(57)【要約】【課題】超電導線として薄膜状超電導線を用いた超電導コイルにおいて超電導線と電極との接合が確実に行われるようにした超電導コイルの製造方法を提供する。【解決手段】電気絶縁材料からなる巻枠１と、巻枠１に巻き付けられた超電導線２と、巻枠軸方向に延在した電極３とを備え、超電導線２を電極３に接合してなる超電導コイルの製造方法において、超電導線２は、一面側が超電導層側、他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなるものとするとともに、電極３を巻枠１外周側に設けておき、超電導線２の巻き始め側の端部を巻枠１外周面における電極３とは異なる周方向位置に固定し、その後、超電導線２を周方向に沿って巻き回していき、超電導線２に巻き回しの張力を印加した状態で超電導線２と電極３とを半田付け接合する構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁材料からなる巻枠と、この巻枠に巻き付けられた超電導線と、巻枠軸方向に延在した電極とを備え、前記超電導線を前記電極に接合してなる超電導コイルの製造方法において、
前記超電導線は、一面側が超電導層側、他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなるものとするとともに、
前記電極を前記巻枠外周側に設けておき、
前記超電導線の巻き始め側の端部を前記巻枠外周面における前記電極とは異なる周方向位置に固定し、
その後、前記超電導線を周方向に沿って巻き回していき、前記超電導線に巻き回しの張力を印加した状態で前記超電導線と前記電極とを接合することを特徴とする超電導コイルの製造方法。
【請求項２】
前記超電導線の巻き始め側の端部の前記巻枠への固定は、ボルト締めによることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
【請求項３】
前記超電導線の巻き始め側の端部の前記巻枠への固定は、粘着性絶縁テープによることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
【請求項４】
前記超電導コイルは超電導線がパンケーキ状に複数ターン巻き回されてなるものであって、
２ターン目以降の超電導線に印加される巻き回しの張力により前記粘着性絶縁テープが前記巻枠側に押し付けられるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の超電導コイルの製造方法。
【請求項５】
前記接合は半田での接合であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超電導コイルの製造方法。
【請求項６】
前記薄膜状超電導線材は、金属からなるテープ状の基板と中間層と超電導層と導電性金属からなる安定化金属層とが積層されているとともに、安定化金属層を介して超電導層が位置する側を前記超電導層側としていることを特徴とする請求項１ない５のいずれか１項に記載の超電導コイルの製造方法。
【請求項７】
前記薄膜状超電導線材の基板は、ハステロイまたはステンレスからなるテープ状の基板であることを特徴とする請求項６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、超電導変圧器や超電導回転機などに用いられる超電導コイルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器や回転機などに超電導技術を適用することにより、小型軽量化、高効率化などが図れるメリットがあり、さまざまな研究が国内外で実施されている。従来は冷媒として液体ヘリウムを用いることが必須条件であったが、高温超電導体の発見により液体窒素温度近傍(77K)で超電導機器を構成することができるようになり、冷却負荷の軽減や絶縁強度向上などが可能になり、超電導機器の優位性が従来よりも大きくなった。
【０００３】
近年、高温超電導線として多用されているのは、イットリウム系超電導線に代表される薄膜状超電導線材である。この薄膜状超電導線材の基本的な構造は、ハステロイに代表される合金の基板に、超電導体の配向性を確保するための中間層を設け、その上に超電導層を形成し、通電電流安定化のために銀や銅などの低抵抗金属層を形成して構成される。中間層や超電導層及び金属層の厚さは1μm程度、基板は100μm程度であり、引張り強度は基板が支配的である。この薄膜状超電導線材について、より具体的には例えば非特許文献１に示されている。
【０００４】
高温超電導線に限らず、超電導コイルを形成するために、巻枠に超電導線を巻き回し、電極を巻枠に固定し、超電導線と電極とを半田付けすることが一般的に行われている（例えば特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】須藤  泰範、他４名、“イットリウム系酸化物超電導線材”、フジクラ技報、第１０７号、２００４年１０月発行、ｐ６８−７２、［0nline］、［平成２５年１月２５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：HYPERLINK "http://www.fujikura.co.jp/rd/gihou/backnumber/pages/__icsFiles/afieldfile/2008/07/11/107_15.pdf"＞
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９１６１１号公報
【特許文献２】特開２００８−１４０９０５号公報
【特許文献３】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】
【０００７】
上述のようにして構成される超電導コイルにおける技術的課題のうち、超電導線および電極に関係するものとして次の二つが挙げられる。
第１の課題は、超電導線に張力を印加しつつ、電極に半田接合する製造方法である。超電導線と電極とを半田接合しておき、その後、張力を印加して巻線すると、過大な応力が半田接続部に印加されてしまうことがある。それを避けるために巻き始めの張力を弱くすると、巻線の固定が不十分になるためコイルの弱い部分となってしまう問題があった。
【０００８】
この課題の解決法が特許文献１に記載されている。この手法では、最初に、巻枠上に固定板を備え、この固定板に超電導線を固着させておき、その後、超電導線と電極とを半田付けする。その後、固定板及び固定板から電極までの超電導線を取り除く工程で超電導コイルを製造する。
【０００９】
第２の課題は、高温超電導線である薄膜状超電導線材に起因するもので、前記した超電導層や中間層が基板から剥離し易いために発生する。超電導線と電極とを半田付けしておき、巻線を開始すると、張力によって半田付け箇所にせん断の力が作用する。超電導層又は中間層はこの力に弱く、剥離してしまうことが多い。巻線後のコイルとしての剥離に対する対策は、特許文献２及び３などに記載されているが、巻線時の製造方法についての記載は無い。
【００１０】
特許文献１に記載の方法では、固定板及び固定板から電極までの超電導線を取り除くと、巻線張力は電極と超電導線との半田接合部に作用することになる。超電導線として薄膜状超電導線材を用いた場合、この半田接続部において超電導線における基板側と超電導層側とが剥離してしまう可能性が高く、所定の超電導コイルを製造できないという問題がある。
【００１１】
また、特許文献１において、超電導線と巻枠とをエポキシ樹脂で固定する方法が記載されているが、超電導線として薄膜状超電導線材を用いた場合、薄膜状超電導線材の基板が合金であるため、エポキシ樹脂で固定することは困難であり、固定が不十分になる可能性がある。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超電導線として薄膜状超電導線を用いた超電導コイルにおいて、超電導線と電極との接合が確実に行われるようにした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】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、電気絶縁材料からなる巻枠と、この巻枠に巻き付けられた超電導線と、巻枠軸方向に延在した電極とを備え、前記超電導線を前記電極に接合してなる超電導コイルの製造方法において、前記超電導線は、一面側が超電導層側、他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなるものとするとともに、前記電極を前記巻枠外周側に設けておき、前記超電導線の巻き始め側の端部を前記巻枠外周面における前記電極とは異なる周方向位置に固定し、その後、前記超電導線を周方向に沿って巻き回していき、前記超電導線に巻き回しの張力を印加した状態で前記超電導線と前記電極とを接合する構成とする（請求項１の発明）。
【００１４】
また、上記請求項１に記載の超電導コイルの製造方法において、前記超電導線の巻き始め側の端部の前記巻枠への固定は、ボルト締めによる構成とすることができる（請求項２の発明）。
【００１５】
また、上記請求項１に記載の超電導コイルの製造方法において、前記超電導線の巻き始め側の端部の前記巻枠への固定は、粘着性絶縁テープによる構成とすることができる（請求項３の発明）。
【００１６】
また、上記請求項３に記載の超電導コイルの製造方法において、前記超電導コイルは超電導線がパンケーキ状に複数ターン巻き回されてなるものであって、２ターン目以降の超電導線に印加される巻き回しの張力により前記粘着性絶縁テープが前記巻枠側に押し付けられるようにした構成とすることができる（請求項４の発明）。
【００１７】
また、上記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超電導コイルの製造方法において、前記接合は半田での接合である構成とすることができる（請求項５の発明）。
また、上記請求項１ないし５のいずれか１項に記載の超電導コイルの製造方法において、前記薄膜状超電導線材は、金属からなるテープ状の基板，中間層，超電導層，導電性金属からなる安定化金属層が積層されているとともに、安定化金属層を介して超電導層が位置する側を前記超電導層側としている構成とすることができる（請求項６の発明）。
【００１８】
また、請求項６に記載の超電導コイルの製造方法において、前記薄膜状超電導線材の基板は、ハステロイまたはステンレスからなるテープ状の基板である構成とすることができる（請求項７の発明）。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、薄膜状超電導線材からなる超電導線の巻き始め側の端部を巻枠外周面における電極とは異なる周方向位置に固定し、その後、超電導線を周方向に沿って巻き回していき、超電導線に巻き回しの張力を印加した状態で超電導線と電極とを接合することにより、超電導線の張力は巻き始め側の端部で保持することになる。従って、超電導線と電極との接合箇所において超電導線に印加される引っ張り張力は、巻き始め側の端部に向かう方向と巻き回していく方向とで均衡するので、薄膜状超電導線材からなる超電導線における基板側と超電導層側とが剥離することを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１による超電導コイルの製造方法の構成例を示す断面図であって、図１（ａ）、図１（ｂ）は、それぞれ、超電導線の巻き始め側の端部の巻枠への固定時の構造、超電導線と電極との接合時の構造を模式的に示した図である。
【図２】図１における電極付近の超電導線に印加される張力を示す断面図である。
【図３】本発明で用いる薄膜状超電導線材の構造例を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施例２による超電導コイルの製造方法の構成例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例３による超電導コイルの製造方法の構成例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例４による超電導コイルの製造方法の構成例を示す断面図であって、図６（ａ）は巻枠軸方向から見た断面図、図６（ｂ）は巻枠半径方向（Ｐ矢視方向）から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。また、以下の説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分または要素には、共通する参照符号が付されている。
［本発明の実施形態］
（薄膜状超電導線材の構成）
図３に本発明で超電導線として用いる薄膜状超電導線材の構造例を模式的に示す。図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ薄膜状超電導線材の模式断面図および斜視図である。図３の薄膜状超電導線材は、金属からなるテープ状の基板２０１と中間層２０２と超電導層２０３と導電性金属からなる安定化金属層２０４とが積層された積層構造となっており、この積層構造は、例えば上述の非特許文献１に示されている薄膜状超電導線材に対応している。なお、以下では、安定化金属層２０４を介して超電導層２０３が位置する側を「超電導層側」とも称する。また、図３は薄膜状超電導線材の積層構造を模式的に示すものであって、各層の厚さの割合として実際には基板２０１が大半を占める。
【００２２】
中間層２０２は複数層で構成されるものもあるが、本発明は中間層２０２の組成や層構造には直接的に関係しないため、これを包括して１つの層として図示している。中間層２０２と超電導体層２０３との結合は分子間吸引力を主体としているため、この部分で剥離しやすい。
【００２３】
図３の薄膜状超電導線材において、基板２０１としては通常ハステロイ，ステンレス等の比較的電気抵抗の高い金属材料が用いられる。また、安定化金属層２０４としては、通電電流の安定化のために、導電性金属、特に例えば銀や銅などの低抵抗金属材料が用いられる。このため、基板２０１側で電気的に接続することは効率的ではなく、安定化金属層２０４側で接続することが好適である。
【００２４】
本発明で用いる薄膜状超電導線材としては、図３の構成例に限定されるものではなく、一面側が超電導体層側，他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材であって、超電導層側の面に半田での接続が可能な金属層を備えているものであれば、適用可能である。
【００２５】
また、超電導導線材には、図３に示すような薄膜状超電導線材の両面に例えば銅線などの金属線を貼り付けて付加した構成の超電導線材もあるが、このような超電導線材を用いた超電導コイルにも本発明を適用することができる。
（超電導コイルにおける超電導線の固定方法および接合方法の構成例）
本発明による超電導コイルの製造方法に適用される、超電導コイルにおける超電導線の固定方法および接合方法の構成例について以下に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の実施例１による超電導コイルの製造方法の構成例を示す断面図であって、超電導線の巻き始め部の固定方法および接合方法を巻枠軸方向から見た断面図として模式的に示している。図１（ａ）、図１（ｂ）は、それぞれ、超電導線の巻き始め側の端部の巻枠への固定時の構造、超電導線と電極との接合時の構造を模式的に示している。
【００２７】
図１（ａ）〜（ｂ）に示されるように、電気絶縁材料からなる円筒状の巻枠１に超電導線２が周方向に巻き回される。この超電導線２としては上述のような薄膜状超電導線材が用いられる。巻枠１には巻枠軸方向に延在した巻き始め側の電極３が巻枠１の外周面に形成された溝１０内に埋め込まれるようにして設けられている。
【００２８】
図１（ａ）は最初の工程を示すものであり、巻枠１の外周面における電極３とは異なる周方向位置に超電導線２の巻き初め側の端部を固定し、数十度巻枠１を回転させて超電導線２を巻枠１に周方向に沿って巻き回していく。なお、超電導線２は超電導層側、すなわち安定化金属層２０４側を内径側として巻き回される。
【００２９】
図１（ｂ）に示すように、超電導線２が電極３付近まで巻き回された段階で、超電導線２の超電導層側と電極３とを例えば半田付けで接合する。その後、さらに巻枠１を回転させて超電導２を巻き回していき、超電導コイルを製造する。
【００３０】
図２は、図１における電極３付近の超電導線２に印加される張力を示す断面図である。超電導線２は巻枠１に固定点４で固定される。この状態で張力Ｆを印加したたまで、超電導線２はその超電導層側が電極３に半田付け部５において半田付けされ、その後、さらに巻き回されていく。超電導線２に印加される引っ張り張力Ｆは固定点４で保持されているので、超電導線２と電極３との半田付け部５において超電導線２に印加される引っ張り張力は、巻き始め側の端部に向かう方向と巻き回していく方向とで均衡する。このため、半田付け部５には引っ張りの力は作用せず、巻枠１に押し付ける力が作用する。従って、薄膜状超電導線材からなる超電導線２における基板側と超電導層側とが剥離することを回避できる。
【００３１】
なお、超電導コイルにおける巻線方式としてはシリンダ巻線方式とパンケーキ巻線方式とがあるが、本発明はどちらの巻線方式にも適用可能である。
【実施例２】
【００３２】
図４は、本発明の実施例２による超電導コイルの製造方法の構成例を示す断面図であって、超電導線の巻枠への固定方法を巻枠軸方向から見た断面図として模式的に示している。実施例２は、実施例１における超電導線２の巻枠１への固定方法として具体的構成例を示すものであり、その他の構成は実施例１と同様である。
【００３３】
上述のように、薄膜状超電導線材はハステロイ、ステンレスなどの合金の基板から構成され、基板の強度は銅や銀などに比べ十分強い。そこで、図４に示すように、超電導線２における巻き始め側の端部の部分に貫通穴を開けておき、巻枠１にボルト溝６を形成し、ボルト７により超電導線２を巻枠1に固定する。巻枠１は電気絶縁材料からなるため、ボルト７の材質は導電性でよく、強度の面からステンレスが好適である。
【００３４】
図４に示す上記固定方法は、シリンダ巻線方式の場合には、ターンを形成する際に軸方向へ超電導線２が移動するため問題ないが、パンケーキ巻線方式の場合には、超電導線２を巻き回していく巻線工程を進めるとボルト７の上に超電導線２が重なってしまうため不都合を生じる。そこで、図５に示す実施例３が考えられる。
【実施例３】
【００３５】
図５は、本発明の実施例３による超電導コイルの製造方法の構成例を示す断面図であって、超電導線の巻枠への固定方法を巻枠軸方向から見た断面図として模式的に示している。実施例３は、実施例１における超電導線２の巻枠１への固定方法として具体的構成例を示すものであり、その他の構成は実施例１と同様である。
【００３６】
図５に示すように、巻枠１の外周面における電極３とは異なる周方向位置に超電導線２の巻き初め側の端部を粘着性絶縁テープ８で巻枠１に固定しておく。この後の工程では、実施例１〜２で説明した製造方法と同様に、超電導線２と電極３とを半田付けして巻線を行う。
【００３７】
さらにその後の工程では、特にパンケーキ巻線方式の構成の場合には、粘着性絶縁テープ８の上に２ターン目以降の超電導線２が巻き回されるので、巻線により超電導線２に印加される張力によって粘着性絶縁テープ８は巻枠１に押し付けられる。この結果、超電導線２を巻枠１に強固に固定することが可能になる。
【００３８】
以上は巻き始めについて記したが、シリンダ巻線方式でかつ単層の構成の場合には、巻き終わりも同様にすることができる。
また、シリンダ巻線方式で複数層の構成またはパンケーキ巻線方式の構成の場合には、図５の製造方法を応用することで、超電導線の固定を行うことができる。図６５にその実施例４を示す。
【実施例４】
【００３９】
図６は、本発明の実施例４による超電導コイルの製造方法の構成例を示す断面図であって、超電導線の巻き終わり部の固定方法および接合方法を模式的に示している。図６（ａ）は巻枠軸方向から見た断面図、図６（ｂ）は巻枠半径方向（Ｐ矢視方向）から見た断面図である。実施例４は、特に超電導線２の巻き終わり部での具体的構成例を示すものであり、超電導線２の巻き始め部の固定方法および接合方法などその他の構成は実施例１と同様である。
【００４０】
図６において、超電導巻線部１１は省略して示しており、具体的な巻線構造は示していない。巻き終わり部付近の超電導線２を巻き終わり側の電極３ｂを経由して巻き回す。なお、電極３ｂはフランジ９に固定されている。超電導線２の終端において、粘着性絶縁テープ８で超電導巻線部１１に固定する。図６では簡略化して示しているが、例えば粘着性絶縁テープ８を周方向に複数回巻き回すことで、より強固に固定することが可能になる。
【００４１】
なお、電極３ｂ付近では、超電導巻線部１１と超電導線２との間に空隙１２が生じるが、電気絶縁材料からなる補償片１３を空隙１２に入れることで巻線への悪影響を無くすことができる。この補償片１３は例えば可撓性も持つ平板状部材などにより形成することができる。
【００４２】
また、図示していないが、粘着性絶縁テープ８を含む超電導巻線１１全体の外周に電気絶縁材料からなる補強テープを巻き回して構成することにより、機械的強度などの補強を図ることも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１：巻枠
２：超電導線
３，３ａ，３ｂ：電極
４：固定点
５：半田付け部
６：ボルト溝
７：ボルト
８：粘着性絶縁テープ
９：フランジ
１０：溝
１１：超電導巻線部
１２：空隙
１３：補償片
２０１：基板
２０２：中間層
２０３：超電導層
２０４：安定化金属層
【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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