JP2020198373A - 超電導マグネット - Google Patents

Abstract

【課題】冷却コストを低減しつつグレーディングを実現可能な超電導マグネットを提供する。【解決手段】超電導マグネット１の超電導コイル１０は、外径側の層で並列接続される超電導線２０の並列数を、内径側の層で並列接続される超電導線２０の並列数よりも少なくする。また、超電導コイル１０Ｂは、外径側の超電導線３０の素線数を内径側の超電導線３０の素線数よりも少なくする。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導マグネットに関する。

超電導線材を用いた超電導マグネットはＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴画像）、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）、粒子線医療装置などで利用されており、また発電機等新たな応用先も日々検討されている。超電導マグネットは、常伝導体のマグネットと比べ線材の電流密度を大きく取れることから、小形で高磁場を実現できる利点がある。また、超電導マグネットの多くはＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎといった超電導体を線材とし、冷媒に液体ヘリウムを用いる。しかし、液体ヘリウムは高価で、かつ運用中に蒸発して失われるため補充が必要であり、コスト要因となる。そこで、液体ヘリウムを用いず伝導冷却により超電導体を冷却する方法で超電導マグネットを構成することが望ましい。

伝導冷却は、一般に液体ヘリウムを用いるよりも冷却しづらく技術的な難易度が高い。伝導冷却による超電導マグネットを冷却コストを抑えて合理的に実現するためには、超電導マグネット内の発熱、外部からの熱侵入を可能な限り低減し、超電導マグネット全体を熱伝導率が高い構造とするのが望ましい。
超電導マグネット内の発熱は、起動、停止時など、運用上、超電導マグネット電流を変動させる場合、一般にヒステリシス損によるものが主となる。ヒステリシス損は、超電導体に印加される磁場の変動により生じ、超電導マグネット内の超電導体の体積が多いほど全体の損失が大きい。
冷却の面では、超電導マグネットは一般に超電導線を巻き回しながら巻き軸方向に巻き進めて巻線の層を構成し、層の端部で巻き進める方向を折り返して外側の層を巻き回す、多層巻きの構造をとる場合が多い。この場合、超電導線の隙間をできるだけ密に巻いて熱伝導率を向上させるのが望ましい。また、超電導マグネットを巻きボビンを介して冷却する場合、各層の端部と巻きボビンの間の熱抵抗のばらつきを抑え、ホットスポットを生じないようにすることで冷却コストを低減することが望ましい。

超電導マグネット内の発熱量を低減するために超電導マグネット内の超電導体体積を最小化するには、グレーディング（grading）を実現することが有効である。グレーディングは、超電導マグネットの各層で超電導線を流れる電流密度を変える技術である。グレーディングは、高磁場下ほど流せる電流密度が小さくなるという超電導線の特徴から、超電導マグネットの内径側ほど高磁場となるため低電流密度とし、外径側は逆に低磁場となるため高電流密度とする。これにより、超電導マグネット全体の電流を最大化する効果がある。この効果は超電導体の量を最小化することと等価である。

グレーディングには、内径側では太く素線断面積の大きい超電導線を用い、外径側は細く素線断面積の小さい超電導線を用いる、という手段をとることが多い。または、磁場中の臨界電流密度が大きい超電導材を内径側に適用するという手段をとる場合もある。このような構成によると、超電導マグネットの各層が異なる形状の超電導線で構成されるため、マグネットを密にまき回すことが困難となる。また、各層の寸法ばらつきが大きくなる。そのため、伝導冷却を適用すると冷却コストが大きくなる課題がある。

特許文献１には、高温超電導コイルの内側では各層ごとの超電導線材の本数を多くし、高温超電導コイルの外側に向かうほど各層ごとの超電導線材の本数を少なくするようにして、高温超電導コイル全体での通電電流を向上させ、超電導線材の使用量を抑えつつも高い磁場を生成することができるように構成したことを特徴とするグレーディングされた高温超電導コイルが記載されている。特許文献１に記載のグレーディングされた高温超電導コイルは、高温超電導のテープ線材を層方向に巻き回すパンケーキ形超電導コイルで、内径側の層は同じ種類の高温超電導線を層方向に複数重ねた並列導体で構成し、外側の層は１本の高温超電導線で構成することでグレーディングを実現している。この構成によれば、同じ種類の高温超電導線を利用しつつグレーディングを実現できるとする。

伝導冷却による超電導マグネットを実現するためには、超電導マグネットを多層巻きにする際の各層の熱抵抗ばらつきを抑えてかつグレーディングにより超電導体の投入量を最小化することが望ましい。

特開２０１２−１８２２６５号公報

特許文献１に記載の高温超電導コイルは、内径側では並列接続した高温超電導線を巻き回し、外径側では一本の高温超電導線を巻き回すことでグレーディングを実現し、高温超電導体の投入量を低減している。一方、線材は、高温超電導線であるため、アスペクト比が大きいテープ状である。テープ状は、層方向に並べて並列接続するのには適している。しかしながら、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎといったいわゆる低温超電導線は、概円形、概矩形（アスペクト比が１０未満）の線断面である。このため、低温超電導線を、層方向にならべて並列化するのは作業が煩雑である。
また、特許文献１に記載の高温超電導コイルは、パンケーキ形であり、本発明が対象とする超電導マグネットのように巻き軸方向に巻線を巻き進める構成は示されていない。さらに、伝導冷却することは考えられていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、冷却コストを低減しつつグレーディングを実現可能な超電導マグネット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、本発明の超電導マグネットは、超電導線を巻きボビンの周りに巻き回しながら巻き軸方向に巻き進めて巻線の層を構成し、層の端部で巻き進める方向を折り返して外側の層を巻き回す、多層巻きの構造をとる超電導コイルを備え、前記超電導コイルは、各層の超電導線の断面の外形寸法が所定の数値で、かつ、層によって前記超電導線の素線電流密度が異なることを特徴とする。

本発明によれば、冷却コストを低減しつつグレーディングを実現可能な超電導マグネットを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る超電導マグネットの超電導コイルの断面図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの超電導コイルの並列数が変わる層間の接続構造の例を示す図である。 図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの３並列超電導線の段落としにおけるスペーサ配置の例を示す図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの超電導コイルの並列数が変わる層間の接続構造の接続部の別の構造例を示す図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの超電導コイルの並列数が変わる層間の接続構造の接続部の別の構造例を示す図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの変形例の超電導コイルの並列数が変わる層間の接続構造の例を示す図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの変形例の超電導コイルの並列数が変わる層間の接続構造の例を示す図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの並列数が３種類の超電導コイルの断面図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの外径側（最外径側）を並列接続にしない超電導コイルの断面図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの３並列超電導線の転位位置の例を示す図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの３並列超電導線の転位方法の例を示す図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの４並列超電導線の転位方法の例を示す図である。 上記第１実施形態に係る超電導マグネットの変形例の超電導コイルの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る超電導マグネットの超電導コイルの断面図である。 上記第２実施形態に係る超電導マグネットの素線数が変わる層間の接続構造の例を示す図である。 本発明の応用例に係る超電導マグネットの構造を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導マグネットの超電導コイルの断面図である。図１は、超電導コイルのコイル巻き軸中心を線対称として右側の詳細断面を示す。
本実施形態は、本発明を伝導冷却型の超電導マグネットに適用した例である。
図１に示すように、超電導マグネット１は、超電導コイル１０を備える。
超電導コイル１０は、巻きボビン１１に矩形断面の超電導線２０を内周側から俵積み状に巻き回しながら巻き軸方向に巻き進めて巻線の層を構成し、層の端部で巻き進める方向を折り返して外側の層を巻き回す、多層巻きの構造をとる。巻き巻きボビン１１に巻きまわされた超電導線２０は、エポキシを代表とする樹脂（図示省略）を注入して固定され、コイル形成される。

超電導線２０は、例えばニオブチタン（ＮｂＴｉ）が金属で被覆された超電導線材２１と、線材２１を被覆する絶縁被膜２２と、からなる。超電導線材２１には、上記ニオブチタン（ＮｂＴｉ）やニオブ３スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）等の金属超電導体が選択できる。

本実施形態では、外径側の超電導線２０の線材２１の数（以下、素線数という）と内径側の超電導線２０の素線数とは、同じである。

超電導コイル２０は、各層の超電導線の断面の外形寸法（形状）が所定の数値である特徴を有する。所定の数値は、理想的には同じであることが望ましいが、例えば外形寸法が±０．０５ｍｍ（より好ましくは±０．０２ｍｍ）の誤差の範囲に含まれるのであれば十分な効果が得られる。ここで、外形形状の同一性も所定の数値に含まれるものとする。例えば、超電導線の断面形状が矩形断面形である場合の、平行する辺同士の形状（直線形状や湾曲形状、角部のＲなど）がある。以下の説明において、説明の便宜上、外形寸法が同じには、上記誤差の範囲内で同じものをいうものとする。

超電導線２０の断面形状は、特に制限されないが、本実施形態においては、矩形断面形状である。超電導線２０の断面形状が矩形断面形状となっていることにより、超電導コイル１０を製造する際の巻きボビン１１への捲回を行い易いという利点がある。超電導コイル２０を密に巻けるため（隙間が生じないため）、超電導マグネット１内の熱抵抗を低減することができる。

<超電導コイル１０の並列接続の詳細構造>
図１に示すように、超電導コイル１０は、超電導線２０を巻き回しながら巻き軸方向に巻き進めて巻線の層を構成し、層の端部で巻き進める方向を折り返して外側の層を巻き回す、多層巻きの構造をとる。
本実施形態では、超電導コイル１０は、複数本の超電導線２０が並列接続され、当該並列接続される超電導線２０は巻き軸方向に並べて配置され、超電導コイル１０外径側で並列接続される超電導線２０の並列数は、内径側で並列接続される超電導線２０の並列数よりも少なくすることを特徴とする。

図１の例では、超電導コイル１０は、内径側の２層では巻き軸方向に並んだ３本の超電導線２０を並列接続した３並列超電導線２０−３を巻き軸方向に巻き進めて層が構成され、外径側の２層では巻き軸方向に並んだ２本の超電導線２０を並列接続した２並列超電導線２０−２を巻き軸方向に巻き進めて層が構成される。図１の太破線囲みに示すように、３本の超電導線２０を３本一組で並列接続した３並列超電導線２０−３は、層あたり４回巻きまわされて、内径側の２つの層を構成する。また、２本の超電導線２０を２本一組で並列接続した２並列超電導線２０−２は、層あたり６回巻きまわされて、外径側の２つの層を構成する。
各層の端部は、巻きボビン１１のフランジ１１ａの位置で揃えられる。

前記のように、３本の超電導線２０を３本一組で並列接続した３並列超電導線２０−３は、層あたり４回巻きまわされ、２本の超電導線２０を２本一組で並列接続した２並列超電導線２０−２は、層あたり６回巻き回される。したがって、各層の超電導線２０の巻き数（並列数×巻き回数）は１２回であり、超電導線２０の巻き数「１２回」は、内径側の超電導線並列数「３」と外径側超電導線並列数「２」の公倍数とされる。

<超電導コイル１０の層間の接続構造>
図２は、第１実施形態に係る超電導マグネット１の超電導コイル１０の、並列数が変わる層間の接続構造の例を示す図である。図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。なお、図３において、コイル巻き中心軸方向は、Ｏである。
図２および図３に示すように、３並列超電導線２０−３と２並列超電導線２０−２は、３並列超電導線２０−３の層の巻き終わりと２並列超電導線２０−２の巻き始めの巻きボビン１１のフランジ１１ａの位置（フランジ１１ａに接する位置）で接続部１２を用いて接続される。
接続部１２は、層の段落とし部１４の隙間を利用して、３並列超電導線２０−３の端部と２並列超電導線２０−２の端部とをラップ接続（後記）する。

接続部１２は、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）等を含んでなる焼結体である。接続部１２は、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）等が露出した端面を含む３並列超電導線２０−３と２並列超電導線２０−２の端面同士を、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）等を含む焼結体を介して接続（固着）する。

超電導コイル１０は、隣り合う並列数の異なる層の内径側の層の終端または外径側の層の開始端に段落とし部１４と、段落とし部１４において異なる並列数の並列超電導線の接続がされる接続部１２と、を有する。接続部１２を、層が巻きあがるスペースを利用して接続することができ、超電導コイル１０の外形寸法を小さくすることができる。

図４は、第１実施形態に係る超電導マグネット１の、３並列超電導線の段落としにおけるスペーサ配置の例を示す図である。
図３および図４に示すように、３並列超電導線２０−３の端部と接続部１２と２並列超電導線２０−２の巻き始めの内周面とにより画成された、空いた隙間には、スペーサ１３が設けられて巻線が支持されるとともに隙間が低減される。
超電導コイル１０は、樹脂含浸されてもよいが、この場合はスペーサ１３が隙間の樹脂量を制限することで樹脂割れ（クラック）に起因するクエンチを抑えられる。スペーサにはＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）が選択できる。スペーサ１３の材質として、熱伝導性がよいものが好ましい。

このように、含浸樹脂が溜まるクエンチ源をスペーサ１３で埋めて緩和することで、前記のようにスペーサ１３が隙間の樹脂量を制限することができ、樹脂割れに起因するクエンチを防止することができる。

<超電導コイル１０の層間の接続構造の接続部１２の別の構造例>
図５および図６は、第１実施形態に係る超電導マグネット１の超電導コイル１０の、並列数が変わる層間の接続構造の接続部１２の別の構造例を示す図である。
図５に示す接続部１２Ａは、巻きボビン１１のフランジ１１ａに設けた切欠き１１ｂから３並列超電導線２０−３と２並列超電導線２０−２を、コイル巻き中心軸に沿うように巻きボビン１１の外に引き出す構造である。接続部１２Ａは、３並列超電導線２０−３の端部と２並列超電導線２０−２の端部とを半径方向に並列に引き出してラップ接続し、ひとつに束ねられるような外観になる。接続部１２Ａは、周囲をポリイミドフィルムのような電気絶縁体で覆われる。

図６に示す接続部１２Ｂは、巻きボビン１１のフランジ１１ａに設けた切欠き１１ｂから３並列超電導線２０−３と２並列超電導線２０−２を、コイル巻き中心軸に沿うように巻きボビン１１の外に引き出す構造である。接続部１２Ｂは、３並列超電導線２０−３の端部と２並列超電導線２０−２の端部とを周方向に並列に引き出してラップ接続し、ひとつに束ねられるような外観になる。接続部１２Ｂは、周囲をポリイミドフィルムのような電気絶縁体で覆われる。

接続部１２Ａおよび接続部１２Ｂは、上述したように、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）等を含んでなる焼結体で超電導接続してもよいし、はんだ付けなどの接続方法でもよい。はんだ付けされる場合は、冷却のため、例えば接続部１２Ａ，１２Ｂの損失が０．０１Ｗ未満となるように規定され、通電電流が３００Ａの場合０．１μΩ以下となるように施工（規定）される。

超電導コイル１０は、隣り合う並列数の異なる超電導線２０で構成される層の内径側の層の終端または外径側の層の開始端で、巻きボビン１１の外にそれぞれの並列超電導線を引き出して接続がされる接続部１２Ａ，１２Ｂを有する。接続部１２Ａ，１２Ｂを、巻きボビン１１のフランジ１１ａから引き出した位置に設けることで、接続作業を容易にすることができる。

<超電導コイル１０の層間の接続構造の接続部１２が無い層の移り変わり>
図１に示す超電導コイル１０の内径側から１層目から２層目、３層目から４層目のように、超電導線２０の接続部が無い層の移り変わりについては、図２および図３で示した超電導コイル１０の層間の接続構造において接続部１２を取り去ったものと同じである。

以上説明したように、本実施形態に係る超電導マグネット１の超電導コイル１０は、超電導線２０を巻きボビン１１の周りに巻き回しながら巻き軸方向に巻き進めて巻線の層を構成し、層の端部で巻き進める方向を折り返して外側の層を巻き回す、多層巻きの構造をとる。

超電導コイル１０は、各層の超電導線２０の断面の外形寸法が同じで、かつ、層によって超電導線２０の素線電流密度が異なる。具体的には、超電導コイル１０は、外径側の層で並列接続される超電導線２０の並列数を、内径側の層で並列接続される超電導線２０の並列数よりも少なくする。

この構成により、超電導コイル１０は、各層の超電導線２０の断面の外形寸法が同じであるので、断面寸法が同じ線材用いて素線電流密度を変えるグレーディングを実現することができ、超電導コイルの全体的な電流密度を最大化することができる。

すなわち、一種類の超電導線２０で構成する超電導コイル１０であっても、外径側の２並列超電導線２０−２の電流密度が内径側の３並列超電導線２０−３の電流密度の１．５倍となる。これにより、超電導コイル１０の内径側を低電流密度に、外径側を高電流密度にすることができ、超電導マグネット１全体の電流を最大化する効果、換言すれば、超電導体の投入量を最小化することができる。また、各層の超電導線２０を密に巻けるため、超電導コイル１０内の熱抵抗を低減することができる。その結果、ヒステリシス損（交流損）が小さく、層毎の冷却効率が均一になることで冷却コストを最小限に抑えた伝導冷却型の超電導マグネット１を実現できる。

また、本実施形態では、図１に示すように、各層の超電導線の巻き数（並列数×巻き回数）を各層の超電導線並列数（２本、３本）の公倍数である１２巻きとすることで、各層の寸法ばらつきを抑えることができる。このため、層端部と巻きボビン１１のフランジ１１ａ間の熱抵抗のばらつきが低減され、冷却コストをより一層低減できる。

［変形例］
<超電導線並列数>
本実施形態では内径側の超電導線並列数を「３」、外径側を「２」としたが、外径側が内径側より小さければよく、並列数は限定されない。例えば内径側の超電導線並列数を「４」、外径側を「２」、内径側の超電導線並列数を「４」、外径側を「３」などとしてよい。
図７および図８は、変形例の超電導コイル１０の、並列数が変わる層間の接続構造の例を示す図である。図７および図８に示す超電導コイル１０は、図１７に示す超電導マグネット１に適用可能である。
図７は、内径側の超電導線並列数を「４」、外径側を「２」にした場合の例である。
図７に示すように、４並列超電導線２０−４と２並列超電導線２０−２は、４並列超電導線２０−４の層の巻き終わりと２並列超電導線２０−２の巻き始めの巻きボビン１１のフランジ１１ａ位置で接続部１２を用いて接続される。
接続部１２は、層の段落としの隙間を利用して、４並列超電導線２０−４の端部と２並列超電導線２０−２の端部とをラップ接続する。

図８は、内径側の超電導線並列数を「４」、外径側を「３」にした場合の例である。
図８に示すように、４並列超電導線２０−４と３並列超電導線２０−３は、４並列超電導線２０−４の層の巻き終わりと３並列超電導線２０−３の巻き始めの巻きボビン１１のフランジ１１ａ位置で接続部１２を用いて接続される。
接続部１２は、層の段落としの隙間を利用して、４並列超電導線２０−４の端部と３並列超電導線２０−３の端部とをラップ接続する。

また、図７および図８に示す変形例の超電導コイル１０において、図５および図６に示すように、巻きボビン１１のフランジ１１ａに設けた切欠き１１ｂから内径側の超電導線と外径側の超電導線とをそれぞれ構造としてもよい。

<超電導線並列数の種類>
以上は、並列数が２種類の例であるが、並列数は２種類でなくてもよく、例えば、内径側から順に４並列、３並列、２並列と、３種類以上を選択してもよい。
図９は、並列数が３種類の超電導コイル１０の断面図である。図１と同一構成部分には同一番号を付している。図９に示す超電導コイル１０は、後記図１７に示す超電導マグネット１に適用可能である。

図９の太破線囲みに示すように、最内径側で４本の超電導線２０を３本一組で並列接続した４並列超電導線２０−４は、層あたり３回巻き回され、３本の超電導線２０を３本一組で並列接続した３並列超電導線２０−３は、層あたり４回巻き回され、２本の超電導線２０を２本一組で並列接続した２並列超電導線２０−２は、層あたり６回巻き回される。各層の超電導線２０の巻き数（並列数×巻き回数）は１２回であり、超電導線２０の巻き数「１２回」は、最内径側の超電導線並列数「４」と内径側の超電導線並列数「３」と外径側超電導線並列数「２」の公倍数とされる。

図１０は、外径側（最外径側）を並列接続にしない超電導コイル１０の断面図である。図１と同一構成部分には同一番号を付している。図１０に示す超電導コイル１０は、図１７に示す超電導マグネット１に適用可能である。
図１０に示す超電導コイル１０は、３本の超電導線２０を並列接続した３並列超電導線２０−３と、２本の超電導線２０を並列接続した２並列超電導線２０−２と、外径側を並列接続にしない超電導線２０と、を備えて構成される。図１０に示す超電導コイル１０は、１本の超電導線２０が巻き回される層をさらに有する。すなわち、図１０に示す超電導コイル１０は、最外径側は並列接続にせず、一本の超電導線２０で構成される。この場合も、各層の巻き数（並列数×巻き回数）を並列数の公倍数とする。

このように、超電導コイル１０は、各層の超電導線２０の並列数と巻き回数とを乗じた巻き数が、各層の並列数の公倍数であることで、各層の寸法ばらつきを抑えることができる。このため、層端部と巻きボビン１１のフランジ１１ａ間の熱抵抗のばらつきが低減され、冷却コストをより一層低減できる。

<並列超電導線の層端部の転位>
図１１は、超電導マグネット１の超電導コイル１０の、３並列超電導線の転位位置の例を示す図である。図１２は、３並列超電導線の転位方法の例を示す図である。図１３は、４並列超電導線の転位方法の例を示す図である。なお、図１２および図１３の表記において、図中の矩形は並列超電導線を示し、その中の数値は並列超電導線の列数を示す。

並列超電導線間のインダクタンス差による結合損が大きい場合は、図１１に示すように並列超電導線（ここでは３並列超電導線２０−３）に層端部で転位２５を施すことで、結合損を低減できる。

３並列超電導線２０−３の転位２５の方法は、図１２の破線矢印に示すように、ある層の巻き始めにおいて、３並列超電導線２０−３の１列目を２列目に転位するとともに、２列目を１列目に転位し、３列目はそのままとする。そして、次の層（内径側からみて外側の隣の層）の巻き終わりにおいて、３並列超電導線２０−３の１列目はそのままとし、２列目を３列目に転位するとともに、３列目を２列目に転位する。例えば、図１２の破線矢印ａに示すように、巻き始めにおいて、最内径の層の１列目「１」は、段落としで１つ下げられて（転位して）隣の内径の層の２列目となり、そのまま下方に巻き回しされ（図１２の↓矢印参照）、図１２の破線矢印ｂに示すように、巻き終わりにおいて、段落としでさらに１つ下げられて（転位して）隣の層の最終列目（図１の例では１２列目）となる。そして、上方に巻き回しされ（図１２の↑矢印参照）、図１２の破線矢印ｃに示すように、巻き始めにおいて、転位することなく隣の層の３列目となる。以下同様に、巻き始めと巻き終わりにおいて、２回の転位と、転位しないこととを繰り返す。他の並列超電導線の列についても同様である。

４並列超電導線２０−４の転位２５の方法は、図１３の破線矢印に示すように、並列超電導線のコイル巻き中心軸方向の両端部において複数の（ここでは３つの）パターン１〜３を繰り返し用いる。
パターン１：
ある層の巻き始めにおいて、４並列超電導線２０−４の１列目を２列目に転位するとともに、２列目を１列目に転位し、３列目および４列目はそのままとする。そして、次の層（内径側からみて外側の隣の層）の巻き終わりにおいて、４並列超電導線２０−４の１列目と４列目はそのままとし、２列目を３列目に転位するとともに、３列目を２列目に転位する。

パターン２：
次の層の巻き始めにおいて、４並列超電導線２０−４の１列目および２列目はそのままとし、３列目を４列目に転位するとともに、４列目を３列目に転位する。さらに次の層の巻き終わりにおいて、４並列超電導線２０−４の１列目を２列目に転位するとともに、２列目を１列目に転位し、３列目と４列目はそのままとする。
パターン３：
次の層の巻き始めにおいて、４並列超電導線２０−４の１列目および４列目はそのままとし、２列目を３列目に転位するとともに、３列目を２列目に転位する。さらに次の層の巻き終わりにおいて、４並列超電導線２０−４の１列目と２列目はそのままとし、３列目を４列目に転位するとともに、４列目を３列目に転位する。
パターン３のあとは、パターン１に戻って４並列超電導線２０−４の転位２５を繰り返す。
なお、本発明は、図１２および図１３に示す転位の方法には限定されない。

<超電導線の断面形状>
以上は、矩形断面の超電導線２０による構成を示したが、矩形断面以外の断面形状の超電導線でもよい。
図１４は、変形例の超電導コイル１０Ａの断面図である。図１と同一構成部分には同一番号を付している。図１４に示す超電導コイル１０Ａは、後記図１７に示す超電導マグネット１に適用可能である。
図１４に示すように、超電導コイル１０Ａは、巻きボビン１１に円形断面の超電導線２０Ａが並列接続され、当該並列接続される超電導線２０Ａは巻き軸方向に並べて配置され、超電導コイル１０外径側で並列接続される超電導線２０Ａの並列数は、内径側で並列接続される超電導線２０Ａの並列数よりも少なくすることを特徴とする。

図１４の例では、超電導コイル１０Ａは、内径側の２層では巻き軸方向に並んだ３本の超電導線２０Ａを並列接続した３並列超電導線２０Ａ−３を巻き軸方向に巻き進めて層が構成され、外径側の２層では巻き軸方向に並んだ２本の超電導線２０Ａを並列接続した２並列超電導線２０Ａ−２を巻き軸方向に巻き進めて層が構成される。図１の太破線囲みに示すように、３本の超電導線２０Ａを３本一組で並列接続した３並列超電導線２０Ａ−３は、層あたり４回巻きまわされて、内径側の２つの層を構成する。また、２本の超電導線２０Ａを２本一組で並列接続した２並列超電導線２０Ａ−２は、層あたり６回巻きまわされて、外径側の２つの層を構成する。
各層の端部は、巻きボビン１１のフランジ１１ａの位置で揃えられる。

<他の変形例>
本実施形態（図１７〜図６）と各変形例（図７〜図１４）を組み合わせて構成してもよい。例えば、図１７に示す超電導マグネット１本体に部分的に異なる種類の線材を用いたり、層の巻き数（並列数×巻き回数）が、各層の並列数の公倍数でない個所を含む場合も可能である。

（第２実施形態）
図１５は、本発明の第２実施形態に係る超電導マグネットの超電導コイル１０Ｂの断面図である。図１と同一構成部分には同一番号を付している。図１５に示す超電導コイル１０Ｂは、図１７に示す超電導マグネット１に適用可能である。
図１５に示すように、超電導コイル１０Ｂは、巻きボビン１１に矩形断面の超電導線３０を内周側から俵積み状に巻き回しながら巻き軸方向に巻き進めて巻線の層を構成し、層の端部で巻き進める方向を折り返して外側の層を巻き回す、多層巻きの構造をとる。巻き巻きボビン１１に巻きまわされた超電導線３０は、エポキシを代表とする樹脂（図示省略）を注入して固定され、コイル形成される。
各層の端部は、巻きボビン１１のフランジ１１ａの位置で揃えられる。

超電導線３０は、素線数が１００本の超電導線材３１_１００とこの超電導線材３１_１００を被覆する絶縁被膜３２とからなる超電導線３０ａと、素線数が５０本の超電導線材３１_５０とこの超電導線材３１_５０を被覆する絶縁被膜３２とからなる超電導線３０ｂと、を有する。超電導線材３１_１００と超電導線材３１_５０の断面は、概略同寸である。すなわち、素線１本当たりの断面積は同じであるが、素線の本数が異なる。超電導線材３１_１００および超電導線材３１_５０は、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）やニオブ３スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）等の金属超電導体が選択できる。

本実施形態では、超電導コイル１０Ｂは、外径側の超電導線３０の素線数を内径側の超電導線３０の素線数よりも少なくすることを特徴とする。

超電導コイル３０は、第１実施形態の超電導コイル２０（図１参照）と同様に、各層の超電導線の断面の外形寸法（形状）が同じ特徴を有する。超電導コイル２０と同様に、超電導コイル３０を密に巻けるため（隙間が生じないため）、超電導マグネット１内の熱抵抗を低減することができる。

図１５の例では、超電導コイル１０Ｂは、巻きボビン１１に超電導線３０を巻き回して構成され、内径側の２層では素線数が１００本の超電導線３０ａを巻き軸方向に巻き進めて層が構成され、外径側の２層では素線数が５０本の超電導線３０ｂを巻き軸方向に巻き進めて層が構成される。
素線数が１００本の超電導線３０ａと素線数が５０本の超電導線３０ａは、第１実施形態の超電導コイル１０と同様に、巻きボビン１１のフランジ１１ａの位置で接続される。
また、第１実施形態の図５および図６と同様に巻きボビン１１のフランジ１１ａの切欠き１１ｂから超電導線３０ａおよび超電導線３０ａの端部を引き出して接続部１２Ａに接続してもよい。

図１６は、超電導マグネットの、素線数が変わる層間の接続構造の例を示す図である。図１６に示すように、素線数が１００本の超電導線３０ａと素線数が５０本の超電導線３０ａは、第１実施形態と同様に、巻きボビン１１のフランジ１１ａの位置で接続される。
なお、第１実施形態の図５および図６と同様に、巻きボビンのフランジ１１ａの切欠き１１ｂから引き出して接続してもよい。

以下、上述のように構成された超電導マグネット１の動作について説明する。
高磁場下ほど流せる電流密度が小さくなるという超電導線の特徴から、超電導マグネット１の内径側ほど高磁場となるため低電流密度とし、外径側は逆に低磁場となるため高電流密度とする。本実施形態では、超電導コイル１０Ｂは、外径側の超電導線３０の素線数を内径側の超電導線３０の素線数よりも少なくすることで、外径側の素線数が５０本の超電導線３０ｂの電流密度が内径側の素線数が１００本の超電導線３０ａの２倍となる。これにより、超電導マグネット１全体の電流を最大化、換言すれば、超電導体の量を最小化することができ、超電導体の投入量が低減できる。

また、超電導コイル１０Ｂの各層が同一形状の超電導線３０で構成されるため、巻き回し作業が容易であることに加えて、各層において超電導線３０を密に巻き回すことができ、超電導マグネット１内の熱抵抗を低減することができる。また、各層の超電導線３０断面が概略同寸であることから、各層を同じ巻き数だけ巻いて層の寸法ばらつきを抑えることができる。このため、層端部と巻きボビン１１のフランジ間の熱抵抗のばらつきが低減され、伝導冷却を適用する場合の冷却コストを低減できる。

また、本実施形態は、線材３１_１００および線材３１_５０を、一つの超電導線３０に集約したものである。第１実施形態のように、超電導線２０を並列接続しない構成であるので、巻き作業が容易になる。

さらに、本実施形態は、内径側、外径側の電流密度の比率をより細かく設計できることから、超電導線の投入量をより削減できる。

なお、本実施形態では内径側の素線数を１００、外径側の素線数を５０としたが、外径側の素線数が内径側の素線数より小さければよい。

本発明は、以上に説明した各実施形態および変形例に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を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、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を加えることも可能である。例えば、下記（１），（２）の応用例も可能である。

（１）
図１７は、本発明の応用例に係る超電導マグネットの構造を模式的に示す断面図である。本応用例は、永久電流運転する伝導冷却型の永久電超電導マグネットに適用した例である。
図１７に示すように、超電導マグネット１Ａは、超電導コイル１０（１０Ａ，１０Ｂ）と、電源駆動モードと永久電流モードを切り替える永久電流スイッチ２と、端部間接続部３と、直流電源と超電導コイル１０とを連結する電流リード４と、超電導コイル１０、永久電流スイッチ２および冷凍機７を熱的に接続する支持板５（伝熱経路）と、冷却容器６と、超電導コイル１０および永久電流スイッチ２を冷却する冷凍機７と、を備える。
ただし、永久電流運転には、線材同士の超電導接続が必須である。このため、線材同士の接続は、電気抵抗が生じるハンダに代えて超電導接続構造を採る必要がある。

（２）
上記各実施形態に係る超電導マグネットは、例えば冷凍機により冷却する伝導冷却型の超電導マグネットとして説明したが、超電導コイルおよび永久電流スイッチを液体ヘリウム等の冷媒により冷却する浸漬冷却型の超電導マグネットに適用することも可能である。

１，１Ａ 超電導マグネット
２ 永久電流スイッチ
３ 端部間接続部
４ 電流リード
５ 支持板（伝熱経路）
６ 冷却容器
７ 冷凍機
１０，１０Ａ，１０Ｂ 超電導コイル
１１ 巻きボビン
１２，１２Ａ，１２Ｂ 接続部
１３ スペーサ
１４ 段落とし部
２０，２０Ａ，３０，３０ａ，３０ｂ 超電導線
２０−２，２０Ａ−２ ２並列超電導線
２０−３，２０Ａ−３ ３並列超電導線
２０−４ ４並列超電導線
２１，３１_１００，３１_５０ 超電導線材
２２，３２ 絶縁被膜
２５ 転位

Claims (15)

1. 超電導線を巻きボビンの周りに巻き回しながら巻き軸方向に巻き進めて巻線の層を構成し、層の端部で巻き進める方向を折り返して外側の層を巻き回す、多層巻きの構造をとる超電導コイルを備え、
   前記超電導コイルは、
   各層の超電導線の断面の外形寸法が所定の数値で、かつ、層によって前記超電導線の素線電流密度が異なる
   ことを特徴とする超電導マグネット。
2. 前記超電導コイルは、外径側の層で並列接続される前記超電導線の並列数を、内径側の層で並列接続される前記超電導線の並列数よりも少なくする
   ことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット。
3. 前記超電導コイルは、複数本の前記超電導線が巻き軸方向に並べられた並列超電導線として巻き回される層と、
   前記並列超電導線とは並列数が異なって巻き軸方向に並べられた前記超電導線が並列超電導線として巻き回される層と、を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導マグネット。
4. 前記超電導コイルは、１本の前記超電導線が巻き回される層をさらに有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の超電導マグネット。
5. 前記超電導コイルは、各層の前記超電導線の並列数と巻き回数とを乗じた巻き数が、各層の並列数の公倍数である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
6. 前記超電導コイルは、隣り合う並列数の異なる層の内径側の層の終端または外径側の層の開始端に段落とし部と、前記段落とし部において異なる並列数の並列超電導線の接続がされる接続部と、を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
7. 前記超電導コイルは、隣り合う並列数の異なる前記超電導線で構成される層の内径側の層の終端または外径側の層の開始端で、前記巻きボビンの外にそれぞれの並列超電導線を引き出して接続がされる接続部を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
8. 前記超電導コイルは、前記並列超電導線が転位される
   ことを特徴とする請求項６に記載の超電導マグネット。
9. 前記並列超電導線が転位される位置が層の折り返し端の前記段落とし部である
   ことを特徴とする請求項８に記載の超電導マグネット。
10. 前記超電導線は、１または複数本の前記超電導線材を素線として有し、
    前記超電導コイルは、前記超電導線の前記素線の数が異なる層を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット。
11. 前記超電導コイルは、１本の前記超電導線を巻き回し、外径側の前記素線の数を内径側より少なくする
    ことを特徴とする請求項１０に記載の超電導マグネット。
12. 前記超電導コイルは、外径側の前記超電導線の前記素線の数を内径側の前記超電導線の前記素線の数よりも少なくする
    ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の超電導マグネット。
13. 前記超電導コイルは、隣り合う前記素線数の異なる層の内径側の層の終端または外径側の層の開始端に段落とし部と、前記段落とし部において異なる前記素線数の前記超電導線の接続がされる接続部と、を有する
    ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
14. 前記超電導コイルは、隣り合う前記素線数の異なる前記超電導線の層の内径側の層の終端または外径側の層の開始端で、前記巻きボビンの外にそれぞれの前記超電導線を引き出して接続がされる接続部を有する
    ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
15. 請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の超電導コイルは、伝導冷却により超電導体が冷却される
    ことを特徴とする超電導マグネット。

Images