JPWO2016080524A1 - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

超電導コイルであって、超電導線材が巻回されたコイル体と、前記コイル体の外周面に対向する第１面と、前記第１面とは反対に位置する第２面と、前記第１面において前記コイル体の前記超電導線材に半田接合された基部と、前記第２面から前記コイル体の外側に延出する延出部を有する電極部材と、前記電極部材の前記第２面から前記延出部に向けて延び、前記基部および前記延出部に亘って半田接合された電極用超電導線材と、を備え、前記コイル体の前記超電導線材の幅Ｗ１と、前記電極部材の前記基部の幅Ｗ２と、前記電極用超電導線材の幅Ｗ３と、の関係が式Ｗ１＞Ｗ２≧Ｗ３を満たす。

Description

本発明は、超電導コイルに関する。
本願は、２０１４年１１月２１日に出願された特願２０１４−２３６１９４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、超電導線材として、Ｂｉ２２１２（Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ）、Ｂｉ２２２３（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ）等のビスマス系超電導線材や、ＲＥ１２３（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥ：希土類元素、例えばイットリウム）等のイットリウム系超電導線材といった、酸化物超電導線材（以下、単に超電導線材）の開発が進められている。超電導線材は、比較的高温の領域で使用できることから、超電導コイル等への応用開発も進められている。超電導線材としては、テープ状に形成された線材が知られており、このような超電導線材を用いた超電導コイルとして、パンケーキコイル、ダブルパンケーキコイル、あるいはこれらのコイルが複数積層された超電導コイルが開発されている。

超電導コイルは、巻回された超電導線材に電流供給のための電極が設けられる。電極は常電導部材から形成されるため、電極からの発熱を抑制するための構造が求められる。例えば、特許文献１に記載の超電導コイルは、巻回された超電導線材の端部を引き出して、Ｌ字状に形成された電極に沿う様に半田付けすることで、電極での発熱を抑制する。

日本国特開２０１２−１６４８５９号公報

通常、超電導コイルは、超電導線材を巻回した後に、樹脂により含浸される。したがって、超電導コイルから超電導線材を引き出すためには、超電導コイルの端部付近において超電導線材を含浸樹脂から引き剥がす必要がある。この作業により、超電導線材の酸化物超電導体に負荷がかかり、超電導特性が劣化する虞があった。

また、超電導コイルは、コイル冷却用の金属製フランジ等により超電導コイルの上面および下面から挟み込まれる等、周囲に導電性の部材が配置されることがある。電極が導電性の部材に近接すると電極からフランジに放電する虞があり、超電導コイルの耐電圧が低下する。したがって、電極を超電導コイルの外周に沿って設ける構造とする場合には、電極が超電導コイルの高さ寸法内に収まるように電極の半田付けを行う必要があり、大変な労力を要していた。

本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、電極における発熱を抑制するとともに、超電導特性の劣化が生じにくく、容易な作業工程で耐電圧を高めることができる超電導コイルの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る超電導コイルは、超電導線材が巻回されたコイル体と、前記コイル体の外周面に対向する第１面と、前記第１面とは反対に位置する第２面と、前記第１面において前記コイル体の前記超電導線材に半田接合された基部と、前記第２面から前記コイル体の外側に延出する延出部を有する電極部材と、前記電極部材の前記第２面から前記延出部に向けて延び、前記基部および前記延出部に亘って半田接合された電極用超電導線材と、を備え、前記コイル体の前記超電導線材の幅Ｗ１と、前記電極部材の前記基部の幅Ｗ２と、前記電極用超電導線材の幅Ｗ３と、の関係が式Ｗ１＞Ｗ２≧Ｗ３を満たす。

上記態様に係る構成によれば、電極部材に電極用超電導線材が半田接合されているために、電極部材に流れる電流を電極用超電導線材でバイパスして、電極部材の発熱を抑制できる。
また、上記態様に係る構成によれば、コイル体の外周面に位置する超電導線材に、電極部材が半田接合されている。したがって、コイル体の外周面に位置する超電導線材の一面を露出させるのみで、電極部材を接合できるため、コイル体が樹脂により含浸されていた場合であっても、超電導線材に負荷が加わりにくい。したがって、電極部材の接続工程で、超電導特性の劣化が起こりにくい。
加えて、上記態様に係る構成によれば、電極部材および電極用超電導線材の幅寸法が、コイル体の超電導線材の幅寸法より狭い。これにより、電極部材がコイル体の幅方向において（幅寸法に対して）、コイル体の上端および下端からはみ出すことがない。したがって、コイル体が導電性のフランジに挟み込まれる場合などにおいても、フランジと電極部材および電極用超電導線材との距離を確保して、超電導コイルの耐電圧を高めることができる。

前記電極部材は、前記第２面が延在する方向と交差する方向に延在する第３面と、前記第２面と前記第３面との間に位置する境界部とを有し、前記電極用超電導線材は、前記第２面、前記第３面、及び前記境界部を覆うように前記基部および前記延出部に亘って半田接合されていてもよい。

前記コイル体の臨界電流値Ｉｃ１と、前記電極用超電導線材の臨界電流値Ｉｃ２と、の関係が式Ｉｃ２≧Ｉｃ１を満たしていてもよい。

コイル体の臨界電流値に対して、電極用超電導線材の臨界電流値が低い場合には、電極用超電導線材の臨界電流値以上の電流をコイル体に流そうとすると、電極部材に電流が流れて、発熱する虞がある。上記態様に係る構成によれば、電極用超電導線材の臨界電流値が、コイル体の臨界電流値より高いため、超電導コイルには、コイル体の臨界電流値まで電流を流すことが可能となる。したがって、超電導コイルの能力を十分に発揮させることができる。
また、上述したように、上記態様に係る超電導コイルは、電極用超電導線材の幅が、コイル体の超電導線材の幅より狭くなっている。上述した超電導線材の臨界電流値を基準に、電極用超電導線材の幅を規定して、電極用超電導線材を選定することができる。

前記電極部材の前記第２面から前記延出部に向けて延び、前記基部および前記延出部に亘って前記電極用超電導線材の幅より大きい溝が設けられ、前記溝内において前記電極用超電導線材が前記基部および前記延出部に半田接合されていてもよい。

上記態様に係る構成によれば、電極用超電導線材を電極部材の溝に沿うように配置した状態で、半田接合を行うことができるため、半田接合の作業性が高まる。加えて、電極用超電導線材が電極部材に対し斜めに配置されることがなく、電極用超電導線材がコイル体の幅方向における上端および下端からはみ出すことを抑制できる。したがって、超電導コイルの耐電圧を確実に確保できる。
また、電極部材は、第１面にコイル体の超電導線材が半田接合され、第２面に電極用超電導線材が半田接合されるため、厚さ方向に電流が流れる。したがって、電極部材を薄くすることで、線材間の距離を小さくして、接続抵抗を低くすることができる。一方で、電極部材は自重や弱い外力で容易に変形することがない十分な剛性を得るため所定の厚さが必要となる。電極部材に溝を設けることで、電極部材の厚さ方向の軸に関する断面二次モーメントを大きくすることができ、電極部材の剛性を高めることができる。溝を設けることにより、電極部材は、十分な剛性を備えつつ、線材間の距離を小さくして、接続抵抗を低くすることができる。

前記超電導線材が、第１の基材と前記第１の基材上に設けられた第１の酸化物超電導層と前記第１の酸化物超電導層上に設けられた第１の安定化層とを有し、前記電極用超電導線材が、第２の基材と前記第２の基材上に設けられた第２の酸化物超電導層と前記第２の酸化物超電導層上に設けられた第２の安定化層とを有し、前記電極部材の前記第１面に、前記第１の安定化層が対向するように半田接合され、前記電極部材の前記第２面に、前記第２の安定化層が対向するように半田接合されていてもよい。

上記態様に係る構成によれば、超電導線材は積層構造を有するために、超電導線材を幅方向に切断するのみで容易に細幅の超電導線材を作製できる。したがって、コイル体の超電導線材に対して細幅の電極用超電導線材を容易に形成できる。

前記電極用超電導線材は、外周が銅で被覆されていてもよい。

上記態様に係る構成によれば、電極用超電導線材が銅で覆われているために、電極用超電導線材の電流特性を安定化できるのみならず、内部を封止して水分浸入を抑制し水分による超電導特性の劣化を防ぐことができる。また、銅は、半田に対するなじみが良く、また半田に対する接合性が高い。電極用超電導線材の外周を銅で覆うことにより、電極用超電導線材と電極部材との接合において、電極用超電導線材の側部まで半田が広がり、電極用超電導線材と電極部材との接合強度を高め、電極用超電導線材が電極部材から剥離することを抑制できる。

前記コイル体の前記超電導線材は前記電極部材と、第１の半田部材により接合されており、前記電極部材は前記電極用超電導線材と、第２の半田部材により接合されており、前記第１の半田部材の融点は、前記第２の半田部材の融点と異なっていてもよい。

上記態様に係る構成によれば、融点の高い一方の半田部材により電極部材と線材とを半田付けした後に、融点の低い他方の半田部材により電極部材と線材とを半田付けできる。融点の低い半田部材により接合する際には、融点の高い半田部材より低い温度で半田を溶融させることで、融点の高い半田部材が溶融しない。したがって、電極部材の第１面と第２面とにそれぞれ線材を半田接合できる。

上記態様によれば、電極部材に電極用超電導線材が半田接合されているために、電極部材に流れる電流を電極用超電導線材でバイパスして、電極部材の発熱を抑制できる。また、コイル体の外周面に位置する超電導線材の安定化層を露出させるのみで、電極部材を接合でき、超電導線材に負荷が加わりにくい。したがって、電極部材の接続工程で、超電導特性の劣化が起こりにくい。加えて、電極部材および電極用超電導線材の幅寸法が、コイル体の超電導線材の幅寸法より狭くなっていることで、コイル体の周囲に導電性の部材と電極部材との距離を確保して、超電導コイルの耐電圧を高めることができる。

実施形態に係る超電導コイルの一例構造を示す概略斜視図である。 図１に示す超電導コイルが備える超電導線材および電極用超電導線材の一例構造を示す概略斜視図である。 図１に示す超電導コイルの電極接合部の構造を模式的に示す上面図である。 図１に示す超電導コイルの正面図である。 図１に示す超電導コイルに採用可能な変形例の電極部材を説明するための図であり、変形例の電極部材を備えた電極接合部の斜視図である。 図５ＡのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 ビスマス系の超電導線材の一例構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る超電導コイルについて図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明の一実施形態に係る超電導コイル１０を示す概略斜視図である。超電導コイル１０は、第１のコイル６Ａと第２のコイル６Ｂとが、同軸に第２のコイル６Ｂの上に第１のコイル６Ａが設けられるように積層されたコイル体６と、２つの電極接合部７を有している。コイル体６は、含浸樹脂５で覆われている。

第１のコイル６Ａは、超電導線材１が同心円状、時計回りに多数回巻回されたパンケーキ型のコイルである。第２のコイル６Ｂは、超電導線材１が同心円状、反時計回りに多数回巻回されたパンケーキ型のコイルである。

各コイル６Ａ、６Ｂの内側に位置する第１のコイル６Ａの巻回始端と第２のコイル６Ｂの巻回始端とは、互いに隣接するように配されており、良導電性の接続板（図示略）により、電気的および機械的に接続され、コイル体６を形成している。また、各コイル６Ａ、６Ｂの最外周に位置する巻回終端には、電極部材２が接合され、電極接合部７を形成している。電極接合部７において、電極部材２には、電極用超電導線材３が接合されている。

コイル体６は、含浸樹脂５により固定されており、磁場に起因する応力に対し強固な構造である。含浸樹脂５としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂を用いる事ができる。これにより超電導コイル１０の機械的強度（コイル剛性）を向上させることができる。

図２は、超電導コイル１０が備える超電導線材１の構造の一例を示す概略斜視図である。
本実施形態では、超電導線材１として、イットリウム系酸化物超電導線材を例示する。超電導線材１は、テープ状の基材１１の上に中間層１５と酸化物超電導層１７と保護層１８とが積層されるとともに、少なくとも保護層１８上に安定化層１９が積層された構造を有している。また、超電導線材１は、絶縁性の被覆層２０で覆われた状態で、コイル６Ａ、６Ｂとして巻回されている。図１に示すように、各コイル６Ａ、６Ｂの超電導線材１は、コイル６Ａおよび６Ｂの巻回終端側において安定化層１９上の含浸樹脂５と被覆層２０が除去され、露出した安定化層１９上に電極部材２が接合されている。

基材１１は、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）に代表されるニッケル合金やステンレス鋼、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金が適用される。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。

中間層１５は、基材１１の上面に形成される。中間層１５は、一例として、基材１１側から順に拡散防止層とベッド層と配向層とキャップ層の積層構造とすることができるが、拡散防止層とベッド層の一方あるいは両方を略して構成してもよい。

酸化物超電導層１７は酸化物超電導体として公知の材料で良く、具体的には、ＲＥ−１２３系と呼ばれるＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＲＥは希土類元素）を例示できる。

保護層１８は、酸化物超電導層１７の上面に形成されるＡｇ又はＡｇ合金から形成される層である。保護層１８は、酸化物超電導層１７を保護する役割および事故時に発生する過電流をバイパスする役割を果たす。

安定化層１９は、少なくとも保護層１８の上面に形成されている。本実施形態に係る安定化層１９は、金属テープにより基材１１、中間層１５、酸化物超電導層１７、保護層１８からなる積層体を断面視略Ｃ字型に覆うことで形成されている。安定化層１９は、基材１１、中間層１５、酸化物超電導層１７および保護層１８からなる積層体の外周（横断面四方）において半田層１３を介し接合されている。安定化層１９により覆われていない部分（即ち、金属テープの側端部同士の間）は、溶融した半田層１３が埋め込まれた埋込部１３ａが形成されている。安定化層１９を構成する金属テープの厚さは特に限定されず、適宜調整可能であるが、１０〜３００μｍとすることができる。

安定化層１９は、良導電性を有する材料からなり、例えば、銅、黄銅、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなる材料を用いることが好ましい。安定化層１９は、保護層１８とともに、酸化物超電導層１７の電流が転流するバイパスとして機能する。
なお、安定化層１９は、保護層１８の上面のみに金属テープを半田付けすることで形成してもよい。また、安定化層１９は、めっき法、スパッタ法などの公知の方法により形成してもよい。

以上説明のように構成された超電導線材１は、全周を取り囲む被覆層２０が形成された状態でコイル６Ａ、６Ｂとして巻回される。被覆層２０は、例えば、超電導線材１の全周を取り囲むようにポリイミドテープなどの絶縁テープを螺旋状に重ね巻きして形成できる。
絶縁テープの巻きつけ方は、螺旋状に重ね巻きする方法以外にも、縦添えによって包囲する方法などがある。

本実施形態に係る超電導線材１は、基材１１を内側に、安定化層１９を外側にしてコイル状に巻回される。これにより、超電導線材１の巻回終端部において、超電導線材１の安定化層１９が外側に配置される。なお、巻回終端部において、安定化層１９が外側に配置されていれば、コイル６Ａ、６Ｂの内部において表面と裏面とが逆に配置された超電導線材１を接続して用いてもよい。即ち、巻回始端部において、基材１１を外側にしてコイル状に巻回し、途中で基材１１を内側に配置した超電導線材と接続した線材を巻回してコイル６Ａ、６Ｂを作製してもよい。

以上のように構成された超電導線材１の巻回終端部において、超電導線材１の安定化層１９上に電極部材２が接合されて、電極接合部７を形成している。図３は、本実施形態に係る超電導コイル１０における電極接合部７の構造を模式的に示す上面図である。なお、第１のコイル６Ａと第２のコイル６Ｂとの電極接合部７の構造は、各コイル体を構成する超電導線材１の巻回方向が逆であること、および、電極接合部７における電極部材２の接合方向が周方向逆向きであること以外は同様の構成であるため、以下の説明においては、第１のコイル６Ａの電極接合部７の構造を例に説明する。

図３は、図１に示す超電導コイル１０の電極接合部７の構造を模式的に示す上面図である。図３において、含浸樹脂５を二点鎖線で示す。
図３に示すように、第１のコイル６Ａは、超電導線材１の巻回終端部において、含浸樹脂５および超電導線材１の外周を覆う被覆層２０が除去されている。本実施形態に係る超電導線材１の安定化層（第１の安定化層）１９は、基材（第１の基材）１１、中間層（第１の中間層）１５、酸化物超電導層（第１の酸化物超電導層）１７および保護層（第１の保護層）１８からなる積層体の外周を覆う様に設けられている。含浸樹脂５および被覆層２０の除去は、超電導線材１の全周に位置する安定化層１９のうち、コイル６Ａの外周側に位置する面が露出するように行われていればよい。また、コイル６Ａは、基材１１を内側にして巻回されているため、安定化層１９のうち、酸化物超電導層１７側の（酸化物超電導層１７に近い）面が露出されている。露出された安定化層１９（第１の安定化層）には、第１の半田部材２１を介し、電極部材２が半田接合されている。

電極部材２は、第１のコイル６Ａの超電導線材１の巻回終端部に沿うように配置される基部２ａと、基部２ａの一端からコイル体６の外側に延出する延出部２ｂと、を有し、Ｌ字状に形成されている。また、電極部材２は、基部２ａおよび延出部２ｂに亘る全長に対し、表面として第１面２ｃと、裏面として第２面２ｄ（基部２ａ上の面）および第３面２ｆ（延出部２ｂ上の面）とを有している。また、電極部材２は、基部２ａと延出部２ｂとの境界部２ｅを有している。電極部材２において、第２面２ｄが延在する方向と交差する方向に第３面２ｆは延在しており、かつ、境界部２ｅ（境界部の内角側の面、湾曲部）は第２面２ｄと第３面２ｆとの間に位置している。第１面２ｃの一部は、コイル体６の外周面と対向している。

電極部材２の基部２ａは、第１面２ｃにおいて、含浸樹脂５及び被覆層２０が除去され露出された超電導線材１の安定化層（第１の安定化層）１９と、半田接合されている。電極部材２は超電導線材１と、第１の半田部材２１により接合されている。
また、電極部材２は、第２面２ｄおよび第３面２ｆにおいて、電極用超電導線材３によって第２面２ｄ、第３面２ｆ、および境界部２ｅ（境界部の内角側の面、湾曲部）が覆われるように、基部２ａおよび延出部２ｂに亘って、電極用超電導線材３と半田接合されている。電極部材２は電極用超電導線材３と、第２の半田部材２２により接合されている。

電極部材２は、電極材料として従来公知の材料を用いることが可能であり、高い導電性を有する金属、例えば、銅、銀、金、白金、又はこれらの金属を少なくとも１種含む合金が挙げられ、中でも安価で導電率の優れた銅が好ましい。また、電極部材２は、表面に半田、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｕのうち何れかをめっきした部材であってもよい。電極部材２は、自重や弱い外力で容易に変形することがない十分な剛性を得るために、所定の厚さを有することが好ましい。例えば電極部材２の厚さは１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。また、後段に詳しく説明するように、電極部材２の基部２ａの幅Ｗ２は、超電導線材１の幅Ｗ１より狭いことが好ましい。即ちＷ１＞Ｗ２であることが好ましい（図１等参照）。

電極用超電導線材３は、電極部材２の基部２ａおよび延出部２ｂに亘って半田接合されて設けられていることで、電極部材２に流れる電流をバイパスする。これにより、電極用超電導線材３は、電極部材２に流れる電流を低減させ電極部材２の発熱を抑制する機能を果たす。

電極用超電導線材３は、コイル６Ａの超電導線材１と同様の層構造を有する。即ち、図２に示すように、電極用超電導線材３は、テープ状の基材１１の上に中間層１５と酸化物超電導層１７と保護層１８とが積層されるとともに、少なくとも保護層１８上に安定化層１９が設けられた構造である。ただし、電極用超電導線材３の外周には、被覆層２０が設けられていない。
電極用超電導線材３の安定化層（第２の安定化層）１９は、基材（第２の基材）１１、中間層（第２の中間層）１５、酸化物超電導層（第２の酸化物超電導層）１７および保護層（第２の保護層）１８からなる積層体の外周を覆うように設けられていることが好ましい（図２参照）。また、安定化層１９としては、導電性が高く比較的安価な銅を用いることが好ましい。即ち、電極用超電導線材３は、外周を銅で覆われた構造であることが好ましい。銅は、半田とのなじみが良く、また半田との接合性が高い。電極用超電導線材３の外周を銅で覆うことにより、電極用超電導線材３と電極部材２との接合において、電極用超電導線材３の側部まで半田が広がり、電極用超電導線材３と電極部材２との接合強度を高め、電極用超電導線材３が電極部材２から剥離することを抑制できる。加えて、電極用超電導線材３は、外周を銅で覆われた構造に形成することで、電流特性を安定化できる。また、銅により内部を封止し水分浸入を抑制し水分による超電導特性の劣化を防ぐことができる。

電極用超電導線材３は、酸化物超電導層１７側に位置する安定化層（第２の安定化層）１９が、第２の半田部材２２により、電極部材２の基部２ａにおける第２面２ｄおよび延出部２ｂにおける第３面２ｆに接合されている。後段に詳しく説明するように、電極用超電導線材３の幅Ｗ３は、電極部材２の幅Ｗ２と同じか狭いことが好ましい。即ち、Ｗ２≧Ｗ３であることが好ましい（図１等参照）。

電極用超電導線材３は、電極部材２の基部２ａおよび延出部２ｂに亘って半田接合されているために、基部２ａと延出部２ｂとの境界部２ｅに沿って湾曲している。湾曲部における電極用超電導線材３の曲げ半径Ｒは、例えば、曲げ半径Ｒを５ｍｍ以上であることが好ましく、６〜１６ｍｍの範囲であることがより好ましい、電極部材２の曲げ半径Ｒを前記範囲とすることにより、折り曲げによる超電導特性の低下を抑制できる。また、電極接合部７の寸法が大きくならずコンパクトにできる。
電極用超電導線材３の曲げ半径Ｒは、境界部２ｅにおける内角側の曲率半径に依存するため、境界部２ｅの内角側の曲率半径は、電極用超電導線材３の曲げ半径Ｒが上述の範囲となるように決定することが好ましい。

電極用超電導線材３の臨界電流値Ｉｃ２は、コイル体６の臨界電流値Ｉｃ１と同じか、臨界電流値Ｉｃ１より高いことが好ましい。即ち、Ｉｃ２≧Ｉｃ１であることが好ましい。コイル体６の臨界電流値Ｉｃ１に対して、電極用超電導線材３の臨界電流値Ｉｃ２が低い場合には、電極用超電導線材３の臨界電流値以上の電流を超電導コイル１０に流そうとすると、電極部材２に電流が流れて、発熱する虞がある。電極用超電導線材３の臨界電流値Ｉｃ２が、コイル体６の臨界電流値Ｉｃ１より高くなることで、超電導コイル１０には、コイル体６の臨界電流値Ｉｃ１まで電流を流すことが可能となる。したがって、超電導コイル１０の能力を十分に発揮させることができる。
なお、コイル体６の臨界電流値Ｉｃ１は、必ずしも巻回された超電導線材１の臨界電流値とは、一致しない。コイル体６は、超電導線材１を巻回して形成されているために、電流を流すと大きな磁場が加わる。この磁場の影響により、コイル体６の臨界電流値Ｉｃ１は、超電導線材１の臨界電流値より低くなる場合がある。
超電導コイル１０は、電極用超電導線材３の幅Ｗ３が、コイル体６の超電導線材１の幅Ｗ１より狭くなっている。一般的に各層の膜厚が一定であれば、超電導線材の臨界電流値は、幅が狭くなるに従い低くなる。電極用超電導線材３は、臨界電流値Ｉｃ３が、コイル体６の臨界電流値Ｉｃ２以上となるように、幅Ｗ３が設定されることが好ましい。また、電極用超電導線材３の幅Ｗ３に応じて、Ｗ２≧Ｗ３となるように電極部材２の幅Ｗ２が設定されることが好ましい。

第１の半田部材２１は、コイル体６の超電導線材１と電極部材２とを接合する。また、第２の半田部材２２は、電極部材２と電極用超電導線材３とを接合する。第１の半田部材２１と第２の半田部材２２とは、融点が異なるものであることが好ましい。

例えば、第１の半田部材２１の融点が、第２の半田部材２２の融点より高い場合には、まず、第１の半田部材２１により、コイル体６の超電導線材１と電極部材２とを接合する。次に、第２の半田部材２２の融点以上であり第１の半田部材２１の融点以下の温度で第２の半田部材２２を溶融させ、第２の半田部材２２で電極部材２と電極用超電導線材３とを接合する。このような手順で電極用超電導線材３を接合することで、第１の半田部材２１が溶融することがなく、電極部材２の第１面２ｃ、第２面２ｄ、および第３面２ｆにそれぞれ超電導線材１および電極用超電導線材３を半田接合できる。

なお、第１の半田部材２１および第２の半田部材２２の半田の種類は、特に限定されず、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ系合金半田、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｉｎ系合金等の鉛フリー半田、共晶半田、低温半田等が挙げられ、これらの半田を１種又は２種以上組み合わせて用いることができる。

次に、コイル体６の超電導線材１の幅Ｗ１と、電極部材２の基部２ａの幅Ｗ２と、電極用超電導線材３の幅Ｗ３と、の関係について、図４を基により詳しく説明する。図４は、超電導コイル１０の正面図である。図４において、図３と同様に含浸樹脂５を二点鎖線で示す。図４に示すように、超電導コイル１０の上面と下面には、それぞれ冷却用のフランジ２５が配置されている。フランジ２５は、冷却効率を高めるために金属材料からなる。

図４に示すように、超電導コイル１０は、コイル体６の超電導線材１の幅Ｗ１と、電極部材２の基部２ａの幅Ｗ２と、の関係がＷ１＞Ｗ２を満たす。即ち、電極部材２の基部２ａの幅寸法（Ｗ２）が、コイル体６の超電導線材１の幅寸法（Ｗ１）より狭くなっている。この関係を満たすことにより、電極部材２の基部２ａがコイル体６の幅方向において（幅寸法に対して）コイル体６の上端および下端からはみ出すことがない。
また、超電導コイル１０は、電極部材基部２ａの幅Ｗ２と、電極用超電導線材３の幅Ｗ３と、の関係がＷ２≧Ｗ３を満たす。即ち、電極用超電導線材３の幅寸法（Ｗ３）が、電極部材２の基部２ａの幅寸法（Ｗ２）以下となっている。この関係を満たすことにより、電極用超電導線材３が電極部材２の基部の幅方向に収まった状態となる。
以上の構成を有することで、超電導コイル１０は、超電導コイル１０の上面および下面から導電性のフランジ２５に挟み込まれる場合においても、フランジ２５と電極部材２および電極用超電導線材３との距離を確保できる。電極部材２および電極用超電導線材３がフランジ２５に近接すると電極部材２からフランジ２５に放電する虞がある。フランジ２５と電極部材２および電極用超電導線材３との距離を確保することで、超電導コイル１０の耐電圧を高めることができる。
また、ここでは、電極部材２の基部２ａの幅Ｗ２に注目したが、電極部材２は、全体に亘り幅が一定であり、基部２ａの幅Ｗ２と延出部２ｂの幅は同じとすることが好ましい。
これにより、電極部材２の延出部２ｂがフランジ２５と近接することがなく、耐電圧を高めることができる。

なお、本実施形態に係る超電導線材１および電極用超電導線材３は、基材１１と、基材１１上に設けられた酸化物超電導層１７と、酸化物超電導層１７上に設けられた安定化層１９と、を有する。このような積層構造の超電導線材を採用する場合には、超電導線材を幅方向に切断するのみで容易に細幅化できる。したがって、コイル体６の超電導線材１に対して細幅の電極用超電導線材３を容易に製造できる。

（変形例）
図５Ａおよび図５Ｂは、上述した超電導コイル１０に採用可能な変形例の電極部材１０２を説明するための図である。図５Ａは、電極部材１０２を備えた電極接合部１０７の斜視図であり、図５Ｂは、図５ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。上述した実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。また、図５Ｂにおいて、電極部材１０２と超電導線材１とを接合する第１の半田部材２１および電極部材１０２と電極用超電導線材３とを接合する第２の半田部材２２の図示を省略する。

電極部材１０２は、上述した電極部材２と概略同様の構造を有しているが、溝１０８が設けられている点において電極部材２の構造とは異なる。
電極部材１０２は、コイル体６の超電導線材１の巻回終端部に沿うように配置される基部１０２ａと、基部１０２ａの一端からコイル体６の外側に延出する延出部１０２ｂと、を有し、Ｌ字状に形成されている。また、電極部材１０２は、基部１０２ａおよび延出部１０２ｂに亘る全長に対し、表面として第１面１０２ｃと、裏面として第２面１０２ｄ（基部１０２ａ上の面）および第３面１０２ｆ（延出部１０２ｂ上の面）とを有している。第１面１０２ｃの一部は、コイル体６の外周面と対向しており、コイル体６の外周面から露出する超電導線材１と半田接合されている。
また、電極部材１０２は、基部１０２ａと延出部１０２ｂとの境界部１０２ｅを有している。電極部材１０２において、第２面１０２ｄが延在する方向と交差する方向に第３面１０２ｆは延在しており、境界部１０２ｅ（境界部の内角側の面、湾曲部）は第２面１０２ｄと第３面１０２ｆとの間に位置している。
基部１０２ａにおける第２面１０２ｄ、延出部１０２ｂにおける第３面１０２ｆ、および境界部１０２ｅ（境界部の内角側の面、湾曲部）には、電極用超電導線材３の幅より大きい溝１０８が設けられている。溝１０８内には、電極用超電導線材３が、第２面１０２ｄ、第３面１０２ｆ、および境界部１０２ｅ（境界部の内角側の面、湾曲部）を覆うように、基部１０２ａおよび延出部１０２ｂに亘って半田接合されている。溝１０８の深さは、特に限定されない。

溝１０８を設けることで、作業者は、電極用超電導線材３を電極部材１０２の溝１０８に沿うように配置した状態で、半田接合を行うことができるため、半田接合の作業性が高まる。加えて、電極用超電導線材３を溝１０８内に収めるため、電極用超電導線材３が電極部材１０２に対し斜めに配置されない。したがって、電極用超電導線材３がコイル体６の上端および下端からはみ出すことを抑制でき、コイル体６の上面および下面にフランジが配置された場合であっても、超電導コイル１０の耐電圧を確実に確保できる。

電極部材１０２は、第１面１０２ｃにコイル体６の超電導線材１が半田接合され、第２面１０２ｄおよび第３面１０２ｆに電極用超電導線材３が半田接合される。電極部材１０２の内部では、電極部材１０２の厚さ方向に超電導線材１と電極用超電導線材３との間で電流が流れる。このため、電極部材１０２の厚さ方向に対する超電導線材１と電極用超電導線材３との距離が、電気抵抗成分となる。電極部材１０２を薄くし、超電導線材１と電極用超電導線材３との距離を近づけることで、電極接合部７の電気抵抗を低減できる。一方で、電極部材１０２は自重や弱い外力で容易に変形することがない十分な剛性を得るため所定の厚さが必要となる。電極部材１０２に溝１０８を設けることで、電極部材１０２の厚さ方向の軸に関する断面二次モーメントを大きくすることができ、電極部材１０２の剛性を高めることができる。溝１０８を設けることで、電極部材１０２は、十分な剛性を備えつつ、超電導線材１と電極用超電導線材３との距離を小さくして接続抵抗を低くすることができる。

以上に、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。

例えば、実施形態において、超電導線材は、ＲＥ−１２３系（又はイットリウム系）と呼ばれる超電導体からなる酸化物超電導層を基材上に積層した構成であると説明した。超電導線材の種類は、この構成に限られるものではなく、図６に示すようなビスマス系の超電導線材２００を採用してもよい。超電導線材２００は、ビスマス系の超電導体からなる酸化物超電導層２０１をＡｇのシース材２０２で被覆した状態となるようにロール圧延法などにより製造された構造である。

また、上述の実施形態に係るコイル体は、２つのコイルを積層した構造を有するが、１つのコイルのみからなる構造であってもよく、また３つ以上のコイルを積層した構造であってもよい。

また、上述の実施形態において、電極部材は、コイル体の超電導線材の先端側（先端に近い位置）に延出部が配置された構造を例示した。しかしながら、延出部が、超電導線材の先端と反対側に配置された構成とされていてもよい。さらに、電極部材は、基部と延出部によってＬ字状に形成された構造を例示したが、基部の長さ方向中央に延出部が配置されたＴ字状の構造を有していてもよい。

以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

（試料の作製）
まず、コイルとして巻回される超電導線材を作製した。
幅５ｍｍ、厚さ７５μｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、中間層を形成した。中間層としては、Ａｌ_２Ｏ_３（拡散防止層）、Ｙ_２Ｏ_３（ベッド層）、ＭｇＯ（配向層（ＩＢＡＤ層））、並びにＣｅＯ_２（キャップ層）をこの順で（順次）成膜した。次に、中間層上に、ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（酸化物超電導層）を成膜した。
次に酸化物超電導層上にＡｇからなる保護層を成膜した。次に、保護層の上面に、７５μｍ厚、５ｍｍ幅の銅テープをＳｎ半田で接合し安定化層を形成した。以上の工程を経て、幅５ｍｍの超電導線材を作製した。この超電導線材の臨界電流値を測定したところ、２５０Ａであった。

次に、上記の超電導線材の外周にポリイミドテープを巻きつけ被覆層とし、絶縁加工した。次に、この超電導線材を直径５０ｍｍの巻枠に、安定化層が外側となるように１００ターン巻回してコイル（パンケーキコイル）を作製した。次に、上記の工程で作製したコイルを２つ積層し、エポキシ樹脂（含浸樹脂）で含浸してコイル体を形成した。

次に、それぞれのコイルに巻回された超電導線材の巻回端末部において、含浸樹脂と被覆層を除去して、安定化層を露出させた。各コイルに電極接合部を形成するための一対の電極部材を用意し、露出させた安定化層に、それぞれ電極部材の基部を第１の半田部材により接合した。第１の半田部材として、融点が１８４℃の半田を用いた。また、電極部材は、基部、延出部ともに幅４ｍｍ、厚さ３ｍｍの部材を用いた。

次に、それぞれの電極部材に電極用超電導線材を第２の半田部材により、半田接合した。電極用超電導線材は、上述の超電導線材と同様の層構造を有している。ただし、電極用超電導線材の安定化層は、保護層の上面のみならず、外周全体を覆うように形成した（図２参照）。また、電極用超電導線材の幅は、３ｍｍとした。電極用超電導線材の臨界電流値を測定したところ、１５０Ａであった。
電極用超電導線材は、電極用超電導線材の酸化物超電導層側が電極部材に対向するように半田接合した。電極部材の基部と延出部の境界において電極用超電導線材は、湾曲されており、湾曲部における電極用超電導線材の曲げ半径は１５ｍｍとした。また、第２の半田部材として、融点が１３０℃の半田を用いた。
以上の工程を経て、図１に示すような実施例の超電導コイルを作製した。

次に、上記の超電導コイルのそれぞれの電極部材（電極部材７の延出部２ｂにおいて、電極用超電導線材３が接合された面である第３面２ｆとは反対の面）に電流リードを接続し、液体窒素中（液体窒素温度）で超電導コイルの臨界電流値と電極接合部の電気抵抗を測定した。その結果、超電導コイルの臨界電流値は、８９．０Ａであった。また、２つの電極接合部の電気抵抗は、合計で２．１μΩであった（２つの電極接合部の電気抵抗をそれぞれ測定し、２つの電極接合部の電気抵抗の合計が２．１μΩであった）。超電導コイルの臨界電流値（８９．０Ａ）に達した時点で、電極接合部に非線形な抵抗成分は現れなかった。超電導コイルの臨界電流値が、電極用超電導線材の臨界電流値（１５０Ａ）より低いことから、コイル体の臨界電流値が、超電導コイルの臨界電流値として現れたと考えられる。即ち、コイル体の臨界電流値は、８９．０Ａであったと考察される。

さらに、上述の実施例の超電導コイルと比較するための比較例の超電導コイルを作製した。
上述の超電導コイルと同様の構成であり、電極用超電導線材を有さない比較例の超電導コイルを作製した。比較例の超電導コイルの電極部材に電流リードを接続し、液体窒素中（液体窒素温度）で超電導コイルの臨界電流値と電極接合部の電気抵抗を測定した。その結果、超電導コイルの臨界電流値は、８８．７Ａであり、２つの電極接合部の電気抵抗は、合計で１２．５μΩであった（２つの電極接合部の電気抵抗をそれぞれ測定し、２つの電極接合部の電気抵抗の合計が１２．５μΩであった）。以上の結果から、実施例の超電導コイルを用いることで、電極接合部における電気抵抗を抑制できることが確認された。

１、２００…超電導線材
２、１０２…電極部材
２ａ、１０２ａ…基部
２ｂ、１０２ｂ…延出部
２ｃ、１０２ｃ…第１面
２ｄ、１０２ｄ…第２面
２ｅ、１０２ｅ…境界部
２ｆ、１０２ｆ…第３面
３…電極用超電導線材
５…含浸樹脂
６…コイル体
６Ａ、６Ｂ…コイル
７、１０７…電極接合部
１０…超電導コイル
１１…基材
１５…中間層
１７、２０１…酸化物超電導層
１８…保護層
１９…安定化層
２０…被覆層
２１…第１の半田部材
２２…第２の半田部材
２５…フランジ
２０２…シース材
Ｒ…曲げ半径
Ｗ１…超電導線材の幅
Ｗ２…電極部材の基部の幅
Ｗ３…電極用超電導線材の幅

Claims (7)

1. 超電導コイルであって、
   超電導線材が巻回されたコイル体と、
   前記コイル体の外周面に対向する第１面と、前記第１面とは反対に位置する第２面と、前記第１面において前記コイル体の前記超電導線材に半田接合された基部と、前記第２面から前記コイル体の外側に延出する延出部を有する電極部材と、
   前記電極部材の前記第２面から前記延出部に向けて延び、前記基部および前記延出部に亘って半田接合された電極用超電導線材と、を備え、
   前記コイル体の前記超電導線材の幅Ｗ１と、前記電極部材の前記基部の幅Ｗ２と、前記電極用超電導線材の幅Ｗ３と、の関係が式Ｗ１＞Ｗ２≧Ｗ３を満たす超電導コイル。
2. 前記電極部材は、前記第２面が延在する方向と交差する方向に延在する第３面と、前記第２面と前記第３面との間に位置する境界部とを有し、
   前記電極用超電導線材は、前記第２面、前記第３面、及び前記境界部を覆うように前記基部および前記延出部に亘って半田接合されている請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記コイル体の臨界電流値Ｉｃ１と、前記電極用超電導線材の臨界電流値Ｉｃ２と、の関係が式Ｉｃ２≧Ｉｃ１を満たす請求項１又は２に記載の超電導コイル。
4. 前記電極部材の前記第２面から前記延出部に向けて延び、前記基部および前記延出部に亘って前記電極用超電導線材の幅より大きい溝が設けられ、前記溝内において前記電極用超電導線材が前記基部および前記延出部に半田接合された請求項１〜３の何れか一項に記載の超電導コイル。
5. 前記超電導線材が、第１の基材と前記第１の基材上に設けられた第１の酸化物超電導層と前記第１の酸化物超電導層上に設けられた第１の安定化層とを有し、
   前記電極用超電導線材が、第２の基材と前記第２の基材上に設けられた第２の酸化物超電導層と前記第２の酸化物超電導層上に設けられた第２の安定化層とを有し、
   前記電極部材の前記第１面に、前記第１の安定化層が対向するように半田接合され、
   前記電極部材の前記第２面に、前記第２の安定化層が対向するように半田接合された
   請求項１〜４の何れか一項に記載の超電導コイル。
6. 前記電極用超電導線材は、外周が銅で被覆された請求項１〜５の何れか一項に記載の超電導コイル。
7. 前記コイル体の前記超電導線材は前記電極部材と、第１の半田部材により接合されており、
   前記電極部材は前記電極用超電導線材と、第２の半田部材により接合されており、
   前記第１の半田部材の融点は、前記第２の半田部材の融点と異なる請求項１〜６の何れか一項に記載の超電導コイル。

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