JP7234080B2 - 高温超電導コイル - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、積層された薄層から構成されてテープ状に成形された高温超電導線を用いた高温超電導コイルに関する。

近年、レアアース（ＲＥ：Ｒｅａｒ Ｅａｒｔｈ）を含む（ＲＥ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｚ系（ここで、ｚ＝６．２～７であり、ＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ及びＨｏから選択された少なくとも１種以上の元素を示す。）を用いたＲＥＢＣＯ線材を代表とする高温超電導線材を用いた高温超電導コイルの研究が盛んにされている。特に、厚さ百μｍ程度の基板上に、複数の種類の層を形成して作製される高温超電導線は、高磁場下での電流容量が大きいという特性がある。よって、高磁場を発生させるために必要な高い電流密度および高い許容応力を有する高温超電導コイルの実現が期待されている。

実用される高温超電導コイルの形成方法は、高温超電導線の巻回方法の違いによっていくつかに大別することができる。

これらの形成方法で代表的なものに、高温超電導線を同心円状に巻回した径の異なる複数のパンケーキコイルを同一平面内に配置し、一方の径の小さなコイルは他方の径の大きなコイルの内側に位置し、径の小さなコイルの外周と径の大きなコイルの内周との間に金属板が架設されて、電気的に接続される。

この金属板によって接続された全てのパンケーキコイルは、超電導電流が通流する１つの経路を形成している。

高温超電導線は、また、高温超電導線長手方向に高い外力をかけても超電導特性が失われないという特徴もある。一方、この高温超電導線は、上述した複数の層の積層方向にかかる外力に対しては脆弱であり、微小な外力で容易に超電導特性を劣化させてしまう。

例えば、高温超電導線に局部的に曲げ応力がかかった場合、容易に層の剥離や層の破断が発生して、超電導特性が低下する。

従来から、高温超電導線の始端に接続する電極を巻枠に固定するなどして、高温超電導線が不要に歪むことを防止する工夫がなされている。

特開２０１０－９８２６７号公報 特開２０１６－１６３０２６号公報

しかしながら、径方向に複数配置されたコイル間の高温超電導線に金属板を架設する場合、金属板の周縁周辺の高温超電導線が劣化するという課題があった。

高温超電導線にかかる応力は、金属板が接合されている部分と接合されていない部分との境界である金属板の周縁で不連続になる。この場合、高温超電導線のうちこの周縁の近傍が微小に変形するなどして、応力が周縁周辺に集中する。

上述したように、高温超電導線は、層の積層方向の応力に脆弱であるので、この応力によって高温超電導線の層の剥離や破断が発生するおそれがある。つまり、高温超電導線に金属板が架設されることで、金属板をはんだ付けする際の熱応力または冷却時の応力集中等により、金属板の周縁周辺の高温超電導線が劣化する可能性がある。このような劣化は、特に積層体の最上層または最下層に貼り合される安定化層が薄く形成されている場合に顕著となる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、少なくとも高温超電導層を含む積層体で構成される高温超電導線が巻回されてなる径の異なるコイルが径方向に複数配置された高温超電導コイルにおいて、コイルの周縁における金属板の架設による高温超電導線の耐劣化性能を向上させた高温超電導コイルを提供することを目的とする。

本実施形態にかかる高温超電導コイルは、少なくとも高温超電導層を含む積層体で構成される高温超電導線が巻回されてなる径の異なるコイルが径方向に複数配置された高温超電導コイルにおいて、内側からｎ番目（ただし、ｎは１以上の自然数）のコイルの最外周の外表面もしくはｎ＋１番目のコイルの最内周の内表面の少なくともどちらか一方に貼り合される可撓性を有する導体の補強線材と、内側からｎ番目のコイルの最外周およびｎ＋１番目のコイルの最内周を補強線材に架設される可撓性を有する金属板と、を備え、前記金属板は、曲線部と直線部とを組み合わせた形状、大きな曲率部と小さな曲率部とを組み合わせた形状、屈曲部と直線部とを組み合わせた形状、或いは、屈曲部と小さな曲率部とを組み合わせた形状であることを特徴とする。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、少なくとも高温超電導層を含む積層体で構成される高温超電導線が巻回されてなる径の異なるコイルが径方向に複数配置された高温超電導コイルにおいて、コイルの周縁における金属板の架設による高温超電導線の耐劣化性能を向上させた高温超電導コイルを提供することにある。

第１実施形態を示す高温超電導コイルの斜視図。 第１実施形態にかかる超電導コイルにおけるパンケーキコイル間の接続部を示す要部拡大平面図。 第２実施形態にかかる超電導コイルにおけるパンケーキコイル間の接続部を示す要部拡大平面図。 第２実施形態の変形例にかかる超電導コイルにおけるパンケーキコイル間の接続部を示す要部拡大平面図。 第２実施形態の第２変形例にかかる超電導コイルにおけるパンケーキコイル間の接続部を示す要部拡大平面図。 第３実施形態にかかる超電導コイルにおけるパンケーキコイル間の接続部を示す要部拡大平面図。 第４実施形態を示す高温超電導コイルの斜視図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）

図１は、第１実施形態にかかる同一平面内で径方向に接続した大きさの異なるパンケーキコイルを示す高温超電導コイルの斜視図である。

第１実施形態にかかる高温超電導コイル１０は、図１に示されるように、２つの径の異なる巻枠９に巻き回されて積層され基板を含む積層体である高温超電導線２から成るパンケーキコイル１（１ａ、１ｂ）を同一平面内に配置し、一方の径が小さなパンケーキコイル（内側からｎ番目（ただし、ｎは１以上の自然数）のパンケーキコイル）１ａは別の径が大きなパンケーキコイル（ｎ＋１番目のパンケーキコイル）１ｂの内側に位置しており、径が小さなパンケーキコイル１ａの最外周と径が大きなパンケーキコイル１ｂの最内周との間を、巻枠９の一部に配置された導電体部６から可撓性を有する導体の補強線材３を介して金属板４によって電気的に接続されている。

そして、巻回されて対向する高温超電導線２の対向面間の間隙に接着材が配置され、この接着材は、フッ素樹脂テープ、パラフィン、グリース、シリコンオイルからなる群より選ばれた少なくとも一種で構成され離形層が形成されて、高温超電導線２の対向面への接着力を抑制する離形処理が施されている。

なお、この補強線材３は、金属板４よりもパンケーキコイル１の径方向の厚さが薄く構成され、積層体の積層方向にかかる剥離応力に対する超電導特性の低下比率がパンケーキコイル１を構成する高温超電導線２と比較して低い高温超電導線材としても良い。そして、この高温超電導線材はビスマス系超電導線材で構成されても良い。また、パンケーキコイル１を構成する積層体の両端（積層体の積層方向に垂直な方向の端部）の層は、常電導体で組成される安定化層であり、積層体の両端の安定化層は、互いに電気的に接続されている。

図２は、第１実施形態にかかる高温超電導コイル１０におけるパンケーキコイル１ａとパンケーキコイル１ｂ間の接続部を示す要部拡大平面図である。

金属板４は大きな曲率部４ａと小さな曲率部４ｂとを組み合わせた形状であり、これにより金属板４は超電導コイル１０間の接続方向に対して可撓性を有している。また、金属板４の大きな曲率部４ａの表面には高温超電導線材５を沿わせて貼り合わせている。

高温超電導コイル１０を冷却すると熱収縮によりパンケーキコイル１１間接続部には、パンケーキコイル１ａの表面の高温超電導線２に対して剥離方向の力が作用して超電導特性の劣化の原因となるが、金属板４はパンケーキコイル１間の接続方向に対して可撓性を有することから、上記の剥離方向の力を緩和することでパンケーキコイル１における高温超電導線２の超電導特性の劣化を防止することが出来る。

また、この補強線材３の端辺は、パンケーキコイル１の径方向に対して端部に向けて細くテーパが設けられている。このテーパは、外表面と接触する補強線材３を最大表面積とする複数の補強線材３が積層されて形成されている。

さらに、この補強線材３の端辺は、パンケーキコイル１の巻回軸方向に対して勾配を有する構成としても良く、補強線材３のパンケーキコイル１の周方向の長さは、金属板４の周方向の長さよりも長く設定しても良い。さらにまた、高温超電導線２の側面のうち基板に関して高温超電導層と反対側の側面に補強線材３を設けている。

これは、径が小さなパンケーキコイル１ａの最外周表面の高温超電導線２に対して剥離方向の力を徐々に伝達させることによって、より剥離方向の力を緩和することができるからである。

さらに、金属板４が可撓性を有するためには金属板４の断面積を小さく設定する必要がある。金属板４の断面積が小さくなると電気抵抗が高くなるため、金属板４のみでパンケーキコイル１ａおよびパンケーキコイル１ｂ間を接続して通電すると発熱量が大きくなり、発熱量によっては温度上昇によりパンケーキコイル１の超電導状態が維持できなくなることもある。しかし、本実施形態では金属板４の表面に高温超電導線材５を貼り付けているため、高温超電導線材５に電気が迂回して電気抵抗を低くすることが出来る。

また、上述した補強線材３および金属板４の少なくとも一方は、可撓性および電気抵抗を低く抑えるためにインジウム、銅、銀、金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の少なくとも1つの材料から選択されて構成され、この補強線材３および金属板４は一体に形成されていても良い。

以上より、本実施形態の手法を用いることで、パンケーキコイル１ａおよびパンケーキコイル１ｂ間の接続部における電気抵抗を低く抑えつつ、接続部が可撓性を有することで熱収縮によって高温超電導線２の表面に発生する剥離力を緩和することでパンケーキコイル１における高温超電導線２の超電導特性の劣化を防止するという、２つの効果を両立することが可能となる。

なお、本実施形態においてパンケーキコイル１（１ａ、１ｂ）を同一平面内に配置している例で示したが、内外パンケーキコイルにおいて段差を有して上面から見て重ならない状態であれば同一平面内と見なして本実施例にかかる金属板４を使用しても同様の効果を有することができる。

（第２実施形態）

図３から図５は、各々第２実施形態にかかる高温超電導コイル１０におけるパンケーキコイル１ａとパンケーキコイル１ｂ間の接続部を示す要部拡大平面図である。なお、図３から図５において図２と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。

第１実施形態においては図２で示すように、金属板４が大きな曲率部４ａと小さな曲率部４ｂとを組み合わせた形状である場合について示したが、第２実施形態においては図３に示すように、曲線部７aと直線部７ｂとを組み合わせた形状の金属板７として構成され、直線部７ｂの表面に高温超電導線材５を沿わせて貼り合わせてもよい。

また、第２実施形態の変形例として、図４に示すように、曲線部７aと直線部７ｂとを組み合わせた可撓部の形状を増やして金属板７として構成し、直線部７ｂの表面に高温超電導線材５を沿わせて貼り合わせてもよい。

さらに、第２実施形態の第２変形例として、図５に示すように、屈曲部８ａと直線部８ｂとを組み合わせた形状の金属板８で構成され、直線部８ｂの表面に高温超電導線材５を沿わせて貼り合わせてもよい。

上記構成によって、本発明の第２実施形態においても、第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

（第３実施形態）

図６は、第３実施形態にかかる超電導コイルにおけるパンケーキコイル間の接続部を示す要部拡大平面図である。なお、図６において、図２と同一の構成には同一の符号を付してその構成の説明は省略する。

第１実施形態においては図２で示すように、金属板４表面の両面に高温超電導線材５を沿わせて貼り合わせた場合について示したが、第３実施形態においては、接続部の材料の関係等、電気抵抗が低く上昇温度が低い場合には、図６のように金属板４表面の片面に高温超電導線材５を沿わせて貼り合わせてもよい。

上記構成によって、本発明の第３実施形態においても、第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

（第４実施形態）

図７は、第４実施形態にかかる同一平面内で径方向に接続した大きさの異なるコイルを示す高温超電導コイルの斜視図である。

第４実施形態にかかる高温超電導コイル１１は、図１に示されるように、２つの径の異なる巻枠９に巻き回された高温超電導線２から成るコイル１２（１２ａ、１２ｂ）を同一平面内に配置し、一方の径が小さなコイル（内側からｎ番目（ただし、ｎは１以上の自然数）のコイル）１２ａは別の径が大きなコイル（ｎ＋１番目のコイル）１２ｂの内側に位置しており、径が小さなコイル１２ａの最外周と径が大きなコイル１２ｂの最内周との間を、巻枠９の一部に配置された導電体部６から可撓性を有する導体の補強線材３を介して金属板４によって電気的に接続されている。

超電導コイル１１を構成するコイル１２は、図７に示すレーストラック型形状に限らず、鞍型形状、複数の曲線もしくは直線を組み合わせた２次元または３次元形状を含むコイルに適用してもよい。

よって、本発明の第４実施形態においても、パンケーキコイル以外のコイルにおいて、実施形態１から３の構成は適用でき、第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

なお、上記実施形態においてコイルを同一平面内に配置している例で示したが、内外コイルにおいて段差を有して上面から見て重ならない状態であれば同一平面内と見なして本実施例にかかる金属板４を使用しても同様の効果を有することができる。

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、組み合わせを行うことができる。

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同様に、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ものである。

１（１ａ、１ｂ）…パンケーキコイル、２…高温超電導線、３…補強線材、４（４ａ、４ｂ）…金属板、５…高温超電導線材、６…導電体部、７（７ａ、７ｂ）…金属板、８（８ａ、８ｂ）…金属板、９…巻枠、１０…高温超電導コイル、１１…高温超電導コイル、１２（１２ａ、１２ｂ）…コイル。

Claims (16)

1. 少なくとも高温超電導層を含む積層体で構成される高温超電導線が巻回されてなる径の異なるコイルが径方向に複数配置された高温超電導コイルにおいて、
   内側からｎ番目（ただし、ｎは１以上の自然数）のコイルの最外周の外表面もしくはｎ＋１番目のコイルの最内周の内表面の少なくともどちらか一方に貼り合される可撓性を有する導体の補強線材と、
   内側からｎ番目のコイルの最外周およびｎ＋１番目のコイルの最内周を補強線材に架設される可撓性を有する金属板と、を備え、
   前記金属板は、曲線部と直線部とを組み合わせた形状、大きな曲率部と小さな曲率部とを組み合わせた形状、屈曲部と直線部とを組み合わせた形状、或いは、屈曲部と小さな曲率部とを組み合わせた形状であることを特徴とする高温超電導コイル。
2. 前記金属板には、この金属板の直線部もしくは小さな曲率部の表面の、片面もしくは両面に沿って高温超電導線材が貼り合わされていることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導コイル。
3. 前記コイルの形状は、パンケーキコイル型形状、レーストラック型形状、鞍型の形状、複数の曲線もしくは直線を組み合わせた２次元または３次元形状を含むコイルであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高温超電導コイル。
4. 前記補強線材の端辺には、前記コイルの径方向に対してテーパが設けられる請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
5. 前記テーパは、前記外表面と接触する前記補強線材を最大表面積とする複数の前記補強線材が積層されて形成される請求項４に記載の高温超電導コイル。
6. 前記補強線材の端辺は、前記コイルの巻回軸方向に対して端部に向けて細く勾配を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
7. 前記補強線材の前記コイルの周方向の長さは、前記金属板の前記周方向の長さよりも長い請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
8. 前記補強線材は、前記積層体の積層方向にかかる剥離応力に対する超電導特性の低下比率が前記高温超電導線と比較して低い高温超電導線材である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
9. 前記高温超電導線材は、ビスマス系超電導線材である請求項８に記載の高温超電導コイル。
10. 前記補強線材および前記金属板の材料の少なくとも一方は、インジウム、銅、銀、金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の少なくとも1つから選択される請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
11. 前記補強線材は、前記金属板よりも前記コイルの径方向の厚さが薄い請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
12. 前記積層体は層として基板を含み、
    前記高温超電導線の側面のうち前記基板に関して前記高温超電導層と反対側の側面に前記補強線材を設ける請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
13. 巻回されて対向する高温超電導線の対向面間の間隙に接着材が配置され、前記接着材は、前記対向面への接着力を抑制する離形処理が施されている請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
14. 前記離形処理は、フッ素樹脂テープ、パラフィン、グリース、シリコンオイルからなる群より選ばれた少なくとも一種で構成される離形層の形成による請求項１３に記載の高温超電導コイル。
15. 前記積層体の両端の層は、常電導体で組成される安定化層であり、前記両端の前記安定化層は、互いに電気的に接続されている請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。
16. 前記金属板および前記補強線材は、一体に形成される請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の高温超電導コイル。

Images