JP5259487B2 - 超電導コイル - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルに係り、更に詳しくは、巻芯に多層構造の薄膜超電導線材を巻き回してなる超電導コイルにおいて、超電導コイル内部に発生する剥離力を小さくし、超電導コイルの安定性を向上させた超電導コイルに関するものである。

超電導技術の向上に伴い、例えば、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、単結晶引き上げ装置等が実用化されている。これらの機器には、複数の部材を貼合せた超電導テープ線を巻き回して超電導コイルとしたものを使用しており、冷却および取り扱いを考慮して樹脂含浸された含浸コイルとするのが一般的である。

しかしながら、含浸コイルは、冷却時に各部材の線膨張率の異方性により超電導テープ線の長手方向に対して垂直な方向(剥離方向)に力が生じる。

超電導テープ線は、長手方向の力に対しては高い機械特性を有するが、剥離方向の力に対しては弱いため、超電導テープ線を使用した含浸コイルは、冷却時に超電導特性が低下する問題が生じる。

このため、巻芯と超電導テープ線の線膨張率の違いに伴う歪みを防止すべく、巻芯の外周面とコイル最内周ターンを接着せずに巻き付ける方法が考えられている(例えば、特許文献１参照)。

特開２００８−１４０９０５号公報

しかしながら、超電導コイルが大型化してくるとその内外径比（＝外径／内径）が大きくなり、コイル内部に発生する剥離力が大きくなる。よって、かかる剥離力が超電導テープ線の許容応力を超えてしまうと、超電導特性が低下する可能性が生じる。

そこで、本発明は、この課題を解消することを目的とし、超電導コイル内部に発生する剥離力を小さくすることにより、超電導コイルの超電導特性が低下することを防止し、超電導コイルの安定性を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の超電導コイルは、多層構造の薄膜超電導線材と絶縁材とを巻き回して形成される超電導コイル部が同心円状の複数の部分からなり、前記同心円状の部分同士が隣接する境界部分の接着力が予め他の部分の接着力よりも低く設定されていて、かつ、前記複数の部分の内外径比がいずれも３．１未満であること、を特徴とする。

本発明によれば、超電導コイル内部に発生する剥離力を小さくできるため、超電導コイルの超電導特性が低下することを防止でき、超電導コイルの安定性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る超電導コイルに用いられる超電導テープ線の一例を示す構成図。 図１に示す超電導テープ線の許容剥離力を示す棒グラフ。 本発明の実施の形態に係る超電導コイルに用いられる複合テープを示す概略図。 複合テープを用いて製造した超電導コイルを示す概略図。 超電導コイル内部に発生する最大応力（剥離力）と内外径比（＝外径／内径）の関係を示すグラフ。 本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイルを示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイルを示す概略図。 本発明の第３の実施の形態に係る超電導コイルを示す概略図。 本発明の第３の実施の形態に係る超電導コイルに使用した冷却・絶縁テープを示す斜視図。 本発明の第４の実施の形態に係る超電導コイルを示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。 本発明の第５の実施の形態に係る超電導コイルを示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部断面斜視図。 本発明の第６の実施の形態に係る超電導コイルを示す概略図。 本発明の第７の実施の形態に係る超電導コイルを示す一部断面斜視図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（超電導テープ線）
図１は、本発明の実施の形態に係る超電導コイルに用いられる超電導テープ線の一例を示す構成図である。

この超電導テープ線１は、少なくとも、テープ基板２と、中間層３と、超電導層４とを有し、その両面が安定化層５、５で被覆されている。

また、必要に応じて、テープ基板２と中間層３との間に配向層６を、超電導層４と安定化層５との間に保護層７を設けることもできる。

テープ基板１は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金、銀合金等の材質で形成される。

中間層２は拡散防止層であり、例えば、酸化セリウム、ＹＳＺ、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、バリウムジルコニアなどの材質からなり、テープ基板１上に形成される。

超電導層４は、例えば、ＲＥ１２３系の組成（ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７等）を有する超電導体薄膜からなる。なお、「ＲＥ₁Ｂ₂Ｃ₃Ｏ₇」の「ＲＥ」は希土類元素（例えば、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）等）及びイットリウム元素の少なくともいずれかを、「Ｂ」はバリウム（Ｂａ）を、「Ｃ」は銅（Ｃｕ）を、「Ｏ」は酸素（Ｏ）を意味している。

安定化層５は、超電導層４に過剰に電気が流れた場合に超電導層４が燃焼するのを防止する目的で設けられ、導電性の銀等から形成される。

配向層６は、テープ基板２上に中間層３を配向させて形成する目的で設けられ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等から形成される。なお、配向した基板を用いる場合には省略することができる。

保護層７は、超電導層４が空気中の水分に触れて劣化するのを防止する等の目的で設けられ、銀等から形成される。なお、保護層７も超電導層４に過剰に電気が流れた場合に超電導層４が燃焼するのを防止する役割も果たす。

このような多層からなる超電導テープ線１の寸法は、例えば、幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍとされる。

また、超電導テープ線１は、線材長手方向に対しては高い機械強度を有するが、長手方向に対して垂直方向の力である剥離方向の力に対しては弱いことが知られている。

図２は、図１に示す超電導テープ線１の５つのサンプルについて、剥離方向の横引張強度を測定した結果について示したものである。

この結果より、超電導テープ線１が剥離する時の応力は２８〜４０ＭＰａとばらつきがあるものの、少なくとも２８ＭＰａを超える剥離力により劣化する可能性があるため、この超電導テープ線１の許容剥離力は２８ＭＰａであることが分かる。

（超電導コイル）
超電導テープ線１は、図３に示すように、樹脂を塗布した絶縁テープ８と重ね合わせて複合テープ１１とされ、ＦＲＰ製の巻芯９に渦巻状に巻回し、図４に示すようにパンケーキ型の超電導コイル１２とされる。

この超電導コイル１２を加熱処理して一体的に硬化させたコイルは、超電導コイルの使用時における薄膜超電導線材の機械的動きを抑制し、コイル強度を保持すると共に、薄膜超電導線材相互の絶縁保護を行い、超電導コイルの超電導状態が壊れる状態である「クエンチ」を防止するために有効であるとされている。

しかしながら、室温から液体窒素温度まで超電導コイル１２を冷却すると、超電導テープ線１中の個々の部材の線膨張率の異方性により、超電導テープ線１に剥離力が発生する。この剥離力は、超電導コイル３の内外径比（＝外径／内径）に依存する。

図５に、超電導コイル１２内に発生する最大応力と外径／内径との関係を示す。

この結果より、超電導コイル１２の内外径比が大きくなるに従って、最大応力は増大していることが分かる。

また、超電導テープ線１の許容剥離力である２８ＭＰａとなる超電導コイル１２の内外径比は、３．１であることが判明した。

以下、この超電導テープ線１を用いた超電導コイルの実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイルについて、図６を参照して説明する。

図６において、超電導コイル１０は、外径１００ｍｍで内径９０ｍｍのＦＲＰ巻芯１９の外面に、外径４００ｍｍ、内径１００ｍｍの超電導コイル部１４を設けて形成されている。

また、超電導コイル部１４は、同心円状に、外径１５０ｍｍで内径１００ｍｍのコイル内側部１４ａ、外径２５０ｍｍで内径１５０ｍｍのコイル中側部１４ｂ、及び、外径４００ｍｍで内径２５０ｍｍのコイル外側部１４ｃの３つの部分からなっている。

更に、コイル内側部１４ａとコイル中側部１４ｂとの間、及び、コイル中側部１４ｂとコイル外側部１４ｃとの間に非接着または接着力が予め他の部分のそれよりも低く設定されている離形部１７が設けられている。

この超電導コイル１０は、内径９０ｍｍ、外径１００ｍｍのＦＲＰ巻芯１９に、幅１０ｍｍ、厚み０．１ｍｍの超電導テープ線１と幅１０ｍｍ、厚み０．１ｍｍの絶縁テープ８とを重ね合わせた複合テープ１１を７５０ターン巻き回して形成される。

ここで、１２５ターン目の複合テープ１１の外周面と１２６ターン目の複合テープ１１の内周面、及び３７５ターン目の複合テープ１１の外周面と３７６ターン目の複合テープ１１の内周面に離形材を塗布して離形部１７を形成する。

離形材を塗布して離形部１７を形成したことにより、１２５ターン目と１２６ターン目の複合テープ１１、及び３７５ターン目と３７６ターン目の複合テープ１１において、隣り合う超電導テープ線１と絶縁テープ８とが非接着または接着力が相対的に他の部分のそれよりも低くなる。

このため、超電導コイル１０の超電導コイル部１４は、コイル内側部１４ａ、コイル中側部１４ｂ及びコイル外側部１４ｃの３つの部分に分かれ、これらの内外径比は、それぞれ、１５０／１００＝１．５、２５０／１５０＝１．７及び４００／２５０＝１．６となる。

よって、本実施の形態に係る超電導コイル１０は、内外径比を３．１未満とできるため、図５のグラフから明らかなように、超電導コイル１０に剥離力が発生しても離形部１７で剥離するので超電導テープ線１に発生する剥離力を許容値２８ＭＰａ未満とすることができる。

このため、超電導コイル１０の超電導特性の低下を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイルについて、図７を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係る超電導コイル２０は、図６に示す超電導コイル１０の１２５ターン目の複合テープ１１の外周面と１２６ターン目の複合テープ１１の内周面、及び３７５ターン目の複合テープ１１の外周面と３７６ターン目の複合テープ１１の内周面の間にＦＲＰテープ２３を挿入した以外は、第１の実施の形態に係る超電導コイル１０と同様に形成されている。

ＦＲＰテープ２３を挿入したことにより、１２５ターン目と１２６ターン目の複合テープ１１、及び３７５ターン目と３７６ターン目の複合テープ１１において、隣り合う超電導テープ線１と絶縁テープ８とが非接着となる。

このため、超電導コイル１０の超電導コイル部１４は、コイル内側部１４ａ、コイル中側部１４ｂ及びコイル外側部１４ｃの３つの部分に分かれ、これらの内外径比は、それぞれ、１５０／１００＝１．５、２５０／１５０＝１．７及び４００／２５０＝１．６となる。

よって、本実施の形態に係る超電導コイル２０は、内外径比を３．１未満とできるため、図５のグラフから明らかなように、超電導テープ線１に発生する剥離力を許容値２８ＭＰａ未満とすることができる。

このため、超電導コイル２０の超電導特性の低下を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る超電導コイルについて、図８を用いて説明する。なお、第１の実施の形態および第２の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係る超電導コイル３０は、図６に示す超電導コイル１０の１２５ターン目の複合テープ１１の外周面と１２６ターン目の複合テープ１１の内周面、及び３７５ターン目の複合テープ１１の外周面と３７６ターン目の複合テープ１１の内周面の間に冷却・絶縁テープ３３を挿入した以外は、第１の実施の形態に係る超電導コイル１０と同様に形成されている。

冷却・絶縁テープ３３は、図９に示すように、例えばアルミニウム製の冷却板３５に絶縁テープ３７を取り付けて形成される。

冷却・絶縁テープ３３を挿入したことにより、１２５ターン目と１２６ターン目の複合テープ１１、及び３７５ターン目と３７６ターン目の複合テープ１１において、隣り合う超電導テープ線１と絶縁テープ８とが非接着となる。

このため、超電導コイル１０の超電導コイル部１４は、コイル内側部１４ａ、コイル中側部１４ｂ及びコイル外側部１４ｃの３つの部分に分かれ、これらの内外径比は、それぞれ、１５０／１００＝１．５、２５０／１５０＝１．７及び４００／２５０＝１．６となる。

よって、本実施の形態に係る超電導コイル３０は、内外径比を３．１未満とできるため、図５のグラフから明らかなように、超電導テープ線１に発生する剥離力を許容値２８ＭＰａ未満とすることができる。

このため、超電導コイル３０の超電導特性の低下を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

更に、本実施の形態では、冷却・絶縁テープ３３を超電導コイル３０の内部に挿入することにより、超電導コイル３０の外側からだけではなく、超電導コイル３０の内部からも冷却することが可能となる。

よって、超電導コイル３０を効率的に冷却することが可能となるため、安定性が向上する。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態に係る超電導コイルについて、図１０を用いて説明する。なお、第１の実施の形態から第３の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１０において、超電導コイル４０は、外径１００ｍｍで内径９０ｍｍのＦＲＰ巻芯１９の外面に、外径４１０ｍｍ、内径１００ｍｍの超電導コイル部４３を設けて形成されている。

また、超電導コイル部４３は、同心円状に、外径１５０ｍｍで内径１００ｍｍのコイル内側部４３ａ、外径２５５ｍｍで内径１５５ｍｍのコイル中側部４３ｂ、及び、外径４１０ｍｍで内径２６０ｍｍのコイル外側部４３ｃの３つの部分からなっている。

更に、コイル内側部４３ａとコイル中側部４３ｂとの間、及び、コイル中側部４３ｂとコイル外側部４３ｃとの間にそれぞれ隙間４５が設けられている。

ここで、コイル内側部４３ａの最外周ターンとコイル中側部４３ｂの最内周ターン、及び、コイル中側部４３ｂの最外周ターンとコイル外側部４３ｃの最内周ターンを超電導テープ線１同士で接着力が相対的に他の部分のそれよりも低くなるような離形部となるハンダ接続とすることができる。

この超電導コイル４０は、内径９０ｍｍ、外径１００ｍｍのＦＲＰ巻芯１９に、幅１０ｍｍ、厚み０．１ｍｍの超電導テープ線１と幅１０ｍｍ、厚み０．１ｍｍの樹脂を塗布した絶縁テープ８とを重ね合わせた複合テープ１１を７５０ターン巻き回して形成されるが、１２５ターン目の複合テープ１１の外周面と１２６ターン目の複合テープ１１の内周面とに２．５ｍｍの隙間を設け、更に３７５ターン目の複合テープ１１の外周面と３７６ターン目の複合テープ１１の内周面にも２．５ｍｍの隙間を設ける。

本実施の形態の超電導コイル４０の超電導コイル部４３は、コイル内側部４３ａ、コイル中側部４３ｂ及びコイル外側部４３ｃの３つの部分に分かれ、これらの内外径比は、それぞれ、１５０／１００＝１．５、２５５／１５５＝１．６および４１０／２６０＝１．６となる。

よって、本実施の形態に係る超電導コイル４０は、内外径比を３．１未満とできるため、図５のグラフから明らかなように、超電導テープ線１に発生する剥離力を許容値２８ＭＰａ未満とすることができる。

このため、超電導コイル４０の超電導特性の低下を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態に係る超電導コイルについて、図１１を用いて説明する。なお、第４の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態の超電導コイル５０は、図１１(ａ)、（ｂ）に示すように、超電導コイル部４３におけるコイル内側部４３ａの最外周ターン、コイル中側部４３ｂの最内周ターンと最外周ターン、及びコイル外側部４３ｃの最内周ターンに、超電導コイル５０の高さより長い銅電極５１をハンダ接続し、隣接する銅電極５１間で超電導テープ線１を介してハンダ接続した以外は、第４の実施の形態の超電導コイル４０と同様に形成されている。

即ち、コイル内側部４３ａとコイル中側部４３ｂが銅電極５１及び超電導テープ線１を介して電気的に接続され、コイル中側部４３ｂとコイル外側部４３ｃが銅電極５１及び超電導テープ線１を介して電気的に接続されている。

本実施の形態においても、コイル内側部４３ａ、コイル中側部４３ｂ及びコイル外側部４３ｃの３つに分かれ、これらの内外径比は、それぞれ、１５０／１００＝１．５、２５５／１５５＝１．６および４１０／２６０＝１．６となる。

よって、本実施の形態に係る超電導コイル５０も、内外径比を３．１未満とできるため、図５のグラフから明らかなように、超電導テープ線１に発生する剥離力を許容値２８ＭＰａ未満とすることができる。

このため、超電導コイル５０の超電導特性の低下を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態に係る超電導コイルについて、図１２を用いて説明する。なお、第４の実施の形態及び第５の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態の超電導コイル６０では、非接着または接着力が予め他の部分のそれよりも低く設定される離形処理を施した絶縁物６５をコイル内側部４３ａとコイル中側部４３ｂの間、及びコイル中側部４３ｂとコイル外側部４３ｃの間に挿入した以外は、第５の実施の形態の超電導コイル５０と同様に形成されている。
離形処理を施した絶縁物６５としては、フッ素樹脂テープ、パラフィン、グリース、シリコンオイルからなる群より選ばれた少なくとも一種を離形材として接着もしくは塗布した絶縁物を用いることができる。

本実施の形態の超電導コイル６０では、第５の実施の形態の超電導コイル５０と同様の作用効果に加え、コイル内側部４３ａ、コイル中側部４３ｂ及びコイル外側部４３ｃの間の隙間を小さくすることができるので、隙間を埋めることにより超電導コイル６０の機械強度を高めることができる。

なお、接着力の低い材料としてテフロン（登録商標）系あるいはポリイミドアミド系樹脂、エポキシ樹脂を使用することも可能である。

（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態に係る超電導コイルについて、図１０及び図１３を用いて説明する。なお、第４の実施の形態から第６の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態の超電導コイル７０では、超電導コイルの上下面に円形の絶縁板７６を取り付け、さらに絶縁板７６に、例えばアルミニウム製の冷却板７７を取り付けた以外は、第４の実施の形態の超電導コイル４０と同様に形成されている。

本実施の形態の超電導コイル７０では、冷却時に超電導コイル７０が縮んで、コイル内側部４３ａ、コイル中側部４３ｂ及びコイル外側部４３ｃがずれることを防止できるとともに、Ａｌ冷却板７７を介して超電導コイル７０を冷却することができる。

従って、本実施の形態に係る超電導コイル７０は、第４の実施の形態の超電導コイル４０と同様の作用効果に加え、超電導コイルのずれを防止でき、かつ超電導コイルを冷却することにより、超電導コイルの安定性を高めることができる。

１：超電導テープ線（薄膜超電導線材）、２：テープ基板、３：中間層、４：超電導層、５：安定化層５、６：配向層、７：保護層、８：絶縁テープ（絶縁材）、９、１９：巻芯、１１：複合テープ、１０、１２、２０、３０、４０、５０、６０、７０：超電導コイル、１４、４３：超電導コイル部、１４ａ、４３ａ：コイル内側部、１４ｂ、４３ｂ：コイル中側部、１４ｃ、４３ｃ：コイル外側部、１７：離形部、２３：ＦＲＰテープ、３３：冷却・絶縁テープ、３５：冷却板、３７：絶縁テープ、４５：隙間、５１：銅電極、６５：離形処理を施した絶縁物、７６：絶縁板、７７：冷却板

Claims (12)

1. 多層構造の薄膜超電導線材と絶縁材とを巻き回して形成される超電導コイル部が同心円状の複数の部分からなり、前記同心円状の部分同士が隣接する境界部分の接着力が予め他の部分の接着力よりも低く設定されていて、
   かつ、前記複数の部分の内外径比がいずれも３．１未満であること、を特徴とする超電導コイル。
2. 前記同心円状の部分同士が隣接する境界部分において、前記超電導線材と前記絶縁材とが接着されていないことを特徴とする請求項１記載の超電導コイル。
3. 前記同心円状の部分同士が隣接する境界部分において、前記超電導線材及び前記絶縁材の一方又は双方に離形処理が施されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超電導コイル。
4. 前記同心円状の部分同士が隣接する境界部分に、離形処理を施した絶縁物を挿入したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超電導コイル。
5. 前記離形処理を施した絶縁物として、フッ素樹脂テープ、パラフィン、グリース、シリコンオイルからなる群より選ばれた少なくとも一種を離形材として接着もしくは塗布した絶縁物を用いたことを特徴とする請求項４記載の超電導コイル。
6. 前記同心円状の部分同士が隣接する境界部分に冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の超電導コイル。
7. 前記冷却手段として、前記絶縁材よりも熱伝導率の高い材質の冷却板を使用したことを特徴とする請求項６記載の超電導コイル。
8. 前記冷却手段に更に絶縁処理が施されていることを特徴とする請求項６又は７記載の超電導コイル。
9. 隣接する前記同心円状の部分同士が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の超電導コイル。
10. 前記同心円状の部分同士が隣接する境界部分において、内側部分の外周面及び外側部分の内周面に電極を設け、これらの電極同士を電気的に接続したことを特徴とする請求項９記載の超電導コイル。
11. 前記超電導コイル部の上面及び下面のうちの一方又は双方に絶縁物を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の超電導コイル。
12. 前記絶縁物に、前記絶縁物よりも熱伝導率の高い材質の冷却板を更に取り付けたことを特徴とする請求項１１記載の超電導コイル。

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