(57)【要約】【課題】クエンチが発生しにくい超電導コイルを提供する。【解決手段】この超電導コイル１００は、胴部１１とこの胴部１１の軸方向両端から径外方向に延びて互いに対向する一対のフランジ部１２，１３とを含む巻枠１と、この巻枠１の線膨張率よりも小さい線膨張率の材料からなる超電導線材が一対のフランジ部１２，１３に挟まれる領域で胴部１１の周囲に巻回されることにより形成されるコイル部２と、このコイル部２とフランジ部１２との間に介在するスペーサ３とを備えており、接着剤に含浸されて巻枠１、コイル部２およびスペーサ３が互いに接着されるように構成されている。スペーサ３は、巻枠１の線膨張率よりも大きい線膨張率の材料からなり、励磁運転温度への冷却中に当該スペーサ３とフランジ部１２との間に軸方向の剥離が発生するだけの前記冷却による熱収縮量を有するような軸方向の厚みをもつ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴部とこの胴部の軸方向両端から径外方向に延びて互いに対向する一対のフランジ部とを含む巻枠と、この巻枠の線膨張率よりも小さい線膨張率の材料からなる超電導線材が前記一対のフランジ部に挟まれる領域で前記胴部の周囲に巻回されることにより形成されるコイル部と、このコイル部と少なくとも一方のフランジ部との間に介在するスペーサとを備え、接着剤に含浸されて前記巻枠、コイル部およびスペーサが互いに接着されるように構成された超電導コイルであって、
前記スペーサは、前記巻枠の線膨張率よりも大きい線膨張率の材料からなり、励磁運転温度への冷却中に前記一対のフランジ部の間の領域に軸方向の剥離が発生するだけの前記冷却による熱収縮量を有するような軸方向の厚みをもつことを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記スペーサが絶縁材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。
【請求項３】
前記コイル部の超電導線材が、ＮｂＴｉまたはＮｂ３Ｓｎからなり、
前記巻枠が、アルミニウム、アルミニウム合金またはステンレス鋼からなり、
前記スペーサが、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂または繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイルを用いて磁場を形成する磁場形成方法であって、
前記超電導コイルの励磁運転温度への冷却中に前記スペーサの軸方向の熱収縮によって前記一対のフランジ部の間の領域に軸方向の剥離を発生させる工程と、
その剥離が発生した状態で前記超電導コイルを励磁する工程とを備えることを特徴とする磁場形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルおよびこの超電導コイルを用いて磁場を形成する磁場形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、低温下で励磁されることにより高磁場を形成する超電導コイルが知られている。
【０００３】
このような超電導コイルは、胴部とこの胴部の軸方向両端から径外方向に延びて互いに対向する一対のフランジ部とを含む巻枠と、この巻枠の線膨張率よりも小さい線膨張率の材料からなる超電導線材が一対のフランジ部に挟まれる領域で胴部の周囲に巻回されることにより形成されるコイル部とを備えている。
【０００４】
上記超電導コイルには、巻線後に含浸剤（接着剤）に含浸されるタイプが知られており、含浸剤の硬化により部材同士が接着されることによって、励磁運転中の超電導線材の微小変位が抑えられ、その微小変位に起因するクエンチの発生が防止される。
【０００５】
ところで、含浸型の超電導コイルにおけるクエンチの一因として、励磁中の含浸剤の剥離が挙げられる。すなわち、含浸剤に含浸された超電導コイルでは、当該コイルが励磁されている最中や、励磁された高磁場状態での運転中に、含浸剤で接着された部材同士が分離した場合、その分離によって高いエネルギーが放出されることからクエンチが発生する。そして、上記剥離は、励磁されたコイル部に電磁力が作用することにより、特に巻枠とコイル部との間に発生する。
【０００６】
このような不都合を解消するために、例えば、特許文献１には、コイル部と巻枠との間に設けられる絶縁性のシート状部材（スペーサ）の表面に易接着処理を施し、シート状部材と含浸剤との接着強度を向上させることで、励磁中のコイル部と巻枠との間の剥離を防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２００６−１２０８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のように、スペーサの表面に易接着処理を施せば、クエンチの発生確率は確かに下がるが、何らかの理由によって剥離が発生した場合、接着強度が高まっている分だけ剥離により発生するエネルギーが大きいため、クエンチに繋がりやすいという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、クエンチが発生しにくい超電導コイルおよび磁場形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者は、従来のように剥離を阻止するのではなく、逆に、剥離を積極的に起こし、これによってクエンチを抑えることを考えた。
【００１１】
すなわち、高いエネルギーの放出を伴う剥離を励磁前の冷却中に起こしておけば、励磁中の剥離は生じにくく、仮に生じたとしても放出されるエネルギーは低いため、剥離に起因するクエンチを防止することができる。
【００１２】
このような冷却中の剥離を促す手段として、巻枠およびコイル部の各材料を選定することが考えられる。このとき、巻枠の胴部とコイル部との接触面積が大きいことから、それらの間に剥離（径方向の剥離）を優先的に起こさせるために、巻枠の線膨張率をコイル部の線膨張率よりも大きくすることが考えられる。しかし、この場合、冷却によりコイル部と巻枠のフランジ部との間の面圧は上昇するので、それらの間での冷却中の剥離（軸方向の剥離）は逆に起こりにくくなる。
【００１３】
このようなことから、本願発明者は、冷却中に巻枠の一対のフランジ部の間の領域に径方向の剥離と軸方向の剥離の双方が発生するような超電導コイルを提案する。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の超電導コイルは、胴部とこの胴部の軸方向両端から径外方向に延びて互いに対向する一対のフランジ部とを含む巻枠と、この巻枠の線膨張率よりも小さい線膨張率の材料からなる超電導線材が前記一対のフランジ部に挟まれる領域で前記胴部の周囲に巻回されることにより形成されるコイル部と、このコイル部と少なくとも一方のフランジ部との間に介在するスペーサとを備え、接着剤に含浸されて前記巻枠、コイル部およびスペーサが互いに接着されるように構成された超電導コイルであって、前記スペーサは、前記巻枠の線膨張率よりも大きい線膨張率の材料からなり、励磁運転温度への冷却中に前記一対のフランジ部の間の領域に軸方向の剥離が発生するだけの前記冷却による熱収縮量を有するような軸方向の厚みをもつことを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の超電導コイルでは、上記のように、巻枠の線膨張率がコイル部の線膨張率よりも大きくなるように構成したので、励磁前の冷却中に巻枠の胴部とコイル部との間の剥離が促進され、冷却中に一対のフランジ部の間の領域に径方向の剥離が発生しやすくなる。さらに、上記のような線膨張率の材料および軸方向の厚みに構成されたスペーサをコイル部とフランジ部との間に設けたので、励磁運転温度への冷却中にスペーサの軸方向の熱収縮により一対のフランジ部の間の領域に軸方向の剥離が発生する。このように、励磁前の冷却中に一対のフランジ部の間の領域に径方向の剥離および軸方向の剥離を発生させておけば、一度剥離した接着剤が再度接着することがないため、励磁中の剥離は生じにくくなるとともに、仮に励磁中に剥離が生じたとしても放出されるエネルギーが低いため、励磁中の高いエネルギーの放出を伴う剥離が抑止される。その結果、クエンチが防止される。
【００１６】
なお、ここでの「剥離」とは、接着剤が割れたり接着剤とこの接着剤に接する部材とが離れたりすることによって起きる現象であり、具体的にはフランジ部とスペーサとの分離、スペーサとコイル部との分離、コイル部とフランジ部との分離、および、コイル部の超電導線材同士の分離のうちの少なくとも１つが起きることを言う。また、前記「分離」は、両者が完全に分割された状態のみならず、その分割に至る前の両者間に接着部分が残っている状態も含んでいる。
【００１７】
請求項２に記載の超電導コイルは、上記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記スペーサが絶縁材であることを特徴とする。このように構成すれば、スペーサが絶縁機能をもつようになるので、コイル部とフランジ部との間の絶縁処理が不要となる。
【００１８】
請求項３に記載の超電導コイルは、上記請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記コイル部の超電導線材が、ＮｂＴｉまたはＮｂ３Ｓｎからなり、前記巻枠が、アルミニウム、アルミニウム合金またはステンレス鋼からなり、前記スペーサが、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂または繊維強化プラスチックであることを特徴とする。このような組合せの材料からなる超電導コイルでは、スペーサの厚みを調整すれば励磁運転温度への冷却中にスペーサの軸方向の熱収縮によりフランジ部間の領域に確実に軸方向の剥離が発生する。
【００１９】
また、本発明の請求項４に記載の磁場形成方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイルを用いて磁場を形成する磁場形成方法であって、前記超電導コイルの励磁運転温度への冷却中に前記スペーサの軸方向の熱収縮によって前記一対のフランジ部の間の領域に軸方向の剥離を発生させる工程と、その剥離が発生した状態で前記超電導コイルを励磁する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の超電導コイルおよび磁場形成方法によれば、励磁前の冷却中に一対のフランジ部の間の領域に径方向の剥離および軸方向の剥離が発生することから、励磁中の剥離は生じにくく、また、仮に剥離が生じたとしても放出されるエネルギーが低く、励磁中の高いエネルギーの放出を伴う剥離が抑止される。その結果、クエンチが防止される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による超電導コイルの構成を示した正面断面図である。
【図２】図１の超電導コイルを励磁運転温度まで冷却した状態を示した正面断面図である。
【図３】変形例による超電導コイルの構成を示した正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態による超電導コイルの構成を示した正面断面図である。また、図２は、図１の超電導コイルを励磁運転温度まで冷却した状態を示した正面断面図である。
【００２４】
本実施形態の超電導コイル１００は、励磁運転温度（約４Ｋ）まで冷却された状態で励磁されることにより高磁場を形成するように構成されている。
【００２５】
この超電導コイル１００は、図１に示すように、巻枠１と、超電導線材からなるコイル部２と、本発明に係るスペーサ３とを備えている。
【００２６】
また、超電導コイル１００は、巻線状態でエポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアミド樹脂等の含浸剤（接着剤）に含浸される。このように含浸剤に含浸された超電導コイル１００では、液状の含浸剤が部材間の隙間に浸入して硬化することにより、巻枠１、コイル部２およびスペーサ３がそれらの相対位置が固定されるように相互に接着される。これにより、超電導線材の励磁運転中の微小変位が抑えられ、その微小変位に起因するクエンチの発生が抑えられる。
【００２７】
巻枠１は、円筒状の外周面を有する胴部１１と、この胴部１１の軸方向両端から径外方向に延びて互いに対向する一対のフランジ部１２，１３とを含んでいる。このような巻枠１の材料としては、例えばアルミニウムやアルミニウム合金、ステンレス鋼が挙げられる。
【００２８】
コイル部２は、一対のフランジ部１２，１３に挟まれる領域で胴部１１の周囲に超電導線材が巻回されることにより形成される。このコイル部２を構成する超電導線材は、上記巻枠１の線膨張率よりも小さい線膨張率の材料で形成されている。このような超電導線材の材料としては、例えばＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎが挙げられる。
【００２９】
この超電導コイル１００では、上記のように、巻枠１の線膨張率がコイル部２の線膨張率よりも大きくなるように構成したので、励磁前の冷却中に巻枠１の胴部１１とコイル部２との間に作用する面圧が下がり、それらの間の剥離が促進される。
【００３０】
スペーサ３は、コイル部２とフランジ部１２との間に介在する円筒状部材である。
【００３１】
ここで、本実施形態のスペーサ３は、超電導コイル１００の励磁運転温度への冷却による当該スペーサ３の熱収縮によってフランジ部１２，１３に挟まれる領域に軸方向の剥離を発生させることが可能なように構成されている。
【００３２】
以下、スペーサ３について詳細に説明する。
【００３３】
このスペーサ３は、巻枠１の線膨張率よりも大きい線膨張率の材料により形成されている。
【００３４】
また、スペーサ３は、従来の超電導コイルで絶縁用としてコイル部とフランジ部との間に配設されるシート状のスペーサに比べて、その軸方向の寸法（厚み）がかなり分厚く形成されている。つまり、冷却時の軸方向の収縮量は軸方向の長さに比例するため、このようにスペーサ３を分厚く形成することによって、励磁運転温度への冷却によりスペーサ３の軸方向の収縮量が十分に大きくなる。
【００３５】
また、スペーサ３は、より好ましくは、絶縁材により形成されている。このようにスペーサ３を絶縁材で形成すれば、スペーサ３が絶縁機能をもつようになるので、コイル部２とフランジ部１２との間の絶縁処理が不要となる。
【００３６】
このようなスペーサ３の材料としては、例えばナイロン等のポリアミド系樹脂、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂またはＦＲＰ（繊維強化プラスチック）が挙げられる。
【００３７】
ところで、当該超電導コイル１００では、巻枠１およびコイル部２の各材料を上記のように組合せたことにより、冷却によるコイル部２の軸方向の収縮量よりも巻枠１の胴部１１の軸方向の収縮量（フランジ部１２，１３の対向面同士の接近方向への移動量に相当する。）が大きくなる。そのため、通常、フランジ部１２，１３の間の領域には軸方向の圧縮応力が作用することになる。
【００３８】
しかし、本実施形態の超電導コイル１００では、コイル部２とフランジ部１２との間に介在するスペーサ３が軸方向に十分に大きく収縮する。
【００３９】
具体的に、このスペーサ３は、当該スペーサ３の軸方向の収縮量が胴部１１の収縮量とコイル部２の収縮量との差を上回り、かつ前記スペーサ３の収縮量が上回ったことに起因してフランジ部１２，１３の間の領域に作用する次述の軸方向の引張り応力が含浸剤の接着強度以上になるように、軸方向に収縮する。
【００４０】
従って、超電導コイル１００では、励磁運転温度への冷却によるスペーサ３の収縮によって、一対のフランジ部１２，１３に挟まれる領域内に位置するフランジ部１２とスペーサ３との間、スペーサ３とコイル部２との間、コイル部２とフランジ部１３との間、さらにはコイル部２の超電導線材同士の間に、それらの部材間に作用する面圧が減少するように、前述とは逆の軸方向の引張り応力が作用する。そして、さらに、上記引張り応力が含浸剤の接着強度以上になり、図２に示すように、例えばスペーサ３とフランジ部１２との間に剥離（図２のＴ参照）が発生する。本実施形態の超電導コイル１００は、このような剥離が発生した状態で励磁される。
【００４１】
本実施形態の超電導コイル１００では、上記のように、巻枠１の線膨張率がコイル部２の線膨張率よりも大きくなるように構成したので、励磁前の冷却中に巻枠１の胴部１１とコイル部２との間の剥離が促進され、冷却中に一対のフランジ部１２，１３の間の領域に径方向の剥離が発生しやすくなる。さらに、上記のような材料および軸方向の厚みに構成されたスペーサ３をコイル部２とフランジ部１２との間に設けたので、励磁運転温度への冷却中にスペーサ３の軸方向の熱収縮によりスペーサ３とフランジ部１２との間に軸方向の剥離が発生する。このように、励磁前の冷却中に一対のフランジ部１２，１３の間の領域に径方向の剥離および軸方向の剥離を発生させておけば、一度剥離した含浸剤が再度接着することがないため、励磁中の剥離は生じにくくなるとともに、仮に励磁中に剥離が生じたとしても放出されるエネルギーが低いため、励磁中の高いエネルギーの放出を伴う剥離が抑止される。その結果、クエンチが防止される。
【００４２】
なお、上記実施形態では、冷却によるスペーサ３の軸方向の熱収縮によって、スペーサ３とフランジ部１２との間に軸方向の剥離が発生したが、これに限らず、前記スペーサ３の収縮によって、スペーサ３とコイル部２との間、コイル部２とフランジ部１３との間、さらにはコイル部２の超電導線材同士の間にも軸方向の剥離が発生することがある。そして、このような箇所に剥離が発生しても、励磁中の剥離およびその剥離に起因するクエンチが防止される。
【実施例】
【００４３】
次に、具体的に材料や寸法が設定された超電導コイルにおいて、励磁前の冷却中に剥離を発生させるためのスペーサ３の厚みの条件を求める。なお、本実施例の超電導コイルにおいても上記実施形態と同一符号を用いて説明する。
【００４４】
以下では、超電導コイル１００を所定の励磁運転温度（約４Ｋ）まで冷却したときの当該超電導コイル１００のスペーサ３とフランジ部１２との間に作用する引っ張り応力を求め、その引っ張り応力と含浸剤の接着強度との大きさを比較することにより、スペーサ３の厚みの下限値を割り出す。なお、この実施例でも、冷却によるスペーサ３の熱収縮に起因する剥離がスペーサ３とフランジ部１２との間に発生するものとして説明を進める。
【００４５】
まず、スペーサ３とフランジ部１２との間に作用する引張り応力σは、巻枠１、コイル部２およびスペーサ３の寸法および物性値を用いて、以下の式（１）のように表すことができる。
【００４６】
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【００４７】
なお、上記式（１）において、Ａ１は巻枠１の断面積、Ａ２はコイル部２の断面積、Ａ３はスペーサ３の断面積を示している。また、Ｌ１は巻枠１の胴部１１の軸方向寸法（両フランジ部１２，１３間の距離に相当）、Ｌ２はコイル部２の軸方向寸法、Ｌ３はスペーサ３の軸方向寸法を示している。なお、胴部１１の軸方向寸法Ｌ１は、「Ｌ２＋Ｌ３」に置き換えられる。また、α１は巻枠１の線膨張率、α２はコイル部２の線膨張率、α３はスペーサ３の線膨張率を示している。また、Ｅ１は巻枠１のヤング率、Ｅ２はコイル部２のヤング率、Ｅ３はスペーサ３のヤング率を示している。また、ΔＴは温度変化量を示している。なお、超電導線材の集合体であるコイル部２を円筒体と見なした。
【００４８】
ここで、超電導コイル１００の各部材の材料・寸法が以下のように設定されているとする。すなわち、巻枠１は、アルミニウムにより形成されており、当該巻枠１の胴部１１は、その内径が２００ｍｍ、外径が２２０ｍｍである。また、コイル部２は、ＮｂＴｉ製の超電導線材からなり、当該コイル部２は、その内径が２２０ｍｍ、外径が４２０ｍｍ、軸方向寸法が５００ｍｍである。また、コイル部２と巻枠１のフランジ部１２との間に介在するスペーサ３は、テフロン（登録商標）により形成されており、その内径が２２０ｍｍ、外径が４２０ｍｍである。
【００４９】
このとき、上記構成の巻枠１、コイル部２およびスペーサ３の物性値は以下のようになる。
【００５０】
常温（２９３Ｋ）から励磁運転温度（４Ｋ）までの間の平均線膨張率（係数）は、巻枠１の線膨張率α１が１．４４×１０−５で、コイル部２（コイル部２はＮｂＴｉ９０％、絶縁材１０％とし、絶縁材はテフロン（登録商標）と同じヤング率として計算）の線膨張率α２が１．３１×１０−５で、スペーサ３の線膨張率α３が７．３×１０−５となる。また、ヤング率は、アルミニウムが７５ＧＰａで、ＮｂＴｉが７５ＧＰａで、テフロン（登録商標）が７ＧＰａである。
【００５１】
このような超電導コイル１００を常温（２９３Ｋ）から励磁運転温度（４Ｋ）まで冷却したとき、スペーサ３とフランジ部１２との間に作用する引張り応力σが含浸剤の接着強度と等しくなるためのスペーサ３の厚みＬ３は、仮に、接着強度が５ＭＰａとすると、上記式（１）に各値を代入することにより求められ、５０ｍｍとなる。これは、スペーサ３の厚みが５０ｍｍ以上であれば、引張り応力σが含浸剤の接着強度以上になることを示している。
【００５２】
以上より、スペーサ３の厚みが５０ｍｍ以上であることが、冷却中にスペーサ３とフランジ部１２との間に剥離を発生させるための条件である。
【００５３】
そして、具体的には、本実施例の超電導コイル１００において、例えば、胴部１１の軸方向寸法を５５０ｍｍに設定し、コイル部２とフランジ部１２との間に、厚みが５０ｍｍのスペーサ３を介在させた場合、この超電導コイル１００の励磁運転温度への冷却中にスペーサ３とフランジ部１２との間に剥離が発生する。
【００５４】
ところで、上記例におけるスペーサ３の厚み５０ｍｍを実現するためには、胴部１１の軸方向寸法を正確に５５０ｍｍに設定することが必要になる。さらに言うと、超電導コイル１００において、スペーサ３に所望の厚みをもたせるためには、胴部１１の軸方向寸法がコイル部２の軸方向寸法に当該スペーサ３の所望の厚みを加えた値に正確に一致することが求められる。そこで、実際に超電導コイル１００を形成する際には、例えば旋盤を用いてフランジ部１２（１３）の対向面を研削し、これによって胴部１１の軸方向寸法の調整が正確に行われる。
【００５５】
なお、上記実施形態および実施例による超電導コイル１００では、スペーサ３をコイル部２とフランジ部１２との間のみに設けたが、これに限らず、図３に示すように、コイル部２と両フランジ部１２，１３との各間にスペーサ２０３，２０４をそれぞれ設けた構成の超電導コイル２００であってもよい。この場合、２つのスペーサ２０３，２０４の軸方向の厚みを、当該スペーサ２０３，２０４の厚みの合計値が上記実施例で求められるスペーサの厚みの下限値よりも大きくなるように設定することによって、フランジ部１２，１３に挟まれる領域に軸方向の剥離を発生させることができる。
【００５６】
また、本発明のスペーサは、上記実施形態の円筒状のスペーサ３に限らず、例えば円環状のシート状部材を厚み方向に複数積層してなるスペーサであってもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  巻枠
２  コイル部
３  スペーサ
１１  胴部
１２，１３  フランジ部
１００，２００  超電導コイル
２０３  スペーサ（第１のスペーサ）
２０４  スペーサ（第２のスペーサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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