JP2018101465A - 超電導コイル、超電導コイルの製造方法及び超電導コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱暴走またはクエンチの発生を抑制することができる超電導コイルおよび超電導コイル装置を提供する。【解決手段】超電導線材２０と絶縁材１６が巻枠１４の周囲に共巻されてなる巻線部材１２と前記巻線部材の間及び前記巻線部材の幅方向端部の少なくとも一部に形成された導電性樹脂１７と、前記巻線部材の少なくとも幅方向端部の一方に設けられ、前記超電導線材及び／又は導電性樹脂に電気的に接続される電流迂回路１９と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、熱暴走またはクエンチを防止する機能を備えた超電導コイル、超電導コイルの製造方法及び超電導コイル装置に関する。

ＮＭＲ（核磁気共鳴装置）やＭＲＩ（磁気共鳴画像診断装置）等の超電導応用機器で用いられる超電導線材は、超電導状態を維持するためには、超電導線材を流れる電流の電流密度、超電導線材の温度、超電導線材に作用する磁場を、それぞれの臨界値以下にする必要がある。

このため、超電導状態、すなわち、電気抵抗がほぼゼロの状態においても、超電導線材に無限量の電流を流すことはできない。電流密度、温度および磁場のいずれかが、対応する臨界値を越えると、超電導線材における超電導状態は常電導状態へ転移する。

常電導状態に転移すると、常電導状態への転移箇所において発生するジュール熱によって、超電導線材を焼損させる熱暴走又は瞬時に多量の発熱をするクエンチが発生するおそれがある。

このため、超電導コイルにおいては、超電導状態から常電導状態に転移する際の熱暴走又はクエンチに対する保護が必要になる。従来の保護手段として、例えば、超電導コイルに並列に保護抵抗を接続する技術が知られている。この保護手段は、常電導状態への転移に伴うコイル電圧またはコイル温度の上昇をトリガーとして、励磁電源を遮断し、励磁電源の遮断後に、超電導コイルと保護抵抗によって閉回路を形成する。これにより、常電導状態の超電導コイルに流れる電流を減衰させることができる。

また、超電導コイルに軸方向の圧縮力を作用させて、超電導線材がコイルの軸方向に移動することを抑制することで、クエンチの発生を抑制する手段が提案されている。
また、超電導線材の機械的動きを抑制するとともに、超電導線材間に絶縁テープを配置することで、クエンチを防止する手段が提案されている。

さらに、超電導線材に金属テープ線を重ね合わせて巻回し、超電導線材の一部が常電導状態になったときに、電流の一部を金属テープ線に迂回させることでクエンチ又は熱暴走の発生を防止する手段が提案されている。

特開平０４−０３２２０７号公報 特開２０１０−２６７８３５号公報 特開２００８−１１８００６号公報

ところで、熱暴走又はクエンチの発生を抑制するために、従来の励磁電源を遮断する防護手段やコイルの軸方向の移動を制限する防護手段では、別途、遮断機構や移動規制手段を設ける必要があり、超電導コイル装置が大型化するとともに装置構成が複雑になるという課題がある。

また、従来の金属テープを用いた防護手段では、超電導線材を迂回した電流は、全て金属テープ線を流れるため、常電導状態の超電導線材の付近での発熱が継続する。その結果、熱暴走に至るリスクがあるという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱暴走又はクエンチの発生を抑制することができる超電導コイル、超電導コイルの製造方法及び超電導コイル装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る超電導コイルは、超電導線材と絶縁材が巻枠の周囲に共巻されてなる巻線部材と、前記巻線部材の間及び前記巻線部材の幅方向端部の少なくとも一部に形成された導電性樹脂と、前記巻線部材の少なくとも幅方向端部の一方に設けられ、前記超電導線材及び／又は導電性樹脂に電気的に接続される電流迂回路と、を有することを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る超電導コイルは、超電導線材が巻枠の周囲に巻回されてなる巻線部材と、前記巻線部材の間及び前記巻線部材の幅方向端部の少なくとも一部に形成された導電性樹脂と、前記巻線部材の少なくとも幅方向端部の一方に設けられ、前記超電導線材及び／又は導電性樹脂に電気的に接続される電流迂回路と、を有する超電導コイルであって、隣接する前記超電導線材間の少なくとも一部に導電性部材を配置したことを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る超電導コイルの製造方法は、超電導線材と絶縁材が巻枠の周囲に共巻されてなる巻線部材を導電性樹脂に含浸させることで、前記超電導線材同士の間及び超電導線材の前記巻線部材の幅方向端部に導電性樹脂を形成し、前記巻線部材の幅方向端部の一方に電流迂回路を設けることを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る超電導コイル装置は、本発明の実施形態に係る超電導コイルを含む超電導コイルを複数積層するとともに、前記積層された超電導コイルの前記巻線部材の幅方向端部に電流迂回路を設けたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、超電導コイルに電流迂回路を設けることにより、熱暴走又はクエンチの発生を抑制することができる。

第１の実施形態に係る超電導コイルの模式図。 第１の実施形態に係る超電導コイルの断面図。 図２の領域Ａ１の拡大断面図。 （ａ）は図２の領域Ａ１の拡大断面図で導電性樹脂が充填される前の状態を示す図、（ｂ）は導電性樹脂が充填された後の状態を示す図。 超電導線材の断面図。 第１の実施形態の第１変形例に係る巻線部材の断面図。 第１の実施形態の第２変形例に係る巻線部材の断面図。 図７の領域Ａ２の拡大断面図。 超電導コイルに作用する磁場の形状を示す図。 第１の実施形態の第３変形例に係る巻線部材の断面図。 第２の実施形態に係る電流迂回路の平面図。 第３の実施形態に係る電流迂回路の平面図。 第４の実施形態に係る超電導コイルの模式図。 第５の実施形態に係る超電導コイル装置の模式図。 第６の実施形態に係る超電導コイル装置の模式図。

以下、本発明に係る超電導コイル、超電導コイルの製造方法及び超電導コイル装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一又は類似の構成については同一の符号を付し、重複説明を省略する。

［第１の実施形態]
第１の実施形態に係る超電導コイル及び超電導コイルの製造方法について、図１乃至図５を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態に係る超電導コイル１０の模式図、図２は超電導コイル１０の断面図、図３、図４（ａ）、（ｂ）は図２における領域Ａ１の拡大断面図である。図５は、本実施形態で用いられる超電導線材２０の構成例を示す模式図である。

（超電導コイル１０の構成）
本実施形態に係る超電導コイル１０は、図１〜図３に示すように、超電導線材２０が隣接する超電導線材２０の間に配置された例えばテープ状の絶縁材１６とともに巻枠１４の周囲に同心状又は渦巻き状に共巻され、いわゆるパンケーキ形状のコイルを形成している。

（超電導線材２０の構成）
超電導線材２０は、例えば、図５に示すように、複数の層（２１〜２６）が積層された積層体からなる。図５の例では、超電導線材２０は、金属基板２１と、配向層２２と、中間層２３と、超電導層２４と、保護層２５と、安定化層２６とを含む。なお、超電導線材２０を構成する層のうち、超電導層２４以外の層、例えば、配向層２２及び／又は安定化層２６は適宜省略してもよい。超電導層２４は、例えば、ＲＥ１２３系の組成（ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７等）を有する超電導体薄膜である。

（巻線部材１２及び電流迂回路１９の構成）
超電導線材２０と絶縁材１６が共巻されてなる巻線部材１２は、巻回後に巻枠１４ごと導電性樹脂１７に含浸されることにより、図４（ｂ）に示すように、超電導線材２０同士の間及び超電導線材２０の上下端部に導電性樹脂１７が形成される。

このようにして作成された巻線部材１２の上端面には、電流迂回路１９が形成される。 電流迂回路１９は、巻線部材１２を巻枠１４の周囲に巻回しながら、巻線部材１２の上端面に設けることができるが、粘着性の導電性樹脂１７により含浸された巻線部材１２の上端面に電流迂回路１９及び絶縁層１６ａを設けることで、導電性樹脂１７、巻線部材１２及び絶縁層１６ａを一体的に固着成形するようにしてもよい。
その際、巻線部材１２は、図３に示すように、巻線部材１２を構成する超電導線材２０の全ての上端面が電流迂回路１９と接触していることが好ましい。

しかしながら、実際の巻線部材１２の作製に際しては、超電導線材２０が幅方向にばらつきを持つ場合がある。その場合、図４（ａ）に示すように、一部の超電導線材２０の端部と電流迂回路１９の間に間隙が生じ、超電導線材２０の一部は電流迂回路１９に接触しない可能性がある。

そこで、本第１の実施形態では、超電導線材２０の位置が超電導線材２０の幅方向にばらついている場合でも、超電導線材２０と電流迂回路１９を確実に電気的に接触させるために、巻線部材１２の巻回後に巻枠１４ごと導電性樹脂１７で含浸するようにしている。
これにより、図４（ｂ）に示すように、巻線部材１２同士の間隙及び超電導線材２０の幅方向（図中上下方向）端部の間隙に導電性樹脂１７が形成される。

この導電性樹脂１７は、例えば導電性を持たない樹脂に導電性粉末を混入させたものを用いることができる。導電性粉末としては、例えばカーボンブラック、炭素繊維またはグラファイトなどのカーボン系の粉末が用いられる。

また、導電性粉末として、金属微粒子、金属酸化物、金属繊維またはウィスカー等の金属系の粉末を用いてもよく、又は、導電性の微粒子または合成繊維をコーティングしてもよい。

さらに、巻線部材１２を、巻回後に巻枠１４ごと導電性樹脂１７で含浸させるのではなく、巻線部材１２を巻枠１４へ巻回しながら、導電性樹脂１７に含浸させるようにしてもよい。

この電流迂回路１９の材料は、通常運転時（超電導線材２０が超電導状態の時）において、超電導線材２０の電気抵抗より電気抵抗が大きく、かつ、常電導転移時において、常電導転移箇所の電気抵抗より電気抵抗が小さく、さらに、導電性樹脂１７の抵抗と同程度の抵抗であることが好ましい。

すなわち、導電性樹脂１７の抵抗が電流迂回路１９の抵抗よりも大きい場合は、超電導線材２０と電流迂回路１９の間に介在する導電性樹脂１７の厚さによっては、導電性樹脂１７を通じて電流迂回路１９へ流れる電流が少なくなってしまう恐れがある一方、導電性樹脂１７の抵抗が電流迂回路１９の抵抗よりも小さい場合は、超電導線材２０を流れる電流が電流迂回路１９を介さずに導電性樹脂１７のみを介して流れ、電流迂回路１９が電流迂回路として機能しなくなる恐れがあるからである。

電流迂回路１９の具体的な材料としては、ステンレス、アルミニウムもしくはインジウム等の常電導体が含まれてもよく、あるいは、半導体、半導体セラミックス材、導電性プラスチック材、または、超電導材料等が含まれてもよい。また、グラファイト、炭素繊維または炭素繊維複合材などのカーボン材料なども電流迂回路１９の材料として用いることもできる。

また、図１〜図３に示す例では、電流迂回路１９の図中上面が絶縁層１６ａで覆われている。このように、電流迂回路１９は、図において絶縁層１６ａと巻線部材１２の上端面との間に挟まれているが、必要に応じて絶縁層１６ａを省略してもよい。

なお、上記の説明では電流迂回路１９を巻線部材１２の上端面に設ける例を説明したが、巻線部材１２の下端面に設けてもよく、又は上端面及び下端面に設けてもよい。これにより超電導線材２０及び導電性樹脂１７と電流迂回路１９との接続をより確実なものにすることができる。

（作用）
上記のように構成された超電導コイルにおいて、通常運転時、すなわち、超電導線材２０が超電導状態の時、電流の大部分は、超電導線材２０を通って流れる。ここで、常電導転移の場合、すなわち、超電導線材２０の少なくとも一部、例えば、図４（ａ）、（ｂ）の領域（常電導領域）１５が常電導状態に転移した場合を想定する。

この場合、常電導領域１５を含む超電導線材２０の電気抵抗は、電流迂回路１９の電気抵抗よりも大きくなるため、電流の大部分は、常電導領域１５を含む超電導線材２０を迂回して、電流迂回路１９へ流れる。図３に示す例では、超電導線材２０が全て電流迂回路１９に接触しているため、超電導線材２０の常電導転移箇所がどこであっても、電流を電流迂回路１９に迂回させることができる。

一方、図４（ａ）に示すように、巻線部材１２の巻回工程及び含浸工程によっては、超電導線材２０の幅方向にばらつく場合があったり、導電性樹脂が十分に含浸されない場合がある。その場合、超電導線材２０の一部が電流迂回路１９に電気的に接続されない箇所が生じる恐れがあるが、本実施形態では、図４（ｂ）に示すように、巻線部材１２を導電性樹脂１７に含浸することで、超電導線材２０は電流迂回路１９と直接、又は導電性樹脂１７を介して電流迂回路１９と電気的に接続される。これにより、巻線部材１２を巻回するときに、超電導線材２０の位置が線材幅方向にばらついたとしても、超電導線材２０と電流迂回路１９を電気的に接続することが可能となる。これにより、大きなジュール熱が継続的に発生することが抑制されるため、熱暴走又はクエンチの発生を抑制することができる。

（効果）
ところで、超電導線材２０を流れる電流の値が、通電電流の限界である臨界電流値に近づくにつれ、超電導線材２０には、徐々に外部磁場が侵入する。そして、外部磁場の侵入により、超電導線材２０の超電導状態が局所的に破壊され、局所的に常電導転移する部分（常電導領域１５）が生じる可能性がある。この局所的な常電導転移に伴うフラックスフロー抵抗は、ジュール熱発生の原因となり、熱暴走またはクエンチの発生原因となる。

しかしながら、本実施形態によれば、巻線部材１２の幅方向端部（図中上端部）に電流迂回路１９を設け、幅方向にばらつきのある超電導線材２０や径方向に離間した超電導線材２０同士を、電流迂回路１９と導電性樹脂１７とを介して電気的に接続する。これにより、超電導線材２０の一部、例えば常電導領域１５で常電導転移に伴う局所的なフラックスフロー抵抗が発生したとしても、巻線部材１２の周方向に沿って流れていた通電電流Ｉの一部（ΔＩ）が、電流迂回路１９を介して、超電導コイル１０の径方向に沿って流れる。その結果、電流は、局所的なフラックスフロー抵抗が発生した部分を避けて、他の超電導線材２０に流れることができる。すなわち、コイルの周方向に沿って流れる通電電流はＩからＩ−ΔＩに減少する。このとき、コイルの径方向に沿って流れる電流ΔＩは、電流迂回路１９の電気抵抗をＲ１とし、フラックスフロー抵抗をＲ２とすると、Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）に比例する。このため、フラックスフロー抵抗が増大すればするほど、より多くの通電電流が、コイルの径方向に沿って流れる（すなわち、迂回して流れる）こととなる。

このように、本実施形態では、常電導領域１５に多量の電流が流れるのを未然に防止することができるため、熱暴走又はクエンチ等の発生を抑制することができる。

（第１変形例）
第１の実施形態の第１変形例に係る超電導コイル１０は、図６に示すように、隣接する超電導線材２０の間の少なくとも一部に常電導金属等からなる導電性部材３２を配置した構成としている。なお、導電性部材３２の代わりに導電性樹脂を充填してもよい。

上記のように構成された第１変形例において、超電導線材２０に、局所的に常電導領域１５が発生した場合を想定する。この場合、コイルの周方向に沿って流れていた通電電流Ｉの一部（ΔＩ）は、導電性部材３２を横断して、隣接する超電導線材２０に向かって流れる。換言すれば、通電電流Ｉの一部（ΔＩ）は、電流迂回路１９又は導電性部材３２を介してコイルの径方向に沿って流れる。
これにより、局所的な常電導領域１５に多量の通電電流が流れるのを未然に防止することができるため、熱暴走又はクエンチ等の発生を抑制することができる。

（第２変形例）
第２変形例では、第１変形例で示す巻線部材１２において、図７に示すように、巻線部材１２の径方向に少なくとも１つの離型層３１を配置する構成としている。図７に示す例では、巻線部材１２を領域１２ａ〜１２ｃに分けた場合、各領域の境界に離型層３１を配置している。図８は、図７における領域Ａ２の拡大断面図である。

この離型層３１により、巻線部材１２には、径方向の層間接着力が弱い箇所が形成される。すなわち、離型層３１が配置されている箇所は径方向の層間接着力が弱いため、仮に、超電導コイル１０の使用時等において、運転温度までの冷却時に発生するコイル径方向の熱応力又は励磁により発生する電磁応力などの剥離応力がコイル径方向に印加された場合、この離型層３１によって剥離応力を吸収し、他の超電導線材２０等にかかる剥離応力を緩和する。

このように、予想される剥離応力に応じて、巻線部材１２の径方向に少なくとも１つの離型層３１を配置することで、超電導線材２０にかかる剥離応力を緩和することができるため、多層体からなる超電導線材２０（図５参照）の剥離破損を抑制することができる。

ところで、熱暴走等の発生を抑制するために、図８に示すように、離型層３１に隣接して超電導線材２０の間隙に導電性部材３２を配置している場合がある。その場合、離型層３１によって導電性部材３２が非接着になった箇所では、この箇所の近傍で常電導転移が発生しても通電電流Ｉを径方向に横断して流出させることができなくなり、熱暴走又はクエンチ等の発生を抑制することができなくなる可能性がある。

そこで、第２変形例では、図７、図８に示すように、離型層３１を跨ぐように、巻線部材１２の上面に電流迂回路１９を配置する。すなわち、第２変形例では、離型層３１によって径方向に電流が流れにくくなることに対応して、電流迂回路１９が離型層３１を跨ぐように配置される。
その結果、離型層３１を跨ぐ電流迂回路１９が形成される。なお、図８に示すように、電流迂回路１９と導電性樹脂１７を併用してもよい。

第２変形例によれば、離型層３１によって径方向に電流が流れにくくなる部分が存在する場合であっても、離型層３１を跨ぐように配置された電流迂回路１９によって、熱暴走等の発生を抑制することができる。
なお、この離型層３１を他の実施形態に係る巻線部材にも適用できることはもちろんである。

（第３変形例）
第３変形例にかかる超電導コイル１０を図９〜図１０を参照して説明する。
図９は、超電導コイル１０に作用する磁場Ｂの模式図である。超電導コイル１０を構成する超電導線材２０を流れる通電電流Ｉに基づく磁場Ｂは、超電導コイル１０の中心軸Ｃを含む面内を旋回し、図９に示されるように、磁場Ｂの一部が超電導線材２０に侵入する。超電導線材２０の各位置におけるフラックスフロー抵抗の大きさは、各位置を貫く磁場Ｂの向きおよび大きさ等によって変化するが、フラックスフロー抵抗による電界強度が最大になるのは、巻線部材１２の最内周からコイル径方向の中央部付近までの位置である。

すなわち、超電導コイル１０の最内周から中央部付近までの位置では、一般に臨界電流値Ｉｃが他の位置よりも低くなる。
そこで、第３変形例では、超電導コイル１０の内部で臨界電流値Ｉｃを低下させるフラックスフロー抵抗が高くなるように、図１０に示すように、環状の電流迂回路１９を超電導コイル１０の最内周から中央部付近までの領域に設けている。

なお、図９に示す磁場Ｂの形状は、典型的な形状を例示したもので、電流迂回路１９が配置される具体的な位置は、実際の磁場Ｂの形状等によって、適宜変更可能である。
このように、電流迂回路１９を超電導コイル１０の上面の一部にのみ設けることで、超電導線材２０の内、臨界電流値Ｉｃが他の位置よりも低くなる部分を流れる電流のみを他の超電導線材２０へ迂回させることができる。

（効果）
本第３変形例によれば、超電導線材２０を流れる電流をゼロから定格電流まで増加させる際に、予定された磁場形状の形成の遅れが抑制される。また、電流迂回路１９における発熱の発生が抑制される。しかも、臨界電流値Ｉｃが他の領域よりも低くなる領域に、電流迂回路１９を配置することで、熱暴走が発生しやすい領域における電流を好適に迂回させることが可能となる。その結果、熱暴走又はクエンチ等の発生を抑制することができる。
なお、この第３変形例を他の実施形態に係る巻線部材にも適用できることはもちろんである。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る超電導コイルについて、図１１を参照して説明する。
第２の実施形態では、図１１に示すように、放射状に複数に分割した電流迂回路１９ａが用いられる。各電流迂回路１９ａは、巻線部材１２の周方向に沿って所定の間隙１１を介して配置される。その形状は扇形状である。

（作用）
超電導コイル１０を流れる電流を増加させる時、通電電流Ｉの変化に起因して磁場が変動する。当該磁場の変動によって、電流迂回路１９には、渦電流が発生する。当該渦電流は、磁場の変動を抑制する方向、すなわち、通電電流Ｉを減少させる方向に流れる。このため、渦電流の発生は好ましくない。

そこで、第２の実施形態では、電流迂回路１９を超電導コイルの周方向に沿って放射状に複数に分割し、各電流迂回路１９ａ間に間隙１１を形成している。こうして、渦電流の周回経路が分断されることにより、渦電流の発生に起因する通電電流Ｉの損失を抑制することができる。
また、渦電流に起因する発熱が抑制されることにより、熱暴走等の発生も抑制することができる。

（効果）
第２の実施形態における超電導コイルによれば、第１の実施形態における超電導コイルによって奏される効果に加え、超電導コイルの始動時等において、電流迂回路１９に生じる渦電流に起因する通電電流Ｉの損失が抑制されるため、予定された磁場の形状をより早く形成することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る超電導コイルについて、図１２を参照して説明する。
第３の実施形態に係る電流迂回路１９ｂは、電流迂回路１９ｂの容積を調整するため、多数の空隙又は貫通孔１８が設けられている。空隙（貫通孔）１８の個数は適宜増減可能である。

空隙１８は、例えば、平板状の薄膜導電体に多数の孔を穿孔するか、導電線材を編み込むことによって形成される。また、電流迂回路１９ｂとして、メッシュ材、パンチング材、フィラメント材、不織布、フェルト、ウールまたはスリット材など、空隙または貫通孔を有する既存の導電体製品を用いてもよく、又はこれらの組み合わせた部材を用いてもよい。
さらに、上記実施形態で説明した空隙を有さない電流迂回路１９と組み合わせて使用してもよい。

（作用）
電流迂回路１９の最適な導電率は超電導コイル１０の性質又は用途等によって異なるため、電流迂回路１９の導電率は自由に変更できることが望ましい。

しかし、電流迂回路１９の外形形状および電流迂回路１９の材質は、電流迂回路１９の強度または厚みなどの観点から、変更可能な範囲に制限がある。
そこで、本第３の実施形態では、電流迂回路１９ｂの外形形状および材質を変更することなく、空隙（貫通孔）１８を有する電流迂回路１９ｂを用いることによって、電流迂回路１９ｃの導電率を所望の値に調節することができる。

（効果）
第３の実施形態における超電導コイルによれば、第１の実施形態における超電導コイルによって奏される効果に加え、導電率を調整可能な電流迂回路１９ｂを用いることで、導電率を容易に調節することが可能となる。導電率の変更は、電流迂回路１９ｂの空隙（貫通孔）１８の割合を適宜増減し、電流迂回路１９ｂの容積を調節することによって簡便に行われる。つまり、電流迂回路１９ｂの外形や厚み等の基本的な形状を変更することなく、電流迂回路１９の導電率を、最適な導電率に調整することができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る超電導コイルについて、図１３を参照して説明する。
第４の実施形態では、電流迂回路１９が、電気絶縁材１６ｂを介して、熱伝導部材１３に熱的に接続される構成としている。なお、電流迂回路１９の材質として、アルミニウムまたは銅などの高熱伝導率材料が用いられる。

このように、第４の実施形態では、電流迂回路１９が、電気絶縁材１６ｂを介して、熱伝導部材１３に熱的に接続されているため、電流迂回路１９は超電導コイル１０を冷却するための熱伝導部材としても機能する。この場合、熱伝導部材１３は、冷却装置に接続されていてもよい。

本第４の実施形態によれば、電流迂回路１９を、冷却用の熱伝導部材として機能させることにより、超電導コイル１０の厚みの増加を抑制することができるとともに、冷却効率を向上させることができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る超電導コイル装置５０について、図１４を参照して説明する。
第５の実施形態では、複数の超電導コイル１０ａ〜１０ｄが、超電導コイルの中心軸Ｃに沿って積層される構成としている。この超電導コイル装置５０は複数の超電導コイル１０ａ〜１０ｄを支持し、磁場発生源となるフランジ部も備えている（図示せず）。
複数の超電導コイル１０ａ〜１０ｄうちの少なくとも１つは、常電導コイルであってもよく、又は全てが上述した実施形態の超電導コイルであってもよい。

以下の説明では、超電導コイル装置５０が全て本発明の実施形態に係る超電導コイルからなる例について説明する。
前述したように、通電電流Ｉによって発生した磁場Ｂの強度および向きは各位置によって異なる。

積層される超電導コイル１０ａ〜１０ｄは、巻回中心方向の中央部に位置するほど、磁場Ｂの垂直成分が小さく、遮蔽電流の影響が小さい。
そこで、本実施形態の超電導コイル装置５０では、電流迂回路１９を設けた超電導線材２０は、超電導コイル１０ａ、１０ｄなど、巻回中心Ｃに沿った端部近傍のものに用いられることが望ましい。

その場合、巻回中心Ｃに沿って積層された複数の超電導コイル１０ａ〜１０ｄは、その位置によって磁場Ｂに基づくフラックスフロー抵抗の大きさは異なる。
つまり、超電導コイル１０ａ〜１０ｄは、その積層される位置によって、臨界電流値Ｉｃは異なる。

具体的には、通常、磁場Ｂの剥離方向（すなわち、コイル径方向）の成分が最大になる積層体３８における両端の超電導コイル１０ａ、１０ｄにおいて、臨界電流値Ｉｃが低くなる。

そこで、本第５の実施形態に係る超電導コイル装置５０では、上述した第１の実施形態〜第４の実施形態に示した電流迂回路１９が設けられた超電導コイル１０を超電導コイル装置５０の両端に配置する。

（作用）
超電導コイル装置を構成する複数の超電導コイルのうち、臨界電流値が最も低くなる領域に配置される超電導コイルを、上述した第１乃至第４の実施形態に係る超電導コイル１０とすることで、上述の第１乃至第４の実施形態に説明した作用効果を奏することができる。

なお、超電導コイル１０を具体的に超電導コイル装置５０に適用したこと、および超電導コイル１０の配置位置を限定したこと以外は、第５実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複説明を省略する。

（効果）
以上説明したように、第５実施形態にかかる超電導コイル装置５０によれば、第１実施形態などと同様の効果を発揮することができる。

また、全ての超電導コイル１０ａ〜１０ｄとして、電流迂回路１９が設けられた超電導コイル１０を用いると、超電導コイル装置の始動時に、電流迂回路１９を流れる電流が大きくなり、予定された磁場形状が形成されるまでの時間が長くなる。したがって、本第５の実施形態のように、電流迂回路１９が設けられた超電導コイル１０を、臨界電流値Ｉｃが低くなる両端の位置に限定して用いることで、想定した磁場形状にするまでの励磁時間の短縮化を図ることができる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態に係る超電導コイル装置５０について、図１５を参照して説明する。
第６の実施形態における超電導コイル装置５０では、隣接する２つの超電導コイル（例えば、超電導コイル１０ａ、１０ｂと超電導コイル１０ｃ、１０ｄ）の間に、コイル間電流迂回路３７を配置する構成としている。

（作用）
上述した第１の実施形態に係る電流迂回路１９は、通電電流Ｉを、超電導線材２０から、他の超電導線材２０に迂回させるための部材であり、超電導線材２０の一部分のみで常電導転移が生じている時に、電流を好適に迂回させることができる。

ところで、特定の超電導コイル（例えば１０ａ）の大部分が常電導転移している場合を想定すると、通電電流Ｉを、隣接する他の超電導コイル（例えば１０ｂ）に迂回させることが望ましい。

そこで、第６の実施形態における超電導コイル装置５０では、例えば超電導コイル１０ａと、隣接する超電導コイル１０ｂとを、超電導コイル１０ａの下面に配置されたコイル間電流迂回路３７を介して電気的に接続する。これにより、例えば、超電導コイル１０ａにおいて、常電導転移が進行した場合に、通電電流Ｉを、超電導コイル１０ａからコイル間電流迂回路３７を介して超電導コイル１０ｂに迂回させることが可能となる。

なお、第５の実施形態と同様に、コイル間電流迂回路３７は、すべての超電導コイルの各々に設けるのではなく、一部の超電導コイルのみに設けることが好ましい。例えば、超電導コイル１０ａと超電導コイル１０ｂとが隣接しており、超電導コイル１０ｂと超電導コイル１０ｃとが隣接している場合を想定する。

この場合、超電導コイル１０ａと超電導コイル１０ｂとの間には、コイル間電流迂回路３７を配置する一方、超電導コイル１０ｂと超電導コイル１０ｃとの間には、コイル間電流迂回路３７を配置しなくてもよい。すなわち、超電導コイル１０ｂと超電導コイル１０ｃとは、電気的に絶縁されていてもよい。

図１５に示す例では、超電導コイル１０ａと超電導コイル１０ｂとの間、及び超電導コイル１０ｃと超電導コイル１０ｄとの間にコイル間電流迂回路３７が配置されている。２つのコイル間電流迂回路３７の導電率は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

例えば、超電導コイル１０ａ又は超電導コイル１０ｂが、臨界電流値Ｉｃが低くなる領域に配置され、超電導コイル１０ｃ及び超電導コイル１０ｄが、臨界電流値Ｉｃが高い領域に配置される場合を想定する。この場合、超電導コイル１０ａと第２の超電導コイル１０ｂとの間に配置されるコイル間電流迂回路３７の導電率は、超電導コイル１０ｃと超電導コイル１０ｄとの間に配置されるコイル間電流迂回路３７の導電率よりも高いことが好ましい。

コイル間電流迂回路３７は、磁場の侵入が強く、臨界電流値Ｉｃが低くなる領域にある超電導コイルに設けられるのが好ましい。さらに、コイル間電流迂回路３７の導電率は、電流迂回路１９の導電率よりも低いのが好ましい。これは、磁場形状を予定した磁場形状にできるだけ速く形成するために、通電電流Ｉは、一つの超電導コイルの中でのみ迂回するのが望ましいからである。

以上説明したように、第６の実施形態によれば、第５の実施形態によって奏される効果に加え、常電導転移が進行した特定の超電導コイルから隣接する他の超電導コイルに通電電流Ｉを迂回させることで、熱暴走等の発生を抑制することができる。

なお、第６の実施形態において、コイル間電流迂回路３７を、臨界電流値Ｉｃが高い領域にある超電導コイルに配置することは排除されない。この場合、臨界電流値Ｉｃが高い領域にある超電導コイルにおいて、何らかの異常で予期せぬ電気抵抗が発生する場合であっても、熱暴走等の発生を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る超電導コイルおよび超電導コイル装置によれば、常電導転移状態に転移した超電導線材又は超電導コイルに流れる電流を電流迂回路１９又はコイル間電流迂回路３７により迂回させることで、熱暴走またはクエンチの発生を抑制することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
例えば、図１では、電流迂回路１９が配置される超電導コイルの形状として、パンケーキ形状を例示したが、パンケーキ形状のものに限定されず、非円形に巻回したレーストラック型、鞍型、楕円またはソレノイド型でもよく、電流迂回路はいずれの形状の超電導コイルにも適用可能である。

これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１０ａ〜１０ｄ…超電導コイル、１１…間隙、１２、１２ａ〜１２ｃ…巻線部材、１３…熱伝導部材、１４…巻枠、１５…常電導領域、１６…絶縁材、１６ａ…絶縁層、１６ｂ…電気絶縁材、１７…導電性樹脂、１８…空隙（貫通孔）、１９、１９ａ、１９ｂ…電流迂回路、２０…超電導線材、３１…離型層、３２…導電性部材、３７…コイル間電流迂回路、５０…超電導コイル装置

Claims (12)

1. 超電導線材と絶縁材が巻枠の周囲に共巻されてなる巻線部材と
   前記巻線部材の間及び前記巻線部材の幅方向端部の少なくとも一部に形成された導電性樹脂と、
   前記巻線部材の少なくとも幅方向端部の一方に設けられ、前記超電導線材及び／又は導電性樹脂に電気的に接続される電流迂回路と、を有することを特徴とする超電導コイル。
2. 超電導線材が巻枠の周囲に巻回されてなる巻線部材と
   前記巻線部材の間及び前記巻線部材の幅方向端部の少なくとも一部に形成された導電性樹脂と、
   前記巻線部材の少なくとも幅方向端部の一方に設けられ、前記超電導線材及び／又は導電性樹脂に電気的に接続される電流迂回路と、を有する超電導コイルであって、
   隣接する前記超電導線材間の少なくとも一部に導電性部材を配置したことを特徴とする超電導コイル。
3. 前記巻線部材を導電性樹脂に含浸することにより、前記巻線部材の間及び前記巻線部材の幅方向端部の少なくとも一部に導電性樹脂を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導コイル。
4. 前記電流迂回路の上面に絶縁層を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超電導コイル。
5. 前記電流迂回路を前記巻線部材の最内周から中央部付近まで配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導コイル。
6. 前記巻線部材の径方向に少なくとも１つの離型層を設け、当該離型層を跨がるよう前記電流迂回路を配置したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の超電導コイル。
7. 前記電流迂回路を所定の間隙を介して複数に分割したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導コイル。
8. 前記電流迂回路に複数の空隙を設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の超電導コイル。
9. 前記電流迂回路を、電気絶縁体を介して熱伝導部材に熱的に接続したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の超電導コイル。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の超電導コイルの製造方法において、超電導線材と絶縁材が巻枠の周囲に共巻されてなる巻線部材を導電性樹脂に含浸させることで、前記超電導線材同士の間及び超電導線材の前記巻線部材の幅方向端部に導電性樹脂を形成し、前記巻線部材の幅方向端部の一方に電流迂回路を設けることを特徴とする超電導コイルの製造方法。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載の超電導コイルを含む超電導コイルを複数積層するとともに、前記積層された超電導コイルの前記巻線部材の幅方向端部に電流迂回路を設けたことを特徴とする超電導コイル装置。
12. 前記積層された超電導コイルのうち、隣接する２つの超電導コイルを電気的に接続するコイル間電流迂回路を設けたことを特徴とする請求項１１に記載の超電導コイル装置。

Images