JP7191743B2 - 超電導コイル、及び、超電導機器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超電導コイル、及び、超電導機器に関する。

例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）や磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）では、強い磁場を発生させるために超電導コイルが用いられる。超電導コイルは、巻枠に超電導線材を巻き回すことにより形成されている。

超電導線材の一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じると、例えば、超伝導コイルを流れる電流が変動し、超伝導コイルにより発生される磁場が不安定になる。また、例えば、クエンチが生じた部分で発生したジュール熱により、瞬時に多量の発熱が生じる熱暴走に至るおそれがある。熱暴走に至ると、超電導コイルが焼損するおそれがある。

クエンチが発生する要因としては、超電導コイルの冷却時の部材間の熱膨張係数の違いより生じる応力、又は、電磁力によるコイルの変形により生じる応力が考えられる。この応力により、超電導コイルを構成する樹脂のクラック、部材間の剥離、コイルの動きが生じ、これらの現象に伴う熱の発生が、クエンチ発生の原因となると考えられる。

特開昭６１－２７２９０２号公報

本発明が解決しようとする課題は、クエンチの発生が抑制された超電導コイルを提供することにある。

実施形態の超電導コイルは、巻枠と、前記巻枠に巻き回され、第１の領域と、前記第１の領域にコイル径方向において対向する第２の領域を有する超電導線材と、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、フィロ珪酸塩鉱物を含む第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む熱硬化性樹脂と、を有する第１の層と、を備え、前記第１の粒子は、板状又は薄片状で、前記熱硬化性樹脂の中でランダムな向きで分散している。

第１の実施形態の超電導コイルの模式斜視図。 第１の実施形態の超電導コイルの模式断面図。 第１の実施形態の超電導線材の模式断面図。 第１の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。 第１の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図。 第２の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図。 第３の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図。 第４の実施形態の超電導コイルの模式斜視図。 第４の実施形態の超電導コイルの模式断面図。 第４の実施形態の超電導線材の模式斜視図。 第４の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。 第５の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。 第６の実施形態の超電導機器のブロック図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の超電導コイルは、巻枠と、巻枠に巻き回され、第１の領域と、第１の領域に対向する第２の領域を有する超電導線材と、第１の領域と第２の領域との間に位置し、体積抵抗率が１０^－２Ω・ｍ以上で劈開性を有する結晶を含む第１の粒子と、第１の粒子を囲む熱硬化性樹脂と、を有する第１の層と、を備える。

図１は、第１の実施形態の超電導コイルの模式斜視図である。図２は、第１の実施形態の超電導コイルの模式断面図である。図３は、第１の実施形態の超電導線材の模式断面図である。

第１の実施形態の超電導コイル１００は、例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、重粒子線治療器、又は、超電導磁気浮上式鉄道車両などの超電導機器の磁場発生用のコイルとして用いられる。

超電導コイル１００は、巻枠１０、内周絶縁層１１ａ、上部絶縁層１１ｂ、下部絶縁層１１ｃ、及び、巻線部１２を備える。巻線部１２は、超電導線材２０と、線材間層３０（第１の層）を有する。線材間層３０は、第１の層の一例である。

超電導線材２０は、例えば、線状である。超電導線材２０は、巻回中心Ｃを中心に、ソレノイド状に巻枠１０に巻き回される。

線材間層３０は、超電導線材２０を固定する機能を有する。線材間層３０は、超電導線材２０が、超電導機器の使用中の振動や、互いの摩擦により破壊されることを抑制する機能を有する。また、線材間層３０は、超電導線材２０の間を絶縁する機能を有する。

内周絶縁層１１ａ、上部絶縁層１１ｂ、及び、下部絶縁層１１ｃは、例えば、繊維強化プラスチックで形成される。内周絶縁層１１ａ、上部絶縁層１１ｂ、下部絶縁層１１ｃは、巻線部１２を巻枠１０や外部に対して絶縁する機能を有する。

超電導線材２０には、例えば、臨界温度Ｔｃが８Ｋ以上４０Ｋ以下の低温超電導物質を用いる。超電導線材２０に用いる低温超電導物質は、例えば、ニオブ・チタン合金系、ニオブ・スズ化合物系、ニオブ・アルミニウム化合物系、２ホウ化マグネシウム系の超電導物質である。

図３は、超電導線材２０がニオブ・チタン合金系の超電導物質の場合を例に示す。超電導線材２０は、複数のニオブ・チタンフィラメント２０ｘが銅マトリックス２０ｙの中に配置された構造を有する。

図４は、第１の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。

図４は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第２の領域２０ｂは、第１の領域２０ａに対向する。第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、線材間層３０が存在する。

図５は、第１の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図である。

線材間層３０は、第１の粒子３１、及び、熱硬化性樹脂３６を含む。第１の粒子３１は、いわゆるフィラ―である。

第１の粒子３１は、体積抵抗率が１０^－２Ω・ｍ以上で劈開を有する結晶を含む。上記結晶が第１の粒子３１の主成分である。第１の粒子３１は、上記結晶が９０％以上の体積割合を有する。第１の粒子３１は、例えば、上記結晶そのものである。

第１の粒子３１は、体積抵抗率が１０^－２Ω・ｍ以上の結晶を含む。第１の粒子３１の、体積抵抗率は、例えば、１０^－２Ω・ｍ以上１０^１５Ω・ｍ以下である。

また、第１の粒子３１は、劈開を有する結晶を含む。劈開とは結晶が特定の結晶面に平行に割れやすい性質である。劈開は程度により完全（Ｐｅｒｆｅｃｔ）、良好（Ｇｏｏｄ）、明瞭（ｄｉｓｔｉｎｃｔ）、不明瞭（ｉｎｄｉｓｔｉｎｃｔ）と分類される。第１の粒子３１は、例えば、完全又は明瞭な劈開を有する。

体積抵抗率、及び、劈開は結晶に固有の物性である。第１の粒子３１に含まれる結晶が同定されれば、その体積抵抗率、及び、劈開は決定することができる。第１の粒子３１に含まれる結晶は、例えば、粉末Ｘ線回折法により同定することが可能である。

第１の粒子３１に含まれる結晶は、例えば、フィロ珪酸塩鉱物、及び、六方晶窒化ホウ素の少なくともいずれか一方である。フィロ珪酸塩鉱物、及び、六方晶窒化ホウ素の体積抵抗率は、例えば、１０^－２Ω・ｍ以上１０^１５Ω・ｍ以下である。また、フィロ珪酸塩鉱物、及び、六方晶窒化ホウ素は劈開を有する。

フィロ珪酸塩鉱物は、２次元的に広がったＳｉＯ_２四面体のつくる層構造（ｓｈｅｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する。フィロ珪酸塩鉱物は、板状又は薄片状で、底面に平行に完全又は明瞭な劈開を有する。

第１の粒子３１に含まれるフィロ珪酸塩鉱物は、例えば、雲母族に属する鉱物、粘土鉱物、パイロフィライト、及び、滑石の少なくともいずれか一つである。雲母族に属する鉱物は、例えば、白雲母、金雲母、又は、黒雲母である。粘土鉱物は、例えば、カオリナイト、又は、モンモリロナイトである。

第１の粒子３１の形状は、例えば、板状、球状、俵状、回転楕円体状、円柱状、繊維状、不定形状であり、特に、限定されるものではない。図５は、第１の粒子３１の形状が板状の場合を例示している。

第１の粒子３１の粒径の中央値は、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。第１の粒子３１の粒径の中央値は、例えば、複数の第１の粒子３１の長径を、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）で取得した画像（ＳＥＭ画像）で測定し、測定した長径から求めることが可能である。

複数の第１の粒子３１は、例えば、ランダムな向きで熱硬化性樹脂３６の中に分散している。言い換えれば、各粒子を構成する結晶のｃ軸がランダムな方向を向いている。

熱硬化性樹脂３６は、第１の粒子３１を囲む。熱硬化性樹脂３６は、いわゆる、バインダである。熱硬化性樹脂３６は、第１の粒子３１を相互に接着するとともに、超電導線材が動かないよう強固に固定化させる。

熱硬化性樹脂３６は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、尿素樹脂、ポリイミド樹脂、及び、メラミン樹脂から成る群から選ばれる少なくとも一つの樹脂である。

熱硬化性樹脂３６に含まれる樹脂の判定は、例えば、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ－ＩＲ）により行うことが可能である。

線材間層３０の中の第１の粒子３１の占有率は、例えば、２０％以上８０％以下である。

線材間層３０の中の第１の粒子３１の占有率は、例えば、ＳＥＭ画像で観察される第１の粒子３１の占める面積割合で代表させる。第１の粒子３１の占有率は、例えば、ＳＥＭ画像の画像解析により求めることが可能である。

第１の実施形態の超電導コイル１００は、巻枠１０に超電導線材２０をソレノイド状に巻き回して製造する。線材間層３０は、例えば、超電導線材２０を巻き回す際に、線材間層３０を構成する材料を超電導線材２０の間に塗りこんで含浸させる方法で形成する。また、線材間層３０は、例えば、超電導線材２０を巻き回して固定させた状態で、真空中で線材間層３０を構成する材料を流し入れて含浸させる方法で形成しても良い。

以下、第１の実施形態の超電導コイル１００の作用及び効果について説明する。

超電導コイルを有する超電導機器の使用中に、超電導コイルの超電導線材の一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じる場合がある。特に、第１の実施形態のように、超電導線材２０に、臨界温度Ｔｃの低い低温超電導物質を用いた超電導コイルの場合、トレーニングクエンチと称される現象が生ずることがある。

トレーニングクエンチとは、通電電流値が超電導線材の通電許容値より低い値でクエンチを起こす不安定現象である。この不安定現象を抑制し、超電導コイルに安定に定格電流を流せるようにすることが要求される。安定に定格電流を流せるようにすることで、超電導コイルの動作が安定する。

トレーニングクエンチが発生する要因としては、超電導コイルの冷却時の部材間の熱膨張係数の違いより生じる応力、又は、電磁力によるコイルの変形により生じる応力が考えられる。この応力により、超電導コイルを構成する樹脂のクラックが生じ、このクラックに伴う熱の発生が、トレーニングクエンチ発生の原因となると考えられる。

第１の実施形態の超電導コイル１００は、線材間層３０の中に、劈開を有する結晶を含む第１の粒子３１を含む。第１の粒子３１に含まれる結晶は劈開を有するため、周りの熱硬化性樹脂３６よりも小さい応力で割れる。また、第１の粒子３１が割れることで生じたクラックは、熱硬化性樹脂３６との界面で止まる。

したがって、第１の粒子３１を含まない場合と比較して、線材間層３０には大きなクラックが生じにくい。よって、クラックで発生する熱が抑制され、超電導コイル１００のクエンチの発生が抑制される。

また、第１の粒子３１に含まれる結晶の体積抵抗率は１０^－２Ω・ｍ以上である。このため、例えば、導電性の粒子をフィラ―に用いる場合と比較して、線材間層３０の絶縁性が向上する。したがって、超電導線材２０の対向する第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、電流が流れることが抑制される。よって、超電導コイル１００が発生させる磁場を安定化することができる。

また、第１の実施形態の超電導コイル１００は、線材間層３０の中にバインダとして、熱硬化性樹脂３６を用いる。比較的、硬い熱硬化性樹脂３６を用いることにより、超電導コイル１００の通電中のコイルの動きが抑制される。よって、コイルの動きによるクエンチの発生が抑制される。

また、例えば、熱硬化性樹脂３６よりも軟らかい樹脂をバインダとして用いた場合、線材間層３０に応力によるクラックが発生した場合、このクラックが後に修復される現象が生じる。このため、クラックの発生が繰り返し生じ、トレーニングクエンチが終息せず、不安定動作が続くことになる。第１の実施形態の超電導コイル１００は、線材間層３０の中にバインダとして、熱硬化性樹脂３６を用いることで、上記現象を抑制でき、安定した動作が可能となる。

第１の粒子３１に含まれる結晶の劈開は完全であることが好ましい。例えば、雲母族に属する鉱物、カオリナイト、及び、モンモリロナイトの劈開は完全である。

線材間層３０の絶縁性を向上させる観点から、第１の粒子３１に含まれる結晶の体積抵抗率は１０^５Ω・ｍ以上であることが好ましく、１０^８Ω・ｍ以上であることがより好ましく、１０^１０Ω・ｍ以上であることが更に好ましい。

以上、第１の実施形態によれば、線材間層の大きなクラックの発生が抑制される。よって、クエンチの発生が抑制された超電導コイルが実現できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の超電導コイルは、第１の層は、第１の粒子よりも熱膨張係数の小さい第２の粒子を、有する点で第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、記述を一部省略する。

図６は、第２の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図である。

線材間層３０は、第１の粒子３１、第２の粒子３２、及び、熱硬化性樹脂３６を含む。第１の粒子３１、及び、第２の粒子３２は、いわゆるフィラ―である。

第１の粒子３１は、体積抵抗率が１０^－２Ω・ｍ以上で劈開を有する結晶を含む。

第２の粒子３２の熱膨張係数は、第１の粒子３１の熱膨張係数よりも小さい。第２の粒子３２の熱膨張係数は、熱硬化性樹脂３６の熱膨張係数よりも小さい。

第２の粒子３２は、例えば、シリコン酸化物、リチウム酸化物、アルミニウム酸化物、タングステン酸ジルコニウム、タングステン酸ハフニウム、リン酸ジルコニウム、マンガン窒化物、ビスマス・ニッケル酸化物、カルシウム・ルテニウム酸化物、ストロンチウム・銅・鉄酸化物、及び、銀酸化物から成る群から選ばれる少なくとも一つの無機化合物を含む。

線材間層３０が、第１の粒子３１の熱膨張係数よりも小さい第２の粒子３２を有することで、例えば、超電導コイル１００の冷却時の線材間層３０の熱収縮が抑制される。したがって、超電導コイル１００の冷却時の部材間の熱膨張係数の違いより生じる応力を小さくでき、線材間層の大きなクラックの発生が抑制される。よって、クエンチの発生が抑制される。

なお、第１の粒子３１の熱膨張係数は、例えば、第１の粒子３１の主成分である結晶が特定されれば、この結晶の熱膨張係数で代表することができる。また、第２の粒子３２の熱膨張係数は、例えば、第２の粒子３２の主成分の物質が特定されれば、この物質の熱膨張係数で代表することができる。

線材間層３０の絶縁性を向上させる観点から、第２の粒子３２の体積抵抗率は１０^－２Ω・ｍ以上であることが好ましく、１０^５Ω・ｍ以上であることがより好ましく、１０^８Ω・ｍ以上であることが更に好ましく、１０^１０Ω・ｍ以上であることがもっともに好ましい。

以上、第２の実施形態によれば、第１の実施形態よりも、線材間層の大きなクラックの発生が抑制される。よって、クエンチの発生が更に抑制された超電導コイルが実現できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の超電導コイルは、第１の層は、第１の粒子と形状又は粒径が異なる第２の粒子を、有する点で、第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、記述を一部省略する。

図７は、第３の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図である。以下、第２の粒子は、第１の粒子と粒径が異なる場合を例に説明する。

線材間層３０は、第１の粒子３１、第２の粒子３２、及び、熱硬化性樹脂３６を含む。第１の粒子３１は、及び、第２の粒子３２は、いわゆるフィラ―である。

第１の粒子３１は、体積抵抗率が１０^－２Ω・ｍ以上で劈開を有する結晶を含む。

第２の粒子３２は、例えば、第１の粒子３１と同様、体積抵抗率が１０^－２Ω・ｍ以上で劈開を有する結晶を含む。

第２の粒子３２は、第１の粒子３１と異なる粒径を有する。第２の粒子３２は、例えば、第１の粒子３１よりも粒径が小さい。

線材間層３０が、第１の粒子３１と異なる粒径の第２の粒子３２を有するか否かは、例えば、以下の方法で判定できる。線材間層３０の複数の粒子の長径を、ＳＥＭ画像で測定し、粒子の長径の頻度分布を求める。頻度分布がピークを２つ有するバイモーダルであった場合、線材間層３０が、第１の粒子３１と異なる粒径の第２の粒子３２を有すると判定できる。

第３の実施形態の超電導コイルは、サイズが異なる２種の粒子を有する。このため、線材間層３０の中の粒子の占有率を高くすることが可能となる。

例えば、第２の粒子３２が、第１の粒子３１と同様、体積抵抗率が１０^－２Ω・ｍ以上で劈開を有する結晶を含む場合は、線材間層３０の中の粒子の占有率が上がることで、大きなクラックの発生を更に抑制することができる。

例えば、第２の粒子３２の熱膨張係数が、第１の粒子３１の熱膨張係数よりも小さい場合、超電導コイル１００の冷却時の部材間の熱膨張係数の違いにより生じる応力を小さくでき、線材間層３０の大きなクラックの発生が更に抑制される。

なお、線材間層３０が、第１の粒子３１と形状が異なる第２の粒子３２を、備える場合であっても、線材間層３０の中の粒子の占有率を高くすることが可能となる。よって、線材間層３０の大きなクラックの発生が更に抑制される。

以上、第３の実施形態によれば、第１の実施形態よりも、線材間層の大きなクラックの発生が抑制される。よって、クエンチの発生が更に抑制された超電導コイルが実現できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態の超電導コイルは、超電導線材に高温超電導物質を用いる点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、記述を一部省略する。

図８は、第４の実施形態の超電導コイルの模式斜視図である。図９は、第４の実施形態の超電導コイルの模式断面図である。図１０は、第４の実施形態の超電導線材の模式斜視図である。

第４の実施形態の超電導コイル２００は、例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、重粒子線治療器、又は、超電導磁気浮上式鉄道車両などの超電導機器の磁場発生用のコイルとして用いられる。

超電導コイル２００は、巻枠１１０、第１の絶縁板１１１ａ、第２の絶縁板１１１ｂ、及び、巻線部１１２を備える。巻線部１１２は、超電導線材２０と、線材間層３０（第１の層）を有する。線材間層３０は、第１の層の一例である。

図８は、第１の絶縁板１１１ａ、及び、第２の絶縁板１１１ｂを除いた状態を示す。

巻枠１１０は、例えば、繊維強化プラスチックで形成される。超電導線材２０は、例えば、テープ形状である。超電導線材２０は、図８に示すように、巻回中心Ｃを中心に、同心円状のいわゆるパンケーキ形状に巻枠１１０に巻き回される。

線材間層３０は、超電導線材２０を固定する機能を有する。線材間層３０は、超電導線材２０が、超電導機器の使用中の振動や、互いの摩擦により破壊されることを抑制する機能を有する。

第１の絶縁板１１１ａ、及び、第２の絶縁板１１１ｂは、例えば、繊維強化プラスチックで形成される。第１の絶縁板１１１ａ、及び、第２の絶縁板１１１ｂは、巻線部１１２を外部に対して絶縁する機能を有する。巻線部１１２は、第１の絶縁板１１１ａと第２の絶縁板１１１ｂとの間に位置する。

超電導線材２０には、例えば、臨界温度Ｔｃが７０Ｋ以上の高温超電導物質を用いる。

超電導線材２０は、図１０に示すように、第１の安定化層２１、基板２３、中間層２４、超電導層２５、保護層２６、第２の安定化層２７を有する。超電導線材２０は、多層構造である。

第１の安定化層２１は、金属である。第１の安定化層２１は、例えば、銅又はアルミニウムである。

基板２３は、第１の安定化層２１の上に設けられる。基板２３は、金属である。基板２３は、例えば、ニッケル基合金、ステンレス、又は、銅などの高強度の金属である。

中間層２４は、基板２３上に設けられる。中間層２４は、複数の酸化物の積層構造を有する。中間層２４は、超電導層２５の結晶を配向させる機能を有する。

超電導層２５は、中間層２４上に設けられる。超電導層２５は、例えば、希土類元素を含む酸化物である。超電導層２５は、例えば、希土類元素、バリウム、及び、銅を含む酸化物超電導体である。

保護層２６は、金属層の一例である。保護層２６は、超電導層２５上に設けられる。保護層２６は、金属である。保護層２６は、超電導層２５に接して設けられる。保護層２６は、例えば、銀、金、又は、白金である。保護層２６は、超電導層２５から酸素が拡散することを抑制する機能を有する。

第２の安定化層２７は、保護層２６上に設けられる。第２の安定化層２７は、金属である。第２の安定化層２７は、例えば、銅又はアルミニウムである。第２の安定化層２７は、クエンチが生じた場合の電流迂回路となり、熱暴走を抑制する機能を有する。

図１１は、第４の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。

図１１は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第２の領域２０ｂは、第１の領域２０ａに対向する。第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、線材間層３０が存在する。

第４の実施形態の線材間層３０は、第１の実施形態の線材間層３０と同様の構成を有する。

以下、第４の実施形態の超電導コイル２００の作用及び効果について説明する。

超電導コイルを有する超電導機器の使用中に、超電導コイルの超電導線材の一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じる場合がある。クエンチが生じると、クエンチが生じた部分でジュール熱が発生する。特に、高温超電導物質を超電導線材として用いる超電導コイルでは、クエンチ伝搬速度が遅く、局所的に発生したジュール熱により、瞬時に多量の発熱が生じホットスポットとなり熱暴走に至るおそれがある。熱暴走に至ると、超電導コイルが焼損するおそれがある。

クエンチが発生する要因としては、超電導コイルの冷却時の部材間の熱膨張係数の違いより生じる応力、又は、電磁力によるコイルの変形により生じる応力が考えられる。この応力により、線材間層にクラックが生じたり、超電導線材が破壊されたりする。このクラックや破壊に伴う熱の発生が、クエンチの原因となると考えられる。

例えば、一般に、金属や酸化物の超電導線材と比較して、樹脂の線材間層の熱膨張係数は大きい。

このため、超電導コイルが使用温度まで冷却される際、線材間層の熱収縮の方が、超電導線材の熱収縮よりも大きくなる。したがって、冷却により超電導線材に引張応力が印加される。引張応力により、超電導線材が破壊され、破壊箇所でクエンチが生ずると考えられる。

特に、第４の実施形態の超電導コイル２００のように、超電導線材２０の超電導層２５が、希土類元素を含む酸化物である場合、超電導線材２０は、超電導層２５が金属層である保護層２６と接する多層構造を有する。超電導層２５と保護層２６との間の密着性は、比較的低い。このため、超電導線材２０に引張応力が印加されると、超電導層２５と保護層２６との間が剥離して、超電導線材２０の破壊が生じやすい。

第４の実施形態の超電導コイル２００は、線材間層３０の中に、劈開を有する結晶を含む第１の粒子３１を含む。第１の粒子３１に含まれる結晶は劈開を有するため、第１の粒子３１は周りの熱硬化性樹脂３６よりも小さい応力で割れる。

したがって、第１の粒子３１を含まない場合と比較して、線材間層３０に小さい応力でクラックが生じることで、超電導線材２０に印加される引張応力が低減される。よって、引張応力による超電導線材２０の破壊が抑制され、クエンチの発生が抑制される。

また、第４の実施形態の超電導コイル２００によれば、第１の実施形態と同様、第１の粒子３１を含まない場合と比較して、線材間層３０には大きなクラックが生じにくい。よって、クラックで発生する熱が抑制され、超電導コイル２００のクエンチの発生が抑制される。

また、第１の粒子３１に含まれる結晶の体積抵抗率は１０^－２Ω・ｍ以上であるため、第１の実施形態と同様、線材間層３０の絶縁性が向上する。したがって、超電導コイル２００の安定動作が担保される。

また、線材間層３０の中にバインダとして、熱硬化性樹脂３６を用いることにより、第１の実施形態と同様、超電導線材の動きによるクエンチの発生が抑制される。

以上、第４の実施形態によれば、超電導線材の破壊及び線材間層の大きなクラックの発生が抑制される。よって、クエンチの発生が抑制された超電導コイルが実現できる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態の超電導コイルは、第１の領域と第２の領域との間に位置し、樹脂を含むテープ形状の第２の層を、更に備える点で、第４の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態、及び、第４の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図１２は、第５の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。

図１２は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、線材間層３０が存在する。更に、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に絶縁テープ４５（第２の層）を有する。絶縁テープ４５は、第２の層の一例である。

絶縁テープ４５はテープ形状で、超電導線材２０に挟まれて、巻回中心Ｃを中心に、ソレノイド状に巻枠１０に巻き回される。絶縁テープ４５は、図１２の奥行き方向に延びる。

絶縁テープ４５は、樹脂を含む。絶縁テープ４５に含まれる樹脂は熱硬化性樹脂３６と同一であっても異なっていても構わない。絶縁テープ４５は、例えば、ポリイミドを含むポリイミドテープである。

第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、絶縁テープ４５を設けることにより、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂの間の絶縁性を高め、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間での短絡を防止する。これにより、クエンチの発生が抑制され、超電導コイルが発生させる磁場を安定化できる。

以上、第５の実施形態によれば、第１の実施形態同様、クエンチの発生が抑制された超電導コイルが実現できる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態の超電導機器は、第１ないし第５の実施形態の超電導コイルを備えた超電導機器である。以下、第１ないし第５の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図１３は、第６の実施形態の超電導機器のブロック図である。第６の実施形態の超電導機器は、重粒子線治療器３００である。重粒子線治療器３００は、超電導機器の一例である。

重粒子線治療器３００は、入射系５０、シンクロトロン加速器５２、ビーム輸送系５４、照射系５６、制御系５８を備える。

入射系５０は、例えば、治療に用いる炭素イオンを生成し、シンクロトロン加速器５２に入射するための予備加速を行う機能を有する。入射系５０は、例えば、イオン発生源と線形加速器を有する。

シンクロトロン加速器５２は、入射系５０から入射された炭素イオンビームを治療に適合したエネルギーまで加速する機能を有する。シンクロトロン加速器５２に、第１ないし第５の実施形態の超電導コイルが用いられる。

ビーム輸送系５４は、シンクロトロン加速器５２から入射された炭素イオンビームを照射系５６まで輸送する機能を有する。ビーム輸送系５４は、例えば、偏向電磁石を有する。

照射系５６は、ビーム輸送系５４から入射された炭素イオンビームを照射対象である患者に照射する機能を備える。照射系５６は、例えば、炭素イオンビームを任意の方向から照射可能にする回転ガントリーを有する。回転ガントリーに、第１ないし第５の実施形態の超電導コイルが用いられる。

制御系５８は、入射系５０、シンクロトロン加速器５２、ビーム輸送系５４、及び、照射系５６の制御を行う。制御系５８は、例えば、コンピュータである。

第６の実施形態の重粒子線治療器３００は、シンクロトロン加速器５２及び回転ガントリーに、第１ないし第５の実施形態の超電導コイルが用いられる。したがって、クエンチの発生が抑制され高い信頼性が実現される。

第６の実施形態では、超電導機器の一例として、重粒子線治療器３００の場合を説明したが、超電導機器は、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、又は、超電導磁気浮上式鉄道車両であっても構わない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 巻枠
２０ 超電導線材
２０ａ 第１の領域
２０ｂ 第２の領域
３０ 線材間層
３１ 第１の粒子
３２ 第２の粒子
３６ 熱硬化性樹脂
４５ 絶縁テープ
１１０ 巻枠
１００ 超電導コイル
２００ 超電導コイル
３００ 重粒子線治療器

Claims (11)

1. 巻枠と、
   前記巻枠に巻き回され、第１の領域と、前記第１の領域にコイル径方向において対向する第２の領域を有する超電導線材と、
   前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、フィロ珪酸塩鉱物を含む第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む熱硬化性樹脂と、を有する第１の層と、
   を備え、
   前記第１の粒子は、板状又は薄片状で、前記熱硬化性樹脂の中でランダムな向きで分散している超電導コイル。
2. 巻枠と、
   前記巻枠に巻き回され、第１の領域と、前記第１の領域にコイル径方向において対向する第２の領域を有する超電導線材と、
   前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、フィロ珪酸塩鉱物を含む第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む熱硬化性樹脂と、を有する第１の層と、
   を備え、
   前記フィロ珪酸塩鉱物は、カオリナイト又はモンモリロナイトである超電導コイル。
3. 巻枠と、
   前記巻枠に巻き回され、第１の領域と、前記第１の領域にコイル径方向において対向する第２の領域を有する超電導線材と、
   前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、フィロ珪酸塩鉱物を含む第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む熱硬化性樹脂と、を有する第１の層と、
   を備え、
   前記第１の層は、前記第１の粒子よりも粒径が小さく、かつ、前記第１の粒子よりも熱膨張係数の小さい第２の粒子を、有する超電導コイル。
4. 前記フィロ珪酸塩鉱物は雲母族に属する鉱物、及び、粘土鉱物の少なくともいずれか一方である請求項１又は請求項３記載の超電導コイル。
5. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、尿素樹脂、ポリイミド樹脂、及び、メラミン樹脂から成る群から選ばれる少なくとも一つの樹脂を含む請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
6. 前記第１の層は、前記第１の粒子よりも熱膨張係数の小さい第２の粒子を、有する請求項１又は請求項２記載の超電導コイル。
7. 前記第１の層は、前記第１の粒子と形状又は粒径が異なる第２の粒子を、有する請求項１又は請求項２記載の超電導コイル。
8. 前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、樹脂を含むテープ形状の第２の層を、更に備え、前記第２の層は前記第１の層の一部と前記第１の層の別の一部との間に設けられる請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導コイル。
9. 前記第１の粒子の粒径の中央値は、１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超電導コイル。
10. 前記第１の層の中の前記第１の粒子の占有率は２０％以上である請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超電導コイル。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の超電導コイルを備える超電導機器。

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