JP2023032075A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】超電導特性の低下が起こりにくい超電導コイルを提供する。
【解決手段】超電導コイル１００は、超電導線材１０が巻回された巻線部３０と、巻線部３０を構成する超電導線材１０の少なくとも１つの端末に設けられる端末部２０と、を備える。端末部２０は、超電導線材１０の一端を含む端領域部１０Ａ，１０Ｂと、他の巻線部３０に接続された接続体または電極である被接続部２５，３５と、を電気的に接続する一対の接続用テープ２１を有する。一対の接続用テープ２１の第１端部２３，３３は、端領域部１０Ａ，１０Ｂを挟んで端領域部１０Ａ，１０Ｂの両面に接合される。一対の接続用テープ２１の第２端部２４，３４は、被接続部２５，３５を挟んで被接続部２５，３５の両面に接合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイルに関する。

特許文献１に記載の超電導コイルは、複数のパンケーキコイルが積層されて構成されている。積層方向に隣り合うパンケーキコイルは、接続部位において互いに電気的に接続されている。最上段および最下段のパンケーキコイルには、通電のための電極が設けられている。

特開２００１－３０７９１７号公報

超電導コイルに大きな電流を流すと、超電導コイルに径方向外側への電磁力が加えられ、超電導コイルを構成する超電導線材に引張力が作用する。これにより、超電導線材と、接続部位または電極との接続部分において超電導線材が屈曲変形し、超電導線材の劣化を原因として超電導コイルの特性が低下する可能性がある。

本発明の一態様は、超電導特性の低下が起こりにくい超電導コイルを提供することを課題とする。

本発明の一態様は、超電導線材が巻回された巻線部と、前記巻線部を構成する前記超電導線材の少なくとも１つの端末に設けられる端末部と、を備え、前記端末部は、前記超電導線材の一端を含む端領域部と、他の前記巻線部に接続された接続体または電極である被接続部と、を電気的に接続する一対の接続用テープを有し、一対の前記接続用テープの一部は、前記端領域部を挟んで前記端領域部の両面に接合され、一対の前記接続用テープの他の一部は、前記被接続部を挟んで前記被接続部の両面に接合される、超電導コイルを提供する。

この構成によれば、一対の接続用テープは、端領域部と被接続部とをそれぞれ挟み込んで両面に接合されるため、引張力が加えられた場合に、引張荷重を両面の接合箇所において負担できる。そのため、接合箇所における応力集中を緩和することができる。したがって、応力集中によって超電導線材および接続用テープが損傷を受けるのを回避できる。よって、超電導特性の低下を抑えることができる。

前記端末部は、一対の前記接続用テープの間に挿入されたスペーサをさらに備え、前記スペーサは、２つの前記接続用テープが互いに近づく方向の変位を規制することが好ましい。

前記接続用テープは、前記巻線部を構成する前記超電導線材と同じ構成の超電導線材であってよい。

前記接続用テープは、金属テープであってよい。

前記巻線部を構成する前記超電導線材は、金属基板と酸化物超電導層とを有する超電導積層体を備え、一対の前記接続用テープのうち、前記超電導線材の前記金属基板が形成された側の面に接続された接続用テープと前記超電導線材との接合長さは、前記酸化物超電導層が形成された側の面に接続された接続用テープと前記超電導線材の接合長さより長いことが好ましい。

本発明の一態様によれば、超電導特性の低下が起こりにくい超電導コイルを提供することができる。

実施形態の超電導コイルの正面図である。 実施形態の超電導コイルに用いられる酸化物超電導線材の断面図である。 実施形態の超電導コイルの端末部の断面図である。 実施形態の超電導コイルの端末部の断面図である。 実施形態の超電導コイルの概略構造を示す斜視図である。 端末部の第１変形例の断面図である。 端末部の第２変形例の断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。

［超電導コイル］
図１は、実施形態の超電導コイル１００の正面図である。図２は、超電導コイル１００に用いられる酸化物超電導線材１０の断面図である。図３は、超電導コイル１００の外周端末部２０Ａの断面図である。図４は、超電導コイル１００の内周端末部２０Ｂの断面図である。図５は、超電導コイル１００の概略構造を示す斜視図である。

図１に示すように、超電導コイル１００は、複数の巻線部３０（図５参照）と、端末部２０と、を備える。
巻線部３０は、酸化物超電導線材１０（超電導線材）で構成される。巻線部３０は、酸化物超電導線材１０が、複数回、巻回された多層巻きコイルである。「Ｃ」は、巻線部３０の巻回軸である。巻線部３０は、例えば、円環状のパンケーキコイルである。巻回軸Ｃ周りの方向は、巻線部３０の周方向である。巻線部３０は、酸化物超電導線材１０と、絶縁テープとが共巻きされた構成であってもよい。巻線部３０は、エポキシ樹脂などの樹脂が含浸されていてもよい。
複数の巻線部３０は、巻回軸Ｃの方向に積層される（図５参照）。

図２に示すように、酸化物超電導線材１０は、超電導積層体５と、安定化層６とを備えている。酸化物超電導線材１０は、「超電導線材」の具体例である。

超電導積層体５は、金属基板１と、中間層２と、酸化物超電導層３と、保護層４とを備える。超電導積層体５は、金属基板１上に中間層２を介して酸化物超電導層３および保護層４が形成された構造を有する。すなわち、超電導積層体５は、テープ状の金属基板１の一方の面に、中間層２、酸化物超電導層３、および保護層４がこの順に積層された構成を有する。

酸化物超電導線材１０は、テープ状に形成されている。Ｙ方向は、酸化物超電導線材１０の厚さ方向であり、金属基板１、中間層２、酸化物超電導層３、保護層４が積層される方向である。Ｘ方向は、酸化物超電導線材１０の幅方向であり、酸化物超電導線材１０の長さ方向および厚さ方向に直交する方向である。

金属基板１は、金属で形成されている。金属基板１を構成する金属の具体例として、ハステロイ（登録商標）などのニッケル合金；ステンレス鋼；ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ－Ｗ合金などが挙げられる。金属基板１の厚さは、目的に応じて適宜調整すればよく、例えば１０～５００μｍの範囲である。金属基板１の一方の面（中間層２が形成された面）を第１主面１ａといい、第１主面１ａと反対の面を第２主面１ｂという。

中間層２は、金属基板１と酸化物超電導層３との間に設けられる。中間層２は、金属基板１の第１主面１ａに形成される。中間層２は、多層構成でもよく、例えば金属基板１側から酸化物超電導層３側に向かう順で、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有してもよい。これらの層は必ずしも１層ずつ設けられるとは限らず、一部の層を省略する場合や、同種の層を２以上繰り返し積層する場合もある。なお、中間層２は、酸化物超電導線材１０において必須な構成ではなく、金属基板１自体が配向性を備えている場合は中間層２が形成されていなくてもよい。

拡散防止層は、金属基板１の成分の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層３側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧＺＯ（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）等から構成される。拡散防止層の厚さは、例えば１０～４００ｎｍである。

拡散防止層の上には、金属基板１と酸化物超電導層３との界面における反応を低減し、その上に形成される層の配向性を向上するためにベッド層を形成してもよい。ベッド層の材質としては、例えばＹ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等が挙げられる。ベッド層の厚さは、例えば１０～１００ｎｍである。

配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、例えば、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２－Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物を例示することができる。配向層はＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法で形成することが好ましい。

キャップ層は、上述の配向層の表面に成膜されて、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなる。キャップ層の材質としては、例えば、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＹＳＺ、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、ＬａＭｎＯ_３等が挙げられる。キャップ層の厚さは、５０～５０００ｎｍの範囲が挙げられる。

酸化物超電導層３は、酸化物超電導体から構成される。酸化物超電導体としては、特に限定されないが、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。希土類元素ＲＥとしては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちの１種又は２種以上が挙げられる。中でも、Ｙ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍの１種か、又はこれら元素の２種以上の組み合わせが好ましい。一般に、Ｘは、７－ｘ（酸素欠損量ｘ：約０～１程度）である。酸化物超電導層３の厚さは、例えば０．５～５μｍ程度である。この厚さは、長手方向に均一であることが好ましい。酸化物超電導層３は、中間層２の主面２ａ（金属基板１側とは反対の面）に形成されている。

保護層４は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、酸化物超電導層３と保護層４の上に設けられる層との間で起こる化学反応を抑制する等の機能を有する。保護層４の材質としては、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、金と銀との合金、その他の銀合金、銅合金、金合金などが挙げられる。保護層４は、少なくとも酸化物超電導層３の主面３ａ（中間層２側とは反対の面）を覆っている。保護層４の厚さは、特に限定されないが、例えば１～３０μｍ程度が挙げられる。

５ａは超電導積層体５の第１主面（保護層４の主面４ａ）である。第１主面５ａは、超電導積層体５の、酸化物超電導層３が形成された側の面である。５ｂは超電導積層体５の側面（金属基板１の側面、中間層２の側面、酸化物超電導層３の側面、および保護層４の側面）である。５ｃは、第１主面５ａとは反対の面であって、超電導積層体５の第２主面（金属基板１の第２主面１ｂ）である。第２主面５ｃは、超電導積層体５の、金属基板１が形成された側の面である。

安定化層６は、超電導積層体５の第１主面５ａ、側面５ｂ，５ｂおよび第２主面５ｃを覆う。安定化層６は、超電導積層体５を囲んで形成されている。安定化層６は、酸化物超電導層３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６の構成材料としては、銅、銅合金（例えばＣｕ－Ｚｎ合金、Ｃｕ－Ｎｉ合金等）、アルミニウム、アルミニウム合金、銀等の金属が挙げられる。安定化層６の厚さは、例えば１０～３００μｍ程度である。安定化層６は、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。

巻線部３０（図１参照）は、酸化物超電導線材１０が、金属基板１を外周側に向け、酸化物超電導層３を内周側に向けた姿勢で巻回されていることが望ましい。

図１に示すように、端末部２０は、巻線部３０の一方および他方の端末にそれぞれ設けられている。巻線部３０の外周側の端末に設けられた端末部２０を外周端末部２０Ａともいう。巻線部３０の内周側の端末に設けられた端末部２０を内周端末部２０Ｂともいう。
外周端末部２０Ａは、２つの接続用テープ２１（一対の接続用テープ２１）と、スペーサ２２とを備える。接続用テープ２１は、例えば、酸化物超電導線材１０と同じ構成の超電導線材である。

外周端末部２０Ａの第１端部２３（一方の端部）において、２つの接続用テープ２１は、酸化物超電導線材１０の外周端１０ａを含む端領域部１０Ａを挟み込む。２つの接続用テープ２１は、端領域部１０Ａの一方および他方の面にそれぞれ接合され、端領域部１０Ａと電気的に接続されている。

外周端末部２０Ａの第２端部２４（他方の端部）において、２つの接続用テープ２１は、シート状の被接続部２５を挟み込む。被接続部２５は、他の巻線部３０に接続された接続体、または電極である。被接続部２５は、金属などの導電体によって形成されている。２つの接続用テープ２１は、被接続部２５の一方および他方の面にそれぞれ接合され、被接続部２５と電気的に接続されている。

図３に示すように、２つの接続用テープ２１のうち第１接続用テープ２１Ａは、酸化物超電導層３が設けられた側の面２１Ａａを、端領域部１０Ａの、酸化物超電導層３が設けられた側の面１０Ａａに向けた姿勢で、端領域部１０Ａおよび被接続部２５に接合されている。
２つの接続用テープ２１のうち第２接続用テープ２１Ｂは、酸化物超電導層３が設けられた側の面２１Ｂａを、端領域部１０Ａの、金属基板１が設けられた側の面１０Ａｂに向けた姿勢で、端領域部１０Ａおよび被接続部２５に接合されている。
接続用テープ２１は、半田などの接合材２６によって、端領域部１０Ａおよび被接続部２５に接合されている。

２つの接続用テープ２１は、互いに同じ構成の超電導線材であることが好ましい。２つの接続用テープ２１が互いに同じ構成であると、これらの機械的強度は同等となる。これにより、２つの接続用テープ２１は、端領域部１０Ａおよび被接続部２５に対する接合箇所において引張荷重を均等に分担できるため、応力集中を抑制できる。

２つの接続用テープ２１は、酸化物超電導線材１０の端領域部１０Ａと、被接続部２５とに接続されているため、酸化物超電導線材１０の端領域部１０Ａと、被接続部２５とを中継接続する。そのため、酸化物超電導線材１０の端領域部１０Ａと、被接続部２５とは電気的に接続される。

図１に示すように、スペーサ２２は、一端２２ａから他端２２ｂに向けて厚さを減じる板状とされている。スペーサ２２は、例えば、繊維強化樹脂（ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂など）などの樹脂材料で形成される。

スペーサ２２は、被接続部２５に近接して、２つの接続用テープ２１の間に挿入されている。スペーサ２２は、一端２２ａが被接続部２５の一端に対向して位置する。そのため、スペーサ２２は、被接続部２５から離れるほど厚さを減じる。一端２２ａにおけるスペーサ２２の厚さは、被接続部２５の厚さ以下である。
スペーサ２２は、２つの接続用テープ２１の間にあるため、２つの接続用テープ２１が互いに近づく方向の変位を規制する。そのため、被接続部２５の一端において、接続用テープ２１が屈曲変形するのを抑制できる。よって、接続用テープ２１の損傷を回避できる。

内周端末部２０Ｂは、２つの接続用テープ２１と、スペーサ２２とを備える。
内周端末部２０Ｂの第１端部３３（一方の端部）において、２つの接続用テープ２１は、酸化物超電導線材１０の内周端１０ｂを含む端領域部１０Ｂを挟み込む。２つの接続用テープ２１は、端領域部１０Ｂの一方および他方の面にそれぞれ接合され、端領域部１０Ｂと電気的に接続されている。

内周端末部２０Ｂの第２端部３４（他方の端部）において、２つの接続用テープ２１は、シート状の被接続部３５を挟み込む。被接続部３５は、他の巻線部３０に接続された接続体、または電極である。被接続部３５は、金属などの導電体によって形成されている。２つの接続用テープ２１は、被接続部３５の一方および他方の面にそれぞれ接合され、被接続部３５と電気的に接続されている。

図４に示すように、２つの接続用テープ２１のうち第１接続用テープ２１Ａは、酸化物超電導層３が設けられた側の面２１Ａａを、端領域部１０Ｂの、酸化物超電導層３が設けられた側の面１０Ｂａに向けた姿勢で、端領域部１０Ｂおよび被接続部３５に接合されている。
２つの接続用テープ２１のうち第２接続用テープ２１Ｂは、酸化物超電導層３が設けられた側の面２１Ｂａを、端領域部１０Ｂの、金属基板１が設けられた側の面１０Ｂｂに向けた姿勢で、端領域部１０Ｂおよび被接続部３５に接合されている。
接続用テープ２１は、半田などの接合材２６によって、端領域部１０Ｂおよび被接続部３５に接合されている。

２つの接続用テープ２１は、酸化物超電導線材１０の端領域部１０Ｂと、被接続部３５とに接続されているため、酸化物超電導線材１０の端領域部１０Ｂと、被接続部３５とを中継接続する。そのため、酸化物超電導線材１０の端領域部１０Ｂと、被接続部３５とは電気的に接続される。

図１に示すように、スペーサ２２は、被接続部３５に近接して、２つの接続用テープ２１の間に挿入されている。スペーサ２２は、一端２２ａが被接続部３５の一端に対向して位置する。そのため、スペーサ２２は、被接続部３５から離れるほど厚さを減じる。一端２２ａにおけるスペーサ２２の厚さは、被接続部３５の厚さ以下である。

スペーサ２２は、２つの接続用テープ２１の間にあるため、２つの接続用テープ２１が互いに近づく方向の変位を規制する。そのため、被接続部３５の一端において、接続用テープ２１が屈曲変形するのを抑制できる。よって、接続用テープ２１の損傷を回避できる。

被接続部２５，３５が他の巻線部３０に接続された接続体である場合には、酸化物超電導線材１０は、接続用テープ２１および被接続部２５，３５を介して他の巻線部３０（例えば、図５において積層方向に隣接する巻線部３０）と接続される。被接続部２５，３５が電極である場合には、酸化物超電導線材１０は、この電極を介して通電可能となる。

［実施形態の超電導コイルが奏する効果］
超電導コイル１００に大きな電流を流すと、超電導コイル１００に径方向外側への電磁力が加えられ、酸化物超電導線材１０に引張力が作用することがある。
超電導コイル１００は、２つの接続用テープ２１を有する端末部２０（２０Ａ，２０Ｂ）を備える。２つの接続用テープ２１は、端領域部１０Ａ，１０Ｂと被接続部２５，３５とをそれぞれ挟み込んで両面に接合されるため、引張力が加えられた場合に、引張荷重を両面の接合箇所において負担できる。そのため、接合箇所における応力集中を緩和することができる。したがって、応力集中によって酸化物超電導線材１０および接続用テープ２１が損傷を受けるのを回避できる。よって、超電導特性の低下を抑えることができる。

接続用テープ２１は超電導線材であるため、端領域部１０Ａ，１０Ｂと被接続部２５，３５との間の電気抵抗を小さくでき、端末部２０における電気的な特性を高めることができる。

図６は、端末部２０の第１変形例である端末部２０Ｃの断面図である。
図６に示すように、端末部２０Ｃは、接続用テープ３１が金属テープで形成されている点で、図３に示す端末部２０と異なる。接続用テープ３１は、例えば、銅、銅合金（真鍮など）の金属で形成されている。
端末部２０Ｃは、接続用テープ３１が金属テープで形成されているため、機械的強度を高めることができる。

図７は、端末部２０の第２変形例である端末部１２０の断面図である。
図７に示すように、端末部１２０は、２つの接続用テープ１２１（１２１Ａ，１２１Ｂ）を備える。２つの接続用テープ１２１のうち第１接続用テープ１２１Ａは、図７における端領域部１０Ａの上面（酸化物超電導層３が設けられた側の面１０Ａａ）、および被接続部２５の上面に接合されている。
２つの接続用テープ１２１のうち第２接続用テープ１２１Ｂは、図７における端領域部１０Ａの下面（金属基板１が設けられた側の面１０Ａｂ）、および被接続部２５の下面に接合されている。

第２接続用テープ１２１Ｂは、第１接続用テープ１２１Ａに比べて長い。そして、第２接続用テープ１２１Ｂと超電導線材１０との接合長さは、第１接続用テープ１２１Ａと超電導線材１０との接合長さよりも長い。そのため、端領域部１０Ａに対する第２接続用テープ１２１Ｂの接合面積は、端領域部１０Ａに対する第１接続用テープ１２１Ａの接合面積に比べて大きくなる。端領域部１０Ａの下面（金属基板１が設けられた側の面１０Ａｂ）に対する接合面積が大きくなるため、引張荷重が加わったときに端領域部１０Ａの上面（酸化物超電導層３が設けられた側の面１０Ａａ）よりも下面（金属基板１が設けられた側の面１０Ａｂ）の側に応力が集中しやすい。そのため、酸化物超電導線材１０の端領域部１０Ａの上面に近い側に形成された酸化物超電導層３の劣化を抑制することができる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
例えば、図３に示す端末部２０において、２つの接続用テープ２１の間には、半田などの金属材料が充てんされていてもよい。これにより、端末部２０の機械的強度を高めるとともに、端末部２０における電気抵抗を小さくできる。２つの接続用テープ２１の間には、樹脂などの非導電性料が充てんされていてもよい。これにより、端末部２０の機械的強度を高めることができる。

図１に示す端末部２０は、巻線部３０を構成する酸化物超電導線材１０の一方および他方の端末にそれぞれ設けられているが、端末部は、巻線部を構成する超電導線材の一方の端末のみに設けられていてもよい。すなわち、端末部は、巻線部を構成する超電導線材の少なくとも１つの端末に設けられていればよい。
超電導積層体の構造は、図２に示す構造に限定されない。超電導積層体は、保護層を備えていなくてもよい。超電導積層体には、金属基板、中間層、酸化物超電導層、および保護層以外の層が含まれていてもよい。

１…金属基板、３…酸化物超電導層、５…超電導積層体、１０…酸化物超電導線材（超電導線材）、１０Ａ，１０Ｂ…端領域部、２０，２０Ｃ，１２０…端末部、２０Ａ…外周端末部、２０Ｂ…内周端末部、２５，３５…被接続部、２１，１２１…接続用テープ、２２…スペーサ、３０…巻線部、１００…超電導コイル。

Claims (5)

1. 超電導線材が巻回された巻線部と、前記巻線部を構成する前記超電導線材の少なくとも１つの端末に設けられる端末部と、を備え、
   前記端末部は、前記超電導線材の一端を含む端領域部と、他の前記巻線部に接続された接続体または電極である被接続部と、を電気的に接続する一対の接続用テープを有し、
   一対の前記接続用テープの一部は、前記端領域部を挟んで前記端領域部の両面に接合され、
   一対の前記接続用テープの他の一部は、前記被接続部を挟んで前記被接続部の両面に接合される、
   超電導コイル。
2. 前記端末部は、一対の前記接続用テープの間に挿入されたスペーサをさらに備え、
   前記スペーサは、２つの前記接続用テープが互いに近づく方向の変位を規制する、請求項１記載の超電導コイル。
3. 前記接続用テープは、前記巻線部を構成する前記超電導線材と同じ構成の超電導線材である、請求項１または２に記載の超電導コイル。
4. 前記接続用テープは、金属テープである、請求項１または２に記載の超電導コイル。
5. 前記巻線部を構成する前記超電導線材は、
   金属基板と酸化物超電導層とを有する超電導積層体を備え、
   一対の前記接続用テープのうち、前記超電導線材の前記金属基板が形成された側の面に接続された接続用テープと前記超電導線材との接合長さは、前記酸化物超電導層が形成された側の面に接続された接続用テープと前記超電導線材の接合長さより長い、請求項１～３のうちいずれか１項に記載の超電導コイル。

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