JP2020025014A - 高温超電導コイル及び超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱暴走の防止効果を向上させた高温超電導コイル及び超電導磁石装置を提供する。【解決手段】超電導コイル１０Ａは、超電導線材２０が巻回されることで形成される巻線部材と、巻回されて対向する超電導線材２０間に挿入される絶縁性部材１７と、超電導線材２０と絶縁性部材１７との間に配置されてコイル径方向に超電導線材２０と電気的に接続される導電性部材１８と、巻線部材のコイル径方向に沿う側面に設けられて超電導線材２０及び導電性部材１８を他周の超電導線材２０へ電気的に接続する迂回路１３と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、高温超電導コイル及び超電導磁石装置の熱暴走の防止技術に関する。

一般に、超電導線材には、超電導状態の維持が可能な電流密度、温度及び磁場の上限値、すなわち臨界電流密度、臨界温度及び臨界磁場がある。電流密度、温度及び磁場のいずれかがこれらの臨界値を超えた箇所では、常電導状態への転移によってジュール損失による発熱が発生する。この発熱により常電導転移領域付近のフラックスフロー抵抗が増加し、それに伴いジュール損失による発熱がさらに増加する。

ビスマス系のBi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x線材又はレアメタル酸化物系のRE₁B₂C₃O₇線材等の高温超電導線材を用いた超電導コイルは、２０Ｋ〜５０Ｋ程度の高温でも高い臨界電流密度を有する。よって、低温超電導線材と比較して高温での高電流密度運転が可能である。

しかし、高温超電導線材は、２０Ｋ〜５０Ｋの温度範囲では、低温超電導コイルの運転温度帯における低温超電導線材よりも比熱が大きいため、常電導転移領域の拡大が遅い。また、高電流密度運転をすると発熱密度が高くなる。従って、従来のコイル電圧又はコイル温度の上昇をトリガーにしたクエンチ保護方法では、検知する前に常電導転移領域で熱暴走が発生し高温超電導線材が焼損してしまうおそれがあった。そこで、通電電流に常電導転移領域を迂回させる技術が研究されている。

特開２０１７−１０３３５２号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、高温超電導線材とこの高温超電導線材に接続した迂回路との接続抵抗が、熱暴走の防止効果発揮の制約になりうるという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、熱暴走の防止効果を向上させた高温超電導コイル及び超電導磁石装置を提供することを目的とする。

本実施形態に係る高温超電導コイルは、超電導線材が巻回されることで形成される巻線部材と、巻回されて対向する前記超電導線材間に挿入される絶縁性部材と、前記超電導線材と前記絶縁性部材との間に配置されてコイル径方向に前記超電導線材と電気的に接続される導電性部材と、前記巻線部材の前記コイル径方向に沿う側面に設けられて前記超電導線材及び前記導電性部材を他周の超電導線材へ電気的に接続する迂回路と、を備えるものである。

本発明により、熱暴走の防止効果を向上させた高温超電導コイル及び超電導磁石装置が提供される。

一般的な高温超電導線材の構成斜視図。 （Ａ）は一般的な超電導コイルの斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿うコイル径方向断面を示す断面図。 第１実施形態に係る超電導コイルであって、図２（Ｂ）に示した範囲の拡大断面図。 超電導コイルに作用する磁場形状の説明図。 超電導コイルの最内周から最外周までのコイル径方向における位置とフラックスフロー抵抗による電界強度との関係を示す図。 第１実施形態に係る超電導コイルの変形例を示す部分拡大断面図。 第２実施形態に係る超電導コイルで用いられる導電性部材の一例の斜視図。 第３実施形態に係る超電導コイルであって、図２（Ｂ）に示した範囲の部分拡大断面図。 第３実施形態に係る超電導コイルの変形例を示す部分拡大断面図。 第４実施形態に係る超電導コイルであって、図２（Ｂ）に示した範囲の部分拡大断面図。 第４実施形態に係る超電導コイルの変形例を示す部分拡大断面図。 第４実施形態に係る超電導コイルの第２の変形例を示す部分拡大断面図。 第５実施形態に係る超電導コイルであって、図２（Ｂ）に示した範囲の部分拡大断面図。 第６実施形態に係る超電導コイルであって、図２（Ｂ）に示した範囲の部分拡大断面図。 第７実施形態に係る超電導コイルであって、図２（Ｂ）に示した範囲の部分拡大断面図。 複数の超電導コイルで構成した超電導磁石装置の部分断面斜視図。 各々のコイルにおける磁場によるフラックスフロー抵抗による電界強度の垂直成分の分布を示す図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
（高温超電導線材）
まず、図１の一般的な高温超電導線材（以下、単に「超電導線材」という）２０の構成斜視図を用いて、超電導線材２０の構成を説明する。
超電導線材２０は、図１に示されるように、一般に薄膜状の層が積層されたテープ形状の線材を構成している。

超電導線材２０は、例えば、ニッケル基合金、ステンレス又は銅などの高強度の金属材質である基板２２と、基板２２の上に形成される中間層２４と、中間層２４を基板２２の表面に配向させるマグネシウムなどからなる配向層２３と、中間層２４の上に形成される酸化物でできた超電導層２５と、銀、金又は白金などで組成される保護層２６と、銅又はアルミニウムなどの良伝導性金属である安定化層２１と、から構成される。

中間層２４は、基板２２と超電導層２５の熱収縮の際に起因する熱歪みを防止する。
保護層２６は、レアメタル酸化物（ＲＥ酸化物）等からなる超電導層２５に含まれる酸素が超電導層２５から拡散することを防止して、超電導層２５を保護している。
安定化層２１は、超電導層２５への過剰通電電流の迂回経路となって熱暴走を防止する。
ただし、超電導線材２０を構成する各層の種類及び数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて多くても少なくてもよい。

（高温超電導コイル）
図２（Ａ）は、一般的な超電導コイル１０の斜視図である。
図２（Ｂ）は、図２のＩＩ−ＩＩ線に沿うコイル径方向断面を示す断面図である。
高温超電導コイル（以下、「超電導コイル」という）１０は、主に、超電導線材２０が巻回されることで形成される巻線部材１１で構成される。

巻線部材１１は、超電導線材２０が巻回によってコイル径方向に積層されることで形成されるコイル径方向に沿った一対の巻線側面部１２を有する。この巻線側面部１２には迂回路１３が設けられ、巻線部材１１全体がエポキシ樹脂等の硬化性樹脂１４に含浸されその外面がコーティングされる。

硬化性樹脂１４には、エポキシ樹脂以外にも、ポリエステル樹脂、アクリル、パラフィン、ワックス、又はロウが好適に使用される。超電導コイル１０は、図２（Ａ）に示す超電導線材２０が同心円状に巻回された、いわゆるシングルパンケーキコイルに加えて、２つのシングルパンケーキコイルが最内周又は最外周で電気的に接続されたダブルパンケーキコイルであることもある。

（第１実施形態）
図３は、第１実施形態に係る超電導コイル１０Ａであって、図２（Ｂ）に示した範囲Πの拡大断面図である。
後述の図６及び図８〜図１４の各図も同様に、範囲Πの拡大断面図を示している。
巻回されて対向する超電導線材２０間に、図３に示されるように、絶縁性部材１７が配置されることでこれらの超電導線材２０どうしが絶縁される。以下、超電導線材２０一周分を「ターン」と呼ぶ。

絶縁性部材１７は、例えば、ポリイミド等の絶縁テープが超電導線材２０と共巻されることで超電導線材２０間に配置される。また、巻線部材１１をエポキシ樹脂等の硬化性絶縁樹脂を含浸により超電導線材２０間まで浸入させることで、絶縁性部材１７を配置してもよい。なお、超電導線材２０をコイル径方向に確実に絶縁するためには、硬化性絶縁樹脂に加えて、絶縁テープを挿入することが望ましい。

また、超電導線材２０と絶縁性部材１７との間には、導電性部材１８が配置される。この導電性部材１８は、超電導線材２０に面接触して、超電導線材２０とコイル径方向に電気的に接続される。
なお、例えば絶縁性部材１７が硬化性絶縁樹脂の場合、超電導線材２０と導電性部材１８との間にも僅かに絶縁性部材１７が浸入する場合がある。この場合でも、超電導線材２０から導電性部材１８に通電電流Ｉが一部でも流出することができれば、導電性部材１８と超電導線材２０とは電気的に接続されているとする。

巻線側面部１２には、迂回路１３が設けられて超電導線材２０及び導電性部材１８を他ターンの超電導線材２０へ電気的に接続する。つまり、電気的に相互に接続された超電導線材２０及び導電性部材１８のそれぞれが、他ターンの超電導線材２０に接続された迂回路１３に巻線側面部１２において接続される。

迂回路１３は、板材又は箔の圧着又はハンダ接続によって巻線側面部１２上に形成される。また、巻線側面部１２へのメッキ又は塗布によって迂回路１３を形成してもよい。
特にメッキによって迂回路１３を形成すると、迂回路１３を薄くすることができ、超電導コイル１０Ａの自由な変形を阻害しない。なお、図３では巻線側面部１２の片面のみに迂回路１３を設けた例を示しているが、巻線側面部１２の両面に設けてもよい。これら迂回路１３及び導電性部材１８には、通常運転時における超電導線材２０のフラックスフロー抵抗より大きく、かつ、常電導転移領域１６の抵抗よりも小さい材料が選択される。

迂回路１３及び導電性部材１８の材料は、通常運転時においての超電導線材２０以上の抵抗を有し、かつこの超電導線材２０の常電導転移時の抵抗よりも小さい抵抗の材料が選択される。例えば、銅、ステンレス、アルミニウム、又はインジウムなどの常電動金属、半導体、導電性プラスチック、又はセラミックス材等である。また、グラファイト、炭素繊維又は炭素繊維複合材などのカーボン材料なども迂回路１３及び導電性部材１８として好適に用いることができる。

このような超電導線材２０、導電性部材１８、絶縁性部材１７、及び迂回路１３の接続構造によって、通電電流Ｉの一部は、迂回路１３を介して常電導転移が発生したターンの超電導線材２０から他ターンの超電導線材２０へ流出することができる。
この他ターンへの流出により、常電導転移領域１６を流れる通電電流Ｉの電流密度が低くなるとともに、迂回路１３及び導電性部材１８でジュール熱が発生してコイル温度が上昇する。よって、使用者が気づかないうちに熱暴走が進行して常電導転移領域１６が焼損してしまうことが防止される。

ここで、超電導コイル１０Ａが導電性部材１８を備えたときの、通電電流Ｉの流通領域（以下、「電流流通領域」）２７と迂回路１３との接続抵抗について説明する。
常電導転移が発生していない場合、超電導線材２０と導電性部材１８との電気抵抗差により、導電性部材１８に流れる電流はほぼゼロである。よって、常伝導転移が発生していない場合の電流通流領域２７は、超電導線材２０内のみである。

一方、常電導転移が発生した場合、超電導線材２０の抵抗値の局所的な上昇により、常電導転移領域１６付近を流れる通電電流Ｉの一部が、図３に示されるように、導電性部材１８に流入する。よって、常伝導転移の発生時には、超電導線材２０に加え、導電性部材１８も電流流通領域２７になる。よって、導電性部材１８を備えないときと比較したときの、電流流通領域２７との接続面積の増加率は、次式（１）で表される。

ただし、超電導線材２０のコイル径方向の厚さをd、導電性部材１８のコイル径方向の厚さをsとする。
つまり、導電性部材１８を超電導線材２０に密着させて電気的に接続することで、常電導転移発生時の電流流通領域２７と迂回路１３との接続面積が増加する。

また、迂回路１３を介して他ターンへ流出する通電電流Ｉの一部Ｉ_ａは、次式（２）で表される。

ただし、Rは超電導線材２０中のフラックスフロー抵抗、Rwはコイルターン間の抵抗、R¹ _jointは常電導転移が発生したターンの電流流通領域２７と迂回路１３との間の接続抵抗、R_passは迂回路１３自体の抵抗、R² _jointは他ターンの超電導線材２０と迂回路１３との間の接続抵抗、を表す。

ここで、式（１）より、導電性部材１８を採用した場合、接続抵抗R^１ _jointを約d/(d+s)倍に減らすことができる。例えば、導電性部材１８の厚さが超電導線材２０と同じ厚さdであった場合には、接続抵抗R^１ _jointをd/(d+s)=1/2倍に半減させることができる。従って、式（２）より、超電導線材２０と絶縁性部材１７との間に導電性部材１８を配置することで、通電電流Ｉを他ターンへ流出させやすくすることができる。

なお、導電性部材１８の厚さｓを増加させると、電流流通領域２７と迂回路１３との接続面積をさらに増加させることができる一方、超電導コイル１０Ａ中の超電導線材２０の割合が減少するため全体として電流密度は低下する。よって、導電性部材１８の厚さｓは、このような接続面積及び全体の電流密度の関係を加味して決定されるのが好ましい。例えば、超電導コイル１０Ａ中で電気的負荷が高くなることが見込まれる箇所にのみ、導電性部材１８を複数周巻回するなどして、導電性部材１８のコイル径方向の厚さｓを調整することが望ましい。

次に、図４及び図５用いて、導電性部材１８及び迂回路１３の具体的な配置位置について説明する。
図４は、超電導コイル１０に作用する磁場形状の説明図である。
通電電流Ｉに基づく磁場Ｂは、超電導コイル１０の巻回軸Ｃからコイル径方向に旋回して、図４に示されるように、一部が超電導線材２０に進入する。超電導線材２０における各位置でのフラックスフロー抵抗の大きさは、各位置を貫くこの磁場Ｂの向き及び大きさなどによって変化する。

また、図５は、超電導コイル１０の最内周から最外周までのコイル径方向に沿った断面における位置とフラックスフロー抵抗による電界強度との関係を示す図である。
図５からわかるように、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、超電導コイル１０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。つまり、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。

従って、導電性部材１８及び迂回路１３を設けて迂回を促進する位置は、超電導コイル１０Ａの最内周から中央部付近までの位置であることが望ましい。つまり、導電性部材１８及び迂回路１３は、超電導コイル１０Ａ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位置が好ましい。また、入熱によっても臨界電流値Ｉｃは低くなるため、高温になりやすい箇所にも導電性部材１８及び迂回路１３を設けておくのが望ましい。

なお、図４の磁場Ｂの形状は、典型的な形状を例示したもので、超電導コイル１０の形状または配置される環境によって変化する。よって、導電性部材１８及び迂回路１３が配置される具体的な位置は、実際の磁場Ｂの形状又は入熱環境などを加味して決定される。

また、図６は第１実施形態における変形例の超電導コイル１０Ｂを示す部分拡大断面図である。
図６に示されるように、超電導線材２０の両面に導電性部材１８が面接触して、超電導線材２０と絶縁性部材１７とは直接な接触面を有しない場合もある。この場合も、超電導線材２０に面接触するいずれの導電性部材１８も、常電導転移の発生時に電流流通領域２７を広げて電流流通領域２７と迂回路１３との接続抵抗を下げる機能を発揮している。

以上のように、第１実施形態に係る超電導コイル１０（１０Ａ，１０Ｂ）によれば、電流流通領域２７と迂回路１３との接続抵抗を低下させることで、熱暴走の防止効果を向上させることができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る超電導コイル１０で用いられる導電性部材１８の一例の斜視図である。
第２実施形態に係る超電導コイル１０は、図７に示されるように、導電性部材１８が、常電導線材１８ａであって、空隙又は空孔を有するものである。空隙又は空孔を有する常電導線材１８ａとしては、例えば、メッシュ材、フィラメント材、不織布、又はフェルト材が挙げられる。

超電導コイル１０内に迂回路１３があると、超電導コイル１０の励磁時に、誘導電圧により、通電電流Ｉの一部がこれら迂回路１３等を介して他ターンへ流出してしまう。この流出は誘導電圧が消失するまで継続されるため、通電開始から生成磁場が設計磁場形状になるまでに時差が発生する。この時差は流出が多いほど大きくなるため、設計磁場の早期形成の観点からは、迂回路１３及び導電性部材１８の抵抗値をできるだけ大きくする必要がある。

そこで、第２実施形態では、導電性部材１８の空隙率を空隙又は空孔の数量又は大きさで厳密に調整することで、導電性部材１８の電導率を厳密に調整する。導電性部材１８の電導率を厳密に調整することで、設計磁場への形成遅れの長期化及び熱暴走の双方の防止を加味した導電性部材１８にする。

また、このような導電性部材１８では、導電性部材１８の厚さや材質を変更することなく、迂回路１３と電流流通領域２７との間の接続抵抗を調整することができる。例えば、電気負荷の高低に合わせて常電導線材１８ａを使い分けることで、導電性部材１８の材質又は体積を変えずに超電導コイル１０中の各所の抵抗値を最適に調整することができる。
なお、上述の常電導線材１８ａを複数組み合わせてもよく、これらの常電導線材１８ａを空隙や空孔を有さない常電導線材１８ａと組み合わせてもよい。

なお、導電性部材１８が空隙又は空孔を有すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。
また、図面においても同一の構成には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態に係る超電導コイル１０によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、厚さや材質を変更することなく導電性部材１８を最適な抵抗値にすることができるので、熱暴走をより確実に抑制することができる。
また、導電性部材１８を最適な抵抗値にすることで、導電性部材１８を設けたことによる励磁時の磁場形成の遅れが不要に増大することを防止することができる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る超電導コイル１０Ｃの範囲Πの部分拡大断面図である。
第３実施形態に係る超電導コイル１０Ｃは、図８に示されるように、導電性部材１８が、硬化性導電樹脂１８ｂである。
硬化性導電樹脂１８ｂは、例えば硬化性樹脂１４と同様の材料の硬化性絶縁樹脂に導電細片１８ｃを混入させることで全体として導電性を有したものである。

硬化性導電樹脂１８ｂは、例えば、巻線部材１１を硬化性導電樹脂１８ｂに含浸することで超電導線材２０と絶縁性部材１７との間に浸入した後に、硬化される。このように導電性部材１８が当初粘着性を有する場合、絶縁性部材１７は、予め超電導線材２０とともに巻回する絶縁テープであることが望ましい。また、硬化性導電樹脂１８ｂは、巻回時に塗布によって形成してもよい。

導電細片１８ｃとしては、例えばカーボンブラック、炭素繊維又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、導電細片１８ｃには、金属微粒子、金属酸化物、金属繊維またはウィスカーなどの金属系の粉末が用いられてもよい。また、微粒子または合成繊維を金属コートすることで導電細片１８ｃにしてもよい。

なお、硬化性導電樹脂１８ｂの含浸又は塗布で導電性部材１８を形成する場合、巻線部材１１は、硬化した硬化性導電樹脂１８ｂによる各ターン相互の固着により剛性が高まる。よって、さらに超電導コイル１０Ｃ全体を硬化させなくてもよいため、図８に示されるように、硬化性樹脂１４によるコーティングを行わなくてもよい。

また、硬化性導電樹脂１８ｂへの含浸時又は塗布時に、硬化性導電樹脂１８ｂを積極的に巻線側面部１２に付着させて、硬化性導電樹脂１８ｂで迂回路１３を形成させてもよい。このように導電性部材１８と迂回路１３とを同一材料で連続的に形成させる場合、作製工程及びコイル構成がともに簡素になり製造コストを削減することができる。

また、図９は、第３実施形態における変形例の超電導コイル１０Ｄを示す部分拡大断面図である。
図９に示されるように、この硬化性導電樹脂１８ｂ及び第２実施形態で説明した常電導線材１８ａを組み合わせて全体として導電性部材１８を構成してもよい。

なお、硬化性導電樹脂１８ｂは、例えば含浸により迂回路１３と超電導線材２０との間に浸入することもある。この場合も、硬化性導電樹脂１８ｂを介して迂回路１３と超電導線材２０とが電気的に接続されているため、通電電流Ｉを他ターンの超電導線材２０に流出させることができる。

このように、第３実施形態に係る超電導コイル１０（１０Ｃ，１０Ｄ）では、硬化性導電樹脂１８ｂに配合される導電細片１８ｃの割合又は種類を変更することにより、硬化性導電樹脂１８ｂの体積抵抗率を調整することができる。よって、超電導コイル１０（１０Ｃ，１０Ｄ）内の各箇所でその電気的負荷に合わせて異なる抵抗値に調整しながら導電性部材１８及び迂回路１３を形成することができる。

なお、導電性部材１８に硬化性導電樹脂１８ｂを用いること及び導電性部材１８と迂回路１３とを一体的に形成すること以外は、第３実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第３実施形態に係る超電導コイル１０（１０Ｃ，１０Ｄ）によれば、第２実施形態と同様に、設計磁場形状の形成の遅れを不要に増加させることなく、熱暴走をより確実に防止することができる。
また、第３実施形態では、超電導コイル１０Ｃの作製工程及びコイル構成が簡素になるため、製造コストを削減することができる。

（第４実施形態）
図１０は、第４実施形態に係る超電導コイル１０Ｅの範囲Πの部分拡大断面図である。
第４実施形態に係る超電導コイル１０Ｅは、図１０に示されるように、導電性部材１８が、超電導線材２０よりも巻回軸Ｃ方向に幅広であり、巻線側面部１２から巻回軸Ｃ方向に突出する突出部２８を有する。

導電性部材１８の厚さは、超電導線材２０と同程度であるため、導電性部材１８を単純に挿入したのみでは、迂回路１３との接触面積が小さく、接続抵抗の低下が十分でない場合もある。また、接触面積が小さいために、外力などを受けて迂回路１３が導電性部材１８から剥離して、接続抵抗を引き上げてしまうおそれもある。そこで、第４実施形態では、導電性部材１８の一部が迂回路１３内部へ食い込むように配置させて、導電性部材１８と迂回路１３との接触面積を増加させている。

このような形状の導電性部材１８を用いる場合、迂回路１３に硬化性導電樹脂１８ｂ、ハンダ、又はメッキ等の不特定形状物を用いると、導電性部材１８と迂回路１３との密着性を高めることができる。
なお、導電性部材１８を超電導線材２０よりも幅広にせずに超電導線材２０から巻回軸Ｃ方向にずらして巻回することで巻線側面部１２から導電性部材１８を突出させてもよい。

また、図１１は、第４実施形態における変形例の超電導コイル１０Ｆを示す部分拡大断面図である。
図１１に示されるように、突出部２８のコイル径方向の厚さを、導電性部材１８の他の箇所よりも厚くしてもよい。つまり、導電性部材１８の突出部２８を巻線側面部１２に沿わせてもよい。

なお、図１１では、導電性部材１８を一方の巻線側面部１２にのみ沿わせてL字形状にしているが、導電性部材１８は両方の巻線側面部１２に沿うコの字形状に成形してもよい。例えば、導電性部材１８をターン間に配置後に突出部２８を機械的に屈曲させて、巻線側面部１２に沿わせる。

また、図１２は、第４実施形態における第２の変形例の超電導コイル１０Ｇを示す部分拡大断面図である。
図１２に示されるように、導電性部材１８の突出部２８をさらにコイル径方向に延長させて、他ターンに配置された突出部２８に接触させて、迂回路１３を形成してもよい。
導電性部材１８は、前述のように、必要な箇所のみに配置されていればよいので、図１２に示されるように、導電性部材１８は複数周を跨いで他ターンの導電性部材１８に接続されてもよい。

なお、導電性部材１８と迂回路１３との接触面積を大きくすること以外は、第４実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第４実施形態に係る超電導コイル１０（１０Ｅ，１０Ｆ）によれば、第１実施形態の効果に加え、導電性部材１８と迂回路１３との接触面積を広くすることで、より迂回路１３と導電性部材１８との間の接続抵抗を低減することができる。
また、この接触面積を広くすることで、迂回路１３が容易に剥離することを防止して、迂回路１３と導電性部材１８がより確実に電気的に接続することができる。

（第５実施形態）
図１３は、第５実施形態に係る超電導コイル１０Ｈの範囲Πの部分拡大断面図である。

第５実施形態に係る超電導コイル１０Ｈは、図１３に示されるように、導電性部材１８が、コイル径方向に沿って積層される常電導部材層１８ｅ及び超電導部材層１８ｆで構成される。
超電導部材層１８ｆは、例えば超電導線材２０と同種の線材が用いられる。

例えば、常電導転移領域１６が発生した付近では大きな発熱を発生させることが好ましくないことや、より多くの通電電流Ｉを他ターンへ流出させたいこともある。しかし、導電性部材１８が常電導体のみで構成されている場合には、抵抗値の下限に限界があり、希望する抵抗値を実現できないこともおこりうる。また、超電導線材２０に直接超電導体を接触させると、前述の磁場形成の遅れが顕著になる。
そこで、第５実施形態では、導電性部材１８を常電導部材層１８ｅ及び超電導部材層１８ｆの２層で構成して導電性部材１８の電導率を同一のターン内で異なるものにする。

第５実施形態では、超電導部材層１８ｆが常電導部材層１８ｅによって超電導線材２０から隔てられているため、定常通電状態では通電電流Ｉは超電導部材層１８ｆには流れない。超電導線材２０に常電導転移領域１６が発生して常電導部材層１８ｅに流出が発生した場合に、常電導部材層１８ｅから超電導部材層１８ｆにさらに流出が発生する。
超電導部材層１８ｆでは、常電導部材層１８ｅと比較して顕著に抵抗が小さいため、多量の電流をほとんど発熱させることなく迂回路１３に流出させることができる。

なお、導電性部材１８が、常電導部材層１８ｅ及び超電導部材層１８ｆで構成されること以外は、第５実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第５実施形態に係る超電導コイル１０Ｈによれば、第１実施形態と同様の効果に加え、常電導体のみでは実現できない低い抵抗値を実現することができるため、導電性部材１８の抵抗値及び発熱量を幅広く調整することができる。

（第６実施形態）
図１４は、第６実施形態に係る超電導コイル１０Ｉの範囲Πの部分拡大断面図である。

第６実施形態に係る超電導コイル１０Ｉでは、図１４に示されるように、超電導線材２０間に絶縁性部材１７が設けられていない無絶縁領域３２が設けられる。無絶縁領域３２では、超電導線材２０が他ターンの超電導線材２０に直接又は導電性部材１８を介してコイル径方向に電気的に接続される。

無絶縁領域３２に常電導転移領域１６が発生した場合、通電電流Ｉは無絶縁領域３２内の複数ターンの超電導線材２０をコイル径方向に横断しながら迂回路１３に流入する。そして、迂回路１３から絶縁性部材１７を跨いで他ターンの超電導線材２０に流れこむ。

このように、第６実施形態では、他ターンの超電導線材２０も迂回経路に含むことができるため、超電導転移が発生した場合に、より多くの通電電流Ｉを流出させることができる。また、無絶縁領域３２全体と迂回路１３との接触面積が式（２）の接続抵抗R¹ _jointに寄与するため、接続抵抗R¹ _jointを小さくすることができる。つまり、より確実に常電導転移領域１６における電流密度を低下させることができる。
このような無絶縁領域３２の特性から、無絶縁領域３２は、超電導コイル１０Ｉ内の他の部分と比べて負荷率が高い位置に設定することが好ましい。

なお、無絶縁領域３２を設けて無絶縁領域３２と迂回路１３とを電気的に接続すること以外は、第６実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第６実施形態に係る超電導コイル１０Ｉによれば、通電電流Ｉを無絶縁領域３２全体に流出させながら迂回路１３に流入させることができるため、第１実施形態と同様の効果に加えて、より確実に通電電流Ｉに常電導転移領域１６を迂回させることができる。

（第７実施形態）
図１５は、第７実施形態に係る超電導コイル１０Ｊの範囲Πの部分拡大断面図である。
第７実施形態に係る超電導コイル１０Ｊは、図１５に示されるように、超電導線材２０及び導電性部材１８の少なくとも一方の巻回軸Ｃ方向に沿う幅広面に離型処理がなされる。
離型処理は、例えば離型材３３又は離型加工によって、巻回により密着する部材同士の接触力を弱める処理のことである。

超電導コイル１０の運転温度までの冷却時には、超電導コイル１０内に発生する熱応力又は電磁応力等の剥離応力が超電導線材２０の許容値を超えることがある。許容値以上の剥離応力がかかると、超電導線材２０内部の超電導層２５が破壊されて臨界電流値Ｉｃが低下する等、超電導特性が劣化（低下）する。よって、通常では発生しないはずの通電電流値においてもフラックスフロー抵抗が発生し、定格運転時においても迂回路１３への流出が発生する。つまり、超電導線材２０を周回する通電電流Ｉが減少して、定格運転時にも磁場形状が設計通りに発生しないことになる。

そこで、第７実施形態では、超電導コイル１０Ｊ内に離型処理を行い、超電導線材２０に許容値以上の剥離応力の発生を防止する。
特に、冷却時に発生するコイル径方向の熱応力は、コイル内径とコイル外径との比率に依存する。そこで、離型材３３によって巻線部材１１を複数に分割することで、分割された各々の巻線部材１１の内径と外径との比率を小さく設定し、剥離応力を許容値以下にする。離型材３３には、例えば、フッ素樹脂、パラフィン、グリース、又はシリコンオイルを接着又は塗布した絶縁線材等、超電導線材２０又は導電性部材１８との離型性のよいものが用いられる。

なお、超電導コイル１０Ｊ内に離型処理を行うこと以外は、第５実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第７実施形態に係る超電導コイル１０Ｊによれば、第１実施形態と同様の効果に加えて、超電導線材２０にかかる剥離応力を許容値以下にすることで、超電導特性の劣化を防止することができる。つまり、第７実施形態に係る超電導コイル１０Ｊによれば、定格運転時に発生させる磁場形状を設計通りに維持することができる。

（第８実施形態）
図１６は、複数の超電導コイル１０で構成した超電導磁石装置５０の部分断面斜視図である。

第８実施形態では、図１６に示されるように、第１実施形態〜第７実施形態に示した超電導コイル１０を含む複数のコイル４０ｎが超電導磁石装置５０を構成する。
超電導磁石装置５０は、巻回軸Ｃに沿って積層されたコイル４０ｎの積層体３６に、フランジ３４及び冷却装置等の磁場発生源として必要な機器が設けられて構成される。
なお、積層されるコイル４０ｎのうちには常電導性コイルが含まれていてもよいが、以下ではいずれも超電導コイル１０であるとして説明する。

ここで、図１７は、各々のコイル４０ｎ（例えば、ｎ＝１〜６）における磁場Ｂによるフラックスフロー抵抗による電界強度の垂直成分の分布を示す図である。
図１７では、積層されるコイル４０ｎは、巻回中心方向の中央部に位置するほど、磁場Ｂのテープ面垂直成分が小さく、遮蔽電流の影響が小さいことが示されている。

つまり、巻回軸Ｃに沿って積層された複数のコイル４０ｎの積層体３６においても、コイル４０ｎ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。すなわち、コイル４０ｎの積層体３６における積層される位置によって、コイル４０ｎの臨界電流値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３６における両端のコイル４０ｎが、臨界電流値Ｉｃが低くなるものである。

そこで、第８実施形態では、例えば、第１実施形態〜第７実施形態に示した超電導コイル１０を積層体３６の両端に配置する。
一方、前述したように、迂回路１３を過度に多用すると、励磁の開始時に迂回路１３に迂回する通電電流Ｉが過大になり、想定した磁場形状になるまでに時間がかかる。よって、迂回路１３が設けられた超電導コイル１０は、積層体３６の両端等のように、特に臨界電流値Ｉｃが低くなる位置に限定して用いることが望ましい。

なお、超電導コイル１０を具体的に超電導磁石装置５０に適用したこと、及び超電導コイル１０の好適な配置位置を特定したこと以外は、第８実施形態は第１実施形態等と同じ構造及び動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第８実施形態によれば、第１実施形態〜第７実施形態の効果を超電導磁石装置５０に発揮させることができる。
また、積層体３６のうち特定の位置にのみ迂回路１３を設けた超電導コイル１０を用いることで、設計磁場に形成させるまでの磁場形成遅れの不要な増加を防止することができる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の超電導コイル１０及び超電導磁石装置５０によれば、導電性部材１８によって電流流通領域２７と迂回路１３との接続抵抗を小さくすることにより、熱暴走の防止効果を向上させることが可能となる。

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。
これら実施形態は、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同様に、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ものである。

例えば、巻線部材の形状は、パンケーキ形状のものに限定されない。巻線部材は、レーストラック型、鞍型、楕円型などの非円形形状、又はこれらの非円形形状が３次元的に歪んだ形状、またはソレノイド形状であってもよい。

１０（１０Ａ〜１０Ｊ）…超電導コイル、１１…巻線部材、１２…巻線側面部、１３…迂回路、１４…硬化性樹脂、１６…常電導転移領域、１７…絶縁性部材、１８（１８ａ〜１８ｆ）…導電性部材、１８ａ…常電導線材、１８ｂ…硬化性導電樹脂、１８ｃ…導電細片、１８ｅ…常電導部材層、１８ｆ…超電導部材層、１９…巻枠、２０…超電導線材、２１…安定化層、２２…基板、２３…配向層、２４…中間層、２５…超電導層、２６…保護層、２７…電流流通領域、２８…突出部、３２…無絶縁領域、３３…離型材、３４…フランジ、３６…積層体、４０ｎ（ｎ＝１〜６）…コイル、５０…超電導磁石装置、Ｂ…磁場、Ｃ…巻回軸、Ｉ…通電電流、Ｉｃ…臨界電流値、Π…コイル断面中の部分範囲。

Claims (10)

1. 超電導線材が巻回されることで形成される巻線部材と、
   巻回されて対向する前記超電導線材間に挿入される絶縁性部材と、
   前記超電導線材と前記絶縁性部材との間に配置されてコイル径方向に前記超電導線材と電気的に接続される導電性部材と、
   前記巻線部材の前記コイル径方向に沿う側面に設けられて前記超電導線材及び前記導電性部材を他周の超電導線材へ電気的に接続する迂回路と、を備えることを特徴とする高温超電導コイル。
2. 前記導電性部材の前記コイル径方向の厚さは、前記コイル径方向の位置によって異なる請求項１に記載の高温超電導コイル。
3. 前記導電性部材は、常電導線材及び硬化性導電樹脂の少なくとも一方で構成される請求項１又は請求項２に記載の高温超電導コイル。
4. 前記導電性部材は、前記コイル径方向に沿って積層される常電導部材層及び超電導部材層で構成される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
5. 前記導電性部材は、前記超電導線材よりも巻回軸方向に幅広であり、前記側面から巻回軸方向に突出する突出部を有する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
6. 前記突出部の前記コイル径方向の厚さは、前記導電性部材の前記コイル径方向の厚さよりも厚い請求項５に記載の高温超電導コイル。
7. 前記導電性部材は、前記導電性部材の体積を調整する空隙又は空孔を有する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
8. 前記超電導線材間に前記絶縁性部材が設けられていない無絶縁領域が設けられる請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
9. 前記超電導線材及び前記導電性部材の少なくとも一方の巻回軸方向に沿う幅広面には離型処理がなされる請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の高温超電導コイルを含む超電導磁石装置。

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