JP6914131B2 - 超電導コイル - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルに関する。

特許文献１には、超電導コイルが開示されている。この超電導コイルを構成する超電導線材では、超電導層の上に１〜３０μｍ程のＡｇ保護層（第一安定化層８）が形成され、更にその上に１０〜３００μｍ程のＣｕ安定化層（第二安定化層９）が形成されている。Ｃｕ安定化層は、所謂電流バイパス機能を有するとともに、超電導コイルの熱的安定性（冷却性）を担っている。

特開２０１５−２３０５６号公報

しかしながら、上記技術には、比重の大きいＣｕ安定化層が厚み１０〜３００μｍで形成されているため、コイル質量が大きくなるという問題がある。また、Ａｇ保護層の上にＣｕ安定化層を施工することによるコスト増の問題もある。

本発明は、熱的安定性を確保しつつ、軽量かつコストを抑えた超電導コイルを提供することを目的とする。

第一の態様に係る超電導コイルは、超電導テープが巻き回されたコイル本体と、前記超電導テープとの間に電気絶縁材が介在した状態で、前記コイル本体の全部または一部と共巻きされたアルミテープと、を備える。

（作用効果）
第一の態様では、超電導テープが巻き回されたコイル本体に、高熱伝導率のアルミテープが共巻きされている箇所は、アルミテープにより熱的安定性（冷却性）を確保できる。
また、アルミテープにより熱的安定性（冷却性）を確保できるため、従来技術のＣｕ安定化層を薄くしたり、省略したりすることができる。Ａｌ（アルミニウム）はＣｕ（銅）より低比重であるため、コイル全体を軽量化できる。Ｃｕ安定化層を省略する場合は、Ｃｕ安定化層の施工が不要になるため製造コストが低減する。
なお、アルミテープは超電導テープと絶縁されているので、電流バイパス機能は発揮しない。

第二の態様に係る超電導コイルは、第一の態様において、前記超電導テープは、Ｃｕ安定化層を備えないＲＥ系超電導線材である。

（作用効果）
第二の態様では、Ｃｕ安定化層の施工が不要になるため、低コストで製造できる。

第三の態様に係る超電導コイルは、第一又は第二の態様において、前記電気絶縁材は、前記アルミテープの周囲に形成された絶縁材である。

（作用効果）
第三の態様では、超電導テープとアルミテープとの間に介在する電気絶縁材が、アルミテープの周囲に形成された絶縁材である。つまり、アルミテープの周囲に電気絶縁材を形成することで、共巻きされたアルミテープと超電導テープとの間を電気的に絶縁させている。したがって、アルミテープの周囲ではなく、超電導テープの周囲に絶縁処理が施されて製造される超電導コイルと比較して、製造の作業性がよい。また、超電導テープに絶縁処理を施す場合の超電導テープへの負荷を避けることができるので、超電導テープの劣化を防止できる。

第四の態様に係る超電導コイルは、第一〜第三の何れかの態様において、前記超電導テープは、積層構造を有するＲＥ系超電導線材であり、前記電気絶縁材は、前記アルミテープの周囲に形成されたポリイミド被膜である。

（作用効果）
積層構造を有するＲＥ系超電導線材を用いた超電導コイルを樹脂含浸する場合、含浸樹脂の熱収縮により超電導テープが剥離する方向の力を受け、超電導テープが剥離して劣化するおそれがある。
そこで、第四の態様では、超電導テープとアルミテープとの間に介在する電気絶縁材が、アルミテープの周囲に形成されたポリイミド被膜である。つまり、アルミテープの周囲にポリイミド被膜を形成することで、共巻きされたアルミテープと超電導テープとの間を電気的に絶縁させている。ポリイミド被膜は離型性を有し、含浸樹脂に対して剥離しやすいため、ターン間の含浸樹脂が熱収縮しても、ポリイミド被膜が含浸樹脂から剥離することで、超電導テープが剥離方向の力を受けることが抑制される。その結果、超電導テープの劣化が抑制される。
また、ポリイミド被膜を、超電導テープの周囲ではなく、アルミテープの周囲に形成すればよいので製造の作業性がよく、また超電導テープの劣化を防止できる。

第五の態様に係る超電導コイルは、第一〜第三の何れかの態様において、前記超電導テープは、積層構造を有するＲＥ系超電導線材であり、前記電気絶縁材は、前記アルミテープの周囲にらせん状に巻かれたフッ素樹脂でコーティングしたポリイミドフィルムテープである。

（作用効果）
第五の態様では、超電導テープとアルミテープとの間に介在する電気絶縁材が、アルミテープの周囲にらせん状に巻かれたフッ素樹脂でコーティングしたポリイミドフィルムテープである。つまり、アルミテープの周囲にフッ素樹脂でコーティングしたポリイミドフィルムテープをらせん状に巻くことで、共巻きされたアルミテープと超電導テープとの間を電気的に絶縁させている。フッ素樹脂でコーティングしたポリイミドフィルムテープは離型性を有し、含浸樹脂に対して剥離しやすいため、ターン間の含浸樹脂が熱収縮しても、ポリイミドフィルムテープが含浸樹脂から剥離することで、超電導テープが剥離方向の力を受けることが抑制される。その結果、超電導テープの劣化が抑制される。
また、フッ素樹脂でコーティングしたポリイミドフィルムテープを、超電導テープの周囲ではなく、アルミテープの周囲に巻けばよいので製造の作業性がよく、また超電導テープの劣化を防止できる。

第六の態様に係る超電導コイルは、第一〜第五の何れかの態様において、前記コイル本体は、アルミテープ共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域から構成されており、前記複数の領域は、アルミテープが共巻きされていない単巻領域と、その最大磁界強度が前記単巻領域の最大磁界強度よりも大きく、かつアルミテープが共巻きされている共巻領域と、を含んでいる。

（作用効果）
超電導コイルで磁界を発生させると、コイル中心部だけでなく、超電導テープが巻き回されているコイル本体の内部にも磁界（以下、内部磁界）が発生する。内部磁界は、その位置に応じて強度が異なり、磁界強度が大きい位置では、超電導テープの経験磁界が大きくなり、臨界状態に達しやすい。臨界状態に達しやすい部分が超電導コイル全体の臨界電流に悪影響を与える。
そこで、第六の態様では、コイル本体が、アルミテープ共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域から構成されている。そして、当該複数の領域は、アルミテープが共巻きされていない単巻領域と、最大磁界強度が単巻領域の最大磁界強度よりも大きく、かつアルミテープが共巻きされている共巻領域と、を含んでいる。
つまり、最大磁界強度が大きい領域は、アルミテープが共巻きされた共巻領域となっており、超電導テープが疎巻きになっている。そのため、超電導テープの経験磁界が小さくなり、超電導コイル全体の臨界電流が増加する。その結果、所望の磁界強度を得るためのターン数を減らすことができ、使用する超電導テープを低減できる。

第七の態様に係る超電導コイルは、第六の態様において、前記単巻領域および前記共巻領域は、同一パンケーキコイル内の径方向の位置が異なる領域である。

第八の態様に係る超電導コイルは、第六の態様において、前記単巻領域および前記共巻領域は、径方向の位置範囲が全部または一部重なっている別パンケーキコイル内の領域である。

第九の態様に係る超電導コイルは、第一〜第八の何れかの態様において、前記コイル本体は、アルミテープ共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域から構成されており、前記複数の領域は、アルミテープが共巻きされた第一共巻領域と、その最大磁界強度が前記第一共巻領域の最大磁界強度よりも大きく、かつ共巻きされているアルミテープの厚みが前記第一共巻領域のアルミテープの厚みよりも大きい第二共巻領域と、を含んでいる。

（作用効果）
第九の態様では、コイル本体が、アルミテープ共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域から構成されている。そして、当該複数の領域は、アルミテープが共巻きされた第一共巻領域と、その最大磁界強度が前記第一共巻領域の最大磁界強度よりも大きく、かつ共巻きされているアルミテープの厚みが前記第一共巻領域のアルミテープの厚みよりも大きい第二共巻領域と、を含んでいる。
つまり、最大磁界強度が大きい第二共巻領域は、最大磁界強度が小さい第一共巻領域よりも厚みが大きいアルミテープが共巻きされた領域となっており、超電導テープが疎巻きになっている。そのため、臨界状態に達しやすい領域の超電導テープの経験磁界が小さくなり、超電導コイル全体の臨界電流が増加する。その結果、所望の磁界強度を得るためのターン数を減らすことができ、使用する超電導テープを低減できる。

第十の態様に係る超電導コイルは、第九の態様において、前記第一共巻領域および前記第二共巻領域は、同一パンケーキコイル内の径方向の位置が異なる領域である。

第十一の態様に係る超電導コイルは、第九の態様において、前記第一共巻領域および前記第二共巻領域は、径方向の位置範囲が全部または一部重なっているコイル積層方向の位置が異なる別パンケーキコイル内の領域である。

第十二の態様に係る超電導コイルは、第一〜第十一の何れかの態様において、前記コイル本体は、アルミテープ共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域から構成されており、前記複数の領域を最大磁界強度が大きい順に並べた順番は、前記複数の領域を共巻きされたアルミテープの厚みが大きい順で並べた順番と一致している。

ここでいう「一致している」とは、特定の２つの領域のアルミテープの厚みが略同じとき、その特定の２つの領域の最大磁界強度に大小関係があることを除外しない趣旨である。
例えば、コイル本体が３つの領域ａ，ｂ，ｃから構成されており、それぞれの最大磁界強度がＢａ，Ｂｂ，Ｂｃであるとする。この場合、最大磁界強度がＢａ＞Ｂｃ＞Ｂｂの関係にあり、かつアルミテープの厚みがＴａ＝Ｔｃ＞Ｔｂの関係にあるときも、「複数の領域（３つの領域）を最大磁界強度が大きい順に並べた順番は、当該複数の領域（３つの領域）を共巻きされたアルミテープの厚みが大きい順で並べた順番と一致している」と判断する。換言すると、「Ｂ_ｊ＜Ｂ_ｋであり、かつＴ_ｊ＞Ｔ_ｋである」を満たす任意の領域ｊ、領域ｋの組み合わせが、複数の領域の中に存在しないことを意味する。

本発明によれば、熱的安定性を確保しつつ、軽量かつコストを抑えた超電導コイルを得ることが出来る。

超電導テープとアルミテープとの共巻きを示す模式的な図である。 第一実施形態の超電導コイルを示す断面斜視図である。 図２Ａの断面部を拡大した図である。 第二実施形態の超電導コイルを示す断面斜視図である。 図３Ａの断面部を拡大した図である。 第一実施形態の超電導コイルを示し、（Ａ）は軸方向に切断した様子を示す断面図であり、（Ｂ）は軸直交方向に切断した様子を示す断面図である。 図２Ｂの一部（一点鎖線部５）を拡大した拡大断面図である。 変形例の構造を示す概念図である。 他の変形例の構造を示す概念図である。

〔第一実施形態：コイル本体の全部と共巻き〕
以下、本発明の第一実施形態について説明する。

第一実施形態の超電導コイルＳ１は、超電導テープ１０が巻き回されたコイル本体１０Ｃと、コイル本体１０Ｃと共巻きされたアルミテープ２０と、を備えている。第一実施形態では、コイル本体１０Ｃの全部とアルミテープ２０が共巻きされている。

〔超電導テープ〕
まず、超電導テープ１０について説明する。

超電導テープ１０は、テープ状の超電導線材であり、具体的には希土類系（以下「ＲＥ系」）超電導線材である。図１に示すように、超電導テープ１０は、テープ状の基材１２、配向中間層１４、超電導層１６、および保護層１８によって構成された積層構造を有する。テープ状の基材１２の上に、配向中間層１４、超電導層１６、および保護層１８がこの順に積層されている。超電導テープ１０は、臨界温度を約３５Ｋ以上とする高温超電導線材である。

基材１２は、耐熱性に優れた高強度の金属材料からなることが好ましく、例えば、ハステロイ（登録商標）などのニッケル合金を材質とする。基材１２の厚みは、例えば１〜５００μｍである。

配向中間層１４は、基材１２の金属元素の超電導体への拡散による超電導膜の成長阻害や超電導特性の低下を抑止する機能を有する層である。配向中間層１４は、ＣｅＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３などの結晶配向性に優れ、超電導層１６の熱膨張率に近い膨張率を有する材料を用いて形成することが好ましい。配向中間層１４の厚みは、例えば０．０６〜６μｍである。

超電導層１６は、臨界温度の高い酸化物超電導体をレーザ蒸着等によって形成することが好ましい。臨界温度が高い酸化物超電導体としては、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏｙ（ＲＥは希土類元素のうちの１種または２種以上を示す）であり、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７―ｘ、またはＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘなどを例示できる。

保護層１８は、ＡｇまたはＡｇ合金の層であり、水分などから超電導層１６を保護する機能を有する。保護層１８の厚みは、例えば１〜３０μｍである。

＜アルミテープ＞
次に、アルミテープ２０について説明する。

アルミテープ２０は、アルミまたはアルミ合金を材質とするテープ状の部材である。アルミテープ２０の幅は、超電導テープ１０の幅と略同一であることが好ましい。アルミテープ２０は、長さ方向に一様な厚みを有しており、例えば２〜１０００μｍである。

図１に示すように、アルミテープ２０の周囲には、「電気絶縁材」としてのポリイミド被膜３０が形成されている。ポリイミド被膜３０は、アルミテープ２０に対して電着塗装を施すことで形成することができる。

〔共巻き〕
以上で説明した超電導テープ１０とアルミテープ２０とを重ね合わせ、共に巻く。簡単に言うと、超電導テープ１０とアルミテープ２０とを共巻きする。このときアルミテープ２０の周囲に形成されたポリイミド被膜３０によって、超電導テープ１０とアルミテープ２０との間に「電気絶縁材」としてのポリイミド被膜３０が介在することとなる。よって、超電導テープ１０とアルミテープ２０とは電気的に絶縁された状態で共巻きされる。巻き回し方は特に限定されないが、通常、巻枠４２の周りに巻き回すことで行われる。

〔樹脂含浸、含浸材〕
巻き回された超電導テープ１０およびアルミテープ２０は、エポキシ樹脂などを含浸材として樹脂含浸により形状を固定される。図１や図４に示すコイルは円形コイルであるが、コイル形状がレーストラック形状などの非円形の場合は、樹脂含浸によりコイル形状を固定することが特に好ましい。

図２や図４に、樹脂含浸されると共にケース４０に収容された超電導コイルＳ１を示す。この超電導コイルＳ１は、シングルパンケーキコイルを２層に積層したものとなっている。
シングルパンケーキコイルは、それぞれケース４０に収容され、含浸樹脂５０により超電導テープ１０やアルミテープ２０とケース４０（の側板４４）とが隙間が埋められている（図５参照）。これにより、含浸樹脂５０は、超電導テープ１０やアルミテープ２０の熱をケース４０へ伝達するように機能する。さらに、含浸樹脂５０は、超電導テープ１０とアルミテープ２０との隙間をも埋めている（図５参照）。

また、２つのケース４０の間には、銅板などの熱伝導性の高い材料で形成された冷却板６０が取付けられている。冷却板６０は、超電導コイルＳ１の熱を外部へ放出するように機能する。冷却板６０は、長尺板状とされ、一端がコイル本体１０Ｃの内周側端部に位置し、他端がコイル本体１０Ｃの外周側端部よりもコイル外側へ延びている。冷却板６０はコイル中心部に対して対称な位置に一対設けられている。

＜作用効果＞
次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態では、超電導テープ１０が巻き回されたコイル本体１０Ｃに、高熱伝導率のアルミテープ２０が共巻きされているため、アルミテープ２０により熱的安定性（冷却性）を確保できる。
そして、アルミテープ２０により熱的安定性（冷却性）を確保したことで、超電導テープ１０において従来技術に見られるＣｕ安定化層が省略されている。Ａｌ（アルミニウム）はＣｕ（銅）より低比重であるため、コイル全体を軽量化しやすい。また、Ｃｕ安定化層の施工が不要な分、低コスト化できる。

また、本実施形態では、アルミテープ２０に絶縁処理が施されていることで、アルミテープと超電導テープとが絶縁された状態で共巻きされている。換言すると、超電導テープ１０とアルミテープ２０の間に介在する電気絶縁材は、アルミテープ２０の周囲に形成された絶縁材である。
このため、アルミテープ２０の周囲ではなく、超電導テープ１０の周囲に絶縁処理が施されて製造される超電導コイルと比較して、製造の作業性がよい。また、超電導テープに絶縁処理を施す際の超電導テープへの負荷を避けることができるので、超電導テープの劣化を防止できる。

また、本実施形態では、超電導テープ１０は積層構造を有するＲＥ系超電導線材であり、アルミテープ２０にポリイミド被膜が施されていることで、アルミテープ２０と超電導テープ１０とが絶縁されている。換言すると、超電導テープ１０とアルミテープ２０との間に介在する電気絶縁材が、アルミテープ２０の周囲に形成されたポリイミド被膜３０である。
このため、以下の作用効果を奏する。
すなわち、超電導テープ１０が積層構造を有するＲＥ系超電導線材であるため、樹脂含浸すると、ターン間に入り込んだ含浸樹脂５０の熱収縮により超電導テープ１０が剥離方向の力を受け、超電導テープ１０が劣化するおそれがある。
本実施形態では、超電導テープ１０とアルミテープ２０との間に介在する電気絶縁材が、アルミテープ２０の周囲に形成されたポリイミド被膜３０であるため、ターン間に入り込んだ含浸樹脂５０が熱収縮しても、剥離しやすい（離型性を有する）ポリイミド被膜３０が含浸樹脂５０から剥離することで、超電導テープが剥離方向の力を受けることが抑制される。その結果、超電導テープの劣化が抑制される。
また、ポリイミド被膜３０を、超電導テープ１０の周囲ではなく、アルミテープ２０の周囲に形成すればよいので製造の作業性がよく、また超電導テープ１０の劣化を防止できる。

また、本実施形態では、コイル本体１０Ｃの全部にアルミテープ２０が共巻きされている。このため、アルミテープ２０の表面に絶縁処理を施すことで、超電導テープ１０の絶縁処理を省略することができる。

また、本実施形態では、アルミテープ２０がコイル本体１０Ｃに共巻きされていることで、アルミテープ２０が共巻きされない場合と比較して、超電導テープ１０が疎巻きになっている。つまり、超電導テープ１０のターン間にアルミテープ２０が介在しているため、超電導テープ１０のターン間の距離が大きくなり、コイル径方向の所定の長さに占めるターン数が、共巻きしない場合と比較して減少している。これにより、コイル断面が拡大している。このため、超電導テープ１０の経験磁界が小さくなり、超電導コイルＳ１の臨界電流が増加する。その結果、所望の磁界強度を得るために必要なターン数が減り、超電導テープの使用量を低減できる。

〔第二実施形態：コイル本体の一部と共巻き〕
次に、本発明の第二実施形態について説明する。

第二実施形態の第一実施形態と相違する点は、アルミテープ２０がコイル本体１０Ｃの全体（全部）ではなく部分的（一部）に共巻きされている点、および、コイル本体１０Ｃのうちアルミテープ２０の共巻きされている部分でもその位置（領域）によって異なる厚みのアルミテープ２０が共巻きされている点である。

図３Ａ、３Ｂは、第二実施形態の超電導コイルＳ２をコイル周方向に直交する平面で切断した状態を示す断面図である。

図３Ｂに示すように、超電導コイルＳ２のコイル本体１０Ｃは、そのコイル径方向の位置によってアルミテープ２０の共巻きの有無が異なっている。具体的には、コイル本体１０Ｃの内周側の部分ではアルミテープ２０Ａが共巻きされており、コイル本体１０Ｃの径方向中間部分ではアルミテープが共巻きされておらず、コイル本体１０Ｃの外周側の部分ではアルミテープ２０Ｃが共巻きされている。

また、コイル本体１０Ｃの内周部と外周部では、共にアルミテープ２０Ａ、２０Ｃが共巻きされているものの、その共巻きされているアルミテープ２０Ａ、２０Ｃの厚みが互いに異なっている。

つまり、第二実施形態の超電導コイルＳ２では、コイル本体１０Ｃが、アルミテープの共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより複数の領域に区分けされているといえる。

具体的には、コイル本体１０Ｃは、内周側から外周側へ向けて、領域ａ、領域ｂ、領域ｃに区分けされている。領域ａおよび領域ｃは、アルミテープ２０が共巻きされた領域（以下「共巻領域」）となっている。他方、領域ｂでは、アルミテープ２０が共巻きされていない領域（以下「単巻領域」）となっている。

領域ａおよび領域ｃに共巻きされたアルミテープ２０Ａ、２０Ｃの厚みＴａ、Ｔｃは、その領域内において一様である。領域ａのアルミテープ２０Ａの厚みＴａは、領域ｃのアルミテープ２０Ｃの厚みＴｃよりも大きい。つまり、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）のアルミテープの厚み（Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ）は、Ｔａ＞Ｔｃ＞Ｔｂ（＝０）の関係である。

超電導コイルＳ２で磁界を発生させると、コイル中心部だけでなく、超電導テープ１０が巻かれているコイル本体１０Ｃの内部にも磁界（内部磁界）が発生する。内部磁界の磁界強度は、コイル本体１０Ｃの内部の位置に応じて変化する。
本実施形態の超電導コイルＳ２の場合、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）の最大磁界強度（Ｂａ，Ｂｂ、Ｂｃ）の関係は、Ｂａ＞Ｂｃ＞Ｂｂの関係である。

以上の関係から判るように、本実施形態では、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）を最大磁界強度（Ｂａ，Ｂｂ、Ｂｃ）が大きい順に並べた順番（領域ａ、領域ｃ、領域ｂ）は、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）を共巻きされたアルミテープの厚み（Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ）が大きい順で並べた順番（領域ａ、領域ｃ、領域ｂ）と一致している。

共巻領域である領域ａは、第一実施形態と同様に、絶縁処理が施されていない超電導テープ１０と、絶縁処理が施されたアルミテープ２０とを重ね合わせて巻くことで形成できる。

他方、単巻領域である領域ｂでは、超電導テープ１０のターン間の絶縁を別の手段により行う必要がある。ひとつの方法としては、超電導テープ１０の周囲に絶縁処理を施せばよい。超電導テープ１０の周囲に絶縁処理を施す具体的手段としては、例えば、超電導テープ１０の周囲にポリイミド被膜を形成すればよい。また、超電導テープ１０の周囲にポリイミドフィルムテープなどの絶縁テープをらせん状に巻いてもよい。

通常、シングルパンケーキコイルを製造するためには非常に長い超電導テープ１０が必要である。そのため、複数の超電導テープを互いに接続することで、長い超電導テープ１０を構成してもよい。この場合、複数の超電導テープが互いに接続された部分（接続部）において、超電導テープ１０の周囲の絶縁処理の有無を切り替えることが製造の観点から好ましい。さらに、超電導テープ１０の周囲の絶縁処理の有無が切り替わっている接続部において、アルミテープ２０の共巻きの有無が切り替わっていることが好ましい。

なお、超電導テープ１０のうち絶縁処理を施すのは、単巻領域（アルミテープ２０が共巻きされない領域）の超電導テープ１０のみでよいが、単巻領域および共巻領域関わらず、全ての領域の超電導テープ１０の周囲に絶縁処理を施してもよい。

＜作用効果＞
次に、第二実施形態の作用効果について説明する。

（技術思想）
超電導コイルで磁界を発生させると、コイル中心部だけでなく、超電導テープ１０が巻かれているコイル本体１０Ｃの内部にも磁界（以下、内部磁界）が発生する。内部磁界の磁界強度は、コイル本体１０Ｃの内部の位置に応じて変化する。例えば、径方向の位置に応じて磁界強度が異なり、通常のコイル内周側端部の磁界強度が最も大きくなる。
磁界強度が大きい部分では、超電導テープ１０の経験磁界が大きくなり、臨界状態に達しやすい。臨界状態に達しやすい部分が超電導コイルの臨界電流に悪影響を与える。
そこで、内部磁界が強く臨界条件に達しやすい部分を含む領域を共巻領域として疎巻きにすることで、超電導コイル全体としての臨界電流を上げることができる。

本実施形態では、図３Ｂに示すように、コイル本体１０Ｃが、アルミテープの共巻き有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域である領域ａ、領域ｂ、領域ｃから構成されている。複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）は、アルミテープ２０が共巻きされていない単巻領域である領域ｂと、アルミテープ２０が共巻きされている共巻領域である領域ａと、を含んでいる。共巻領域である領域ａは、その最大磁界強度Ｂａが単巻領域である領域ｂの最大磁界強度Ｂｂよりも大きい。
このため、最大磁界強度が大きい領域ａは、共巻領域となっており、その結果、領域ａの超電導テープ１０は疎巻きになっている。すると、最大磁界強度が大きい領域ａの超電導テープ１０の経験磁界を減らすことができ、コイル全体の臨界電流を上昇できる。つまり、コイル径の不要な拡大を抑制しつつ、臨界電流に優れた超電導コイルとすることができる。

また、本実施形態では、図３Ｂに示すように、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）は、前述した単巻領域および共巻領域の関係である領域ａおよび領域ｂ以外にも、単巻領域である領域ｂおよび共巻領域である領域ｃをも含んでいる。共巻領域である領域ｃは、その最大磁界強度Ｂｃが単巻領域である領域ｂの最大磁界強度Ｂｂよりも大きい。
これによっても、より一層、コイル径の不要な拡大を抑制しつつ、臨界状態に達しにくい臨界電流に優れた超電導コイルとすることができる。

また、本実施形態では、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）は、厚みＴｃのアルミテープが共巻きされた第一共巻領域である領域ｃと、その最大磁界強度Ｂａが第一共巻領域（領域ｃ）の最大磁界強度Ｂｃよりも大きく、かつ厚みＴｃよりも大きな厚みＴａのアルミテープが共巻きされた第二共巻領域である領域ａと、を含んでいる。
つまり、最大磁界強度が大きい領域ａ（第二共巻領域）は、その最大磁界強度が小さい領域ｃ（第一共巻領域）よりも厚みが大きいアルミテープが共巻きされた領域となっており、超電導テープが疎巻きになっている。これによっても、より一層、臨界電流に優れた超電導コイルとすることができる。

さらにいうと、本実施形態では、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）を最大磁界強度（Ｂａ，Ｂｂ、Ｂｃ）が大きい順に並べた順番は、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）を共巻きされたアルミテープの厚み（Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ）が大きい順で並べた順番と一致している。
このように、コイル本体１０Ｃの全体において、内部磁界が大きくなる部分により厚いアルミテープ２０が共巻きされる構造としているので、効果的に、臨界電流に優れた超電導コイルとすることができる。

―設計方法―
以下、各領域における共巻きの有無、および共巻きするアルミテープの厚みの決定方法について、その一例を説明する。

まず、アルミテープの厚みを薄い方から順にＴ_ｄ１、Ｔ_ｄ２、Ｔ_ｄ３、・・・、Ｔ_ｄＮのＮ段階とする。厚みＴ_ｄ１、Ｔ_ｄ２、Ｔ_ｄ３、・・・、Ｔ_ｄＮは、用意できるアルミテープの種類に応じて決定すればよい。Ｔ_ｄ１、Ｔ_ｄ２、Ｔ_ｄ３、・・・、Ｔ_ｄＮは、各段階ごとの厚みの違いが５μｍ以下であることが好ましい。

次に、各領域ｊに共巻きされるアルミテープの厚みＴ_ｊを、アルミテープの厚みＴ_ｄ１、Ｔ_ｄ２、Ｔ_ｄ３、・・・、Ｔ_ｄＮの中から後述のＴ_ｄに最も近い厚みになるように選択する。

Ｔ_ｄは、下記式（１）により算出される。
Ｔ_ｄ＝Ｔ_ｄＮ×Ｂ_ｊ／Ｂ_ｍａｘ （１）
式中、Ｂ_ｊは、各領域における最大磁界強度を示し、Ｂ_ｍａｘは、コイル本体全体における最大磁界強度を示す。

なお、Ｔ_ｊ＜Ｔ_ｄ１となる領域では、上述のように厚みＴ_ｄ１のアルミテープを共巻きする共巻領域としてもよいが、アルミテープを共巻きしない単巻領域としてもよい。

この決定方法により、複数の領域をその最大磁界強度が大きい順に並べた順番が、複数の領域を共巻きされたアルミテープの厚みが大きい順で並べた順番と一致する。

〔変形例〕
以上、本発明の第一実施形態および第二実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されず適宜変形可能である。変形例の一部を図６に示す。図６は、シングルパンケーキコイルを４層に積層した構造の超電導コイルにおいて、コイル本体をコイル周方向に直交する平面で切断した模式的な断面図である。

図中、ゼロ（０）は、単巻領域を示し、１、２、３は、共巻領域を示す。さらに、１で示す領域よりも、２やさらに３で示す領域の方が厚みの大きいアルミテープが共巻きされていることを示す。また、ｉｎはコイルの内側を示し、ｏｕｔはコイルの外側を示す。

図６（ａ）に示すように、コイル本体の内周部のみにアルミテープを共巻きしてもよい。コイル本体の内周部は特に内部磁界が強く、臨界状態に達しやすいので、このような構造により簡易に臨界電流を上昇させることができる。
また、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、コイル本体の全部にアルミテープを共巻きしつつ、コイル径方向の位置によって区分けされた複数の領域でアルミテープの厚みに違いを設けてもよい。

また、内部磁界の大きさは、コイル径方向の位置に応じて大きく変化するが、コイル積層方向の位置に応じても変化する。特に、シングルパンケーキコイルを３層以上、特に４層以上積層した超電導コイルの場合、積層方向両外側のパンケーキコイルの内部磁界がその他のパンケーキコイルの内部磁界と比較して大きくなる。
そこで、上記実施形態では、コイル径方向の位置に応じて複数の領域を区分けした例を説明したが、複数の領域は、コイル積層方向の位置（積層されたパンケーキコイル）に応じて区分けしてもよい。

具体的には、図６（ｄ）に示すように、積層するパンケーキコイルごとに異なる共巻構造としてもよい。この構造では、４層すべてのパンケーキコイルにおいて内周側のみにアルミテープが共巻きされているが、積層方向外側の２つのパンケーキコイルにおいては、積層方向内側の２つのパンケーキコイルよりも広い領域が共巻領域となっている。
また、図６（ｅ）に示すように、コイル断面における周縁部を共巻領域とし、それ以外の部分を単巻領域としてもよい。

図６（ｆ）は、コイル本体の全部を共巻領域としつつ、内周側のみをアルミテープの厚みの大きい共巻領域とした構造を示す。図６（ｇ）は、コイル本体の全部を共巻領域としつつ、コイル断面における周縁部をアルミテープの厚みの大きい共巻領域とした構造を示す。

また、コイル形状が非円形の場合、内部磁界の大きさは、コイル周方向の位置に応じても変化する。例えば、図７（ａ）に示すようなレーストラック形状のコイルの場合、直線部よりもアール部の方が内部磁界が大きくなり、臨界状態に達しやすい。
そこで、複数の領域は、コイル周方向の位置に応じて区分けしてもよい。

図７（ｂ）は、アール部のみを共巻領域とした構造を示す。図７（ｃ）は、コイル全体を共巻領域としつつ、アール部をアルミテープの厚みの大きい共巻領域とした構造を示す。また、図７（ｄ）は、アール部のさらに内周側のみを共巻領域とした構造を示す。

〔補足説明〕
なお、上記実施形態では、ＲＥ系超電導線材である超電導テープ１０の積層構造を具体的に説明したが、超電導テープ１０の積層構造は特に限定されない。本発明の「超電導テープ」は、例えば、Ａｇ保護層の上にＣｕ層が薄く（例えば、１０μｍ未満）形成されたものであってもよい。

また、上記実施形態では、超電導テープとしてＲＥ系超電導線材を用いた例を説明したが、本発明はこれに限定されない。ＲＥ系超電導線材に代えて、ビスマス系の超電導テープを用いてもよいし、その他の超電導テープを用いてもよい。

また、上記実施形態では、アルミテープの周囲に施す絶縁処理として、電着塗装によるポリイミド被膜の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、アルミテープの周囲にポリイミドフィルムテープをらせん状に巻いてもよい。ポリイミドフィルムテープはフッ素樹脂でコーティングされていることが好ましい。この場合でも、含浸樹脂の熱収縮による超電導テープの劣化を抑制できる。

また、上記実施形態では、樹脂含浸によりコイル形状を固定した超電導コイルの例を説明したが、本発明はこれに限定されず、樹脂含浸をしないで製造された超電導コイルであってもよい。

また、上記実施形態では、長さ方向で一様な厚みを有するアルミテープを用いた例を説明したが、本発明はこれに限定されない。長さ方向において連続的に厚みが変化したアルミテープを用いてもよいし、長さ方向において断続的に厚みが変化したアルミテープを用いてもよい。

また、第二実施形態では、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）を最大磁界強度（Ｂａ，Ｂｂ、Ｂｃ）が大きい順に並べた順番は、複数の領域（領域ａ、領域ｂ、領域ｃ）を共巻きされたアルミテープの厚み（Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ）が大きい順で並べた順番と一致している例を説明したが、これに限定されない。複数の領域のうち、ある特定の２つの領域に注目したとき、最大磁界強度とアルミテープの厚みとの関係が逆転しているものがあってもよい。

Ｓ１ 超電導コイル
Ｓ２ 超電導コイル
１０ 超電導テープ
１０Ｃ コイル本体
１２ 基材
１４ 配向中間層
１６ 超電導層
１８ 保護層
２０ アルミテープ
２０Ａ アルミテープ
２０Ｃ アルミテープ
３０ ポリイミド被膜（電気絶縁材）
４０ ケース
４２ 巻枠
４４ 側板
５０ 含浸樹脂
６０ 冷却板
ａ 領域ａ（共巻領域、第二共巻領域）
ｂ 領域ｂ（単巻領域）
ｃ 領域ｃ（共巻領域、第一共巻領域）

Claims (11)

1. 超電導テープが巻き回されたコイル本体と、
   前記超電導テープとの間に電気絶縁材が介在した状態で、前記コイル本体の全部または一部と共巻きされたアルミテープと、
   を備える超電導コイルであって、
   前記コイル本体は、アルミテープ共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域から構成されており、
   前記複数の領域は、
   アルミテープが共巻きされていない単巻領域と、
   その最大磁界強度が前記単巻領域の最大磁界強度よりも大きく、かつアルミテープが共巻きされている共巻領域と、を含んでいる、
   超電導コイル。
2. 前記単巻領域および前記共巻領域は、同一パンケーキコイル内の径方向の位置が異なる領域である、
   請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記単巻領域および前記共巻領域は、径方向の位置範囲が全部または一部重なっている別パンケーキコイル内の領域である、
   請求項１に記載の超電導コイル。
4. 超電導テープが巻き回されたコイル本体と、
   前記超電導テープとの間に電気絶縁材が介在した状態で、前記コイル本体の全部または一部と共巻きされたアルミテープと、
   を備える超電導コイルであって、
   前記コイル本体は、アルミテープ共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域から構成されており、
   前記複数の領域は、
   アルミテープが共巻きされた第一共巻領域と、
   その最大磁界強度が前記第一共巻領域の最大磁界強度よりも大きく、かつ共巻きされているアルミテープの厚みが前記第一共巻領域のアルミテープの厚みよりも大きい第二共巻領域と、を含んでいる、
   超電導コイル。
5. 前記第一共巻領域および前記第二共巻領域は、同一パンケーキコイル内の径方向の位置が異なる領域である、
   請求項４に記載の超電導コイル。
6. 前記第一共巻領域および前記第二共巻領域は、径方向の位置範囲が全部または一部重なっているコイル積層方向の位置が異なる別パンケーキコイル内の領域である、
   請求項４に記載の超電導コイル。
7. 超電導テープが巻き回されたコイル本体と、
   前記超電導テープとの間に電気絶縁材が介在した状態で、前記コイル本体の全部または一部と共巻きされたアルミテープと、
   を備える超電導コイルであって、
   前記コイル本体は、アルミテープ共巻きの有無、および、共巻きされたアルミテープの厚みにより区分けされる複数の領域から構成されており、
   前記複数の領域を最大磁界強度が大きい順に並べた順番は、前記複数の領域を共巻きされたアルミテープの厚みが大きい順で並べた順番と一致している、
   超電導コイル。
8. 前記超電導テープは、Ｃｕ安定化層を備えないＲＥ系超電導線材である、
   請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の超電導コイル。
9. 前記電気絶縁材は、前記アルミテープの周囲に形成された絶縁材である、
   請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の超電導コイル。
10. 前記超電導テープは、積層構造を有するＲＥ系超電導線材であり、
    前記電気絶縁材は、前記アルミテープの周囲に形成されたポリイミド被膜である、
    請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の超電導コイル。
11. 前記超電導テープは、積層構造を有するＲＥ系超電導線材であり、
    前記電気絶縁材は、前記アルミテープの周囲にらせん状に巻かれたフッ素樹脂でコーティングしたポリイミドフィルムテープである、
    請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の超電導コイル。

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