WO2021172276A1 - 超電導コイル装置およびその製造方法 - Google Patents

超電導コイル装置およびその製造方法 Download PDF

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adhesive
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吉紀 ▲柳▼澤
佑 末富
俊二 高橋
大佐 吉田
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Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil device and a method for manufacturing the superconducting coil device.
  • the high-temperature superconducting coil device may be burnt out due to quenching (transition from the superconducting state to the normal conducting state and the temperature rises), and protection technology to prevent this is important.
  • High-temperature superconducting coil devices generate strong electromagnetic stresses, that is, hoop stresses and axial compressive stresses, so it is important to prevent these stresses from becoming too high to prevent mechanical deterioration of the coil. Is.
  • problems such as increased hoop stress and buckling of high-temperature superconducting tape wire due to the shielding current (eddy current of superconductivity) peculiar to high-temperature superconducting coil devices have been clarified in recent years. is important.
  • the high-temperature superconducting coil device may mechanically deteriorate due to thermal stress during cooling, and it is important to prevent this.
  • FIG. 9A is a diagram showing the configuration of the superconducting coil device A disclosed in Conventional Example 1 (Non-Patent Document 1).
  • Section 910 is a cross-sectional view taken along the plane perpendicular to the circumferential direction.
  • the superconducting coil device A of the conventional example 1 is a layer-wound coil in which a high-temperature superconducting tape wire 912 is spirally wound over a plurality of layers, and a metal sheet is formed between the layers of the tape wire 912.
  • a composite sheet of 913 and an insulating sheet 914 is sandwiched. This configuration is referred to as an intra-Layer No-Insulation (LNI) method.
  • LNI intra-Layer No-Insulation
  • the coil device can be protected from burning when quenching occurs. This is because the tape wire 912 and the metal sheet 913 are in electrical contact with each other, so that the current bypasses the metal sheet 913 during quenching. Further, since the tape wire rod 912, the metal sheet 913, and the insulating sheet 914 are not adhered to each other, mechanical deterioration due to the difference in thermal stress during cooling does not occur.
  • FIG. 9B is a diagram showing the configuration of the superconducting coil device B disclosed in Conventional Example 2 (Non-Patent Document 2).
  • the cross section 920 is a cross-sectional view taken along the plane perpendicular to the circumferential direction.
  • the impregnating material 915 such as epoxy resin is permeated and cured between the layers to bond the tape wire 912, the metal sheet 913, and the insulating sheet 914.
  • the coil becomes rigid, so that the hoop stress increasing effect and the slipping of the tape wire 912 can be suppressed, and the second problem can be solved.
  • the impregnating material 915 by using the impregnating material 915, the electrical contact between the tape wire 912 and the metal sheet 913 disappears or becomes insufficient. Therefore, it becomes impossible to achieve the prevention of burning at the time of quenching. Furthermore, since the entire coil is made rigid, excessive thermal stress in the radial direction (tensile direction with respect to the tape wire surface) is applied due to the difference in heat shrinkage between the tape wire 912 and the impregnating material 915 during cooling, and the tape is taped. The wire rod 912 is mechanically deteriorated.
  • the superconducting coil device B of the conventional example 2 can solve the second problem, but cannot solve the first and third problems.
  • An object of the present invention is to provide a superconducting coil device capable of simultaneously achieving prevention of burning due to quenching, prevention of characteristic deterioration due to hoop stress and axial compressive stress, and prevention of characteristic deterioration due to thermal stress during cooling.
  • the present invention mechanically adheres the superconducting tape wire in the layer with an adhesive, and maintains electrical contact without adhering at least a part of the superconducting tape wire and the metal sheet. Adopt the configuration.
  • the first aspect of the present invention is: A superconducting coil device including a superconducting tape wire rod spirally wound over a plurality of layers and a metal sheet and an insulating sheet provided between layers of the superconducting tape wire rod.
  • the superconducting tape wire and the metal sheet are electrically connected to each other.
  • the turns of one layer are bonded by an adhesive material. It is a superconducting coil device characterized by this.
  • the second aspect of the present invention is The step of spirally winding the superconducting tape wire, The step of applying the adhesive between the turns of the superconducting tape wire and A step of winding a metal sheet and an insulating sheet on the outside of the superconducting tape wire, This is a method for manufacturing a superconducting coil device, which comprises repeating a plurality of steps.
  • the present invention it is possible to simultaneously achieve prevention of burning due to quenching, prevention of characteristic deterioration due to hoop stress and axial compressive stress, and prevention of characteristic deterioration due to thermal stress during cooling.
  • FIG. It is a figure which shows the structure of the superconducting coil device which concerns on this embodiment. It is a figure which shows the measurement result of the time change of the current, the magnetic field, and the coil voltage at the time of quenching in the superconducting coil apparatus which concerns on this Embodiment and the prior art example 2.
  • FIG. It is a figure which shows the numerical analysis result which calculated the hoop stress and the displacement of a tape wire in the superconducting coil apparatus which concerns on this Embodiment and the prior art example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the numerical analysis result which calculated the hoop stress and the displacement of a tape wire in the superconducting coil apparatus which concerns on this Embodiment and the prior art example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the numerical analysis result which calculated the hoop stress and the displacement of a tape wire in the superconducting coil apparatus which concerns on this Embodiment and the prior art example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the numerical analysis result which calculated the hoop stress and the displacement of a tape wire in the superconducting coil apparatus which concerns on this Embodiment and the prior art example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the measurement result of the change of the superconducting characteristic before and after impregnating with an epoxy resin in the superconducting coil apparatus which concerns on this Embodiment and the prior art example 2.
  • FIGS. 1A to 1C are diagrams showing the configuration of the high-temperature superconducting coil device 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 1A shows a cross section 110 of the superconducting coil device 100 in a plane perpendicular to the circumferential direction.
  • FIG. 1B is an enlarged view of a cross section 110.
  • FIG. 1C is an enlarged view of a partial cross section 120 in FIG. 1B.
  • 1D and 1E are enlarged views of a partial cross section 120 in a modified example. It should be noted that these are schematic views for the explanation of FIGS. 1A to 1E, and the structure is not accurately drawn.
  • the superconducting coil device 100 is a layer-wound coil in which a high-temperature superconducting tape wire 112 that is not insulated is spirally wound over a plurality of layers, and a metal sheet is formed between the layers of the tape wire 112.
  • a composite sheet of 113 and an insulating sheet 114 is sandwiched.
  • Composite sheets include those in which the sheets are attached to each other with an adhesive or the like, those in which an insulating material is electrodeposited on one side of a metal sheet, and those in which a metal material is plated on one side of an insulating sheet.
  • an adhesive material 116 is provided between the turns of the tape wire rod 112, and the tape wire rods 112 in the z direction (coil axis direction) are adhered to each other. Further, since the adhesive material 116 is provided only between turns, the tape wire rod 112 and the metal sheet 113 are in electrical contact with each other.
  • the metal sheet 113 and the insulating sheet 114 do not necessarily have to be a composite sheet, and the individual metal sheet 113 and the insulating sheet 114 may be sandwiched between the individual metal sheets 113 and the insulating sheet 114.
  • HTS tape wire 112 is, for example, a REBa 2 Cu 3 O x (REBCO wire) and Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x (BSCCO wire).
  • RE is a rare earth element such as Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.
  • the tape wire 112 generally has a multilayer structure made of a plurality of materials for mechanical reinforcement and electrical protection.
  • a superconducting layer is provided on one side of a substrate such as Hastelloy via an intermediate layer, and one or a plurality of stabilizing layers (for example, a copper stabilizing layer and a silver stabilizing layer 2) covering the entire superconducting layer are provided. Layer).
  • the size of the tape wire 112 is not particularly limited, but for example, a tape having a width of 4 mm and a wire thickness of about 0.1 mm (a substrate of 75 ⁇ m and a stabilizing layer of 20 ⁇ m) can be adopted.
  • the metal sheet 113 is copper in the present embodiment, it may be another metal such as platinum, gold, or silver, or it may be a conductive material other than the metal.
  • the thickness of the metal sheet 113 is, for example, 7 ⁇ m.
  • the insulating sheet 114 is polyimide in the present embodiment, but any other material can be adopted as long as it is a material that has sufficient flexibility and can be insulated.
  • any other material can be adopted as long as it is a material that has sufficient flexibility and can be insulated.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Teflon registered on the market.
  • the thickness of the insulating sheet 114 is, for example, 12.5 ⁇ m.
  • the adhesive material 116 is an epoxy resin in this embodiment, but it may be any material as long as the tape wire rods 112 can be adhered to each other.
  • a thermosetting resin-based adhesive, a thermoplastic resin-based adhesive, or an elastomer-based adhesive can be adopted as the adhesive material 116.
  • the adhesive material 116 may be a metal having a melting point lower than that of the tape wire rod 112, such as solder.
  • the adhesive 116 may be an adhesive containing a ceramic powder.
  • the adhesive 116 may be provided between the turns in one layer and may not be provided between the tape wire 112 and the metal sheet 113 and between the tape wire 112 and the insulating sheet 114. .. Further, the adhesive material 116 does not have to be provided in all of the turns, for example, it may be provided in a portion of 50% or more per turn, preferably 75% or more, and 90% or more. More preferred. It should be noted that the above ratio may be adhered as an average of a plurality of turns, and only the above ratio or less may be adhered between one turn. For example, no adhesive 116 may be provided for one turn.
  • the adhesive material 116 may be provided between the tape wire rod 112 and the insulating sheet 114 other than between the turns. That is, the adhesive 116 may have a first portion 116a provided between turns and a second portion 116b provided between the tape wire 112 and the insulating sheet 114.
  • FIG. 1D it is shown that the adhesive 116 is provided in all the space between the tape wire 112 and the insulating sheet 114, but there is a portion between the two where the adhesive 116 is not provided, and the tape wire 112 and the insulating sheet are provided. 114 may come into direct contact.
  • the adhesive material 116 may be further provided between the tape wire rod 112 and the metal sheet 113. That is, the adhesive material 116 is provided between the tape wire rod 112 and the metal sheet 113 in addition to the first portion 116a provided between the turns and the second portion 116b provided between the tape wire rod 112 and the insulating sheet 114. It may have a third portion 116c to be.
  • the tape wire 112 and the metal sheet 113 must be in direct contact with each other at least partially and electrically connected, and it is possible to provide the adhesive 116 in all of the space between the tape wire 112 and the metal sheet 113. Not preferred.
  • 50% or more of the area per turn of the tape wire 112 and the metal sheet 113 may be in direct contact, 75% or more may be in direct contact, and 90% or more may be in direct contact. It should be noted that the above ratios may be in direct contact as an average of a plurality of turns, and only the above ratios or less may be in direct contact for one turn.
  • the adhesive material 116 is not required for the tape wire rod 112 and the insulating sheet 114, and may not be required. Further, the second portion 116b and the third portion 117c do not necessarily have to be continuous with the first portion 116a and may be separated from the first portion 116a. Further, in the above description, the tape wire rod 112 is wound over a plurality of layers, but the tape wire rod 112 may have only one layer.
  • a method of manufacturing the superconducting coil device 100 according to the present embodiment will be described.
  • a manufacturing method in the case of manufacturing the coil device 100 having the structure of FIG. 1C will be described.
  • the tape wire 112 is spirally wound around the coil winding frame for one layer.
  • the adhesive material 116 such as epoxy resin is applied to the space between the turns.
  • the adhesive 116 protruding from the turns is appropriately wiped off.
  • a composite sheet composed of the metal sheet 113 and the insulating sheet 114 is wound, or the metal sheet 113 is wound and then the insulating sheet 114 is wound on the metal sheet 113.
  • the tape wire 112 is spirally wound one layer on the insulating sheet 114. After that, the above process is repeated.
  • an adhesive material 116 such as epoxy resin is applied to the entire surface of the coil winding frame, and then the tape wire rod 112 is spirally wound in one layer. Wipe off any adhesive that sticks out of the space between turns. Then, a composite sheet composed of the metal sheet 113 and the insulating sheet 114 is wound. After that, the adhesive material 116 is applied to the entire surface of the insulating sheet 114, and then the tape wire rod 112 is spirally wound by one layer. After that, the above process is repeated.
  • a coil device having the structure shown in FIG. 1C or FIG. 1D can be produced. If the adhesive 116 protruding from the turn is left unintentionally or intentionally, a coil device having the structure shown in FIG. 1E is produced.
  • the structure in which the superconducting tape wire 112, the metal sheet 113, and the insulating sheet 114 are provided in this order toward the outside in the diameter (r) direction of the coil has been described, but the insulating sheet is provided toward the outside in the radial direction.
  • the structure may be provided in the order of 114, the metal sheet 113, and the superconducting tape wire rod 112.
  • the manufacturing method of the superconducting coil device having this structure is basically the same as the above, but it is necessary to wind the superconducting tape wire 112 without applying the adhesive of the metal sheet 113 and then apply the adhesive between turns. be.
  • the superconducting coil device applies the adhesive 116 between the step of spirally winding the superconducting tape wire 112 and the turn of the superconducting tape wire 112. It can be manufactured by repeating a plurality of steps of winding the metal sheet 113 and the insulating sheet 114 on the outside of the superconducting tape wire 112 in this order or in the reverse order.
  • FIG. 2A shows the experimental results using the coil device of Conventional Example 2 (Non-Patent Document 2), and FIG. 2A shows the experimental results using the coil device 100 according to the present embodiment. These figures show the time course of current, magnetic field, and coil voltage.
  • the coil voltage suddenly rises due to the occurrence of quenching, and burning occurs.
  • the coil device 100 according to the present embodiment since the electrical connection between the tape wire rod 112 and the metal sheet 113 is maintained, as shown in FIG. 2B, the current bypasses the metal sheet 113 when quenching occurs.
  • the automatic protection effect peculiar to the LNI type coil was obtained that the magnetic field was attenuated.
  • the insulating sheet 114 between the layers eliminates the contact between the layers to shorten the time constant of the excitation delay, and the metal sheet 113 connects the turns to obtain a protective effect from thermal runaway.
  • the above-mentioned first problem can be solved.
  • FIG. 3A is a result for the coil device of Conventional Example 1 (Non-Patent Document 1)
  • FIG. 3B is a result for the superconducting coil device 100 according to the present embodiment.
  • the coil device according to the present embodiment as shown in FIG. 3B, it can be seen that the absolute values of the maximum hoop stress and the minimum hoop stress applied to the tape wire are reduced. It has been found that buckling is likely to occur when a hoop stress in the compression direction (negative hoop stress in the above) occurs, and the coil device according to the present embodiment can significantly suppress the hoop stress in the compression direction. .. For these reasons, deterioration of the tape wire and buckling can be suppressed. Further, since the deformation of the tape wire is suppressed by the impregnated epoxy resin between turns, the effect of preventing the tape wire from slipping due to the axial compressive stress can be obtained. That is, according to the present embodiment, the above-mentioned second problem can be solved.
  • FIG. 4A is a result for the coil device of Conventional Example 1 (Non-Patent Document 1)
  • FIG. 4B is a result for the superconducting coil device 100 according to the present embodiment.
  • the distribution of the hoop stress at each z position is shown together with the positions where the hoop stress has the maximum and minimum values and their values.
  • FIG. 5 shows the magnitude of the hoop stress at each position of the 28th layer from the center side.
  • Graph 501 (circle mark) is the result for the coil device of Conventional Example 1
  • graph 502 x mark
  • the hoop stress of the coil device of the conventional example 1 is 667 MPa at the maximum and -259 MPa at the minimum.
  • the hoop stress of the coil device according to the present embodiment is 595 MPa at the maximum and -4 MPa at the minimum, and it can be seen that both the maximum value and the minimum value are reduced. In particular, the hoop stress in the compression direction can be almost completely eliminated.
  • the coil of the present embodiment can suppress the fluctuation of the hoop stress in one layer as compared with the coil of the conventional example 1, and the hoop stress is continuous. It can be seen that it changes to. In this way, in the case of a 60-layer wound coil as well, the absolute values of the maximum and minimum hoop stresses can be reduced, and in particular, the hoop stress in the compression direction can be reduced. Can be suppressed.
  • FIG. 6A shows the measurement result of the coil device (multiple layers) according to the conventional example 2
  • FIG. 6B shows the measurement result of the coil device (single layer) according to the present embodiment.
  • the critical current is lowered by impregnation with the epoxy resin. This is because the layers are adhered to each other by the epoxy resin (impregnated material), so that the wire rod is deteriorated due to the thermal stress generated by the difference in the heat shrinkage rate during cooling.
  • the impregnation of the epoxy resin is limited and the layers are not adhered to each other. Therefore, as shown in FIG. 6B, the critical current does not decrease before and after the impregnation of the epoxy resin.
  • the coil device according to the present embodiment has a single layer, and the coil device according to the conventional example 2 has a plurality of layers.
  • the critical current values of the two differ due to this difference, the current value itself is not important because the purpose of this measurement is to measure deterioration during cooling. Further, it is clear that if the deterioration prevention effect can be obtained with one layer in the coil of the present embodiment, the same effect can be obtained with multiple layers, but the current-voltage characteristics of the multi-layer coil were investigated just in case.
  • FIG. 7A shows the measurement result of the coil device (multiple layers) according to the conventional example 2
  • FIG. 7B shows the measurement result of the coil device (multiple layers) according to the present embodiment.
  • the coil devices in FIGS. 6A and 7A are different.
  • the critical current electric field reference is 1 ⁇ V / cm
  • the critical current is reduced from 44 A to 42 A
  • the epoxy resin is impregnated. There is almost no decrease in the critical current before and after.
  • FIG. 8 is a diagram summarizing the effects of the superconducting coil device 100 according to the present embodiment in comparison with the conventional examples 1 and 2.
  • Conventional Example 1 protection from burning due to quenching (first problem) and prevention of characteristic deterioration due to thermal stress during cooling (third problem) can be solved, but characteristic deterioration due to hoop stress increase and axial compressive stress can be solved.
  • Prevention second issue cannot be solved.
  • the second problem can be solved, but the first and third problems cannot be solved.
  • This embodiment can solve all three problems.
  • the first problem is solved by electrically contacting the tape wire in the layer with the metal sheet.
  • the second problem is solved by providing an adhesive between the turns of the tape wires in the layer and fixing the tape wires to each other.
  • the third problem is solved by not mechanically adhering the tape wire and the metal sheet, that is, avoiding the adhesion between the tape wires between the layers.
  • the coil device of this embodiment can be applied to a device that requires operation in a permanent current mode, such as an NMR device and an MRI device.

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Abstract

本開示における超電導コイル装置は、複数層にわたって螺旋状に巻回された超電導テープ線材と、前記超電導テープ線材の層間に設けられた金属シートおよび絶縁シートとを備える超電導コイル装置であって、前記超電導テープ線材と前記金属シートは電気的に接続されており、前記超電導テープ線材は、１つの層のターン間が接着材により接着されている、ことを特徴とする。本超電導コイル装置によれば、クエンチ発生時の焼損防止、フープ応力と軸圧縮応力による特性劣化防止、および冷却時の熱応力による特性劣化防止を同時に達成可能である。

Description

超電導コイル装置およびその製造方法
　本発明は、超電導コイル装置およびその製造方法に関する。
　高温超電導テープ線材を巻回したコイル装置（高温超電導コイル装置）を高い電流密度で運転することによって、高磁場を発生させるコンパクトなコイル装置の製造が期待できる。このようなコイル装置を製造するためには、下記の３つの課題を全て解決する必要がある。
　第１の課題：高温超電導コイル装置は、クエンチ（超電導状態から常伝導状態に転移して温度上昇すること）によって焼損することがあり、これを防ぐ保護技術が重要である。
　第２の課題：高温超電導コイル装置には、強力な電磁応力、すなわちフープ応力と軸圧縮応力が生じるため、これらの応力が高くなりすぎないようにしてコイルの機械的な劣化を防ぐことが重要である。特に、高温超電導コイル装置に特有の遮蔽電流（超電導の渦電流）によって、フープ応力が増大したり、高温超電導テープ線材が座屈したりする問題が近年明らかになっており、この現象への対策が重要である。
　第３の課題：高温超電導コイル装置は、冷却時の熱応力によって機械的に劣化することがあり、これを防ぐことが重要である。
　図９（Ａ）は、従来例１（非特許文献１）に開示される超電導コイル装置Ａの構成を示す図である。断面９１０は、周方向と垂直な面による断面図である。図に示すように、従来例１の超電導コイル装置Ａは、高温超電導テープ線材９１２が螺旋状に複数層に渡って巻回されたレイヤー巻きのコイルであり、テープ線材９１２の層間には金属シート９１３と絶縁シート９１４の複合シートが挟み込まれている。この構成は、intra-Layer No-Insulation （ＬＮＩ）方式と称される。
　この構成によれば、クエンチ発生時にコイル装置を焼損から保護できる。これは、テープ線材９１２と金属シート９１３が電気的に接触しているので、クエンチ時に電流が金属シート９１３にバイパスするためである。また、テープ線材９１２、金属シート９１３、絶縁シート９１４は互いに接着されていないので、冷却時の熱応力の差による機械的劣化も生じない。
　しかしながら、従来例１の超電導コイル装置Ａでは、テープ線材９１２が固定されておらず電磁応力に対して動きやすい状態にあるため、第２の課題であるフープ応力と軸圧縮応力による特性劣化を防げない。図１０に示すように、テープ線材９１２内には強力な電磁応力、すなわちフープ応力と軸圧縮応力が生じる。テープ線材９１２には遮蔽電流（超電導の渦電流）が流れるため、これにより特にフープ応力が増大したり、テープ線材９１２が座屈したりするという問題が近年明らかになっている。また、場所によって径方向に外側と内側の異なる方向のローレンツ力が働き、テープ線材９１２に傾きが生じるので、軸圧縮応力によってテープ線材９１２の滑り込みが生じてしまう。このように、従来例１では、第２の課題を解決できない。
　図９（Ｂ）は、従来例２（非特許文献２）に開示される超電導コイル装置Ｂの構成を示す図である。断面９２０は、周方向と垂直な面による断面図である。従来例１との相違点は、層間にエポキシ樹脂などの含浸材９１５を浸透および硬化させて、テープ線材９１２と金属シート９１３および絶縁シート９１４を接着している点である。これによりコイルが剛体化するので、フープ応力増大効果やテープ線材９１２の滑り込みを抑制でき、第２の課題を解決することができる。
　しかしながら、含浸材９１５を用いることで、テープ線材９１２と金属シート９１３との間の電気的な接触がなくなる、もしくは不十分になる。したがって、クエンチ時の焼損防止が達成できなくなってしまう。さらに、コイル全体を剛体化しているため、冷却時のテープ線材９１２と含浸材９１５の熱収縮率の差によって、径方向に過大な熱応力（テープ線材面に対して引張方向）がかかり、テープ線材９１２が機械的に劣化してしまう。
　このように、従来例２の超電導コイル装置Ｂは、第２の課題を解決することができるものの、第１および第３の課題を解決することができない。
Suetomi, Y., et al. "A novel winding method for a no-insulation layer-wound REBCO coil to provide a short magnetic field delay and self-protect characteristics." Superconductor Science and Technology 32 (2019): 045003 (13pp). Takahashi, S., et al. "Tue-Mo-Or8-04: Hoop stress concentration in an HTS tape coil under external magnetic fields", 26th International Conference on Magnet Technology (MT26), 2019.
　本発明は、クエンチ発生時の焼損防止、フープ応力と軸圧縮応力による特性劣化防止、および冷却時の熱応力による特性劣化防止を同時に達成可能な超電導コイル装置を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明は、層内の超電導テープ線材を接着材により機械的に接着しつつ、超電導テープ線材と金属シートの少なくとも一部は接着せずに電気的接触を保つ構成を採用する。
　より具体的には、本発明の第一の態様は、
　複数層にわたって螺旋状に巻回された超電導テープ線材と、前記超電導テープ線材の層間に設けられた金属シートおよび絶縁シートとを備える超電導コイル装置であって、
　前記超電導テープ線材と前記金属シートは電気的に接続されており、
　前記超電導テープ線材は、１つの層のターン間が接着材により接着されている、
　ことを特徴とする超電導コイル装置である。
　本発明の第二の態様は、
　超電導テープ線材を、螺旋状に巻回するステップと、
　前記超電導テープ線材のターン間に接着材を塗布するステップと、
　前記超電導テープ線材の外側に、金属シートおよび絶縁シートを巻くステップと、
　を複数繰り返す、ことを特徴とする超電導コイル装置の製造方法である。
　本発明によれば、クエンチ発生時の焼損防止、フープ応力と軸圧縮応力による特性劣化防止、および冷却時の熱応力による特性劣化防止を同時に達成可能である。
本実施形態に係る超電導コイル装置の構成を示す図である。 本実施形態と従来例２に係る超電導コイル装置における、クエンチ発生時の電流、磁場、コイル電圧の時間変化の測定結果を示す図である。 本実施形態と従来例１に係る超電導コイル装置における、フープ応力とテープ線材の変位を計算した数値解析結果を示す図である。 本実施形態と従来例１に係る超電導コイル装置における、フープ応力とテープ線材の変位を計算した数値解析結果を示す図である。 本実施形態と従来例１に係る超電導コイル装置における、フープ応力とテープ線材の変位を計算した数値解析結果を示す図である。 本実施形態と従来例２に係る超電導コイル装置における、エポキシ樹脂含浸前後での超電導特性の変化の測定結果を示す図である。 本実施形態と従来例２に係る超電導コイル装置における、エポキシ樹脂含浸前後での超電導特性の変化の測定結果を示す図である。 本実施形態および従来例１，２に係る超電導コイル装置の効果を比較する図である。 従来例１，２に係る超電導コイル装置の構成を示す図である。 超電導コイル装置の課題の１つを説明する図である。
　以下では、図面を参照しながら、この発明を実施するための形態を説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。
（構成）
　図１Ａ～図１Ｃは、本実施形態に係る高温超電導コイル装置１００の構成を示す図である。図１Ａは、超電導コイル装置１００を周方向と垂直な面による断面１１０を示す。図１Ｂは、断面１１０の拡大図である。図１Ｃは、図１Ｂにおける部分断面１２０の拡大図である。図１Ｄ，図１Ｅは、変形例における部分断面１２０の拡大図である。なお、図１Ａ～図１Ｅの説明のための模式図であり、構造を正確に描いたものではない点に留意されたい。
　図に示すように、超電導コイル装置１００は、絶縁を施さない高温超電導テープ線材１１２が螺旋状に複数層に渡って巻回されたレイヤー巻きのコイルであり、テープ線材１１２の層間には金属シート１１３と絶縁シート１１４の複合シートが挟み込まれている。複合シートはシート同士が接着剤などで貼り付けられた物、金属シートの片面に絶縁材料を電着した物、絶縁シートの片面に金属材料をメッキした物などの構成がある。また、それぞれの層において、テープ線材１１２のターン間に接着材１１６が設けられ、ｚ方向（コイル軸方向）のテープ線材１１２同士は接着されている。また、接着材１１６はターン間に限定して設けられるため、テープ線材１１２と金属シート１１３は電気的に接触している。なお、金属シート１１３と絶縁シート１１４は複合シートとなっている必要は必ずしもなく、個別の金属シート１１３と絶縁シート１１４をそれぞれ挟みこむ構成でも良い。
　高温超電導テープ線材１１２は、例えば、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（ＲＥＢＣＯ線材）やＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ（ＢＳＣＣＯ線材）である。ここで、ＲＥは、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕなどの希土類元素である。テープ線材１１２は、機械的な補強や電気的な保護のために、複数の材料からなる多層構造を有することが一般的である。例えば、テープ線材１１２は、ハステロイなどの基板の片面に中間層を介して超電導層が設けられ、これら全体を覆う１または複数の安定化層（例えば、銅安定化層と銀安定化層の２層）を有する。テープ線材１１２の大きさは特に限定されないが、例えば、幅が４ｍｍ、線材厚が約０．１ｍｍ（基板７５μｍ、安定化層２０μｍ）のものを採用できる。
　金属シート１１３は、本実施形態では銅であるが、白金、金、銀などのその他の金属であってもよいし、また金属以外の導電性材料であってもよい。金属シート１１３の厚さは例えば７μｍである。
　絶縁シート１１４は、本実施形態ではポリイミドであるが、十分な柔軟性があり絶縁ができる材料であれば、その他の任意の材料を採用可能であり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ，テフロン（登録商標））が採用できる。絶縁シート１１４の厚さは例えば１２．５μｍである。
　接着材１１６は、本実施形態ではエポキシ樹脂であるが、テープ線材１１２同士を接着できれば任意の材料であってよい。例えば、接着材１１６として、熱硬化性樹脂系、熱可塑性樹脂系、エラストマー系の接着剤を採用可能である。あるいは、接着材１１６は、半田のようにテープ線材１１２よりも低融点の金属であってもよい。さらに、接着材１１６は、セラミック粉末が含まれた接着剤であってもよい。
　図１Ｃに示すように、接着材１１６は、１つの層におけるターン間に設けられればよく、テープ線材１１２と金属シート１１３の間およびテープ線材１１２と絶縁シート１１４の間には設けられなくてよい。また、接着材１１６は、ターン間の全てに設けられなくてもよく、例えば１ターンあたり５０％以上の部分に設けられればよく、７５％以上に設けられれば好ましく、９０％以上に設けられればより好ましい。なお、複数ターンの平均として上記の割合が接着されればよく、１つのターン間について上記の割合以下しか接着されていなくてもよい。例えば、ある１つのターン間について全く接着材１１６が設けられなくてもよい。
　また、図１Ｄに示すように、接着材１１６は、ターン間以外に、テープ線材１１２と絶縁シート１１４の間に設けられてもよい。すなわち、接着材１１６は、ターン間に設けられる第１の部分１１６ａとテープ線材１１２と絶縁シート１１４の間に設けられる第２の部分１１６ｂを有してもよい。図１Ｄではテープ線材１１２と絶縁シート１１４の間の全てに接着材１１６が設けられるように示しているが、両者の間に接着材１１６が設けられない部分があって、テープ線材１１２と絶縁シート１１４が直接接触してもよい。
　また、図１Ｅに示すように、接着材１１６は、さらに、テープ線材１１２と金属シート１１３の間に設けられてもよい。すなわち、接着材１１６は、ターン間に設けられる第１の部分１１６ａとテープ線材１１２と絶縁シート１１４の間に設けられる第２の部分１１６ｂに加えて、テープ線材１１２と金属シート１１３の間に設けられる第３の部分１１６ｃを有してもよい。ここで、テープ線材１１２と金属シート１１３は少なくとも部分的に直接接触して、電気的に接続している必要があり、テープ線材１１２と金属シート１１３の間の全てに接着材１１６を設けることは好ましくない。例えば、テープ線材１１２と金属シート１１３の１ターンあたりの面積のうち、５０％以上の部分が直接接触するとよく、７５％以上が直接接触するとより好ましく、９０％以上が直接接触すると更に好ましい。なお、複数ターンの平均として上記の割合が直接接触すればよく、１つのターンについて上記の割合以下しか直接接触していなくてもよい。
　なお、テープ線材１１２と絶縁シート１１４の間に接着材１１６を設ける場合に、テープ線材１１２と絶縁シート１１４に接着材１１６が必要というわけではなく、なくても構わない。また、第２の部分１１６ｂおよび第３の部分１１７ｃは、必ずしも第１の部分１１６ａと連続している必要はなく、第１の部分１１６ａと分離していても構わない。また、上記の説明では、テープ線材１１２を複数層に渡って巻回しているが、テープ線材１１２は１層だけであっても構わない。
（製造方法）
　本実施形態に係る超電導コイル装置１００の製造方法について説明する。ここでは、図１Ｃの構造のコイル装置１００を作る場合の製造方法を説明する。まず、コイル巻き枠にテープ線材１１２を螺旋状に１層分巻く。そして、ターン間の空間にエポキシ樹脂などの接着材１１６を塗布する。ターン間からはみ出した接着材１１６は適宜拭き取る。そして、金属シート１１３および絶縁シート１１４からなる複合シートを巻く、あるいは金属シート１１３を巻いてからその上に絶縁シート１１４を巻く。その後、絶縁シート１１４の上に、テープ線材１１２を螺旋状に更に１層分巻く。以降は、上記の処理を繰り返す。
　図１Ｄの構造のコイル装置１００を作る場合には、コイル巻き枠の全面にエポキシ樹脂などの接着材１１６を塗布してから、テープ線材１１２を螺旋状に１層分巻く。ターン間の空間からはみ出した接着材は適宜拭き取る。そして、金属シート１１３および絶縁シート１１４からなる複合シートを巻く。その後、絶縁シート１１４の全面に接着材１１６を塗布してから、テープ線材１１２を螺旋状に更に１層分巻く。以降は、上記の処理を繰り返す。
　このように製造すれば、図１Ｃまたは図１Ｄに示す構造のコイル装置が作られる。なお、ターン間からはみ出した接着材１１６を意図せずにあるいは意図的に残した場合には、図１Ｅに示す構造のコイル装置が作られる。
　以上の説明では、コイルの径（ｒ）方向外側に向かって、超電導テープ線材１１２、金属シート１１３、絶縁シート１１４の順で設けられた構造を説明したが、径方向外側に向かって、絶縁シート１１４、金属シート１１３、超電導テープ線材１１２の順で設けられた構造であっても構わない。この構造の超電導コイル装置を製造方法は、基本的に上記と同様であるが、金属シート１１３の接着材を塗布せずに超電導テープ線材１１２を巻いてからターン間に接着材を塗布する必要がある。
　超電導テープ線材１１２、金属シート１１３、絶縁シート１１４の並び順にかかわらず、超電導コイル装置は、超電導テープ線材１１２を螺旋状に巻回するステップと、超電導テープ線材１１２のターン間に接着材１１６を塗布するステップと、超電導テープ線材１１２の外側に、金属シート１１３および絶縁シート１１４をこの順番または逆の順番で巻くステップと、を複数繰り返すことにより製造できる。
（性能評価）
　本実施形態に係る超電導コイル装置１００の性能を実験と数値解析により検証した。
［１．クエンチ発生時の保護機能（第１の課題）］
　まず、本実施形態に係る超電導コイル装置１００を用いて、強制的にクエンチを発生させた。図２Ａは従来例２（非特許文献２）のコイル装置を用いた実験結果を示し、図２Ａは本実施形態に係るコイル装置１００を用いた実験結果を示す。これらの図は、電流、磁場、およびコイル電圧の時間変化を示す。
　テープ線材と金属シートが絶縁されている従来例２に係るコイル装置では、図２Ａが示すように、クエンチ発生によりコイル電圧が急上昇し焼損が発生してしまう。これに対して、本実施形態に係るコイル装置１００は、テープ線材１１２と金属シート１１３の電機接続が保たれているので、図２Ｂが示すように、クエンチ発生時に電流が金属シート１１３にバイパスして磁場が減衰するというＬＮＩ方式コイル特有の自動保護効果が得られた。詳細には、層間の絶縁シート１１４によって層間の接触をなくすことで励磁遅れの時定数を短縮し、さらに金属シート１１３によってターン間をつなげることで、熱暴走からの保護効果が得られる。このように、本実施形態によれば、上述の第１の課題が解決できる。
［２．フープ応力および軸圧縮応力による劣化の防止（第２の課題）］
　次に、有限要素法を用いて、コイル１つの層に対して応力解析を実施した。ここでは、高温超電導テープ線材特有の遮蔽電流に起因した電磁力を考慮した。図３Ａは従来例１（非特許文献１）のコイル装置に対する結果であり、図３Ｂは本実施形態に係る超電導コイル装置１００に対する結果である。これらの図では、各z位置でのフープ応力の分布と、テープ線材の変位を示している。
　図３Ａに示すように、テープ線材のターン間にエポキシ樹脂が含浸されていない従来例１のコイル装置では、最大で５５６ＭＰａ、最小で－３００ＭＰａのフープ応力がかかる。また、ターン間が接着されていないので、テープ線材に大きな変位が生じる。このようにテープ線材が傾いた状態で軸圧縮応力が印加されるので、線材の滑り込みが生じてしまう。滑り込みが生じると、テープ線材が大きく変形して劣化してしまう。
　一方、本実施形態に係るコイル装置では、図３Ｂに示すように、テープ線材に印加される最大フープ応力と最小フープ応力の絶対値が低減されることが分かる。なお、圧縮方向のフープ応力（上記では負のフープ応力）が生じると座屈が起きやすい知見が得られており、本実施形態に係るコイル装置は圧縮方向のフープ応力を大幅に抑制できている。これらの理由により、テープ線材の劣化が起きたり、座屈が起きたりすることを抑制できる。また、ターン間の含浸されたエポキシ樹脂によってテープ線材の変形が抑えられるので、軸圧縮応力によるテープ線材の滑り込みの防止効果も得られる。すなわち、本実施形態によれば、上述の第２の課題が解決できる。
　同様に、６０層からなるコイルに対して同様の応力解析を実施した。解析手法は上記と同様である。図４Ａは従来例１（非特許文献１）のコイル装置に対する結果であり、図４Ｂは本実施形態に係る超電導コイル装置１００に対する結果である。これらの図では、各z位置でのフープ応力の分布を、フープ応力が最大値および最小値をとる位置とその値とともに示している。図５は、中心側から第２８層目の各位置におけるフープ応力の大きさを表す。グラフ５０１（丸印）が従来例１のコイル装置に対する結果、グラフ５０２（×印）が本発明のコイル装置に対する結果である。
　図４Ａに示すように、従来例１のコイル装置のフープ応力は、最大で６６７ＭＰａ、最小で－２５９ＭＰａである。一方、図４Ｂに示すように、本実施形態に係るコイル装置のフープ応力は、最大で５９５ＭＰａ、最小で－４ＭＰａであり、最大値および最小値ともに低減されることが分かる。特に、圧縮方向のフープ応力をほぼ完全に排除できている。また、図５に示すように、本実施形態のコイルの方が、従来例１のコイルと比較して、１つの層内でのフープ応力の変動を抑制できており、またフープ応力が連続的に変化することが分かる。このように、６０層巻きのコイルの場合も同様に、フープ応力の最大値と最小値の絶対値の低減、そして特に圧縮方向のフープ応力の低減が達成できるので、コイルの変型や座屈を抑制できる。
［３．熱応力による劣化の防止（第３の課題）］
　次に、本実施形態に係る超電導コイル装置１００と、従来例２（非特許文献２）のコイル装置について、エポキシ樹脂を含浸させる前後でのコイルの電流－電圧特性を調べた。図６Ａは従来例２に係るコイル装置（複数層）についての測定結果を示し、図６Ｂは本実施形態に係るコイル装置（単層）についての測定結果を示す。
　図６Ａに示すように、従来例２のコイル装置では、エポキシ樹脂の含浸によって臨界電流が低下している。これは、エポキシ樹脂（含浸材）によって層同士が接着するため、冷却時に熱収縮率の差によって生じる熱応力により線材の劣化が生じるためである。
　一方、本実施形態に係るコイル装置においては、エポキシ樹脂の含浸は限定的であり層同士は接着されないため、図６Ｂに示すように、エポキシ樹脂の含浸前後で臨界電流の低下が発生しない。
　なお、本測定では、本実施形態に係るコイル装置は単層であり、従来例２に係るコイル装置は複数層であるという違いがある。この相違によって両者の臨界電流の値が異なっているが、本測定は冷却時の劣化測定を目的とするものであるので電流値自体は重要ではない。また、本実施形態のコイルにおいて１層で劣化防止効果が得られれば多層でも同じ効果が得られることは明らかであるが、念のため多層コイルにおいて電流－電圧特性を調べた。
　図７Ａは従来例２に係るコイル装置（複数層）についての測定結果を示し、図７Ｂは本実施形態に係るコイル装置（複数層）についての測定結果を示す。なお、図６Ａと図７Ａにおけるコイル装置は異なるものである。従来例に係るコイル装置では、臨界電流（電界基準は１μＶ／ｃｍ）が５６Ａから４０Ａに低下するのに対し、本実施形態に係るコイル装置では４４Ａから４２Ａへの低下であり、エポキシ樹脂の含浸前後で臨界電流の低下がほとんど発生していない。
［本実施形態の効果のまとめ］
　図８は、本実施形態による超電導コイル装置１００の効果を、従来例１，２と比較してまとめた図である。従来例１では、クエンチによる焼損からの保護（第１の課題）と冷却時の熱応力による特性劣化の防止（第３の課題）を解決できるが、フープ応力増大と軸圧縮応力による特性劣化の防止（第２の課題）を解決できない。従来例２では、第２の課題を解決できるが、第１および第３の課題が解決できない。
　本実施形態は、これら３つの課題を全て解決できる。第１の課題は、層内のテープ線材と金属シートを電気的に接触させていることにより解決される。第２の課題は、層内のテープ線材のターン間に接着材を設けて、テープ線材同士を固定することにより解決される。第３の課題は、テープ線材と金属シートを機械的に接着させないこと、すなわち層間のテープ線材同士の接着を回避することにより解決される。
　本実施形態によれば、高磁場を発生させる小型のコイル装置を製造することができる。本実施形態のコイル装置はＮＭＲ装置やＭＲＩ装置のように永久電流モードの運転が必要な機器に適用できる。
１００：超電導コイル装置
１１２：高温超電導テープ線材
１１３：金属シート
１１４：絶縁シート
１１６：接着材

Claims (9)

  1. 　複数層にわたって螺旋状に巻回された超電導テープ線材と、前記超電導テープ線材の層間に設けられた金属シートおよび絶縁シートとを備える超電導コイル装置であって、
    　前記超電導テープ線材と前記金属シートは電気的に接続されており、
    　前記超電導テープ線材は、１つの層のターン間が接着材により接着されている、
    　ことを特徴とする超電導コイル装置。
  2. 　１つの層における前記超電導テープ線材、前記金属シート、および前記絶縁シートは、径方向外側に向かって、超電導テープ線材、金属シート、絶縁シートの順、または、絶縁シート、金属シート、超電導テープ線材の順で設けられる、
    　請求項１に記載の超電導コイル装置。
  3. 　前記超電導テープ線材と前記金属シートは、少なくとも部分的に、前記接着材を介さずに直接接触している、
    　請求項１または２に記載の超電導コイル装置。
  4. 　前記超電導テープ線材と前記絶縁シートが、少なくとも部分的に、前記接着材によって接着されている、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
  5. 　前記接着材は、熱硬化性樹脂である、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
  6. 　前記接着材は、前記超電導テープ線材および前記金属シートよりも低融点の金属である、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
  7. 　前記絶縁シートは、ポリイミドである、
    　請求項１から６のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
  8. 　前記絶縁シートは、ポリテトラフルオロエチレンである、
    　請求項１から６のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
  9. 　超電導テープ線材を、螺旋状に巻回するステップと、
    　前記超電導テープ線材のターン間に接着材を塗布するステップと、
    　前記超電導テープ線材の外側に、金属シートおよび絶縁シートを巻くステップと、
    　を複数繰り返す、ことを特徴とする超電導コイル装置の製造方法。
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