JP2008071789A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】クエンチの発生を十分に抑えることが可能な超電導コイルを提供する。
【解決手段】この超電導コイルは、円筒状の軸部１１と、軸部１１の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部１２とを含む巻枠１０と、軸部１１の外周を覆うように配される円筒状の中間部材２０と、一対のフランジ部１２に挟まれるように中間部材２０の外周に超電導線材を螺旋状に巻回して構成される超電導線層３０とを備えている。そして、巻枠１０の軸部１１は、超電導線層３０の軸方向の線膨張係数よりも大きい軸方向の線膨張係数を有するとともに、冷却時に超電導線層３０から一対のフランジ部１２を介して軸部１１に作用する軸方向の引張応力よりも大きい軸方向の引張強度を有しており、中間部材２０は、超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さい周方向の線膨張係数を有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、極低温下で励磁される超電導コイルに関し、特に、両端にフランジ部を有する巻枠に超電導線材を螺旋状に巻回して構成される超電導コイルに関する。

従来、強磁界を発生させるための超電導コイルとして、例えば図１１に示すように、円筒状の軸部１５１とこの軸部１５１の軸方向両端から径外方向に延設されるフランジ部１５２とを有するアルミニウム製（あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）製）の巻枠１５０と、この巻枠１５０にＮｂＴｉ製の超電導線材が螺旋状に巻回されることにより形成された超電導線層１３０とを備えたものが知られている。そして、この超電導コイルは、液体ヘリウム温度（約４Ｋ）である極低温まで冷却された状態で通電されることにより励磁される。

ところで、巻枠の材料としてのアルミニウムやステンレス鋼がＮｂＴｉよりも大きい線膨張係数を有していることから、上記構成の超電導コイルを常温（約２０℃＝約２９３Ｋ）から液体ヘリウム温度（約４Ｋ）まで冷却した際には、図１１に示すように、巻枠１５０が超電導線材の集合体である超電導線層１３０よりも径方向および軸方向に大きく収縮する。この収縮により、図１２に示すように、軸方向では超電導線層１３０と巻枠１５０のフランジ部１５２との間に互いに押し合う力が発生する一方、径方向では巻枠１５０の軸部１５１と超電導線層１３０との間に隙間Ｄ２が生じ、この隙間Ｄ２により超電導線層１３０が不安定な状態となる。

そして、この状態で超電導線材に電流が流されて超電導コイルが励磁されると、その通電電流と自ら発した磁界との相互作用により超電導線層１３０には主に径外方向のフープ力Ｐと軸方向の圧縮力Ｑとが作用する。これらの力は、超電導線層１３０の特に上記隙間Ｄ２に面した内周部に配される超電導線材を微小変位させ易く、この微小変位により発生した摩擦熱でクエンチが発生するおそれがある。

そこで、上記不都合を解消するために、冷却・励磁時に、軸方向では巻枠が超電導線層を挟み込み、かつ、径方向では超電導線層が巻枠を外側から締め付けるように構成することによって、超電導線層の安定な状態、すなわちクエンチが発生し難い状態を得る技術が提案されている。例えば、特許文献１には、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）層とガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）層との２層からなる巻枠を備えた超電導コイルが開示されている。このポリエチレン繊維強化プラスチックは、ポリエチレン繊維を軸方向に対して±４０°から±８０°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向させることによって周方向に負の線膨張係数（温度を下げると膨張する特性）を有するように構成されている。
特開平７−１４２２３３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された超電導コイルでは、巻枠の材料として繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いているため、冷却時に超電導線層から一対のフランジ部を介して巻枠の軸部に作用する軸方向の反力（つまり、一対のフランジ部により超電導線層を挟圧した際に巻枠の軸部に発生する引張応力）により軸部に繊維に沿った割れが発生する場合がある。すなわち、ＦＲＰは、繊維方向と直交する方向の引張強度が非常に小さいという特性を有しており、例えばＦＲＰを構成する繊維の軸方向に対する配向角度を大きくし過ぎた場合、上記軸部に発生する引張応力のうちの繊維方向と直交する方向の成分がＦＲＰの繊維方向と直交する方向の引張強度よりも大きくなり、これによって巻枠に繊維方向に沿った割れが発生することになる。このように巻枠の軸部に割れが発生した場合、一対のフランジ部により超電導線層を挟み込んで十分に圧縮することが困難になるので、超電導線層の安定状態が得られなくなり、超電導線材の微小変位によるクエンチの発生を抑制するのが困難になるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、クエンチの発生を十分に抑えることが可能な超電導コイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明の請求項１に記載の超電導コイルは、極低温下で励磁される超電導コイルであって、円筒状の軸部と、前記軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠と、前記軸部の外周を覆うように配される円筒状の中間部材と、前記一対のフランジ部に挟まれるように前記中間部材の外周に超電導線材を螺旋状に巻回して構成される超電導線層とを備え、前記巻枠の軸部は、前記超電導線層の軸方向の線膨張係数よりも大きい軸方向の線膨張係数を有するとともに、冷却時に前記超電導線層から前記一対のフランジ部を介して前記軸部に作用する軸方向の引張力よりも大きい軸方向の引張強度を有し、前記中間部材は、前記超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さい周方向の線膨張係数を有することを特徴とする。

この請求項１に記載の超電導コイルでは、上記のように、中間部材の周方向の線膨張係数が超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さくなるように構成することによって、冷却時の超電導線層の径方向の収縮量が中間部材の径方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に超電導線層が中間部材を外側から締め付けるように収縮し、中間部材と超電導線層との間に径方向の互いに押し合う力が発生する。また、上記のように、巻枠の軸部の軸方向の線膨張係数が超電導線層の軸方向の線膨張係数よりも大きくなるように構成することによって、冷却時の巻枠の軸部の軸方向の収縮量が超電導線層の軸方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に巻枠が一対のフランジ部により超電導線層を軸方向両側から挟み込むように収縮し、巻枠のフランジ部と超電導線層との間に軸方向の互いに押し合う力が発生する。これにより、冷却状態で超電導線層が巻枠の一対のフランジ部と中間部材とにより強固に保持された安定な状態となるので、励磁時に超電導線層に径外方向のフープ力や軸方向の圧縮力が作用したとしても超電導線材の変位を十分に抑えることができる。その結果、クエンチの発生を十分に抑制することができる。

また、巻枠の軸部の軸方向の引張強度が冷却時に超電導線層から一対のフランジ部を介して軸部に作用する軸方向の引張力よりも大きくなるように構成することによって、冷却時に一対のフランジ部が超電導線層を挟圧することで巻枠の軸部に発生する軸方向の引張応力によって巻枠の軸部に割れが発生するのを防ぐことができるので、巻枠の割れに起因して超電導線層の安定状態が崩れることによるクエンチの発生を十分に抑制することができる。

上記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記中間部材は、繊維強化プラスチックからなる材料を含み、前記繊維強化プラスチックの繊維は、前記中間部材の周方向の線膨張係数が前記超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さくなる角度で前記軸方向に対して傾斜する向きに配向する構成であってもよい（請求項２）。このように繊維強化プラスチックの繊維を軸方向に対して配向させることで、容易に、中間部材の周方向の線膨張係数を超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さくすることができる。また、上記構成では、中間部材に軸方向の引張応力がほぼ発生することがないので、繊維を軸方向に対して大きな角度で配向させたとしても支障がない。

上記請求項２に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導線材は、ＮｂＴｉからなる材料を含み、前記繊維強化プラスチックは、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチックであって、その炭素繊維が前記軸方向に対して±４０°から±９０°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向する構成であってもよい（請求項３）。このように構成すれば、容易に、炭素繊維強化プラスチックからなる中間部材の周方向の線膨張係数をＮｂＴｉからなる超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さくすることができる。

この発明の請求項４に記載の超電導コイルは、極低温下で励磁される超電導コイルであって、円筒状の軸部と、前記軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠と、前記一対のフランジ部に挟まれるように前記軸部の外周に超電導線材を螺旋状に巻回して構成される超電導線層とを備え、前記巻枠は、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチックであって、前記炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維は、前記巻枠の軸部が前記超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さい周方向の線膨張係数と前記超電導線層の軸方向の線膨張係数よりも大きい軸方向の線膨張係数とを有するとともに前記巻枠の軸部の軸方向の引張強度が冷却時に前記超電導線層から前記一対のフランジ部を介して前記軸部に作用する軸方向の引張力よりも大きくなる角度で前記軸方向に対して傾斜する向きに配向していることを特徴とする。

この請求項４に記載の超電導コイルでは、上記のように、巻枠の軸部の周方向の線膨張係数が超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さくなるように構成することによって、冷却時の超電導線層の径方向の収縮量が巻枠の軸部の径方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に超電導線層が巻枠の軸部を外側から締め付けるように収縮し、巻枠の軸部と超電導線層との間に径方向の互いに押し合う力が発生する。また、上記のように、巻枠の軸部の軸方向の線膨張係数が超電導線層の軸方向の線膨張係数よりも大きくなるように構成することによって、冷却時の巻枠の軸部の軸方向の収縮量が超電導線層の軸方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に巻枠が一対のフランジ部により超電導線層を軸方向両側から挟み込むように収縮し、巻枠のフランジ部と超電導線層との間に軸方向の互いに押し合う力が発生する。これにより、冷却状態で超電導線層が巻枠の一対のフランジ部と軸部とにより強固に保持された安定な状態となるので、励磁時に超電導線層に径外方向のフープ力や軸方向の圧縮力が作用したとしても超電導線材の変位を十分に抑えることができる。その結果、クエンチの発生を十分に抑制することができる。

また、炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維を、巻枠の軸部の軸方向の引張強度が冷却時に超電導線層から一対のフランジ部を介して軸部に発生する軸方向の引張力よりも大きくなる角度で軸方向に対して傾斜する向きに配向させることによって、冷却時に一対のフランジ部が超電導線層を挟圧することで巻枠の軸部に発生する軸方向の引張応力によって巻枠の軸部に割れが発生するのを防ぐことができるので、巻枠の割れに起因して超電導線層の安定状態が崩れることによるクエンチの発生を十分に抑制することができる。

また、このような巻枠として炭素繊維からなる炭素繊維強化プラスチックを用いたので、従来のように、ＤＦＲＰおよびＧＦＲＰの２層構造の巻枠を用いる場合に比べて、製造工程が煩雑化するのを抑制することができる。これにより、製造コストを低減することができる。

上記請求項４に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導線材は、ＮｂＴｉからなる材料を含み、前記炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維が前記軸方向に対して±５０°から±７５°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向する構成であってもよい（請求項５）。このように構成すれば、容易に、炭素繊維強化プラスチックからなる巻枠の軸部の周方向の線膨張係数をＮｂＴｉからなる超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さくしつつ、巻枠の軸部の軸方向の線膨張係数を超電導線層の軸方向の線膨張係数よりも大きくすることができる。また、上記構成によれば、容易に、巻枠の軸部の軸方向の引張強度を冷却時に超電導線層から一対のフランジ部を介して軸部に作用する軸方向の引張力よりも大きくすることができる。

上記請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記超電導線層の外周に設けられ、前記超電導線層の周方向の線膨張係数よりも大きい周方向の線膨張係数を有するバインド部材をさらに備え、前記バインド部材は、冷却時に前記超電導線層を外側から締め付けるように収縮する（請求項６）。このように、冷却時にバインド部材が超電導線層を外側から締め付けるように収縮することによって、超電導線層とバインド部材との間に径方向の互いに押し合う力が発生するので、冷却状態で超電導線層がさらに安定した状態となる。これにより、励磁状態でのクエンチの発生をより一層抑制することができる。

この発明の超電導コイルによれば、冷却時に超電導線層が中間部材を外側から締め付けるように収縮するとともに、巻枠が一対のフランジ部により超電導線層を軸方向両側から挟み込むように収縮するので、中間部材と超電導線層との間に径方向の互いに押し合う力が発生するとともに巻枠のフランジ部と超電導線層との間に軸方向の互いに押し合う力が発生する。これにより、冷却状態で超電導線層が一対のフランジ部と中間部材とにより強固に保持された安定状態となるので、励磁時に超電導線材に径外方向のフープ力や軸方向の圧縮力が作用したとしても超電導線材の変位を十分に抑えることができる。その結果、クエンチの発生を十分に抑制することができる。

また、この超電導コイルによれば、冷却時に一対のフランジ部が超電導線層を挟圧することで巻枠の軸部に発生する軸方向の引張応力によって巻枠の軸部に割れが発生するのを防ぐことができるので、巻枠の割れに起因して超電導線層の安定状態が崩れることによるクエンチの発生を十分に抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図であり、図２および図３は、図１に示した超電導コイルの冷却状態および励磁状態の正面断面図である。また、図４は、炭素繊維の配向角度と炭素繊維強化プラスチックの線膨張係数との関係を示した相関図である。まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による超電導コイルの全体構成について説明する。

第１実施形態の超電導コイルは、液体ヘリウム温度である極低温（約４Ｋ）に冷却された状態で通電されることにより励磁されるように構成されており、図１に示すように、アルミニウム製の巻枠１０と、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の中間部材２０と、ＮｂＴｉ製の超電導線材の集合体である超電導線層３０とを備えている。

巻枠１０は、円筒状の軸部１１と、軸部１１の軸方向両端から径外方向に延びるように設けられた一対のフランジ部１２とを含んでいる。このアルミニウム製の巻枠１０の軸部１１の軸方向の線膨張係数（約１４．５×１０^−６／℃）は、ＮｂＴｉ製の超電導線層３０の軸方向の線膨張係数（約９．３×１０^−６／℃）よりも大きくなっている。なお、上記各線膨張係数は、常温（約２９３Ｋ）から極低温（約４Ｋ）までの間の平均値で示されている。また、アルミニウムの引張強度が比較的大きいため、巻枠１０の軸部１１の軸方向の引張強度は、冷却時に超電導線層３０から一対のフランジ部１２を介して軸部１１に作用する軸方向の反力（引張力）、つまり一対のフランジ部１２により超電導線層３０を挟圧した際に軸部１１に発生する引張応力よりも大きくなっている。なお、巻枠１０の材料としては、軸方向の線膨張係数が超電導線層３０よりも大きく、かつ軸方向の引張強度が上述の引張応力よりも大きいという条件を満足しているならば上記アルミニウム以外の材料であっても良く、例えばアルミニウム合金やステンレス鋼（ＳＵＳ）を好適なものとして挙げることができる。

中間部材２０は、円筒状に形成されており、軸部１１の外周を覆うように配されている。この中間部材２０の材料であるＣＦＲＰの炭素繊維は、軸方向に対して±４０°から±９０°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向している。これにより、本実施形態では、上記ＣＦＲＰ製の中間部材２０の周方向の線膨張係数が、ＮｂＴｉ製の超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さくなっている。

以下、図４を参照して説明する。図４は、樹脂を含浸した炭素繊維の配向角度を種々に変化させて作成されたＣＦＲＰ製パイプ（中間部材２０に相当）の線膨張係数を示したものであり、実線はＣＦＲＰ製パイプの周方向の線膨張係数を、一点鎖線はＣＦＲＰ製パイプの軸方向の線膨張係数を示している。また、図４中の破線は、ＮｂＴｉ製の超電導線層３０の線膨張係数を示している。図４によれば、炭素繊維の配向角度が０°から４０°の範囲ではＣＦＲＰ製パイプの周方向の線膨張係数が超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも大きくなり、炭素繊維の配向角度が４０°から９０°の範囲ではＣＦＲＰ製パイプの周方向の線膨張係数が超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さくなっている。これにより、炭素繊維を軸方向に対する配向角度が±４０°から±９０°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向させたＣＦＲＰ製の中間部材２０は、その周方向の線膨張係数が超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さくなっていることが分かる。

なお、中間部材２０の材料としては、周方向の線膨張係数が超電導線層３０よりも小さいという条件を満足しているならば上記ＣＦＲＰ以外の材料であっても良く、例えばＦＲＰでは、繊維方向の線膨張係数が非常に小さいアラミド繊維を軸方向に対して±４０°〜±９０°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向させたアラミド繊維強化プラスチックや、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭化珪素繊維強化プラスチック（ＳＦＲＰ）、アルミナ繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ）を挙げることができる。また、ＦＲＰ以外の材料では、比較的小さい線膨張係数を有するインバー合金等を好適なものとして挙げることができる。

また、ＣＦＲＰは、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）と異なり、加工性に優れているため、様々な機械加工や研削・研磨等によって任意の形状に加工することが可能である。従って、従来のように、巻枠をＤＦＲＰおよびＧＦＲＰの２層構造にする必要がないので、製造工程が煩雑化するのを抑制し製造コストを低減することが可能である。

超電導線層３０は、一対のフランジ部１２に挟まれるように中間部材２０の外周にＮｂＴｉ製の超電導線材を螺旋状（またはソレノイド状）に巻回して構成されている。なお、超電導線材の材料としては、上記ＮｂＴｉ以外のＮｂ_３ＳｎおよびＮｂ_３Ａｌ等を挙げることができる。

上記のように構成された第１実施形態の超電導コイルでは、アルミニウム製の巻枠１０の軸部１１の軸方向の線膨張係数がＮｂＴｉ製の超電導線層３０の軸方向の線膨張係数よりも大きくなっており、ＣＦＲＰ製の中間部材２０の周方向の線膨張係数がＮｂＴｉ製の超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さくなっているため、当該超電導コイルを常温（約２０℃＝約２９３Ｋ）から液体ヘリウム温度（約４Ｋ）まで冷却した際には、図２に示すように、軸方向では巻枠１０の軸部１１の収縮量が超電導線層３０の収縮量よりも大きくなり、径方向では超電導線層３０の収縮量が中間部材２０の収縮量よりも大きく、かつ巻枠１０の軸部１１の収縮量が超電導線層３０の収縮量よりも大きくなる。これにより、冷却時に、巻枠１０が一対のフランジ部１２により超電導線層３０を軸方向両側から挟み込むように収縮するとともに、超電導線層３０が中間部材２０を外側から締め付けるように収縮するので、中間部材２０と超電導線層３０との間に径方向の互いに押し合う力が発生するとともに、巻枠１０のフランジ部１２と超電導線層３０との間に軸方向の互いに押し合う力が発生する。

なお、アルミニウム製の巻枠１０の軸部１１の周方向の線膨張係数がＣＦＲＰ製の中間部材２０の周方向の線膨張係数よりも大きいことから、冷却時には、巻枠１０の軸部１１が超電導線層３０よりも径方向に大きく収縮するので、巻枠１０の軸部１１と超電導線層３０との間に隙間Ｄ１（図３参照）が生じている。

そして、この状態で通電されることにより超電導コイルが励磁されると、図３に示すように、通電電流と自ら発した磁界との相互作用により超電導線層３０に径外方向のフープ力Ｐと軸方向の圧縮力Ｑとが作用するが、超電導線層３０が一対のフランジ部１２および中間部材２０により強固に保持された安定状態にあるため、超電導線層３０を構成する超電導線材の変位が十分に抑えられている。

なお、一般にＦＲＰは、繊維方向と直交する方向の引張強度が非常に小さいという特性を有しており、ＦＲＰの繊維方向と直交する方向に引張強度よりも大きな力が作用した場合、ＦＲＰに繊維方向に沿った割れが発生することになるが、上記構成によれば、冷却時に中間部材２０に軸方向の引張応力が発生しないので、炭素繊維を軸方向に対して例えば±９０°に配向させたＣＦＲＰ製の中間部材２０を用いたとしても該中間部材２０に割れが発生するおそれがない。そして、このように炭素繊維を軸方向に対して±９０°の角度で傾斜する向きに配向させた中間部材２０であれば当該中間部材２０の周方向の線膨張係数が十分に小さいので、冷却時の超電導線層３０の状態をさらに安定させることが可能である。

また、上記構成の場合、巻枠１０をフィラメント・ワインディング成形法（ＦＷ法）による中間部材２０成形時のマンドレル（芯金）として用いることができるので、超電導コイルの製作工程が簡便になり、製造コストを低減することができる。

第１実施形態では、上記のように、中間部材２０の周方向の線膨張係数が超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さくなるように構成することによって、冷却時の超電導線層３０の径方向の収縮量が中間部材２０の径方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に超電導線層３０が中間部材２０を外側から締め付けるように収縮し、中間部材２０と超電導線層３０との間に径方向の互いに押し合う力が発生する。また、上記のように、巻枠１０の軸部１１の軸方向の線膨張係数が超電導線層３０の軸方向の線膨張係数よりも大きくなるように構成することによって、冷却時の巻枠１０の軸部１１の軸方向の収縮量が超電導線層３０の軸方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に巻枠１０が一対のフランジ部１２により超電導線層３０を軸方向両側から挟み込むように収縮し、巻枠１０のフランジ部１２と超電導線層３０との間に軸方向の互いに押し合う力が発生する。これにより、冷却状態で超電導線層３０が巻枠１０の一対のフランジ部１２と中間部材２０とにより強固に保持された安定な状態となるので、励磁時に超電導線層３０に径外方向のフープ力Ｐや軸方向の圧縮力Ｑが作用したとしても超電導線材の変位を十分に抑えることができる。その結果、クエンチの発生を十分に抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、巻枠１０の軸部１１の軸方向の引張強度が冷却時に軸部１１に発生する軸方向の引張応力よりも大きくなるように構成することによって、冷却時に一対のフランジ部１２が超電導線層３０を挟圧することで巻枠１０の軸部１１に発生する軸方向の引張応力によって巻枠１０の軸部１１に割れが発生するのを防ぐことができるので、巻枠１０の割れに起因して超電導線層３０の安定状態が崩れることによるクエンチの発生を十分に抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、中間部材２０の材料としての炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維を、軸方向に対して±４０°から±９０°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向させることによって、容易に、炭素繊維強化プラスチックからなる中間部材２０の周方向の線膨張係数をＮｂＴｉからなる超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さくすることができる。

図５および図６は、第１実施形態の変形例による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図である。

この変形例による超電導コイルは、図５に示すように、超電導線層３０の外周に設けられたバインド部材４０をさらに備えている。詳しくは、バインド部材４０は、常温時に超電導線層３０の外周に接触する状態あるいは僅かな隙間を有した状態となるように配設されており、冷却状態で超電導線層３０を外側から締め付けるように収縮するように構成されている。このバインド部材４０は、アルミニウム製であって、超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも大きい周方向の線膨張係数を有している。なお、バインド部材４０の材料としては、上記アルミニウム以外のアルミニウム合金、ステンレス鋼、銅、銅合金、チタン、チタン合金等を挙げることができる。

この変形例では、上記のように、超電導線層３０の外周に、超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも大きい周方向の線膨張係数を有するバインド部材４０を超電導線層３０の外周に接触あるいは僅かな隙間を有する状態で設けることによって、冷却時のバインド部材４０の径方向の収縮量が超電導線層３０の径方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時にバインド部材４０が超電導線層３０を外側から締め付けるように収縮し、超電導線層３０とバインド部材４０との間に径方向の互いに押し合う力が発生する。これにより、冷却状態で超電導線層３０がさらに安定した状態となるので、励磁状態でのクエンチの発生をより一層抑制することができる。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図であり、図８および図９は、図７に示した超電導コイルの冷却状態および励磁状態の正面断面図である。この第２実施形態の超電導コイルは、上記第１実施形態と異なる巻枠５０を備えるとともに、第１実施形態の中間部材２０が省略された構成を有している。

すなわち、第２実施形態の超電導コイルは、図７に示すように、ＣＦＲＰ製の巻枠５０と、超電導線層３０とを備えている。

巻枠５０は、円筒状の軸部５１と、軸部５１の軸方向両端から径外方向に延びるように設けられた一対のフランジ部５２とを含んでいる。

この巻枠５０の材料であるＣＦＲＰの炭素繊維は、軸方向に対して±５０°から±７５°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向している。これにより、本実施形態では、上記ＣＦＲＰ製の巻枠５０の軸部５１の周方向の線膨張係数がＮｂＴｉ製の超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さく、かつ、ＣＦＲＰ製の巻枠５０の軸部５１の軸方向の線膨張係数がＮｂＴｉ製の超電導線層３０の軸方向の線膨張係数よりも大きくなっている（図４参照）。

また、巻枠５０の材料であるＣＦＲＰの炭素繊維が、軸方向に対して±５０°から±７５°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向していることから、本実施形態では、巻枠５０の軸部５１の軸方向の引張強度が、冷却時に軸部５１に発生する軸方向の引張応力よりも大きくなっている。

以下、図１０を参照して説明する。図１０は、炭素繊維の配向角度を種々に変化させて作成されたＣＦＲＰ製パイプ（巻枠５０の軸部５１に相当）の軸方向の引張強度を示したものである。また、図１０中の破線は、冷却時にＣＦＲＰ製パイプに発生する軸方向の引張応力を示している。図１０によれば、炭素繊維の配向角度が０°から７５°の範囲ではＣＦＲＰ製パイプの引張強度が引張応力よりも大きくなり、炭素繊維の配向角度が７５°から９０°の範囲ではＣＦＲＰ製パイプの引張強度が引張応力よりも小さくなっている。これにより、炭素繊維を軸方向に対する配向角度が±５０°から±７５°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向させたＣＦＲＰ製の巻枠５０は、その軸方向の引張強度が冷却時に軸部５１に発生する軸方向の引張応力よりも大きくなっている。

従って、冷却時に一対のフランジ部５２が超電導線層３０を挟圧することで巻枠５０の軸部５１に軸方向の引張応力が発生したとしても、その軸方向の引張応力によって巻枠５０の軸部５１に繊維方向に沿った割れが発生するのを防ぐことができる。

なお、巻枠５０の材料としては、上記第１実施形態の中間部材２０とほぼ同様の材料を挙げることができる。

上記のように構成された第２実施形態の超電導コイルでは、ＣＦＲＰ製の巻枠５０の軸部５１の軸方向の線膨張係数がＮｂＴｉ製の超電導線層３０の軸方向の線膨張係数よりも大きくなっており、ＣＦＲＰ製の巻枠５０の軸部５１の周方向の線膨張係数がＮｂＴｉ製の超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さくなっているため、当該超電導コイルを常温から液体ヘリウム温度まで冷却した際には、図８に示すように、軸方向では巻枠５０の軸部５１の収縮量が超電導線層３０の収縮量よりも大きくなり、径方向では超電導線層３０の収縮量が巻枠５０の軸部５１の収縮量よりも大きくなる。これにより、冷却時に、巻枠５０が一対のフランジ部５２により超電導線層３０を軸方向両側から挟み込むように収縮するとともに、超電導線層３０が巻枠５０の軸部５１を外側から締め付けるように収縮するので、巻枠５０の軸部５１と超電導線層３０との間に径方向の互いに押し合う力が発生するとともに、巻枠５０のフランジ部５２と超電導線層３０との間に軸方向の互いに押し合う力が発生する。

そして、この状態で通電されることにより超電導コイルが励磁されると、図９に示すように、超電導線層３０に径外方向のフープ力Ｐと軸方向の圧縮力Ｑとが作用するが、超電導線層３０が一対のフランジ部５２および軸部５１により強固に保持された安定状態にあるため、超電導線層３０を構成する超電導線材の変位が十分に抑えられている。

第２実施形態では、上記のように、巻枠５０の軸部５１の周方向の線膨張係数が超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さくなるように構成することによって、冷却時の超電導線層３０の径方向の収縮量が巻枠５０の軸部５１の径方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に超電導線層３０が巻枠５０の軸部５１を外側から締め付けるように収縮し、巻枠５０の軸部５１と超電導線層３０との間に径方向の互いに押し合う力が発生する。また、上記のように、巻枠５０の軸部５１の軸方向の線膨張係数が超電導線層３０の軸方向の線膨張係数よりも大きくなるように構成することによって、冷却時の巻枠５０の軸部５１の軸方向の収縮量が超電導線層３０の軸方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に巻枠５０が一対のフランジ部５２により超電導線層３０を軸方向両側から挟み込むように収縮し、巻枠５０のフランジ部５２と超電導線層３０との間に軸方向の互いに押し合う力が発生する。これにより、冷却状態で超電導線層３０が巻枠５０の一対のフランジ部５２と軸部５１とにより強固に保持された安定な状態となるので、励磁時に超電導線層３０に径外方向のフープ力Ｐや軸方向の圧縮力Ｑが作用したとしても超電導線材の変位を十分に抑えることができる。その結果、クエンチの発生を十分に抑制することができる。

また、ＣＦＲＰの炭素繊維を、軸方向に対して±５０°から±７５°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向させることによって、巻枠５０の軸部５１の軸方向の引張強度が冷却時に軸部５１に発生する軸方向の引張応力よりも大きくなるので、冷却時に一対のフランジ部５２が超電導線層３０を挟圧することで巻枠５０の軸部５１に発生する軸方向の引張応力によって巻枠５０の軸部５１に割れが発生するのを防ぐことができるので、巻枠５０の割れに起因して超電導線層３０の安定状態が崩れることによるクエンチの発生を十分に抑制することができる。

また、このような巻枠５０として炭素繊維からなるＣＦＲＰを用いたので、従来のように、ＤＦＲＰおよびＧＦＲＰの２層構造の巻枠を用いる場合に比べて、製造工程が煩雑化するのを抑制することができる。これにより、製造コストを低減することができる。

また、巻枠５０の材料としてのＣＦＲＰは、優れた加工性を有しているため、ＦＷ法による成形時に軸方向の中央部を軸方向両端のフランジ部５２に相当する部位に比べて小径に加工することで容易に巻枠５０を成形することが可能である。これにより、加工の際に残出する材料を少なくすることができるので、材料費を節約することができるという効果も奏する。

なお、第２実施形態の変形例として、上記第１実施形態の変形例と同様、超電導線層３０の外側にアルミニウム製のバインド部材４０を配設してもよい。

次に、図１１および図１２に示した従来の超電導コイルと図７〜図９に示した第２実施形態による超電導コイルとに各々対応する供試体を作製し、それら供試体の特性を比較して上記実施形態の効果を証明する実験を行った。

この実験では、供試体（超電導コイル）の各寸法を以下のように設定した。すなわち、巻枠の軸部の内径を８０ｍｍ、巻枠の軸部の径方向の厚さを３ｍｍ、超電導線層の径方向の厚さを１０ｍｍ、超電導コイルの軸方向の長さを１５０ｍｍ、巻枠のフランジ部の外径を１１０ｍｍ、巻枠のフランジ部の軸方向の厚さを１０ｍｍとした。

供試体Ａは、従来の超電導コイルに対応しており、巻枠１５０をアルミニウム製とした。また、供試体Ｂは、第２実施形態による超電導コイルに対応しており、巻枠５０をＣＦＲＰ製とし、炭素繊維の軸方向に対する配向角度を±６０°とした。また、供試体Ｃは、第２実施形態の変形例による超電導コイルに対応しており、上記供試体Ｂの超電導線層３０の外周にアルミニウム製のバインド部材４０（厚さ２ｍｍ）を設けたものである。なお、供試体Ａ〜Ｃの超電導線材としてＮｂＴｉ線を用いた。

そして、上記３つの供試体Ａ〜Ｃを液体ヘリウム中に浸漬し、それぞれのクエンチ電流を測定したところ、表１に示す結果が得られた。

すなわち、供試体Ａでは、トレーニングクエンチを１２回経た後のクエンチ電流の最大値が１１２０アンペア（Ａ）であった。これに対して、供試体Ｂでは、トレーニングクエンチを３回経た後のクエンチ電流の最大値が１４５０Ａであった。また、供試体Ｃでは、トレーニングクエンチを２回経た後のクエンチ電流の最大値が１５８０Ａであった。なお、上記「トレーニングクエンチ」は、電流を０Ａから徐々に上昇させることで略強制的に発生させたクエンチのことを言う。

このように、第２実施形態の超電導コイルに対応する供試体ＢおよびＣは、従来の超電導コイルに対応する供試体Ａに比べてトレーニングクエンチの回数が少ないのにもかかわらずクエンチ電流の最大値が大きいという安定した特性を示すことが判明した。

これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、供試体Ｂ，Ｃにおいて、炭素繊維の軸方向に対する配向角度が±６０°のＣＦＲＰ製の巻枠５０の軸部５１の周方向の線膨張係数がＮｂＴｉ製の超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも小さい（図４参照）ことから、冷却時の超電導線層３０の径方向の収縮量が巻枠５０の軸部５１の径方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に超電導線層３０が巻枠５０の軸部５１を外側から締め付けるように収縮し、巻枠５０の軸部５１と超電導線層３０との間に径方向の互いに押し合う力が発生する。また、炭素繊維の軸方向に対する配向角度が±６０°のＣＦＲＰ製の巻枠５０の軸部５１の軸方向の線膨張係数がＮｂＴｉ製の超電導線層３０の軸方向の線膨張係数よりも大きい（図４参照）ことから、冷却時の巻枠５０の軸部５１の軸方向の収縮量が超電導線層３０の軸方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時に巻枠５０が一対のフランジ部５２により超電導線層３０を軸方向両側から挟み込むように収縮し、巻枠５０のフランジ部５２と超電導線層３０との間に軸方向の互いに押し合う力が発生する。これらにより、冷却状態で超電導線層３０が巻枠５０の一対のフランジ部５２と軸部５１とにより強固に保持された安定な状態となるので、励磁時に超電導線層３０に径外方向のフープ力Ｐや軸方向の圧縮力Ｑが作用したとしても超電導線材の変位を十分に抑えることができ、その結果、クエンチの発生を十分に抑制することができたと考えられる。

また、第２実施形態の変形例の超電導コイルに対応する供試体Ｃは、供試体Ｂよりもさらに安定した特性を示すことも判明した。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、供試体Ｃにおいて、超電導線層３０の外側に設けられたアルミニウム製のバインド部材４０の周方向の線膨張係数が、ＮｂＴｉ製の超電導線層３０の周方向の線膨張係数よりも大きいことから、冷却時のバインド部材４０の径方向の収縮量が超電導線層３０の径方向の収縮量よりも大きくなるので、冷却時にバインド部材４０が超電導線層３０を外側から締め付けるように収縮し、超電導線層３０とバインド部材４０との間に径方向の互いに押し合う力が発生する。これにより、冷却状態で超電導線層３０がさらに安定した状態となるので、励磁状態でのクエンチの発生をより一層抑制することができたと考えられる。

以上のことから、この比較実験によって上記実施形態の効果が証明された。

本発明の第１実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図である。 図１に示した超電導コイルの冷却状態の正面断面図である。 図１に示した超電導コイルの励磁状態の正面断面図である。 炭素繊維の配向角度と炭素繊維強化プラスチックの線膨張係数との関係を示した相関図である。 第１実施形態の変形例による超電導コイルの冷却状態の正面断面図である。 図５に示した超電導コイルの励磁状態の正面断面図である。 本発明の第２実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図である。 図７に示した超電導コイルの冷却状態の正面断面図である。 図７に示した超電導コイルの励磁状態の正面断面図である。 炭素繊維の配向角度と炭素繊維強化プラスチックの軸方向引張強度との関係を示した相関図である。 従来の超電導コイルの冷却状態の正面断面図である。 図１１に示した従来の超電導コイルの励磁状態の正面断面図である。

符号の説明

１０，５０ 巻枠
１１，５１ 軸部
１２，５２ フランジ部
２０ 中間部材
３０ 超電導線層
４０ バインド部材

Claims (6)

1. 極低温下で励磁される超電導コイルであって、
   円筒状の軸部と、前記軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠と、
   前記軸部の外周を覆うように配される円筒状の中間部材と、
   前記一対のフランジ部に挟まれるように前記中間部材の外周に超電導線材を螺旋状に巻回して構成される超電導線層とを備え、
   前記巻枠の軸部は、前記超電導線層の軸方向の線膨張係数よりも大きい軸方向の線膨張係数を有するとともに、冷却時に前記超電導線層から前記一対のフランジ部を介して前記軸部に作用する軸方向の引張力よりも大きい軸方向の引張強度を有し、
   前記中間部材は、前記超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さい周方向の線膨張係数を有することを特徴とする超電導コイル。
2. 前記中間部材は、繊維強化プラスチックからなる材料を含み、
   前記繊維強化プラスチックの繊維は、前記中間部材の周方向の線膨張係数が前記超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さくなる角度で前記軸方向に対して傾斜する向きに配向し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。
3. 前記超電導線材は、ＮｂＴｉからなる材料を含み、
   前記繊維強化プラスチックは、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチックであって、その炭素繊維が前記軸方向に対して±４０°から±９０°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向していることを特徴とする請求項２に記載の超電導コイル。
4. 極低温下で励磁される超電導コイルであって、
   円筒状の軸部と、前記軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠と、
   前記一対のフランジ部に挟まれるように前記軸部の外周に超電導線材を螺旋状に巻回して構成される超電導線層とを備え、
   前記巻枠は、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチックであって、
   前記炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維は、前記巻枠の軸部が前記超電導線層の周方向の線膨張係数よりも小さい周方向の線膨張係数と前記超電導線層の軸方向の線膨張係数よりも大きい軸方向の線膨張係数とを有するとともに前記巻枠の軸部の軸方向の引張強度が冷却時に前記超電導線層から前記一対のフランジ部を介して前記軸部に作用する軸方向の引張力よりも大きくなる角度で前記軸方向に対して傾斜する向きに配向していることを特徴とする超電導コイル。
5. 前記超電導線材は、ＮｂＴｉからなる材料を含み、
   前記炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維が前記軸方向に対して±５０°から±７５°の範囲内の角度で傾斜する向きに配向していることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイル。
6. 前記超電導線層の外周に設けられ、前記超電導線層の周方向の線膨張係数よりも大きい周方向の線膨張係数を有するバインド部材をさらに備え、
   前記バインド部材は、冷却時に前記超電導線層を外側から締め付けるように収縮することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導コイル。

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