JP2022121041A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】熱暴走またはクエンチの発生を抑制することができる超電導コイルを提供する。
【解決手段】超電導コイル１は、テープ状を成す超電導線材２０を巻回して形成された第１巻線部１１と、第１巻線部１１に隣接して重なり、超電導線材２０を巻回して形成された第２巻線部１２と、超電導線材２０で形成され、第１巻線部１１と第２巻線部１２の最内周のターン同士を接続し、らせん状を成す渡り部１３と、第１巻線部１１と第２巻線部１２と渡り部１３でダブルパンケーキコイルが形成されており、渡り部１３の少なくとも一方の幅広面に沿って設けられ、導電性を有する補強部１４と、第１巻線部１１または第２巻線部１２の少なくとも一部を含浸する導電性樹脂部１５を備える。
【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、超電導コイルに関する。

超電導線材には、超電導状態を維持できる電流、温度、磁場の範囲、いわゆる臨界電流、臨界温度、臨界磁場が存在する。したがって電気抵抗がほぼゼロといえども無限に電流が流せるわけではなく、いずれかの臨界値を超えると、常電導状態への転移現象、すなわちクエンチが発生する。このようなクエンチによる常電導転移領域のジュール熱の発生は、瞬時に超電導コイルを熱暴走させ、最悪の場合、焼損に至る危険性がある。そのため、クエンチに対する保護技術が不可欠である。

クエンチ保護に関する従来技術としては、例えば、超電導コイルと並列に保護抵抗を繋ぐ方法がある。この方法は、常電導状態に転移することで発生するコイルの電圧と温度の上昇を検出し、これをトリガーとして励磁電源を遮断するものである。遮断後は、超電導コイルと保護抵抗の閉回路となるため、室温部に配置した保護抵抗の発熱で超電導コイルの蓄積エネルギーが消費され、コイルに流れる電流を減衰させることができる。このような超電導コイルに使用する超電導線材としては、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋ｘ線材またはＲＥ１Ｂ２Ｃ３Ｏ７線材といった高温超電導線材がある。

高温超電導線材を用いた超電導コイルでは、従来のＮｂＴｉなどの低温超電導線材に比べ、２０Ｋ～５０Ｋといった高い温度でも高い臨界電流密度を有するため、高温での高電流密度運転が可能となる。しかしながら、高電流密度運転時にクエンチが生じた場合、２０Ｋ～５０Ｋの温度範囲では、低温超電導線材を使ったマグネットの運転温度よりも比熱が大きいため、常電導転移領域の拡大が遅く、発熱密度も高くなる。そのため、従来技術のクエンチ保護方法では、検知する前に局所的に熱暴走が発生し、焼損してしまう。

ここで、超電導コイル内部の異なるターンの超電導線材同士がターン間で短絡されていれば、常電導に転移した部分に流れる電流を異なるターンの超電導線材に迂回させることができる。電流が迂回することで、常電導転移領域での局所的な発熱および熱暴走を抑制することができる。具体的には、例えば、超電導コイルの径方向に沿った巻線部の側面に超電導線材と電気的に接続された迂回路を設ける。この迂回路を介して異なるターンの超電導線材同士を短絡することができる。

また、２つの超電導コイルを軸方向に積層した際に、隣り合う超電導コイル同士を電気的に接続する方法として、内周部または外周部に、金属板などの導電性部材を隣り合う超電導コイルに跨って設ける技術が知られている。この技術では、通電時に、超電導コイル同士を接続する金属板でジュール熱が発生するデメリットがある。さらに、超電導コイルの冷却時に、超電導線材と金属板の接合面で集中応力が生じ、超電導線材が劣化してしまうというデメリットがある。そこで、超電導コイルの最内周で隣り合う超電導コイルの超電導線材同士を、らせん状に接続する渡り部を備える、いわゆるダブルパンケーキコイルが知られている。このダブルパンケーキコイルでは、渡り部がらせん状を成すことで、ジュール熱の発生を低減させることができる。また、集中応力により超電導線材が劣化してしまうリスクを低減させることができる。

特許第６４８６８１７号公報 特開２００８－１３０７８５号公報 特開２０１３－４１８７１号公報 特開２００８－２５１９３３号公報 特開２０１８－１０１４６５号公報

迂回路の技術をダブルパンケーキコイルに適用することで熱暴走またはクエンチの発生を抑制することができる。しかしながら、最内周の渡り部の超電導線材は、他の部分における超電導線材と比較して、その幅広面が隣り合う超電導線材と対向する面積が小さくなってしまう。そのため、超電導線材の一部が常電導状態に転移した際に、径方向に電流が迂回する際の迂回路の断面積が小さくなる。よって、迂回路の電気抵抗値が大きくなり、超電導線材を流れる電流が径方向に充分に迂回できず、焼損するおそれがある。

また、渡り部における迂回路の抵抗値を小さくするためには、例えば、迂回路の抵抗率を小さくすることが考えられる。しかしながら、その場合には、渡り部以外のターンにおける迂回路の抵抗値も不要に小さくなってしまう。そのため、超電導コイルを励磁する際に、電流が迂回路に迂回されてしまい、励磁に要する時間が延びてしまう。よって、渡り部のみにおける迂回路の抵抗値を低減させる必要がある。

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、熱暴走またはクエンチの発生を抑制することができる超電導コイルを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る超電導コイルは、テープ状を成す超電導線材を巻回して形成された第１巻線部と、前記第１巻線部に隣接して重なり、前記超電導線材を巻回して形成された第２巻線部と、前記超電導線材で形成され、前記第１巻線部と前記第２巻線部の最内周のターン同士を接続し、らせん状を成す渡り部と、前記第１巻線部と前記第２巻線部と前記渡り部でダブルパンケーキコイルが形成されており、前記渡り部の少なくとも一方の幅広面に沿って設けられ、導電性を有する補強部と、前記第１巻線部または前記第２巻線部の少なくとも一部を含浸する導電性樹脂部と、を備える。

本発明の実施形態により、熱暴走またはクエンチの発生を抑制することができる超電導コイルが提供される。

第１実施形態の超電導コイルを示す斜視図。 図１のII－II断面図。 超電導線材の構成を示す斜視図。 超電導コイルを内周側から見た状態を示す展開図。 超電導コイルの補強部を示す断面図。 絶縁性部材が設けられた超電導コイルの補強部を示す断面図。 第２実施形態の超電導コイルの補強部を示す断面図。 第３実施形態の超電導コイルの補強部を示す断面図。 第４実施形態の超電導コイルの補強部を示す断面図。 第５実施形態の超電導コイルの巻枠を示す平面図。 図１０のXI－XI断面図。 第６実施形態の超電導コイルの巻枠を示す平面図。 図１２のXIII－XIII断面図。

（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、超電導コイルの実施形態について詳細に説明する。まず、第１実施形態の超電導コイルについて図１から図６を用いて説明する。

図１の符号１は、第１実施形態の超電導コイルである。なお、以下に説明する超電導コイル１は、高温超電導線材または低温超電導線材のいずれに適用しても良く、いずれの線材においても高い効果を発揮する。ただし、以下の説明では、特に高い効果を発揮する高温超電導線材を用いた場合を例示する。

図１から図２に示すように、第１実施形態の超電導コイル１は、第１巻線部１１と第２巻線部１２と渡り部１３と補強部１４と導電性樹脂部１５とを備える。

第１巻線部１１および第２巻線部１２は、テープ状を成す超電導線材２０（図３）を巻回して形成される。なお、第２巻線部１２は、第１巻線部１１に隣接し設けられている。渡り部１３は、超電導線材２０で形成され、第１巻線部１１と第２巻線部１２の最内周のターン同士を接続する。この渡り部１３は、第１巻線部１１と第２巻線部１２の最内周に沿って、らせん状に巻き回されている。

第１巻線部１１と第２巻線部１２は、超電導線材２０が同心円状に巻回され、パンケーキ形状に形成されている。このようなコイルは、パンケーキコイルと呼ばれている。本実施形態では、第１巻線部１１と第２巻線部１２とが重なって設けられている。また、第１巻線部１１と第２巻線部１２のそれぞれの超電導線材２０が内周側で渡り部１３により接続されている。これら第１巻線部１１と第２巻線部１２と渡り部１３で、ダブルパンケーキコイルが形成されている。なお、ダブルパンケーキコイルは、他のダブルパンケーキコイルと軸方向に重ねられても良い。

補強部１４は、導電性を有する材料で形成され、渡り部１３の導電性を補強する。また、補強部１４は、渡り部１３の少なくとも一方の幅広面に沿って設けられている。なお、渡り部１３の両方の幅広面に補強部１４を設けても良い。

例えば、補強部１４を、超電導線材２０（図３）で形成することができる。つまり、補強部１４を形成する超電導線材２０と、渡り部１３を形成する超電導線材２０とを共巻きにする。このようにすれば、補強部１４が超電導状態であるときに、電流を渡り部１３とともに補強部１４を用いて流すことができる。

代替として、補強部１４を、テープ状を成す常電導線材で形成することができる。つまり、補強部１４を形成する常電導線材と、渡り部１３を形成する超電導線材２０とを共巻きにする。このようにすれば、補強部１４が超電導状態であるときに、電流が渡り部１３から補強部１４へ流れることを抑制することができる。

例えば、補強部１４を、はんだ、導電性を有する樹脂、導電性ペーストの少なくともいずれかを用いて渡り部１３に接合することができる。なお、これらの導電性の材料を用いて、補強部１４の幅広面の一部を、渡り部１３に接合しても良いし、補強部１４の幅広面の全部を、渡り部１３に接合しても良い。これらの導電性の材料により補強部１４と渡り部１３を互いに固着させることで、補強部１４と渡り部１３の間の接触抵抗を低減させることができる。

代替として、補強部１４を、渡り部１３に直に接触させた状態で接合することができる。このようにすれば、接着用の材料を介在させないことで、補強部１４と渡り部１３の間の接触抵抗を低減させることができる。なお、補強部１４の幅広面の一部を、渡り部１３に直に接触させた状態で接合しても良いし、補強部１４の幅広面の全部を、渡り部１３に直に接触させた状態で接合しても良い。また、補強部１４の幅広面の一部を、渡り部１３に直に接触させた状態で接合し、補強部１４の幅広面の他の部分を導電性の材料（接着用の材料）を用いて、渡り部１３に接合しても良い。

導電性樹脂部１５は、第１巻線部１１または第２巻線部１２の少なくとも一部を含浸する。導電性樹脂部１５は、第１巻線部１１と第２巻線部１２を含浸した状態で固化されている。

導電性樹脂部１５は、超電導線材２０（図３）の一部が超電導状態から常電導状態に転移したときに、常電導状態に転移した部分の電流を異なるターンの超電導線材２０に短絡させる迂回路３０～３５（図５から図６）を形成する。このようにすれば、常電導転移した部分を電流が迂回することで、常電導転移した部分での局所的な発熱または熱暴走を抑制することができる。

導電性樹脂部１５は、カーボンブラック、炭素繊維、グラファイト、金属微粒子、金属酸化物、金属繊維、金属コートした微粒子、金属コートした合成繊維のうち、少なくともいずれかを含んでいる。このようにすれば、導電性樹脂部１５により迂回路３０～３５（図５から図６）を形成することができる。

迂回路３０～３５（図５から図６）の抵抗値は、超電導線材２０（図３）が超電導状態であるときの抵抗値より大きく、かつ超電導線材２０が常電導状態であるときの抵抗値より小さくなるように設定される。このようにすれば、超電導線材２０が常電導転移したときに迂回路３０～３５に電流を流すことができる。

補強部１４の抵抗値は、超電導線材２０（図３）が超電導状態であるときの抵抗値より大きく、かつ迂回路３０～３５（図５から図６）の抵抗値より小さくなるように設定される。このようにすれば、超電導線材２０が常電導転移したときに迂回路３０～３５よりも多くの電流を補強部１４に流すことができる。

次に、超電導コイル１の実施態様について具体的に説明する。図３に示すように、超電導コイル１で用いる超電導線材２０には、例えば、一般的な薄膜状の多数の層が積層されたテープ状の超電導線材２０（薄膜線材）を用いる。この超電導線材２０は、例えば、レアメタル酸化物（ＲＥ酸化物）を含むＲＥＢＣＯ線材などの線材である。

超電導線材２０は、安定化層２１と基板２２と配向層２３と中間層２４と超電導層２５と保護層２６とを備える。ただし、超電導線材２０を構成する各層の種類およ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良い。

安定化層２１は、超電導線材２０の表面全体を覆う層である。この安定化層２１は、例えば、銅またはアルミニウムなどの良伝導性金属で形成される。安定化層２１は、超電導層２５に流れる過剰な通電電流が迂回される経路となって熱暴走を防止する。

基板２２は、例えば、ニッケル基合金、ステンレスまたは銅などの高強度の金属材料で形成される。配向層２３は、基板２２の上に形成される。この配向層２３は、例えば、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で形成される。中間層２４は、配向層２３の上に形成される。この中間層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。

超電導層２５は、中間層２４の上に形成される。この超電導層２５は、レアメタル酸化物（ＲＥ酸化物）で形成される。保護層２６は、超電導層２５の上に形成される。この保護層２６は、例えば、銀、金または白金などで形成される。保護層２６は、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、超電導層２５を保護している。

ここで、超電導線材２０の２つの主面の向きについて説明する。超電導線材２０には、２つの主面（幅広面）があり、超電導層２５に近い主面を近位面２７と称し、超電導層２５から遠い主面を遠位面２８と称する。超電導線材２０と別の部材を接続する際は、近位面２７で接続した方が、遠位面２８で接続した場合と比較して、接続部分での抵抗値を小さくすることができる。

図１から図２に示すように、第１巻線部１１と第２巻線部１２は、超電導線材２０が巻回されて形成される。第１巻線部１１と第２巻線部１２のそれぞれには、巻回軸中心を貫通する中央穴２（空間部）が設けられている。

ここで、それぞれの巻線部１１，１２の巻回軸と平行な方向をコイル軸方向３、超電導線材２０を巻き回す方向をコイル周方向４、巻回により超電導線材２０が積層される方向をコイル径方向５と呼ぶ。

巻線部１１，１２には、超電導線材２０が巻回によって積層されることで巻線側面部が形成される。例えば、図２の超電導コイル１の上下の面が巻線側面部となっている。それぞれの巻線側面部は、絶縁板１６で覆われている。また、超電導コイル１の内部にも、第１巻線部１１と第２巻線部１２とを隔てる絶縁板１７が設けられている。

また、それぞれの巻線部１１，１２において、隣接する別のターンの超電導線材２０同士の間隙のことを単にコイルターン間と呼ぶ。

図５に示すように、それぞれの巻線部１１，１２は、導電性樹脂部１５に含浸され、固められている。導電性樹脂部１５は、それぞれの巻線部１１，１２の内部の異なる位置の超電導線材２０同士を電気的に接続する迂回路３０として機能する。

この導電性樹脂部１５には、例えば、導電性を持たない樹脂に導電性粉末を混入させたものを用いることができる。導電性樹脂部１５に配合される導電性粉末の割合または種類を変更することにより、導電性樹脂部１５の体積抵抗率を容易に調整することができる。

導電性粉末としては、例えば、カーボンブラック、炭素繊維また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、導電性粉末には、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良い。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性粉末にしても良い。また、巻線部１１，１２の位置ごと（部分ごと）に異なる組成の導電性樹脂部１５を使用しても良い。

迂回路３０の抵抗値は、通常運転時、つまり巻線部１１，１２の超電導線材２０（図３）が超電導状態であるときの抵抗値より大きく、かつ常電導転移時、つまり巻線部１１，１２の超電導線材２０が常電導状態であるときの抵抗値より小さくなるように調整されることが好ましい。

また、隣り合う超電導線材２０同士のターン間に入り込む導電性樹脂部１５の量、または、巻線側面部をコーティングする導電性樹脂部１５の量を調整することで、迂回路３０の抵抗値を調整することができる。

図６に示すように、隣り合う超電導線材２０同士が直接接触することを防ぐ目的で、隣接するターン間に絶縁性部材１８を設けても良い。絶縁性部材１８としては、例えば、ポリイミドなどにより形成された絶縁性のテープが好適に用いられる。テープ状の絶縁性部材１８は、超電導線材２０と共巻することにより、コイルターン間に挿入される。

図５に示すように、コイル径方向５に隣接する超電導線材２０の間に、絶縁性部材１８を設けずに、巻線部１１，１２を形成した場合は、絶縁性部材１８を設けた場合（図６）と比較して、超電導線材２０から導電性樹脂部１５を介して隣り合う超電導線材２０へ電流を迂回させる際の迂回路３０の断面積Ｒ１が大きくなる。そのため、迂回路３０の抵抗値を小さくすることができる。

図２に示すように、超電導コイル１の側面（上下面）には、絶縁板１６が設けられている。これらの絶縁板１６により、導電性樹脂部１５（巻線部１１，１２）が、隣り合う他の超電導コイル１から絶縁される。なお、絶縁板１６，１７の材料としては、エポキシ樹脂または繊維強化プラスチックなどが好適に用いられる。

ここで、導電性樹脂部１５を用いて迂回路３０～３５（図５から図６）を設けることで熱暴走またはクエンチが発生することを抑制できる効果について述べる。

超電導線材２０は、通電電流の限界である臨界電流に近づくにつれ、徐々に外部磁場が侵入し、局所的に超電導状態が破壊され、その部分が常電導状態に転移する。この局所的な常電導転移に伴うフラックスフロー抵抗は、ジュール損失による熱を発生させる。そのため、超電導コイル１の温度の上昇などで抵抗が増大すると熱暴走またはクエンチを誘引する。

そこで、迂回路３０～３５を設けることで、超電導線材２０の一部で常電導転移による局所的なフラックスフロー抵抗が発生したときに、コイル周方向４に流れていた電流の一部を、迂回路３０～３５を介して隣接する他のターンの超電導線材２０に迂回させることができる。つまり、コイル周方向４に流れていた電流の一部を、コイル径方向５に迂回させることができる。

ここで、コイル周方向４に流れる電流は、迂回された分だけ減少する。つまり、コイル周方向４に流れていた電流値をＩとし、迂回された電流値をＩａとすると、コイル周方向４に流れる電流は、ＩからＩ－Ｉａに減少する。このとき、迂回路３０の抵抗をＲａとし、フラックスフロー抵抗をＲとすると、コイル径方向５に迂回する電流値Ｉａは、Ｒ／（Ｒ＋Ｒａ）に比例する。

このように、フラックスフロー抵抗が増大するに伴い、より多くの電流がコイル径方向５に迂回することになる。よって、局所的に常電導状態に転移した常電導箇所に多量の電流が流れるのを未然に防止することができる。そのため、熱暴走またはクエンチが発生することを抑制することができる。

なお、迂回路３０～３５によりデメリットも生じる。例えば、コイルターン間を、迂回路３０～３５を介して電気的に接続すると、フラックスフロー抵抗が発生したときだけでなく、超電導コイル１を非通電状態から定格電流値まで励磁する際にも、電流の一部が、迂回路３０～３５を介して他のターンの超電導線材２０に迂回してしまう。つまり、誘導電圧により電源から供給される電流の一部が、コイル径方向５に迂回してしまう。

超電導コイル１の励磁完了後は、誘導電圧が発生しないため、迂回路３０～３５に流れた電流は、徐々にコイル周方向４に流れ込むこととなり、設計した磁場の値に到達するまでの時間を要する。したがって、コイルターン間の抵抗を低くすればするほど、より多くの電流が励磁中に迂回してしまい、不要に励磁時間が長くなってしまう。

つまり、迂回路３０～３５の抵抗Ｒａは、フラックスフロー抵抗の発生時に充分な量の電流が迂回路３０～３５へ転流できる程度に小さな抵抗で、かつ、超電導コイル１を非通電状態から定格電流値まで励磁する際に、不要に励磁時間が長くならない程度に大きな抵抗となるように設定することが好ましい。

なお、特に図示はしないが、本実施形態の超電導コイル１とは異なる態様として、２つのシングルパンケーキコイルを軸方向に積層させた超電導コイルが存在する。この場合、隣接するシングルパンケーキコイルの最内周同士または最外周同士に亘って金属板を架設し、電気的に接続する必要が生じる。この金属板は、架設される２つのシングルパンケーキコイルのうち、一方のシングルパンケーキコイルから流出した通電電流を、他方のシングルパンケーキコイルに流入させるものである。このような金属板は、例えば、銅、銀、金、インジウム、またはこれらの合金で好適に形成される。

金属板と超電導線材２０を接続する方法としては、はんだ付けが一般的であり、これにより低抵抗で接続されると同時に、金属板と超電導線材２０が機械的に固着される。ここで、金属板と超電導線材２０が機械的に固着されると、冷却時の熱応力または通電時の電磁応力により金属板と超電導線材２０の境界の一部に集中応力が生じ、超電導線材２０が劣化するおそれが生じる。

そこで、このようなリスクを低減する方法として、本実施形態では、ダブルパンケーキ構造の超電導コイル１を用いている。図２に示すように、本実施形態の超電導コイル１の巻線部１１，１２（第１巻線部１１および第２巻線部１２）は、軸方向に超電導線材２０の幅の大きさ程ずれて配置された２つの巻線部１１，１２と、これらの巻線部１１，１２の最内周同士を繋ぐように配置された渡り部１３を備える。なお、第１巻線部１１と第２巻線部１２との間に絶縁板１７が挿入されている。電流は、第１巻線部１１の最外周から流入し、第１巻線部１１の最内周で渡り部１３を介して、第２巻線部１２の最内周に流入し、第２巻線部１２の最外周より流出する。

なお、理解を助けるために、第１巻線部１１と第２巻線部１２と渡り部１３の３つの部分に分けて説明しているが、これらは、通常、第１巻線部１１と第２巻線部１２と渡り部１３を形成するために、充分な長さの１本の超電導線材２０を巻きまわして連続的に形成される。渡り部１３と、第１巻線部１１および第２巻線部１２が互いの端部を境に別々の超電導線材２０で形成されることを意味していない。

渡り部１３をより詳細に説明する。図４は、超電導コイル１を中央穴２（内周側）から見たときの展開図である。なお、図２および図５は、図４の１８０°の位置の断面図にあたる。

図４に示すように、第１巻線部１１の最内周ターンは、超電導コイル１の９０°の位置から始まり、１８０°の位置、２７０°の位置、３６０°（０°）の位置の順に進み、再び９０°の位置に戻る。このように、コイル周方向４に一周して終端となる。

第１巻線部１１の最内周の終端である９０°の位置から、第２巻線部１２の内周側ターンの始端である２７０°の位置に亘って、超電導線材２０が、コイル軸方向３にずれるように、らせん状に配置されている。この部分が、渡り部１３となっている。

第２巻線部１２の最内周ターンは、超電導コイル１の２７０°の位置から始まり、３６０°（０°）の位置、９０°の位置、１８０°の位置の順に進み、再び２７０°の位置に戻る。このように、コイル周方向４に一周して、コイルの外周へと向かう。

なお、第１巻線部１１、第２巻線部１２、渡り部１３を形成するために、充分な長さの超電導線材２０を用意するのが難しい場合には、公知の方法、例えば、はんだ付けなどを用いて、複数本の超電導線材２０同士を接続し、長さを延長した１本の超電導線材２０を形成してもよい。

シングルパンケーキコイルを２つ積層し、最内周同士を金属板で接続する代わりに、ダブルパンケーキコイル（超電導コイル１）を用いることで、最内周の超電導線材２０が熱応力または電磁応力で劣化するリスクを低減することができる。

また、ダブルパンケーキコイルは、第１巻線部１１と第２巻線部１２を接続するために、最内周で金属板を介した接続構造を必要としないため、金属板に電流が流れることによって生じるジュール熱が生じない利点もある。

次に、ダブルパンケーキコイル（超電導コイル１）における導電性樹脂部１５への電流迂回挙動およびその課題について図５から図６を用いて詳述する。

図５は、超電導線材２０のターン間に絶縁性部材１８を挿入しない構成の例である。図６は、超電導線材２０のターン間に絶縁性部材１８を挿入した構成の例である。

いずれの構成であっても、渡り部１３において電流の一部が隣り合うターンの超電導線材２０へ迂回する場合と、渡り部１３以外の部分において電流の一部が隣り合うターンの超電導線材２０へ迂回する場合を比べると、渡り部１３において迂回する場合の方が、迂回路３２，３４の断面積が小さいために、電流が迂回する際の抵抗が大きくなる。

例えば、図５に示すように、渡り部１３以外の部分における超電導線材２０は、隣り合う超電導線材２０と幅方向にずれることなく配置されている。そのため、超電導線材２０の幅広面全体を、迂回する電流が流れる迂回路３０の断面積Ｒ１とできる。一方、渡り部１３は、隣り合う超電導線材２０の幅方向にずれて配置されている。そのため、迂回する電流が流れる迂回路３１の断面積Ｒ２は、超電導線材２０の幅広面の一部に限られてしまう。よって、渡り部１３における迂回路３１の抵抗値は、他の部分における迂回路３０の抵抗値に比べて高くなる。

なお、図５から図６に示したように、回り込む迂回路３２，３５も考えられる。しかし、超電導線材２０同士が幅方向に離れている分だけ、余計に迂回路３２で電流が流れる距離が大きくなってしまい、その結果、迂回路３２，３５の抵抗値が増大してしまう。

このように、渡り部１３は、隣り合う超電導線材２０と幅方向にずれて配置されているために、迂回路３１の断面積が小さくなったり、迂回路３２の距離が大きくなったりしてしまう。そのため、迂回路３１，３２の抵抗値が大きくなってしまう。

図６の絶縁性部材１８を設けた場合も同様に、渡り部１３以外の部分における迂回路３３を電流が流れるときの抵抗値よりも、渡り部１３の部分における迂回路３４を電流が流れるときの抵抗値の方が大きくなる。

このように、渡り部１３における迂回路３４の抵抗値が他の部分における迂回路３３の抵抗値よりも大きくなってしまい、電流が充分に迂回できずに、超電導線材２０が焼損するリスクがある。そこで、本実施形態では、補強部１４を設けるようにしている。

なお、本実施形態は、超電導線材２０のターン間に絶縁性部材１８を挿入する構成でも、挿入しない構成でも、有利な効果を発揮するが、以下の説明では、超電導線材２０のターン間に絶縁性部材１８を挿入しない構成を例示する。

図５に示すように、渡り部１３のコイル内周側に、補強部１４が配置される。ここで、渡り部１３を構成する超電導線材２０の近位面２７が補強部１４と対向するように、補強部１４を配置する。このようにすれば、渡り部１３と補強部１４の間の接続部分の抵抗値を低減することができる。

補強部１４を構成する材料は、導電性の材料であれば何でも良いが、超電導線材２０が超電導状態のときの抵抗値よりも高く、導電性樹脂部１５により形成される迂回路３０～３５の抵抗値より低く設定されることが望ましい。

この条件を満たす材料として、例えば、銅、銀、金などの低抵抗の金属またはそれらの合金が好適に用いられる。

補強部１４を構成する材料は、超電導体、または超電導線材２０であっても良い。補強部１４として超電導線材２０を用いた場合には、常伝導金属を用いた場合に比べて補強部１４の電気抵抗を小さくできるというメリットがある。この補強部１４に用いる超電導線材２０としては、巻線部１１，１２に使用する超電導線材２０と同一の線材でも良いし、異なる線材でも良い。具体的な材質としては、図３に示したようなＲＥＢＣＯ線材でも良いし、ビスマス系の超電導線材２０を用いても良い。この超電導線材２０の形状としては、厚さ０.１～０.２ｍｍ、幅２.０～１２.０ｍｍのものが好適に用いられる。

また、補強部１４の形状としては、例えば、厚み０.１ｍｍ程度の金属テープとしても良い。この金属テープを巻線部１１，１２の巻線時に超電導線材２０に共巻することで、渡り部１３に沿って容易に配置することができる。

さらに、補強部１４の形状としては、例えば、巻線部１１，１２の内径に合わせて曲げ加工した厚み１.０～５.０ｍｍ程度の金属プレートとしても良い。同様に、巻線部１１，１２の内径に合わせて加工した厚み１.０～５.０ｍｍ程度の金属製リングとしても良い。

また、補強部１４と渡り部１３は、境界面における集中応力を避けるために、これらは互いに機械的に固着していないことが望ましい。しかし、設計上発生し得る電磁応力が充分に小さく、集中応力による劣化のリスクが問題にならないと考えられる場合には、補強部１４と渡り部１３を機械的に固着しても良い。

補強部１４と渡り部１３を固着させる方法としては、はんだ、導電性樹脂、導電性ペーストなどを使用する。これらの導電性の部材により補強部１４と渡り部１３を固着させることで、補強部１４と渡り部１３の間の接触抵抗を低減することができる。

図５に示すように、渡り部１３で常伝導転移が生じた際には、迂回路３１に加えて、補強部１４へ電流が迂回される。この補強部１４は、渡り部１３を流れる電流の一部が隣のターンに迂回する際の経路の抵抗を下げる作用はないものの、超電導線材２０の安定化層２１の断面積を大きくする作用があるため、実質的に渡り部１３の抵抗を小さくする作用を奏する。

したがって、従来技術と比較して、充分な量の電流を、渡り部１３から隣のターンの超電導線材２０に迂回させることができる。そのため、超電導コイル１の熱暴走またはクエンチの発生を抑制することができる。

第１実施形態によれば、渡り部１３の導電性が補強部１４で補強され、第１巻線部１１から第２巻線部１２に向かって流れる電流の抵抗値を低減させることができる。そのため、熱暴走またはクエンチの発生を抑制可能な超電導コイル１を形成することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の超電導コイル１Ａについて図７を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

第２実施形態の超電導コイル１Ａでは、渡り部１３のコイル外周側に、補強部１４が配置される。

第２実施形態によれば、渡り部１３を流れる電流の一部が隣のターンへ迂回する際の経路に補強部１４が配置されようになる。そのため、渡り部１３を流れる電流の一部が隣のターンへ迂回する際の経路が、導電性樹脂部１５のみで構成されている場合と比較して、その経路の抵抗値を小さくすることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の超電導コイル１Ｂについて図８を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

第３実施形態の超電導コイル１Ｂには、渡り部１３の内周側に設けられ、絶縁性を有する巻枠４０を備える。

超電導コイル１Ｂが巻枠４０を備えることで、補強部１４の曲率をコイル内径に合わせることが容易となり、より確実に補強部１４を渡り部１３に沿わせることができる。

例えば、補強部１４と渡り部１３の曲率が大きく異なる場合には、両者の間に隙間ができてしまい、接触抵抗が増大する原因となり得る。そこで、第３実施形態では、補強部１４の曲率を渡り部１３の曲率、つまりコイル内径の曲率に合わせることで、両者をより隙間なく配置することができる。そのため、両者の接触抵抗を低減することができる。

第３実施形態によれば、超電導線材２０が巻枠４０に巻回されることにより、巻回軸中心を貫通する中央穴２（図１）を有するパンケーキコイルを形成することができる。そして、補強部１４の曲率を渡り部１３の曲率に合わせることができ、従来技術と比較して、充分な量の電流を、渡り部１３から隣のターンの超電導線材２０に迂回させることができる。その結果、超電導コイル１熱暴走またはクエンチの発生を抑制することができる。

なお、巻枠４０の一部を導電性の部材で形成し、この導電性の部材で形成された部分を補強部１４としても良い。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態の超電導コイル１Ｃについて図９を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

第４実施形態の超電導コイル１Ｃの巻枠４０Ｃは、渡り部１３に沿って設けられ、補強部１４が嵌るように切り欠かれた切欠部４１を備える。

例えば、巻枠４０Ｃの外周面が、渡り部１３に沿って、らせん状に切り欠かれて切欠部４１が形成されている。

第４実施形態によれば、切欠部４１により、確実に補強部１４を渡り部１３に沿わせることができる。例えば、補強部１４と渡り部１３の幅方向の位置がずれてしまうと、渡り部１３を流れる電流の一部が補強部１４に迂回する際の経路の断面積が小さくなってしまい、抵抗が大きくなってしまう。そこで、切欠部４１を設けるようにし、補強部１４の幅方向の位置を渡り部１３の幅方向の位置と合わせることで、渡り部１３を流れる電流の一部が補強部１４に迂回する際の経路の抵抗を小さくすることができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態の超電導コイル１Ｄについて図１０から図１１を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１０から図１１に示すように、第５実施形態の超電導コイル１Ｄでは、補強部１４が、渡り部１３の内周側の幅広面に沿って設けられ、巻枠４０Ｄと組み合わされたリング形状の一部を成している。

第５実施形態の巻枠４０Ｄでは、その周方向の一部を導電性の部材で形成し、この導電性の部材からなる部分を補強部１４としている。つまり巻枠４０Ｄの周方向の一部を補強部１４で置き換えている。この第５実施形態では、巻枠４０Ｄの周方向の半分が、補強部１４に置き換えられている。なお、補強部１４に置き換えられる部分は、少なくとも渡り部１３に接触する部分であれば良い。

第５実施形態によれば、補強部１４が巻枠４０Ｄと組み合わされ、これに超電導線材２０を巻き回すことで、リング形状の超電導コイル１を形成することができる。そして、渡り部１３を流れる電流の一部が、補強部１４を介して隣り合う超電導線材２０へ流れる際の経路の断面積をさらに大きくすることができ、この経路の抵抗をさらに小さくすることができる。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態の超電導コイル１Ｅについて図１２から図１３を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１２から図１３に示すように、第６実施形態の巻枠４０Ｅでは、その周方向の一部、かつその径方向の一部の領域が、導電性の部材で形成され、この導電性の部材からなる部分が補強部１４となっている。つまり巻枠４０Ｅの周方向の一部が補強部１４で置き換えられているとともに、巻枠４０Ｅの断面視における一部の領域が補強部１４で置き換えられている。

第６実施形態によれば、超電導コイル１Ｅの全周に亘って一体的なリング形状の巻枠４０Ｅを設けて、その強度を向上させることができる。さらに、製造時に補強部１４を配置する作業も行い易くなる。

超電導コイルを第１実施形態から第６実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。例えば、絶縁性部材１８（図６）を設ける形態を各実施形態に適用しても良い。

なお、前述の第１から第６実施形態では、迂回路３０～３５、導電性樹脂部１５、絶縁性部材１８が設けられる超電導コイル１の形状として、いわゆるパンケーキ形状の超電導コイル１を例示したが、その他の態様であっても良い。例えば、鞍型、楕円型、立体型などの非円形形状コイルなどにも、前述の実施形態を適用することができる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、渡り部の少なくとも一方の幅広面に沿って設けられ、導電性を有する補強部を備えることにより、熱暴走またはクエンチの発生を抑制することができる。

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。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と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。

１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ）…超電導コイル、２…中央穴、３…コイル軸方向、４…コイル周方向、５…コイル径方向、１１…第１巻線部、１２…第２巻線部、１３…渡り部、１４…補強部、１５…導電性樹脂部、１６，１７…絶縁板、１８…絶縁性部材、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…近位面、２８…遠位面、３０～３５…迂回路、４０（４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅ）…巻枠、４１…切欠部。

Claims (12)

1. テープ状を成す超電導線材を巻回して形成された第１巻線部と、
   前記第１巻線部に隣接して重なり、前記超電導線材を巻回して形成された第２巻線部と、
   前記超電導線材で形成され、前記第１巻線部と前記第２巻線部の最内周のターン同士を接続し、らせん状を成す渡り部と、
   前記第１巻線部と前記第２巻線部と前記渡り部でダブルパンケーキコイルが形成されており、前記渡り部の少なくとも一方の幅広面に沿って設けられ、導電性を有する補強部と、
   前記第１巻線部または前記第２巻線部の少なくとも一部を含浸する導電性樹脂部と、
   を備える、
   超電導コイル。
2. 前記導電性樹脂部は、前記超電導線材の一部が超電導状態から常電導状態に転移したときに、前記常電導状態に転移した部分の電流を異なるターンの前記超電導線材に短絡させる迂回路を形成する、
   請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記迂回路の抵抗値は、前記超電導線材が前記超電導状態であるときの抵抗値より大きく、かつ前記超電導線材が前記常電導状態であるときの抵抗値より小さくなるように設定される、
   請求項２に記載の超電導コイル。
4. 前記補強部の抵抗値は、前記超電導線材が前記超電導状態であるときの抵抗値より大きく、かつ前記迂回路の抵抗値より小さくなるように設定される、
   請求項２または請求項３に記載の超電導コイル。
5. 前記補強部は、前記超電導線材で形成される、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
6. 前記補強部は、テープ状を成す常電導線材で形成される、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
7. 前記補強部の少なくとも一部は、はんだ、導電性を有する樹脂、導電性ペーストの少なくともいずれかを用いて前記渡り部に接合されている、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超電導コイル。
8. 前記補強部の少なくとも一部は、前記渡り部に直に接触した状態で接合されている、
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導コイル。
9. 前記導電性樹脂部は、カーボンブラック、炭素繊維、グラファイト、金属微粒子、金属酸化物、金属繊維、金属コートした微粒子、金属コートした合成繊維のうち、少なくともいずれかを含む、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超電導コイル。
10. 前記渡り部の内周側に設けられ、少なくとも一部が絶縁性を有する巻枠を備える、
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超電導コイル。
11. 前記巻枠は、前記渡り部に沿って設けられ、前記補強部が嵌るように切り欠かれた切欠部を備える、
    請求項１０に記載の超電導コイル。
12. 前記補強部は、前記渡り部の内周側の幅広面に沿って設けられ、前記巻枠と組み合わされたリング形状の一部を成す、
    請求項１０または請求項１１に記載の超電導コイル。

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