JP2020031124A - 超電導コイル、超電導コイル集合体および超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】磁場の均一性を向上させることが可能な超電導コイル集合体および超電導機器を提供する。【解決手段】超電導コイルは、巻回されたテープ状の超電導線材３２と、絶縁材からなるテープ状の共巻材３３とを備える。共巻材３３は、超電導線材３２とともに巻回される。共巻材３３の幅Ｗ１は、超電導線材３２の幅Ｗ２の０．６倍以上１．０倍未満である。このようにすれば、共巻材３３の幅Ｗ１が超電導線材３２の幅Ｗ２より狭くなっているため、超電導線材３２および共巻材３３を巻回した超電導コイルにおいて超電導線材３２の端部より外側に共巻材３３の端部が突出する可能性を低減できる。このため、超電導コイルの厚さを設計値に沿って正確に設定できるため、超電導コイルにより形成される磁場の均一性を向上させることができる。【選択図】図２

Description

この発明は、超電導コイル、超電導コイル集合体および超電導機器に関する。

従来、酸化物超電導体を含む超電導線材を巻回した超電導コイルが知られている。特開２０１１−１４８３０号公報には、超電導線材の厚さのばらつきを吸収するために共巻材としてのテープ状部材を超電導線材と共巻し、超電導コイルの外径を調整することが開示されている。特開２０１１−１４８３０号公報では、超電導線材の幅と同じ幅を有するテープ状部材を共巻している。また、特開２０１７−３３９７７号公報には、このような超電導コイルを複数積層した超電導コイル集合体を、たとえば磁場共鳴診断装置（MRI：Magnetic Resonance Imaging）や核磁気共鳴分析装置（NMR：Nuclear Magnetic Resonance）などの超電導機器に適用することが提案されている。

特開２０１１−１４８３０号公報 特開２０１７−３３９７７号公報

上述した超電導機器の一例であるＭＲＩでは、特に磁場の均一性が求められる。磁場の均一性を向上させるためには、当該超電導コイルおよび超電導コイル集合体の形状および寸法を設計値に沿って正確に設定する必要がある。

一方、特開２０１１−１４８３０号公報に開示されたようなテープ状部材を超電導線材と共巻する場合に、当該テープ状部材の製造誤差によりテープ状部材の幅が超電導線材の幅より大きくなる場合があった。この場合、テープ状部材の端部が超電導線材の端部より外側に突出するため超電導コイルの厚さを設計値通りに設定できない。このため、従来の超電導コイルでは上述したＭＲＩなどにおいて要求される高いレベルの磁場の均一性を確保することが困難であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、磁場の均一性を向上させることが可能な超電導コイル集合体および超電導機器を提供することである。

本発明の一態様に係る超電導コイルは、巻回されたテープ状の超電導線材と、絶縁材からなるテープ状の共巻材とを備える。共巻材は、超電導線材とともに巻回される。共巻材の幅は、超電導線材の幅の０．６倍以上１．０倍未満である。

上記によれば、磁場の均一性を向上させることが可能な超電導コイル集合体および超電導機器を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る超電導コイルの斜視模式図である。 図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける部分断面模式図である。 図１に示した超電導コイルの平面模式図である。 図１〜図３に示した超電導コイルの変形例を示す部分断面模式図である。 本発明の実施の形態に係るダブルパンケーキコイルの斜視模式図である。 本発明の実施の形態に係る超電導コイル集合体の斜視模式図である。 本発明の実施の形態に係る超電導機器の模式図である。 図７に示した超電導機器の超電導コイル部の模式図である。 実施例において検討した超電導コイル集合体の配置を説明するための図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る超電導コイルは、巻回されたテープ状の超電導線材と、絶縁材からなるテープ状の共巻材とを備える。共巻材は、超電導線材とともに巻回される。共巻材の幅は、超電導線材の幅の０．６倍以上１．０倍未満である。

このようにすれば、共巻材の幅が超電導線材の幅より狭くなっているため、超電導線材および共巻材を巻回した超電導コイルにおいて超電導線材の端部より外側に共巻材の端部が突出する可能性を低減できる。このため、超電導コイルの厚さを設計値に沿って正確に設定できるため、超電導コイルにより形成される磁場の均一性を向上させることができる。

また、従来は超電導線材の幅より共巻材の幅が狭いと、当該超電導線材の幅方向の端部が変形して超電導特性が劣化すると考えられていたが、発明者が検討したところ、共巻材の幅が超電導線材の幅の０．６倍以上となっていれば超電導線材の幅方向の端部における変形がほとんど発生しないことが分かった。このため、上述のように共巻材の幅の下限は超電導線材の幅の０．６倍としている。

また、共巻材の幅が超電導線材の幅より狭いことから、超電導線材に共巻された共巻材の端部に隣接する位置には、超電導線材の表面と共巻材の端面とにより囲まれた凹部が形成される。当該凹部は、超電導コイルの製造工程における、超電導コイルに樹脂を含浸する工程において、超電導コイルを真空状態に置いたときに超電導線材間から空気が排出される際の当該空気の流通経路となり得る。このため、樹脂を含浸する工程において含浸された樹脂から揮発ガスを確実に放出させて、当該樹脂を確実に硬化させることができる。したがって、超電導コイルの形状が安定し、結果的に超電導コイルにより形成される磁場の均一性を向上させることができる。

なお、共巻材の幅の下限値は超電導線材の幅の０．６５倍でもよく、０．７倍でもよく、０．７５倍でもよく、０．８倍でもよい。また、共巻材の幅の上限値は超電導線材の幅の０．９５倍でもよく、０．９倍でもよく、０．８５倍でもよく、０．８倍でもよい。

（２）上記超電導コイルにおいて、共巻材は、第１共巻部材と第２共巻部材とを含む。第２共巻部材は、超電導コイルの径方向において、第１共巻部材と間隔を隔てて超電導線材とともに巻回される。

この場合、第１共巻部材と第２共巻部材という複数の共巻部材を径方向において間隔を隔てて配置しているので、共巻部材を一カ所にまとめて配置する場合より超電導コイルの通電経路の偏りを抑制できる。このため、共巻材を用いて超電導コイルの径の調整を行うとともに、超電導コイルにおいて実際に電流が流れる領域のサイズについても設計値に沿って設定できる。

（３）上記超電導コイルにおいて、第１共巻部材は、第１共巻部材の延在方向における両端部に位置する第１端部と第２端部とを有する。第１端部と第２端部とは、超電導コイルの周方向において重ならないように配置されている。

この場合、第１共巻部材の第１端部と第２端部とが重なると、当該重なり部分では第１共巻部材が径方向において２重に配置された状態となる。つまり、当該重なり部分に起因して超電導コイルの径が局所的に大きくなる可能性がある。そこで、上記のように第１共巻部材の第１端部と第２端部とを周方向に重ならないように配置することで、上記のような超電導コイルの径の局所的な増大を抑制できる。

（４）上記超電導コイルにおいて、第２共巻部材は、第２共巻部材の延在方向における両端部に位置する第３端部と第４端部とを有する。第３端部と第４端部とは、超電導コイルの周方向において重ならないように配置されている。第１端部と第２端部とが周方向において重ならないように配置された第１部分と、第３端部と第４端部とが周方向において重ならないように配置された第２部分とは、超電導コイルの中心軸からみて中心角が２０°である領域の内部に位置している。

この場合、第２共巻部材の第３端部と第４端部とを周方向に重ならないように配置することで、第３端部と第４端部との重なり領域の発生に起因する超電導コイルの径の局所的な増大を抑制できる。また、第１共巻部材の第１部分と第２共巻部材の第２部分とが、超電導コイルの中心軸から見てある範囲内にまとめて配置されているので、当該第１部分および第２部分の存在により超電導コイルの形状に影響が発生した場合であっても、当該影響が発生した領域を超電導コイルの中心軸から見て所定の方向のみに限定することができる。

（５）本発明の一態様に係る超電導コイル集合体は、上記超電導コイルを複数備える。複数の超電導コイルは積層配置されている。

このようにすれば、超電導コイル集合体を構成する超電導コイルの厚さが設計値に沿って正確に規定されているので、超電導コイル集合体の厚さ（複数の超電導コイルの積層方向における厚さ）が、複数の超電導コイルの厚さのばらつきに起因して変動することを抑制できる。このため、超電導コイル集合体の厚さの寸法精度を向上させることができる。したがって、たとえば複数の超電導コイル集合体をその厚さ方向に並べて磁場を発生させる場合に、当該超電導コイル集合体の厚さ方向における寸法や配置の設計値に対するばらつきを抑制できる。この結果、発生させる磁場の分布について設計値からのずれを抑制でき、高い均一性を有する磁場を形成できる。

（６）本発明の一態様に係る超電導機器は、上記超電導コイル集合体を備える。この場合、高い均一性を有する磁場を形成可能な超電導機器を実現できる。

[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰返さない。

＜超電導コイルの構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る超電導コイルの斜視模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける部分断面模式図である。図３は、図１に示した超電導コイルの平面模式図である。図１〜図３に示すように、超電導コイル１０１は、いわゆるパンケーキコイルであって、巻回されたテープ状の超電導線材３２と、絶縁材からなるテープ状の共巻材３３と、セパレータ部材３４と、樹脂部３５とを主に備える。超電導線材３２は、いわゆる酸化物超電導線材であり、たとえば、その延在方向に延びるビスマス（Ｂｉ）系超電導体と、この超電導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀や銀合金により形成されている。

共巻材３３は、超電導線材３２とともに巻回される。共巻材３３は超電導コイル１０１の外径を調整するために用いられる。１組のセパレータ部材３４は、巻回された超電導線材３２および共巻材３３の幅方向の両端を覆うように配置されている。樹脂部３５はセパレータ部材３４と共巻材３３の幅方向の両端との間の空隙である凹部を充填するように配置されている。共巻材３３の幅Ｗ１は、超電導線材３２の幅Ｗ２の０．６倍以上１．０倍未満である。

共巻材３３は、第１共巻部材３３ａと第２共巻部材３３ｂと第３共巻部材３３ｃとを含む。第２共巻部材３３ｂは、超電導コイル１０１の内周側から外周側に向かう径方向において、第１共巻部材３３ａと間隔を隔てて超電導線材３２とともに巻回される。第３共巻部材３３ｃは、超電導コイル１０１の径方向において、第２共巻部材３３ｂと間隔を隔てて超電導線材３２とともに巻回される。第１共巻部材３３ａ、第２共巻部材３３ｂ、および第３共巻部材３３ｃは、超電導コイル１０１の径方向において実質的に同じ間隔を隔てて配置されている。すなわち、第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃは、超電導コイル１０１の径方向において同じ巻き数の超電導線材３２を介して配置されている。

第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの幅方向の端部に接するように、樹脂部３５が配置されている。図２に示すように、第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの幅方向の中央は、超電導線材３２の幅方向の中央と実質的に重なるように配置されている。第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの幅方向の両方の端部に接するように、樹脂部３５が配置されている。超電導線材３２に共巻された第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの幅方向の端部に隣接する位置には、超電導線材３２の表面と第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの端面とにより囲まれた凹部が形成されている。樹脂部３５は当該凹部の内部に配置されている。

図３に示すように、第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃは、超電導コイル１０１の中心軸４０を中心として同心円状に配置されている。第１共巻部材３３ａは、第１共巻部材３３ａの延在方向における両端部に位置する第１端部３７ａと第２端部３８ａとを有する。第１端部３７ａと第２端部３８ａとは、超電導コイル１０１の周方向において重ならないように配置されている。第２共巻部材３３ｂは、第２共巻部材３３ｂの延在方向における両端部に位置する第３端部３７ｂと第４端部３８ｂとを有する。第３端部３７ｂと第４端部３８ｂとは、超電導コイル１０１の周方向において重ならないように配置されている。第３共巻部材３３ｃは、第３共巻部材３３ｃの延在方向における両端部に位置する第５端部３７ｃと第６端部３８ｃとを有する。第５端部３７ｃと第６端部３８ｃとは、超電導コイル１０１の周方向において重ならないように配置されている。

第１端部３７ａと第２端部３８ａとが周方向において重ならないように配置された第１部分３６ａと、第３端部３７ｂと第４端部３８ｂとが周方向において重ならないように配置された第２部分３６ｂと、第５端部３７ｃと第６端部３８ｃとが周方向において重ならないように配置された第３部分３６ｃとは、超電導コイル１０１の中心軸４０からみて中心角θが２０°である領域４１の内部に位置している。なお、領域４１を規定する中心角θは、１５°であってもよく、１０°であってもよく、５°であってもよい。

図４は、図１〜図３に示した超電導コイルの変形例を示す部分断面模式図である。図４は図２に対応する。図４に示した超電導コイルは、基本的には図１〜図３に示した超電導コイル１０１と同様の構成を備えるが、共巻材３３の構成が図１〜図３に示した超電導コイル１０１と異なっている。図４に示した超電導コイルでは、共巻材３３である第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの幅方向における一方の端部の位置が、超電導線材３２の幅方向における端部の位置と重なっている。つまり、第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの幅方向の他方の端部に隣接する位置のみに、樹脂部３５が充填された凹部が形成されている。

なお、図１〜図４に示した超電導コイル１０１は、共巻材３３として第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃを備えるが、共巻部材の数は１つでもよく、２または４以上であってもよい。また、超電導コイル１０１の径方向における第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの間の距離は実質的に同じになっているが、当該距離が互いに異なっていてもよい。

共巻材３３を構成する材料は、絶縁材料であれば任意の材料を採用できる。たとえば、ガラス繊維に樹脂を含浸させたテープ状部材、あるいはポリイミドなどの樹脂からなるテープ状部材を用いることができる。樹脂部３５を構成する材料は、絶縁性の樹脂であれば任意の樹脂材料を用いることができる。セパレータ部材３４を構成する材料は、絶縁材料であれば任意の材料を採用できが、たとえばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）や他の樹脂などを用いてもよい。

＜超電導コイルの製造方法＞
図１〜図３に示した超電導コイルの製造方法を説明する。まず、超電導線材３２および共巻材３３を準備する。超電導線材３２を所定の外径の円筒状の芯材に巻回する。このとき、超電導線材３２の平均厚さおよび必要な巻数と、超電導コイル１０１の設計上の外径と、共巻材３３の厚さとから、当該共巻材３３の必要な巻数を予め計算しておく。そして、超電導線材３２の所定巻数毎に、共巻材３３を超電導線材３２と一緒に巻回する。このとき、共巻材３３の幅方向の中央と超電導線材３２の幅方向の中央とが重なるように、共巻材３３の位置を調整することが好ましい。この結果、図３に示すように径方向に複数の共巻材３３としての第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃが配置された超電導コイル要素が得られる。なお、上述した超電導コイル要素の巻線時に、当該超電導コイル要素を中心軸方向から挟むようにセパレータ部材３４が配置される。

その後、得られた超電導コイル要素に樹脂を含浸する工程を実施する。樹脂を含浸する工程では、任意の方法を採用できる。たとえば、セパレータ部材３４が配置された超電導コイル要素を、冶具により保持した後、当該超電導コイル要素に対して樹脂を含浸させてもよい。その後、超電導コイル要素に含浸した樹脂を硬化させることで、図２に示した樹脂部３５が形成されるともに、超電導コイル要素とセパレータ部材３４とが一体化し、図１〜図３に示した超電導コイル１０１が得られる。

＜作用効果＞
本発明の一態様に係る超電導コイル１０１において、図２に示すように共巻材３３の幅Ｗ１は、超電導線材３２の幅Ｗ２の０．６倍以上１．０倍未満である。このようにすれば、共巻材３３の幅Ｗ１が超電導線材３２の幅Ｗ２より狭くなっているため、超電導線材３２および共巻材３３を巻回した超電導コイル１０１において超電導線材３２の端部より外側に共巻材３３の端部が突出する可能性を低減できる。このため、超電導コイル１０１の厚さを設計値に沿って正確に設定できるため、超電導コイル１０１により形成される磁場の均一性を向上させることができる。

また、共巻材３３の幅Ｗ１が超電導線材３２の幅Ｗ２より狭いことから、超電導線材３２に共巻された共巻材３３の端部に隣接する位置には、超電導線材３２の表面と共巻材３３の端面とにより囲まれた凹部が形成される。超電導コイル１０１の製造工程における、超電導コイル１０１となるべき超電導コイル要素に樹脂を含浸する工程において、当該凹部は超電導線材３２間に含浸された樹脂から揮発ガスが外部へ放出される際の当該ガスの揮発経路となり得る。このため、樹脂を含浸する工程において含浸された樹脂から揮発ガスを確実に放出させて、当該樹脂を確実に硬化させることができる。したがって、超電導コイル１０１の形状が安定し、結果的に超電導コイル１０１により形成される磁場の均一性を向上させることができる。

上記超電導コイル１０１において、共巻材３３は、第１共巻部材３３ａと第２共巻部材３３ｂとを含む。第２共巻部材３３ｂは、超電導コイル１０１の径方向において、第１共巻部材３３ａと間隔を隔てて配置されている。

この場合、第１共巻部材３３ａと第２共巻部材３３ｂという複数の共巻部材を径方向において間隔を隔てて配置しているので、第１および第２共巻部材３３ａ、３３ｂを一カ所にまとめて配置する場合より超電導コイル１０１の通電経路の偏りを抑制できる。このため、共巻材３３を用いて超電導コイル１０１の径の調整を行うとともに、超電導コイル１０１において実際に電流が流れる領域のサイズについても設計値に沿って正確に設定できる。

上記超電導コイル１０１において、第１共巻部材３３ａの第１端部３７ａと第２端部３８ａとは、図３に示すように超電導コイル１０１の周方向において重ならないように配置されている。第２共巻部材３３ｂの第３端部３７ｂと第４端部３８ｂとは、超電導コイル１０１の周方向において重ならないように配置されている。第３共巻部材３３ｃの第５端部３７ｃと第６端部３８ｃとは、超電導コイル１０１の周方向において重ならないように配置されている。

ここで、たとえば第１共巻部材３３ａの第１端部３７ａと第２端部３８ａとが重なると、当該重なり部分では第１共巻部材３３ａが径方向において２重に配置され、超電導コイル１０１の径が局所的に大きくなる可能性がある。そこで、上記のように第１〜第３共巻部材３３ａ、３３ｂ、３３ｃの端部同士を重ならないように配置することで、上記のような超電導コイル１０１の径の局所的な増大を抑制できる。

上記超電導コイル１０１において、図３に示すように、複数の共巻部材としての第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの端部同士が周方向に重ならないように配置された複数の部分としての第１〜第３部分３６ａ〜３６ｃが、超電導コイル１０１の中心軸４０からみて中心角が２０°である領域４１の内部に位置している。

この場合、第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの第１〜第３部分３６ａ〜３６ｃが、超電導コイル１０１の中心軸４０から見てある範囲内にまとめて配置されているので、当該第１〜第３部分３６ａ〜３６ｃの存在により超電導コイルの形状に影響が発生した場合であっても、当該影響が発生した領域の位置を超電導コイル１０１の中心軸４０から見て特定の方向に限定することができる。

＜ダブルパンケーキコイルの構成及び作用効果＞
図５は、本発明の実施の形態に係るダブルパンケーキコイルの斜視模式図である。以下、本実施の形態に係るダブルパンケーキコイルを説明する。

図５に示されるように、本実施の形態に係る超電導コイル１としてのダブルパンケーキコイルは２つのパンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂを有する。パンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂは図１〜図３に示した超電導コイル１０１と基本的に同様の構成を備える。２つのパンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂは互いに積層されている。２つのパンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂの間には絶縁層が配置されている。当該絶縁層としては、たとえばガラス繊維紙に樹脂が含浸された層を用いることができる。また、２つのパンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂを挟むように絶縁層である第１および第２セパレータ部材が配置されていてもよい。すなわち、超電導コイル１は、中心軸に沿った方向において、第１セパレータ部材、パンケーキコイル１０１ａ、絶縁層、パンケーキコイル１０１ｂ、第２セパレータ部材という積層構造となっていてもよい。セパレータ部材の材料としては、任意の絶縁体を用いることができるが、たとえばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）や他の樹脂などを用いてもよい。なお、この場合パンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂの構成として、図２に示した超電導コイル１０１の構成からセパレータ部材３４を除いた構成を採用してもよい。

パンケーキコイル１０１ａにおける超電導線材３２（図２参照）の巻回方向Ｗａと、パンケーキコイル１０１ｂにおける超電導線材３２（図２参照）の巻回方向Ｗｂとは同じである。パンケーキコイル１０１ａの内周側に位置する超電導線材の端部ＥＣｉと、パンケーキコイル１０１ｂの内周側に位置する超電導線材の端部ＥＣｉとは繋がっている。パンケーキコイル１０１ａとパンケーキコイル１０１ｂとは単一の超電導線材により構成されている。また、図５に示したダブルパンケーキコイルを複数積層する場合、当該ダブルパンケーキコイルのうち互いに隣り合うダブルパンケーキコイルの各々の端部ＥＣｏを互いに電気的に接続する。これにより、積層された複数のダブルパンケーキコイルを互いに直列に接続できる。

上述した超電導コイル１では、図１〜図３に示した超電導コイル１０１と同様の構成を備える２つのパンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂが積層されている。そのため、図１〜図３に示した超電導コイル１０１と基本的に同様の効果を得ることができる。すなわち、図２に示すように第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの幅Ｗ１が超電導線材３２の幅Ｗ２より狭いので、当該共巻部材の端部が超電導線材３２の端部より外側に位置する可能性を低減できる。この結果、当該パンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂの厚さを設計値に沿って正確に設定できるため、結果的にダブルパンケーキコイルである超電導コイル１の厚さも設計値に沿って正確に設定できる。したがって、当該超電導コイル１により形成される磁場の均一性を向上させることができる。

また、パンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂは、たとえば図２および図３に示すようにそれぞれ第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃといった複数の共巻部材を含む。これらの共巻部材では、第１〜第３共巻部材３３ａ〜３３ｃの延在方向における両端部がパンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂの周方向において重ならないように配置されている。パンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂでは、図３に示した第１〜第３部分３６ａ〜３６ｃが配置される領域４１の位置が、中心軸に沿った方向から見て互いに重なるように配置されていてもよい。

＜ダブルパンケーキコイルの製造方法＞
図５に示した超電導コイル１の製造方法では、まずコイル準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、上述した図１〜図３に示した超電導コイルの製造方法と同様に、超電導線材に共巻材を間欠的に共巻することで、パンケーキコイル１０１ａ、１０１ｂとなるべき第１超電導コイル要素と第２超電導コイル要素とを形成する。第１超電導コイル要素と第２超電導コイル要素とは内周側が繋がるとともに、互いに中心軸が揃うように配置された、ダブルパンケーキコイルを構成する。

次に、上述したダブルパンケーキコイルであるコイル体に樹脂を含浸する工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、たとえばまずコイル体を冶具に固定する工程（Ｓ２０１）を実施する。この工程（Ｓ２０１）では、当該コイル体の中心軸に沿った方向から一対の冶具によりコイル体を挟む。このとき、第１超電導コイル要素と第２超電導コイル要素との間には緩衝部材としてのガラス繊維紙を配置しておく。さらに、コイル体を挟むように第１および第２セパレータ部材を配置する。第１セパレータ部材は、第１超電導コイル要素と一方の冶具との間に配置される。第２セパレータ部材は、第２超電導コイル要素と他方の冶具との間に配置される。

また、一対の冶具の間にはスペーサがコイル体とともに配置されていてもよい。このスペーサは、得られる超電導コイルの厚さを規定する。スペーサは、コイル体の外周側および内周側にそれぞれ複数個配置されていてもよい。

一対の冶具は、複数の固定部材により互いに固定される。固定部材は、一対の冶具に対してコイル体に向かう方向の力を加える。固定部材は、たとえばボルトとナットとの組であってもよい。

一対の冶具の平面形状は、たとえばコイル体の平面形状に対応した円環状の形状である。平面視において複数の固定部材の一部はコイル体の外周を囲むように環状に配置されている。複数の固定部材の他の一部はコイル体の内周側において環状に配置されている。

つぎに、樹脂含浸工程（Ｓ２０２）を実施する。この工程（Ｓ２０２）では、一対の冶具により挟まれたコイル体に樹脂を含浸する。この結果、コイル体の表面を覆うように樹脂が配置される。また、第１超電導コイル要素と第２超電導コイル要素との間に位置する緩衝部材としてのガラス繊維紙に樹脂が含浸される。また、第１超電導コイル要素と第２超電導コイル要素とにおいて、共巻材の幅方向の両端に形成された凹部に当該樹脂が充填される。また、第１超電導コイル要素と第２超電導コイル要素とにおいて、超電導線材と超電導線材との間の隙間や超電導線材と第１または第２セパレータ部材との間の隙間に当該樹脂が含浸される。この状態で樹脂を硬化させる。このとき、共巻材の幅方向の両端において樹脂が充填された凹部が、当該樹脂からガスが抜ける際の当該ガスの流通経路となり得る。その後、当該樹脂が硬化して一体となった超電導コイル１を冶具から取り外す。このようにして、図５に示す超電導コイル１が得られる。

＜超電導コイル集合体の構成および作用効果＞
図６は、本発明の実施の形態に係る超電導コイル集合体の斜視模式図である。図６に示すように、超電導コイル集合体１０は、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄと、複数の伝熱板２とを主に備える。超電導コイル１ａ〜１ｄは、図５に示したダブルパンケーキコイルである超電導コイル１と同様の構成を備える。

超電導コイル集合体１０では、超電導コイル１ａ〜１ｄの中心軸に沿って超電導コイル１ａ〜１ｄと伝熱板２とが交互に積層されている。伝熱板２は、冷却装置と接続されて超電導コイル１ａ〜１ｄを冷却するために用いられる。伝熱板２の材料は、たとえば金属などの良好な熱伝導率を有する材料であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、伝熱板２の材料として銅、アルミニウム、および銅またはアルミニウムを含む合金などを用いることができる。また、伝熱板２の厚さＴ５は、任意の値に設定できる。

積層された超電導コイル１ａ〜１ｄおよび伝熱板２の固定方法は、任意の方法を採用できる。たとえば、積層方向の両端に、複数の超電導コイルおよび伝熱板２を挟むようにフランジ部材を配置し、当該フランジ部材間を繋ぐフランジ固定部材を配置してもよい。当該フランジ固定部材は、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄに対してフランジ部材が押圧力を発生させるように構成されていてもよい。

超電導コイル集合体１０を構成する超電導コイル１ａ〜１ｄの厚さＴ１〜Ｔ４は、実質的に同じでもよいし異なっていてもよい。超電導コイル集合体１０を構成する超電導コイル１ａ〜１ｄの個数は４以外でもよい。たとえば、２以上の任意の個数の超電導コイルにより超電導コイル集合体１０を構成してもよい。

このようにすれば、超電導コイル集合体１０を構成するように積層配置された超電導コイル１ａ〜１ｄの厚さＴ１〜Ｔ４が設計値に沿って正確に規定されているので、超電導コイル集合体１０の厚さ（複数の超電導コイル１ａ〜１ｄの積層方向における合計厚さ）が、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄの厚さＴ１〜Ｔ４のばらつきに起因して変動することを抑制できる。このため、超電導コイル集合体１０の厚さの寸法精度を向上させることができる。したがって、たとえば複数の超電導コイル集合体１０をその厚さ方向に並べて磁場を発生させる場合に、当該超電導コイル集合体１０の厚さ方向における寸法や配置の設計値に対するばらつきを抑制できる。この結果、発生させる磁場の分布について設計値からのずれを抑制でき、高い均一性を有する磁場を形成できる。

＜超電導コイル集合体の製造方法＞
図６に示した超電導コイル集合体１０の製造方法では、図５に示した超電導コイル１の製造方法を実施することにより複数の超電導コイル１ａ〜１ｄを準備する。さらに、当該複数の超電導コイル１ａ〜１ｄを伝熱板２とともに積層配置し固定する。このようにして、図６に示すような超電導コイル集合体１０を得ることができる。なお、積層された超電導コイル１ａ〜１ｄの固定方法は、任意の方法を採用できる。たとえば、積層方向の両端に、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄを挟むようにフランジ部材を配置し、当該フランジ部材間を繋ぐフランジ固定部材を配置してもよい。

＜超電導機器の構成および作用効果＞
図７は、本発明の実施の形態に係る超電導機器の模式図である。図８は、図７に示した超電導機器の超電導コイル部の模式図である。図７および図８を用いて本発明の実施の形態に係る超電導機器の構成を説明する。

図７に示す超電導機器は、超電導マグネット装置であって、たとえばＭＲＩ装置に適用され得る。図７を参照して、実施の形態に係る超電導機器１００は、超電導コイル部９１と、断熱容器１１１と、冷却装置１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２と、制御装置１４０とを主に備える。

断熱容器１１１は、中空円筒状の形状を有しており、その内部に超電導コイル部９１を収容する。断熱容器１１１の内部は、真空状態に維持されている。真空状態とは、大気圧よりも断熱を維持できる程度の減圧状態であることを意味する。

超電導コイル部９１は、図６に示した超電導コイル集合体を含む。つまり、超電導機器１００は図６に示した超電導コイル集合体１０を備える機器である。なお、超電導コイル部９１の具体的な構成は後述する。超電導コイル部９１は、冷却装置１２１によって冷却される。冷却装置１２１は、超電導コイル部９１に熱的に接続された冷却ヘッド１２０を有する。冷却装置１２１は、たとえばギフォード・マクマホン式冷凍機、パルス管冷凍機またはスターリング式冷凍機である。冷却装置１２１は、ホース１２２を介して、コンプレッサ１２３につながっている。冷却装置１２１は、超電導コイル部９１を構成する超電導コイル集合体に含まれる酸化物超電導材料の臨界温度以下の極低温を冷却ヘッド１２０に発生させる。冷却ヘッド１２０で得られた極低温は、伝熱板を介して超電導コイル部９１に伝熱される。なお、超電導コイル部９１を冷却する冷却部としては、冷却装置１２１を用いずに、断熱容器１１１内に収容された液体ヘリウムまたは液体窒素などの冷媒に超電導コイル部９１を浸漬させる構成としてもよい。

ケーブル１３１は、超電導コイル部９１と電源１３２との間に配設される。電源１３２からケーブル１３１を経由して超電導コイル部９１に通電電流が与えられることにより、超電導コイル部９１は磁場（磁束）を発生する。断熱容器１１１の円筒中心部の空間には、図中の点線で示す範囲内に、ＭＲＩ装置の撮像領域ＦＯＶ（Field of View）が形成されている。撮像領域ＦＯＶは、断熱容器１１１の外側に位置し、室温かつ大気圧に保持可能である。このため、被検者は、自身の被検査領域を撮像領域ＦＯＶの中に収めることができる。

制御装置１４０は、超電導コイル部９１の通電電流を制御する。一例として、制御装置１４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶部とを含むマイクロコンピュータを主体として構成される。

図８は、図７に示した超電導コイル部９１の構成例を概略的に示す図である。図８を参照して、超電導コイル部９１は、複数の超電導コイル集合体と、傾斜磁場コイル２１と、シム２２，２４とを含む。

図８の構成例では、複数の超電導コイル集合体は、６個の超電導コイル集合体１０，１２，１４，１６，１８，２０により構成されている。６個の超電導コイル集合体１０，１２，１４，１６，１８，２０は、基本的に図６に示した超電導コイル集合体１０と同様の構成を備え、コイル中心軸を共通にして、互いに間隔を隔てて配置される。コイル中心軸は、赤道面８に垂直となるＺ軸に一致するように設定されている。

超電導コイル集合体１４，１６は、赤道面８を対称面として対向配置されている。超電導コイル集合体１２，１８は、赤道面８を対称面として対向配置されている。超電導コイル集合体１０，２０は、赤道面８を対称面として対向配置されている。６個の超電導コイル集合体１０，１２，１４，１６，１８，２０にそれぞれ一定電流を流すことにより、撮像領域ＦＯＶにＺ軸方向の磁場を発生させることができる。

超電導コイル集合体１０，１２，１４，１６，１８，２０の内周側には、コイル中心軸をＺ軸に一致させて傾斜磁場コイル２１が配置されている。傾斜磁場コイル２１は、撮像領域ＦＯＶ内の位置情報を得る目的で、撮像領域ＦＯＶの均一磁場に重畳する形で、磁場を空間的に変化させた傾斜磁場を生成する。

シム２２，２４は、傾斜磁場コイル２１と超電導コイル集合体１０，１２，１４，１７，１８，２０との間に設けられる。シム２２は、傾斜磁場コイル２１の外周側の側壁に沿うように配置される。シム２４は、断熱容器１１１の内周側の側壁に沿うように配置される。シム２２，２４は、撮像領域ＦＯＶの均一磁場の均一度をさらに向上させるための磁場調整用鉄材である。撮像領域ＦＯＶに発生している磁場の測定結果に基づいてシムを取り付ける位置およびシムの厚さを調整することにより、撮像領域ＦＯＶの均一度を調整することができる。

超電導機器１００が稼働すると、撮像領域ＦＯＶには、白矢印方向の静磁場Ｂｃが発生する。超電導機器１００がＭＲＩ装置である場合には、静磁場Ｂｃは、３Ｔ程度の高強度であって、５ｐｐｍ程度の高い均一度を有することが求められる。本実施の形態に係る超電導機器１００では、超電導コイル部９１を構成する超電導コイル集合体１０、１２，１４，１６，１８，２０の寸法精度が高く、上述した磁場の均一度を得ることができる。

（実施例）
本発明の実施の形態の効果を確認するためにシミュレーション計算を行った。以下、具体的に説明する。

＜シミュレーション条件＞
図９は、実施例において検討した超電導コイル集合体の配置を説明するための図である。図９の横軸は、超電導コイル集合体を６個並べて構成される超電導コイル部の、中心軸に沿った方向であるＺ軸を示している。当該Ｚ軸の原点は、超電導コイル部の中心になっている。図９の縦軸は、超電導コイル部の中心軸から径方向に向かうＸ軸を示している。図９に示すように、超電導コイル部は６個の超電導コイル集合体２３１〜２３６を含む。

超電導コイル集合体２３１〜２３６の内周側半径は３４５ｍｍである。超電導コイル集合体２３１について、外周側半径は４１０ｍｍ、Ｚ軸方向における両端部の位置は−５３９ｍｍおよび−３７７ｍｍである。超電導コイル集合体２３２について、外周側半径は３９６ｍｍ、Ｚ軸方向における両端部の位置は−２３８ｍｍおよび−１６２ｍｍである。超電導コイル集合体２３３について、外周側半径は３８１ｍｍ、Ｚ軸方向における両端部の位置は−９９ｍｍおよび−２３ｍｍである。超電導コイル集合体２３４について、外周側半径は３８１ｍｍ、Ｚ軸方向における両端部の位置は２３ｍｍおよび９９ｍｍである。超電導コイル集合体２３５について、外周側半径は３９６ｍｍ、Ｚ軸方向における両端部の位置は１６２ｍｍおよび２３８ｍｍである。超電導コイル集合体２３６について、外周側半径は４１０ｍｍ、Ｚ軸方向における両端部の位置は３７７ｍｍおよび５３９ｍｍである。超電導コイル集合体２３１〜２３３と超電導コイル集合体２３６，２３５，２３４とは、Ｚ軸方向の原点を通り、当該Ｚ軸に垂直な面に対して面対称となるように配置されている。

また、各超電導コイル集合体２３１〜２３６について、超電導コイル集合体２３１，２３６のターン数は１９９５ターンとした。超電導コイル集合体２３２，２３５のターン数は７１４ターンとした。超電導コイル集合体２３３，２３４のターン数は５１１ターンとした。

シミュレーションの対象とした構成としては、超電導コイル集合体２３１〜２３６を構成する超電導コイルの厚さがすべて０．０５％小さくなった場合、つまり超電導コイル集合体２３１〜２３６のＺ軸方向における長さが０．０５％小さくなった場合を構成例１とした。また、超電導コイル集合体２３１〜２３６のＺ軸方向における長さが０．１５％長くなった場合を構成例２とした。

各構成例１および構成例２について、Ｚ軸方向の原点（Ｚ＝０の点）を通りＺ軸に垂直な面において、Ｚ軸を中心としＸ軸方向に沿った短軸を２００ｍｍ、Ｘ軸およびＺ軸にそれぞれ垂直なＹ軸方向に沿った長軸を２４０ｍｍとした楕円の評価領域を設定した。なお、当該評価領域は図８に示した撮像領域ＦＯＶに対応する。当該評価領域における、磁場強度のばらつきを評価した。評価方法としては、当該評価領域の中心（Ｚ軸との交点）における磁場強度に対する、評価領域内の他の位置での磁場強度の差分を求めた。当該差分の、上記中心における磁場強度に対する割合を評価値として算出した。

＜結果＞
構成例１に関して、評価領域内の各位置における上記評価値は、概ね±８００ｐｐｍの範囲に入っていた。一方、構成例２に関して、評価領域内の各位置における上記評価値は、概ね±２０００ｐｐｍの範囲に入っていた。構成例１における評価値のばらつきの程度であれば、図８に示したシム２２，２４などによる調整によって実用上問題の無い均一な磁場とすることができる。

一方、構成例２における評価値のばらつきでは、上述したシム２２，２４などを用いてもＭＲＩに求められる磁場の均一性を確保することは難しい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１ａ，１ｄ，１０１ 超電導コイル
２ 伝熱板
８ 赤道面
１０，１２，１４，１６，１７，１８，２０，２３１，２３２，２３３，２３４，２３５，２３６ 超電導コイル集合体
２１ 傾斜磁場コイル
２２，２４ シム
３２ 超電導線材
３３ 共巻材
３３ａ 第１共巻部材
３３ｂ 第２共巻部材
３３ｃ 第３共巻部材
３４ セパレータ部材
３５ 樹脂部
３６ａ 第１部分
３６ｂ 第２部分
３６ｃ 第３部分
３７ａ 第１端部
３７ｂ 第３端部
３７ｃ 第５端部
３８ａ 第２端部
３８ｂ 第４端部
３８ｃ 第６端部
４０ 中心軸
４１ 領域
９１ 超電導コイル部
１００ 超電導機器
１０１ａ 場合パンケーキコイル
１０１ａ パンケーキコイル
１０１ａ，１０１ｂ パンケーキコイル
１１１ 断熱容器
１２０ 冷却ヘッド
１２１ 冷却装置
１２２ ホース
１２３ コンプレッサ
１３１ ケーブル
１３２ 電源
１４０ 制御装置

Claims (6)

1. 巻回されたテープ状の超電導線材と、
   前記超電導線材とともに巻回され、絶縁材からなるテープ状の共巻材とを備え、
   前記共巻材の幅は、前記超電導線材の幅の０．６倍以上１．０倍未満である、超電導コイル。
2. 前記共巻材は、
   第１共巻部材と、
   前記超電導コイルの径方向において、前記第１共巻部材と間隔を隔てて前記超電導線材とともに巻回された第２共巻部材とを含む、請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記第１共巻部材は、前記第１共巻部材の延在方向における両端部に位置する第１端部と第２端部とを有し、
   前記第１端部と前記第２端部とは、前記超電導コイルの周方向において重ならないように配置されている、請求項２に記載の超電導コイル。
4. 前記第２共巻部材は、前記第２共巻部材の延在方向における両端部に位置する第３端部と第４端部とを有し、
   前記第３端部と前記第４端部とは、前記超電導コイルの前記周方向において重ならないように配置され、
   前記第１端部と前記第２端部とが前記周方向において重ならないように配置された第１部分と、前記第３端部と前記第４端部とが前記周方向において重ならないように配置された第２部分とは、前記超電導コイルの中心軸からみて中心角が２０°である領域の内部に位置している、請求項３に記載の超電導コイル。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイルを複数備え、
   複数の前記超電導コイルが積層配置されている、超電導コイル集合体。
6. 請求項５に記載の超電導コイル集合体を備える、超電導機器。

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