(57)【要約】【課題】臨界電流が低下を防ぐ、安価は超電導コイルを得ることを課題とする。【解決手段】テープ状の超電導線を巻回したパンケーキ型の超電導コイルを３個以上を軸線方向に積層した超電導コイルであって、前記軸線方向の少なくとも両端の超電導コイルは、ＲＥ１２３超電導線材で形成している一方、該ＲＥ１２３超電導線材からなる超電導コイルに挟まれた中間層の超電導コイルは(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導材で形成している。【選択図】図１
2010040962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の超電導線を巻回したパンケーキ型の超電導コイルを３個以上を軸線方向に積層した超電導コイルからなり、
前記軸線方向の少なくとも両端の超電導コイルは、ＲＥ１２３超電導線材で形成している一方、該ＲＥ１２３超電導線材からなる超電導コイルに挟まれた中間層の超電導コイルは、(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材で形成していることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
Ｃ型鉄心の両側部にテープ状の超電導線を巻回したパンケーキ型の超電導コイルを積層した超電導コイルからなり、
開口端を挟む両側部に配置する超電導コイル積層部の、少なくとも開口端側に配置する超電導コイルはＲＥ１２３超電導線材で形成している一方、該超電導コイル以外の超電導コイルは(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材で形成していることを特徴とする超電導コイル。
【請求項３】
テープ幅広面に対して０．１Ｔ以上の磁界が印加される部分に対して、前記ＲＥ１２３超電導線材で形成した超電導コイルを使用していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記積層した超電導コイルの内周に、鉄心または鉄製の内枠は取り付けていない請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
【請求項５】
上記各超電導コイルはダブルパンケーキ型コイルからなる請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
【請求項６】
テープ状の超電導線を螺旋巻きしたソレノイド型の超電導コイルからなり、
コイル両端にＲＥ１２３超電導線材を巻き付ける一方、該ＲＥ１２３超電導線材に(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材を接続して、コイル中央部に巻き付けていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項７】
Ｃ型鉄心の両側部にテープ状の超電導線を螺旋巻きしたソレノイド型の超電導コイルからなり、
開口端を挟む両側部に巻き付ける超電導線は、開口端側はＲＥ１２３超電導線材を用いて巻き付ける一方、該ＲＥ１２３超電導線材に(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材を接続して、前記両側部の中央部から連結部端側まで巻き付けていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項８】
テープ幅広面に対して０．１Ｔ以上の磁界が印加される部分に対して、ＲＥ１２３超電導線材を用いて巻き付けられていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導コイルに関し、超電導コイルに流せる電流値（臨界電流値）の低下を防ぎ、超電導コイルの特性を効率よく発揮できるようにするものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、高温超電導材として、第一世代のビスマス系酸化物超電導線材等の(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導材と、第二世代のイットリウム系酸化物超電導線材等のＲＥ１２３超電導線材とが開発されている。これらのテープ状とした超電導線をフラットワイズ巻に巻回し、超電導線の広幅面をコイル軸線方向と平行としたパンケーキ型コイルが特開２００２−１１０４１６号公報等で提案されている。また、鉄心に超電導線を螺旋巻きしたソレノイド型コイルとする場合もある。
【０００３】
超電導コイルの臨界電流は、超電導線に加わる磁場の強さに影響を受けると共に、磁界の方向の影響も受ける。即ち、テープ状の超電導線の幅広面に対して直交方向の磁界が加わると損失が大きくなり臨界電流が低下する。
具体的には、図６に示すようにパンケーキ型コイル１００の積層体１０１に通電すると、積層体１０１の内周面から積層体の両端を通り外周面に回る磁界１０２が発生し、積層体１０１の軸線方向Ｘの中央付近では、磁界１０２はコイル１００の広幅面１００ａと平行であるが、軸線方向の両端位置では、コイル１００の径方向、即ち、広幅面１００ａと直交方向の成分を備える磁場１０２が発生している。
【０００４】
図７（Ａ）は、超電導線の広幅面に対して直交方向の磁場をかけた場合を臨界電流を示し、図７（Ｂ）は広幅面と磁界方向が平行である場合の臨界電流を示す。このグラフから分かるように、磁界の大きさや冷却温度の条件をかえても、いずれも場合も直交方向の磁場がかかった超電導線は平行方向の磁場がかかった場合と比較して臨界電流が小さくなる。なお、図７のグラフの縦軸の数値は、磁束密度０ステラ（Ｔ）、温度７７ケルビン（Ｋ）の状態で超電導線に通電した場合の臨界電流を１とした時の臨界電流の大きさを示す。
このように、超電導コイル１００の積層体１０１に通電した場合、積層体の両端位置では、超電導線の広幅面に対して直交方向の成分を備える磁場１０２が加わり、臨界電流が低下してクエンチが生じやすくなる。その結果、超電導コイルの性能が低下する問題がある。
【０００５】
一方、前記第一世代の(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導材と第二世代のＲＥ１２３超電導材とを比較すると、(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３酸化物超電導材の磁場に対する抗性はＲＥ１２３超電導材より弱い。よって、テープ状の超電導線の広幅面に対して直交方向の成分を備えた磁場がかかると、(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３酸化物超電導材はＲＥ１２３超電導材より臨界電流値が低下しやすくなる。
【０００６】
このように、ＲＥ１２３超電導材は(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３酸化物超電導材よりも磁場に対して強く、臨界電流値が低下しない利点がある。しかしながら、ＲＥ１２３超電導材からなるテープ状の超電導線材は作製プロセスが複雑で且つ繊細であるため、コイルを形成できる長尺で均一な物性を備えた線材を得にくく、製造上で歩留まりが悪い。その結果、ＲＥ１２３超電導材のみでコイルを形成するとコスト高になる問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１１０４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、テープ状の超電導線の広幅面に対して直交方向の磁場がかかっても、臨界電流の低下を抑制できる超電導コイルを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、第１の発明として、
テープ状の超電導線を巻回したパンケーキ型の超電導コイルを３個以上を軸線方向に積層した超電導コイルからなり、
前記軸線方向の少なくとも両端の超電導コイルは、ＲＥ１２３超電導線材で形成している一方、該ＲＥ１２３超電導線材からなる超電導コイルに挟まれた中間層の超電導コイルは、(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材で形成していることを特徴とする超電導コイルを提供している。
【００１０】
第２の発明として、
Ｃ型鉄心の両側部にテープ状の超電導線を巻回したパンケーキ型の超電導コイルを積層した超電導コイルからなり、
開口端を挟む両側部に配置する超電導コイル積層部の、少なくとも開口端側に配置する超電導コイルはＲＥ１２３超電導線材で形成している一方、該超電導コイル以外の超電導コイルは(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材で形成していることを特徴とする超電導コイルを提供している。
【００１１】
前記第１、第２の発明において、パンケーキ型コイルが一層のシングルパンケーキ型コイルでは３層以上を軸線方向に積層し、軸線方向の両端のシングルパンケーキ型コイルをＲＥ１２３超電導線材で形成し、中間の一層のシングルパンケーキ型コイルを(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材で形成している。
また、上下二層を内周面で渡り巻したダブルパンケーキ型コイルを３層以上積層した場合も同様とし、軸線方向の両端のダブルパンケーキ型コイルはＲＥ１２３超電導線材で形成し、中間層のダブルパンケーキ型コイルを(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材で形成している。
ダブルパンケーキ型コイルを３層以上積層する場合には、中間層のコイルを全て(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材で形成していることが好ましい。
なお、パンケーキ型コイルはすべて、ダブルパンケーキ型コイルから形成することが好ましい。
【００１２】
前記のように、広幅面に対して直交方向の磁場がかかりやすい軸線方向の両端には磁場に強く臨界電流が低下しにくいＲＥ１２３超電導線材で形成した超電導コイルを配置すると、臨界電流が低下しにくい積層体からなる超電導コイルとすることができる。また、積層体の中間位置では超電導線材の広幅面に対して平行方向の磁場がかかり、直交方向の磁場は少ないため、ＲＥ１２３超電導線材より磁場に対して弱い(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材からなる超電導コイルを配置しても、臨界電流の低下を防止できる。かつ、(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材はＲＥ１２３超電導線材より安価に得られれるため、コストを低下することができる。
【００１３】
具体的には、前記テープ幅広面に対して０．１Ｔ以上の磁界が印加される部分に対して、前記ＲＥ１２３超電導線材で形成した超電導コイルを使用していることが好ましい。
超電導線材に対して垂直な磁界が加わった時、磁界と臨界電流の関係を図８に示す。該図８に示すように、(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材６の臨界電流は７７Ｋ、０．１Ｔ以上で、２０Ｋでは２Ｔ以上で低下し、ＲＥ１２３超電導線材５のそれより小さくなる。テープ面に対して垂直な磁界が０．１Ｔ以上になる部分を、ＲＥ１２３超電導材５で巻線することで、臨界電流値の低下が抑制できる超電導コイルを安価に得ることができる。
【００１４】
前記積層した超電導コイルの内周に、鉄心または鉄製の内枠を取り付けないことが好ましい。
超電導コイルには、その内周に発生する分散した磁束を軸線方向に収束させるために、コイルの内周に軸線方向の鉄心を配置する場合がある。この場合、鉄心の外周面から直交方向に漏れ磁束が発生し、超電導線の広幅面に対して鉄心からも直交方向の成分を備える磁場が加わる。このため、鉄心のない場合に比較して、鉄心がある場合には超電導線の広幅面に加わる直交方向の成分の磁場が多くなり、臨界電流が低下しやすくなる。
よって、積層体の中間位置に配置する(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材の広幅面に対して、鉄心から直交方向の磁場がかかりやすくなり、臨界電流値が低下するため、鉄心や鉄製の保持枠を配置しないことが好ましい。
【００１５】
第３の発明として、
テープ状の超電導線を螺旋巻きしたソレノイド型の超電導コイルからなり、
コイル両端にＲＥ１２３超電導線材を巻き付ける一方、該ＲＥ１２３超電導線材に(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材を接続して、コイル中央部に巻き付けていることを特徴とする超電導コイルを提供している。
【００１６】
第４の発明としてＣ型鉄心の両側部にテープ状の超電導線を螺旋巻きしたソレノイド型の超電導コイルからなり、
開口端を挟む両側部に巻き付ける超電導線は、開口端側はＲＥ１２３超電導線材を用いて巻き付ける一方、該ＲＥ１２３超電導線材に(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材を接続して、前記両側部の中央部から連結部端側まで巻き付けていることを特徴とする超電導コイルを提供している。
【００１７】
前記第３、第４の発明では、パンケーキ型コイルにかえて、テープ状の超電導線を螺旋巻きしたソレノイド型の超電導コイルとしており、第３の発明では円筒形状の超電導コイル、第４の発明ではＣ型の超電導コイルとしている。
該超電導コイルは、開口端を挟む両側部に巻き付ける超電導線は、開口端側はＲＥ１２３超電導線材を用いて巻き付ける一方、該ＲＥ１２３超電導線材に(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導材を接続して、前記両側部の中央部から連結部端側まで巻き付けていることを特徴とする。
【００１８】
第４の発明のＣ型鉄心の両側部にテープ状の超電導線を螺旋巻きしたソレノイド型の超電導コイルでは、磁界は両側部の先端面を横断して両側部の外周から鉄心の連続部を回る経路で発生する。よって、両側部の開口端側に巻き付ける超電導線には広幅面と直交方向の磁場がかかる一方、両側部の開口端側を除く中間部から鉄心の連結部側へと巻き付ける超電導線には、その広幅面に対して磁場は平行方向となり、直交方向の磁場はかかりにくくなる。
そのため、前記のように、広幅面に対して直交方向の磁場がかかりやすい開口端側にはＲＥ１２３超電導線材を配置し、中間部から鉄心の連続側にかけて(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導材を配置している。
これにより、前記第３、第４の発明は、第１、第２の発明と同様に、臨界電流値が低下しにくい超電導コイルを安価に製造することができる。
【００１９】
前記テープ状の(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導材とＲＥ１２３超電導線材との接続は、半田付けで接続することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
上述したように、本発明の超電導コイルでは、テープ状とした超電導線の広幅面に対して直交方向の磁場がかかりやすい箇所には、磁場に強いＲＥ１２３超電導線材を用いて、臨界電流値の低下を防いでいる。一方、広幅面に対して磁場が平行方向となり、直交方向の磁場がかかりにい箇所は、ＲＥ１２３超電導線材より磁場に対して弱いが均一な物性としたテープ状の超電導線が安価に得られる(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導材を用いている。これにより、臨界電流が低下しにくい強磁場を発生できる安価な超電導コイルを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の超電導コイルの実施形態を図面を参照して説明する。
図１および図２に第一実施形態のパンケーキ型の超電導コイル１を示す。
【００２２】
超電導コイル１は、ダブルパンケーキ型のコイル２を軸線方向Ｘに上下４層積層した積層体としている。該積層体の内周には鉄心を入れずに、ＦＲＰ、ステンレススチール、アルミなどの非磁性体で成形した内枠３に前記コイル２を外嵌して積層保持している。
【００２３】
最下層のコイル２Ａと最上層のコイル２Ｄとは、図２（Ａ）に示すＲＥ１２３超電導線材５で形成している。中間層のコイル２Ｂと２Ｃは図２（Ｂ）に示す(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導材６で形成している。
【００２４】
ＲＥ１２３超電導線材５は、金属配向基板２１と、中間層２２と、超電導薄膜層２３と、保護用の安定層２４とを順次積層し、両面を保護層２５、２６で挟んだ構成からなる。金属配向基板２１は、例えばＮｉまたはＮｉ合金からなる。中間層２はイットリウム系安定化ジルコニアからなる。保護層２５、２６は銀や銅からなる。
（Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材６は長手方向に伸びる複数の(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導体フィラメント２８と、これらを被覆する銀や銀合金からなるシース部２９とを有している。
【００２５】
前記テープ状としたＲＥ１２３超電導材５と、テープ状とした(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３酸化物超電導線材６とは、いずれも、広幅面５ａ、６ａをコイル軸線方向と平行とした垂直方向としてフラットワイズ巻したダブルパンケーキ型コイル２としている。該ダブルパンケーキ型コイル２は上下層の内周面で渡り配線して連続させている。
積層したコイル２Ａ〜２Ｄは各コイルの外周面の先端同士を電気的に直列に接続し、同じ値の電流が流されるようにしている。
【００２６】
前記構成としたダブルパンケーキ型コイル２Ａ〜２Ｄを積層した超電導コイル１では、軸線方向の上下両端は磁場に強いＲＥ１２３超電導線で形成している。
該構成の超電導コイル１は温度３０Ｋに保持して通電される。其の際、軸線方向の中央部に配置したコイル２Ｂ、２Ｃには３Ｔの磁場がかかり、コイル２Ａ、２Ｂの外側では１Ｔ以下の磁場がかかる。即ち、(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導材６で形成したコイル２Ｂ、２Ｃに強い磁場がかかる一方、ＲＥ１２３超電導線材５で形成したコイル２Ａと２Ｄにかかる磁場は小さい。
【００２７】
下層のコイル２Ａの下端面および上層のコイル２Ｄの上端面にかかる磁場は小さく、かつ、径方向の磁場、即ち、広幅面５ａに対して直交方向の磁場がかかる。該コイル２Ａ、２Ｄを磁場に強いＲＥ１２３超電導線材５で形成しているため、臨界電流の低下を阻止できる。
一方、中間層のコイル２Ｂ、２Ｃには内周面に位置する広幅面６ａでは磁場は平行方向となっており、広幅面６ａに対して直交方向の磁場は殆どかからないため、これらコイル２Ｂ、２Ｃを(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材５で形成しても臨界電流は低下しない。
【００２８】
このように、超電導コイル１は、テープ状の超電導線の広幅面に対して直交方向の磁場がかかる上下両端をＲＥ１２３超電導線材５で形成したコイル２Ａ、２Ｄを配置し、中間層に(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材６で形成したコイル２Ｂ、２Ｃを配置していることにより、臨界電流値の低下が抑制できる超電導コイルとすることができる。  
【００２９】
図３に、第２実施形態のパンケーキ型コイルを用いたＣ型の超電導コイル１０を示す。
該超電導コイル１０はＣ型鉄心１１の連結部１１ａの両端に連続する両側部１１ｂと１１ｃに、夫々ダブルパンケーキ型コイル２Ａ、２Ｂ、２Ｃを積層して嵌合している。両側部１１ｂと１１ｃの開口端１００側に配置するダブルパンケーキ型コイル２ＡはＲＥ１２３超電導線材５で形成している。一方、ダブルパンケーキ型コイル２Ｂ、２Ｃは(ＢＩ，Ｐｂ）２２２３超電導線材６で形成している。
【００３０】
図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に、第３実施形態の超電導コイル２０を示す。
該超電導コイル２０は、図４（Ａ）に示すように、丸棒状鉄芯１１０にテープ状の超電導線１２を螺旋巻きして円筒形状のソレノイド型の超電導コイルとしている。
前記超電導線１２は、長さ方向の両側をＲＥ１２３超電導線材５とし、中間部を(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材６とし、これら３本の超電導線材５、６、５を図４（Ｂ）に示すように、半田付けして、連続した１本の超電導線材としている。
該超電導線１２を丸棒状鉄心１１０に一端から他端にかけて螺旋巻きすることにより、円筒状コイルの両端開口側にＲＥ１２３超電導線材が位置し、中央部に(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材が位置した超電導コイル１０としている。
【００３１】
なお、丸棒状鉄心１１０に超電導線１２を螺旋巻きして円筒状のソレノイド型の超電導コイルを形成し、該超電導コイル１０を硬化した後に、丸棒状鉄心１１０を抜き取って図４（Ｃ）に示す鉄心のないコイルとしてもよい。
【００３２】
図５に、第４実施形態の超電導コイル３０を示す。
該超電導コイル３０は、Ｃ型鉄心１１の連続部１１ａの両端から突出する両側部１１ｂと１１ｃにそれぞれテープ状の超電導線１２０を螺旋状に巻き付けている。
超電導線１２０は、(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材６の一端側にＲＥ１２３超電導線材５を半田付けで直列に接続し、連続した１本の超電導線材としている。
【００３３】
前記超電導線１２０は、ＲＥ１２３超電導線材５からなる部分を鉄心１１の両側部１１ｂ、１１ｃで開口側の先端部に巻き付け、中央部から連結部１１ａ側は(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導材６からなる部分を巻き付けている。
【００３４】
該Ｃ型のソレノイドからなる超電導コイル３０では、磁場は図５に示すように、Ｃ型の鉄心１１の外周に沿って両側部１１ｂ、１１ｃの先端を横断するように形成される。よって、両側部１１ｂ、１１ｃの先端側に超電導線１２０の広幅面１２０ａと直交方向の磁場がかかることとなる。この直交方向の磁場がかかる超電導線１２０はＲＥ１２３超電導材５で形成しているため、臨界電流値の低下を抑制することができる。
【００３５】
このように、第３、第４実施形態のソレノイド型の超電導コイル２０、３０においても、臨界電流値の低下が抑制できる超電導コイルを安価に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態のパンケーキコイル積層型の超電導コイルを示す模式図である。
【図２】（Ａ）はＲＥ１２３超電導線材の一部断面斜視図、（Ｂ）は(Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材の一部断面斜視図である。
【図３】第２実施形態のソレノイド型の超電導コイルを示す模式図である。
【図４】第３実施形態を示し、（Ａ）は超電導コイルを示す模式図、（Ｂ）は超電導線材の接続部を示す図面、（Ｃ）は鉄心を抜いた超電導コイルを示す模式図である。
【図５】第４実施形態のソレノイド型の超電導コイルを示す模式図である。
【図６】従来のパンケーキ型のコイルを示す模式図である。
【図７】（Ａ）（Ｂ）は超電導線に加わる磁界の方向と臨界電流の関係を示すグラフである。
【図８】超電導線材に対して垂直な磁界が加わったときの、磁界と臨界電流の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１、１０、２０、３０  超電導コイル
２（２Ａ〜２Ｄ）  ダブルパンケーキ型コイル
５  ＲＥ１２３超電導線材
６  （Ｂｉ,Ｐｂ）２２２３超電導線材
【図１】
2010040962.tif 000003
【図２】
2010040962.tif 000004
【図３】
2010040962.tif 000005
【図４】
2010040962.tif 000006
【図５】
2010040962.tif 000007
【図６】
2010040962.tif 000008
【図７】
2010040962.tif 000009
【図８】
2010040962.tif 000010