JP2023112744A

JP2023112744A - 超電導部材、超電導コイル及び超電導機器

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Publication number: JP2023112744A
Application number: JP2022014634A
Authority: JP
Inventors: 景子藤井; Keiko Fujii; 貴志久保木; Takashi Kuboki; 真理子林; Mariko Hayashi; 裕実子関口; Yumiko Sekiguchi; 朋子江口; Tomoko Eguchi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2022-02-02
Filing date: 2022-02-02
Publication date: 2023-08-15

Abstract

【課題】クエンチの発生が抑制された超電導部材、超電導コイル及び超電導機器を提供すること。【解決手段】実施形態によれば、超電導線材と、複数の粒子とそれぞれの粒子を囲む第１の樹脂とを含む第１の樹脂層と、第２の樹脂を含み第１の樹脂層よりも引張弾性率が低い第２の樹脂層と、を備え、第２の樹脂層は第１の樹脂層の内部にあり、第１の樹脂層は超電導線材の周囲に位置し、超電導線材と第２の樹脂層の間には第１の樹脂層が存在する超電導部材が提供される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超電導部材、超電導コイル及び超電導機器に関する。

例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ：Ｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ）や磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｍａｇｉｎｇ）では、強い磁場を発生させるために超電導コイルが用いられる。超電導コイルは、巻枠に超電導線材を巻き回すことにより形成されている。超電導線材は樹脂で囲まれている。

超電導コイルの冷却時には、超電導線材を構成する金属と樹脂の熱収縮差により樹脂に歪エネルギーが蓄積される。また、超電導コイルの通電時には、電磁力による超電導線材の動きを抑制するように樹脂に歪エネルギーが蓄積される。蓄積した歪エネルギーは、例えば、樹脂にクラックが発生したり、発熱が生じることにより解放される。また、前述した樹脂のクラックが生じる際に、例えば、樹脂同士が擦れることで摩擦熱が二次的に発生する。このような発熱により超電導線材が超電導転移温度以上に昇温し、超電導コイルの一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じる。

クエンチが生じると、例えば、超電導コイルを流れる電流が変動し、超電導コイルにより発生される磁場が不安定になる。また、例えば、クエンチが生じた部分で発生したジュール熱により、瞬時に多量の発熱が生じる熱暴走に至るおそれがある。熱暴走に至ると、超電導コイルが焼損するおそれがある。

特許第４６０７５４０号公報

本発明の実施形態は、クエンチの発生を抑制できる超電導部材、超電導コイル及び超電導機器を提供することを目的とする。

実施形態によれば、超電導線材と、複数の粒子とそれぞれの粒子を囲む第１の樹脂とを含む第１の樹脂層と、第２の樹脂を含み第１の樹脂層よりも引張弾性率が低い第２の樹脂層と、を備え、第２の樹脂層は第１の樹脂層の内部にあり、第１の樹脂層は超電導線材の周囲に位置し、超電導線材と第２の樹脂層の間には第１の樹脂層が存在する超電導部材が提供される。また、前述した超電導部材を用いることで、クエンチの発生が抑制された超電導コイル及び超電導機器が提供される。

第１の実施形態の超電導部材及び第１の樹脂層の一部の拡大模式断面図。第２の実施形態の超電導部材及び第１の樹脂層の一部の拡大模式断面図。第２の実施形態の超電導部材の他の例及び第１の樹脂層の一部の拡大模式断面図。第２の実施形態の超電導部材における超電導線材と第２の樹脂層との間の拡大模式断面図。第２の実施形態の超電導部材の更に他の一部及び第１の樹脂層の一部の拡大模式断面図。第３の実施形態の超電導コイル及び超電導線材の模式断面図。第３の実施形態の超電導コイルの模式斜視図。第４の実施形態の超電導機器のブロック図。

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には全ての図面を通じて同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。なお、各図は実施形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる点があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜設計変更することができる。

［第１の実施形態］
第１の実施形態によれば、超電導線材と、複数の粒子とそれぞれの粒子を囲む第１の樹脂とを含む第１の樹脂層と、第２の樹脂を含み第１の樹脂層よりも引張弾性率が低い第２の樹脂層と、を備え、第２の樹脂層は第１の樹脂層の内部にあり、第１の樹脂層は超電導線材の周囲に位置し、超電導線材と第２の樹脂層の間には第１の樹脂層が存在する超電導部材が提供される。

図１は、第１の実施形態の超電導部材及び第１の樹脂層の一部の拡大模式断面図である。また、図１は、超電導コイルの模式断面図である。図１において、超電導部材２００は、超電導線材２０、超電導線材２０に接する第１の樹脂層２１及び第１の樹脂層２１の内部の超電導線材２０から離れた位置に設けられる第２の樹脂層２２を備える。

超電導線材２０は、巻き回されて超電導コイルに用いられる場合、超電導コイルの軸から外側に向かう方向である第１の方向に所定距離隔てた第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを有し、第２の領域２０ｂは第１の領域２０ａに対向する。超電導線材２０には、例えば臨界温度Ｔｃの低い低温超電導物質を用いる。

第１の樹脂層２１は、複数の粒子２１ａと、粒子２１ａを囲む第１の樹脂２１ｂとを含み、超電導線材２０と接する。

第２の樹脂層２２は第２の樹脂を含む。第２の樹脂層２２は、巻き回されて超電導コイルに用いられる場合、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に存在する。

図１において、第２の樹脂層２２の第１の方向における厚さの二等分線ｐは、第１の方向において第２の樹脂層２２により近い第１の領域20aの表面と、同様に考えたときの第２の領域２０ｂの表面との距離ｄ１を２：８に分ける線から８：２に分ける線の範囲内にある。前述の線ｐは、距離ｄ１を５：５に等分する線上にあることが好ましい。また、第２の樹脂層２２が第１の領域２0a又は第２の領域２０ｂに対して平行でない場合、あるいは、断面図で見たときに第２の樹脂層２２が図１のような略四角形でない場合、第１の方向に見たときの第１の領域２0a又は第２の領域２０ｂに対して最短距離をとる第２の樹脂層２２上の点を考える。この点が、距離ｄ１を２：８に分ける線から８：２に分ける線の範囲内にあることがよい。

第２の樹脂層２２は第１の樹脂層２１よりも引張弾性率が低い。また、好ましくは、２３℃における第２の樹脂層２２に対する第１の樹脂層２１の引張弾性率の比は２以上である。

第１の樹脂層２１と第２の樹脂層２２の引張弾性率は次の方法で比較することができる。

超電導コイルの断面を切断し、１～３cm程度の小さな検体を切り出す。この検体を、例えば顕微ラマン分光装置を用い、第１の樹脂層２１、および第２の樹脂層２２に該当する領域について化学分析を行い、それぞれの樹脂成分を同定する。顕微ラマン分光では、数十μmの領域にしぼってレーザーを照射することができるので、第1の樹脂層２１と第2の樹脂２２層を分離して、化学分析が実施できる。なお、第1の樹脂層２１とする領域は、超電導線材２０から第2の樹脂層２２までの距離を4等分したうち、超電導線材２０に最も近い領域とする。第1の樹脂層２１と第2の樹脂層２２が第３領域を備える場合も同様に超電導線材２０から第2の樹脂層２２までの距離を4等分したうち、超電導線材２０に最も近い領域を選定する。この際、フィラーが密な領域が形成された領域は検体に選ばないようにする。

同定された樹脂について、２０１４年制定のJIS K 7161-2準拠で測定された23℃における引張弾性率の数値を引用する。また、第２の樹脂層２２に対する第１の樹脂層２１の引張弾性率の比は、前述した第１の樹脂層２１の引張弾性率を、第２の樹脂層２２の引張弾性率で除した値により規定することができる。

なお引張弾性率とは、引張ひずみを横軸として、引張応力を縦軸としてプロットした場合に、小さい引張ひずみ領域において応力―ひずみ曲線が直線的になる部分の傾きに該当する。

超電導部材を有する超電導コイルや超電導機器では、超電導部材の超電導線材の一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じる場合がある。特に、第１の実施形態のように、超電導線材２０に、臨界温度Ｔｃの低い低温超電導物質を用いた超電導部材２００の場合、トレーニングクエンチと称される現象が生ずることがある。

トレーニングクエンチとは、通電電流値が超電導線材２０の通電許容値より低い値でクエンチを起こす不安定現象である。この不安定現象を抑制し、超電導部材２００に安定に定格電流を流せるようにすることが要求される。安定に定格電流を流せるようにすることで、超電導部材２００の動作が安定する。

トレーニングクエンチが発生する要因としては、超電導部材２００の冷却時の部材間の熱膨張係数の違いより生じる応力、又は、電磁力による部材の変形により生じる応力が考えられる。応力に関しては、超電導部材２００を備えた超電導コイルを励磁するとき、フープ力によって超電導線材２０にはコイル外周に向かって膨らもうとする方向に力が働き、第１の樹脂層２１は、その力の働きをさまたげるように歪むことから生じる。この応力により蓄積された歪エネルギーを解放するため、樹脂にクラックが生じたり、発熱が生じる。このとき超電導線材２０と第１の樹脂層２１との間、又は第１の樹脂層２１同士が擦れることで、その界面で摩擦熱が二次的に生じて歪エネルギーが放出される。この摩擦熱を含む発熱で超電導線材２０が臨界温度Ｔｃを超えたときに、トレーニングクエンチが発生すると考えられる。

第１の実施形態の超電導部材２００は、巻き回されて超電導コイルに用いられる場合、対向する超電導線材２０の間に、第１の樹脂層２１よりも引張弾性率が低い第２の樹脂層２２を有する。また、第１の樹脂層２１は超電導線材２０の周囲に位置し、第２の樹脂層２２は第１の樹脂層２１の内部の超電導線材２０から離れた第１の樹脂層２１の内部に設けられる。これによって、クラックが生じても第１の樹脂層２１よりも第２の樹脂層２２の方の引張弾性率が低いため、超電導線材２０から離れた第２の樹脂層２２でクラックが入るように制御することができる。従って、超電導線材２０付近でのエネルギーの解放を小さくし、クエンチの発生を抑制することができる。

対向する超電導線材２０どうしの間には、第１の樹脂層２１が設けられ、第１の樹脂層２１は、粒子２１ａ及び第１の樹脂２１ｂを含む。第１の樹脂層２１が含む粒子２１ａは、フィラーである。粒子２１ａは、無機物であり得る。粒子２１ａは絶縁材料を含む。また、粒子２１ａは、シリカ、アルミナ、タルク、マイカからなる群より選ばれる少なくとも一つの無機物を含む。粒子２１ａに含まれる結晶は、前述した群より選ばれる一つの無機物の単体結晶でもよいし、前述した群より選ばれる二つ以上の化合物の結晶でもよい。この場合、シリカ、アルミナ、タルク、マイカ以外の無機物を含んでいてもよい。粒子２１aに含まれる前述した結晶は、例えば、粉末Ｘ線回折法によって同定することが可能である。また、粒子２１aは非晶質を含むことができる。粒子２１aに含まれる非晶質は、例えば、エネルギー分散型X線分析装置（ＥＤＳ：ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅｘ－ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって同定することが可能である。

粒子２１ａの粒径は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。また、粒子２１ａの粒径は、好ましくは、１μｍ以上１０μｍ以下である。この範囲内であると、粒子２１ａと第1の樹脂２１ｂとの剥離する面積が小さいため、発生するクラックを小さくすることができる。このクラックを小さくできることで粒子２１ａと第１の樹脂との界面での剥離に由来する比較的大きなエネルギー解放を抑制することができる。粒子２１aの粒径は、それぞれ等しくてもよいし、上述した粒径の範囲内であれば、異なっていてもよい。粒子２１ａの粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で取得した画像（ＳＥＭ画像）から求めることができる。

粒子２１ａの形状は、例えば、板状、球状、俵状、回転楕円体状、円柱状、繊維状、不定形状であり、特に、限定されるものではない。図１は、粒子２１ａの形状が球状の場合を例示している。

第１の樹脂２１ｂは、熱硬化性樹脂である。第１の樹脂層２１ｂは、粒子２１ａを囲む。第１の樹脂２１ｂは、バインダである。第１の樹脂２１ｂは、粒子２１ａを相互に接着するとともに、超電導線材２０が動かないように強固に固定化させることができる。

第１の樹脂２１ｂは、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、及び、メラミン樹脂から成る群から選ばれる少なくとも一つの樹脂である。

第１の樹脂２１ｂに含まれる樹脂の判定は、例えば、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ－ＩＲ）により行うことが可能である。

第２の樹脂層２２は、第１の樹脂層２１よりも引張弾性率が低い。第２の樹脂は、熱硬化性樹脂又は、熱可塑性樹脂である。第２の樹脂は、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレン、ポリアミド、フェノキシなどを用いることができる。

第1の方向に対して垂直方向に第2の樹脂層２２を観察した場合の第２の樹脂層２２の線幅Ｌ２は、超電導線材２０の線幅Ｌ１の５割以上１０割以下である。この範囲であることで、第２の樹脂層２２付近でクラックが入るように制御することができ、超電導線材２０付近でのエネルギーの解放を小さくしすることで、クエンチの発生を抑制することができる。第２の樹脂層２２のＬ２がＬ１の５割未満であると、超電導線材２０から離れた第２の樹脂層２２でクラックが入るように制御することができず、超電導線材２０でクラックが入り、クエンチが生じてしまう。また、L2がL1の１０割より大きいと、第1の方向で観察した場合、隣接した超電導線材２０に設けられた他の第２の樹脂層２２との重なりが生じてしまう場合がある。この重なりが生じることによって、隣接した超電導線材２０の第１の方向に見たときの位置がずれ、設計通りの磁場を発生させることができなくなる。また、第1の方向に対して垂直方向に第2の樹脂層２２を観察した場合の第２の樹脂層２２の線幅Ｌ２は、超電導線材２０の線幅Ｌ１の８割以上１０割以下であることが好ましい。

本実施形態に係る超電導部材は、超電導線材と、複数の粒子とそれぞれの粒子を囲む第１の樹脂とを含む第１の樹脂層と、第２の樹脂を含み第１の樹脂層よりも引張弾性率が低い第２の樹脂層と、を備え、第２の樹脂層は第１の樹脂層の内部にあり、第１の樹脂層は超電導線材の周囲に位置し、超電導線材と第２の樹脂層の間には第１の樹脂層が存在する。これによって、本実施形態に係る超電導部材が巻き回されて超電導コイルとして用いられた際、超電導線材から距離の離れた第２の樹脂層でクラックが起こり、クエンチの発生が抑制される。

［第２の実施形態］
第２の実施形態の超電導部材は、第２の樹脂層の周囲に第３領域を有する。第３領域は、第２の樹脂が第１の樹脂との相溶性を有することで生ずる。第２の実施形態は、第２の樹脂が第１の樹脂との相溶性を有する点で第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と重複する説明については記述を一部省略する。

図２は、第２の実施形態の超電導部材及び第１の樹脂層の一部の拡大模式断面図である。

第１の樹脂２１ｂは、エポキシ基とアミノ基を有する。第１の樹脂２１ｂは、例えば、エポキシ樹脂である。第１の樹脂２１ｂは、エポキシ樹脂主剤とアミン硬化剤を混合し、エポキシ基とアミノ基を反応させることで３次元網目構造を形成し、高強度な樹脂硬化体となる。第３の実施形態のような、例えば、超電導部材２００を備えた超電導コイルを考えた場合、超電導コイルは比較的サイズが大きいことから、高温に均一加熱することが難しいため、加温せずとも硬化可能な常温硬化型のアミンを硬化剤として用いることが適している。

一方第２の樹脂は、第１の樹脂２１ｂと相溶性を有する樹脂であれば何でもよい。第２の樹脂は、例えば、フェノキシ樹脂である。第２の樹脂は、熱可塑性樹脂であり、柔軟性を持つが、内部にエポキシ基を含む。内部にエポキシ基を含むことで、第２の樹脂が第１の樹脂２１ｂとの相溶性を有することができる。第２の樹脂は前述より柔軟性を有すること、更には、第２の樹脂層２２は第１の樹脂層２１の内部に設けられるために界面において第１の樹脂２１ｂのエポキシ基と第２の樹脂のエポキシ基とが触れることで第２の樹脂層２２は膨潤する。加えて、第２の樹脂層２２が膨潤した後、第１の樹脂２１ｂに含まれるアミン中のアミノ基とエポキシ基とが反応することで、第１の樹脂層２１と第２の樹脂層２２との界面で第３領域２３が形成される。

第３領域２３が形成されることで、元来、第３領域２３の位置に存在していた粒子２１ａは移動する。しかしながら、この反応が進む間に、第１の樹脂２１ｂの硬化反応も進むため、弾性率は徐々に高くなり、ある一定距離以上は粒子２１ａが拡散できない。従って、第１の方向に見たときに、第３領域２３と共に第３領域２３に接している第１の樹脂層２１の中に存在する粒子２１ａの分布には疎密がある。

前述した粒子２１ａが移動するという理由により、第３領域２３では他の領域に対して粒子２１ａが少ない、または存在していない。樹脂層は、粒子２１ａのようなフィラーを含まない場合、引張弾性率が低くなるため、粒子２１ａを含有した第１の樹脂層２１より粒子２１ａを比較的含まない第３領域２３の引張弾性率が低くなる。これによって、第３領域２３でクラックが入るように制御でき、超電導線材２０付近のエネルギーの解放を小さくできるため、クエンチの発生を抑制できる。第３領域２３の有無は断面ＳＥＭ像から確認でき、第３領域２３があるかの判定は、例えば、ラマン分光測定で各層のスペクトルを比較することで相溶しているかの判定ができる。

また、第３領域２３の引張弾性率は、第２の樹脂層２２の引張弾性率よりも低いことが好ましい。これにより更に第３領域２３でクラックが入りやすくなるので、超電導線材２０付近のエネルギーの解放を小さくできるため、クエンチの発生を抑制することができる。

第２の樹脂層２２の表面から第１の方向及び第１の方向と直行する第３の方向に沿った第３領域２３の厚みは、例えば、５～４０μｍである。前述した第３領域２３の厚みがこの範囲内にあることによって、超電導線材２０から離れた第３領域２３でクラックが入るように制御することができる。従って、超電導線材２０付近でのエネルギーの解放を小さくすることができるので、クエンチの発生を抑制することができる。また、前述した第３領域２３の厚みは、好ましくは、１０～３０μｍである。

図３は、第２の実施形態の超電導部材の他の例及び第１の樹脂層の一部の拡大模式断面図である。図４は、第２の実施形態の超電導部材における超電導線材と第２の樹脂層との間の拡大模式断面図である。

前述したように、第２の樹脂層２２が膨潤し、第３領域２３を形成することで粒子２１ａは移動するが、一方で第１の樹脂２１ｂの硬化反応も進むため、第１の樹脂層２１内部の第３領域２３付近では粒子２１ａが密となる第４領域２４が形成される。対して、超電導線材２０側の粒子２１ａでは、超電導線材２０と第２の樹脂層２２が十分離れていること及び前述した第１の樹脂２１ｂの硬化反応によって、前述した第３領域２３の形成に伴う第２の樹脂層２２付近の粒子21aの移動の伝搬が発生しにくく、第４領域２４に比べて分散しない。第２の樹脂層２２側に存在する粒子２１ａは密の状態となる。従って、第３領域２３と共に第３領域２３に接している第１の樹脂層２１中に存在する粒子２１ａの分布に第１の方向に疎密が形成される。この粒子２１ａが密となる第４領域２４にクラックが生じた際、粒子２１ａと第１の樹脂２１ｂの界面接着が特段強く処理されていない場合に、粒子２１ａ界面をクラックが伝搬しやすくなる。また粒子２１ａ界面でクラックが発生すると、大きな歪みエネルギーが解放されるため、クエンチにつながる発熱量も増加する。よって、超電導線材２０から離れた第２の樹脂層２２近辺で歪みエネルギー解放が起こるように制御でき、超電導線材２０付近のエネルギーの解放を小さくできるため、クエンチの発生が抑制される。

図５は、第２の実施形態の超電導部材の更に他の一部及び第１の樹脂層の一部の拡大模式断面図である。

第１の方向において、第１の樹脂層２１の中に存在する粒子21aの存在分布に疎密があり、超電導線材２０の近傍に存在する粒子21aの密度が第２の樹脂層２２の近傍に存在する粒子21aの密度より低い。

前述した粒子２１ａの存在分布の疎密とは、例えば、超電導線材２０の表面から第２の樹脂層２２の表面までの間に存在する第１の樹脂層２１の第１の方向への厚みをｄ２とすると、第２の樹脂層２２の表面から（１／４）×ｄ２離れた距離までの領域における粒子２１ａの密度Aが、超電導線材２０の表面から（１／４）×ｄ２離れた距離までの領域における粒子２１ａの密度Bよりも大きいということである。また、好ましくは、密度Aは密度Bの１．１倍以上（密度A≧１．１×密度B）である。

本実施形態に係る超電導部材は、超電導線材と、複数の粒子とそれぞれの粒子を囲む第１の樹脂とを含む第１の樹脂層と、第２の樹脂を含み第１の樹脂層よりも引張弾性率が低い第２の樹脂層と、を備え、第２の樹脂の周囲に存在し、前記第２の樹脂層の引張弾性率よりも低い第３領域を有する。これによって、本実施形態に係る超電導部材が巻き回されて超電導コイルとして用いられた際、超電導線材から距離の離れた第２の樹脂層でクラックが起こり、クエンチの発生が抑制される。

［第３の実施形態］
第３の実施形態によると、超電導コイルが提供される。この超電導コイルは第１の実施形態又は第２の実施形態に係る超電導部材を備えている。

図６は、第３の実施形態の超電導コイル及び超電導線材の模式断面図である。図６において、隣接する超電導線材２０を拡大した模式断面図が図１である。

超電導コイル１００は、巻枠１０、内周絶縁層（図示しない）、上部絶縁層（図示しない）、下部絶縁層（図示しない）、及び巻線部１２を備える。巻線部１２は、超電導線材２０、第１の樹脂層２１及び第２の樹脂層２２を有する。

第１の樹脂層２１及び第２の樹脂層２２は、超電導線材２０を固定することができる。第１の樹脂層２１及び第２の樹脂層２２は、超電導線材２０が、超電導機器の使用中の振動や、互いの摩擦により破壊されることを抑制することができる。また、第１の樹脂層２１及び第２の樹脂層２２は、超電導線材２０の間を絶縁する機能を有する。

内周絶縁層、上部絶縁層、及び、下部絶縁層は、例えば、繊維強化プラスチックで形成される。内周絶縁層、上部絶縁層、下部絶縁層は、巻線部１２を巻枠１０や外部に対して絶縁する機能を有する。

ここで、第１の実施形態又は第２の実施形態に係る超伝導部材を用いた超電導コイルの作製方法について説明する。

＜超電導コイルの作製＞
超電導コイルは、巻枠に超電導線材をソレノイド状に巻き回して製造する。超電導線材を一層分巻き、無機物の粒子を含有した第１の樹脂を超電導線材に塗り込んで含浸させた直後、この樹脂が固化する前に第２の樹脂を巻く。ここで、第２の樹脂層の幅は、超電導線材の線幅の８割以上１０割以下である。さらに、この第２の樹脂層の上から、超電導線材に塗り込んだものと同じ、無機物の粒子を含有した第１の樹脂を塗り込む。第１の樹脂に硬化剤を混ぜることによって、または熱によって固化する前に、超電導線材を更に一層分巻き、同じ構造を繰り返して作製する。

巻き回し方を具体的に説明すると、超電導線材２０は、第３の方向の軸を巻回中心とし、ソレノイド状に巻き回される。超電導線材２０は、例えば、第３の方向に沿って所定の長さソレノイド状に巻き回された後、最後に巻き回された位置でもう１周分、第３の方向の軸を巻回中心として巻き回される。次いで、第３の方向と反並行の向きに沿って、同様にソレノイド状に巻き回される。

図６は、後述する図７における第１の方向と第３の方向がつくる平面で超電導コイル１００切断した断面図であるため、異なる超電導線材２０が複数存在しているように見える。

超電導線材２０には、例えば、臨界温度Ｔｃが８Ｋ以上４０Ｋ以下の低温超電導物質を用いる。超電導線材２０に用いる低温超電導物質は、例えば、ニオブ・チタン合金系、ニオブ・スズ化合物系、ニオブ・アルミニウム化合物系、２ホウ化マグネシウム系の超電導物質である。

超電導線材２０は、複数のフィラメント２０ｘがマトリックス２０ｙの中に配置された構造を有する。フィラメント２０ｘは、例えば、ニオブ・チタン合金を含み、マトリックス２０ｙは銅を用いることができる。図２の例において、超電導線材２０は角線であるが、丸線でもよく、形状は何でもよい。

図７は、第１の実施形態の超電導コイルの模式斜視図である。図７は、第１の実施形態及び第２の実施形態で示した超電導線材と樹脂層とを含み、超電導線材が巻枠に巻きまわされている様子を概略的に示してある。図７において、第１の方向と第３の方向がつくる平面で超電導コイル１００を切断した際に得られる断面を表した図が図６である。

超電導線材は、例えば、線状である。超電導線材は、巻回中心Ｃを中心に、第２の方向に沿ってソレノイド状に巻枠１０に巻き回される。

超電導コイル１００は、例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、核磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、重粒子線治療器、又は、超電導磁気浮上式鉄道車両などの超電導機器の磁場発生用のコイルとして用いられる。
第３の実施形態に係る超電導コイルは、第１の実施形態又は第２の実施形態に係る超電導部材を搭載している。第１の実施形態又は第２の実施形態に係る超電導部材ではクエンチの発生が抑制されているため、同様にクエンチの発生が抑制された超電導コイルを提供することが可能である

［第４の実施形態］
第４の実施形態の超電導機器は、第３の実施形態の超電導コイルを備えた超電導機器である。以下、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図８は、第４の実施形態の超電導機器のブロック図である。第４の実施形態の超電導機器は、重粒子線治療器３００である。重粒子線治療器３００は、超電導機器の一例である。

重粒子線治療器３００は、入射系５０、シンクロトロン加速器５２、ビーム輸送系５４、照射系５６、制御系５８を備える。

入射系５０は、例えば、治療に用いる炭素イオンを生成し、シンクロトロン加速器５２に入射するための予備加速を行う機能を有する。入射系５０は、例えば、イオン発生源と線形加速器を有する。

シンクロトロン加速器５２は、入射系５０から入射された炭素イオンビームを治療に適合したエネルギーまで加速する機能を有する。シンクロトロン加速器５２に、第３の実施形態の超電導コイルが用いられる。

ビーム輸送系５４は、シンクロトロン加速器５２から入射された炭素イオンビームを照射系５６まで輸送する機能を有する。ビーム輸送系５４は、例えば、偏向電磁石を有する。

照射系５６は、ビーム輸送系５４から入射された炭素イオンビームを照射対象である患者に照射する機能を備える。照射系５６は、例えば、炭素イオンビームを任意の方向から照射可能にする回転ガントリーを有する。回転ガントリーに、第３の実施形態の超電導コイルが用いられる。

制御系５８は、入射系５０、シンクロトロン加速器５２、ビーム輸送系５４、及び、照射系５６の制御を行う。制御系５８は、例えば、コンピュータである。

第４の実施形態の重粒子線治療器３００は、シンクロトロン加速器５２及び回転ガントリーに、第３の実施形態の超電導コイルが用いられる。したがって、クエンチの発生が抑制され高い信頼性が実現される。

第４の実施形態では、超電導機器の一例として、重粒子線治療器３００の場合を説明したが、超電導機器は、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、又は、超電導磁気浮上式鉄道車両であっても構わない。

第４の実施形態に係る超電導機器は、第３の実施形態に係る超電導コイルを搭載している。超電導コイルではクエンチの発生が抑制されているため、信頼性の高い超電導機器を提供することが可能である。

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。これら新規な実施形態は、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る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１０…巻枠、２０…超電導線材、２０ａ…第１領域、２０ｂ…第２領域、２１…第１の樹脂層、２１ａ…粒子、２１ｂ…第１の樹脂、２２…第２の樹脂層、２３…第３領域、２４…第４領域、１００…超電導コイル、２００…超電導部材、３００…重粒子線治療器。

Claims

超電導線材と、
複数の粒子とそれぞれの前記粒子を囲む第１の樹脂とを含む第１の樹脂層と、
第２の樹脂を含み前記第１の樹脂層よりも引張弾性率が低い第２の樹脂層と、を備え、
前記第２の樹脂層は前記第１の樹脂層の内部にあり、前記第１の樹脂層は前記超電導線材の周囲に位置し、前記超電導線材と前記第２の樹脂層の間には前記第１の樹脂層が存在する超電導部材。
前記第１の樹脂は熱硬化性樹脂である、請求項１に記載の超電導部材。
前記第２の樹脂は熱可塑性樹脂である、請求項１又は請求項２に記載の超電導部材。
前記第２の樹脂層の周囲に存在し、前記第２の樹脂層の引張弾性率よりも低い第３領域を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導部材。
第１の方向において、前記第１の樹脂層の中に存在する前記粒子の分布に疎密があり、前記超電導線材の近傍に存在する前記粒子の密度が前記第２の樹脂層の近傍に存在する前記粒子の密度より低い、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導部材。
前記疎密とは、前記超電導線材の表面から前記第２の樹脂層の表面までの間に存在する前記第１の樹脂層の第１の方向への厚みをｄ２とすると、前記第２の樹脂層の表面から（１／４）×ｄ２離れた距離までの領域における前記粒子の密度Aが、前記超電導線材の表面から（１／４）×ｄ２離れた距離までの領域における前記粒子の密度Bより高い、請求項５に記載の超電導部材。
前記密度Aは前記密度Bの１．１倍以上（密度A≧１．１×密度B）である、請求項６に記載の超電導部材。
前記粒子は絶縁材料を含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導部材。
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超電導部材を備える超電導コイル。
巻枠と、
前記巻枠に巻き回される請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超電導部材と、を備える超電導コイル。
請求項９又は請求項１０に記載の超電導コイルを備える超電導機器。