JP7420475B2 - 超電導コイル及び超電導装置 - Google Patents

Description

本開示は、超電導コイル及び超電導装置に関する。

超電導線材を巻回して得られる超電導コイルとして、超電導テープを螺旋状に巻回したソレノイドコイルが提案されている（特許文献１参照）。このソレノイドコイルでは、螺旋の端部において、超電導テープの表面と垂直な磁界成分が大きくなる。また、超電導テープを折り返して層を重ねる部分で、超電導テープに折れ曲がりが発生しやすい。そのため、超電導コイルの臨界電流が低下する。

一方、超電導テープを径方向に重なるように巻回したいわゆるパンケーキコイルが公知である。複数のパンケーキコイルを軸方向に重ねることで、多層構造の超電導コイルが形成される。

複数のパンケーキコイルを積層した超電導コイルでは、隣接する２つのパンケーキコイル同士を電気的に接続するために、パンケーキコイルの外周又は内周に導電性を有する板状の渡り部材が配置される。渡り部材は、パンケーキコイルの軸方向に延伸することで隣接する２つのパンケーキコイルの端部間に架け渡される。渡り部材は、例えば半田等の接合材によってパンケーキコイルに接合される。

特開２００７－７３６２３号公報

半田等の接合材を用いて渡り部材をパンケーキコイルに接合すると、超電導コイルへの通電時に接合材において発熱が起こる。そのため、超電導コイルの冷凍負荷が増大する。また、冷凍機が停止した際の温度上昇の速度が高くなるおそれがある。さらに、超電導コイルを励磁し永久電流モードとした場合の電流減衰も大きくなるおそれがある。

またさらに、接合作業（つまり半田付け作業）によって、パンケーキコイルを構成する超電導テープが劣化するおそれがある。また、パンケーキコイルごとに接合作業が必要であるため、製造コストの高止まりの一因となる。

本開示の一局面は、渡り部材を使用せずにパンケーキコイル同士を連結できる超電導コイルを提供することを目的としている。

本開示の一態様は、超電導テープと、少なくとも１つのスペーサと、を備える超電導コイルである。超電導テープは、径方向に重なるように巻回されると共に、互いの中心軸が一致するように配置された複数のパンケーキコイル部と、隣接する２つのパンケーキコイル部において、一方のパンケーキコイルの内側端部と、他方のパンケーキコイルの外側端部とを連結する少なくとも１つの連結部と、を有する。少なくとも１つのスペーサは、複数のパンケーキコイル部に挟まれるように配置されると共に、少なくとも１つの連結部を支持する。

このような構成によれば、パンケーキコイル部同士が、パンケーキコイルを構成する超電導テープ自身（つまり連結部）で連結される。そのため、渡り部材によるパンケーキコイル間の接続が不要となる。その結果、半田等の接合材が不要となるため、超電導コイルの冷凍負荷の増大が抑制される。また、接合作業が不要となるため、超電導テープの劣化及び超電導コイルの製造コストの増大も抑制される。

本開示の一態様では、超電導テープは、高温超電導材で構成された超電導層を有してもよい。このような構成によれば、臨界温度が高く、冷却が容易なパンケーキコイルの多層構造による高温超電導コイルを、渡り部材を用いることなく比較的容易に形成することができる。なお、高温超電導材で構成された超電導層を有する超電導テープは、一般に他の方法（例えばＮｂ_３Ｓｎのような金属間化合物で構成された超電導線におけるワインド・アンド・リアクト法）でのコイルの形成が困難である。

本開示の一態様では、複数のパンケーキコイル部において、超電導テープは、レーストラック状に巻回されてもよい。このような構成によれば、レーストラックの直線部分と曲線部分とで、超電導テープの曲げ方向を変えることができる。そのため、超電導コイルの加工性及び性能を高めることができる。

本開示の一態様は、複数のパンケーキコイル部のうち、軸方向の最も外側に位置する最外層パンケーキコイル部の外側に配置されたカバーをさらに備えてもよい。超電導テープは、最外層パンケーキコイル部の内側端部から最外層パンケーキコイル部の外側に向かって、又は、最外層パンケーキコイル部の外側端部から最外層パンケーキコイル部の内側に向かって延伸する延伸部をさらに有してもよい。カバーは、延伸部を支持してもよい。このような構成によれば、超電導コイルの２つの電極をコイルの外周側又は内周側に揃えて配置することができる。その結果、超電導コイルへの回路の接続が容易になる。

本開示の一態様では、少なくとも１つのスペーサは、超電導テープよりも伝熱性が高くてもよい。このような構成によれば、スペーサによって超電導テープの熱を外部に伝導することができる。その結果、通電時の超電導コイルの温度を低下させることができる。

本開示の別の態様は、上記超電導コイルと、超電導コイルに電気的に接続された永久電流スイッチと、を備える超電導装置である。
このような構成によれば、超電導コイルに対する冷凍負荷を低減しつつ、永久電流モードにおける電流減衰を小さくすることができる。

図１は、実施形態における超電導コイルの模式的な斜視図である。 図２は、図１の超電導コイルの一部の模式的な分解斜視図である。 図３は、図１の超電導コイルにおけるパンケーキコイル部の模式的な平面図である。 図４は、図３とは異なる実施形態のパンケーキコイル部の模式的な平面図である。 図５は、実施形態における超電導装置の模式図である。 図６Ａは、図１とは異なる実施形態における超電導コイルの模式的な斜視図であり、図６Ｂは、図６Ａの超電導コイルの一部の模式的な分解斜視図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す超電導コイル１は、一定の温度条件下で超電導状態に転移する超電導テープで構成されたソレノイドコイルである。

超電導コイル１は、例えば、超電導磁石として使用される。超電導コイル１は、超電導テープ２と、絶縁体２Ａと、複数のスペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃと、複数のカバー４Ａ，４Ｂと、コア５と、２つの電極６Ａ，６Ｂとを備える。

＜超電導テープ＞
超電導テープ２は、基材に中間層と超電導層とが積層され、さらにこれらの層が外層で被覆された公知のものである。

超電導テープ２の基材は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、銀合金等で形成される。超電導テープ２の中間層は、例えば、酸化セリウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、バリウムジルコニア等で形成される。

超電導テープ２の超電導層は、超電導材の薄膜で構成される。超電導材としては、例えば、希土類元素を含むＲＥ系超電導材、ビスマスを含むＢｉ系超電導材、ニオビウム合金、ニオビウムを含む金属間化合物、マグネシウム合金等が挙げられる。

これらの中でも、２５Ｋ以上の温度で超電導に転移する（つまり、臨界温度が２５Ｋ以上である）高温超電導材を用いることで、高温超電導コイルが得られる。上記の例では、ＲＥ系超電導材、Ｂｉ系超電導材及びマグネシウム合金超電導材が高温超電導材に含まれる。

超電導テープ２が高温超電導材で構成された超電導層を有することで、臨界温度が高く、冷却が容易なパンケーキコイルの多層構造による高温超電導コイルを、渡り部材を用いることなく比較的容易に形成することができる。

超電導テープ２の外層は、超電導層を保護すると共に、超電導層が超電導から常電導に転移した場合において、超電導層の電流をバイパスし安定化するための、導電性の層である。外層は、例えば、銀や銅等で形成される。なお、超電導テープ２は、上記以外の層を有してもよい。

超電導テープ２は、第１パンケーキコイル部２１Ａ、第２パンケーキコイル部２１Ｂ、第３パンケーキコイル部２１Ｃ及び第４パンケーキコイル部２１Ｄと、複数の連結部２２（図２参照）とを有する。複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄと複数の連結部２２とは、一本の連続した超電導テープ２によって構成されている。なお、超電導テープ２は、複数のテープを連結して一本の長尺のテープに加工したものであってもよい。

（パンケーキコイル部）
複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄは、それぞれ、径方向に重なるように渦巻き状に超電導テープ２が巻回された部位である。パンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄは、互いの中心軸が一致するように（つまり同軸上に）、厚み方向に重ねて配置されている。複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄの間には、後述するスペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃが１つずつ配置されている。

各パンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄは、図２に矢印で示すように、巻回方向が同じである。つまり、超電導テープ２は、超電導コイル１において、超電導コイル１の中心軸Ｌ１を中心として、一定の方向に巻回されている。

図３に示すように、第１パンケーキコイル部２１Ａは、中心に空隙を有する円盤状である。なお、図３は、第１パンケーキコイル部２１Ａを図１の左側から視た状態を示している。

第１パンケーキコイル部２１Ａにおいて、巻回された超電導テープ２の間には、絶縁体２Ａが配置されている。つまり、超電導テープ２は、絶縁体２Ａと重ねられた状態で巻回されている。絶縁体２Ａは、例えば、巻回された超電導テープ２の間に含浸した樹脂、超電導テープ２に塗布された樹脂、ガラス繊維、樹脂テープ等で形成される。

第１パンケーキコイル部２１Ａの中心の空隙には、後述するコア５が配置されている。第１パンケーキコイル部２１Ａの形状は特に限定されない。例えば、第１パンケーキコイル部２１Ａは、図３のように円型（より具体的には真円型）とすることができる。また、第１パンケーキコイル部２１Ａは、図４のように、超電導テープ２がレーストラック状に巻回されたレーストラック型であってもよい。

パンケーキコイル部をレーストラック型とすることで、レーストラックの直線部分と曲線部分とで、超電導テープ２の曲げ方向を変えることができる。例えば、直線部分でエッジワイズ方向に超電導テープ２を曲げ、かつ、曲線部分でフラットワイズ方向に超電導テープ２を曲げることで、超電導コイル１の加工性及び性能を高めることができる。

残りのパンケーキコイル部２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄは、第１パンケーキコイル部２１Ａと同じ形状を有する。複数のパンケーキコイル部の大きさ（つまり外径及び内径）は略同じである。

なお、超電導コイル１が有するパンケーキコイル部の数は、２以上であれば特に限定されない。ただし、本開示により得られる効果を最大化する観点から、パンケーキコイル部の数は３以上であるとよい。

（連結部）
図２に示すように、連結部２２は、隣接する２つのパンケーキコイル部（例えば、第１パンケーキコイル部２１Ａ及び第２パンケーキコイル部２１Ｂ）において、一方のパンケーキコイルの内側端部と、他方のパンケーキコイルの外側端部とを連結している。図２では、第１パンケーキコイル部２１Ａの内側端部と、第２パンケーキコイル部２１Ｂの外側端部とが、連結部２２によって連結されている。

連結部２２は、複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄを構成している超電導テープ２の一部である。連結部２２は、後述する第１スペーサ３Ａに設けられた溝に配置されている。連結部２２は、第１スペーサ３Ａによって、パンケーキコイル部の回転方向と同じ向きに、コア５の外側において弧を描くように引き回されている。複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄと連結部２２の繋がり部分（つまり切り替わり部分）では、エッジワイズ方向に超電導テープ２が曲げられている。

第２パンケーキコイル部２１Ｂと第３パンケーキコイル部２１Ｃとの間（つまり第２スペーサ３Ｂ）、及び第３パンケーキコイル部２１Ｃと第４パンケーキコイル部２１Ｄとの間（つまり第３スペーサ３Ｃ）にも、それぞれ、連結部２２が配置されている。

＜スペーサ＞
第１スペーサ３Ａ、第２スペーサ３Ｂ、及び第３スペーサ３Ｃは、それぞれ、複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄに挟まれるように配置されている。つまり、複数のパンケーキコイル部の間には、１つずつスペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃが配置されている。

スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、連結部２２をカーブした状態でそれぞれ支持する板状の部材である。本実施形態では、スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、それぞれパンケーキコイル部と略同じ平面形状を有する円盤である。

スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの材質は特に限定されず、金属、樹脂、セラミック等が使用できる。一方で、アルミニウム合金や炭素繊維強化プラスチック等の伝熱性の高い材料でスペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃを形成することで、スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの伝熱性を超電導テープ２よりも高めることができる。これにより、スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃによって超電導テープ２の熱を外部に伝導することができ、通電時の超電導コイル１の温度を低下させることができる。

また、ガラス繊維強化プラスチック等の絶縁材料、又は炭素繊維強化プラスチックやニッケル合金等の高電気抵抗率材料でスペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃを形成することで、スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの発熱が抑制される。これにより、超電導コイル１を励磁消磁する際の温度上昇を抑制することができる。

＜カバー＞
第１カバー４Ａ及び第２カバー４Ｂは、図１に示すように、複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄのうち、軸方向の最も外側に位置する最外層パンケーキコイル部（つまり、第１パンケーキコイル部２１Ａ及び第４パンケーキコイル部２１Ｄ）の外側にそれぞれ配置されている。

カバー４Ａ，４Ｂは、スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃと同じ形状を有する板状の部材である。また、カバー４Ａ，４Ｂの材質は、スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃと同様に、金属、樹脂、セラミック等が使用できる。カバー４Ａ，４Ｂの伝熱性は超電導テープ２よりも高いとよい。また、カバー４Ａ，４Ｂは絶縁性又は高電気抵抗率を有するとよい。

＜コア＞
コア５は、複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄを貫通するように配置された円筒状の部材である。つまり、超電導テープ２は、コア５の外周面に巻回されている。コア５は、例えばガラス繊維プラスチック等の絶縁材料で形成される。

＜電極＞
第１電極６Ａ及び第２電極６Ｂは、超電導コイル１に回路を接続するための接続端子を構成している。

第１電極６Ａは、第１パンケーキコイル部２１Ａの外側端部（つまり超電導コイル１の巻き終わり点）に電気的に接続されると共に、超電導コイル１の外周面に配置されている。第２電極６Ｂは、第４パンケーキコイル部２１Ｄの内側端部（つまり超電導コイル１の巻き始め点）に電気的に接続されると共に、超電導コイル１の内周面に配置されている。

＜超電導装置＞
図５に示す超電導装置１０は、超電導コイル１と、永久電流スイッチ１１と、励磁電源１２とを備える。

超電導装置１０では、超電導コイル１の電極６Ａ，６Ｂに永久電流スイッチ１１と励磁電源１２とが、それぞれ電気的に接続されている。永久電流スイッチ１１を含む回路と、励磁電源１２を含む回路とは、独立している。

超電導装置１０では、まず、永久電流スイッチ１１が開の状態で励磁電源１２から超電導コイル１に電流が供給される。その後、永久電流スイッチ１１を閉とし、励磁電源１２からの電流供給を停止することで、超電導装置１０は超電導コイル１に電流が長期的に流れる永久電流モードに切り替わる。

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）パンケーキコイル部同士が、パンケーキコイルを構成する超電導テープ２自身（つまり連結部２２）で連結される。そのため、渡り部材によるパンケーキコイル間の接続が不要となる。その結果、半田等の接合材が不要となるため、超電導コイル１の冷凍負荷の増大が抑制される。また、接合作業が不要となるため、超電導テープ２の劣化及び超電導コイル１の製造コストの増大も抑制される。

（１ｂ）超電導コイル１を永久電流スイッチ１１に電気的に接続した超電導装置１０において、超電導コイル１に対する冷凍負荷を低減しつつ、永久電流モードにおける電流減衰を小さくすることができる。

［２．第２実施形態］
［２－１．構成］
図６Ａに示す超電導コイル１Ａは、図１の超電導コイル１において、超電導テープ２に延伸部２３（図６Ｂ参照）を追加したものである。

延伸部２３は、一方の最外層パンケーキコイル部（つまり、第４パンケーキコイル部２１Ｄ）の内側端部から、この最外層パンケーキコイル部の外側に向かって延伸している。延伸部２３は、複数のパンケーキコイル部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄを構成している超電導テープ２の一部である。

延伸部２３は、第２カバー４Ｂに設けられた溝に配置されることで、第２カバー４Ｂに支持されている。延伸部２３は、連結部２２と同様に、パンケーキコイル部の回転方向と同じ向きに、コア５の外側において弧を描くように引き回されている。

本実施形態では、第２電極６Ｂは、延伸部２３における第４パンケーキコイル部２１Ｄとは反対側の端部（つまり、超電導テープ２の端部）に電気的に接続されると共に、超電導コイル１Ａの外周面に配置されている。つまり、本実施形態では、第１電極６Ａと第２電極６Ｂとが共に超電導コイル１Ａの外周側に配置されている。

なお、延伸部２３は、第１パンケーキコイル部２１Ａの外側端部から第１パンケーキコイル部２１Ａの内側に向かって延伸してもよい。このような延伸部２３は、第１カバー４Ａに支持される。この場合には、第１電極６Ａが延伸部２３の端部に電気的に接続されることで、第１電極６Ａと第２電極６Ｂとが共に超電導コイル１Ａの内周側に配置される。

［２－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）延伸部２３によって、超電導コイル１Ａの２つの電極６Ａ，６Ｂをコイルの外周側又は内周側に揃えて配置することができる。その結果、超電導コイル１Ａへの回路の接続が容易になる。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（３ａ）上記実施形態の超電導コイル１，１Ａにおいて、スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの形状は必ずしも円盤でなくてもよい。スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、連結部２２をカーブした状態で支持することができれば、円盤以外の形状であってもよい。また、スペーサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、複数のパーツから構成されてもよい。

（３ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１，１Ａ…超電導コイル、２…超電導テープ、２Ａ…絶縁体、
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…スペーサ、４Ａ，４Ｂ…カバー、５…コア、６Ａ，６Ｂ…電極、
１０…超電導装置、１１…永久電流スイッチ、１２…励磁電源、
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ…パンケーキコイル部、２２…連結部、
２３…延伸部、Ｌ１…超電導コイルの中心軸。

Claims (5)

1. 超電導テープと、
   少なくとも１つのスペーサと、
   を備え、
   前記超電導テープは、
   径方向に重なるように巻回されると共に、互いの中心軸が一致するように軸方向に重ねて配置された複数のパンケーキコイル部と、
   隣接する２つの前記パンケーキコイル部において、一方のパンケーキコイルの内側端部と、他方のパンケーキコイルの外側端部とを連結する少なくとも１つの連結部と、
   を有し、
   前記少なくとも１つのスペーサは、前記超電導テープよりも伝熱性が高く、前記複数のパンケーキコイル部に挟まれるように配置されると共に、前記少なくとも１つの連結部を螺旋状にカーブした状態で支持する面を有する、超電導コイル。
2. 請求項１に記載の超電導コイルであって、
   前記超電導テープは、高温超電導材で構成された超電導層を有する、超電導コイル。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超電導コイルであって、
   前記複数のパンケーキコイル部において、前記超電導テープは、レーストラック状に巻回される、超電導コイル。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイルであって、
   前記複数のパンケーキコイル部のうち、軸方向の最も外側に位置する最外層パンケーキコイル部の外側に配置されたカバーをさらに備え、
   前記超電導テープは、前記最外層パンケーキコイル部の内側端部から前記最外層パンケーキコイル部の外側に向かって、又は、前記最外層パンケーキコイル部の外側端部から前記最外層パンケーキコイル部の内側に向かって延伸する延伸部をさらに有し、
   前記カバーは、前記延伸部を支持する、超電導コイル。
5. 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と、
   前記超電導コイルに電気的に接続された永久電流スイッチと、
   を備える、超電導装置。

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