JP2018190969A

JP2018190969A - 超電導電磁石装置

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Publication number: JP2018190969A
Application number: JP2018080121A
Authority: JP
Inventors: 衛 ▲濱▼田; Mamoru Hamada; 吉紀柳澤; Yoshinori Yanagisawa
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2038-04-18
Also published as: US20180315531A1; EP3396686B1; EP3396686A1; JP7078222B2; US10699830B2

Abstract

【課題】中心軸線周りに巻き回されたテープ線材の一部が、中心軸線が延びる方向で隣接する他の一部と干渉するのを抑制することができる超電導電磁石装置を提供する。【解決手段】複数の第１外側超電導コイル３１〜３３のうち複数の線材層の各々におけるテープ線材の巻数の平均値によって表される第１外側超電導コイルの単位線材層巻数が複数の第１外側超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの中心軸線ＣＬが延びる方向に作用する圧縮力が最も大きくなる位置に配置されている第１外側超電導コイルの単位線材層巻数が、複数の第１外側超電導コイルの単位線材層巻数の平均値よりも少ない。【選択図】図１

Description

本発明は、同心的に配置された複数の超電導コイルを備える超電導電磁石装置に関し、詳しくは、複数の超電導コイルの各々がテープ線材を所定の中心軸線周りで螺旋状に巻き回すことによって形成されている超電導電磁石装置に関する。

超電導電磁石は、超電導体で形成された線材を所定の中心軸線周りに巻き回すことで形成されたコイルからなる電磁石である。超電導電磁石装置では、電気抵抗がゼロになる超電導特性を利用することにより、高い電流密度で運転される。そのため、通常の電磁石では発生させ難い高磁場を発生させることができる。

より大きな磁場を発生させるために、同心的に配置された複数の超電導コイルを備える超電導電磁石装置が知られている（例えば、下記非特許文献１及び２参照）。下記非特許文献１及び２に記載の超電導電磁石装置は、複数の外側超電導コイルと、複数の内側超電導コイルとを備える。複数の外側超電導コイルは、それぞれ、金属系の超電導体で形成された丸線材が中心軸線周りに巻き回されることで形成されている。複数の内側超電導コイルは、それぞれ、酸化物系の超電導体を含むテープ線材が中心軸線周りに巻き回されることで形成されている。

Markiewicz et al., IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 22, NO. 3, JUNE 2012, 4300704 Yanagisawa et al., Journal of Magnetic Resonance 249 (2014) 38-48

非特許文献１及び２に記載のような複数の内側超電導コイル（つまり、各々がテープ線材を中心軸線周りに巻き回すことで形成された複数の超電導コイル）では、中心軸線周りに巻き回されたテープ線材の一部が、中心軸線が延びる方向（軸方向）で隣接する他の一部と干渉するおそれがある。例えば、テープ線材の一部が他の一部に乗り上げようとしたり、テープ線材そのものが座屈したりすることで、テープ線材を中心軸線周りに巻き回すことで形成された線材層の一部が中心軸線に対して垂直な方向で外側に突出するように変形するおそれがある。

本発明の目的は、中心軸線周りに巻き回されたテープ線材の一部が、中心軸線が延びる方向で隣接する他の一部と干渉するのを抑制することができる超電導電磁石装置を提供することである。

本願の発明者等は、上記の目的を達成するための方策について検討した。先ず、中心軸線周りに巻き回されたテープ線材の一部が、中心軸線が延びる方向で隣接する他の一部と干渉する状態について検討した。そして、テープ線材の一部が他の一部と干渉する状態は、複数の超電導コイルの各々の軸方向の端よりも中心側で発生しやすいとの知見を得るに至った。

このような知見について、本願の発明者等は、さらに検討を重ねた。そして、テープ線材の一部が他の一部と干渉するのは、超電導コイルへの通電に起因して発生する軸方向の圧縮力が原因であるとの知見を得るに至った。

次に、本願の発明者等は、超電導コイルへの通電によって軸方向の圧縮力が超電導コイルに作用する理由について検討した。その結果、以下の知見を得るに至った。

超電導コイルへの通電によって発生する磁場は、超電導コイルの軸方向の中心よりも端に近いほど、中心軸線に対して垂直な方向（径方向）で外側に傾く。また、超電導コイルの軸方向の端での磁場の傾き（中心軸線に対する傾き）は、超電導コイルの径方向の中心よりも外側に近いほど、大きくなる。なお、超電導コイルへの通電によって発生する磁場の大きさは、超電導コイルの径方向の中心よりも外側に近いほど、小さくなる。

超電導コイルの配置や組み合わせによっては、超電導コイルへの通電によって発生する磁場の変化の傾向は、単調関数ではない場合もあるが、全体的には、上記のような傾向になる。

超電導コイルの中心軸線に対して傾斜している磁場では、テープ線材に対して、径方向の外側に向かう力だけでなく、軸方向の中心に向かう力も作用する。このような軸方向の中心に向かう力が作用すると、テープ線材は、軸方向の中心に向かって寄せ集められる。そして、軸方向の中心に向かう力が過大になると、テープ線材の一部が他の一部と干渉する。つまり、上記軸方向の中心に向かう力を合成したものが、超電導コイルに作用する軸方向の圧縮力に相当する。

また、本願の発明者は、同心的に配置された複数の超電導コイルの各々に対して、どのような圧縮力が作用するのか検討した。その結果、複数の超電導コイルの各々に作用する軸方向の圧縮力は大きさが異なるとの知見を得た。

このような知見を得た本願の発明者は、複数の超電導コイルのうち、軸方向の圧縮力が過大な超電導コイルについて、軸方向の圧縮力を小さくするための方策を検討した。そして、以下の知見を得るに至った。

上記のように、超電導コイルに作用する軸方向の圧縮力は、テープ線材に作用する軸方向の力（軸方向の中心に向かう力）を合成したものである。そのため、超電導コイルの中心軸線を含む任意の断面（中心軸線が延びる方向及び中心軸線に垂直な方向の各々に広がる断面）において超電導コイルの軸方向に並ぶテープ線材の断面の数、つまり、テープ線材が超電導コイルの中心軸線周りに巻き回される回数を少なくすれば、超電導コイルに作用する軸方向の圧縮力を小さくすることができる。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。

本発明による超電導電磁石装置は、同心的に配置された複数の超電導コイルを備える超電導電磁石装置であって、前記複数の超電導コイルは、各々がテープ線材によって形成された複数の第１超電導コイルを含み、前記複数の第１超電導コイルの各々は、前記複数の第１超電導コイルが共有する中心軸線に対して垂直な方向に積層される複数の線材層を有しており、前記複数の線材層の各々は、前記テープ線材が前記中心軸線周りで螺旋状に複数回巻き回されることで形成されており、前記複数の第１超電導コイルのうち前記複数の線材層の各々における前記テープ線材の巻数の平均値によって表される第１超電導コイルの単位線材層巻数が前記複数の第１超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの前記中心軸線が延びる方向に作用する圧縮力が最も大きくなる位置に配置されている第１超電導コイルの前記単位線材層巻数が、前記複数の第１超電導コイルの前記単位線材層巻数の平均値よりも少ない。

上記超電導電磁石装置では、複数の第１超電導コイルのうち単位線材層巻数が互いに同じであるとしたときに中心軸線が延びる方向（軸方向）に作用する圧縮力が最も大きくなる位置に配置されている第１超電導コイルにおいて、当該軸方向に作用する圧縮力を小さくすることができる。その結果、テープ線材の一部が他の一部と干渉するのを抑制することができる。

上記超電導電磁石装置において、好ましくは、前記複数の第１超電導コイルのうち前記単位線材層巻数が前記複数の第１超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの前記圧縮力が最も大きい位置に配置される第１超電導コイルでは、他の第１超電導コイルよりも、前記単位線材層巻数が少ない。

このような態様においては、中心軸線が延びる方向（軸方向）に作用する圧縮力が最も大きい位置に配置される第１超電導コイルにおいて、当該軸方向に作用する圧縮力を小さくすることができる。その結果、テープ線材の一部が他の一部と干渉するのを抑制することができる。

上記超電導電磁石装置において、好ましくは、前記複数の第１超電導コイルのうち前記単位線材層巻数が前記複数の第１超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの前記圧縮力の平均値よりも大きな圧縮力が作用する位置に配置される第１超電導コイルでは、前記単位線材層巻数が、前記複数の第１超電導コイルの単位線材層巻数の平均値よりも少ない。

このような態様においては、複数の第１超電導コイルのうち単位線材層巻数が同じであるとしたときの圧縮力の平均値よりも大きな圧縮力が作用する位置に配置される第１超電導コイルにおいて、圧縮力を小さくすることができる。その結果、テープ線材の一部が他の一部と干渉するのを抑制することができる。

上記超電導電磁石装置は、好ましくは、各々が丸断面又は矩形断面の線材が巻き回されることで形成され、前記複数の第１超電導コイルを取り囲むとともに前記複数の第１超電導コイルと同心的に配置される複数の第２超電導コイルをさらに備え、前記複数の第２超電導コイルの各々は、前記複数の第１超電導コイルの各々よりも前記中心軸線が延びる方向での長さが大きい。

このような態様においては、複数の超電導コイルに加えて、複数の第２超電導コイルが設けられているので、超電導電磁石装置によって発生する磁場をさらに大きくすることができる。

本発明による超電導電磁石装置によれば、中心軸線周りに巻き回されたテープ線材の一部が、中心軸線が延びる方向で隣接する他の一部と干渉するのを抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態による超電導電磁石装置の概略構成を示す模式図である。図１に示す超電導電磁石装置を構成する超電導コイルの概略構成を示す模式図である。超電導コイルへの通電によって発生する磁場を示す概念図である。超電導コイルの軸方向に対して磁場が傾斜しているときのテープ線材に作用する力を示す概念図である。通電が行われていない状態での線材層を示す模式図である。軸方向の圧縮力が作用しているときの線材層を示す模式図である。線材層においてテープ線材の一部が他の一部と干渉している状態を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態による超電導電磁石装置の概略構成を示す模式図である。比較例１に係る超電導電磁石装置の概略構成を示す模式図である。比較例２に係る超電導電磁石装置の概略構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳述する。

［第１の実施の形態］
図１を参照しながら、本発明の第１の実施の形態による超電導電磁石装置１０について説明する。図１は、超電導電磁石装置１０の概念図である。

なお、以下の説明では、図１における左右方向（後述する中心軸線ＣＬが延びる方向）を軸方向とし、図１における上下方向（中心軸線ＣＬが延びる方向に対して垂直な方向）を径方向とする。

超電導電磁石装置１０は、例えば、ＮＭＲ装置やＭＲＩ装置に用いられる。超電導電磁石装置１０は、５つの超電導コイル２１−２５と、３つの第１外側超電導コイル３１−３３と、３つの第２外側超電導コイル４１−４３と、５つの補正コイル５１−５５と、２つのシールドコイル６１、６２とを備える。

５つの超電導コイル２１−２５と、３つの第１外側超電導コイル３１−３３と、３つの第２外側超電導コイル４１−４３とは、例えば、撮像用の磁場を形成する。つまり、５つの超電導コイル２１−２５と、３つの第１外側超電導コイル３１−３３と、３つの第２外側超電導コイル４１−４３とにより、主磁場発生コイル群が実現されている。５つの補正コイル５１−５５は、主磁場発生コイル群の中心付近における磁場の空間分布を均一にするためのものである。２つのシールドコイル６１、６２は、主磁場発生コイル群の磁場を遮断するような磁場を形成する。以下、これらのコイルについて説明する。

先ず、５つの超電導コイル２１−２５について説明する。５つの超電導コイル２１−２５の各々は、通電により、磁場を発生させる。

５つの超電導コイル２１−２５は、同心的に配置されている。つまり、５つの超電導コイル２１−２５は、共通の中心軸線ＣＬを有しており、内側の超電導コイルの外径は、その直ぐ外側の超電導コイルの内径よりも小さい。５つの超電導コイル２１−２５の各々の軸方向の中心Ｃ１は、中心軸線ＣＬが延びる方向（つまり、軸方向）で同じ位置にある。

５つの超電導コイル２１−２５のうち、最も内側に位置するのが超電導コイル２１であり、超電導コイル２１の直ぐ外側に位置するのが超電導コイル２２であり、超電導コイル２２の直ぐ外側に位置するのが超電導コイル２３であり、超電導コイル２３の直ぐ外側に位置するのが超電導コイル２４であり、超電導コイル２４の直ぐ外側に位置するのが超電導コイル２５である。

図２を参照しながら、５つの超電導コイル２１−２５の各々の具体的な構成について説明する。図２は、超電導コイル２１の概略構成を示す模式図である。図２は、中心軸線ＣＬを含む平面（軸方向及び径方向の各々に広がる平面）にて、超電導コイル２１を切断したときの断面を示している。なお、残りの超電導コイル２２−２５については、超電導コイル２１と同様な構造を有しているので、超電導コイル２１についてのみ詳細を説明し、残りの超電導コイル２２−２５については詳細な説明を省略する。

超電導コイル２１は、中心軸線ＣＬの周りにテープ線材２０Ｗが巻き回されることで形成されている。なお、図２では、テープ線材２０Ｗが巻き回される巻枠について、図示を省略している。

テープ線材２０Ｗは、超電導体を含む。超電導体は、高温超電導体である。高温超電導体は、例えば、酸化物系の超電導体である。

超電導コイル２１は、複数の線材層２０Ｌを有する。複数の線材層２０Ｌは、径方向に積層されている。複数の線材層２０Ｌの各々において、テープ線材２０Ｗが中心軸線ＣＬの周りで螺旋状に巻き回されている。

なお、図２では、理解を容易にするために、４つの線材層２０Ｌの各々においてテープ線材２０Ｗが１２回ずつ巻き回されている例を示しているが、線材層２０Ｌの数や各線材層２０Ｌにおけるテープ線材２０Ｗの巻数は、図２に示すものに限定されない。

ここで、図１に示す例では、複数の超電導コイル２１−２５の軸方向の長さが異なっている。なお、この点についての詳細な説明は後述する。

続いて、図１を参照しながら、３つの第１外側超電導コイル３１−３３について説明する。３つの第１外側超電導コイル３１−３３の各々は、通電により、磁場を発生させる。３つの第１外側超電導コイル３１−３３への通電によって発生する磁場は、５つの超電導コイル２１−２５への通電によって発生する磁場よりも小さい。

３つの第１外側超電導コイル３１−３３は、同心的に配置されている。つまり、３つの第１外側超電導コイル３１−３３は、共通の中心軸線ＣＬを有しており、内側の超電導コイルの外径は、その直ぐ外側の超電導コイルの内径よりも小さい。３つの第１外側超電導コイル３１−３３の各々の軸方向の中心は、中心軸線ＣＬが延びる方向（つまり、軸方向）で同じ位置にある。図１に示す例では、３つの第１外側超電導コイル３１−３３の各々の軸方向の中心は、５つの超電導コイル２１−２５の各々の軸方向の中心Ｃ１と一致している。

３つの第１外側超電導コイル３１−３３のうち、最も内側に位置するのが第１外側超電導コイル３１であり、第１外側超電導コイル３１の直ぐ外側に位置するのが第１外側超電導コイル３２であり、第２外側超電導コイル３２の直ぐ外側に位置するのが第１外側超電導コイル３３である。

３つの第１外側超電導コイル３１−３３の各々の軸方向の長さは、互いに同じである。３つの第１外側超電導コイル３１−３３の各々の軸方向の長さは、５つの内側超電導コイル２１−２５の各々の軸方向の長さよりも大きい。

３つの第１外側超電導コイル３１−３３は、それぞれ、中心軸線ＣＬの周りに矩形断面或いは丸断面の線材が巻き回されることで形成されている。

３つの第１外側超電導コイル３１−３３の各々を形成する線材は、超電導体で形成されている。超電導体は、低温超電導体である。低温超電導体は、例えば、金属系の超電導体である。金属系の超電導体は、例えば、Ｎｂ_３Ｓｎである。

３つの第１外側超電導コイル３１−３３は、それぞれ、５つの超電導コイル２１−２５の各々と同様に、複数の線材層を有する。複数の線材層は、径方向に積層されている。複数の線材層の各々において、線材が中心軸線ＣＬの周りで螺旋状に巻き回されている。

続いて、図１を参照しながら、３つの第２外側超電導コイル４１−４３について説明する。３つの第２外側超電導コイル４１−４３の各々は、通電により、磁場を発生させる。３つの第２外側超電導コイル４１−４３への通電によって発生する磁場は、５つの超電導コイル２１−２５への通電によって発生する磁場よりも小さい。

３つの第２外側超電導コイル４１−４３は、同心的に配置されている。つまり、３つの第２外側超電導コイル４１−４３は、共通の中心軸線ＣＬを有しており、内側の超電導コイルの外径は、その直ぐ外側の超電導コイルの内径よりも小さい。３つの第２外側超電導コイル４１−４３の各々の軸方向の中心は、中心軸線ＣＬが延びる方向（つまり、軸方向）で同じ位置にある。図１に示す例では、３つの第２外側超電導コイル４１−４３の各々の軸方向の中心は、５つの超電導コイル２１−２５の各々の軸方向の中心Ｃ１と一致している。

３つの第２外側超電導コイル４１−４３のうち、最も内側に位置するのが第２外側超電導コイル４１であり、第２外側超電導コイル４１の直ぐ外側に位置するのが第２外側超電導コイル４２であり、第２外側超電導コイル４２の直ぐ外側に位置するのが第２外側超電導コイル４３である。

３つの第２外側超電導コイル４１−４３の各々の軸方向の長さは、互いに同じである。３つの第２外側超電導コイル４１−４３の各々の軸方向の長さは、５つの内側超電導コイル２１−２５の各々の軸方向の長さよりも大きい。３つの第２外側超電導コイル４１−４３の各々の軸方向の長さは、３つの第１外側超電導コイル３１−３３の各々の軸方向の長さと略同じである。

３つの第２外側超電導コイル４１−４３は、それぞれ、中心軸線ＣＬの周りに矩形断面或いは丸断面の線材が巻き回されることで形成されている。

３つの第２外側超電導コイル４１−４３の各々を形成する線材は、超電導体で形成されている。超電導体は、低温超電導体である。低温超電導体は、例えば、金属系の超電導体である。金属系の超電導体は、例えば、ＮｂＴｉである。３つの第２外側超電導コイル４１−４３の各々における線材の材料は、３つの第１外側超電導コイル３１−３３の各々における線材の材料と異なっている。

３つの第２外側超電導コイル４１−４３は、それぞれ、５つの超電導コイル２１−２５と同様に、複数の線材層を有する。複数の線材層は、径方向に積層されている。複数の線材層の各々において、線材が中心軸線ＣＬの周りで螺旋状に巻き回されている。

続いて、図１を参照しながら、５つの補正コイル５１−５５について説明する。５つの補正コイル５１−５５は、主磁場発生コイル群（５つの超電導コイル２１−２５と、３つの第１外側超電導コイル３１−３３と、３つの第２外側超電導コイル４１−４３）の中心付近における磁場の空間分布を均一にする。

補正コイル５１は、補正コイル５２よりも、軸方向の一端側（図１中の右側）に位置している。補正コイル５１及び補正コイル５２は、それぞれ、線材が中心軸線ＣＬの周りで螺旋状に巻き回されることで形成されている。補正コイル５１と補正コイル５２は、赤道面Ｐ１（中心Ｃ１を含み、中心軸線ＰＬに対して垂直な平面）に対して面対称な位置に配置されている。

補正コイル５３は、補正コイル５４よりも、軸方向の一端側（図１中の右側）に位置している。補正コイル５５は、軸方向で、補正コイル５３と補正コイル５４との間に位置している。補正コイル５３、補正コイル５４及び補正コイル５５は、それぞれ、線材が中心軸線ＣＬの周りで螺旋状に巻き回されることで形成されている。補正コイル５３と補正コイル５４は、赤道面Ｐ１に対して面対称な位置に配置されている。

続いて、図１を参照しながら、２つのシールドコイル６１、６２について説明する。２つのシールドコイル６１、６２は、主磁場発生コイル群（５つの超電導コイル２１−２５と、３つの第１外側超電導コイル３１−３３と、３つの第２外側超電導コイル４１−４３）から漏れる磁場（漏れ磁場）を遮断するような磁場を発生させる。

シールドコイル６１は、シールドコイル６２よりも軸方向の一端側（図１中の右側）に位置している。シールドコイル６１及びシールドコイル６２は、それぞれ、線材が中心軸線ＣＬの周りで螺旋状に巻き回されることで形成されている。シールドコイル６１とシールドコイル６２は、赤道面Ｐ１に対して面対称な位置に配置されている。

超電導電磁石装置１０は、例えば、ＭＲＩ装置に用いられる。この場合、超電導電磁石装置１０では、主磁場発生コイル群（５つの超電導コイル２１−２５と、３つの第１外側超電導コイル３１−３３と、３つの第２外側超電導コイル４１−４３）が形成する磁場を利用して、撮像が行われる。このとき、５つの補正コイル５１−５５は、主磁場発生コイル群の中心付近における磁場の空間分布を均一にする。２つのシールドコイル６１、６２は、主磁場発生コイル群の磁場を遮断するように、磁場を形成する。

５つの超電導コイル２１−２５が磁場を形成しているとき、つまり、５つの超電導コイル２１−２５の各々への通電が行われているとき、５つの超電導コイル２１−２５の各々には、軸方向の圧縮力が作用する。５つの超電導コイル２１−２５の各々に作用する軸方向の圧縮力が大きくなり過ぎると、５つの超電導コイル２１−２５の各々が有する複数の線材層２０Ｌの何れかにおいてテープ線材２０Ｗの一部が他の一部と干渉するおそれがある。

超電導電磁石装置１０では、５つの超電導コイル２１−２５の各々が有する複数の線材層２０Ｌの何れかにおいてテープ線材２０Ｗの一部が他の一部と干渉するのを抑制することができる。その理由は、以下のとおりである。

先ず、図３を参照しながら、５つの超電導コイル２１−２５が形成する磁場について説明する。図３は、５つの超電導コイル２１−２５が形成する磁場を示す概念図である。

５つの超電導コイル２１−２５が形成する磁場は、軸方向の中心よりも端（図３中の左端及び右端）に近いほど、径方向で外側に傾く。また、図示はしていないが、軸方向の端での磁場の傾き（中心軸線ＣＬに対する傾き）は、径方向の中心よりも外側に近いほど、大きくなる。なお、５つの超電導コイル２１−２５が形成する磁場の大きさは、径方向の中心よりも外側に近いほど、小さくなる。

続いて、図４を参照しながら、磁場が傾斜しているときにテープ線材２０Ｗに作用する力について説明する。図４は、磁場が傾斜しているときにテープ線材２０Ｗに作用する力を示す説明図である。

磁場が中心軸線ＣＬに対して傾斜している場合、テープ線材２０Ｗに作用する力Ｆ１は、径方向の外側に向かう力Ｆ１１と、軸方向の中心に向かう力Ｆ１２とに分解できる。

続いて、図５Ａ−図５Ｃを参照しながら、上記のような力Ｆ１がテープ線材２０Ｗに作用しているときの線材層２０Ｌの状態について説明する。図５Ａは、テープ線材２０Ｗへの通電が行われていないときの線材層２０Ｌを示す。図５Ｂは、テープ線材２０Ｗが軸方向の中心に向かって寄せ集められた状態を示す。図５Ｃは、線材層２０Ｌにおいてテープ線材２０Ｗの一部と他の一部とが干渉している状態を示す。

テープ線材２０Ｌに作用する力Ｆ１は、磁場が中心軸線ＣＬに対して傾斜しているとき、径方向の外側に向かう力Ｆ１１と、軸方向の中心に向かう力Ｆ１２とに分解できる。これらの力Ｆ１１、Ｆ１２が線材層２０Ｌを構成しているテープ線材２０Ｗに作用することにより、線材層２０Ｌは、図５Ａに示す状態から図５Ｂに示す状態へと変化する。つまり、線材層２０Ｌを構成しているテープ線材２０Ｗは、力Ｆ１１が作用することで径方向の外側に向かって移動し、力Ｆ１２が作用することで軸方向の中心に向かって寄せ集められる。

図２を参照して、５つの超電導コイル２１−２５の各々の内半径をａ１とし、５つの超電導コイル２１−２５の各々の外半径をａ２とし、５つの超電導コイル２１−２５の各々を構成するテープ線材２０Ｗの任意の断面（５つの超電導コイル２１−２５の各々の軸方向の中心から数えてｉ番目の巻数であって、かつ、ｊ番目の線材層２０Ｌに位置する断面）の座標を（ｒ_ｊ，ｚ_ｉ）とする。座標（ｒ_ｊ，ｚ_ｉ）でのテープ線材２０Ｗに作用する力Ｆ１２は、以下の式（１）で表される。

５つの超電導コイル２１−２５の各々に作用する軸方向の圧縮力は、式（１）で表される力Ｆ１２を合成したものに相当する。

５つの超電導コイル２１−２５の各々の赤道面Ｐ１での圧力（面圧）Ｐｚは、１つの線材層２０Ｌあたりの巻数をＮとし、線材層２０Ｌの数をＬとすると、以下の式（２）で表される。

式（２）で定義される面圧Ｐｚは、５つの超電導コイル２１−２５の各々に作用する軸方向の圧縮力を当該圧縮力が作用する超電導コイルの断面積（中心軸線ＣＬに垂直な方向での断面積）で除したものである。つまり、面圧Ｐｚは、５つの超電導コイル２１−２５の各々に作用する軸方向の圧縮力と比例関係にある。したがって、面圧Ｐｚの大きさにより、５つの超電導コイル２１−２５の各々に作用する軸方向の圧縮力の大きさを把握することができる。

ここで、面圧Ｐｚ、つまり、５つの超電導コイル２１−２５の各々に作用する軸方向の圧縮力が過大になると、図５Ｃに示すように、線材層２０Ｌにおいてテープ線材２０Ｗの一部が他の一部と干渉する。図５Ｃに示す例では、線材層２０Ｌの一部が径方向の外側に突出するように変形している。

このようなテープ線材２０Ｗの干渉を抑制するために、超電導電磁石装置１０では、５つの超電導コイル２１−２５のうち、各々における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数が同じであるときに作用する軸方向の圧縮力が過大である超電導コイルについては、当該過大な圧縮力が発生するときよりも、１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数を少なくしている。より具体的には、５つの超電導コイル２１−２５のうち複数の線材層２０Ｌの各々におけるテープ線材２０Ｗの巻数の平均値によって表される超電導コイルの単位線材層巻数（つまり、１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数）が５つの超電導コイル２１−２５において互いに同じであるとしたときの軸方向に作用する圧縮力が最も大きくなる位置に配置されている超電導コイルの単位線材層巻数が、５つの超電導コイル２１−２５の単位線材層巻数の平均値よりも少ない。その理由は、以下のとおりである。

５つの超電導コイル２１−２５の各々に作用する軸方向の圧縮力は、上記のように、テープ線材２０Ｗに作用する軸方向の力Ｆ１２を合成したものである。そのため、任意の断面（中心軸線ＣＬを含み、軸方向及び径方向の各々に広がる平面で切断したときの断面）において１つの線材層２０Ｌが有するテープ線材２０Ｗの断面の数（軸方向に並ぶテープ線材２０Ｗの断面の数）、つまり、テープ線材２０Ｗの巻数が少なくなれば、通電に起因して発生する軸方向の圧縮力を小さくすることができる。

また、テープ線材２０Ｗの種類を変更しないのであれば、テープ線材２０Ｗの巻数が少なくなることにより、線材層２０Ｌの軸方向の長さを短くすることができる。つまり、５つの超電導コイル２１−２５の各々の軸方向でのサイズが大きくなるのを回避することができる。

なお、５つの超電導コイル２１−２５が形成する磁場を大きくするには、テープ線材２０Ｗのトータルの巻数を確保すればよい。そのためには、線材層２０Ｌの数を多くすればよい。

また、超電導電磁石装置１０は、５つの超電導コイル２１−２５の他に、３つの外側超電導コイル３１−３３及び３つの外側超電導コイル４１−４３を備えている。そのため、超電導電磁石装置１０は、より大きな磁場を形成することができる。

なお、５つの超電導コイル２１−２５の各々の軸方向でのサイズは、図１に示すものに限定されない。例えば、５つの超電導コイル２１−２５の各々に用いられるテープ線材２０Ｗの幅（中心軸線ＣＬが延びる方向での長さ）等に応じて、適宜、変更される。５つの超電導コイル２１−２５の少なくとも１つは、他の超電導コイルとは異なる幅を有するテープ線材２０Ｗで形成されていてもよい。５つの超電導コイル２１−２５の少なくとも１つは、他の超電導コイルよりもテープ線材２０Ｗの総巻数が多くてもよい。

なお、超電導電磁石装置１０では、５つの超電導コイル２１−２５において径方向で隣り合う少なくとも２つの超電導コイル２１−２５のうち複数の線材層２０Ｌの各々におけるテープ線材２０Ｗの巻数の平均値によって表される超電導コイルの単位線材層巻数がこれら少なくとも２つの超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの軸方向に作用する圧縮力が最も大きくなる位置に配置されている超電導コイルの単位線材層巻数が、これら少なくとも２つの超電導コイルの単位線材層巻数の平均値よりも少なくてもよい。

［第２の実施の形態］
図６を参照しながら、本発明の第２の実施の形態による超電導電磁石装置１１について説明する。超電導電磁石装置１１は、超電導電磁石装置１０と比べて、５つの超電導コイル２１−２５のみを備える点で異なる。

超電導電磁石装置１１においても、超電導電磁石装置１０と同様に、１つの線材層２０Ｌが有するテープ線材２０Ｗの断面の数（軸方向に並ぶテープ線材２０Ｗの断面の数）、つまり、テープ線材２０Ｗの巻数を少なくすることで、通電に起因して発生する軸方向の圧縮力を小さくすることができる。

なお、５つの超電導コイル２１−２５の各々の軸方向でのサイズは、図６に示すものに限定されない。例えば、５つの超電導コイル２１−２５の各々に用いられるテープ線材２０Ｗの幅（中心軸線ＣＬが延びる方向での長さ）等に応じて、適宜、変更される。５つの超電導コイル２１−２５の少なくとも１つは、他の超電導コイルとは異なる幅を有するテープ線材２０Ｗで形成されていてもよい。５つの超電導コイル２１−２５の少なくとも１つは、他の超電導コイルよりもテープ線材２０Ｗの総巻数が多くてもよい。

なお、超電導電磁石装置１１では、５つの超電導コイル２１−２５において径方向で隣り合う少なくとも２つの超電導コイル２１−２５のうち複数の線材層２０Ｌの各々におけるテープ線材２０Ｗの巻数の平均値によって表される超電導コイルの単位線材層巻数がこれら少なくとも２つの超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの軸方向に作用する圧縮力が最も大きくなる位置に配置されている超電導コイルの単位線材層巻数が、これら少なくとも２つの超電導コイルの単位線材層巻数の平均値よりも少なくてもよい。

［実施例１］
表１及び表２を参照しながら、本発明の第１の実施の形態による超電導電磁石装置について説明する。

表１は、超電導電磁石装置１０（実施例１）が備える各種のコイル（５つの超電導コイル２１−２５と、３つの第１外側超電導コイル３１−３３と、３つの第２外側超電導コイル４１−４３と、５つの補正コイル５１−５５と、２つのシールドコイル６１、６２）の詳細を示している。表１において、ａ１はコイルの内径を示し、ａ２はコイルの外径を示し、ｂ２−ｂ１はコイルの軸方向の長さを示し、Ｚ０はコイルの軸方向中心の位置（中心軸線ＣＬが延びる方向での位置）を示し、Turnsはコイルにおける線材の総巻数を示し、Layerはコイルにおける線材層２０Ｌの総数を示し、Turns/Layerは１つの線材層１０Ｌあ
たりの線材の巻数を示す。また、表１では、５つの超電導コイル２１−２５の各々について、赤道面Ｐ１での面圧Ｐｚ（単位：ＭＰａ）も示している。面圧Ｐｚは、上記の式（２）に基づいて算出したものである。

表２は、図７に示す超電導電磁石装置１００（比較例１）が備える各種のコイルの詳細を示している。ここで、比較例１に係る超電導電磁石装置は、実施例１に係る超電導電磁石装置と比べて、５つの超電導コイル２１−２５の代わりに、５つの超電導コイル２１０−２５０を備える点で異なる。５つの超電導コイル２１０−２５０は、軸方向の長さが略同じである。また、表２では、５つの超電導コイル２１０−２５０の各々について、赤道面Ｐ１での面圧Ｐｚ（単位：ＭＰａ）も示している。面圧Ｐｚは、表１における５つの超電導コイル２１−２５と同様に、上記の式（２）に基づいて算出したものである。

表２を参照して、比較例１に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル２３０に作用する軸方向の圧縮力（面圧Ｐｚ）と、超電導コイル２４０に作用する軸方向の圧縮力（面圧Ｐｚ）とが、他の３つの超電導コイル２１０、２２０、２５０と比べて、大きくなっている。因みに、比較例１に係る超電導電磁石装置では、５つの超電導コイル２１０−２５０の各々に作用する軸方向の圧縮力に比例する面圧の平均値は４９．７２（ＭＰａ）であり、４つの超電導コイル２２０−２５０の各々に作用する軸方向の圧縮力に比例する面圧の平均値は５１．５９（ＭＰａ）である。

これに対して、実施例１に係る超電導電磁石装置では、表１に示すように、超電導コイル２３に作用する軸方向の圧縮力（面圧Ｐｚ）が超電導コイル２３０に作用する軸方向の圧縮力（面圧Ｐｚ）よりも小さくなっている。同様に、超電導コイル２４に作用する軸方向の圧力（面圧Ｐｚ）が超電導コイル２４０に作用する軸方向の圧縮力（面圧Ｐｚ）よりも小さくなっている。

超電導コイル２３に作用する軸方向の圧縮力（面圧Ｐｚ）が超電導コイル２３０に作用する軸方向の圧縮力（面圧Ｐｚ）よりも小さくなっているのは、超電導コイル２３の軸方向の長さが超電導コイル２３０の軸方向の長さよりも短くなっているためである。同様に、超電導コイル２４に作用する軸方向の圧力（面圧Ｐｚ）が超電導コイル２４０に作用する軸方向の圧縮力（面圧Ｐｚ）よりも小さくなっているのは、超電導コイル２４の軸方向の長さが超電導コイル２４０の軸方向の長さよりも短くなっているためである。

ここで、比較例１に係る超電導電磁石装置は、実施例１に係る超電導電磁石装置と比べて、各種コイルの線材は同じものが採用されている。つまり、超電導コイル２３に用いられているテープ線材２０Ｗは、超電導コイル２３０に用いられているテープ線材と同じである。同様に、超電導コイル２４に用いられているテープ線材２０Ｗは、超電導コイル２４０に用いられているテープ線材と同じである。

上記のように、超電導コイル２３の軸方向の長さが超電導コイル２３０の軸方向の長さよりも短くなっているということは、超電導コイル２３における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数が、超電導コイル２３０における１つの線材層あたりのテープ線材の巻数よりも少ないことを意味している。同様に、超電導コイル２４の軸方向の長さが超電導コイル２４０の軸方向の長さよりも短くなっているということは、超電導コイル２４における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数が、超電導コイル２４０における１つの線材層あたりのテープ線材の巻数よりも少ないことを意味している。

つまり、実施例１に係る超電導電磁石装置は、比較例１に係る超電導電磁石装置と比べて、超電導コイル２３及び超電導コイル２４の各々において１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数を少なくしている。また、実施例１に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル２３や超電導コイル２４における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数が、４つのコイル２２−２５の各々における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数の平均値（１９８．７５）や、５つのコイル２１−２５の各々における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数の平均値（２０６．２）よりも小さい。実施例１に係る超電導電磁石では、超電導コイル２３及び超電導コイル２４の各々に作用する軸方向の圧縮力（通電に起因して発生する軸方向の圧縮力）を小さくすることができる。

なお、超電導コイル２５０に作用する軸方向の圧縮力が超電導コイル２３０や超電導コイル２４０と比べて小さくなっているのは、超電導コイル２５０の外側に超電導コイル３０及び超電導コイル４０が配置されていることにより、超電導コイル２５０に作用する磁場の中心軸線ＣＬに対する傾きが小さくなっているためである。

［実施例２］
続いて、表３及び表４を参照しながら、本発明の第２の実施の形態による超電導電磁石装置について説明する。

表３は、超電導電磁石装置１１（実施例２）が備える５つの超電導コイル２１−２５の詳細を示している。

表４は、図８に示す超電導電磁石装置１０１（比較例２）が備える各種のコイルの詳細を示している。ここで、比較例２に係る超電導電磁石装置は、比較例１に係る超電導電磁石装置と比べて、５つの超電導コイル２１０−２５０のみを備える点で異なる。因みに、比較例２に係る超電導電磁石装置では、５つの超電導コイル２１０−２５０の各々に作用する軸方向の圧縮力に比例する面圧の平均値は４７．０４（ＭＰａ）である。

表３及び表４から明らかなように、実施例２に係る超電導電磁石装置は、比較例２に係る超電導電磁石装置と比べて、超電導コイル２３及び超電導コイル２４の各々において１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数を少なくしている。また、実施例２に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル２３や超電導コイル２４における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数が、５つのコイル２１−２５の各々における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数の平均値（１２２．６）よりも小さい。実施例２に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル２３及び超電導コイル２４の各々に作用する軸方向の圧縮力（通電に起因して発生する軸方向の圧縮力）を小さくすることができる。

［実施例３］
続いて、表５及び表６を参照しながら、本発明の第２の実施の形態による超電導電磁石装置の応用例について説明する。

表５は、第２の実施の形態の応用例に係る超電導電磁石装置（実施例３）が備える５つの超電導コイル２１−２５の詳細を示している。実施例３では、２つの超電導コイル２１−２２の各々におけるテープ線材２０Ｗの総巻数が、３つの超電導コイル２３−２５の各々におけるテープ線材２０Ｗの総巻数よりも多い。

表６は、比較例３に係る超電導電磁石装置が備える各種のコイルの詳細を示している。ここで、比較例３に係る超電導電磁石装置は、比較例２に係る超電導電磁石装置のように、５つの超電導コイル２１０−２５０のみを備える。ただし、比較例３では、２つの超電導コイル２１０−２２０の各々における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数は、３つの超電導コイル２３０−２５０の各々における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数よりも多い。因みに、比較例３に係る超電導電磁石装置では、２つの超電導コイル２１０−２２０の各々に作用する軸方向の圧縮力に比例する面圧の平均値は４８．３３（ＭＰａ）であり、３つの超電導コイル２３０−２５０の各々に作用する軸方向の圧縮力に比例する面圧の平均値は５０．１（ＭＰａ）である。

表５及び表６から明らかなように、実施例３に係る超電導電磁石装置は、比較例３に係る超電導電磁石装置と比べて、超電導コイル２２、超電導コイル２３及び超電導コイル２４の各々において１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数を少なくしている。また、実施例３に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル２２における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数が２つのコイル２１−２２の各々における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数の平均値（１２９）よりも小さく、超電導コイル２３や超電導コイル２４における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数が３つのコイル２３−２５の各々における１つの線材層２０Ｌあたりのテープ線材２０Ｗの巻数の平均値（１１３．３３）よりも小さい。実施例３に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル２２、超電導コイル２３及び超電導コイル２４の各々に作用する軸方向の圧縮力（通電に起因して発生する軸方向の圧縮力）を小さくすることができる。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変形して実施することができる。

上記実施の形態において、主磁場発生コイル群は、５つの超電導コイル２１−２５だけで構成されていてもよいし、５つの超電導コイル２１−２５と３つの超電導コイル３１−３３とで構成されていてもよいし、５つの超電導コイル２１−２５と３つの超電導コイル４１−４３とで構成されていてもよい。

上記実施の形態において、超電導コイルの数は５つであったが、超電導コイルの数は、２つ以上であれば、特に限定されない。

以上、本発明の実施の形態及びその応用例について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施の形態及びその応用例によって、何等、限定されない。

本発明において、複数の超電導コイルの各々への通電に起因して発生する圧縮力（複数の超電導コイルに共通の中心軸線が延びる方向に作用する圧縮力）が最大となる位置は、超電導コイルの軸方向の中心に限定されない。

１０超電導電磁石装置
２１超電導コイル
２２超電導コイル
２３超電導コイル
２４超電導コイル
２５超電導コイル
３１第１外側超電導コイル
３２第１外側超電導コイル
３３第１外側超電導コイル
３４第１外側超電導コイル
３５第１外側超電導コイル
４１第２外側超電導コイル
４２第２外側超電導コイル
４３第２外側超電導コイル
４４第２外側超電導コイル
４５第２外側超電導コイル

Claims

同心的に配置された複数の超電導コイルを備える超電導電磁石装置であって、
前記複数の超電導コイルは、各々がテープ線材によって形成された複数の第１超電導コイルを含み、
前記複数の第１超電導コイルの各々は、
前記複数の第１超電導コイルが共有する中心軸線に対して垂直な方向に積層される複数の線材層を有しており、
前記複数の線材層の各々は、前記テープ線材が前記中心軸線周りで螺旋状に複数回巻き回されることで形成されており、
前記複数の第１超電導コイルのうち前記複数の線材層の各々における前記テープ線材の巻数の平均値によって表される第１超電導コイルの単位線材層巻数が前記複数の第１超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの前記中心軸線が延びる方向に作用する圧縮力が最も大きくなる位置に配置されている第１超電導コイルの前記単位線材層巻数が、前記複数の第１超電導コイルの前記単位線材層巻数の平均値よりも少ない、超電導電磁石装置。
請求項１に記載の超電導電磁石装置であって、
前記複数の第１超電導コイルのうち前記単位線材層巻数が前記複数の第１超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの前記圧縮力が最も大きい位置に配置される第１超電導コイルでは、他の第１超電導コイルよりも、前記単位線材層巻数が少ない、超電導電磁石装置。
請求項１に記載の超電導電磁石装置であって、
前記複数の第１超電導コイルのうち前記単位線材層巻数が前記複数の第１超電導コイルにおいて互いに同じであるとしたときの前記圧縮力の平均値よりも大きな圧縮力が作用する位置に配置される第１超電導コイルでは、前記単位線材層巻数が、前記複数の第１超電導コイルの単位線材層巻数の平均値よりも少ない、超電導電磁石装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載の超電導電磁石装置であって、
各々が丸断面又は矩形断面の線材が巻き回されることで形成され、前記複数の第１超電導コイルを取り囲むとともに前記複数の第１超電導コイルと同心的に配置される複数の第２超電導コイルをさらに備え、
前記複数の第２超電導コイルの各々は、前記複数の第１超電導コイルの各々よりも前記中心軸線が延びる方向での長さが大きい、超電導電磁石装置。