JP2013247281A - 酸化物超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、常温から臨界温度以下に冷却する操作を繰り返し行っても超電導特性の劣化を生じない酸化物超電導コイルの提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、テープ状の酸化物超電導導体がコイル状に巻回されてなるコイル本体を樹脂層で覆ってなる酸化物超電導コイルであって、前記樹脂層が、前記コイル本体の外側を直接囲む第１樹脂層と、該第１樹脂層の外側を囲む第２樹脂層とを備えてなり、前記第１樹脂層がその内部に添加剤を分散させて前記第２樹脂層の線膨張係数よりも前記酸化物超電導導体の線膨張係数に近い線膨張係数とされたことを特徴とする。前記酸化物超電導導体として、テープ状の基材に中間層と酸化物超電導層と安定化層を積層した構成を適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物超電導コイルに関する。

近年、一般式Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ（Ｂｉ２１２２）またはＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ（Ｂｉ２２２３）で表記されるＢｉ系超電導線材、あるいは、一般式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ（ＲＥ１２３、ＲＥ：希土類元素）で表記されるＹ系超電導線材などの希土類系酸化物超電導線材の開発が進められている。
この希土類系酸化物超電導線材の一例構造として、金属テープなどの基材上に中間層を介し酸化物超電導層を成膜した後、酸化物超電導層を保護するＡｇの保護層を形成し、更に、酸化物超電導層が何らかの原因で超電導状態から常電導状態に転移した際の電流パスとして機能するＣｕの安定化層を形成した構造が知られている。

希土類系酸化物超電導線材はＮｉ合金などのように強度の高い材料からなるテープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層を形成することで、長手方向に沿う引張強度を高くしている。そして、このテープ状の酸化物超電導線材を用いて超電導コイルを製造するには、酸化物超電導線材をパンケーキコイル形状に巻線してエポキシ樹脂などの含浸樹脂で固定し、超電導コイルとしての強度を確保する構造が採用されている。
酸化物超電導線材をコイル状に巻回し、エポキシ樹脂を含浸させて固定した超電導コイルを作製すると、酸化物超電導線材とエポキシ樹脂の冷却時の熱収縮差により、応力が作用し、酸化物超電導線材が劣化する可能性がある。例えば、酸化物超電導線材を超電導状態に維持するための冷却温度と、常温との間での熱履歴を経ると、熱収縮差によりエポキシ樹脂にクラックを生じるか、応力状態によっては酸化物超電導線材に劣化を生じさせるおそれがあった。

従来、上述の熱応力の問題を解消しようとする技術として、以下に示す特許文献１、２に記載の技術が知られている。
特許文献１に記載の技術は、酸化物超電導材料を含む超電導線材をパンケーキ型コイルに巻回し、エポキシ樹脂組成物を含浸固定した構造において、エポキシ樹脂組成物中に長径の平均粒径が１μｍ以下のセラミック粒子を分散させた構造を開示している。特許文献１に記載の技術において用いるセラミック粒子は、ｈ−ＢＮ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかを用いることができ、その添加量は体積割合で１％以上２０％以下であると記載されている。

特許文献２に記載の技術は、ターン間に絶縁層を設けたワインド・アンド・リアクト型の酸化物超電導コイルの製造方法において、金属で被覆した酸化物超電導線材と、該酸化物超電導線材と反応性が低いセラミックスを主成分とする絶縁材シートを共に巻線してコイルを形成する構造を開示している。そして、コイルのターン間に絶縁材料を含浸固定する際、超電導線材と同程度の熱収縮率を有するターン間絶縁層を形成することが開示されている。特許文献２に記載のターン間絶縁層には、Ａｌ_２Ｏ_３などの酸化物をグリースやワックス中に９０〜１００ｗｔ％含有させた構造が開示されている。

特開２０１０−０９３０３６号公報 特開平９−０６３８８１号公報

酸化物超電導線材を含浸樹脂で固めた超電導コイルは、液体窒素温度以下の低温に冷却して使用するので、常温と低温の間で温度履歴を経る。酸化物超電導線材は、金属の基材上にセラミックスの酸化物超電導層を積層し、金属の安定化層を設けた構造であるので、含浸樹脂との間に熱膨張率差による応力が必然的に作用する。
特に酸化物超電導積層体の厚さ方向に剥離力として上述の応力が作用し、超電導層が剥離すると、超電導特性が劣化するおそれを生じるが、上述の特許文献１に記載の構造では含浸樹脂にセラミック粒子を分散させて線膨張係数を小さくしているので、熱膨張係数差に伴う応力の解消にはある程度有効と考えられる。

しかし、含浸樹脂にセラミック粒子を分散させた影響で含浸樹脂による超電導線材の接着力は低下しているので、超電導コイルの運転時に必要とされている接着力が得られず、超電導線材の接着強度が低くなり、運転条件によっては超電導特性の劣化につながるおそれがある。
前記特許文献２に記載された構造によれば、ターン間に別途設けた絶縁材料が応力の緩和を行うので、ある程度熱膨張差に伴う応力の解消になると想定できる。ところが、ターン間に別途絶縁材料を配置することは、超電導コイルにおける超電導線材の占有断面積を少なくすることになるので、超電導コイルの臨界電流を高いレベルで確保するためには不利になる問題がある。

本発明は、以上のような従来の背景に鑑みなされたもので、超電導コイルを含浸樹脂により固めた構造として接着力が高く、超電導線材に応力が作用したとしても、超電導特性の劣化を防止できる構造を導入した酸化物超電導コイルの提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明の超電導コイルは、テープ状の酸化物超電導導体がコイル状に巻回されてなるコイル本体を樹脂層で覆ってなる酸化物超電導コイルであって、前記樹脂層が、前記コイル本体の外側を直接囲む第１樹脂層と、該第１樹脂層の外側を囲む第２樹脂層とを備えてなり、前記第１樹脂層がその内部に添加剤を分散させて前記第２樹脂層の線膨張係数よりも前記酸化物超電導導体の線膨張係数に近い線膨張係数とされたことを特徴とする。
第１樹脂層の線膨張係数が第２樹脂層の線膨張係数よりも酸化物超電導導体の線膨張係数に近いので、液体窒素温度以下の低温に冷却して運転した場合、第２樹脂層が作用させる圧縮応力を第１樹脂層が受けることとなり、線膨張係数差に起因する応力を第１樹脂層と第２樹脂層との界面に作用させることができる。この場合、線膨張係数差に起因する応力が第１樹脂層と第２樹脂層の界面の接着強度を上回ると、第１樹脂層と第２樹脂層の層間において剥離を生じる。この層間剥離を生じることにより、第１樹脂層の内側に設けられている酸化物超電導導体に対し応力が緩和されるため、超電導特性の劣化は生じない。また、第２樹脂層は添加剤を含んでいない含浸樹脂となるので、含浸樹脂として必要な接着強度を第２樹脂層により充分に満たすことができ、超電導コイルの運転時に必要な含浸樹脂による接着強度を確保できる。

本発明において、前記酸化物超電導導体がテープ状の基材に中間層と酸化物超電導層と安定化層を積層して構成されたことを特徴とする構成でも良い。
酸化物超電導導体が基材と中間層と酸化物超電導層と安定化層の積層構造である場合、樹脂層の応力に起因する剥離応力が作用しようとした場合、第１樹脂層と第２樹脂層の界面で応力緩和されることで酸化物超電導層を含めた各層に対する応力の影響を抑制することができ、積層構造の酸化物超電導導体の特性劣化を防止できる。

本発明において、前記第１樹脂層の線膨張係数が４４×１０^−６／℃以下、前記第２樹脂層の線膨張係数が６０×１０^−６／℃以上、８０×１０^−６／℃以下であって、前記第１樹脂層と第２樹脂層の線膨張係数差が３６×１０^−６／℃以上であり、前記第１樹脂層の接着強度が４０ＭＰａ以下であることを特徴とする。
第１樹脂層と第２樹脂層との線膨張係数差を３６×１０^−６／℃以上とすることにより、冷却時に熱膨張係数差に起因して生じる応力を第１樹脂層と第２樹脂層の界面に作用させて界面において剥離を誘起し、第１樹脂層と第２樹脂層を層ずれさせることで応力を緩和し超電導線材の劣化を防止できる。第１樹脂層の接着強度が４０ＭＰａ以下であるならば、上述の線膨張係数の第１樹脂層と第２樹脂層の間に層間剥離を促進する応力を確実に導入できる。

本発明において、前記第１樹脂層にＢＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラス、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯのいずれか１種または２種以上からなる添加剤が分散されたことを特徴とする。
第１樹脂層にこれらの添加剤を分散させることにより、第１樹脂層の線膨張係数を第２樹脂層よりも低く、酸化物超電導積層体に近い線膨張係数に調整することが可能となり、添加剤の添加量に応じて第１樹脂層と第２樹脂層の界面の接着強度を調整できる。このため、第２樹脂層からの線膨張係数差に起因する応力が作用した場合、第１樹脂層と第２樹脂層の界面部分において層間剥離を誘起する構造を実現することができ、層間剥離を生じた場合に熱膨張差に起因する応力を解消して酸化物超電導線材の劣化を防止できる。

本発明において、前記酸化物超電導積層体が第１樹脂層で覆われて被覆酸化物超電導積層体が構成され、この被覆酸化物超電導積層体がコイル状に巻回されてコイル本体が構成され、該コイル本体が第２樹脂層で覆われたことを特徴とする。
第１樹脂層と第２樹脂層で酸化物超電導積層体を２重に覆って超電導コイルを構成する場合、酸化物超電導積層体の周囲を第１樹脂層で覆ってからコイル状に巻回し、更に第２樹脂層で覆ってコイル本体を構成できる。
本発明の酸化物超電導コイルは、前記樹脂層がエポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂のいずれかからなることを特徴とする。

本発明によれば、酸化物超電導導体を覆う含浸樹脂層を添加剤を含有させた第１樹脂層と添加剤を含有していない第２樹脂層の２層構造とし、第２樹脂層よりも第１樹脂層の線膨張係数を酸化物超電導導体の線膨張係数に近くしたので、冷却時に第２樹脂層が発生させる収縮に伴う応力を第１樹脂層で緩和し、酸化物超電導導体側への応力負荷を削減できるので、冷却に伴う超電導特性劣化の生じ難い酸化物超電導コイルを提供できる。
また、線膨張係数を低く調整する手段として第１樹脂層に添加剤を含有させているので、添加剤の添加量に応じて第１樹脂層と第２樹脂層の界面における接着強度を調整することができ、冷却時の応力負荷状態によって第１樹脂層と第２樹脂層との界面において剥離を誘起することにより、酸化物超電導導体に対する応力負荷を軽減し、超電導特性の劣化を抑制できる。

本発明に係る第１実施形態の超電導コイルを樹脂含浸して作製する前のコイル体を示すもので、図１（ａ）はコイル本の全体構成を示す斜視図、図１（ｂ）はコイル体の一部拡大断面図。 樹脂含浸された状態の本発明に係る第１実施形態の超電導コイルを示すもので、図２（ａ）は全体構成を示す斜視図、図２（ｂ）は同超電導コイルの一部拡大断面図。 前記超電導コイルを構成するための超電導線材の一例構造を示す部分断面図。 樹脂含浸後の超電導コイルを冷却した場合に作用する応力を説明するための断面図。 本発明に係る超電導コイルを備えた超電導機器の一例を示す断面図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る酸化物超電導コイルの一実施形態について図面に基づき説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導コイルを構成するためのコイル本体の一例を示す概略斜視図である。
図１（ａ）に示す酸化物超電導コイル体１は、後に詳細構造を説明するテープ状の酸化物超電導導体２を同心円状に時計回りに多数回巻回して構成されたパンケーキ型のコイル本体３を後述する第１樹脂層１１で覆ってなる。更に、この酸化物超電導コイル体１に樹脂含浸することで図２に示す構造の酸化物超電導コイル４が構成される。なお、コイル本体３は超電導導体２を時計回りに巻回して作成する場合と反時計回りに巻回して作成する場合の２通りあり、いずれの構造でも差し支えないが、図１では一例として時計回りに巻回した構造を示している。また、酸化物超電導コイル４は、通常、コイル体１を複数積み重ねた状態で全体を樹脂含浸して積層構造として一体構成され、超電導マグネットが構成されるが、図２（ａ）では説明の簡略化のために１つの酸化物超電導コイル４のみを単独で樹脂含浸した状態で例示している。

本実施形態のコイル本体３を構成するために用いられている酸化物超電導導体２は、詳細には、図３に示すテープ状の基材５の一面上に（図３では上面上に）、中間層６と酸化物超電導層７と保護層８と安定化層９をこの順に積層してなる酸化物超電導積層体１０の外周を第１樹脂層１１で覆ってなる。
前記基材５は、可撓性を有する線材とするために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。各種耐熱性金属の中でも、ニッケル合金からなることが好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材５の厚さは、通常は、１０〜５００μｍである。また、基材５として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材等を適用することもできる。

中間層６は、以下に説明する下地層と配向層とキャップ層からなる構造を一例として適用できる。
下地層を設ける場合は、以下に説明する拡散防止層とベッド層の複層構造あるいは、これらのうちどちらか１層からなる構造とすることができるが、下地層は必須ではなく、略しても差し支えない。
下地層として拡散防止層を設ける場合、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）等から構成される単層構造あるいは複層構造の層が望ましく、厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。
下地層としてベッド層を設ける場合、ベッド層は、例えば、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などの希土類酸化物であり、より具体的には、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等を例示することができ、これらの材料からなる単層構造あるいは複層構造を採用できる。ベッド層の厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。

配向層は、その上方に形成する酸化物超電導層７と格子整合性の良い金属酸化物からなりイオンビームアシスト蒸着法などの成膜法により良好な結晶配向性とすることが好ましい。配向層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できる。配向層は、単層でも良いし、複層構造でも良い。
キャップ層は、好ましいものとして具体的には、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。キャップ層の材質がＣｅＯ_２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。ＣｅＯ_２のキャップ層の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、単結晶と同等の十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５０〜５０００ｎｍの範囲とすることができる。

酸化物超電導層７は通常知られている組成の希土類系高温酸化物超電導体からなる薄膜を広く適用することができ、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ（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、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）を例示できる。酸化物超電導層７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く、上述のキャップ層上に成膜することで良好な結晶配向性の層とすることができる。
酸化物超電導層７の上面を覆うように形成されている保護層８は、ＡｇまたはＡｇ合金からなり、その厚さは１〜３０μｍ程度とされている。

安定化層９は、ＣｕやＣｕ合金あるいはＡｇやＡｇ合金などの良導電性の金属材料からなり、半田などの低融点合金の接合層を介し保護層８の上面に接合されている。
安定化層９の肉厚は特に限定されず、適宜調整可能であるが、良導電性のＣｕやＣｕ合金から構成される場合、厚さを１０〜３００μｍとすることができる。なお、酸化物超電導導体２を超電導限流器に使用する場合は、安定化層９をＣｕ−Ｎｉ等の高抵抗金属材料から構成することが好ましい。
安定化層９をＣｕやＣｕ合金などの良導電性材料から構成した場合、酸化物超電導層７が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、安定化層９が保護層８とともに、酸化物超電導層７の電流を転流させるバイパスとして機能する。

酸化物超電導積層体１０の外周は第１樹脂層１１で覆われている。この第１樹脂層１１は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂に添加剤を分散させてなる。
添加剤としては、ＢＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラス、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯのいずれか１種または２種以上からなる粒子や繊維、織物などの立体物を樹脂中に含ませた構造を適用できる。添加剤は、第１樹脂層１１を構成する樹脂の線膨張係数よりも酸化物超電導積層体１０の線膨張係数に近い物質が好ましい。第１樹脂層１１に含有させる添加剤は、１〜９９質量％の範囲で任意の添加量を選択できるが、望ましい添加量については後に説明する。

酸化物超電導積層体１０において、基材５がハステロイからなる場合、その線膨張係数は１１〜１６×１０^−６／℃（ｐｐｍ／℃）程度、安定化層９がＣｕまたはＣｕ合金からなる場合、その線膨張係数は１７×１０^−６／℃程度であるので、酸化物超電導積層体１０の横断面積の大部分を占める基材５と安定化層９の線膨張係数から見て酸化物超電導積層体１０の線膨張係数は１１〜１７×１０^−６／℃程度である。なお、中間層６と酸化物超電導層７を構成する各種薄膜はセラミックスあるいは酸化物薄膜であり、これらの熱膨張係数はいずれも金属よりも小さく、これらの膜厚は基材５と安定化層９よりも薄いので、酸化物超電導積層体１０の全体としての線膨張係数は概ね上述の範囲、あるいは、上述の範囲よりも若干小さい値となる。

これらに対し、エポキシ樹脂の線膨張係数は６０〜８０×１０^−６／℃、フェノール樹脂の線膨張係数は４０〜７０×１０^−６／℃程度である。また、添加剤として用いる、例えば、ＢＮの線膨張係数は０.８×１０^−６／℃、ＡｌＮの線膨張係数が５×１０^−６／℃程度、ＺｎＯの線膨張係数が３〜４×１０^−６／℃、Ａｌ_２Ｏ_３の線膨張係数が８〜９×１０^−６／℃程度、ガラス繊維、ガラス粒子の線膨張係数が９×１０^−６／℃程度、ＳｉＯ_２の線膨張係数が８×１０^−６／℃、ＺｒＯ_２の線膨張係数が１０×１０^−６／℃、ＭｇＯの線膨張係数が１３．５×１０^−６／℃である。
以上の如く各材料の線膨張係数を考慮すると、第１樹脂層１１の線膨張係数を目的の範囲とするためには、第１樹脂層１１にこれらの添加剤を３０質量％以上、例えば、３０質量％〜８０質量％の範囲、より好ましくは、３０質量％〜５０質量％の範囲で含有していることが好ましい。また、第１樹脂層１１の厚さは、５μｍ〜４０μｍの範囲とすることができ、５μｍ〜２０μｍの範囲とすることがより好ましい。
以上説明の範囲の添加材量であるならば、第１樹脂層１１の接着強度は４０ＭＰａ以下となっている。

図１（ａ）に示す構成のコイル本体３の周囲を第１樹脂層１１で覆い、更に第１樹脂層１１の周囲を第２樹脂層１２で覆うことで図２（ａ）に示す構造の酸化物超電導コイル４が構成されている。
酸化物超電導コイル４の部分断面を図２（ｂ）に示すが、所定厚さの第２樹脂層１２により酸化物超電導コイル体１の全体が覆われている。なお、図２（ｂ）に詳細には表示されていないが、この種の超電導コイルを樹脂含浸する場合は真空含浸を行うことが通常である。従って、真空樹脂含浸を行うことにより、第２樹脂層１２を構成する樹脂はコイル本体３の巻き重ね部分の僅かな隙間などの隅々まで含浸されている。
第２樹脂層１２を構成する樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等で良く、第１樹脂層１１を構成する樹脂と同等でよい。ただし、第２樹脂層１２を構成する樹脂に対し添加剤は添加されておらず、第２樹脂層１２は樹脂そのものが本来有する線膨張係数を有している。
また、第２樹脂層１２の厚さは、５μｍ〜１００μｍの範囲とすることができ、５μｍ〜２０μｍの範囲とすることがより好ましい。

前記第１樹脂層１１と第２樹脂層１２において、第１樹脂層１１の線膨張係数が４４×１０^−６／℃以下であることが好ましく、前記第２樹脂層の線膨張係数が６０×１０^−６／℃以上、８０×１０^−６／℃以下であることが好ましい。また、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２の線膨張係数差が３６×１０^−６／℃以上であることが好ましい。
このように規定することが好ましい理由は、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２がいずれもエポキシ樹脂からなる場合、それら界面の接着強度を一例として、２００ｋｇｆ／ｃｍ^２（＝１９．６ＭＰａ）と見積もると、室温（１４℃）から液体窒素温度（−１９６℃）まで冷却する場合に前記接着強度を上回る界面応力を誘起させるためには、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２の線膨張係数差が３６×１０^−６／℃以上あることが必要となると考えられるためである。
第１樹脂層１１と第２樹脂層１２の線膨張係数差を３６×１０^−６／℃以上になるようにしておくならば、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２との界面でもって後に詳述するように層間剥離を生じさせることでそれらの内側に存在する酸化物超電導導体２に対する応力負荷を軽減できて、酸化物超電導導体２の損傷を防止できる。

また、本実施形態において、第１樹脂層１１に添加剤が含まれているため、第１樹脂層１１の接着強度は４０ＭＰａ以下となるが、第２樹脂層１２には添加剤が含まれていないため、エポキシ樹脂を用いた場合に接着強度として７０ＭＰａ以上を確保できる。このため、接着強度の高い第２樹脂層１２を設けていることにより、樹脂含浸型の超電導コイル４として充分な強度を確保でき、超電導コイル４に必要な強度を得ることができる。
このため、超電導コイル４を冷却して酸化物超電導線材に通電している運転状態において、超電導コイル４が損傷するおそれは無い。また、第１樹脂層１１の接着強度が４０ＭＰａ以下となっているならば、この種の酸化物超電導積層体１０の層間剥離応力が４０ＭＰａ程度以上であるので、酸化物超電導積層体１０において層間剥離することが無い。即ち、先に説明した通り、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２の界面で層間剥離するので、酸化物超電導積層体１０を損傷させることなく応力の開放ができ、これにより酸化物超電導積層体１０に剥離は生じない。このため、冷却時に発生する応力に起因して超電導特性が劣化することはない。

以上説明の酸化物超電導コイル体１に対し、添加剤を含んでいない樹脂を真空含浸するなどの方法を実施することで、酸化物超電導コイル４を得ることができる。このように酸化物超電導コイル４は、添加剤を含む第１樹脂層１１と添加剤を含まない第２樹脂層１２により２重に周囲を覆われた状態で冷媒や冷却装置により冷却されるので、常温から低温に冷却される段階で熱膨張係数の大きい第２樹脂層によって第１樹脂層１１を引っ張る応力が作用する。

第２樹脂層１２によって第１樹脂層１１を引っ張る応力が作用すると、図４の矢印Ａ、Ｂに示すように個々の酸化物超電導導体２の基材５と安定化層９を相互に離間する方向に剥離力が作用する。
第１樹脂層１１と第２樹脂層１２の界面は樹脂どうしの接着面であるので、ある程度の接着強度を有しているが、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２の線膨張係数差により生じる応力に起因して第１樹脂層１１と第２樹脂層１２を剥離する方向に応力が作用すると、第１樹脂層１１と第２樹脂層１２との界面で層間剥離を起こすので、この層間剥離の発生により上述の応力を緩和することができる。これにより、第１樹脂層１１の内側に設けられている酸化物超電導導体２側への応力負荷を低減できる。

＜超電導コイルの製造工程＞
テープ状の酸化物超電導導体２を用いて超電導コイル４を作製するには、一例として、酸化物超電導導体２をコイル加工した後、添加剤を必要量含有させた樹脂液中に酸化物超電導導体２のコイルを浸漬して引き上げ、加熱乾燥工程により樹脂液を固化させて第１樹脂層１１を形成することで最初にコイル体１を形成する。あるいは、酸化物超電導導体２をコイル加工する場合に、酸化物超電導導体２の外周に半硬化状態の樹脂液を塗布して第１の樹脂層１１を備えた酸化物超電導導体２を構成し、これをコイル加工することでコイル体１を構成することができる。
このようにして構成したコイル体１に対し第２の樹脂層１２を構成するための樹脂液に浸漬して第２の樹脂層１２を構成することができる。コイル体１に樹脂含浸して第２樹脂層１２を構成する場合、真空含浸法などの方法を採用し、コイル体１の全体を覆うように樹脂含浸することが好ましい。
また、第１樹脂層１１に含ませる添加剤の含有量については、上記樹脂液中に含まれる添加剤の含有量に応じて適宜調節することができる。

ところで、超電導コイル４を構成する酸化物超電導導体２は先に説明した積層構造の超電導導体に限るものではなく、種々積層構造一般の超電導導体に適用できるのは勿論である。

＜超電導機器＞
以上説明した構造の超電導コイルは、例えば、図５に示す超電導マグネット装置（超電導機器）２０に適用できる。
図５に示す超電導マグネット装置２０は、真空容器などの減圧可能な外部容器２１と、その内側に設置された内部容器（低温側シールド容器）２２と、該内部容器２２に収容された酸化物超電導コイル２３と、前記外部容器２１の上部を閉じるフランジ部２５および内部容器２２の上部を閉じるフランジ部２６を貫通して設けられた冷凍機２７を主体として構成されている。冷凍機２７は第１ステージ２７Ａと第２ステージ２７Ｂとからなる２段構造とされ、第２ステージ２７Ｂが内部容器２２の内側にまで延出されている。この第２ステージ２７Ｂの先端部２７ｂに伝熱部材２８を介し酸化物超電導コイル２３が接続されていて、冷凍機２７からの伝導冷却により酸化物超電導コイル２３を臨界温度以下に冷却できるように構成されている。酸化物超電導コイル２３は図２（ａ）に示す構造の酸化物超電導コイル４を多段積み構造にすることで適用できる。また、図２（ａ）に示す時計方向に巻回したコイル体１の他に反時計方向に巻回したコイル体を組み合わせてダブルパンケーキ型の複合コイル体として、この複合コイル体を必要数積層して酸化物超電導コイル２３を構成しても良い。

前記フランジ部２５の表面に電流供給用の外部接続端子２９、３０が形成され、これらの外部接続端子２９、３０がフランジ部２５を貫通するように延出されて外部容器２１の内部側に引き込まれ、この引込部分にフランジ部２５とフランジ部２６とに接続するように上下に電流リード１０、１０が組み込まれている。前記外部接続端子２９、３０に電流リード装置１０、１０の上端側が接続され、電流リード装置１０、１０の下端側はそれぞれ酸化物超電導コイル２３を構成する図示略の酸化物超電導線材に接続されている。
外部容器２１は、図示略の真空ポンプに接続されていて、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。また、外部接続端子２９、３０は外部の図示略の電源に電流リード線を介し接続されており、この電源から酸化物超電導コイル２３に通電し、所望の磁場を発生できるようになっている。

図５に示す超電導マグネット装置２０は、図示略の真空ポンプにより外部容器２１の内部を減圧して真空状態とし、冷凍機２７を作動させて伝導冷却により酸化物超電導コイル２３を臨界温度以下に冷却した後、外部電源から接続端子２９、３０を介し酸化物超電導コイル２３に通電することで使用する。
印加した電流は接続端子２９、３０から電流リード装置１０を介して酸化物超電導コイル２３の酸化物超電導線材に流れる。酸化物超電導コイル２３に通電されると酸化物超電導コイル２３が磁場を発生させるので、超電導マグネット装置２０は目的の磁場を発生できる。なお、冷凍機２７の能力にもよるが、冷凍機２７は酸化物超電導コイル２３を４.２Ｋ、２０Ｋあるいは４０Ｋなどのように希土類系酸化物超電導体が超電導状態となる液体窒素温度（７７Ｋ）よりも低温側まで冷却する能力を有する。

酸化物超電導コイル２３を上述のように臨界温度以下に冷却する場合、常温から臨界温度以下に冷却しても酸化物超電導線材を上述のように第１樹脂層１１と第２樹脂層１２とで覆っているので、酸化物超電導線材に不要な応力を印加することなく超電導特性の低下を引き起こすことなく超電導マグネット装置２０を運転することができる。
よって、上述の第１樹脂層１１と第２樹脂層１２で２重に覆った構造の酸化物超電導コイル２３を備えた超電導マグネット装置２０は、超電導特性の低下を起こすことなく運転できる特徴を有する。

ハステロイＣ−２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ３００ｍのテープ状の基材上に、Ａｌ_２Ｏ_３の拡散防止層（ａ−Ａｌ_２Ｏ_３の厚さ８０ｎｍ）と、Ｙ_２Ｏ_３のベッド層（ａ−Ｙ_２Ｏ_３の厚さ３０ｎｍ）と、ＭｇＯの中間層（ＩＢＡＤ−ＭｇＯの厚さ１０ｎｍ）と、ＣｅＯ_２のキャップ層（厚さ３００ｎｍ）とＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘなる組成の酸化物超電導層とＡｇの保護層（厚さ１０μｍ）を積層した酸化物超電導積層体を用意した。この酸化物超電導積層体の外周にガラスからなるセラミック粒子を３８質量％含む半硬化状態の樹脂液を塗布した後、外径１００ｍｍの巻胴に巻回し、エポキシ樹脂を含浸させて樹脂含浸型の超電導コイルを作製した。

この超電導コイルを液体窒素に浸漬して室温から液体窒素温度（７７Ｋ）まで冷却し、この超電導コイルを液体窒素から取り出して室温に戻す処理を１０サイクル行う、熱サイクル試験を行った。
この１０サイクルの熱サイクル試験後に超電導コイルに通電試験したところ、設計値目標の３００Ａの９９％の臨界電流を流すことができ、コイル化による超電導特性の劣化は殆ど認められなかった。

１…酸化物超電導コイル体、２…酸化物超電導線材、３…コイル本体、４…酸化物超電導コイル、５…基材、６…中間層、７…酸化物超電導層、８…保護層、９…安定化層、１０…酸化物超電導積層体、１１…第１樹脂層、１２…第２樹脂層、２０…超電導マグネット装置（超電導機器）、２１…外部容器、２２…内部容器、２３…超電導コイル、２７…冷凍機。

Claims (6)

1. テープ状の酸化物超電導導体がコイル状に巻回されてなるコイル本体を樹脂層で覆ってなる酸化物超電導コイルであって、
   前記樹脂層が、前記コイル本体の外側を直接囲む第１樹脂層と、該第１樹脂層の外側を囲む第２樹脂層とを備えてなり、前記第１樹脂層がその内部に添加剤を分散させて前記第２樹脂層の線膨張係数よりも前記酸化物超電導導体の線膨張係数に近い線膨張係数とされたことを特徴とする酸化物超電導コイル。
2. 前記酸化物超電導導体がテープ状の基材に中間層と酸化物超電導層と安定化層を積層して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導コイル。
3. 前記第１樹脂層の線膨張係数が４４×１０^−６／℃以下、前記第２樹脂層の線膨張係数が６０×１０^−６／℃以上、８０×１０^−６／℃以下であって、前記第１樹脂層と第２樹脂層の線膨張係数差が３６×１０^−６／℃以上であり、前記第１樹脂層の接着強度が４０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物超電導コイル。
4. 前記酸化物超電導導体が第１樹脂層で覆われて被覆酸化物超電導導体が構成され、この被覆酸化物超電導導体がコイル状に巻回されてコイル本体が構成され、該コイル本体が第２樹脂層で覆われたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸化物超電導コイル。
5. 前記第１樹脂層にＢＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラス、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯのいずれか１種または２種以上からなる添加剤が分散されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸化物超電導コイル。
6. 前記樹脂層がエポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂のいずれかからな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酸化物超電導コイル。
   

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