JP2018026222A - テープ型高温超電導線材 - Google Patents

Abstract

【課題】製造効率が良く、高精度のクエンチ前兆電圧検出が容易なテープ型高温超電導線材を提供する。【解決手段】高温超電導領域を備える高温超電導線材が、さらに線材長手方向に一続きに形成された導体領域（絶縁導線１２）を備え、なおかつこの導体領域が超電導領域から絶縁されている。【選択図】図１

Description

本発明は、高温超電導コイル等を構成するために用いられるテープ型高温超電導線材に関する。

超電導線材がコイル状に巻回された超電導コイルには、コイル内部で電圧が発生することによって急激に発熱して電流を流せなくなる現象、いわゆるクエンチが発生する虞がある。

クエンチを引き起こす原因には様々なものがある。その中でも、超電導線材中に存在する先天的もしくは後天的な欠陥、具体的には局所的に他よりも臨界電流の低い部位で発熱が始まる、いわゆるホットスポット型のクエンチについては、次のような問題点がある。

第一の問題点としては、ホットスポットはコイル内の超電導線材中どこにでも発生する虞があり、特定の部位のみを監視または保護するのでは確実に防ぐことができない。第二の問題点としては、ひとたびホットスポットが形成されると急速に発熱してクエンチへと発展してしまうため、熱によるコイルの損傷を防ぐためには発熱が始まる以前のごく小さな前兆電圧を検出しなければならない。ところが、コイルでは電流や磁束の変化により誘導電圧が生じ、これがホットスポットの電圧を検出する際のノイズとなってしまう。よって、ホットスポットによるクエンチ、もしくはその熱によるコイルの損傷を未然に防ぐためには、何らかの手法でコイルに生じる誘導電圧をキャンセルし、ごく小さなクエンチ前兆電圧を検出しなければならない。

誘導電圧をキャンセルしてホットスポットの電圧を検出する手法としては、例えばブリッジ回路法がある。この手法は、コイルを二分割する位置に電圧測定部位を設け、同じく二分割した位置に電圧測定部位を設けた抵抗をコイルと並列に配して、抵抗の電圧降下によって誘導電圧をキャンセルするものである。この手法は回路構成が簡単で必要な構造の追加によるデメリットもないため広く用いられているが、二分割したコイルの領域に異なる外部磁場が印加されると、誘導電圧を十分にキャンセルできないという問題がある。

また、特許文献１には、絶縁被覆された導線（以下、絶縁導線ともいう。）をコイルに共巻きにすると、共巻きの絶縁導線にコイルと同じ誘導電圧が生じることを利用して、コイルのクエンチ前兆電圧検出を行う手法が記載されている。特許文献１には、差動アンプ（比較器）を用いて誘導電圧をキャンセルする手法が記載されている。あるいは、コイルと共巻き導線を直列に接続してその両端電圧を直接測定しても、誘導電圧をキャンセルしてクエンチ前兆電圧を検出することができる。

特開昭５９−１５２６０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された手法では、共巻きの絶縁導線を、超電導線材の長手方向に加工された溝に埋め込むため、以下で示されるように、量産される超電導線材の歩留まりを悪化させずに上述の加工を施すことが相当に困難である。

上述した特許文献１の出願当時に用いられている超電導線材は、いわゆる低温超電導線材（以下、ＬＴＳ線材ともいう。）であり、一般的には、金属シースで覆われた超電導線を延伸プロセスによって細く引き伸ばして作製される。このとき線引きの際のダイス金具に細工をすれば線材に溝を形成することができるが、加工の際に溝の周辺に圧力が加わるため製造不良の原因となる。

また、ＬＴＳ線材の断面形状は通常、略円形であり、用途によってはアスペクト比の高くない平角型、言い換えれば比較的薄くない平角型のものもある。一方、ＲＥＢＣＯ線材やＢＳＣＣＯ線材等の酸化物系の高温超電導線材（以下、ＨＴＳ線材ともいう。）は、断面が薄いテープ型（リボン型）であり、ここに溝を形成して絶縁導線を埋め込む構成をとることは非常に困難である。ここで、絶縁導線を溝に埋め込む方式の代替案として、ＨＴＳ線材と同じ幅を持つ絶縁導線を用意してコイル作製時にＨＴＳ線材と共巻きにすることが考えられる。例えば、絶縁導線として広く用いられているエナメル被覆銅線をＨＴＳ線材と共巻きにすることが考えられる。

しかしながら、共巻き機能をもつコイルの製造装置は、単純なコイルの製造装置と比べて大掛かりになってしまう上、張力の調整などの手間を要する。また、共巻き絶縁導線を含む回路の電圧でクエンチを検出するためには、ＨＴＳ線材と共巻き絶縁導線が途中で短絡していないことが重要であり、共巻き工程の際に導電性の異物が混入する等の理由で１か所でも短絡箇所が生じると、短絡箇所から先に生じるクエンチ電圧を検出できない。そのうえ、コイルとして完成した後には誘導電圧がキャンセルされてしまうことなどから、短絡があるかどうかの判断も難しい。また、共巻き工程の最中にも短絡箇所の有無の確認は困難であり、絶縁導線の共巻き工程はコイルの製造効率を大きく低下させる虞を伴う。

本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、製造効率が良く、コイル化されたとき高精度のクエンチ前兆電圧検出が容易なテープ型高温超電導線材を提供することを目的とする。

本発明に係るテープ型高温超電導線材の一の態様は、高温超電導領域を備えた超電導線材部と、線材の長手方向に一続きに形成された導体領域と、前記超電導線材部と前記導体領域との間に、電気絶縁素材を備えており、前記導体領域は前記高温超電導領域から絶縁されている。ただし、ある状態または条件においてそれらが絶縁されていなくても、簡単な処理によって絶縁状態とすることができるものも実質的に絶縁されているとみなす。

上記構成によれば、高温超電導領域を備えた超電導線材部と、超電導領域から絶縁され、線材長手方向に一続きに形成された導体領域と、が一体化されており、コイル化されたときこの導体領域が、超電導領域の誘導電圧をキャンセルするための共巻き導線として機能する。

また、上記構成によれば、コイル作製時に超電導線材と共巻き導線との共巻き工程を行う必要がない。このため、上記構成によれば、共巻き機能を持たないコイルの製造装置で共巻き導線を備えた超電導コイルを作製することができる。さらに、共巻き工程が不要となり、短絡箇所発生のリスクを低減させることができる。

本発明に係るテープ型高温超電導線材の好ましい態様によれば、前記導体領域が前記電気絶縁素材で被覆されていることを特徴とする。

本発明に係るテープ型高温超電導線材の好ましい態様によれば、前記超電導線材部が電気絶縁素材で被覆されていることを特徴とする。

本発明に係るテープ型高温超電導線材の好ましい態様によれば、前記超電導線材部と前記導体領域とが線材の厚さ方向に配置されていることを特徴とする。

本発明に係るテープ型高温超電導線材の好ましい態様によれば、前記導体領域の幅が、前記テープ型高温超電導線材の幅よりも狭いことを特徴とする。

本発明に係るテープ型高温超電導線材の好ましい態様によれば、前記導体領域と線材幅方向に隣接する領域の少なくとも一部に金属領域を備えることを特徴とする。

本発明によれば、製造効率が良く、コイル化されたとき高精度のクエンチ前兆電圧検出が容易なテープ型高温超電導線材を提供することができる。

図１（Ａ）は、本実施形態に係るテープ型高温超電導線材１００の分解斜視図であり、図１（Ｂ）は、テープ型高温超電導線材１００の断面図である。 図２（Ａ）は、テープ型高温超電導線材１００を用いて作製した超電導コイルの概略図であり、図２（Ｂ）は、ダブルパンケーキコイル２００における３ターン分の断面構造を示した図である。 図３は、ダブルパンケーキコイルに共巻きされた絶縁導体を用いて誘導電圧をキャンセルするために構成される回路構成を示した回路図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、変形例に係るテープ型高温超電導線材の断面構造を示した図である。 図５は、ダブルパンケーキコイルでブリッジ回路電圧を測定する回路構成を示した回路図である。 図６は、ダブルパンケーキコイルにおける両パンケーキコイルに非対称な外部磁場を印加する状況を説明するための図である。

本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、高温超電導コイル等を構成するために用いられるテープ型高温超電導線材に関する。

図１（Ａ）は、本実施形態に係るテープ型高温超電導線材１００の分解斜視図であり、図１（Ｂ）は、テープ型高温超電導線材１００の断面図である。

テープ型高温超電導線材１００は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、高温超電導線材１１（以下、ＨＴＳ線材１１ともいう。）と、ＨＴＳ線材１１から絶縁された絶縁導線１２と、が線材厚さ方向に積層されたものである。

ＨＴＳ線材１１は、例えば図１（Ｂ）に示すように、超電導領域の一態様であるＲＥＢＣＯ超電導層１１３が線材長手方向に一続きに形成された線材であって、具体的には次のような積層構造からなる。すなわち、ＨＴＳ線材１１は、図１（Ｂ）に示すように、基板１１１に、中間層１１２と、ＲＥＢＣＯ超電導層１１３と、保護層１１４を順次積層させ、当該積層体の周囲を安定化層１１５で被覆したものである。基板１１１は、ハステロイ（登録商標）やステンレスなどが用いられる。中間層１１２は、ＲＥＢＣＯ超電導層１１３の下地となる層であり、熱膨張率や格子定数などの物理的な特性値が基板１１１とＲＥＢＣＯ超電導層１１３を構成する超電導体との中間的な値を示すものが用いられる。ＲＥＢＣＯ超電導層１１３は、イットリウムなどの希土類原子、銅の酸化物などからなる高温超電導体である。保護層１１４は、ＲＥＢＣＯ超電導層１１３の表面を覆う層であって、例えば銀が用いられる。安定化層１１５は、上述したように基板１１１に中間層１１２とＲＥＢＣＯ超電導層１１３と保護層１１４を順次積層させた積層体の周囲を覆う層であって、例えば銅が用いられる。

図１（Ａ）の絶縁導線１２は、絶縁テープ１３１、１３２により挟まれた銅メッキテープ１２１である。銅メッキテープ１２１は、導体領域の一態様である銅メッキ層１２１ｂが、基材テープ１２１ａの上に、線材長手方向に一続きに形成されたテープである。具体的には、銅メッキテープ１２１は、たとえばポリイミドなどの高分子材料からなる基材テープ１２１ａの一方の表面に、メッキ処理により銅メッキ層１２１ｂが形成されたテープである。基材テープ１２１ａおよび銅メッキ層１２１ｂは、後述するように、超電導領域であるＲＥＢＣＯ超電導層１１３に生じる誘導電圧をキャンセルする共巻き導線として機能する。また、銅メッキテープ１２１の上面と下面には、それぞれ絶縁テープ１３１、１３２が貼り付けられている。このようにして銅メッキテープ１２１の表面が、電気絶縁素材である絶縁テープ１３１、１３２により覆われているため、銅メッキテープ１２１をＲＥＢＣＯ超電導層１１３（超電導領域）から絶縁することができる。

なお、絶縁導線１２は上述した構造のものに限らず、たとえば銅の平角線の周囲にエナメル被覆を形成したものを用いてもよい。あるいは絶縁導線１２としてむき出しの銅平角線を用い、高温超電導線材１１を絶縁被覆する形でもよい。その場合もコイル化された際にはむき出しの銅の平角線がＨＴＳ線材１１から電気的に絶縁され、結果的に絶縁導線となる。図１（Ｂ）以降の図では、絶縁導線１２として、絶縁被覆処理を施された銅の平角線を用いて、本実施形態に係るテープ型高温超電導線材を説明する。

以上のような構成からなるテープ型高温超電導線材１００は、超電導領域を有するＨＴＳ線材１１と、超電導領域から絶縁された導体領域を有する絶縁導線１２と、が一体化されているため、当該テープ型高温超電導線材１００を巻回してコイルを作製した際に、絶縁導線１２（導体領域）が、ＲＥＢＣＯ超電導層１１３（超電導領域）に生じる誘導電圧をキャンセルする共巻き導線として機能する。

テープ型高温超電導線材１００を用いて作製した超電導コイルの一例として、図２（Ａ）に、ダブルパンケーキコイル２００を示す。ダブルパンケーキコイル２００は、図２（Ａ）に示すように、巻き枠２０１上部において同一平面径方向にテープ型高温超電導線材１００が巻回された上部パンケーキコイル２１０と、巻き枠２０１下部において同一平面径方向にテープ型高温超電導線材１００が巻回された下部パンケーキコイル２２０と、から構成される。ダブルパンケーキコイル２００では、上部パンケーキコイル２１０の最内径ターン２１１と、および下部パンケーキコイル２２０の最内径ターン２２１とが、それらの内側に巻回されている橋渡し部２３０で接続されている。

図２（Ｂ）は、ダブルパンケーキコイル２００において、３ターン分の断面構造を示した図である。図２（Ｂ）に示すように、ＨＴＳ線材１１と絶縁導線１２とが共巻きされており、それらが空間上でほぼ同じ位置を占めているため、それらは磁気的に完全に結合した２つのコイルを構成することになる。これを等価回路図で表すと、図３のようになる。ここでダブルパンケーキコイル３０１がテープ型高温超電導線材１００によるダブルパンケーキコイル２００のＨＴＳ線材１１からなるコイルに、ダブルパンケーキコイル３０２が同じくダブルパンケーキコイル２００の絶縁導線１２からなるコイルに、それぞれ対応する。これら２つのダブルパンケーキコイル３０１、３０２が互いに向き合っており、磁気的に結合していることを示している。そして、図３に示されるようにコイル駆動用電流源３１０をダブルパンケーキコイル３０１に接続すると、ダブルパンケーキコイル３０１のみに電流を通電させることができる。２つのダブルパンケーキコイル３０１、３０２については、図３に示されるようにそれぞれの一方の端のみを電気的に接続しておく。

ここで、ダブルパンケーキコイル２００が変動する外部磁場に晒されると、それが図３のダブルパンケーキコイル３０１、３０２の両方に同様に作用し、その結果、両ダブルパンケーキコイルに同じ大きさの誘導電圧が生じる。このとき、図３の２点３０２ａ、３０２ｂ間の電圧を見ると、両ダブルパンケーキコイルの誘導電圧が互いに逆の符号で積算されて打ち消し合う。また、図３の回路図においてダブルパンケーキコイル３０１に電流が流れていたとしてもダブルパンケーキコイル３０２には電流は流れない。ゆえに絶縁導線に相当するダブルパンケーキコイル３０２に誘導電圧以外の電圧が生じることはなく、２点３０２ａ、３０２ｂ間の電圧を測定することにより、超電導線に相当するダブルパンケーキコイル３０１に生じる誘導電圧以外の電圧のみを検出することができる。

以上のように、本実施形態に係るテープ型高温超電導線材１００によれば、超電導領域の誘導電圧をキャンセルするための共巻き導線を備え、超電導領域に生じる誘導電圧以外の電圧のみを高精度に検出することが可能な超電導コイルを、超電導線材と共巻き導線との共巻き工程を行うことなく作製することができる。このため、コイルの製造装置に共巻き機能が必要ではなくなり、さらに短絡箇所発生のリスクを低減させることができる。

なお、本実施形態に係るテープ型高温超電導線材は、上述した図１に示すような構成に限らない。例えば、絶縁導線１２の幅は、ＨＴＳ線材１１の幅と同じである必要はない。伝導冷却型のパンケーキコイルでは、コイル側面に冷却板を貼り付ける構成をとることが多く、その場合、冷却板とＨＴＳ線材１１との位置関係ができる限り近いほうが好ましい。そこで、図４（Ａ）に示す変形例１に係るテープ型高温超電導線材１００ａのように、絶縁導線１２の幅をＨＴＳ線材１１よりも狭めることで、パンケーキコイル化された際にＨＴＳ線材１１の幅方向の端部を確実に冷却板に近接させることができる。

また、図４（Ｂ）に示す変形例２に係るテープ型高温超電導線材１００ｂのように、絶縁導線１２の幅をさらに狭め、空いたスペース（隙間）を銅、金、銀、アルミニウムなどの比較的低抵抗の金属１４に占めさせてもよい。この場合、隙間を埋める金属１４は、はんだ１４ａを介してＨＴＳ線材１１に接合することができる。このような構成の線材は、ＨＴＳ線材１１に、それより幅の狭い金属条（金属１４に対応）を予めはんだ付けしておき、空いたスペースに収まるように、絶縁導線１２を貼り付けることで、比較的容易に作製することができる。

さらに、テープ型高温超電導線材１００ｂのどちらかの面を覆うように、絶縁テープ１５を貼り付けてもよい。その場合、この絶縁テープ１５により、コイルのターン間を絶縁することができる。なお、超電導コイルの場合必ずしもターン間が絶縁されている必要はなく、金属層を介して電気的に接合していてもよい。そのような超電導コイルは無絶縁コイルと呼ばれ、通電電流の増減に時間がかかるというデメリットがあるものの、クエンチが生じても大事に至らないというメリットがある。

上述した変形例２に係るテープ型高温超電導線材１００ｂでは、ＨＴＳ線材１１にはんだ接合された金属１４が、ＨＴＳ線材１１の安定化層としての役割も担うという点で好ましい。ここで、安定化層は、超電導コイルがクエンチした際の電流の迂回路として、また熱を周囲に逃がす排熱経路として機能し、クエンチによる超電導コイルへの影響を小さく抑えるための構造である。高温超電導線材の周囲にメッキ処理で形成したり、あるいは銅条を高温超電導線材にはんだ付けしてそれを安定化層とする形式がある。いずれの場合も、従来安定化層の幅は高温超電導線材の幅とほぼ同じで、高温超電導線材の厚さは形成される安定化層の厚さ分だけ厚くなる。安定化層の役割を考えるとその厚さは厚いほど好ましいが、一方で超電導コイルとしては、ターン間隔が狭い、すなわち高温超電導線材の厚さが薄いほど好ましい。その方がコイルの電流密度を高くでき、その結果短い高温超電導線材によるコンパクトなコイルで所望の磁場強度を得ることができるからである。

ＨＴＳ線材１１と絶縁導線１２とを共巻きにすればコイルのターン間隔は絶縁導線１２の厚さの分だけ広がり、コイルの電流密度はその分だけ低下してしまう。しかしながら、テープ型高温超電導線材１００ｂのように絶縁導線１２と追加の安定化層（金属１４）とを幅方向に共存させれば、一方の分だけの厚さの増大で双方の機能を超電導コイルに付与することができ、効率がよい。

次に、上述した実施形態に基づいて作製した実施例１、２について説明する。

（実施例１）
実施例１は、上述したテープ型高温超電導線材１００の具体例であって、下記のようにして幅４ｍｍのテープ型高温超電導線材を作製した。

まず、絶縁導線として、フレキシブル銅メッキシートをテープ型に切断した銅メッキテープを用いた。このフレキシブル銅メッキシートは、厚さ２５μｍのポリイミド製シートを基材としてその上に蒸着で薄い金属層を形成し、さらにその上に厚さ８μｍの銅の層をメッキ処理で析出させたものである。また、銅メッキテープの幅を４ｍｍよりも狭い３ｍｍとした。このように銅メッキテープの幅を３ｍｍとし、後述のように、幅４ｍｍの絶縁テープで覆い尽くすことで、銅の領域が露出してＨＴＳ線材と短絡することを確実に回避できた。

絶縁テープには、厚さ２５μｍのポリイミドテープを用いた。つまり、２枚の粘着性ポリイミドテープで銅メッキテープを挟み込み、絶縁導線を作製した。ただし、銅メッキテープの銅メッキ層側には粘着性ポリイミドテープの非粘着面を合わせて貼り付け、銅層を容易に露出させられるようにした。具体的には、まず一方の粘着性ポリイミドテープの粘着面を銅メッキテープの基材側と貼り合わせ、続いて銅メッキテープの銅メッキ層の上に別の粘着性ポリイミドテープの非粘着面を貼り合わせた。

ここで、ポリイミドテープと比べて銅メッキテープの幅が１ｍｍ分狭いため、銅メッキテープの下に位置する粘着性ポリイミドテープには、幅１ｍｍ分の「のりしろ」が形成される。このため、銅メッキテープの銅メッキ層側から、粘着性ポリイミドテープの非粘着面を貼り付けることができる。

上記のようにして、銅メッキテープをポリイミドテープで挟み込んだサンドウィッチ型の絶縁導線は、厚さが９０μｍであった。また、この絶縁導線の電気抵抗は、室温でおよそ０．７Ω／ｍであり、液体窒素温度以下の極低温では、０．７Ω／ｍよりも一桁もしくはそれ以上低くなる。

なお、この絶縁導線に用いる金属は銅でなくてもよく、導線全長の電気抵抗が電圧測定に影響しなければよい。その値が電圧測定機構の内部抵抗と比べて十分小さければよい。例えば電圧測定機構の内部抵抗が１ＭΩ以上である場合には、導線全長の電気抵抗が（実使用条件である極低温で）１ｋΩ以下であれば、電圧測定にほとんど影響はない。

ＨＴＳ線材の具体例である幅４ｍｍのＳｕｐｅｒ Ｐｏｗｅｒ社製ＲＥＢＣＯ線材に、上記の通り作製されたサンドウィッチ型の絶縁導線を貼り合わせた。貼り合わせる向きはどちらでも構わないが、電圧測定タップや電極を超電導層側に取り付ける場合には、超電導層側が露出する向きでサンドウィッチ型の絶縁導線を貼り合わせることが好ましい。なお、絶縁導線側はもちろん粘着面の側をＲＥＢＣＯ線材に貼り付ける向きである。ＲＥＢＣＯ線材の厚さは０．１ｍｍで、サンドウィッチ型の絶縁導線を貼り合わせた全体の厚さは０．２ｍｍとなった。

上記のように作製された実施例１に係るテープ型高温超電導線材を４０ｍ分用いて、ダブルパンケーキコイルを作製した。ダブルパンケーキコイルの巻き枠は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製の円筒で、寸法が外径φ１２０ｍｍ、内径φ１００ｍｍ、軸方向高さ（コイルの厚さに相当）が１２ｍｍであるものを用いた。このような巻き枠に、上下両パンケーキコイルとも４７ターン分、実施例１に係るテープ型高温超電導線材を巻回した。ただし、最内ターンは、両パンケーキコイルの橋渡し部として共有した。このようにして作製された両パンケーキコイルの外径はφ１４０ｍｍとなった。平均ターン間隔は０．２１ｍｍである。両パンケーキコイルの外側側面（ターンの積層が見える面）は、巻き枠の側面の位置と一致するように揃えられ、その結果両パンケーキコイルの間隔は４ｍｍとなった。

両パンケーキコイルの橋渡し部ではＲＥＢＣＯ線材に電圧測定タップを設け、電圧測定のための被覆導線に接続した。これは図５に示される回路図の電圧測定点５３５に相当し、この被覆銅線が電圧計に接続されてブリッジ回路電圧が測定される。さらにこのダブルパンケーキコイルの両端に位置するＲＥＢＣＯ線材にそれぞれ被覆銅線を接続し、図５の回路図に示されている形で１ｋΩの抵抗２つに接続され、ブリッジ回路を構成した。

実施例１に係るテープ型高温超電導線材の全長４０ｍのうち、ダブルパンケーキコイルとして巻回された線材の長さは３８ｍほどであった。両パンケーキコイルの外側の端は引き出されて、それらのＲＥＢＣＯ線材がそれぞれの銅製電極にはんだ付けされた。なお、それらの電極はコイル駆動用電源につながる電流リードに接続されている。また、引き出された端部分の絶縁導線を、銅製の電極の直前で切断し、当該切断部で銅の面を露出させた。この両端部分の絶縁導線のうち、下側のパンケーキコイルの線材引き出し部では、銅の露出部を、接しているＲＥＢＣＯ線材にはんだ付けした。もう一方の上側のパンケーキコイルの引き出し部では、絶縁導線の銅の露出部を、ＲＥＢＣＯ線材とともにそれぞれの電圧測定用被覆導線に接続した。このように接続することで、両電圧測定用被覆導線の間の電圧ではダブルパンケーキコイルに生じる誘導電圧がほぼ完全にキャンセルされ、絶縁導線が接しているＲＥＢＣＯ線材の領域に生じる誘導電圧を除いた電圧のみが測定されることになる。

上記のように作製された実施例１に係るダブルパンケーキコイルでは、インダクタンスが１．９ｍＨと計算された。なお、コイルのインダクタンスはコイルの磁気エネルギーから計算することができる。一般に磁気エネルギーＥ_ｍは以下のように表すことができる。

ここで、ｊは電流密度（ベクトル）、Ａはベクトルポテンシャル（ベクトル）を表し、ある位置ｒ（ベクトル）でのベクトルポテンシャルは次のように計算される。

外部磁場が存在しない状態でコイルにより作り出されるこの磁気エネルギーが、自己インダクタンスＬとコイル電流Ｉ_ｃｏｉｌ＝∫ｊ（ｗ）ｄｗにより、コイルエネルギーは、次のように表される。

上記の両式を突き合わせれば、コイルのインダクタンスＬの値を計算することができる。

以上のようにして作製されたダブルパンケーキコイルに対して、両パンケーキコイルに非対称な外部磁場を印加する状況を考える。その具体的な状況として、図６に示すように、巻き枠６０１に上下２つのパンケーキコイル６１０、６２０が形成されるように超電導線をそれぞれ４７ターン分巻回したダブルパンケーキコイル６００の下面に、別のシングルパンケーキコイル６５０を配置し、ダブルパンケーキコイル６００とは独立に電流通電する状況を考える。シングルパンケーキコイル６５０は、幅４ｍｍ、厚さ５０μｍの銅条線を円筒形の巻き枠６５１に巻回して作製した。ただし、幅４ｍｍ、厚さ２５μｍのポリイミドテープを共巻きにしてターン間の絶縁をとっている。巻き枠６５１はＦＲＰ製で、寸法は外径φ１２０ｍｍ、内径φ１００ｍｍ、軸方向高さ（コイルの厚さに相当）は４ｍｍである。ここに上述した銅条線と絶縁テープを１２５ターン分巻回したところ、その外径がφ１４０ｍｍとなった。ターン間の平均間隔は０．０８ｍｍと計算される。この銅条シングルパンケーキコイル６５０をダブルパンケーキコイル６００の下側に配置するが、両巻き枠６０１、６５１の間に厚さ１ｍｍのスペーサ６６０を挟んだ。こうして作製された銅条のシングルパンケーキコイル６５０のインダクタンスは４．０ｍＨと計算された。

このシングルパンケーキコイル６５０が作り出す磁場のうち、ダブルパンケーキコイル６００に誘導電圧をもたらすのはコイル軸方向の磁場成分のみである。銅条のシングルパンケーキコイル６５０中央から軸方向に５ｍｍ上方の面（ダブルパンケーキコイル６００を構成する下側パンケーキコイル６２０の中央に相当）と同１３ｍｍ上方の面（ダブルパンケーキコイル６００を構成する上側パンケーキコイル６１０の中央に相当）に形成される磁場分布を計算し、その結果からダブルパンケーキコイル６００を構成する両パンケーキコイル６１０、６２０を貫く銅条シングルパンケーキコイル６５０の磁束を計算した。その計算値は、銅条シングルパンケーキコイル６５０の通電電流１Ａあたりの値でそれぞれ２６μＷｂ／Ａ（下側パンケーキコイル６２０）、１８μＷｂ／Ａ（上側パンケーキコイル６１０）となった。なお、磁束の大きさは磁場（磁束密度）を面積分することで計算され、磁場の大きさは次に示すビオ−サバールの法則から計算される。

以上で述べた銅条のシングルパンケーキコイル６５０に、振幅２Ａ、周波数４Ｈｚの交流電流を通電する状況を考える。一般に、ある回路に生じる誘導電圧は、その回路を貫く磁束の変化速度によって表される。この交流電流の最大変化速度は２π×２Ａ×４Ｈｚ≒５０Ａ／秒であることから、作製したダブルパンケーキコイル６００に当てはめると、下部パンケーキコイル６２０に生じる最大の誘導電圧は、２６μＷｂ／Ａ×５０Ａ／秒＝１３００μＷｂ／秒＝１．３ｍＷｂ／秒に巻き数４７を乗じた６１ｍＶとなる。上部パンケーキコイル６１０についても同様に計算すると、誘導電圧の最大値は４２ｍＶとなる。両パンケーキコイル６１０、６２０の橋渡し部に取り付けられた電圧測定タップを用いて、上述した図５に示されるブリッジ回路を構成すると、最大でこの差の半分、すなわち１０ｍＶ近い誘導電圧がブリッジ回路電圧に乗ってきてしまうことになる。

上記のように、誘導電圧がブリッジ回路電圧に乗ると、たとえば１ｍＶ以下のクエンチ前兆電圧を誤りなく検出することは非常に困難である。一方、実施例１に係るダブルパンケーキコイルでは、サンドウィッチ型の絶縁導線がＲＥＢＣＯ線材と共巻きされた構造になっており、上述した図３に示される回路を構成することもできる。上述したように、図３に示される回路を構成することで誘導電圧をキャンセルできるため、１ｍＶ以下のクエンチ前兆電圧でも誤りなく検出することができる。

（実施例２）
実施例２は、上述したテープ型高温超電導線材１００ｂの具体例であって、下記のようにして幅４ｍｍのテープ型高温超電導線材を作製した。

まず、幅４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのＲＥＢＣＯ線材の裏面、すなわち超電導層が形成されていない側（基板側）の面において、線材幅方向の一方の端の位置を合わせて、幅３ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍの銅条を沿わせた。ただしこの銅条は、ＲＥＢＣＯ線材に接する方の面に、低融点はんだ（たとえば錫鉛はんだ）による被覆処理が施してある。

続いて、ＲＥＢＣＯ線材と銅条とを複合した線材（以下、複合線材という。）を２３０℃程度に加熱された一定長さの金属部材に接触させて流し、短時間（２〜３分）加熱してはんだ接合した。

また、絶縁導線としては、幅０．８ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの銅条をエナメル被覆処理したものを用いた。エナメル樹脂としては、ウレタン樹脂やホルマール樹脂など通常のエナメル被覆銅線に広く使用されているものを用いればよい。ここではウレタン樹脂を用いた。エナメル被覆の厚さを１０〜１５μｍとし、絶縁導線全体の厚さを０．０８ｍｍ程度とした。

この絶縁導線の一方に粘着剤を薄く塗布し、上述した複合線材に、銅条に隣接した隙間を埋めるように貼り合わせた。この段階で複合線材の全体の厚さは、平均０．１８ｍｍとなった。

さらに、幅４ｍｍ、厚さ２５μｍの粘着性のポリイミドテープを銅条および絶縁導線側に貼り付け、この貼り付け面を電気的に絶縁した。こうして作製されたテープ型高温超電導線材は、全体の厚さが平均０．２１ｍｍとなった。

次に、上記のように作製した実施例２に係るテープ型高温超電導線材を用いて、実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイル（以下、実施例２に係るダブルパンケーキコイルという。）を作製した。

実施例２に係るダブルパンケーキコイルは、第１実施例に係るダブルパンケーキコイルと同様に、外部磁場の影響を受けることなく高精度にクエンチ前兆電圧を検出でき、さらに加えて次のようなメリットもある。以下では、コイル内部にホットスポットが発生して急激な温度上昇を伴うクエンチが生じる状況を想定して、実施例２に係るダブルパンケーキコイルのメリットについて説明する。

実施例２に係るテープ型高温超電導線材に用いた厚さ０．１ｍｍのＲＥＢＣＯ線材は、厚さ５０μｍのハステロイ基板の上に、中間層、ＲＥＢＣＯ超電導層、銀保護層（厚さ５μｍ）を形成し、その周囲に厚さ２０μｍの銅安定化層がメッキ処理で形成された構造である。このＲＥＢＣＯ線材では、銅安定化層の実効厚さは４０μｍであり、同じ機能を持つ銀保護層の分も加えると安定化層の実効厚さは４５μｍ程度ということになる。

ここで、実施例２に係るテープ型高温超電導線材では、はんだを用いてＲＥＢＣＯ線材に接合させた銅条も安定化層の役割を担うことから、その寸法（幅３ｍｍ、厚さ８０μｍ）を考慮すると、安定化層の実効厚さは１０５μｍ相当となる。これは、ＲＥＢＣＯ線材単体がもつ安定化層の実効厚さと比べておよそ２．３倍の量である。

一方、上述した実施例１に係るテープ型高温超電導線材は、全体の厚さが実施例２に係るテープ型高温超電導線材とほぼ同じ（０．２ｍｍ）であるが、上述したように、ＲＥＢＣＯ線材が持つ以上の安定化層はない。そのため、実施例２に係るテープ型高温超電導線材は、実施例１に係るテープ型高温超電導線材と比べて正味およそ２．３倍の安定化層を持つことになる。このことから、クエンチが生じた状況において実施例２に係るダブルパンケーキコイルには次のようなメリットがある。

まず、クエンチが発生した際には常電導化した超電導層に代わって安定化層を全電流が流れることになり、その時の発熱量は安定化層の電気抵抗に、すなわちその実効厚さの逆数に比例する。また、パラフィンなどの比較的硬くない含浸材を用いるコイルの場合、ターン間の熱伝導が小さく、熱の多くが安定化層を線材長手方向に伝導していく。ゆえにコイル内部の熱抵抗も安定化層の実効厚さに反比例することになる。発熱部の温度上昇量は基本的に主要な伝熱経路の熱抵抗に比例するため、このような場合、実施例２に係るダブルパンケーキコイルでは、クエンチを発生させたホットスポットの温度上昇量を、実施例１に係るダブルパンケーキコイルに比べて低く抑えることができる。上述した発熱量の低減効果も合わせると、実施例１に係るダブルパンケーキコイルではホットスポットの温度が激しく上昇してしまうようなクエンチが実施例２に係るダブルパンケーキコイルに生じても、ホットスポットの温度上昇量をそれよりもはるかに小さく抑えることができる。

（まとめ）
実施例１、２のいずれのダブルパンケーキコイルも、絶縁導線を備えていることから、クエンチの発生を早期に検出することができる。そしてその後速やかかつ適切にコイルへの通電を停止させれば、過度の温度上昇によって超電導線材が焼け切れてしまうような事態は避けることができる。しかしながら、それほどの温度上昇でなくても、ホットスポットの周辺のみで急激な温度上昇が生じると、局所的な熱膨張による熱応力がコイル内部で発生し、その結果高温超電導線材が座屈変形を起こして超電導層が不可逆的に破損してしまう虞がある。このような現象は局所的な温度上昇が激しいほど発生しやすく、したがって同じようなクエンチが生じたとしても、実施例２に係るダブルパンケーキコイルは、実施例１に係るダブルパンケーキコイルと比べて、上記のような超電導層の不可逆的な破損を起こしにくい点で特に好ましい。

（その他）
なお、本発明は、上述した実施形態、変形例、および実施例に限定されず、種々の変形例が可能である。例えば、ＨＴＳ線材は、ＲＥＢＣＯ線材に限らず、断面が扁平形状の超電導線材にも適用可能である。

１００、１００ａ、１００ｂ テープ型高温超電導線材
１１ ＨＴＳ線材
１１３ ＲＥＢＣＯ超電導層
１２ 絶縁導線
１２１ 銅メッキテープ

Claims (6)

1. 高温超電導領域を備えた超電導線材部と、
   線材の長手方向に一続きに形成された導体領域と、
   前記超電導線材部と前記導体領域との間に、電気絶縁素材を備え、
   前記導体領域は前記高温超電導領域から絶縁されている
   ことを特徴とするテープ型高温超電導線材。
2. 前記導体領域が前記電気絶縁素材で被覆されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のテープ型高温超電導線材。
3. 前記超電導線材部が電気絶縁素材で被覆されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のテープ型高温超電導線材。
4. 前記超電導線材部と前記導体領域とが線材の厚さ方向に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちの何れか一項に記載のテープ型高温超電導線材。
5. 前記導体領域の幅が、前記テープ型高温超電導線材の幅よりも狭い
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちの何れか一項に記載のテープ型高温超電導線材。
6. 前記導体領域と線材の幅方向に隣接する領域の少なくとも一部に金属領域を備える
   ことを特徴とする請求項５に記載のテープ型高温超電導線材。

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