JP5677116B2 - 高温超電導コイル - Google Patents
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Description
本発明は、積層構造の酸化物超電導導体をコイル巻きにした高温超電導コイルにおいて端子部の構造を特定した発明に関する。
従来から使用されてきたＮｂＴｉなどの金属系超電導線材は丸線や角線などの形態で提供されており、形状の自由度が高い。これに対し、Ｂｉ系やＹ系などの臨界温度が９０〜１００Ｋ程度の高温酸化物超電導体は、超電導層がセラミックスから形成されており、また、その線材構造もテープ形状とされているので、曲げや捻回などの機械特性について劣化し易いという欠点がある。
例えば、図９に示す如くＢｉ系の超電導線材１００は、Ｂｉ系の超電導層１０１をＡｇのシース材１０２で被覆した状態となるようにロール圧延法などにより製造された構造となっている。一方、Ｙなどの希土類系の超電導線材２００は、例えば図１０に示す如く全く異なる構造とされている。
図１０に示す超電導線材２００は、テープ状の金属基材２０１上に中間層２０２とキャップ層２０３を介し成膜法により酸化物超電導層２０４を積層し、ＡｇやＣｕなどの安定化層２０５、２０６を被覆した積層構造とされる。そのため、図９に示す構造のＢｉ系の超電導線材１００のように厚さ方向に対称的な構造ではなく、希土類系の超電導線材２００を用いて超電導コイルとするには、曲げや捻回などの方向性を考慮して設計する必要がある。
図１０に示す超電導線材２００は、テープ状の金属基材２０１上に中間層２０２とキャップ層２０３を介し成膜法により酸化物超電導層２０４を積層し、ＡｇやＣｕなどの安定化層２０５、２０６を被覆した積層構造とされる。そのため、図９に示す構造のＢｉ系の超電導線材１００のように厚さ方向に対称的な構造ではなく、希土類系の超電導線材２００を用いて超電導コイルとするには、曲げや捻回などの方向性を考慮して設計する必要がある。
また、高温超電導線材を用いた超電導コイルにおいては、超電導線材を巻枠に巻回し、接続や電流供給のための電極部を設ける必要があり、高温超電導コイルの製作は、高温超電導体の機械特性を十分に考慮した上で行う必要がある。
高温超電導コイルの電極部については、曲げ応力を発生せず、発熱を抑えることができる構造として、特許文献１に記載の構造が提案されている。
高温超電導コイルの電極部については、曲げ応力を発生せず、発熱を抑えることができる構造として、特許文献１に記載の構造が提案されている。
特許文献１に記載の超電導コイルの電極部構造は、円弧状接触部が超電導線材の末端部に接続され、かつ、この円弧状接触部から外径方向へ固定部が突出された構造となっている。そのため、電導コイルからの電極長を長くする必要がある場合は、常電導部である電極（固定部）の長さが長くなるほど、常電導部の抵抗によるジュール発熱により、超電導コイルの電極部付近で発熱するおそれがある。
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、電極との接続部における発熱を抑制できる高温超電導コイルを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の高温超電導コイルは、基材と、該基材上方に設けられた高温超電導層と、該高温超電導層上方に設けられた安定化層とを備える超電導線材を、前記安定化層側を外側として巻回してなるコイル体と、このコイル体の前記超電導線材の巻回終端部の前記安定化層上に設けられた電極と、を備え、前記超電導線材の前記巻回終端部と前記電極とが、前記コイル体の周方向から径方向外側に向かって一体に折り曲げられてなり、前記電極の前記コイル体周面に沿う部分と、該電極の前記コイル体の外側に延出された部分との両方が、前記安定化層と電気的に接続されてなり、前記超電導線材の折り曲げ部の前記安定化層側が、前記電極の折り曲げ部の外側と電気的に接続されてなることを特徴とする。
本発明の高温超電導コイルによれば、超電導線材の巻回終端部の安定化層上に電極が設けられ、且つ電極のコイル体周面に沿う部分とコイル体外側に延出された部分との両方が超電導線材の端部と電気的に接続されている構成であるため、常電導体である電極と超電導線材との接触面積を大きくとることができ、接続抵抗を小さく抑え、電極における発熱を抑制できる。
また、本発明によれば、超電導線材の安定化層側を外側として巻回してコイル体とし、このコイル体端部の超電導線材を外径方向に折り曲げる構成であるので、超電導線材端部の折り曲げ部では、基材側を外側として折り曲げる構成となる。そのため、高温超電導層に圧縮応力が働くため、折り曲げ部において超電導特性が劣化することを抑制できる。
また、本発明によれば、超電導線材の安定化層側を外側として巻回してコイル体とし、このコイル体端部の超電導線材を外径方向に折り曲げる構成であるので、超電導線材端部の折り曲げ部では、基材側を外側として折り曲げる構成となる。そのため、高温超電導層に圧縮応力が働くため、折り曲げ部において超電導特性が劣化することを抑制できる。
本発明の高温超電導コイルにおいて、前記基材の厚さをｔ（ｍｍ）、前記電極の折り曲げ部の曲げ半径をＲ（ｍｍ）としたとき、ｔ／Ｒ≦０．０２を満たすことが好ましい。
この場合、電極接続部の折り曲げ部における超電導特性の劣化をより確実に防ぐことができる。
この場合、電極接続部の折り曲げ部における超電導特性の劣化をより確実に防ぐことができる。
本発明の高温超電導コイル体において、前記電極が、前記コイル体周面に沿って配置される周側部と、前記コイル体の径方向外側に向いて配設された延出部とからなり、前記周側部が前記コイル体周面側の前記超電導線材の前記安定化層に半田付けされ、前記延出部が前記コイル体径方向外側に延出された前記超電導線材の前記安定化層に半田付けされ、前記超電導線材の折り曲げ部の前記安定化層側が前記電極の折り曲げ部の外側に半田付されてなることもできる。
この場合、電極の周側部と延出部の両方が超電導線材の安定化層に半田付けされているため、超電導線材巻回終端部の折り曲げ部分を電極で補強した構造とすることができる。
従って、高温超電導コイルへの通電時に生じる可能性のある振動などにより電極が位置ずれすることがない。また、接合部分の強度が強いので、他の端子との接続の作業性が向上する。
この場合、電極の周側部と延出部の両方が超電導線材の安定化層に半田付けされているため、超電導線材巻回終端部の折り曲げ部分を電極で補強した構造とすることができる。
従って、高温超電導コイルへの通電時に生じる可能性のある振動などにより電極が位置ずれすることがない。また、接合部分の強度が強いので、他の端子との接続の作業性が向上する。
本発明の高温超電導コイルにおいて、前記超電導線材が被覆層で被覆されており、巻回終端部において前記被覆層から該超電導線材が引き出され、この引き出された超電導線材の前記安定化層上に前記電極が設けられることもできる。
この場合、コイル体径方向に隣接する各超電導線は被覆層により保護される。また、巻回終端部で被覆層から超電導線材を引き出して、この引き出した部分の安定化層上に電極を設けるため、巻回終端部において電極と超電導線材を確実に電気的に接続できる。
この場合、コイル体径方向に隣接する各超電導線は被覆層により保護される。また、巻回終端部で被覆層から超電導線材を引き出して、この引き出した部分の安定化層上に電極を設けるため、巻回終端部において電極と超電導線材を確実に電気的に接続できる。
本発明によれば、常電導体である電極と超電導線材との接触面積を大きくとることができるので、電極との接続部における発熱を抑制できる高温超電導コイルが提供される。
以下、本発明に係る高温超電導コイルについて図面に基づいて説明する。
図１は本発明の高温超電導コイルの一例構造を示す概略模式図であり、図２は図１に示す高温超電導コイルが備える超電導線材の一例構造を示す概略斜視図であり、図３は図１に示す超電導コイルの電極接続部の構造を模式的に示す上面図である。なお、図３では、説明を簡単にするため、超電導線材の一部の層を省略して示している。
図１は本発明の高温超電導コイルの一例構造を示す概略模式図であり、図２は図１に示す高温超電導コイルが備える超電導線材の一例構造を示す概略斜視図であり、図３は図１に示す超電導コイルの電極接続部の構造を模式的に示す上面図である。なお、図３では、説明を簡単にするため、超電導線材の一部の層を省略して示している。
図１は、本発明の高温超電導コイルの一実施形態を示す概略斜視図である。
本実施形態の高温超電導コイル１０は、第１のコイル体６Ａと第２のコイル体６Ｂとが、同軸的に上下に積層されて構成されている。
第１のコイル体６Ａは、後述する超電導線材が安定化層側を外側にして同心円状、時計回りに多数回巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体である。第２のコイル体６Ｂは、後述する超電導線材が安定化層側を外側にして同心円状、反時計回りに多数回巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体である。
各コイル体の内側に位置する第１のコイル体６Ａの巻回始端と第２のコイル体６Ｂの巻回始端とは、互いに隣接するように配されており、良導電性の接続板（図示略）により、電気的および機械的に接続されている。また、各コイル体６Ａ、６Ｂの最外周側に位置する巻回終端には、後述の如く電極５が接合されている。
本実施形態の高温超電導コイル１０は、第１のコイル体６Ａと第２のコイル体６Ｂとが、同軸的に上下に積層されて構成されている。
第１のコイル体６Ａは、後述する超電導線材が安定化層側を外側にして同心円状、時計回りに多数回巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体である。第２のコイル体６Ｂは、後述する超電導線材が安定化層側を外側にして同心円状、反時計回りに多数回巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体である。
各コイル体の内側に位置する第１のコイル体６Ａの巻回始端と第２のコイル体６Ｂの巻回始端とは、互いに隣接するように配されており、良導電性の接続板（図示略）により、電気的および機械的に接続されている。また、各コイル体６Ａ、６Ｂの最外周側に位置する巻回終端には、後述の如く電極５が接合されている。
図２に示すように、第１のコイル体６Ａおよび第２のコイル体６Ｂを構成する超電導線材１は、テープ状の基材１１の上にベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と高温超電導層１７とが積層されるとともに、高温超電導層１７の上に安定化基層１８と安定化層１９が積層され、全体が絶縁性の被覆層２０で覆われて概略構成されている。超電導線材１において、基材１１とベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と安定化基層１８と安定化層１９とから超電導線材本体部１Ａが構成されている。なお、超電導線材１においてベッド層１２は略することもできる。また、図１に示す如く、各コイル体６Ａ、６Ｂの超電導線材１は、その巻回終端側において被覆層２０が除去され、被覆層２０から引き出された状態で、その安定化層１９上に電極５が接合されている。
本実施形態の超電導線材１に適用できる基材１１は、通常の超電導線材の基材として使用でき、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。
なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍである。
なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍである。
ベッド層１２は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層１２は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層１２は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。
また、本発明において、超電導線材１は図２に示す構造に限るものではなく、基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層が介在された構造としても良い。拡散防止層は、基材１１の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、あるいは希土類金属酸化物等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。なお、拡散防止層の結晶性は問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すればよい。
このように基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層を介在させることにより、後述する中間層１５やキャップ層１６および高温超電導層１７等の他の層を形成する際に、必然的に加熱されたり、熱処理される結果として熱履歴を受ける場合に、基材１１の構成元素の一部がベッド層１２を介して高温超電導層１７側に拡散することを抑制できる。拡散防止層とベッド層１２の２層構造とすることで、基材１１側からの元素拡散を効果的に抑制することができる。基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層を介在させる場合の例としては、拡散防止層としてＡｌ２Ｏ３、ベッド層１２としてＹ２Ｏ３を用いる組み合わせを例示することができる。
このように基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層を介在させることにより、後述する中間層１５やキャップ層１６および高温超電導層１７等の他の層を形成する際に、必然的に加熱されたり、熱処理される結果として熱履歴を受ける場合に、基材１１の構成元素の一部がベッド層１２を介して高温超電導層１７側に拡散することを抑制できる。拡散防止層とベッド層１２の２層構造とすることで、基材１１側からの元素拡散を効果的に抑制することができる。基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層を介在させる場合の例としては、拡散防止層としてＡｌ２Ｏ３、ベッド層１２としてＹ２Ｏ３を用いる組み合わせを例示することができる。
中間層１５は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層される酸化物超電導層１７の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から選択される。中間層１５の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を例示することができる。
この中間層１５をイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１５゜以下）で成膜するならば、その上に形成するキャップ層１６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができ、これによりキャップ層１６の上に成膜する高温超電導層１７の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。
この中間層１５をイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１５゜以下）で成膜するならば、その上に形成するキャップ層１６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができ、これによりキャップ層１６の上に成膜する高温超電導層１７の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。
中間層１５の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．００５〜２μｍの範囲とすることができる。
中間層１５は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）、溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、高温超電導層１７やキャップ層１６の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、下地の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる中間層１５は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
中間層１５は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）、溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、高温超電導層１７やキャップ層１６の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、下地の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる中間層１５は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
キャップ層１６は、中間層１５の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層１６は、前記金属酸化物層からなる中間層１５よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層１６の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層１６は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
キャップ層１６の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層１６は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
キャップ層１６は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが望ましい。一例として、ＰＬＤ法によりキャップ層１６としてＣｅＯ２層を成膜するには、基材温度約５００〜１０００℃、約０．６〜１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
キャップ層１６の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましく、５００ｎｍ以上であれば更に好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５００〜１０００ｎｍとすることが好ましい。
キャップ層１６の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましく、５００ｎｍ以上であれば更に好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５００〜１０００ｎｍとすることが好ましい。
高温超電導層１７は公知のもので良く、具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものを例示できる。この高温超電導層１７として、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）などを例示することができる。
高温超電導層１７の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
高温超電導層１７は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層することができる。
高温超電導層１７の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
高温超電導層１７は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層することができる。
ここで前述のように、良好な配向性を有するキャップ層１６上に高温超電導層１７を形成すると、このキャップ層１６上に積層される高温超電導層１７もキャップ層１６の配向性に整合するように結晶化する。よってキャップ層１６上に形成された高温超電導層１７は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この高温超電導層１７を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、基材１１の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、基材１１の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している。従って得られた高温超電導層１７は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、基材１１の長さ方向に電気を流し易くなり、十分に高い臨界電流密度が得られる。
高温超電導層１７の上に積層されている安定化基層１８はＡｇあるいは貴金属などの良電導性かつ高温超電導層１７と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。なお、安定化基層１８をＡｇから構成する理由として、高温超電導層１７に酸素をドープするアニール工程においてドープした酸素を高温超電導層１７から逃避し難くする性質を有する点を挙げることができる。Ａｇの安定化基層１８を成膜するには、スパッタ法などの成膜法を採用し、その厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
安定化層１９は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、高温超電導層１７が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、安定化基層１８とともに、高温超電導層１７の電流が転流するバイパスとして機能する。
安定化層１９を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金、ステンレス等の比較的安価なものを用いるのが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅がより好ましい。銅を用いることにより、材料コストを低く抑えながら安定化層１９を厚膜化することが可能となり、事故電流に耐える超電導線材を安価に得ることができる。
安定化層１９の厚さは１０〜３００μｍとすることが好ましい。安定化層１９は、公知の方法で形成することができ、めっき法、スパッタ法あるいは銅などの金属テープを安定化基層１８上に半田付けする方法などにより形成することができる。
安定化層１９を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金、ステンレス等の比較的安価なものを用いるのが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅がより好ましい。銅を用いることにより、材料コストを低く抑えながら安定化層１９を厚膜化することが可能となり、事故電流に耐える超電導線材を安価に得ることができる。
安定化層１９の厚さは１０〜３００μｍとすることが好ましい。安定化層１９は、公知の方法で形成することができ、めっき法、スパッタ法あるいは銅などの金属テープを安定化基層１８上に半田付けする方法などにより形成することができる。
以上のように構成された超電導線材１の巻回終端部において、超電導線材１の安定化層１９上に電極５が接合されている。図３は、本実施形態の高温超電導コイルにおける電極接続部の構造を模式的に示す上面図である。なお、第１のコイル体６Ａと第２のコイル体６Ｂとの電極接続部の構造は、各コイル体を構成する超電導線材の巻回方向が逆であること、電極接続部における電極の接合方向が周方向逆向きであること以外は同様の構成であるため、以下の説明においては、第１のコイル体６Ａの電極接続部の構造を例に説明する。
第１のコイル体６Ａの電極接合部７において、巻回終端で被覆層２０が所定の長さ除去され、被覆層２０から引き出された基材１１〜安定化層１９の積層体、すなわち超電導線材本体部１Ａは、コイル体周方向に沿って所定長さ延設されたのち、折り曲げ部１Ｋからコイル体径方向外側に向かって所定長さ延設されており、コイル体周面側の周側部１Ｓとコイル体の径方向外側に延出された延出部１Ｅより構成されている。超電導線材本体部１Ａは折り曲げ部１Ｋにおいて、安定化層１９側を内側、基材１１側を外側として折り曲げられている。
電極接合部７の超電導線材本体部１Ａの安定化層１９表面上には、超電導線材本体部１Ａと折り曲げ形状を略同一とした電極５が接合されている。電極５は超電導線材本体部１Ａの形状に沿って超電導線材本体部１Ａの巻回終端部と一体化されており、コイル体周方向に沿う周側部５Ｓとコイル体径方向外側に延出された延出部５Ｅとで構成されている。電極５は折り曲げ部５Ｋにおいて曲げ半径Ｒで折り曲げられた構造となっている。
超電導線材１Ａの周側部１Ｓの安定化層１９と、電極５の周側部５Ｓは、半田等の電気的接合材により接合されている。また、超電導線材１Ａの延出部１Ｅの安定化層１９と、電極５の延出部５Ｅは、半田等の電気的接合材により接合されている。
電極接合部７の超電導線材本体部１Ａの安定化層１９表面上には、超電導線材本体部１Ａと折り曲げ形状を略同一とした電極５が接合されている。電極５は超電導線材本体部１Ａの形状に沿って超電導線材本体部１Ａの巻回終端部と一体化されており、コイル体周方向に沿う周側部５Ｓとコイル体径方向外側に延出された延出部５Ｅとで構成されている。電極５は折り曲げ部５Ｋにおいて曲げ半径Ｒで折り曲げられた構造となっている。
超電導線材１Ａの周側部１Ｓの安定化層１９と、電極５の周側部５Ｓは、半田等の電気的接合材により接合されている。また、超電導線材１Ａの延出部１Ｅの安定化層１９と、電極５の延出部５Ｅは、半田等の電気的接合材により接合されている。
超電導線材本体部１Ａの先端部１ａと電極５の先端部５ａは、略同一位置とされている。超電導線材本体部１Ａの折り曲げ部１Ｋの内側（安定化層１９側）と、電極５の折り曲げ部５Ｋの外側は、半田等の電気的接合材により接合されている。電極５の先端部５ａは外部励磁用電源（図示略）などの外部機器の端子と直接接続されていてもよく、電力リード（図示略）などを介して接続されていてもよい。
電極５は、電極材料として従来公知の材料を用いることが可能であり、高い導電性を有する金属、例えば、銅、銀、金、白金、またはこれらの金属を少なくとも１種含む合金が挙げられ、中でも安価で導電率の優れた銅が好ましい。また、電極５はめっき銅より形成されていてもよい。電極５の寸法は第１のコイル体６Ａの寸法に合わせて適宜調整される。電極５の幅方向の寸法は、接続抵抗を抑えることができるため、超電導線材１の幅と略同一とされることが好ましい。電極５の厚さは、特に制限されないが、折り曲げが可能な程度の厚さ、例えば、１〜３ｍｍ程度とされる。
電極５は、電極材料として従来公知の材料を用いることが可能であり、高い導電性を有する金属、例えば、銅、銀、金、白金、またはこれらの金属を少なくとも１種含む合金が挙げられ、中でも安価で導電率の優れた銅が好ましい。また、電極５はめっき銅より形成されていてもよい。電極５の寸法は第１のコイル体６Ａの寸法に合わせて適宜調整される。電極５の幅方向の寸法は、接続抵抗を抑えることができるため、超電導線材１の幅と略同一とされることが好ましい。電極５の厚さは、特に制限されないが、折り曲げが可能な程度の厚さ、例えば、１〜３ｍｍ程度とされる。
電極５の折り曲げ部５Ｋの外側と、超電導線材本体部１Ａの折り曲げ部１Ｋの内側（安定化層１９）との接合は、電気的および機械的に接続されていればよく、例えば、半田付け、導電性接着剤等により接合することができるが、汎用性、接合性、取り扱いの容易性の点で半田が好ましい。半田としては、特に限定されず、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ系合金半田、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金等の鉛フリー半田、共晶半田、低温半田等が挙げられ、これらの半田を１種または２種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、融点が３００℃以下の半田を用いるのが好ましい。これにより、３００℃以下の温度で半田付けすることが可能となるので、半田付けの熱によって高温超電導層１７の特性が劣化するのを抑止することができる。
本実施形態の高温超電導コイル１０は、電極接合部７において常電導体である電極５の周側部５Ｓから延出部５Ｅに亘って、超電導線材本体部１Ａの安定化層１９が接合されて電気的に接続された構造であるため、電極５の接続抵抗を低減でき、ジュール熱の発生を抑制して電極接続部における発熱を抑えることができる。従って、本実施形態の高温超電導コイル１０は、電極との接続部における発熱が少なく、安定に運転できる。
また、電極５の周側部５Ｓと延出部５Ｅの両方が超電導線材本体部１Ａの安定化層に半田付けされている場合、超電導線材１の巻回終端部の折り曲げ部分を電極５で補強した接合構造とすることができる。従って、高温超電導コイル１０への通電時に生じる可能性のある振動などにより電極５が位置ずれすることがない。また、接合部分の強度が高いので、他の端子との接続の作業性が向上する。
また、電極５の周側部５Ｓと延出部５Ｅの両方が超電導線材本体部１Ａの安定化層に半田付けされている場合、超電導線材１の巻回終端部の折り曲げ部分を電極５で補強した接合構造とすることができる。従って、高温超電導コイル１０への通電時に生じる可能性のある振動などにより電極５が位置ずれすることがない。また、接合部分の強度が高いので、他の端子との接続の作業性が向上する。
また、本実施形態の高温超電導コイル１０は、超電導線材１を安定化層１９側を外側として巻回したコイル体６Ａ、６Ｂより構成され、且つ電極接続部７において超電導線材本体部１Ａの巻回終端部が安定化層１９を内側とし、基材１１を外側としてコイル径方向外側に折り曲げられた構成である。そのため、超電導線材本体部１Ａの折り曲げ部１Ｋにおいて、高温超電導層１７に圧縮応力がかかるので高温超電導層１７が劣化せず、折り曲げにより超電導特性が低下することを抑制できる。これは、高温超電導層に引張応力がかかると高温超電導層にマイクロクラックなどの欠陥を導入してしまう可能性が強く、この欠陥の導入により超電導層の臨界電流密度を著しく低下させてしまう問題があるのに対し、高温超電導層に圧縮応力がかかる場合には前記欠陥を導入させてしまう可能性が少ないことに起因している。
電極５の折り曲げ部５Ｋの曲げ半径Ｒは、後述の如く超電導線材本体部１Ａの厚さ（基材１１の厚さ）などにより適宜調整可能であるが、例えば、基材１１の厚さが０．１ｍｍの場合、曲げ半径Ｒを５ｍｍ以上とすることが好ましく、６〜１６ｍｍの範囲とすることがより好ましい、電極５の曲げ半径Ｒを前記範囲とすることにより、折り曲げによる超電導特性の低下を抑制できる。また、電極接続部７の寸法が大きくならずコンパクトにできる。
さらに、電極５の曲げ半径Ｒが小さすぎる場合、超電導線材本体部１Ａと電極５との半田付けによる接合が難しくなり、折り曲げ部１Ｋ、５Ｋ間が充分に接続されないおそれがあるが、電極５の曲げ半径Ｒを前記範囲とすることにより電極５と超電導線材本体部１Ａを充分に接合することができる。さらにまた、前記の如く基材１１の厚さが０．１ｍｍの場合に曲げ半径を最小５ｍｍまで小さくできるため、電極接続部の設計の自由度が高い。
さらに、電極５の曲げ半径Ｒが小さすぎる場合、超電導線材本体部１Ａと電極５との半田付けによる接合が難しくなり、折り曲げ部１Ｋ、５Ｋ間が充分に接続されないおそれがあるが、電極５の曲げ半径Ｒを前記範囲とすることにより電極５と超電導線材本体部１Ａを充分に接合することができる。さらにまた、前記の如く基材１１の厚さが０．１ｍｍの場合に曲げ半径を最小５ｍｍまで小さくできるため、電極接続部の設計の自由度が高い。
また、実施例で後述する如く、本発明者らは超電導線材における基材と安定化層の応力負担について検討を行った。その結果、安定化層の厚さや構造が変化しても曲げによる超電導特性に大きな違いはなく、すなわち、高温超電導層にかかる曲げ歪みに違いは無かった。この結果より、超電導線材における安定化層の歪み負担は小さく、安定化層よりも機械強度に優れる基材が大きな応力負担することが明らかとなった。また、後述の実施例で基材の厚さを一定とし、安定化層の厚さを変えて検討を行ったところ、超電導特性の低下が見られる曲げ半径Ｒの値に変化はなかった。この結果からも、高温超電導層にかかる曲げ応力については、曲げ半径Ｒに加え、超電導線材の応力に大きく寄与する基材の厚さが重要であることが確認された。
通常、折り曲げる部材の厚さが厚くなるほど曲げ応力は大きくなり、部材の厚さが薄くなるほど曲げ応力は小さくなる。そこで、超電導線材１の曲げ歪み（高温超電導層１７にかかる圧縮歪み）を、超電導線材１の基材１１の厚さｔ（ｍｍ）と、電極５の曲げ半径Ｒ（ｍｍ）との割合ｔ／Ｒで規定した。
すなわち、電極５の曲げ半径Ｒ（ｍｍ）は、超電導線材１の基材１１の厚さｔ（ｍｍ）としたとき、ｔ／Ｒ≦０．０２とすることが好ましく、０．００６２５≦ｔ／Ｒ≦０．０１６７の範囲とすることがより好ましい。このような関係を満たすように、基材１１の厚さｔに対して曲げ半径Ｒを設定することにより、折り曲げによる超電導特性の低下を抑制できる。
すなわち、電極５の曲げ半径Ｒ（ｍｍ）は、超電導線材１の基材１１の厚さｔ（ｍｍ）としたとき、ｔ／Ｒ≦０．０２とすることが好ましく、０．００６２５≦ｔ／Ｒ≦０．０１６７の範囲とすることがより好ましい。このような関係を満たすように、基材１１の厚さｔに対して曲げ半径Ｒを設定することにより、折り曲げによる超電導特性の低下を抑制できる。
以上説明したように、本実施形態の高温超電導コイル１０は、電極５の接続抵抗を低減でき、ジュール熱の発生を抑制して電極接続部における発熱を抑えることができる。従って、本実施形態の高温超電導コイル１０は、電極との接続部における発熱が少なく、安定に運転できる。また、電極接続部７において超電導線材１の安定化層１９側が折り曲げられる構造であるため、高温超電導層１７に圧縮応力がかかり、折り曲げにより超電導特性が低下することを抑制できる。
また、本実施形態の高温超電導コイル１０は、超電導線材１の巻回終端部において被覆層２０から超電導線材本体部１Ａが引き出され、この引き出された超電導線材本体部１Ａの安定化層１９上に電極５が設けらている。そのため、コイル体径方向に隣接する各超電導線１は被覆層２０により保護される。また、巻回終端部で被覆層２０から引き出した超電導線材本体部１Ａの安定化層１９上に電極５を設けるため、巻回終端部において電極５と超電導線材本体部１Ａを確実に電気的に接続できる。
なお、本発明に適用可能な超電導線材は、図２に示す如く安定化基層１８上のみに安定化層１９が積層された構成に限定されない。図４は、本発明の超電導コイルが備える超電導線材の他の例を示す概略断面図である。図４において、図２に示す超電導線材と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図４に示す超電導線材１Ｂは、安定化層１９ｂが、基材１１とベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と高温超電導層１７と安定化基層１８が順次積層された積層体Ｓ１の外周全面に設けられている点で図２に示す超電導線材１とは異なっている。安定化層１９ｂは銅などの良導電性の金属材料からなり、めっき法により形成され、その厚さは１０〜３００μｍとされる。
図４に示す構成の超電導線材１Ｂを本発明に係る高温超電導コイル１０に適用する場合、基材１１側を内側（すなわち、安定化基層１８側を外側）として超電導線材１Ｂを巻回して超電導コイルとし、その巻回終端側において、安定化基層１８上に形成された安定化層１９ｂ上に電極５を接合する構成とする。このような構成とすることにより、上記した実施形態と同様の効果を奏することができる。
図４に示す超電導線材１Ｂは、安定化層１９ｂが、基材１１とベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と高温超電導層１７と安定化基層１８が順次積層された積層体Ｓ１の外周全面に設けられている点で図２に示す超電導線材１とは異なっている。安定化層１９ｂは銅などの良導電性の金属材料からなり、めっき法により形成され、その厚さは１０〜３００μｍとされる。
図４に示す構成の超電導線材１Ｂを本発明に係る高温超電導コイル１０に適用する場合、基材１１側を内側（すなわち、安定化基層１８側を外側）として超電導線材１Ｂを巻回して超電導コイルとし、その巻回終端側において、安定化基層１８上に形成された安定化層１９ｂ上に電極５を接合する構成とする。このような構成とすることにより、上記した実施形態と同様の効果を奏することができる。
以上、本発明の高温超電導コイルについて説明したが、上記実施形態において、高温超電導コイルを構成する各部一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）により１．２μｍ厚のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ；中間層）を形成した上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により１．０μｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（高温超電導層）を形成し、さらに超電導層上にスパッタ法により１０μｍの銀層（安定化基層）を形成した。その後、０．１ｍｍ厚の銅層（安定化層）を半田により銀層上に積層して超電導線材を作製した。続いて、得られた超電導線材に厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた後、さらに、巻回位置を線材の長手方向にテープ幅の１／２だけずらして、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた。
次いで、得られたポリイミドテープ付きの超電導線材を安定化層側が外側となるように、内径７０ｍｍとして同心円状に３５回巻回させてパンケーキコイルを作製した。次に、同様の手順でパンケーキコイルをもう１個作製し、２個のパンケーキコイルを同軸的に積層させて高さ２１ｍｍ、ターン数７０ターン（３５ターン×２）のダブルパンケーキコイルを作製した。
（実施例１）
幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）により１．２μｍ厚のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ；中間層）を形成した上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により１．０μｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（高温超電導層）を形成し、さらに超電導層上にスパッタ法により１０μｍの銀層（安定化基層）を形成した。その後、０．１ｍｍ厚の銅層（安定化層）を半田により銀層上に積層して超電導線材を作製した。続いて、得られた超電導線材に厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた後、さらに、巻回位置を線材の長手方向にテープ幅の１／２だけずらして、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた。
次いで、得られたポリイミドテープ付きの超電導線材を安定化層側が外側となるように、内径７０ｍｍとして同心円状に３５回巻回させてパンケーキコイルを作製した。次に、同様の手順でパンケーキコイルをもう１個作製し、２個のパンケーキコイルを同軸的に積層させて高さ２１ｍｍ、ターン数７０ターン（３５ターン×２）のダブルパンケーキコイルを作製した。
次に、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から約１００ｍｍの部分を露出させた。露出させた超電導線材の安定化層上に、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍ、周側部の長さ５０ｍｍ、延出部の長さ３０ｍｍの無酸素銅製の電極を半田付けし、図３に示すように、超電導線材端部と電極が一体に折り曲げられた構造の電極接続部として、図１に示す構造の超電導コイルを作製した。
（実施例２）
安定化層を０．３ｍｍ厚の銅層とした以外は、実施例１と同様にして超電導コイルを作製した。
（実施例３）
実施例１と同様にして、基材と中間層とキャップ層と高温超電導層と安定化基層の積層体を形成した後、この積層体の外周面に厚さ２０μｍの銅層（安定化層）を形成して図４に示す構造の超電導線材とし、得られた超電導線材に実施例１と同様にしてポリイミドテープを巻きつけた。次いで、得られたポリイミドテープ付き超電導線材を、基材側を内側（銀層上の銅層側が外側）となるようにし、実施例１と同様の手順でダブルパンケーキコイルを作製した。
次に、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から約１００ｍｍの部分を露出させた。露出させた超電導線材の銀層上の安定化層（銅層）上に、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍ、周側部の長さ５０ｍｍ、延出部の長さ３０ｍｍの無酸素銅製の電極を半田付けし、超電導線材端部と電極が一体に折り曲げられた構造の電極接続部として、超電導コイルを作製した。
安定化層を０．３ｍｍ厚の銅層とした以外は、実施例１と同様にして超電導コイルを作製した。
（実施例３）
実施例１と同様にして、基材と中間層とキャップ層と高温超電導層と安定化基層の積層体を形成した後、この積層体の外周面に厚さ２０μｍの銅層（安定化層）を形成して図４に示す構造の超電導線材とし、得られた超電導線材に実施例１と同様にしてポリイミドテープを巻きつけた。次いで、得られたポリイミドテープ付き超電導線材を、基材側を内側（銀層上の銅層側が外側）となるようにし、実施例１と同様の手順でダブルパンケーキコイルを作製した。
次に、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から約１００ｍｍの部分を露出させた。露出させた超電導線材の銀層上の安定化層（銅層）上に、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍ、周側部の長さ５０ｍｍ、延出部の長さ３０ｍｍの無酸素銅製の電極を半田付けし、超電導線材端部と電極が一体に折り曲げられた構造の電極接続部として、超電導コイルを作製した。
（比較例１）
実施例１と同様にして作製したポリイミドテープ付き超電導線材を、基材層側が外側となるように、内径７０ｍｍとして同心円状に３５回巻回させてパンケーキコイルを作製した。次に、同様の手順でパンケーキコイルをもう１個作製し、２個のパンケーキコイルを同軸的に積層させて高さ２１ｍｍ、ターン数７０ターン（３５ターン×２）のダブルパンケーキコイルを作製した。
実施例１と同様にして作製したポリイミドテープ付き超電導線材を、基材層側が外側となるように、内径７０ｍｍとして同心円状に３５回巻回させてパンケーキコイルを作製した。次に、同様の手順でパンケーキコイルをもう１個作製し、２個のパンケーキコイルを同軸的に積層させて高さ２１ｍｍ、ターン数７０ターン（３５ターン×２）のダブルパンケーキコイルを作製した。
次に、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から約１００ｍｍの部分を露出させた。露出させた超電導線材の安定化層上に、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、折り曲げ部の超電導線材の曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍ、周側部の長さ５０ｍｍ、延出部の長さ３０ｍｍの無酸素銅製の電極を半田付けし、図５（ａ）に示す構造の超電導線材１端部と電極５が一体に折り曲げられた構造の電極接続部として、超電導コイル３０を作製した。
（比較例２）
安定化層を０．３ｍｍ厚の銅層とした以外は、比較例１と同様にして超電導コイルを作製した。
（比較例３）
実施例１と同様にして、基材と中間層とキャップ層と高温超電導層と安定化層の積層体を形成した後、この積層体の外周面に厚さ２０μｍの銅層（安定化層）を形成して図４に示す構造の超電導線材とし、得られた超電導線材に実施例１と同様にしてポリイミドテープを巻きつけた。次いで、得られたポリイミドテープ付き超電導線材を、基材側を外側（銀層上の銅層側が内側）となるようにし、比較例１と同様の手順でダブルパンケーキコイルを作製した。
次に、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から約１００ｍｍの部分を露出させた。露出させた超電導線材の銀層上の安定化層（銅層）上に、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍ、周側部の長さ５０ｍｍ、延出部の長さ３０ｍｍの無酸素銅製の電極を半田付けし、超電導線材端部と電極が一体に折り曲げられた構造の電極接続部として、超電導コイルを作製した。
安定化層を０．３ｍｍ厚の銅層とした以外は、比較例１と同様にして超電導コイルを作製した。
（比較例３）
実施例１と同様にして、基材と中間層とキャップ層と高温超電導層と安定化層の積層体を形成した後、この積層体の外周面に厚さ２０μｍの銅層（安定化層）を形成して図４に示す構造の超電導線材とし、得られた超電導線材に実施例１と同様にしてポリイミドテープを巻きつけた。次いで、得られたポリイミドテープ付き超電導線材を、基材側を外側（銀層上の銅層側が内側）となるようにし、比較例１と同様の手順でダブルパンケーキコイルを作製した。
次に、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から約１００ｍｍの部分を露出させた。露出させた超電導線材の銀層上の安定化層（銅層）上に、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍ、周側部の長さ５０ｍｍ、延出部の長さ３０ｍｍの無酸素銅製の電極を半田付けし、超電導線材端部と電極が一体に折り曲げられた構造の電極接続部として、超電導コイルを作製した。
（比較例４）
実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイルを作製した後、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から約１００ｍｍの部分を露出させた。露出させた超電導線材本体部の安定化層上に、超電導線材本体部は折り曲げずに、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍ、周側部の長さ５０ｍｍ、延出部の長さ３０ｍｍの無酸素銅製の電極を半田付けし、図５（ｂ）に示す構造の電極接続部として、超電導コイル４０を作製した。
実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイルを作製した後、各パンケーキコイルの巻回終端部のポリイミドテープを除去し、超電導線材本体部の端部から約１００ｍｍの部分を露出させた。露出させた超電導線材本体部の安定化層上に、超電導線材本体部は折り曲げずに、厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍ、周側部の長さ５０ｍｍ、延出部の長さ３０ｍｍの無酸素銅製の電極を半田付けし、図５（ｂ）に示す構造の電極接続部として、超電導コイル４０を作製した。
実施例１〜３及び比較例１〜４の各超電導コイルについて、電極部の接続抵抗と、通電電流２００Ａにおける電極部の発熱量を求めた結果を表１に示す。
また、実施例１〜３及び比較例１〜３の各超電導コイルについて液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃを測定し、曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍの電極の替わりに折り曲げ部を有さない扁平形状の電極を用いた場合の液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃ０に対する変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）を求めた。各超電導コイルにおいて、Ｉｃ／Ｉｃ０≧０．９のものを「○」、Ｉｃ／Ｉｃ０＜０．９のものを「△」と判定した。結果を表１に併記した。なお、電極接続部の半田付け部分は、半田付け温度である２５０〜３００℃程度の温度から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱履歴を受けている。
また、実施例１〜３及び比較例１〜３の各超電導コイルについて液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃを測定し、曲げ半径Ｒ＝１５ｍｍの電極の替わりに折り曲げ部を有さない扁平形状の電極を用いた場合の液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃ０に対する変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）を求めた。各超電導コイルにおいて、Ｉｃ／Ｉｃ０≧０．９のものを「○」、Ｉｃ／Ｉｃ０＜０．９のものを「△」と判定した。結果を表１に併記した。なお、電極接続部の半田付け部分は、半田付け温度である２５０〜３００℃程度の温度から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱履歴を受けている。
表１の結果より、折り曲げられた電極の周側部から延出部まで、電極と超電導線材本体部が一体化されていない比較例４の超電導コイルでは、電極部の接続抵抗および発熱量が大きくなっていた。これに対し、本発明に係る実施例１〜３の超電導コイルでは、電極部の接続抵抗が小さく、発熱が抑えられていた。
（実施例４）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、実施例１と同様にして超電導コイルを作製した。
（実施例５）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍと変えた以外は、実施例２と同様にして超電導コイルを作製した。
（実施例６）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、実施例３と同様にして超電導コイルを作製した。
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、実施例１と同様にして超電導コイルを作製した。
（実施例５）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍと変えた以外は、実施例２と同様にして超電導コイルを作製した。
（実施例６）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、実施例３と同様にして超電導コイルを作製した。
（比較例５）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、比較例１と同様にして超電導コイルを作製した。
（比較例６）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、比較例２と同様にして超電導コイルを作製した。
（比較例７）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、比較例３と同様にして超電導コイルを作製した。
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、比較例１と同様にして超電導コイルを作製した。
（比較例６）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、比較例２と同様にして超電導コイルを作製した。
（比較例７）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ、８ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍと変えた以外は、比較例３と同様にして超電導コイルを作製した。
実施例４〜６、比較例５〜７の各超電導コイルについて、液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃを測定し、上記同様折り曲げ部を有さない扁平形状の電極を用いた場合の液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃ０に対する変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）を求め、表１と同様の基準で判定した。結果を表２に示す。
表２の結果より、本発明に係る実施例４〜６の超電導コイルは、電極接続部で超電導線材本体部がその基材側を外側として折り曲げられた構造であるため、高温超電導層に圧縮応力が負荷されるので、比較例５〜７の超電導コイルと比較して、超電導特性を保ちつつ、電極の折り曲げ部の曲げ半径をより小さく設定することができる。従って、本発明の超電導コイルは、電極の曲率を小さくすることができるので、より設計の自由度が高い超電導コイルを提供できる。
一方、比較例５〜７の超電導コイルでは、電極接続部で超電導線材本体部がその基材側を内側として折り曲げられた構造であるため、高温超電導層に引張応力がかかり、電極のげ半径が小さくなるに従い、超電導特性が低下していた。
一方、比較例５〜７の超電導コイルでは、電極接続部で超電導線材本体部がその基材側を内側として折り曲げられた構造であるため、高温超電導層に引張応力がかかり、電極のげ半径が小さくなるに従い、超電導特性が低下していた。
［検討例：超電導線材における基材と銅層（安定化層）の応力負担］
（１） 超電導線材の作製
以下の手順で、サンプル１、サンプル２の超電導線材を作製した。
「サンプル１の超電導線材の作製」
幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）により１．２μｍ厚のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ；中間層）を形成した上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により１．０μｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（高温超電導層）を形成し、さらに超電導層上にスパッタ法により１０μｍの銀層（安定化基層）を形成した。その後、０．１ｍｍ厚の銅層（安定化層）を半田により銀層上に積層してサンプル１の超電導線材を作製した。さらに、サンプル１の超電導線材に、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた後、さらに、巻回位置を線材の長手方向にテープ幅の１／２だけずらして、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた。
（１） 超電導線材の作製
以下の手順で、サンプル１、サンプル２の超電導線材を作製した。
「サンプル１の超電導線材の作製」
幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）により１．２μｍ厚のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ；中間層）を形成した上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により１．０μｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（高温超電導層）を形成し、さらに超電導層上にスパッタ法により１０μｍの銀層（安定化基層）を形成した。その後、０．１ｍｍ厚の銅層（安定化層）を半田により銀層上に積層してサンプル１の超電導線材を作製した。さらに、サンプル１の超電導線材に、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた後、さらに、巻回位置を線材の長手方向にテープ幅の１／２だけずらして、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた。
「サンプル２の超電導線材の作製」
サンプル１と同様にして、基材と中間層とキャップ層と高温超電導層と安定化基層の積層体を形成した後、この積層体の外周面に厚さ２０μｍの銅層（安定化層）を電気めっきにより形成してサンプル２の超電導線材を作製した。さらに、サンプル２の超電導線材に、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた後、さらに、巻回位置を線材の長手方向にテープの幅１／２だけずらして、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた。
サンプル１と同様にして、基材と中間層とキャップ層と高温超電導層と安定化基層の積層体を形成した後、この積層体の外周面に厚さ２０μｍの銅層（安定化層）を電気めっきにより形成してサンプル２の超電導線材を作製した。さらに、サンプル２の超電導線材に、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた後、さらに、巻回位置を線材の長手方向にテープの幅１／２だけずらして、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻き付けた。
（２）試験方法
まず、上記で作製したサンプル１およびサンプル２の超電導線材について、直線状態で液体窒素温度（７７Ｋ）における臨界電流値Ｉｃ０を測定した。次に、図６に示す形状のガラスエポキシ製治具の曲面に沿って、サンプル１および２の超電導線材を曲げ半径Ｒで曲げた状態となるように粘着テープで治具に固定した。この状態の各超電導線材について、液体窒素温度（７７Ｋ）における臨界電流値Ｉｃを測定し、治具に固定前後の臨界電流値の変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）を求めた。
同様の手順で治具の曲面の曲率および超電導線材の曲げ半径Ｒを変化させて試験を行った。なお、治具への超電導線材への固定は、図６（ａ）に示す如く基材側を外側にして曲げる場合と、図６（ｂ）に示す如く基材側を内側にして曲げる場合の２種類の状態として試験を行った。なお、以下の説明において、図６（ａ）に示す状態では、高温超電導層に圧縮応力がかかるので、この状態を圧縮側曲げ試験状態と称する。また、図６（ｂ）に示す状態では、高温超電導層に引張応力がかかるので、この状態を引張側曲げ試験状態と称する。
まず、上記で作製したサンプル１およびサンプル２の超電導線材について、直線状態で液体窒素温度（７７Ｋ）における臨界電流値Ｉｃ０を測定した。次に、図６に示す形状のガラスエポキシ製治具の曲面に沿って、サンプル１および２の超電導線材を曲げ半径Ｒで曲げた状態となるように粘着テープで治具に固定した。この状態の各超電導線材について、液体窒素温度（７７Ｋ）における臨界電流値Ｉｃを測定し、治具に固定前後の臨界電流値の変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）を求めた。
同様の手順で治具の曲面の曲率および超電導線材の曲げ半径Ｒを変化させて試験を行った。なお、治具への超電導線材への固定は、図６（ａ）に示す如く基材側を外側にして曲げる場合と、図６（ｂ）に示す如く基材側を内側にして曲げる場合の２種類の状態として試験を行った。なお、以下の説明において、図６（ａ）に示す状態では、高温超電導層に圧縮応力がかかるので、この状態を圧縮側曲げ試験状態と称する。また、図６（ｂ）に示す状態では、高温超電導層に引張応力がかかるので、この状態を引張側曲げ試験状態と称する。
（３）試験結果
各サンプルについて、曲げ半径Ｒと、治具に固定前後の臨界電流値の変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）の関係をプロットした結果を図７に示す。図７（ａ）はサンプル１の超電導線材の圧縮側曲げ試験状態の結果を示し、図７（ｂ）はサンプル２の超電導線材の圧縮側曲げ試験状態の結果を示し、図７（ｃ）はサンプル１の超電導線材の引張側曲げ試験状態の結果を示し、図７（ｄ）はサンプル２の超電導線材の引張側曲げ試験状態の結果を示す。
各サンプルについて、曲げ半径Ｒと、治具に固定前後の臨界電流値の変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）の関係をプロットした結果を図７に示す。図７（ａ）はサンプル１の超電導線材の圧縮側曲げ試験状態の結果を示し、図７（ｂ）はサンプル２の超電導線材の圧縮側曲げ試験状態の結果を示し、図７（ｃ）はサンプル１の超電導線材の引張側曲げ試験状態の結果を示し、図７（ｄ）はサンプル２の超電導線材の引張側曲げ試験状態の結果を示す。
図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、基材が外側となるように曲げた圧縮側曲げ試験状態では、サンプル１およびサンプル２の超電導線材はいずれも、曲げ半径Ｒ＝５ｍｍ以上の場合に、臨界電流値の変化率Ｉｃ／Ｉｃ０≧０．９であった。こ
また、図７（ｃ）および図７（ｄ）に示すように、基材が内側となるように曲げた引張側曲げ試験状態では、サンプル１およびサンプル２の超電導線材はいずれも、曲げ半径Ｒ＝１２．５ｍｍ以上の場合に、臨界電流値の変化率Ｉｃ／Ｉｃ０≧０．９であった。
また、図７（ｃ）および図７（ｄ）に示すように、基材が内側となるように曲げた引張側曲げ試験状態では、サンプル１およびサンプル２の超電導線材はいずれも、曲げ半径Ｒ＝１２．５ｍｍ以上の場合に、臨界電流値の変化率Ｉｃ／Ｉｃ０≧０．９であった。
この結果より、銅の安定化層の厚さや構造が違っていても、超電導特性の変化率の優劣が見られる曲げ半径に大きな差が無く、従って、超電導線材における銅層（安定化層）の歪み負担は小さく、機械強度に優れるハステロイ基材が大きな応力負担をすると考えられる。
また、上記表２の結果（実施例４〜６）からも、安定化層である銅層の厚さや構造によって臨界電流値の変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）の優劣が見られる曲げ半径に大きな差が無いことを考慮すると、上記表２に示した特性は、電極の曲げ半径Ｒ（ｍｍ）と基材の厚さｔ（ｍｍ）（本実施例および比較例においてｔ＝０．１ｍｍ）との比率ｔ／Ｒ（ｍｍ／ｍｍ）でも評価することができ、上記表２は次の表３のように示すことができる。
表３に示す結果より、本発明に係る超電導コイルにおいて、基材厚さ（ｍｍ）と電極の曲げ半径Ｒとの割合ｔ／Ｒが０．０２５０よりも大きい場合に、超電導特性が良好であることがわかる。
（実施例７）
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝３〜１６ｍｍの範囲で変化させたこと以外は、実施例１と同様にして超電導コイルを作製した。
得られた超電導コイルについて、液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃを測定し、上記同様折り曲げ部を有さない扁平形状の電極を用いた場合の液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃ０に対する変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）を求めた。得られたＩｃ／Ｉｃ０と電極の曲げ半径との関係をプロットしたグラフを図８に示す。
図８の結果より、本発明に係る超電導コイルにおいて、電極の曲げ半径Ｒ＝５以上とすることによりＩｃ／Ｉｃ０≧０．９となり、電極の曲げ半径Ｒ＝６〜１６の範囲とすることにより超電導特性の低下が見られないことが確認された。また、図８の結果から基材厚さ（０．１ｍｍ）を曲げ半径Ｒで除した値で超電導特性を評価すると、ｔ／Ｒ＝０．０２以下の場合にＩｃ／Ｉｃ０≧０．９となり、ｔ／Ｒ＝０．００６２５〜０．０１６７の範囲とすることにより、電極部の発熱が抑制され、かつ、超電導特性の低下を効果的に抑制できる超電導コイルとなることがわかる。
電極の折り曲げ部の曲げ半径Ｒ＝３〜１６ｍｍの範囲で変化させたこと以外は、実施例１と同様にして超電導コイルを作製した。
得られた超電導コイルについて、液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃを測定し、上記同様折り曲げ部を有さない扁平形状の電極を用いた場合の液体窒素温度における臨界電流値Ｉｃ０に対する変化率（Ｉｃ／Ｉｃ０）を求めた。得られたＩｃ／Ｉｃ０と電極の曲げ半径との関係をプロットしたグラフを図８に示す。
図８の結果より、本発明に係る超電導コイルにおいて、電極の曲げ半径Ｒ＝５以上とすることによりＩｃ／Ｉｃ０≧０．９となり、電極の曲げ半径Ｒ＝６〜１６の範囲とすることにより超電導特性の低下が見られないことが確認された。また、図８の結果から基材厚さ（０．１ｍｍ）を曲げ半径Ｒで除した値で超電導特性を評価すると、ｔ／Ｒ＝０．０２以下の場合にＩｃ／Ｉｃ０≧０．９となり、ｔ／Ｒ＝０．００６２５〜０．０１６７の範囲とすることにより、電極部の発熱が抑制され、かつ、超電導特性の低下を効果的に抑制できる超電導コイルとなることがわかる。
本発明は、例えば超電導モータ、限流器など、各種超電導機器に用いられる超電導コイルに利用することができる。
１、１Ｂ…超電導線材、１Ａ…超電導線材本体部、１Ｓ…周側部、１Ｅ…延出部、１Ｋ…折り曲げ部、５…電極、５Ｓ…周側部、５Ｅ…延出部、５Ｋ…折り曲げ部、６Ａ…第１のコイル体、６Ｂ…第２のコイル体、７…電極接続部、１０…高温超電導コイル、１１…基材、１２…ベッド層、１５…中間層、１６…キャップ層、１７…高温超電導層、１８…安定化基層、１９、１９ｂ…安定化層、２０…被覆層。
Claims (4)
- 基材と、該基材上方に設けられた高温超電導層と、該高温超電導層上方に設けられた安定化層とを備える超電導線材を、前記安定化層側を外側として巻回してなるコイル体と、
このコイル体の前記超電導線材の巻回終端部の前記安定化層上に設けられた電極と、を備え、
前記超電導線材の前記巻回終端部と前記電極とが、前記コイル体の周方向から径方向外側に向かって一体に折り曲げられてなり、前記電極の前記コイル体周面に沿う部分と、該電極の前記コイル体の外側に延出された部分との両方が、前記安定化層と電気的に接続されてなり、
前記超電導線材の折り曲げ部の前記安定化層側が、前記電極の折り曲げ部の外側と電気的に接続されてなることを特徴とする高温超電導コイル。 - 前記基材の厚さをｔ（ｍｍ）、前記電極の折り曲げ部の曲げ半径をＲ（ｍｍ）としたとき、ｔ／Ｒ≦０．０２を満たすことを特徴とする請求項１に記載の高温超電導コイル。
- 前記電極が、前記コイル体周面に沿って配置される周側部と、前記コイル体の径方向外側に向いて配設された延出部とからなり、
前記周側部が前記コイル体周面側の前記超電導線材の前記安定化層に半田付けされ、前記延出部が前記コイル体径方向外側に延出された前記超電導線材の前記安定化層に半田付けされ、前記超電導線材の折り曲げ部の前記安定化層側が前記電極の折り曲げ部の外側に半田付されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の高温超電導コイル。 - 前記超電導線材が被覆層で被覆されており、巻回終端部において前記被覆層から該超電導線材が引き出され、この引き出された超電導線材の前記安定化層上に前記電極が設けられてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の高温超電導コイル。
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