(57)【要約】【課題】超電導コイルと電極との接続部での発熱を抑制し、かつ、超電導コイルに曲げ応力を発生させない超電導コイル装置を提供する。【解決手段】テープ状の超電導線材５を巻回した超電導コイルと、超電導コイルの内周に配置する胴部３ａと該胴部の軸線方向の一端より突設したフランジ３ｂを備えたボビン３と、超電導コイルの超電導線材５の端末部に接続される第１電極１０と、第１電極と一体化する第２電極１１を備え、第１電極１０は超電導コイルの超電導線材の端末部に沿って周方向に延在する円弧状接触部２０と、該円弧状接触部の周方向の一端側でフランジ３ｂに固定すると共に該フランジより突出させた固定部２１を有する形状とし、第２電極１１はフランジ３ｂより外方に突出すると共に、電源供給ケーブル６との接続部を有する形状とし、第１電極の円弧状接触部２０を超電導線材の端末部に半田付けしている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の超電導線材を巻回した超電導コイルと、
前記超電導コイルの内周に配置する胴部と、該胴部の軸線方向の一端より突設したフランジを備えたボビンと、
前記超電導コイルの超電導線材の端末部に接続される第１電極と、
前記第１電極と一体化する第２電極を備え、
前記第１電極は前記超電導コイルの超電導線材の端末部に沿って周方向に延在する円弧状接触部と、該円弧状接触部の周方向の一端側で前記ボビンのフランジに固定されると共に該フランジより突出させた固定部を有する形状とし、
前記第２電極は前記フランジより外方に突出すると共に、電源供給ケーブルとの接続部を有する形状とし、
前記第１電極の円弧状接触部を前記超電導線材の端末部に半田付けしていることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
前記第１電極と第２電極とは別体とし、第１電極の固定部を前記第２電極に重ね、ネジ固定している請求項１に記載の超電導コイル装置。
【請求項３】
前記超電導コイルはダブルパンケーキ型コイルとすると共に、複数のダブルパンケーキ型コイルを積層したスタックタイプとし、
前記ボビンの胴部は積層したダブルパンケーキ型コイルの内周に配置するスタック胴部とし、前記フランジは胴部の下端から突設し、最下層のダブルパンケーキ型コイルの下層コイル部の超電導線材の最外周の端末に前記第１電極を半田付けで接続している請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置。
【請求項４】
前記積層したコイルの間に冷凍機に直接接続した冷熱伝導板を介在させ、冷凍機冷却直冷方式の冷却機構を付設している請求項３に記載の超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導コイル装置に関し、詳しくは、テープ状の超電導線材をパンケーキ型コイルとした超電導コイル装置において、該コイルの超電導線材の端末と電極との接続構造を改良するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルを形成する超電導線材としては、高温酸化物系超電導線材や金属系超電導線材があり、線材形状としては、丸線形状とテープ状（帯状）の２種類がある。
テープ状の高温酸化物系超電導線材を巻回した超電導コイルとして、従来、特開平３−２３７０９７号公報が提案されている。
【０００３】
前記超電導コイルは図７に示すように、テープ状の超電導線材１００の幅方向面１００ａをコイルの中心軸線Ｌと平行方向として巻回し、その内周端および外周端に、平板形状の幅Ｗと電極１０１と１０２とを接続している。
前記電極１０１、１０２は平板形状の銅板からなり、該電極と超電導線材１００との接続は、半田付けでなされている。
【０００４】
前記のように、電極１０１、１０２は平板形状とされているため、超電導線材１００との接触面積は限られ、接触抵抗の低減に限界がある。そのため、大電流を超電導線材１００に通電した場合に、電極１０１、１０２と超電導線材１００との間に発熱が生じ、超電導線材１００の温度が上昇する。
特に、超電導コイルの冷却機構として冷凍機冷却直冷方式を採用した場合、２０Ｋで３００Ａレベルの大電流を流すため、電極との接続部での発熱を極力抑制する必要がある。  また、電極１０１、１０２を超電導線材１００に半田付け作業する際に、電極１０１、１０２に力が加わり、電極１０１、１０２が取り付けられる領域の超電導線材１００にねじり力が作用し、超電導線材が局部的に曲げ応力が働き、臨界電流の劣化を招きやすい問題もある。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２３７０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前記問題に鑑みてなされたもので、超電導コイル装置において、超電導線材と電極との接続部に発熱が発生するのを抑制し、かつ、超電導線材に曲げが発生しないようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は、
テープ状の超電導線材を巻回した超電導コイルと、
前記超電導コイルの内周に配置する胴部と、該胴部の軸線方向の一端より突設したフランジを備えたボビンと、
前記超電導コイルの超電導線材の端末部に接続される第１電極と、
前記第１電極と一体化する第２電極を備え、
前記第１電極は前記超電導コイルの超電導線材の端末部に沿って周方向に延在する円弧状接触部と、該円弧状接触部の周方向の一端側で前記ボビンのフランジに固定されると共に該フランジより突出させた固定部を有する形状とし、
前記第２電極は前記フランジより外方に突出すると共に、電源供給ケーブルとの接続部を有する形状とし、
前記第１電極の円弧状接触部を前記超電導線材の端末部に半田付けしていることを特徴とする超電導コイル装置を提供している。
【０００８】
前記第１電極と第２電極とは連続して形成した一体物としても良いし、別体としてもよい。別体とする場合は、第１電極の固定部を前記第２電極に重ね、ネジ固定している。
【０００９】
前記第１電極の厚さは前記超電導線材の幅と同等とし、前記円弧状接触部を超電導線材の全幅方向に半田付けで固着し、該超電導線材と半田付けする第１電極の円弧状態接触部の周方向長さは５０〜２００ｍｍ、面積は２００ｍｍ2〜８００ｍｍ2とし、かつ、該第１電極は前記固定部と反対側の円弧状接触部の先端は先細り形状のテーパ部を設けていることが好ましい。
また、第１電極と第２電極とを別体とする場合は、その接触面積は４００ｍｍ2〜２０００ｍｍ2としていることが好ましい。
【００１０】
前記構成とした超電導コイル装置では、超電導線材と半田付けする第１電極に、超電導線材の端末部の曲率に添わせた曲率の円弧状接触部を設け、広い面積で超電導線材と第１電極とを半田付けで接続できる。該第１電極と第２電極とを別体とする場合は、広い面積で接触させ、該第２電極を電源供給ケーブルと接続していることにより、超電導線材と電極との接続部での接触抵抗の低減を図ることができ、発熱量を減少できる。
かつ、該第１電極に固定部を設けてボビンのフランジとネジ固定している。即ち、超電導線材との半田付け部分で電極を固定した従来と相違させ、超電導線材との半田付け部分は電気接続機能だけを持たせ、電極の固定はボビンのフランジとネジ固定することで行っている。これにより、第１電極を超電導線材に強固に半田付けで固定することなく、第１電極の取り付け強度を高めることができる。よって、超電導線材に第１電極との半田付け時にねじり力を作用して超電導線材が曲げられて、臨界電流の劣化が生じるのを防止できる。かつ、常時、電極により超電導線材に荷重がかかることを防止できるため、超電導コイルに通電した時にも、磁場と電流の相互作用によるローレンツ力に対しても変形することがなく、安定して通電できる。
【００１１】
前記第２電極に設ける電源供給ケーブルとの接続部は、第１電極との連続側ではなく、反対面の裏面側にボルト穴を設け、前記電源供給ケーブルの先端に圧着したボルト止め端子にボルト締結している。かつ、該電源供給ケーブルはフレキシブルな編組線を用いることが好ましい。
【００１２】
前記超電導コイルはダブルパンケーキ型コイルとすると共に、複数のダブルパンケーキ型コイルを積層したスタックタイプとし、
前記ボビンの胴部は積層したダブルパンケーキ型コイルの内周に配置するスタック胴部とし、前記フランジは胴部の下端から突設し、最下層のダブルパンケーキ型コイルの下層コイル部の超電導線材の最外周の端末に前記第１電極を半田付けで接続していることが好ましい。
【００１３】
前記のように、ダブルパンケーキ型コイルとすると、該コイルは上下に配置される第１コイル部と第２コイル部とが内周端で架け渡されて連続され、ダブルパンケーキ型コイルの接続端は最外周の端末部となる。かつ、該ダブルパンケーキ型コイルを積層したスタックタイプでは、積層したダブルパンケーキ型のコイル同士は最外周端をラップさせた半田付けで順次結線し、最下層のダブルパンケーキ型コイルの下部側の超電導線材の最外周の端末部を電源供給ケーブルと電極を介して接続している。
よって、本発明では、前記スタックタイプの超電導コイル装置において、最下層のダブルパンケーキ型コイルの下部側の超電導線材の最外周の端末部に前記第１電極を半田付けで接続し、該第１電極を第２電極と接続し、該第２電極を電源供給ケーブルと電極を介して接続している。
【００１４】
また、スタックタイプの超電導コイル装置では、前記ボビンの胴部は積層したダブルパンケーキ型コイルの内周に配置され、フランジは胴部の下端から突出し、積層したダブルパンケーキ型コイルの下端支持材となる。
該ボビンはステンレス等の強度を有する金属材で形成されていることが多いため、前記フランジに固定する第１電極とは絶縁する必要があるため、絶縁ライナーを介在して固定している。
【００１５】
なお、本発明は、前記ダブルパンケーキ型コイルを積層したスタックタイプの超電導コイル装置にかぎらず、特許文献１と同様なシングルパンケーキ型コイルとした場合においても適用可能である。
【００１６】
本発明で用いる超電導線材は高温酸化物系超電導線材とすることが好ましい。
該高温酸化物系超電導線材を超電導温度に冷却する冷却手段としては、冷凍機から突出させた冷熱伝導板を超電導コイルの超電導線材に直接に接触させる冷凍機冷却直冷方式を採用することが好ましい。
前記冷凍機冷却直冷方式を採用すると、２０Ｋで３００Ａ〜５００Ａの大電流を流すため、超電導線材と電極との接続部での発熱を極力抑制する必要があり、前記した第１、第２電極を用いて超電導線材と接続することにより、発熱を抑制でき、前記冷凍機冷却直冷方式で超電導線材を冷却することができる。
【発明の効果】
【００１７】
前述したように、本発明の超電導コイル装置によれば、超電導線材と半田接続する第１電極を超電導線材の端末に沿った円弧状接触部を有する独特の形状としていることで、第１電極と超電導線材との半田付け面積を増大することができる。かつ、該第１電極と一体化して電源供給ケーブルと接続する第２電極をフランジより突出する広い面積としていることで、超電導線材と電極との電気接続部における発熱を低減することができる。
また、第１電極に固定部を設け、ボビンのフランジと固定しているため、超電導線材との半田付け固定部に電極による曲げ荷重がかかることを抑制できる。その結果、超電導コイルに曲げが生じるのを防止でき、通電時に臨界電流の劣化を阻止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の超電導コイル装置の実施形態を図面を参照して詳述する。
図１乃至図３に第一実施形態を示す。
【００１９】
図１に概略的に示すように、超電導コイル装置１は、複数個のダブルパンケーキ型のコイル２を軸線方向に積層したスタックタイプとしている。該コイル２は高温酸化物系の超電導線材５を巻き付けて形成している。
超電導線材５は広幅面５ａをコイル２の軸線方向Ｌと平行とし、エッジ面５ｂを軸線方向Ｌと直交方向として所要回転数（ターン数）を巻回している。
ダブルパンケーキ型のコイル２は下層の第１コイル部２ａと上層の第２コイル部２ｂとは内周側で超電導線材５を架け渡して連続させている。
【００２０】
前記積層したダブルパンケーキ型のコイル２は、ステンレス製のボビン３に取り付けている。該ボビン３は積層したコイル２の内周に配置する円筒状の胴部３ａと、該胴部３ａの下端外周から突設するフランジ３ｂとを備えた形状としている。
前記積層するコイル２同士は、最外周の超電導線材５の端末部を引き出し、ラップさせて半田付けで結線している。
図２に示すように、積層するコイル２の最下層のコイル２−１がフランジ３ｂ上に配置される。該最下層のコイル２−１の最外周の端末部２を電源供給ケーブル６と第１電極１０と第２電極１１とを介して接続している。積層するコイル２同士は、最外周の端末部２を順次結線して接続している。
前記第１電極１０と第２電極１１は別体とし、それぞれ銅板を打ち抜き加工して形成している。
【００２１】
図２および図３に示すように、第１電極１０の厚さｔ１はテープ状の超電導線材５の広幅部のｗと略同等としている。
第１電極１０は、超電導線材５の端末部に沿って周方向に延在する円弧状接触部２０と、該円弧状接触部２０の周方向の一端側に外径方向へ突出させた固定部２１を設けた形状としている。
前記円弧状接触部２０は内周面２０ａを超電導線材５の広幅面５ａの幅方向全面に半田付けされる接触面とし、外周面２０ｂはボビンのフランジ３ｂの径方向の中間に位置させ、フランジ３ｂの上面に搭載される大きさとしている。該円弧状接触部２０の周方向の一端側には固定部２１を連続して設け、他端側は外周面２０ｂにテーパ面２０ｃを設けて先細り形状としている。
【００２２】
前記第１電極１０の固定部２１の内周面２１ａは、円弧状接触部２０の内周面２０ａより僅かに外径位置に設け、該内周面２１ａと超電導線材５との間に隙間Ｃを設けている。  該固定部２１は、ボビンのフランジ３ｂの外周面より外方へ突出させ、その径方向の一端側２１ｂは直線状とする一方、他端側２１ｃは円弧状接触部２０の外周面２０ｂより湾曲させて連続させている。
前記第１電極１０の円弧状態接触部２０の周方向長さは５０〜２００ｍｍとし、内周面２１ａと超電導線材５と半田付けする内周面２１ａの面積は２００〜８００ｍｍ2としている。
【００２３】
前記固定部２１の内周側はフランジ３ｂ上に絶縁ライナー１３を介して配置され、該配置部分にネジ穴２１ｄを設け、絶縁ライナー１３を介してフランジ３ｂとネジ２５で固定している。また、フランジ３ｂより外方へ突出する外周側には第２電極１１との固定用ネジ筒２１ｅを設けている。
【００２４】
第２電極１１は、その厚さｔ２をボビンのフランジ３ｂの厚さと同等とし、内周面１１ａをフランジ３ｂの外周面に添わせて配置している。図２に示すように、第２電極１１の上面に第１電極１０の固定部２１の外周側部分を搭載し、該固定部２１に設けた固定用ネジ筒２１ｅと対応する位置にネジ穴１１ｂを設け、ネジ２６で第１電極１０と第２電極１１をネジ固定している。
さらに、第２電極１１に電源接続用のボルト穴１１ｃを設け、電源供給ケーブル６の端末に圧着接続した電源供給端子２８とボルトで締結している。
【００２５】
前記第１電極１０の固定部２１とフランジ３ｂの上面の間および、フランジ３ｂの外周面と第２電極１１の内周面との間に前記絶縁ライナー１３を介在させ、第１、第２電極１０、１１とステンレス製のフランジ３ｂとの間を絶縁している。該絶縁ライナーは樹脂糸を強化繊維として用いた絶縁性の繊維強化樹脂シートで形成している。
【００２６】
つぎに、超電導コイルへの第１電極１０、第２電極１１の接続方法を説明する。
超電導線材５を巻回して形成したダブルパンケーキ型のコイル２をボビン３のフランジ３ｂ上で、胴部３ａに外嵌して上下に積層し、スタックタイプの超電導コイル装置としている。積層したコイル２の最下層のコイル２−１とボビンのフランジ３ｂとの間に絶縁材（図示せず）を介設している。
【００２７】
前記最下層のコイル２−１の最外周の端末部の超電導線材５と第１電極１０との接続は、第１電極１０の円弧状接触部２０を内周面２０ａを超電導線材５の広幅面５ａに半田Ｈで固着する。
該第１電極１０の固定部２１を絶縁ライナー１３を介在させてフランジ３ｂの上面に配置し、ネジ２５で締結し、第１電極１０をフランジ３ｂに固定する。
【００２８】
前記フランジ３ｂの外周面に絶縁ライナー１３を介在させて第２電極１１を配置し、該第２電極１１の上面に第１電極１０の固定部２１の外周側部分を配置し、ネジ２６で固定する。
なお、第１電極１０と第２電極１１とは超電導コイル装置に取り付ける前に予めネジ２６で固定して一体化させておいてもよい。その場合、ネジ固定ではなく溶接しておいてもよい。
【００２９】
前記のように、第１電極１０と第２電極１１とからなる電極をコイル２の最外周の端末部に接続すると、第１電極１０の円弧状接触部２０と超電導線材５との接触面積を増大でき、かつ、第１電極１０と第２電極１１との接触面積を増大させることができる。
よって、超電導線材５と電源供給ケーブルとの接続部に介在させる電極と超電導線材５との間に発生する接触抵抗を軽減でき、大電流を超電導線材５に通電した時に生じる発熱量を大幅に低減できる。
また、第１電極１０の取付強度はフランジ３ｂとネジ固定することで強度を保持しているため、超電導線材５に第１電極１０との固定による負荷を発生させない。その結果、超電導線材５からなるコイル２にねじり力を作用させず、コイルの曲げ応力を低減でき、臨界電流を劣化させない。
【００３０】
図４に第二実施形態を示す。
第二実施形態は、第１電極と第２電極とを一体的に設けている点を第一実施形態と相違させている。
即ち、電極３０は第１電極部１０Ａと第２電極部１１Ａとを段差を設けて連続的に形成している。該第１電極部１０Ａおよび第２電極部１１Ａの形状は第一実施形態の第１電極１０、第２電極１１と同一形状であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図５に第二実施形態の変形例を示す。
該変形例の電極３０Ａは第１電極部１０Ｂからフランジ３ｂの外方へ突出させた第２電極部１１Ｂを同一厚さで連続的に突出させている。
他の構成は同一であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
図６（Ａ）（Ｂ）に第三実施形態を示す。
第三実施形態は、第一実施形態の超電導コイル装置１に、冷凍機冷却直冷方式の冷却機構を付設している。
該第三実施形態では、積層するダブルパンケーキ型のコイル２の間に円環形状とした冷熱伝導板４０を介在させ、コイル２を形成する超電導線材５の全体を超電導温度に冷却している。前記冷却板４０は冷凍機４１のコールドヘッド４２に他端を連結しており、超電導線材を直接に冷熱伝導板４０で冷却している。該冷熱伝導板４０は超電導コイル装置１を収容するケース（図示せず）内に前記冷凍機４１側から突出させて、前記のようにコイルの層間に介在させている。
また、冷凍機４１に接続した前記冷熱伝導板４０のうちの下段の冷熱伝導板４０−１は、図６（Ｂ）に示すように、その先端４０−１ａを第１電極１０の円弧状接触固定部２１に直接接触させている。
前記コイル２と第１、第２電極との接続形態および他の構成は第一実施形態と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。  
【００３３】
前記のように、コイル２を高温酸化物系の超電導線材５で形成し、該超電導線材５を冷熱冷熱板４０で直接冷却する冷却機構とすると、２０Ｋで３００Ａの大電流を流すため、超電導線材５の発熱を極力抑制する必要がある。
よって、前記のように超電導線材５と電極との接続部での発熱を抑制する構成とすることで、冷凍機冷却直冷方式の冷却機構を採用することができる。
かつ、第１電極１０と冷熱伝導板４０とを接触させているため、第１電極１０、第２電極１１に微小な発熱が生じても、常時冷熱伝導板４０と接触して冷却されているため、電極温度の上昇を防止できる。
該冷凍機冷却直冷方式の冷却機構は、超電導コイルを液体窒素を充填した冷却容器（クライオスタッド）に収容する冷却機構に対して、装置を簡単にすることが出来きる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第一実施形態の超電導コイル装置の概略断面図である。
【図２】第一実施形態の要部斜視図である。
【図３】図２の分解斜視図である。
【図４】第二実施形態の斜視図である。
【図５】第二実施形態の変形例の斜視図である。
【図６】（Ａ）は第三実施形態の概略断面図、（Ｂ）は要部説明図である。
【図７】従来例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  超電導コイル装置
２  ダブルパンケーキ型のコイル
３  ボビン
３ａ  胴部
３ｂ  フランジ
５  超電導線材
６  電源供給ケーブル
１０  第１電極
１１  第２電極
１３  絶縁ライナー
２０  円弧状接触部
２１  固定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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