JP6364235B2 - 超電導コイルの電極構造 - Google Patents
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Description
本発明は、テープ状の超電導線材を巻回して形成され、電力機器等に使用される超電導コイルの終端部における超電導線材に電極部を接合した超電導コイルの電極構造に関する。
超電導コイルを形成するテープ状の超電導線材としては、例えばニッケル合金による基板上に中間層を介して希土類系酸化物超電導体の超電導層が形成され、その上に銀、銅等の安定化層が形成されて構成されている。この超電導コイルの終端部における超電導線材には電極部が半田によって接合されている。
この種の超電導コイルが例えば特許文献１に開示されている。すなわち、超電導コイルは、基材、該基材上の超電導層及び該超電導層上の安定化層を備える超電導線材を、前記安定化層側を外側にして巻回したコイル体と、このコイル体における超電導線材の安定化層上に設けられた電極部とを備えている。
前記超電導線材の端部と電極部とが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、電極部のコイル体周面に沿う周側部と、電極部のコイル体の外側に延出された延出部との両方が超電導線材の安定化層と電気的に接続されている。前記電極部の周側部はコイル体周面側の超電導線材の安定化層と半田付けされ、電極部の延出部はコイル体の径方向外側に延出された超電導線材の安定化層と半田付けされている。
ところで、超電導コイルを極低温に冷却すると、超電導線材と電極部との熱膨張率の相違に基づいて、超電導線材と電極部との接合部には熱応力が作用する。また、超電導コイルを励磁したり、消磁したりする際の電磁力により、超電導コイルに歪みが生じ、超電導線材と電極部との接合部に応力が作用する。
このため、前記特許文献１に記載されている従来構成の超電導コイルにおいては、超電導線材の周側部と電極部との間の半田付け部及び延出部と電極部との間の半田付け部には応力が集中し、超電導線材と電極部とが接続不良を生じたり、剥離したりするおそれがあった。従って、超電導線材と電極部との電気的な接続不良に起因して、超電導コイルの特性が低下するという問題があった。
そこで、本発明の目的とするところは、超電導線材と電極部との接合部における超電導線材の損傷を抑制して、超電導特性を維持することができる超電導コイルの電極構造を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の超電導コイルの電極構造は、テープ状の超電導線材を巻回して形成された超電導コイルの終端部に電極部を接合した超電導コイルの電極構造であって、前記超電導線材は、基板上に中間層を介して希土類系酸化物超電導体の超電導層が形成され、その超電導層上に安定化層が形成されて構成され、前記超電導コイルの終端部に位置する超電導線材と電極部との間には、超電導線材を保護する保護線材を介在させた状態で超電導線材と電極部とが接合され、前記電極部は超電導線材の外周側に位置する外側電極部と超電導線材の内周側に位置する内側電極部とにより構成されるとともに、前記保護線材は超電導線材で形成され、その保護線材は超電導コイルに沿って少なくとも１周回するように超電導線材に共巻きされ、外側電極部に対向する外側保護線材と内側電極部に対向する内側保護線材とを有し、かつ保護線材の超電導層が超電導線材の超電導層に対向していることを特徴とする。
前記外側電極部及び内側電極部には係合部を設けるとともに、超電導線材の両面に保護線材を配置した状態で外側電極部と内側電極部との間に介在させ、その状態で外側電極部の係合部と内側電極部の係合部が係合され、締結部材で一体的に締結されていることが好ましい。
本発明の超電導コイルの電極構造によれば、超電導線材と電極との接合部における超電導線材の損傷を抑制して、超電導特性を維持することができるという効果を奏する。
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図９に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、超電導コイル１０はテープ状の超電導線材１１を巻回して形成され、超電導コイル１０の終端部１１ａすなわち超電導線材１１の終端部１１ａには電極部１２が接合されている。図４に示すように、超電導コイル１０としてのシングルパンケーキコイル１０Ａは、超電導線材１１が１段に巻回されて構成され、内周側の終端部１１ａ及び外周側の終端部１１ａに電極部１２が接合されている。
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図９に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、超電導コイル１０はテープ状の超電導線材１１を巻回して形成され、超電導コイル１０の終端部１１ａすなわち超電導線材１１の終端部１１ａには電極部１２が接合されている。図４に示すように、超電導コイル１０としてのシングルパンケーキコイル１０Ａは、超電導線材１１が１段に巻回されて構成され、内周側の終端部１１ａ及び外周側の終端部１１ａに電極部１２が接合されている。
図５に示すように、超電導コイル１０としてのダブルパンケーキコイル１０Ｂは、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で形成された仕切枠材１３を介して超電導線材１１が上下２段に巻回されて構成され、外周側の上下２箇所の終端部１１ａに電極部１２すなわち上部電極部１２Ａ及び下部電極部１２Ｂが接合されている。
図６に示すように、ダブルパンケーキコイル１０Ｂを製造する場合には、仕切枠材１３が連結された内周枠１４に対し、１本のテープ状をなす超電導線材１１の中央部を中心にして上下２段に反対方向に巻き付ける。すなわち、上段のコイルは上方から見て反時計方向に巻回し、下段のコイルは上方から見て時計方向に巻回する。なお、仕切枠材１３には図示しない貫通孔が設けられ、その貫通孔を超電導線材１１が通るようになっている。また、内周枠１４に対する超電導線材１１の巻き付け方向は、上記とは逆方向であってもよい。
図１及び図２に示すように、前記終端部１１ａに位置する超電導線材１１の内外周の両面と電極部１２としての外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂとの間には、それぞれ超電導線材１１を機械的に保護する保護線材１５としての外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂが介在されている。前記電極部１２は外側電極部１２ａと内側電極部１２ｂに分岐され、両電極部１２ａ、１２ｂが連結されて図示しないリード線に接続されている。
前記超電導線材１１と外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂとがそれぞれ外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂを介して半田によりそれぞれ接合されている。この保護線材１５は、超電導コイル１０に沿ってほぼ１周回するように構成され、その外周側の端部が外側保護線材１５ａとなり、内周側の端部が内側保護線材１５ｂとなっている。また、保護線材１５は、前記超電導線材１１と同じ超電導線材で形成され、ほぼ１周回するに足る長さの短尺に形成されている。
図３に示すように、前記超電導線材１１は、基板１６上に中間層１７を介して超電導層１８が形成され、その超電導層１８上に安定化層１９が設けられている。該安定化層１９は、超電導層１８上の第１安定化層１９ａと、外周を覆う第２安定化層１９ｂとにより構成されている。
前記基板１６は、ニッケル合金（ハステロイ）、銀、銀合金等の金属により、例えば厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。中間層１７は、ガドリニウム・ジルコニウム酸化物（Ｇｄ・Ｚｒ酸化物）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、バリウム・ジルコニウム酸化物（Ｂａ・Ｚｒ酸化物）等の化合物により、例えば厚さ５００ｎｍ、幅１０ｍｍに形成されている。
前記超電導層１８は、希土類系酸化物超電導体のＣＶＤ法（化学蒸着法）により、例えば厚さ約１μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。但し、ＲＥは希土類元素を表す。この超電導層１８として具体的には、イットリウム・バリウム・銅酸化物、ランタン・バリウム・銅酸化物（Ｌａ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）等が挙げられる。
前記第１安定化層１９ａは、銀等の金属のスパッタリング等により、例えば厚さ約１５μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。第２安定化層１９ｂは、銅等の金属のメッキ等により、例えば厚さ約５０μｍに形成されている。
前記電極部１２は、導電性の高い金属材料、例えば銀、銅、金、白金又はそれらの金属を含む合金等により形成されている。
図９に示すように、超電導線材１１はその基板１６が内周側、超電導層１８が外周側に位置するように配置されている。また、外側保護線材１５ａはその超電導層１８が内周側に位置するように配置され、その超電導層１８が超電導線材１１の超電導層１８に対向している。このため、外側保護線材１５ａと超電導線材１１との間の電気的な導通性が高められる。さらに、内側保護線材１５ｂはその超電導層１８が内周側に位置するように配置され、その超電導層１８が内側電極部１２ｂに対向している。このため、内側保護線材１５ｂと内側電極部１２ｂとの間の電気的な導通性が高められる。
図９に示すように、超電導線材１１はその基板１６が内周側、超電導層１８が外周側に位置するように配置されている。また、外側保護線材１５ａはその超電導層１８が内周側に位置するように配置され、その超電導層１８が超電導線材１１の超電導層１８に対向している。このため、外側保護線材１５ａと超電導線材１１との間の電気的な導通性が高められる。さらに、内側保護線材１５ｂはその超電導層１８が内周側に位置するように配置され、その超電導層１８が内側電極部１２ｂに対向している。このため、内側保護線材１５ｂと内側電極部１２ｂとの間の電気的な導通性が高められる。
このように、超電導線材１１の内外周両面に保護線材１５を介在させて外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂに半田で接合したことから、超電導線材１１は外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂに直接接触することがなく、保護線材１５によって遮蔽されて保護される。
図７に示すように、前記外側電極部１２ａ内面の上端部及び下端部には複数の係合凸部２０が設けられ、内側電極部１２ｂ外面の上端部及び下端部には前記係合凸部２０が係合する複数の係合凹部２１が設けられている。外側電極部１２ａの係合凸部２０には締結部材としての雌ねじ孔２２が形成され、内側電極部１２ｂの係合凹部２１には内側電極部１２ｂを貫通する貫通孔２３が形成され、締結部材としての雄ねじ２４が内側電極部１２ｂの貫通孔２３を通って外側電極部１２ａの雌ねじ孔２２に螺合されるようになっている。
また、超電導線材１１、外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂの上端部及び下端部には、それぞれ複数の切欠き２５が外側電極部１２ａの係合凸部２０及び内側電極部１２ｂの係合凹部２１に対応する位置に形成されている。そして、超電導線材１１の両面に外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂを配置した状態で、係合凸部２０を係合凹部２１に係合させ、雄ねじ２４を貫通孔２３に通して雌ねじ孔２２に螺合させることにより、超電導線材１１を電極部１２に連結させることができる。
このようにして、超電導線材１１を電極部１２に連結させることにより、超電導線材１１と電極部１２との半田接合部の接合状態を強固に保持することができる。さらに、超電導線材１１と電極部１２との密着性を高め、接触抵抗を抑えることができ、電気的な導通性を向上させることができる。
超電導線材１１と電極部１２との連結構造は、他の形態を採用することもできる。例えば、図８に示すように、外側電極部１２ａの内面に係合凹条２６を形成するとともに、内側電極部１２ｂの外面に係合凸条２７を前記係合凹条２６に係合するように形成する。外側電極部１２ａの係合凹条２６には、超電導線材１１の両面に外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂを重ね合せて収容できるように構成する。前記内側電極部１２ｂ、内側保護線材１５ｂ、超電導線材１１及び外側保護線材１５ａには挿通孔２８を形成するとともに、外側電極部１２ａには締結部材としての雌ねじ孔部２９を形成する。そして、締結部材としてのビス３０を挿通孔２８に通し、雌ねじ孔部２９に螺合させることにより、超電導線材１１を電極部１２に連結させることができる。
次に、第１実施形態の超電導コイル１０の電極構造について作用を説明する。
さて、図１に示すように、終端部１１ａに位置する超電導線材１１には保護線材１５がほぼ１周回共巻きされている。図２に示すように、電極部１２においては、超電導線材１１の外周面に外側保護線材１５ａを介して外側電極部１２ａが半田で接合されて電気的接続が図られるとともに、超電導線材１１の内周面に内側保護線材１５ｂを介して内側電極部１２ｂが半田で接合されて電気的接続が図られている。
さて、図１に示すように、終端部１１ａに位置する超電導線材１１には保護線材１５がほぼ１周回共巻きされている。図２に示すように、電極部１２においては、超電導線材１１の外周面に外側保護線材１５ａを介して外側電極部１２ａが半田で接合されて電気的接続が図られるとともに、超電導線材１１の内周面に内側保護線材１５ｂを介して内側電極部１２ｂが半田で接合されて電気的接続が図られている。
そして、超電導コイル１０を例えば液体窒素により７７Ｋまで冷却したときには、超電導コイル１０が収縮して超電導線材１１は内方への力を受ける。また、超電導コイル１０に通電して励磁したときときには、超電導コイル１０に電磁力（フープ力）が作用し、超電導線材１１は外方への力を受け、通電を停止して消磁したときにはその電磁力が急に解除され、超電導線材１１は衝撃力を受ける。このため、超電導線材１１と外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂとの接合部には両者を離間させようとする応力が働く。
しかしながら、第１実施形態の超電導コイル１０では、超電導線材１１と外側電極部１２ａとの間に外側保護線材１５ａが介在され、超電導線材１１と内側電極部１２ｂとの間に内側保護線材１５ｂが介在されている。従って、前記応力は、主に外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂに作用し、保護線材１５間に挟着された超電導線材１１には直接作用することが回避される。このため、終端部１１ａにおける超電導線材１１は機械的に保護されるとともに、摩耗等が緩和される。また、超電導線材１１が保護線材１５から受ける応力も超電導コイル１０の終端部の１周回に限られ、超電導コイル１０全体から見れば超電導線材１１には殆ど影響を与えない。従って、超電導コイル１０は超電導特性を維持することができる。
以上詳述した第１実施形態によって得られる効果を以下にまとめて記載する。
（１）この第１実施形態の超電導コイル１０では、その終端部１１ａに位置する超電導線材１１の両面と電極部１２との間には、保護線材１５を介在させた状態で超電導線材１１と電極部１２とが半田接合されている。このため、冷却時における熱応力や通電時における電磁力が主に保護線材１５に作用し、超電導線材１１に及ぼす影響が緩和される。
（１）この第１実施形態の超電導コイル１０では、その終端部１１ａに位置する超電導線材１１の両面と電極部１２との間には、保護線材１５を介在させた状態で超電導線材１１と電極部１２とが半田接合されている。このため、冷却時における熱応力や通電時における電磁力が主に保護線材１５に作用し、超電導線材１１に及ぼす影響が緩和される。
従って、第１実施形態における超電導コイル１０の電極構造によれば、超電導線材１１と電極部１２との接合部における超電導線材１１の損傷を抑制して、超電導特性を維持することができるという効果を奏する。
（２）前記保護線材１５は、超電導コイル１０に沿って少なくとも１周回するように超電導線材１１に共巻きされている。このため、終端部１１ａにおいて超電導線材１１の両面に保護線材１５を容易に配置することができるとともに、超電導線材１１の保護を効果的に行うことができる。
（３）前記保護線材１５は、超電導コイル１０を形成する超電導線材１１で形成されている。そのため、保護線材１５を簡単に調製することができるとともに、超電導線材１１と熱膨張率を同じにして超電導線材１１との密着性を保持でき、超電導線材１１と保護線材１５との間の電気的な導通性を向上させることができる。
（４）前記超電導線材１１は、基板１６上に中間層１７を介して希土類系酸化物超電導体の超電導層１８が形成され、その超電導層１８上に安定化層１９が形成されて構成されている。従って、臨界温度が高く、液体窒素冷却で使用でき、臨界電流密度の高い超電導線材１１により、超電導コイル１０の超電導特性を良好に発揮することができる。
（５）前記保護線材１５は、超電導線材１１の超電導層１８と外側保護線材１５ａの超電導層１８が対向するように配置されている。このため、超電導線材１１と保護線材１５との間の電気的な導通性を高め、超電導コイル１０の超電導特性を安定して発揮させることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図１２に基づいて説明する。なお、第２実施形態及び後述する第３実施形態では、主に第１実施形態と相違する部分について説明する。
次に、本発明の第２実施形態を図１２に基づいて説明する。なお、第２実施形態及び後述する第３実施形態では、主に第１実施形態と相違する部分について説明する。
図１２に示すように、超電導線材１１はその基板１６が外周側、超電導層１８が内周側に位置するように配置されている。また、外側保護線材１５ａはその超電導層１８が外周側に位置するように配置され、その超電導層１８が外側電極部１２ａに対向している。このため、外側保護線材１５ａと外側電極部１２ａとの間の電気的な導通性が良好である。さらに、内側保護線材１５ｂはその超電導層１８が外周側に位置するように配置され、その超電導層１８が超電導線材１１の超電導層１８に対向している。このため、内側保護線材１５ｂと超電導線材１１との間の電気的な導通性が良好である。
さて、冷却時における熱応力や通電時における電磁力に対し、終端部１１ａでは超電導線材１１の両面が外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂにより機械的に保護される。加えて、超電導線材１１の超電導層１８が内周側に配置されていることから、熱応力及び電磁力による影響を第１実施形態の場合より少なくすることができる。
従って、この第２実施形態によれば、超電導コイル１０の超電導特性を一層良好に発揮することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図２３に基づいて説明する。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図２３に基づいて説明する。
図２３に示すように、超電導線材１１はその基板１６が外周側、超電導層１８が内周側に位置するように配置され、超電導層１８が電磁力等の影響を受け難くなっている。超電導線材１１より内周側には内側保護線材１５ｂが配置され、その内側保護線材１５ｂは超電導層１８が外周側に位置するように配置されている。このため、内側保護線材１５ｂの超電導層１８が超電導線材１１の超電導層１８に対向し、内側保護線材１５ｂと超電導線材１１との間の電気的な導通性が良好である。なお、この第３実施形態では、超電導線材１１の外周側に外側保護線材１５ａは配置されていない。
さて、冷却時における熱応力や通電時における電磁力に対し、終端部１１ａでは超電導線材１１の内周面が内側保護線材１５ｂにより機械的に保護される。このため、超電導線材１１の超電導層１８と内側電極部１２ｂとの間の導通性が良好に維持される。
従って、この第３実施形態によれば、超電導コイル１０の超電導特性を維持することができる。
次に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
この実施例１の超電導コイル１０の電極構造は、前記第１実施形態で示した超電導コイル１０の電極構造である。すなわち、長さ約１００ｍの超電導線材１１を用いてダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。超電導線材１１を調製するために、幅４ｍｍ、厚さ１００μｍのニッケル合金（ハステロイ）製の基板１６上に厚さ５００ｎｍのマグネシウム・ランタン・マンガン系酸化物の中間層１７を介して厚さ１μｍのイットリウム系の超電導物質による超電導層１８を形成した。続いて、その超電導層１８上に厚さ８μｍの銀のスパッタリングによる第１安定化層１９ａを形成し、その外周に厚さ２０μｍの銅めっきによる第２安定化層１９ｂを形成し、超電導線材１１（液体窒素中、自己磁場での臨界電流１４０Ａ）を作製した。
（実施例１）
この実施例１の超電導コイル１０の電極構造は、前記第１実施形態で示した超電導コイル１０の電極構造である。すなわち、長さ約１００ｍの超電導線材１１を用いてダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。超電導線材１１を調製するために、幅４ｍｍ、厚さ１００μｍのニッケル合金（ハステロイ）製の基板１６上に厚さ５００ｎｍのマグネシウム・ランタン・マンガン系酸化物の中間層１７を介して厚さ１μｍのイットリウム系の超電導物質による超電導層１８を形成した。続いて、その超電導層１８上に厚さ８μｍの銀のスパッタリングによる第１安定化層１９ａを形成し、その外周に厚さ２０μｍの銅めっきによる第２安定化層１９ｂを形成し、超電導線材１１（液体窒素中、自己磁場での臨界電流１４０Ａ）を作製した。
次いで、ＦＲＰ製の仕切枠材１３を使用し、内周枠１４の周りに超電導線材１１を、絶縁テープを共巻し、常法に従って２段に巻回して、内径５０ｍｍ、外径１１２ｍｍのダブルパンケーキコイル１０Ｂを製作した。このとき、図１及び図２に示すように、終端部１１ａにおける超電導線材１１のほぼ１周回では、保護線材１５を共巻して外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂを半田で接合した。その結果、図９に示すように、超電導コイル１０の終端部における超電導線材１１の外周面には外側保護線材１５ａを介して外側電極部１２ａが接合され、超電導線材１１の内周面には内側保護線材１５ｂを介して内側電極部１２ｂが接合された。
そして、実施例１のダブルパンケーキコイル１０Ｂを液体窒素が収容された真空槽内に移し、伝導冷却により７７Ｋまで冷却し、その温度において、外部磁場なしでダブルパンケーキコイル１０Ｂに通電し、さらに複数回、液体窒素と室温との間で冷却サイクルを繰り返し、常法に従って電流（Ａ）−電圧（μＶ）特性を測定した。通電１回目の電流−電圧特性を図１０に示し、冷却サイクル５回後の電流−電圧特性を図１１に示した。
電流−電圧特性の測定に際しては、上部電極部１２Ａとコイル巻線との間、コイル巻線自体及び下部電極部１２Ｂとコイル巻線との間の電圧をそれぞれ測定した。
図１０の結果より、実施例１の超電導コイル１０では、電流値が４５Ａ程度でコイル巻線に電圧が発生するまでは、超電導状態が保持され、良好な超電導特性が発揮された。さらに、図１１の結果より、冷却サイクルを５回繰り返しても、電流−電圧特性に殆ど変化は見られず、超電導特性が維持された。
図１０の結果より、実施例１の超電導コイル１０では、電流値が４５Ａ程度でコイル巻線に電圧が発生するまでは、超電導状態が保持され、良好な超電導特性が発揮された。さらに、図１１の結果より、冷却サイクルを５回繰り返しても、電流−電圧特性に殆ど変化は見られず、超電導特性が維持された。
（実施例２）
この実施例２の超電導コイル１０の電極構造は、前記第２実施形態で示した超電導コイル１０の電極構造である。すなわち、実施例１と同じ超電導線材１１を使用し、実施例１と同様の操作でダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。その結果、図１２に示すように、終端部１１ａにおける超電導線材１１の外周面には外側保護線材１５ａを介して外側電極部１２ａが接合され、超電導線材１１の内周面には内側保護線材１５ｂを介して内側電極部１２ｂが接合された。
この実施例２の超電導コイル１０の電極構造は、前記第２実施形態で示した超電導コイル１０の電極構造である。すなわち、実施例１と同じ超電導線材１１を使用し、実施例１と同様の操作でダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。その結果、図１２に示すように、終端部１１ａにおける超電導線材１１の外周面には外側保護線材１５ａを介して外側電極部１２ａが接合され、超電導線材１１の内周面には内側保護線材１５ｂを介して内側電極部１２ｂが接合された。
そして、実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイル１０Ｂの電流（Ａ）−電圧（μＶ）特性を測定した。通電１回目の電流−電圧特性を図１３に示し、冷却サイクル５回後の電流−電圧特性を図１４に示した。
図１３の結果より、実施例２の超電導コイル１０では、電流値が４５Ａ程度でコイル巻線に電圧が発生までは、超電導状態が保持され、良好な超電導特性が発揮された。さらに、図１４の結果より、冷却サイクルを５回繰り返しても、電流−電圧特性に殆ど変化は見られず、超電導特性が維持された。
（比較例１）
比較例１の超電導コイル１０の電極構造は、図１５に示すように、前記実施例１において、外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂを省略した構造である。そして、実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。その結果、図１５に示すように、終端部１１ａでの超電導線材１１の外周面には外側電極部１２ａが直接接合され、超電導線材１１の内周面には内側電極部１２ｂが直接接合された。
比較例１の超電導コイル１０の電極構造は、図１５に示すように、前記実施例１において、外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂを省略した構造である。そして、実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。その結果、図１５に示すように、終端部１１ａでの超電導線材１１の外周面には外側電極部１２ａが直接接合され、超電導線材１１の内周面には内側電極部１２ｂが直接接合された。
この比較例１のダブルパンケーキコイル１０Ｂについて、実施例１と同様にして電流（Ａ）−電圧（μＶ）特性を測定した。通電１回目の電流−電圧特性を図１６に示し、冷却サイクル３回後の電流−電圧特性を図１７に示し、冷却サイクル４回後の電流−電圧特性を図１８に示した。
図１６の結果より、比較例１のダブルパンケーキコイル１０Ｂにおいても、電流値が４０Ａ程度でコイル巻線に電圧が発生するまでは超電導状態が保持され、良好な超電導特性が発揮された。しかし、その後冷却サイクルを３回繰り返したときには、図１７に示す結果より、上部電極部１２Ａの発生電圧が急に上昇したことから、超電導線材１１と外側電極部１２ａとの接合部が損傷を受けて接触抵抗が上昇したものと考えられる。
さらに、冷却サイクルを４回繰り返した後には、図１８に示す結果より、コイル巻線部の電圧も急激に上昇した。電流−電圧特性の測定後に、超電導線材１１と外側電極部１２ａの接合部を観察したところ、超電導線材１１と外側電極部１２ａとがかい離している箇所が見られ、超電導線材１１と外側電極部１２ａとが数箇所で接合されているに過ぎなかった。
（比較例２）
比較例２の超電導コイル１０の電極構造は、図１９に示すように、前記比較例１において、超電導線材１１の超電導層１８が内周側に配置された構造である。そして、実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。その結果、図１９に示すように、終端部１１ａにおける超電導線材１１の外周面には外側電極部１２ａが直接接合され、超電導線材１１の内周面には内側電極部１２ｂが直接接合された。
比較例２の超電導コイル１０の電極構造は、図１９に示すように、前記比較例１において、超電導線材１１の超電導層１８が内周側に配置された構造である。そして、実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。その結果、図１９に示すように、終端部１１ａにおける超電導線材１１の外周面には外側電極部１２ａが直接接合され、超電導線材１１の内周面には内側電極部１２ｂが直接接合された。
この比較例２のダブルパンケーキコイル１０Ｂについて、実施例１と同様にして電流（Ａ）−電圧（μＶ）特性を測定した。通電１回目の電流−電圧特性を図２０に示し、冷却サイクル２回後の電流−電圧特性を図２１に示し、冷却サイクル３回後の電流−電圧特性を図２２に示した。
図２０の結果より、比較例２の超電導コイル１０においては、上部電極部１２Ａ及び下部電極部１２Ｂの発生電圧が高い傾向を示した。その後、冷却サイクルを２回繰り返したときには、図２１の結果より、上部電極部１２Ａ及び下部電極部１２Ｂの発生電圧が一層上昇した。さらに、冷却サイクルを３回繰り返した後には、図２２に示す結果より、コイル巻線部の電圧上昇も見られた。電流−電圧特性の測定後に、超電導線材１１と外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂの接合部を観察したところ、外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂの近傍で超電導線材１１に傷が見られ、冷却時における超電導線材１１の収縮等により超電導線材１１が損傷を受けたものと考えられる。
（実施例３）
この実施例３の超電導コイル１０の電極構造は、前記第３実施形態で示した超電導コイル１０の電極構造である。すなわち、実施例１と同じ超電導線材１１を使用し、実施例１と同様の操作でダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。その結果、図２３に示すように、終端部１１ａにおける超電導線材１１の内周面には内側保護線材１５ｂを介して内側電極部１２ｂが接合された。なお、内側保護線材１５ｂは超電導線材１１に対して十分に接触するように、超電導線材１１よりも長く形成した。
この実施例３の超電導コイル１０の電極構造は、前記第３実施形態で示した超電導コイル１０の電極構造である。すなわち、実施例１と同じ超電導線材１１を使用し、実施例１と同様の操作でダブルパンケーキコイル１０Ｂを作製した。その結果、図２３に示すように、終端部１１ａにおける超電導線材１１の内周面には内側保護線材１５ｂを介して内側電極部１２ｂが接合された。なお、内側保護線材１５ｂは超電導線材１１に対して十分に接触するように、超電導線材１１よりも長く形成した。
そして、実施例１と同様にしてダブルパンケーキコイル１０Ｂの電流（Ａ）−電圧（μＶ）特性を測定した。通電１回目の電流−電圧特性を図２４に示し、冷却サイクル５回後の電流−電圧特性を図２５に示した。
図２４の結果より、実施例３の超電導コイル１０では、上部電極部１２Ａ及び下部電極部１２Ｂの発生電圧が実施例１及び２に比べて若干高くなったが、電流値が４５Ａ程度でコイル巻線に電圧が発生するまでは、超電導状態が保持され、良好な超電導特性が発揮された。さらに、冷却サイクルを５回繰り返しても、図２５の結果より、上部電極部１２Ａ及び下部電極部１２Ｂの発生電圧は高くなったが、コイル巻線の電圧上昇はなく、電流−電圧特性に殆ど変化は見られず、超電導特性が維持された。
なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・前記テープ状の超電導線材１１は、ビスマス系酸化物の超電導体等によって形成されるものであってもよい。このビスマス系酸化物の超電導体としては、ビスマス（Ｂｉ）を含む酸化物により形成される超電導物質であり、例えばＢｉ２２２３すなわちＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０−α（αは０〜０．１５）、Ｂｉ２２１２すなわちＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８−α（αは０〜０．１５）等が用いられる。ビスマス系酸化物の超電導体が展伸性を有する金属材料のシース層中に分散されて構成されている。
・前記テープ状の超電導線材１１は、ビスマス系酸化物の超電導体等によって形成されるものであってもよい。このビスマス系酸化物の超電導体としては、ビスマス（Ｂｉ）を含む酸化物により形成される超電導物質であり、例えばＢｉ２２２３すなわちＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０−α（αは０〜０．１５）、Ｂｉ２２１２すなわちＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８−α（αは０〜０．１５）等が用いられる。ビスマス系酸化物の超電導体が展伸性を有する金属材料のシース層中に分散されて構成されている。
・前記第１実施形態及び第２実施形態において、保護線材１５としては、超電導線材１１と外側電極部１２ａとの間に介在される外側保護線材１５ａのみで構成してもよい。或いは、保護線材１５を、超電導線材１１と内側電極部１２ｂとの間に介在される内側保護線材１５ｂのみで構成してもよい。
・前記保護線材１５は、超電導線材１１の終端部１１ａにおいて１周回共巻きすることなく、電極部１２に対向する部分のみに配置してもよい。
・前記電極部１２を外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂのいずれか一方で構成してもよい。その場合、いずれか一方の電極部１２と超電導線材１１との間に保護線材１５が介装される。
・前記電極部１２を外側電極部１２ａ及び内側電極部１２ｂのいずれか一方で構成してもよい。その場合、いずれか一方の電極部１２と超電導線材１１との間に保護線材１５が介装される。
・前記外側電極部１２ａに係合凹部２１を設け、内側電極部１２ｂに係合凸部２０を設けてもよい。また、超電導線材１１、外側保護線材１５ａ及び内側保護線材１５ｂの切欠き２５を、貫通用の孔に変更してもよい。
１０…超電導コイル、１０Ａ…シングルパンケーキコイル、１０Ｂ…ダブルパンケーキコイル、１１…超電導線材、１１ａ…終端部、１２…電極部、１２ａ…外側電極部、１２ｂ…内側電極部、１５…保護線材、１５ａ…外側保護線材、１５ｂ…内側保護線材、１６…基板、１７…中間層、１８…超電導層、１９…安定化層、１９ａ…第１安定化層、１９ｂ…第２安定化層、２０…係合部としての係合凸部、２１…係合部としての係合凹部、２２…締結部材としての雌ねじ孔、２４…締結部材としての雄ねじ、２９…締結部材としての雌ねじ孔部、３０…締結部材としてのビス。
Claims (2)
- テープ状の超電導線材を巻回して形成された超電導コイルの終端部に電極部を接合した超電導コイルの電極構造であって、
前記超電導線材は、基板上に中間層を介して希土類系酸化物超電導体の超電導層が形成され、その超電導層上に安定化層が形成されて構成され、前記超電導コイルの終端部に位置する超電導線材と電極部との間には、超電導線材を保護する保護線材を介在させた状態で超電導線材と電極部とが接合され、前記電極部は超電導線材の外周側に位置する外側電極部と超電導線材の内周側に位置する内側電極部とにより構成されるとともに、前記保護線材は超電導線材で形成され、その保護線材は超電導コイルに沿って少なくとも１周回するように超電導線材に共巻きされ、外側電極部に対向する外側保護線材と内側電極部に対向する内側保護線材とを有し、かつ保護線材の超電導層が超電導線材の超電導層に対向していることを特徴とする超電導コイルの電極構造。 - 前記外側電極部及び内側電極部には係合部を設けるとともに、超電導線材の両面に保護線材を配置した状態で外側電極部と内側電極部との間に介在させ、その状態で外側電極部の係合部と内側電極部の係合部が係合され、締結部材で一体的に締結されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの電極構造。
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