(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻枠上に超電導線材を複数層（最下層を第１層、最上層を第ｎ層とする）巻回してなる超電導コイル装置において、
上記複数層の内、２≦ｉ≦ｎ−２なる任意の第ｉ層と第（ｉ＋１）層との間により上層のコイルが挿入されるように、上記各層相互間を接続する構成としたことを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
巻枠上に超電導線材を複数層（最下層を第１層、最上層を第ｎ層とする）巻回してなる超電導コイル装置において、
上記第１層で発生したクエンチが上層方向へ伝搬し常電導化した層の発生電圧の総和が最大となる時点で常電導化している可能性がありかつ第２層以上の任意の層（第ｉ層）と上記時点で超電導状態を維持しておりかつ第（ｎ−１）層以下の任意の層（第ｊ層）とを接続し、上記第ｎ層と第（ｉ＋１）層とを接続し、その他の層は隣接層と順次接続し、外部接続用のコイルリードを上記第１層と第（ｊ−１）層とから取り出す構成としたことを特徴とする超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴イメージング用超電導磁石や単結晶引上装置用超電導磁石などの採用されている高電流密度・密巻・断熱型超電導コイルにおいて、超電導コイルが超電導破壊（以後クエンチという）した際の発生電圧を抑え、超電導コイルの絶縁破壊を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超電導マグネットが種々の分野に用いられ、大型化や蓄積エネルギーの増大化が指向されている。このような超電導マグネットに使用される超電導コイルは小型・軽量に製作する必要があるため、従来の超電導安定化理論に基づく方式から離れて、超電導線材を密巻とし線材間は高分子フイルム材や樹脂を充填して線材を固定し、超電導コイル外周から超電導が発現する温度まで伝導冷却を行う断熱構造で、しかも高電流密度化により、エネルギー密度の高いコイル方式を採用することが一般的になっている。このような、密巻・高電流密度・断熱型超電導マグネットの典型例として、図８に磁気共鳴イメージング用超電導マグネットの概略構成を、また、図９に図８のＡ−Ａ断面を示す。
【０００３】
図８、図９では６個の円筒型超電導コイル１０１でマグネット中心に高均一な強磁場を発生する。これらの超電導コイル１０１は冷却容器１０２に収納され、超電導コイル１０１の周囲にある液体ヘリウムにより極低温まで冷却される。また、超電導コイル１０１は冷却容器１０２の内筒を巻枠として個々に巻線され、６個が直列に結線されている。
超電導コイル１０１は励磁時矢印の方向に電磁力を受けるため、超電導コイル１０１の電磁力支持や巻線時のコイル位置決め用として、コイル支持部材１０３が設置される。コイル支持部材１０３は、巻線開始前に冷却容器１０２の内筒に固定される。
冷却容器１０２は周囲に２層の熱シールド１０４とスーパーインシュレーション（図示せず）を取り付けた後、真空容器１０５に収納される。冷却容器１０２や熱シールド１０４は真空容器１０５から断熱支持材（図示せず）によって支持される。さらに、液体ヘリウムの注液やヘリウムガス排気用のサービスポート、超電導コイル１０１の励磁リード取り出しポート、熱シールド層冷却のためのシールド冷凍機等が設置される。
【０００４】
密巻・高電流密度・断熱型超電導コイルの従来例として、図９の６個の超電導コイル１０１の内、任意の超電導コイルの内部構成例を図１０に示す。
図１０（１）では、まず、巻枠兼用冷却容器１０２に固定された２個のコイル支持部材１０３間で、巻枠外周とコイル支持部材１０３の内面に高分子フイルム材の巻枠絶縁１１０を設置する。
次に巻始め側リード１１１を設置して第１層目に超電導線材１１２を密巻状態で巻回する。第１層目の巻回終了後、高分子フイルム材の層間絶縁１１３を施す。以後順次層間絶縁１１３を施しながら第２層、第３層と各層を巻回して行く。最終層まで巻回した後、巻終わり側リード１１４と上部絶縁１１５を施す。この超電導コイルの層間結線は図１０（２）に示すように、第１層→第２層→第３層→……→最終（ｎ）層と順次直列になっている。
超電導マグネット励磁時の電磁力により超電導線材１１２の微小な動きを防ぐため、超電導線材１１２巻は樹脂（図示せず）を充填してコイルを一体化しているが、充填の方法としては、巻回終了後に真空含浸する方法でも、各層の巻回中に適宜充填材を塗布し巻回後加熱硬化する方法でもよい。
【０００５】
さて、このような密巻・高電流密度・断熱型超電導コイルがクエンチを発生する要因としては、超電導線材１１２のフラックスジャンプ、充填材のクラック、充填空隙部での超電導線材１１２の微小な動き、超電導コイルと巻枠１０２間のスリップ等々が考えられ、それぞれのメカニズムに対応した理論がある。しかし、充分な配慮が施された超電導線材１１２と充填法を採用している近年の超電導コイルでは、殆どのクエンチの原因は、励磁時の電磁力により、超電導コイル１０１と巻枠１０２やコイル支持材１０３との間で発生するスリップや剥がれになっており、このため、クエンチ発生部位としては第１層目が最も多い。
【０００６】
このような密巻・高電流密度・断熱型超電導コイルでクエンチが発生した場合、図１１に示すように超電導コイル１０１内の各部に略下記の電圧が発生する。
（常電導転位部）  Ｖ（ｔ）＝ｒ（ｔ）×ｉ（ｔ）−Ｌ×ｄｉ（ｔ）／ｄｔ
（超電導部）      Ｖ（ｔ）＝−Ｌ×ｄｉ（ｔ）／ｄｔ
ここに、Ｖ（ｔ）は各部の対地電位、ｒ（ｔ）は各部の発生抵抗、ｉ（ｔ）は各部を流れる電流値、Ｌは各部のインダクタンスである。ｒ（ｔ）の増加とｉ（ｔ）の減衰に応じた電圧が発生するが、通常はｒ（ｔ）の増加が早い程（すなわち、クエンチを隣接部位へ早く伝搬させる程）Ｖ（ｔ）のピークは時間的には早くまた電圧値的には低い値になる。
密巻・高電流密度・断熱型超電導コイルでは一般にクエンチ発生部位から隣接ターンにクエンチが伝搬する速度は数ｍｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ、隣接する層にクエンチが伝搬する速度は数十ｍｓｅｃ〜数百ｍｓｅｃであり、また、最高電圧に達する時間は、クエンチ発生後数百ｍｓｅｃ〜数ｓｅｃである。このため、多層構成の超電導コイルでは、最高電圧時にはクエンチ発生部位からかなり離れた層は未だ超電導状態にあることになる。
【０００７】
図１１に、第１層目でクエンチが発生した場合の各層電位の時間的推移の概要を示す。図１１のｔ＝ｔ１は第１層目の一部にクエンチが発生し、第１層目のターン方向にクエンチが伝搬している途中の電位分布を示す。クエンチ部の電位の傾きは最も大きいが、発生電位そのものは小さい。ｔ＝ｔ２では第１層目は殆ど伝搬が終わり第２層目に伝搬が開始されようとしている時点を示す。クエンチ部の電位の傾きは少し小さくなったが発生電位は増加している。ｔ＝ｔ３は第４層の途中までクエンチが伝搬し、最高電位、即ち、クエンチの伝搬によって常電導化した層の発生電圧の総和が最大になった時点を示す。電位の傾きはさらに小さくなっている。ｔ＝ｔ３以降はさらにクエンチは第５層、第６層へと進展して行くが、電位の傾きがますます小さくなり、発生電位は徐々に小さくなる。
【０００８】
近年の密巻・高電流密度・断熱型超電導コイルでは、前述のように超電導線材やコイル構成に種々の工夫・改善を施して多くのクエンチ発生要因に対応したため、安定した超電導コイルを提供できるようになった。
しかし、一旦第１層目でクエンチが発生した場合の発生電位に対しては、対地絶縁（巻枠絶縁１１０）や層間絶縁１１３を強化するに留まっており、絶縁の施工に多大の時間を要し、また、超電導コイル寸法も大きくなりがちであった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の密巻・高電流密度・断熱型超電導コイルでは、超電導コイル内で一旦クエンチが発生した場合の発生電位には、絶縁の強化で対応してきたため、絶縁構成が複雑になりまた施工に多大の時間を要した。
本発明は、従来行われてきたクエンチ発生要因に対する改良は踏襲し、しかも、クエンチ時の発生電位を低減した超電導コイル装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る超電導コイル装置は、巻枠上に超電導線材を複数層（最下層を第１層、最上層を第ｎ層とする）巻回してなる超電導コイル装置において、
上記複数層の内、２≦ｉ≦ｎ−２なる任意の第ｉ層と第（ｉ＋１）層との間により上層のコイルが挿入されるように、上記各層相互間を接続する構成としたものである。
【００１１】
請求項２に係る超電導コイル装置は、巻枠上に超電導線材を複数層（最下層を第１層、最上層を第ｎ層とする）巻回してなる超電導コイル装置において、
上記第１層で発生したクエンチが上層方向へ伝搬し常電導化した層の発生電圧の総和が最大となる時点で常電導化している可能性がありかつ第２層以上の任意の層（第ｉ層）と上記時点で超電導状態を維持しておりかつ第（ｎ−１）層以下の任意の層（第ｊ層）とを接続し、上記第ｎ層と第（ｉ＋１）層とを接続し、その他の層は隣接層と順次接続し、外部接続用のコイルリードを上記第１層と第（ｊ−１）層とから取り出す構成としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
密巻・高電流密度・断熱型超電導コイルでは図１１に示したように、クエンチ時、発生対地電位が最高になった時点（ｔ＝ｔ３）では未だ超電導コイル全体に常電導部が進展していないことが多い。また、超電導部位と常電導部位の電位の傾きは逆の特性を有する。
本願発明は、これらの現象に着目してなされたもので、超電導コイル各層の結線を変更することにより発生対地電位を低減するものである。
なお、以下の説明でも明らかなように、結線を変更して発生対地電位を低減する場合は結線変更を行う層間で従来より高い層間電圧が発生する。この層間電圧に対して本発明は従来の層間絶縁で対処するが、一般に多層型超電導コイルでは層間絶縁に余裕（例えば、高分子フイルム材を用いる場合、絶縁に必要なフイルム厚は一般に非常に薄く、むしろ、市販フイルム材の薄いもので、巻線作業性のよい厚さが選定される）があり、また、強化が必要な場合でも施工作業は容易である。
【００１３】
さらに、前述の記載でも以下の記載においても、超電導コイルの第１層目でクエンチが発生する場合を論じているが、これは、近年の密巻・高電流密度・断熱型超電導コイルでは第１層目のクエンチが最も多いことの他、万一超電導コイルの内部でクエンチが発生した場合、その伝搬はクエンチ部からターン方向や上層方向だけでなく下層にも進展するため第１層目のクエンチに比し発生電位は低いからである。
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における超電導コイル装置で、その超電導コイル１０１の断面を示すものである。なお、結線方法を除き、各部の構成は従来の場合と同様であるので、従来と同一の部分に同一符号を付すことで個々の説明は省略する。
【００１５】
結線方法は、巻始め側リード１１１が第１層に接続され、以下、順に第２、第３……第ｎ（最終）層、そして巻終わり側リード１１４に接続される従来の構成から大きく異なる。即ち、巻始め側リード１１１→第１層→第２層→第（ｎ−１）層→第ｎ層→第３層→……→第（ｎ−２）層→巻終わり側リード１１４のルートで結線する。
この内、第２層→第（ｎ−１）層の部分は、第２層目の巻終わり部と第（ｎ−１）層目の巻始め部とを超電導コイル１０１の外部で接続する。また、第ｎ層→第３層の部分は、最終層である第ｎ層の巻終わり部と第３層目の巻始め部とを超電導コイル１０１の外部で接続する。
なお、全層（第１〜第ｎ層）のコイルを互いに直列に接続する点は従来と変わらないのは当然である。
【００１６】
図２は、図１の結線模式図およびクエンチ発生時の各層の電位分布を示す図である。なお、従来の図１１で説明したと同様、クエンチは第１層目で発生し、その後、このクエンチが上層方向へ伝搬し、第４層目の一部まで常電導化した時刻ｔ＝ｔ３において、これら常電導化した層の発生電圧の総和が最大になるとし、この時点（ｔ＝ｔ３）での電位分布を示している。
【００１７】
図２から明らかなように、対地最高電位が発生する第４層目の対地電位が従来（図１１）に比較して大幅に低減している。これは、常電導化している第２層目と第３層目との間に、超電導状態を維持している、従って、電位の傾きが常電導部分と逆になっている第（ｎ−１）層目および第ｎ層目が挿入されており、この逆性電位相当分だけ対地最高電位が低下するためである。
【００１８】
なお、図２では、第２層と第（ｎ−１）層とを接続するようにしたが、例えば、第３層と第（ｎ−２）層とを接続するようにしてもよい。一般的に表現すると、第１層で発生したクエンチが上層方向へ伝搬し常電導化した層の発生電圧の総和が最大となる時点で常電導化している可能性がありかつ第２層以上の任意の層（第ｉ層）と上記時点で超電導状態を維持しておりかつ第（ｎ−１）層以下の任意の層（第ｊ層）とを接続し、上記第ｎ層と第（ｉ＋１）層とを接続し、その他の層は隣接層と順次接続することになる。この場合、第ｎ層と第（ｉ＋１）層とを接続し、その他の層は隣接層と順次接続し、外部接続用のコイルリードを上記第１層と第（ｊ−１）層とから取り出すことになる。
【００１９】
既述した通り、クエンチは最下層の第１層でほとんど発生し、その後、上層方向へ伝搬する訳であるから、上述した常電導化した層の発生電圧の総和が最大となる時点では、上層へいくほど超電導状態を維持している確率が高いと言える。従って、この実施の形態１における発明を更に一般化すると、複数層の内、２≦ｉ≦ｎ−２なる任意の第ｉ層と第（ｉ＋１）層との間により上層のコイルが挿入されるように、上記各層相互間を接続すればよく、この場合でも、上述した対地最高電位が低減するという効果が一定の確率で得られる訳である。
【００２０】
図２の場合、新たな結線をしたことにより、第２層と第３層との間および第（ｎ−２）層と第（ｎ−１）層との間には、従来の場合には発生しなかった電位差が発生することになるが、前述したように、これらに対する対策は不要であるか、また必要としても容易になし得るので問題はない。
【００２１】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における超電導コイル装置で、その超電導コイル１０１の断面を示すものである。ここでは、１個の超電導コイル１０１の巻枠をその軸方向に１層の巻数が複数の巻回数となるように２つの領域に区分し、領域毎に超電導線材を最内層から順次複数層連続して巻回し、図示の左側を左コイル、右側を右コイルとすると、その結線は、左コイル巻始め側リード→左コイル第１層→……→左コイル第ｎ層→左コイル巻終わり側リード→右コイル巻始め側リード→右コイル第１層→……→右コイル第ｎ層→右コイル巻終わり側リードのルートでなされる。
【００２２】
図４は図３の結線模式図およびクエンチ発生時の左右コイル各層の電位分布を示す図である。この場合も、左コイル第１層目でクエンチが発生した後、常電導化した層の発生電圧の総和が最大となる時刻ｔ＝ｔ３における電位分布を示している。前述したようにクエンチの伝搬は層方向よりターン方向への進行が速いため、左コイル第１層目から右コイル第１層目へ速やかに伝搬する。
この場合も、クエンチの伝搬により常電導化した層（図４の例では、左コイルの第１層、第２層、第３層および右コイルの第１層、第２層が該当）の間に、超電導状態を維持している層（図４の例では、左コイルの第４層〜第ｎ層が該当）が挿入されることになり、後者の逆性電位相当分だけ対地最高電位が低減する。
【００２３】
なお、図３、４では、巻枠の軸方向に２つの領域を設定し、それぞれ超電導線材を複数層（ｎ層）巻回して２個のコイル（左コイルと右コイル）を形成した場合について説明したが、巻枠を軸方向に１層の巻数が複数の巻回数となるように複数の領域に区分し、巻枠の各領域毎に超電導線材を最内層から順次複数層連続して巻回し、上記巻枠の一端側の領域の巻終わりと隣接する領域の巻始めとを順次接続し、巻枠の一端側領域の最内層の巻始めから一方の外部接続リードを取り出し、巻枠の他端側領域の最外層の巻終わりから他端側外部接続用リードを取り出しす構成とすると、超電導コイルが例えば最内層部分にクエンチが発生したときには各領域の最内層部分から順次最外層側に拡大する可能性が高いので、クエンチの初期段階では上層部分は超電導状態が維持されており、領域毎に直列に接続されているのでクエンチした部分が分散し、クエンチした部分の間の超電導部分の逆性電位相当分により相殺されて対地最高電位の上昇が抑制できる。
【００２４】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３における超電導コイル装置で、その超電導コイル１０１の断面を示すものである。ここでは、分離独立した２個のコイル、（左コイルと右コイル）で構成されている。即ち、左右両コイルは共通の巻枠に巻回されているが、それぞれ独立に設けられた巻枠絶縁１１０、上部絶縁１１５およびコイル支持部材１０３によって両コイルは個別に組み立てられており、従って、たとえ一方のコイルでクエンチが発生しても、そのクエンチが他方のコイルへそのまま伝搬することはない構造となっている。左右コイルを別の巻枠に巻回すればこの独立性は更に完全になるのは当然である。
【００２５】
そして、左右両コイル間の結線は次のとおりとなっている。即ち、巻始め側リード１１１→左コイル第１層→左コイル第２層→右コイル第３層→……→右コイル第ｎ層→右コイル第１層→右コイル第２層→左コイル第３層→……→左コイル第ｎ層→巻終わり側リード１１４のルートで結線する。
【００２６】
図６は図５の結線模式図およびクエンチ発生時の左右コイル各層の電位分布を示す図である。ここでは、左コイルの第１層目でクエンチが発生し、これが第４層目の一部にまで伝搬した時点（ｔ＝ｔ３）で、その常電導化した層の発生電位の総和が最大になるとしている。
前述したように、左右両コイルは互いに独立に構成されているので、左コイルで発生したクエンチが右コイルへ伝搬することはない。従って、図６からも判るように、左コイルの第２層と第３層との間に右コイルの全層分が逆性電位相当分として加わることになり、結果として左コイルの対地最高電位が大幅に低減する。
【００２７】
図７は同じ構成の超電導コイル１０１において、右コイルの第１層目にクエンチが発生した場合の左右コイル各層の電位分布を示す図である。
この場合も、図６の場合と同様、右コイルの第１層目で発生したクエンチが、時点（ｔ＝ｔ３）で第４層目の一部にまで伝搬しているとしているが、図７から明らかなように、右コイルの第２層と第３層との間にクエンチが全く伝搬していない左コイルの全層分が逆性電位相当分として加わることになり、結果として右コイルの対地最高電位が大幅に低減する。
【００２８】
なお、図５〜７では、超電導コイル１０１を左右２個の独立したコイルで構成し、その第２層と第３層との間に他のコイルが挿入される結線としたが、更に一般化した構成としてもよい。即ち、発生したクエンチが伝搬しないように互いに独立に巻回されかつ互いに直列に接続された複数のコイルからなり、上記各コイルのその所定層から下層側を下層部、上層側を上層部とした場合、自己のコイルの下層部と上層部との間に当該コイルとは異なる他のコイルが挿入されるように、上記各コイル間で上記下層部と上層部とを接続する構成としてもよい。この場合、クエンチを発生したコイルの下層部と上層部との間に、他のクエンチを発生していないコイルが挿入されるので、その逆性電位相当分により、当該クエンチを発生したコイルの対地最高電位が低減する。
【００２９】
なお、以上では、クエンチ発生に伴う対地電位の抑制策を各実施の形態毎に個別に説明したが、これらの形成例を適宜組み合わせた構成としてもよいのは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る超電導コイル装置は、巻枠上に超電導線材を複数層（最下層を第１層、最上層を第ｎ層とする）巻回してなる超電導コイル装置において、
上記複数層の内、２≦ｉ≦ｎ−２なる任意の第ｉ層と第（ｉ＋１）層との間により上層のコイルが挿入されるように、上記各層相互間を接続する構成としたので、クエンチにより下層部分に発生する常電導化に伴う対地電位の上昇が、超電導状態を維持する上層部分の逆性電位相当分によりその一部が相殺され、対地最高電位が抑制される。
【００３１】
請求項２に係る超電導コイル装置は、巻枠上に超電導線材を複数層（最下層を第１層、最上層を第ｎ層とする）巻回してなる超電導コイル装置において、
上記第１層で発生したクエンチが上層方向へ伝搬し常電導化した層の発生電圧の総和が最大となる時点で常電導化している可能性がありかつ第２層以上の任意の層（第ｉ層）と上記時点で超電導状態を維持しておりかつ第（ｎ−１）層以下の任意の層（第ｊ層）とを接続し、上記第ｎ層と第（ｉ＋１）層とを接続し、その他の層は隣接層と順次接続し、外部接続用のコイルリードを上記第１層と第（ｊ−１）層とから取り出す構成としたので、クエンチに伴う上述した対地最高電位がより確実に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における超電導コイル装置の超電導コイルの断面を示す図である。
【図２】図１の結線模式図およびクエンチ発生時の各層の電位分布を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２における超電導コイル装置の超電導コイルの断面を示す図である。
【図４】図３の結線模式図およびクエンチ発生時の各層の電位分布を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３における超電導コイル装置の超電導コイルの断面を示す図である。
【図６】図５の結線模式図および左コイルでクエンチが発生したときの各層の電位分布を示す図である。
【図７】図５の結線模式図および右コイルでクエンチが発生したときの各層の電位分布を示す図である。
【図８】磁気共鳴イメージング用超電導マグネットの概略構成を示す図である。
【図９】図８のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図１０】従来の超電導コイル装置の超電導コイルの断面を示す図およびその結線模式図である。
【図１１】従来の超電導コイルにおけるクエンチ発生時の各層の電位分布を示す図である。
【符号の説明】
１０１  超電導コイル、１０２  冷却容器（巻枠兼用）、
１０３  コイル支持部材、１１０  巻枠絶縁、１１１  巻始め側リード、
１１２  超電導線材、１１３  層間絶縁、１１４  巻終わり側リード、
１１５  上部絶縁。
【図１】
0003588974.tif 000002
【図２】
0003588974.tif 000003
【図３】
0003588974.tif 000004
【図４】
0003588974.tif 000005
【図５】
0003588974.tif 000006
【図６】
0003588974.tif 000007
【図７】
0003588974.tif 000008
【図８】
0003588974.tif 000009
【図９】
0003588974.tif 000010
【図１０】
0003588974.tif 000011
【図１１】
0003588974.tif 000012