(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に対して垂直に切った断面において、対向する一対の円弧により、外側に膨らみを有する形状の対向する一対の曲線を繋いだ外周形状を有する環状の巻枠と、
前記巻枠の外周に巻かれた超電導線材とを備え、
前記一対の曲線のそれぞれは、中央部が両端部よりも外側に膨らんだ曲線であり、該曲線の両端を結ぶ直線の長さに対する、前記直線からの前記中央部の突出厚さの百分率が１．２５％以上、且つ６．２５％以下であり、前記直線の延伸方向における前記巻枠の幅が前記直線の直交方向における前記巻枠の幅より大きいことを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記超電導線材が、高温超電導体を含む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】
前記高温超電導体が、希土類元素、バリウム及び銅を１：２：３の元素比で含む希土類酸化物であることを特徴とする請求項２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記超電導線材が、前記高温超電導体が堆積されたテープ状基板を更に含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の超電導コイル。
【請求項５】
前記巻枠が、前記基板より小さな線膨張係数を有することを特徴とする請求項４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、レーストラック形状の超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導マグネットや超電導電動機の界磁コイルとして、レーストラック型超電導コイルを用いる場合がある。レーストラック型超電導コイルにおいては、対向する一対の円弧部と円弧部間で対向する一対の直線部とを有するレーストラック形状の巻枠に超電導線材が巻きつけられる。
【０００３】
レーストラック型超電導コイルの直線部においては、円弧部に比べて超電導線材を巻枠に押し付ける力が加わりにくい。超電導状態を得るために低温に冷却した際、超電導線材が弛み蛇行してしまう。そのため、超電導線材の臨界電流低下等の超電導特性が劣化するという問題が生じてしまう。
【０００４】
超電導線材の弛みを解決するため、超電導線材を弛みなく巻くことができるコイル製造装置や、コイルの外周に圧縮力を加える加圧治具を巻いた構造の提案がされている（特許文献１及び２参照）。しかし、提案された解決方法では、製造装置や加圧治具が新たに必要となり、コストの増加を招いてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６５１１９号公報
【特許文献２】特許第３０６０５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、コストの増加を招くことなく、超電導線材の弛みを防止することが可能なレーストラック形状の超電導コイルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、中心軸に対して垂直に切った断面において、対向する一対の円弧により、外側に膨らみを有する形状の対向する一対の曲線を繋いだ外周形状を有する環状の巻枠と、巻枠の外周に巻かれた超電導線材とを備え、一対の曲線のそれぞれは、中央部が両端部よりも外側に膨らんだ曲線であり、曲線の両端を結ぶ直線の長さに対する、直線からの中央部の突出厚さの百分率が１．２５％以上、且つ６．２５％以下であり、直線の延伸方向における巻枠の幅が直線の直交方向における巻枠の幅より大きい超電導コイルが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、コストの増加を招くことなく、超電導線材の弛みを防止することが可能なレーストラック形状の超電導コイルを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーストラック形状の超電導コイルの一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示した超電導コイルのＡ−Ａ断面を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る超電導コイルの超電導線材の一例を示す断面図である。
【図４】従来のレーストラック形状の超電導コイルの一例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るレーストラック形状の超電導コイルの他の例を示す断面図である。
【図６】本発明のその他の実施の形態に係る超電導コイルの一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１１】
又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施の形態に係る超電導コイルは、図１に示すように、巻枠１０、及び超電導線材１２を備える。巻枠１０は環状で、超電導線材１２は巻枠１０の外周に巻かれる。
【００１３】
巻枠１０は、図２に示すように、巻枠１０の中心軸に対して垂直に切った断面において、対向する第１及び第２円弧部１４ａ、１４ｂ、及び第１及び第２円弧部１４ａ、１４ｂの間を接続する一対の中間部１６を有する。第１及び第２円弧部１４ａ、１４ｂの外縁は、それぞれ半径Ｒで中心点Ｃａ、Ｃｂの円弧Ａａ、Ａｂである。中間部１６の外縁は、曲線Ａｃである。
【００１４】
曲線Ａｃの両端に結ぶ直線ＳＬに直交する方向において、曲線Ａｃは直線ＳＬから巻枠１０の外側にふくらみを有する曲線である。曲線Ａｃの突出部の厚さはｄである。曲線Ａｃは、例えば、円弧Ａａ、Ａｂよりも大きな曲率半径を有する円弧、楕円弧等の曲線である。
【００１５】
巻枠１０は、直線ＳＬの延伸方向に長幅Ｌｆ、及び直線ＳＬの直交方向に短幅Ｗｆを有する。また、対向する直線ＳＬの長さＬは中間部１６の長さで、対向する直線ＳＬ間の間隔Ｗは円弧Ａａ、Ａｂの弦長である。
【００１６】
巻枠１０として、ガラス繊維強化プラスティック（ＧＦＲＰ）、カーボン繊維強化プラスティック（ＣＦＲＰ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及びステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮等の金属材料が使用可能である。
【００１７】
超電導線材１２は、図３に示すように、テープ状の基板４０上に中間層４２、超電導層４４、及び安定化層４６を含む。例えば、超電導層４４として、通常の超伝導体が使用可能であるが、高温超電導体、特に、ビスマス（Ｂｉ）系酸化物、希土類酸化物等の酸化物系高温超電導体が望ましい。希土類酸化物等として、ガドリニウム（Ｇｄ）、イットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）等の希土類元素（ＲＥ）、バリウム（Ｂａ）、及び銅（Ｃｕ）を１：２：３の元素比で含む希土類酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx、以下においてＲＥ１２３系酸化物超電導体と記す。）等が用いられる。
【００１８】
基板４０として、Ｎｉ合金テープ等が用いられる。中間層４２として、ガドリニウムジルコニウム酸化物（Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7）、酸化セリウム（ＣｅＯ2）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の酸化物、又はこれらの酸化物の多層膜が用いられる。安定化層４６として、銀（Ａｇ）等の金属が用いられる。
【００１９】
従来のレーストラック型超電導コイルでは、図４に示すように、対向する第１及び第２円弧部１１４ａ、１１４ｂと、第１及び第２円弧部１１４ａ、１１４ｂ間で対向する一対の中間部１１６とを有する巻枠１１０に超電導線材１１２が巻きつけられる。
【００２０】
第１及び第２円弧部１１４ａ、１１４ｂの外縁は円弧であるので、第１及び第２円弧部１１４ａ、１１４ｂにおいては、超電導線材１１２を巻枠１１０に押し付ける力が働く。しかし、中間部１１６の外縁は直線であるので、中間部１１６においては、超電導線材１１２を巻枠１１０に押し付ける力が発生しない。そのため、超電導コイルを液体窒素温度等の低温に冷却した際、超電導線材が弛み蛇行してしまう。その結果、超電導線材の臨界電流低下等の超電導特性が劣化してしまう。
【００２１】
実施の形態では、中間部１６の外縁は曲線Ａｃである。したがって、第１及び第２円弧部１４ａ、１４ｂと同様に、中間部１６においても超電導線材１２を巻枠１０に押し付ける力が働く。超電導コイルを低温に冷却しても、超電導線材１２の弛みを防止することができ、超電導線材１２の超電導特性の劣化を防止することが可能となる。
【００２２】
なお、レーストラック形状コイルは、通常用いられる円形コイルに比べると、デッドスペースを減少させることができる。したがって、レーストラック形状の超電導コイルを用いることにより、超電導マグネット、超電導電動機、発電機等を小型化することが可能となる。このような観点から、図２に示した超電導コイルでは、巻枠１０の長幅Ｌｆは、短幅Ｗｆより大きくする。即ち、Ｌｆ＞Ｗｆ＝Ｗ＋２ｄとする。
【００２３】
図１及び図２に示した超電導コイルについて、中間部１６の曲線Ａｃの曲率半径を変えることにより最大距離ｄを変化させて作製し、超電導特性の劣化を評価している。具体的には、巻枠１０は、ＧＦＲＰ製で、第１及び第２円弧部１４ａ、１４ｂの半径Ｒが約３５ｍｍ、直線ＳＬの間隔Ｗが約７０ｍｍ、直線ＳＬの長さＬが約８０ｍｍ、第１及び第２円弧部１４ａ、１４ｂの厚さが約５ｍｍである。巻枠１０に、ＲＥ１２３系酸化物超伝導体を含む厚さが約０．２ｍｍ、幅が約５ｍｍ、全長約５ｍの超電導線材１２が巻きつけられる。
【００２４】
表１に示すように、巻枠１０の中間部１６の曲率半径を変えて、厚さｄがそれぞれ１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍとした試料Ａ、Ｂ、Ｃを準備した。この場合、厚さｄの長さＬに対する百分率はそれぞれ１．２５％、３．７５％、６．２５％となる。また、比較例として、図４に示したように、中間部が直線である従来のレーストラック型超電導コイルも準備した。
【表１】
0005548423.tif 000002
【００２５】
作製した超電導コイルについて、液体窒素中で臨界電流を測定し、巻線前の超電導線材の臨界電流と比較することにより超電導特性の劣化の有無を判定した。なお、超電導線材の巻線により発生する経験磁場による臨界電流の低下は無視している。
【００２６】
表１に示すように、中間部１６の外縁を曲線Ａｃとした試料Ａ、Ｂ、Ｃではいずれも超電導特性の劣化はない。一方、中間部１１６の外縁が直線である比較例では、超電導特性が劣化している。また、超電導コイルの臨界電流測定後の外観検査において、試料Ａ、Ｂ、Ｃでは超電導線材１２に異常がなく、比較例では超電導線材１１２が蛇行していることを確認している。
【００２７】
このように、実施の形態による超電導コイルでは、中間部１６が曲線Ａｃであるので、中間部１６においても超電導線材１２を巻枠１０に押し付ける力が働く。そのため、超電導コイルを液体窒素温度に冷却しても、超電導線材１２の弛みを防止することができ、超電導線材１２の超電導特性の劣化を防止することができる。
【００２８】
また、巻枠１０として、超電導線材１２よりも小さな線膨張係数の材料を用いることが望ましい。超電導コイルを低温に冷却する場合、線膨張係数が大きな超電導線材１２のほうが巻枠１０より収縮する。その結果、超電導線材１２には、巻枠１０に対して押し付ける力が作用するため、超電導線材１２の弛みを更に効果的に防止することが可能となる。特に、図３に示したＲＥ１２３系酸化物超伝導体を用いた超電導線材１２では、中間層４２、超電導層４４及び安定化層４６の厚さの総和に比べて、基板４０の厚さのほうが大きい。したがって、巻枠１０が、基板４０より線膨張係数が小さくなるようにする。例えば、基板４０として用いられるＮｉ合金の線膨張係数は、約１１×１０-6Ｋ-1であるので、巻枠１０として線膨張係数が約４×１０-6Ｋ-1のＡｌＮ等が使用可能である。
【００２９】
なお、図１及び図２に示した巻枠１０では、中間部１６の内縁は直線となっている。しかし、中間部１６の内縁は曲線であってもよい。図５に示すように、巻枠１０ａの中間部１６の内縁を曲線Ａｃと相似の曲線としてもよい。
【００３０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３１】
本発明の実施の形態においては、レーストラック形状の超電導コイルについて説明しているが、巻枠に直線部が含まれる超電導コイルにも適用することができる。例えば、矩形状の巻枠では、角部以外の４辺が直線である。この場合、図６に示すように、巻枠１０ｂの４辺を曲線にすればよい。例えば、長幅Ｌを有する外縁においては、点線で示した矩形状の辺から厚さｄの突出部を有する曲線を設ける。短幅Ｌａを有する外縁においては、点線で示した矩形状の辺から厚さｄａの突出部を有する曲線を設ける。ここで、厚さｄの長幅Ｌに対する百分率、及び厚さｄａの短幅Ｌａに対する百分率はともに１．２５％以上とする。
【００３２】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、超電導マグネット、超電導電動機、発電機等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０…巻枠
１２…超電導線材
１４ａ…第１円弧部
１４ｂ…第２円弧部
１６…中間部
４０…基板
４２…中間層
４４…超電導層
４６…安定化層
【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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