JP5375599B2

JP5375599B2 - 超電導機器

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Publication number: JP5375599B2
Application number: JP2009297686A
Authority: JP
Inventors: 仁尾山; 剛新里
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP2011138906A

Description

本発明は、超電導機器に関するものであり、より特定的には、超電導機器を構成するコイルと、当該コイルを外部電源と接続する端子との接続に関するものである。

超電導機器とは、超電導線材からなるコイル（たとえばレーストラック型コイル）を用いたモータなどの機器である。レーストラック型コイルなどの超電導コイルは、真空断熱容器の内部に収納され、真空断熱容器の内部に液体窒素などの冷媒を供給することにより当該超電導コイルを冷却することにより使用される。一般に超電導コイルは、真空断熱容器の外部から電力を供給されることにより起動する。したがって当該超電導コイルは、外部の電源と接続するための端子と接続された状態で使用される。当該端子は、真空断熱容器をなす筐体壁を貫通し、筐体壁に固定されるように配置されることが多い。

超電導機器の使用時において、真空断熱容器の内部には液体窒素が供給されるため、真空断熱容器や超電導コイルは極低温に冷却される。このため使用時には不使用時に対して、超電導コイルと真空断熱容器を構成するＦＲＰなどの材料との間に熱収縮差（熱膨張差）が生じる。この熱収縮差は超電導コイルを構成する材料と、ＦＲＰとの熱膨張係数の差に起因するものである。したがって、真空断熱容器に固定された端子と超電導コイルとの配置される位置に変化が生じ、端子と超電導コイルとの間の距離が変化する。すると特に、超電導コイルと端子との接続部において、両者の熱収縮差に起因する応力が発生する。この応力により、超電導コイルと端子との接続部に亀裂や剥離などの損傷が生じる可能性がある。

このような熱収縮差に起因する応力を抑制するために、たとえば特開平３−２０４９１０号公報（特許文献１）には、２つの分割した常電導導体をセラミックス超電導導体にて接続した構造において、２つの常電導導体のうち室温側に設置する常電導導体に、たとえばスプリング状加工部位が形成された電流リード用導体が開示されている。またたとえば特開平７−９９１１１号公報（特許文献２）には、酸化物超電導体を、可撓性のある導体を介して外部端子と接続した電流リードが開示されている。

特開平３−２０４９１０号公報特開平７−９９１１１号公報

特許文献１の電流リード用導体は、使用時に室温下に載置される常電導導体にスプリング状加工部位を含む。この常電導導体が、セラミックス超電導導体や極低温に冷却される常電導導体と接続されている。使用時に室温下の常電導導体と、冷却される部材との間に発生する熱収縮差による変位を、伸縮することができるスプリング状加工部位が吸収することにより、常電導導体とセラミックス超電導導体との接続部の損傷を抑制する。

また特許文献２の電流リードにおいては、酸化物超電導体を外部端子と接続するための中間接続金具が、可撓性のある導体と接続されている。そして当該可撓性のある導体が、酸化物超電導体の使用時の冷却により、酸化物超電導体と、中間接続金具や低温側リードを構成する各部材との熱収縮差により発生する変位を吸収することにより、酸化物超電導体と外部端子との電気的な接続が断線されることを抑制する。

しかし特許文献１のスプリング状加工部位は、室温下に載置される常電導導体の、セラミックス超電導導体との接続部から、極低温に冷却される側と反対側に離れた領域に形成されている。このため当該スプリング状加工部位をもっても、常電導導体とセラミックス超電導導体との接続部に発生する応力を十分に吸収できない可能性がある。また特許文献２の電流リードは、熱膨張差による変位を吸収する可撓性のある導体が、酸化物超電導体を冷却する冷媒の流れる領域の内部に、たとえば他の部材に接触したり、他の部材に接近するように対向することなく単独で配置されている。したがって使用時に冷媒が流れると、当該可撓性のある導体は冷媒の流れによる応力を受けて振動する。この振動により可撓性のある導体と、これが接続された接続金具との接続部において繰り返し疲労を受け、当該接続部において断線などの損傷を起こす可能性がある。

本発明は、以上の各問題に鑑みなされたものである。その目的は、極低温下におかれる部材間の接続部における、熱収縮差に起因する応力を吸収することが可能な超電導機器を提供することである。

本発明に係る超電導機器は、第１の超電導線材により構成される超電導コイルと、超電導コイルを内部に保持する容器と、容器の壁部に設置され、超電導コイルに電流を供給するための端子と、超電導コイルと端子とを電気的に接続する接続部材とを備えている。上記接続部材は、上記第１の超電導線材と上記端子とを電気的に接続するための第２の超電導線材と、上記第２の超電導線材を支持し、上記超電導コイルに向けて付勢された弾性部材とを含み、上記弾性部材が上記端子に固定されている。

接続部材においては、第２の超電導線材が弾性部材により支持されている。そのため、超電導コイルが容器の内部に配置され、当該コイルのまわりに冷媒（たとえば液体窒素）が流通する場合にも、当該冷媒の流れにより接続部材の第２の超電導線材が振動して破損するといった問題の発生を抑制できる。

ここで、容器と超電導コイルとは、超電導コイルを冷却するための冷媒により冷却された低温状態から室温程度の常温状態になるというように温度条件が変化する。このような温度条件の変化によりそれぞれの部材が熱膨張（収縮）したときに、当該部材の熱膨張係数の差によって変形量は異なる。この結果、温度条件の変化に伴って、容器と超電導コイルとの間の相対的な位置が変化することになる。このような相対的な位置の変化（つまり距離の変化）がおきる場合、容器に固定された端子と超電導コイルとが、容易に変形しないような剛体（たとえば金属ブロックからなる導電体など）により接続されていると、上述した位置の変化により超電導コイルと端子との接続部が破損する恐れがある。しかし、本発明による接続部材では、上述のように弾性部材が端子に固定されており、コイル側には固定されていないので、そのような位置の変化によって接続部材が破損する可能性は低い。したがって、上述のような温度条件の変化に起因して接続部材が破損する可能性を低減できる。この結果、超電導コイルへの電流の供給を確実に行なうことができる。なお上記の超電導コイルはたとえばレーストラック型コイルであることが好ましい。

上述した超電導機器において、第１の超電導線材は、第２の超電導線材と接続された端部において超電導コイルと固定されていない領域を有することが好ましい。

この場合、超電導コイルの第１の超電導線材と接続部材の第２の超電導線材との接続部近傍において、第１の超電導線材が超電導コイルからある程度自由に移動できる余裕を持つことができる。この結果、上述した温度条件の変化に伴って接続部材とコイルとの相対的な位置がある程度変化する場合にも、第１の超電導線材の当該領域が接続部材の変位に追従することができるので、第１の超電導線材と第２の超電導線材との接続部が破損する可能性をより確実に低減できる。

上述した超電導機器において、弾性部材は、上記超電導コイルの湾曲部に対向するように配置されていることが好ましい。

弾性部材（つまり接続部材）が超電導コイルの湾曲部（つまりレーストラック型の長軸方向における端部）に配置されることで、超電導コイルの長軸方向における熱膨張（収縮）による変位について、弾性部材が容易に追従することができる。超電導コイルでは、長軸方向における上記変位が短軸方向における上記変位より大きいことから、このような構成とすることがより効果的である。

上述した超電導機器において、第１および第２の超電導線材の接続部は、上記湾曲部がなす曲線における上記湾曲部の中心からずれた位置において、上記超電導コイルと対向するように配置されていることが好ましい。

この場合、弾性部材（つまり接続部材）が超電導コイルの端部において、当該超電導コイルの長軸方向に対して斜めの位置に配置されることになる。このような配置とすることで、超電導コイルの短軸方向における変位に対しても、弾性部材がねじれるような変形をすることで接続部材が超電導コイルの上記変位にある程度追従することができる。この結果、超電導コイルの短軸方向における変位に起因して接続部材と超電導コイルとの接続部が破損する可能性を低減できる。

以上に述べた超電導機器において、弾性部材はＳＵＳ３０４−ＣＳＰ、ベリリウム銅Ｃ１７００、リン青銅Ｃ５２１０、チタンＴｉ−２２４、ジルコニア、ＦＲＰから選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。この場合、液体窒素などの冷媒により冷却された極低温状態においても、弾性部材において十分な弾性を維持することができる。

本発明の超電導機器は、弾性部材が部材間の熱膨張（収縮）差による変位を吸収することができ、かつ超電導コイルを冷却する冷媒による振動が抑制された構成となっている。このため、超電導コイルと端子との間の接続部が損傷を受けて断線するなどの不具合を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る超電導機器の外観の状態を示す概略模式図である。図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける概略断面図である。図１および図２のロータの概略斜視図である。図１および図２のステータの概略斜視図である。超電導コイルが内部に保持される内槽容器の構成を示す概略斜視図である。図５の内槽容器を取り囲む外槽容器の構成を示す概略斜視図である。図５の線分ＶＩＩ−ＶＩＩにおける概略断面図である。図７の端子と超電導コイルとの配置をより詳細に示す斜視図である。図８を水平方向から見た態様を示す概略図である。図８を上方から見た態様を示す概略図である。図１０の線分ＸＩ−ＸＩにおける概略断面図である。超電導コイルの超電導線材が、端部において超電導コイルの外周部と接触せずに間隙を形成した態様を上方から見た概略図である。本実施の形態２において、図９と同様に配置を水平方向から見た態様を示す概略図である。本実施の形態２において、図１０と同様に上方から見た態様を示す概略図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る超電導機器としては、たとえば図１に示す超電導モータ１００が挙げられる。超電導モータ１００は、回転子として用いるロータ３０と、固定子として用いるステータ２０とからなる。図１の超電導モータ１００は概略の構造を示す模式図であるが、図面を見やすくするためロータ３０を構成する部材の一部のみを図示し、ステータ２０を構成する部材については図示を省略している。そしてロータ３０およびステータ２０を構成する各部材については図２の断面図および、図３〜図６により具体的に図示している。以下においては図１〜図６を適宜参照して、超電導モータ１００について説明する。

超電導モータ１００のロータ３０は、ロータコア１３の周囲に超電導線材を超電導コイル１０として巻回させたものに外部から電流を流し、当該電流の向きに応じてロータコア１３に磁性を生じさせる。超電導コイル１０はたとえば図１、図３、図４に示すようにレーストラック型コイルの態様とすることが好ましい。ステータ２０についてもステータコア２３の周囲の超電導コイル１０に流れる電流の向きに応じてステータコア２３に磁性を生じさせる。ロータコア１３とステータコア２３との磁性による両者間の引き寄せや反発を利用してロータ３０をロータ軸１６の周囲に回転させる。ロータ３０の回転は、ロータ３０の回転を出力する負荷に接続された出力軸１８から外部へと伝播される。出力軸１８の回転はベアリング３５により支持される。

ここで超電導コイル１０は超電導線材であるため、これを作動するために液体窒素などの冷媒で冷やす必要がある。そのため超電導コイル１０は容器の内部に保持されている。当該容器の内部に液体窒素を供給することにより、超電導コイル１０を冷却して使用可能な状態とする。

超電導コイル１０を収納する容器は、図２に示すように超電導コイル１０を内部に直接保持する内槽容器５０と、内槽容器５０の外周部を取り囲むように配置された外槽容器６０とからなる。内槽容器５０および外槽容器６０は、ロータ３０、ステータ２０のそれぞれの超電導コイル１０に備えられている。なお内槽容器５０および外槽容器６０は、図１、３、４においては図示されていない。

当該容器が内槽容器５０を備えることにより、超電導コイル１０を冷却して安定に作動させることができる。また当該容器が外槽容器６０を備えることにより、冷媒を保持する内槽容器５０が室温である外気に触れることを抑制する断熱容器としての作用を有する。

したがって内槽容器５０および外槽容器６０は、断熱性に優れた材料から構成されることが好ましい。一例としてこれらはＦＲＰ（繊維強化プラスチック）により形成されることが好ましい。ＦＲＰは強度や断熱性が非常に高いため、容器の内部と外部との温度差や、当該超電導モータ１００の使用時と不使用時との容器内部の温度差による熱応力による破損や、冷媒による超電導コイル１０の冷却効率の劣化を抑制することができる。

図５と図６にはそれぞれ一例として、ステータ２０に用いられる内槽容器および外槽容器を示している。内槽容器５０は図５に示すように、円筒形状を有するＦＲＰの筐体からなる。内槽容器５０の円筒部は内槽容器外側筐体５１と内槽容器内側筐体５２との２台の円筒形状の筐体が、これらの円筒形状の底面としての円形の中心がほぼ一致して同心円をなすように配置される。内槽容器外側筐体５１と内槽容器内側筐体５２とに挟まれた領域が、超電導コイル１０が載置される領域である。超電導コイル１０の中空の領域を、ステータコア２３やロータコア１３が貫通するために、内槽容器外側筐体５１と内槽容器内側筐体５２の側面（円筒形状をなす側部）には開口部５３が形成されている。つまり複数の開口部５３のそれぞれに超電導コイル１０の中空の部分やステータコア２３、ロータコア１３が配置され、隣り合う開口部５３に挟まれた領域に隣り合う超電導コイル１０の超電導線材が配置される構成となる。開口部５３の縁部は開口部側面５４としてＦＲＰにより塞がれる。また内槽容器外側筐体５１と内槽容器内側筐体５２との底面近傍（円筒形状の端部）においてもフランジ形状を有するＦＲＰからなる端部筐体５５、５６を載置する。以上により、内槽容器外側筐体５１と内槽容器内側筐体５２とに挟まれた領域が密閉空間となり、内槽容器５０としての態様をなす。ここにたとえば液体窒素などの冷媒１７（図２参照）を給排するための冷媒供給管５７と冷媒排出管５８とが接続される。このようにして図２に示すように内槽容器５０の内部の、超電導コイル１０が載置された密閉空間内に冷媒１７としてのたとえば液体窒素を供給し、超電導コイル１０を冷却させて超電導モータ１００を駆動させることができる。

上述したように外槽容器６０は、内槽容器５０の外側を取り囲むように配置される。具体的には図２に示すように、内槽容器５０の内槽容器外側筐体５１の外側に、内槽容器外側筐体５１に対向するように外槽容器外側筐体６１が載置され、内槽容器内側筐体５２の内側に、内槽容器内側筐体５２に対向するように外槽容器内側筐体６２が載置される。外槽容器外側筐体６１および外槽容器内側筐体６２に挟まれた領域（つまり外槽容器６０の内部）に内槽容器５０が載置される。また外槽容器外側筐体６１および外槽容器内側筐体６２にも複数の開口部６３が形成されており、開口部５３に重なるように配置される。このようにして、開口部６３と開口部５３とが重畳された領域に超電導コイル１０の中空の領域やステータコア２３、ロータコア１３が配置される構成となる（図２参照）。開口部６３の縁部にも開口部側面６４が存在し、また端部筐体６５、６６が配置されることにより、外槽容器６０の内部が密閉空間をなす態様となっている。

つまり各容器の底面がなす円形の直径は、大きい順から外槽容器外側筐体６１、内槽容器外側筐体５１、内槽容器内側筐体５２、外槽容器内側筐体６２であり、開口部６３は開口部５３より小さい。また冷媒供給管５７、冷媒排出管５８の外側を覆うように外側冷媒供給管６７と外側冷媒排出管６８とが繋がれている。

内槽容器５０と外槽容器６０とは、それぞれの底面がなす円形の径方向に関して互いに接触しないように配置されている。つまり図２に示すように、たとえば内槽容器５０の内槽容器外側筐体５１と、外槽容器６０の外槽容器外側筐体６１との間には径方向に一定の間隙が存在する。内槽容器５０の内槽容器内側筐体５２と、外槽容器６０の外槽容器内側筐体６２とについても同様である。つまり当該間隙はたとえば図２に示すようにステータヨーク２１として存在し、ステータヨーク２１はロータコア１３の外周を取り囲むように存在する。このステータヨーク２１の存在により、内槽容器５０の内部が冷媒１７により冷却される効率を高め、内槽容器５０の内部の温度が、たとえば外槽容器６０の外側の室温の影響を受けることを抑制している。このため外槽容器６０が、内槽容器５０の内部の温度制御を容易にする断熱材として作用するものであるといえる。

上述したように、図２や図５の内槽容器５０の内部には超電導コイル１０が載置されている。その態様は図７の断面図に示すとおりである。そして当該超電導コイル１０には、これを構成する超電導線材に電流を供給するための端子が接続されている。その態様は図７に示すとおりであり、端子１は筐体固定端子３と、線材固定用端子７とから構成される。なお図７においては、形成を容易にするために端子１が筐体固定端子３と線材固定用端子７との２つの部材から構成されているが、端子１は単独の部材から構成されていてもよい。

筐体固定端子３は、内槽容器５０の壁部、つまり内槽容器５０を構成する一部材である端部筐体５５を貫通するように設置される、円柱形状の端子部材である。つまり筐体固定端子３は端部筐体５５を貫通するように設置されることにより、内槽容器５０のＦＲＰからなる筐体と固定されている。また筐体固定端子３には端子構成部材５が含まれている。

図７の特に端子１と超電導コイル１０との配置についてより詳細に示した斜視図が図８である。図８において、端部筐体５５よりも左側は内槽容器５０の内部であり、端部筐体５５よりも右側は内槽容器５０の外部である。このため端部筐体５５の左側に超電導コイル１０が載置されている。

線材固定用端子７は、内槽容器５０の内部に載置されている端子部材であり、概ね平板形状を有しているが、端部筐体５５側に線材固定用端子段部７ａが存在する。これは他の領域に比べて図８や図９に示す上下方向の厚みが大きく階段状になった領域である。

端子１の筐体固定端子３と線材固定用端子７とは、線材固定用端子段部７ａ（図９参照）の間に固定接続される。つまり線材固定用端子７の厚み（図８、図９における上下方向の高さ）が高くなった２つの領域としての線材固定用端子段部７ａに挟まれた溝状の領域に筐体固定端子３が載置されている。そして当該溝状の領域にて筐体固定端子３と線材固定用端子７とが固定接続されている。筐体固定端子３と線材固定用端子７との固定は、たとえば半田やろう材により両者が電気的に接続されることによりなされている。

ここで筐体固定端子３や線材固定用端子７はたとえば無酸素銅Ｃ１０２０やタフピッチ銅Ｃ１１００などの材質からなることが好ましい。また図７や図８においては端子１（筐体固定端子３、端子構成部材５および線材固定用端子７）は１台のみ図示されている。しかし実際は超電導コイル１０に電流を入力する端子１と、超電導コイル１０から電流を出力する端子１との２台が存在する。

超電導コイル１０の超電導線材と端子１とは、図８に示すように、接続部材としての超電導線材１１と、超電導線材に固定された弾性部材９とにより接続されている。

超電導線材１１は、超電導コイル１０を構成する第１の超電導線材と同様の材質（超電導材料）からなる第２の超電導線材として配置されるものである。図８に示すように、第１の超電導線材と第２の超電導線材とが接続部１０ａにおいて重なり合っており、たとえば半田やろう材により両者が電気的に接続されている。

この第１の超電導線材と第２の超電導線材とが重なり合った領域である接続部１０ａは、弾性部材９と重なった位置に配置されることが好ましい。具体的には図８に示すように超電導コイル１０の湾曲部に沿った方向に延在するように配置された弾性部材９の延在方向と幅方向とがなす平面と、第１の超電導線材と第２の超電導線材との接続部１０ａのなす平面とがほぼ同一の方向を向くように配置される。

なお、超電導コイル１０や超電導線材１１を構成する第１および第２の超電導線材は、いわゆる酸化物超電導線材である。具体的には、たとえばビスマスなどの酸化物超電導体の原料粉末を銀などのシース部で被覆したテープ状部材を焼結することにより得られた線材であってもよい。あるいは長軸形状（帯状）のニッケル系の基板上に、超電導線材を構成するたとえばイットリウム系の酸化物超電導体が薄膜形状に形成され、さらに、銀スパッタ層などが積層された構成であってもよい。

また図９の水平方向から見た図において、超電導コイル１０の右側の端部が上側に若干吊り上がった態様が示されている。これは超電導コイル１０がレーストラック型コイルである場合には、第１の超電導線材の長尺方向に交差する幅方向が集合してなる平面が、第１の超電導線材が湾曲する湾曲部において、当該超電導線材の一方の幅方向（たとえば図９においては上方向）に寄るように湾曲した鞍形の構造を有しているためである。しかし超電導コイル１０の超電導線材は必ずしも鞍形となるように巻回されている必要はなく、たとえば単純にパンケーキ状に巻回されてレーストラック型をなす構成であってもよい。

図８において超電導線材１１は、超電導コイル１０の超電導線材が接続部１０ａの近傍において延在する方向に沿って延在した後、上下方向に向きを変え、さらに線材固定用端子７の延在方向（図７や図８の左右方向）に沿うように延在するような形状となっている。そして超電導線材１１は、線材固定用端子７の延在方向に沿う方向に延在する領域において、線材固定用端子７の側面に接続されている。

ここでは線材固定用端子７は、図８や図９に示すように、３段積層された超電導コイル１０の超電導線材の幅方向が集合してなる平面に対向するように、当該超電導コイル１０の下側に配置されている。このため線材固定用端子７と超電導線材１１とを接続するために、超電導コイル１０の超電導線材に沿うように延在していた超電導線材１１が、下側に向かうように転向する。

ここで線材固定用端子７と超電導線材１１とが固定接続されることにより、両者間が電気的に接続される。上述したように線材固定用端子７と筐体固定端子３とが電気的に接続されることにより固定されているため、線材固定用端子７と超電導線材１１とが接続されることにより、超電導コイル１０の超電導線材から、筐体固定端子３までが電気的に接続される。このため筐体固定端子３と超電導コイル１０との間で電流の入出力を行なうことができる。

なお、超電導線材１１を図８や図９に示すように屈曲したような態様とするために、１本の超電導線材１１を所望の箇所にて屈曲させてもよいし、３本の超電導線材１１を図８や図９に示す態様となるように接続してもよい。固定端子部側面７ｂにおいて超電導線材１１と線材固定用端子７とを接続するためには、超電導線材１１が上下方向に延在する領域の下側の端部において接続されていてもよい。この場合は図８に示す超電導線材１１のうちもっとも筐体固定端子３に近い側の、固定端子部側面７ｂの延在方向に延びる成分は必要ない。しかし図８に示すように、固定端子部側面７ｂの延在方向に沿って延びる超電導線材１１が固定端子部側面７ｂと接続されることにより、超電導線材１１と線材固定用端子７とが接続固定されることがより好ましい。このようにすれば、超電導線材１１と線材固定用端子７との接続部分の面積を大きくすることができるため、当該接続部分に流れる電流の密度を小さくすることができる。

図８〜図１０に示すように、弾性部材９は、超電導線材１１のうち超電導コイル１０の湾曲部１０ｂに沿うように延在する領域と、上下方向に延在する領域とのそれぞれに接続するように配置されている。このように超電導線材１１に接続するように配置されることにより、弾性部材９は超電導線材１１を支持する。

図８や図９において、弾性部材９は超電導線材１１の延在する方向に交差する幅よりも広い幅を有する。また弾性部材９はたとえばＳＵＳ３０４−ＣＳＰ、ベリリウム銅Ｃ１７００、リン青銅Ｃ５２１０、チタンＴｉ−２２４、その他の非金属のジルコニア、ＦＲＰから選択される少なくとも１種を含む材料から構成される、板状の構造体である。ここで板状の弾性部材９は、超電導線材１１の延在方向および幅方向の両方に交差する厚み方向に厚みを有するように配置されることが好ましい。たとえば図１０に示すように、板状の弾性部材９は、超電導線材１１の延在方向と幅方向とがなす表面に重なるように（つまり超電導線材１１の厚み方向と弾性部材９の厚み方向とが一致するように）接続されている。弾性部材９はこのように剛性の高い金属材料から形成されていることにより、液体窒素が流通する極低温の環境下においても弾性を維持する板バネとして用いられる。

このため弾性部材９は強度的に超電導線材１１を支持することが可能である。つまりたとえば液体窒素などの冷媒１７（図２参照）が弾性部材９の周囲を流通したとしても、超電導線材１１は剛性の高い弾性部材９に固定支持されているため、大きく振動する可能性が抑制される。大きな振動が抑制されるため、超電導線材１１の超電導コイル１０や線材固定用端子７との接続が断線するなどの不具合が発生する可能性を低減することができる。

さらに図８や図１０に示すように、弾性部材９は、超電導コイル１０との接続部１０ａに近い領域においては超電導コイル１０の超電導線材が湾曲する方向に沿うように（つまり超電導コイル１０の外周部に沿うように接続された超電導線材１１に沿うように）配置されている。このため弾性部材９の周囲を、たとえば弾性部材９から超電導コイル１０の外周部への方向に冷媒が流通しても、弾性部材９は近傍に存在する超電導コイル１０の外周部にガードされる。このように超電導線材１１（弾性部材９）が超電導コイル１０の外周部に沿う配置となっているため、たとえば超電導線材１１（弾性部材９）が他の部材の位置との間に特別な関係がなく無秩序に配置されている場合に比べて、超電導線材１１（弾性部材９）は冷媒の流通による大きな振動が抑えられる。

また超電導コイル１０の存在により、上述した方向と逆方向である超電導コイル１０の外周部から弾性部材９へ大きく冷媒が流れること自体が抑制される。したがってこのような向きの冷媒の流れによる、超電導コイル１０の外周部に沿う弾性部材９（超電導線材１１）の振動も、同様に抑制される。

さらに弾性部材９（超電導線材１１）の、超電導線材１１が線材固定用端子７と接続されるために上下方向に延在する領域は、超電導コイル１０を構成する超電導線材の幅の数倍程度の長さである。この長さは、超電導コイル１０の外周部に沿うように延在する弾性部材９（超電導線材１１）の長さに比べて非常に短い。したがってこの領域が、周囲の冷媒の流れに大きく影響されて大きく振動する可能性は低い。以上に示す超電導線材１１（弾性部材９）の配置される位置も、当該超電導線材１１（弾性部材９）が大きく振動することが抑制される一因となる。

なお図８から図９においては、上下方向に延在する弾性部材９は、超電導線材１１の幅方向の一方の端部側（図８、図９における右側）のみ、超電導線材１１から食み出すように配置されており、超電導線材１１の幅方向の上記一方の端部に対向する他方の端部側（図８、図９における左側）については超電導線材１１に隠れるように配置されている。しかし上記他方の端部側についても弾性部材９が露出する構成であってもよい。また超電導コイル１０の外周部に沿うように接続された超電導線材１１に沿うように配置された弾性部材９は、図８や図９においては超電導線材１１の幅方向の両方の端部側から食み出すように配置されている。しかし当該弾性部材９が超電導線材１１の幅方向の一方の端部側からのみ食み出す構成となっていてもよい。

図１０に示すように弾性部材９は、超電導コイル１０の湾曲部１０ｂの、延在する外周部に沿うように、かつ超電導コイル１０と超電導線材１１とに挟まれるように配置されている。つまり弾性部材９は超電導線材１１の内側に配置されている。しかし逆に、超電導線材１１が超電導コイル１０と弾性部材９とに挟まれるように（弾性部材９が超電導線材１１の外側に）配置されてもよい。

超電導モータ１００を使用する際には内槽容器５０の内部に冷媒を供給し、超電導コイル１０を冷却する。このとき内槽容器５０と超電導コイル１０とが冷却されるが、両者の熱収縮差により、冷却される前後における内槽容器５０と超電導コイル１０との配置される位置が変化する。その結果、内槽容器５０と超電導コイル１０との距離も変化する。なお熱収縮差による変位量は、たとえば超電導コイル１０においては最も寸法の大きい長手方向（図７から図１０における左右方向）において最も大きくなる。このため超電導コイル１０と内槽容器５０との距離の変化は、超電導コイル１０の長手方向の端部すなわち湾曲部１０ｂと、湾曲部１０ｂに対向する端部筐体５５との距離においてもっとも顕著となる。したがって以下では超電導コイル１０の湾曲部１０ｂとこれに対向する端部筐体５５との距離について考察する。

上述したように超電導コイル１０の湾曲部１０ｂと、これに対向する端部筐体５５との距離が、両者の冷却時の熱収縮差により変化、たとえば短縮したとき、超電導コイル１０の湾曲部１０ｂに沿う超電導線材１１に接続された弾性部材９が、端部筐体５５との距離を縮めるように（湾曲する曲率が大きくなるように）湾曲変形する。これは弾性部材９の延在する方向と幅方向とのなす平面の有する弾性によるものである。弾性部材９は超電導線材１１と接続により固定されているが、弾性部材９は超電導コイル１０の湾曲部１０ｂの超電導線材とは接続固定されていない。このため超電導コイル１０の湾曲部１０ｂが移動すれば、弾性部材９は当該湾曲部１０ｂに押されるように、かつ弾性部材９の弾性を利用して（弾性部材９の内部における応力が大きくなりすぎない状態を保ちながら）湾曲変形することができる。これは弾性部材９が超電導コイル１０と接続固定されないものの、超電導コイル１０の湾曲部１０ｂに向けて付勢されることに基づく。このように超電導コイル１０の湾曲部１０ｂと端部筐体５５との距離がもっとも変化しやすいため、超電導コイル１０の湾曲部１０ｂに対向し、端部筐体５５との距離の変化に柔軟に対応しうるように（すなわち湾曲部１０ｂに対向するように）弾性部材９を配置することが特に好ましい。

弾性部材９が湾曲変形すれば、超電導線材１１も弾性部材９の湾曲に追従して湾曲変形する。このため湾曲部１０ｂの移動後においても弾性部材９の弾性が、湾曲部１０ｂと端部筐体５５との距離の短縮による変形による、たとえば接続部１０ａにおける断線や超電導線材１１の破損などの不具合の発生を抑制することができる。

同様に、上下方向に延在する弾性部材９についても、たとえば超電導コイル１０が端部筐体５５に接近する方向へ移動しても、弾性部材９が超電導コイル１０の移動に合わせて柔軟に変形する。このため当該弾性部材９に接続された超電導線材１１の破損などの不具合の発生が、上記の湾曲部１０ｂに沿った超電導線材と同様に抑制される。

なお図１１に示すように、上下方向に延在する弾性部材９と線材固定用端子７とは、固定端子部側面７ｂの一部の領域（特に固定端子部側面７ｂの上側半分の領域）において接続されることが好ましい。この固定は、たとえば金属部材の接続用の通常の接着剤など一般公知の方法により行なわれる。また図１１に示すように、上下方向に延在する超電導線材１１と線材固定用端子７とは、半田やろう材などの導電性接着剤８により電気的に接続され、かつ固定される。

上述したように、超電導コイル１０と接続部１０ａにおいて接続され、湾曲部１０ｂに沿うように配置された超電導線材１１に重なるように、弾性部材９が接続される。ここで特に図１０に示すように弾性部材９が超電導線材１１の内側に配置される場合、超電導線材１１と固定される弾性部材９の延在方向の端部は接続部１０ａから延在方向に一定距離だけ離れた箇所になる。これは接続部１０ａにおいて超電導コイル１０の第１の超電導線材と、超電導線材１１（第２の超電導線材）とが接続されるため、弾性部材９の厚み分による干渉が起こることからである。仮にこのような干渉が起こると、接続部１０ａに応力集中が起こり、断線を起こす可能性があるため、弾性部材９の厚みによる干渉が起こらないことが好ましい。このため超電導コイル１０と超電導線材１１とを接続部１０ａにおいて接続した後に超電導線材１１に弾性部材９を接続する場合、弾性部材９の延在方向の端部は接続部１０ａから延在方向に一定距離だけ離れた箇所になる。

このように弾性部材９が接続されることによる超電導線材間の干渉を抑制するためには、図１２に示すように、超電導コイル１０の超電導線材の、超電導線材１１と接続される側の端部である線材端部１０ｃに、超電導コイル１０と固定されていない領域を有することが好ましい。線材端部１０ｃが超電導コイル１０と固定されておらず、図１２のように間隙１０ｄを有していても、弾性部材９は超電導コイル１０の湾曲部１０ｂに沿うように配置され、超電導コイル１０に向けて付勢された状態を保つことができる。

図１２のように間隙１０ｄを備えれば、超電導コイル１０の線材端部１０ｃと超電導線材１１とが接続される接続部１０ａの存在しうる位置の範囲の自由度が増加し、当該接続部１０ａにおける応力の集中を抑制することができる。このため、接続部１０ａにおける線材の破損や断線などの不具合を抑制することができる。また間隙１０ｄの存在により、超電導線材１１やこれに接続された弾性部材９の存在しうる領域の自由度も増加する。このため超電導コイル１０の位置の移動による弾性部材９の（変形による）追従がより柔軟となる。

間隙１０ｄは線材端部１０ｃの近傍に存在することが好ましい。これはたとえば線材端部１０ｃから離れた領域に間隙１０ｄが存在したとしても、当該領域よりもさらに線材端部１０ｃ（接続部１０ａ）に近い領域において間隙が存在せず、線材端部１０ｃと超電導コイル１０の外周部とが固定されていれば、接続部１０ａにおいて応力集中を起こす可能性があるためである。超電導コイル１０の、接続部１０ａにおいて接続される端部から、延在する方向に一定の長さの領域は超電導コイル１０と固定されない領域であることが好ましい。

なお以上に述べた第１および第２の超電導線材の接続部１０ａは、超電導コイル１０の湾曲部１０ｂの中心からずれた位置に存在することが好ましい。具体的にはたとえば図１０に示すように、超電導コイル１０を上側から（超電導コイル１０の超電導線材の幅方向の端部が集合してなるレース状の平面を）見た場合に湾曲部１０ｂの頂上である箇所に対向する箇所には接続部１０ａが存在しないことが好ましい。言い換えれば湾曲部１０ｂの頂上とは湾曲部１０ｂのうち、端部筐体５５との距離がもっとも小さい箇所のことである。

仮に接続部１０ａが湾曲部１０ｂの中心に存在すれば、超電導コイル１０が長手方向に交差する短軸方向側に変位した場合に、接続部１０ａが弾性部材９による湾曲変形による応力緩和の影響を受けないことになる。このため接続部１０ａに応力が集中し、断線などの不具合を起こす可能性がある。

このため接続部１０ａが湾曲部１０ｂの中心に対向する箇所以外の箇所に存在すれば、超電導コイル１０の長手方向の変位およびそれに交差する短軸方向の変位の両方に対して、弾性部材９の湾曲変形が接続部１０ａへの応力集中の抑制に寄与することができる。これは湾曲部１０ｂの中心に対向する箇所以外の箇所に存在する接続部１０ａにおいて、超電導コイル１０の長手方向および短軸方向の両方の変位が弾性部材９に加える力が、超電導コイル１０と超電導線材１１との延在する方向（超電導コイル１０と超電導線材１１とを断線するように引っ張る方向）の成分を有することになるためである。この場合における弾性部材９の湾曲変形を容易にするために、超電導コイル１０の湾曲部１０ｂに対向する配置の（超電導線材１１に固定される）弾性部材９は、湾曲部１０ｂの中心に対向する箇所以外の領域に対向するように配置されることが好ましい。

（実施の形態２）
本発明においては図１３に示すように、線材固定用端子７の固定端子部側面７ｂ上に延在するように接続される（もっとも筐体固定端子３に近い領域の）超電導線材１１にも弾性部材９が接続されていてもよい。この弾性部材９も、他の領域すなわち超電導コイル１０の湾曲部１０ｂに対向する超電導線材１１に接続された弾性部材９と同様の材質からなることが好ましい。

この場合、図１３に示すように、固定端子部側面７ｂ上に延在するように接続される超電導線材１１よりも、弾性部材９の延在する長さを若干短くし、超電導線材１１の線材端部１１ａにおいては弾性部材９が対向しない状態とすることが好ましい。このようにすれば、図１４の上面図に示すように、線材端部１１ａから延在方向に一定の長さ分の領域において、超電導線材１１と線材固定用端子７とをたとえば図１１と同様の導電性接着剤８により接着することができる。ただし図１４に示すように弾性部材９が超電導線材１１と線材固定用端子７とに挟まれるように（超電導線材１１の内側に）配置されれば、超電導線材１１と線材固定用端子７とが接続される領域が小さくなるため、当該領域における電流密度が増大する可能性がある。このため、固定端子部側面７ｂと接続される超電導線材１１の弾性部材９は、超電導線材１１の外側に（超電導線材１１が弾性部材９と線材固定用端子７とに挟まれるように）配置されることがより好ましい。このようにすれば、超電導線材１１と線材固定用端子７との接続部分の面積を確保することができる。

このように固定端子部側面７ｂ上にも弾性部材９を配置すれば、上下方向に延在する超電導線材１１に接続された弾性部材９と同様に、超電導コイル１０の短軸方向の変位の吸収がより容易となる。

また図１３においては、固定端子部側面７ｂ上の弾性部材９の幅方向は、超電導線材１１の幅方向に関する両方の端部から食み出す構成となっている。しかし当該弾性部材９の幅についても他の部位の弾性部材９と同様に、任意の値を用いることができる。

本発明の実施の形態２は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、本発明の実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態１に順ずる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、超電導コイルを用いたモータの冷媒に起因する損傷を抑制する技術として、特に優れている。

１端子、３筐体固定端子、５端子構成部材、７線材固定用端子、７ａ線材固定用端子段部、７ｂ固定端子部側面、８導電性接着剤、９弾性部材、１０超電導コイル、１０ａ接続部、１０ｂ湾曲部、１０ｃ，１１ａ線材端部、１０ｄ間隙、１１超電導線材、１３ロータコア、１６ロータ軸、１７冷媒、１８出力軸、２０ステータ、２１ステータヨーク、２３ステータコア、３０ロータ、３５ベアリング、５０内槽容器、５１内槽容器外側筐体、５２内槽容器内側筐体、５３，６３開口部、５４，６４開口部側面、５５，５６，６５，６６端部筐体、５７冷媒供給管、５８冷媒排出管、６０外槽容器、６１外槽容器外側筐体、６２外槽容器内側筐体、６７外側冷媒供給管、６８外側冷媒排出管、１００超電導モータ。

Claims

第１の超電導線材により構成される超電導コイルと、
前記超電導コイルを内部に保持する容器と、
前記容器の壁部に設置され、前記超電導コイルに電流を供給するための端子と、
前記超電導コイルと前記端子とを電気的に接続する接続部材とを備えており、
前記接続部材は、
前記第１の超電導線材と前記端子とを電気的に接続するための第２の超電導線材と、
前記第２の超電導線材を支持し、前記超電導コイルに向けて付勢された弾性部材とを含み、
前記弾性部材が前記端子に固定されている、超電導機器。
前記超電導コイルはレーストラック型コイルである、請求項１に記載の超電導機器。
前記第１の超電導線材は、前記第２の超電導線材と接続された端部において前記超電導コイルと固定されていない領域を有する、請求項１または２に記載の超電導機器。
前記弾性部材は、前記超電導コイルの湾曲部に対向するように配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導機器。
前記第１および第２の超電導線材の接続部は、前記湾曲部がなす曲線における前記湾曲部の中心からずれた位置において、前記超電導コイルと対向するように配置されている、請求項４に記載の超電導機器。
前記弾性部材はＳＵＳ３０４−ＣＳＰ、ベリリウム銅Ｃ１７００、リン青銅Ｃ５２１０、チタンＴｉ−２２４、ジルコニア、ＦＲＰから選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導機器。