JP2015043364A - 超電導コイルおよび超電導コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導線の歪みを少なくすることが可能な超電導コイルおよび、それを備える超電導コイル装置を提供する。【解決手段】超電導コイル１は、超電導線が巻回されたコイル部１１と、電極１２と、引出線２１とを備える。引出線２１は、電極１２とコイル部１１の超電導線とを接続する。引出線２１は、導電性材料により形成された補強部と、超電導線とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイルおよび超電導コイル装置に関する。

特開２０１０−９８２６７号公報（特許文献１）は、超電導コイルに接続された電極を開示する。この電極は、超電導コイルの超電導線に接続される第１電極と、第１電極に一体化された第２電極とを備える。具体的には、第１電極および第２電極は銅板により形成される。第１電極は、超電導コイルの超電導線の端末部に沿って周方向に延在する円弧状接触部と、該円弧状接触部の周方向の一端側でフランジに固定するとともに該フランジより突出させた固定部とを有する。第２電極は、フランジより外方に突出するとともに電源供給ケーブルとの接続部を有する形状とされる。第１電極の円弧状接触部は、超電導線の端末部に半田付けされる。

特開２０１０−９８２６７号公報

たとえばコイルの外周側に電極が配置された超電導コイルを製造する場合、コイルが樹脂含浸などにより一体化されていない状態で電極に外力が加わったときに、コイル本体の超電導線（特にコイル本体の超電導線と電極との接続部付近）に損傷が生じる可能性がある。あるいは、コイルの内周側に電極が配置された超電導コイルを製造する場合には、コイル本体の超電導線を巻いているときに緩みが生じると、コイル本体の超電導線（特にコイル本体の超電導線と電極との接続部付近）に損傷が生じる可能性がある。

特開２０１０−９８２６７号公報は、第１電極を超電導コイルの超電導線に接続して、その後に第１電極をボビンのフランジに電極を固定するという製造方法を開示する。しかし、ボビンのフランジに電極を固定するまでは、電極の自重による応力が超電導線に印加されないように、超電導コイルを取り扱う必要が生じる。したがって、特開２０１０−９８２６７号公報に開示された構造では、超電導コイルの取り扱いが難しい。

別の方法として、巻枠に電極を固定した上で、その電極に超電導線を接続するという方法が考えられる。しかしながら、固定された電極に超電導線を接続するために、超電導線に張力が印加される可能性がある。あるいは、固定された電極に超電導線を巻回する必要が生じ得る。このために、超電導線において、電極との接続部に歪みが生じ得る。

本発明の目的は、超電導線における歪みを少なくすることが可能な超電導コイル、および、それを備える超電導コイル装置を提供することである。

本発明のある局面に係る超電導コイルは、巻回された超電導線を有するコイル部と、電極と、引出線とを備える。引出線は、電極とコイル部の超電導線とを接続する。引出線は、導電性材料により形成された補強部と、超電導線とを含む。

本発明の他の局面に係る超電導コイル装置は、上記の超電導コイルを備える超電導コイル装置である。

本発明によれば、超電導線における歪みを少なくすることが可能な超電導コイル超電導コイル、および、それを備える超電導コイル装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１の概略的な平面図である。 コイル部１１の構成を説明するための斜視図である。 コイル部１１の部分拡大図である。 コイル部１１を構成する超電導線１４の断面を模式的に示した図である。 引出線２１の一構成例を示した模式的断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１における、引出線２１と、コイル部１１を構成する超電導線１４との間の接続を説明した概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイル２の概略的な平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイル２における、引出線２１と、コイル部１１を構成する超電導線１４との間の接続を説明した概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係る超電導コイル装置１０１の構成を示した図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。

（１）本発明の実施形態に係る超電導コイルは、巻回された超電導線を有するコイル部と、電極と、電極とコイル部の超電導線とを接続する引出線とを備える。引出線は、導電性材料により形成された補強部と、超電導線とを含む。

上記構成によれば、電極は、引出線に接続される。電極がコイル部の超電導線には直接接続されていないので、電極の自重によって、コイル部の超電導線に加わる応力を小さくすることができる。これにより、コイル部の超電導線に生じる歪みを少なくすることができる。さらに、引出線は補強部を含むので、コイル部の超電導線の強度よりも高い強度を有する。これにより、たとえば超電導コイルの製造途中において、電極とコイル部の超電導線との接続部付近に損傷が生じる可能性をより小さくすることができる。したがって、取扱いに優れた超電導コイルを実現することができる。また、補強部は導電性材料により形成されているので、電極とコイル部の超電導線との間の電気的接続を確保することができる。

（２）前記引出線は、前記コイル部の外周または内周に沿って配置されることが好ましい。

上記構成によれば、前記コイル部の寸法（たとえば外径寸法）を大幅に大きくすることなくコイル部の超電導線に印加される応力を小さくすることができる。

（３）前記電極は、前記コイル部の外側に配置され、前記引出線は、前記コイル部の外周に沿って、前記コイル部の半周以上かつ１周以下の長さにわたり配置されることが好ましい。

上記構成によれば、コイル部の寸法（たとえば外径寸法）を大幅に大きくすることなく、コイル部の超電導線に印加される応力を小さくすることができる。

（４）前記電極は、前記コイル部の内周側に配置され、前記引出線は、前記コイル部の内周に沿って、前記コイル部の半周以上かつ１周以下の長さにわたり配置されることが好ましい。

上記構成によれば、コイル部の寸法（たとえば外径寸法）を大幅に大きくすることなく、コイル部の超電導線に印加される応力を小さくすることができる。

（５）前記引出線は、前記コイル部の内周側に位置する前記超電導線の端部に対して前記コイル部の外周側から、当該端部に接続されることが好ましい。

上記構成によれば、引出線の曲率を大きくすることで、曲げられた引出線の反発力を小さくする。これにより、コイル部の超電導線において、引出線と接続される部分に加わる応力を小さくすることができる。

（６）前記補強部は、ステンレス鋼、銅または銅合金からなるテープであることが好ましい。

上記構成によれば、引出線の厚みを大幅に増やすことなく引出線の強度を高めることができる。したがって、コイル部の寸法（たとえば外径寸法）が大幅に増大することを防ぐことができる。

（７）前記テープの厚みは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
上記構成によれば、引出線の厚みを大幅に増やすことなく引出線の強度を高めることができる。したがって、コイル部の寸法（たとえば外径寸法）が大幅に増大することを防ぐことができる。

（８）前記コイル部の前記超電導線は、酸化物超電導体を含むことが好ましい。
超電導線が酸化物超電導体を含む場合、超電導線は、歪みに弱い。酸化物超電導体に歪みが加わった場合、酸化物超電導体が損傷する可能性がある。上記構成によれば、酸化物超電導体で構成される超電導線で形成されたコイル部の端部において、超電導線が損傷する可能性を小さくできる。

（９）本発明の実施形態に係る超電導コイル装置は、上記の超電導コイルを備える。
この構成によれば、超電導線における歪みが少ない超電導コイルを含む超電導コイル装置を実現できる。

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１の概略的な平面図である。図１を参照して、超電導コイル１は、コイル部１１と、電極１２と、引出線２１とを有する。

コイル部１１は、巻枠５に沿って環状に巻回された超電導線を有する。コイル部１１は、たとえばシングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルといったパンケーキコイルである。コイル部１１に含まれるコイルは、パンケーキコイルであるように限定されるものではない。たとえばコイル部１１に含まれるコイルは、レーストラック型のコイルでもよい。あるいは、コイル部１１に含まれるコイルは、超電導線を螺旋状に巻回したソレノイドコイルでもよい。

電極１２は、たとえば銅板によって形成される。図１に示される電極１２の形状は、長方形である。しかしながら電極１２の形状は特に限定されるものではない。

引出線２１は、電極１２とコイル部１１の超電導線とに接続される。引出線２１は、超電導線を含む。引出線２１の強度はコイル部１１の超電導線の強度よりも高い。ここで「強度が高い」とは剛性が高い（大きい）ことを意味する。

「剛性」とは、単位変形を起こすのに必要な力（荷重／変形量）として表現することができる。「剛性が高い（大きい）」とは、力に対して変形が小さいことであり、「剛性が低い（小さい）」とは、力に対する変形が大きいことであると定義することができる。

引出線２１の強度によって、引出線２１は電極１２を支持することができる。電極１２を引出線２１に接続することによって、コイル部１１の超電導線における歪みを少なくすることができる。

図２は、コイル部１１の構成を説明するための斜視図である。図３は、コイル部１１の部分拡大図である。図２および図３を参照して、コイル部１１は、酸化物系の超電導線１４が環状に巻回されることによって形成されている。超電導線１４の形状はテープ状、言い換えれば帯状である。

図４は、コイル部１１を構成する超電導線１４の断面を模式的に示した図である。図４を参照して、超電導線１４は、長手方向に延びる複数の超電導体３２ａと、複数の超電導体３２ａの全周を被覆するシース部３２ｂとを有する。シース部３２ｂは超電導体３２ａに接触している。シース部３２ｂの材質は、たとえば銀、銀合金であるが、これらに限定されない。

図５は、引出線２１の一構成例を示した模式的断面図である。図５を参照して、引出線２１は、長手方向に延びる複数の超電導体３２ａと、複数の超電導体３２ａの全周を被覆するシース部３２ｂと、シース部３２ｂを覆うシース部材３３ａを有する。

シース部材３３ａの材質は、たとえばステンレス鋼あるいは銅合金である。また、シース部３２ｂの側面は、必要に応じて半田３３ｂなどで覆われてもよい。引出線２１は、シース部材３３ａを含むことによって超電導線１４よりも高い強度を有することができる。さらに、シース部材３３ａが、たとえばステンレス鋼あるいは銅合金といった導電性を有する材料によって形成される。したがって電極１２とコイル部１１の超電導線１４との間の電気的接続を確保することができる。

図５に示された引出線２１は、図４に示す超電導線１４にシース部材３３ａ（および、必要に応じて半田３３ｂ）を追加した構成を有する。すなわち、引出線２１において、複数の超電導体３２ａとシース部３２ｂとは、超電導線に相当する。シース部材３３ａは、この超電導線を補強するための補強部に相当する。

シース部材３３ａの厚みは、引出線２１の強度と、コイル部１１の外径寸法との観点から定められる。シース部材３３ａが薄過ぎると、引出線２１の強度を高める（超電導線を補強する）効果を十分に発揮することが難しくなる。

一方、シース部材３３ａを厚くした場合には、引出線２１の強度を高めることができるものの、超電導線１４の所定巻数に対するコイル部１１の外径寸法が大きくなる。逆にコイル部１１の外径寸法が予め定まっている場合にはコイル部１１の巻数が減る。超電導線１４に流れる電流が一定であれば、コイル部１１の巻数が減るほど、コイル部１１が発生する電磁力は小さくなる。したがって、所定の大きさの電磁力を得るために、超電導線１４により多くの電流を流す必要が生じる。

このためにシース部材３３ａの厚みは、コイル部１１の外径寸法を大幅に大きくすることなく引出線２１の必要な強度を確保できるように定められる。1つの実施形態では、シース部材３３ａの厚みは、１０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内である。

なお、引出線２１は、コイル部１１を構成する超電導線１４に比べて高い強度を有していればよい。したがって、引出線２１の構成は図５に示されるように限定されるものではない。

図６は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１における、引出線２１と、コイル部１１を構成する超電導線１４との間の接続を説明した概略図である。図６を参照して、電極１２は、コイル部１１の外側に配置される。引出線２１の端部は、コイル部１１の外周側に位置する超電導線１４の端部３０において接続される。引出線２１は、コイル部１１の外周に沿って、コイル部１１の半周以上かつ１周以下の長さにわたり配置される。なお、理解を容易にするために、図６において巻枠５は省略されている。

コイル部１１の超電導線１４に比べて強度の高い引出線２１が、コイル部１１の外周に沿って、コイル部１１の半周にわたり巻回される。引出線２１が曲率を持つので、引出線２１のエッジワイズ変形が抑制される。その結果、コイルの外周部に電極を取り付けても、電極の自重によってコイル部１１の超電導線１４に歪みが生じることを抑えることができる。

この実施の形態では、コイル部１１の超電導線１４は酸化物超電導体で構成される。酸化物超電導体で構成された超電導線は、歪みに弱くなりがちである。超電導線が歪みのために損傷すると、超電導線の電気抵抗が上昇する。したがって、超電導線１４に印加される応力をできるだけ小さくすることが、超電導線１４の損傷を防ぐ点で好ましい。

図１に示されるように、引出線２１とコイル部１１の超電導線１４との接続点は、電極１２と引出線２１との接続点と、コイル部１１の中心点とを結ぶ線上（図１の軸Ｘ上）にある。これにより、引出線２１とコイル部１１の超電導線１４との接続点において超電導線１４に印加される応力を小さくすることができる。

引出線２１が、コイル部１１の外周に沿って、コイル部１１の半周よりも長く形成されていることで、引出線２１とコイル部１１の超電導線１４との接続点において、超電導線１４に印加される応力を小さくすることができる。

一方、引出線２１は超電導線の強度を高めるための補強部を有する。コイル部１１の全体を、補強された超電導線により形成した場合には、補強部の厚みによってコイル部１１の寸法（外径寸法）が大きくなる。あるいは、コイル部１１の外径をある大きさに規定するためにコイル部１１の巻数を減らす必要がある。

この実施の形態では、引出線２１は、コイル部１１の外周に沿って、コイル部１１の半周以上かつ１周以下の長さで配置される。これにより、コイル部１１の外径を大幅に大きくする（あるいはコイル部１１の巻数を大幅に減少させる）ことなく、超電導線１４に印加される応力を小さくすることができる。

以上のように、本発明の第１の実施の形態によれば、電極１２とコイル部１１の超電導線１４とは補強された超電導線（引出線２１）によって接続される。これにより、コイル部１１を構成する超電導線１４に、電極１２の自重による応力が発生することを防止できる。したがって、第１の実施の形態によれば、取扱いに優れた超電導コイルを実現することができる。

なお、第１の実施の形態によれば、コイル部１１は、円形コイルである。したがって、引出線２１は、その全長に亘って円弧状に形成されており、引出線２１は所定の曲率を有する。しかしながら、コイル部１１は円形コイルに限られず、例えばレーストラック型コイルでもよい。コイル部１１が、レーストラック型コイルの場合、引出線２１は、その少なくとも一箇所が湾曲していればよい。これにより、引出線２１が曲率を持つので、引出線２１のエッジワイズ変形が抑制される。その結果、コイルの外周部に電極を取り付けても、電極の自重によってコイル部１１の超電導線に歪みが生じることを抑えることができる。すなわち、引出線２１は、その全長に亘って湾曲している必要はない。言い換えると、引出線２１は、その少なくとも一箇所が湾曲していればよい。

＜実施の形態２＞
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイル２の概略的な平面図である。図１および図７を参照して、超電導コイル２は、コイル部１１と、電極１２と、引出線２１とを有する。第２の実施の形態に係る超電導コイル２は、電極１２および引出線２１がコイル部１１の内周部に配置される点において、第１の実施の形態に係る超電導コイル１と異なる。なお、引出線２１の構造としては、図４あるいは図５に示した構造を採用することができる。したがって、引出線２１の構造については以後の詳細な説明を繰り返さない。

図８は、本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイル２における、引出線２１と、コイル部１１を構成する超電導線１４との間の接続を説明した概略図である。図８を参照して、引出線２１は、コイル部１１の内周に沿って、コイル部１１の半周以上かつ１周以下の長さにわたり配置される。なお、理解を容易にするために、図８において巻枠５は省略されている。

第１の実施の形態と同様に、引出線２１とコイル部１１の超電導線１４との接続点は、電極１２と引出線２１との接続点と、コイル部１１の中心点とを結ぶ線上（図７の軸Ｘ上）にある。これにより、引出線２１とコイル部１１の超電導線１４との接続点において超電導線１４に印加される応力を小さくすることができる。

引出線２１は、コイル部１１の内周側に位置する超電導線１４の端部３０に対して、コイル部１１の外周側から、端部３０に接続される。したがって、コイル部１１の超電導線１４に比べて強度の高い引出線２１が、コイル１１部の半周にわたり巻回される。

コイル部１１の超電導線１４の内周側の端部３０よりもコイル部１１の内周側において、引出線２１の端部が超電導線１４に接続された場合には、引出線２１の弾性により、引出線２１を曲げた際に引出線２１に、元の形に戻ろうとする反発力がコイル部１１の外周に向けて生じる。引出線２１の反発力によって、超電導線１４と引出線２１との接続部に強い応力が加わる可能性がある。

したがって、この実施の形態では、コイル部１１の超電導線１４の内周側の端部３０よりもコイル部１１の外周側に超電導線１４を接続する。引出線２１の曲率を大きくして引出線２１の反発力を小さくする。これにより、超電導線１４において、引出線２１と接続される部分に加わる応力を小さくすることができる。

第１の実施の形態と同じく、引出線２１はコイル部１１の内周に沿って、コイル部１１の半周以上、１周以下にわたり配置される。図７には、引出線２１がコイル部１１の内周に沿って、コイル部１１の半周にわたり配置される形態が示されている。

以上のように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、本発明の第１の実施の形態によれば、電極１２とコイル部１１の超電導線１４とは補強された超電導線（引出線２１）によって接続される。これにより、コイル部１１を構成する超電導線１４に、電極１２の自重による応力が発生することを防止できる。したがって、実施の形態２によれば、取扱いに優れた超電導コイルを実現することができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態３では、実施の形態１または実施の形態２に係る超電導コイルを備えた超電導コイル装置が開示される。

図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る超電導コイル装置１０１の構成を示した図である。図１０を参照して、超電導コイル装置１０１は、超電導コイル１と、超電導コイル１を取り付けるためのボビン１０２とを有する。超電導コイル１は、コイル部１１と電極１２ａ，１２ｂとを有する。コイル部１１は、コイル１１ａ〜１１ｈを有する。軸Ａｘはコイル１１ａ〜１１ｈの積層方向に対応する。

ボビン１０２は、積層されたコイル１１ａ〜１１ｈの内側に配置される胴部１０３と、胴部１０３の上端に設けられるフランジ１０４ａと、胴部１０３の下端に設けられるフランジ１０４ｂとを有する。胴部１０３には、円筒空間（ボア）１０５が形成されている。超電導コイル装置１０１に直流電流が流れることにより、ボア１０５には、静磁場が生じる。なお、超電導コイル装置１０１に交流電流が流れた場合、ボア１０５には、動磁場が生じる。

コイル１１ａ〜１１ｈはパンケーキ型コイルである。最上層のコイル１１ａには、電極１２ａが接続される。一方、最下層のコイル１１ｈには、電極１２ｂが接続される。電極１２ａ，１２ｂは、コイル部１１の同じ側（図９では紙面の左側）から引出される。

超電導コイル１の詳細な構成は、実施の形態１に係る超電導コイル１の構成と同じであるので以後の詳細な説明は繰り返さない。なお、図１０に示された超電導コイル装置１０１において、超電導コイル１を、実施の形態１に係る超電導コイル２に置き換えてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２ 超電導コイル、５ 巻枠、１１ コイル部、１１ａ〜１１ｈ コイル、１２，１２ａ，１２ｂ 電極、１４ 超電導線、２１ 引出線、３０ 端部、３２ａ 超電導体、３２ｂ シース部、３３ａ シース部材、３３ｂ 半田、１０１ 超電導コイル装置、１０２ ボビン、１０３ 胴部、１０４ａ，１０４ｂ フランジ、１０５ ボア、Ａｘ，Ｘ 軸。

Claims (9)

1. 巻回された超電導線を有するコイル部と、
   電極と、
   前記電極と前記コイル部の前記超電導線とを接続する引出線とを備え、
   前記引出線は、
   導電性材料により形成された補強部と、
   超電導線とを含む、超電導コイル。
2. 前記引出線は、前記コイル部の外周または内周に沿って配置される、請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記電極は、前記コイル部の外側に配置され、
   前記引出線は、前記コイル部の外周に沿って、前記コイル部の半周以上かつ１周以下の長さにわたり配置される、請求項２に記載の超電導コイル。
4. 前記電極は、前記コイル部の内周側に配置され、
   前記引出線は、前記コイル部の内周に沿って、前記コイル部の半周以上かつ１周以下の長さにわたり配置される、請求項２に記載の超電導コイル。
5. 前記引出線は、前記コイル部の内周側に位置する前記超電導線の端部に対して前記コイル部の外周側から、当該端部に接続される、請求項４に記載の超電導コイル。
6. 前記補強部は、ステンレス鋼、銅または銅合金からなるテープである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイル。
7. 前記テープの厚みは、１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項６に記載の超電導コイル。
8. 前記コイル部の前記超電導線は、酸化物超電導体を含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導コイル。
9. 請求項１に記載の超電導コイルを備える、超電導コイル装置。

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