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2016 年度 実施状況報告書

機能性プラスチック導入による高温超伝導コイル耐クエンチ性向上と巻線部高電流密度化

研究課題

研究課題/領域番号 16K06238
研究機関上智大学

研究代表者

高尾 智明  上智大学, 理工学部, 教授 (30245790)

研究分担者 宮城 大輔  東北大学, 工学研究科, 准教授 (10346413)
塚本 修巳  上智大学, 理工学部, 客員教授 (30017975)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード高温超伝導コイル / 高温超伝導線
研究実績の概要

高温超伝導コイルを用いる機器の実用化においては,コイル巻線部の高電流密度化が重要課題である。本研究では熱伝導率が従来のコイル構成材であるGFRPに比べ1桁大きく,また低温で負の熱膨張係数を持つ機能性プラスチックを巻線構造に導入することによりコイルの抜熱特性を高め,またコイル線材に抵抗領域が現れたらその拡大を速めジュール発熱領域の集中を抑え,さらにクエンチ保護回路方式を工夫することにより,コイル線材の大電流容量化を目指している。
今年度は,まず当該機能性プラスチックの熱伝導率と膨張率を超伝導コイルの運転温度である極低温にて実測し,高い熱伝導率と負膨張特性(温度低下につれて膨張する特性)のデータを蓄積した。また,コイル構造の一部を模擬した簡略的な試験装置を作成し,直線上の短尺高温超伝導線とプラスチックを接触させ,超伝導線からプラスチックへの高い伝熱特性を得た。
さらに,コイル構造を模擬した別の試験装置として,コイル巻線部の断面構造の簡略化として高温超伝導線を数十本スタックさせて中央部にヒータを埋め込んだ物を作成した。そしてヒータ加熱した際の温度分布を実測し,コンピュータシミュレーションと比較することにより,熱伝導率や接触熱抵抗を考慮した試験方法の確立を図った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究のスタート時点では,極低温で精度良く熱伝導率を測れことに苦戦したが,温度測定位置や試料長さを工夫することにより測定が可能となった。その後は,熱伝導率や膨張特性について比較的順調にデータ収集を進めることができた。
また,超伝導線を数十本スタックさせた装置を用いた温度データと,コンピュータシミュレーションの結果も良く一致している。このことから,超伝導線からの伝熱における接触熱抵抗を定量的に把握することが可能となった。
以上のことから,おおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

昨年度までの研究結果を基に,機能性プラスチックを有する高温超伝導コイルを作成して,熱的安定性の評価に取り組む。また,コイル構造を模擬したモデルにより伝熱シミュレーションも併せて行い,実験と解析の両面から研究を進める。また,局所的に常伝導部が発生した場合の超伝導コイル保護についても,保護方式の工夫により安定性の強化を図ってゆく。

次年度使用額が生じた理由

研究室にて所有する既存の計測機器及び高温超伝導線の一部を用いることができたため,その分の予算執行が少なくなった。

次年度使用額の使用計画

試験装置の一つである冷凍機を改造する必要が生じている。本研究がスタートした時点で計画していた本年度分の予算と合わせた予算額の中で,本年度に冷凍機の改造を行う計画である。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Study on Heat Transfer Characteristics HTS Tapes of Epoxy-Impregnated Conduction-Cooled Coils Using Winding Pack Model2017

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Ariyama, N. Matsusda, Ryuta Matsuo, Yoshiki Fuchida, Akane Kojima, Tomoaki Takao, Osami Tsukamoto, Takahiro Yamaguchi, Takeshi Kato
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 27 ページ: 8800106

    • DOI

      10.1109/TASC.2016.2646324

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 伝導冷却型HTSコイルに向けた 高熱伝導プラスチックの低温特性評価2017

    • 著者名/発表者名
      高野太郎,田中雄基,菅祥大,高尾智明,山中淳彦
    • 学会等名
      電気学会全国大会
    • 発表場所
      富山大学(富山県,富山市)
    • 年月日
      2017-03-16 – 2017-03-16
  • [学会発表] 伝導冷却型HTSコイル用新構造材料の低温物性及び有用性の評価2017

    • 著者名/発表者名
      田中雄基,菅祥大,高野太郎,高尾智明,山中淳彦
    • 学会等名
      電気学会超電導機器研究会
    • 発表場所
      新潟大学(新潟県,新潟市)
    • 年月日
      2017-01-19 – 2017-01-19
  • [学会発表] Influence of High Thermal Conduction Plastic on Thermal Stability in Cryogen-free HTS Superconducting Coil2016

    • 著者名/発表者名
      T. Takao, Y. Tanaka, S. Suga, T. Takano, O. Tsukamoto, A. Yamanaka
    • 学会等名
      1st Asian International Cryogenic Materials Conference
    • 発表場所
      金沢歌劇座(石川県,金沢市)
    • 年月日
      2016-11-08 – 2016-11-08
    • 国際学会
  • [学会発表] Heat Conduction Characteristics HTS Tapes of Conduction-cooled Coils2016

    • 著者名/発表者名
      T. Ariyama, R. Matsuo, N. Matsuda, T. Takao, O. Tsukamoto
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference
    • 発表場所
      コロラドコンベンションセンター(USA)
    • 年月日
      2016-09-08 – 2016-09-08
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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