JP2009130274A

JP2009130274A - 超電導ソレノイドコイルおよび超電導コイル構造

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Publication number: JP2009130274A
Application number: JP2007306161A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hase; 隆司長谷; Takashi Zaitsu; 享司財津; Hiroyuki Kato; 弘之加藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】臨界電流が低下することがないような超電導ソレノイドコイルの構成、およびこうした超電導ソレノイドコイルを用いて、外部磁場を発生するコイルと組み合わせて超電導コイルを構成した場合、テープ線材の面に垂直な方向の磁場成分による臨界電流の低下を発生させることがないような超電導コイル構造を提供する。
【解決手段】本発明の超電導ソレノイドコイルは、円筒状の巻胴部を備えた超電導コイル製造用巻枠における前記巻胴部の外周に、超電導線材を含むテープ線材が螺旋状に多層巻きされて構成される超電導ソレノイドコイルであって、前記多層巻きされたテープ線材の長手方向と巻胴部の軸方向とのなす角度をα（ｒａｄ：０＜α＜π／２）とするとき、この角度αは、前記巻胴部の軸方向端部近傍において、巻胴部端部に近くなるにつれて大きくなるように構成されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導線材を含むテープ線材を螺旋状に多層巻きされて構成される超電導ソレノイドコイル、およびこうした超電導ソレノイドコイルを構成要素の一部とする超電導コイル構造に関するものであり、特に外部磁場を発生させる超電導コイルの空隙部内に挿入されるインサートコイルとして用いられる超電導ソレノイドコイル、およびこうした超電導ソレノイドコイルと前記外部磁場を発生させる超電導コイルとを組み合わせて構成される超電導コイル構造に関するものである。

超電導線材には、ＮｂＴｉやＮｂ₃Ｓｎ等の金属系超電導線材と、Ｂｉ系酸化物やＹ系酸化物等の酸化物系超電導線材が知られている。前者の金属系超電導線材は、丸型や平角形（長方形）の横断面形状を有し、ある程度の厚みを有する線状のものである。後者の酸化物系超電導線材は、酸化物結晶の配向性を高くして高い臨界電流密度を得るために、薄いテープ状（断面が高アスペクト比）の線材として用いられることが多い。また酸化物系超電導線材の場合には、その表面が樹脂製の絶縁皮膜で被覆されるのが一般的であるが、以下ではこうした超電導線材を含めて「テープ線材」と呼ぶ。

上記のようなテープ線材から超電導コイルを構成するには、テープ線材をパンケーキコイル状に巻回する方法が従来から知られている。こうしたパンケーキコイルを構成する場合には、発生磁場を高くしたり、コイル全体の長さを確保するために、複数のパンケーキコイルを積層することが行われる。しかしながら、複数のパンケーキコイルを積層する場合には、パンケーキコイル間を電気的に接続する必要があり、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置用マグネットのように永久電流モードで運転するためには、それに必要不可欠である超電導接続が困難であるという問題がある。

また、パンケーキコイル間は、接続部を除いて電気的に絶縁される必要があるため、パンケーキコイル間には、絶縁板等を挿入することが行われるが、この絶縁板の作製精度やパンケーキコイルの巻線精度がコイルの発生磁場均一性に及ぼす影響が大きく、良好な値が得られないのが実情である。こうしたことから、高精度な磁場均一性が要求されるＮＭＲ用マグネット等にはパンケーキコイルは適用されていない。

こうした問題を解決するために、テープ線材を超電導コイル製造用巻枠の巻胴部（後記図１、２参照）に螺旋状（ソレノイド状）に多層巻きしてソレノイドコイルとする方法（ソレノイド法）も提案されている。こうした超電導ソレノイドコイルでは、優れた磁場均一性が得られ易いものとなる。しかしながら、特に酸化物系超電導線材からなるテープ線材（酸化物系超電導線材を含むテープ線材）をソレノイド状に巻回する場合、一般には巻き返し部分（即ち、巻回の第１層から第２層、第２層から第３層と順次巻き返して次の層に移る際の巻き返し部分）で大きな歪みがかかり、超電導コイルの臨界電流密度等の特性を劣化させるという問題が生じることになる。

こうした問題を解決するために、テープ線材を複数枚積層して、断面が低いアスペクト比の丸状や矩形状の線材とし、それをソレノイド状に巻回することも提案されている（例えば、特許文献１）。この技術では、酸化物系超電導層の結晶体のａｂ平面が、その位置での磁場方向と平行となるように、丸線材や矩形線材を捻りながら巻回するという方法が開示されている。

しかしながら、この技術で対象としているのは、複数のテープ線材を積層した集合体であり、素線である一枚のテープ線材を巻回したものではない。複数のテープ線材を積層して集合導体化する場合には、それらを囲んで固定するための部材が別途必要となり、こうした部材は非超電導材であるため、導体の全断面積で臨界電流を割ることで求められるオーバオールの臨界電流密度は、素線の超電導線材に比べて低くなるという問題が生じる。

素線である一枚のテープ線材をソレノイド状に巻回する方法として、巻枠の両端側に巻胴端縁から延長方向に任意の角度で傾斜する縮径テーパ部を設けることも提案されている（例えば、特許文献２）。この技術では、上記のような構成を採用することによって、テープ線材に与える歪みを最小限に抑えて超電導コイルの特性向上に有効なものである。
しかしながら、こうした技術では、テープ線材を容易に巻回できる反面、超電導ソレノイドコイルの特性面で若干の問題が生じていた。

こうした技術によって超電導ソレノイドコイルを構成した場合には、縮径テーパ部に巻回されるテープ線材部分において、該超電導ソレノイドコイルが発生する磁場、或は外部磁場を発生する超電導コイルの空隙（この部分を「ボア」と呼んでいる）内に該ソレノイドコイルが挿入される場合には、外部磁場と該ソレノイドコイルが発生する合成磁場のうち、テープ線材平面に垂直な方向の磁場が、縮径テーパ部がないときに比べて大きくなる。そのために、この部分において臨界電流が低下する傾向がある。また、縮径テーパ部では、テープ線材にはフラットワイズ歪みの他に、エッジワイズ歪みが加わることになる。テープ線材として酸化物系超電導線材を用いた場合には、臨界電流はこのエッジワイズ歪みに特に敏感であり、小さなエッジワイズ歪みでも臨界電流密度が低下する恐れがある。
特開平４−３４３４０４号公報特開２００７−７３６２３号公報

これまで提案されている技術では、テープ線材素線、特に酸化物系超電導線材を含むテープ線材素線における臨界電流密度を低下させることなく、超電導ソレノイドコイルを構成することは困難であり、臨界電流密度をある程度犠牲にした条件で超電導ソレノイドコイルが構成されているのが実情である。また、こうした超電導ソレノイドコイルと、外部磁場を発生するコイルと組み合わせて超電導コイルを構成した場合には、テープ線材の面に垂直な方向の磁場成分による臨界電流の低下が生じることになる。

本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、臨界電流が低下することがないような超電導ソレノイドコイルの構成、およびこうした超電導ソレノイドコイルを用いて、外部磁場を発生するコイルと組み合わせて超電導コイルを構成した場合、テープ線材の面に垂直な方向の磁場成分による臨界電流の低下を発生させることがないような超電導コイル構造を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る超電導ソレノイドコイルとは、円筒状の巻胴部を備えた超電導コイル製造用巻枠における前記巻胴部の外周に、超電導線材を含むテープ線材が螺旋状に多層巻きされて構成される超電導ソレノイドコイルであって、前記多層巻きされたテープ線材の長手方向と巻胴部の軸方向とのなす角度をα（ｒａｄ：０＜α＜π／２）とするとき、この角度αは、巻胴部の軸方向端部近傍において、巻胴部端部になるにつれて大きくなるように構成されたものである点に要旨を有するものである。

本発明の超電導ソレノイドコイルにおけるより具体的な構成としては、（ａ）前記巻胴部の軸方向端部近傍においては、同一層内で隣接するテープ線材間に隙間を形成しつつテープ線材が多層巻きされたものや、（ｂ）前記巻胴部の軸方向端部近傍においては、同一層内で隣接するテープ線材間に隙間を形成しつつ、且つ前記テープ線材は、上下の層でその幅方向端部が揃えて多層巻きされたもの、等が挙げられる。

また本発明の超電導ソレノイドコイルでは、前記テープ線材の幅をＷ（ｍｍ）、巻胴部の外径をＤ（ｍｍ）とし、テープ線材の長手方向と巻胴部の軸方向とのなす角度αのうち、最も軸方向端部側の角度をα1としたとき、これらが下記（１）式の関係を満足するようにテープ線材が多層巻きされたものであるものが好ましい。尚、上記テープ線材の幅Ｗ（ｍｍ）は、テープ線材の表面が樹脂製の絶縁皮膜で被覆される場合には、その被覆量も含めた値である。
５．６７π（Ｗ／Ｄ）＜α１＜π／２ …（１）

一方、上記課題を解決することのできた本発明の超電導コイル構造とは、外部磁場を発生する超電導コイルの空隙部に、上記のような超電導ソレノイドコイルを挿入して構成される超電導コイル構造であって、前記ソレノイドコイル単独でそのボアの中央部（長手方向中心且つ断面中心）に発生する磁束密度をＢ１（Ｔ）、ソレノイドコイルのボア端部で前記外部磁場によって発生する磁束密度をＢ２（Ｔ）としたとき、Ｂ１／Ｂ２が１０以上となるようにして構成されたものである点に要旨を有するものである。

本発明においては、テープ線材の巻回状態を適切に規定することによって、臨界電流が低下することがないような超電導ソレノイドコイルの構成が実現でき、こうした超電導ソレノイドコイルを用いて、外部磁場を発生するコイルと組み合わせて超電導コイルを構成した場合には、テープ線材の面に垂直な磁場成分による臨界電流の低下を発生させることがないような超電導コイル構造が実現できた。

酸化物系超電導線材の具体例としては、Ｂｉ−２２１２（即ち、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏｘ：ｘは８以上、９未満）やＢｉ−２２２３（即ち、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏy：yは１０以上、１１未満）等のＢｉ（ビスマス）系酸化物超電導線材、ＹＢＣＯ（即ち、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏｚ：ｚは６．５以上、７未満）等のＹ（イットリウム）系酸化物超電導線材等が知られているが、これらの酸化物系超電導線材をテープ線材として（或は酸化物超電導線材を含むテープ線材として）、ソレノイド状に巻回する場合には、巻胴部の軸方向端部近傍の巻回部分や巻返し部分には、フラットワイズの歪みの他にエッジワイズの歪みが加わり易い状態になる。酸化物系超電導線材からなるテープ線材にフラットワイズの歪みやエッジワイズの歪みを個別に印加した臨界電流の低下を調査した例はあるが、このように両方の歪みが同時に印加された場合の臨界電流密度の低下はこれまで検討されていない。

巻線部内のテープ線材の巻回方法としては、通電密度を高くして線材の固定を行うために、同一層内での隣接テープ線材間（以下、「ターン間」と呼ぶことがある）に隙間が生じないように、且つターン間でテープ線材が重ならないように巻回されるのが通常である。

本発明者らは、こうした巻回状態に着目し、テープ線材の巻回状態を工夫することによって、上記不都合が解消されるのではないかとの観点から検討を進めてきた。その結果、巻胴部の軸方向端部近傍では、多層巻きされたテープ線材の長手方向と巻胴部の軸方向とのなす角度をα（ｒａｄ：０＜α＜π／２）とするとき、この角度αが、巻胴部端部に近づくにつれて１巻ごとに大きくなるようにして（即ち、折り返し時には巻胴部端部から遠くなる１巻ごとに角度αを減少するようにして）巻回すれば、エッジワイズの歪みを緩和して、臨界電流密度がほとんど低下しない超電導ソレノイドコイルが実現できることを見出し、本発明を完成した。

本発明の超電導ソレノイドコイルの構成を、図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本発明に係る超電導ソレノイドコイルの構成例を示す概略説明図であり、１は巻枠（超電導コイル製造用巻枠）、２は円筒状の巻胴部、３は巻胴部の両端部に設けられたフランジ、４はテープ線材、５はターン間のテープ線材の重なり部分、Ｗはテープ線材の幅、Ｄは巻胴部の外径、を夫々示す。

本発明の超電導ソレノイドコイルでは、巻胴部２の軸方向端部近傍（即ち、両フランジ３の近傍）では、多層巻きされるテープ線材４の長手方向と巻胴部の軸方向（図中Ｇで示す）とのなす角度α（図中α１，α２で示す：０＜α＜π／２）とするとき、この角度αが、巻胴部端部になるにつれて大きくなるようにしたものである（即ち、α１＞α２）。

こうした構成の超電導ソレノイドコイルを形成するときのテープ線材４の巻回（巻線）に際しては、特別の治具は必要でないが、軸方向端部近傍の多くても３巻き程度以下で、１巻きごとの角度αの増大幅（即ち、α１−α２）は、０．０１（ｒａｄ）以下を目安とし、且つその増大幅が等しくなるように巻回するのが良い。また、巻き返しでは、その前の層（下層）における角度αに揃えて巻回されることになる。

角度αを変化させて巻回する方法としては、ターン間で一部重ねて巻く方法と、ターン間に空隙を設けて巻く方法があるが、図１はターン間で一部重ねて巻く場合（テープ線材の重なり部分５）を示したものである。本発明では、どちらの巻回方法も採用できる。

図１に示したように、ターン間で一部重ねて巻く方法では、同一層内でテープ線材４が重なることによって、層数が多くなるので、巻回終了時には巻胴部端部近傍の巻回部分が巻胴部中央部の巻回部分に比べて大きくなるような、いわゆる「アレイ型」のコイルとなる。こうした場合には、磁場均一度を補正するためのシムコイルを巻胴部端部近傍に設置することによって、ソレノイドコイルが発生する磁場の均一度を所定の値に設定することができる。

図２は、本発明に係る超電導ソレノイドコイルの他の構成例を示す概略説明図であり、その基本的な構成は図１に示した構成と類似し、対応する部分に同一の参照符号が付してある。この図２に示したソレノイドコイルでは、角度αを変化させて巻回する方法としては、ターン間に空隙を設けて巻回する場合を示したものであり、図２中５ａは前記重なり部分５の変わりに形成される隙間である。

図２に示したような、ターン間に隙間５ａを設ける方法では、同一層内でテープ線材が重なることがないので、上記のような「アレイ型」のコイルとはならない。こうした構成であると、図１に示した構成に比べ、テープ線材の歪みが小さくなるという利点がある。こうした隙間５ａを形成することによって生じる磁場均一度の乱れは、上記図１に示した構成の場合と同様に、磁場均一度を補正するためのシムコイルを巻胴部端部近傍に設置することによって除去できる。

図２に示したように、ターン間に隙間を設けて巻回した場合には、前記テープ線材４は、上下の層でその幅方向端部が揃えて多層巻きされることが好ましい。こうした巻回を行うことによって、ターン間（即ち、テープ線材４間）に形成された隙間５ａにテープ線材４の一部が落ち込むことが防止できるため、磁場均一度をより高く維持することができる。

本発明者らは、フラットワイズの歪みとエッジワイズの歪みの両方が酸化物系超電導線材からなるテープ線材に同時に加わったときに、臨界電流密度がどのように低下するかを定量的に詳細に検討した。その結果、テープ線材４の幅（絶縁皮膜で被覆する場合、或は絶縁材と共巻きする場合は、それらを含む）をＷ（ｍｍ）、巻胴部２の外径をＤ（ｍｍ）としたとき（前記図１、２参照）、これらの比（Ｗ／Ｄ）の値によって、最適な角度αの範囲が異なることを見出した。

即ち、本発明者らが、上記幅Ｗ、外径Ｄおよび角度αの関係について、様々な実験によって検討したところによれば、テープ線材の長手方向と巻胴部の軸方向とのなす角度αのうち、最も軸方向端部側の角度をα1としたとき、これらが下記（１）式の関係を満足するようにテープ線材が多層巻きすれば、軸方向端部側の巻回部分や巻き返し部分では、エッジワイズの歪みが小さくなり、臨界電流密度の低下が無視できる程度に低減され、巻回部内の臨界電流がその位置においても、ほぼ等しくなることが判明した。
５．６７π（Ｗ／Ｄ）＜α１＜π／２ …（１）

尚、上記（Ｗ／Ｄ）の値は、０．００１よりも小さくなることはないが、原理的には小さい方が特性劣化に至らないという点で有利である。こうした観点から、（Ｗ／Ｄ）は０．０８８０以下であることが好ましい。

上記のような構成を有する超電導ソレノイドコイルを、外部磁場を発生する超電導コイルのボア内に挿入し、前記超電導ソレノイドコイル単独でその中央部（長手方向中心で且つ断面中心）で発生する磁束密度をＢ１（Ｔ）、該超電導ソレノイドコイルの端部中心で前記外部磁場によって発生する磁束密度をＢ２（Ｔ）としたとき、Ｂ１／Ｂ２が１０以上となるようにして構成されたもの（即ち、こうした条件で用いるもの）では、巻胴部の軸方向端部近傍の巻回部分や巻き返し部分における磁場方向が、実効的にはテープ線材に平行になり、各巻回部分の臨界電流の磁場方向による低下を抑制できるものとなる。

図３は、超電導コイル構造を示した概略説明図であり、図中７ａ，７ｂは、外部磁場を発生する超電導コイル、８ａ，８ｂは超電導コイル７ａ，７ｂのボア内に挿入される上述した超電導ソレノイドコイル、Ａ部は巻胴部の軸方向端部相当位置、Ｂ部は超電導ソレノイドコイルの長手方向中心相当位置、を夫々示している。

本発明の超電導ソレノイドコイルでテープ線材として用いる超電導線材は、基本的にＢｉ系酸化物超電導線材やＹ系酸化物超電導線材等の酸化物系超電導線材を想定したものであるが、その他ＭｇＢ_２等の金属系超電導線材への技術的応用は可能である。尚、外部磁場を発生する超電導コイルを構成する超電導線材は、通常Ｎｂ₃Ｓｎ，ＮｂＴｉ，Ｎｂ_３Ａｌ等の各種の金属系超電導線材が用いられる。

以下、実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

［比較例１］
焼成済みの裸断面サイズが厚さ：０．２０ｍｍ×幅：４．００ｍｍのＢｉ−２２２３テープ線材（４．２Ｋにおける自己磁場での臨界電流が５５０Ａのもの）に、厚さ：０．０１ｍｍの絶縁用ポリイミドテープを巻き付け、厚さ：０．２２ｍｍ、幅Ｗ：４．０２ｍｍのポリイミド被覆絶縁Ｂｉ−２２２３テープ線材とし、これを直径Ｄ：４２ｍｍ、長さ：２００ｍｍの巻胴部に螺旋状にターン間の重なりが生じないように、角度α＝５．１２π（Ｗ／Ｄ）＝１．５４０（ｒａｄ）で巻回（巻線）し、角度αを変化させずに一定にして１０層巻き線してソレノイドコイルを作製した。

得られたソレノイドコイルを用い、液体ヘリウム温度において通電したところ、５００Ａでボア中央部（長手方向中心で且つ断面中心）には、当初は１．４３Ｔ（テスラ）の磁束密度が発生した。しかしながら、巻胴部端部（フランジが存在する場合は、フランジ近傍）の巻回部で臨界電流が低下するために、５００Ａを連続して通電する途中でコイル両端部の電圧が上昇し、コイル電圧が１００ｍＶを超えたため、通電を停止した。このように、このソレノイドコイルでは、安定して連続通電することが困難であった。

［比較例２］
比較例１と同様にして、厚さ：０．２２ｍｍ、幅Ｗ：４．０２ｍｍのポリイミド被覆絶縁Ｂｉ−２２２３テープ線材とし、これを直径Ｄ：４６ｍｍ、長さ：２００ｍｍの巻胴部に螺旋状にターン間に隙間が生じないように、角度α＝５．６２π（Ｗ／Ｄ）＝１．５４３（ｒａｄ）で巻回（巻線）し、角度αを変化させずに一定にして１０層巻き線してソレノイドコイルを作製した。このときの（Ｗ／Ｄ）は、０．０８７３９（＜０．０８８０）である。

得られたソレノイドコイルを用い、液体ヘリウム温度において通電したところ、５００Ａでボア中央部（長手方向中心で且つ断面中心）には、当初は１．４３Ｔ（テスラ）の磁束密度が発生した。しかしながら、巻胴部端部の巻回部で臨界電流が低下するために、５００Ａを連続して通電する途中でコイル両端部の電圧が上昇し、コイル電圧が１５ｍＶになると電圧の上昇が停止した。しかしながら、電圧が発生した状態での通電であるので、この条件で永久電流モードでの運転はすることはできない。

［実施例１］
比較例２と同様にして、厚さ：０．２２ｍｍ、幅Ｗ：４．０２ｍｍのポリイミド被覆絶縁Ｂｉ−２２２３テープ線材とし、これを直径Ｄ：４６ｍｍ、長さ：２００ｍｍの巻胴部に螺旋状に、巻胴部の軸方向端部近傍（巻枠フランジ近傍）では前記図１に示したように、ターン間にテープ線材が一部重なる部分を設けて、角度α１＝５．６５６π（Ｗ／Ｄ）＝１．５５３（ｒａｄ）＞α２＝１．５４８で巻回（巻線）し、１０層巻き線してソレノイドコイルを作製した。このとき、フランジから２巻き分のみ角度αを変化させた。また巻胴部中央における角度αは１．５４３とした。このときの（Ｗ／Ｄ）は、０．０８７３９（＜０．０８８０）である。

得られたソレノイドコイルを用い、液体ヘリウム温度において通電したところ、５００Ａでボア中央部（長手方向中心で且つ断面中心）には、当初は１．４３Ｔ（テスラ）の磁束密度が発生した。また、コイル端部の発生電圧はナノボルトメータの分解能の６０ｎＶ以下に抑えることができた。これは、巻回部のどの部分でも電圧が発生していないことを示しており、永久電流モードでの運転が可能である。

［実施例２］
比較例２と同様にして、厚さ：０．２２ｍｍ、幅Ｗ：４．０２ｍｍのポリイミド被覆絶縁Ｂｉ−２２２３テープ線材とし、これを直径Ｄ：４６ｍｍ、長さ：２００ｍｍの巻胴部に螺旋状に、巻胴部の軸方向端部近傍（巻枠フランジ近傍）では前記図２に示したように、ターン間に隙間を設けて、角度α１＝５．６５６π（Ｗ／Ｄ）＝１．５５３（ｒａｄ）＞α２＝１．５４８で巻き線し、１０層巻回（巻線）してソレノイドコイルを作製した。このとき、フランジから２巻き分のみ角度αを変化させた。また巻胴部中央における角度αは１．５４３とした。このときの（Ｗ／Ｄ）は、０．０８７３９（＜０．０８８０）である。

得られたソレノイドコイルを用い、液体ヘリウム温度において通電したところ、５００Ａでボア中央部（長手方向中心で且つ断面中心）には、当初は１．４３Ｔ（テスラ）の磁束密度が発生した。また、コイル端部の発生電圧はナノボルトメータの分解能の４０ｎＶ以下に抑えることができた。これは、巻回部のどの部分でも電圧が発生していないことを示しており、永久電流モードでの運転が可能である（実施例１に比べて発生磁場の時間変化が更に小さい）。

［実施例３］
比較例２と同様にして、厚さ：０．２２ｍｍ、幅Ｗ：４．０２ｍｍのポリイミド被覆絶縁Ｂｉ−２２２３テープ線材とし、これを直径Ｄ：４６ｍｍ、長さ：２００ｍｍの巻胴部に螺旋状に、巻胴部の軸方向端部近傍（巻枠フランジ近傍）では前記図２に示したように、ターン間に隙間を設けて、角度α１＝５．６５６π（Ｗ／Ｄ）＝１．５５３（ｒａｄ）＞α２＝１．５４８（ｒａｄ）で巻き線し、１０層巻き線してソレノイドコイルを作製した。このとき、フランジから２巻き分のみ角度αを変化させた。また巻胴部中央における角度αは１．５４３（ｒａｄ）とした。このとき、巻枠フランジに近い巻き線部のターン間で隙間を設けた部分で、各上側の層におけるテープ線材の両サイドのエッジが、そのすぐ下のテープ線材の両サイドのエッジとずれないように巻線した。

得られたソレノイドコイルを用い、液体ヘリウム温度において通電したところ、５００Ａでボア中央部（長手方向中心で且つ断面中心）には、当初は１．４３Ｔ（テスラ）の磁束密度が発生した。また、コイル端部の発生電圧はナノボルトメータの分解能の２０ｎＶ以下に抑えることができた。これは、巻き線部のどの部分でも電圧が発生していないことを示しており、永久電流モードでの運転が可能である（実施例２に比べて発生磁場の時間変化が更に小さい）。

［実施例４］
比較例２と同様にして、厚さ：０．２２ｍｍ、幅Ｗ：４．０２ｍｍのポリイミド被覆絶縁Ｂｉ−２２２３テープ線材とし、これを直径Ｄ：４６ｍｍ、長さ：２００ｍｍの巻胴部に螺旋状に、巻胴部の軸方向端部近傍（巻枠フランジ近傍）では前記図２に示したように、ターン間に隙間を設けて、角度α１＝５．６９０π（Ｗ／Ｄ）＝１．５６２（ｒａｄ）＞５．６７π（Ｗ／Ｄ）、α２＝１．５５２（ｒａｄ）＜α１で巻き線し、１０層巻き線してソレノイドコイルを作製した。このとき、フランジから２巻き分のみ角度αを変化させた。また、巻枠フランジ端部から２巻き分のみαを変化させた。巻胴部中央部におけるαは１．５４３（ｒａｄ）とした。このときの（Ｗ／Ｄ）は、０．０８７３９（＜０．０８８０）である。

得られたソレノイドコイルを用い、液体ヘリウム温度において通電したところ、５００Ａでボア中央部（長手方向中心で且つ断面中心）には、当初は１．４３Ｔ（テスラ）の磁束密度が発生した。フランジ近傍の巻き線部でも臨界電流が低下しないため、５００Ａを連続して通電し、且つコイルの両端の発生電圧はナノボルトメータの分解能の１０ｎＶ以下に抑えることができた。これは、巻回部のどの部分でも電圧が発生していないことを示しており、永久電流モードでの運転が可能である（実施例３に比べて発生磁場の時間変化が更に小さい）。

図３に示したように、このＢｉ−２２２３ソレノイドコイルの巻き線部の最外層でフランジ最近接ターン部（Ａ部）と、最内層のコイル長手方向中心部（Ｂ部）に電圧端子を取り付け、ソレノイドコイルを金属系超電導コイル（ＮｂＴｉとＮｂ₃Ｓｎからなる超電導コイル）の直径１１０ｍｍのボア部に挿入した。金属系超電導コイルによって、挿入したソレノイドコイルのボア端部位置に、外部磁束密度Ｂ２＝５．００Ｔ（テスラ）を発生させ、Ｂｉ−２２２３ソレノイドコイルに４３０Ａの通電をしたところ、Ｂ１＝１．２３Ｔの磁束密度を、ソレノイドコイルのボアの長手方向中心且つ断面中心に発生した。このとき、（Ｂ２／Ｂ１）＝４．０７であり、Ｂ部には電圧が発生しなかったが、Ａ部には１８μＶの電圧が発生した。これはＢ部に比べて、Ａ部の臨界電流が低下したためである。

金属系超電導コイルにより、挿入したソレノイドコイルのボア端部位置に、外部磁束密度Ｂ２＝１２．０Ｔ（テスラ）を発生させ、Ｂｉ−２２２３ノレノイドコイルに３８０Ａを通電したところ、Ｂ１＝１．０９Ｔの磁束密度を長手方向中心且つ断面中心に発生した。このとき、（Ｂ２／Ｂ１）＝１１．０（≧１０）であり、Ｂ部およびＡ部ともに１．６μＶの電圧が発生した。これはＡ部とＢ部の臨界電流がほぼ等しくなっているために生じたものであり、通電電流を３７７Ａとしたところ、Ｂ１＝１．０８Ｔの磁束密度を、ソレノイドコイルのボアの長手方向中心且つ断面中心に発生した。このとき、（Ｂ２／Ｂ１）＝１１．１（≧１０）であり、Ａ部およびＢ部共に電圧は発生しなかった。

［実施例５］
焼成済みの裸断面サイズが厚さ：０．２０ｍｍ×幅：６．００ｍｍのＢｉ−２２２３テープ線材（４．２Ｋにおける自己磁場での臨界電流が８２０Ａのもの）に、厚さ：０．０１ｍｍの絶縁用ポリイミドテープを巻き付け、厚さ：０．２２ｍｍ、幅Ｗ：６．０２ｍｍのポリイミド被覆絶縁Ｂｉ−２２２３テープ線材とし、これを直径Ｄ：７０ｍｍ、長さ：３００ｍｍの巻胴部に螺旋状にターン間の隙間が生じるように、角度α１＝５．７３０π（Ｗ／Ｄ）＝１．５４８（ｒａｄ）＞５．６７π（Ｗ／Ｄ）、α２＝１．５４６（ｒａｄ）＜α１で巻回（巻線）し、１０層巻き線してソレノイドコイルを作製した。巻胴部中央部におけるαは１．５４３（ｒａｄ）とした。このときの（Ｗ／Ｄ）は、０．０８６０（＜０．０８８０）である。

得られたソレノイドコイルを用い、液体ヘリウム温度において通電したところ、７５０Ａでボア中心（長手方向中心で且つ断面中心）には、当初は１．４３Ｔ（テスラ）の磁束密度が発生した。フランジ近傍の巻き線部でも臨界電流が低下しないため、７５０Ａを連続して通電し、且つコイルの両端の発生電圧はナノボルトメータの分解能の１０ｎＶ以下に抑えることができた。これは、巻き線部のどの部分でも電圧が発生していないことを示しており、永久電流モードでの運転が可能である。

図３に示したように、このＢｉ−２２２３ソレノイドコイルの巻き線部の最外層でフランジ最近接ターン部（Ａ部）と、最内層のコイル長手方向中心部（Ｂ部）に電圧端子を取り付け、ソレノイドコイルを金属系超電導コイル（ＮｂＴｉとＮｂ₃Ｓｎからなる超電導コイル）の直径１１０ｍｍのボア部に挿入した。金属系超電導コイルによって、挿入したソレノイドコイルのボア端部位置に、外部磁束密度Ｂ２＝５．００Ｔ（テスラ）を発生させ、Ｂｉ−２２２３ソレノイドコイルに６４５Ａの通電をしたところ、Ｂ１＝１．２３Ｔの磁束密度をソレノイドコイルのボアの長手方向中心且つ断面中心に発生した。このとき、（Ｂ２／Ｂ１）＝４．０７であり、Ｂ部には電圧が発生しなかったが、Ａ部には１７μＶの電圧が発生した。これはＢ部に比べて、Ａ部の臨界電流が低下したためである。

金属系超電導コイルにより、挿入したソレノイドコイルのボア端部位置に、外部磁束密度Ｂ２＝１２．０Ｔ（テスラ）を発生させ、Ｂｉ−２２２３ノレノイドコイルに５７０Ａを通電したところ、Ｂ１＝１．０９Ｔの磁束密度をソレノイドコイルのボアの長手方向中心且つ断面中心に発生した。このとき、（Ｂ２／Ｂ１）＝１１．０（≧１０）であり、Ｂ部およびＡ部ともに１．４μＶの電圧が発生した。これはＡ部とＢ部の臨界電流がほぼ等しくなっているために生じたものであり、通電電流を５６７Ａとしたところ、Ｂ１＝１．０８Ｔの磁束密度を、ソレノイドコイルのボアの長手方向中心且つ断面中心に発生した。このとき、（Ｂ２／Ｂ１）＝１１．１（≧１０）であり、Ａ部およびＢ部共に電圧は発生しなかった。

上記比較例１、２および実施例１〜５で作製したソレノイドコイルの形状と特性、および用いた酸化物テープ線材の形状を、一括して下記表１に示すが、本発明で規定する要件を満足する実施例１〜５のものでは、良好な超電導特性が得られていることが分かる。

本発明に係る超電導ソレノイドコイルの構成例を示す概略説明図である。本発明に係る超電導ソレノイドコイルの他の構成例を示す概略説明図である。本発明の超電導コイル構造を示す概略説明図である。

符号の説明

１巻枠（超電導コイル製造用巻枠）
２巻胴部
３フランジ
４テープ線材
５テープ線材の重なり部分
５ａテープ線材間の隙間
７ａ，７ｂ外部磁場を発生する超電導コイル
８ａ，８ｂ超電導ソレノイドコイル
Ｗテープ線材の幅
Ｄ巻胴部の外径

Claims

円筒状の巻胴部を備えた超電導コイル製造用巻枠における前記巻胴部の外周に、超電導線材を含むテープ線材が螺旋状に多層巻きされて構成される超電導ソレノイドコイルであって、前記多層巻きされたテープ線材の長手方向と巻胴部の軸方向とのなす角度をα（ｒａｄ：０＜α＜π／２）とするとき、この角度αは、前記巻胴部の軸方向端部近傍において、巻胴部端部に近くなるにつれて大きくなるように構成されたものであることを特徴とする超電導ソレノイドコイル。
前記巻胴部の軸方向端部近傍においては、同一層内で隣接するテープ線材間に隙間を形成しつつテープ線材が多層巻きされたものである請求項１に記載の超電導ソレノイドコイル。
前記巻胴部の軸方向端部近傍においては、同一層内で隣接するテープ線材間に隙間を形成しつつ、且つ前記テープ線材は、上下の層でその幅方向端部が揃えて多層巻きされたものである請求項２に記載の超電導ソレノイドコイル。
前記テープ線材の幅をＷ（ｍｍ）、巻胴部の外径をＤ（ｍｍ）とし、テープ線材の長手方向と巻胴部の軸方向とのなす角度αのうち、最も軸方向端部側の角度をα1としたとき、これらが下記（１）式の関係を満足するようにテープ線材が多層巻きされたものである請求項１〜３のいずれかに記載の超電導ソレノイドコイル。
５．６７π（Ｗ／Ｄ）＜α１＜π／２ …（１）
外部磁場を発生する超電導コイルの空隙部に、請求項１〜４のいずれかに記載の超電導ソレノイドコイルを挿入して構成される超電導コイル構造であって、前記超電導ソレノイドコイル単独でそのボアの中央部（長手方向中心且つ断面中心）に発生する磁束密度をＢ１（Ｔ）、ソレノイドコイルのボア端部で前記外部磁場によって発生する磁束密度をＢ２（Ｔ）としたとき、Ｂ１／Ｂ２が１０以上となるようにして構成されたものであることを特徴とする超電導コイル構造。