JP5728365B2 - 酸化物超電導コイル及び超電導機器と酸化物超電導コイルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却効率を良好にした酸化物超電導コイル及びそれを備えた超電導機器と酸化物超電導コイルの製造方法に関する。

超電導コイルは磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）といった様々な用途に使用されている。これまで、これらの用途には、超電導線材としてＮｂＴｉ等の金属系超電導体が広く用いられてきたが、近年、ビスマス系超電導線材（Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ：Ｂｉ２２１２、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ：Ｂｉ２２２３）やイットリウム系超電導線材ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲＥ１２３、ＲＥ：希土類元素）といった、酸化物高温超電導線材の開発が進められている。
酸化物高温超電導線材は、金属系超電導線材に比べ高温でも使用できることから、超電導コイル等への応用開発も進められている。現状で提供されているほとんどの酸化物超電導線材はテープ状であり、このようなテープ状の酸化物超電導線材を用いた超電導コイルとして、パンケーキコイル、ダブルパンケーキコイル、あるいはこれらのコイルを複数積層して構成された酸化物超電導コイルが知られている。

従来の金属系超電導線材を用いた超電導コイルは、超電導転移温度が低いため、高価な液体ヘリウム等で冷却されることが多いが、酸化物超電導線材は超電導転移温度が比較的高いため、安価な液体窒素で冷却し、運転することが可能である。
しかしながら、酸化物超電導線材は、液体窒素温度以下に冷却することで、更なる特性の向上が期待され、そのため、冷凍機による伝導冷却で液体窒素温度より低い温度に酸化物超電導コイルを冷却し、運転することで磁場中においても高い臨界電流密度が得られるように運転することが考えられている。

この伝導冷却による酸化物超電導コイルの一例として、以下の特許文献１に記載の構成が知られている。特許文献１に記載されている超電導コイルは、複数のパンケーキコイルが積層され、各パンケーキコイルの間に冷却板が備えられており、これらの冷却板を冷凍機に接続された金属製の熱伝導部材を介し冷却し、効率良く超電導コイルを冷却できる構造とされている。

特開平１１−１８６０２５号公報

前記のような冷却板による伝導冷却は、特許文献１に記載されているように銅などの熱伝導性の高い金属製の冷却板を用い、絶縁のために超電導コイルと冷却板との間にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）のような絶縁材を介装する構造が採用されている。
しかし、酸化物超電導線材はテープ状の多層構造である線材が一般的であり、このテープ状の線材を更に絶縁のために絶縁部材を巻き付けたり沿わせてからコイル加工し、超電導コイルとしているので、得られた超電導コイルの端面には超電導線材の線幅方向のばらつきによって、巻線精度のばらつきによって、あるいは、超電導線材周囲に配する絶縁テープのラップずれ、超電導線材の安定化層の固定に使用されているはんだのはみ出しなどが原因となって、凹凸部が生じることがある。
この凹凸部を端面に有した超電導コイル同士を積み重ねた構造とすると、凹凸部が存在する部分を介し冷却板が超電導コイルに接することになるので、冷却効率が悪くなる問題がある。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、冷却板を介し伝導冷却する構造の超電導コイルにおいて、冷却効率が良好な超電導コイルの構造とその製造方法並びに該超電導コイルを備えた超電導機器の提供を目的とする。

本発明の酸化物超電導コイルは、酸化物超電導層が備えられたテープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材とともに巻回してなる要素コイルが、複数、各要素コイルをそれらの中心軸方向に冷却板を介して重ねて構成されたコイル積層体を備えた酸化物超電導コイルであって、前記要素コイルの端面に酸化物超電導線材の端縁と絶縁部材の端縁により凹凸部が形成され、前記重ねられた要素コイルの端面の間に絶縁材が介在され、前記絶縁材に対し前記要素コイルの端面が前記凹凸部を介し当接されるとともに、前記凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘが前記絶縁材の厚さの５０％以下とされ、前記絶縁材を構成する樹脂が前記凹凸部に埋め込まれていることを特徴とする。
絶縁材の厚さの５０％以下の面内最大高低差Ｒｍａｘとした凹凸部を端面に有した要素コイルが絶縁材に当接されているので、絶縁材を介し酸化物超電導線材の端縁を効率良く冷却できる結果、効率良く伝導冷却できる酸化物超電導コイルを提供できる。これは、凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘを絶縁材厚さの５０％以下とするならば、絶縁材に対し凹凸部を高い割合で埋め込みできて凹凸部と絶縁材の接触面積を高くすることができ、要素コイルの端面と絶縁材の間の空隙を少なくして伝熱効率を良好にできることによる。
凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘが絶縁材厚さの５０％を超えるようであると、凹凸部が絶縁材に当接している状態において、凹凸部が絶縁材に一部埋め込まれたとしても絶縁材と凹凸部との間に介在する空間部が増えるので、伝熱効率が悪くなり、冷却に時間のかかる酸化物超電導コイルとなる。

本発明の酸化物超電導コイルにおいて、前記要素コイルがテープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材とともに巻回してなるパンケーキコイルを２段重ねたダブルパンケーキコイルから構成され、該ダブルパンケーキコイルを構成する上段側のパンケーキコイルの端面と、下段側のパンケーキコイルの端面との間に絶縁材が介在され、上段側のパンケーキコイルの端面の凹凸部と下段側のパンケーキコイルの端面の凹凸部に前記絶縁材を構成する樹脂が埋め込まれている構成にすることができる。
要素コイルとしてダブルパンケーキコイルの構造を採用する場合、上段側のパンケーキコイルの端面と下段側のパンケーキコイルの端面との間に絶縁材を介在させたとしても、各パンケーキコイルの端面の凹凸部を絶縁材の両面に対し埋め込みして良好な熱伝達効率とすることができるのでダブルパンケーキコイルを効率良く冷却できる。

本発明の酸化物超電導コイルにおいて、前記要素コイルの端面と前記冷却板との間に介在される前記絶縁材を構成する樹脂を含浸硬化型の樹脂から構成できる。
絶縁材が含浸硬化型の樹脂であるならば、コイル端面の凹凸部を絶縁材に深く埋め込みした状態で硬化できるので、コイル端面の凹凸部と絶縁材との接触面積を増加することができ、冷却板を介して要素コイルを効率良く冷却できる。

本発明の製造方法は、酸化物超電導層が備えられたテープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材とともに巻回してなる要素コイルが、複数、各要素コイルをそれらの中心軸方向に冷却板を介して重ねて構成されたコイル積層体を備え、前記要素コイルの端面に酸化物超電導線材の端縁と絶縁部材の端縁により凹凸部が形成され、前記重ねられた要素コイルの端面の間に絶縁材が介在され、前記絶縁材に対し前記要素コイルの端面が前記凹凸部を介し当接された酸化物超電導コイルの製造方法であって、前記要素コイルの端面の凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘを前記絶縁材の厚さの５０％以下になるように管理して要素コイルを構成し、前記絶縁材を構成する樹脂を前記凹凸部に埋め込むことを特徴とする。
絶縁材の厚さの５０％以下の面内最大高低差Ｒｍａｘとした凹凸部を端面に有した要素コイルを絶縁材に当接しているので、絶縁材を介し酸化物超電導線材の端縁を効率良く冷却できる結果、効率良く伝導冷却できる新規な構造の酸化物超電導コイルを提供できる。

これは、凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘを絶縁材厚さの５０％以下とするならば、絶縁材に対し凹凸部を高い割合で埋め込みできて凹凸部と絶縁材の接触面積を高くすることができ、伝熱効率を良好にできることによる。凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘが絶縁材厚さの５０％を超えるようであると、凹凸部が絶縁材に当接している状態において、凹凸部が絶縁材に埋め込まれたとしても絶縁材と凹凸部との間に介在する空間部が増えるので、伝熱効率が悪くなり、冷却に時間のかかる酸化物超電導コイルとなる。このため、要素コイルの端面の凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘを前記絶縁材の厚さの５０％以下になるように管理してコイル積層体を製造することで、冷却効率の良い酸化物超電導コイルを製造できる。

本発明の超電導機器は、真空容器と、該真空容器の内部に設けられた先のいずれかに記載の酸化物超電導コイルと、前記真空容器に設けられて前記超電導コイルの冷却板を冷却する冷凍機とを具備してなる。
本発明の超電導機器は、先に記載の冷却効率の優れた酸化物超電導コイルを備えているので、短い時間で確実に酸化物超電導コイルを冷却して超電導状態にできる。また、何らかの原因で酸化物超電導コイルとその周囲部分で発熱することがあっても冷却効率が良好であるので酸化物超電導コイルに備えられている酸化物超電導線材の温度上昇を防止することができ、超電導線材を確実に冷却しつつ運転することができる超電導機器の提供ができる。

本発明によれば、酸化物超電導線材を絶縁部材とともに巻回した要素コイルを絶縁材を介し重ねて構成した酸化物超電導コイルの構造において、絶縁材と要素コイル端面の凹凸部を介し良好な伝熱効率を維持した酸化物超電導線材について効率良く伝導冷却できる冷却効率の良好な酸化物超電導コイルを提供できる。

本発明の第１実施形態に係る酸化物超電導コイルを示すもので、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ部分の拡大断面図。 図１に示す酸化物超電導コイルに設けられているコイル積層体の分解斜視図。 図１に示す超電導コイルに適用されている酸化物超電導線材の拡大斜視図。 図１に示す超電導コイルを備えた超電導機器の一例を示す構成図。 図５は超電導コイル端面の凹凸部と該凹凸部に接触されている絶縁材との位置関係を示すもので、図５（ａ）は凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘが絶縁材の厚さの０％の場合の説明図、図５（ｂ）は凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘが絶縁材の厚さの５０％の場合の説明図、図５（ｃ）は凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘが絶縁材の厚さの７５％の場合の説明図である。 テープ状の超電導線材の線幅をレーザー寸法測定器で計測している状態を示す説明図。 ビスマス系酸化物超電導線材の一例構造を示す断面図。 実施例で得られたコイル端面凹凸と超電導コイルの冷却時間との相関関係を示すグラフ。

以下、本発明に係る酸化物超電導コイルの第１実施形態について図面に基づいて説明するが、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。
図１（ａ）に示すように本実施形態の酸化物超電導コイルＡは、薄型のリング状の要素コイル１を複数（図１（ａ）に示す形態の場合は３個）、それらの中心軸を位置合わせして厚さ方向にドーナツ板状の冷却板２を介し積み上げて構成されたコイル積層体３を備えている。
また、筒状の巻胴５とその長さ方向両端に取り付けられたドーナツ板状のフランジ６、６を備えてボビン７が構成され、先のコイル積層体３の中心部を挿通するように巻胴５が設置され、フランジ６、６がコイル積層体３の積層方向両側（図１（ａ）ではコイル積層体３の上下）を挟むように設置されて酸化物超電導コイルＡが形成されている。

要素コイル１は、図１（ｂ）、図２に示すようにテープ状の酸化物超電導線材１０を樹脂層８および絶縁部材９とともにパンケーキ状に巻き付けて構成されたパンケーキコイル４を２層積み重ねたダブルパンケーキ型とされている。本実施形態において、酸化物超電導線材１０は図３に示すようにテープ状の基材１１の上に複数の層を積層した積層構造とされている。即ち、酸化物超電導線材１０は、一例として、基材１１の上に下地層１２、配向性中間層１５、キャップ層１６、酸化物超電導層１７、第一の安定化層１８、第二の安定化層１９が積層された構造とされている。なお、酸化物超電導線材１０として後述する構造のテープ状のビスマス系酸化物超電導線材を用いてもよい。

本実施形態の酸化物超電導線材１０に適用できる基材１１は、ニッケル合金からなることが好ましい。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）が好適である。基材１１の厚さは、通常は、１０〜５００μｍである。また、基材１１として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材等を適用することもできる。
下地層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、例えば膜厚１０〜２００ｎｍである。基材１１と下地層１２との間に拡散防止層が介在された構造としても良い。その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。拡散防止層としてＡｌ_２Ｏ_３、下地層１２としてＹ_２Ｏ_３を例示できる。

配向性中間層１５は２軸配向する物質から選択される。具体的に配向性中間層１５は、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３等の金属酸化物を例示できる。
この配向性中間層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の上に成膜する酸化物超電導層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。

配向性中間層１５の厚さは、通常は、０．００５〜２μｍの範囲とすることができる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された金属酸化物層が好ましく、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。
キャップ層１６は、結晶粒が面内方向に選択成長するものが好ましい。キャップ層１６の一例としてＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等を選択できる。キャップ層１６の膜厚は、５００〜１０００ｎｍとすることができる。

酸化物超電導層１７は公知のもので良く、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（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。この酸化物超電導層１７として、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）などを例示できる。酸化物超電導層１７の厚みは、０．５〜５μｍ程度であることが好ましい。

酸化物超電導層１７の上に積層されている第一の安定化層１８はＡｇあるいは貴金属などからなる層として形成され、安定化層１８の厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
第二の安定化層１９は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、酸化物超電導層１７が超電導状態から常電導状態に遷移した時に、第一の安定化層１８とともに、酸化物超電導層１７の電流が転流するバイパスとして機能する。第二の安定化層１９は、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金等の比較的安価なものを用いるのが好ましい。第二の安定化層１９の厚さは１０〜３００μｍとすることができる。

以上構成のテープ状の酸化物超電導線材１０は樹脂層８と絶縁部材９とともに図示略の巻枠等にパンケーキ状に巻回されて薄型のリング状のパンケーキコイル４が形成され、このパンケーキコイル４が２つ重ねられてダブルパンケーキ型の要素コイル１が構成されている。要素コイル１の中心には中心孔１ｂが形成されている。
酸化物超電導線材１０に沿って設けられている樹脂層８は、一例としてエポキシ系樹脂層から構成されるが、炭素繊維あるいは繊維ファイバー等の繊維状あるいはシート状の基材を熱硬化性樹脂で覆って構成したプリプレグテープを巻き付けて加圧し加熱し、硬化させた層から構成されていても良い。
絶縁部材９はポリイミドテープやＦＲＰ（繊維強化プラスチック）テープなどから構成されている。
前記構造において樹脂層８は主に巻き付けた酸化物超電導線材１０間の一体化のために設けられ、冷却板２と酸化物超電導線材１０との固着のために設けられている。絶縁部材９は酸化物超電導線材１０間の絶縁のために設けられている。なお、樹脂層８はプリプレグテープを用いて構成しても良いし、酸化物超電導線材１０に直接熱硬化性樹脂を塗布しながら巻線することによっても良い。また、巻線後熱硬化性樹脂液に浸漬して真空状態で加圧する樹脂含浸法により樹脂層８を形成してもよい。
なお、樹脂層８として液状のエポキシ樹脂を用いる場合は、巻線時に絶縁部材９が無いと酸化物超電導線材１０同士が接触して短絡するおそれがあるので、絶縁部材９は必須となる。樹脂層８としてプリプレグを用いると樹脂層としての機能と絶縁材としての機能を兼ね備えることができるが、酸化物超電導線材１０の表面に位置する第二の安定化層１９と樹脂を接着させたくない場合（劣化の可能性がある場合）があるので、この場合においても樹脂層８の他に絶縁部材９を設けることが好ましい。

本実施形態においては、酸化物超電導線材１０について基材１１を外側に（ボビン７の外側に）、第二の安定化層１９を内側に（ボビン７の内側に）配置するように巻回してパンケーキコイル４が構成されている。また、酸化物超電導線材１０の外側に樹脂層８を配置し内側に絶縁部材９を配置するようにパンケーキ状に巻回してパンケーキコイル４が構成されている。このパンケーキコイル４は、その両端面１ａに酸化物超電導線材１０の端縁と樹脂層８の端縁と絶縁部材９の端縁が渦巻き状に露出され、これらの端縁が多少不揃いとなることによってパンケーキコイル４の端面（要素コイル１の端面に）凹凸部４ａが形成されている。
なお、酸化物超電導線材１０のボビン７に対する巻付け方は、基材１１を外側としても内側としても、基本的にどちらでも良い。

冷却板２は良熱伝導性の金属材料からなり、厚さ１〜数ｍｍ程度のドーナツ板状に形成されている。冷却板２の中心孔２ａは要素コイル１の中心孔１ｂと同等の直径に形成され、要素コイル１と冷却板２を重ねた場合にそれらの中心孔１ｂ、２ａどうしを位置合わせできるように形成されている。冷却板２の外径は要素コイル１の外径よりも若干大きく形成され、要素コイル１と冷却板２とを重ねた状態において冷却板２の周縁部は要素コイル１の外方に若干突出されている。
冷却板２を構成する金属材料は特に制限されず、適宜変更可能であるが、熱伝導性に優れた金属材料が望ましく、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅、リン青銅などの銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などが挙げられる。

なお、図面では略されているが、積み重ねられたパンケーキコイル４において、それぞれの内周部から引き出された酸化物超電導線材１０どうしが相互接続されていて、積み重ねられたパンケーキコイル４の酸化物超電導線材１０どうしが電気的に接続されている。また、パンケーキコイル４を積み重ねて構成された要素コイル１の外周部に酸化物超電導線材１０の外周端が引き出されていて、この外周端に端子部を形成し、上下に積層された要素コイル１の端子部同士を図示略の金属板からなる接続端子で接続することで、全ての要素コイル１の酸化物超電導線材１０に通電可能とされている。

本実施形態の冷却板２の表裏面には、プレプリグ等からなるリングシート状の絶縁材１３が被覆されている。この絶縁材１３は、プリプレグからなる絶縁シートを冷却板２の表裏面に貼り付けて構成されている。ここで用いるプリプレグとは、繊維ファイバーやガラスクロスなどの絶縁性のシート状あるいは繊維状の基材に絶縁性の樹脂を含浸塗布させ、この樹脂を硬化させたものである。含浸樹脂としては熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂やＵＶ樹脂（光硬化性樹脂）等を選択することができる。シート状の絶縁材１３は、パンケーキコイル４の端面を覆うことができるリングシート状に形成されていて、パンケーキコイル４の端面に形成されている凹凸部４ａが絶縁材１３に押し付けられ、凹凸部４ａの一部を絶縁材１３に埋め込んだ状態で当接されている。
絶縁材１３は、コイル積層体３の上下に設置されているフランジ６において、要素コイル１側の面にも配置されている。また、絶縁材１３は、要素コイル１を構成するパンケーキコイル４、４の間にも配置されている。

従って、図１（ａ）に示す下側のフランジ６の上面側に設けられている絶縁材１３にその上側のパンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａが押し付けられ、上側のフランジ６の下面側に設けられている絶縁材１３にその下側のパンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａが押し付けられている。また、要素コイル１を構成するパンケーキコイル４、４間に設けられた絶縁材１３においては、それを挟むパンケーキコイル４、４の凹凸部４ａが押し付けられ、各凹凸部４ａの一部が絶縁材１３に当接され、一部埋め込まれている。

図１（ｂ）は前記パンケーキコイル４、４間に設けられている絶縁材１３に対し、その上下に設けられているパンケーキコイル４、４の端面の凹凸部４ａを部分的に押し付けて当接させた状態の一例を示している。
絶縁材１３は上述したようにプリプレグからなるので、完全に硬化する前の段階では多少変形することができる。超電導コイルＡにおいて、パンケーキコイル４、４を一体化して要素コイル１とする場合、パンケーキコイル４、４間に絶縁材１３を挟んで要素コイル１とするので、絶縁材１３にパンケーキコイル４の凹凸部４ａを押し付けると、凹凸部４ａの一部が絶縁材１３に埋め込まれた状態で一体化する。また、要素コイル１を巻胴５に挿通してフランジ６の絶縁材１３上に押し付けて固定する場合、要素コイル１の端面の凹凸部４ａの一部が絶縁材１３に埋め込まれた状態で一体化される。上述のプリプレグの硬化度が８０％以下の場合であれば、凹凸部４ａを部分的に絶縁材１３に埋め込んだ状態で密接させることができる。

本実施形態に係る超電導コイルＡを製造するには、酸化物超電導線材１０を作成後、酸化物超電導線材１０の線幅を測定する。
線幅の測定には、図６に示すように酸化物超電導線材１０をリール２０に巻き付けておき、このリール２０から巻取リール２１にローラ２２、２３を介し繰り出す間に、レーザー寸法測定器２４により酸化物超電導線材１０の線幅のばらつきが大きくないか検査する。
酸化物超電導線材１０の線幅のばらつきが所定の範囲内に収まっていない場合は、所定の範囲内に収まっていない部分の酸化物超電導線材１０について端面を研削あるいは研磨加工するかレーザーによる溶断加工を施して線幅のばらつきを小さくする処理を行うか、あるいは、ばらつきが大きい酸化物超電導線材１０は使用せずに、ばらつきの小さい酸化物超電導線材１０のみを用いて以下の工程を行い、酸化物超電導コイルの製造を行うことが好ましい。
前記線幅のばらつきが小さければ、パンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａの大きさを絶縁材１３の厚さの５０％以下に管理しておくことで、パンケーキコイル４を構成した場合に、コイル端面の凹凸が生じる要因のうち、酸化物超電導線材１０に起因するものを除外することができる。

検査に合格した酸化物超電導線材１０は樹脂層８を形成するためのプレプリグテープと絶縁部材９を形成するための絶縁テープとともに巻枠に渦巻状に巻回してパンケーキコイル４を構成することができる。
パンケーキコイル４を構成したならば、複数のパンケーキコイル４を用いて絶縁材１３を間に挟んでダブルパンケーキコイル型の要素コイル１を構成し、これらを複数まとめて冷却板２と積み重ねてボビン７の巻胴５に積み重ねてコイル積層体３を構成し、フランジ６、６でコイル積層体３の両側を挟み付けることで超電導コイルＡを製造することができる。

ところで、例えば、フーリエの基本則によると、厚さΔｘで温度差がΔθの物体間に熱が伝わるとき、その熱量はＱ＝−λ（Δθ／Δｘ）で表すことができる。ここで、λは固体の熱伝導率「Ｗ／ｍＫ」で、固体中の熱の伝わり易さを表している。熱伝導率は物質により決まるものであるが、熱伝導を考えると単位時間（ｓ）に移動する全熱量Ｑ（Ｗ）は通過する面積Ａ_１（ｍ^２）に比例してＱ＝ｑＡ_１と表すことができる。ここでｑは熱流速であり、単位は「Ｗ／ｍ^２」である。
これらの式の関係から、要素コイル１の端面が冷却板２に絶縁材１３を介して触れる面積が２倍になったと仮定すると、熱伝達は２倍となる。即ち、伝導冷却式の超電導コイルＡにおいて、冷却効率が上がることは冷却時間の短縮と安全性の向上に繋がる。即ち、要素コイル１の端面の凹凸部４ａと冷却板２とが接触する面積を大きくすることは、超電導コイルＡの冷却効率を上げるために重要な技術事項であると思われる。

この点に鑑み、絶縁材１３に対しパンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａが部分的に埋め込まれた状態を含んで当接する状態について、図５を基に以下に説明する。
図５（ａ）はパンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａ_１が絶縁材１３の厚さの０％の場合の当接状態を示す説明図、図５（ｂ）はパンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａ_２が絶縁材１３の厚さの５０％の場合の当接状態を示す説明図、図５（ｃ）はパンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａ_３が絶縁材１３の厚さの７５％の場合の当接状態を示す説明図である。
図５に示す関係から、凹凸部４ａと絶縁材１３との当接状態において、図５（ａ）、（ｂ）に示すように凹凸部４ａが絶縁材１３の厚さの５０％以下の場合は絶縁材１３に対し凹凸部４ａ_１、４ａ_２の大部分が絶縁材１３に隙間無く密着できるので、接触面積が大きいが、図５（ｃ）に示すように凹凸部４ａ_３が絶縁材１３の厚さの７５％の場合は絶縁材１３とパンケーキコイル４の凹凸部４ａ３との間に空隙Ｄが複数形成されるので、熱伝達効率が低下する。

パンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａの大きさを計測するには、一例として、コイル端面に沿って表面粗さ計を走査し、凹凸の測定を行えば良い。凹凸の測定に際し、パンケーキコイル４の端面を直接計測する他に、紙粘土等の粘性材をパンケーキコイル４の端面の凹凸部４ａに貼りつけて凹凸形状を転写し、粘性材に転写した凹凸部をレーザー寸法測定装置２４あるいは表面粗さ計を用いて測定することもできる。
以上説明した凹凸計測により絶縁材１３の厚さの５０％以下の凹凸値となったパンケーキコイル４のみを用いて、要素コイル１を構成し、これを積み重ねてコイル積層体３を形成し、酸化物超電導コイルＡを形成する。即ち、前記凹凸測定の検査結果により絶縁材１３の厚さの５０％以下の凹凸値となったパンケーキコイル４のみを用いて酸化物超電導コイルＡを製造すると、パンケーキコイル４の凹凸部４ａの面内最大高低差Ｒｍａｘを絶縁材１３の厚さの５０％以下に管理できることとなる。

図１に示す酸化物超電導コイルＡは例えば、図４に示す超電導機器２５に組み込まれて冷却されて使用される。
図４に示す超電導機器２５は、真空容器などの収容容器２６と、その内部に設置された酸化物超電導コイルＡと、収容容器２６の内部の酸化物超電導コイルＡを臨界温度以下に冷却するための冷凍機２７を備えて構成されている。収容容器２６は、図示略の真空ポンプに接続されていて、内部を目的の真空度に減圧できるように構成されている。また、酸化物超電導コイルＡは収容容器２６の外部の電源２８に電流リード線２８ａ、２８ｂを介し接続されており、この電源２８から酸化物超電導コイルＡに通電できるようになっている。

なお、図４においては一例として酸化物超電導コイルＡに設けている要素コイル１を４段構成に記載している。図４の構成において、最上段のパンケーキコイル４の酸化物超電導線材１０に電流リード線２８ａが接続され、最下段のパンケーキコイル４の酸化物超電導線材１０に電流リード線２８ｂが接続され、電源２５から酸化物超電導コイルＡに通電が可能とされている。
超電導機器２５において酸化物超電導コイルＡの冷却板２とフランジ６を上下に貫通するように冷却ロッド２９Ａが複数本設けられている。これらの冷却ロッド２９Ａは酸化物超電導コイルＡの上部側のフランジ６を貫通して上方に延出形成され、酸化物超電導コイルＡの上方に設置された金属製のフレーム部材２９に接続され、このフレーム部材２９が冷凍機２７の下端部に接続されている。

図４に示す超電導機器２５において、冷凍機２７を作動させると冷凍機２７がフレーム部材２９、冷却ロッド２９Ａを介してフランジ６、６と複数の冷却板２を冷却するので、冷却板２の両面側に絶縁材１３を介し接触している酸化物超電導線材１０を冷却することができる。
この冷却動作の際、金属製の冷却板２に対し、絶縁材１３を介して酸化物超電導線材１０の基材１１の端縁と、酸化物超電導層１７の端縁と、第一の安定化層１８の端縁と、第二の安定化層１９の端縁とからなる凹凸部４ａを図１（ｂ）に示すように接触させているので、酸化物超電導層１７を伝導冷却できる結果、酸化物超電導層１７を冷却することができる。

また、基材１１と第一の安定化層１８と第二の安定化層１９はいずれも金属製であり、熱伝導性は良好であり、これらを冷却板２と絶縁材１３を介し効率良く冷却できる結果、酸化物超電導層１７をその両側に位置する金属製の基材１１と第一の安定化層１８と第二の安定化層１９を介し効率良く冷却できる。
また、酸化物超電導線材１０に通電する場合、酸化物超電導層１７に超電導電流が流れるが、酸化物超電導層１７の端縁が金属製の冷却板２に近接しているとしても、冷却板２との間に絶縁材１３を介在させているので、通電しても絶縁性の面で問題を生じない。

なお、パンケーキコイル４を構成する場合、基材１１と酸化物超電導層１７と第一の安定化層１８と第二の安定化層１９をいずれにおいても同じ幅で形成したとしても、これらが酸化物超電導線材１０の全長にわたり完全に均一幅に揃っているとは限らない。従って、酸化物超電導線材１０を巻回してパンケーキコイル４を形成した場合、パンケーキコイル４の両側の端面１ｂは、理想的な平滑面になる訳ではなく、多少の凹凸部を有した面となる。即ち、要素コイル１の両端面１ａは、基材１１の端縁と酸化物超電導層１７の端縁と第一の安定化層１８の端縁と第二の安定化層１９の端縁と樹脂層８の端縁と絶縁部材９の端縁からなる凹凸部４ａが生成する。

しかし、このように生成された凹凸部４ａであっても、先に説明したとおり、面内最大高低差Ｒｍａｘを絶縁材１３の厚さの５０％以下に管理するならば、熱伝導率に影響を及ぼすことなく効率の良い冷却動作を得ることができ、冷却効率の良好な酸化物超電導コイルＡを提供できる。

ところで、これまで説明した実施形態においては、基材１１の上方に配向性中間層１５を介しＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘなる組成系の酸化物超電導層１７を設けた構造の酸化物超電導線材１０を用いてパンケーキコイル４を形成した例について説明したが、本発明をビスマス系超電導線材（Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ：Ｂｉ２２１２、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ：Ｂｉ２２２３）について適用できるのは勿論である。
ビスマス系超電導線材の構造は図７に例示するようにＡｇなどのテープ状の安定化材からなるシース３０の内部に酸化物超電導層３１を内包した酸化物超電導線材３２が主体であるので、このテープ状のビスマス系の酸化物超電導線材３２を先の第１実施形態の酸化物超電導線材１０の代わりに用いることでビスマス系の酸化物超電導線材３２を用いた酸化物超電導コイルに本発明を適用することができる。

ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅５ｍｍ、厚さ０.１ｍｍのテープ状の基材を用意し、このテープ状基材の表面にＡｌ_２Ｏ_３からなる厚さ１００ｎｍの拡散防止層を形成し、更にその上にイオンビームスパッタ法を用いてＹ_２Ｏ_３からなる厚さ３０ｎｍのベッド層を形成した。イオンビームスパッタ法の実施にあたりテープ状の基材はスパッタ装置の内部においてリールに巻回しておき、一方のリールから他方のリールに繰り出す間に成膜できるようにして基材の全長に形成した。次に、イオンビームアシスト蒸着法によりベッド層上に厚さ１０ｎｍのＭｇＯの配向層を形成した。この場合、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対し、４５゜とした。

続いてパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）を用いてＭｇＯの配向層上にＣｅＯ_２の厚さ５００ｎｍのキャップ層を形成した。更に、このキャップ層上にパルスレーザー蒸着法によりＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの厚さ約２μｍの酸化物超電導層を形成した。
次に、スパッタ法により酸化物超電導層上に厚さ１０μｍのＡｇの第一の安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行った。この後、第一の安定化層の上に厚さ１００μｍの銅テープを半田付けして酸化物超電導線材を得た。得られた酸化物超電導線材についてレーザー寸法測定器（KEYENCE社製のＬＳ−５０４０）を用いて線幅の測定を行い、線幅のばらつきが充分に小さいことを確認して以下の工程に用いた。

次いで、この酸化物超電導線材とポリイミド製の幅４ｍｍ、厚さ１２．５μｍのテープを酸化物超電導線材に２重にラップ巻きし、エポキシ樹脂製の幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのプリプレグテープを共巻きして内径７０．５ｍｍ、外径９９．５ｍｍとして同心円状に３６回巻回させてパンケーキコイルを作製し、これを１２０℃に加熱してプリプレグテープの樹脂層を硬化させた。同様の手順で複数のパンケーキコイルを作製した。
作製したパンケーキコイルについて表面粗さ計にて端面の凹凸部を計測した。この結果、後述する如く用いる絶縁材の厚さ５００μｍに対し、端面の凹凸の面内最大高低差が９５％であったパンケーキコイルと、端面の凹凸の面内最大高低差が７０％であったパンケーキコイルと、端面の凹凸の面内最大高低差が５５％であったパンケーキコイルと、端面の凹凸の面内最大高低差が４５％であったパンケーキコイルと、端面の凹凸の面内最大高低差が３０％であったパンケーキコイルをそれぞれ選別し、以下の試験に用いた。

次に、銅製の厚さ１ｍｍ、外径１００ｍｍ、中央の開口径７０ｍｍの冷却板の表裏面にプリプレグからなる厚さ５００μｍの絶縁材を貼り付けた。この冷却板をフランジ用として２枚用意した。
上述の複数のパンケーキコイルのうち、端面の凹凸の面内最大高低差が同じ値の２個のパンケーキコイルを絶縁材（厚さ５００μｍのプリプレグ）を介し貼り合わせてダブルパンケーキ型の要素コイルを作成し、要素コイルの両端面側を挟むように上述のフランジ用の冷却板で挟み、試験用の酸化物超電導コイルを得た。

以上説明の構造とした酸化物超電導コイルについて、図４に示す構成の真空容器に組み込み、常温から冷却開始して２０Ｋまで冷却できる時間を計測した。その結果を図８に示す。
図８に示すように、絶縁材の厚さ５００μｍに対し、９５％、７０％、５５％の面内最大高低差の凹凸部を端面に有するパンケーキコイルを用いて構成した酸化物超電導コイルは、２０Ｋまで冷却するために２６〜３０時間要したが、４５％、３０％の面内最大高低差の凹凸部を端面に有するパンケーキコイルを用いて構成した酸化物超電導コイルは、２０Ｋまで冷却するために１７時間あるいは１６．５時間で冷却できた。更に、５０％の面内最大高低差の凹凸部を端面に有するパンケーキコイルを用いて構成した酸化物超電導コイルは、２０Ｋまで冷却するために、１７時間で冷却できた。

この結果から、パンケーキコイルの端面の凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘとして、絶縁材の厚さの５０％以下の凹凸部とした構成の酸化物超電導コイルであるならば、冷却効率が良好であり、短時間で常温から２０Ｋまで冷却できることが明らかとなった。この例では図８に示すように３０〜５０％の範囲でほぼ一定の冷却時間となった。
また、凹凸部の面内最大高低差を絶縁材の厚さの９５％、７０％、５５％として製造した酸化物超電導コイルは、冷却に長い時間がかかっているので、パンケーキコイルの凹凸部と絶縁材との間に多くの空隙が存在し、これらの空隙が断熱部となって熱伝達効率を低下させたと推定できる。

本発明は、例えば超電導モーター、超電導電力貯蔵装置などの各種の超電導機器に用いられる酸化物超電導コイルとその製造方法に適用することができる。

Ａ…酸化物超電導コイル、１…要素コイル、２…冷却板、３…コイル積層体、４…パンケーキコイル、４ａ…凹凸部、５…巻胴、６…フランジ、７…ボビン、８…樹脂層、９…絶縁部材、１０…酸化物超電導線材、１１…基材、１２…下地層、１３…絶縁材、１５…配向性中間層、１６…キャップ層、１７…酸化物超電導層、１８…第一の安定化層、１９…第二の安定化層、２４…レーザー寸法測定装置、２５…超電導機器、２６…真空容器、２７…冷凍機、２８…電源、２９…フレーム部材、２９Ａ…冷却ロッド、３０…シース、３１…酸化物超電導層、３２…酸化物超電導線材。

Claims (5)

1. 酸化物超電導層が備えられたテープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材とともに巻回してなる要素コイルが、複数、各要素コイルをそれらの中心軸方向に冷却板を介して重ねて構成されたコイル積層体を備えた酸化物超電導コイルであって、
   前記要素コイルの端面に酸化物超電導線材の端縁と絶縁部材の端縁により凹凸部が形成され、前記重ねられた要素コイルの端面の間に絶縁材が介在され、前記絶縁材に対し前記要素コイルの端面が前記凹凸部を介し当接されるとともに、
   前記凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘが前記絶縁材の厚さの５０％以下とされ、
   前記絶縁材を構成する樹脂が前記凹凸部に埋め込まれていることを特徴とする酸化物超電導コイル。
2. 前記要素コイルがテープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材とともに巻回してなるパンケーキコイルを２段重ねたダブルパンケーキコイルから構成され、該ダブルパンケーキコイルを構成する上段側のパンケーキコイルの端面と下段側のパンケーキコイルの端面との間に絶縁材が介在され、上段側のパンケーキコイルの端面の凹凸部と下段側のパンケーキコイルの端面の凹凸部に前記絶縁材を構成する樹脂が埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導コイル。
3. 前記要素コイルの端面と前記冷却板との間に介在される前記絶縁材を構成する樹脂が含浸硬化型の樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物超電導コイル。
4. 酸化物超電導層が備えられたテープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材とともに巻回してなる要素コイルが、複数、各要素コイルをそれらの中心軸方向に冷却板を介して重ねて構成されたコイル積層体を備え、前記要素コイルの端面に酸化物超電導線材の端縁と絶縁部材の端縁により凹凸部が形成され、前記重ねられた要素コイルの端面の間に絶縁材が介在され、前記絶縁材に対し前記要素コイルの端面が前記凹凸部を介し当接された酸化物超電導コイルの製造方法であって、
   前記要素コイルの端面の凹凸部の面内最大高低差Ｒｍａｘを前記絶縁材の厚さの５０％以下になるように管理して要素コイルを構成し、
   前記絶縁材を構成する樹脂を前記凹凸部に埋め込むことを特徴とする酸化物超電導コイルの製造方法。
5. 真空容器と、該真空容器の内部に設けられた請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸化物超電導コイルと、前記真空容器に設けられて前記超電導コイルの冷却板を冷却する冷凍機とを具備した超電導機器。

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