JP2021132062A - バンドル型超電導コイルの電極構造体、バンドル型超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】バンドル型超電導コイルの最外周ターンにおいて電極と接続されるバンドル導体の応力集中と曲げ歪みを抑制することを目的とする。【解決手段】第１超電導積層体１Ａ及び第２超電導積層体１Ｂは、互いの酸化物超電導層の一面側を向かい合わせてバンドル導体２を形成し、バンドル導体２は、コイル状に巻かれて超電導コイル２００を形成し、超電導コイル２００の最外周ターンにおいて、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの間に挟まれる電極４０を備え、電極４０は、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの離間位置に向かって厚さが減少している。【選択図】図２

Description

本発明は、バンドル型超電導コイルの電極構造体、バンドル型超電導コイルに関するものである。

下記特許文献１には、基板の片面に希土類系酸化物超電導体による超電導層が設けられたテープ状の超電導線材を複数枚重ね合せて超電導線材のバンドルを構成した無絶縁超電導コイル用の超電導体が開示されている。

特開２０１９−２９２８５号公報

このようなバンドル導体を巻回したバンドル型超電導コイルでは、最外周ターンで電極を取り付ける際、バンドル導体の先端部を開き、重ね合わされていた両方の超電導積層体の間に電極を挟み込む必要がある。

図５は、従来のバンドル型超電導コイルの電極構造体を示す正面図である。
図５に示すように、バンドル型超電導コイル（以下、単に超電導コイル２００という）は、超電導積層体１が重ね合わされたバンドル導体２が、コイル状に巻かれて形成されている。バンドル導体２は、超電導コイル２００の最外周ターンにおいて、その先端部が第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとに離間している。そして、超電導コイル２００の最外周ターンにおいて離間した第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの間には、電極４０が挟まれている。第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂは、はんだ等により電極４０と接続されている。

この際、電極４０の厚みによって、外周側の第２超電導積層体１Ｂと内周側の第１超電導積層体１Ａとの間に浮き（隙間）が生じた状態となり、電極４０のエッジ部Ｅにおいて、外周側の第２超電導積層体１Ｂに応力集中と共に大きな曲げ歪が生じ易くなる。その結果、酸化物超電導層の超電導特性が低下する虞があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バンドル型超電導コイルの最外周ターンにおいて電極と接続されるバンドル導体の応力集中と曲げ歪みを抑制することを目的とする。

本発明の一態様に係るバンドル型超電導コイルの電極構造体は、テープ状の基板上に酸化物超電導層が配された第１超電導積層体及び第２超電導積層体を備え、前記第１超電導積層体及び前記第２超電導積層体は、前記酸化物超電導層が配置された互いの一面側を向かい合わせて重ねたバンドル導体を形成し、前記バンドル導体は、前記第１超電導積層体を内側、前記第２超電導積層体を外側にしてコイル状に巻かれて超電導コイルを形成し、前記超電導コイルの最外周ターンにおいて、前記第１超電導積層体と前記第２超電導積層体との間に挟まれる電極を備え、前記電極は、前記第１超電導積層体と前記第２超電導積層体との離間位置に向かって厚さが減少している。
この構成によれば、電極が第１超電導積層体と第２超電導積層体との離間位置に向かって厚さが減少しているので、超電導コイルの最外周ターンにおいて離間した第１超電導積層体と第２超電導積層体との隙間（浮き）が少なくなる。このため、電極と接続されるバンドル導体の応力集中と曲げ歪みを抑制することができる。

上記バンドル型超電導コイルの電極構造体において、前記電極は、前記第１超電導積層体が接続される内側接続面と、前記第２超電導積層体が接続される外側接続面と、を有し、前記外側接続面は円弧状に形成されていてもよい。
この構成によれば、超電導コイルの最外周ターンにおいて第１超電導積層体と分離した第２超電導積層体が、円弧状である電極の外側接続面に沿って接続される。このため、電極の外側接続面と接続される第２超電導積層体の応力集中と曲げ歪みを抑制することができる。

上記バンドル型超電導コイルの電極構造体において、前記電極は、前記外側接続面が、前記内側接続面よりも曲率半径が小さくてもよい。
この構成によれば、電極の外側接続面の方が、内側接続面よりもバンドル導体（第２超電導積層体）と接続可能な部分が長くなるため、外側接続面の方でバンドル導体との接続長を調整することができる。したがって、電極に対する第１超電導積層体及び第２超電導積層体の接続長を揃え易くなる。

上記バンドル型超電導コイルの電極構造体において、前記電極と前記第１超電導積層体との第１接続長が、前記電極と前記第２超電導積層体との第２接続長と等しくてもよい。
この構成によれば、電極に対する第１超電導積層体及び第２超電導積層体の接続抵抗が同じになり、コイル特性を向上させることができる。

また、本発明の一態様に係るバンドル型超電導コイルは、先に記載のバンドル型超電導コイルの電極構造体を備える。
この構成によれば、バンドル型超電導コイルの最外周ターンにおいて電極と接続されるバンドル導体の応力集中と曲げ歪みを抑制することができるため、酸化物超電導層の超電導特性の低下を抑制することができる。

上記本発明の一態様によれば、バンドル型超電導コイルの最外周ターンにおいて電極と接続されるバンドル導体の応力集中と曲げ歪みを抑制することができる。

一実施形態に係るバンドル型超電導コイルの電極構造体を示す斜視図である。 一実施形態に係るバンドル型超電導コイルの電極構造体を示す正面図である。 一実施形態に係るバンドル導体の内部構造を示す断面図である。 一実施形態に係るバンドル型超電導コイルの接続構造の変形例を示す正面図である。 従来のバンドル型超電導コイルの電極構造体を示す正面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係るバンドル型超電導コイルの電極構造体を示す斜視図である。図２は、一実施形態に係るバンドル型超電導コイルの電極構造体を示す正面図である。
これらの図に示すバンドル型超電導コイル（以下、単に超電導コイル２００という）は、超電導積層体１が重ね合わされたバンドル導体２が、コイル状に巻かれて形成されている。先ず、バンドル導体２の構成について説明する。

図３は、一実施形態に係るバンドル導体の内部構造を示す断面図である。
図３に示すように、バンドル導体２は、テープ状の２本の超電導積層体１と、重ね合わされた状態の２本の超電導積層体１の外面を覆う絶縁被覆層１６と、を備えている。

超電導積層体１は、金属製のテープ状の基板１０に中間層１１、酸化物超電導層１２、保護層１３が順に積層された積層体と、その積層体の周囲を覆う安定化層１４と、を備えている。

基板１０は、例えばハステロイ（登録商標）に代表されるニッケル合金であり、厚さは１０〜５００μｍの範囲である。酸化物超電導層１２を構成する超電導材料としては、例えば一般式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｘ（ＲＥ１２３）で表されるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体（ＲＥＢＣＯ系酸化物超電導体）が挙げられる。中間層１１、保護層１３についてはテープ状の酸化物超電導体において従来公知の構成を採用することができる。図３では、多層構造を分かりやすく示すために、超電導積層体１の幅に対する厚さを厚く図示しているが、実際にはテープ幅に対してその厚さは非常に薄い。つまり、この超電導積層体１は、長尺なテープ状の酸化物超電導積層体である。例えば、超電導積層体１の幅は２〜１２ｍｍ、厚さは８５〜２８０μｍ、長さは１〜１００ｍ、である。

安定化層１４は、酸化物超電導層１２が常電導状態に転移した時に発生する過電流を転流させるバイパス部としての機能を有する。安定化層１４の構成材料としては、銅、銅合金が挙げられ、めっき（例えば電解めっき）によって形成することができる。安定化層１４の厚さは、特に限定されないが、例えば１０〜３００μｍ程度である。

上述した超電導積層体１を２本重ね合わせて、その外面に絶縁被覆層１６を形成することでバンドル導体２が構成される。絶縁被覆層１６は、樹脂テープを巻きつける方法や、その外面に樹脂を塗布して焼き付けることで形成することができる。絶縁被覆層１６を構成する樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂が挙げられる。絶縁被覆層１６の厚さは、特に限定されないが、例えば１０〜２０μｍ程度である。

このようなバンドル導体２において、２本の超電導積層体１（第１超電導積層体１Ａ及び第２超電導積層体１Ｂ）は、酸化物超電導層１２が配置された互いの一面２０側を向かい合わせて配置されている。つまり、超電導積層体１において、一面２０側とは、酸化物超電導層１２が配置される側である。また、超電導積層体１において、他面３０側とは、基板１０が配置される側である。

バンドル導体２の構造の利点として、一方の超電導積層体１（例えば、第１超電導積層体１Ａ）の長手方向の一部において電気抵抗が生じて臨界電流が流れなくなったときに、一方の超電導積層体１に流れていた電流を他方の超電導積層体１（例えば、第２超電導積層体１Ｂ）に迂回させることができる。

また、バンドル導体２においては、酸化物超電導層１２同士の距離が近くなるように、２本の超電導積層体１の一面２０側を向き合わせた方が、一方の酸化物超電導層１２から他方の酸化物超電導層１２へ電気が迂回するときに電気抵抗が低くなる。逆に、酸化物超電導層１２同士の距離が遠くなるように、２本の超電導積層体１の他面３０側を向き合わせると、一方の酸化物超電導層１２から他方の酸化物超電導層１２までの迂回経路が長くなり、電気が流れるときの電気抵抗が高くなる。

上述したバンドル導体２をコイル状に巻回することでバンドル型超電導コイルが構成される。具体的には、巻芯（不図示）を中心に、第１超電導積層体１Ａを内側、第２超電導積層体１Ｂを外側にした状態で巻回することで、図２に示されるような超電導コイル２００が構成される。超電導コイル２００の最外周ターンにおいては、２本の超電導積層体１を束ねる絶縁被覆層１６が除去されて、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとに離間している。そして、離間した第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの間には、電極４０が挟まれている。電極４０は、超電導コイル２００を図示しない外部に電気的に接続するものであり、図１に示すような接続端子４１を備えている。このような電極４０は、例えば、銅などの導体金属から形成されている。

電極４０は、図２に示すように、超電導コイル２００の内側を向いた内側接続面４０ａと、超電導コイル２００の外側を向いた外側接続面４０ｂとを有する。電極４０の内側接続面４０ａには、バンドル導体２の第１超電導積層体１Ａが接続されており、外側接続面４０ｂには、バンドル導体２の第２超電導積層体１Ｂが接続されている。更に詳述すると、電極４０の内側接続面４０ａには、第１超電導積層体１Ａの一面２０が半田等の接合材を介して接続されており、外側接続面４０ｂには、第２超電導積層体１Ｂの一面２０が半田等の接合材を介して接続されている。

超電導コイル２００においては、電極４０の厚さ（超電導コイル２００の巻回軸と平行な方向から見たときの、内側接続面４０ａと外側接続面４０ｂとの間の距離）が、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの離間位置に向かって減少している。本実施形態の電極４０は、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの離間位置に向かって延びる円弧状の先細り形状を有する。第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの離間位置とは、最外周ターンのバンドル導体２が、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとが離間し始める起点である。外側接続面４０ｂは、内側接続面４０ａよりも曲率半径が小さい。外側接続面４０ｂの両端は、内側接続面４０ａの両端と接続されている。

電極４０の内側接続面４０ａの曲率半径は、超電導コイル２００の最外周ターンの曲率半径と等しくなっている。なお、ここで、電極４０の内側接続面４０ａの曲率半径が、超電導コイル２００の最外周ターンの曲率半径と「等しい」とは、電極４０が乗り上げる第１超電導積層体１Ａの厚み分程度の誤差は許容するものとする。

電極４０が第１超電導積層体１Ａの一面２０と接続する第１接続長Ｌ１は、電極４０が第２超電導積層体１Ｂの一面２０と接続する第２接続長Ｌ２と等しくなっていると良い。この構成によれば、電極４０と第１超電導積層体１Ａとの間の接続抵抗と、電極４０と第２超電導積層体１Ｂとの接続抵抗とが等しくすることができる。なお、ここで、電極４０が第１超電導積層体１Ａの一面２０と接続する第１接続長Ｌ１が、電極４０が第２超電導積層体１Ｂの一面２０と接続する第２接続長Ｌ２と「等しい」とは、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂの端面の加工精度に起因する不揃い程度の誤差は許容するものとする。

上記構成の電極構造体１００によれば、電極４０が第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの離間位置に向かって厚さが減少しており、円弧状の先細り形状を有するので、超電導コイル２００の最外周ターンにおいて離間した第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂが、電極４０の内側接続面４０ａと外側接続面４０ｂに沿って接続されたときに、電極４０の外側接続面４０ｂと接続されるバンドル導体２の応力集中と曲げ歪みを抑制することができる。すなわち、電極４０を挟み込んだとしても、図５に示すように従来、電極４０のエッジ部Ｅにおいて生じていた外周側の第２超電導積層体１Ｂの応力集中及び大きな曲げ歪が緩和もしくは解消し、酸化物超電導層１２の超電導特性の低下を抑制できる。

このように、上述した本実施形態の電極構造体１００によれば、テープ状の基板１０上に酸化物超電導層１２が配された第１超電導積層体１Ａ及び第２超電導積層体１Ｂを備え、第１超電導積層体１Ａ及び第２超電導積層体１Ｂは、酸化物超電導層１２が配置された互いの一面２０側を向かい合わせて重ねたバンドル導体２を形成し、バンドル導体２は、第１超電導積層体１Ａを内側、第２超電導積層体１Ｂを外側にしてコイル状に巻かれて超電導コイル２００を形成し、超電導コイル２００の最外周ターンにおいて、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの間に挟まれる電極４０を備え、電極４０は、第１超電導積層体１Ａと第２超電導積層体１Ｂとの離間位置に向かって厚さが減少している、という構成を採用することによって、超電導コイル２００の最外周ターンにおいて電極４０と接続されるバンドル導体２の応力集中と曲げ歪みを抑制することができる。また、上記構成の電極構造体１００を備える超電導コイル２００によれば、酸化物超電導層１２の超電導特性の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、電極４０は、第１超電導積層体１Ａと接続する内側接続面４０ａと、第２超電導積層体１Ｂと接続する外側接続面４０ｂと、を有し、外側接続面４０ｂが、内側接続面４０ａよりも曲率半径が小さい。この構成によれば、電極４０の外側接続面４０ｂの方が、内側接続面４０ａよりもバンドル導体２（第２超電導積層体１Ｂ）と接続可能な部分が長くなるため、外側接続面４０ｂの方でバンドル導体２（第２超電導積層体１Ｂ）との接続長を調整することができる。したがって、電極４０に対する第１超電導積層体１Ａ及び第２超電導積層体１Ｂの接続長を揃え易くなる。

また、本実施形態では、内側接続面４０ａの曲率半径が、超電導コイル２００の最外周ターンの曲率半径と等しい。この構成によれば、第１超電導積層体１Ａが超電導コイル２００から浮くことなく、電極４０の内側接続面４０ａと第１超電導積層体１Ａが良好に接続することができる。

また、本実施形態では、電極４０と第１超電導積層体１Ａとの第１接続長Ｌ１が、電極４０と第２超電導積層体１Ｂとの第２接続長Ｌ２と等しい。この構成によれば、電極４０に対する第１超電導積層体１Ａ及び第２超電導積層体１Ｂの接続抵抗が同じになり、コイル特性を向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

例えば、本発明は、図４に示すような変形例を採用し得る。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図４は、一実施形態に係るバンドル型超電導コイルの電極構造体の変形例を示す正面図である。
例えば、図４に示す電極４０のように、一部に非導体部５０を備えて、電極４０の全体が導体部（導体金属）でなくても構わない。図４に示す電極４０であっても、導体部が第１超電導積層体１Ａと接続する第１接続長Ｌ１は、該導体部が第２超電導積層体１Ｂと接続する第２接続長Ｌ２と等しくすることができる。非導体部５０は、例えば、直方体状の電極４０をはめ込む貫通孔を有するホルダであっても構わない。このような非導体部５０は、樹脂成形体などから形成することができる。

１…超電導積層体、１Ａ…第１超電導積層体、１Ｂ…第２超電導積層体、２…バンドル導体、１０…基板、１２…酸化物超電導層、２０…一面、４０…電極、４０ａ…内側接続面、４０ｂ…外側接続面、１００…電極構造体、２００…超電導コイル（バンドル型超電導コイル）、Ｌ１…第１接続長、Ｌ２…第２接続長

Claims (5)

1. テープ状の基板上に酸化物超電導層が配された第１超電導積層体及び第２超電導積層体を備え、
   前記第１超電導積層体及び前記第２超電導積層体は、前記酸化物超電導層が配置された互いの一面側を向かい合わせて重ねたバンドル導体を形成し、
   前記バンドル導体は、前記第１超電導積層体を内側、前記第２超電導積層体を外側にしてコイル状に巻かれて超電導コイルを形成し、
   前記超電導コイルの最外周ターンにおいて、前記第１超電導積層体と前記第２超電導積層体との間に挟まれる電極を備え、
   前記電極は、前記第１超電導積層体と前記第２超電導積層体との離間位置に向かって厚さが減少している、バンドル型超電導コイルの電極構造体。
2. 前記電極は、前記第１超電導積層体が接続される内側接続面と、前記第２超電導積層体が接続される外側接続面と、を有し、
   前記外側接続面は円弧状に形成されている、請求項１に記載のバンドル型超電導コイルの電極構造体。
3. 前記電極は、前記外側接続面が、前記内側接続面よりも曲率半径が小さい、請求項２に記載のバンドル型超電導コイルの電極構造体。
4. 前記電極と前記第１超電導積層体との第１接続長が、前記電極と前記第２超電導積層体との第２接続長と等しい、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバンドル型超電導コイルの電極構造体。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のバンドル型超電導コイルの電極構造体を備える、バンドル型超電導コイル。

Images