JP2018133514A - 超電導コイルおよび超電導コイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイル４への通電電流値を小さくすること無く、超電導コイルとボビンの摩擦発熱やコイル成形に用いる樹脂のクラックといった機械的擾乱が発生してもクエンチに至らない超電導コイルを提供する。
【解決手段】本発明の超電導コイルは、超電導線３０と、超電導線を保持するボビン１１と、超電導線を固定する樹脂４０と、コイル状に巻線された超電導線の少なくとも一部において隣り合う超電導線を接続する導電部材３４と、を備えるようにした。
【選択図】 図２Ｂ

Description

本発明は、超電導磁石装置の超電導コイルに関する。

超電導磁石装置には、通電中の超電導コイルの一部が常電導転移してジュール熱が発生し、これを起点に急激にコイルの超電導状態が破れるクエンチと呼ばれる現象がある。
一度クエンチが発生すると、冷却のために充填されていた液体ヘリウムが気化して装置外に放出されるため、再充填に必要な冷媒費用負担が生じることや、病院等の設備でクエンチした場合には再充填し再励磁するまでの間、装置が使用不可となるといった問題が発生する。

このクエンチに至る常電導転移の発生原因には、超電導コイルの通流電流が臨界電流に到達することや、電磁力によって超電導コイルが変位した際にボビンとの間で発生する摩擦発熱や、コイル成形に用いる樹脂の破壊による樹脂割れ（クラック）に代表される機械的擾乱による発熱がある。

クエンチの発生を抑止するために、例えば、特許文献１には、ソレノイド状に密巻した円形断面の超電導線間の間隙に、該超電導線半径Ｒの0.155Ｒ以下の半径をもつ円形断面のワイヤを巻き込んだ後に、同間隙に含浸材を含浸した構成の超電導コイルとし、含浸材の体積当たりの表面積を大きくして、凝固収縮や外部応力による含浸材の微細な割れを防止することが記載されている。

特開平９−１４８１２４号公報

上記の先行技術によれば、クラックやボイド等の機械的擾乱よる発熱が抑止されるとともに、超電導コイルの密巻状態を維持できるのでコイル変位が抑止され、クエンチの発生を抑止することができる。
しかし、高度な巻線技術や含浸材の浸透技術が必要となる問題がある。

本発明の目的は、超電導コイルへの通電電流値を小さくすること無く、超電導コイルとボビンの摩擦発熱やクラックといった機械的擾乱が発生してもクエンチに至らない超電導コイルを提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の超電導コイルは、超電導線と、前記超電導線を保持するボビンと、前記超電導線を固定する樹脂と、コイル状に巻線された前記超電導線の少なくとも一部において隣り合う超電導線を接続する導電部材と、を備えるようにした。

本発明によれば、クエンチの発生を抑止する超電導コイルを備えることで、超電導磁石装置の信頼性を向上することができる。

実施形態の超電導磁石装置の垂直断面図である。 第１実施形態の超電導コイルの断面図である。 第１実施形態の超電導コイルの詳細断面図である。 第１実施形態の超電導コイルのボビン組立工程のフローチャートである。 第１実施形態の超電導コイルの最内層の周方向の展開図である。 第２実施形態の超電導コイルの断面図である。 第２実施形態の超電導コイルの詳細断面図である。 第２実施形態の超電導コイルのボビン組立工程のフローチャートである。 第２実施形態の超電導コイルの最内層の周方向展開図である。 第３実施形態の超電導コイルの断面図である。 第３実施形態の超電導コイルの詳細断面図である。 第３実施形態の超電導コイルのボビン組立工程のフローチャートである。 第４実施形態の超電導コイルの断面図である。 第４実施形態の超電導コイルの詳細断面図である。 第４実施形態の超電導コイルのボビン組立工程のフローチャートである。 第５実施形態の超電導コイルの断面図である。 第５実施形態の超電導コイルの詳細断面図である。 第６実施形態の超電導コイルの断面図である。 第６実施形態の超電導コイルの詳細断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、図１により、実施形態の超電導コイルを適用した超電導磁石装置の構成を説明する。
図１は、オープン型ＭＲＩの超電導磁石装置１の垂直断面図である。

超電導磁石装置１は、被検体を撮像する空間である開口部２４を挟んで第１の超電導コイル（４ａ、４ｂ）と第２の超電導コイル（４ｃ、４ｄ）が配置され、中心軸２１に沿って磁場が形成される。なお、以下の説明では、第１の超電導コイル（４ａ、４ｂ）と第２の超電導コイル（４ｃ、４ｄ）を総称して超電導コイル４と記す。

超電導コイル４は、液体ヘリウム等の冷媒６により冷却され、冷媒容器（５ａ、５ｂ）に内包される。
冷媒容器（５ａ、５ｂ）には、後述する永久電流スイッチ９も内包され、この永久電流スイッチ９も冷媒６により冷却されている。
冷媒容器（５ａ、５ｂ）は、輻射シールド（３ａ、３ｂ）により内包され、輻射シールド（３ａ、３ｂ）は、真空容器（２ａ、２ｂ）により内包されている。
冷凍機１２は、真空容器２ａおよび輻射シールド３ａを貫いて設置され、冷媒６の冷却を行う。また、冷凍機１２の第１ステージ１２ａで、輻射シールド３ａを冷却する。

ここで、超電導コイル４の励磁手順を説明する。
まず、超電導磁石装置１に励磁電源を接続し、超電導コイル４に並列に設置され閉回路を形成する永久電流スイッチ９を開（Off）にした状態で、励磁電源から超電導コイル４に所定の増加率で設定電流値まで電流供給する。
そして、設定電流値になると、永久電流スイッチ９を閉（On）にして、励磁電源からの電流供給を徐々に少なくする。励磁電源からの電流供給がゼロに下がると、励磁電源を超電導磁石装置１から切り離す。

励磁電源から供給された電流は、超電導コイル４と永久電流スイッチ９との閉回路の中で電流がほとんど減衰すること無く流れ続ける永久電流運転となる。これにより超電導磁石装置１は、長期に渡って磁場を保持することが可能となる。

しかし、クエンチの原因となる常電導転移が超電導コイル４の一部で発生すると、超電導コイル４への通電電流によるジュール熱が発生し、これによる温度上昇のために常電導転移が加速し、クエンチに至る。

実施形態の超電導磁石装置１では、以後詳細に説明するが、超電導コイル４の超電導線間を短絡する導電部材を設けて、常電導転移した超電導線の永久電流を導電部材により他の超電導線に分岐する。これにより、常電導転移した部分でのジュール熱の発生を低減して、温度上昇を抑制し、常電導転移領域の拡大を抑制する。
また、導電部材は、発生したジュール熱の熱伝導部材としても作用するので、常電導転移した部分の冷却が促進される。
この際、この導電部材は、超電導状態を維持する温度と電流と磁界強度の条件である超電導臨界条件に対する裕度の小さい場所または超電導コイル４の樹脂の応力が大きい等の機械的擾乱の発生が予測される場所に設ける。

以下、実施形態の超電導コイル４の構成を詳細に説明する。
以下の説明では、図１の超電導コイル（４ａ、４ｂ）の詳細について説明するが、超電導コイル（４ａ、４ｂ）のコイルに限定されない。

≪第１実施形態≫
図２Ａ、図２Ｂにより、超電導線の最内層の巻き始めと巻き終わりに導電部材３４を設けた超電導コイル４について説明する。

図２Ａに断面構造を示す本実施形態の超電導コイル４は、ボビン１１に円形断面の超電導線３０を内周側から俵積み状に多層ソレノイド巻きされ、ボビン１１に保持される構造をもつ。
ボビン１１と多層ソレノイド巻きした超電導線３０の間には、電気絶縁のための絶縁板３２が設置されている。
多層ソレノイド巻きした超電導線３０は、エポキシを代表とする樹脂４０を注入して固定され、コイル形成される。

図２Ａに断面構造を示す本実施形態の超電導コイル４では、超電導コイル４のコイル巻線内部に生じる磁束密度は最内層で強くなる。その中でも最内層の巻始めと巻終わりにあたる角部には磁束が集中しやすくなる。このため、他の部位と比較して角部は臨界温度が低くなって超電導臨界条件に対する裕度が小さくなり、常電導転移しやすい場所となっている。
このように、超電導コイル４の最内層の角部では、クエンチが発生する可能性が高くなる。

超電導コイル４への通電電流を小さくすることで最内層の磁束密度を小さくすることができるが、超電導コイル４が発生する磁場強度が低下してしまう。磁場強度を補うため超電導コイル４のターン数を増加すると、超電導線３０の使用量の増加や、超電導コイル４の大型化の問題が生じる。
本実施形態の超電導コイル４では、図２Ｂに示すように、超電導コイル４の最内層の角部に導電部材３４を設ける構造として、クエンチの発生を抑止する。

図２Ｂは、図２Ａの破線領域の拡大図となっている。
図２Ｂに示すように、ボビン１１の角部では、導電部材３４が絶縁板３２と超電導線３０（３０ｂ）との間に設けられている。
導電部材３４の上に超電導線３０を巻線する。これにより、超電導線３０の絶縁被膜３３の無い部分（３０ｂ）が導電部材３４に接触し、導電部材３４を介して隣り合う超電導線３０と電気的に接続される。符号３３ａは、超電導線３０の絶縁被膜３３のある部分を指している。

導電部材３４は、インジウム、金等の延性をもち、低電気接触抵抗の軟質金属である。
樹脂４０は、エポキシ等の樹脂であり、巻線した超電導線３０に含浸処理して超電導線３０を固定している。
ボビン１１のもう一方の角部でも同様に、導電部材３４を設ける。

図３は、ボビン１１に超電導線３０を複数層のソレノイド巻きして図２Ａ、図２Ｂの超電導コイル４を形成するボビン組立工程の一例を示すフローチャートである。
まずステップＳ３１で、ボビン１１の角部に導電部材３４を設置し、以下のように、一ターンずつ絶縁被膜３３の除去の対象か判定を行い超電導線３０の巻線を行う。

ステップＳ３２で、このターンが超電導線３０と導電部材３４とを接触させるための絶縁被膜除去の対象か判定し、除去対象でなければ（Ｓ３２のＮｏ）、ステップＳ３４に進む。
除去対象であれば（Ｓ３２のＹｅｓ）、超電導線３０の絶縁被膜３３を除去する（Ｓ３３）。絶縁被膜３３の除去は、ステップＳ３１で設置した導電部材３４と接触するように、超電導線３０の一ターン長の中の少なくとも一部について行う。
そして、ステップＳ３４に進む。

ステップＳ３４では、超電導線３０の一ターン分の巻線を行う。
上記のように、絶縁被膜３３の除去の要否を判定してから巻線を行うことにより、図２Ｂに示した超電導線３０の絶縁被膜３３の無い部分（３０ｂ）と絶縁被膜３３のある部分（３０ａ）を連続して巻線できる。

ステップＳ３５で、巻線終了ターンであるか否かを判定し、巻き終わりのターンでなければ（Ｓ３５のＮｏ）、ステップＳ３２に戻り巻線処理を続ける。巻き終わりのターンであれば（Ｓ３５のＹｅｓ）、ステップＳ３６に進む。
ステップＳ３６では、樹脂４０を巻線した超電導線３０に含浸して超電導線３０を固定し、超電導コイル４を成形する。
以上により、ボビン組立工程を終了する。

図３のボビン組立工程では、全長に亘って絶縁被膜３３が形成された超電導線３０を用いて、巻線中に、導電部材３４と接触する部分の絶縁被膜３３を除去する工程を説明したが、絶縁被膜３３が形成されていない超電導線３０を用いて、巻線中に、導電部材３４と接触しない部分に絶縁被膜３３を形成するようにしてもよい。

図４は、図２Ｂに対応する超電導コイル４の最内層の周方向の展開図である。
図４は、絶縁被膜３３を２ターン分除去して、超電導線３０の絶縁被膜３３の無い部分（３０ｂ）を導電部材３４に接触させている。超電導線３０の絶縁被膜３３がある部分（３０ａ）には、導電部材３４を設けない。

ところで、超電導コイル４の励磁等の通電電流が変化している間では、超電導コイル４の自己誘導のために励磁電流が妨害され、導電部材３４により短絡されている部分を励磁電流が通流する。つまり、超電導線３０のターン間をまたいで通流するためにターン数が減ったことと等価となり、超電導コイル４の発生する磁場強度が小さくなる。

電流の変化が無くなれば導電部材３４による短絡の影響は無くなるが、所定の磁場を得るまでの励磁時間が長くなる。このため、導電部材３４を設ける領域は少ない方が望ましく、常電導転移の発生状況に応じて導電部材３４を設ける領域を調整する。

超電導コイル４の励磁等の通電電流が変化している間は、超電導コイル４の磁場変化により導電部材３４に誘導電流が生じて、ジュール熱が生じる。
そこで、図４の本実施形態の超電導コイル４では、導電部材３４の周方向に、少なくとも一つの狭幅部を設けるか、または、１周に渡って連続しないようにスリット３５を設けている。
スリット３５を端部を残すように導電部材３４に設けることにより、ボビン１１への設置を容易に行うことができる。

上記のとおり、本実施形態の超電導コイル４は、最内層の巻き始めと巻き終わりで、隣り合う複数本の超電導線３０が導電部材３４により熱的あるいは電気的に接続されるようにしている。
例えば、Ｎｂ−Ｔｉ（ニオブチタン）系の超電導線３０は、超電導材のＮｂ−Ｔｉ合金と安定化材の無酸素銅を複合して延伸加工している。超電導材のＮｂ−Ｔｉ合金は、安定化材を通じて冷却されるが、複数の超電導線３０が導電部材３４により熱的に接続していることで超電導線３０が1本のみ場合と比較して熱容量が増加し、かつ、表面積が増えて、超電導材のＮｂ−Ｔｉ合金の冷却が促進される。
これにより機械的擾乱による温度上昇が低減され常電導転移の発生を抑制することが可能になる。

また、上記の機械的擾乱による常電導転移が発生した場合でも、導電部材３４により常電導転移した超電導線３０の通流電流がバイパスされて、常電導転移した部分でのジュール熱が低減する。このジュール熱は導電部材３４を介して接続する超電導線３０に熱電導して冷却されるので、常電導転移が拡大すること無く、超電導状態に復帰しやすくなる。

本実施形態の超電導磁石装置１では、超電導線３０を多層ソレノイド巻きした超電導コイル４の最内周の角部で、導電部材３４により、隣り合う超電導線３０を接続するようにした。超電導コイル４の最内周の角部は、磁束密度が高く臨界温度裕度が小さい場所であり、機械的擾乱による常電導転移が発生しやすいので、導電部材３４の設置による常電導転移の発生を抑制や常電導転移の解消の効果を奏しやすくなる。

本実施形態の超電導磁石装置１は、オープン型ＭＲＩに限らず、トンネル型ＭＲＩの超電導磁石装置にも適用できる。
この場合には、超電導磁石装置１の磁場方向を示す中心軸２１が水平方向を向き、開口部２４が、中心軸２１方向に真空容器２および輻射シールド３を貫くように構成する。

≪第２実施形態≫
図２Ｂでは、導電部材３４をボビン１１の角部に設置して、隣り合う超電導線３０を熱的または電気的に接続する実施例を説明したが、テープ状の導電部材３４を超電導線３０に巻き付けてから、ボビン１１に超電導線３０を巻線してもよい。

図５Ａは、本実施形態の超電導コイル４の断面構造を示す図である。
本実施形態の超電導コイル４は、ボビン１１に円形断面の超電導線３０を内周側から俵積み状に多層ソレノイド巻きしており、図２Ａと同様の、断面構造をもつ。
図５Ａの符号は、図２Ａと同様であり、ここでは説明を省略する。

図５Ｂは、図５Ａの破線領域の拡大図となっている。
図５Ｂに示すように、磁束密度が高く磁束が集中しやすいボビン１１の角部では、超電導線３０の絶縁被膜３３の無い部分（３０ｂ）の周囲に導電部材３４ｂを巻き付けて、超電導線３０をボビン１１に巻線する。これにより、ボビン１１の角部では、導電部材３４を介して、隣り合う超電導線３０が電気的・熱的に接続する。
ボビン１１の角部以外では、超電導線３０の絶縁被膜３３のある部分（３０ａ）が巻線されている。

導電部材３４ｂは、インジウム、金等の延性をもち、低電気接触抵抗の軟質金属である。
図５Ｂの他の符号も、図２Ｂと同様であり、ここでは説明を省略する。

図６は、ボビン１１に超電導線３０を多層ソレノイド巻きして図５Ａ、図５Ｂの超電導コイル４を形成するボビン組立工程の一例を示すフローチャートである。
この際、超電導線３０には、全長に亘って絶縁被膜３３が塗布されているものとする。
ステップＳ６１で、これから超電導線３０をボビン１１に巻きつけるターンが、超電導線３０の絶縁被膜３３の絶縁除去対象か否かを判定する。つまり、最内層の巻き始めまたは巻き終わりのターンであるか否かを判定する。

ターンが絶縁除去対象であれば（Ｓ６１のＹｅｓ）、ステップＳ６２に進み、ターンが絶縁除去対象でなければ（Ｓ６１のＮｏ）、ステップＳ６６に進む。
ステップＳ６２では、ステップＳ６５までの処理の繰り返しにより、一巻き長の超電導線３０の中で、複数箇所に導電部材３４の設置を行う。

詳しくは、ステップＳ６３で、超電導線３０の絶縁被膜３３の一部を所定長さ除去し、この除去部分に導電部材３４を巻きつけるように設置する（Ｓ６４）。
そして、絶縁被膜３３の除去と導電部材３４の設置を、一ターン長の超電導線３０の中で繰り返す（Ｓ６５）。

ステップＳ６６では、絶縁被膜３３を除去して導電部材３４を設けた一巻き分の超電導線３０、または、一巻き分の絶縁被膜３３を設けた超電導線３０を、巻きつける。
ステップＳ６７で、巻線終了ターンであるか否かを判定し、巻き終わりのターンでなければ（Ｓ６７のＮｏ）、ステップＳ６１に戻り巻線処理を続ける。巻き終わりのターンであれば（Ｓ６７のＹｅｓ）、ステップＳ６８に進む。
ステップＳ６８では、樹脂４０を巻線した超電導線３０に含浸して超電導線３０を固定し、超電導コイル４を成形する。
以上により、ボビン組立工程を終了する。

図７は、図５Ｂの超電導コイル４の最内層の周方向の展開図である。
図７は、巻き始めまたは巻き終わりの超電導線３０の２ターン分について、超電導線３０の絶縁被膜３３の無い部分（３０ｂ）に導電部材３４を巻きつけるように設けている。超電導線３０の絶縁被膜３３がある部分（３０ａ）には、導電部材３４を設けない。また、超電導線３０の長さ方向に、複数の導電部材３４を設置するようにした。
この際、導電部材３４は、巻線したときに隣り合う超電導線３０が接続するように配置する。

本実施形態の超電導磁石装置１では、超電導線３０を多層ソレノイド巻きした超電導コイル４の最内周の角部で、超電導線３０に巻き付けられたテープ状の導電部材３４により、隣り合う超電導線３０を接続するようにした。超電導コイル４の最内周の角部は、磁束密度が高く臨界温度裕度が小さい場所であり、機械的擾乱による常電導転移が発生しやすいので、導電部材３４の設置による常電導転移の発生を抑制や常電導転移の解消の効果を奏しやすくなる。

また、導電部材３４を超電導線３０に巻き付けて設置するので、超電導コイル４の最内周の角部に限定されず、超電導コイル４の機械的擾乱による常電導転移が予測される場所に設置できる。具体的な構成を後述する。

≪第３実施形態≫
図２Ｂや図５Ｂの超電導コイル４では、巻線した超電導線３０に樹脂４０を含浸処理して超電導線３０を固定しているが、超電導線３０に自己融着樹脂に代表される成形部材３６を被覆しておき、巻線終了後に熱硬化または加熱溶融といった熱処理することでコイル成形する超電導コイル４についてつぎに説明する。
図８Ａは、本実施形態の超電導コイル４の熱処理前の断面構造を示す図である。
本実施形態の超電導コイル４は、ボビン１１に円形断面の超電導線３０を内周側から俵積み状に多層ソレノイド巻きしており、図２Ａや図５Ａと同様の、断面構造をもつ。
図８Ａの符号は、図２Ａや図５Ａと同様であり、ここでは説明を省略する。

図８Ｂは、図８Ａの破線領域の拡大図となっている。
図８Ｂに示すように、磁束密度が高く磁束が集中しやすいボビン１１の角部では、超電導線３０の絶縁被膜３３の無い部分（３０ｂ）の周囲に導電部材３４ｂを巻き付けて、導電部材３４ｂを介して、隣り合う超電導線３０が電気的・熱的に接続する。そして、導電部材３４ｂにより接続される超電導線３０の外周に成型部材（３６ａ、３６ｂ）を配置している。
ボビン１１の角部以外では、外周に成形部材３６が被覆された超電導線３０の絶縁被膜３３のある部分（３０ｃ）が巻線されている。

導電部材３４は、インジウム、金等の延性をもち、低電気接触抵抗の軟質金属である。
図８Ｂの他の符号は、図２Ｂや図５Ｂと同様であり、ここでは説明を省略する。

図９は、ボビン１１に超電導線３０を多層ソレノイド巻きして図８Ａ、図８Ｂの超電導コイル４を形成するボビン組立工程の一例を示すフローチャートである。
この際、超電導線３０には、全長に亘って絶縁被膜３３が塗布され、さらにその外周にて成形部材３６が被覆されているものとする。

ステップＳ９０１で、これから超電導線３０をボビン１１に巻きつけるターンが、超電導線３０の絶縁被膜３３の絶縁除去対象か否かを判定する。つまり、最内層の巻き始めまたは巻き終わりのターンであるか否かを判定する。
ターンが絶縁除去対象であれば（Ｓ９０１のＹｅｓ）、ステップＳ９０２に進み、ターンが絶縁除去対象でなければ（Ｓ９０１のＮｏ）、ステップＳ９０９に進む。

ステップＳ９０２では、導電部材３４ｂを設置開始するターンであるか否かを判定し、導電部材３４ｂを設置開始するターンであれば（Ｓ９０２のＹｅｓ）、ステップＳ９０３に進み、導電部材３４ｂを設置開始するターンでなければ（Ｓ９０２のＮｏ）、ステップＳ９０４に進む。
ステップＳ９０３では、導電部材３４ｂにより接続される複数の超電導線３０の内周側が被覆されるように成形部材３６ａを設置する。そして、ステップＳ９０４に進む。

ステップＳ９０４では、超電導線３０に予め被覆されている絶縁被膜３３と成形部材３６を除去する。そして、ステップＳ９０５で、超電導線３０の絶縁被膜３３と成形部材３６の除去部分に、導電部材３４ｂを巻き付けるように設置する。つぎに、導電部材３４ｂを設置した超電導線３０を、ステップＳ９０３で設置した成形部材３６ａの上に巻線する（Ｓ９０６）。

つぎに、導電部材３４ｂを設置終了するターンであったか否かを判定する（Ｓ９０７）。導電部材３４ｂを設置終了するターンであれば（Ｓ９０７のＹｅｓ）、ステップＳ９０８に進み、導電部材３４ｂを設置終了するターンでなければ（Ｓ９０７のＮｏ）、ステップＳ９１０に進む。
ステップＳ９０８では、導電部材３４ｂにより接続される複数の超電導線３０の外周側が被覆されるように成形部材３６ｂを設置する。そして、ステップＳ９１０に進む。

ステップＳ９０９では、絶縁被膜３３と成形部材３６とが被覆された超電導線３０を、一巻き分巻きつける。
ステップＳ９１０では、巻線終了ターンであるか否かを判定し、巻き終わりのターンでなければ（Ｓ９１０のＮｏ）、ステップＳ９０１に戻り、巻線処理を続ける。巻き終わりのターンであれば（Ｓ９１０のＹｅｓ）、ステップＳ９１１に進む。
ステップＳ９１１では、成形部材（３６、３６ａ、３６ｂ）を熱処理して超電導線３０を固定し、超電導コイル４を成形する。
以上により、ボビン組立工程を終了する。

本実施形態の超電導磁石装置１では、超電導線３０をソレノイド巻きした超電導コイル４の最内周の角部で、超電導線３０に巻き付けられたテープ状の導電部材３４ｂにより、隣り合う超電導線３０を接続するようにした。超電導コイル４の最内周の角部は、磁束密度が高く臨界温度裕度が小さい場所であり、コイル変位やクラックといった機械的擾乱による常電導転移が発生しやすい。実施形態の導電部材３４の設置により、常電導転移発生の抑制や常電導転移の解消を行うことができる。

また、自己融着樹脂やプリプレグといった成形部材３６を熱処理してコイル成形するので、樹脂４０の含侵が不要となり、コイル形成が容易になる。
この際、導電部材３４を設置した後に、接続する隣り合う超電導線３０の周囲に成形部材３６を再配置するので、接続を妨げることなく固定することができる。
さらに、コイル巻線内部に生じた空隙５０に液体ヘリウム等の冷媒が浸透することで、より効率的に超電導線を冷却することが可能となる。これにより、常電導転移の発生を抑制し、かつ、常電導転移が発生しても再冷却して超電導状態に復帰しやすくすることが可能となる。

≪第４実施形態≫
上記の実施形態では、円形断面の超電導線３０について説明したが、断面形状が矩形の超電導線３１についても同様に、超電導コイル４の常電導転移しやすい部分の隣り合う超電導線３１を導電部材３４で接続することができる。

図１０Ａは、本実施形態の超電導コイル４の成形部材３６の熱処理前の断面構造を示す図である。
本実施形態の超電導コイル４は、ボビン１１に矩形断面の超電導線３１を内周側から多層ソレノイド巻きしている。
図１０Ａの符号は、図２Ａや図５Ａと図８Ａと同様であり、ここでは説明を省略する。

図１０Ｂは、図１０Ａの破線領域の拡大図となっている。
図１０Ｂに示すように、磁束密度が高く磁束が集中しやすいボビン１１の角部では、隣り合う超電導線３１の絶縁被膜３３の無い部分（３１ｂ）を接触させるとともに、導電部材３４により電気的・熱的に接続した。そして、隣り合う超電導線３１を接続する導電部材３４の外側に成形部材３６ａを配置した。
ボビン１１の角部以外では、外周に成形部材３６が被覆され、超電導線３１の絶縁被膜３３のある部分（３１ａ）が巻線されている。

導電部材３４は、インジウム、金等の延性をもち、低電気接触抵抗の軟質金属である。
図１０Ｂの他の符号は、図２Ｂや図５Ｂや図８Ｂと同様であり、ここでは説明を省略する。

図１１は、ボビン１１に超電導線３１を多層ソレノイド巻きして図１０Ａ、図１０Ｂの超電導コイル４を形成するボビン組立工程の一例を示すフローチャートである。
この際、超電導線３１には、全長に亘って絶縁被膜３３が塗布され、さらにその外周に成形部材３６が被覆されているものとする。

まずステップＳ１１１で、ボビン１１の角部の内周部に、導電部材３４により接続する超電導線３０のターン分（巻き数分）の成形部材３６ａを設置する。
つぎに、上記の成形部材３６ａに重ねて導電部材３４を設置する（Ｓ１１２）。

ステップＳ１１３で、これから超電導線３１をボビン１１に巻きつけるターンが、超電導線３１と導電部材３４とを接触させるための絶縁被膜除去の対象か判定し、除去対象でなければ（Ｓ１１３のＮｏ）、ステップＳ１１５に進む。
除去対象であれば（Ｓ１１３のＹｅｓ）、超電導線３１の成形部材３６と絶縁被膜３３を除去する（Ｓ１１４）。この際、成形部材３６と絶縁被膜３３の除去は、ステップＳ１１２で設置した導電部材３４と接触する面と、隣り合う超電導線３１との接続面について、超電導線３１の一ターン長の中の少なくとも一部について行う。
そして、ステップＳ１１５に進む。

ステップＳ１１５では、超電導線３１の一ターン分の巻線を行う。
上記のように、絶縁被膜３３の除去の要否を判定してから巻線を行うことにより、図１０Ｂに示した超電導線３１の成形部材３６と絶縁被膜３３の無い部分（３１ｂ）と成形部材３６と絶縁被膜３３のある部分（３１ａ）を連続して巻線できる。

ステップＳ１１６で、巻線終了ターンであるか否かを判定し、巻き終わりのターンでなければ（Ｓ１１６のＮｏ）、ステップＳ１１３に戻り、巻線処理を続ける。巻き終わりのターンであれば（Ｓ１１６のＹｅｓ）、ステップＳ１１７に進む。
ステップＳ１１７では、成形部材（３６、３６ａ）を熱硬化または加熱溶融といった熱処理を行って超電導線３１を固定し、超電導コイル４を成形する。
以上により、ボビン組立工程を終了する。

上記により、断面形状が矩形の超電導線３１についても、超電導コイル４の常電導転移しやすい部分の隣り合う超電導線３１を導電部材３４で接続することができる。
さらに、導電部材３４で接続した超電導線３１の外周に成形部材３６を設置するようにしたので、導電部材３４で接続した超電導線３１の固定を容易に行うことができる。

≪第５実施形態≫
上記の実施形態では、超電導線３０をソレノイド巻きした超電導コイル４について説明したが、テープ形状の超電導線材を同心円状（渦巻き状）に巻線していくパンケーキコイル巻きの超電導コイル４の実施形態を図１２Ａと図１２Ｂにより説明する。
図１２Ａは、本実施形態の超電導コイル４の断面構造を示す図である。
超電導コイル４は、テープ形状の超電導線３７をボビン１１にパンケーキコイル巻きしてパンケーキコイルを形成し、このパンケーキコイルを積層して作成する。この際、パンケーキコイルの内周と外周とで、交互にパンケーキコイル間を接続して形成する。
絶縁板３２は、ボビン１１とパンケーキコイル巻きした超電導線３７の間を電気絶縁している。

図１２Ｂは、図１２Ａの破線領域の拡大図となっている。
図１２Ｂに示すように、磁束密度が高く磁束が集中しやすいボビン１１の角部では、超電導線３７の絶縁被膜３３の無い部分（３７ｂ）の周囲に導電部材３４を巻き付けて、超電導線３７をボビン１１にパンケーキコイル巻きする。これにより、ボビン１１の角部では、導電部材３４を介して、パンケーキコイルの隣り合う巻きの超電導線３７が電気的・熱的に接続する。
ボビン１１の角部以外では、超電導線３７の絶縁被膜３３のある部分（３７ａ）がパンケーキコイル巻きされている。

図１２Ｂでは、導電部材３４を超電導線３７に巻く構成を示しているが、導電部材３４を超電導線３７に積層する構成でもよい。
導電部材３４は、インジウム、金等の延性をもち、低電気接触抵抗の軟質金属である。
樹脂４０は、エポキシ等の樹脂であり、パンケーキコイル巻きした超電導線３７に含浸処理して超電導線３７を固定している。

図１２Ｂに示したパンケーキコイル巻きした超電導コイル４は、図６により説明したボビン組立工程のフローチャートと同様にして形成することができる。
パンケーキコイル巻きのターン毎に、超電導線３７の絶縁被膜３３の絶縁除去対象か否かを判定する。つまり、ターン毎に、パンケーキコイル巻きの隣り合う超電導線３７を導電部材３４により接続するか否かを判定する。

ターンが絶縁除去対象であれば、超電導線３７の絶縁被膜３３を所定長に亘って除去し、絶縁被膜３３の除去部分に導電部材３４を巻きつけるように設置するか、または、絶縁被膜３３の除去部分にテープ状の導電部材３４を貼付する。そして、パンケーキ状に一ターン分巻き付ける。
ターンが絶縁除去対象でなければ、そのまま、パンケーキ状に一ターン分巻き付ける。
上記を、全ターン分繰り返して一つのパンケーキコイルを形成する。
そして、上記の処理を超電導コイル４を構成するパンケーキコイルの個数分繰り返して複数のパンケーキコイルを形成し、これらを積層して超電導コイル４を形成する。

上記の形成方法は、超電導線３７には、全長に亘って絶縁被膜３３が塗布されているものを前提としているが、超電導線３７に絶縁被膜３３を塗布せずに、導電部材３４により接続するターンと判定した時に、導電部材３４を設置し、そうでない時に、絶縁被膜３３を設置するようにしてもよい。

ところで、図１２Ｂでは、複数のパンケーキコイルのうち、一つのパンケーキコイルの内側ターンに導電部材３４を設置する例を示しているが、これに限定されない。
隣り合う２つのパンケーキコイルの同じターンに導電部材３４を設置してもよい。ただし、この場合には、超電導コイル４の励磁等の通電電流が変化している間は、２つのパンケーキコイルが異なる誘導電位となるため、２つのパンケーキコイルに設けた導電部材３４は絶縁することが望ましい。

上記のように、パンケーキコイル巻きした超電導コイル４においても、磁束密度が高く臨界温度裕度が小さい超電導コイル４の角部の超電導線３７を導電部材３４により短絡できるので、常電導転移の発生を抑制することができ、また、常電導転移を解消することができる。

≪第６実施形態≫
つぎに、超電導コイル４の角部と異なる場所に導電部材３４を配置する例を図１３Ａと図１３Ｂにより説明する。
本実施形態は、超電導コイル４の自己磁場によるコイル変形により生じる樹脂のクラックといった機械的擾乱に伴う常電導転移の影響を低減するものである。超電導コイル４の自己磁場によるコイル変形に伴う樹脂の内部応力分布は計算により求めることができる。樹脂の内部応力が所定値以上となる部位を、機械的擾乱が生じる可能性のある発生予測点として、電気的に隣接する超電導コイル４の超電導線を短絡する導電部材を配置する。

図１３Ａは、本実施形態の超電導線３０をボビン１１にソレノイド巻きして樹脂４０を含侵した超電導コイル４の断面構造を示す図である。
超電導コイル４の断面中央部（破線領域）が、機械的擾乱の発生が高い発生予測点とする。
絶縁板３２は、ボビン１１と超電導線３０の間を電気絶縁している。

図１３Ｂは、図１３Ａの破線領域の拡大図となっている。
図の中央は、樹脂４０のクラックやボイド等の機械的擾乱の発生が高い発生予測点であり、この発生予測点に対応する超電導線３０では、絶縁被膜３３の無い部分（３０ｂ）の周囲に導電部材３４ｂを巻き付けて、超電導線３０をボビン１１に巻線する。これにより、導電部材３４を介して、隣り合う超電導線３０が電気的・熱的に接続する。これ以外では、超電導線３０の絶縁被膜３３のある部分（３０ａ）が巻線されている。

この時、ソレノイド巻きされる同層の隣り合う超電導線３０が導電部材３４により接続される。つまり、電気的に隣り合う超電導線３０を導電部材３４により短絡する。
導電部材３４は、インジウム、金等の延性をもち、低電気接触抵抗の軟質金属である。

本実施例の超電導コイル４は、図６により説明したボビン組立工程のフローチャートと同様にして形成することができる。
詳しくは、ステップＳ６１において、これから巻き付けするターンが、発生予測点に対応する巻線のターンか否かを判定して、絶縁被膜３３の除去と導電部材３４ｂの設置を行う。

上記の実施形態によれば、コイル巻線の内部で隣り合う複数本の超電導線が熱的並びに電気的に結合される。運転時の超電導線材は、主としてその一部を構成する金属部材（安定化材）を通じて冷却されるが、複数の超電導線が熱的に結合していることで超電導線が1本のみ場合と比較して熱容量が増加し、かつ、表面積が増えて冷却が促進される。これにより機械的擾乱による温度上昇が低減され常電導転移の発生を抑制することが可能なる。また、機械的擾乱による発熱量が大きく常電導転移が発生した場合でも、超電導線同士が電気的に結合していることで電気抵抗が小さい超電導状態の超電導線に常電導転移した超電導線から電流が流れこみ、ジュール発熱が低減される。そして、表面積が増えたことによる冷却促進にて超電導線材は再冷却されて超電導状態に復帰しやすくなる。

本発明は上記した実施例に限定されるものでは無く、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明で分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものでは無い。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

４ 超電導コイル
１１ ボビン
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３１、３１ａ、３１ｂ、３７、３７ａ、３７ｂ 超電導線
３２ 絶縁板
３３、３３ｂ 絶縁被膜
３４、３４ｂ 導電部材
３６、３６ａ、３６ｂ 成形部材
４０ 樹脂

Claims (15)

1. 超電導線と、
   前記超電導線を保持するボビンと、
   前記超電導線を固定する樹脂と、
   コイル状に巻線された前記超電導線の少なくとも一部において、隣り合う超電導線を接続する導電部材と、
   を備えたことを特徴とする超電導コイル。
2. 請求項１に記載の超電導コイルにおいて、
   前記導電部材は、当該超電導コイルの磁束密度が高い部分において、前記超電導線を接続する
   ことを特徴とする超電導コイル。
3. 請求項２に記載の超電導コイルにおいて、
   前記超電導線は、前記ボビンに多層ソレノイド巻きされ、
   前記導電部材は、コイル最内層に位置し前記ボビンの角部に対応する隣り合う超電導線を接続する
   ことを特徴とする超電導コイル。
4. 請求項３に記載の超電導コイルにおいて、
   前記導電部材は、前記超電導線の外周部に設けられている
   ことを特徴とする超電導コイル。
5. 請求項４に記載の超電導コイルにおいて、
   前記導電部材は、前記超電導線の長さ方向に不連続に設けられている
   ことを特徴とする超電導コイル。
6. 請求項２に記載の超電導コイルにおいて、
   前記導電部材は、前記ボビンの軸外周面に設けられ、
   前記超電導線は、前記導電部材との接続面に絶縁被膜が形成されていない
   ことを特徴とする超電導コイル。
7. 請求項６に記載の超電導コイルにおいて、
   前記導電部材は、前記ボビンの軸外周面にスリットをもって設けられるか、または、前記ボビンの軸外周面に不連続に設けられる
   ことを特徴とする超電導コイル。
8. 請求項２に記載の超電導コイルにおいて、
   前記超電導線は、多層ソレノイド巻きされ、
   前記導電部材は、ソレノイド巻きされた同じ層の少なくとも一部の隣り合う超電導線を接続する
   ことを特徴とする超電導コイル。
9. 請求項２に記載の超電導コイルにおいて、
   前記超電導線はテープ形状の超電導線であり、パンケーキコイル巻きされ、
   前記導電部材は、隣り合う複数の超電導線を接続する
   ことを特徴とする超電導コイル。
10. 請求項９に記載の超電導コイルにおいて、
    前記超電導線により多層パンケーキコイルが形成されている場合であって、
    それぞれのパンケーキコイルに設けられた前記電導部材は、パンケーキコイル間で絶縁されている
    ことを特徴とする超電導コイル。
11. 請求項１に記載の超電導コイルにおいて、
    前記樹脂は、超電導線の外周の成形部材を熱硬化または加熱溶融してコイル成形する
    ことを特徴とする超電導コイル。
12. 請求項１１に記載の超電導コイルにおいて、
    前記成形部材は、前記導電部材により接続された隣り合う超電導線においては、前記導電部材と超電導線とを囲むように外周に設置される
    ことを特徴とする超電導コイル。
13. 請求項１に記載の超電導コイルにおいて、
    前記導電部材は、前記樹脂の内部応力が所定値以上の部分において、超電導線を接続する
    ことを特徴とする超電導コイル。
14. 請求項１に記載の超電導コイルにおいて、
    前記超電導線は、前記導電部材または隣り合う超電導線との電気的な接続面の除き、絶縁被膜を有する
    ことを特徴とする超電導コイル。
15. 絶縁被膜をもつ超電導線をコイル状に複数ターン巻線した超電導コイルの製造方法であって、
    巻線する超電導線が隣り合う超電導線と接続するターンの場合に、絶縁被膜を所定長さ除去するステップと、
    超電導線間を電気的および熱的に接続する導電部材を設置するステップと、
    前記超電導線を一ターン分巻線するステップと、
    を含むことを特徴とする超電導コイルの製造方法。

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