JP7099049B2 - 超電導コイル体、超電導コイル集合体および超電導機器 - Google Patents

Description

この発明は、超電導コイル体、超電導コイル集合体および超電導機器に関する。

従来、超電導線材を巻回したコイルを積層して構成された超電導コイル体が知られている（たとえば、特開２０１５－７３０６９号公報および特開２０１７－１１２２５４号公報参照）。

特開２０１５－７３０６９号公報では、超電導線材からなる複数のコイルを、円筒状の芯材に通して積層配置した構成が開示されている。また、特開２０１７－１１２２５４号公報では、複数のコイルが冷却板を介して積層された構成が開示されている。特開２０１７－１１２２５４号公報では、冷却板がその内周部に嵌め合い機構を含み、当該嵌め合い機構によって冷却板および複数のコイルの径方向での位置が位置決めされている。

特開２０１５－７３０６９号公報 特開２０１７－１１２２５４号公報

特開２０１５－７３０６９号公報に開示された構成では、コイルを円筒状の芯材に通すため、当該コイルの内周側の開口部における径は芯材の外径より大きくなっている。さらに、コイルや芯材などの部品の寸法については、一定の加工誤差が含まれる。また、芯材に複数のコイルを通して積層するときに、各コイルの芯材に対する径方向での位置は組立誤差を含む。したがって、特開２０１５－７３０６９号公報に開示された超電導コイル体では、各コイルの径方向における配置が上記誤差に起因してばらつき、結果的に均一な磁場を形成することが難しかった。

一方、均一な磁場を得るため、上記のような各コイルの径方向における配置のばらつきを抑制する観点からコイルの開口部の径と芯材の外径との差を小さくすることが考えられる。しかし、この場合超電導コイル体の組み立てが難しく、結果的に超電導コイル体の製造コストが増大するという問題があった。

また、特開２０１７－１１２２５４号公報に開示された構成では、全ての冷却板に嵌め合い機構という複雑かつ高い寸法精度が必要な構造を形成する必要があり、結果的に超電導コイル体の構造が複雑化して超電導コイル体の製造コストが増大するという問題があった。

本発明の一態様の目的は、製造コストの増大を抑制しつつ、高い均一性を有する磁場を形成することが可能な超電導コイル体、当該超電導コイル体を用いた超電導コイル集合体および超電導機器を提供することである。

本発明の一態様に係る超電導コイル体は、超電導コイルと、第１フランジ部材と、第２フランジ部材と、複数の整列部材とを備える。超電導コイルは、超電導線材が巻回された複数のコイル要素が積層されて構成されたものである。第１フランジ部材および第２フランジ部材は、複数のコイル要素の積層方向において、超電導コイルの両端部に位置する。複数の整列部材は、第１フランジ部材と第２フランジ部材とを接続するとともに、超電導コイルを積層方向と交差する方向から押圧する。複数の整列部材は、複数のコイル要素を積層方向において整列させる。

本発明の一態様に係る超電導コイル集合体は、積層配置された複数の超電導コイル体と、複数のコイル体整列部材とを備える。複数のコイル体整列部材は、複数の超電導コイル体を積層方向において整列させる。上記超電導コイル体は、上述した本発明の一態様に係る超電導コイル体である。複数のコイル体整列部材は、複数の超電導コイル体を積層方向と交差する方向から押圧する。複数のコイル体整列部材は、複数の超電導コイル体を積層方向において整列させる。

本発明の一態様に係る超電導機器は、上記超電導コイル体を備える。

上記によれば、製造コストの増大を抑制しつつ、高い均一性を有する磁場を形成することが可能な超電導コイル体、当該超電導コイル体を用いた超電導コイル集合体および超電導機器を提供できる。

実施の形態１に係る超電導コイル体の斜視模式図である。 図１に示した超電導コイル体の部分断面模式図である。 図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明するための模式図である。 図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明するための模式図である。 図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明するための模式図である。 図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明するための模式図である。 図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明するための模式図である。 実施の形態２に係る超電導コイル集合体の斜視模式図である。 図９に示した超電導コイル集合体の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図９に示した超電導コイル集合体の製造方法を説明するための模式図である。 図９に示した超電導コイル集合体の製造方法を説明するための模式図である。 図９に示した超電導コイル集合体の製造方法を説明するための模式図である。 図９に示した超電導コイル集合体の製造方法を説明するための模式図である。 実施の形態３に係る超電導コイル体の斜視模式図である。 図１５に示した超電導コイル体の構成を説明するための模式図である。 実施の形態４に係る超電導コイル体の部分断面模式図である。 実施の形態５に係る超電導機器の模式図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る超電導コイル体は、超電導コイルと、第１フランジ部材と、第２フランジ部材と、複数の整列部材とを備える。超電導コイルは、超電導線材が巻回された複数のコイル要素が積層されて構成されたものである。第１フランジ部材および第２フランジ部材は、複数のコイル要素の積層方向において、超電導コイルの両端部に位置する。複数の整列部材は、第１フランジ部材と第２フランジ部材とを接続するとともに、超電導コイルを積層方向と交差する方向から押圧する。複数の整列部材は、複数のコイル要素を積層方向において整列させる。

このようにすれば、複数の整列部材が複数のコイル要素を積層方向と交差する方向から押圧することで、各コイル要素において複数の整列部材と接触する部分について、積層方向と交差する方向での配置を揃えることができる。この結果、積層方向と交差する方向において複数のコイル要素の位置が揃い、結果的に積層方向から見て複数のコイル要素の位置がそろった状態、つまり積層方向において複数のコイル要素が整列した状態を実現できる。したがって、積層方向において整列した複数のコイル要素により均一性の高い磁場を形成できる。

また、単一の部材を複数のコイル要素に接触させて当該コイル要素を整列させる場合には、当該単一の部材の形状自体によりコイル要素の配置を決定するため、上記単一の部材の形状をコイル要素の形状と整合するように高精度で加工する必要がある。しかし、上記の超電導コイル体では複数の整列部材の形状および配置と、当該整列部材がコイル要素を押圧する押圧力とによりコイル要素の配置を決定しているため、整列部材の形状自体について求められる加工精度は相対的に低く、製造コストの増大を抑制できる。

（２）上記超電導コイル体は、複数の整列部材と第１フランジ部材および第２フランジ部材とを接続する接続部材を備えていてもよい。接続部材は、複数の整列部材を第１フランジ部材または第２フランジ部材に向けて付勢する弾性部材を含んでいてもよい。

この場合、超電導コイル体を運転するために冷却したときに、超電導コイルの熱収縮量と第１および第２フランジ部材の熱収縮量と複数の整列部材の熱収縮量とが異なっていても、上記弾性部材により複数の整列部材を第１および第２フランジ部材に向けて押圧した状態を維持できるので、当該整列部材と第１および第２フランジ部材との接続状態を維持し、結果的に当該整列部材により複数のコイル要素が整列された状態を維持できる。

（３）上記超電導コイル体において、複数の整列部材は、超電導コイルの内周側に配置されていてもよい。この場合、複数のコイル要素の内周側の位置を整列部材により揃えることができる。

（４）上記超電導コイル体において、複数の整列部材は、超電導コイルの外周側に配置されていてもよい。この場合、複数のコイル要素の外周側の位置を整列部材により揃えることができる。

（５）本発明の一態様に係る超電導コイル集合体は、積層配置された複数の超電導コイル体と、複数のコイル体整列部材とを備える。複数のコイル体整列部材は、複数の超電導コイル体を積層方向において整列させる。上記超電導コイル体は、上述した本発明の一態様に係る超電導コイル体である。複数のコイル体整列部材は、複数の超電導コイル体を積層方向と交差する方向から押圧する。複数のコイル体整列部材は、複数の超電導コイル体を積層方向において整列させる。

この場合、複数のコイル要素の配置が揃った複数の超電導コイル体を、コイル体整列部材により整列して配置できるので、均一性の高い磁場を形成できる。また、複数の超電導コイル体のうちの一部に不良が発生した場合に、当該不良が発生した超電導コイル体だけを交換する、といった対応が可能になる。

（６）本発明の一態様に係る超電導機器は、上記超電導コイル体を備える。この場合、均一性の高い磁場を利用可能な超電導機器を実現できる。

[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。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符号を付し、その説明は繰返さない。

(実施の形態１）
＜超電導コイル体の構成＞
図１は、実施の形態１に係る超電導コイル体の斜視模式図である。図２は、図１に示した超電導コイル体の部分断面模式図である。図１および図２に示すように、実施の形態１に係る超電導コイル体１０は、超電導コイル４０と、第１フランジ部材３ａと、第２フランジ部材３ｂと、整列部材１と、軸方向固定部材４とを備える。図１に示す超電導コイル体１０では、整列部材１として３つの整列部材１ａ～１ｃが配置されている。超電導コイル４０は、超電導線材が巻回された複数のコイル要素２が積層されて構成されたものである。複数のコイル要素２の間には冷却板６が配置されている。超電導コイル４０は、コイル要素２と冷却板６とが交互に積層された構造を有する。コイル要素２は、超電導コイル４０の中心軸２０を中心にして超電導線材が巻回されたものである。超電導線材としては任意の超電導材料を含む線材を用いることができるが、好ましくは酸化物超電導材料を含む高温超電導線材である。コイル要素２は、たとえばパンケーキコイルである。より好ましくは、コイル要素２はダブルパンケーキコイルである。

冷却板６は、コイル要素２と積層される積層部分と、当該積層部分に連なり、冷凍機などの外部機器と接続される接続部分とを含む。冷却板６の積層部分の平面形状は、基本的にコイル要素２の平面形状と同様である。

第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂは、複数のコイル要素２の積層方向（すなわち中心軸２０に沿った方向）において、超電導コイル４０の両端部に位置する。第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂは、超電導コイル４０の両端部を覆うとともに、超電導コイル４０の外周面より外側に延在する部分および超電導コイル４０の内周面より内周側に延在する部分を含む。第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂの平面形状は円環状である。第１フランジ部材３ａの内周部には、複数の整列部材１ａ～１ｃの一方端部を固定するための固定部７ａが複数形成されている。第２フランジ部材３ｂの内周部には、複数の整列部材１ａ～１ｃの上端である他方端部を固定するための固定部７ｂが複数形成されている。

複数の整列部材１ａ～１ｃは、第１フランジ部材３ａと第２フランジ部材３ｂとを接続するとともに、超電導コイル４０を積層方向と交差する方向から押圧する。具体的には、複数の整列部材１ａ～１ｃは、超電導コイル４０の内周側に配置されている。複数の整列部材１ａ～１ｃは、図２に示すように超電導コイル４０を構成する複数のコイル要素２の内周端面２ａを押圧する。図１では、整列部材１として３つの整列部材１ａ～１ｃが配置されている。複数の整列部材１ａ～１ｃは、複数のコイル要素２の開口部における端面である内周端面に、互いに間隔を隔てて接触している。複数の整列部材１ａ～１ｃは、複数のコイル要素２の開口部の周方向において等間隔に配置されている。なお、複数の整列部材１ａ～１ｃは当該周方向において異なる間隔を隔て配置されてもよい。図１では３つの整列部材１ａ～１ｃを備える超電導コイル体１０が示されているが、整列部材１ａ～１ｃの数は２でもよいが、３以上であることが好ましく、４以上でもよい。

複数の整列部材１ａ～１ｃでは、コイル要素２と接触する表面が平面であってもよいが、当該表面が曲面となっていてもよい。当該曲面の中心軸２０に沿った方向から見た曲率半径は、コイル要素２の内周端面の曲率半径と同じとしてもよいが、当該内周端面の曲率半径より小さくしてもよい。

複数の整列部材１ａ～１ｃの下部である一方端部は、第１フランジ部材３ａの複数の固定部７ａに接続されている。複数の整列部材１ａ～１ｃの上部である他方端部は、第２フランジ部材３ｂの複数の固定部７ｂに接続されている。整列部材１ａ～１ｃの他方端部と第２フランジ部材３ｂの固定部７ｂとの接続部には、接続部材５０が配置されている。接続部材５０は、具体的にはボルト３１と、ナット３２と、弾性部材としての皿バネ３３とを含む。

たとえば図２に示すように、ボルト３１は整列部材１ａの内周側から穴３４に通され、第２フランジ部材３ｂの穴３８を介して開口部３５にまで到達するように配置されている。ナット３２は、第２フランジ部材３ｂの開口部３５内部においてボルト３１の端部に固定される。また、皿バネ３３はボルト３１に取付けられるとともに、ナット３２と開口部３５の内周面（穴３４が開口している内周面）との間に配置されている。ナット３２は皿バネ３３を整列部材１ａ側の方向に押圧した状態で、ボルト３１に固定される。このため、皿バネ３３が弾性変形することで、ボルト３１および整列部材１ａを第２フランジ部材３ｂ側に引き寄せる力が発生している。また、図２に示すように、第２フランジ部材３ｂと整列部材１ａとの接続部において、整列部材１ａと第２フランジ部材３ｂの固定部７ｂとの間には隙間が形成されている。このようにすれば、整列部材１ａは皿バネ３３により第２フランジ部材３ｂ側に向かうように付勢されているため、結果的に整列部材１ａがコイル要素２の内周端面２ａを押圧する。

また、整列部材１ａ～１ｃと第１フランジ部材３ａまたは第２フランジ部材３ｂとの接続部の構造は、図２に示した整列部材１ａと第２フランジ部材３ｂとの接続部の構造と同様である。この結果、複数の整列部材１ａ～１ｃが、複数のコイル要素２の内周端面２ａの複数個所を押圧することで、結果的に整列部材１ａ～１ｃのコイル要素２との接触面に沿って複数のコイル要素が整列する。すなわち、複数の整列部材１ａ～１ｃは、複数のコイル要素２を積層方向において整列させている。なお、第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂの内周部には、実施の形態２において説明するコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃ（図９参照）を接続するための固定部５が形成されている。固定部５の構造は基本的には固定部７ａ、７ｂと同様である。

ここで、コイル要素２と積層されている冷却板６は、その積層部分において、コイル要素２の開口部に対応する開口部が形成されている。図２に示すように、冷却板６の開口部の内周端面は、整列部材１ａ～１ｃと接触している。この場合、複数の冷却板６も複数のコイル要素２と同様に、整列部材１ａ～１ｃにより積層方向において整列される。ただし、冷却板６の開口部の内周端面が整列部材１ａ～１ｃと接触しない構成としてもよい。

図１に示すように、第１フランジ部材３ａの外周部と第２フランジ部材３ｂの外周部とは、複数の軸方向固定部材４により接続されている。複数の軸方向固定部材４は、たとえばボルトおよびナットである。複数の軸方向固定部材４は、第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂの外周部において、周方向に互いに間隔を隔てて配置されている。複数の軸方向固定部材４は、上記周方向に等間隔に配置されていてもよい。複数の軸方向固定部材４は、第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂが超電導コイル４０を中心軸２０に沿った方向から押圧するように、第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂに取付けられている。

＜超電導コイル体の製造方法＞
図３は、図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明するためのフローチャートである。図４～図８は、図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明するための模式図である。図３～図８を参照しながら、図１に示した超電導コイル体の製造方法を説明する。

超電導コイル体の製造方法では、図３に示すように、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂや複数の整列部材１ａ～１ｃなど、図１に示す超電導コイル体１０の構成部材を準備する。そして、図４に示すように、第１フランジ部材３ａの３つの固定部７ａに、整列部材１ａ～１ｃの一方端部を固定する。このとき、整列部材１ａ～１ｃは、第１フランジ部材３ａの３つの固定部７ａにそれぞれ図２に示す接続部材５０により固定される。また、２つの整列部材１ｂ、１ｃにおける接続部材５０でのボルトの締め代より、整列部材１ａにおける接続部材５０でのボルト３１の締め代を多く残しておく。なお、２つの整列部材１ｂ、１ｃは接続部材５０としてボルト３１とナット３２のみを用いて、第１フランジ部材３ａに固定してもよい。

なお、整列部材１ａ～１ｃは、固定部７ａと接触する表面の形状を正確に加工しておくことが好ましい。また、第１フランジ部材３ａは表面（中心軸２０に沿った方向から見た表面）の形状を正確に加工しておくことが好ましい。このようにして、整列部材１ａ～１ｃの延在方向が第１フランジ部材３ａの上記表面に対して９０°の角度となるようにすることが好ましい。

次に、図３の超電導コイル要素を積層する工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、図５に示すように第１フランジ部材３ａ上に複数のコイル要素２および冷却板６を交互に積層する。このとき、コイル要素２の内周端面および冷却板６の開口部の内周端面に整列部材１ａ～１ｃが面するように、各コイル要素２および冷却板６を積層する。ここで、上記工程（Ｓ１０）では整列部材１ａについて接続部材５０でのボルト３１の締め代を相対的に多く残しているため、整列部材１ａは他の整列部材１ｂ、１ｃよりも内周側に位置している。そのため、コイル要素２および冷却板６を積層する作業においてコイル要素２および冷却板６と整列部材１ａとの干渉が起きず、当該作業を容易に実施できる。

次に、整列部材を締め付ける工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、超電導コイル４０（図１参照）となるべき複数のコイル要素２および冷却板６上に、第２フランジ部材３ｂを配置する。そして、図８に示すように、複数の整列部材１ａ～１ｃを第２フランジ部材３ｂの固定部７ｂに接続部材５０を用いて固定する。具体的には、整列部材１ａは接続部材５０としてのボルト３１ａ、ナット３２ａおよび皿バネ３３により第２フランジ部材３ｂに接続される。整列部材１ｂは接続部材５０としてのボルト３１ｂ、ナット３２ｂおよび皿バネ３３により第２フランジ部材３ｂに接続される。整列部材１ｃは接続部材５０としてのボルト３１ｃ、ナット３２ｃおよび皿バネ３３により第２フランジ部材３ｂに接続される。

このとき、整列部材１ａと第１フランジ部材３ａとを接続する接続部材５０についても、ボルト３１を増し締めする。この結果、図７の矢印３６に示すように、整列部材１ａがコイル要素２の内周端面側に移動する。このようにして、全ての整列部材１ａ～１ｃと第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂが固定される。また、全ての整列部材１ａ～１ｃの表面が図２に示すようにコイル要素２の内周端面２ａを押圧する。この結果、積層されたコイル要素２が積層方向において整列部材１ａ～１ｃの表面に沿って整列する。その後、第１フランジ部材３ａと第２フランジ部材３ｂとを接続するように複数の軸方向固定部材４を設置することにより、超電導コイル要素を積層方向において締め付ける工程（Ｓ４０）を実施する。このようにして図１に示す超電導コイル体１０を得ることができる。

＜作用効果＞
上述した超電導コイル体１０では、複数の整列部材１ａ～１ｃが複数のコイル要素２を積層方向と交差する方向である径方向から押圧することで、各コイル要素２において複数の整列部材１ａ～１ｃと接触する部分について、径方向での配置を揃えることができる。この結果、径方向において複数のコイル要素２の位置が揃い、結果的に中心軸２０に沿った方向から見て複数のコイル要素２の位置がそろった状態、つまり中心軸２０に沿った方向において複数のコイル要素２が整列した状態を実現できる。したがって、中心軸２０に沿った方向において整列した複数のコイル要素２により均一性の高い磁場を形成できる。

また、図１に示した超電導コイル体１０では、図６～図８に示したように、複数の整列部材１ａ～１ｃの形状および配置と、当該複数の整列部材１ａ～１ｃがコイル要素２を押圧する押圧力とによりコイル要素２の配置を決定している。そのため、たとえばコイル要素２の開口部に挿通される円筒状の整列部材を用いる場合より、整列部材１ａ～１ｃの形状について求められる加工精度は相対的に低い。したがって、超電導コイル体１０の製造コストの増大を抑制できる。

また、上記超電導コイル体１０は、複数の整列部材１ａ～１ｃと第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂとを接続し、弾性部材としての皿バネ３３を含む接続部材５０を備えている。皿バネ３３は、複数の整列部材１ａ～１ｃを第１フランジ部材３ａまたは第２フランジ部材３ｂに向けて付勢している。このため、超電導コイル体１０を運転するために冷却したときに、超電導コイルの熱収縮量と第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂの熱収縮量と複数の整列部材１ａ～１ｃの熱収縮量とが異なっていても、上記皿バネ３３により複数の整列部材１ａ～１ｃを第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂに向けて押圧した状態を維持できる。したがって、整列部材１ａ～１ｃと第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂとの接続状態を維持し、結果的に整列部材１ａ～１ｃにより複数のコイル要素２が整列された状態を維持できる。なお、上記皿バネ３３を含む接続部材５０を、たとえば整列部材１ａと第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂとの接続部のみに配置し、他の接続部材５０については皿バネ３３を含まない構成としてもよい。この場合、コイル要素２を整列する作業をより容易に行うことができる。

また、上記超電導コイル体１０では、複数の整列部材１ａ～１ｃが超電導コイル４０の内周側に配置されているので、複数のコイル要素２の内周端面２ａの位置を整列部材１ａ～１ｃにより揃えることができる。

（実施の形態２）
＜超電導コイル集合体の構成＞
図９は、実施の形態２に係る超電導コイル集合体の斜視模式図である。図９に示す超電導コイル集合体１００は、複数の超電導コイル体１０ａ～１０ｃを積層して構成されている。具体的には、超電導コイル集合体１００は、積層配置された３つの超電導コイル体１０ａ～１０ｃと、コイル体整列部材１０１とを備える。図９では、３つのコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃが配置されている。なお、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃの数は、２でもよいが、３以上であることが好ましく、たとえば４でも５でもよい。

上記超電導コイル体１０ａ～１０ｃは、上述した実施の形態１に係る超電導コイル体である。超電導コイル体１０ａ上に超電導コイル体１０ｂが積層されている。超電導コイル体１０ｂ上に超電導コイル体１０ｃが積層されている。複数の超電導コイル体１０ａ～１０ｃは、中心軸２０（図１参照）が互いに重なるように積層されている。

複数の超電導コイル体１０ａ～１０ｃのそれぞれにおける第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂ（図１参照）の内周側には、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃを接続するための固定部５が形成されている。コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃは、一番下の超電導コイル体１０ａの第１フランジ部材３ａから、一番上の超電導コイル体１０ｃの第２フランジ部材３ｂまで到達するように、超電導コイル体１０ａ～１０ｃの積層方向に沿って延在している。超電導コイル体１０ａの第１フランジ部材３ａおよび超電導コイル体１０ｃの第２フランジ部材３ｂは、それぞれコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃと接続されている。

なお、各超電導コイル体１０ａ～１０ｃにおける第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂが、それぞれコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃと接続されてもよい。つまり、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃは、各超電導コイル体１０ａ～１０ｃの第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂの固定部５に接続されていてもよい。固定部５における第１フランジ部材３ａまたは第２フランジ部材３ｂとコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃとの接続部の構成は、基本的に図２に示した第２フランジ部材３ｂと整列部材１ａとの接続部の構成と同様である。このため、複数のコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃは、複数の超電導コイル体１０ａ～１０ｃを積層方向と交差する方向から外側に向けて押圧する。この結果、複数のコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃは、複数の超電導コイル体１０ａ～１０ｃを積層方向において整列させる。

＜超電導コイル集合体の製造方法＞
図１０は、図９に示した超電導コイル集合体の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１１～図１４は、図９に示した超電導コイル集合体の製造方法を説明するための模式図である。図１０～図１４を参照しながら、図９に示した超電導コイル集合体１００の製造方法を説明する。

まず、図１０に示すように積層準備工程（Ｓ１１０）を実施する。この工程（Ｓ１１０）では、実施の形態１において説明した超電導コイル体の製造方法により、超電導コイル体１０ａ、１０ｃと、図１２に示す超電導コイル体１０ｂとを準備する。また、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃも準備する。図１および図１２から分かるように、超電導コイル体１０ｂの中心軸方向における長さは超電導コイル体１０ａ、１０ｃの当該方向における長さより長くなっている。各超電導コイル体１０ａ～１０ｃの第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂの内周側には、図１２に示すようにコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃ（図９参照）を固定するための固定部５が形成されている。第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂの内周側面において、固定部５と固定部７ａ、７ｂとは周方向において等間隔に配置されている。第１フランジ部材３ａの内周側面では、固定部５と固定部７ａとが周方向において交互に配置されている。同様に、第２フランジ部材３ｂの内周側面では、固定部５と固定部７ｂとが周方向において交互に配置されている。

そして、図１１に示すように、超電導コイル体１０ａの第１フランジ部材３ａの固定部５に、複数のコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃの下端部を接続する。なお、このとき超電導コイル体１０ａの第２フランジ部材３ｂの固定部５にも、複数のコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃを接続してもよい。

このとき、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃは、超電導コイル体１０ａの第１フランジ部材３ａの３つの固定部５にそれぞれ図２に示す接続部材５０により固定される。また、２つのコイル体整列部材１０１ｂ、１０１ｃにおける接続部材５０でのボルト３１（図２参照）の締め代より、コイル体整列部材１０１ａにおける接続部材５０でのボルト３１の締め代を多く残しておく。コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃは、固定部５と接触する表面の形状を正確に加工しておくことが好ましい。また、第１フランジ部材３ａは表面（超電導コイル体１０ａ～１０ｃの積層方向から見た表面）の形状を正確に加工しておくことが好ましい。このようにして、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃの延在方向が超電導コイル体１０ａの第１フランジ部材３ａの上記表面に対して９０°の角度となるようにすることが好ましい。

次に、図１０の超電導コイル体を積層する工程（Ｓ１２０）を実施する。この工程（Ｓ１２０）では、図１３および図１４に示すように、超電導コイル体１０ａ上に複数の超電導コイル体１０ｂ、１０ｃを積層する。このとき、超電導コイル体１０ｂ、１０ｃの内周側面にコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃが面するように、各超電導コイル体１０ｂ、１０ｃの開口部にコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃが挿入された状態とする。また、各超電導コイル体１０ｂ、１０ｃの第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂの固定部５が、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃに面するように、超電導コイル体１０ｂ、１０ｃは配置される。

ここで、上記工程（Ｓ１１０）では、コイル体整列部材１０１ａについて超電導コイル体１０ａの第１フランジ部材３ａに対する接続部材５０でのボルト３１の締め代を相対的に多く残している。そのため、コイル体整列部材１０１ａは他のコイル体整列部材１０１ｂ、１０１ｃよりも内周側に位置している。そのため、超電導コイル体１０ｂ、１０ｃを積層する作業においてこれらの超電導コイル体１０ｂ、１０ｃとコイル体整列部材１０１ａとの干渉が起きず、当該作業を容易に実施できる。

次に、コイル体整列部材を締め付ける工程（Ｓ１３０）を実施する。この工程（Ｓ１３０）では、複数のコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃを超電導コイル体１０ｃにおける第２フランジ部材３ｂの固定部５に接続部材５０（図２参照）を用いて固定する。この時の固定方法は、基本的に図３の工程（Ｓ３０）における整列部材１ａ～１ｃを第２フランジ部材３ｂに固定する方法と同様である。

このとき、コイル体整列部材１０１ａと超電導コイル体１０ａにおける第１フランジ部材３ａとを接続する接続部材５０についても、ボルトを増し締めする。この結果、コイル体整列部材１０１ａが各超電導コイル体１０ａ～１０ｃにおけるコイル要素２（図１参照）の内周端面側に移動する。このようにして、全てのコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃと、超電導コイル体１０ａの第１フランジ部材３ａおよび超電導コイル体１０ｃの第２フランジ部材３ｂとが固定される。また、全てのコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃの表面が各超電導コイル体１０ａ～１０ｃにおけるコイル要素２（図２参照）の内周端面２ａ（図２参照）を押圧する。この結果、積層された超電導コイル体１０ａ～１０ｃが積層方向においてコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃの表面に沿って整列する。その後、各超電導コイル体１０ａ～１０ｃ間において隣接する第１フランジ部材３ａと第２フランジ部材３ｂとをボルトなどの固定部材により固定する。さらに、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃの少なくともいずれかを、超電導コイル体１０ａ～１０ｂの第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂのすべてとボルトとナットなどの固定部材により固定してもよい。このようにして図９に示す超電導コイル集合体１００を得ることができる。

なお、上述したコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃは、個々の超電導コイル体１０ａ～１０ｃにおける整列部材１ａ～１ｃより長尺であるため、その剛性を高めるために材質や形状を整列部材１ａ～１ｃと異なるようにしてもよい。たとえば、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃの厚みまたは幅を整列部材１ａ～１ｃより大きくしてもよい。あるいは、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃを構成する材料として、整列部材１ａ～１ｃを構成する材料よりヤング率の高い材料を用いてもよい。

＜作用効果＞
図９に示すような構成の超電導コイル集合体１００では、複数のコイル要素２の配置が揃った複数の超電導コイル体１０ａ～１０ｃを、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃにより径方向の外側に向けて押圧することで、中心軸方向に整列して配置できる。そのため、均一性の高い磁場を形成できる。また、複数の超電導コイル体１０ａ～１０ｃのうちの一部に不良が発生した場合に、当該不良が発生した超電導コイル体だけを交換する、といった対応が可能になる。

また、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃを、複数の超電導コイル体１０ａ～１０ｃの積層方向における最端部の部材、すなわち超電導コイル体１０ａの第１フランジ部材３ａおよび超電導コイル体１０ｃの第２フランジ部材３ｂだけではなく、上記積層方向における中間部分において第１フランジ部材３ａまたは第２フランジ部材３ｂに固定してもよい。具体的には、コイル体整列部材１０１ａ～１０３ｃを、超電導コイル体１０ａの第２フランジ部材３ｂ、超電導コイル体１０ｂの第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂ、および超電導コイル体１０ｃの第１フランジ部材３ａの少なくともいずれか１つと固定してもよい。この場合、超電導コイル集合体１００の剛性をより高めることができる。また、このように積層方向の中間部分においてコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃを固定する場合、積層方向における最端部のみでコイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃを固定する場合より、コイル体整列部材１０１ａ～１０１ｃの厚みや幅を相対的に小さくできる。

（実施の形態３）
＜超電導コイル体の構成＞
図１５は、実施の形態３に係る超電導コイル体の斜視模式図である。図１６は、図１５に示した超電導コイル体の構成を説明するための模式図である。図１５および図１６に示した超電導コイル体１０は、基本的には図１に示した超電導コイル体１０と同様の構成を備えるが、中心軸２０の延在方向が重力方向ではなく、当該重力方向と交差する方向、具体的には水平方向、になっている点が図１に示した超電導コイル体１０と異なっている。また、図１６に示すように、超電導コイル体１０において複数の整列部材１ａ～１０ｃのうちの１つの整列部材１ａが、矢印３７で示される重力方向の最下部に配置されている。整列部材１ａは第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂと、図２に示した接続部材５０により接続されている。接続部材５０は、図１６に示すようにボルト３１ａと、ナット３２ａと、複数の皿バネ３３とを含む。整列部材１ａを第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂに接続する接続部材５０のボルト３１ａは、図１６の矢印３７に示す重力方向に沿った方向に延びるよう配置されている。

＜作用効果＞
図１５および図１６に示す超電導コイル体１０では、基本的に図１に示した超電導コイル体１０と同様の効果を得ることができる。また、図１５および図１６に示した超電導コイル体１０では、中心軸２０が矢印３７で示す重力方向と交差する方向である水平方向に延びており、さらに弾性部材である皿バネ３３を含む接続部材５０が当該重力方向の最下部に配置されている。そのため、整列部材１ｂ、１ｃに超電導コイル体１０の自重が作用している。つまり、当該接続部材５０には上述した超電導コイル体１０の自重がベース荷重として作用していない。そのため、超電導コイル体１０に対して外部から衝撃が加えられた場合に、当該外部からの衝撃により接続部材５０（より具体的には皿バネ３３）が変形し、超電導コイル体１０の複数のコイル要素２の相対的な位置がずれるといった問題の発生を抑制できる。

（実施の形態４）
＜超電導コイル体の構成＞
図１７は、実施の形態４に係る超電導コイル体の斜視模式図である。図１７に示す超電導コイル体１０は、基本的には図１に示した超電導コイル体１０と同様の構成を備えるが、整列部材１ａの配置が図１に示した超電導コイル体１０と異なっている。図１７に示した超電導コイル体１０において、図１７に示す整列部材１ａを含む複数の整列部材は、超電導コイル４０の外周側に配置されている。図１７に示した超電導コイル体１０では、超電導コイル４０の外周を囲むように複数の整列部材が配置される。整列部材の数は２以上の任意の数とすることができるが、好ましくは３である。たとえば、複数の整列部材は、超電導コイル４０の外周に沿って、同じ間隔を隔てて配置されていてもよい。複数の整列部材は、図１に示した超電導コイル体１０と同様に第１フランジ部材３ａおよび第２フランジ部材３ｂと接続されている。また、複数の整列部材は、図１７に示す整列部材１ａと同様に、コイル要素２の外周端面２ｂを押圧している。複数の整列部材と第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂとの接続部の構成は、基本的に図１に示した超電導コイル体１０における当該接続部の構成と同様である。具体的に、図１７を参照しながら整列部材１ａと第２フランジ部材３ｂとの接続部の構成を説明する。

図１７に示すように、整列部材１ａは超電導コイル４０の外周に配置されている。接続部材５０のボルト３１は整列部材１ａの外周側から穴３４に通され、第２フランジ部材３ｂの穴３８を介して第２フランジ部材３ｂの外周側から開口部３５にまで到達するように配置されている。第２フランジ部材３ｂでは内周側に開口部３５が形成されている。ナット３２は、第２フランジ部材３ｂの開口部３５内部においてボルト３１の端部に固定される。

皿バネ３３はボルト３１に取付けられるとともに、ナット３２と開口部３５の内周面（穴３４が開口している内周面）との間に配置されている。ナット３２は皿バネ３３を整列部材１ａ側の方向（径方向での外側方向）に押圧した状態で、ボルト３１に固定される。このため、皿バネ３３が弾性変形することで、ボルト３１および整列部材１ａを第２フランジ部材３ｂ側に引き寄せる力が発生している。

また、図１７に示すように、第２フランジ部材３ｂと整列部材１ａとの接続部において、整列部材１ａと第２フランジ部材３ｂの固定部７ｂとの間には隙間が形成されている。このようにすれば、整列部材１ａは皿バネ３３により中心軸２０側（第２フランジ部材３ｂ側）に向かうように付勢されているため、結果的に整列部材１ａがコイル要素２の外周端面２ｂを押圧する。

＜作用効果＞
図１７に示した超電導コイル体１０では、超電導コイル４０のコイル要素２を外周側から複数の整列部材により押圧することで、図１に示した超電導コイル体１０と同様の効果を得ることができる。つまり、コイル要素２の外周端面２ｂの位置を外周側から整列部材１ａを含む複数の整列部材により揃えることができる。

また、図１７に示した超電導コイル体１０では、コイル要素２の外周側に複数の整列部材１ａを配置するので、コイル要素２の内径を小さくするような設計が可能である。このため、コイル要素２の外径を相対的に小さくでき、コイル要素２に用いる超電導線材の使用量を削減できる。また、この場合複数のコイル要素２において内径が異なるような構成としてもよい。

（実施の形態５）
＜超電導機器の構成および作用効果＞
図１８は、実施の形態５に係る超電導機器の模式図である。図１８に示した超電導機器２００は、図１に示した超電導コイル体１０を冷凍機で冷却する冷凍機冷却型の超電導機器である。なお、上記超電導機器２００では、超電導コイル体１０に代えて図９に示したような超電導コイル集合体１００を用いてもよい。

図１８に示した超電導機器２００は、超電導コイル体１０と、断熱容器２１１と、冷凍機２２１と、ホース２２２と、コンプレッサ２２３と、ケーブル２３１と、電源２３２とを主に備える。断熱容器２１１は超電導コイル体１０を収容する。本実施の形態においては、磁場が印加される被検体（図示せず）を収容するための磁場印加領域ＳＣが断熱容器２１１内に設けられている。超電導コイル体１０において図１に示すようにコイル要素２と積層された複数の冷却板６は、冷凍機２２１の冷却ヘッド２２１ａと接続される。冷凍機２２１はコンプレッサ２２３とホース２２２により接続される。冷凍機２２１とコンプレッサ２２３との間にはホース２２２を介して冷媒が循環し、冷凍サイクル回路を構成する。電源２３２は超電導コイル体１０に電流を供給する。

この様な超電導機器２００によれば、図１などに示した超電導コイル体１０を用いているため、均一性の高い磁場を発生させて当該磁場を利用することができる。

(本実施の形態に係る超電導コイル体の効果に関する検討）
＜比較例に係る超電導コイル体におけるコイル要素の位置ずれの検討＞
比較例としての超電導コイル体の構成として、超電導線材を巻回した内径φ７５０ｍｍのダブルパンケーキコイルを、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）製の円筒状の芯部材に通して積層する構成を考える。この場合、作業性を考慮すると、ダブルパンケーキコイルの内径と芯部材の外径との間のクリアランスは１ｍｍ以上であることが望ましい。また、機械加工における普通公差（中級、４００ｍｍを超え１０００ｍｍ以下)は±０．８ｍｍである。これらの前提に基づき、ダブルパンケーキコイルの内径φを７５１．６ｍｍと仮定する。また、芯部材の外径を７４７．４ｍｍと仮定する。この場合、組立時には、複数のダブルパンケーキコイル間の径方向での位置ずれとして、最大で４．２ｍｍの位置ずれが発生する可能性がある。

また、ダブルパンケーキコイルを室温から２０Ｋに冷却した場合の熱収縮率は－０．４６％であり、ＧＦＲＰの積層方向における熱収縮率は－０．７１％である。このため、上述した冷却条件では、ダブルパンケーキコイルについて約３．５ｍｍ、ＧＦＲＰ製の芯部材において約５．３ｍｍの熱収縮が発生する。熱収縮は固定されている部分に向かって起こり、ダブルパンケーキコイルや芯部材の固定方法によっては、上述した冷却時、ダブルパンケーキコイルについて径方向におけるずれが最大約１．８ｍｍとなる可能性がある。

＜本実施の形態に係る超電導コイル体におけるコイル要素の位置ずれの検討＞ たとえば、図１および図２に示した超電導コイル体１０では、複数に分割された芯部材としての整列部材１ａ～１ｃに、ダブルパンケーキコイルである複数のコイル要素２を通す。その後、接続部材５０のボルト３１（図２参照）により整列部材１ａ～１ｃを径方向に締め付ける。このようにすれば、上述した比較例における超電導コイル体において必要であった、コイル要素２の内径と整列部材１ａ～１ｃとの間のクリアランスを無くすことができる。さらに、接続部材５０は皿バネ３３を含むため、コイル要素２と第１および第２フランジ部材３ａ、３ｂと整列部材１ａ～１ｃとの間の熱収縮率の差に起因する熱収縮量の差を当該皿バネ３３が弾性変形することで吸収できる。したがって、本実施の形態に係る超電導コイル体１０では比較例の超電導コイル体より複数のコイル要素２の間の径方向の位置ずれを抑制できる。

＜比較例に係る超電導コイル体に関する磁場均一性の評価＞
内径φ７５０ｍｍ、外径φ８４６ｍｍの比較例に係る超電導コイル体について、直径φ２０ｍｍ、中心軸方向の長さ（高さ）２０ｍｍとした空間における磁場均一度を考える。なお、磁場均一度とは、（（軸方向最大磁場強度）－（軸方向最小磁場強度））／（軸方向中心磁場強度）と言う式により定義される。上述した超電導コイル体における磁場均一度の設計値はたとえば１４０１ｐｐｍである。なお、上記比較例に係る超電導コイル体におけるダブルパンケーキコイルの内径と芯部材の外径との間のクリアランスを１ｍｍ、公差を±０．８ｍｍとした。当該超電導コイル体は、６個のダブルパンケーキコイルを積層した構成とした。また、上述した磁場均一性の評価は、空間内の磁場を径方向および軸方向に１ｍｍ以下毎に計算することにより実施した。

上記の前提に基づき、ダブルパンケーキコイルの内径φを７５０ｍｍ、芯部材の外径を７４５．８ｍｍと仮定した。このとき、組立時には、６個のダブルパンケーキコイル中１個が径方向に４．２ｍｍずれた状態を考える。この場合、磁場均一性は１４７３ｐｐｍとなり、６９ｐｐｍポイント悪化する。そして、ダブルパンケーキコイルを室温から２０Ｋまで冷却することにより、ダブルパンケーキコイルの１つがさらに径方向において１．８ｍｍずれた場合を考える。この場合、磁場均一性は１５０４ｐｐｍとなり、さらに３１ｐｐｍポイント悪化する。このような磁場均一性の悪化は、磁場均一性に関する要求が厳しいＭＲＩ、ＮＭＲ、加速器などの用途においては許容されない。

＜本実施の形態に係る超電導コイル体における磁場均一性の評価＞
本実施の形態に係る超電導コイル体の構成として、上述した比較例に係る超電導コイル体と同様に６個のダブルパンケーキコイルを積層した構成を考える。上述のように、本実施の形態に係る超電導コイル体では、コイル要素としてのダブルパンケーキコイルと整列部材との間のクリアランスを無くし、上述した熱収縮率の差に基づくダブルパンケーキコイル間の位置ずれ量を低減できる。そこで、たとえば本実施の形態に係る超電導コイル体において、６個のダブルパンケーキコイルのうち１つの内径が他のダブルパンケーキコイルより１．６ｍｍ大きい場合を考える。この状態での比較例に係る超電導コイル体と同様に磁場均一性を評価すると、当該磁場均一性は１４１７ｐｐｍとなった。この場合、磁場均一性に関する設計値からの悪化の程度は１３ｐｐｍポイントと充分に小さい。

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実施の形態ではなく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。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 整列部材
２ コイル要素
２ａ 内周端面
２ｂ 外周端面
３ａ 第１フランジ部材
３ｂ 第２フランジ部材
４ 軸方向固定部材
５，７ａ，７ｂ 固定部
６ 冷却板
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 超電導コイル体
２０ 中心軸
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ ボルト
３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ ナット
３３ 皿バネ
３４，３８ 穴
３５ 開口部
３６，３７ 矢印
４０ 超電導コイル
５０ 接続部材
１００ 超電導コイル集合体
１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ コイル体整列部材
２００ 超電導機器
２１１ 断熱容器
２２１ 冷凍機
２２１ａ 冷却ヘッド
２２２ ホース
２２３ コンプレッサ
２３１ ケーブル
２３２ 電源

Claims (4)

1. 超電導線材が巻回された複数のコイル要素が積層された超電導コイルと、
   前記複数のコイル要素の積層方向において、前記超電導コイルの両端部に位置する第１フランジ部材および第２フランジ部材と、
   前記第１フランジ部材と前記第２フランジ部材とを接続するとともに、前記超電導コイルを前記積層方向と交差する方向から押圧し、前記複数のコイル要素を前記積層方向において整列させる、複数の整列部材とを備え、
   前記複数の整列部材は、前記超電導コイルの内周側に配置されるとともに、前記超電導コイルの周方向において互いに間隔を隔てて配置されている、超電導コイル体。
2. 前記複数の整列部材と前記第１フランジ部材および前記第２フランジ部材とを接続する接続部材を備え、
   前記接続部材は、前記複数の整列部材を前記第１フランジ部材または前記第２フランジ部材に向けて付勢する弾性部材を含む、請求項１に記載の超電導コイル体。
3. 積層配置された複数の超電導コイル体と、
   前記複数の超電導コイル体を、前記複数の超電導コイル体の積層方向において整列させる、複数のコイル体整列部材とを備え、
   前記超電導コイル体は、請求項１または請求項２に記載の超電導コイル体であり、
   前記複数のコイル体整列部材は、前記複数の超電導コイル体を前記積層方向と交差する方向から押圧し、前記複数の超電導コイル体を前記積層方向において整列させる、超電導コイル集合体。
4. 請求項１または請求項２に記載の超電導コイル体を備える、超電導機器。

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