JP2021061268A - 超電導コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルの耐フープ応力を向上させつつ、補強線材による超電導線材の臨界電流特性の劣化を防止して、強磁場を安定して発生できる超電導コイルを提供する。【解決手段】巻枠に少なくとも高温超電導線材１２と補強線材１４とが巻き回されてなる高温超電導コイル１１を備えた高温超電導コイル装置の高温超電導コイル１１において、補強線材が複数枚の補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃからなり、それぞれが高温超電導線材よりもヤング率が高い高強度金属材料にて構成され、補強線材の合計の厚さは高温超電導線材の厚さ以上に設定され、補強線材の１枚の厚さは、この補強線材の１枚のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性が、高温超電導線材のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性以下になる厚さに設定される。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、巻枠に少なくとも超電導線材と補強線材とが巻き回されてなる超電導コイルを備えた超電導コイル装置に関する。

超電導線材は、常電導線材と比較して極めて高い電流密度で通電が可能であり、超電導コイルに用いられた際に高磁場を発生させることができる。このような超電導線材としては、例えばＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎといった金属系の低温超電導線材や、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０+x線材やＲＥ₁Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７（ＲＥＢＣＯ）線材といった酸化物の高温超電導線材がある。

高温超電導線材は低温超電導線材に比べ、２０Ｋ〜７７Ｋという高い温度でも運転可能であり、また、低温超電導線材よりも高い臨界電流密度特性を有する。そのため、高温超電導線材を巻き回した高温超電導コイルは、従来の低温超電導コイルよりも少ないターン数または巻線体積で、１０Ｔを超える強磁場を発生させる磁石設計が可能となる。

ただし、超電導コイルは、自身が発生する磁場あるいは外部磁場によって、巻線部内の超電導線材に電磁力が生ずる。特に、コイル径方向に膨らむ方向(外向き方向)の電磁力は、高温超電導線材にとっては線材長手方向の引張り応力、所謂フープ応力となる。そこで、このような強磁場によるフープ応力に耐えるため、ＲＥＢＣＯ線材の場合には、ハステロイやＮｉＷを含むＮｉ基合金のような高強度金属のテープ基板の上に、酸化物超電導層が形成されている。

しかしながら、１０Ｔを超える強磁場を発生する超電導コイルにおいては、高温超電導線材の許容歪みを超えるフープ応力が発生する。そこで、高温超電導線材に補強線材としての高強度金属テープを追加し、フープ応力を補強線材にも分担させることで、高温超電導線材に生ずる歪みを許容歪以下に抑える技術が提案されている。

特開２０１１−４０１７６号公報 特開２０１２−１９５４１３号公報

しかしながら、補強線材としての高強度金属テープが追加された高温超電導線材は、耐フープ応力が向上する一方、補強線材（高強度金属テープ）が高温超電導線材よりも厚くなる場合には、補強線材のヤング率とその断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性（曲げこわさ）が高くなってしまう。このため、巻線時に高温超電導線材が滑らかに曲げられず、この高温超電導線材を円形状の巻枠に均一な曲率で巻き取ることが困難になる。このとき、高温超電導線材が許容曲げ半径を下回る小さな曲率半径で局所的に曲げられてしまうと、歪みに脆弱な超電導層の臨界電流特性が劣化して、超電導コイルは、設計した磁場を安定して発生させることができなくなるという課題があった。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、超電導コイルの耐フープ応力を向上させつつ、補強線材による超電導線材の臨界電流特性の劣化を防止して超電導コイルに強磁場を安定して発生させることができる超電導コイル装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態における超電導コイル装置は、巻枠に少なくとも超電導線材と補強線材とが巻き回されてなる超電導コイルを備えた超電導コイル装置において、前記補強線材は複数枚からなり、それぞれが前記超電導線材よりもヤング率が高い高強度金属材料にて構成され、前記補強線材の合計の厚さは前記超電導線材の厚さ以上に設定され、前記補強線材の１枚の厚さは、この補強線材の１枚のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性が、前記超電導線材のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性以下になる厚さに設定されて構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、超電導コイルの耐フープ応力を向上させつつ、補強線材による超電導線材の臨界電流特性の劣化を防止して超電導コイルに強磁場を安定して発生させることができる。

第１実施形態に係る高温超電導コイル装置における高温超電導コイル（パンケーキコイル）の一部を示し、（Ａ）がその斜視図、（Ｂ）が図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿う巻線部の断面図。 図１の高温超電導コイルを構成する高温超電導線材の一例を示す斜視図。 図１（Ｂ）のＩＩＩ部の拡大断面図。 図１の高温超電導コイルにおける巻取り開始直後の高温超電導線材等を、コイル上方から目視して示す部分平面図。 第２実施形態に係る高温超電導コイル装置における高温超電導コイルの巻取り開始直後の高温超電導線材等を、コイル上方から目視して示す部分平面図。 第３実施形態に係る高温超電導コイル装置における高温超電導コイルの巻線部の部分断面図。 第４実施形態に係る高温超電導コイル装置におけるバンドル型の高温超電導線材を示す断面図。 図７のバンドル型高温超電導線材を用いた高温超電導コイルの巻線部の部分断面図。 従来の高温超電導コイルにおける巻取り開始直後の高温超電導線材等を、コイル上方から目視して示す部分平面図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図４）
図１は、第１実施形態に係る高温超電導コイル装置における高温超電導コイル（パンケーキコイル）の一部を示し、（Ａ）がその斜視図、（Ｂ）が図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿う巻線部の断面図である。また、図２は、図１の高温超電導コイルを構成する高温超電導線材の一例を示す斜視図である。図１に示す超電導コイル装置としての高温超電導コイル装置１０を構成する超電導コイルとしての高温超電導コイル１１は、超電導線材としての図２に示す高温超電導線材（高温超電導テープ線）１２が、図３に示す絶縁線材（絶縁テープ線）１３及び補強線材１４と共に巻枠１５に巻き回されて、いわゆるパンケーキ形状の巻線部１６を形成するものである。

この高温超電導コイル１１おける軸方向Ｏの両側面には、必要に応じて絶縁層１７が設けられている。また、上述の高温超電導コイル１１は、巻線部１６がパンケーキ形状であることから、いわゆるパンケーキコイルと称される。ここで、巻枠１５は、ガラス繊維強化プラスチックや補強型ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの絶縁材から構成されている。

高温超電導線材１２は、図２に示すように、少なくともテープ基板２と中間層３と超電導層４とを有し、それらの両面が安定化層５で被覆されて構成される。また、必要に応じて、テープ基板２と中間層３との間に配向層６が、超電導層４と安定化層５との間に保護層７がそれぞれ設けられてもよい。

テープ基板２は、例えば、ハステロイやＮｉＷを含むＮｉ基合金などの高強度金属等の材質で形成される。また、中間層２は拡散防止層であり、例えば、酸化セリウム、ＹＳＺ、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、バリウムジルコニアなどの材質からなり、テープ基板２上に形成される。

超電導層４は、例えば、ＲＥ１２３系の組成（ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７等）やＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０+x線材などのビスマス系の組成を有する酸化物超電導体の薄膜からなる。なお、「ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７」の「ＲＥ」は、希土類元素（例えば、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）等）及びイットリウム元素の少なくとも一方を、「Ｂ」はバリウム（Ｂａ）を、「Ｃ」は銅（Ｃｕ）を、「Ｏ」は酸素（Ｏ）を意味している。また、安定化層５は、超電導層４に過剰に電気が流れた場合に超電導層４が燃焼するのを防止する目的で設けられ、導電性の銀等から形成される。

配向層６は、テープ基板２上に中間層３を配向させて形成する目的で設けられ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等から形成される。なお、配向したテープ基板２を用いる場合には配向層６を省略することができる。また、保護層７は、超電導層４が空気中の水分に触れて劣化するのを防止する等の目的で設けられ、銀等から形成される。なお、保護層７も超電導層４に過剰に電気が流れた場合に超電導層４が燃焼することを防止する機能を果たしている。

このような多層構造の高温超電導線材(高温超電導テープ線)１２のテープ幅ｗは例えば４〜１２ｍｍ、厚さｔは０．１〜０．２ｍｍとされる。また、高温超電導線材(高温超電導テープ線)１２は、長手方向の機械強度に優れる一方、テープ面垂直方向の引張応力（剥離応力）には脆弱であるという特徴を持つ。また、高温超電導線材１２の周囲をポリイミドやポリイミドアミドのような絶縁材で被覆した絶縁被覆の高温超電導線材としてもよい。

補強線材１４は、図３及び図４に示すように、複数枚（例えば３枚）からなり、それぞれの補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが高温超電導線材１２よりもヤング率が高い高強度金属にて構成される。例えば、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの材質は、ステンレスやハステロイ、ＮｉＷを含むニッケル基合金、銅合金、銀合金などの高強度金属である。

また、複数枚の補強線材１４(補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ)のそれぞれは、ハンダなどの接合層を介して一体化されておらず、巻線時には互いに接触しているのみで互いに摺動可能である。同様に、補強線材１４と高温超電導線材１２とは、ハンダなどの接合層を介して一体化されておらず、巻線時には互いに接触しているのみで互いに摺動可能である。但し、高温超電導コイル１１が樹脂含浸コイルの場合には、高温超電導線材１２と絶縁線材１３と補強線材１４(補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ)は、巻線後に線材ターン間に薄い樹脂層が形成されることで一体化される。

ところで、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの合計の厚さは、高温超電導線材１２の１枚の厚さ以上に設定される。つまり、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃのそれぞれの厚さをｔ１としたとき、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの合計の厚さ３×ｔ１は、高温超電導コイル１１に生ずるフープ応力によって高温超電導線材１２に生ずる歪みが、その高温超電導線材１２の許容歪み以下になるように設定された厚さになっている。具体的には、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの合計の厚さ３×ｔ１は、高温超電導線材１２の厚さｔと同じか、それよりも厚く設定される。

例えば、高温超電導コイル１１に発生するフープ応力が８００ＭＰaである場合、仮に高温超電導線材１２のヤング率を１５０ＧＰa、許容歪みを０．４％とすると、補強線材１４が無い場合には、高温超電導線材１２に発生する歪みが０．５３％となり、許容歪みを超えるため、高温超電導線材１２における超電導層４の臨界電流特性が劣化してしまう。

一方、補強線材１４(補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ)が設けられた場合には、この補強線材１４のヤング率を仮に２００ＧＰaとし、各補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの厚さｔ１を、仮に高温超電導線材１２の厚さｔの２分の１の０．５ｔとする。すると、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの合計の厚さ３×ｔ１は高温超電導線材１２の厚さｔの１．５倍になる。

また、高温超電導線材１２と補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃとを合わせた線材全体の見掛け上のヤング率は、それぞれの線材のヤング率に面積比を乗じた積の和になるので、１５０×１／（１＋０．５×３）＋２００×（０．５×３）／（１＋０．５×３）＝１８０ＧＰaとなる。このとき、高温超電導線材１２に生じる歪みは０．３３％まで低下して、許容歪み０．４％以下に抑えられる。

更に、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各１枚の厚さは、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの１枚のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性が、高温超電導線材１２のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性以下になる（即ち高温超電導線材１２の曲げ剛性と同じかまたは小さくなる）厚さに設定される。

一般に、各線材の曲げ難さの指標となる曲げ剛性は、ヤング率Ｅと断面２次モーメントＩとの積ＥＩで表せられ、このうちの断面２次モーメントＩは、例えば矩形断面の場合には、線材の幅Ｗ、厚さＴとするとＩ＝ＷＴ^３／１２となる。このことから、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各１枚の曲げ剛性は、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの幅が高温超電導線材１２の幅ｗと同一であるとして、
２００×ｗ（０．５ｔ）^３／１２ ≒２．１ｗｔ^３
となる。一方、高温超電導線材１２の曲げ剛性は、
１５０×ｗ（ｔ）^３／１２ ≒１２．５ｗｔ^３
となる。従って、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各１枚の曲げ剛性が、高温超電導線材１２の曲げ剛性よりも小さく、つまり、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは高温超電導線材１２よりも曲げ易くなっている。

ここで、図９に示す従来の補強線材１００は１枚で構成されていた。このため、補強線材１００の１枚の曲げ剛性は、補強線材１００のヤング率が２００ＧＰa、その幅が第１実施形態の補強線材１４の幅ｗと同一、その厚さｔ２が第１実施形態の補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各１枚の厚さｔ１(＝０．５ｔ)の３倍(ｔ２＝ｔ１×３)であるとすると、
２００×ｗ（０．５ｔ×３）^３／１２ ≒５６．３ｗｔ^３
となり、高温超電導線材１２の曲げ剛性１２．５ｗｔ^３の約４．５倍にまで高くなってしまう。従って、巻線時に補強線材１００が滑らかに曲げられず、補強線材１００及び高温超電導線材１２を均一な曲率で円形状の巻枠に巻き回すことが困難になる。従って、高温超電導線材１２が許容曲げ半径を下回る小さな曲率半径で局所的に曲げられて、歪みに脆弱な超電導層４の臨界電流特性を劣化させてしまう。

これに対し、本第１実施形態では、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは、各１枚の曲げ剛性が高温超電導線材１２の曲げ剛性よりも小さく、高温超電導線材１２よりも曲げ易く構成されている。そのため、高温超電導線材１２及び補強線材１４(補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ)を均一な曲率で巻枠１５に巻き回すことができるので、高温超電導線材１２が、許容曲げ半径を下回る小さな曲率半径で局所的に曲げられることがなく、超電導層４の臨界電流特性が劣化することがない。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
（１）複数枚の補強線材１４（補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ）の合計の厚さが高温超電導線材１２の厚さ以上に設定されたので、これらの補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの追加によって高温超電導コイル１１の耐フープ応力を向上させることができる。従って、高温超電導コイル１１の高温超電導線材１２に生ずる歪みをその高温超電導線材１２の許容歪み以下にできるので、高温超電導線材１２における歪みに脆弱な超電導層４の臨界電流特性の劣化を防止でき、高温超電導コイル１２に強磁場を安定して発生させることができる。

（２）補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各１枚の厚さは、この補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各１枚のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性が、高温超電導線材１２のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性以下になる厚さに設定されている。このため、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各１枚が高温超電導線材１２よりも曲げ易くなるので、補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ及び高温超電導線材１２を巻枠１５に均一な曲率で巻き回すことができる。この結果、高温超電導線材１２が許容曲げ半径を下回る小さな曲率半径で局所的に曲げられることがないので、この場合も、高温超電導線材１０における歪みに脆弱な超電導層４の臨界電流特性の劣化を防止でき、高温超電導コイル１１に強磁場を安定して発生させることができる。更に、高温超電導線材１２の劣化部が熱暴走して高温超電導コイル１１が焼損してしまう事態を未然に防止できる。

なお、本第１実施形態では、補強線材１４（補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ）は３枚であり、各１枚の厚さが全てｔ１の場合を述べたが、補強線材１４は、枚数を、前述の効果（１）を実現可能な範囲内で適宜変更してもよく、また、互いに異なる厚さに設定してもよい。また、高温超電導コイル１１は円形に限らず、Ｄ形状や楕円形状、レーストラック形状、３次元形状などの非円形のコイル形状であってもよい。

更に、本第１実施形態の高温超電導コイル１１は、高温超電導線材１２．絶縁線材１３及び補強線材１４を同心円状に巻き回して、いわゆるパンケーキ形状に形成されたパンケーキコイルの場合を述べたが、本第１実施形態のパンケーキコイルを軸方向に複数積層した所謂ダブルパンケーキ方式の超電導コイルに適用してもよい。このダブルパンケーキ方式の超電導コイルは、具体的には、高温超電導線材１２、絶縁線材１３及び複数枚の補強線材１４の長手方向中央位置（最内周位置）を巻枠１５に螺旋状に巻き掛け、上述の各線材の両端側部分をコイル状に巻き回して、積層した２個のパンケーキコイルとしたものである。

［Ｂ］第２実施形態（図５）
図５は、第２実施形態に係る高温超電導コイル装置における高温超電導コイルの巻取り開始直後の高温超電導線材等を、コイル上方から目視して示す部分平面図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態の超電導コイル装置としての高温超電導コイル装置２０における超電導コイルとしての高温超電導コイル２１が第１実施形態と異なる点は、巻枠１５に高温超電導線材１２及び絶縁線材１３と共に巻き回される複数枚の補強線材２２（補強線材２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ）が互いに異なる材質にて構成され、更に、高温超電導線材１２にヤング率が近い順に、この高温超電導線材１２に隣接して配置された点である。従って、高温超電導コイル２１は、高温超電導線材１２、補強線材２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃのヤング率が高温超電導コイル２１の径方向に段階的に変化する構造に構成される。

更に、隣接する補強線材２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ同士は互いに接触し、このうちの高温超電導線材１２に隣接する補強線材（図５中の補強線材２２Ｃ）は、高温超電導線材１２にヤング率が最も近いため、この高温超電導線材１２に、例えばハンダ等の接合層を介して接合させ、高温超電導線材１２と一体化させてもよい。但しこの場合、補強線材２２Ｃに接合された高温超電導線材１２は、高温超電導コイル２１に発生するフープ応力により高温超電導線材１２に生ずる歪みが、許容歪み以下である必要がある。

以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）及び（４）を奏する。

（３）高温超電導コイル２１では、高温超電導線材１２、補強線材２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃは、それらのヤング率が高温超電導コイル２１の径方向に段階的に変化する分布に構成される。このため、高温超電導コイル２１にフープ応力が発生したときに、高温超電導線材１２と補強線材２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとの間で歪み量が急激に変化せず、それらの歪み量分布を平滑化させることができる。この結果、フープ応力の発生時に高温超電導線材１２に生ずる歪み量を抑制できるので、この高温超電導線材１２における超電導層４の臨界電流特性の劣化を確実に防止でき、高温超電導コイル２１に強磁場を、第１実施形態の場合よりも安定して発生させることができる。

（４）高温超電導コイル１２にヤング率が最も近い補強線材２２（例えば補強線材１２Ｃ）が高温超電導線材１２に接合されるので、この補強線材２２Ｃが良導電性を有する場合には、この補強線材２２Ｃを電気的な迂回路として機能させることができる。つまり、高温超電導線材１２が部分的に常電導化した際に、この高温超電導線材１２から補強線材２２Ｃへ電流を積極的に流して迂回させることができる。この補強線材２２Ｃの材料としては、通常運転時においての超電導線材１２の抵抗より大きく、且つ超電導線材１２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。この材料は例えば、銅、ステンレス、アルミもしくはインジウムなどの常電導金属、半導体、導電性プラスチック、セラミックス材、導電性樹脂または超電導材料などである。また、グラファイト、炭素繊維または炭素繊維複合材などのカーボン材料なども補強線材２２Ｃの材料として好適に用いることができる。

［Ｃ］第３実施形態（図６）
図６は、第３実施形態に係る高温超電導コイル装置における高温超電導コイルの巻線部の部分断面図である。この第３実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第３実施形態の超電導コイル装置としての高温超電導コイル装置３０における超電導コイルとしての高温超電導コイル３１が第１実施形態と異なる点は、複数枚の補強線材１４が高温超電導コイル３１の巻線部３２のターン位置によって枚数を異ならせて構成された点である。

一般に、超電導コイルが発生する磁場は、外挿コイルがないような場合には、超電導コイルの内周側の方が外周側に比べて高く、このため、電磁力により発生するフープ応力も、超電導コイルの内周側で強くなる。従って、本第３実施形態の高温超電導コイル３１では、例えば、複数枚の補強線材１４は、内周側に設けられている枚数が外周側に設けられている枚数よりも多くなるよう構成され、これにより、フープ応力が強い高温超電導コイル３１の内周側で、補強線材１４（補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ）により補強効果を向上させている。

以上のように構成されたことから、本第３実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。

（５）複数枚の補強線材１４（補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ）は、高温超電導コイル３１の内周側に設けられる枚数が、高温超電導コイル３１の外周側に設けられる枚数よりも多くなるように構成されている。このため、高温超電導コイル３１に発生するフープ応力の強い高温超電導コイル３１の内周側で補強線材１４による補強効果を高めることができるので、高温超電導コイル３１の高温超電導線材１２に生ずる歪みを第１及び第２実施形態の場合よりも抑制できる。この結果、高温超電導線材１２の超電導層４における臨界電流特性の劣化を確実に防止でき、高温超電導コイル３１による強磁場を、第１及び第２実施形態の場合よりも安定して発生させることができる。

なお、本第３実施形態では、高温超電導コイル３１の巻線部３２の全ターンに亘って補強線材１４を高温超電導線材１２と共巻きする例を示したが、高温超電導コイル３１に発生するフープ応力の分布に応じて、高温超電導線材１２に生ずる歪みが許容歪み以下になる高温超電導コイル３１の巻線部３２のターン位置については、補強線材１４を高温超電導線材１２に共巻きしなくてもよい。

［Ｄ］第４実施形態（図７、図８）
図７は、第４実施形態に係る高温超電導コイル装置におけるバンドル型の高温超電導線材を示す断面図である。この第４実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第４実施形態における超電導コイル装置としての高温超電導コイル装置４０における超電導コイルとしての高温超電導コイル４１が第１実施形態と異なる点は、超電導線材としての高温超電導線材４２が、複数枚（例えば２枚）の高温超電導線材１２を隣接し重ね合わせてなる所謂バンドル線材であり、更に、この高温超電導線材４２を構成する例えば２枚の高温超電導線材１２が、それらの超電導層４に近い側の面を対向させて重ね合わせて構成された点である。

高温超電導線材４２を構成する例えば２枚の高温超電導線材１２は、それらの超電導層４が同一組成であっても、また異なった組成であってもよい。例えば、高温超電導線材１２の一方１２Ｍの超電導層４がＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７等のＲＥ１２３系組成の高温超電導材料であるに対し、高温超電導線材１２の他方１２Ｎの超電導層４が（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｃａ₂Ｓｒ₁Ｃｕ₂Ｏ_10+x、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｃａ₂Ｓｒ₂Ｃｕ₃Ｏ_10+x、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｃａ₂Ｓｒ₃Ｃｕ₄Ｏ_10+x等の所謂ビスマス系組成の高温超電導材料であってもよい。

また、高温超電導線材４２を構成する例えば２枚の高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）は、ハンダ等の接合層を介さずに直接接触して電気的に接続されると共に、互いに摺動可能に構成されている。上述の高温超電導線材４２が絶縁線材１３及び補強線材１４と共に巻枠１５に巻き回されることで、高温超電導コイル４１の巻線部４３が形成される。

以上のように構成されたことから、本第４実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（６）及び（７）を奏する。

（６）高温超電導コイル４１を構成するために巻枠１５に絶縁線材１３及び補強線材１４と共に巻き回される高温超電導線材４２が複数枚、例えば２枚の高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）により構成されている。これらの高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）は、線材内部に高強度金属からなるテープ基板２を有することから、このテープ基板２が、高温超電導コイル４１に発生するフープ応力に対する補強効果を奏する。この結果、高温超電導線材４２は、補強線材１４（補強線材１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ）と共に、高温超電導コイル４１の耐フープ応力を向上させることができる。従って、高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）の超電導層４における臨界電流特性の劣化を防止して、高温超電導コイル４１に強磁場を、第１〜第３実施形態の場合よりも安定して発生させることができる。

（７）高温超電導コイル４１を構成するために巻枠１５に絶縁線材１３及び補強線材１４と共に巻き回される高温超電導線材４２が複数枚、例えば２枚の高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）により構成され、これらの高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）が、互いの超電導層４に近い側の面を対向させ、直接接触して電気的に接続されている。このため、高温超電導線材４２を構成する複数枚の高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）のいずれかが常電導化して、接触抵抗のオーダーに近い抵抗が高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）内に発生しても、これらの高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）間で互いに電流を転流させることができる。この結果、高温超電導コイル４１は強磁場を、第１〜第３実施形態の場合よりも更に安定して発生させることができ、しかも、高温超電導コイル４１の焼損の恐れも防止できる。

なお、第４実施形態では、高温超電導線材４２は、２枚の高温超電導線材１２（１２Ｍ、１２Ｎ）を重ね合わせた場合を述べたが、図８に示すように、重ね合わせた２枚の高温超電導線材１２を１組として、複数組の高温超電導線材１２により高温超電導コイル４１の巻線部４３を構成してもよい。この場合、１組の重ね合わせた２枚の超高温超電導線材１２同士は、超電導層４に近い側の面を互いに対向させることが好ましい。また、１組の重ね合わせた２枚の高温超電導コイル線材１２と他の１組の重ね合わせた２枚の高温超電導線材１２との間に、絶縁線材１３を配置してもよい。

以上、本発明の各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。これらの実施形態は、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、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

例えば、各実施形態では、超電導線材が高温超電導線材１２の場合を述べたが、低温超電導線材の場合に各実施形態を適用してもよい。

４…超電導層、１０…高温超電導コイル装置（超電導コイル装置）、１１…高温超電導コイル（超電導コイル）、１２…高温超電導線材（超電導線材）、１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ…補強線材、２０…高温超電導コイル装置（超電導コイル装置）、２１…高温超電導コイル（超電導コイル）、２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ…補強線材、３０…高温超電導コイル装置（超電導コイル装置）、３１…高温超電導コイル（超電導コイル）、４０…高温超電導コイル装置（超電導コイル装置）、４１…高温超電導コイル（超電導コイル）、４２…高温超電導線材（超電導線材）、ｔ…高温超電導線材の厚さ、ｔ１…補強線材の厚さ

Claims (9)

1. 巻枠に少なくとも超電導線材と補強線材とが巻き回されてなる超電導コイルを備えた超電導コイル装置において、
   前記補強線材は複数枚からなり、それぞれが前記超電導線材よりもヤング率が高い高強度金属材料にて構成され、
   前記補強線材の合計の厚さは前記超電導線材の厚さ以上に設定され、
   前記補強線材の１枚の厚さは、この補強線材の１枚のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性が、前記超電導線材のヤング率と断面２次モーメントの積で表される曲げ剛性以下になる厚さに設定されて構成されたことを特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記超電導線材は高温超電導線材であることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
3. 複数枚の前記補強線材は、互いに異なる材質にて構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル装置。
4. 複数枚の前記補強線材は、超電導線材にヤング率が近い順に、前記超電導線材に隣接して配置されたことを特徴とする請求項３に記載の超電導コイル装置。
5. 複数枚の前記補強線材は、隣接する前記補強線材同士が互いに接触し、そのうち１枚が超電導線材に接合して構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
6. 複数枚の前記補強線材は、超電導コイルのターン位置によって枚数を異ならせるよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
7. 複数枚の前記補強線材は、超電導コイルの内周側に設けられている枚数が、外周側に設けられている枚数よりも多くなるように構成されたことを特徴とする請求項６に記載の超電導コイル装置。
8. 前記超電導線材は、複数枚が接触して重ね合わされてなるバンドル線材であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
9. 前記超電導線材は、隣接する２枚が、それらの超電導層に近い側の面を対向させて重ね合されて構成されたことを特徴とする請求項８に記載の超電導コイル装置。

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