JP2015023056A

JP2015023056A - 積層パンケーキ型超電導コイル及びそれを備えた超電導機器

Info

Publication number: JP2015023056A
Application number: JP2013147791A
Authority: JP
Inventors: 正志原口; Masashi Haraguchi; 雅載大保; Masanori Daibo
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: JP6329736B2

Abstract

【課題】酸化物超電導線材の臨界温度以下に冷却されて使用される場合に作用する熱収縮に起因する応力による劣化が起こり難く、しかも冷却効率が良い超電導コイル、及びそれを備えた超電導機器を提供する。【解決手段】巻枠３２にテープ状の酸化物超電導線材１０を巻回したコイル本体を積層し樹脂６を含浸させてなり、巻回された酸化物超電導線材１０の内周端部１０ａ同士に導電性の接続部材３１を橋渡しして接続部３０を形成させた積層パンケーキ型超電導コイルであって、前記接続部３０と前記巻枠３２の間、又は前記接続部３０とその外周に巻きつけられる前記酸化物超電導線材１０との間の何れか一方又は両方に、含浸に用いる含浸樹脂６と接着しない離形層３３が形成されていることを特徴とする積層パンケーキ型超電導コイル１３。【選択図】図５

Description

本発明は、積層パンケーキ型超電導コイル及びそれを備えた超電導機器に関する。

近年のエネルギー、環境、資源問題を解決できる高効率、低損失の電気機器の一つに低電流損失の材料として超電導体を用いた超電導コイルが挙げられる。超電導コイルに用いられる超電導体として、Ｂｉ（ビスマス）系やＲＥ−１２３系（ＲＥは希土類元素を表す）と呼ばれる酸化物超電導体が知られている。これら酸化物超電導体は、液体窒素温度付近で超電導特性を示すため、実用上有望な材料として期待されている。

酸化物超電導体を電気機器に使用するためには、酸化物超電導体を線材に加工して、電力供給用の導体あるいは磁気コイル等の酸化物超電導線材として用いるのが一般的である。
Ｂｉ系の酸化物超電導線材は、Ｂｉ系の酸化物超電導層をＡｇのシース材で被覆した状態となるようにＰｏｗｄｅｒＩｎＴｕｂｅ法（ＰＩＴ法）により製造されたものが提案されている。また、ＲＥ−１２３系酸化物超電導線材は、テープ状の金属基材上に中間層を介し成膜法により酸化物超電導層を積層した構造が提案されている。これらの線材として、アスペクト比の大きいテープ形状のものが知られている。

これらのテープ状の酸化物超電導線材を超電導コイルに加工するにあたっては、酸化物超電導線材を巻枠に巻回しパンケーキ型にした後に、コイル強度を向上させるために樹脂含浸させる。また、これらのパンケーキ型超電導コイルを実用化するにあたって、超電導コイルを冷却装置からの熱伝導により冷却する伝導冷却方式を採用することができる。

この超電導コイルにおいて、酸化物超電導線材と巻枠が固着していると、超電導コイルを冷却した際に、巻枠と超電導線材の線膨張係数の差、並びに含浸させる含浸樹脂と超電導線材の線膨張係数の差により、酸化物超電導線材の厚さ方向に応力が加わり超電導特性劣化する可能性があると指摘されている。
そこで、特許文献１には、最内周ターンの酸化物超電導線材と、巻枠の間に、非粘着性のポリイミドテープを介装し、これによって、線膨張係数の差に起因する酸化物超電導線材の劣化を抑制する構造が開示されている。

特開２００８−１４０９０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、巻枠を冷却装置によって低温として熱伝導により超電導線材を冷却する伝導冷却方式を採用するにあたって、巻枠と超電導線材の間にポリイミドテープが介在しているため、冷却効率が低下するという問題があった。
そこで、線膨張係数の差に起因する酸化物超電導線材の劣化が起こり難く、しかも冷却効率が高い超電導コイルが望まれている。

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、酸化物超電導線材の臨界温度以下に冷却されて使用される場合に作用する熱収縮に起因する応力によって、超電導特性の劣化が起こり難く、しかも冷却効率が良い超電導コイル、及びそれを備えた超電導機器の提供を目的とする。

前記課題を解決するため本発明の積層パンケーキ型超電導コイルは、巻枠に絶縁被覆層を有するテープ状の酸化物超電導線材を巻回したコイル本体を積層し、巻回された酸化物超電導線材の端部同士に導電性の接続部材を橋渡しして接続部が形成され、樹脂を含浸させた積層パンケーキ型超電導コイルであって、前記酸化物超電導線材の端部であって前記接続部の前記接続部材との接点においては、前記絶縁被覆層が除去されており、前記接続部の内周側、又は外周側の何れか一方又は両方に、含浸に用いる含浸樹脂と接着しない離形層が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、酸化物超電導線材の周囲に絶縁被覆層を備えていることによって、巻回される酸化物超電導線材同士の導通を防ぐのみならず、酸化物超電導線材を含浸樹脂と隔離し含浸樹脂と酸化物超電導線材の線膨張係数の差に起因する応力を軽減して超電導特性の劣化を抑制できる。
また、テープ状の酸化物超電導線材同士を接続している接続部において、コイルの内周側又は外周側に含浸樹脂と接着しない離形層が形成されているので、冷却時に含浸樹脂と酸化物超電導線材の線膨張係数の差に起因して作用しようとする応力を離形層が含浸樹脂と離形することにより軽減できる。
加えて、この離形層は、接続部に形成され、コイルの周回に渡って形成されるものではないため、接続部以外においては、巻枠と酸化物超電導線材が固着している。このため、巻枠を冷却装置により低温とし熱伝導により超電導線材を冷却する伝導冷却方式を採用する場合において、効率よく冷却できる。

また、本発明の積層パンケーキ型超電導コイルは、前記接続部が、巻回された酸化物超電導線材の内周端部に形成され、前記離形層が、前記接続部と前記巻枠の間、又は前記接続部とその外周に巻きつけられる前記酸化物超電導線材との間の何れか一方又は両方に形成されていても良い。
接続部が、巻回された酸化物超電導線材の内周端部に形成される場合においては、接続部と巻枠が隣接する。したがって、酸化物超電導線材の接続部は、巻枠の熱収縮の影響で超電導特性の劣化が起こりやすい。本発明によれば、前記接続部と前記巻枠の間、又は前記接続部とその外周に巻きつけられる前記酸化物超電導線材との間の何れか一方又は両方に離形層が形成されているため、接続部に加わる応力を抑制できる。

また、本発明の積層パンケーキ型超電導コイルは、前記離形層が、フッ素樹脂テープ、フッ素樹脂コート、パラフィン、グリース、シリコンオイルのうち何れか１つ又は２つ以上の組み合わせからなることが好ましい。
上記構成とすることで、含浸樹脂と離形可能な離形層を形成し、超電導特性の劣化を抑制した積層パンケーキ型超電導コイルを提供することが可能となる。

本発明の超電導機器は、前記積層パンケーキ型超電導コイルが備えられたことを特徴とする。
前記積層パンケーキ型超電導コイルを備えた超電導機器であるならば、酸化物超電導線材の臨界温度以下に冷却する操作を行っても超電導特性の劣化がなく優れた超電導特性を維持できる超電導機器を提供できる。

本発明によれば、テープ状の酸化物超電導線材同士を接続している接続部において、コイルの内周側又は外周側に含浸樹脂と接着しない離形層が形成されているので、冷却時に巻枠及び含浸樹脂と酸化物超電導線材の線膨張係数の差に起因して作用しようとする応力を離形層が含浸樹脂と離形することにより軽減できる。
また、この離形層は、接続部に形成され、コイルの周回に渡って形成されていないため、接続部以外においては、巻枠と酸化物超電導線材が固着している。このため、巻枠を冷却装置により低温とし熱伝導により超電導線材を冷却する伝導冷却方式を採用する場合において、効率よく冷却できる。

本発明に係る第１実施形態の積層パンケーキ型超電導コイルに用いる酸化物超電導線材の構造を示す断面図である。図１に示す酸化物超電導線材の絶縁被覆層の形成手順を示す斜視図である。図１に示す酸化物超電導線材を一対接続し巻枠に巻回した超電導コイル積層体を示す斜視図である。図３に示す超電導コイル積層体の一部である接続部の拡大図を示す。図３に示す超電導コイル積層体を含浸樹脂で覆い構成された第１実施形態の積層パンケーキ型超電導コイルを示す図であり、図３（ａ）は斜視図であり、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）に示すＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。本発明に係る第１実施形態の積層パンケーキ型超電導コイルを採用した超電導機器の一例を示す模式図である。本発明に係る第１実施形態の変形例の積層パンケーキ型超電導コイルの断面図である。本発明に係る第２実施形態の積層パンケーキ型超電導コイルの断面図である。本発明に係る第３実施形態の積層パンケーキ型超電導コイルの断面図である。本発明に係る第４実施形態の積層パンケーキ型超電導コイルの断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る超電導コイルの第１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を構成するための酸化物超電導線材の一例構造を示す概略断面図である。本実施形態の酸化物超電導線材１０は、基材１の一面上に中間層２と酸化物超電導層３と安定化層４とがこの順に積層されてなる超電導積層体５の外周面上に、超電導積層体５の外周面を覆う絶縁被覆層７が形成されてなる。本実施形態において安定化層４は、酸化物超電導層３上に形成された第１安定化層８と、第１安定化層８上に形成された第２安定化層９により構成されている。
なお、図１に示す酸化物超電導線材１０は、本発明の特徴をわかりやすくするため、便宜上、各層の厚さを誇張して記載しているが、本実施形態の酸化物超電導線材１０は全体として薄いテープ形状とされている。また、以下の実施形態を示す各図においても本発明の特徴をわかりやすくするため、要部となる部分を拡大あるいは誇張して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

前記基材１は、長尺とするためにテープ状であることが好ましく、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）に代表されるニッケル合金などの耐熱性に優れた高強度の金属材料からなる。また、基材１として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材を適用することもできる。基材１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。

中間層２は、酸化物超電導層３の結晶配向性を制御し、基材１中の金属元素の酸化物超電導層３側への拡散を防止し、両者の物理的特性（熱膨張率や格子定数等）の差を緩和するバッファー層として機能する金属酸化物からなることが好ましい。中間層２は、一例として、拡散防止層とベッド層と配向層とキャップ層の積層構造とすることができるが、拡散防止層とベッド層の一方あるいは両方を略して構成しても良い。
拡散防止層は、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧＺＯ（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）等から構成され、例えば厚さ１０〜４００ｎｍに形成される。
ベッド層は、界面反応性を低減し、その上に形成される膜の配向性を得るため層であり、Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等からなり、その厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。

配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、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。この配向層をＩＢＡＤ（Ｉｏｎ−Ｂｅａｍ−ＡｓｓｉｓｔｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により良好な２軸配向性で成膜するならば、キャップ層とその上に成膜する酸化物超電導層３の結晶配向性を良好にして優れた超電導特性を発揮させることができる。
キャップ層は、上述の配向層の表面に成膜されて結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなり、具体的には、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＹＳＺ、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、ＬａＭｎＯ_３等からなる。キャップ層の膜厚は５０〜５０００ｎｍの範囲に形成できる。

酸化物超電導層３は酸化物超電導体として公知のもので良く、具体的には、ＲＥ−１２３系と呼ばれるＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＲＥは希土類元素であるＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちの１種又は２種以上を表す）を例示できる。この酸化物超電導層３として、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）などを例示できる。酸化物超電導層３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。

第１安定化層８（保護層）はＡｇ又はＡｇ合金などの良電導性かつ酸化物超電導層３と接触抵抗が低くなじみの良い層として形成される。第１安定化層８を成膜するには、スパッタ法などの成膜法を採用し、その厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
第２安定化層９は、銅、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、アルミニウム又はその合金、ステンレス等の比較的安価な導電性の金属材料からなることが好ましい。第２安定化層９は、第１安定化層８とともに、酸化物超電導層３が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時、酸化物超電導層３の電流を転流するバイパスとして機能する。また、酸化物超電導線材１０を超電導限流器に使用する場合、第２安定化層９は、クエンチが起こり常電導状態に転移した時に発生する過電流を瞬時に抑制するために用いられる。この用途の場合、第２安定化層９に用いられる材料は、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金等の高抵抗金属が挙げられる。第２安定化層９の厚さは例えば１０〜３００μｍとすることができる。
第２安定化層９を形成するには、例えば上述の材料からなるテープ材の裏面側に接続用のＳｎめっき半田層を形成した安定化テープを用い、第１安定化層８上に第２安定化層９を半田付けするなどの方法により形成できる。

以上説明の如く構成された超電導積層体５の全周を取り囲むようにポリイミドテープなどの絶縁テープ７Ａを重ね巻き（ラップ巻き）し、絶縁被覆層７を形成することで、酸化物超電導線材１０を得ることができる。
図２に、超電導積層体５に対する絶縁テープ７Ａの巻き付け方の一例であるラップ巻きの方法を図示する。絶縁テープ７Ａは、超電導積層体５の外周に隙間なく巻きつけられる必要があるため、自身と重なりを持って螺旋状に巻かれている。このように巻きつけられることで、コイル状にして、樹脂を含浸する際に、超電導積層体５に含浸樹脂６が浸入することが無く、含浸樹脂６と超電導積層体５の各構成層との線膨張係数の差によって作用しようとする応力が超電導積層体５に加わることを抑制できる。
絶縁テープ７Ａの巻きつけ方は、図２に示す方法に限らず、例えば、縦添えによって包囲する方法などがある。何れの方法においても、超電導積層体５の全周を取り囲むように絶縁テープ７Ａが巻きつけられていれば良い。

図３にこの酸化物超電導線材１０を一対用意して作製した超電導コイル積層体１４を示す。この超電導コイル積層体１４は、２つのコイル本体１１を積層した構造を有し、２つのコイル本体１１、１１の酸化物超電導線材１０の内周端部１０ａ同士は、接続部３０を形成して接続されている。また、コイル本体１１、１１の最外周には、外周端部１０ｂ、１０ｂが露出している。
なお、本実施形態において、それぞれのコイル本体１１は、酸化物超電導線材１０の積層構造において安定化層４が形成された側を内側とし、基材１側を外側として巻回されている。

酸化物超電導線材１０が巻きつけられる巻枠３２は、金属材料からなる事が好ましく、特に熱伝導特性の高い銅やアルミニウム及びこれらの合金などからなることがより好ましい。これによって、巻枠３２を冷却装置によって冷却して、巻枠３２を介して酸化物超電導線材１０を冷却させる伝導冷却方式を採用する場合において、冷却効率を高めることができる。

一対の酸化物超電導線材１０、１０の内周端部１０ａ、１０ａ同士の接続は、接続部材３１を介してなされている。図４に、超電導コイル積層体１４の一部であり、一対の酸化物超電導線材１０、１０の内周端部１０ａ、１０ａ同士の接続部３０を拡大して示す。
図４に示すように、一対の酸化物超電導線材１０、１０同士は、それぞれ幅方向にずらして配置されている。また、これらの酸化物超電導線材１０、１０のそれぞれの内周端部１０ａ、１０ａ同士が幅方向に並列し配置されている。この近接する端部１０ａ、１０ａを橋渡しするように、接続部材３１が導電性接合材（図示略）を介して接合され、これにより接続部３０を形成している。
接続部３０における酸化物超電導線材１０の内周端部１０ａであって、接続部材３１と導電性接合材を介して当接する部分（接点となる部分）は、酸化物超電導線材１０の最外周に形成された絶縁被覆層７が除去されている。これにより、酸化物超電導線材１０の第２安定化層９を露出させ、当該第２安定化層９に導電性接合材を介して接続部材３１が接合されている。
接続部材３１の接合に用いる導電性接合材は、半田のような低融点金属を使用することができる。この場合の半田は、従来公知の物を使用可能であるが、特に融点が３００℃以下の半田を用いることが好ましい。これにより、３００℃以下の温度で接続部材３１の接合を行うことが可能となり、半田付けの熱により酸化物超電導線材１０の特性が劣化することを抑止できる。

接続部材３１として、矩形状の金属板材を用いることができる。接続部材３１は、幅方向にずらして配置された一対の酸化物超電導線材１０、１０の内周端部１０ａ、１０ａを覆う十分な大きさであることが望ましい。また、この接続部材３１と酸化物超電導線材１０の内周端部１０ａとの接合は、導電性接合材を介して行う。したがって、接続部材３１は、導電性接合材による接合面積を十分に確保できる大きさであることが望ましい。接続部材３１の材質としては、抵抗値の低い金属材料を用いる事ができ、例えば銅、又は銅合金が好適に用いられる。
また、接続部材３１として、基材の一面上に中間層と酸化物超電導層と安定化層とがこの順に積層されてなる上述した超電導積層体５と同様の構成のものを用いても良い。この場合においては、酸化物超電導線材１０の第２安定化層９と、接続部材３１の安定化層とを対向させて導電性接合材により接合することで、接続部３０における接続抵抗を低くすることが可能となる。

図４に示すように、この接続部３０において、接続部材３１の巻枠３２と対向する側の内側面３１ａに、この内側面３１ａの全面積を覆うように、フッ素樹脂テープ（離形層）３３が貼り付けられている。このフッ素樹脂テープ３３は、片面に接着層が形成されており、当該接着層側を接続部材３１の内側面３１ａに貼り付けることによって、接続部材３１に固定されている。フッ素樹脂テープ３３は、接続部材３１の内側面３１ａと略同じか、若干大きく形成されているため、接続部材３１の内側面３１ａを覆うことができる。

図５（ａ）に、上述した超電導コイル積層体１４（図３参照）の全体を含浸樹脂６で覆い構成される積層パンケーキ型超電導コイル１３を示す。なお、本実施形態においては、２つのコイル本体１１を積層した２層構造の超電導コイル積層体１４を樹脂含浸することにより積層パンケーキ型超電導コイル１３を形成している。しかしながら、３つ以上のコイルを積層した超電導コイル積層体を用いて、多層構造となった積層パンケーキ型超電導コイルを形成しても良い。なお、その場合においては、線材同士の接続部は、コイルの最外周にも形成されることとなり、上述した接続部３０と同様に接続部材を介して上下の酸化物超電導線材１０が接続される（図７を基に本実施形態の変形例として後段で説明を行う）。

本実施形態においては、超電導コイル積層体１４を含浸樹脂６により固定しているため、電磁力に対し強い構造となっている。
含浸樹脂６としては、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を用いる事ができる。含浸樹脂６を含浸させる際には、真空含浸により超電導コイル積層体１４の隅々まで含浸樹脂６を浸透させることが望ましい。これにより積層パンケーキ型超電導コイル１３の機械的強度（コイル剛性）を向上させることができる。

図５（ｂ）、（ｃ）に、図５（ａ）に示す積層パンケーキ型超電導コイル１３の断面図を示す。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿って接続部３０を含むように断面をとった図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って接続部３０を含まない部分の断面をとった図である。
図５（ｂ）に示すように、積層パンケーキ型超電導コイル１３の接続部３０において、酸化物超電導線材１０の最外周に形成された絶縁被覆層７が除去されて、超電導積層体５が露出している。これにより、超電導積層体５の第２安定化層９が露出し、当該第２安定化層９に接続部材３１が接合されている。接続部材３１の巻枠３２に対向する内側面３１ａには、フッ素樹脂テープ３３が貼り付けられている。

図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、接続部３０以外の酸化物超電導線材１０は、絶縁被覆層７を有しており、絶縁被覆層７は内側の超電導積層体５と接着していない。したがって、酸化物超電導線材１０の臨界温度以下に冷却して使用する場合、冷却に伴う巻枠３２及び含浸樹脂６の収縮により酸化物超電導線材１０に応力が作用しようとしても、絶縁被覆層７と超電導積層体５との界面で隙間が生じ、応力を開放するので、超電導積層体５に作用する応力を緩和できる。

一方、接続部３０においては、接続部材３１との接点を確保する目的で、酸化物超電導線材１０の絶縁被覆層７は除去されている。したがって、超電導積層体５に含浸樹脂６が直接接触しており、含浸樹脂６及び巻枠３２と超電導積層体５との線膨張係数の差に起因して、応力が加わる懸念がある。そこで、本実施形態の積層パンケーキ型超電導コイル１３の接続部３０においては、接続部材３１の内側面３１ａにフッ素樹脂テープ３３が貼り付けられている。このフッ素樹脂テープ３３は、含浸樹脂６と接着しない離形層として機能する。したがって、この積層パンケーキ型超電導コイル１３を臨界温度以下に冷却して使用する場合、フッ素樹脂テープ３３と含浸樹脂６との界面に剥離が生じ、超電導積層体５に加わる応力のうち、コイル内周側（巻枠３２方向）へ加わる応力が解放され、超電導積層体５の劣化を抑制できる。

なお、本実施形態において、離形層は、フッ素樹脂テープ３３であるとしたが、離形層は、含浸樹脂６と接着しない（剥離する）ものであればこれに限るものではない。例えば、接続部材３１の内側面３１ａにフッ素樹脂コーティングを行い、フッ素樹脂コートの離形層を形成しても良い。またパラフィン、グリース、シリコンオイル等の離形剤を接続部材３１の内側面３１ａに塗布して離形層を形成しても良く、この場合においては、樹脂含浸の際に、接続部材３１の内側面３１ａから形成した離形層が流出しないように粘度高いものを用いることが望ましい。

また、本実施形態の積層パンケーキ型超電導コイル１３において、コイル最内周に位置する酸化物超電導線材１０は、接続部３０を除いて絶縁被覆層７を有し、当該絶縁被覆層７により酸化物超電導線材１０の超電導積層体５に加わる応力を軽減している。したがって、接続部３０を除くコイル最内周の酸化物超電導線材１０と巻枠３２との間には、フッ素樹脂テープ３３のような離形層を設ける必要がなく、酸化物超電導線材１０と巻枠３２が固着されている。巻枠３２を冷却装置により冷却し、熱伝導により超電導線材を冷却するにあたって、巻枠３２と酸化物超電導線材１０が固着されていることで、巻枠３２と酸化物超電導線材１０との間で熱伝導による冷却が効率良く行なわれる。

次に、以上のように構成された積層パンケーキ型超電導コイル１３を備えた超電導機器２０の一例について図６を基に説明する。
図６に示す超電導機器２０は、真空容器などの収容容器２１と、その内部に設置された４個の積層パンケーキ型超電導コイル１３と、収容容器２１の内部の積層パンケーキ型超電導コイル１３を臨界温度以下に冷却するための冷却装置２２を備えて構成された超電導マグネット装置の一例である。
積層パンケーキ型超電導コイル１３は４個重ねて配置され、積層パンケーキ型超電導コイル１３同士の間には、円板状に形成された金属製の冷却板２５を改装して全体が鍔板２６、２６の間に配置されている。
積層パンケーキ型超電導コイル１３の巻枠３２は、当該積層パンケーキ型超電導コイル１３の上下に配置されている冷却板２５又は鍔板２６と接触しており、冷却板２５又は鍔板２６が冷却されると、熱伝導により巻枠３２も冷却され、積層パンケーキ型超電導コイル１３を内側から効果的に冷却できる。

収容容器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、積層パンケーキ型超電導コイル１３は、収容容器２１の外部の電源２３に電流リード線２３ａ、２３ｂを介し接続されており、この電源２３から積層パンケーキ型超電導コイル１３に通電できるようになっている。
この超電導機器２０において、冷却装置２２を作動させると冷却装置２２が伝熱部材２８、冷却ロッド２７を介して鍔板２６、２６と複数の冷却板２５を伝導冷却する。さらに鍔板２６、冷却板２５と接触する積層パンケーキ型超電導コイル１３の巻枠３２も冷却され、積層パンケーキ型超電導コイル１３を臨界温度以下（例えば７７Ｋ以下の温度、５０Ｋあるいは２０Ｋなど）に冷却できる。
積層パンケーキ型超電導コイル１３において、巻枠３２が含浸樹脂６と接着しているため、巻枠３２を冷却することで、積層パンケーキ型超電導コイル１３を効率よく伝導冷却できる。

また、この超電導機器２０において、常温から冷却装置２２により冷却を開始し、臨界温度以下まで積層パンケーキ型超電導コイル１３を冷却して使用する場合、積層パンケーキ型超電導コイル１３を覆っている含浸樹脂６、並びに巻枠３２が熱収縮することで積層パンケーキ型超電導コイル１３に応力が作用しようとする。しかしながら、本実施形態の積層パンケーキ型超電導コイル１３は、絶縁被覆層７が含浸樹脂６と超電導積層体５との間に介在しているため、熱収縮に起因して作用する応力を緩和できる。また、絶縁被覆層７が除去されている接続部３０においては、接続部材３１の内周側にフッ素樹脂テープ３３が貼り付けられており、当該フッ素樹脂テープ３３が離形層として、応力を解放するため、超電導積層体５の劣化を抑制している。したがって、常温から臨界温度以下に冷却する操作を行って、積層パンケーキ型超電導コイル１３に熱収縮に起因する応力を作用させたとしても酸化物超電導線材１０に作用する応力を低減できるので、酸化物超電導線材１０の超電導特性を劣化させることなく超電導機器２０を使用できる。

＜変形例＞
図７に、本実施形態の変形例である４つのコイル本体１１を積層した構成を有する積層パンケーキ型超電導コイル１５を示す。
この積層パンケーキ型超電導コイル１５は、超電導コイル積層体１４（図３参照）を２段に積層し、これらの間で上下に隣接する酸化物超電導線材１０の外周端部１０ｂ、１０ｂ同士を接続部材３１を介し接続し、接続部４０を形成し、さらに含浸樹脂６を含浸させた構造となっている。

接続部４０における酸化物超電導線材１０の外周端部１０ｂは、内周端部１０ａと同様に、酸化物超電導線材１０の最外周に形成された絶縁被覆層７が除去されており、これにより露出した第２安定化層９に導電性接合材を介して接続部材３１が接合されている。また、接続部材３１の内側面３１ａには、フッ素樹脂テープ３３が貼り付けられている（図４参照）。
含浸樹脂６により覆い構成される本変形例の積層パンケーキ型超電導コイル１５において、外周端部１０ｂ、１０ｂ同士の接続部４０において、超電導積層体５は、内周端部１０ａ、１０ａ同士の接続部３０と同様に、含浸樹脂６に直接接触している。したがって、含浸樹脂６と超電導積層体５との線膨張係数の差に起因する応力が加わる懸念がある。

接続部４０は、接続部３０と同様に、接続部材３１の内側面３１ａにフッ素樹脂テープ３３が貼り付けられている。これにより、この積層パンケーキ型超電導コイル１５を臨界温度以下に冷却しても、フッ素樹脂テープ３３と含浸樹脂６との界面に剥離が生じるため、超電導積層体５のコイル内周側と外周側とにそれぞれ加わる応力のうち、コイル内周側へ加わる応力が解放され、超電導積層体５の劣化を抑制できる。

図８〜図１０に、第２、第３、第４実施形態の２層構造の積層パンケーキ型超電導コイル３４、３５、３６の断面図を示す。なお、図８〜図１０は、第１実施形態の積層パンケーキ型超電導コイル１３の断面図である図５（ｂ）に対応しており、積層パンケーキ型超電導コイル３４、３５、３６の接続部３７、３８、３９を含むように断面をとっている。また、図８〜図１０において、上述の第１実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
なお、以下に説明する第２、第３、第４実施形態の積層パンケーキ型超電導コイル３４、３５、３６には、第１実施形態と同様に、離形層として、フッ素樹脂コートやパラフィン、グリース、シリコンオイル等の離形剤を用いても良い。加えて、図６に示す超電導機器２０に応用することもできる。

＜第２実施形態＞
図８に示す第２実施形態の積層パンケーキ型超電導コイル３４は、第１実施形態と比較して、接続部３７の構造が異なる。より具体的には、フッ素樹脂テープ３３を貼り付ける対象が異なる。
フッ素樹脂テープ３３は、第１実施形態のものと同様に、接続部３７の接続部材３１より若干大きく形成されている。このフッ素樹脂テープ３３は、接続部材３１の線材とは逆側の内側面３１ａと対向する部分の巻枠３２に貼り付けられている。即ち、フッ素樹脂テープ３３の片面に形成された接着層によって、巻枠３２に貼り付けられて、巻枠３２に固定されている。
フッ素樹脂テープ３３は、接続部３７に対向する部分の巻枠３２を含浸樹脂６と固着させないための離形層として機能する。これによって、接続部３７に熱収縮によりコイル内周側及び外周側の両側から応力が加わることを抑制できる。
この積層パンケーキ型超電導コイル３４を臨界温度以下に冷却して使用する場合、フッ素樹脂テープ３３と含浸樹脂６との界面に剥離が生じ、超電導積層体５に加わる応力のうち、巻枠３２の熱収縮による巻枠３２方向の応力が解放され、超電導積層体５の劣化を抑制できる。

＜第３実施形態＞
図９に示す第３実施形態の積層パンケーキ型超電導コイル３５は、第１実施形態と比較して、接続部３８の構造が異なる。より具体的には、フッ素樹脂テープ３３を貼り付ける対象が異なる。
フッ素樹脂テープ３３は、第１実施形態のものと同様に、接続部３８の接続部材３１より若干大きく形成されている。このフッ素樹脂テープ３３は、接続部３８において、接続される超電導積層体５の基材１側に貼り付けられている。
フッ素樹脂テープ３３は、接続部３８の外周側を含浸樹脂６と固着させないための離形層として機能する。これによって、接続部３８に熱収縮によりコイル内周側及び外周側の両側から応力が加わることを抑制できる。
この積層パンケーキ型超電導コイル３５を臨界温度以下に冷却して使用する場合、フッ素樹脂テープ３３と含浸樹脂６との界面に剥離が生じ、超電導積層体５に加わる応力のうち、コイル外周側に加わる応力が解放され、超電導積層体５の劣化を抑制できる。

＜第４実施形態＞
図１０に示す第４実施形態の積層パンケーキ型超電導コイル３６は、第１実施形態と比較して、酸化物超電導線材１０を巻枠３２に巻回する際の各層の積層方向と、接続部３９の構造が異なる。
図１０に示すように、巻枠３２に巻回された酸化物超電導線材１０は、安定化層４が形成された側を内側、基材１側を外側とされている。また、接続部３９において、接続部材３１は、絶縁被覆層７を除去して露出させた第２安定化層９に接合されている。接続部材３１のコイル外周側に位置する外側面３１ｂには、フッ素樹脂テープ３３が貼り付けられている。
フッ素樹脂テープ３３は、第１実施形態のものと同様に、接続部３９の接続部材３１より若干大きく形成されており、接続部材３１の外側面３１ｂを覆うように貼り付けられている。
フッ素樹脂テープ３３は、接続部３９の外周側を含浸樹脂６と固着させないための離形層として機能する。これによって、接続部３９に熱収縮によりコイル内周側及び外周側の両側から応力が加わることを抑制できる。
この積層パンケーキ型超電導コイル３６を臨界温度以下に冷却して使用する場合、フッ素樹脂テープ３３と含浸樹脂６との界面に剥離が生じ、超電導積層体５に加わる応力のうち、コイル外周側に加わる応力が解放され、超電導積層体５の劣化を抑制できる。

幅５ｍｍ、厚さ０．０７ｍｍ、長さ３５ｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、Ａｌ_２Ｏ_３層（拡散防止層；膜厚１５０ｎｍ）と、Ｙ_２Ｏ_３層（ベッド層；膜厚２０ｎｍ）と、ＭｇＯ層（配向層；膜厚１０ｎｍ）と、ＣｅＯ_２層（キャップ層；膜厚１．０μｍ）と、ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７層（酸化物超電導層；膜厚１．０μｍ）と、銀層（第１安定化層；膜厚８μｍ）を備えた超電導積層体を用意した。なお、この超電導積層体の拡散防止層、ベッド層はイオンビームスパッタ法、配向層はＩＢＡＤ法、キャップ層、酸化物超電導層はＰＬＤ法、第１安定化層はスパッタ法により形成されている。
この超電導積層体の第１安定化層上に、０．０７５ｍｍ厚の銅テープ（第２安定化層）を錫半田（融点２３０℃）により貼り合わせて超電導積層体を作製した。次に、厚さ１５μｍ、幅４ｍｍのポリイミドテープを用意し、このポリイミドテープを前記超電導積層体にラップ巻き（図２参照）して超電導線材の外周面を覆う絶縁被覆層を形成し、酸化物超電導線材を得た。

この酸化物超電導線材を一対用意し、端部から３０ｍｍの絶縁被覆層を除去する。これらの一対の酸化物超電導線材の端部を幅方向にずらして配置し、さらに除去した部分の第２安定化層に、厚さ０．５ｍｍの、幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの銅からなる接続部材を半田付けして、実施例１及び比較例１の酸化物超電導線材の接続構造体を作製した。なお、この段階で実施例１及び比較例１の酸化物超電導線材の接続構造体は、同様の手順で作製された同形態の試料である。
実施例１及び比較例１の接続構造体を、液体窒素により７７Ｋに冷却して、臨界電流値Ｉｃ_１を測定した。
次に、実施例１及び比較例１の接続構造体を、接続部が最内周となるように、また、酸化物超電導線材の第２安定化層側が内側となるように（即ち、接続構造体の接続部材が巻枠側となるように）、内径５０ｍｍの巻枠に１２５ターン巻きつけ２層構造の超電導コイル積層体を作製した。なお、実施例１の接続構造体を巻枠に巻きつける際には、巻枠の接続部材と対向する部分に、厚さが０．０８ｍｍ、大きさが１０ｍｍ×３５ｍｍのフッ素樹脂テープを貼り付け、上述した第２実施形態に示す構造（図８参照）とした。
これらの超電導コイル積層体をエポキシ樹脂で真空含浸し実施例１及び比較例１の積層パンケーキ型超電導コイルを得た。
実施例１及び比較例１の積層パンケーキ型超電導コイルを液体窒素を用いて７７Ｋに冷却し、臨界電流値Ｉｃ_２を測定した。
実施例１及び比較例１の接続構造体としての臨界電流値Ｉｃ_１と積層パンケーキ型超電導コイルとしてのＩｃ_２の測定結果、並びにこれらの比であるＩｃ_２／Ｉｃ_１を表１にまとめて示す。

実施例１と比較例１の接続構造体の臨界電流値Ｉｃ_１が異なるのは、線材の個体差に由来するものであると考えられる。
また、実施例１において、接続構造体としての臨界電流値Ｉｃ_１に対して積層パンケーキ型超電導コイルとしてのＩｃ_２が低下しているのは、巻回してコイル形状としたことにより、接続構造体の状態と比較してより強力な磁場が、酸化物超電導線材に印加され、この磁場によって、臨界電流値が低下したためと考えられる。
これに対して、比較例１においては、接続構造体としての臨界電流値Ｉｃ_１に対して積層パンケーキ型超電導コイルとしてのＩｃ_２が大幅に低下している。これは、含浸樹脂及び巻枠と酸化物超電導線材を構成する各層との線膨張係数の差により冷却時に超電導線材の厚さ方向に応力が作用し超電導特性が劣化したためであると考えられる。
以上実施例に示すように、フッ素樹脂テープからなる離形層を、接続部材と対向する巻枠に貼り付けて形成することによって、積層パンケーキ型超電導コイルが劣化することを抑制できることが確認された。

１…基材、２…中間層、３…酸化物超電導層、４…安定化層、５…超電導積層体、６…含浸樹脂、７…絶縁被覆層、７Ａ…絶縁テープ、８…第１安定化層、９、１２…第２安定化層、１０…酸化物超電導線材、１０ａ…内周端部、１０ｂ…外周端部、１１…コイル本体、１３、３４、３５、３６…積層パンケーキ型超電導コイル、１４…超電導コイル積層体、２０…超電導機器、２２…冷却装置、２５…冷却板、２６…鍔板、３０、３７、３８、３９、４０…接続部、３１…接続部材、３１ａ…内側面、３１ｂ…外側面、３２…巻枠、３３…フッ素樹脂テープ（離形層）

Claims

巻枠に絶縁被覆層を有するテープ状の酸化物超電導線材を巻回したコイル本体を積層し、巻回された酸化物超電導線材の端部同士に導電性の接続部材を橋渡しして接続部が形成され、樹脂を含浸させた積層パンケーキ型超電導コイルであって、
前記酸化物超電導線材の端部であって前記接続部の前記接続部材との接点においては、前記絶縁被覆層が除去されており、
前記接続部の内周側、又は外周側の何れか一方又は両方に、含浸に用いる含浸樹脂と接着しない離形層が形成されていることを特徴とする積層パンケーキ型超電導コイル。
前記接続部が、巻回された酸化物超電導線材の内周端部に形成され、
前記離形層が、前記接続部と前記巻枠の間、又は前記接続部とその外周に巻きつけられる前記酸化物超電導線材との間の何れか一方又は両方に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層パンケーキ型超電導コイル。
前記離形層が、フッ素樹脂テープ、フッ素樹脂コート、パラフィン、グリース、シリコンオイルのうち何れか１つ又は２つ以上の組み合わせからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層パンケーキ型超電導コイル。
請求項１〜３の何れか一項に記載の積層パンケーキ型超電導コイルが備えられたことを特徴とする超電導機器。