JP2010113919A - 超電導テープ線材及びその製造方法並びに超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルが低温状態で作動される場合に、フープ応力によって超電導テープ線材の超電導層に過大な引張の歪が付与されるのをなくして、超電導コイルの臨界電流値を適正に保持することができる超電導コイルを提供する。
【解決手段】常温状態で、超電導テープ線材の超電導層に圧縮の予歪が付与され、超電導コイルが作動される低温状態で、前記超電導テープ線材にフープ応力が作用して、前記超電導層の圧縮の予歪みが緩和されて、超電導コイルに流れる臨界電流値がその最大値の８０％以上になるように、緩和された超電導層の歪の許容範囲を設定し、該許容範囲内に緩和された超電導層の歪が収まるように、常温状態における超電導コイルの前記圧縮の予歪を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導テープ線材及びその製造方法並びに超電導電力貯蔵装置、磁気共鳴画像診断装置、核磁気共鳴装置、磁気浮上装置等の各種の機器に用いられる超電導コイルに関する。

巻枠の巻芯に超電導テープ線材を巻回して製造された超電導コイルに通電した場合、図１２（ａ）に示すように、コイルＣに流れる電流が円環状になり、この通電電流によりコイルＣの内側に磁束が発生する。この磁束により、図１２（ｂ）に示すようにコイルＣにはローレンツ力がコイルＣの半径方向外方に作用し、コイルＣにフープ応力が生じ、この応力によってコイルＣにはその長手方向に引張応力が作用する。この引張応力が作用すると、図１３に示すように歪（応力）が零とした場合の超電導コイルの臨界電流値を１とすると、引張応力が例えば０．２％の場合には、若干電流が増加するがそれよりも引張応力が大きくなると、臨界電流値が低下する。反対に、コイルＣに圧縮応力が作用する場合にはその圧縮応力の増大に伴って臨界電流値が低下する。

特許文献１には、次のような酸化物超電導線及びその製造方法並びに超電導コイルが提案されている。上記酸化物超電導線は、長手方向寸法を有する可撓性の基材上に酸化物超電導層を形成するとともに、該超電導層の表面に安定化層を形成した構成となっている。この酸化物超電導線の製造に際して、前記安定化層として、酸化物超電導層より大きい熱膨張係数を有する材料が用いられる。そして、高温雰囲気下において、前記基材上に接合された酸化物超電導層と、前記安定化層とを接合材（例えばハンダ）を用いて積層接合する熱処理過程の後に、冷却過程において、前記安定化層と酸化物超電導層の収縮量の相違によって、酸化物超電導層に圧縮の予歪みを与えるようになっていた。

一方、超電導コイルは、上述のように製造されたテープ状の酸化物超電導線を巻芯に巻回して構成されている。この超電導コイルは、前記酸化物超電導線の曲げ中心に対して、酸化物超電導層が外側に、かつ基材が内側に位置するように超電導線が曲げられた状態となっている。従って、酸化物超電導層には、引張方向の応力が加わる。この引張方向の応力は、酸化物超電導層に予め与えられていた圧縮方向の予歪みを緩和するに過ぎないので、酸化物超電導層にとって特に問題となる引張り歪みが酸化物超電導層に付与されることはない。このため、超電導コイルの作動状態において、酸化物超電導線に含まれる酸化物超電導層の超電導特性の低下が防止される。
特開平３−１３８８１７号公報

ところが、特許文献１に開示された酸化物超電導線の製造方法においては、前記安定化層と酸化物超電導層の熱膨張率の相違によって、酸化物超電導層に圧縮の予歪みを付与するようになっていたので、次のような問題があった。即ち、前記安定化層と酸化物超電導層の熱膨張率は使用する材料によって、決定され変更することができないため、酸化物超電導層に付与される圧縮の予歪と工学的電流密度（Ｊｅ）を適正値に設定することができないという問題があった。

又、上記酸化物超電導線を用いた酸化物超電導コイルは、通電時における前述したフープ応力のことを全く考慮していなかったので、酸化物超電導層に与えられている圧縮の予歪みを適正に設定することが非常に難しく、超電導コイルを実際に作動させた場合に、臨界電流値が低下するという問題があった。即ち、超電導コイルの能力を向上させるためには、該コイルに通電される電流は、増大する必要がある。この通電電流が高くなると、前述したフープ応力も大きくなり、コイルの超電導層に作用する引張応力も大きくなる。このため、超電導コイルの通電時に前記酸化物超電導層の圧縮の歪がなくなって、該超電導層に例えば＋０．８％を超える過大な引張の歪が作用した状態となり、図１３に示すように超電導コイルの臨界電流値が低下するという問題があった。

特許文献１の酸化物超電導線の製造方法は、該超電導線を湾曲して超電導コイルを製造する場合に、超電導線の超電導層に引張り歪が生じることがある。このため、酸化物超電導層に湾曲によって付与された引張り歪を緩和する程度の圧縮の予歪を付与するものであって、前述した超電導コイルの作動時における大きなフープ応力を考慮したものではなかった。

又、前記酸化物超電導線を渦巻き状に巻回して超電導コイルを製造する際に、酸化物超電導線の厚さ方向の中間に形成される零歪線よりも酸化物超電導層を湾曲中心の内側に位置することにより、酸化物超電導層に圧縮の予歪みを付与することもできる。しかし、酸化物超電導線の湾曲率が大きくなると、基材、酸化物超電導層及び安定化層の接合界面の剥離の問題が生じるので、圧縮の予歪を適正に付与する方法としては不十分である。加えて、酸化物超電導線を湾曲する際に、酸化物超電導層に圧縮の予歪を付与する場合には、前記零歪線の内側に超電導層を位置させなければならないので、基材、酸化物超電導層及び安定化層の各層厚寸法に制約が生じるという問題があった。

なお、前記酸化物超電導層に圧縮の予歪を適正に付与する方法として、前記基材に引張り力を付与した状態で、該基材の表面に前記酸化物超電導層を接合し、その後、前記基材の引張り力を解除することにより、酸化物超電導層に適正な圧縮の予歪を付与する方法も考えられる。しかしこの方法には、次のような問題があった。即ち、基板と超電導層との間には、実際には複数層の中間層が介在され、前記基板が引張り力を解除された後に、前記中間層及び超電導層が収縮されるので、前記中間層及び超電導層の接合構造が変化し、超電導コイルの作動時における超電導特性が低下するという問題が生じる。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消し、超電導テープ線材の超電導層に予め付与される圧縮の予歪みを適正に付与することができる超電導テープ線材及びその製造方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、超電導コイルが低温状態で作動される場合に、フープ応力によって超電導テープ線材の超電導層に過大な引張の歪が付与されるのをなくして、超電導コイルの臨界電流値を高水準に保持することができる超電導コイルを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、テープ状の基板の表面に超電導層を形成するとともに、該超電導層の表面にテープ状の安定化層を形成した超電導テープ線材において、前記基板の表面に超電導層を形成した超電導テープ線材本体の前記超電導層の表面に対し、単体の前記安定化層に、その長手方向に張力を付与した状態で、該安定化層を接合材により接合し、その後、前記安定化層に付与した張力を解除することにより、該安定化層が収縮されて、前記超電導層に圧縮の予歪が付与され、該予歪は前記超電導テープ線材を用いた超電導コイルの作動時に臨界電流値が最大値の８０％以上となるように設定されていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、テープ状の基板の表面に超電導層を形成するとともに、該超電導層の表面にテープ状の安定化層を形成した超電導テープ線材の製造方法において、前記基板の表面に超電導層を形成した超電導テープ線材本体の前記超電導層の表面に対し、単体の前記安定化層に、その長手方向に張力を付与した状態で、該安定化層を接合材により接合し、その後、前記安定化層に付与した張力を解除することにより、該安定化層が収縮されて、前記超電導層に圧縮の予歪が付与され、該予歪は前記超電導テープ線材を用いた超電導コイルの作動時に臨界電流値が最大値の８０％以上となるように設定されるようにしたことを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、テープ状の基板の表面に超電導層を形成するとともに、該超電導層の表面にテープ状の安定化層を形成した超電導テープ線材を巻回して構成された超電導コイルにおいて、常温状態で、前記超電導テープ線材の超電導層に圧縮の予歪が付与され、超電導コイルが作動される低温状態で、前記超電導テープ線材にフープ応力が作用して、前記超電導層の圧縮の予歪みが緩和されて、超電導コイルに流れる臨界電流値がその最大値の８０％以上になるように、緩和された超電導層の歪の許容範囲を設定し、該許容範囲内に緩和された超電導層の歪が収まるように、常温状態における超電導コイルの前記圧縮の予歪を設定したことを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記超電導層の圧縮の予歪は、超電導コイルに流れる臨界電流値がその最大値の９５％以上になるように設定されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４において、前記超電導層の圧縮の予歪の一部は、超電導テープ線材の製造工程において、高温から常温に冷却される際に、前記基板及び安定化層と、超電導層との熱膨張率との相違によって、前記超電導層が圧縮されて付与されたものであることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項３〜５のいずれか一項において、前記超電導層の圧縮の予歪の一部は、超電導コイルが常温から作動温度である低温に冷却される過程において、前記基板及び安定化層と超電導層との熱膨張率の相違によって、前記超電導層が圧縮されて付与されるようにしていることを要旨とする。

請求項７に記載の発明は、請求項３〜６のいずれか一項において、前記基板の材質は、ハステロイ、鋼のいずれか一種を選択し、前記超電導層の材質は、イットリウム系によるＹ_１−Ｂａ_２−Ｃｕ_３−Ｏｘ系であり、前記安定化層の材質は、銅、銅ニッケル合金、銅銀合金のうちのいずれか一種又は二種以上を選択したものであることを要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項３〜７のいずれか一項において、常温状態で前記超電導層に予め付与された圧縮の予歪は−０．９％以上であることを要旨とする。
（作用）
請求項１又は２に記載の発明は、安定化層に張力が付与された状態で、該安定化層が超電導層に接合されるので、安定化層が張力を解除されると、該安定化層が引張応力によって収縮され、この収縮動作により前記超電導層に圧縮応力が付与される。このため、前記安定化層へ付与する張力を調整することにより、超電導層へ付与する圧縮の予歪を所望する予歪に容易に設定することができる。

請求項３に記載の発明は、常温状態における超電導コイルの超電導層の圧縮の予歪を適正かつ容易に設定することができるとともに、超電導コイルが作動されている状態で、超電導コイルに流れる臨界電流値がその最大値の８０％以上になるので、超電導コイルの通電効率を向上することができる。

請求項１又は２記載の発明は、超電導テープ線材の超電導層に予め付与される圧縮の予歪みを適正に付与することができる。
請求項３〜８のいずれか一項に記載された発明は、超電導コイルが低温状態で作動される場合に、フープ応力によって超電導テープ線材の超電導層に過大な引張の歪が付与されるのをなくして、超電導コイルの臨界電流値を高水準に保持することができる。

以下、本発明を具体化した超電導コイルの一実施形態を図１〜図１１にしたがって説明する。
超電導コイルを製造するための超電導テープ線材１１、超電導テープ線材１１の製造装置及び超電導コイル４１について順次説明する。

最初に、図８に基づいて超電導テープ線材１１の構造について説明する。
この超電導テープ線材１１を構成するテープ状の基板１２は、引張強度に優れたハステロイにより形成されている。前記基板１２の片面にはＧｄ_２−Ｚｒ_２−Ｏ_７よりなる第１中間層１３がイオンビームアシスト蒸着法等の気相法により形成されている。該第１中間層１３の表面には酸化セシウム（ＣｅＯ_２）よりなる第２中間層１４がＰＬＤ（パルスレーザーデポジション）法又はＥＢ（電子ビーム）法により形成されている。前記第２中間層１４の表面には、超電導層１５がＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法，ＰＬＤ法あるいはＭＯＤ（Metal-organic deposition）法により形成されている。この超電導層１５の材料としては、イットリウム系（Ｙ，Ｇｄ等）によるＹ_１−Ｂａ_２−Ｃｕ_３−Ｏｘ系等がある。それらは２００〜１０００℃の熱処理によって超電導特性を発現する。さらに、前記超電導層１５の表面には、安定化層としても機能する銀よりなる保護層１６が蒸着により形成されている。この実施形態においては、前記保護層１６の表面には銅よりなる安定化層１７が銀（Ａｇ）を含有す接合材としてのハンダ１８により接着されている。

この実施形態においては、前記基板１２、第１中間層１３、第２中間層１４、超電導層１５及び保護層１６を総称して、超電導テープ線材本体１１Ａという。
この実施形態においては、前記超電導テープ線材１１の幅寸法を例えば１０ｍｍとしている。又、前記基板１２、第１中間層１３、第２中間層１４、超電導層１５、保護層１６及び安定化層１７の各厚さ寸法を順に、５０〜１０００μｍ、０．５〜１μｍ、０．５〜１μｍ、１〜２μｍ、３〜５μｍ、５０〜２０００μｍとしている。

前記基板１２及び安定化層１７の材料の熱膨張係数は、前記超電導層１５の材料の熱膨張係数よりも大きくなっている。
次に、図５〜図７に基づいて、前記超電導テープ線材１１の製造装置及び製造方法について説明する。

図７に示す製造装置の断熱容器２１にはハンダ槽２２が設けられ、加熱装置２３によって溶融されたハンダ２４が熔融状態で貯留されるようになっている。前記断熱容器２１の上方には図５及び図６に示す前記超電導テープ線材本体１１Ａを巻き取った第１巻取ボビン２５が所定位置において第１トルク制御モータ２６によって回転可能に装着されている。前記第１巻取ボビン２５の斜め上方には図５及び図６に示す単体の前記安定化層１７を巻き取った第２巻取ボビン２７が所定位置において第２トルク制御モータ２８によって回転可能に装着されている。前記ハンダ槽２２の上部には第１ローラ２９及び第２ローラ３０が所定位置において自由回転可能に装着されている。第１及び第２ローラ２９，３０の下部は前記ハンダ２４に進入され、超電導テープ線材本体１１Ａと安定化層１７をハンダ２４によって接合するようにしている。前記断熱容器２１の上方の所定位置には前記ハンダ２４によって互いに接合された超電導テープ線材１１を巻き取るための第３巻取ボビン３１がモータ３２によって回転可能に装着されている。

次に、図７に示す製造装置を用いて、図８に示す超電導テープ線材１１を製造する方法を説明する。
図７に示すように、前記第２巻取ボビン２７から安定化層１７を巻き戻して第１ローラ２９及び第２ローラ３０の下部外周面に接触するように引き回した後、安定化層１７の先端部を前記第３巻取ボビン３１の外周面に連結する。又、前記第１巻取ボビン２５から超電導テープ線材本体１１Ａを巻き戻して第１及び第２ローラ２９，３０の下部外周面に接触された前記超電導テープ線材本体１１Ａの下面に接触するように引き回した後、超電導テープ線材本体１１Ａの先端部を前記安定化層１７の先端部とともに前記第３巻取ボビン３１の外周面に連結する。

この状態において、前記モータ３２を起動して第３巻取ボビン３１を矢印方向に回転するとともに、前記第１トルク制御モータ２６及び第２トルク制御モータ２８を回転して、第１巻取ボビン２５から超電導テープ線材本体１１Ａを、第２巻取ボビン２７から安定化層１７をそれぞれ巻き戻す。そして、前記第１及び第２ローラ２９，３０の外周面上で超電導テープ線材本体１１Ａと安定化層１７を接触させ、高温状態の前記ハンダ２４によって超電導テープ線材本体１１Ａと安定化層１７を互いに接合する。このとき、前記第１トルク制御モータ２６のトルクを前記第２トルク制御モータ２８のトルクよりも弱くすることにより、前記超電導テープ線材本体１１Ａに作用する張力Ｔ１を、安定化層１７に作用する張力Ｔ２よりも弱くする。前記第１トルク制御モータ２６及び第２トルク制御モータ２８に代えて、張力を調整可能な制動機構を用いてもよい。

さらに、製造された超電導テープ線材１１は高温状態のハンダ２４から外部に引き出されて第３巻取ボビン３１に巻き取られた状態で、常温に冷却される。この冷却過程において、前記安定化層１７の熱膨張率が基板１２の熱膨張率よりも大きいために、冷却による前記安定化層１７の収縮量が基板１２の収縮量よりも大きくなり、前記超電導層１５が圧縮されて圧縮の予歪が付与される。

又、前述したように接合される前の前記安定化層１７に作用する張力Ｔ２が前記超電導テープ線材本体１１Ａに作用する張力Ｔ１よりも強くなるようにしたので、接合された超電導テープ線材１１が常温状態となった時に、安定化層１７に付与された張力Ｔ２によって、超電導層１５が圧縮されて、超電導層１５に圧縮の予歪が付与されることになる。

次に、図７に示す前記第３巻取ボビン３１に巻き取られた超電導テープ線材１１は、図９及び図１０に示す例えばダブルパンケーキ型の超電導コイル４１に用いられる。この超電導コイル４１はドーナッツ状の巻芯４２に接合された一対の側板４３，４４と、両側板４３，４４の中間部に位置する区画板４５と、電極４６，４７と、該電極４６，４７に対し、超電導テープ線材１１よりなるコイルの両端部をそれぞれ連結するクランプ金具４８，４９とを備えている。

図９に示す超電導コイル４１の超電導テープ線材１１は、図１１（ａ）に示すように、超電導テープ線材１１の基板１２がコイル４１の外側に、安定化層１７が内側に位置している。又、超電導テープ線材１１の層厚方向の零歪線Ｌよりも前記超電導層１５が内側（コイルの中心）に位置している。このため、超電導テープ線材１１が超電導コイル４１になった状態で、基板１２に引張りの予歪が付与され、超電導層１５に圧縮の予歪が付与される。なお、前記基板１２及び安定化層１７の層厚寸法と、それらの材料のヤング率とによって、前記零歪線Ｌは超電導テープ線材１１の板厚方向の中心より変位する場合がほとんどである。

超電導コイル４１の製造工程において、図１１（ｂ）に示すように、前記超電導テープ線材１１の基板１２が内側に安定化層１７が外側に位置するように超電導テープ線材１１を巻芯４２に巻き付けた場合には、基板１２に圧縮の予歪が付与され、超電導層１５に引張の予歪が付与される。

ところで、超電導コイル４１は、例えば、図示しないが、トロイド型の超電導コイルユニットに用いられる。このコイルユニットでは、前記超電導コイル４１が例えば２４個放射状に配列され、各超電導コイル４１の内径が５２８ｍｍ、外径が７６６ｍｍ、高さが３６ｍｍとなっている。又、超電導コイルユニットの作動温度は、２０Ｋ、超電導テープ線材１１に流される電流は５８０Ａ、最大磁界は１２Ｔ、超電導テープ線材１１に作用する最大フープ応力は９００ＭＰａである。

次に、この発明の要部構成について説明する。
前述したように、超電導層１５に圧縮の予歪を付与したり圧縮の予歪を緩和したりする方法は、数種類あるが、以下に新しい方法とともに列挙して整理する。

（ａ）図７に示す超電導テープ線材１１の製造工程において、超電導テープ線材本体１１Ａに付与する張力Ｔ１よりも安定化層１７に付与する張力Ｔ２を大きくして、超電導テープ線材１１を製造した後に、超電導テープ線材１１が直線状態において、超電導層１５に圧縮の予歪を付与する。前記超電導テープ線材本体１１Ａに付与する張力Ｔ１は零となるようにしている。

（ｂ）超電導テープ線材１１を構成する基板１２及び安定化層１７の材料の熱膨張係数を、超電導層１５の材料の熱膨張係数よりも大きくして、図７に示す超電導テープ線材１１の製造工程において、ハンダ２４の熔融温度（２００℃）から常温（２０℃）に降下する過程で、基板１２及び安定化層１７により超電導層１５を圧縮して、該超電導層１５に圧縮の予歪を付与する。

（ｃ）超電導テープ線材１１を構成する基板１２及び安定化層１７の材料の熱膨張係数を、超電導層１５の材料の熱膨張係数よりも大きくして、超電導コイル４１が常温（２０℃）から作動温度（例えば２０Ｋ）に低下する過程で、基板１２及び安定化層１７により超電導層１５を圧縮して、該超電導層１５に圧縮の予歪を付与する。

（ｄ）図９に示す超電導コイル４１を製造する過程で、巻芯４２に超電導テープ線材１１を渦巻き状に巻回する際に、図１１（ａ）に示すようよに、超電導層１５を超電導テープ線材１１の零歪線Ｌよりも内側に位置させる等して、超電導層１５に圧縮の予歪を付与する。

（ｅ）図９に示す超電導コイル４１を製造する過程で、巻芯４２に超電導テープ線材１１を渦巻き状に巻回する際に、図１１（ｂ）に示すようよに、超電導層１５を超電導テープ線材１１の零歪線Ｌよりも外側に位置させる等して、超電導層１５に引張の歪を付与して、圧縮の予歪を緩和する。

（ｆ）超電導コイル４１が常温（２０℃）から作動温度（例えば２０Ｋ）に低下し、かつ超電導コイル４１に通電された状態で、超電導テープ線材１１にフープ応力が作用して、超電導層１５に引張の応力が付与されて、圧縮の予歪を緩和する。

図１には前述した（ａ）〜（ｆ）の作用によって超電導層１５に付与される圧縮の歪又は引張り側の歪が太い矢印で示されている。この実施形態においては、上述した（ａ）〜（ｆ）を考慮して、超電導コイル４１が作動されている状態で、前記超電導テープ線材１１にフープ応力が作用して、前記超電導層１５の圧縮の予歪みが緩和された状態において、超電導コイル４１に流れる臨界電流値Ｉｃがその最大値Ｉｃｍａｘの９７％以上になるように、前記超電導層１５に付与した圧縮の予歪を適正範囲に設定している。この実施形態では、前記超電導層１５に０．１５％の引張り歪が作用している状態において、前記臨界電流値Ｉｃが最大値Ｉｃｍａｘとなり、最大値Ｉｃｍａｘの９７％の目標電流値Ｉｃｔとなる超電導層１５の圧縮の歪は−０．０５％となる。又、超電導層１５の引張り側の歪は＋０．４％となる。従って、このように超電導コイル４１の使用状態において、前記超電導層１５に発生する歪が−０．０５％〜＋０．４％の適正範囲（図１の双方向矢印参照）に収まるように、常温状態の超電導コイル４１の超電導層１５の圧縮の歪を設定するようにしている。この実施形態においては図１（ａ）〜（ｅ）によって、超電導層１５の圧縮の歪が−０．４％に設定されている。そして、超電導コイル４１が実際に作動された状態で、図１（ｆ）の矢印で示すように、歪が＋０．１５％となって、臨界電流値Ｉｃが最大値Ｉｃｍａｘとなるように設定されている。このように設定することにより、超電導コイル４１の作動状態において、超電導コイル４１に流れる臨界電流値Ｉｃをほぼ最大値Ｉｃｍａｘに大きくすることができる。

ところで、図２は超電導テープ線材１１に作用する引張の歪が増大した場合の臨界電流値Ｉｃと歪との関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、前述した（ｅ）に示す予歪の緩和が過度になると、常温状態における超電導コイル４１の超電導層１５に付与される歪が引張り側の＋０．５％（実線の矢印（ｅ）参照）となる。従って、この場合には、超電導コイル４１が作動された状態で、（ｆ）に示す超電導コイル４１の作動時のフープ応力によって超電導層１５に大きな引張りの＋１．０％の歪（実線の矢印（ｆ）参照）が付与されるので、超電導層１５が劣化してしまい、超電導層１５の歪が臨界電流値Ｉｃの可逆許容線＋Ｋを超えてしまう。この場合には、臨界電流値Ｉｃが急激に低下し劣化するので、前述した（ｅ）による予歪の緩和を図２に二点鎖線の矢印で示すように所定値、＋０．４％以下にする必要がある。同様に、超電導層１５の歪が−０．９％以下の圧縮の場合には、臨界電流値Ｉｃの劣化がなく、可逆許容線−Ｋを超えない可逆性を示すので、圧縮の最大歪として、−０．９％程度を付与することが可能である。従って、常温状態における超電導層１５に付与する最大の圧縮の予歪は、−０．９％であり、圧縮の予歪を−０．９％以上に設定している。又、超電導コイル４１の作動状態における超電導層１５に許容される引張り側の最大の歪は、＋０．１％である。

前述したように、最も望ましいのは、図１に示すように前記目標電流値Ｉｃｔが最大値Ｉｃｍａｘの９７％以上となるように常温状態における超電導コイル４１の超電導層１５の圧縮の歪みを設定することである。しかし、図２に示すように、前記臨界電流値Ｉｃの目標電流値Iｃｔが最大値Ｉｃｍａｘの９５％以上、９０％以上、８５％以上又は８０％以上となるように、即ち、超電導コイル４１の作動状態における超電導層１５に作用する歪が−０．４２〜＋０．４１％、−０．６２〜＋０．５８％、−０．７５〜＋０．７３％又は−０．８４〜＋０．８２％となるように、常温状態における超電導コイル４１の超電導層１５の圧縮の予歪を設定するようにしてもよい。

又、図３は超電導テープ線材１１の超電導層１５に作用する引張の歪と、超電導層１５に作用するフープ応力（ＭＰａ）との関係を示す。このグラフから明らかなように、９００ＭＰａのとき、＋０．５％程度の引張の歪があるが、超電導層１５に圧縮の予歪を−０．５％付与してあれば、超電導コイル４１の作動時に超電導層１５の歪が０％となり前述した適正範囲（−０．５〜０．４％）となる。

図４は、超電導層１５に作用する引張応力と、臨界電流値Ｉｃとの関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、応力が１５２０ＭＰａを超えると、臨界電流値Ｉｃが急激に低下するので、引張応力の上限は、１５２０ＭＰａ以下とする。

前記実施形態の超電導テープ線材１１の製造方法及び超電導コイル４１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）前記実施形態では、前記基板１２の表面に超電導層１５を積層接合したテープ線材本体１１Ａの前記超電導層１５の表面に対し、単体の前記安定化層１７に、その長手方向に張力を付与した状態で、該安定化層１７をハンダ２４により接合し、その後、前記安定化層１７に付与した張力を解除することにより、該安定化層１７が収縮されて、前記超電導層１５に圧縮の予歪を付与するようにした。このため、前記安定化層１７へ付与する張力を調整することにより、超電導層１５へ付与する圧縮の予歪を所望する予歪に容易に設定することができる。

（２）前記実施形態では、前述した（ａ）〜（ｆ）を考慮して、超電導コイル４１が作動されている状態で、前記超電導テープ線材１１にフープ応力が作用して、前記超電導層１５の圧縮の予歪みが緩和された状態において、超電導コイル４１に流れる臨界電流値Ｉｃがその最大値Ｉｃｍａｘの９７％以上になる歪の適正範囲（−０．０５〜＋０．４％）に緩和されるように、前記超電導層１５の圧縮の予歪を設定した。このため、超電導コイル４１の作動状態において、超電導コイル４１に流れる臨界電流値Ｉｃを大きくすることができる。

（３）前記実施形態では、図１１（ｂ）に示すように、超電導テープ線材１１の基板１２がコイルの外側に安定化層１７がコイルの内側に位置するようにした。この場合には、超電導テープ線材１１の基板１２が外側に位置しているので、前記超電導層１５に通電されたときのフープ応力を前記基板１２で支持し易くなり、この結果、超電導層１５及び保護層１６の接合界面の剥離を抑制することができる。

なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図１１（ａ）又は（ｂ）に示す超電導テープ線材１１において、前記超電導層１５が前記零歪線Ｌの線上に位置するようにしてもよい。この場合には超電導テープ線材１１の湾曲による超電導層１５の圧縮又は引張り歪を考慮しなくてもよいので、常温状態における超電導層１５の圧縮の歪を設定する作業を簡略化することができる。

・前記基板１２及び安定化層１７の熱膨張係数と、超電導層１５の熱膨張係数と同じにしてもよい。この場合には、前述した（ｂ）及び（ｃ）の圧縮の歪の付与方法を考慮しなくてもよいので、常温状態における超電導層１５の圧縮の歪を設定する作業を簡略化することができる。

・例えばシングルパンケーキ型の超電導コイルに具体化してもよい。
・前記超電導テープ線材１１の第１及び第２中間層１３，１４を省略してもよい。
・前記超電導テープ線材１１の基板１２の材料として、例えば、ステンレススチール、ニッケル・タングステン合金等を用いてもよい。

・常温状態における超電導コイル４１の超電導層１５に付与する最小の圧縮の予歪は、図２に示す−０．２％以下が望ましい。これ以上になると、超電導コイル４１の作動時にフープ応力によって超電導層１５に作用する引張り歪が大きくなって、可逆許容線＋Ｋを超える可能性があるからである。

・前記安定化層１７の材質として、銅、銅ニッケル合金、銅銀合金のうちのいずれか一種又は二種以上を選択してもよい。
（技術的思想）
上記実施形態から把握される技術的思想について以下に説明する。

（１）請求項２〜７のいずれか一項に記載の超電導コイルにおける超電導層の圧縮の予歪の設定方法であって、
常温状態で、超電導テープ線材の超電導層に圧縮の予歪を付与し、超電導コイルが作動される低温状態で、前記超電導テープ線材にフープ応力が作用して、前記超電導層の圧縮の予歪みが緩和されて、超電導コイルに流れる臨界電流値がその最大値の８０％以上になるように、緩和された超電導層の歪の許容範囲を設定し、該許容範囲内に緩和された超電導層の歪が収まるように、常温状態における超電導コイルの前記圧縮の予歪を設定することを特徴とする超電導コイルの超電導層の圧縮の予歪の設定方法。

この発明の超電導コイルの超電導層の歪と、臨界電流値との関係を示すグラフ。 超電導層の引張歪と臨界電流値との関係を示すグラフ。 超電導層の引張歪と応力との関係を示すグラフ。 超電導層の引張応力と、臨界電流値との関係を示すグラフ。 この発明の超電導コイルの製造方法に用いられる超電導テープ線材本体及び安定化層の部分斜視図。 超電導テープ線材本体及び安定化層の部分拡大縦断面図。 補強テープ線材の製造装置を示す正面図。 超電導テープ線材の部分拡大縦断面図。 超電導コイルの正面図。 超電導コイルの平面図。 （ａ）（ｂ）は超電導コイルの超電導テープ線材の部分拡大縦断面図。 （ａ）は超電導コイルに流れる電流と磁束との関係を示す線図、（ｂ）は超電導コイルに作用するフープ応力を説明する線図。 超電導コイルの超電導層に作用する歪と臨界電流値との関係を示すグラフ。

符号の説明

Ｉｃ…臨界電流値、Ｔ１，Ｔ２…張力、１１…超電導テープ線材、１１Ａ…超電導テープ線材本体、１２…基板、１５…超電導層、１７…安定化層、４１…超電導コイル。

Claims (8)

1. テープ状の基板の表面に超電導層を形成するとともに、該超電導層の表面にテープ状の安定化層を形成した超電導テープ線材において、
   前記基板の表面に超電導層を形成した超電導テープ線材本体の前記超電導層の表面に対し、単体の前記安定化層に、その長手方向に張力を付与した状態で、該安定化層を接合材により接合し、その後、前記安定化層に付与した張力を解除することにより、該安定化層が収縮されて、前記超電導層に圧縮の予歪が付与され、該予歪は前記超電導テープ線材を用いた超電導コイルの作動時に臨界電流値が最大値の８０％以上となるように設定されていることを特徴とする超電導テープ線材。
2. テープ状の基板の表面に超電導層を形成するとともに、該超電導層の表面にテープ状の安定化層を形成した超電導テープ線材の製造方法において、
   前記基板の表面に超電導層を形成した超電導テープ線材本体の前記超電導層の表面に対し、単体の前記安定化層に、その長手方向に張力を付与した状態で、該安定化層を接合材により接合し、その後、前記安定化層に付与した張力を解除することにより、該安定化層が収縮されて、前記超電導層に圧縮の予歪が付与され、該予歪は前記超電導テープ線材を用いた超電導コイルの作動時に臨界電流値が最大値の８０％以上となるように設定されるようにしたことを特徴とする超電導テープ線材の製造方法。
3. テープ状の基板の表面に超電導層を形成するとともに、該超電導層の表面にテープ状の安定化層を形成した超電導テープ線材を巻回して構成された超電導コイルにおいて、
   常温状態で、前記超電導テープ線材の超電導層に圧縮の予歪が付与され、超電導コイルが作動される低温状態で、前記超電導テープ線材にフープ応力が作用して、前記超電導層の圧縮の予歪みが緩和されて、超電導コイルに流れる臨界電流値がその最大値の８０％以上になるように、緩和された超電導層の歪の許容範囲を設定し、該許容範囲内に緩和された超電導層の歪が収まるように、常温状態における超電導コイルの前記圧縮の予歪を設定したことを特徴とする超電導コイル。
4. 請求項３において、前記超電導層の圧縮の予歪は、超電導コイルに流れる臨界電流値がその最大値の９５％以上になるように設定されていることを特徴とする超電導コイル。
5. 請求項３又は４において、前記超電導層の圧縮の予歪の一部は、超電導テープ線材の製造工程において、高温から常温に冷却される際に、前記基板及び安定化層と、超電導層との熱膨張率との相違によって、前記超電導層が圧縮されて付与されたものであることを特徴とする超電導コイル。
6. 請求項３〜５のいずれか一項において、前記超電導層の圧縮の予歪の一部は、超電導コイルが常温から作動温度である低温に冷却される過程において、前記基板及び安定化層と超電導層との熱膨張率の相違によって、前記超電導層が圧縮されて付与されるようにしていることを特徴とする超電導コイル。
7. 請求項３〜６のいずれか一項において、前記基板の材質は、ハステロイ、鋼のいずれか一種を選択し、前記超電導層の材質は、イットリウム系によるＹ_１−Ｂａ_２−Ｃｕ_３−Ｏｘ系であり、前記安定化層の材質は、銅、銅ニッケル合金、銅銀合金のうちのいずれか一種又は二種以上を選択したものであることを特徴とする超電導コイル。
8. 請求項３〜７のいずれか一項において、常温状態で前記超電導層に予め付与された圧縮の予歪は−０．９％以上であることを特徴とする超電導コイル。

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