(57)【要約】  それぞれ超電導線材を巻回して形成され、厚さ方向に積み重ねられた、互いに隣接する第一パンケーキコイル及び第二パンケーキコイルと、前記第一パンケーキコイルの端面に接するように設けられ、複数の冷却板に分離可能な冷却基板と、を備える超電導コイル。
2013133319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ超電導線材を巻回して形成され、厚さ方向に積み重ねられた、互いに隣接する第一パンケーキコイル及び第二パンケーキコイルと、
前記第一パンケーキコイルの端面に接するように設けられ、複数の冷却板に分離可能な冷却基板と、を備えることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導コイルであって、
接着要素をさらに備え、
前記冷却基板は、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルの間に挟まれ、
前記接着要素が前記冷却基板と前記第一パンケーキコイルとの間、及び、前記冷却基板と前記第二パンケーキコイルとの間を接着し、
前記複数の冷却板同士の分離により前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルが相互に分離自在である超電導コイル。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導コイルであって、
前記第一パンケーキコイルと少なくとも上下一対の前記冷却板とが前記接着要素により固定され、前記第二パンケーキコイルと少なくとも上下一対の前記冷却板とが前記接着要素により固定されていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイルであって、
前記冷却基板に伝熱部材を介して接続される冷凍機と、
前記複数の冷却板のそれぞれに設けられ、前記伝熱部材に接続する伝熱接続体と、をさらに備えることを特徴とする超電導コイル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導コイルであって、
前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを前記厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部と、上下一対の前記フランジ部の間に設けられ、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルに挿入される胴部と、を有するボビンをさらに備え、
前記フランジ部及び前記胴部の熱膨張係数は、前記第一パンケーキコイルの熱膨張係数、前記第二パンケーキコイルの熱膨張係数、及び前記冷却基板の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする超電導コイル。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導コイルであって、
前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを前記厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部と、上下一対の前記フランジ部の間に設けられ、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルに挿入される胴部と、を有するボビンをさらに備え、
前記冷却基板による前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを冷却時における前記第一パンケーキコイル、前記第二パンケーキコイル、及び前記冷却基板の前記厚さ方向における収縮量よりも大きい量だけ前記厚さ方向において圧縮されるように、前記第一パンケーキコイル、前記第二パンケーキコイル、及び前記冷却基板は、前記上下一対の前記フランジ部に挟まれていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の超電導コイルと、
前記超電導コイルを囲む内部容器と、
前記内部容器を囲む真空容器と、
前記真空容器と前記内部容器とを貫通する冷凍機と、を備え、
前記内部容器の内部に延出した前記冷凍機の先端に、伝熱部材を介して前記冷却基板が接続されることを特徴とする超電導機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイル及び超電導機器に関し、特に、積層された複数のパンケーキコイルを有し超電導マグネット又は超電導回転機等の超電導機器に利用される超電導コイルと、前記超電導コイルを備えた超電導機器とに関する。
本願は、２０１２年３月６日に、日本に出願された特願２０１２−０４９４１１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
超電導マグネット又は超電導電動機などの超電導機器において、積層された複数のパンケーキ型の超電導コイルを用いる場合がある。積層したパンケーキ型超電導コイルを冷凍機からの熱伝導により冷却する構造、あるいは、ヘリウムガスなどの冷媒により冷却する各種構造が提案されている。
パンケーキ型の超電導コイルの一従来例として、電磁力補強のために全体に樹脂を含浸させた超電導コイル、及び、積層されたパンケーキコイル間に挟まれた、半硬化樹脂を含むガラス繊維強化シートを硬化させることにより一体化された超電導コイルが知られている（特許文献１参照）。【０００３】
図４はガラス繊維強化シートに含まれる半硬化樹脂を硬化させて一体化された超電導コイルの一従来例を示す。この例の超電導コイル１００は、真空容器１０１と、真空容器１０１の内部に設けられた熱シールド容器１０２と、熱シールド容器１０２に囲まれて設けられたコイル積層体１０３と、を備えている。コイル積層体１０３では、超電導線材をパンケーキ状に巻回してそれぞれ形成された複数のパンケーキコイル１０５がボビン１０６の胴部１０７に沿って同軸に上下方向に積層されている。コイル積層体１０３は熱シールド容器１０２の内部に収容されている。超電導コイル１００において、積層されたパンケーキコイル１０５同士の間にガラス繊維強化シート１０８が挿入され、積層されたパンケーキコイル１０５とガラス繊維強化シート１０８とが一体に接着されている。ボビン１０６の上方には、真空容器１０１と熱シールド容器１０２とを上下方向に貫通する冷凍機１０９が設けられている。冷凍機１０９を用いた伝導冷却によりパンケーキコイル１０５を構成する超電導線材を冷却できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開平６−１５１１６８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、図４に示すガラス繊維強化シート１０８とパンケーキコイル１０５とが一体化された従来の超電導コイル１００では、一部のパンケーキコイル１０５が劣化した場合、超電導コイル１００の全体を再度作り直さなくてはならない。この場合、時間及び費用の面で大きな損害が生じるおそれがある。
また、特に希土類系の酸化物超電導線材を用いた場合、一般にクエンチの検出は困難である。このため、万が一、パンケーキコイル１０５を構成する超電導線材の一部が焼損した場合、超電導コイル１００の全体を製作し直さなくてはならず、時間及び費用の面で大きな損害が生じる問題がある。
時間及び費用の面での損害を考慮すると、ガラス繊維強化シート１０８とパンケーキコイル１０５とが一体化されていない超電導コイル１００採用することも挙げられている。しかしながら、超電導コイル１００の機械強度を確保して、コイル全体の熱安定性を高めるためには、樹脂含浸されたパンケーキコイル１０５と、ガラス繊維強化シート１０８とを一体化することが望ましい。【０００６】
本発明は、以上のような従来の背景に鑑みなされたものであって、超電導線材を巻回して形成されるパンケーキコイルを複数備えた超電導コイルにおいて、何らかの原因で組み立てられたパンケーキコイルのうちの一部に問題が生じた場合であっても、その問題が生じたパンケーキコイルを交換できる構造を有する超電導コイル及び前記超電導コイルを備えた超電導機器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１態様に係る超電導コイルは、それぞれ超電導線材を巻回して形成され、厚さ方向に積み重ねられた、互いに隣接する第一パンケーキコイル及び第二パンケーキコイルと、前記第一パンケーキコイルの端面に接するように設けられ、複数の冷却板に分離可能な冷却基板と、を備える。
上記超電導コイルによれば、パンケーキコイルの端面に配置された冷却基板を複数枚の冷却板に分離可能であるため、冷却基板を構成する複数枚の冷却板同士を分離することで積層したパンケーキコイル同士を分離できる。このため、問題が生じたパンケーキコイルを取り外し、他の新規のパンケーキコイルと交換することができる。すなわち、問題が生じていないパンケーキコイルを無駄にすることなく超電導コイルの修理ができる。従って、一部のパンケーキコイルに問題が生じた場合に、全数のパンケーキコイルを交換していた従来技術に比べ、無駄なく低コストで超電導コイルの修理ができる。【０００８】
また、接着要素をさらに備え、前記冷却基板は、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルの間に挟まれ、前記接着要素が前記冷却基板と前記第一パンケーキコイルとの間、及び、前記冷却基板と前記第二パンケーキコイルとの間を接着し、前記複数の冷却板同士の分離により前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルが相互に分離自在であってもよい。
この場合、冷却板に接するパンケーキコイルに含浸された樹脂により、冷却板とパンケーキコイルとが接着されて一体化されていても、重ねられた冷却板同士は分離可能であるので、冷却板同士を分離することで積層されたパンケーキコイル同士を容易に分離できる。このため、パンケーキコイルと冷却板との良好な伝熱性を確保でき、かつ、問題が生じたパンケーキのみを交換することができる。したがって、超電導線材およびパンケーキコイルの時間及び費用の面での損害を最小限にすることができる。【０００９】
また、前記第一パンケーキコイルと少なくとも上下一対の前記冷却板とが前記接着要素により固定され、前記第二パンケーキコイルと少なくとも上下一対の前記冷却板とが前記接着要素により固定されてもよい。【００１０】
また、前記冷却基板に伝熱部材を介して接続される冷凍機と、前記複数の冷却板のそれぞれに設けられ、前記伝熱部材に接続する伝熱接続体と、をさらに備えてもよい。
この場合、冷却基板を構成する複数枚の冷却板のそれぞれについて伝熱接続体を介して冷凍機で冷却できる。このため、冷却板同士を単に重ねて積層させた構造であっても、個々の冷却板を冷凍機で効率良く冷却でき、さらに伝熱接続体を介して冷却板に接続された個々のパンケーキコイルを効率良く冷却できる。よって、従来の超電導コイルと同等の冷却効率を有する超電導コイルを提供できる。【００１１】
また、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを前記厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部と、上下一対の前記フランジ部の間に設けられ、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルに挿入される胴部と、を有するボビンをさらに備え、前記フランジ部及び前記胴部の熱膨張係数は、前記第一パンケーキコイルの熱膨張係数、前記第二パンケーキコイルの熱膨張係数、及び前記冷却基板の熱膨張係数よりも大きくてもよい。【００１２】
また、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを前記厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部と、上下一対の前記フランジ部の間に設けられ、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルに挿入される胴部と、を有するボビンをさらに備え、前記冷却基板による前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを冷却時における前記第一パンケーキコイル、前記第二パンケーキコイル、及び前記冷却基板の前記厚さ方向における収縮量よりも大きい量だけ前記厚さ方向において圧縮されるように、前記第一パンケーキコイル、前記第二パンケーキコイル、及び前記冷却基板は、前記上下一対の前記フランジ部に挟まれてもよい。【００１３】
本発明の第２態様に係る超電導機器は、先に記載の超電導コイルと、該前記超電導コイルを囲む内部容器と、前記内部容器を囲む真空容器と、前記真空容器と前記内部容器とを貫通する冷凍機と、を備え、前記内部容器の内部に延出した前記冷凍機の先端に、伝熱部材を介して前記冷却基板が接続される。  上記超電導機器によれば、積層された複数のパンケーキコイルを有する超電導コイルを備え、パンケーキコイルに接するように設けられている冷却基板を介してパンケーキコイルを冷却できる超電導機器を提供できる。
また、パンケーキコイルの端面に配置された冷却基板が複数枚の冷却板から構成されるので、重ねられた冷却板同士を分離することで積層したパンケーキコイル同士を分離できる。すなわち、組み立てられたパンケーキコイルのうちの、問題が生じたパンケーキコイルのみを取り外し、他の新規のパンケーキコイルと交換することができる。このため、超電導線材及びパンケーキコイルの時間及び費用の面での損害、若しくはパンケーキコイルの再作製などの工数を最小限に抑えることができる。従って、本態様に係る超電導機器によれば、パンケーキコイルの全数を交換しなければならない従来技術に比べ、低コストで、且つ早期に超電導コイルの修理ができる。
【発明の効果】
【００１４】
上記本発明の態様によれば、パンケーキコイルの端面（上面又は下面）に配置された冷却基板が複数枚の冷却板を有し、冷却板同士を分離することで積層したパンケーキコイル同士を分離できる。このため、問題が生じたパンケーキコイルのみを取り外し、他の新規のパンケーキコイルと交換することができる。よって、超電導線材及びパンケーキコイルの交換に要する時間及び費用の面での損害、若しくはパンケーキコイルの再作製などに要する工数を最小限に抑えることができる。従って、上記本発明の態様によれば、パンケーキコイルの全数を交換しなければならない従来技術に比べ、コストで、且つ早期に超電導コイルの修理ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る超電導コイルを備えた超電導マグネット装置を示す平面図である。
【図２】ガスにより冷却する方式の超電導コイルの一構造例を示す側面図である。
【図３Ａ】超電導コイルを備えた超電導モーターの全体構成の一例を示す部分断面図である。
【図３Ｂ】超電導コイルを備えた超電導モーターにおける、超電導コイル及び回転子の配置関係の一例を示す図である。
【図４】従来の超電導コイルを備えた超電導マグネット装置の断面図。
【図５】第一パンケーキコイル１４ａ、第二パンケーキコイル１４ｂ、及び冷却基板１１が厚さ方向において圧縮された本発明の一実施形態に係る超電導コイルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係る超電導コイルを備えた超電導マグネット装置について、図面に基づき説明する。本発明は以下に説明する実施形態に制限されない。
図１に示す超電導マグネット装置１は、真空容器などの減圧可能な外部容器２と、外部容器２の内部に設置された内部容器（熱シールド）３と、内部容器３に収容された超電導コイル５と、外部容器２の上部を閉じるフランジ部６と、内部容器３の上部を閉じるフランジ部７と、冷凍機８と、を備える。
冷凍機８は第１ステージ８Ａと第２ステージ８Ｂとからなる２段構造を有している。第２ステージ８Ｂの先端部に延設され、且つロッド状に形成された伝熱体９に３本の伝熱部材１５を介し超電導コイル５の冷却板１１Ａが接続されている。したがって、冷凍機８からの伝導冷却により超電導コイル５を臨界温度以下に冷却できるように構成されている。
【００１７】
図１の例では超電導コイル５は、２つのパンケーキコイル（２つのダブルパンケーキコイル１４）を備える。各パンケーキコイル１４は、図示略のボビンに巻回された酸化物超電導線材を有する２つのパンケーキコイルエレメント１０を有し、それらの厚さ方向に積層されている。より詳細には、図１に示されているように、２つのパンケーキコイルエレメント１０が、それらの中心軸位置が合いそれらの端面同士が接触するように、それらの厚さ方向に積み重ねられて且つ、ボビンＢの巻胴Ｂ２に挿入されている。積み重ねたパンケーキコイルエレメント１０の最上面と最下面とにそれぞれリング状の冷却板１１Ａが配置されている。積み重ねた２つのパンケーキコイルエレメント１０は、パンケーキコイル１４を構成している。
図１に示されている構造において、超電導コイル５は、上下方向に積層された２つのパンケーキコイル１４と、上段のダブルパンケーキコイル（第一パンケーキコイル）１４ａ上面に配置された冷却板１１Ａと、この冷却板１１Ａの上に重ねられた他の冷却板１１Ａと、下段のダブルパンケーキコイル（第二パンケーキコイル）１４ｂの下面に配置された冷却板１１Ａと、この冷却板１１Ａの下に重ねられた他の冷却板１１Ａと、を備えている。下段のダブルパンケーキコイル（第二パンケーキコイル）１４ｂの上面に配置された冷却板１１Ａの上には、上段のダブルパンケーキコイル（第一パンケーキコイル）１４ａの下面に配置された冷却板１１Ａが重ねられている。
なお、この実施形態では上下の冷却板に挟まれているパンケーキコイルは、ダブルパンケーキコイルであるが、シングルパンケーキコイルでも、シングルパンケーキコイルが３層以上に重なったものでもよい。
【００１８】
冷却板１１Ａは、良熱伝導性の金属材料から形成され、数分の１ｍｍ〜数ｍｍ程度の厚さを有する。冷却板１１Ａを形成する金属材料は特に制限されず、適宜変更可能である。冷却板１１Ａは、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅などの銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金などから形成される。
【００１９】
図１に示す超電導コイル５は、積層された２つのパンケーキコイル１４と、２つのパンケーキコイル１４の最上面と最下面とにそれぞれ配置された冷却板１１Ａとを備えている。すなわち、図１に示す超電導コイル５は、下段のダブルパンケーキコイル１４ｂの下面に配置された２枚の冷却板１１Ａから構成される冷却基板１１と、上段のダブルパンケーキコイル１４ａと下段のダブルパンケーキコイル１４ｂとの間に配置された２枚の冷却板１１Ａから構成される冷却基板１１と、上段のダブルパンケーキコイル１４ａの上面に配置された２枚の冷却板１１Ａから構成される冷却基板１１と、を備えている。また、パンケーキコイル１４の端面に接している、冷却基板１１を構成する上下２枚の冷却板１１Ａは、ガラス繊維入樹脂シート又はエポキシ樹脂などの含浸樹脂（接着要素）１２により、パンケーキコイル１４の端面に接着され固定されている。また、パンケーキコイル１４を冷却板１１Ａに接着する方法としては、パンケーキコイル１４に樹脂を含浸したあとで、冷却板１１Ａを接着剤で固定する方法と、パンケーキコイル１４に樹脂を含浸する時に冷却板１１Ａを一緒に固定する方法とがある。なお、前者の場合、図中の符号１２は接着剤を示している。接着剤の材料としては、エポキシ樹脂又はグリース等が適用可能であるが、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。一方、冷却基板１１を構成する上下２枚の冷却板１１Ａ同士は単に重ねられているだけである。すなわち、２枚の冷却板１１Ａは、相互に分離できるように積層されている。冷却基板１１を構成する上下２枚の冷却板１１Ａの間に必要に応じてグリースなどを介在させても良い。
なお、パンケーキコイル１４に固定されている冷却板１１Ａは２枚に限られず、相互に分離可能であれば、３枚以上であってもよい。
【００２０】
冷却板１１Ａの一端（冷凍機８の第２ステージ８Ｂに近い一端）に、パンケーキコイル１４の側方に突出する突出部１１ａが形成されている。突出部ａの先端部分における最上面及び最下面に、上下方向に重ねられた冷却板１１Ａの突出部１１ａの先端部分を上下方向において挟み込む板状に形成された一対の伝熱接続体１３が設けられている。一対の伝熱接続体１３の間には、冷凍機８を構成する第２ステージ８Ｂに近い位置にある伝熱体９から延出する伝熱部材１５が挟持されている。伝熱部材１５は、冷凍機８を構成する第２ステージ８Ｂからの伝導冷却を行うために、伝熱体９を介して冷凍機８の第２ステージ８Ｂに接続されている。
図面では略されているが、突出部１１ａと一対の伝熱接続体１３とを貫通するボルト及び前記ボルトに螺合するナットにより、突出部１１ａを上下方向において挟み付けている一対の伝熱接続体１３と突出部１１ａとは一体化されている。また、一対の伝熱接続体１３の一端において突出部１１ａが挟まれ、その他端において伝熱部材１５が挟み込まれている。伝熱部材１５と一対の伝熱接続体１３とを貫通するボルト及び前記ボルトに螺合するナットにより、一対の伝熱接続体１３と伝熱部材１５とが一体化されている。なお、冷却板１１Ａと一対の伝熱接続体１３との接続はボルト及びナットを用いた接続に限らず、他の接続構造を用いても良い。
伝熱体９、伝熱接続体１３、及び伝熱部材１５は、良熱伝導性の金属材料から形成される。伝熱体９、伝熱接続体１３、及び伝熱部材１５を形成する金属材料は特に制限されず、適宜変更可能である。伝熱体９、伝熱接続体１３、及び伝熱部材１５は、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅などの銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金などから構成できる。
【００２１】
以上説明のように冷却板１１Ａに形成された突出部１１ａを一対の伝熱接続体１３、伝熱部材１５、及び伝熱体９を介し熱的に十分に第２ステージ８Ｂに接続することで、冷凍機８を構成する第２ステージ８Ｂから、パンケーキコイル１４の伝導冷却を効率良く行うことができる。
【００２２】
従来の装置では、冷却基板１１が１枚の金属板から構成されている。一方、本実施形態では２枚の冷却板１１Ａから冷却基板１１が構成されている。冷却板１１Ａの厚さが従来の装置における１枚の金属板の厚さの約１／２であれば、積み重ねた２枚の冷却板１１Ａを備えた超電導コイル５の全体厚さは従来構造を有する超電導コイルの全体厚さと変わらない。例えば、従来構造を有する超電導コイルにおける冷却基板の１／２の厚さの冷却板１１Ａを用いると、超電導コイル５としての全体の電流密度、（＝通電電流×ターン数／コイル断面積）も同じである。このため、コイルの中心磁場が低下することがないなど、コイル特性に影響はない。また、冷却板１１Ａの厚みが従来構造を有する超電導コイルにおける冷却基板の厚さの１／２よりも多少厚くても、超電導コイル５の全体の厚さに及ぼす影響は小さい。このため、コイル高さの変更によるコイル電流密度の変化も軽微に抑制できる。
【００２３】
前記超電導マグネット装置１において、フランジ部６を貫通するように電流供給用の外部接続端子１７及び１８が形成されている。外部接続端子１７及び１８の下端部は外部容器２の内部に引き込まれ、電流リード１９の上端部とそれぞれ接続している。電流リード１９の下端部は超電導コイル５における各パンケーキコイル１４を構成する図示略の酸化物超電導線材にそれぞれ接続されている。
外部容器２は、図示略の真空ポンプに接続されていて、外部容器２の内部を所望の真空度まで減圧できるように構成されている。また、外部接続端子１７及び１８は、超電導マグネット装置１の外部に配置された図示略の電源に電流リード線を介し接続され、この電源から超電導コイル５内の超電導線材に通電して所望の磁場を発生できるように構成されている。
【００２４】
パンケーキコイル１４に巻き付けられている超電導線材として、一例として、希土類系酸化物超電導線材、Ｂｉ系酸化物超電導線材、又はＭｇＢ２超電導線材など、一般に高温超電導線材と称されているいずれかの超電導線材を用いることができる。
希土類系酸化物超電導線材として、金属テープの基材上に中間層、酸化物超電導層、保護層、及び安定化層を積層させてテープ状に形成された超電導線材を例示できる。
中間層は、下地層として拡散防止層又はベッド層を含む複層構造を有することができる。中間層の主体となる配向層として、イオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する。）等の物理的蒸着法により形成される結晶配向性が良好な薄膜を用いることができる。更に良好な結晶配向性を得るために、配向層の上にキャップ層を設けることができる。
希土類系酸化物超電導体から形成される薄膜を中間層に適用する場合は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）などを例示できる。
酸化物超電導層の表面を覆うように形成される保護層は、Ａｇ又はＡｇ合金から形成でき、保護層上に積層する安定化層は良導電性のＣｕ又はＣｕ合金から形成できる。
【００２５】
Ｂｉ系酸化物超電導線材として例えば、Ａｇなどの良伝導性金属から形成された金属シースの内部にＢｉＳｒＣａＣｕＯで表示できる２２２３相などの焼結体を複合して圧延し、テープ状に形成された超電導線材を利用することができる。
ＭｇＢ２超電導線材として例えばＭｇＢ２の粉末を金属パイプの内部に収容し、縮径するパウダーインチューブ法により多芯化したテープ状あるいは線状に形成された超電導線材を用いることができる。
【００２６】
図１に示す超電導マグネット装置１は、図示略の真空ポンプにより外部容器２の内部を減圧して真空状態とし、冷凍機８を作動させて伝導冷却により超電導コイル５を臨界温度以下に冷却した後、外部電源から外部接続端子１７及び１８を介し超電導コイル５の超電導線材に通電して使用される。なお、冷凍機８は、機種によって異なるが、４.２Ｋ、２０Ｋあるいは４０Ｋなどのように超電導体が超電導状態となる約９１Ｋよりも低い温度まで超電導コイル５を冷却する能力を有する。
図１に示す超電導マグネット装置１は、冷凍機８を構成する第２ステージ８Ｂから伝熱体９、３本の伝熱部材１５、及び複数の伝熱接続体１３等の複数の冷却基板１１を介して、超電導コイル５を臨界温度以下まで伝導冷却して使用される。
【００２７】
超電導マグネット装置１において冷却基板１１は２枚の冷却板１１Ａを備える。２枚の冷却板１１Ａは単に重ねられているのみである。このため、冷却板１１Ａ同士の熱接触の悪化が多少懸念される。しかしながら、冷却板１１Ａに形成された突出部１１ａは、１１ａを上下方向において挟み付ける一対の伝熱接続体１３と一体化している。すなわち、突出部１１ａの最上面及び最下面に配置された一対の伝熱接続体１３を介した２通りの冷却パスが設けられている。よって、伝熱部材１５から一対の伝熱接続体１３を介し冷却板１１Ａを個々に伝導冷却できる。従って、冷却板１１Ａの伝熱効率は低下しない。
また、冷却板１１Ａの厚さを従来構造における冷却基板１枚の厚さの１／２程度にすることが好ましい。しかしながら、冷却板１１Ａをより厚く形成した場合、超電導コイル５全体の厚みは大きくなるが、超電導コイル５全体の厚みに対する冷却板１１Ａの厚み増加分はわずかである。このため、超電導コイル５の厚みが増加することにより生じる酸化物超電導線材における巻線数の減少割合は極めて少なく、超電導コイル５の電流密度低下は軽微である。従って、超電導コイル５の性能に悪影響は生じない。
【００２８】
更に、超電導マグネット装置１において、万が一酸化物超電導線材に問題が生じた場合、図１に示す積層された２つのパンケーキコイル１４のうち、超電導線材に問題が生じたパンケーキコイル１４のみを別途作製された新規のパンケーキコイル１４と交換することができる。
このため、超電導コイル５の全体を交換する必要がない。従って、超電導線材に問題が生じていないパンケーキコイル１４を無駄にすることがない。
【００２９】
ところで、図１に示す超電導コイル５は、積層された２つのパンケーキコイル１４を備えているが、積層された３つ以上のパンケーキコイル１４を備えても良い。
また、図１に示す超電導コイル５は、第一パンケーキコイル１４ａ及び第二パンケーキコイル１４ｂとして、ダブルパンケーキコイル１４を備えているが、第一パンケーキコイル１４ａ及び第二パンケーキコイル１４ｂとして、シングルパンケーキコイル、又は、積層された３つ以上のパンケーキコイルエレメントを有するパンケーキコイルを備えても良い。
また、図１に示す超電導コイル５は、積層された２つのパンケーキコイル１４と、パンケーキコイル１４の端面に接するように設けられた冷却基板１１と、を備え、各パンケーキコイル１４は、積層された２つのパンケーキコイルエレメント１０を有しているが、このような構造に限らない。例えば、積層された複数のシングルパンケーキコイルと、個々のシングルパンケーキコイルの上面及び下面に接するように設置された冷却基板１１と、を備えた超電導コイルとしても良い。
【００３０】
図２は、ガス冷却式に対応させた本発明の一実施形態に係る超電導コイルの構造を示す。図３Ａ及び図３Ｂは、この構造を有する超電導コイル２０を適用する超電導モーター（超電導機器）の一例を示す。
図２に示す超電導コイル２０は、ボビンＢの巻胴Ｂ２に挿入されている上下方向に積み重ねられた２つのパンケーキコイル１４と、上段のダブルパンケーキコイル（第一パンケーキコイル）１４ａの上面と下段のダブルパンケーキコイル（第二パンケーキコイル）１４ｂの下面とにそれぞれ１枚ずつ設けられた冷却板１１Ａと、上段のダブルパンケーキコイル（第一パンケーキコイル）１４ａと下段のダブルパンケーキコイル（第二パンケーキコイル）１４ｂとの間に設けられ、２枚の冷却板１１Ａから構成される冷却基板１１と、を備える。
【００３１】
図２に示す超電導コイル２０は、同図において矢印で示すようにヘリウムガス等の冷却ガスＧをパンケーキコイル１４の側面に吹き付けて冷却することでパンケーキコイルエレメント１０の超電導線材を臨界温度以下に冷却して使用できる。
図２に示す超電導コイル２０は、例えば、図３Ａ及び図３Ｂに示す構造を有する超電導モーター（超電導機器）３０に適用される。図３Ａ及び図３Ｂに示す超電導モーター３０は、円筒状に形成された密閉型の横長の容器３１の内部に回転自在に設けられた軸型の回転子３２を備え、ヘリウムガス等の冷却ガスを容器３１の内部に供給できるように構成されている。
【００３２】
回転軸３３の中央部の周囲に、複数の超電導コイル３５が取り付けられている。複数の超電導コイル３５の周囲には、容器３１の内壁に支持された銅コイルから構成される複数の常電導コイル３６が配置されている。
回転軸３３の内部には冷却ガスを流入及び流出させる複数の配管が設けられている。このため、超電導モーター３０の外部に別途設けられている図示略の冷媒供給装置から前記複数の配管を通って容器３１の内部に導入された冷却ガスにより超電導コイル３５を臨界温度以下に冷却できる。超電導コイル３５は臨界温度以下に冷却されるが、常電導コイル３６は常温に保持される。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、回転軸３３の周囲に積層するように超電導コイル３５を配置することができる。この超電導コイル３５として図２に示す超電導コイル２０を採用することができる。
【００３３】
図３Ａ及び図３Ｂに示す超電導モーター３０は、容器３１の内部に導入された冷却ガスにより超電導コイル３５を臨界温度以下に冷却して使用する。超電導モーター３０は、別途の電源（図示略）から必要な電流が供給された常電導コイル３６と超電導コイル３５とによって生成される磁場により回転軸３３を回転させて使用することができる。
【００３４】
図３Ａ及び図３Ｂに示す超電導モーター３０の使用中に、何らかの原因により超電導コイル３５のいずれかに組み込まれた超電導線材に問題が生じ、超電導モーター３０を修理する場合、超電導コイル３５の構造が図２に示す超電導コイル２０の構造と同等であれば、問題が生じた超電導線材を備えたパンケーキコイル１４のみを交換すれば良い。すなわち、超電導コイル３５の全体を交換することなく、超電導コイル３５の一部品であるパンケーキコイル１４のみを交換することで超電導モーター３０の修復が可能となる。
【００３５】
図２は、本発明の一実施形態に係る超電導コイルを構成するボビンの一例を示す。
図２に示すボビンＢは第一パンケーキコイル１４ａ及び第二パンケーキコイル１４ｂを厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部Ｂ１と、上下一対のフランジ部Ｂ１の間に設けられ、第一パンケーキコイル１４ａ及び第二パンケーキコイル１４ｂに挿入される巻胴（胴部）Ｂ２と、を有する。
【００３６】
図２に示すボビンＢを構成するフランジ部Ｂ１及び巻胴（胴部）Ｂ２の熱膨張係数は、第一パンケーキコイル１４ａの熱膨張係数、第二パンケーキコイル１４ｂの熱膨張係数、及び冷却基板１１の熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。この場合、冷却基板１１による第一パンケーキコイル１４ａ及び第二パンケーキコイルの冷却時における第一パンケーキコイル１４ａ、第二パンケーキコイル１４ｂ、及び冷却基板１１の厚さ方向収縮量が巻胴（胴部）Ｂ２の収縮量よりも小さい。このため、冷却時にパンケーキコイル間の距離が離れる懸念が無い。したがって、冷却時でもコイルの密度が変わることなく、すなわち、コイル臨界電流密度が変わることなく、本構造の優位性をさらに強化することができる。ボビンＢの形成材料としてはＧＦＲＰ又はアルミニウムなどが線膨張率が大きいため好ましい。
【００３７】
図５は、第一パンケーキコイル１４ａ、第二パンケーキコイル１４ｂ、及び冷却基板１１が厚さ方向において圧縮された本発明の一実施形態に係る超電導コイルの一例を示す。
図５に示すように、超電導コイル２０は一定圧力Ｆによって厚さ方向に収縮量ｂだけ圧縮されている（押し込まれている）。ここで、収縮量ｂは、第一パンケーキコイル１４ａ及び第二パンケーキコイル１４ｂの冷却時における第一パンケーキコイル１４ａ、第二パンケーキコイル１４ｂ、及び冷却基板１１の厚さ方向における収縮量の合計ａよりも大きいことが好ましい。この場合、冷却時にパンケーキコイル間の距離が離れる懸念が無い。したがって、冷却時でもコイルの高さが変わることなく、すなわち、コイル臨界電流密度が変わることなく、本構造の優位性をさらに強化することができる。なお、上述の一定圧力Ｆで押し込む機構としては、上下一対のフランジを止めるフランジボルト等に皿バネ、引張バネなどを使うことが好ましい。
【実施例】
【００３８】
以下の表１に示す構造を有する超電導コイルを試作した。
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）から構成される幅５ｍｍ、厚さ０.１ｍｍのテープ状基材と、その表面に設けられた、厚さ１００ｎｍのＡｌ２Ｏ３の拡散防止層、厚さ３０ｎｍのＹ２Ｏ３のベッド層、厚さ１０ｎｍのＭｇＯの配向層、厚さ５００ｎｍのＣｅＯ２のキャップ層、厚さ約２μｍのＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの酸化物超電導層、厚さ１０μｍのＡｇの保護層、及び厚さ１００μｍの銅貼り合わせテープと、から構成される全体厚さ約０．２３ｍｍの酸化物超電導線材を用意した。
上記超電導線材を巻胴に１００ターン巻回してパンケーキコイルを構成し、巻回部分にエポキシ樹脂を含浸させて硬化させ、超電導コイルを形成した。その後、液体窒素中に超電導コイルを浸漬して臨界電流を測定した。この後、超電導コイルを図１に示す構造を有する超電導マグネット装置に組み込み、伝導冷却下において評価を行った。
その仕様は以下の表１に示す通りである。【００３９】
【表１】
2013133319.tif 000003
【００４０】
表１に示す結果から、中心磁場の値、及び超電導マグネット装置としての特性は、従来の超電導コイルと本実施例の超電導コイルとの間で同等であるとの結果が得られた。更に、本実施例の構造によれば、冷却基板を構成する２枚の冷却板同士が分離可能であるので、いずれかのパンケーキコイルに問題が生じた場合、問題が生じたパンケーキコイルのみを交換できる。従って、本実施例の超電導マグネット装置では、パンケーキコイルを全数交換する必要がないため、従来構造を有する超電導マグネット装置と比較して、修理をする場合に有利である。
【符号の説明】
【００４１】
１  超電導マグネット装置
２  外部容器
３  内部容器（低温側シールド容器）
５  超電導コイル
８  冷凍機
８Ａ  第１ステージ
８Ｂ  第２ステージ
９  伝熱体
１０  パンケーキコイルエレメント
１１  冷却基板
１１Ａ  冷却板
１１ａ  突出部
１２  含浸樹脂（接着要素、接着剤）
１３  伝熱接続体
１４  ダブルパンケーキコイル
１４ａ  上段のダブルパンケーキコイル（第一パンケーキコイル）
１４ｂ  下段のダブルパンケーキコイル（第二パンケーキコイル）
１５  伝熱部材
１７、１８  外部接続端子
２０  超電導コイル
３０  超電導モーター（超電導機器）
３１  容器
３２  回転子
３３  回転軸
３５  超電導コイル
３６  常電導コイル
１００  超電導コイル
１０１  真空容器
１０２  熱シールド容器
１０３  コイル積層体
１０５  パンケーキコイル
１０６  ボビン
１０７  胴部
１０８  ガラス繊維強化シート
１０９  冷凍機。
Ｂ  ボビン
Ｂ１  フランジ部
Ｂ２  巻胴（胴部）
Ｆ  （超電導コイル２０を厚さ方向に圧縮する）一定圧力
ｂ  超電導コイル
【図１】
2013133319.tif 000004
【図２】
2013133319.tif 000005
【図３Ａ】
2013133319.tif 000006
【図３Ｂ】
2013133319.tif 000007
【図４】
2013133319.tif 000008
【図５】
2013133319.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月19日(2015.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ超電導線材を巻回して形成され、厚さ方向に積み重ねられた、互いに隣接する第一パンケーキコイル及び第二パンケーキコイルと、
前記第一パンケーキコイルの端面及び前記第二パンケーキコイルの端面に接するように設けられ、２枚の冷却板に分離可能な冷却基板と、接着要素と、を備え、
前記冷却基板は、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルの間に挟まれ、
前記接着要素は、前記冷却基板を構成する前記２枚の冷却板の一方と前記第一パンケーキコイルとの間、及び、前記冷却基板を構成する前記２枚の冷却板の他方と前記第二パンケーキコイルとの間を接着し、
前記２枚の冷却板同士の分離により前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルが相互に分離自在であることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記第一パンケーキコイルの前記冷却基板と接する面とは反対側の面と、前記第二パンケーキコイルの前記冷却基板と接する面とは反対側の面とのそれぞれに、前記接着要素を介して、前記冷却板が設けられた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】
請求項１または２に記載の超電導コイルであって、
前記冷却基板に伝熱部材を介して接続される冷凍機と、
前記複数の冷却板のそれぞれに設けられ、前記伝熱部材に接続する伝熱接続体と、をさらに備えることを特徴とする超電導コイル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイルであって、
前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを前記厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部と、上下一対の前記フランジ部の間に設けられ、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルに挿入される胴部と、を有するボビンをさらに備え、
前記フランジ部及び前記胴部の熱膨張係数は、前記第一パンケーキコイルの熱膨張係数、前記第二パンケーキコイルの熱膨張係数、及び前記冷却基板の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする超電導コイル。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイルであって、
前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを前記厚さ方向において挟む上下一対のフランジ部と、上下一対の前記フランジ部の間に設けられ、前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルに挿入される胴部と、を有するボビンをさらに備え、
前記冷却基板による前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルを冷却時における前記第一パンケーキコイル、前記第二パンケーキコイル、及び前記冷却基板の前記厚さ方向における収縮量よりも大きい量だけ前記厚さ方向において圧縮されるように、前記第一パンケーキコイル、前記第二パンケーキコイル、及び前記冷却基板は、前記上下一対の前記フランジ部に挟まれていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導コイルと、
前記超電導コイルを囲む内部容器と、
前記内部容器を囲む真空容器と、
前記真空容器と前記内部容器とを貫通する冷凍機と、を備え、
前記内部容器の内部に延出した前記冷凍機の先端に、伝熱部材を介して前記冷却基板が接続されることを特徴とする超電導機器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１態様に係る超電導コイルは、それぞれ超電導線材を巻回して形成され、厚さ方向に積み重ねられた、互いに隣接する第一パンケーキコイル及び第二パンケーキコイルと、前記第一パンケーキコイルの端面及び前記第二パンケーキコイルの端面に接するように設けられ、２枚の冷却板に分離可能な冷却基板と、接着要素と、を備え、前記接着要素は、前記冷却基板を構成する前記２枚の冷却板の一方と前記第一パンケーキコイルとの間、及び、前記冷却基板を構成する前記２枚の冷却板の他方と前記第二パンケーキコイルとの間を接着し、前記２枚の冷却板同士の分離により前記第一パンケーキコイル及び前記第二パンケーキコイルが相互に分離自在である。
上記超電導コイルによれば、パンケーキコイルの端面に配置された冷却基板を複数枚の冷却板に分離可能であるため、冷却基板を構成する複数枚の冷却板同士を分離することで積層したパンケーキコイル同士を分離できる。このため、問題が生じたパンケーキコイルを取り外し、他の新規のパンケーキコイルと交換することができる。すなわち、問題が生じていないパンケーキコイルを無駄にすることなく超電導コイルの修理ができる。従って、一部のパンケーキコイルに問題が生じた場合に、全数のパンケーキコイルを交換していた従来技術に比べ、無駄なく低コストで超電導コイルの修理ができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この場合、冷却板に接するパンケーキコイルに含浸された樹脂により、冷却板とパンケーキコイルとが接着されて一体化されていても、重ねられた冷却板同士は分離可能であるので、冷却板同士を分離することで積層されたパンケーキコイル同士を容易に分離できる。このため、パンケーキコイルと冷却板との良好な伝熱性を確保でき、かつ、問題が生じたパンケーキのみを交換することができる。したがって、超電導線材およびパンケーキコイルの時間及び費用の面での損害を最小限にすることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、前記第一パンケーキコイルの前記冷却基板と接する面とは反対側の面と、前記第二パンケーキコイルの前記冷却基板と接する面とは反対側の面とのそれぞれに、前記接着要素を介して、前記冷却板が設けられてもよい。
【国際調査報告】
2013133319.tif 000010
2013133319.tif 000011
2013133319.tif 000012
2013133319.tif 000013