JPH11186025A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却効率を高めることが可能な超電導コイル
の構造を提供する。 【解決手段】 超電導コイル１０は複数個のダブルパン
ケーキコイル１が積層された構造を有する。ダブルパン
ケーキコイル１はコイル軸方向に積重ねられている。各
ダブルパンケーキコイル１の間に冷却板２が配置されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超電導コイルに
関し、特定的には、小電力で大きな磁場を発生すること
ができるので、磁気分離、結晶引上げなどの各種用途に
適用可能な、特に比較的高温下で使用が可能な酸化物高
温超電導コイルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、銅などの常電導体を巻いたコイル
や液体ヘリウム温度で超電導現象を示す金属系超電導体
を巻いたコイルが用いられてきた。

【０００３】しかしながら、銅線を巻いたコイルで高磁
場を発生させようとすると、発熱が大きいので、水など
を強制的に流してコイルを冷却する必要があった。その
ため、常電導体を巻いたコイルは、消費電力が大きい、
コンパクト性に欠ける、メンテナンスが困難である等の
問題があった。

【０００４】また、金属系超電導体を巻いたコイルは、
極低温（温度４Ｋ付近）まで冷却する必要があり、冷却
コストが高くなるという問題があるだけでなく、比熱の
小さい極低温下でコイルを使用するため、安定性が悪
く、クエンチを起こしやすいという特性を有していた。

【０００５】ところが、酸化物高温超電導コイルは、金
属系超電導コイルに比べて比較的高温下で使用すること
ができるため、比熱の大きな領域での使用が可能にな
り、安定性が抜群に良好であることがわかっており、よ
り使い易い超電導マグネット用超電導コイルとして実用
化が期待されている。

【０００６】酸化物高温超電導線は、液体窒素温度で超
電導現象を示すが、液体窒素温度では臨界電流密度とそ
の磁場特性が比較的よくない。そのため、酸化物高温超
電導コイルは、液体窒素温度では、低磁場を発生させる
コイルとして使用されているのが現状である。

【０００７】また、酸化物高温超電導コイルは、液体窒
素温度以下ではより高性能なコイルとして使用可能であ
るが、実用に適した冷媒として液体ヘリウムはコストが
高く取扱いが煩雑である。そのため、運転コストが安
く、かつ取扱いが容易な冷凍機を用いて酸化物高温超電
導コイルを極低温に冷却して使用する試みがなされてい
る。

【０００８】従来、浸漬冷却型の金属系超電導コイルの
運転においては、クエンチを防止するために臨界電流よ
りもかなり小さい電流で運転し、発熱のほとんどない状
態で超電導コイルを使用する、あるいは超電導線の中に
強制的に冷媒を流したり、超電導線のまわりに冷媒が十
分通過し得るように隙間をあけて超電導コイルを冷却し
た状態で使用していた。

【０００９】一方、最近の伝導冷却型の超電導コイル
は、コイルのまわりから伝導冷却され、コイルの発熱が
ほとんどない状態で使用されている。

【００１０】酸化物高温超電導コイルも金属系超電導コ
イルと同様な手法で冷却することは可能である。しか
し、酸化物高温超電導線は、臨界温度が高く、常電導転
移が緩やかであるために安定性が高く、クエンチし難
い。したがって、酸化物高温超電導コイルを臨界電流付
近までの高い電流で運転することが期待されている。臨
界電流付近までの電流で超電導コイルを運転するために
は超電導コイルの冷却を十分に行なう必要があり、特に
冷凍機を用いた伝導冷却方法においては、微小な発熱に
よって温度を上昇させることなく、超電導コイルを冷却
する必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】冷凍機による伝導冷却
では、冷却能力と冷却パスが制限されるため、効率的な
冷却は困難である。

【００１２】従来の方法では、コイルのまわりからのみ
伝導冷却が行なわれる。超電導線はコイル内のターン間
で電気的に絶縁されているが、その絶縁のために使用さ
れる材料は熱伝導が非常に悪いので、コイルのまわりか
らの伝導冷却ではコイルの内部まで低い熱抵抗で冷却す
ることは困難である。つまり、コイルの内部で小さな発
熱が起こると、コイルの温度上昇が非常に大きくなる。
したがって、従来の冷却方法ではコイルに許容される発
熱は非常に小さくなり、運転電流は臨界電流よりもかな
り小さな値となる。

【００１３】酸化物高温超電導コイルは、酸化物高温超
電導線の安定性が高いために臨界電流により近い電流で
運転することが期待されている。また、酸化物高温超電
導コイルにおいてはｎ値（電流−電圧特性の立上がり
方）が小さいために、臨界電流より小さい電流の運転で
少しずつコイルが発熱する傾向にある。以上のことか
ら、酸化物高温超電導コイルを運転するためには従来よ
りも効率的な冷却が要求される。

【００１４】なお、ｎ値は下記の関係式で用いられる。

【００１５】

【数１】

【００１６】また、酸化物超電導体は、磁場異方性を持
っている。酸化物超電導体を配向するように成形された
超電導線材は磁場異方性を示し、Ｃ軸に並行な磁場に対
して弱く、臨界電流密度の低下がより大きい。酸化物超
電導体は、テープ状に成形すると通常テープ面に垂直に
Ｃ軸が配向する。

【００１７】ところで、特開平８−３１６０２２号公報
には、絶縁導線の相互間の摩擦熱を抑制し、超電導線と
冷凍機との間の冷却性能を高めるようにした超電導コイ
ルの構造が開示されている。その開示された構造では、
４００℃以上の熱処理を加えると所定の材質になる超電
導線に、無機絶縁層あるいは無機化する絶縁層を被覆し
て絶縁導線とし、かつ絶縁導線を巻回して巻線部を形成
した後、熱処理を加えて構成される超電導コイルにおい
て、熱処理温度で軟化または溶融するアルミニウム、あ
るいはアルミニウム合金等の固着材を絶縁導線の巻回時
に巻線部に巻込んでいる。この超電導コイルは、いわゆ
るワインド・アンド・リアクト法（コイル巻線後、反応
熱処理によって超電導体を生成させる方法）によって製
造される。

【００１８】しかしながら、この超電導コイルにおいて
は、以下のような問題点があった。まず、この超電導コ
イルでは４００℃以上の熱処理をする必要がある。その
ため、絶縁層を構成する材料は限定されるので、自由度
が小さくなる。通常、その絶縁層の材料として厚みが大
きなものが用いられる。その結果、超電導コイルを構成
する線材の占める割合が小さくなり、超電導コイルの性
能が低下することになる。

【００１９】また、上記の超電導コイルにおいて熱処理
は不活性ガス中、または還元ガス中で行なう必要があ
る。酸素雰囲気中で熱処理を行なうと、固着材として用
いられるアルミニウムまたはアルミニウム合金が酸化す
る。これにより、熱伝導特性が劣化する。一方、酸化物
高温超電導体からなる超電導線を用いる場合、不活性ガ
ス中、または還元ガス中で熱処理を行なうと、臨界温
度、臨界電流密度等の超電導特性が劣化する。

【００２０】さらに、上記の超電導コイルの構造では、
固着材が絶縁層を介して超電導線に熱的に接続されてい
る。絶縁層は、金属に比べて熱伝導率が低い。そのた
め、冷却特性が劣化する。

【００２１】そこで、この発明の目的は、上記のような
問題点を解消することであり、冷却効率を高めることが
可能な超電導コイルの構造を提供することである。

【００２２】また、この発明の目的は、反応熱処理によ
って超電導体を生成した後の超電導線をコイル巻線する
方法（リアクト・アンド・ワインド法）によって製造さ
れる超電導コイルにおいて、冷却効率をより高めること
が可能な超電導コイルの構造を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明に従った超電導
コイルは、複数個のパンケーキコイルが積層された構造
を有する超電導コイルであって、超電導導体が巻かれた
第１のパンケーキコイルと、その第１のパンケーキコイ
ルの上でコイル軸方向に積重ねられた、超電導導体が巻
かれた第２のパンケーキコイルと、第１のパンケーキコ
イルと第２のパンケーキコイルとの間に介在するように
配置された冷却板とを備える。

【００２４】上述のように構成された超電導コイルにお
いては冷却板が第１と第２のパンケーキコイルの間に介
在するように配置されているので、コイルの発熱を直接
的に冷却することができる。これにより、コイルの熱抵
抗を小さくすることができ、コイルの温度上昇を小さく
することができる。なお、冷却板の材質は、熱伝導の良
いものが好ましいが、特に制限されるものではない。

【００２５】この発明の超電導コイルにおいては、好ま
しくは、コイル軸に対して垂直な方向に磁場が生じる部
分に冷却板が配置される。

【００２６】このように冷却板を配置することにより、
コイル軸方向に対して垂直な方向に外部から磁場が加え
られやすい部分または磁場が発生しやすい部分に冷却板
が配置されることになり、発熱の大きいコイルの部分に
冷却板を配置することができる。そのため、冷却板の配
置によるコイルパッキング率の低下を最低限に抑えた状
態でコイルの発熱を効率的に抑制することができる。こ
こで、コイルパッキング率とは、超電導コイル全体が占
める外容積に対して、超電導コイルを構成する超電導導
体自身が占める体積の割合をいう。

【００２７】この発明の超電導コイルにおいて、好まし
くは、冷却板は、超電導コイルにおいてコイル軸方向の
端部に配置される。

【００２８】このように冷却板を配置することにより、
ビスマス系超電導線を用いた超電導コイルではコイル端
部の発熱が大きいため、コイルの温度上昇を効率的に抑
制することができる。

【００２９】また、この発明の超電導コイルにおいて、
冷却板は、冷凍機からの伝導により冷却されるように配
置されるのが好ましい。

【００３０】この発明に従って複数個のパンケーキコイ
ル間に冷却板を配置することによってコイルを冷却する
方法は、コイルを冷媒に浸漬して冷却する形態において
も有効であるが、従来から冷却が困難な、冷凍機からの
伝導による冷却形態に本発明を適用すれば、コイルの温
度上昇をより効果的に抑制することが可能となる。

【００３１】好ましくは、この発明の超電導コイルは真
空中に配置される。超電導コイルを真空中に配置する
と、熱絶縁が容易になり、クライオスタットのコンパク
ト化が可能であるが、超電導コイルは熱伝導のみでしか
冷却されなくなる。このような場合に本発明の超電導コ
イルの構造を適用すれば、超電導コイルをより効果的に
冷却することが可能となる。

【００３２】この発明の超電導コイルを構成する超電導
導体は、テープ状の形態を有する超電導線から構成され
ているのが好ましい。

【００３３】本発明の超電導コイルに使用する線材の形
状に制限はないが、テープ状の形態の超電導線を用いる
とパンケーキコイルの製造が容易であり、冷却板を複数
個のコイルの間に配置することも容易となる。

【００３４】この発明の超電導コイルを構成する超電導
導体は、酸化物超電導体を含むのが好ましい。

【００３５】本発明の超電導コイルの構造は、超電導体
の種類に関して制限はないが、安定性の高い酸化物高温
超電導体を用いたコイルに適用すれば、より効果的であ
る。

【００３６】酸化物高温超電導体の複合材として用いら
れる材料は、熱伝導度の良好な銀または銀合金が望まし
いが、特に制限されるものではない。

【００３７】また、その酸化物超電導体はビスマス系超
電導体であるのが好ましい。ビスマス系超電導体は酸化
物高温超電導体の中でも特に安定性が高いので、本発明
の超電導コイルにビスマス系超電導体を適用することに
より、上述の効率的な冷却がより効果的に発揮され得
る。

【００３８】この発明の超電導コイルの冷却特性をさら
に向上させるためには、冷却板として良好な熱伝導体を
使用する必要がある。しかし、良好な熱伝導体は一般的
に電気的には低抵抗体である。電気的な低抵抗体は、コ
イルを励磁および減磁させるとき（以下、「励減磁時」
という）のように磁場が変化する際に渦電流損失が生
じ、結果として発熱が生ずる。伝導冷却型の超電導コイ
ルにおいては、熱をよく通すが、コイルの励減磁時に発
熱が生じないような構造の冷却板を用いる必要がある。

【００３９】そこで、この発明の超電導コイルにおい
て、好ましくは、冷却板にはスリットが形成されてい
る。

【００４０】冷却板にスリットを形成することにより、
コイルの励減磁時において交流損失、特に渦電流損失に
よる発熱を最小限に抑制することができる。その結果、
常に効率よく超電導コイルを冷却することが可能とな
る。

【００４１】さらに好ましくは、冷却板に形成されるス
リットは、コイル軸を中心とした円周方向に沿って形成
される。

【００４２】コイル軸を中心とした円周方向にスリット
を形成することにより、コイル軸の円周方向に沿った熱
伝導方向、すなわち円周方向に沿った冷却板による冷却
特性を低下させることなく、渦電流損失による発熱を抑
制することができるので、より効果的に超電導コイルを
冷却することが可能となる。

【００４３】超電導コイルの冷却はコイル軸方向を主体
として行なわれる。しかしながら、コイル軸方向の圧縮
力が弱いと、接触熱抵抗が大きくなるため、超電導コイ
ルの冷却効率が悪くなる。そこで、コイル軸方向に常に
一定の圧縮力がコイルに加えられるように超電導コイル
を構成するのが好ましい。

【００４４】好ましくは、この発明の超電導コイルにお
いてはコイル軸方向に０．０５ｋｇ／ｍｍ² 以上３ｋｇ
／ｍｍ² 以下の圧縮力が加えられる。さらに好ましく
は、コイル軸方向に０．２ｋｇ／ｍｍ² 以上３ｋｇ／ｍ
ｍ² 以下の圧縮力が加えられる。このように一定範囲の
圧縮力がコイル軸方向に加えられることにより、接触熱
抵抗を低減させることができる。ただし、大きな圧縮力
を用いると、コイル自体がその圧縮力に耐えることがで
きずに劣化してしまう。

【００４５】また、上記のようにコイル軸方向に圧縮力
を加えるための手段としては、ばねを用いることが有効
である。超電導コイルは、通常、室温下で製作し、極低
温下で使用するため、熱歪みによる力もコイルに加えら
れるため、圧縮力のコントロールは、ばねを使用しない
と困難である。すなわち、ばねを用いてコイル軸方向に
圧縮力を加えることにより、冷却歪みに左右されること
なく、所定の圧縮力をコイル軸方向に加えることが可能
となる。

【００４６】

【実施例】（実施例１）ビスマス系酸化物超電導体、主
に２２２３相（Ｂｉ_x Ｐｂ_1-x ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ ₂ Ｃｕ₃
Ｏ_Y からなる超電導体が銀によって被覆された超電導線
材を準備した。テープ状の超電導線材の幅は３．６±
０．４ｍｍ、厚みが０．２３±０．０２ｍｍであった。
このテープ状の超電導線を３本重ね合わせて、その重ね
合わせられた超電導線の上に順次、厚み約０．１ｍｍの
ＳＵＳ３１６のステンレステープ、厚み約１５μｍのポ
リイミドテープを重ね合わせた。このようにして構成さ
れたテープ状の複合体をボビンのまわりに巻付けて、内
径６５ｍｍ、外径約２５０ｍｍ、高さ約８ｍｍのダブル
パンケーキコイルを製作した。銀で被覆されたビスマス
系超電導線材は、ビスマス系超電導体に対する銀の断面
積比率が２．４のとき臨界電流が約３０Ａ（７７Ｋ）で
あるものを使用した。

【００４７】上述のように製作したダブルパンケーキコ
イルを１２個積層し、各コイル間を接合した。ダブルパ
ンケーキコイル間は、厚み０．１ｍｍのＦＲＰシートを
介在させることによって電気絶縁した。

【００４８】このようにして得られた超電導コイル１０
は、図１に示すように１２個のダブルパンケーキコイル
１がコイル軸方向に積重ねられた構造を有する。超電導
コイル１０の上側には銅板３が配置され、下側には銅板
４が配置された。このようにして、超電導コイル１０は
円板状の銅板３と４で挟み込まれるように固定された。
各ダブルパンケーキコイル１の間に銅製のほぼ円板状の
冷却板２を配置した。このとき、コイルパッキング率は
７１％であった。

【００４９】（実施例２）実施例１と同様にして図２に
示すように超電導コイル１０を製作した。超電導コイル
１０のコイル軸方向の端部のみに、ほぼ円板状の銅製の
冷却板２を配置した。このとき、コイルパッキング率は
７７％であった。

【００５０】（比較例）実施例１と同様にして図３に示
すように超電導コイル１０を製作した。このとき、ダブ
ルパンケーキコイル１の間には冷却板を配置しなかっ
た。コイルパッキング率は８０％であった。

【００５１】実施例１、実施例２および比較例で製作さ
れた超電導コイル１０は銅板３と４で挟み込まれるよう
に固定された。冷却板２、銅板３と４は、冷凍機のコー
ルドヘッドに接続された熱伝導用バー５に固着された。

【００５２】さらに、図４に示すように、熱伝導用バー
５を冷凍機２０のコールドヘッドのセカンドステージ２
２に熱的に接続した。コールドヘッドのセカンドステー
ジ２２は、コールドヘッドのファーストステージ２１を
介して冷凍機２０から延びている。

【００５３】超電導コイル１０には酸化物高温超電導線
からなる電流リード１１が接続された。電流リード１１
にはさらに酸化物高温超電導線からなる電流リード１２
が接続された。この電流リード１２には銅線からなる電
流リード１３が接続された。このようにして、電流リー
ドは、超電導コイル１０からファーストステージ２１の
温度アンカ部までは酸化物高温超電導線を用いて熱侵入
を抑制し、ファーストステージ２１の温度アンカ部から
室温状態の箇所までは銅線を用いた。超電導コイル１０
は真空容器３０の中に収容された。真空容器３０には熱
シールド板３１が設けられた。これにより、超電導コイ
ル１０は輻射熱から遮蔽された。さらに真空容器３０を
収容するように真空容器４０が設けられた。

【００５４】このようにして構成された冷却装置を用い
て実施例１、実施例２および比較例の超電導コイルに電
流を流してコイルの各部分の温度を測定した。

【００５５】表１は、初期冷却特性（通電電流が０Ａの
とき）を示す。

【００５６】

【表１】

【００５７】表１に示すように、初期冷却特性として
は、比較例、実施例１および実施例２のいずれの超電導
コイルの構造においてもコイルの各部分の温度は同一で
あった。

【００５８】通電試験として各通電電流値において１０
分間保持した後の超電導コイルの各部分で測定した温度
を表２（実施例１）、表３（実施例２）および表４（比
較例）に示す。

【００５９】

【表２】

【００６０】

【表３】

【００６１】

【表４】

【００６２】表２〜表４の結果から、冷却板をダブルパ
ンケーキコイルの間に配置した方が超電導コイルの各部
分の温度が低く、超電導コイルの全体が効率的に冷却さ
れていることがわかる。特に、通電電流値が大きくなる
と、超電導コイルの発熱が大きくなるので、その効果が
大きく現れることがわかる。本実施例の超電導線はテー
プ面に対して垂直方向の磁場に弱いため、それによって
超電導コイルのコイル軸方向の端部における発熱が大き
くなるため、超電導コイルの端部のみに冷却板が配置さ
れた実施例２と、各ダブルパンケーキコイルの間に冷却
板が配置された実施例１とでは、あまり冷却効果に違い
はなかった。なお、実施例２において、運転電流が２０
０Ａのとき、約１Ｗ、運転電流が２４０Ａのとき、約８
Ｗの発熱量が超電導コイルにおいて測定された。

【００６３】（実施例３）ビスマス系酸化物超電導体、
主に２２２３相（Ｂｉ_X Ｐｂ_1-X ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ ₂ Ｃｕ
₃ Ｏ_Y からなる超電導体が銀によって被覆された超電導
線材を準備した。テープ状の超電導線材の幅は３．６±
０．４ｍｍ、厚みが０．２３±０．０２ｍｍであった。
このテープ状の超電導線を３本重ね合わせて、その重ね
合わせられた超電導線の上に順次、厚み約０．０５ｍｍ
のＳＵＳ３１６のステンレステープ、厚み約１５μｍの
ポリイミドテープを重ね合わせた。このようにして構成
されたテープ状の複合体をボビンのまわりに巻付けて、
内径８０ｍｍ、外径約２５０ｍｍ、高さ約８ｍｍのダブ
ルパンケーキコイルを製作した。銀で被覆されたビスマ
ス系超電導線材は、ビスマス系超電導体に対する銀の断
面積比率が２．４のとき臨界電流が３０〜４０Ａ（７７
Ｋ）であるものを使用した。

【００６４】上述のように製作したダブルパンケーキコ
イルを１２個積層し、各コイル間を接合した。ダブルパ
ンケーキコイル間は、厚み０．１ｍｍのＦＲＰシートを
介在させることによって電気絶縁した。

【００６５】このようにして得られた超電導コイル１０
は、図１に示すように１２個のダブルパンケーキコイル
１がコイル軸方向に積重ねられた構造を有する。超電導
コイル１０の上側には銅板３が配置され、下側には銅板
４が配置された。このようにして、超電導コイル１０は
円板状の銅板３と４で挟み込まれるように固定された。
各ダブルパンケーキコイル１の間に銅製のほぼ円板状の
冷却板２を配置した。冷却板２、銅板３と４は、冷凍機
のコールドヘッドに接続された熱伝導用バー５に固着さ
れた。このとき、コイルパッキング率は８０％であっ
た。

【００６６】さらに、図４に示すように、熱伝導用バー
５を冷凍機２０のコールドヘッドのセカンドステージ２
２に熱的に接続した。コールドヘッドのセカンドステー
ジ２２は、コールドヘッドのファーストステージ２１を
介して冷凍機２０から延びている。

【００６７】超電導コイル１０には酸化物高温超電導線
からなる電流リード１１が接続された。電流リード１１
にはさらに酸化物高温超電導線からなる電流リード１２
が接続された。この電流リード１２には銅線からなる電
流リード１３が接続された。このようにして、電流リー
ドは、超電導コイル１０からファーストステージ２１の
温度アンカ部までは酸化物高温超電導線を用いて熱侵入
を抑制し、ファーストステージ２１の温度アンカ部から
室温状態の箇所までは銅線を用いた。超電導コイル１０
は真空容器３０の中に収容された。真空容器３０には熱
シールド板３１が設けられた。これにより、超電導コイ
ル１０は輻射熱から遮蔽された。さらに真空容器３０を
収容するように真空容器４０が設けられた。

【００６８】このようにして構成された冷却装置を用い
て超電導コイルに電流を流してコイルの励減磁時におけ
るコイル温度を測定した。このとき、図１の各ダブルパ
ンケーキコイル１の間に配置される冷却板２の構造とし
て３種類のものを採用した。図５〜図７は、それぞれ、
冷却板の構造１、構造２、構造３を示す平面図である。

【００６９】図５に示す構造１では、冷却板２はドーナ
ツ状部分２０１と熱伝導用バー側の部分２０３とからな
り、ドーナツ状部分２０１の中央には孔２０２が形成さ
れている。

【００７０】図６に示す構造２では、冷却板２はドーナ
ツ状部分２０１と熱伝導用バー側の部分２０３とからな
り、ドーナツ状部分２０１の中央には孔２０２が形成さ
れるとともに、ドーナツ状部分２０１の外周部から内周
部に向かって半径方向スリット２０４が形成されてい
る。また、図６において上下方向に１つの分断スリット
２０５がドーナツ状部分２０１の外周から内周に向かっ
て延び、円周方向を分断するように形成されている。

【００７１】図７に示す構造３では、冷却板２はドーナ
ツ状部分２０１と熱伝導用バー側の部分２０３とからな
り、ドーナツ状部分２０１の中央には孔２０２が形成さ
れるとともに、それぞれ直径の異なる円周方向スリット
２０６がドーナツ状部分２０１の外周と内周との間に複
数本形成されている。また、図７の上下方向には１つの
分断スリット２０５がドーナツ状部分２０１の外周から
内周に向かって延び、ドーナツ状部分２０１の円周方向
を分断するように形成されている。

【００７２】超電導コイルの励減磁は、電気抵抗による
発熱が小さい通電電流値が２００Ａのときに行なわれ、
スイープ速度を１分とした。励減磁時のコイルの温度特
性の測定結果は表５に示される。

【００７３】

【表５】

【００７４】表５に示すように、スリットを形成しない
冷却板を用いた構造１ではコイル温度が２０Ｋであるの
に対し、半径方向に複数本のスリットを形成した構造２
では１９Ｋと低い値を示し、さらに円周方向に複数本の
スリットを形成した構造３では１７Ｋとより低いコイル
温度を示した。このことから、分断スリット２０５を冷
却板２に形成することにより、冷却板２における渦電流
損失を低下させ、それによる発熱を最小限に抑制するこ
とができることがわかる。また、構造３は構造２に比べ
てコイルの冷却効率が良好であることを示したのは、構
造２では複数本の半径方向スリット２０４が形成される
ことにより円周方向の熱伝導が少し低下するのに対し、
構造３では円周方向スリット２０６が円周方向の熱伝導
を保持した状態で、すなわち冷却特性を低下させずに渦
電流損失による発熱を抑制することができるためである
と考えられる。

【００７５】なお、通電電流値が２００Ａで１時間保持
した後の超電導コイルの温度は、構造１〜３のいずれの
冷却板を採用した場合も、ほぼ同じであり、１２Ｋであ
り、励減磁を行なわないときには冷却特性に変化はなか
った。

【００７６】（実施例４）実施例３と同様にして図９に
示すような超電導コイル１０を製作した。図９に示す超
電導コイルでは、図２に示す超電導コイルにコイル軸方
向に圧縮力を加えるために、銅板３の上にばね１０１を
配置した。図示されていないが、複数個のばね１０１を
銅板３の上で円周状に配置した。ばね１０１はボルト１
０２とナット１０３，１０４を用いて固定された。超電
導コイル１０のコイル軸方向の端部のみに、ほぼ円板状
の銅製の冷却板２を配置した。このとき、冷却板の構造
は図５に示す構造１のものを採用した。実施例３と同様
に図４に示すように冷凍機を構成し、コイル温度を測定
した。コイル温度は、コイル軸方向に加えられる圧縮力
を変化させてそれぞれの圧縮力のときの温度を測定し
た。通電電流値は２９５Ａであり、超電導コイル全体で
１Ｗの発熱が生じていた。コイル軸に加えられる各圧縮
力において測定された超電導コイルの各部分の温度は表
６に示される。

【００７７】

【表６】

【００７８】表６の結果から、コイル軸方向の圧縮力が
０．０５ｋｇ／ｍｍ² 以上であればコイル中心部におい
ても冷却効果が現れ、０．２ｋｇ／ｍｍ² 以上になると
超電導コイルの各部分の温度が低く保たれ、コイル全体
が効率的に冷却されていることがわかる。

【００７９】（実施例５）ビスマス系酸化物超電導体、
主に２２２３相（Ｂｉ_X Ｐｂ_1-X ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ ₂ Ｃｕ
₃ Ｏ_Y からなる超電導体が銀によって被覆された超電導
線材を準備した。テープ状の超電導線材の幅は３．６±
０．４ｍｍ、厚みが０．２３±０．０２ｍｍであった。
このテープ状の超電導線を４本重ね合わせて、その重ね
合わせられた超電導線の上に順次、幅約３．５ｍｍ、厚
み約０．２ｍｍのＳＵＳ３１６のステンレステープ、厚
み約１００μｍのポリイミドテープを重ね合わせた。こ
のようにして構成されたテープ状の複合体をボビンのま
わりに巻付けて、内径９４０ｍｍ、外径約１０１０ｍ
ｍ、高さ約８ｍｍのダブルパンケーキコイルを製作し
た。銀で被覆されたビスマス系超電導線材は、ビスマス
系超電導体に対する銀の断面積比率が２．２のとき臨界
電流が３０〜４０Ａ（７７Ｋ）であるものを使用した。

【００８０】上述のように製作したダブルパンケーキコ
イルを２０個積層し、各コイル間をはんだ付けで接合し
た。ダブルパンケーキコイル間は、厚み０．１ｍｍのＦ
ＲＰシートを介在させることによって電気絶縁した。

【００８１】このようにして得られた超電導コイル１０
は、図８に示すように２０個のダブルパンケーキコイル
１がコイル軸方向に積重ねられた構造を有する。超電導
コイル１０の上側にはステンレス板７が配置され、下側
にはステンレス板８が配置された。このようにして、超
電導コイル１０は円板状のステンレス板７と８で挟み込
まれるように固定された。各ダブルパンケーキコイル１
の間にはアルミニウム合金製のほぼ円板状の厚みが０．
８ｍｍの冷却板２を配置した。冷却板２、ステンレス板
７と８は、冷凍機のコールドヘッドに接続された熱伝導
用バー５に固着された。この実施例の場合、超電導コイ
ルが大型であるため、冷凍機は２台使用した。超電導コ
イルの製作工程は、室温下にて行なった。

【００８２】電流リードは、超電導コイルからファース
トステージの温度アンカ部までは酸化物高温超電導線を
用いて熱侵入を抑制し、ファーストステージの温度アン
カ部から室温状態の箇所までは銅線を用いた。超電導コ
イルは熱シールドにより輻射熱を遮蔽した。

【００８３】冷凍機により超電導コイルを約１５Ｋに冷
却した後、励磁電流を流して運転した。その結果、励磁
電流を２９０Ａまで上昇させたが、超電導コイルは安定
した運転特性を示した。

【００８４】次に、超電導コイルを室温の状態まで戻
し、樹脂を超電導コイルに含浸させた。超電導コイルに
エポキシ樹脂を十分に浸透させた後、１２０℃の大気雰
囲気中で約１．５時間の熱処理を行なうことにより、そ
のエポキシ樹脂を硬化させた。樹脂を含浸した後、超電
導コイルを冷凍機によって冷却し、励磁電流を流してコ
イル通電特性を調べた。その結果、超電導コイルは、エ
ポキシ樹脂の含浸を行なう前と同等の性能を示した。こ
のことから、樹脂を含浸させるために１２０℃で熱処理
を施しても、冷却板による超電導コイルの冷却特性に変
化が生じないことがわかる。

【００８５】なお、本発明の超電導コイルの構造では、
冷却板として、樹脂含浸するときの１３０℃までの熱処
理では再結晶化しない金、銀、銅、アルミニウムまたは
これらの合金等の金属材料が用いられるのが好ましい。
また、厚みが０．３〜３．０ｍｍの範囲内の冷却板を用
いるのが好ましい。冷却板の厚みが小さいと、冷却特性
の改善効果が見られず、また、冷却板の厚みが大きくな
ると、コイルパッキングファクタ（超電導線材のコイル
中における占有体積率）が低下する。さらに、冷却板
は、絶縁物を介在させずに冷凍機に直接、電気的、熱的
に接続されるのが好ましい。絶縁物を介在させて冷却板
を冷凍機に接続すると、冷却特性の低下を招く。

【００８６】また、この発明の超電導コイルの構造は、
リアクト・アンド・ワインド法によって製作されるコイ
ルに適用されるのが好ましい。

【００８７】上述の実施例は１つの例示として示される
ものであり、何ら制限的に解釈されるべきものではな
い。本発明の範囲は、上述の実施例の説明によって制約
されるものではなく、特許請求の範囲によって規定され
るものであり、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべ
ての変形例をも含むものであると解釈されるべきであ
る。

【００８８】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、パンケ
ーキコイルの間に冷却板を配置することによって超電導
コイル全体の冷却特性を向上させ、超電導コイルの発熱
量がより大きい場合でも超電導コイルを運転することが
できる。したがって、本発明の構造を採用することによ
り、超電導コイルの性能を最大限に発揮させることがで
きる。

【００８９】また、コイル軸方向に対して垂直な方向に
磁場が生じる部分、またはコイル軸方向の端部に冷却板
を配置することにより、コイルパッキング率を低下させ
ない状態で運転電流を高くすることができる。

【００９０】また、冷却板にスリットを形成することに
より、超電導コイルの励減磁時において交流損失、特に
渦電流損失による発熱を抑制することができ、好ましく
はコイル軸の円周方向に沿ってスリットを形成すること
により、冷却板によるコイル伝導冷却特性を低下させる
ことなく、渦電流損失による発熱を抑制することができ
る。したがって、コイルの励減磁時においても、超電導
コイルの性能を最大限に発揮させることができる。

【００９１】さらに、超電導コイルのコイル軸方向に所
定範囲の圧縮力を加えることにより、コイル内の熱抵抗
を低減させることができ、伝導冷却型コイルにおいて冷
却特性を最大限に発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１と３で採用される超電導コイ
ルの構成を概略的に示す側面図である。

【図２】本発明の実施例２で採用される超電導コイルの
構成を概略的に示す側面図である。

【図３】本発明の比較例として超電導コイルの構成を示
す概略的な側面図である。

【図４】本発明の超電導コイルを冷却するために用いら
れる冷凍機の概略的な構成を示す図である。

【図５】実施例３で用いられる冷却板の構造１を示す平
面図である。

【図６】実施例３で用いられる冷却板の構造２を示す平
面図である

【図７】実施例３で用いられる冷却板の構造３を示す平
面図である

【図８】本発明の実施例５で採用される超電導コイルの
構成を概略的に示す側面図である。

【図９】本発明の実施例４で採用される超電導コイルの
構成を概略的に示す側面図である。

【符号の説明】

１ ダブルパンケーキコイル ２ 冷却板 １０ 超電導コイル １０１ ばね ２０４ 半径方向スリット ２０５ 分断スリット ２０６ 円周方向スリット

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年１２月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個のパンケーキコイルが積層された
   構造を有する超電導コイルであって、 超電導導体が巻かれた第１のパンケーキコイルと、 前記第１のパンケーキコイルの上でコイル軸方向に積重
   ねられた、超電導導体が巻かれた第２のパンケーキコイ
   ルと、 前記第１のパンケーキコイルと前記第２のパンケーキコ
   イルとの間に介在するように配置された冷却板とを備え
   た、超電導コイル。
2. 【請求項２】 コイル軸方向に対して垂直な方向に磁場
   が生じる部分に前記冷却板が配置される、請求項１に記
   載の超電導コイル。
3. 【請求項３】 前記冷却板は、当該超電導コイルにおい
   てコイル軸方向の端部に配置される、請求項１に記載の
   超電導コイル。
4. 【請求項４】 前記冷却板は、冷凍機からの伝導により
   冷却されるように配置される、請求項１に記載の超電導
   コイル。
5. 【請求項５】 当該超電導コイルは、真空中に配置され
   る、請求項１に記載の超電導コイル。
6. 【請求項６】 前記超電導導体は、テープ状の形態を有
   する超電導線から構成されている、請求項１に記載の超
   電導コイル。
7. 【請求項７】 前記超電導導体は、酸化物超電導体を含
   む、請求項１に記載の超電導コイル。
8. 【請求項８】 前記酸化物超電導体は、ビスマス系超電
   導体である、請求項７に記載の超電導コイル。
9. 【請求項９】 前記冷却板には、スリットが形成されて
   いる、請求項１に記載の超電導コイル。
10. 【請求項１０】 前記スリットは、前記コイル軸を中心
    とした円周方向に沿って形成されている、請求項９に記
    載の超電導コイル。
11. 【請求項１１】 前記コイル軸方向に０．０５ｋｇ／ｍ
    ｍ² 以上３ｋｇ／ｍｍ² 以下の圧縮力が加えられてい
    る、請求項１に記載の超電導コイル。
12. 【請求項１２】 前記コイル軸方向に０．２ｋｇ／ｍｍ
    ² 以上３ｋｇ／ｍｍ ² 以下の圧縮力が加えられている、
    請求項１１に記載の超電導コイル。
13. 【請求項１３】 前記圧縮力は、ばねによって加えられ
    ている、請求項１１または１２に記載の超電導コイル。