JP2013041871A - 超電導コイル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、第１パンケーキコイルと第２パンケーキコイルの各巻回始端と接続板との接続部を容易に修理できる超電導コイル及びその製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、切欠部を有する巻枠と、巻枠の周囲に、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて超電導導体を巻回してなる第１コイル体を有する第１パンケーキコイルと、切欠部を有する巻枠と、巻枠の周囲に、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて超電導導体を巻回してなる第２コイル体を有する第２パンケーキコイルとを備え、第１パンケーキコイルと第２パンケーキコイルが、それらの切欠部同士を互いに隣り合わせてそれらの中心軸位置を同一にして積層され、第１コイル体の酸化物超電導導体の巻回始端と第２コイル体の酸化物超電導導体の巻回始端が、切欠部内に配されてこれらの巻回始端に当接された導電性の接続板によって電気的に接続されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイル及びその製造方法に関する。

超電導コイルは、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）といった様々な用途に使用されている。超電導コイルに用いられる超電導導体として、これまでＮｂＴｉ等の金属系超電線材が広く用いられてきたが、これらの金属系超電導導体は、超電導状態とするために極低温まで冷却する必要があり、冷却コストが高いという問題がある。さらに比熱の小さい極低温下での使用となるため、安定性が悪く常電導転移を起こし易いという問題も有している。
これに対して、近年、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲＥ１２３、ＲＥ：希土類元素）で表される希土類系超電導体を用いた酸化物超電導線材やＢｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ（Ｂｉ２２２３）などのビスマス系酸化物超電導線材の開発が進められている。これらの酸化物超電線材は、金属系超電導線材に比べて臨界温度が高温であるため、比熱が比較的大きな高温領域での使用が可能であり、超電導特性を安定的に得ることができる。

このような酸化物超電導線材を用いた超電導コイルは、テープ状の超電導線材を巻回してなるパンケーキコイルを複数積層した構造をとることが多い（例えば、特許文献１参照）。この積層構造の超電導コイルは、線材幅方向の歪みなどによる超電導特性の劣化が小さく、また、クエンチなどによって一部が損傷した場合、損傷した部分のパンケーキコイルのみを取り替えることができるという利点を有している。

ここで、積層構造を構成する各パンケーキコイルは、電極（自由端）を外周側とするために、上下２個のパンケーキコイルを１組として、第１パンケーキコイルの内周端（巻回始端）と、第２パンケーキコイルの内周端（巻回始端）を電気的に接続したダブルパンケーキ構造とされるのが一般的である。

特開２００１−３０７９１７号公報

ところで、ダブルパンケーキ構造を有する超電導コイルにおいて、第１パンケーキコイルの巻回始端と第２パンケーキコイルの巻回始端との接続は、接続板として銅等の低抵抗金属板を用い、各巻回始端同士を互いに隣接させて配置し、両始端に跨るように接続板を半田付けすることで行われる。例えば、第１パンケーキコイル用の超電導線材を１層目として巻回した後、第２パンケーキコイル用の超電導線材を２層目として巻回する方法が採用される。
しかし、超電導線材の内周側の端部と接続板との接続状態が不完全であると、接続抵抗が高くなり、通電によって接続部分に比較的大きなジュール熱が発生するようになるので、このような接続不良箇所を修理する必要が生じる。

しかし、超電導線材の巻回始端と接続板との接続部は、超電導線材を巻線したコイルと巻枠との間にあるため、直接修理することができない。このため、ダブルパンケーキコイルを超電導コイル装置に組み込んで運転を行った際、接続抵抗が大きいなど、接続不良のダブルパンケーキコイルが見つかった場合、そのダブルパンケーキコイルを超電導コイル装置から取り外し、別のダブルパンケーキコイルと交換する必要があり、ダブルパンケーキコイルそのものが無駄になるという問題がある。

本発明は、このような従来の実情に鑑みなされたものであり、ダブルパンケーキコイルを構成する第１パンケーキコイルと第２パンケーキコイルをそれらの巻回始端部において簡単に接続することができ、接続不良があった場合の修理も簡単にできる超電導コイル及びその製造方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、切欠部を有する巻枠と、前記巻枠の周囲に、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて超電導導体を巻回してなる第１コイル体を有する第１パンケーキコイルと、切欠部を有する巻枠と、前記巻枠の周囲に、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて超電導導体を巻回してなる第２コイル体を有する第２パンケーキコイルとを備え、前記第１パンケーキコイルと前記第２パンケーキコイルが、それらの切欠部同士を互いに隣り合わせてそれらの中心軸位置を同一にして積層され、前記第１コイル体の酸化物超電導導体の巻回始端と前記第２コイル体の酸化物超電導導体の巻回始端が、前記切欠部内に配されてこれらの巻回始端に当接された導電性の接続板によって電気的に接続されたことを特徴とする。
本発明の超電導コイルによれば、第１パンケーキコイルの巻回始端と第２パンケーキコイルの巻回始端を接続する接続板が、巻枠の切欠部内に配されるため、接続不良のダブルパンケーキコイルが生じた場合、切欠部の空間を利用して接続板と各巻回始端との接続部を直接修理することができる。このため、ダブルパンケーキコイル全体を交換する必要が無くなる。従って、ダブルパンケーキコイル全体を無駄にすることが無くなり、超電導コイルの製造コスト低減を図ることができる。

本発明において、前記巻枠の切欠部に該切欠部を閉じるブロック本体が着脱自在に取り付けられた構成としても良い。
ブロック本体で巻枠の切欠部を閉じることにより、巻枠に切欠部が存在することによる強度低下を抑制でき、パンケーキコイルとしての強度を確保できる。よって、超電導導体に通電して電磁力を作用させるなどしてパンケーキコイルに外力が作用しても、巻枠の強度は高く変形し難いのでコイル体を構成する酸化物超電導導体に無用な負荷が作用しない。

本発明の超電導コイルの製造方法は、切欠部を有する巻枠と、該巻枠の切欠部に嵌入されたブロック本体とを有する巻枠に、超電導導体を、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて巻回し第１コイル体を形成し、第１パンケーキコイルを得る第１工程と、切欠部を有する巻枠と、該巻枠の切欠部に嵌入されたブロック本体とを有する巻枠に、超電導導体を、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて巻回し第２コイル体を形成し、第２パンケーキコイルを得る第２工程と、前記各工程で得られた前記第１パンケーキコイルと前記第２パンケーキコイルを、それらの切欠部同士が互いに隣接するように厚さ方向に積層するとともに、前記各巻枠から前記ブロック本体を取り外し、前記各パンケーキコイルの前記巻回始端を前記各巻枠の前記切欠部から露出させる第３工程と、前記各巻枠の切欠部に接続板を配し、前記第１コイル体の前記巻回始端と前記第２コイル体の前記巻回始端を前記接続板によって電気的に接続する第４工程と、を有することを特徴とする。
第１パンケーキコイルと第２パンケーキコイルを重ねて各巻枠の切欠部に露出している巻回始端を隣接させ、両方の巻回始端を接続板で電気的に接続するので、第１コイル体の巻回始端と第２コイル体の巻回始端を容易かつ確実に接続できる。本発明の製造方法によれば、第１パンケーキコイル及び第２パンケーキコイルを、別々の巻枠を用いて作製できるため、各パンケーキコイルを、別々の巻線機によって並行して作製することができる。このため、各パンケーキコイルを同一の巻枠を用いて順番に作製するのに比べて、超電導コイルとするための酸化物超電導導体の巻回作業時間を大幅に短縮できる。

また、巻枠として切欠部を有する構造のため、巻枠に巻回された超電導導体の巻回始端を切欠部から露出させることができる。このため、第１パンケーキコイルの超電導導体の巻回始端と、第２パンケーキコイルの超電導導体の巻回始端を、巻枠に邪魔されることなく、容易に接続板に接続できる。
さらに、接続板は巻枠の切欠部内に配されるため、切欠部を閉じているブロック本体を取り外すと、切欠部の空間に剥出し状態になる。このため、運転時に接続抵抗が高いダブルパンケーキコイルを発見した場合、その接続板と各巻回始端との接続部を再度接続し直すなど、直接修理することができ、ダブルパンケーキコイルそのものを無駄にする必要がない。したがって、超電導コイルの製造コストを低減できる。

本発明の超電導コイルでは、第１パンケーキコイルの巻枠と第２パンケーキコイルの巻枠に切欠部を設け、各パンケーキコイルの超電導導体の巻回始端を切欠部の位置に合わせて巻回し、巻回始端同士を接続する接続板を切欠部内に配したので、接続板を巻枠の内周側に剥き出し状態にできる。このため、接続不良のダブルパンケーキコイルを発見した場合、接続板と各巻回始端との接続部を直接修理することができ、ダブルパンケーキコイル全体を交換する必要がない。したがって、無駄になるダブルパンケーキコイルの数を削減することができ、超電導コイルの製造コストを削減できる。

また、本発明の超電導コイルの製造方法は、第１パンケーキコイルと第２パンケーキコイルを別々の巻枠を用いて作製できるため、各パンケーキコイルを作製する際、別々の巻線機により並行して巻線加工できる。このため、各パンケーキコイルを同一の巻枠を用いて巻線作業を順番に行いつつ超電導コイルを作製するのに比べて、超電導コイルの製造時間を大幅に短縮できる。

本発明に係る第１実施形態の超電導コイルを示す側面図。 図１に示す超電導コイルの一部を拡大して示す分解斜視図。 図１に示す超電導コイルの一部を構成する巻枠の一例を示す斜視図。 図１に示す超電導コイルの一部を構成するダブルパンケーキコイルの一例を示す斜視図。 図３に示す巻枠の一例を示す分解斜視図。 図１に示す超電導コイルの一部を構成する超電導導体の一例を示す斜視図。 図１に示す超電導コイルが適用された超電導コイル装置の一例を示す模式図。

以下、本発明に係る超電導コイルの第一実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る超電導コイルの第一実施形態を示す側面図、図２は、図１に示す超電導コイルの一部を拡大して示す分解斜視図、図３〜図５は、図１に示す超電導コイルに備えられる巻枠とダブルパンケーキコイルを示す斜視図、図６は、図１に示す超電導コイルを構成する超電導導体の一例を示す斜視図である。
図１に示す本実施形態の超電導コイル１０は、対向配置されたフランジ板３１、３２を巻胴３０で一体化したボビンＢにコイル積層体２を装着してなる。超電導コイル１０において、複数のダブルパンケーキコイル２３がそれらの厚さ方向に３層分積層され、コイル積層体２が構成され、コイル積層体２の上端面２ａ及び下端面２ｂにそれぞれ接するようにフランジ板３１、３２が配置され、積層されたダブルパンケーキコイル２３、２３の間に冷却板３３が介挿されている。

図２に示すように、各ダブルパンケーキコイル２３は、それぞれ、同一径のドーナツ状の第１パンケーキコイル２１と第２パンケーキコイル２２とが、それらの厚さ方向に同軸的に積層されてなり、コイル積層体２は、各ダブルパンケーキコイル２３が、同軸的に積層された多層構造とされている。なお、各コイル体２１、２２の形状はドーナツ状に限定されず、楕円形のレーストラック状あるいは矩形楕円形状などであってもよい。

図３〜図５に示すように、ダブルパンケーキコイル２３を構成する第１パンケーキコイル２１は、巻枠２４と、この巻枠２４の外周にテープ状の超電導導体１を巻回してなる第１のコイル体２１Ａとからなり、第２パンケーキコイル２２は、巻枠２４と、この巻枠２４の外周にテープ状の超電導導体１を巻回してなる第２のコイル体２２Ａとからなる。
前記巻枠２４は、図３、図５に示すように一部が切り欠かれたＣ型の円環状の巻枠本体２４Ａと、巻枠本体２４Ａの切欠部２４ａに嵌め込まれた嵌合ブロック２４Ｂとから円環状に形成されている。この嵌合ブロック２４Ｂは、切欠部２４ａを埋める大きさのブロック本体２４ｂと、このブロック本体２４ｂの内周部側に一体化されて巻枠本体２４Ａの内周面に沿って配置される円弧板状の取付板２４ｃとから構成されている。また、巻枠本体２４Ａの切欠部２４ａに近い両端部に巻枠本体２４Ａの端部を貫通するようにネジ孔２４ｅが形成され、ネジ孔２４ｅが形成された位置に被着される取付板２４ｃの両端部に透孔２４ｆが形成されている。そして、嵌合ブロック２４Ｂは、ブロック本体２４ｂで切欠部２４ａを埋め込み、取付板２４ｃを巻枠本体２４Ａの切欠部２４ａの両側部分に当接させるとともに、透孔２４ｆを貫通したボルト２５をネジ孔２４ｅに螺合することで巻枠本体２４Ａに着脱自在に固定されている。
巻枠本体２４Ａの構成材料としては、特に限定されず、巻枠の材料として通常用いられる、比較的硬度の高い樹脂等の絶縁性材料を使用可能である。また、ブロック本体２４ｂは巻枠本体２４Ａと同等の絶縁材料からなる。

第１パンケーキコイル２１のコイル体２１Ａは、超電導導体１を巻枠２４の外周に、その巻回始端２１ａを切欠部２４ａの位置に合わせて反時計回りに多数回巻回することにより構成されている。また、第２パンケーキコイル２２のコイル体２２Ａは、超電導導体１を巻枠２４の外周に、その巻回始端２２ａを切欠部２４ａに位置に合わせて、時計回りに多数回巻回することにより構成されている。すなわち、第１パンケーキコイル２１と第２パンケーキコイル２２において、超電導導体１の巻回方向が互いに逆向きとされている。コイル体２１Ａ、２２Ａを構成するための超電導導体１は、後述する積層構造の超電導積層体１Ａと該超電導積層体１Ａを被覆する絶縁材料製の被覆層２０により構成されており、例えば基材１１側が内周側となるように巻枠本体２４Ａの外周に多層巻きされている。

第１パンケーキコイル２１と第２パンケーキコイル２２は、第１パンケーキコイル２１を下側にして、各巻枠２４の切欠部２４ａが互いに上下に隣り合うように、厚さ方向に同軸的に積層されることでダブルパンケーキコイル２３が構成されている。そして、第１パンケーキコイル２１の巻回始端２１ａと第２パンケーキコイル２２の巻回始端２２ａは切欠部２４ａの部分において互いに隣接され、切欠部２４ａ内に配された接続板４によって電気的及び機械的に接続されている。即ち、各コイル体２１Ａ、２２Ａの巻回始端２１ａ、２２ａ及び巻回終端２１ｂ、２２ｂでは、被覆層２０が除去されて超電導積層体１Ａが露出されているので、被覆層２０から露出された後述の安定化層１９の部分に接続板４が半田付けされて接続されている。この実施形態において接続板４は銅、アルミニウム等の良電導性金属材料からなる。

接続板４と、各巻回始端２１ａ、２２ａとの接合は、電気的および機械的に接続されていれば良く、例えば、半田付け等により接合することができるが、汎用性、接合性、取り扱いの容易性の点で半田付け接合が好ましい。半田としては、特に限定されず、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ系合金半田、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金等の鉛フリー半田、共晶半田、低温半田等が挙げられ、これらの半田を１種または２種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、融点が３００℃以下の半田を用いるのが好ましい。これにより、３００℃以下の温度で半田付けすることが可能となるので、半田付けの熱によって酸化物超電導層１７の特性が劣化することを抑制できる。
なお、パンケーキコイル２１、２２においてそれらの巻回始端２１ａ、２２ａ同士を上述の接続板４により接続することで１つのダブルパンケーキコイル２３において上下のパンケーキコイル２１、２２が電気的に接続されている。また、上下に積層されているダブルパンケーキコイル２３、２３同士の接続は、図面では略されているが、パンケーキコイル２１、２２の巻回終端に位置する酸化物超電導導体同士が他の接続板により接続され、導通されている。これらの接続によりコイル積層体２を構成する６つのパンケーキコイルが導通され、通電できるように構成されている。

ダブルパンケーキコイル２３、２３の間に介挿されている冷却板３３は、平面視パンケーキコイル２１、２２よりも若干大径のドーナツ状をなし、熱伝導性材料によって構成されている。
冷却板３３の構成材料としては、特に限定されないが、例えばアルミニウム、銅、銀のような良熱伝導性の金属からなる。これらの冷却板３３は、後述する冷凍機からの伝導冷却を行うための冷却パスとして機能する。

次に、パンケーキコイル２１、２２を構成する超電導導体１について説明する。
本実施形態において用いられている超電導導体１は、図６に示すようにテープ状の基材１１の上にベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７とが積層され、酸化物超電導層１７の上に保護層１８と安定化層１９が積層され、全体が絶縁性の被覆層２０で覆われて概略構成されている。超電導導体１において、基材１１とベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７と保護層１８と安定化層１９とから超電導積層体１Ａが構成されている。

前記基材１１は、テープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ（米国ヘインズ社商品名）などのニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、又はニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎ−Ｗ基板のような配向金属基材等が挙げられる。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍである。
ベッド層１２は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、必要に応じて配され、例えば、Ｙ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３等から構成される。ベッド層１２の厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。また、基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層が介在された構造としても良い。拡散防止層は、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、あるいは希土類金属酸化物等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。

中間層１５は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層される酸化物超電導層１７の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から選択される。中間層１５の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物を例示することができる。中間層１５の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．００５〜２μｍの範囲とすることができる。

キャップ層１６は、中間層１５よりも高い面内配向度が得られ、好ましい材質として具体的には、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等が例示できる。キャップ層１６の膜厚は、５００〜１０００ｎｍとすることが好ましい。

酸化物超電導層１７は公知のもので良く、具体的には、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものを例示できる。酸化物超電導層１７として、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）などを例示することができる。酸化物超電導層１７の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。

酸化物超電導層１７の上に積層されている保護層１８はＡｇあるいは貴金属などの良電導性かつ酸化物超電導層１７と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。Ａｇの保護層１８の場合、その厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
安定化層１９は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、酸化物超電導層１７が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、安定化基層１８とともに、酸化物超電導層１７の電流が転流するバイパスとして機能する。
安定化層１９を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金、ステンレス等の比較的安価なものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅がより好ましい。安定化層１９の厚さは１０〜３００μｍとすることができる。

以上のように構成された超電導コイル１０では、第１パンケーキコイル２１及び第２パンケーキコイル２２の各巻回始端２１ａ、２２ａ同士を接続する接続板４が、巻枠２４の切欠部２４ａ内に配され、嵌合ブロック２４Ｂを取り外すと接続板４が巻枠２４の内周側に剥き出し状態になる。このため、接続不良のダブルパンケーキコイル２３を発見した場合、嵌合ブロック２４Ｂを外してから切欠部２４ａを介し接続板４と各巻回始端２１ａ、２２ａとの接続部を直接修理することができる。例えば、接続板４を半田付けしている場合は半田付けし直すことにより接続不良箇所を修理できる。
このため、ダブルパンケーキコイル全体を交換する必要が無くなる。従って、無駄になるダブルパンケーキコイル２３を削減でき、超電導コイル１０の製造コストの低減を図ることが可能である。接続板４を半田付けした場合は半田付けを再度行うことで容易に修理ができる。
なお、ダブルパンケーキコイルを製造する場合、１本の超電導線を用いて１層目の超電導コイルと２層目の超電導コイルを構成し、両超電導コイルの間で超電導線の渡り部分を介する構造を採用することもある。この構造の場合、１層目の超電導コイルと１層目の超電導コイルの渡り部分にエッジワイズ歪みが作用するおそれがある。この点、本実施形態の構造ではこの種エッジワイズ歪みは作用せず、嵌合ブロック２４Ｂが接続板４の部分の補強ともなっているので、接続部分の構造を強固にできる。また、運転時に異常が生じた場合は、上述のようにコイルの取り替え、接続のし直しが容易である。

次に、先に説明した超電導コイル１０が適用される超電導コイル装置（超電導マグネット装置）の一例について説明する。
図７に示す超電導コイル装置５０は、真空容器などの収容容器５９の内部に配置された超電導コイル１０と、収容容器５９の内部の超電導コイル１０を臨界温度以下に冷却するための冷凍機５８とを備えて構成されている
超電導コイル１０のフランジ板３１、３２と各冷却板３３は、それらの外側において良熱伝導性材料よりなる熱伝導バー５６に接続されている。冷凍機５８と熱伝導バー５６とフランジ板３１、３２と各冷却板３３とは接続されており、これにより冷凍機５８によりフランジ板３１、３２、各冷却板３３を介してパンケーキコイル２１、２２を伝導冷却できる。

超電導コイル１０の最上層及び最下層の巻回終端２１ｂ、２２ｂは、電流リード５４ａ、５４ｂを介して収容容器５９の外部の電源５５に接続されており、この電源５５から超電導コイル１０に通電できるようになっている。また、収容容器５９は、図示しない真空ポンプに接続されており、内部を目的の真空度に減圧できるように構成されている。

この例の超電導コイル装置５０では、冷凍機５８によってフランジ板３１、３２と各冷却板３３を介してパンケーキコイル２１、２２の超電導導体１を臨界温度以下に伝導冷却し、酸化物超電導層１７を超電導状態とする。この超電導状態の各第１パンケーキコイル２１及び各第２パンケーキコイル２２に通電を行って目的とする磁界を発生させ、超電導マグネットとして利用することができる。

次に、本発明に係る超電導コイルの製造方法について、図１に示す超電導コイルを製造する場合を例にして説明する。
本発明に係る超電導コイルの製造方法は、嵌合ブロック２４Ｂを有する巻枠２４に、超電導導体１を巻回し、第１コイル体２１Ａ及び第２コイル体２２Ａを得るコイル体作製工程（第１工程及び第２工程）と、前記工程で得られた第１コイル体２１Ａと第２コイル体２２Ａとを積層した後、各巻枠２４から嵌合ブロック２４Ｂを取り外し、各コイル体２１Ａ、２２Ａの巻回始端２１ａ、２２ａを巻枠２４の内周側に露出させるコイル体積層工程（第３工程）と、各巻枠２４の切欠部２４ａ内に接続板４を配し、各コイル体２１Ａ、２２Ａの巻回始端２１ａ、２２ａを接続板４に半田付け等の接合手段で接続する接続工程（第４工程）を有している。

テープ状の図６に示す構造の超電導導体１を用意したならば、超電導導体１の始端部の被覆層２０を部分的に除去して始端部の安定化層１９を露出させてから巻枠２４に超電導導体１を時計方向あるいは反時計方向に巻回する。なお、超電導導体１の始端部の被覆層２０を部分的に除去する処理は、後の工程において接続板４で接続する際に行っても良いので、その場合は超電導導体１の始端部の被覆層２０を除去することなく巻回しても良い。
巻回作業に際し、巻枠２４の切欠部２４ａはブロック本体２４ｂで閉じられているが、安定化層１９を露出させた部分を切欠部２４ａのブロック本体２４ｂと位置合わせしてから超電導導体１の巻回を開始し、必要長さの超電導導体１を巻回してコイル体２１Ａあるいはコイル体２２Ａを形成し、パンケーキコイル２１あるいはパンケーキコイル２２を作製する。

ここで、本実施形態の製造方法では、第１パンケーキコイル２１と第２パンケーキコイル２２を別々の巻枠２４を用いて作製できるため、各パンケーキコイル２１、２２の超電導導体１の巻回工程を、別々の巻線機を用いて並行して行うことができる。このため、第１コイル体２１Ａと第２コイル体２２Ａを、同一の巻枠に順番に巻線する場合に比べて、半分程度の時間でパンケーキコイル２１、２２を製造可能となる。

次に、第１パンケーキコイル２１と第２パンケーキコイル２２を巻枠２４の切欠部２４ａが互いに上下に隣り合うように積層した後、各パンケーキコイル２１、２２の切欠部２４ａからブロック本体２４ｂを取り外す。ブロック本体２４ｂを取り外すには、巻枠２４Ａのネジ孔２４ｅ、２４ｅに螺合されているボルト２５を取り外し、切欠部２４ａからブロック本体２４ｂを引き抜く作業を行えば良い。この作業により、第１パンケーキコイル２１と第２パンケーキコイル２２の各巻回始端２１ａ、２２ａを切欠部２４ａ側に露出させることができる。ここで先に説明したように、超電導導体１の始端部の被覆層２０を予め除去している場合は、切欠部２４ａの内側に安定化層１９が露出する。超電導導体１の始端部の被覆層２０を予め除去していない場合は、超電導導体１の始端部が被覆層２０により覆われた状態であるので、被覆層２０を除去して安定化層１９を露出させる。

次に、巻枠２４の内周側に露出した各パンケーキコイル２１、２２の巻回始端２１ａ、２２ａの双方に亘るように、接続板４を配し、これらを半田等によって電気的及び機械的に接続する。そして、積層された第１パンケーキコイル２１と第２パンケーキコイル２２とを必要に応じてガラスエポキシ樹脂等の含浸樹脂によって固定し、切欠部２４ａをブロック本体２４ｂで図４に示すように閉じることでダブルパンケーキコイル２３が完成する。
そして、得られた複数のダブルパンケーキコイル２３を第３冷却板３３を介して積層し、巻胴３０に挿通してコイル積層体２を構成し、巻胴３０にフランジ板３１、３２を固定し、コイル積層体２３の上下をフランジ板３１、３２で挟み付けることで超電導コイル１０を得ることができる。

このように、本発明に係る超電導コイルの製造方法では、第１パンケーキコイル２１及び第２パンケーキコイル２２を、別々の巻枠２４を用いて作製するため、各パンケーキコイル２１、２２を、別々の巻線機によって並行して作製することができる。このため、各パンケーキコイルを同一の巻枠を用いて順番に作製する場合に比べて、超電導コイル１０の製造時間を大幅に短縮することができる。

また、切欠部２４ａを有する巻枠２４を用いるため、巻枠２４に巻回された超電導導体１の巻回始端を切欠部２４ａから露出させることができる。このため、第１パンケーキコイル２１の巻回始端と、第２パンケーキコイル２２の巻回始端とを、巻枠２４に邪魔されることなく、容易に接続板４によって接続することができる。

さらに、接続板４は、巻枠２４の切欠部２４内に配されるため、ブロック本体２４ｂを巻枠本体２４Ａから取り外すと、巻枠２４の内周側に剥き出し状態にできる。このため、接続不良のダブルパンケーキコイル２３を発見した場合、ブロック本体２４ｂを取り外して接続板４と各巻回始端２１ａ、２２ａとの接続部を直接修理することができ、ダブルパンケーキコイル２３の全体を交換する必要がない。したがって、無駄になるダブルパンケーキコイルの数を削減することができ、製造コストの低減を図ることが可能である。

以上、各実施形態の超電導コイルについて説明したが、上記実施形態において、超電導コイルを構成する各部は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、図６に示すテープ状の基材１１上に中間層１５などを介して酸化物超電導層１７が積層された構成の超電導導体１を使用してパンケーキコイルを構成する例を示したが、本発明の超電導コイルはこの例に限定されない。例えば、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_ｎ−１Ｃｕ_ｎＯ_{４＋２ｎ＋δ}なる組成等に代表される臨界温度の高いＢｉ系の酸化物超電導層を銀又は銀合金のシース材で被覆したテープ状の超電導導体を使用することもできる。なお、このような超電導導体は、酸化物超電導層の原料粉末が充填された銀又は銀合金製のパイプを伸線して多芯化し、さらに伸線、圧延および焼成を繰り返すＰＩＴ法（Powder In Tube法）などにより製造される。

本発明は、例えば超電導マグネット装置、超電導モータ、限流器など、各種超電導機器に用いられる超電導コイルに利用することができる。

１…超電導導体、２…コイル積層体、１Ａ…超電導積層体、４…接続板、１０…超電導コイル、１１…基材、１２…ベッド層、１５…中間層、１６…キャップ層、１７…酸化物超電導層、１８…保護層、１９…安定化層、２０…被覆層、２１…第１パンケーキコイル、２１ａ…巻回始端、２１ｂ…巻回終端、２２…第２パンケーキコイル、２２ａ…巻回始端、２２ｂ…巻回終端、２３…ダブルパンケーキコイル、２４…巻枠、２４Ａ…巻枠本体、２４Ｂ…嵌合ブロック、２４ａ…切欠部、２４ｂ…ブロック本体、２４ｂ…巻枠本体、２４ｃ…取付板、２５…ボルト、３０…巻胴、３１、３２…フランジ板、３３…冷却板。

Claims (4)

1. 切欠部を有する巻枠と、前記巻枠の周囲に、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて超電導導体を巻回してなる第１コイル体を有する第１パンケーキコイルと、
   切欠部を有する巻枠と、前記巻枠の周囲に、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて超電導導体を巻回してなる第２コイル体を有する第２パンケーキコイルとを備え、
   前記第１パンケーキコイルと前記第２パンケーキコイルが、それらの切欠部同士を互いに隣り合わせてそれらの中心軸位置を同一にして積層され、
   前記第１コイル体の酸化物超電導導体の巻回始端と前記第２コイル体の酸化物超電導導体の巻回始端が、前記切欠部内に配されてこれらの巻回始端に当接された導電性の接続板によって電気的に接続されたことを特徴とする超電導コイル。
2. 前記巻枠の切欠部に該切欠部を閉じるブロック本体が着脱自在に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
3. 切欠部を有する巻枠と、該巻枠の切欠部に嵌入されたブロック本体とを有する巻枠に、超電導導体を、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて巻回し第１コイル体を形成し、第１パンケーキコイルを得る第１工程と、
   切欠部を有する巻枠と、該巻枠の切欠部に嵌入されたブロック本体とを有する巻枠に、超電導導体を、その巻回始端を前記切欠部の位置に合わせて巻回し第２コイル体を形成し、第２パンケーキコイルを得る第２工程と、
   前記各工程で得られた前記第１パンケーキコイルと前記第２パンケーキコイルを、それらの切欠部同士が互いに隣接するように厚さ方向に積層するとともに、前記各巻枠から前記ブロック本体を取り外し、前記各パンケーキコイルの前記巻回始端を前記各巻枠の前記切欠部から露出させる第３工程と、
   前記各巻枠の切欠部に接続板を配し、前記第１コイル体の前記巻回始端と前記第２コイル体の前記巻回始端を前記接続板によって電気的に接続する第４工程と、を有することを特徴とする超電導コイルの製造方法。
4. 前記接続板により前記巻回始端を接続した後、各巻枠の切欠部にブロック本体を嵌入して各切欠部を閉じることを特徴とする請求項３に記載の超電導コイルの製造方法。

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