JP2014236057A - 超電導コイル体および超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直磁場強度を低減することで特性の劣化を防止することが可能な超電導コイル体および超電導機器を提供する。
【解決手段】コイル部は、超電導線を含む複数の超電導コイル（ダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄおよび中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキコイル）を軸方向に積層したコイル部である。ダブルパンケーキコイルの径方向における厚みをｒ（ｍｍ）、超電導線の厚みをｔ（ｍｍ）、ダブルパンケーキコイルにおける超電導線の巻数をｎとしたときに、ｎ／（ｒ／ｔ）×１００（％）で定義されるパッキング率について、中心軸８０の延在方向である軸方向の端部に位置する第１の超電導コイル（端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄ）のパッキング率は、軸方向の中央部に位置する第２の超電導コイル（中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキコイル）のパッキング率より小さい。
【選択図】図１０

Description

この発明は、超電導コイル体および超電導機器に関し、より特定的には、複数の超電導コイルを積層した超電導コイル体および超電導機器に関する。

従来、複数の超電導コイルを積層体超電導コイル体を用いた超電導機器が提案されている（たとえば、特開２０１２−２４８７３０号公報参照）。特開２０１２−２４８７３０号公報では、冷却板を介して複数の超電導コイルを積層した超電導コイル体であって、積層方向の端部側における冷却板の厚みが相対的に厚くなっているものが開示されている。

特開２０１２−２４８７３０号公報

上述した従来の超電導コイル体では、超電導コイルで発生した熱を効率的に除去することが考慮されている。一方、超電導コイル体の特性の劣化（たとえば臨界電流密度の低下）を防止すると言う観点から言えば、上述のように超電導コイルを確実に冷却することに加えて、超電導コイル体の特性に影響を与える垂直磁場（超電導コイルを構成する超電導線材の広い面（主表面）に対して垂直な方向の磁場）の強度を低減することも重要である。しかし、上述した従来の超電導コイル体では、このような垂直磁場強度の低減について特に考慮されていない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、垂直磁場強度を低減することで特性の劣化を防止することが可能な超電導コイル体および超電導機器を提供することである。

この発明に従った超電導コイル体は、超電導線材を含む複数の超電導コイルを軸方向に積層した超電導コイル体である。超電導コイルの径方向における厚みをｒ（ｍｍ）、超電導線材の厚みをｔ（ｍｍ）、超電導コイルにおける超電導線材の巻数をｎとしたときに、ｎ／（ｒ／ｔ）×１００（％）で定義されるパッキング率について、軸方向の端部に位置する第１の超電導コイルのパッキング率は、軸方向の中央部に位置する第２の超電導コイルのパッキング率より小さい。

他の観点から見ると、超電導コイル体は、超電導線材を含む複数の超電導コイルを軸方向に積層した超電導コイル体である。超電導コイルは、径方向における厚みｒ（ｍｍ）を有する。超電導線材は、厚みｔ（ｍｍ）を有する。超電導コイルにおける超電導線材の巻数は、ｎと定義される。超電導線材は、そのパッキング率が、ｎ／（ｒ／ｔ）×１００（％）で定義される。軸方向の端部に位置する第１の超電導コイルのパッキング率は、軸方向の中央部に位置する第２の超電導コイルのパッキング率より小さい。

この発明に従った超電導コイル体は、複数の超電導コイルを軸方向に積層した超電導コイル体であって、第１〜第４の超電導コイルを備える。第１の超電導コイルは軸方向の端部に位置する。第２の超電導コイルは、軸方向の中央部に位置する。第３の超電導コイルは、軸方向において第１の超電導コイルにスペーサを介して隣接する。第４の超電導コイルは、軸方向において第２の超電導コイルに絶縁スペーサを介して隣接する。第１の超電導コイルと第３のコイルとの間の軸方向における第１の距離は、第２の超電導コイルと第４の超電導コイルとの間の軸方向における第２の距離より大きい。

この発明に従った超電導機器は、上記超電導コイル体を備える。このようにすれば、臨界電流密度の低下が抑制された、特性の優れた超電導コイル体を用いることにより、優れた特性の超電導機器を実現できる。

本発明によれば、特性の劣化を防止することが可能な超電導コイル体および超電導機器を得ることができる。

本発明の一実施の形態における超電導マグネットの構成を概略的に示す断面図である。 図１の超電導マグネットが有する超電導コイル体の構成を概略的に示す図であり、図３の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図２の超電導コイル体の構成を概略的に示す上面図である。 図２の超電導コイル体が有するダブルパンケーキコイルの構成を概略的に示す斜視図である。 図４の線分Ｖ−Ｖにおける概略断面図である。 図２の超電導コイル体の構成を説明するための断面模式図である。 図２の超電導コイル体の構成を説明するための部分拡大断面模式図である。 図２の超電導コイル体の変形例の構成を説明するための部分拡大断面模式図である。 本発明の一実施の形態における超電導マグネットが有する超電導コイル体の構成を説明するための断面模式図である。 図９に示した超電導コイル体の変形例の構成を説明するための断面模式図である。 実施例において検討した超電導コイル体の構成を説明するための模式図である。 実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例において検討した超電導コイル体の構成を説明するための模式図である。 実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態の超電導機器としての超電導マグネット１００は、超電導コイル集合体９１と、断熱容器１１１と、冷却装置１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２とを有する。断熱容器１１１は超電導コイル集合体９１を収めている。本実施の形態においては、磁場が印加される試料（図示せず）を収めるための磁場印加領域ＳＣが断熱容器１１１内に設けられている。

図２および図３を参照して、超電導コイル集合体９１は、コイル部１０と、冷却ヘッド２０と、伝熱部３０と、芯部８１とを有する。伝熱部３０は伝熱板群３１および固定具３２を有する。伝熱板群３１は伝熱板３１ａ〜３１ｅから構成されている。本実施形態の伝熱板３１ａ〜３１ｅは絶縁体を含む。しかしながら、伝熱板３１ａ〜３１ｅは、絶縁体を含まなくても良い。すなわち、伝熱板は絶縁体を有していても良く、絶縁体を有していなくても良い。

コイル部１０は、超電導線１４（図５）が巻き回されることによって形成されており、磁束ＭＦを発生させるためのものである。なお、図５から理解されるように、超電導線１４は、テープ状に形成されている。またコイル部１０は、磁束ＭＦが通過する端部（図２における上端または下端）を有する。またコイル部１０は、ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎを有する。ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎは、この順に並ぶように積層されている。軸方向Ａａ（図２）はダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎの積層方向に対応しており、径方向Ａｒは当該積層方向に垂直な方向（ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎの中心から外周に向かう方向）に対応している。

冷却ヘッド２０は、コイル部１０を冷却するためのものであり、冷却可能な端部２１と、端部２１と冷却装置１２１（図１）との間をつなぐ接続部２２とを有する。

伝熱板群３１の各々はコイル部１０に取り付けられている。伝熱板３１ａ〜３１ｅにおいて少なくともダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎと、ダブルパンケーキコイルの軸方向Ａａにおいて重なる部分は絶縁体を含んでいる。固定具３２は冷却ヘッド２０の端部２１に取り付けられている。固定具３２は伝熱板群３１の端部を把持している。伝熱板群３１のうち固定具３２に把持されている部分において、伝熱板３１ａ〜伝熱板３１ｅは互いに直接積層されている。このような構造によって、伝熱部３０はコイル部１０および冷却ヘッド２０を互いにつないでいる。

コイル部１０と、伝熱板群３１のコイル部１０に取り付けられた部分とは、伝導板とパンケーキコイルとが交互に積層された構成を有している。伝熱板３１ａは、コイル部１０の両端において、ダブルパンケーキコイル１１ａおよび１１ｎの各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｂは、ダブルパンケーキコイル１１ａおよび１１ｂの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｎおよび１１ｍの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｃは、ダブルパンケーキコイル１１ｂおよび１１ｃの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｍおよび１１ｋの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｄは、ダブルパンケーキコイル１１ｃおよび１１ｄの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｋおよび１１ｊの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｅは、ダブルパンケーキコイル１１ｅおよび１１ｆの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｊおよび１１ｉの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｆおよび１１ｇの間との各々の位置に取り付けられている。言い換えると、伝熱板３１ａ〜３１ｅはこの順に、コイル部１０のより端部に近い位置に取り付けられている。また伝熱板３１ａ〜３１ｅのそれぞれは、コイル部１０における互いに離れた位置に取り付けられている。

伝熱板３１ａ〜３１ｅのうち、コイル部１０の端部側に位置する１つ以上の伝熱板（図２では伝熱板３１ｂ、３１ｃ）の厚みは、他の伝熱板３１ｄ、３１ｅの厚みより厚くなっている。このため、ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｃのうちの隣接するダブルパンケーキコイル間の距離は、ダブルパンケーキコイル１１ｃ〜１１ｋにおける隣接したダブルパンケーキコイル間の距離より大きくなっている。また、ダブルパンケーキコイル１１ｋ、１１ｍ、１１ｎのうちの隣接するダブルパンケーキコイル間の距離は、ダブルパンケーキコイル１１ｃ〜１１ｋにおける隣接したダブルパンケーキコイル間の距離より大きくなっている。なお、詳細は後述する。

伝熱板３１ａ〜３１ｅの特に伝熱特性を担う材料は、熱伝導率が大きい材料が好ましく、たとえばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）である。Ａｌ（またはＣｕ）の純度は９９．９％以上が好ましい。また、伝熱板３１ａ〜３１ｅは、固定具３２まで延びることができるように、折曲部ＦＤを有してもよい。

固定具３２は、部材３２ａ、３２ｂと、ねじ３４ａ、３４ｂとを有する。ねじ３４ａは、部材３２ａ、３２ｂの間の隙間を調整することができるように、部材３２ａ、３２ｂの両方に形成されたねじ穴に挿入固定されている。部材３２ａと部材３２ｂの間の隙間に伝熱板群３１の端部が挟まれている。この状態で、ねじ３４ａが締め付けられていることによって、伝熱板群３１が固定具３２に把持されている。すなわち伝熱板３１ａ〜３１ｅは積層された状態で固定具３２に把持されている。部材３２ａ、３２ｂの一部は冷却ヘッド２０の端部２１の外周に沿った屈曲部を有する。冷却ヘッド２０の端部２１は端面ＢＭおよび端面ＢＭを取り囲む側面ＳＤを有する。冷却ヘッド２０は、たとえば円筒形状を有する。ねじ３４ｂは、部材３２ａ、３２ｂの各々が冷却ヘッド２０の端部２１の側面ＳＤを締め付けることができるように、当該屈曲部に設けられている。つまり、上記屈曲部は２分割されており、ねじ３４ｂは当該２分割された屈曲部の部分同士をつなぐ様に配置されている。これにより固定具３２は冷却ヘッド２０の端部２１に取り付けられている。

図４および図５を参照して、ダブルパンケーキコイル１１ａは、互いに積層されたパンケーキコイル１２ａおよび１２ｂを有する。パンケーキコイル１２ａにおける超電導線１４の巻き回し方向Ｗａと、パンケーキコイル１２ｂにおける超電導線１４の巻き回し方向Ｗｂとは互いに逆である。パンケーキコイル１２ａの内周側に位置する超電導線１４の端部ＥＣｉと、パンケーキコイル１２ｂの内周側に位置する超電導線の端部ＥＣｉとは、互いに電気的に接続されている。これにより、パンケーキコイル１２ａの外周側に位置する超電導線１４の端部ＥＣｏと、パンケーキコイル１２ｂの外周側に位置する超電導線１４の端部ＥＣｏとの間で、パンケーキコイル１２ａおよび１２ｂは互いに直列に接続されている。

ダブルパンケーキコイル１１ｂ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎの各々もダブルパンケーキコイル１１ａと同様の構成を有する。ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎは、基本的に同じ巻数および外径を有する。ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎのうち互いに隣り合うものの各々の端部ＥＣｏは互いに電気的に接続されている。これにより、ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎは互いに直列に接続されている。

超電導線１４は、厚さ方向における寸法である厚みと、その延在方向（軸方向）における寸法である幅とを有し、延在方向に沿って延在している。幅は厚みよりも大きい。つまり、超電導線１４は所定の幅を有する帯状面を有する。超電導線１４は、帯状面に垂直な磁場（垂直磁場）が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有する。

たとえば、上記厚みは０．２ｍｍ程度、幅は４ｍｍ程度である。またたとえば超電導線１４は、延在方向に延びるＢｉ系超電導体と、この超電導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀や銀合金よりなっている。

伝熱板３１ａ〜３１ｅは、積層板であってもよく、好ましくは、同一の厚さを有する単層板が積層されることによって形成されている。あるいは伝熱板３１ａ〜３１ｅは単層板であってもよい。伝熱板３１ａ〜３１ｅとして積層板が用いられる場合、伝熱板３１ａ〜３１ｅの厚さは、たとえば、各積層板を構成する単層板の数によって調整することができる。

図２および図６に示すように、本発明によるコイル部１０では、厚さＨ１のダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎが積層配置されている。コイル部１０の中心軸８０に沿った方向における端部に位置するダブルパンケーキコイルを端部コイル５２と呼ぶ。また、コイル部１０の中心軸８０に沿った方向における中央部に位置するダブルパンケーキコイルを中央部コイル５１と呼ぶ。ここで、端部コイル５２は、たとえば図６に示すようにダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｍ、１１ｎを含む。また、中央部コイル５１は、たとえば図２に示すダブルパンケーキコイル１１ｃ〜１１ｋを含む。端部コイル５２において隣接するダブルパンケーキコイルの間の距離Ｈ２は、中央部コイル５１において隣接するダブルパンケーキコイルの間の距離Ｈ３より大きくなっている。また、中央部コイル５１と端部コイル５２との間の距離Ｈ２も上記距離Ｈ３より大きくなっている。なお、ここではダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎの厚さＨ１はすべて同じとしている。

このように、コイル部１０の端部コイル５２におけるダブルパンケーキコイル間の距離Ｈ２を、中央部コイル５１におけるダブルパンケーキコイル間の距離Ｈ３より相対的に大きくしている。このようにして、コイル部１０の端部での軸方向における超電導線１４の見かけ密度を低減している。この結果、コイル部１０の端部において磁場強度を低減できる。そのため、ダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｍ、１１ｎを構成する超電導線１４に対する垂直磁場の強度をより効果的に低減できる。したがって、軸方向端部に位置するダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｍ、１１ｎでの、垂直磁場に起因する臨界電流密度の低下を抑制できる。この結果、優れた特性のコイル部１０を実現できる。なお、図６では、ダブルパンケーキコイル１１ｂ、１１ｃの間の距離Ｈ２も中央部コイル５１における距離Ｈ３より大きくなっている。また、ダブルパンケーキコイル１１ｋ、１１ｍの間の距離Ｈ２も中央部コイル５１における距離Ｈ３より大きくなっている。異なる観点から言えば、中央部コイル５１と端部コイル５２との間の軸方向での距離Ｈ２は、中央部コイル５１におけるダブルパンケーキコイル間の距離Ｈ３より大きくなっている。

ダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｂの間の距離Ｈ２は、図７に示すように伝熱板３１ｂの厚みによって規定することができる。また、他のダブルパンケーキコイルの間の距離Ｈ２、Ｈ３も、伝熱板の厚みによって規定することができる。

また、図８に示すように、ダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｂの間に、絶縁部材５３の対向する表面に１組の伝熱板３１を接続した部材を配置することで、上記距離Ｈ２を規定してもよい。また、同様の構造の部材を、ダブルパンケーキコイル１１ｂと中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキコイル１１ｃとの間に配置してもよい。また、図７に示したダブルパンケーキコイル１１ｍ、１１ｎの間に、上述した絶縁部材５３と１組の伝熱板３１とからなる部材を配置することで、上記距離Ｈ２を規定してもよい。このようにすれば、図７に示したコイル部１０と同様の効果を得られると共に、絶縁部材５３の厚みを変更することで容易に距離Ｈ２を調整することができる。

(実施の形態２）
図９を参照して、本実施の形態の超電導マグネットは、基本的には図１〜図８に示した超電導マグネットと同様の構造を備える。しかし、図９に示したコイル部１０を構成するダブルパンケーキコイルのうち、端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｍ、１１ｎの構成、および伝熱板群３１（図２参照）の構成が図１〜図８に示した超電導マグネットと異なっている。

すなわち、図９に示した超電導マグネットのコイル部１０では、軸方向の端部に位置する端部コイル６２と、中央部コイル５１とでダブルパンケーキコイルの構成が異なっている。また、中央部コイル５１および端部コイル６２のそれぞれにおいて、ダブルパンケーキコイル間の軸方向での距離は同じに設定されている。すなわち、中央部コイル５１および端部コイル６２のそれぞれにおいて、ダブルパンケーキコイルの間に配置され、上記軸方向での距離を規定する伝熱板群３１（図２参照）は、同じ厚みの複数の伝熱板により構成されている。

ここで、超電導コイルであるダブルパンケーキコイルの径方向における厚み（図９参照）をｒ（ｍｍ）、超電導線１４（図５参照）の厚みをｔ（ｍｍ）、ダブルパンケーキコイルにおける超電導線１４の巻数をｎとしたときに、ｎ／（ｒ／ｔ）×１００（％）で定義されるパッキング率を考える。そして、図９に示したコイル部１０では、軸方向の端部に位置する端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイルのパッキング率は、軸方向の中央部に位置する中央部コイル５１のダブルパンケーキコイルのパッキング率より小さくなっている。具体的には、端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイルは、中央部コイル５１のダブルパンケーキコイルと同様の外径である。一方、端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイルでは超電導線１４の巻数が中央部コイル５１における巻数より少なくなっている。このような巻数の調整は、たとえば超電導線１４をコイル状に巻くときに、シート状部材（たとえば絶縁体からなるシート）を一緒に巻き込むことにより実施できる。また、超電導線１４をコイル状に巻くときの張力を小さくして、超電導コイル１４間の径方向における隙間を大きくしても、巻数を調整できる。

このようにすれば、軸方向でパッキング率がすべて同じダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎを用いる場合よりも、軸方向端部におけるダブルパンケーキコイルによって発生する磁場の強度を低減できる。このため、軸方向端部に位置する端部コイル６２のダブルパンケーキコイルに対する垂直磁場の強度を効果的に低減できる。したがって、軸方向端部に位置する端部コイル６２を構成する超電導コイルでの、垂直磁場に起因する臨界電流密度の低下を抑制できる。また、コイル部１０の軸方向における中心部において磁場の強度を一定の値に維持できる。この結果、優れた特性のコイル部１０および超電導マグネットを実現できる。

上述した、端部コイル６２と中央部コイル５１とにおいてそれぞれパッキング率を異ならせる構成において、図１０に示すように端部コイル６２におけるダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｂ間の距離Ｈ２を、中央部コイル５１におけるダブルパンケーキコイル間の距離Ｈ３より大きくする構成を採用してもよい。この場合、上述した図９に示したコイル部１０による効果に加えて、さらに図６に示したコイル部１０と同様に端部コイル６２での垂直磁場の強度をより効果的に低減できる。

ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

この発明に従った超電導コイル体としてのコイル部１０は、超電導線材(超電導線１４）を含む複数の超電導コイル（ダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄおよび中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキコイル１１ｃ〜１１ｋ）を軸方向に積層したコイル部１０である。ダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄ、１１ｃ〜１１ｋの径方向における厚みをｒ（ｍｍ）、超電導線１４の厚みをｔ（ｍｍ）、ダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄ、１１ｃ〜１１ｋにおける超電導線１４の巻数をｎとしたとき、超電導コイルのパッキング率は、ｎ／（ｒ／ｔ）×１００（％）で定義される。中心軸８０の延在方向である軸方向の端部に位置する第１の超電導コイル（端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄ）のパッキング率は、軸方向の中央部に位置する第２の超電導コイル（中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキコイル１１ｃ〜１１ｋ）のパッキング率より小さい。

このようにすれば、軸方向でパッキング率がすべて同じダブルパンケーキコイルを用いる場合よりも、軸方向端部におけるダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄに対する垂直磁場強度を効果的に低減できる。このため、軸方向端部に位置するダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄでの、垂直磁場に起因する臨界電流密度の低下を抑制できる。また、コイル部１０の軸方向における中心部（磁場印加領域ＳＣ）において磁場の強度を一定の値に維持できる。この結果、優れた特性のコイル部１０および超電導マグネット１００を実現できる。なお、垂直磁場強度とは、ダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄを構成する超電導線１４の主表面に対して垂直な方向における磁場の強度を意味する。

上記コイル部１０において、図１０に示すように、第１の超電導コイル（ダブルパンケーキコイル６２ａ、６２ｄ）と、軸方向において第１の超電導コイルに隣接する第３の超電導コイル（ダブルパンケーキコイル６２ｂ、６２ｃ）との間の軸方向における距離を第１の距離Ｈ２とする。また、第２の超電導コイル（中央部コイル５１を構成する１つのダブルパンケーキコイル）と、軸方向において第２の超電導コイルに隣接する第４の超電導コイル（中央部コイル５１を構成する他のダブルパンケーキコイル）との間の軸方向における距離を第２の距離Ｈ３とする。上記第１の距離Ｈ２は、上記第２の距離Ｈ３より大きくてもよい。

このようにすれば、コイル部１０の軸方向端部（端部コイル６２）において、第１および第３の超電導コイル間の軸方向での距離Ｈ２を相対的に大きくすることで、軸方向における超電導線１４の見かけ密度を低減できる。また、端部コイル６２では、上述のようにパッキング率を軸方向中央部（中央部コイル５１）より相対的に小さくしている。そのため、端部コイル６２では、コイルの径方向における超電導線１４の見かけの密度も低減されている。この結果、コイル部１０の端部（端部コイル６２）における磁場の強度を低減できる。そのため、端部コイル６２のダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄを構成する超電導線１４に対する垂直磁場の強度をより効果的に低減できる。

上記コイル部１０において、第１の距離Ｈ２は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であってもよい。この場合、コイル部１０での損失による発熱を十分小さい値（たとえば１０Ｗ以下）に抑制することができる。また、上記第１の距離Ｈ２は、好ましくは１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。この場合、上記損失をより小さくする（たとえば損失による発熱を８Ｗ以下にする）ことができる。

上記コイル部１０において、第１の超電導コイル（図９の端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイル、または図１０のダブルパンケーキコイル６２ａ、６２ｄ）のパッキング率は１５％以上９５％以下であってもよい。この場合、コイル部１０での損失による発熱を十分小さい値（たとえば１０Ｗ以下）に抑制することができる。また、上記第１の超電導コイル（図９の端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイル、または図１０のダブルパンケーキコイル６２ａ、６２ｄ）のパッキング率は好ましくは３０％以上８０％以下である。この場合、上記損失による発熱をより低減できる（たとえば５Ｗ以下に抑制できる）。また、上記第１の超電導コイル（図９の端部コイル６２を構成するダブルパンケーキコイル、または図１０のダブルパンケーキコイル６２ａ、６２ｄ）のパッキング率は、より好ましくは４５％以上６０％以下である。この場合、上記損失による発熱をさらに低減できる（たとえば２Ｗ以下に抑制できる）。

この発明に従った超電導コイル体としてのコイル部１０は、図６、図８、図１０に示すように、複数の超電導コイル（図６のダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｋ、１１ｍ、１１ｎ、図１０のダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄ、中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキコイル）を軸方向に積層したコイル部１０であって、第１〜第４の超電導コイル（図６のダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｍ、１１ｎ、または図１０のダブルパンケーキコイル６２ａ〜６２ｄ）を備える。第１の超電導コイル（ダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｎ、６２ａ、６２ｄ）は軸方向の端部に位置する。第２の超電導コイル（中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキコイル１１ｃ〜１１ｋのうちのいずれか１つ）は、軸方向の中央部に位置する。第３の超電導コイル（ダブルパンケーキコイル１１ｂ、１１ｍ、６２ｂ、６２ｃ）は、軸方向において第１の超電導コイル（ダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｎ、６２ａ、６２ｄ）に絶縁スペーサ（図８の絶縁部材５３）を介して隣接する。第４の超電導コイル（中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキコイル１１ｃ〜１１ｋのうちの他の１つ）は、軸方向において第２の超電導コイルに絶縁スペーサ（図８の絶縁部材５３と同様の絶縁部材）を介して隣接する。第１の超電導コイルと第３の超電導コイルとの間の軸方向における第１の距離Ｈ２は、第２の超電導コイルと第４の超電導コイルとの間の軸方向における第２の距離Ｈ３より大きい。

このようにすれば、ダブルパンケーキコイル間の軸方向での距離がすべて同じである場合よりも、軸方向端部におけるダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｎ、６２ａ、６２ｄに対する垂直磁場強度を効果的に低減できる。このため、軸方向端部に位置するダブルパンケーキコイル１１ａ、１１ｎ、６２ａ、６２ｄでの、垂直磁場に起因する臨界電流密度の低下を抑制できる。また、コイル部１０の軸方向における中心部（磁場印加領域ＳＣ）において磁場の強度を一定の値に維持できる。この結果、優れた特性のコイル部１０を実現できる。

この発明に従った超電導機器としての超電導マグネット１００は、上記コイル部１０を備える。このようにすれば、臨界電流密度の低下が抑制された、特性の優れたコイル部１０を用いることにより、優れた特性の超電導マグネット１００を実現できる。

（実施例１）
本発明の効果を確認するため、以下のようなシミュレーション実験を行なった。

＜検討対象＞
巻線内径（超電導コイルの内径）を１４７ｍｍ、中心磁場の強度を８Ｔとして、超電導マグネットの構成についてＩＤ１〜ＩＤ５という５種類のコイル体を検討した。検討対象の詳細な構成を、後述するシミュレーション結果とともに以下の表１に示す。

表１からわかるように、ＩＤ１のコイル体は、同一種類のダブルパンケーキコイル（ＤＰコイル１）を複数個（２２個）、同じ間隔で積層した比較例である。また、ＩＤ２〜ＩＤ５は本発明の実施例である。ＩＤ２のコイル体では、積層方向（軸方向）の中央部にＤＰコイル１を複数個（１２個）所定の間隔で積層する。また、ＩＤ２のコイル体では、軸方向の端部にそれぞれ複数個（両端それぞれに３個：合計６個）、ダブルパンケーキ（ＤＰ）コイル２を所定の間隔（１０．４ｍｍ）を隔てて配置する。また、ＩＤ３〜ＩＤ５のコイル体では、軸方向の中央部にＤＰコイル１を複数個積層する。ＩＤ３〜ＩＤ５のコイル体では、軸方向の両端部にそれぞれ６個づつ、パッキング率を相対的に低くしたＤＰコイル２を配置している。なお、パッキング率の調整は、ＤＰコイル２を形成するために超電導線材を巻回するときに、スペーサとして絶縁シートを同時に巻き込むことにより超電導線材のターン数を調整して行なう。

また、ここで表１中の線材１としては、住友電気工業製のビスマス系超電導線材（ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）ＴｙｐｅＨＴ：ステンレススチールからなる補強部材が線材の主面の両面に設置されたもの）を用い、線材２としては、住友電気工業製のビスマス系超電導線材（ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）ＴｙｐｅＨ）を用いる。ＤＰコイル１およびＤＰコイル２とも、内周側に線材１を配置し、外周側に線材２を配置している。

＜検討方法＞
表１に示したＩＤ１〜ＩＤ５のコイル体について、冷却条件などを一定にして中心磁場強度を８Ｔとしたときの、運転電流、コイル体の軸方向端部における最大垂直磁場強度、ＤＣ発熱およびＡＣ発熱をシミュレーション計算により求めた。なお、最大垂直磁場強度とは、コイル体のダブルパンケーキコイルを構成する超電導線材の主面に垂直な方向における磁場の最大強度を意味する。

＜結果＞
表１に示すように、比較例としてのＩＤ１のコイル体とくらべて、ＩＤ２〜ＩＤ５のコイル体ではいずれも最大垂直磁場強度を小さくすることができる。このため、超電導コイルにおける臨界電流値を大きくでき、超電導マグネットの運転電流を大きくできる。このため、超電導線材の使用量を低減して低コストな超電導マグネットを実現できる。また、交流損失（ＡＣ発熱）も低減できることがわかる。

（実施例２）
＜検討対象＞
巻線内径（超電導コイルの内径）を３５０ｍｍ、中心磁場の強度を５Ｔとして、超電導マグネットの構成についてＩＤ６〜ＩＤ９という４種類のコイル体を検討した。検討対象の詳細な構成を、後述するシミュレーション結果とともに以下の表２に示す。

表２からわかるように、ＩＤ６のコイル体は、同一種類のダブルパンケーキコイル（ＤＰコイル１）を複数個（４４個）、同じ間隔で積層した比較例である。また、ＩＤ７〜ＩＤ９は本発明の実施例である。ＩＤ７のコイル体では、積層方向（軸方向）の中央部にＤＰコイル１を複数個（３８個）所定の間隔で積層する。また、ＩＤ７のコイル体では、軸方向の端部において、上記ＤＰコイル１に隣接してそれぞれ複数個（両端それぞれに２個：合計４個）、ダブルパンケーキ（ＤＰ）コイル２を所定の間隔（０．５ｍｍ）を隔てて配置する。さらに、ＩＤ７のコイル体では、軸方向においてＤＰコイル２の外側に隣接して、それぞれ複数個（両端それぞれに２個：合計４個）、ダブルパンケーキ（ＤＰ）コイル３を所定の間隔（０．５ｍｍ）を隔てて配置する。なお、ＤＰコイル１、ＤＰコイル２、ＤＰコイル３と徐々にパッキング率が低くなっている。また、ＩＤ８およびＩＤ９のコイル体は、基本的にＩＤ７のコイル体と同様の構成を備えるが、ＤＰコイル２、３のパッキング率やＤＰコイル２の個数などがＩＤ７のコイル体とは異なっている。

また、ここで表２中の線材１、線材２については、上記実施例１と同様の超電導線材を用いた。ＤＰコイル１〜ＤＰコイル３ではいずれも、内周側に線材１を配置し、外周側に線材２を配置している。

＜検討方法＞
表２に示したＩＤ６〜ＩＤ９のコイル体について、上述した実施例１と同様に、冷却条件などを一定にして中心磁場強度を５Ｔとしたときの、運転電流、コイル体の軸方向端部における最大垂直磁場強度、ＤＣ発熱およびＡＣ発熱をシミュレーション計算により求めた。

＜結果＞
表２に示すように、比較例としてのＩＤ６のコイル体とくらべて、ＩＤ７〜ＩＤ９のコイル体ではいずれも最大垂直磁場強度を小さくすることができる。このため、超電導コイルにおける臨界電流値を大きくできる。したがって、超電導マグネットの運転電流を大きくできる。この結果、低コストな超電導マグネットを実現できる。また、交流損失（ＡＣ発熱）も低減できることがわかる。

（実施例３）
＜検討対象＞
巻線内径（超電導コイルの内径）を１００ｍｍ、運転時の通電電流を３６０Ａ、中心磁場を６Ｔとして、軸方向の端部におけるダブルパンケーキ（ＤＰ）コイルの間隔の影響について検討した。検討対象のコイル体の詳細な構成を、後述するシミュレーション結果とともに以下の表３、表４および図１１に示す。

図１１および表３に示すように、検討対象のコイル体は、基本的には図６に示したコイル体と同様の構成を備えている。すなわち、中央部コイル５１を構成するダブルパンケーキ（ＤＰ）コイルは表３のコイル−Ｎｏ．１に記載した構成となっている。また、図１１の中央部コイル５１の上方に位置する端部コイル５２のうち、中央部コイル５１に面する一方のＤＰコイル５２ｂは、表３のコイル−Ｎｏ．２に記載した構成となっている。また、図１１の中央部コイル５１の上方に位置する端部コイル５２のうち、一方のＤＰコイル５２ｂから見て中央部コイル５１側と反対側に位置する他方のＤＰコイル５２ａは、表３のコイル−Ｎｏ．３に記載した構成となっている。また、図１１の中央部コイル５１の下方に位置する端部コイル５２のうち、中央部コイル５１に面する一方のＤＰコイル５２ｃは、表３のコイル−Ｎｏ．４に記載した構成となっている。また、図１１の中央部コイル５１の下方に位置する端部コイル５２のうち、一方のＤＰコイル５２ｃから見て中央部コイル５１側と反対側に位置する他方のＤＰコイル５２ｄは、表３のコイル−Ｎｏ．５に記載した構成となっている。

他の観点から説明すると、図１１に示すコイル体は、中央部コイル５１と第１および第２の端部コイル５２とを有する。第１の端部コイル５２は、中央部コイル５１の一端側に設けられており、第２の端部コイル５２は、中央部コイル５１の他端側に設けられている。第１の端部コイル５２は、少なくとも、ＤＰコイル５２ａとＤＰコイル５２ｂとを有する。ＤＰコイル５２ａは表３のコイル−Ｎｏ．３である。ＤＰコイル５２ｂは、表３のコイル−Ｎｏ．２である。ＤＰコイル５２ｂは、ＤＰコイル５２ａと中央部コイル５１との間に位置するように配置されている。第２の端部コイル５２は、ＤＰコイル５２ｃとＤＰコイル５２ｄとを有する。ＤＰコイル５２ｃは、表３のコイル−Ｎｏ．４である。ＤＰコイル５２ｄは、コイル−Ｎｏ．５である。ＤＰコイル５２ｃは、ＤＰコイル５２ｄと中央部コイル５１との間に位置する。

図１１に示したコイル体の内径Ｄ１は１００ｍｍ、外径Ｄ２は表４に示す通りである。すなわち、外形Ｄ２が１５３ｍｍ〜１５８ｍｍまで変更した６種類のコイル体で検討している。

また、各ＤＰコイルの軸方向での両端面には、厚さが０．５ｍｍの冷却板が配置されている。

このような構成のコイル体であって、６種類のコイル体は、軸方向端部に位置するＤＰコイル間の距離Ｈ２を、表４の距離Ｈ２の欄に示すように０．５ｍｍ〜２５ｍｍまで変更して検討した。

また、ここで表３に示したＤＰコイルを構成した超電導線材は、住友電気工業製のビスマス系超電導線材（ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）ＴｙｐｅＨに絶縁被覆をほどこしたもの）を用いた。

＜検討方法＞
表４に示した６種類の距離Ｈ２（図１１の距離Ｈ２）のコイル体について、上述した実施例１と同様に、冷却条件などを一定にして中心通電電流３６０Ａ、温度２１Ｋとしたときの、コイル体の軸方向端部における最大垂直磁場強度、ＤＣ発熱およびＡＣ発熱をシミュレーション計算により求めた。

＜結果＞
表４および図１２に示すように、軸方向端部でのＤＰコイル間の距離Ｈ２により、特にＤＣ発熱（ＤＣロス）およびＡＣ発熱（ＡＣロス）が異なることが分かる。ここで、図１２の横軸は軸方向端部でのＤＰコイル間の距離Ｈ２（端部コイルのギャップ長、単位：ｍｍ）を示し、右側の縦軸がコイル体を構成する超電導線の線材長（単位：ｍ）、左側の縦軸が磁場強度（単位：Ｔ）、ＡＣロス（単位：Ｗ）、ＤＣロス（単位：Ｗ）を示している。図１２のグラフにおいて、曲線Ａが最大垂直磁場強度を示し、曲線ＢがＡＣロスを示し、曲線ＣがＤＣロスを示し、曲線Ｄが線材長を示す。

図１２から、ＤＣ発熱を約１０Ｗ以下に抑制するためには、上記距離Ｈ２を５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすればよく、ＤＣ発熱を約８Ｗ以下に抑制するためには、上記距離Ｈ２を１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすればよいことがわかる。

（実施例４）
＜検討対象＞
巻線内径（超電導コイルの内径）を１４７ｍｍ、運転時の通電電流を３１０Ａ、中心磁場を８Ｔとして、ダブルパンケーキ（ＤＰ）コイルのパッキング率の影響について検討した。検討対象のコイル体の詳細な構成を、後述するシミュレーション結果とともに以下の表５、表６および図１３に示す。

図１３および表５に示すように、検討対象のコイル体は、基本的には図９に示したコイル体と同様の構成を備えている。すなわち、コイル体は中央部コイル５１と、２つの端部コイル６２とを有する。中央部コイル５１の軸方向における両端側にそれぞれ端部コイル６２が配置されている。中央部コイル５１の内周側を構成するダブルパンケーキ（ＤＰ）コイル５１ｂは表５のコイル−Ｎｏ．１に記載した構成となっている。また、図１３の中央部コイル５１の外周側を構成するＤＰコイル５１ａは、表５のコイル−Ｎｏ．２に記載した構成となっている。ＤＰコイル５１ａは、ＤＰコイル５１ｂの外周を囲むように配置されている。また、図１３の中央部コイル５１の上方（軸方向での一端側）に位置する端部コイル６２のうち、内周側のＤＰコイル６２ｂは、表５のコイル−Ｎｏ．３に記載した構成となっている。また、図１３の中央部コイル５１の上方に位置する端部コイル６２のうち、外周側のＤＰコイル６２ａは、表５のコイル−Ｎｏ．４に記載した構成となっている。ＤＰコイル６２ａは、ＤＰコイル６２ｂの外周を囲むように配置されている。また、図１３の中央部コイル５１の下方（軸方向での他端側）に位置する端部コイル６２のうち、内周側のＤＰコイル６２ｄは、表５のコイル−Ｎｏ．５に記載した構成となっている。また、図１３の中央部コイル５１の下方に位置する端部コイル６２のうち、外周側のＤＰコイル６２ｃは、表５のコイル−Ｎｏ．６に記載した構成となっている。ＤＰコイル６２ｃは、ＤＰコイル６２ｄの外周を囲むように配置されている。図１１に示したコイル体の内径Ｄ１は１４７ｍｍである。また、各ＤＰコイルの軸方向での両端面には、厚さが０．５ｍｍの冷却板が配置されている。

このような構成のコイル体であって、軸方向端部に位置する端部コイル６２のパッキング率を、表６の径方向パッキング率（端部コイル）の欄に示すように０％〜１００％まで変更した１１種類のコイル体を検討した。

なお、ここで表５に示したコイル−Ｎｏ．１、３、５を構成した超電導線材としては、住友電気工業製のビスマス系超電導線材（ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）ＴｙｐｅＨＴに絶縁被覆をほどこしたもの）を用いた。また、表５に示したコイル−Ｎｏ．２、４、６を構成した超電導線材は、住友電気工業製のビスマス系超電導線材（ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）ＴｙｐｅＨに絶縁被覆をほどこしたもの）を用いた。

＜検討方法＞
表６に示した１１種類のパッキング率のコイル体について、上述した実施例３と同様に、冷却条件などを一定にして通電電流３１０Ａ、温度２１Ｋとしたときの、コイル体の軸方向端部における最大垂直磁場強度、ＤＣ発熱およびＡＣ発熱をシミュレーション計算により求めた。

＜結果＞
表６および図１４に示すように、端部コイル６２でのパッキング率により、特にＤＣ発熱（ＤＣロス）およびＡＣ発熱（ＡＣロス）が異なることが分かる。ここで、図１４の横軸は軸方向端部でのＤＰコイルのパッキング率（単位：％）を示し、右側の縦軸がコイル体を構成する超電導線の線材長（単位：ｍ）、左側の縦軸が磁場強度（単位：Ｔ）、ＡＣロス（単位：Ｗ）、ＤＣロス（単位：Ｗ）を示している。図１４のグラフにおいて、曲線Ａが最大垂直磁場強度を示し、曲線ＢがＡＣロスを示し、曲線ＣがＤＣロスを示し、曲線Ｄが線材長を示す。

図１４から、ＤＣ発熱を約１０Ｗ以下に抑制するためには、上記パッキング率を１５％以上９５％以下とすればよい。また、ＤＣ発熱を約５Ｗ以下に抑制するためには、上記パッキング率を３０％以上８０％以下とすればよい。また、ＤＣ発熱を約２Ｗ以下に制御するためには、上記パッキング率を４５％以上６０％以下とすればよいことがわかる。

また、図１４から分かるように、ＡＣ発熱を４５Ｗ以下に抑制するためには、上記パッキング率を２２％以上とすればよい。また、ＡＣ発熱を４０Ｗ以下に抑制するためには、上記パッキング率を４０％以上とすればよい。また、ＡＣ発熱を４０Ｗ以下に抑制するためには、上記パッキング率を９８％以下とすればよい。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、複数の超電導コイルを積層した超電導コイル体および超電導機器に特に有利に適用される。

１０ コイル部、１１ａ〜１１ｋ，１１ｍ，１１ｎ，５１ａ，５１ｂ，５２ａ〜５２ｄ，６２ａ〜６２ｄ ダブルパンケーキコイル、１２ａ，１２ｂ パンケーキコイル、１４ 超電導線、２０ 冷却ヘッド、２１ 端部、２２ 接続部、３０ 伝熱部、３１ 伝熱板群、３１ａ〜３１ｅ 伝熱板、３２ 固定具、３２ａ，３２ｂ 部材、３４ａ，３４ｂ ねじ、５１ 中央部コイル、５２，６２ 端部コイル、５３ 絶縁部材、８０ 中心軸、８１ 芯部、９１ 超電導コイル集合体、１００ 超電導マグネット、１１１ 断熱容器、１２１ 冷却装置、１２２ ホース、１２３ コンプレッサ、１３１ ケーブル、１３２ 電源。

Claims (6)

1. 超電導線材を含む複数の超電導コイルを軸方向に積層した超電導コイル体であって、
   前記超電導コイルの径方向における厚みをｒ（ｍｍ）、前記超電導線材の厚みをｔ（ｍｍ）、前記超電導コイルにおける前記超電導線材の巻数をｎとしたときに、ｎ／（ｒ／ｔ）×１００（％）で定義されるパッキング率について、前記軸方向の端部に位置する第１の超電導コイルの前記パッキング率は、前記軸方向の中央部に位置する第２の超電導コイルの前記パッキング率より小さい、超電導コイル体。
2. 前記第１の超電導コイルと、前記軸方向において前記第１の超電導コイルに隣接する第３の超電導コイルとの間の前記軸方向における第１の距離は、前記第２の超電導コイルと、前記軸方向において前記第２の超電導コイルに隣接する第４の超電導コイルとの間の前記軸方向における第２の距離より大きい、請求項１に記載の超電導コイル体。
3. 前記第１の距離は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、請求項２に記載の超電導コイル体。
4. 前記第１の超電導コイルの前記パッキング率は１５％以上９５％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル体。
5. 複数の超電導コイルを軸方向に積層した超電導コイル体であって、
   前記軸方向の端部に位置する第１の超電導コイルと、
   前記軸方向の中央部に位置する第２の超電導コイルと、
   前記軸方向において前記第１の超電導コイルに絶縁スペーサを介して隣接する第３の超電導コイルと、
   前記軸方向において前記第２の超電導コイルに絶縁スペーサを介して隣接する第４の超電導コイルとを備え、
   前記第１の超電導コイルと前記第３の超電導コイルとの間の前記軸方向における第１の距離は、前記第２の超電導コイルと前記第４の超電導コイルとの間の前記軸方向における第２の距離より大きい、超電導コイル体。
6. 請求項１または５に記載の超電導コイル体を備える超電導機器。
   

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