JP2013080849A - 超伝導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】新規で斬新な形態の高信頼性を有する超伝導コイルを提供する。
【解決手段】超伝導コイル２は、支持基板３と巻線部４を備えている。支持基板３には、溝が形成されている。巻線部４は、溝内に充填されている超伝導線材を有する。さらに、複数の前記支持基板３が積層しており、積層方向に隣り合う前記支持基板３では、前記巻線部４の前記超伝導線材が電気的に接続されている。前記巻線部４内で隣り合う前記超伝導線材において、長手方向で観測したときに、接近する部位が繰り返し現れるの構成とするが望ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、超伝導エネルギー貯蔵装置、高磁場発生装置、又は各種センサに用いられる超伝導コイルに関する。

超伝導材料を用いて構成される超伝導コイルの開発が進められており、その一例が特許文献１及び２に開示されている。例えば、特許文献１に示されるように、超伝導コイルは、超伝導線材を含む巻線部を予め用意し、その巻線部を円筒状の支持体の内面に当接させながら螺旋状に巻回させることで作製される。

特開２００２−２５８１８号公報 特開２００９−２８４６３４号公報

通電時、超伝導線材には半径方向に電磁力が作用する。円筒状の支持体は、電磁力が作用する超伝導線材を固定して保持するために設けられている。超伝導コイルの信頼性を確保するためには、超伝導線材と支持体を強固に固定する必要がある。しかしながら、予め用意された超伝導線材を巻回する製造方法は、精度を確保することが難しいことから、超伝導線材と支持体の固定方法に不具合が生じ易く、超伝導コイルの信頼性が低いという問題がある。

本明細書で開示される技術では、新規で斬新な形態を採用し、高磁場発生型の超伝導コイルを提供することを目的としている。

本明細書で開示される超伝導コイルは、支持基板と巻線部を備えている。支持基板には、溝が形成されている。巻線部は、溝内に充填されている超伝導線材を有する。本明細書で開示される超伝導コイルでは、超伝導線材が支持基板に形成された溝内に充填されることで保持されている。これにより、超伝導線材に作用する電磁力を支持基板に負担させることができるので、超伝導コイルの信頼性が向上する。

本明細書で開示される超伝導コイルは、溝が軸回りに沿って伸びていてもよい。この態様の超伝導コイルでは、少なくとも１ターンの巻線部が支持基板に構成されている。

本明細書で開示される超伝導コイルでは、複数の支持基板が積層していてもよい。この場合、積層方向に隣り合う支持基板では、巻線部の超伝導線材が電気的に接続されているのが望ましい。この態様の超伝導コイルでは、複数の支持基板に亘って電気的に接続された巻線部の超伝導線材によってコイルが構築されている。この態様の超伝導コイルは、支持基板を積層させるという簡易な方法で作製可能である。

本明細書で開示される超伝導コイルでは、巻線部が、断面視したときに、複数の超伝導線材の集合として構成されていてもよい。この態様の超伝導コイルでは、巻線部が大電流を流すことができる。

本明細書で開示される超伝導コイルでは、巻線部内で隣り合う超伝導線材において、長手方向で観測したときに、接近する部位が繰り返し現れてもよい。この態様の超伝導コイルでは、誘導電流による交流損失が低減される。

本明細書で開示される超伝導コイルでは、支持基板の引っ張り強度が１００ＭＰａ以上であるのが望ましい。この態様によると、支持基板が巻線部の超伝導線材に作用する電磁力を良好に負担することができるので、超伝導コイルの信頼性が大幅に向上する。

本明細書で開示される超伝導コイルは、超伝導エネルギー貯蔵装置に用いられてもよい。小型で大容量な超伝導エネルギー貯蔵装置が得られる。

本明細書で開示される超伝導コイルの製造方法は、支持基板に溝を形成する溝形成工程と、その溝内に超伝導線材を充填して巻線部を形成する巻線部形成工程とを備えていてもよい。

本明細書で開示される超伝導コイルの製造方法は、複数の支持基板を積層させる積層工程をさらに備えていてもよい。積層工程では、積層方向に隣り合う支持基板において、巻線部の超伝導線材の電気的な接続を確保しながら支持基板を積層するのが望ましい。この製造方法によると、支持基板を積層させるという簡易な工程を実施するだけで、巻線部の超伝導線材をコイルとして構成することができる。

溝形成工程では、エッチング技術を利用して、支持基板の表面に溝を形成してもよい。半導体製造技術において汎用されているエッチング技術を利用して、支持基板に溝を形成することができる。この態様の製造方法は、高精度な溝を形成することができるとともに、大量生産に適している。

巻線部形成工程では、蒸着技術を利用して、溝内に超伝導線材を充填してもよい。半導体製造技術において汎用されている蒸着技術を利用して、支持基板の溝に超伝導線材を充填させることができる。この態様の製造方法は、高精度な溝を形成することができるとともに、大量生産に適している。

本明細書で開示される超伝導コイルは、支持基板の溝内に超伝導線材を充填させることで、超伝導線材に作用する電磁力を支持基板で負担するという斬新な形態を備えており、信頼性が高い。

図１は、超伝導エネルギー貯蔵装置の概略図を示す。 図２は、超伝導コイルの概略図を示す。 図３は、超伝導コイルの分解概略図を示す。 図４は、超伝導コイルの一部断面図を示す。 図５は、第１支持基板の平面図を示す。 図６は、第２支持基板の平面図を示す。 図７は、巻線部の拡大断面図を示す。 図８（Ａ）は、巻線部の超伝導線材のレイアウトの一例を示す。図８（Ｂ）は、巻線部の超伝導線材のレイアウトの他の一例を示す。

本明細書で開示される超伝導コイルは、超伝導エネルギー貯蔵装置、高磁場発生装置、又は各種センサに用いられ、特に、超伝導エネルギー貯蔵装置に用いられるのが望ましい。本明細書で開示される超伝導エネルギー貯蔵装置は、小型であり、高信頼性であり、且つ高密度のエネルギーを貯蔵可能となる。このため、本明細書で開示される超伝導エネルギー貯蔵装置は、戸別単位での一時的な電力貯蔵装置としての利用が可能となる。

本明細書で開示される超伝導コイルは、複数枚の支持基板を備えている。支持基板の表面には溝が形成されており、その溝内に超伝導線材が充填されている。複数の超伝導線材が集合して巻線部を構成してもよい。巻線部は、軸回りに沿って伸びていてもよい。ここで、軸とは、巻線部によって構築されるコイルの軸のことである。巻線部は、支持基板を平面視したときに、渦巻き状に形成されていてもよい。このように、各支持基板に複数ターンの巻線部が形成されており、それら支持基板が積層するとソレノイド型コイルが構築される。

支持基板には、超伝導線材に作用する電磁力を負担することが可能な引っ張り強度を有する材料が選択される。例えば、支持基板の引っ張り強度が１００ＭＰａ以上であれば、超伝導線材に作用する電磁力を支持基板で負担し、超伝導線材が破損することが防止される。より好ましくは、支持基板の引っ張り強度が５００ＭＰａ以上であるのが望ましい。支持基板の引っ張り強度が５００ＭＰａ以上であれば、磁束密度が５Ｔであっても、超伝導線材が破損することが防止される。具体的には、支持基板の一例には、単結晶のシリコン、多結晶のシリコン、単結晶の炭化ケイ素、単結晶の酸化アルミニウム、単結晶の窒化ホウ素からなる群より選択される少なくとも１つを含むのが望ましい。なかでも、支持基板に半導体材料が用いられていると、汎用な半導体製造技術を用いて支持基板に溝を形成することができるという利点がある。

超伝導線材には、超伝導特性を示す様々な材料を選択することができる。金属系の超伝導材料の一例としては、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ、ＭｇＢ_２、ＮｂＮを挙げることができる。酸化物系の超伝導材料の一例としては、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（ＹＢＣＯ）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏｘ（Ｂｉ２２１２）を挙げることができる。有機系の超伝導線材の一例としては、β−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２／３、Ｋ３Ｃ６０、Ｒｂ_３Ｃ_６０、Ｃ_６Ｃａ（グラファイト）を挙げることができる。

巻線部によって構築されるコイルには、実用的な様々な形態を採用することができる。典型的には、ソレノイド型コイル、トロイド型コイルを採用するのが望ましい。

支持基板に形成される溝は、様々な方法を利用して形成することができる。例えば、工作機械を利用して支持基板の表面に溝を形成してもよく、エッチング技術を利用して支持基板の表面に溝を形成してもよい。特に、エッチング技術の利用は、高精度な溝を形成することができるとともに、スループットが高く大量生産に適している。

超伝導線材は、様々な方法を利用して形成することができる。例えば、めっき技術を利用して超伝導線材を溝内に充填してもよく、蒸着技術を利用して超伝導線材を溝内に充填してもよい。特に、蒸着技術の利用は、高精度な超伝導線材を形成することができるとともに、スループットが高く大量生産に適している。

図１に示されるように、超伝導エネルギー貯蔵装置１は、４つの超伝導コイル２を備えている。隣り合う超伝導コイル２は、漏れ磁場を低減するために、極性の向きが逆向きとなるように配置されている。なお、４つの超伝導コイル２は、図示しないクライオスタットに収納されており、液体ヘリウムによる冷却が可能となるように構成されている。

図２及び図３に示されるように、超伝導コイル２は、複数枚の支持基板３が積層して構成されている。積層方向に隣り合う支持基板３は、陽極接合技術を利用して強固に結合されている。詳細は後述するが、支持基板３には巻線部４が形成されている。超伝導コイル２では、積層方向（紙面上下方向）に隣り合う支持基板３において、巻線部４が電気的に接続されている。これにより、複数の支持基板３に亘って電気的に接続された巻線部４がソレノイド型コイルを構築している。この例では、支持基板３に４インチのシリコンウェハが用いられている。超伝導コイル２は、約５００枚の支持基板３が積層されており、その高さが約３００ｍｍである。

図４に示されるように、支持基板３には、第１支持基板３ａと第２支持基板３ｂの２種類が存在しており、積層方向に交互に積層されている。図５に示されるように、第１支持基板３ａには、軸５の周囲を渦巻状に伸びている巻線部４が形成されている。第１支持基板３ａの巻線部４は、外側端部４Ａから内側端部４Ｂまで時計回りに形成されている。図６に示されるように、第２支持基板３ｂにも、軸５の周囲を渦巻状に伸びている巻線部４が形成されている。第２支持基板３ｂの巻線部４は、外側端部４Ｄから内側端部４Ｃまで反時計回りに形成されている。巻線部４の幅４Ｗは、約１ｍｍである。

図４に示されるように、支持基板３ａ，３ｂが積層されると、第１支持基板３ａの巻線部４の外側端部４Ａは、下側に積層される第２支持基板３ｂの巻線部４の外側端部４Ｄに貫通部材６を介して電気的に接続される。さらに、第１支持基板３ａの巻線部４の内側端部４Ｂは、上側に積層される第２支持基板３ｂの巻線部４の内側端部４Ｃに貫通部材６を介して電気的に接続される。なお、貫通部材６には、導電性のプラグが用いられている。貫通部材６には、巻線部４で用いられるものと同一の超伝導材料が用いられるのが望ましい。このように、外側端部４Ａ，４Ｄにおける接続と内側端部４Ｂ，４Ｃにおける接続が、積層方向に沿って交互に行われている。第１支持基板３ａの巻線部４が時計回りに形成されており、第２支持基板３ｂの巻線部４が反時計回りに形成されているので、例えば、紙面下側から紙面上側に向けて複数の支持基板３ａ，３ｂを亘って巻線部４を流れる電流は、平面視したときに、常に時計回りに流れることができる。

図７に示されるように、巻線部４は、複数の巻線要素８の集合として構成されている。例えば、断面視したときに、巻線部４には１０本の巻線要素８が含まれている。巻線要素８は、支持基板３の表面に形成された溝７内に充填されており、超伝導線材８ａとそれを被覆する被膜材８ｂを有する。超伝導線材８ａには、ニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）が材料として選択されており、蒸着技術を利用して形成される。被膜材８ｂには、銅（Ｃｕ）が材料として選択されており、蒸着技術を利用して形成される。被膜材８ｂは、クエンチ現象を抑制するために設けられている。巻線要素８の幅８Ｗは、約５０μｍである。

図８（Ａ）に示されるように、巻線部４では、隣り合う巻線要素８が長手方向に沿って平行に構成されていてもよく、図８（Ｂ）の破線に示されるように、近接する部位が繰り返し現れてもよい。特に、近接する部位が、一定の周期で繰り返し現れるのが望ましい。例えば、近接する部位が約１０μｍの周期で繰り返し現れるのが望ましい。このように、近接する部位が繰り返し現れると、ループ面積が分断され、誘導電流による交流損失が低減される。

このように、超伝導線材８ａを含む巻線要素８は、支持基板３の表面に形成された溝７内に充填されている。通電時に、超伝導線材８ａには半径方向に電磁力が作用する。支持基板３は、超伝導線材８ａに作用する電磁力を負担することができる。このように、超伝導線材８ａが支持基板３に強固に保持されることから、超伝導コイル２の信頼性が高い。

また、超伝導コイル２は、予め２種類の支持基板３ａ，３ｂを用意し、それらを積層させるだけで製造することができる。また、各支持基板３ａ，３ｂは、汎用されている半導体装置の製造技術を利用して製造することができる。このため、超伝導コイル２は、大量生産に適しているとともに、特性の面でも、小型で高密度なエネルギーを貯蔵可能となる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：超伝導エネルギー貯蔵装置
２：超伝導コイル
３：支持基板
４：巻線部
５：軸
６：貫通部材
７：溝
８：巻線要素
８ａ：超伝導線材
８ｂ：被膜材

Claims (11)

1. 支持基板と巻線部と、を備えており、
   前記支持基板には、溝が形成されており、
   前記巻線部は、前記溝内に充填されている超伝導線材を有する超伝導コイル。
2. 前記溝は、軸回りに沿って伸びている請求項１に記載の超伝導コイル。
3. 複数の前記支持基板が積層しており、
   積層方向に隣り合う前記支持基板では、前記巻線部の前記超伝導線材が電気的に接続されている請求項１又は２に記載の超伝導コイル。
4. 前記巻線部は、断面視したときに、複数の前記超伝導線材の集合として構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の超伝導コイル。
5. 前記巻線部内で隣り合う前記超伝導線材において、長手方向で観測したときに、接近する部位が繰り返し現れる請求項４に記載の超伝導コイル。
6. 前記支持基板の引っ張り強度が、１００ＭＰａ以上である請求項１〜５のいずれか一項に記載の超伝導コイル。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の超伝導コイルを備える超伝導エネルギー貯蔵装置。
8. 支持基板に溝を形成する溝形成工程と、
   その溝内に超伝導線材を充填して巻線部を形成する巻線部形成工程と、を備える超伝導コイルの製造方法。
9. 複数の前記支持基板を積層させる積層工程を、をさらに備えており、
   前記積層工程では、積層方向に隣り合う前記支持基板において、前記巻線部の前記超伝導線材の電気的な接続を確保しながら前記支持基板を積層する請求項８に記載の超伝導コイルの製造方法。
10. 前記溝形成工程では、エッチング技術を利用して、前記支持基板の表面に前記溝を形成する請求項８又は９に記載の超伝導コイルの製造方法。
11. 前記巻線部形成工程では、蒸着技術を利用して、前記溝内に前記超伝導線材を充填する請求項８〜１０のいずれか一項に記載の超伝導コイルの製造方法。

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