(57)【要約】【課題】電磁応力を受けたときに超電導線材の変形によるひずみを抑制することができ、超電導特性を良好に維持することができる超電導パンケーキコイル及びその製造方法を提供する。【解決手段】シングルパンケーキコイル１１Ａは、基板上に中間層及び希土類系酸化物超電導体による超電導層を形成したテープ状の超電導線材１２を巻回してコイル１３を形成したものである。このコイル１３の外周には、該コイル１３の拡径を抑えるための外周枠１４が設けられている。この外周枠１４は繊維強化樹脂又は絶縁被覆が施された金属により形成されている。前記コイル１３の軸線方向の両端面には、外周枠１４の移動を規制する上部規制枠１５及び下部規制枠１６が設けられている。また、コイル１３の外周部及び上部には、パラフィン等のモールド材によるモールド層２３が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に希土類系酸化物超電導体による超電導層を形成したテープ状の超電導線材を巻回してコイルを形成した超電導パンケーキコイルであって、
前記コイルの外周には、該コイルの拡径を抑えるための外周枠を設けたことを特徴とする超電導パンケーキコイル。
【請求項２】
前記外周枠は繊維強化樹脂又は絶縁被覆が施された金属により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項３】
前記超電導線材は超電導層が内周側に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項４】
前記コイルの軸線方向の少なくとも一方の端面には、外周枠の移動を規制する規制枠を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項５】
前記コイルはダブルパンケーキコイルであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項６】
前記超電導線材はその１本が中心側からダブルパンケーキコイルの各段に反対方向に巻回され、超電導線材の端部が各段の外周部に位置し、超電導線材の両端部に電極が接続されていることを特徴とする請求項５に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項７】
前記コイルは円筒状以外の筒形状を有し、外周枠はそのコイルの外周に沿って形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項８】
前記規制枠には、外周枠の被係合部に係合する係合部を設けたことを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項９】
前記コイルの内周には、コイルの形状を保持する内周枠を設けたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項１０】
前記コイルの少なくとも一方の端面に規制枠を設け、前記外周枠、内周枠及び規制枠によりケースを構成し、該ケース内には室温で液体であり、融点が−１０〜−１００℃である油状物質が注入されていることを特徴とする請求項９に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項１１】
前記コイルの両端面に対して規制枠が接着剤により接合されていることを特徴とする請求項１０に記載の超電導パンケーキコイル。
【請求項１２】
基板上に希土類系酸化物超電導体による超電導層を形成したテープ状の超電導線材を内周枠の外周に巻回して形成したコイルの外周に外周枠を配置した後、コイルの少なくとも一方の端面に規制枠を配置して内周枠及び外周枠に接合することを特徴とする超電導パンケーキコイルの製造方法。
【請求項１３】
基板上に希土類系酸化物超電導体による超電導層を形成したテープ状の超電導線材を内周枠の外周に巻回して形成したコイルの外周に外周枠を配置し、コイルの一端面に規制枠を配置して前記外周枠及び内周枠に接合し、コイルの他端面に、注入口を有する規制枠を配置して外周枠及び内周枠に接合してケースを構成した後、前記注入口から室温で液体であり、融点が−１０〜−１００℃である油状物質をケース内に注入し、その後注入口を塞ぐことを特徴とする超電導パンケーキコイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に希土類系酸化物超電導体による超電導層を有するテープ状の超電導線材を巻回して形成され、超電導線材の変形によるひずみを抑えて、優れた超電導特性を維持することができる超電導パンケーキコイル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
希土類系酸化物超電導体を用いた酸化物系のテープ状の超電導線材を巻回してなる超電導パンケーキコイルは、高磁場マグネット等として好適に利用される。この高磁場マグネットにおいては、発生した高磁場に基づいて超電導線材のコイル径を拡げるように円周方向にフープ応力（電磁応力）が働く。このため、超電導パンケーキコイルにはそのフープ応力に耐え得る機械的強度が必要であるとともに、引張りや曲げなどの変形に対して許容できるひずみ量の大きいことが求められる。
【０００３】
この種の超電導パンケーキコイルとしては、例えば特許文献１に記載されている高温超電導パンケーキコイルが知られている。すなわち、当該高温超電導パンケーキコイルは、金属基板の表面に中間層及び酸化物超電導層を順次形成したテープ状の高温超電導線材が巻回されることにより形成され、軸方向中心を貫通する空間を有している。そして、コイルの軸方向の一対の端面を形成する巻線側面部の少なくとも一部がエポキシ樹脂層等の樹脂層で被覆されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６７８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されている従来構成の高温超電導パンケーキコイルにおいては、コイル端面の巻線側面部がエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂による樹脂層で剛直に固定されている。この場合、パンケーキコイルは超電導線材間に絶縁テープが介在された状態で巻回されるが、十分な締付力をもって超電導線材を巻回しても超電導線材と絶縁テープとの間には微小な隙間が生じる。このため、超電導線材の巻回後にエポキシ樹脂を注入して含浸させたとき、そのエポキシ樹脂が超電導線材と絶縁テープとの隙間に入り込み、そこで硬化する。
【０００６】
その結果、超電導パンケーキコイルを高磁場マグネット等として使用する場合、高磁場に基づくフープ応力が超電導パンケーキコイルに作用し、そのフープ応力が超電導線材に加わり、超電導線材が変形してひずみを生ずる。さらに、強いフープ応力により、超電導線材に接着している硬く、脆いエポキシ樹脂が割れ、その際超電導線材が壊れたり、剥離したりするおそれがある。従って、超電導パンケーキコイルは超電導特性を維持することができなくなるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的とするところは、電磁応力を受けたときに超電導線材の変形によるひずみを抑制することができ、超電導特性を良好に維持することができる超電導パンケーキコイル及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、基板上に希土類系酸化物超電導体による超電導層を形成したテープ状の超電導線材を巻回してコイルを形成した超電導パンケーキコイルであって、前記コイルの外周には、該コイルの拡径を抑えるための外周枠を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項１に係る発明において、前記外周枠は繊維強化樹脂又は絶縁被覆が施された金属により形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記超電導線材は超電導層が内周側に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項１から請求項３のいずれか一項に係る発明において、前記コイルの軸線方向の少なくとも一方の端面には、外周枠の移動を規制する規制枠を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項１から請求項４のいずれか一項に係る発明において、前記コイルはダブルパンケーキコイルであることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項５に係る発明において、前記超電導線材はその１本が中心側からダブルパンケーキコイルの各段に反対方向に巻回され、超電導線材の端部が各段の外周部に位置し、超電導線材の両端部に電極が接続されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項１から請求項６のいずれか一項に係る発明において、前記コイルは円筒状以外の筒形状を有し、外周枠はそのコイルの外周に沿って形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項４から請求項７のいずれか一項に係る発明において、前記規制枠には、外周枠の被係合部に係合する係合部を設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項１から請求項８のいずれか一項に係る発明において、前記コイルの内周には、コイルの形状を保持する内周枠を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項９に係る発明において、前記コイルの少なくとも一方の端面に規制枠を設け、前記外周枠、内周枠及び規制枠によりケースを構成し、該ケース内には室温で液体であり、融点が−１０〜−１００℃である油状物質が注入されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に記載の発明の超電導パンケーキコイルは、請求項１０に係る発明において、前記コイルの両端面に対して規制枠が接着剤により接合されていることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明の超電導パンケーキコイルの製造方法は、基板上に希土類系酸化物超電導体による超電導層を形成したテープ状の超電導線材を内周枠の外周に巻回して形成したコイルの外周に外周枠を配置した後、コイルの少なくとも一方の端面に規制枠を配置して内周枠及び外周枠に接合することを特徴とする。
【００１９】
請求項１３に記載の発明の超電導パンケーキコイルの製造方法は、基板上に希土類系酸化物超電導体による超電導層を形成したテープ状の超電導線材を内周枠の外周に巻回して形成したコイルの外周に外周枠を配置し、コイルの一端面に規制枠を配置して前記外周枠及び内周枠に接合し、コイルの他端面に、注入口を有する規制枠を配置して外周枠及び内周枠に接合してケースを構成した後、前記注入口から室温で液体であり、融点が−１０〜−１００℃である油状物質をケース内に注入し、その後注入口を塞ぐことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
本発明の超電導パンケーキコイルでは、基板上に希土類系酸化物超電導体による超電導層を形成したテープ状の超電導線材を巻回してコイルが形成されている。そして、コイルの外周には、該コイルの拡径を抑えるための外周枠が設けられている。このため、超電導パンケーキコイルを例えば高磁場マグネット等として使用した場合、高磁場による電磁応力が超電導パンケーキコイルに作用してコイルを拡げるように働いたとき、この応力がコイルの外周に設けられた外周枠に受け止められる。従って、超電導線材に作用する電磁応力は外周枠に分担して受承されて軽減され、超電導線材の機能は電磁応力の有無に拘らず良好に発揮される。
【００２１】
よって、本発明の超電導パンケーキコイルによれば、電磁応力を受けたときに超電導線材の変形によるひずみを抑制することができ、超電導特性を良好に維持することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を具体化した第１実施形態の超電導パンケーキコイルを示す図であって、（ａ）はシングルパンケーキコイルを示す概略横断面図、（ｂ）はシングルパンケーキコイルを示す概略縦断面図、（ｃ）はシングルパンケーキコイルを示す要部拡大縦断面図。
【図２】テープ状の超電導線材を示す断面図。
【図３】そのシングルパンケーキコイルの外周枠上に上部規制枠を固定した状態を示す平面図。
【図４】そのシングルパンケーキコイルの製造工程を示す図であって、（ａ）は内周枠にテープ状の超電導線材を巻回した状態を示す概略横断面図、（ｂ）はその超電導線材の外周に外周枠を配置した状態を示す概略横断面図、（ｃ）はその状態の超電導線材の上部及び外周部にパラフィンのモールド層を形成した状態を示す部分縦断面図。
【図５】第２実施形態の超電導パンケーキコイルを示す図であって、（ａ）はダブルパンケーキコイルを示す概略横断面図、（ｂ）はダブルパンケーキコイルを示す概略縦断面図、（ｃ）はダブルパンケーキコイルを示す要部拡大縦断面図。
【図６】そのダブルパンケーキコイルの製造工程を示す図であって、内周枠の周囲にテープ状の超電導線材を巻回し始めた状態を示す斜視図。
【図７】図６の状態から、さらに超電導線材を巻回した状態を示す部分縦断面図。
【図８】図７の状態から、超電導線材の外周に外周枠を配置した後、超電導線材の上部及び外周部にパラフィンのモールド層を形成した状態を示す部分縦断面図。
【図９】ダブルパンケーキコイルの超電導特性を示し、コイル電流とコイル電圧との関係を示すグラフ。
【図１０】コイル中心からの距離とフープ応力との関係を示すグラフ。
【図１１】第３実施形態における異形形状のシングルパンケーキコイルを示す概略横断面図。
【図１２】（ａ）は上部規制枠の係合部が外周枠及び内周枠の被係合部に係合した状態を示す縦断面図、（ｂ）は上部規制枠の係合部と外周枠及び内周枠の被係合部との異なる係合状態を示す縦断面図。
【図１３】第４実施形態におけるシングルパンケーキコイルを示す分解斜視図。
【図１４】シングルパンケーキコイルを示す部分縦断面図。
【図１５】第４実施形態の実施例におけるダブルパンケーキコイルに通電したときの電流−電圧特性を示し、コイル電流とコイル電圧との関係を示すグラフ。
【図１６】第４実施形態の実施例におけるダブルパンケーキコイルに外部磁場を印加した状態の通電試験結果を示し、コイル電流とコイル電圧との関係を示すグラフ。
【図１７】第４実施形態の別の実施例におけるシングルパンケーキコイルに通電したときの電流−電圧特性を示し、コイル電流とコイル電圧との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１実施形態）
以下、本発明の超電導パンケーキコイルをシングルパンケーキコイルに具体化した第１実施形態に関し、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、超電導パンケーキコイルとしてのシングルパンケーキコイル１１Ａにおいては、テープ状の超電導線材１２が巻回されて形成されたコイル１３の外周に外周枠１４が配置されている。図１（ｃ）及び図２に示すように、該外周枠１４の上端部及び下端部には、外周枠１４の移動を規制する上部規制枠１５及び下部規制枠１６が複数のボルト１７により連結されている。この外周枠１４と上部規制枠１５及び下部規制枠１６との連結は、接着等の手段であってもよい。前記コイル１３の外周に外周枠１４を設けることにより、コイル１３が高磁場によるフープ応力（電磁応力）を受けたときに、そのコイル１３の拡径を抑えるようになっている。
【００２５】
図２に示すように、前記テープ状の超電導線材１２は、基板１８上に中間層１９を介して超電導層２０が形成され、その超電導層２０上に第１安定化層２１が形成されるとともに、それらの外周部に第２安定化層２２が被覆されて構成されている。前記基板１８は、ニッケル合金（ハステロイ）、銀、銀合金等の金属により、例えば厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。中間層１９は、ガドリニウム・ジルコニウム酸化物（Ｇｄ・Ｚｒ酸化物）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、バリウム・ジルコニウム酸化物（Ｂａ・Ｚｒ酸化物）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）等の化合物により、例えば厚さ５００ｎｍ、幅１０ｍｍに形成されている。
【００２６】
超電導層２０は、希土類系酸化物超電導体のＣＶＤ法（化学蒸着法）により、例えば厚さ約１μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。但し、ＲＥは希土類元素を表す。この超電導層２０として具体的には、イットリウム・バリウム・銅酸化物、ランタン・バリウム・銅酸化物（Ｌａ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）等が挙げられる。
【００２７】
第１安定化層２１は、銀等の金属のスパッタリング等により、例えば厚さ約１５μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。第２安定化層２２は、銅等の金属のメッキ等により、例えば厚さ約５０μｍに形成されている。
【００２８】
前記外周枠１４は、繊維強化樹脂又は絶縁被覆が施された金属により形成されている。繊維強化樹脂としては、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）等が用いられる。絶縁被覆された金属としては、樹脂被覆されたステンレス鋼等が用いられる。前記上部規制枠１５及び下部規制枠１６も外周枠１４と同種の材料により形成される。外周枠１４に上部規制枠１５及び下部規制枠１６を連結することにより、外周枠１４を補強してその移動を規制することができ、コイル１３がフープ応力を受けたときそのコイル１３の拡径を強固に制限することができる。
【００２９】
前記コイル１３の外周部及び上部は、パラフィン、ワックス等のモールド材によるモールド層２３でモールドされている。このモールド材は、シングルパンケーキコイル１１Ａを液体ヘリウム、液体窒素等で冷却する際に超電導線材１２が損傷を受けないように保護するための低強度の材料である。すなわち、冷却時にはモールド層２３が冷却による応力を受け止め、場合によっては自らが壊れることにより、超電導線材１２を保護するようになっている。
【００３０】
前記テープ状の超電導線材１２をコイル状に巻回する際には、超電導線材１２は超電導層２０が内周側で基板１８が外周側に位置するように配置される。超電導層２０を内周側に配置することにより、超電導層２０の円弧が基板１８の外周側の円弧に比べて小さくなることから、圧縮ひずみが大きくなり、コイル１３がフープ応力を受けたときに及ぼされる引張りひずみが緩和され、フープ応力に対する抵抗性が大きくなるため好ましい。
【００３１】
前記外周枠１４の外周部には一対の電極２４ａ、２４ｂが設けられている。一方の電極２４ａは巻回された超電導線材１２の外周端に接続され、他方の電極２４ｂは超電導線材１２の内周端に図示しないリード線を介して接続されている。
【００３２】
次に、前記シングルパンケーキコイル１１Ａの製造方法について説明する。
図４（ａ）に示すように、まず円筒状に形成された内周枠２５の外周に、テープ状の超電導線材１２をその一端から所定の巻数で巻回してコイル１３を形成する。続いて、図４（ｂ）に示すように、超電導線材１２のコイル１３の外周に外周枠１４を配置してコイル１３の組立体を形成する。この場合、コイル１３の外周面と外周枠１４の内周面との間に若干の隙間が形成されていてもよい。この状態で、コイル１３の組立体をパラフィン溶湯に浸漬し、脱気した後、冷却してモールド層２３を形成する。
【００３３】
次いで、図４（ｃ）に示すように、内周枠２５と外周枠１４の下端部に下部規制枠１６を宛がって複数のボルト１７により下部規制枠１６を内周枠２５と外周枠１４に締付けて固定する。続いて、図１（ｃ）に示すように、下部規制枠１６を内周枠２５に固定しているボルト１７を外し、内周枠２５を取り出す。その後、図３に示すように、外周枠１４の上端部に上部規制枠１５を載せ、複数のボルト１７により上部規制枠１５を外周枠１４に連結する。このようにして、目的とするシングルパンケーキコイル１１Ａを得ることができる。
【００３４】
このシングルパンケーキコイル１１Ａの製造方法により、強固に構成され、優れた超電導特性を発揮できるシングルパンケーキコイル１１Ａを順序良く、頑丈に製造することができる。
【００３５】
次に、上記構成のシングルパンケーキコイル１１Ａについて作用を説明する。
さて、本実施形態のシングルパンケーキコイル１１Ａを高磁場マグネット等として使用する場合には、コイル１３に通電して発生した高磁場に基づいてコイル１３の接線方向（周方向）にフープ応力（引張応力）が作用し、そのフープ応力がコイル１３を拡げるように働く。このとき、コイル１３の外周部には外周枠１４が配置されていることから、フープ応力によってコイル１３が拡径しようとしたときコイル１３の外周面が外周枠１４に当たり、そのフープ応力が受け止められる。
【００３６】
その上、外周枠１４には下部規制枠１６及び上部規制枠１５が複数のボルト１７で固定され、一体化されていることから、外周枠１４の形状が頑丈に保持される。このため、コイル１３にフープ応力が作用して拡径しようとする力が働いても、外周枠１４がその力を十分に受け止めることができ、超電導線材１２にその力が及ぶことを防止することができる。
【００３７】
加えて、モールド層２３はエポキシ樹脂のような硬質樹脂ではなく、パラフィン等の低強度の材料であることから、フープ応力を受けたときにはそのモールド層２３が容易に変形し、コイル１３を形成する超電導線材１２間は相対移動して超電導層２０には応力が及ぶことはない。
【００３８】
その結果、超電導線材１２の引張ひずみを限界ひずみ量（不可逆ひずみ量、０．７％程度）よりも小さくすることができ、通電特性を維持することができる。言い換えれば、シングルパンケーキコイル１１Ａはその形状を保持することができ、フープ応力の影響を極力回避することができ、超電導特性を発揮することができる。
【００３９】
以上詳述した第１実施形態によって得られる効果を以下にまとめて記載する。
（１）この第１実施形態のシングルパンケーキコイル１１Ａにおいて、そのコイル１３の外周には外周枠１４が設けられている。このため、シングルパンケーキコイル１１Ａの使用時に発生した高磁場による電磁応力がコイル１３に作用して該コイル１３を拡径するように働いたとき、この応力が外周枠１４に受け止められる。従って、超電導線材１２に作用する電磁応力の一部は外周枠に分担して受承されて軽減され、超電導線材１２の機能は電磁応力の有無に拘らず良好に発揮される。
【００４０】
よって、第１実施形態のシングルパンケーキコイル１１Ａによれば、電磁応力を受けたときに超電導線材１２の変形によるひずみを抑制することができ、超電導特性を良好に維持することができるという効果を奏する。
（２）前記外周枠１４は繊維強化樹脂又は絶縁被覆が施された金属により形成されている。このため、外周枠１４は高い強度及び剛性を発揮することができ、フープ応力に対する十分な抵抗性を発揮することができる。
（３）前記超電導線材１２は超電導層２０が内周側に位置するように配置されている。従って、超電導層２０が外周側に配置された場合に比べて、内周側の超電導層２０にはより大きな圧縮ひずみが形成され、コイル１３がフープ応力を受けたときの引張ひずみを有効に緩和することができる。
（４）前記コイル１３の軸線方向の両端面には、外周枠１４の移動を規制する下部規制枠１６及び上部規制枠１５が設けられている。そのため、両規制枠１５、１６により外周枠１４の移動を一層効果的に規制することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の超電導パンケーキコイルをダブルパンケーキコイルに具体化した第２実施形態に関し、図５〜図１０に基づいて詳細に説明する。なお、この第２実施形態では、前記第１実施形態と重複する部分についてその説明を省略する。
【００４１】
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、超電導パンケーキコイルとしてのダブルパンケーキコイル１１Ｂは、超電導線材１２が巻回されて形成されたコイル１３が中間規制枠２６を介して上下２段に積層されている。各段のコイル１３の外周には外周枠１４が配置されるとともに、下段の外周枠１４の下面には下部規制枠１６が複数のボルト１７により固定され、上段の外周枠１４の上面には上部規制枠１５が複数のボルト１７により固定されている。外周枠１４と下部規制枠１６及び上部規制枠１５との連結は、接着等の手段であっても差し支えない。また、下段のコイル１３においては、その外周部及び下部にパラフィン等のモールド材によるモールド層２３が形成されるとともに、上段のコイル１３においては、その外周部及び上部に同様のモールド層２３が形成されている。
【００４２】
次に、このダブルパンケーキコイル１１Ｂの製造方法について説明する。
図６に示すように、中間規制枠２６が連結された内周枠２５に対し、１本のテープ状をなす超電導線材１２の中央部を中心にして上下２段に反対方向に巻き付ける。すなわち、上段のコイル１３は上方から見て反時計方向に巻回し、下段のコイル１３は上方から見て時計方向に巻回する。なお、中間規制枠２６には図示しない貫通孔が設けられ、その貫通孔を超電導線材１２が通るようになっている。また、内周枠２５に対する超電導線材１２の巻き付け方向は、上記とは逆方向であってもよい。
【００４３】
そして、図７に示すように、各段において超電導線材１２を所定方向へ巻回することにより、中間規制枠２６の上下両面にコイル１３が形成される。続いて、図８に示すように、各段のコイル１３の外周にそれぞれ外周枠１４を配置してコイル１３の組立体を形成する。次いで、コイル１３の組立体をパラフィン溶湯に浸漬し、脱気した後、冷却して各コイル１３の外周並びに上部及び下部の空間部にモールド層２３を形成する。
【００４４】
その後、図５（ｃ）に示すように、内周枠２５を中間規制枠２６から外し、その状態で外周枠１４に対して下部規制枠１６及び上部規制枠１５を複数のボルト１７により締付固定する。このようにして、ダブルパンケーキコイル１１Ｂを得ることができる。
【００４５】
次に、以上のように構成されたダブルパンケーキコイル１１Ｂの作用を説明する。
さて、第２実施形態のダブルパンケーキコイル１１Ｂを高磁場マグネット等として用いる場合には、発生する高磁場に基づいてコイル１３を拡げる方向にフープ応力が作用する。このとき、上下のコイル１３の外周部にはそれぞれ外周枠１４が配置されていることから、フープ応力によってコイル１３が拡径しようとしたときコイル１３の外周面が外周枠に当たり、そのフープ応力が受け止められる。
【００４６】
さらに、上段の外周枠１４には中間規制枠２６及び上部規制枠１５が固定され、下段の外周枠１４には中間規制枠２６及び下部規制枠１６が固定されていることから、両段の各外周枠１４の形状が頑丈に保持される。そのため、各コイル１３にフープ応力が作用して拡径力が働いても、各外周枠１４がその拡径力を十分に受承することができ、超電導線材１２にその力が及ぶことを抑制することができる。従って、ダブルパンケーキコイル１１Ｂは、その形状を保持することができ、フープ応力の影響を極力軽減できて優れた超電導特性を維持することができる。
【００４７】
ここで、上記のダブルパンケーキコイル１１Ｂに関し、超電導特性の試験を行った実施例の結果について説明する。
温度４．２Ｋ（液体ヘリウム中）、磁束密度８Ｔの外部磁場中で、ダブルパンケーキコイル１１Ｂ（超電導線材１２の長さは５０ｍ）に１７Ａ／秒の電流を総電流量が１５００Ａに到るまで通電を行った。このとき、ダブルパンケーキコイル１１Ｂに電磁誘導で発生する電圧は４０ｍＶ程度であった。そして、ダブルパンケーキコイル１１Ｂに流れるコイル電流（Ａ）とコイル電圧（ｍＶ）の変化を常法に従って測定し、その結果を図９に示した。この図９に示したように、コイル電圧にはノイズのピークが見られるほかは、限界電流を超える電圧（５ｍＶの電圧が発生したときの電流値が限界電流）は観察されなかった。
【００４８】
また、ひずみゲージを用いて超電導線材１２のひずみ量を測定した結果、ひずみ量は０．４０〜０．５５％であった。この超電導線材１２のひずみ量は、超電導線材１２の限界ひずみ量である０．７％を下回っていた。上記のような通電を複数回繰り返しても、超電導線材１２のひずみ量は限界ひずみ量を下回っていた。
【００４９】
従って、このダブルパンケーキコイル１１Ｂにおいては、超電導特性を悪化させることなく、通電を継続することができた。
このとき、ダブルパンケーキコイル１１Ｂに加わるフープ応力（ＭＰａ）は図１０に示すようになった。すなわち、ダブルパンケーキコイル１１Ｂへの総通電量を８００Ａとした場合（図１０の○印）、総通電量を１０００Ａとした場合（図１０の△印）、総通電量を１３００Ａとした場合（図１０の□印）、総通電量を１５００Ａとした場合（図１０の◇印）について、コイル１３中心からの距離（ｍｍ）とフープ応力（ＭＰａ）との関係を図１０に示した。この図１０に示したように、フープ応力はコイル１３の中心側で最も大きく、外周側ほど次第に小さくなる傾向を示した。総通電量が最も多い１５００Ａである場合、コイル１３の内周側で約１７００ＭＰａ（１．７ＧＰａ）という最も高いフープ応力を示した。
【００５０】
一方、比較例として前記特許文献１に記載されているように、モールド材にエポキシ樹脂を使用してモールドした場合について検討する。
前記実施例に示したように、超電導線材１２には最大１．７ＧＰａのフープ応力が加わることから、そのとき基板１８には１７００Ｎ（１．７ＧＰａ×幅１０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ）の応力が加わる。一般に、エポキシ樹脂の引張強さは３５〜１４０ＭＰａであることから、仮にエポキシ樹脂の引張強さが１００ＭＰａであるとしたとき、１７００Ｎの応力を受けるためには１７ｍｍ２の断面積が必要になる。これは、超電導線材１２の断面積である３ｍｍ２（幅１０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）の５倍以上となる。このため、応力の半分を超電導線材１２が負担するとしても、エポキシ樹脂は超電導線材１２の約３倍の断面積が必要となり、現実的な超電導パンケーキコイルとして全く成立しない。
【００５１】
また、前記実施例に示したように、超電導線材１２の１ｍ当りに加わる径方向の応力は１２０００Ｎ（８Ｔ×１５００Ａ）である。この応力は１ｃｍ当り１２０Ｎである。エポキシ樹脂は超電導線材１２の端面に接着されるため、その接着面の面積は３ｍｍ２（超電導線材１２の幅１０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）である。この接着面積で前記１２０Ｎの応力を受けるとすると、エポキシ樹脂の引張剪断強さが４０ＭＰａ（１２０Ｎ／３ｍｍ２）必要になる。しかしながら、一般にエポキシ樹脂の接着面の引張剪断強さは１８ＭＰａ程度である。従って、エポキシ樹脂はそのような引張剪断強さに耐えることはできず、壊れるか又は剥離を生じさせることになる。
【００５２】
なお、モールド材としてのエポキシ樹脂が超電導線材１２の外周面に接着されているときには、エポキシ樹脂と超電導線材１２の接着面に前述のフープ応力（１．７ＧＰａ）が作用するため、エポキシ樹脂は簡単に壊れることになる。
（第３実施形態）
次に、本発明の超電導パンケーキコイルを具体化した第３実施形態に関し、図１１及び図１２に基づいて詳細に説明する。なお、この第３実施形態では、前記第１実施形態と重複する部分についてその説明を省略する。
【００５３】
図１１に示すように、この実施形態の超電導パンケーキコイルを構成するシングルパンケーキコイル１１Ａは、円筒状以外の筒形状（異形形状）、すなわち平面円弧筒状に形成されている。このコイル１３の外周には外周枠１４が配置されるとともに、内周には内周枠２５が配置されている。外周枠１４はコイル１３の外周面に沿うように平面円弧筒状に形成され、内周枠２５はその外周面がコイル１３の内周面に沿うように平面円弧筒状に形成されている。
【００５４】
図１２（ａ）に示すように、前記外周枠１４及び内周枠２５の上端部には上部規制枠１５が配置されるとともに、下端部には下部規制枠１６が配置されている。上部規制枠１５の外周端縁は下方へ直角に曲げ形成されて外周側係合部１５ａとなり、外周枠１４の被係合部としての外周面１４ａに係合されている。また、上部規制枠１５の内周端縁も下方へ直角に曲げ形成されて内周側係合部１５ｂとなり、内周枠２５の被係合部としての内周面２５ａに係合されている。
【００５５】
従って、この第３実施形態によれば、シングルパンケーキコイル１１Ａを加速器等として異形形状で使用する場合、そのコイル１３の外周部に沿って外周枠１４が設けられていることから、フープ応力によるコイル１３全体の拡径やフープ応力と直交方向の応力によるコイル１３の変形を効果的に抑制することができる。さらに、その外周枠１４の上端部には上部規制枠１５が配置され、その上部規制枠１５の外端部及び内端部には外周側係合部１５ａ及び内周側係合部１５ｂが設けられて外周枠１４及び内周枠２５に係合していることから、外周枠１４及び内周枠２５の軸線と直交する方向（水平方向）へのコイル１３の動きを一層効果的に抑制することができる。
【００５６】
加えて、図１１に示すように、この第３実施形態のシングルパンケーキコイル１１Ａにおいては、コイル１３が円筒状の場合には存在しないネガティブベンド部Ｎ（内側に凹んだ部分）が形成されている。このネガティブベンド部Ｎでは、フープ応力やその直交方向の応力によりコイル１３が損傷を受けて壊れやすい。しかし、本実施形態ではネガティブベンド部Ｎにおいてもコイル１３の外周に沿って外周枠１４が配置され、かつコイル１３の内周に沿って内周枠２５が配置されている。従って、ネガティブベンド部Ｎを有するコイル１３の形状維持を図ることができ、応力に対する耐性を格段に向上させることができる。
【００５７】
なお、前記上部規制枠１５の外周側係合部１５ａ及び内周側係合部１５ｂと外周枠１４及び内周枠２５の被係合部としての外周面１４ａ及び内周面２５ａを図１２（ｂ）に示すように変更してもよい。すなわち、上部規制枠１５の外周端部及び内周端部には断面三角形状の突起よりなる外周側係合部１５ｃ及び内周側係合部１５ｄが設けられている。一方、外周枠１４の上端面には上部規制枠１５の外周側係合部１５ｃが係合する被係合部として三角凹状の被係合凹部１４ｂが設けられるとともに、内周枠２５の上端面には上部規制枠１５の内周側係合部１５ｄが係合する被係合部として三角凹状の被係合凹部２５ｂが設けられている。
【００５８】
従って、この場合にも上部規制枠１５の外周側係合部１５ｃ及び内周側係合部１５ｄと外周枠１４及び内周枠２５の被係合凹部１４ｂ、２５ｂとの係合により、外周枠１４及び内周枠２５の動きを有効に抑制することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の超電導パンケーキコイルを具体化した第４実施形態に関し、図１３〜図１７に基づいて詳細に説明する。なお、この第４実施形態では、前記第１実施形態と重複する部分についてその説明を省略する。
【００５９】
図１３に示すように、外周にコイル１３が巻回される内周枠２５と、コイル１３の外周に配置される外周枠１４と、コイル１３の両端面に配置される上部規制枠１５と、下部規制枠１６とによりケース３０が構成される。図１４に示すように、上部規制枠１５には注入口２７が開口され、その注入口２７からケース３０内に油状物質２８が注入されてコイル１３に含浸されるようになっている。その後、注入口２７はエポキシ樹脂等の接着剤で封止され、シングルパンケーキコイル１１Ａが形成される。
【００６０】
前記油状物質２８としては、融点が−１０〜−１００℃の物質が好ましく、また融点ができるだけ低い物質がより好ましい。この油状物質２８としては、例えば融点が−１２．６℃のエチレングリコール、融点が−５９．０℃のプロピレングリコール、融点が−９０℃のパーフルオロポリエーテル等が用いられる。油状物質２８の融点が−１０℃より高いと油状物質２８による熱応力の緩和作用が十分に発揮されず、その一方融点が−１００℃より低いと油状物質２８として適切な物質が得られない。
【００６１】
このような油状物質２８がコイル１３に含浸されることにより、冷却時に油状物質２８が固化する前又は昇温時に油状物質２８が液化した後には、冷却時の収縮によるコイル１３の変形や超電導線材１２の滑りが許容される。油状物質２８を注入しない場合には、コイル１３の端面の凹凸や、コイル１３とケース３０との隙間によって熱伝導が不十分になり、コイル１３を伝導冷却するためには問題となる。一方で、強固な材料でコイル１３を含浸して超電導線材１２を室温で拘束した状態にすると、冷却した際に、２００℃以上の温度差による熱応力が超電導線材１２に作用する。油状物質２８をケース３０内に注入した場合には、隙間をなくして熱伝導が確保できて伝導冷却が適用できるようになり、油状物質２８が固化後冷却温度までの温度差分の熱応力が超電導線材１２に作用することになる。従って、コイル１３に作用する応力を低減させることができる。
【００６２】
油状物質２８が固化した後には、シングルパンケーキコイル１１Ａ又はダブルパンケーキコイル１１Ｂは、前記第１〜第３実施形態のシングルパンケーキコイル１１Ａ又はダブルパンケーキコイル１１Ｂとそれぞれ同様の構成になることから、電磁力に対して優れた耐性を発揮することができる。
【００６３】
次に、この第４実施形態の実施例を示す。
長さ５０ｍの超電導線材１２を用い、第２実施形態と同様にしてダブルパンケーキコイル１１Ｂを作製した。超電導線材１２は、ハステロイ製の基板１８の幅１０ｍｍ、厚さ１００μｍ、中間層１９の厚さが約５００ｎｍ、超電導層２０の厚さが約１μｍ、銀製の第１安定化層２１の厚さが約１５μｍ及び銅製の第２安定化層２２の厚さが約５０μｍであった。さらに、第２安定化層２２の外周にはエポキシ樹脂による絶縁被覆層が形成された。また、液体窒素の沸点（７７Ｋ）での臨界電流は約３００Ａであった。
【００６４】
そして、この超電導線材１２を内周枠２５の外周に巻回してダブルパンケーキコイル１１Ｂを作製した。このダブルパンケーキコイル１１Ｂの外周に、０．２〜０．４ｍｍの間隙をおいて外周枠１４を配置した。ダブルパンケーキコイル１１Ｂの内径は２００ｍｍ、外径は２４０ｍｍであった。なお、銅製の電極２４ａ，２４ｂを、ハンダにより第２安定化層２２に接続した。その後、内周枠２５及び外周枠１４の両端面に上部規制枠１５及び下部規制枠１６をエポキシ樹脂接着剤で接着してケース３０を作製した。
【００６５】
その後、直径８ｍｍの注入口２７から、油状物質２８としてパーフルオロポリエーテル〔（株）ダイトクテック製、ガルデンHT55、融点−９０℃〕を前記ケース３０内へ注入して満たした。次いで、前記注入口２７をエポキシ樹脂接着剤で封止した。
【００６６】
このような方法でダブルパンケーキコイル１１Ｂを製造することにより、油状物質２８をケース３０内に容易に注入できるとともに、ケース３０を簡単に密閉構造とすることができ、油状物質２８による熱応力の緩和効果を速やかに得ることができる。
【００６７】
そして、得られたダブルパンケーキコイル１１Ｂを常法により伝導冷却して、冷却試験を行った。その結果、コイル１３にパラフィンを含浸した場合に比べて冷却速度は速く、ダブルパンケーキコイル１１Ｂ内の温度差は３Ｋ以内であった。ケース３０内のパーフルオロポリエーテルは−９０℃で固化するが、コイル１３に外観上の変化は見られなかった。−１００℃より低温では、冷却槽を真空にし、断熱性を高めて伝導冷却を継続した。そして、７７Ｋ、外部磁場のない条件で、ダブルパンケーキコイル１１Ｂに通電したときの電流−電圧特性を測定し、その結果を図１５に示した。この図１５に示したように、超電導線材１２の特性として良好な結果であった。
【００６８】
続いて、ダブルパンケーキコイル１１Ｂを２０Ｋに冷却し、８Ｔの外部磁場をかけた状態で通電試験（フープ力試験）を行った。その結果を図１６に示した。この図１６に示したように、１０００Ａの電流を流しても超電導特性が維持され、異常な電圧が発生することはなかった。電磁力の計算によれば、このときダブルパンケーキコイル１１Ｂには最大で約１ＧＰａ程度の応力が加わることになるが、そのような応力下でも良好な超電導特性を維持することができた。なお、この通電を複数回繰返しても超電導特性を発揮することができた。
【００６９】
このフープ力試験終了後、再度７７Ｋで前記と同様の通電試験を行ったが、特性低下は認められなかった。
次に、長さ２０ｍの前記超電導線材１２を用い、前記第１実施形態と同様にして内径１２５ｍｍ、外径１８５ｍｍのシングルパンケーキコイル１１Ａを作製した。超電導線材１２の仕様、コイル１３の構成は第４実施形態の前記実施例と同様であるが、油状物質２８としてエチレングリコールを使用した。続いて、シングルパンケーキコイル１１Ａを伝導冷却により冷却した。伝導冷却に際し、シングルパンケーキコイル１１Ａ内の温度差は２Ｋ以内であって、パラフィンに比較してシングルパンケーキコイル１１Ａの温度低下は速かった。これは、シングルパンケーキコイル１１Ａ内に熱伝導特性の良い油状物質２８としてエチレングリコールが注入されているためと考えられる。
【００７０】
−１２℃程度でエチレングリコールが固化した後、冷却槽を真空にして断熱性を高め、伝導冷却を継続した。このとき、シングルパンケーキコイル１１Ａに外観上の変化は認められなかった。
【００７１】
そして、７７Ｋ、外部磁場なしでシングルパンケーキコイル１１Ａに通電したときの電流−電圧特性を求め、図１７に示した。この図１７に示したように、シングルパンケーキコイル１１Ａは、超電導線材１２の特性により得られる良好な通電特性を発揮することができた。また、シングルパンケーキコイル１１Ａを室温に戻した後、再度冷却し、通電試験を行ったが、劣化は認められず、超電導特性が維持された。
【００７２】
なお、前記各実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・  前記両実施形態において、上部規制枠１５及び下部規制枠１６の双方を省略したり、上部規制枠１５及び下部規制枠１６の少なくとも一方を省略したりしてもよい。このように構成した場合、シングルパンケーキコイル１１Ａやダブルパンケーキコイル１１Ｂの構成を簡単にでき、それらの製造を容易に行うことができる。
【００７３】
・  前記外周枠１４の内周には図示しない補助枠を配置し、該補助枠に電極２４ａ、２４ｂを設けるように構成してもよい。
・  前記内周枠２５を取り外すことなく、そのまま残してシングルパンケーキコイル１１Ａやダブルパンケーキコイル１１Ｂを構成してもよい。
【００７４】
・  前記外周枠１４の強度を高める補強構造として、外周枠１４の外周面に剛性の高いカーボン繊維、金属テープ等を巻き付けるように構成してもよい。また、外周枠１４の外周面に突条を設けたり、外周枠１４の一部の肉厚を厚く形成したりするように構成してもよい。
【００７５】
・  前記モールド層２３を形成するモールド材が硬く、フープ応力を受けて壊れたとき超電導線材１２に引張応力を及ぼすおそれがある場合には、超電導線材１２の外周面にシリコーンオイル等の離型剤を予め塗布してもよい。
【００７６】
・  前記第２実施形態において、内周枠２５及び外周枠１４の少なくとも一方を、上段と下段で一体となるように構成してもよい。その場合、中間規制枠２６は内周枠２５又は外周枠１４の分だけ幅狭に形成される。
【００７７】
・  前記第３実施形態において、下部規制枠１６を固定するボルト１７を省略し、下部規制枠１６にも外周側係合部１５ａ及び内周側係合部１５ｂと同様の係合部を設け、外周枠１４及び内周枠２５の下端部の被係合部としての外周面１４ａ及び内周面２５ａに係合可能に構成してもよい。この場合には、簡易な構成で、外周枠１４及び内周枠２５の動きをそれらの上下両端で規制することができる。
【００７８】
・  前記第３実施形態において、内周枠２５を中実体で構成してもよい。この場合、上部規制枠１５の内周側係合部１５ｂを省略し、外周側係合部１５ａが外周枠１４の周囲を取り囲むように構成する。
【００７９】
・  前記第３実施形態において、上部規制枠１５の外周側係合部１５ｃ及び内周側係合部１５ｄを凹部で構成し、外周枠１４の被係合凹部１４ｂ及び内周枠２５の被係合凹部２５ｂを凸部で構成するように変更してもよい。
【００８０】
・  前記第３実施形態における上部規制枠１５の外周側係合部１５ｃ及び内周側係合部１５ｄの形状を、断面四角形状、断面Ｕ字形状、断面円弧形状等の凸形状に変更し、外周枠１４及び内周枠２５の被係合凹部１４ｂ、２５ｂの形状を前記各凸形状に対応するように凹形状に変更してもよい。
【００８１】
・  前記第３実施形態における異形形状のシングルパンケーキコイル１１Ａのコイル形状を、その用途に応じて平面楕円筒状、平面山型筒状等に変更してもよい。
・  前記第３実施形態のシングルパンケーキコイル１１Ａをダブルパンケーキコイル１１Ｂに変更して実施してもよい。
【００８２】
・  前記第４実施形態において、上部規制枠１５を省略し、外周枠１４、内周枠２５及び下部規制枠１６でケース３０を構成してもよい。
・  前記第４実施形態において、注入口２７を複数箇所に設けたり、注入口２７の大きさを変更したり、注入口２７の形状を平面楕円形状、平面角型形状、異形形状等に変更したりしてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１１Ａ…シングルパンケーキコイル、１１Ｂ…ダブルパンケーキコイル、１２…超電導線材、１３…コイル、１４…外周枠、１４ａ…被係合部としての外周面、１５…上部規制枠、１５ａ…外周側係合部、１６…下部規制枠、１８…基板、１９…中間層、２０…超電導層、２４ａ、２４ｂ…電極、２５…内周枠、２７…注入口、２８…油状物質、３０…ケース。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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