WO2017061563A1 - 超電導コイル - Google Patents

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WO2017061563A1
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superconducting coil
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coil
metal plate
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Inventor
智洋 高木
Original Assignee
古河電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/02—Quenching; Protection arrangements during quenching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil in which a superconducting wire is wound in a coil shape (a spiral shape or a spiral shape).
  • the first problem is that hot spots (defects) may occur anywhere in the coil, and monitoring or protecting only specific parts cannot prevent the occurrence of a hot spot type quench.
  • the second problem is that once a hot spot is formed, heat is generated concentratedly at that portion, so that even if the generated heat and voltage are small, the temperature of the hot spot is greatly increased. Therefore, even if the formation of a hot spot can be detected from the generation of a voltage exceeding the noise, the subsequent current decay may not be in time, and the coil damage due to quenching may not be stopped.
  • a coil in which a tape type high temperature superconducting wire (hereinafter also referred to as an HTS wire) is wound as it is without providing an insulating layer between adjacent turns a so-called non-insulated coil is widely used. It has been studied.
  • a non-insulated coil in which adjacent turns are in direct contact has direct electrical conduction between them.
  • the electrical conduction between the adjacent turns has a non-zero electrical resistance even when cooled. Therefore, in a normal state, all current flows through the superconducting layer in the superconducting state, and no current flows between adjacent turns.
  • the above-described non-insulated coil cannot reliably avoid damage due to quenching for the following reason.
  • a very minute or gentle uneven structure exists on the surface of the metal layer covering the HTS wire.
  • adjacent turns will contact only by the protrusion part of the metal layer surface. Therefore, the electrical resistance between adjacent turns is greater than the electrical resistance calculated when assuming perfect contact is obtained. This is so-called contact resistance.
  • the contact resistance is also an unstable one whose value changes when the stress acting on the contact portion changes. Therefore, the contact resistance may increase or decrease in an unstable manner in the occurrence of quenching or in the thermal runaway state that is the preceding stage, and thus the coil cannot be reliably protected from quenching.
  • Patent Document 1 Measures against the problems of this non-insulated coil are described in Patent Document 1.
  • the superconducting coil described in Patent Document 1 is a tape-type HTS wire that is wound together with a metal foil that is softer than copper, which is a coating metal of the HTS wire.
  • the soft metal foil is deformed in accordance with the concavo-convex structure on the surface of the HTS wire, and contact between adjacent turns in a wider area can be realized. Therefore, the change in contact resistance itself due to the change in stress between adjacent turns can be kept small.
  • Patent Document 1 has the following problems from a practical point of view.
  • indium, lead, etc. are mentioned as a metal softer than copper.
  • strips of hard metal such as steel and copper can be manufactured long and inexpensively by rolling, but rolling is difficult with soft metals such as indium and lead, and thin strips are long. In addition, it is difficult to manufacture at low cost.
  • the object of the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a superconducting coil that can reliably protect a superconducting coil from a hot spot type quench or can reliably detect the occurrence of a hot spot.
  • the purpose is to do.
  • the superconducting coil according to the present invention has at least one metal member that extends in a direction crossing a winding path of the superconducting wire and is connected to the superconducting wire in the superconducting coil around which the superconducting wire is wound. It is characterized by that.
  • the metal member since the metal member extends in the direction crossing the winding path and is connected to the superconducting wire, the metal member functions as a current bypass when forming the hot spot. Since the electrical resistance of the detour can be freely designed depending on the material and shape of the metal member serving as the detour, it can be optimized from the viewpoint of quench protection and excitation demagnetization speed. Thereby, it is possible to reliably protect the superconducting coil from the hot spot type quench or to reliably detect the occurrence of the hot spot.
  • the superconducting coil according to the present invention is preferably characterized in that the metal member is made of an alloy.
  • the at least one metal member is two or more metal members, and the two or more metal members are separated from each other.
  • the superconducting coil according to the present invention is preferably characterized in that the metal member extends in all turns of the superconducting wire constituting the superconducting coil.
  • the length of each of the two or more metal members is shorter than the shortest length that traverses all the turns of the superconducting wire constituting the superconducting coil, and each turn Is characterized in that at least one of the two or more metal members extends.
  • the superconducting wire is wound in a spiral shape
  • the metal member is positioned at an end in the axial direction of the superconducting coil, and along the radial direction of the superconducting coil. It is characterized by extending.
  • the superconducting coil according to the present invention preferably has an insulating material between the superconducting wires adjacent to each other in the radial direction of the superconducting coil.
  • the superconducting coil according to the present invention is preferably characterized in that a temperature detection sensor is attached to the metal member.
  • the superconducting coil according to the present invention is preferably characterized in that a heat transfer plate or a heat bath is attached to the metal member.
  • a superconducting coil that can reliably protect a superconducting coil from a hot spot type quench or can reliably detect the occurrence of a hot spot.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a laminated structure of superconducting wires. It is a perspective view which shows the superconducting coil which concerns on 1st Embodiment. It is a figure for demonstrating the structure of the metal plate of the superconducting coil which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows the structure of the superconducting coil which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure which shows the structure of the superconducting coil which concerns on 3rd Embodiment. It is a figure which shows the structure of the superconducting coil which concerns on 4th Embodiment. It is a figure which shows the structure of the superconducting coil which concerns on other embodiment.
  • the present embodiment relates to a superconducting coil in which a superconducting wire is wound in a coil shape.
  • the configuration of the REBCO wire as an example of the superconducting wire will be described with reference to the cross-sectional view of FIG.
  • the “turn” used in the present embodiment refers to a repeating unit in the winding path of the superconducting coil. When the superconducting wire is wound around the winding frame once, it is one turn. The number of turns corresponds to the number of turns.
  • the REBCO wire 100 is an embodiment of the superconducting wire according to the present invention, and an intermediate layer 102, a REBCO superconducting layer 103, and a protective layer 104 are sequentially laminated on a substrate 101, The periphery of the laminate is covered with the stabilization layer 105.
  • a nickel-base alloy or stainless steel represented by Hastelloy (registered trademark) is used for the substrate 101.
  • the intermediate layer 102 is a layer serving as a base for the REBCO superconducting layer 103.
  • the intermediate layer 102 physical characteristic values such as a coefficient of thermal expansion and a lattice constant indicate intermediate values between the substrate 101 and the superconductor constituting the REBCO superconducting layer 103, for example, LaMnO 3 (LMO). Used. However, other layers, such as Al 2 O 3, may be further laminated to improve the characteristics.
  • the REBCO superconducting layer 103 is a high-temperature superconductor made of a rare earth metal such as yttrium, a copper oxide, or the like.
  • the protective layer 104 is a layer that covers the surface of the superconducting layer 103. For example, silver is used for the protective layer 104.
  • the stabilization layer 105 is a layer that covers the periphery of the laminate in which the intermediate layer 102, the REBCO superconducting layer 103, and the protective layer 104 are sequentially laminated on the substrate 101 as described above.
  • copper is used for the stabilization layer 105.
  • REBCO is an abbreviation for REBa 2 CuO y (RE is a rare earth element).
  • the superconducting coil 200A according to the first embodiment is a so-called pancake coil in which the REBCO wire 100 having the above-described configuration is spirally wound in the same plane circumferential direction Y as shown in FIG. Specifically, the superconducting coil 200 ⁇ / b> A is obtained by winding the REBCO wire 100 together with the insulating sheet 150 along the same plane circumferential direction Y around the winding frame 201. Furthermore, the superconducting coil 200A, as will be described in detail later, in order to reliably protect the superconducting coil 200A from a hot spot type quench or to detect the occurrence of a hot spot with certainty in the axial direction Z of the superconducting coil 200A.
  • the metal plate 300 is provided at the end (end surface 202). Hereinafter, the configuration or function of the metal plate 300 will be described in more detail with reference to FIG.
  • FIG. 3A is a top view of the superconducting coil 200A
  • FIG. 3B is a diagram showing a cross-sectional structure taken along line A-A ′ of FIG.
  • metal plate 300 In superconducting coil 200A, in order to suspend a plurality of parts of REBCO wire rod 100 belonging to different turns by metal plate 300, metal plate 300 is arranged as follows. That is, the metal plate 300 extends in a direction crossing the winding path of the REBCO wire 100 as shown in FIG. Specifically, the metal plate 300 extends along the radial direction R of the superconducting coil 200A. More specifically, the REBCO wire 100 extends from the innermost turn to the outermost turn. In other words, the metal plate 300 extends in the direction across all the turns of the superconducting coil 200A. The innermost turn is the first turn at the beginning of winding, and the outermost turn is the final turn at the end of winding.
  • the metal plate 300 is disposed at a position where it is connected to the REBCO wire 100.
  • Metal plate 300 is electrically connected to the side surface of superconducting coil 200 ⁇ / b> A via solder 301 with end surface 202 of superconducting coil 200 ⁇ / b> A, that is, side surface portion 100 ⁇ / b> A of REBCO wire 100.
  • the metal plate 300 extends in a direction crossing the winding path along the same circumferential direction Y, and is electrically connected to the side surface portion 100A of the REBCO wire 100 via the solder 301. When a spot is formed, it functions as a current bypass. Furthermore, the metal plate 300 serving as a detour can be optimized in parameters such as electrical resistance from the viewpoint of quench protection and excitation demagnetization speed by freely designing the material and shape thereof.
  • the insulating sheet 150 that is wound together with the REBCO wire 100 is an insulating material that separates the REBCO wires 100 and 100 adjacent to each other in the radial direction R.
  • the insulating sheet 150 has a role to prevent solder from penetrating into the adjacent turn interface of the superconducting coil 200A to form a conductive path. If a wide conductive path is formed at the adjacent turn interface, the electrical resistance between adjacent turns decreases, and the excitation and demagnetization speed decreases.
  • the insulating sheet 150 is assumed to be a tape made of polyimide having excellent heat resistance, but a high electrical resistance metal tape such as SUS may be used. In that case, in order to prevent the solder from penetrating into the adjacent turn interface, it is preferable to be made of a material having poor solder wettability.
  • the metal plate 300 is designed to be First, the quench has positive feedback that a voltage is generated in the superconducting layer 103 of the REBCO wire 100 and heat is generated by the current, the temperature of the superconducting layer 103 rises, the critical current value decreases, and a larger voltage is generated. Generated by working.
  • quenching is prevented by designing the electric resistance of the metal plate 300 so that heat generation in the superconducting layer 103 is suppressed to such an extent that the temperature of the superconducting layer 103 itself does not increase.
  • the voltage value at which quenching does not occur depends on the energization current of the superconducting coil, the thicknesses of the stabilization layer 105 and the protective layer 104, etc., but in a general superconducting coil using the REBCO wire 100, As obtained by calculation processing, it is about 0.1 to 1 mV.
  • the positive feedback loop described above converges, and it is possible to continue the energization as it is without entering a quenching situation.
  • the division is determined not only by the magnitude of the generated flux / flow voltage but also by the heat removal (cooling) efficiency of the energized current and the voltage generation site. This is because if the energization current is small, the heat generation amount is small, and if the heat removal efficiency is high, the temperature rise due to heat generation is small.
  • the REBCO wire 100 is 4 mm wide and the stabilization layer 105 is made of copper and has a thickness of 0.02 mm.
  • the stabilization layer 105 covers the periphery of the laminate in which the substrate 101, the intermediate layer 102, the REBCO superconducting layer 103, and the protective layer 104 are sequentially laminated, the total thickness of copper is 0.04 mm.
  • the thermal conductivity of copper at around 40K is about 1000 W / (K ⁇ m), and the thermal conductivity in the longitudinal direction is 0.16 W ⁇ mm / K considering its width and thickness.
  • the thermal resistance of this wire is calculated to be approximately 60 K / W per 1 cm length.
  • heat conduction based on layers other than the stabilization layer made of copper at a low temperature is very small as compared with heat conduction of copper, it is not considered in calculation.
  • the generated voltage is an order of magnitude higher than about 2.4K, the influence on the critical current of the REBCO wire 100 due to the temperature rise cannot be ignored, and there is a possibility of thermal runaway or quenching. Therefore, if the flux / flow voltage is suppressed to 0.1 to 1 mV, the temperature rise can be suppressed and quenching can be prevented.
  • the REBCO wire 100 is used.
  • the low resistance metal layer serving as a protective layer (stabilization layer) is thicker than the REBCO wire 100. Therefore, even if a voltage larger than that of the REBCO wire 100 is generated, quenching can be prevented.
  • the allowable value of the generated voltage needs to be calculated in consideration of the protective layer of the wire used, the energizing current, the operating temperature of the coil, and the like.
  • the second design method for the purpose of “detecting the occurrence of hot spots with certainty”, it is compared with the voltage value that does not lead to the quench (about 0.1 to 1 mV in the case of the REBCO wire 100 coil).
  • the electrical resistance of the metal plate 300 serving as a detour is designed so that a slightly higher voltage is generated.
  • heat generation continues at the hot spot, and the temperature rises slowly.
  • the temperature rises until the hot spot is fully normal, and all current is commutated to the detour. Then, Joule heat which is not small is generated even in the detour, and the temperature rises compared with the normal time.
  • the metal plate 300 is made of a metal that can be soldered. Among them, an alloy is particularly preferable. This is because a pure metal has a property that the electrical resistance decreases as the temperature decreases. For example, in the case of copper, the electrical resistance value at the liquid nitrogen temperature ( ⁇ 196 ° C./77 K) is one more than the electrical resistance value at room temperature. This is because it is orders of magnitude smaller. In other words, when the temperature rises from a low temperature, the electrical resistance increases drastically, which causes a phenomenon close to the quench caused by the superconducting material.
  • Inexpensive and easy to process alloys include, for example, SUS alloys and copper alloys (brass, etc.), both of which can be easily soldered using an appropriate flux. From those, it is only necessary to select one that can provide an appropriate electrical resistance according to the application and specifications.
  • the metal plate 300 preferably has a residual resistance ratio (RRR) of less than 10.
  • RRR residual resistance ratio
  • the residual resistance ratio is the ratio between the electrical resistance value at room temperature and the electrical resistance value at 4.2K.
  • the two metal plates 300A and 300B in the second embodiment may be arranged so as to extend to different turn regions of the REBCO wire 100.
  • the metal plate 300A extends to the region from the innermost turn to the intermediate turn (the inner half of all turns), and the metal plate 300B has the region from the intermediate turn to the outermost turn (outer of all turns). Half the area).
  • at least one metal plate extends in each turn, and the two metal plates 300A and 300B cover all the turns.
  • the extending length of the metal plates 300A and 300B is set to be shorter than the shortest length that traverses all the turns of the superconducting wire. Such a setting is preferable for the following reason.
  • the extension length of one metal plate can be shortened and the magnitude of thermal stress can be suppressed.
  • the detour metal plate 300
  • heat transfer plate 500 for heat removal is easily attached to the end surface 202 of the metal plate 300 as shown in FIG. Can be attached to.
  • the temperature sensor 600 As shown in FIG. 6, it is preferable to attach the temperature sensor 600 to the metal plate 300 as the superconducting coil 200D according to the fourth embodiment for the following reason. Even if a gentle quench with suppressed temperature rise and traveling speed occurs due to commutation to the detour, the average temperature of the metal plate 300 that is the detour increases. Therefore, if the temperature of the metal plate 300 is constantly monitored by the temperature sensor 600 constituted by a thermocouple or the like, it is possible to reliably detect the occurrence of quenching, in other words, the occurrence of hot spots.
  • the superconducting coil 200D it is possible to easily and reliably detect the occurrence of a hot spot that does not know where it occurs by utilizing the characteristic that heat generation is concentrated only on a narrow detour, that is, only on the metal plate 300. .
  • the superconducting coil 200D it is particularly preferable to adjust the heat removal efficiency by combining with the above-described third embodiment, in other words, attaching the heat transfer plate to the metal plate 300. In this way, by adjusting the heat removal efficiency, it is possible to reliably prevent a severe quench from occurring due to an excessive increase in the temperature of the metal plate 300.
  • a double pancake coil produced by winding a REBCO wire rod having a width of 4.0 mm and a length of 200 m around an FRP winding frame having an outer diameter of 120 mm.
  • the protective layer and the stabilizing layer that the REBCO wire has over the entire length are a protective layer made of silver having a thickness of 5 ⁇ m (corresponding to the protective layer 104) and a stabilizing layer made of copper having a thickness of 20 ⁇ m (stabilizing layer). Corresponds to 105).
  • the protective layer made of silver is formed by sputtering directly on the superconducting layer, and the stabilizing layer made of copper is formed on each surface of the wire by 20 ⁇ m by plating.
  • the total thickness of the REBCO wire becomes an average of less than 100 ⁇ m.
  • a substrate made of Hastelloy (registered trademark) has low electrical conductivity and thermal conductivity, and can be ignored when considering the electrical resistance and thermal resistance of the wire.
  • the number of turns of the double pancake coil according to the present embodiment is 212 turns per pancake coil, the diameter of the outermost turn is ⁇ 180 mm, and the average turn interval is 140 ⁇ m.
  • an insulating tape (polyimide tape) having a thickness of 30 ⁇ m is wound between the turns, and is further impregnated with an epoxy resin after the coil is formed.
  • the upper and lower pancake coils constituting the double pancake coil share the same winding frame, the distance in the coil thickness direction is 4 mm, and the thickness of the entire double pancake coil is 12 mm.
  • the innermost turns of the upper and lower pancake coils are shared as a bridging portion, and the copper electrodes are soldered one by one to the outermost circumferences of the upper and lower pancake coils.
  • the metal plate 300 is used as the metal plate 300.
  • a brass (brass) plate having a width of 3 cm and a thickness of 0.2 mm is soldered one by one so as to cross all the turns of the respective side portions.
  • the electrical resistivity of brass is approximately 6 ⁇ ⁇ cm at room temperature, and decreases to about half of the value at room temperature at an extremely low temperature equal to or lower than the liquid nitrogen temperature.
  • the coil characteristics of the superconducting coil according to the first embodiment having the above-described configuration will be described as follows.
  • the superconducting coil is cooled to 40K by conduction cooling and energized with a constant current of 400 A under normal conditions. It is assumed that in this energized state, a hot spot, that is, a local critical current lowering portion is generated inside the coil, and a voltage of 0.1 mV is generated there.
  • the superconducting coil according to the first embodiment when a voltage of 0.1 mV is generated at the hot spot, the same voltage is also generated at the corresponding portion in the detour. From the above calculation result, the electrical resistance of the corresponding part of the detour is about 1 ⁇ , and when a voltage of 0.1 mV is generated, a current of 100 A is commutated to the detour. As a result, the energizing current of the hot spot is reduced to 300 A and the calorific value is reduced to 30 mW, thereby preventing the flow from thermal runaway to quenching.
  • the hot spot is likely to progress and deteriorate with time, and if such a state continues for a long time, the hot spot may progress and eventually the total current 400A may commutate to the detour.
  • the generated voltage on the detour is 0.4 mV and the heat generation amount is 160 mW. Therefore, if the heat removal efficiency of the detour is increased, the surrounding temperature will not rise significantly.
  • the superconducting coil can be reliably protected from the hot spot type quench.
  • the superconducting coil according to the second embodiment is the same as the superconducting coil according to the first embodiment, except that the material and dimensions of the metal plate 300 are different.
  • the following is used as the metal plate 300. That is, for the upper and lower pancake coils having the same configuration as that of the first embodiment, SUS304 plates each having a width of 1.8 cm and a thickness of 0.2 mm are provided so as to cross all the turns of the respective side portions. Solder. In order to solder a SUS metal with tin solder, it is necessary to apply a special flux.
  • the electrical resistivity of SUS304 is approximately 70 ⁇ ⁇ cm at room temperature, and at an extremely low temperature equal to or lower than the temperature of liquid nitrogen, it decreases to half of the value at room temperature, as described above for brass.
  • the amount of heat generated at the above hot spot is a sufficient amount of heat to raise the temperature around the hot spot in the REBCO wire with a relatively thin stabilization layer. Due to the heat generated in the hot spot, the temperature around the hot spot is further lowered, and the critical current is further lowered, and a larger voltage and heat are generated. Soon, the hot spot becomes normal conducting, and almost all of the current is commutated to the detour (metal plate 300). At this stage, the current flowing through the detour is approximately 400 A, the generated voltage is 8 mV, and the heat generation amount is 3.2 W.
  • the heat removal efficiency of the detour is adjusted so that, for example, the temperature of the detour commutation section rises by about 30K due to this heat generation, the occurrence of a hot spot can be detected quickly by detecting the temperature rise in this detour. can do.
  • a temperature sensor such as a thermocouple.
  • the heat generated in the detour commutation part may increase the temperature around the junction part around the hot spot several turns.
  • the heat removal efficiency of the coil and the bypass is adjusted so that it does not proceed for more than a few turns, the progress of quenching can be stopped without lowering the energization current of the coil.
  • the energizing current at the hot spot portion is 0, so the heat generation at the hot spot is also 0. Therefore, there is no fear of causing a temperature rise so severe that the hot spot area burns out.
  • the superconducting coil according to the second embodiment can reliably detect the occurrence of a hot spot.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments or examples, and various modifications are possible.
  • the superconducting wire is not limited to the REBCO wire 100 but can be applied to so-called low-temperature superconducting wires such as Nb-based and MgB 2 .
  • the metal member is not limited to a plate shape and can take various forms.
  • the example which the metal member extended along the radial direction of a superconducting coil was shown, as long as it extended in the direction which crosses a winding path
  • the present invention is not limited to a pancake coil configured by winding a superconducting wire in a spiral shape, but can be applied to, for example, a solenoid coil configured by winding a superconducting wire in a spiral shape.
  • the superconducting coil 200 ⁇ / b> E according to another embodiment is obtained by winding the REBCO wire 100 together with the insulating sheet 150 in a spiral shape along the outer periphery of the winding frame 203.
  • the metal plate 300C extends in the direction crossing the winding path along the axial direction Z. Specifically, the metal plate 300C is disposed on the surface of the superconducting coil 200E so as to cross all the turns of the REBCO wire 100.
  • the metal plate 300 ⁇ / b> C extends from the start of winding of the REBCO wire 100 to the end of winding.
  • the metal plate 300C extends in a direction across all the turns of the superconducting coil 200A.
  • the metal plate may be composed of two or more metal plates.
  • the two metal plates are both arranged apart from each other so as to extend from the winding start to the winding end of the REBCO wire 100.
  • one metal plate extends in a region from the start of winding to the middle turn (the left half region in FIG. 7), and another metal plate extends from the middle turn to the end of winding (in FIG. 7). (Right half area).
  • the two metal members extends in each turn.
  • the superconducting wire adjacent in the axial direction is suspended by the metal plate by soldering the metal plate to the outer periphery of the coil, and the metal plate is the detour described above. Can function as.

Abstract

ホットスポット型のクエンチから超電導コイルを確実に保護する、またはホットスポットの発生を確実に検知することが可能な超電導コイルを提供する。　超電導線材（ＲＥＢＣＯ線材１００）が巻回された超電導コイル２００Ａにおいて、巻回経路を横切るように延在する金属部材（金属板３００）が超電導線材（ＲＥＢＣＯ線材１００）に接続され、ホットスポット形成の際に、当該金属部材（金属板３００）が電流の迂回路として機能する。

Description

超電導コイル
　本発明は、超電導線材がコイル状（渦巻き状又はつる巻き状）に巻回された超電導コイルに関する。
　超電導線材がコイル状に巻回された超電導コイルは、コイル内部で電圧が発生することによって急激に発熱して電流を流せなくなる現象、いわゆるクエンチが発生する虞がある。そこで、超電導材料に通電する際にはクエンチの問題を考える必要がある。
　クエンチを引き起こす原因には様々なものがある。例えば、超電導線材中に先天的もしくは後天的な欠陥が存在すること、具体的には他よりも臨界電流の低い部位が形成されることが挙げられる。このような欠陥を起因として局所的に発熱が始まる、いわゆるホットスポット型のクエンチについては、次のような問題点がある。
　第一の問題点としては、ホットスポット（欠陥）がコイル内のどこにでも発生する虞があり、特定の部位のみを監視または保護するのではホットスポット型のクエンチの発生を防ぎきれない。第二の問題点としては、ひとたびホットスポットが形成されるとその部位で集中的に発熱するため、発生する熱および電圧が小さくてもホットスポットの温度を激しく上昇させてしまう。ゆえに、ノイズを上回る電圧の発生からホットスポットの形成を検知できたとしても、その後の電流減衰が間に合わず、クエンチによるコイルの損傷を止められない可能性がある。
　上記のようなホットスポット型のクエンチに対する対策として、隣接ターン間に絶縁層を設けずにテープ型の高温超電導線材（以下、ＨＴＳ線材ともいう。）をそのまま巻いたコイル、いわゆる無絶縁コイルが広く研究されている。
　ＨＴＳ線材の表面は銀や銅等の金属層により被覆されているため、隣接ターン同士が直接接触している無絶縁コイルは、その間に直接的な電気伝導が存在する。なお、この隣接ターン間の電気伝導は冷却されても０でない電気抵抗を持つ。そのため、正常な状態では、すべての電流が超電導状態にある超電導層を流れ、隣接ターン間に電流は流れていない。
　上記の特性を有する無絶縁コイルでは、超電導層にホットスポットが形成されると、電流がホットスポットを回避して隣接ターンに流れることとなる。このため、その回避部位に多少の発熱が生じるものの、クエンチに至らない程度に発熱を抑えられるという利点がある。
　しかしながら、上述した無絶縁コイルは、次の理由から、クエンチによる損傷を確実に回避することができない。まず、ＨＴＳ線材を被覆する金属層の表面には、ごく微小な、もしくは緩やかな凹凸構造が存在している。このため、隣接ターン同士は、金属層表面の突出部のみで接触することとなる。したがって、隣接ターン間の電気抵抗は、完全な接触が得られていると仮定した時に計算される電気抵抗よりも大きくなる。これがいわゆる接触抵抗である。接触抵抗は、接触部に働く応力が変化するとその値が変化する不安定なものでもある。そのためクエンチの発生、あるいはその前段階である熱暴走状態において接触抵抗が不安定に増減する可能性があり、ゆえにコイルを確実にクエンチから保護することができない。
　この無絶縁コイルの問題点に対する対策が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された超電導コイルは、テープ型のＨＴＳ線材に、ＨＴＳ線材の被覆金属である銅よりも柔らかい金属箔を共巻きにしたものである。この超電導コイルでは、柔らかい金属箔がＨＴＳ線材表面の凹凸構造に合わせて変形し、より広い面積での隣接ターン間接触を実現することができる。それゆえに隣接ターン間の応力の変化による接触抵抗の変化自体を小さく抑えることができる。
特開２０１５－２８９１２号公報
　その一方で、特許文献１に記載されたコイルは、実用的な点から次のような問題がある。特許文献１では、銅よりも柔らかい金属として、インジウムや鉛などを挙げている。ここで、鋼や銅などの硬い金属の条（テープ型の線）は圧延加工によって長尺かつ安価に製造できるが、インジウムや鉛のような柔らかい金属では圧延加工が難しく、薄い条を長尺かつ安価に製造することが困難である。
　さらにもう一つの問題は、柔らかい金属を挟むことによって線材表面の凹凸構造を埋めてしまうと、隣接ターン間の接触面積が著しく増大し、その結果、隣接ターン間の接触抵抗が低下してしまうことである。励消磁（コイルの通電電流の増減）の際、隣接ターン間に誘導電圧が生じるので、隣接ターン間の接触抵抗が低いとこの誘導電圧によって大きな電流が短絡してしまい、本来流れるべき超電導層を流れなくなる。その結果、励消磁に長い時間を要してしまうことになる。隣接ターン間の接触抵抗を下げないためには電気抵抗率の高い金属箔、もしくは厚い金属箔を挟めばよいが、その場合本来の目的であった「ＨＴＳ線材表面の凹凸構造に合わせて変形する」という性質が低下してしまうことになる。
　本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、ホットスポット型のクエンチから超電導コイルを確実に保護する、またはホットスポットの発生を確実に検知することが可能な超電導コイルを提供することを目的とする。
　本発明に係る超電導コイルは、超電導線材が巻回された超電導コイルにおいて、前記超電導線材の巻回経路を横切る方向に延在し、かつ、前記超電導線材に接続された少なくとも１つの金属部材を有することを特徴とする。
　本発明によれば、金属部材が巻回経路を横切る方向に延在し、超電導線材に接続されているため、ホットスポット形成の際に当該金属部材が電流の迂回路として機能する。迂回路の電気抵抗は、迂回路となる金属部材の材質や形状によって自由に設計できるので、クエンチ保護や励消磁速度の観点から最適化することができる。これにより、ホットスポット型のクエンチから超電導コイルを確実に保護する、またはホットスポットの発生を確実に検知することができる。
　本発明に係る超電導コイルは、好ましくは、前記金属部材が合金製であることを特徴とする。
　本発明に係る超電導コイルは、好ましくは、前記少なくとも１つの金属部材が２つ以上の金属部材であり、該２つ以上の金属部材同士が互いに離間していることを特徴とする。
　本発明に係る超電導コイルは、好ましくは、前記金属部材が、前記超電導コイルを構成する前記超電導線材の全ターンに延在していることを特徴とする。
　本発明に係る超電導コイルは、好ましくは、前記２つ以上の金属部材のそれぞれの長さが、前記超電導コイルを構成する前記超電導線材の全ターンを横断する最短長さよりも短く、かつ、各ターンには前記２つ以上の金属部材のうち少なくとも１つが延在していることを特徴とする。
　本発明に係る超電導コイルは、好ましくは、前記超電導線材が渦巻き状に巻回され、前記金属部材が、前記超電導コイルの軸方向における端に位置し、かつ、前記超電導コイルの径方向に沿って延在していることを特徴とする。
　本発明に係る超電導コイルは、好ましくは、前記超電導コイルの径方向に隣接する前記超電導線材間に絶縁材を有することを特徴とする。
　本発明に係る超電導コイルは、好ましくは、前記金属部材に、温度検出センサが取り付けられていることを特徴とする。
　本発明に係る超電導コイルは、好ましくは、前記金属部材に、伝熱板または熱浴が取り付けられていることを特徴とする。
　本発明によれば、ホットスポット型のクエンチから超電導コイルを確実に保護する、またはホットスポットの発生を確実に検知することが可能な超電導コイルを提供することができる。
図１は、超電導線材の積層構造を示す断面図である。 第１実施形態に係る超電導コイルを示す斜視図である。 第１実施形態に係る超電導コイルの金属板の構成について説明するための図である。 第２実施形態に係る超電導コイルの構成を示す図である。 第３実施形態に係る超電導コイルの構成を示す図である。 第４実施形態に係る超電導コイルの構成を示す図である。 他の実施形態に係る超電導コイルの構成を示す図である。
　本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、超電導線材がコイル状に巻回された超電導コイルに関するものである。超電導コイルに関する具体的な説明に先立ち、超電導線材の一例としてＲＥＢＣＯ線材の構成について、図１の断面図を用いて説明する。なお、本実施形態において用いる「ターン」とは、超電導コイルの巻回経路における繰り返し単位をいう。巻き枠に対して超電導線材を１周巻回すると、１ターンである。巻き数がターンの数に相当する。
　（１．ＲＥＢＣＯ線材）
　図１に示すように、ＲＥＢＣＯ線材１００は、本発明に係る超電導線材の一態様であって、基板１０１に、中間層１０２と、ＲＥＢＣＯ超電導層１０３と、保護層１０４を順次積層して、当該積層体の周囲を安定化層１０５で被覆したものである。基板１０１には、ハステロイ（登録商標）で代表されるニッケル基合金やステンレス鋼などが用いられる。中間層１０２は、ＲＥＢＣＯ超電導層１０３の下地となる層である。中間層１０２には、熱膨張率や格子定数などの物理的な特性値が基板１０１とＲＥＢＣＯ超電導層１０３を構成する超電導体との中間的な値を示すもの、例えば、ＬａＭｎＯ３（ＬＭＯ）が用いられる。ただし、特性向上のためにそれ以外の層、例えばＡｌ２Ｏ３がさらに積層されることもある。ＲＥＢＣＯ超電導層１０３は、イットリウムなどの希土類金属、銅の酸化物などからなる高温超電導体である。保護層１０４は、超電導層１０３の表面を覆う層である。保護層１０４には、例えば銀が用いられる。安定化層１０５は、上述したように基板１０１に中間層１０２とＲＥＢＣＯ超電導層１０３と保護層１０４を順次積層した積層体の周囲を覆う層である。安定化層１０５には、例えば銅が用いられる。なお、ＲＥＢＣＯとは、ＲＥＢａ２ＣｕＯｙ（ＲＥは希土類元素）の略称である。
　（２．第１実施形態）
　第１実施形態に係る超電導コイル２００Ａは、上記の構成からなるＲＥＢＣＯ線材１００を例えば図２に示すような、同一平面周方向Ｙに渦巻き状に巻回したいわゆるパンケーキコイルである。具体的には、超電導コイル２００Ａは、巻き枠２０１を中心として同一平面周方向Ｙに沿って、ＲＥＢＣＯ線材１００が絶縁シート１５０と共に巻回されたものである。さらに、超電導コイル２００Ａは、具体的には後述するように、ホットスポット型のクエンチから超電導コイル２００Ａを確実に保護する、またはホットスポットの発生を確実に検知するため、超電導コイル２００Ａの軸方向Ｚにおける端（端面２０２）に金属板３００を備えている。以下では、金属板３００の構成ないし機能に関して、図３を参照して更に詳述する。
　図３（Ａ）は、超電導コイル２００Ａを上面視した図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の線Ａ－Ａ’の断面構造を示した図である。
　超電導コイル２００Ａでは、異なるターンに属するＲＥＢＣＯ線材１００の複数の部位を金属板３００により懸架するため、金属板３００が次のように配置されている。つまり、金属板３００は、図３（Ａ）に示すようにＲＥＢＣＯ線材１００の巻回経路を横切る方向に延在している。具体的に、金属板３００は、超電導コイル２００Ａの径方向Ｒに沿って延在している。さらに具体的に、ＲＥＢＣＯ線材１００の最内周ターンから最外周ターンまで延在している。言い換えれば、金属板３００は、超電導コイル２００Ａの全ターンを横切る方向に延在している。最内周ターンとは、巻き始めの１ターン目のことであり、最外周ターンとは、巻き終わりの最終ターンのことである。
　具体的には、図３（Ｂ）に示すように、金属板３００は、ＲＥＢＣＯ線材１００に接続される位置に配置されている。そして、金属板３００は、超電導コイル２００Ａの側面にはんだ３０１を介して電気的に、超電導コイル２００Ａの端面２０２、すなわちＲＥＢＣＯ線材１００の側面部１００Ａと接続されている。
　このように金属板３００は、同一平面周方向Ｙに沿った巻回経路を横切る方向に延在し、ＲＥＢＣＯ線材１００の側面部１００Ａとはんだ３０１を介して電気的に接続されているため、ホットスポットが形成された際に電流の迂回路として機能する。さらに、迂回路となる金属板３００は、その材質や形状を自由に設計することにより、クエンチ保護や励消磁速度の観点から電気抵抗などのパラメータを最適化することができる。
　ＲＥＢＣＯ線材１００と共巻きする絶縁シート１５０は、径方向Ｒに隣接するＲＥＢＣＯ線材１００、１００を離間する絶縁材である。絶縁シート１５０には、超電導コイル２００Ａの隣接ターン界面にはんだが浸透して導電経路化することを防ぐ役割がある。隣接ターン界面に広く導電経路が形成されると隣接ターン間の電気抵抗が低下し、励消磁速度が低下してしまうことになる。絶縁シート１５０は、耐熱性に優れるポリイミド製のテープを想定しているが、ＳＵＳのような高電気抵抗性金属のテープを用いてもよい。その場合、隣接ターン界面にはんだが浸透するのを防ぐためはんだ濡れ性の悪い材質からなるものであることが好ましい。
　（２－１．金属板３００の電気抵抗値の設計）
　次に、金属板３００の電気抵抗値の具体的な設計手法について説明する。
　（２－１－１．第１の設計手法）
　まず、第１の設計手法では、励消磁速度の観点から迂回路となる金属板３００の電気抵抗をできるだけ高くとりたいという要望を踏まえつつ、次のような理由により、クエンチに至らない程度まで低くなるように金属板３００を設計する。まず、クエンチは、ＲＥＢＣＯ線材１００の超電導層１０３に電圧が発生して電流により発熱し、超電導層１０３の温度が上昇して臨界電流値が低下してさらに大きな電圧が発生するという正のフィードバックが働くことで発生する。このような電圧発生時において、電流の迂回路があると、ある程度の電圧が発生した時点で電流が迂回路へ転流し、超電導層１０３での発熱の増大が止まる。こうしてクエンチの進行が抑制される。すなわち、第１の設計手法では、超電導層１０３での発熱が超電導層１０３自体の温度上昇をもたらさない程度に抑えられるように、金属板３００の電気抵抗を設計することで、クエンチを防止する。
　具体的にクエンチが発生しない電圧値は、超電導コイルの通電電流や安定化層１０５および保護層１０４の厚さ等に依存するものの、ＲＥＢＣＯ線材１００を用いた一般的な超電導コイルにおいては、次の計算処理で得られるように０．１～１ｍＶ程度となる。
　（クエンチを発生させないための電圧の計算）
　まず、臨界電流に近い電流がＲＥＢＣＯ線材１００に通電されているとき、ＲＥＢＣＯ線材１００内部には０でない電圧が生じている。これはフラックス・フロー電圧と呼ばれるもので、第２種の超電導体に特有の現象である。この電圧は発熱を伴い、ＲＥＢＣＯ線材１００の温度を上昇させる。さらに、このＲＥＢＣＯ線材１００の温度上昇が臨界電流を低下させるという、正のフィードバックループが生じることとなる。このような正のフィードバックループが加速度的に進行する状態が熱暴走である。そしてこのような熱暴走の結果、ＲＥＢＣＯ線材１００の超電導層１０３が常電導転移するまで温度が上昇し、また保護層１０４、安定化層１０５も温度上昇によって電気抵抗が増大し、ほとんど電流を流せなくなる現象がクエンチである。
　一方、フラックス・フロー電圧による温度上昇が小さければ、上述した正のフィードバックループは収束し、クエンチという状況を迎えることなくそのまま通電を持続させることができる。その分かれ目は、生じるフラックス・フロー電圧の大きさだけでなく、通電電流や電圧発生部位の抜熱（冷却）効率によって決まる。これは、通電電流が小さければ発熱量が小さく、抜熱効率が高ければ発熱による温度上昇が小さくなるためである。
　例として、ＲＥＢＣＯ線材１００を用いた超電導コイル２００を、冷媒を用いない伝導冷却で４０Ｋまで冷却して２００Ａで通電する状況を考え、クエンチを発生させないための電圧について具体的な計算を行う。
　本例において、ＲＥＢＣＯ線材１００は幅４ｍｍで、安定化層１０５は銅からなり、厚さ０．０２ｍｍであるとする。上記のとおり、安定化層１０５は、基板１０１、中間層１０２、ＲＥＢＣＯ超電導層１０３及び保護層１０４を順次積層した積層体の周囲を覆っているため、銅の厚さは合計で０．０４ｍｍとなる。４０Ｋ前後での銅の熱伝導度はおよそ１０００Ｗ／（Ｋ・ｍ）で、その幅と厚さを考慮すると長手方向の熱伝導度は０．１６Ｗ・ｍｍ／Ｋとなる。そしてこの線材の熱抵抗は、長さ１ｃｍあたりおよそ６０Ｋ／Ｗと計算される。なお、低温において、銅からなる安定化層以外の層に基づく熱伝導は、銅の熱伝導と比較して非常に小さいため、計算上考慮していない。
　この線材のある部位がホットスポット化して、０．１ｍＶのフラックス・フロー電圧が生じたとする。この電圧発生時の発熱量は電流×電圧で２０ｍＷとなる。この熱が線材長手方向に流れていくと、上記の通り計算した熱抵抗から１ｃｍあたり１．２Ｋの温度上昇が生じることになる。通電電流が２倍の４００Ａである場合の温度上昇は、１．２Ｋの２倍である２．４Ｋとなる。この程度の温度上昇にとどまるのであればＲＥＢＣＯ線材１００の臨界電流への影響も大きくなく、適切にコイル化されていれば熱暴走やクエンチに至ることはない。これに対して、発生電圧が２．４Ｋ程度と比べて一桁大きくなると、温度上昇によるＲＥＢＣＯ線材１００の臨界電流への影響が無視できなくなり、熱暴走やクエンチに至る可能性がある。したがって、フラックス・フロー電圧が０．１～１ｍＶに抑えられれば、温度上昇を抑えてクエンチを防止することができる。
　なお、上記例ではＲＥＢＣＯ線材１００を用いたが、例えばＢｉ系高温超電導線材のように金属シースを持つ超電導線材では、ＲＥＢＣＯ線材１００よりも保護層（安定化層）となる低抵抗金属層が厚いため、ＲＥＢＣＯ線材１００より大きな電圧が生じても、クエンチを防止することができる。このように、発生する電圧の許容値は、使用する線材の保護層や通電電流、コイルの使用温度などを考慮して計算する必要がある。
　（２－１－２．第２の設計手法）
　第２の設計手法では、「ホットスポットの発生を確実に検知する」という目的のために、上記のクエンチに至らない電圧値（ＲＥＢＣＯ線材１００のコイルであれば０．１～１ｍＶ程度）と比較してやや高い電圧が発生するように、迂回路となる金属板３００の電気抵抗を設計する。この超電導コイルでは、ホットスポットが発生して電流の一部が迂回路に転流したのちもホットスポットで発熱が続き、ゆっくりと温度が上昇していく。そしてついにはホットスポットが完全に常電導化するまで温度が上昇し、すべての電流が迂回路に転流する。すると迂回路でも小さくないジュール熱が生じ、その温度が正常時と比べて上昇する。
　一般にコイルでは外部磁場の変動や通電電流の変動が誘導電圧を生じさせるため、１ｍＶ程度のフラックス・フロー電圧を検出することは困難である。しかしこのような迂回路の温度上昇は容易に検出でき、それによってホットスポットの発生を速やかに検知することができる。こうしてホットスポットを持つ超電導コイルを確実に検知できるため、超電導コイルが組み込まれたシステム全体に悪影響が生じる前に、他の超電導コイルに交換することができる。
　（２－２．金属板３００の材質）
　金属板３００の材質は、はんだ付けできる金属で作製することになるが、そのなかでも特に合金であることが好ましい。これは、純粋な金属では、温度が低いほど電気抵抗が小さくなる性質があり、例えば銅の場合、液体窒素温度（－１９６℃／７７Ｋ）での電気抵抗値が室温での電気抵抗値より一桁小さくなるからである。言い換えれば、低温から温度が上昇すると電気抵抗は激しく増大することになり、これは超電導材料が起こすクエンチに近い現象を引き起こしてしまうからである。
　一方、合金は電気抵抗の温度依存性が小さく、上記のようなクエンチに近い現象が発生する虞がない。安価で加工しやすい合金としては、例えばＳＵＳ系合金、銅合金（真ちゅうなど）があり、いずれも適切なフラックスを用いることで容易にはんだ付けすることができる。それらの中から、用途・仕様に応じて適切な電気抵抗が得られるものを選択すればよい。
　なお、金属板３００は、残留抵抗比（ＲＲＲ）が１０未満であることが好ましい。残留抵抗比が１０未満であると、極低温下でも所望の電気抵抗が得られる。残留抵抗比とは、室温での電気抵抗値と４．２Ｋでの電気抵抗値との比である。
　（３．第２実施形態）
　図４に示すように、第２実施形態に係る超電導コイル２００Ｂとして、２つ以上（本例では２つ）の金属板３００Ａ、３００Ｂが、互いに離間して、超電導コイル２００Ｂの軸方向における端面２０２と電気的に接続していることは次の理由から好ましい。超電導コイルで発生するホットスポットの要因には様々なものがあるが、ＲＥＢＣＯ線材１００による超電導コイル２００Ｂの場合、主なものとして超電導層１０３の剥離が挙げられる。冷却による熱収縮や通電に伴う電磁力により線材に対して剥離方向に応力が生じ、比較的結合力の弱い超電導層１０３と中間層１０２との間に剥離が生じることがある。ひとたび剥離が生じるとそれは拡大して成長する可能性があり、確率的には拡大したホットスポットが迂回路を飲み込んでしまうこともあり得る。そうなると、ホットスポットに飲み込まれた迂回路は設計通りの効果を発揮することができなくなってしまう。それに対して、変形例に係る超電導コイル２００Ｂによれば、迂回路を複数個所に設けることにより、より確実にホットスポット型のクエンチからコイルを保護することができる。
　第２実施形態における２つの金属板３００Ａ、３００Ｂは、ＲＥＢＣＯ線材１００の異なるターン領域に延在するように配置されていてもよい。例えば、金属板３００Ａが最内周ターンから中間ターンまでの領域（全ターンのうち内側半分の領域）に延在し、金属板３００Ｂが中間ターンから最外周ターンまでの領域（全ターンのうち外側半分の領域）に延在する。すなわち、各ターンには少なくとも１つの金属板が延在していることになり、２つの金属板３００Ａ、３００Ｂによって、全ターンをカバーする形態となる。また、金属板３００Ａ、３００Ｂの延在長さは、超電導線材の全ターンを横断する最短長さよりも短くなるように設定される。このような設定は次の理由から好ましい。コイルのターン数が多い場合に、１つの金属板を全ターンにわたって延在させるとなると、金属板の延在長さが長くなる。一般に金属板とコイルの熱膨張率は異なっており、冷却時の収縮量、およびそれに伴う熱応力は延在長さに応じて大きくなる。そこで、複数の金属板で異なるターン領域を分けて延在させれば、１つの金属板の延在長さを短くすることができ、熱応力の大きさも抑えることができる。
　（４．第３実施形態）
　図５に示すように、第３実施形態に係る超電導コイル２００Ｃとして、金属板３００に、抜熱用の伝熱板５００を取り付けることは、次の理由から好ましい。なお、伝熱板５００に代えて抜熱用の熱浴を取り付けてもよい。
　まず、超電導コイル２００Ｃ内部にホットスポットが生じた場合、電流の一部が迂回路（金属板３００）に転流し、ホットスポットだけでなく迂回路でも発熱することとなる。電流の大半が迂回路を流れるような状態では、むしろ迂回路が主要なホットスポットとなってしまい、それに対する熱対策が必要となる。ここで、金属板３００は超電導コイル２００Ｃの表面、すなわち軸方向Ｚの端面２０２に設けられているため、図５に示すように抜熱用の伝熱板５００を容易に金属板３００の端面２０２に取り付けることができる。
　また、超電導コイル２００Ｃが正常な状態であっても、急激な通電電流の変動や外部磁場の変動により誘導電圧が生じ、金属板３００に電流が流れてジュール熱を発生させてしまう。その対処という意味でも、抜熱用の伝熱板５００ないし熱浴を金属板３００に取り付けることが好ましい。
　（５．第４実施形態）
　図６に示すように、第４実施形態に係る超電導コイル２００Ｄとして、金属板３００に、温度センサ６００を取り付けることは、次の理由から好ましい。迂回路への転流により温度上昇や進行速度を抑えられた緩やかなクエンチが生じても、迂回路である金属板３００の平均温度は上昇する。そのため、金属板３００の温度を熱電対などから構成される温度センサ６００で常時監視しておけば、確実にクエンチの発生、言い換えればホットスポットの発生を検知することができる。これは、超電導コイル２００Ｄによれば、発熱が狭い迂回路、つまり金属板３００のみに集中するという特性を利用して、どこに生じるか分からないホットスポットの発生を容易かつ確実に検知するものである。
　さらに、超電導コイル２００Ｄでは、上述した第３実施形態と組み合わせる、言い換えれば伝熱板も金属板３００に取り付けることにより抜熱効率を調整することが特に好ましい。このようにして、抜熱効率を調整することにより、金属板３００の温度が上がりすぎることで激しいクエンチが生じてしまうことを確実に防止することができる。
　（６．実施例）
　次に、上述した実施形態に係る超電導コイルの具体的な実施例について説明する。
　（６－１．第１実施例）
　第１実施例では、本発明が適用された超電導コイルの一例として、幅４．０ｍｍで長さ２００ｍのＲＥＢＣＯ線材を、外径φ１２０ｍｍでＦＲＰ製の巻き枠に巻回して作製したダブルパンケーキコイル（パンケーキコイルが２段重ねになったもの）を考える。このＲＥＢＣＯ線材が全長にわたって備えている保護層及び安定化層は、厚さ５μｍの銀からなる保護層（保護層１０４に相当する。）と厚さ２０μｍの銅からなる安定化層（安定化層１０５に相当する。）である。銀からなる保護層は、超電導層の直上にスパッタリングで形成され、銅からなる安定化層は線材両面にメッキで２０μｍずつ形成されている。ハステロイ（登録商標）製で厚さが５０μｍの基板を含めると、ＲＥＢＣＯ線材全体の厚さは平均１００μｍ弱となる。なお、ハステロイ（登録商標）製の基板は電気伝導度も熱伝導度も低く、線材の電気抵抗や熱抵抗を考える際には無視して構わない。本実施例に係るダブルパンケーキコイルのターン数は、１パンケーキコイルあたり２１２ターン、最外周ターンの径はφ１８０ｍｍ、平均ターン間隔は１４０μｍであるとする。ただし、ターン間には厚さ３０μｍの絶縁テープ（ポリイミドテープ）が共巻きされており、さらにコイル形成後にエポキシ樹脂を含浸させている。ダブルパンケーキコイルを構成する上部および下部パンケーキコイルは同じ巻き枠を共有しており、そのコイル厚さ方向の間隔は４ｍｍ、ダブルパンケーキコイル全体の厚さは１２ｍｍである。上部および下部パンケーキコイルの最内周ターンは、橋渡し部として共有されており、銅製の電極は上部および下部パンケーキコイルの最外周に１つずつはんだ付けされる。
　次に、本実施例では、金属板３００として次のようなものを用いる。上記構成からなる上部および下部パンケーキコイルについて、それぞれの側面部の全ターンを横切るように、幅３ｃｍ、厚さ０．２ｍｍの真ちゅう（黄銅）板を１枚ずつはんだ付けする。ここで、真ちゅうの電気抵抗率は、室温でおよそ６μΩ・ｃｍであり、液体窒素温度以下の極低温では室温での値の半分程度にまで低下する。
　本実施例において、金属板３００の電気抵抗は、次のように設計されている。まず、コイル内部にホットスポットが１か所発生するものと仮定すると、電流はその１ターン分だけ迂回路（金属板３００）に転流することになる。上記のとおり平均ターン間隔が１４０μｍ（０．１４ｍｍ）であり、転流長さはそれよりやや長くなると見積もられることから、その転流長さは０．２ｍｍ程度となる。したがって、ホットスポット発生時に生じる迂回路上の転流部位の電気抵抗は、およそ１μΩ（冷却時）となる。なお、迂回路である金属板３００は、パンケーキコイルの全ターンを横切って延在し、その長さは３ｃｍ（３０ｍｍ）であるため、電気抵抗が冷却時で１５０μΩ＝０．１５ｍΩとなる。
　次に、上記構成からなる第１実施例に係る超電導コイルのコイル特性について、以下のとおり説明する。本実施例において、本超電導コイルは伝導冷却で４０Ｋまで冷却され、正常時は４００Ａの定電流を通電することを想定している。この通電状態でコイル内部にホットスポット、すなわち局所的な臨界電流の低下部位が発生し、そこに０．１ｍＶの電圧が生じたとする。
　比較例として、迂回路（金属板３００）を持たない超電導コイルにおいて同様の事態が生じた場合を考える。迂回路を持たない超電導コイルでは、このホットスポットで４０ｍＷの熱が発生することになる。この熱はホットスポットの温度を上昇させ、それによりホットスポットの臨界電流がさらに低下して発熱量を増大させる悪循環、すなわち熱暴走状態を引き起こす。熱暴走状態はその後加速度的に進行速度を高め、ついには急激なクエンチに至る。
　上記のような比較例に対して、第１実施例に係る超電導コイルでは、ホットスポットに０．１ｍＶの電圧が生じると、迂回路中の対応する部位にも同じ電圧が発生する。上述の計算結果から迂回路の対応部位の電気抵抗はおよそ１μΩであり、０．１ｍＶの電圧が生じると１００Ａの電流が迂回路に転流してくることになる。その結果、ホットスポットの通電電流が３００Ａに減少するとともに発熱量が３０ｍＷに減少して、熱暴走からクエンチへと至る流れは阻止されることになる。ここで、一般的にホットスポットは時間経過によって進行・悪化しやすく、このような状態が長く続くとホットスポットが進行してついには全電流４００Ａが迂回路に転流する虞がある。しかしその状況でも、迂回路上での発生電圧は０．４ｍＶ、発熱量は１６０ｍＷであることから、迂回路の抜熱効率を高めておけば周囲の深刻な温度上昇をもたらすことはない。
　以上の通り、第１実施例に係る超電導コイルでは、ホットスポット型のクエンチから超電導コイルを確実に保護することができる。
　（６－２．第２実施例）
　第２実施例に係る超電導コイルは、金属板３００の材質と寸法が異なる以外は、第１実施例に係る超電導コイルと同様である。本実施例では、金属板３００として次のようなものを用いる。つまり、第１実施例と同様の構成からなる上部および下部パンケーキコイルについて、それぞれの側面部の全ターンを横切るように、幅１．８ｃｍ、厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４の板を１枚ずつはんだ付けする。ＳＵＳ系の金属を錫系はんだではんだ付けするためには専用のフラックスを塗布しておく必要がある。ＳＵＳ３０４の電気抵抗率は室温でおよそ７０μΩ・ｃｍであり、液体窒素温度以下の極低温では、上述した真ちゅう同様、室温での値の半分にまで低下する。
　本実施例において、金属板３００の電気抵抗は、次のように設計されている。コイル自体の構造は第１実施例と同様であることから、コイル内部にホットスポットが１か所発生すると仮定すると、迂回路での転流長さは０．２ｍｍ程度となる。したがって、ホットスポット発生時に生じる迂回路上の転流部位の電気抵抗は、およそ２０μΩ（冷却時）となる。なお、迂回路である金属板３００は、全体でパンケーキコイルの全ターンを横切り、その長さは３ｃｍ（３０ｍｍ）であるため、電気抵抗が冷却時で３０００μΩ＝３ｍΩとなる。
　次に、上記構成からなる第２実施例に係る超電導コイルのコイル特性について、以下のとおり説明する。本実施例において、正常時は４００Ａの定電流を通電することを想定する。そしてコイル内部にホットスポットが発生した状況を考える。通電電流４００Ａのうち１０Ａが迂回路に転流したとすると、迂回路１ターン分の長さに１０Ａ×２０μΩ＝２００μＶ＝０．２ｍＶの電圧が発生する。またこのとき、同じ電圧がホットスポットにも生じている。この時、ホットスポットには３９０Ａの電流が流れており、発熱量は３９０Ａ×０．２ｍＶ＝７８ｍＷとなる。
　上記のホットスポットで生じる発熱量は、安定化層の比較的薄いＲＥＢＣＯ線材においては、ホットスポット周辺部の温度を上昇させるのに十分な発熱量である。このホットスポットで生じる熱により、ホットスポットの周辺は温度上昇により臨界電流がさらに低下、さらに大きな電圧と熱が発生するという循環、すなわち熱暴走状態に至る。そしてすぐにホットスポットが常電導化し、ほぼ全ての電流が迂回路（金属板３００）に転流する。この段階で迂回路を流れる電流はほぼ４００Ａ、発生電圧は８ｍＶ、発熱量は３．２Ｗである。この発熱で迂回路転流部の温度がたとえば３０Ｋ程度上昇するように迂回路の抜熱効率を調整しておけば、この迂回路での温度上昇を検出することでホットスポットの発生を速やかに検知することができる。
　第４実施形態で述べた通り、迂回路から電気的に絶縁された伝熱路での温度上昇を熱電対などの温度センサによって検出することが好ましい。なお、迂回路転流部で発生した熱がホットスポット周辺数ターンの接合部周辺の温度まで上昇させてしまう可能性はある。しかしそれが数ターン以上進行しないようにコイル及び迂回路の抜熱効率を調整しておけば、コイルの通電電流を下げなくてもクエンチの進行が止められることになる。また、電流が迂回路に全て転流する時、ホットスポット部位の通電電流は０になっているため、ホットスポットでの発熱もやはり０となる。ゆえに、ホットスポット周辺が焼損するほど激しい温度上昇を引き起こす心配はない。
　以上の通り、第２実施例に係る超電導コイルでは、ホットスポットの発生を確実に検知することができる。
　（７．その他）
　なお、本発明は、上述した実施形態ないし実施例に限定されず、種々の変形例が可能である。例えば、超電導線材は、ＲＥＢＣＯ線材１００に限らず、Ｎｂ系やＭｇＢ２などのいわゆる低温超電導線材にも適用可能である。また、金属部材は、板状に限らず種々の形態をとることができる。また、金属部材が、超電導コイルの径方向に沿って延在している例を示したが、巻回経路を横切る方向に延在していれば、径方向に沿っていなくてもよい。また、本発明は、超電導線材を渦巻き状に巻回して構成したパンケーキコイルに限らず、例えば、超電導線材をつる巻き状に巻回して構成したソレノイドコイルにも適用可能である。具体的に、他の実施形態に係る超電導コイル２００Ｅは、図７に示すように、ＲＥＢＣＯ線材１００が絶縁シート１５０と共に、巻き枠２０３の外周に沿ってつる巻き状に巻回されたものである。金属板３００Ｃは、軸方向Ｚに沿って、巻回経路を横切る方向に延在している。具体的に、金属板３００Ｃは、ＲＥＢＣＯ線材１００の全ターンを横切るように、超電導コイル２００Ｅの表面に配置されている。さらに具体的に、金属板３００Ｃは、ＲＥＢＣＯ線材１００の巻き始めから巻き終わりまで延在している。言い換えれば、金属板３００Ｃは、超電導コイル２００Ａの全ターンを横切る方向に延在している。なお、金属板は２つ以上の金属板から構成されていてもよい。例えば、２つの金属板が共に、ＲＥＢＣＯ線材１００の巻き始めから巻き終わりまで延在するように、互いに離間して配置される。また、例えば、１つの金属板が巻き始めからから中間ターンまでの領域（図７で左側半分の領域）に延在し、もう１つの金属板が中間ターンから巻き終わりまでの領域（図７で右側半分の領域）に延在する。すなわち、２つの金属部材は、各ターンに少なくとも１つ延在していることになる。このように、本発明をソレノイドコイルに適用する場合には、コイル外周部に金属板をはんだ付けすることで、軸方向に隣接する超電導線材が金属板により懸架され、金属板が上述した迂回路として機能することができる。
　１００　ＲＥＢＣＯ線材
　１５０　絶縁シート
　２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ｅ　超電導コイル
　３００、３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ　金属板
　５００　伝熱板
　６００　温度センサ

Claims (9)

  1. 　超電導線材が巻回された超電導コイルにおいて、
    　前記超電導線材の巻回経路を横切る方向に延在し、かつ、前記超電導線材に接続された少なくとも１つの金属部材を有することを特徴とする超電導コイル。
  2. 　前記金属部材は合金製であることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
  3. 　前記少なくとも１つの金属部材は２つ以上の金属部材であり、該２つ以上の金属部材同士が互いに離間していることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導コイル。
  4. 　前記金属部材は、前記超電導コイルを構成する前記超電導線材の全ターンに延在していることを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の超電導コイル。
  5. 　前記２つ以上の金属部材のそれぞれの長さは、前記超電導コイルを構成する前記超電導線材の全ターンを横断する最短長さよりも短く、かつ、
    　各ターンには前記２つ以上の金属部材のうち少なくとも１つが延在していることを特徴とする請求項３に記載の超電導コイル。
  6. 　前記超電導線材は渦巻き状に巻回され、
    　前記金属部材は、前記超電導コイルの軸方向における端に位置し、かつ、前記超電導コイルの径方向に沿って延在していることを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の超電導コイル。
  7. 　前記超電導コイルの径方向に隣接する前記超電導線材間に絶縁材を有することを特徴とする請求項６に記載の超電導コイル。
  8. 　前記金属部材には、温度検出センサが取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の超電導コイル。
  9. 　前記金属部材には、伝熱板または熱浴が取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至８のうち何れか１項に記載の超電導コイル。
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