を臨界温度よりも低い温度に到達させるようになっている。なお、冷却リード１６の他端は、図示しない冷凍機の冷却部に接続されている。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記シングルパンケーキコイル１１は、内周枠１２の外周にテープ状の超電導線材１７が巻回されて形成されている。このコイル１１の外周には若干の隙間を介して外周枠１３が配置されている。この外周枠１３を設けることにより、コイル１１が高磁場によるフープ応力（電磁応力）を受けたときに、そのコイル１１の拡径を抑えるようになっている。

図２（ｃ）に示すように、シングルパンケーキコイル１１の外周部及び上部には、パラフィン、ワックス等のモールド材によるモールド層１８が形成されている。このモールド材は、コイル１１を冷却する際に超電導線材１７が損傷を受けないように保護するための低強度の材料である。すなわち、冷却時にはモールド層１８が冷却による応力を受け止め、場合によっては自らが壊れることにより、超電導線材１７を保護するようになっている。

図２（ｃ）及び図４に示すように、前記シングルパンケーキコイル１１の軸線方向の両端面には伝導冷却板１４が配置され、複数のボルト１９により外周枠１３及び内周枠１２に連結固定されている。この伝導冷却板１４と外周枠１３との連結固定は、エポキシ樹脂接着剤等による接着等の手段により行うこともできる。伝導冷却板１４はガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）等の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）により形成され、高い機械的強度が発現されるようになっている。炭素繊維は軽量で機械的強度が高いことから、繊維強化樹脂としては、炭素繊維強化樹脂が好ましい。繊維強化樹脂用の合成樹脂としては、主にエポキシ樹脂が用いられるが、アミド系樹脂（ナイロン樹脂）等も用いられる。また、前記冷却リード１６は、銅等の熱伝導性の良い材料が箔状、編状等に形成されて用いられる。

前記繊維強化樹脂には、熱伝導率が高く、冷却効率を向上させるフィラーを配合することが望ましい。そのようなフィラーとしては、窒化ホウ素（熱伝導率が２０〜４０Ｗ／ｍ℃）、窒化アルミニウム（熱伝導率が５〜２５Ｗ／ｍ℃）、窒化ケイ素（熱伝導率が５〜１０Ｗ／ｍ℃）等の窒化物、炭化ケイ素（熱伝導率が７〜１５Ｗ／ｍ℃）等の炭化物が挙げられる。

なお、この伝導冷却板１４は外周枠１３に連結固定されていることから、その外周枠１３を補強してその移動を規制することができ、コイル１１がフープ応力を受けたときそのコイル１１の拡径を強固に制限することができる。

図３に示すように、前記テープ状の超電導線材１７は、基板２０上に中間層２１を介して超電導層２２が形成され、その超電導層２２上に第１安定化層２３が形成されるとともに、それらの外周部に第２安定化層２４が被覆されて構成されている。前記基板２０は、ニッケル合金（ハステロイ）、銀、銀合金等の金属により、例えば厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。中間層２１は、ガドリニウム・ジルコニウム酸化物（Ｇｄ・Ｚｒ酸化物）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、バリウム・ジルコニウム酸化物（Ｂａ・Ｚｒ酸化物）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の化合物により、例えば厚さ５００ｎｍ、幅１０ｍｍに形成されている。

超電導層２２は、希土類系酸化物超電導体のＣＶＤ法（化学蒸着法）により、例えば厚さ約１μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。但し、ＲＥは希土類元素を表す。この超電導層２２として具体的には、イットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、ランタン・バリウム・銅酸化物（Ｌａ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）等が挙げられる。

第１安定化層２３は、銀等の金属のスパッタリング等により、例えば厚さ約１５μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。第２安定化層２４は、銅等の金属のメッキ等により、例えば厚さ約５０μｍに形成されている。

前記内周枠１２及び外周枠１３は、繊維強化樹脂又は絶縁被覆が施された金属により形成されている。繊維強化樹脂としては、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂等が用いられる。絶縁被覆された金属としては、エポキシ樹脂、アミド樹脂等の合成樹脂が被覆されたステンレス鋼等が用いられる。

前記テープ状の超電導線材１７をコイル状に巻回する際には、超電導線材１７は超電導層２２が内周側で基板２０が外周側に位置するように配置され、圧縮ひずみを大きくしてフープ応力による引張りひずみを緩和して、フープ応力に対する抵抗性を高めるようになっている。図２（ｃ）に示すように、前記外周枠１３には一対の電極２５ａ、２５ｂが設けられている。一方の電極２５ａは巻回された超電導線材１７の外周端に接続され、他方の電極２５ｂは超電導線材１７の内周端に図示しないリード線を介して接続されている。

次に、前記超電導コイル装置１５の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、内周枠１２の外周に、テープ状の超電導線材１７をその一端から所定の巻数で巻回してコイル１１を形成する。続いて、超電導線材１７のコイル１１の外周に外周枠１３を配置してコイル１１の組立体を形成する。この場合、コイル１１の外周面と外周枠１３の内周面との間に若干の隙間が形成されていてもよい。この状態で、図２（ｃ）に示すように、コイル１１の組立体をパラフィン溶湯に浸漬し、脱気した後、冷却してモールド層１８を形成する。

次いで、図２（ｃ）及び図４に示すように、内周枠１２と外周枠１３の下端面に伝導冷却板１４を宛がって複数のボルト１９により伝導冷却板１４を内周枠１２と外周枠１３に締付ける。同様にして、内周枠１２と外周枠１３の上端面に伝導冷却板１４を宛がって複数のボルト１９により伝導冷却板１４を内周枠１２と外周枠１３に締付けて固定する。このようにして、目的とする超電導コイル装置１５を得ることができる。

次に、上記構成のように構成された伝導冷却板１４について作用を説明する。
さて、本実施形態の伝導冷却板１４を使用してシングルパンケーキコイル１１を冷却する場合には、コイル１１の軸線方向の両端部に伝導冷却板１４を固定した状態で、冷却リード１６を介して伝導冷却板１４を冷却し、コイル１１の両端面からコイル１１を伝導冷却する。このとき、伝導冷却板１４は、従来の導電性を有する金属材料とは異なり、非導電性のＦＲＰで形成されていることから、一体円環状に構成することができ、伝熱面を拡げることができて、コイル１１の冷却を有効かつ速やかに進めることができる。

さらに、伝導冷却板１４を形成するＦＲＰに熱伝導率の高いフィラーが含まれていることにより、伝導冷却板１４全体の熱伝導率を高めることができ、伝導冷却板１４の冷熱をコイル１１に伝導させたとき、冷熱量及び冷却速度を増大させることができる。

また、前述のように伝導冷却板１４は銅、アルミニウム等の金属に比べて軽量なＦＲＰで一体円環状に形成されていることから、伝導冷却板１４の製造やコイル１１の外周枠１３や内周枠１２に対する連結を速やかに行うことができる。

加えて、伝導冷却板１４は外周枠１３及び内周枠１２に複数のボルト１９で締付固定され、一体化されていることから、外周枠１３の形状が頑丈に保持される。このため、シングルパンケーキコイル１１の使用時にフープ応力が作用してコイル１１を拡径しようとする力が働いても、伝導冷却板１４によって補強された外周枠１３がその力を十分に受け止めることができ、超電導線材１７にその力が及ぶことを抑制することができる。その結果、超電導線材１７の引張ひずみを限界ひずみ量（不可逆ひずみ量は０．７％程度）よりも小さくすることができ、通電特性を維持することができる。言い換えれば、シングルパンケーキコイル１１はその形状を保持することができ、フープ応力の影響を極力回避することができ、超電導特性を良好に発揮することができる。

以上詳述した実施形態によって得られる効果を以下にまとめて記載する。
（１）この実施形態の伝導冷却板１４では、シングルパンケーキコイル１１の外周には外周枠１３が設けられるとともに、伝導冷却板１４はＦＲＰで形成され、コイル１１の軸線方向の端面に配置されている。ＦＲＰ（比重１．５〜１．８）は、銅（比重８．９）、アルミニウム（比重２．７）等の金属に比べて比重が小さいことから、伝導冷却板１４を軽量にすることができる。また、ＦＲＰは電気絶縁性を有していることから、分割することなく、一体円環状に形成することができるとともに、伝導冷却板１４とコイル１１端面との間に絶縁材料を介在させる必要もない。さらに、伝導冷却板１４と内周枠１２及び外周枠１３とを同じＦＲＰで形成することにより、冷却時における変形を抑えることができ、コイル１１の端面に対する伝導冷却板１４の密着性を維持することができる。

従って、本実施形態の伝導冷却板１４によれば、軽量化を図ることができ、連続体として構成することができるとともに、電気絶縁性を高め、かつ変形を抑制して冷却効率を向上させることができるという優れた効果を発揮することができる。
（２）前記伝導冷却板１４は、コイル１１の軸線方向の両端面に配置されている。このため、コイル１１の冷却をその両端面から同時に行うことができ、冷却効率を向上させることができる。
（３）前記伝導冷却板１４は、一体円環状に形成されている。従って、伝導冷却板１４の構造を簡単にしてその製造やコイル１１に対する組付けを容易に行うことができるとともに、伝導冷却板１４の機械的強度を高めることができる。
（４）前記伝導冷却板１４は、外周枠１３に対して連結固定されている。そのため、伝導冷却板１４をコイル１１に対して密接させることが可能であり、コイル１１の冷却効率を向上させることができると同時に、外周枠１３を補強してその動きを一層効果的に規制することができる。
（５）前記伝導冷却板１４は、繊維強化樹脂に熱伝導性を有するフィラーが配合されて形成されている。このため、伝導冷却板１４全体の伝熱効率を一段と高めることができ、コイル１１の冷却を一層迅速に進めることができる。
（６）前記超電導コイル装置１５は、シングルパンケーキコイル１１と、その外周に配置される外周枠１３と、前記伝導冷却板１４とにより構成されている。従って、超電導コイル装置１５は、前述した伝導冷却板１４の効果及び外周枠１３の効果を発揮することができるとともに、伝導冷却板１４と外周枠１３との相乗的な効果を発揮することができる。すなわち、伝導冷却板１４が外周枠１３に一体化されていることから、伝導冷却板１４をコイル１１に密接させることが可能で冷却効率を格段に高めることができるとともに、外周枠１３の動きを伝導冷却板１４が規制してフープ応力に対するコイル１１の変形を大幅に抑制することができる。

なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・ 前記実施形態においては、伝導冷却板１４をシングルパンケーキコイル１１の両端部に配置したが、伝導冷却板１４をシングルパンケーキコイル１１の上端部及び下端部のいずれか一方に配置してもよい。

・ 前記超電導コイルとして、ダブルパンケーキコイルを用いたり、銀等の展伸性を有する金属でシースされたビスマス系酸化物超電導体のコイルを用いたりしてもよい。
・ 前記シングルパンケーキコイル１１やダブルパンケーキコイルを製造する際に、内周枠１２に超電導線材１７を巻き付けた後、内周枠１２を取り除くように構成してもよい。

・ 前記シングルパンケーキコイル１１の上部に充填されるモールド層１８を省略し、コイル１１の上端面が伝導冷却板１４に密接するように構成することも可能である。この場合、伝導冷却板１４によるコイル１１の冷却効率を高めることができる。

・ 前記コイル１１の端面と伝導冷却板１４との間の電気絶縁性を向上させるため、コイル１１の端面又は伝導冷却板１４にエポキシ樹脂等の合成樹脂の層を形成することも可能である。

１１…超電導コイルとしてのシングルパンケーキコイル、１３…外周枠、１４…伝導冷却板、１５…超電導コイル装置、１７…超電導線材。

Claims (5)

1. 希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材を巻回して形成され、その外周には外周枠が設けられた超電導コイルの軸線方向の端面に配置される伝導冷却板であって、前記伝導冷却板は外周枠と同じ繊維強化樹脂により形成されるとともに、伝導冷却板は前記繊維強化樹脂に熱伝導性を有するフィラーが配合されて形成されていることを特徴とする超電導コイルの伝導冷却板。
2. 前記伝導冷却板は、超電導コイルの軸線方向の両端面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの伝導冷却板。
3. 前記伝導冷却板は、一体環状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導コイルの伝導冷却板。
4. 前記伝導冷却板は、外周枠に対して連結固定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超電導コイルの伝導冷却板。
5. 希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材を巻回して形成された超電導コイルと、該超電導コイルの外周に配置される外周枠と、前記超電導コイルの軸線方向の端面に配置される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超電導コイルの伝導冷却板とを備えることを特徴とする超電導コイル装置。