JP4413365B2 - 超電導コイル装置および超電導コイルの接続方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導体を用いた超電導コイル装置および超電導コイルの接続方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎなどの金属系超電導体からなる超電導コイルの接続では、スイッチバック接続を用いる方法があった。
【０００３】
図７は、従来の超電導コイルのスイッチバック接続方法を示す斜視図である。図７（ａ）において、ダブルパンケーキコイル１０１には含浸部１０３が形成され、ダブルパンケーキコイル１０１の外周部から超電導線１０２ａ、１０２ｂが引き出されている。そして、図７（ｂ）に示すように、超電導線１０２ａ、１０２ｂが同一方向に重ね合わされた後、はんだ付けや拡散接合により接続箇所１０４が形成される。
【０００４】
このスイッチバック接続では、超電導線１０２ａ、１０２ｂが外部に引き出されるため、作業性に優れる。また、超電導線１０２ａ、１０２ｂが同一方向に重ね合わされるため、接続面積を大きく取ることができる。このため、接続抵抗を低減することができ、ジュール発熱を抑制することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スイッチバック接続では、超電導線が外部に引き出されるため、超電導線の引き出し部分が容易に撓んだり、折れ曲がったりするという問題がある。
【０００６】
図８は、従来の超電導コイルの概略構成を示す斜視図である。図８において、シングルパンケーキコイル１１１には含浸部１１３が形成されている。ここで、、超電導線の引き出し部１１２は、スイッチバック接続が行われるため、樹脂含浸が行われない。この結果、超電導線の引き出し部１１２は、容易に撓んだり、折れ曲がったりして、容易に歪みが加わる。
【０００７】
このため、超電導コイルを酸化物超電導線で形成すると、酸化物超電導線は、機械的に特に弱いことから、微少な応力や歪みが加わっても、臨界電流などの超電導特性が大きく劣化するという問題があった。
【０００８】
また、酸化物超電導線の場合には、スイッチバック接続以外の方法によっても、接続箇所に歪みが加わることを防止することは困難である。
【０００９】
このため、従来の酸化物超電導線の接続方法では、超電導特性を劣化させることなく、酸化物超電導線の接続を行うことは困難であった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、超電導体を接続する際の超電導体に発生する歪みを低減することが可能な超電導コイルおよび超電導体の接続方法を提供することである。
【００１１】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の発明によれば、接続部をコイルの周に沿わせたまま含浸され、積み重ねられて、接続対象となるコイルの最外周または最内周の少なくとも一部の領域の酸化物超電導体が露出された複数の超電導コイルと、接続対象となる前記コイル間の段差を軽減するスペーサと、前記酸化物超電導体の露出部間を、前記スペーサを介し、前記コイルの最外周または最内周に沿って、前記酸化物超電導体の露出部を覆って接続する酸化物超電導体からなる接続手段と、を備え、前記スペーサは、前記接続手段に発生する歪みを０．５％以下にするスペーサであることを特徴とする。
【００１２】
これにより、超電導線の接続箇所でのコイルとしての一体性を保ったまま、超電導線の接続を行うことが可能となり、超電導線の接続を行う際に超電導線の接続箇所が撓んだり、折れ曲がったりすることがなくなることから、超電導線を接続する際の超電導線に発生する歪みを低減することが可能となる。
【００１３】
ここで、前記接続手段は、前記コイルの最外周または最内周の少なくとも一部の領域に密着する板状、リング状または筒状の接続治具であることが好ましい。
【００１４】
これにより、超電導線の接続箇所でのコイルとしての一体性を保ったまま、超電導線の接続を行うことが可能となるとともに、接続治具自体もコイルと一体化することが可能となり、超電導線の接続箇所における強度を向上させることが可能となる。
【００１５】
また、前記接続治具は、互いに隣接するコイル同士を導電させる導電部と、前記導電部と一体的に形成され、他のコイルとの絶縁をとる絶縁部とを備えることが好ましい。
【００１６】
これにより、パンケーキコイルを積み重ねて接続治具をはめ込むだけでパンケーキコイルを直列に接続することが可能となり、超電導コイルの強度を向上させつつ、超電導コイルの磁力を上げることが可能となる。
【００１７】
また、前記接続手段は、前記超電導線の長手方向と垂直に接続を行うことが好ましい。
【００１８】
これにより、パンケーキコイルを積み重ねた際の接続を、パンケーキコイルに歪みを与えることなく行うことが可能となるとともに、超電導線の長手方向に接続手段を延ばすだけで、接続面積を容易に増加させることが可能となり、超電導特性の劣化を抑制しつつ、接続抵抗を低減することが可能となる。
【００１９】
また、前記接続手段の接続面積は、コイル一周分であることが好ましい。
【００２０】
これにより、超電導線に歪みを与えることなく、大きな接続面積を確保することが可能となり、接続抵抗をほとんど発生させることなく、超電導線の接続を行うことが可能となる。
【００２１】
また、前記接続手段は、酸化物高温超電導体であることが好ましい。
【００２２】
これにより、接続抵抗を発生させることなく、超電導線を接続することが可能となる。
【００２３】
また、前記接続手段は、圧着または拡散接合により前記超電導線の接続を行うことが好ましい。
【００２４】
これにより、酸化物高温超電導体同士を直接接続することが可能となり、接続抵抗を低減することが可能となる。
【００２５】
また、接続対象となるコイル間の段差を軽減するスペーサをさらに備えることが好ましい。
【００２６】
これにより、接続対象となるコイル間に段差がある場合においても、接続手段を折り曲げることなく、コイル同士の接続を行うことが可能となり、接続手段に歪みが発生することを防止することが可能となる。
【００２７】
また、前記スペーサは、前記接続手段に発生する歪みを０．５％以下とすることが好ましい。
【００２８】
これにより、接続手段が酸化物高温超電導体である場合においても、超電導特性の劣化を抑制しつつ、コイル同士の接続を行うことが可能となる。
【００２９】
また、前記スペーサは、はんだ、金属板、金属箔、導電性ペースト、導電性テープ、または導電性フィルムであることが好ましい。
【００３０】
これにより、接続手段の形状に対応させてスペーサを容易に挿入することが可能となるとともに、スペーサによる接続抵抗の増加を抑制することが可能となる。
【００３１】
また、請求項８記載の発明によれば、超電導コイルの接続部を該コイルの周に沿わせたまま含浸を行うステップと、前記超電導コイルを複数積み重ねるステップと、接続対象となる前記超電導コイル間の段差を軽減し、接続手段に発生する歪みを０．５％以下にするスペーサを設置するステップと、前記超電導コイルの接続部を前記スペーサを介して酸化物超電導体からなる接続手段で覆うことにより、前記超電導コイルの接続を行うステップとを備えることを特徴とする。
【００３２】
これにより、超電導線をコイルから引き出すことなしに、十分な接続面積を確保しつつ超電導線の接続を行うことが可能となり、超電導線を接続する際の歪みおよび接続抵抗を低減することが可能となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係わる超電導コイルおよびその接続方法について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、銀シース酸化物超電導線を用いたパンケーキコイル同士の接続方法を例に取って述べるが、本発明は、銀シース酸化物超電導線を用いたパンケーキコイル同士の接続に限定されるものではない。
【００３４】
図１は、本発明の第１実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。図１（ａ）において、超電導コイル１ａは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル１ｂは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれ、各超電導コイル１ａ、１ｂには含浸部３ａ、３ｂが形成されている。ここで、含浸部３ａ、３ｂは、コイル最外層２ａ、２ｂの外周面を除いて、超電導コイル１ａ、１ｂの上下面全体に渡って形成されている。このため、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線は、超電導コイル１ａ、１ｂの外周面に密着するとともに、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線の少なくとも一部の領域は露出している。含浸部３ａ、３ｂの形成方法は、銀シース酸化物超電導線をコイル状に巻いた後、コイル最外層２ａ、２ｂの外周面をテープなどで覆って、エポキシ樹脂などを含浸させることができる。また、銀シース酸化物超電導線をコイル状に巻く時に、銀シース酸化物超電導線の内側に樹脂などを巻き込むことにより、含浸部３ａ、３ｂを形成することもできる。
【００３５】
次に、図１（ｂ）に示すように、各超電導コイル１ａ、１ｂを互いに重ね合わせ、超電導コイル１ａ、１ｂの外周面に沿ってコイル最外層２ａ、２ｂの露出面を覆うようにして、接続治具４を各超電導コイル１ａ、１ｂに接続する。ここで、接続治具４とコイル最外層２ａ、２ｂの露出面との接続は、はんだなどのロウ付けや拡散接合などを用いることができる。なお、はんだなどのロウ材を接続治具４の内側に予め形成しておいてもよい。
【００３６】
接続治具４は、銀や銅などの低抵抗の金属板や金属テープ、酸化物超電導体や酸化物超電導線などを用いることができる。また、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シースを除去し、コイル最外層２ａ、２ｂの酸化物超電導体を露出させて、接続治具４をコイル最外層２ａ、２ｂの酸化物超電導体に直接接続するようにしてもよい。ここで、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シースを除去方法は、銀シースの部分を削り取ったり、酸などの薬品で銀シースの部分をエッチングしたりすることができる。
【００３７】
なお、接続治具４は、図１（ｃ）に示すように、銀シース酸化物超電導線の長手方向に垂直に分割されていてもよい。
【００３８】
また、図１の例では、接続治具４がコイル最外層２ａ、２ｂの外周面の一部を覆う例について説明したが、接続治具４はコイル最外層２ａ、２ｂの外周面全体を覆うようにしてもよい。
【００３９】
このように、上述した実施形態によれば、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線が含浸部３ａ、３ｂにより超電導コイル１ａ、１ｂの外周面に密着された状態で、超電導コイル１ａ、１ｂ間の導通をとることが可能となり、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線に歪みが加わることを抑制することが可能となる。このため、超電導コイル１ａ、１ｂを接続する際の超電導特性の劣化を防止することが可能となり、より強力な超電導磁石を製作することが可能となる。
【００４０】
また、コイル最外層２ａ、２ｂが接続治具４により覆われるため、コイル最外層２ａ、２ｂを保護することが可能となり、超電導コイル１ａ、１ｂの強度を向上させることが可能となる。
【００４１】
さらに、超電導コイル１ａ、１ｂの外周面に沿って接続治具４を取り付けることが可能となることから、接続治具４に負荷がかかることを抑制することが可能となり、接続治具４にかかる歪みを低減させることが可能となるとともに、取り扱いの容易な超電導磁石を提供することが可能となる。
【００４２】
さらにまた、接続治具４を銀シース酸化物超電導線の長手方向に延伸させるだけで、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線と接続治具４との接触面積を増加させることが可能となり、接触抵抗を容易に小さくすることが可能となる。
【００４３】
図２は、本発明の第２実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。図２（ａ）において、超電導コイル１１ａは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル１１ｂは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれている。そして、コイル最外層１２ａ、１２ｂの外周面を除き、超電導コイル１１ａ、１１ｂの上下面全体に渡って含浸部１３ａ、１３ｂが形成されている。ここで、各超電導コイル１１ａ、１１ｂの製造時のばらつきなどにより、超電導コイル１１ａの外径は、超電導コイル１１ｂの外径より小さいものとする。このような製造時のばらつきは、銀シース酸化物超電導線の厚みのばらつきや、含浸部１３ａ、１３ｂに用いられる含浸剤の不均一などにより容易に発生する。
【００４４】
次に、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、超電導コイル１１ａ、１１ｂを互いに重ね合わせる。この時、各超電導コイル１１ａ、１１ｂの外径の違いにより、超電導コイル１１ａ、１１ｂ間に段差１６が発生する。そこで、超電導コイル１１ａ、１１ｂを接続治具１４で接続する場合、コイル最外層２ａ、２ｂの外周面をスペーサ１５を介して接続治具１４で覆うようにする。ここで、スペーサ１５の厚さは、段差１６の幅Ｗに相当することが好ましい。
【００４５】
これにより、超電導コイル１１ａ、１１ｂ間に段差１６がある場合においても、接続治具１４を折り曲げることなく、各超電導コイル１１ａ、１１ｂを接続治具１４を介して接続することが可能となり、接続治具１４にかかる歪みを低減することができる。この結果、接続治具１４が酸化物超電導体で形成されている場合においても、超電導特性の劣化を防止することが可能となる。
【００４６】
なお、スペーサ１５は、酸化物超電導体のほか、銀シース酸化物超電導線、酸化物超電導粉末を含む導電性ペースト、銀や銅などの低抵抗の金属板や金属テープなどを用いることができる。
【００４７】
図３は、本発明の一実施形態に係わるＩｃ−ε曲線を示す図である。図３において、接続治具１４を酸化物超電導体により構成し、接続治具１４にかかる歪みεを大きくすると、接続治具１４の臨界電流Ｉｃは低下し、歪みεが０．５％に達すると、接続治具１４の破断に至る。
【００４８】
従って、接続治具１４が酸化物超電導体の場合、接続治具１４にかかる歪みεを０．５％以下にすることが好ましく、スペーサ１５を用いることにより、この歪みεを緩和することができる。また、接続治具１４にかかる歪みεを０．２％以下として、臨界電流Ｉｃの低下を防止するようにしてもよい。
【００４９】
図４は、本発明の第３実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。図４（ａ）において、超電導コイル２１ａは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル２１ｂは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれている。そして、コイル最外層２２ａ、２２ｂの外周面を除き、超電導コイル２１ａ、２１ｂの上下面全体に渡って含浸部２３が形成されている。
【００５０】
また、切り欠き部２５を有する円環状の接続リング２４が用意される。ここで、接続リング２４は、銀や銅などの低抵抗の金属、酸化物超電導体、または銀シース酸化物超電導線などにより構成することができる。また、接続リング２４の内径は、超電導コイル２１ａ、２１ｂの外径とほぼ一致していることが好ましい。さらに、接続リング２４の高さは、超電導コイル２１ａ、２１ｂの個数分の高さとほぼ一致することが好ましい。例えば、２個の超電導コイル２１ａ、２１ｂの接続を行う場合、接続リング２４の高さは、２個分の超電導コイル２１ａ、２１ｂの高さに設定することができる。なお、切り欠き部２５はなくてもよい。
【００５１】
次に、図４（ｂ）に示すように、超電導コイル２１ａ、２１ｂを互いに重ね合わせ、接続リング２４を超電導コイル２１ａ、２１ｂの外周に沿ってはめ込む。ここで、接続リング２４とコイル最外層２２ａ、２２ｂとの導通は、圧着、または拡散接合などでとることができる。あるいは、接続リング２４の内側に、はんだなどのロウ材を、メッキや蒸着などで予め形成しておくようにしてもよい。
【００５２】
これにより、接続リング２４で超電導コイル２１ａ、２１ｂの外周を保護することが可能となるとともに、コイル最外層２２ａ、２２ｂの銀シース酸化物超電導線に歪みを与えることなく、超電導コイル２１ａ、２１ｂの接続を行うことが可能となる。また、大きな接続面積を確保することができ、接触抵抗の容易に低減することが可能となる。
【００５３】
図５は、本発明の第４実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。図５（ｂ）において、超電導コイル３１ａは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル３１ｂは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれている。そして、コイル最内層３２ａ、３２ｂの内周面を除き、超電導コイル３１ａ、３１ｂの上下面全体に渡って含浸部３３が形成されている。
【００５４】
一方、図５（ａ）において、接続筒３７は、円筒状の導電部３４ａ〜３４ｃおよび円筒状の絶縁部３５ａ、３５ｂが交互に積層されている。ここで、導電部３４ａ〜３４ｃは、銀や銅などの低抵抗の金属、酸化物超電導体などにより構成することができる。また、接続筒３７の径は、超電導コイル３１ａ、３１ｂの内径とほぼ一致していることが好ましい。さらに、接続筒３７の高さは、超電導コイル３１ａ、３１ｂの個数分の高さとほぼ一致することが好ましく、各導電部３４ａ〜３４ｃの高さは、超電導コイル３１ａ、３１ｂを２個積み上げた高さ程度であることが好ましい。
【００５５】
次に、図５（ｂ）に示すように、各超電導コイル３１ａ、３１ｂを互いに重ね合わせ、接続筒３７を超電導コイル３１ａ、３１ｂの内周に沿って挿入する。ここで、接続筒３７とコイル最内層３２ａ、３２ｂとの導通は、圧着、または拡散接合などでとることができる。あるいは、導電部３４ａ〜３４ｃの表面に、はんだなどのロウ材を、メッキや蒸着などで予め形成しておくようにしてもよい。
【００５６】
または、図５（ｃ）に示すように、接続筒３７を超電導コイル３１ａ、３１ｂの内周に沿って挿入した後、接続筒３７と超電導コイル３１ａ、３１ｂとの隙間にはんだ３６ａ、３６ｂを流し込むことにより、導通をとるようにしてもよい。
【００５７】
これにより、はんだ３６ａ、３６ｂが銀により均一に加熱されるため、最大でコイル一周分の面積を利用した均一な接続を行うことが可能となる。
【００５８】
また、接続筒３７に絶縁部３５ａ、３５ｂを設けることにより、他コイルとの絶縁をとりながら、超電導コイル３１ａ、３１ｂの接続を行うことが可能となり、複数のパンケーキコイルの直列接続を容易に行うことが可能となる。
【００５９】
図６は、本発明の一実施形態に係わる超電導コイルの直列接続方法を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の超電導コイルの等価回路である。図６において、超電導コイル４１ａ〜４１ｃは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル４２ａ〜４２ｃは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれている。そして、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃの内周面および外周面を除いて、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃの上下面全体に渡って含浸部が形成されている。
【００６０】
ここで、右回りの超電導コイル４１ａ〜４１ｃと左回りの超電導コイル４２ａ〜４２ｃが交互に積み重ねられ、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃの外周には、導電リング４３ａ〜４３ｄおよび絶縁リング４４ａ〜４４ｃが交互にはめ込まれ、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃの内周には、導電筒４５ａ〜４５ｃおよび絶縁筒４６ａ、４６ｂが交互に挿入されている。
【００６１】
この結果、超電導コイル４１ａの最外層から入力された電流は、超電導コイル４１ａを反時計回りに回って、超電導コイル４１ａの最内層に至り、導電筒４５ａを伝って、超電導コイル４２ａの最内層に至る。さらに、超電導コイル４２ａを反時計回りに回って、超電導コイル４２ａの最外層に至り、導電リング４３ｂを伝って、超電導コイル４１ｂの最外層に至る。さらに、超電導コイル４１ｂを反時計回りに回って、超電導コイル４１ｂの最内層に至り、導電筒４５ｂを伝って、超電導コイル４２ｂの最内層に至る。さらに、超電導コイル４２ｂを反時計回りに回って、超電導コイル４２ｂの最外層に至り、導電リング４３ｃを伝って、超電導コイル４１ｃの最外層に至る。さらに、超電導コイル４１ｃを反時計回りに回って、超電導コイル４１の最内層に至り、導電筒４５ｃを伝って、超電導コイル４２ｃの最内層に至る。さらに、超電導コイル４２ｃを反時計回りに回って、超電導コイル４２ｃの最外層に至り、外部に出力される。
【００６２】
この結果、超電導コイル４１ａの最外層から入力された電流は、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃを同方向に回り、この電流により発生する磁界は強め合う。これにより、超電導特性に優れ、強力で強固な超電導磁石を製作することが可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超電導体を接続する際の超電導体に発生する歪みを低減することが可能となり、超電導特性の劣化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わるＩｃ−ε曲線を示す図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の一実施形態に係わる超電導コイルの直列接続方法を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の超電導コイルの等価回路である。
【図７】従来の超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図８】従来の超電導コイルの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ、４１ａ〜４１ｃ、４２ａ〜４２ｃ 超電導コイル
２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ コイル最外層
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、２３、３３ 含浸部
４、１４ 接続治具
１５ スペーサ
１６ 段差
１７ コイル中心
２４ 接続リング
２５ 切り欠き部
３２ａ、３２ｂ コイル最内層
３４ａ〜３４ｃ 導電部
３５ａ、３５ｂ 絶縁部
３６ａ、３６ｂ はんだ
３７ 接続筒
４３ａ〜４３ｄ 導電リング
４４ａ〜４４ｃ 絶縁リング
４５ａ〜４５ｃ 導電筒
４６ａ、４６ｂ 絶縁筒
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導体を用いた超電導コイル装置および超電導コイルの接続方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎなどの金属系超電導体からなる超電導コイルの接続では、スイッチバック接続を用いる方法があった。
【０００３】
図７は、従来の超電導コイルのスイッチバック接続方法を示す斜視図である。図７（ａ）において、ダブルパンケーキコイル１０１には含浸部１０３が形成され、ダブルパンケーキコイル１０１の外周部から超電導線１０２ａ、１０２ｂが引き出されている。そして、図７（ｂ）に示すように、超電導線１０２ａ、１０２ｂが同一方向に重ね合わされた後、はんだ付けや拡散接合により接続箇所１０４が形成される。
【０００４】
このスイッチバック接続では、超電導線１０２ａ、１０２ｂが外部に引き出されるため、作業性に優れる。また、超電導線１０２ａ、１０２ｂが同一方向に重ね合わされるため、接続面積を大きく取ることができる。このため、接続抵抗を低減することができ、ジュール発熱を抑制することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スイッチバック接続では、超電導線が外部に引き出されるため、超電導線の引き出し部分が容易に撓んだり、折れ曲がったりするという問題がある。
【０００６】
図８は、従来の超電導コイルの概略構成を示す斜視図である。図８において、シングルパンケーキコイル１１１には含浸部１１３が形成されている。ここで、、超電導線の引き出し部１１２は、スイッチバック接続が行われるため、樹脂含浸が行われない。この結果、超電導線の引き出し部１１２は、容易に撓んだり、折れ曲がったりして、容易に歪みが加わる。
【０００７】
このため、超電導コイルを酸化物超電導線で形成すると、酸化物超電導線は、機械的に特に弱いことから、微少な応力や歪みが加わっても、臨界電流などの超電導特性が大きく劣化するという問題があった。
【０００８】
また、酸化物超電導線の場合には、スイッチバック接続以外の方法によっても、接続箇所に歪みが加わることを防止することは困難である。
【０００９】
このため、従来の酸化物超電導線の接続方法では、超電導特性を劣化させることなく、酸化物超電導線の接続を行うことは困難であった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、超電導体を接続する際の超電導体に発生する歪みを低減することが可能な超電導コイルおよび超電導体の接続方法を提供することである。
【００１１】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の発明によれば、接続部をコイルの周に沿わせたまま含浸され、積み重ねられて、接続対象となるコイルの最外周または最内周の少なくとも一部の領域の酸化物超電導体が露出された複数の超電導コイルと、接続対象となる前記コイル間の段差を軽減するスペーサと、前記酸化物超電導体の露出部間を、前記スペーサを介し、前記コイルの最外周または最内周に沿って、前記酸化物超電導体の露出部を覆って接続する酸化物超電導体からなる接続手段と、を備え、前記スペーサは、前記接続手段に発生する歪みを０．５％以下にするスペーサであることを特徴とする。
【００１２】
これにより、超電導線の接続箇所でのコイルとしての一体性を保ったまま、超電導線の接続を行うことが可能となり、超電導線の接続を行う際に超電導線の接続箇所が撓んだり、折れ曲がったりすることがなくなることから、超電導線を接続する際の超電導線に発生する歪みを低減することが可能となる。
【００１３】
ここで、前記接続手段は、前記コイルの最外周または最内周の少なくとも一部の領域に密着する板状、リング状または筒状の接続治具であることが好ましい。
【００１４】
これにより、超電導線の接続箇所でのコイルとしての一体性を保ったまま、超電導線の接続を行うことが可能となるとともに、接続治具自体もコイルと一体化することが可能となり、超電導線の接続箇所における強度を向上させることが可能となる。
【００１５】
また、前記接続治具は、互いに隣接するコイル同士を導電させる導電部と、前記導電部と一体的に形成され、他のコイルとの絶縁をとる絶縁部とを備えることが好ましい。
【００１６】
これにより、パンケーキコイルを積み重ねて接続治具をはめ込むだけでパンケーキコイルを直列に接続することが可能となり、超電導コイルの強度を向上させつつ、超電導コイルの磁力を上げることが可能となる。
【００１７】
また、前記接続手段は、前記超電導線の長手方向と垂直に接続を行うことが好ましい。
【００１８】
これにより、パンケーキコイルを積み重ねた際の接続を、パンケーキコイルに歪みを与えることなく行うことが可能となるとともに、超電導線の長手方向に接続手段を延ばすだけで、接続面積を容易に増加させることが可能となり、超電導特性の劣化を抑制しつつ、接続抵抗を低減することが可能となる。
【００１９】
また、前記接続手段の接続面積は、コイル一周分であることが好ましい。
【００２０】
これにより、超電導線に歪みを与えることなく、大きな接続面積を確保することが可能となり、接続抵抗をほとんど発生させることなく、超電導線の接続を行うことが可能となる。
【００２１】
また、前記接続手段は、酸化物高温超電導体であることが好ましい。
【００２２】
これにより、接続抵抗を発生させることなく、超電導線を接続することが可能となる。
【００２３】
また、前記接続手段は、圧着または拡散接合により前記超電導線の接続を行うことが好ましい。
【００２４】
これにより、酸化物高温超電導体同士を直接接続することが可能となり、接続抵抗を低減することが可能となる。
【００２５】
また、接続対象となるコイル間の段差を軽減するスペーサをさらに備えることが好ましい。
【００２６】
これにより、接続対象となるコイル間に段差がある場合においても、接続手段を折り曲げることなく、コイル同士の接続を行うことが可能となり、接続手段に歪みが発生することを防止することが可能となる。
【００２７】
また、前記スペーサは、前記接続手段に発生する歪みを０．５％以下とすることが好ましい。
【００２８】
これにより、接続手段が酸化物高温超電導体である場合においても、超電導特性の劣化を抑制しつつ、コイル同士の接続を行うことが可能となる。
【００２９】
また、前記スペーサは、はんだ、金属板、金属箔、導電性ペースト、導電性テープ、または導電性フィルムであることが好ましい。
【００３０】
これにより、接続手段の形状に対応させてスペーサを容易に挿入することが可能となるとともに、スペーサによる接続抵抗の増加を抑制することが可能となる。
【００３１】
また、請求項８記載の発明によれば、超電導コイルの接続部を該コイルの周に沿わせたまま含浸を行うステップと、前記超電導コイルを複数積み重ねるステップと、接続対象となる前記超電導コイル間の段差を軽減し、接続手段に発生する歪みを０．５％以下にするスペーサを設置するステップと、前記超電導コイルの接続部を前記スペーサを介して酸化物超電導体からなる接続手段で覆うことにより、前記超電導コイルの接続を行うステップとを備えることを特徴とする。
【００３２】
これにより、超電導線をコイルから引き出すことなしに、十分な接続面積を確保しつつ超電導線の接続を行うことが可能となり、超電導線を接続する際の歪みおよび接続抵抗を低減することが可能となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係わる超電導コイルおよびその接続方法について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、銀シース酸化物超電導線を用いたパンケーキコイル同士の接続方法を例に取って述べるが、本発明は、銀シース酸化物超電導線を用いたパンケーキコイル同士の接続に限定されるものではない。
【００３４】
図１は、本発明の第１実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。図１（ａ）において、超電導コイル１ａは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル１ｂは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれ、各超電導コイル１ａ、１ｂには含浸部３ａ、３ｂが形成されている。ここで、含浸部３ａ、３ｂは、コイル最外層２ａ、２ｂの外周面を除いて、超電導コイル１ａ、１ｂの上下面全体に渡って形成されている。このため、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線は、超電導コイル１ａ、１ｂの外周面に密着するとともに、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線の少なくとも一部の領域は露出している。含浸部３ａ、３ｂの形成方法は、銀シース酸化物超電導線をコイル状に巻いた後、コイル最外層２ａ、２ｂの外周面をテープなどで覆って、エポキシ樹脂などを含浸させることができる。また、銀シース酸化物超電導線をコイル状に巻く時に、銀シース酸化物超電導線の内側に樹脂などを巻き込むことにより、含浸部３ａ、３ｂを形成することもできる。
【００３５】
次に、図１（ｂ）に示すように、各超電導コイル１ａ、１ｂを互いに重ね合わせ、超電導コイル１ａ、１ｂの外周面に沿ってコイル最外層２ａ、２ｂの露出面を覆うようにして、接続治具４を各超電導コイル１ａ、１ｂに接続する。ここで、接続治具４とコイル最外層２ａ、２ｂの露出面との接続は、はんだなどのロウ付けや拡散接合などを用いることができる。なお、はんだなどのロウ材を接続治具４の内側に予め形成しておいてもよい。
【００３６】
接続治具４は、銀や銅などの低抵抗の金属板や金属テープ、酸化物超電導体や酸化物超電導線などを用いることができる。また、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シースを除去し、コイル最外層２ａ、２ｂの酸化物超電導体を露出させて、接続治具４をコイル最外層２ａ、２ｂの酸化物超電導体に直接接続するようにしてもよい。ここで、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シースを除去方法は、銀シースの部分を削り取ったり、酸などの薬品で銀シースの部分をエッチングしたりすることができる。
【００３７】
なお、接続治具４は、図１（ｃ）に示すように、銀シース酸化物超電導線の長手方向に垂直に分割されていてもよい。
【００３８】
また、図１の例では、接続治具４がコイル最外層２ａ、２ｂの外周面の一部を覆う例について説明したが、接続治具４はコイル最外層２ａ、２ｂの外周面全体を覆うようにしてもよい。
【００３９】
このように、上述した実施形態によれば、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線が含浸部３ａ、３ｂにより超電導コイル１ａ、１ｂの外周面に密着された状態で、超電導コイル１ａ、１ｂ間の導通をとることが可能となり、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線に歪みが加わることを抑制することが可能となる。このため、超電導コイル１ａ、１ｂを接続する際の超電導特性の劣化を防止することが可能となり、より強力な超電導磁石を製作することが可能となる。
【００４０】
また、コイル最外層２ａ、２ｂが接続治具４により覆われるため、コイル最外層２ａ、２ｂを保護することが可能となり、超電導コイル１ａ、１ｂの強度を向上させることが可能となる。
【００４１】
さらに、超電導コイル１ａ、１ｂの外周面に沿って接続治具４を取り付けることが可能となることから、接続治具４に負荷がかかることを抑制することが可能となり、接続治具４にかかる歪みを低減させることが可能となるとともに、取り扱いの容易な超電導磁石を提供することが可能となる。
【００４２】
さらにまた、接続治具４を銀シース酸化物超電導線の長手方向に延伸させるだけで、コイル最外層２ａ、２ｂの銀シース酸化物超電導線と接続治具４との接触面積を増加させることが可能となり、接触抵抗を容易に小さくすることが可能となる。
【００４３】
図２は、本発明の第２実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。図２（ａ）において、超電導コイル１１ａは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル１１ｂは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれている。そして、コイル最外層１２ａ、１２ｂの外周面を除き、超電導コイル１１ａ、１１ｂの上下面全体に渡って含浸部１３ａ、１３ｂが形成されている。ここで、各超電導コイル１１ａ、１１ｂの製造時のばらつきなどにより、超電導コイル１１ａの外径は、超電導コイル１１ｂの外径より小さいものとする。このような製造時のばらつきは、銀シース酸化物超電導線の厚みのばらつきや、含浸部１３ａ、１３ｂに用いられる含浸剤の不均一などにより容易に発生する。
【００４４】
次に、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、超電導コイル１１ａ、１１ｂを互いに重ね合わせる。この時、各超電導コイル１１ａ、１１ｂの外径の違いにより、超電導コイル１１ａ、１１ｂ間に段差１６が発生する。そこで、超電導コイル１１ａ、１１ｂを接続治具１４で接続する場合、コイル最外層２ａ、２ｂの外周面をスペーサ１５を介して接続治具１４で覆うようにする。ここで、スペーサ１５の厚さは、段差１６の幅Ｗに相当することが好ましい。
【００４５】
これにより、超電導コイル１１ａ、１１ｂ間に段差１６がある場合においても、接続治具１４を折り曲げることなく、各超電導コイル１１ａ、１１ｂを接続治具１４を介して接続することが可能となり、接続治具１４にかかる歪みを低減することができる。この結果、接続治具１４が酸化物超電導体で形成されている場合においても、超電導特性の劣化を防止することが可能となる。
【００４６】
なお、スペーサ１５は、酸化物超電導体のほか、銀シース酸化物超電導線、酸化物超電導粉末を含む導電性ペースト、銀や銅などの低抵抗の金属板や金属テープなどを用いることができる。
【００４７】
図３は、本発明の一実施形態に係わるＩｃ−ε曲線を示す図である。図３において、接続治具１４を酸化物超電導体により構成し、接続治具１４にかかる歪みεを大きくすると、接続治具１４の臨界電流Ｉｃは低下し、歪みεが０．５％に達すると、接続治具１４の破断に至る。
【００４８】
従って、接続治具１４が酸化物超電導体の場合、接続治具１４にかかる歪みεを０．５％以下にすることが好ましく、スペーサ１５を用いることにより、この歪みεを緩和することができる。また、接続治具１４にかかる歪みεを０．２％以下として、臨界電流Ｉｃの低下を防止するようにしてもよい。
【００４９】
図４は、本発明の第３実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。図４（ａ）において、超電導コイル２１ａは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル２１ｂは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれている。そして、コイル最外層２２ａ、２２ｂの外周面を除き、超電導コイル２１ａ、２１ｂの上下面全体に渡って含浸部２３が形成されている。
【００５０】
また、切り欠き部２５を有する円環状の接続リング２４が用意される。ここで、接続リング２４は、銀や銅などの低抵抗の金属、酸化物超電導体、または銀シース酸化物超電導線などにより構成することができる。また、接続リング２４の内径は、超電導コイル２１ａ、２１ｂの外径とほぼ一致していることが好ましい。さらに、接続リング２４の高さは、超電導コイル２１ａ、２１ｂの個数分の高さとほぼ一致することが好ましい。例えば、２個の超電導コイル２１ａ、２１ｂの接続を行う場合、接続リング２４の高さは、２個分の超電導コイル２１ａ、２１ｂの高さに設定することができる。なお、切り欠き部２５はなくてもよい。
【００５１】
次に、図４（ｂ）に示すように、超電導コイル２１ａ、２１ｂを互いに重ね合わせ、接続リング２４を超電導コイル２１ａ、２１ｂの外周に沿ってはめ込む。ここで、接続リング２４とコイル最外層２２ａ、２２ｂとの導通は、圧着、または拡散接合などでとることができる。あるいは、接続リング２４の内側に、はんだなどのロウ材を、メッキや蒸着などで予め形成しておくようにしてもよい。
【００５２】
これにより、接続リング２４で超電導コイル２１ａ、２１ｂの外周を保護することが可能となるとともに、コイル最外層２２ａ、２２ｂの銀シース酸化物超電導線に歪みを与えることなく、超電導コイル２１ａ、２１ｂの接続を行うことが可能となる。また、大きな接続面積を確保することができ、接触抵抗の容易に低減することが可能となる。
【００５３】
図５は、本発明の第４実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。図５（ｂ）において、超電導コイル３１ａは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル３１ｂは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれている。そして、コイル最内層３２ａ、３２ｂの内周面を除き、超電導コイル３１ａ、３１ｂの上下面全体に渡って含浸部３３が形成されている。
【００５４】
一方、図５（ａ）において、接続筒３７は、円筒状の導電部３４ａ〜３４ｃおよび円筒状の絶縁部３５ａ、３５ｂが交互に積層されている。ここで、導電部３４ａ〜３４ｃは、銀や銅などの低抵抗の金属、酸化物超電導体などにより構成することができる。また、接続筒３７の径は、超電導コイル３１ａ、３１ｂの内径とほぼ一致していることが好ましい。さらに、接続筒３７の高さは、超電導コイル３１ａ、３１ｂの個数分の高さとほぼ一致することが好ましく、各導電部３４ａ〜３４ｃの高さは、超電導コイル３１ａ、３１ｂを２個積み上げた高さ程度であることが好ましい。
【００５５】
次に、図５（ｂ）に示すように、各超電導コイル３１ａ、３１ｂを互いに重ね合わせ、接続筒３７を超電導コイル３１ａ、３１ｂの内周に沿って挿入する。ここで、接続筒３７とコイル最内層３２ａ、３２ｂとの導通は、圧着、または拡散接合などでとることができる。あるいは、導電部３４ａ〜３４ｃの表面に、はんだなどのロウ材を、メッキや蒸着などで予め形成しておくようにしてもよい。
【００５６】
または、図５（ｃ）に示すように、接続筒３７を超電導コイル３１ａ、３１ｂの内周に沿って挿入した後、接続筒３７と超電導コイル３１ａ、３１ｂとの隙間にはんだ３６ａ、３６ｂを流し込むことにより、導通をとるようにしてもよい。
【００５７】
これにより、はんだ３６ａ、３６ｂが銀により均一に加熱されるため、最大でコイル一周分の面積を利用した均一な接続を行うことが可能となる。
【００５８】
また、接続筒３７に絶縁部３５ａ、３５ｂを設けることにより、他コイルとの絶縁をとりながら、超電導コイル３１ａ、３１ｂの接続を行うことが可能となり、複数のパンケーキコイルの直列接続を容易に行うことが可能となる。
【００５９】
図６は、本発明の一実施形態に係わる超電導コイルの直列接続方法を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の超電導コイルの等価回路である。図６において、超電導コイル４１ａ〜４１ｃは、銀シース酸化物超電導線が右回りに巻かれ、超電導コイル４２ａ〜４２ｃは、銀シース酸化物超電導線が左回りに巻かれている。そして、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃの内周面および外周面を除いて、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃの上下面全体に渡って含浸部が形成されている。
【００６０】
ここで、右回りの超電導コイル４１ａ〜４１ｃと左回りの超電導コイル４２ａ〜４２ｃが交互に積み重ねられ、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃの外周には、導電リング４３ａ〜４３ｄおよび絶縁リング４４ａ〜４４ｃが交互にはめ込まれ、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃの内周には、導電筒４５ａ〜４５ｃおよび絶縁筒４６ａ、４６ｂが交互に挿入されている。
【００６１】
この結果、超電導コイル４１ａの最外層から入力された電流は、超電導コイル４１ａを反時計回りに回って、超電導コイル４１ａの最内層に至り、導電筒４５ａを伝って、超電導コイル４２ａの最内層に至る。さらに、超電導コイル４２ａを反時計回りに回って、超電導コイル４２ａの最外層に至り、導電リング４３ｂを伝って、超電導コイル４１ｂの最外層に至る。さらに、超電導コイル４１ｂを反時計回りに回って、超電導コイル４１ｂの最内層に至り、導電筒４５ｂを伝って、超電導コイル４２ｂの最内層に至る。さらに、超電導コイル４２ｂを反時計回りに回って、超電導コイル４２ｂの最外層に至り、導電リング４３ｃを伝って、超電導コイル４１ｃの最外層に至る。さらに、超電導コイル４１ｃを反時計回りに回って、超電導コイル４１の最内層に至り、導電筒４５ｃを伝って、超電導コイル４２ｃの最内層に至る。さらに、超電導コイル４２ｃを反時計回りに回って、超電導コイル４２ｃの最外層に至り、外部に出力される。
【００６２】
この結果、超電導コイル４１ａの最外層から入力された電流は、超電導コイル４１ａ〜４１ｃおよび超電導コイル４２ａ〜４２ｃを同方向に回り、この電流により発生する磁界は強め合う。これにより、超電導特性に優れ、強力で強固な超電導磁石を製作することが可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超電導体を接続する際の超電導体に発生する歪みを低減することが可能となり、超電導特性の劣化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わるＩｃ−ε曲線を示す図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係わる超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の一実施形態に係わる超電導コイルの直列接続方法を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の超電導コイルの等価回路である。
【図７】従来の超電導コイルの接続方法を示す斜視図である。
【図８】従来の超電導コイルの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ、４１ａ〜４１ｃ、４２ａ〜４２ｃ 超電導コイル
２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ コイル最外層
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、２３、３３ 含浸部
４、１４ 接続治具
１５ スペーサ
１６ 段差
１７ コイル中心
２４ 接続リング
２５ 切り欠き部
３２ａ、３２ｂ コイル最内層
３４ａ〜３４ｃ 導電部
３５ａ、３５ｂ 絶縁部
３６ａ、３６ｂ はんだ
３７ 接続筒
４３ａ〜４３ｄ 導電リング
４４ａ〜４４ｃ 絶縁リング
４５ａ〜４５ｃ 導電筒
４６ａ、４６ｂ 絶縁筒
Claims (8)
- 接続部をコイルの周に沿わせたまま含浸され、積み重ねられて、接続対象となるコイルの最外周または最内周の少なくとも一部の領域の酸化物超電導体が露出された複数の超電導コイルと、
接続対象となる前記コイル間の段差を軽減するスペーサと、
前記酸化物超電導体の露出部間を、前記スペーサを介し、前記コイルの最外周または最内周に沿って、前記酸化物超電導体の露出部を覆って接続する酸化物超電導体からなる接続手段と、
を備え、
前記スペーサは、前記接続手段に発生する歪みを０．５％以下にするスペーサであることを特徴とする超電導コイル装置。 - 前記接続手段は、接続対象の前記コイルの最外周または最内周の少なくとも一部の領域に密着する板状、リング状または筒状の接続治具であることを特徴とする請求項１記載の超電導コイル装置。
- 前記接続治具は、
互いに隣接するコイル同士を導通させる導電部と、
前記導電部と一体的に形成され、他のコイルとの絶縁をとる絶縁部とを備えることを特徴とする請求項２記載の超電導コイル装置。 - 前記接続手段は、前記超電導線の長手方向と垂直に接続を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の超電導コイル装置。
- 前記接続手段の接続面積は、前記のコイル一周分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の超電導コイル装置。
- 前記接続手段は、圧着または拡散接合により前記超電導線の接続を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の超電導コイル装置。
- 前記スペーサは、はんだ、金属板、金属箔、導電性ペースト、導電性テープ、または導電性フィルムであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の超電導コイル装置。
- 超電導コイルの接続部を該コイルの周に沿わせたまま含浸を行うステップと、
前記超電導コイルを複数積み重ねるステップと、
接続対象となる前記コイル間の段差を軽減し、接続手段に発生する歪みを０．５％以下にするスペーサを設置するステップと、
前記超電導コイルの接続部を前記スペーサを介して酸化物超電導体からなる接続手段で覆うことにより、前記超電導コイルの接続を行うステップと
を備えることを特徴とする超電導コイルの接続方法。
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