(57)【要約】【課題】特性の劣化を抑制し、かつ大型化を抑制した超電導コイルおよび超電導コイルの製造方法を提供する。【解決手段】超電導コイル１０は、巻枠１１と、超電導線材１２と、電極１３と、連結部１４と、固定部１５ａ、１５ｂとを備えている。超電導線材１２は、巻枠１１に巻き付けられている。電極１３は、超電導線材１２に取り付けられている。連結部１４は、巻枠１１と電極１３とを連結している。固定部１５ａ、１５ｂは、連結部１４と巻枠１１とを固定し、かつ連結部１４と電極１３とを固定している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻枠と、
前記巻枠に巻き付けられた超電導線材と、
前記超電導線材に取り付けられた電極と、
前記巻枠と前記電極とを連結する連結部と、
前記連結部と前記巻枠とを固定し、かつ前記連結部と前記電極とを固定する固定部とを備えた、超電導コイル。
【請求項２】
前記連結部を構成する材料は、ステンレス鋼である、請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記巻枠を構成する材料は、ステンレス鋼または絶縁材料である、請求項１または２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
巻枠に超電導線材を巻き付ける工程と、
前記超電導線材に電極を取り付ける工程と、
前記巻枠と前記電極とを連結部で連結する工程と、
固定部を用いて、前記連結部と前記巻枠とを固定し、かつ前記連結部と前記電極とを固定する工程とを備えた、超電導コイルの製造方法。
【請求項５】
前記連結する工程では、ステンレス鋼よりなる前記連結部を用いる、請求項４に記載の超電導コイルの製造方法。
【請求項６】
前記巻き付ける工程では、ステンレス鋼または絶縁材料よりなる前記巻枠を用いる、請求項４または５に記載の超電導コイルの製造方法。
【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超電導コイルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、巻枠と、この巻枠に巻き付けられた超電導線材と、この超電導線材に取り付けられた電極とを備えた超電導コイルが知られている。このような超電導コイルとして、たとえば特開２００９−４９０３６号公報（特許文献１）、特開２００９−１６６２２号公報（特許文献２）、特開２００９−１６６２０号公報（特許文献３）、特開平７−１４２２３３号公報（特許文献４）、特開２０００−１１４０２９号公報（特許文献５）などが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−４９０３６号公報
【特許文献２】特開２００９−１６６２２号公報
【特許文献３】特開２００９−１６６２０号公報
【特許文献４】特開平７−１４２２３３号公報
【特許文献５】特開２０００−１１４０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１〜５のような超電導コイルに用いられる電極は、一般的に超電導線材にはんだ付けされている。この電極には、配線作業などで大きな応力が加わることがある。上記特許文献１〜３の電極に応力が加わると、電極に接続された超電導線材にダメージが加えられる。このため、超電導コイルの特性が劣化するという問題があった。
【０００５】
上記特許文献４および５では、超電導線材の内周面、外周面、上面、および下面に樹脂製のカバーを被せている。このため、超電導コイルが大型になるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、特性の劣化を抑制し、かつ大型化を抑制した超電導コイルおよび超電導コイルの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の超電導コイルは、巻枠と、超電導線材と、電極と、連結部と、固定部とを備えている。超電導線材は、巻枠に巻き付けられている。電極は、超電導線材に取り付けられている。連結部は、巻枠と電極とを連結している。固定部は、連結部と巻枠とを固定し、かつ連結部と電極とを固定している。
【０００８】
本発明の超電導コイルの製造方法は、以下の工程を備えている。巻枠に超電導線材を巻き付ける。超電導線材に電極を取り付ける。巻枠と電極とを連結部で連結する。固定部を用いて、連結部と巻枠とを固定し、かつ連結部と電極とを固定する。
【０００９】
本発明の超電導コイルおよびその製造方法によれば、固定部を用いて、連結部と、電極および巻枠とをそれぞれ固定している。このため、電極に加えられる応力を連結部を介して巻枠に伝達することができる。したがって、超電導線材に加えられる応力を低減できるので、超電導コイルの特性の劣化を抑制することができる。
【００１０】
また、固定部を用いて、連結部で電極と巻枠とを固定している。このため、電極が位置していない箇所に連結部を配置しなくても、上記超電導コイルの特性の劣化を抑制できる効果を有する。したがって、超電導コイルの大型化を抑制することができる。
【００１１】
上記超電導コイルにおいて好ましくは、連結部を構成する材料は、ステンレス鋼である。
【００１２】
上記超電導コイルの製造方法において好ましくは、上記連結する工程では、ステンレス鋼よりなる連結部を用いる。
【００１３】
ステンレス鋼は強度が強く、かつ高抵抗な材料である。強度が強いことにより、連結部の強度を維持できる。高抵抗であることにより、渦電流が発生することを抑制できるため、超電導コイルを交流用途に好適に用いることができる。
【００１４】
上記超電導コイルにおいて好ましくは、巻枠を構成する材料は、ステンレス鋼または絶縁材料である。
【００１５】
上記超電導コイルの製造方法において好ましくは、上記巻き付ける工程では、ステンレス鋼または絶縁材料よりなる巻枠を用いる。
【００１６】
これにより、渦電流が発生することを抑制できるので、超電導コイルを交流用途に好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上より、本発明の超電導コイルおよび超電導コイルの製造方法によれば、特性の劣化を抑制し、かつ大型化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態における超電導コイルを概略的に示す斜視図である。
【図２】図１における領域ＩＩにおける拡大図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う概略的な断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における超電導線材を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における超電導線材を概略的に示す断面図である。
【図７】比較例１における超電導コイルを概略的に示す断面図である。
【図８】比較例２における超電導コイルを概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００２０】
図１〜図６を参照して、本発明の一実施の形態における超電導コイル１０について説明する。本実施の形態における超電導コイル１０は、図１〜図４に示すように、巻枠１１と、超電導線材１２と、電極１３と、連結部１４と、固定部１５ａ、１５ｂとを備えている。超電導線材１２は、巻枠１１に巻き付けられている。電極１３は、超電導線材１２に取り付けられている。連結部１４は、巻枠１１と電極１３とを連結している。固定部１５ａ、１５ｂは、連結部１４と巻枠１１とを固定し、かつ連結部１４と電極１３とをそれぞれ固定している。
【００２１】
図１に示すように、巻枠１１の内部は開口し、巻枠１１の外周には超電導線材１２が巻回される。巻枠１１を構成する材料は特に限定されないが、ステンレス鋼（ＳＵＳ）または絶縁材料であることが好ましい。絶縁材料としては、たとえばＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）を用いることができる。
【００２２】
超電導線材１２は、巻枠１１に巻き付けられてコイルを形成している。本実施の形態では図１に示すように、ダブルパンケーキ型コイルであるが、巻き型は特に限定されず、ダブルパンケーキ型コイル、シングルパンケーキ型コイル、超電導線材がらせん状に巻かれてなるコイルなどを用いることができる。
【００２３】
超電導線材１２はテープ状であり、図５に示すように、ビスマス（Ｂｉ）系の超電導線材を用いてもよく、図６に示すように、薄膜超電導線材を用いてもよい。
【００２４】
ビスマス系の超電導線材は、図５に示すように、長手方向に延びる複数本の超電導体１２ａと、複数の超電導体１２ａの全周を被覆するシース部１２ｂとを有している。シース部１２ｂは超電導体１２ａに接触している。複数本の超電導体１２ａの各々は、たとえばＢｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の組成を有するビスマス系超電導体が好ましく、特に、（ビスマスと鉛）：ストロンチウム：カルシウム：銅の原子比がほぼ２：２：２：３の比率で近似して表されるＢｉ２２２３相を含む材質が最適である。シース部１２ｂの材質は、たとえば銀や銀合金よりなっている。なお、超電導体１２ａは、単数本であってもよい。
【００２５】
薄膜超電導線材は、図６に示すように、基板１２ｃと、基板１２ｃ上に接して設けられた中間層１２ｄと、中間層１２ｄ上に接して設けられた超電導層１２ｅと、超電導層１２ｅ上に接して設けられた安定化層１２ｆとを有している。
【００２６】
基板１２ｃは、たとえばステンレス鋼、ニッケル合金（たとえばハステロイ）、または銀合金などの金属よりなっている。中間層１２ｄは、たとえばイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化マグネシウムまたはチタン酸ストロンチウムなどよりなっている。なお、中間層１２ｄは省略されてもよい。
【００２７】
超電導層１２ｅはたとえばＲＥ１２３系超電導体よりなっている。ＲＥ１２３系超電導体とは、ＲＥxＢａyＣｕzＯ7-dにおいて、０．７≦ｘ≦１．３、１．７≦ｙ≦２．３、２．７≦ｚ≦３．３であることを意味する。また、ＲＥ１２３系超電導体のＲＥとは、希土類元素およびイットリウム元素の少なくともいずれかを含む材質を意味する。また、希土類元素としては、たとえばネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）などが含まれる。ＲＥ１２３系超電導線材は、液体窒素温度（７７．３Ｋ）での臨界電流密度がビスマス系の超電導線材よりも高いという利点を有している。また、低温下および一定磁場下における臨界電流値が高いという利点を有している。一方で、ＲＥ１２３系超電導体はビスマス系超電導体のようにシース部で被覆することができないので、配向金属基板上に気相法のみまたは液相法のみによって超電導体（超電導薄膜材料）を成膜する方法で製造される。
【００２８】
また、安定化層１２ｆは、超電導層１２ｅの表面保護のために設けられる層であり、たとえば銀や銅などよりなっている。安定化層１２ｆは省略されてもよい。
【００２９】
電極１３は、図３に示すように、最外周に位置する超電導線材１２の終端に形成されている。本実施の形態では、超電導コイルはダブルパンケーキ型であるので、図１に示すように、超電導線材１２の終端に位置する２箇所に電極１３は形成されている。電極１３は、リード線を接続するために設けられている。電極１３は、たとえば銅（Ｃｕ）端子などを用いることができる。
【００３０】
電極１３は、超電導線材１２に取り付けるための円弧状の部分を有し、この円弧状の部分で超電導線材１２とはんだ付けされている。電極１３にはボルト挿通用の貫通穴１３ａが設けられており、この貫通穴１３ａにリード線端末の端子がボルト締めにより接続される。この貫通穴１３ａの数は、電流容量により任意に選択することができる。
【００３１】
連結部１４は、電極１３が位置する領域において、超電導コイル１０の内周側から外周側にかけて覆っている。言い換えると、連結部１４は、巻枠１１と超電導線材１２と、電極１３との上に形成されている。さらに言い換えると、図４に示すように、連結部１４は、電極１３が形成されていない領域には形成されていない。
【００３２】
連結部１４を構成する材料は特に限定されないが、ステンレス鋼（ＳＵＳ）または絶縁材料であることが好ましく、ステンレス鋼であることがより好ましい。
【００３３】
連結部１４の形状は特に限定されないが、超電導線材１２を保護する観点から強度が高いことが好ましく、電極１３よりも機械的強度が高い補強板であることが好ましい。また、図３に示すように、連結部１４が板状である場合には、超電導コイル１０を積層できる。
【００３４】
また、連結部１４は、巻枠１１および電極１３の熱収縮率と近い材料であることが好ましい。このような材料として、たとえば、巻枠１１がＦＲＰで、電極１３がＣｕである場合、連結部１４はＳＵＳまたはＦＲＰであることが好ましい。
【００３５】
図２に示すように、連結部１４の幅Ｗ１４は、短いことが好ましい。幅Ｗ１４が短いと、渦電流を低減できる。幅Ｗ１４は、たとえば巻線幅＋１０ｍｍ〜巻線幅＋１００ｍｍである。
【００３６】
図２および図３に示すように、固定部１５ａは、連結部１４と巻枠１１とを固定している。固定部１５ｂは、連結部１４と電極１３とを固定している。固定部１５ａ、１５ｂは、たとえばねじである。なお、固定部１５ａ、１５ｂは、それぞれ同じであっても異なっていてもよい。また、固定部１５ａ、１５ｂは、それぞれ分離していても（複数であっても）、一体であっても（１つであっても）よい。固定部が一体の場合は、たとえば接着剤などを用いることができる。
【００３７】
超電導コイル１０は、電極１３と連結部１４との間に形成されたＦＲＰなどの絶縁材料をさらに備えていることが好ましい。この場合、電極１３と連結部１４との間は絶縁される。
【００３８】
続いて、本実施の形態における超電導コイル１０の製造方法について説明する。まず、図１〜図４に示すように、巻枠１１に超電導線材１２を巻き付ける。巻き付ける方法は特に限定されず、ダブルパンケーキ型、シングルパンケーキ型、らせん状などのように超電導線材１２を巻枠１１に巻き付ける。
【００３９】
この巻き付ける工程では、上述したような巻枠１１を用いることができ、ステンレス鋼または絶縁材料よりなる巻枠１１を用いることが好ましい。超電導線材１２は図５および図６に示すような超電導線材１２を用いることができる。
【００４０】
次に、超電導線材１２に電極１３を取り付ける。超電導線材１２および電極１３は、上述したようなものを用いることができる。また、電極１３を取り付ける方法は特に限定されないが、たとえばはんだ付けにより、超電導線材１２と電極１３とを接続する。
【００４１】
次に、巻枠１１と電極１３とを連結部１４で連結する。この連結する工程では、上述したような連結部１４を用いることができ、ステンレス鋼よりなる連結部１４を用いることが好ましい。また、この連結する工程では、たとえば巻枠１１、超電導線材１２および電極１３上に、連結部１４を配置する。
【００４２】
次に、固定部１５ａ、１５ｂを用いて、連結部１４と巻枠１１とを固定し、かつ連結部１４と電極１３とをそれぞれ固定する。この連結する工程では、上述したような固定部を用いることができる。たとえば、巻枠１１、超電導線材１２および電極１３上に連結部１４を配置した状態で、巻枠１１と連結部１４とを固定部１５ａで連結し、電極１３と連結部１４とを固定部１５ｂで連結する。
【００４３】
以上の工程を実施することにより、図１〜図４に示す超電導コイル１０を製造することができる。
【００４４】
続いて、図７および図８に示す比較例１および比較例２の超電導コイル１００、２００と比較して、本実施の形態における超電導コイル１０の効果について説明する。なお、図７および図８は、シングルパンケーキ型の超電導コイルにおいて電極を含む位置の長軸方向の断面を示す。
【００４５】
図７に示すように、比較例１の超電導コイル１００は、巻枠１１と、超電導線材１２と、電極１３と、樹脂１０１とを備えている。比較例１の巻枠１１、超電導線材１２、および電極１３は、本実施の形態の超電導コイル１０と同様である。樹脂１０１は、巻枠１１、超電導線材１２、および電極１３の外周を覆っている。比較例１の超電導コイル１００の製造方法は、巻枠１１、超電導線材１２、および電極１３を樹脂１０１に含浸させることにより、一体化している。この比較例１の超電導コイル１００は、上記特許文献１〜３と類似している。
【００４６】
比較例１の超電導コイル１００は、配線作業などで電極１３に大きな応力が加わると、電極１３に接続された超電導線材１２にダメージが加えられる。このため、超電導コイル１００の特性が劣化するという問題がある。
【００４７】
また、電極１３にリード線の端子が接続されている場合、電極１３に大きな応力が加わると、この端子が曲がってしまう。このため、超電導コイル１００の特性の特性が劣化するという問題がある。
【００４８】
一般的に通電電流が小さいこともあり、電極１３の形状は、たとえば幅が１０ｍで、高さが０．５ｍｍで、長さが１０ｍｍと小さい。しかし、電極１３として、大電流を流すような大きな電極を用いると、電極１３自体が重くなる。このため、電極１３を超電導線材１２に安定して固定することができないという問題がある。
【００４９】
次に、図８に示すように、比較例２の超電導コイル２００は、巻枠１１と、超電導線材１２と、電極１３と、固定部１１５と、フランジ２０１とを備えている。比較例２の巻枠１１、超電導線材１２、および電極１３は、本実施の形態の超電導コイル１０と同様である。フランジ２０１は、巻枠１１と、超電導線材１２と、電極１３とのすべての上面および下面を覆うように形成されている。固定部１１５は、フランジ２０１と電極１３とを接続している。この比較例２の超電導コイル２００は、上記特許文献４および５と類似している。
【００５０】
比較例２の超電導コイル２００は、巻枠１１、超電導線材１２、および電極１３の全体をフランジ２０１で覆っている。このため、電極１３に加わる応力を低減できる。しかし、超電導コイル２００の上下に設けられたフランジ２０１によって、超電導コイル２００が大型になるという問題がある。
【００５１】
一方、本実施の形態における超電導コイル１０は、固定部１５ａ、１５ｂを用いて、連結部１４と電極１３とを固定し、かつ連結部１４と巻枠１１とを固定している。このため、電極１３に加えられる応力を連結部１４を介して巻枠１１に伝達することができる。つまり、電極１３に加えられる応力を巻枠１１で受けることができる。したがって、超電導線材１２に加えられる応力を低減できるので、超電導コイル１０の特性の劣化を抑制することができる。
【００５２】
また、電極１３にリード線の端子が接続されている場合、電極１３に大きな応力が加わっても、連結部１４を介して巻枠１１に応力を伝達できるので、この端子が曲がってしまうことを抑制できる。したがって、超電導コイル１０の特性の特性が劣化を抑制することができる。
【００５３】
さらに、電極１３として、大電流を流すような大きな電極を用いた場合、電極１３自体が重くなっても、連結部１４を介して巻枠１１にも電極１３の重さを負担することができる。このため、電極１３を超電導線材１２に安定して固定することができる。
【００５４】
さらには、固定部１５ａ、１５ｂを用いて、連結部１４で電極１３と巻枠１１とを固定している。このため、連結部１４を電極１３が位置する箇所にのみ配置することで、上記超電導コイル１０の特性の劣化を抑制できる効果を奏する。言い変えると、電極１３が位置していない箇所には連結部１４を配置しなくても、上記超電導コイル１０の特性の劣化を抑制できる効果を有する。したがって、超電導コイル１０の大型化を抑制することができる。
【００５５】
以上より、本実施の形態における超電導コイル１０およびその製造方法によれば、特性の劣化を抑制し、かつ大型化を抑制することができる。さらに、本実施の形態における超電導コイル１０およびその製造方法によれば、電極１３を超電導線材１２に安定して固定することができる。
【００５６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５７】
１０  超電導コイル、１１  巻枠、１２  超電導線材、１２ａ  超電導体、１２ｂ  シース部、１２ｃ  基板、１２ｄ  中間層、１２ｅ  超電導層、１２ｆ  安定化層、１３  電極、１３ａ  貫通穴、１４  連結部、１５ａ，１５ｂ  固定部、Ｗ１４  幅。
【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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【図８】
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