(57)【要約】【課題】超伝導線材に欠陥又は断線が生じた場合の貯蔵可能エネルギー量の減少が抑制された超伝導コイルを提供すること。【解決手段】並走する複数の螺旋溝を有する基体１０と、前記複数の螺旋溝のそれぞれの内部に形成されて螺旋状に並走する複数の超伝導線材２０と、を有し、前記複数の超伝導線材が、前記複数の超伝導線材と同種の超伝導線材により互いに電気的に接続３０されている、超伝導コイル１００。【選択図】図１
2018181886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並走する複数の螺旋溝を有する基体と、
前記複数の螺旋溝のそれぞれの内部に形成されて螺旋状に並走する複数の超伝導線材と、
を有し、
前記複数の超伝導線材が、前記複数の超伝導線材と同種の超伝導線材により互いに電気的に接続されている、
超伝導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー貯蔵装置、高磁場発生装置、各種センサに適用可能なデバイスとして、超伝導コイルが知られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、支持基板と巻線部とを備え、支持基板には溝が形成されており、巻線部は支持基板の溝内に充填された超伝導線材を有する、超伝導コイルが記載されている。このような構成の超伝導コイルは、通電によって発生する電磁力を支持基板に負担させ、超伝導コイル自体が受ける応力を少なくすることができるから、使用中に断線、剥離等の欠陥が発生する可能性が低減された、信頼性の高いものとすることができる。
【０００４】
特許文献１には、超伝導コイルの具体的態様として、例えば、幅が約１ｍｍの巻線部に１０本の超伝導線材が含まれる超伝導コイルが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−８０８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の超伝導コイルにおいては、特定の超伝導線材に欠陥又は断線が生じた場合、該超伝導線材のすべてに電流が流れなくなる。そのため、この場合の貯蔵可能エネルギー量の減少は、多大なものとなる。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされた。従って本発明の目的は、超伝導線材に欠陥又は断線が生じた場合の貯蔵可能エネルギー量の減少が抑制された超伝導コイルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、
並走する複数の螺旋溝を有する基体と、
前記複数の螺旋溝のそれぞれの内部に形成されて螺旋状に並走する複数の超伝導線材と、
を有し、
前記複数の超伝導線材が、前記複数の超伝導線材と同種の超伝導線材により互いに電気的に接続されている、
超伝導コイルに関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超伝導コイルは、螺旋状に並走する複数の超伝導線材が、これらと同種の超伝導線材によって互いに電気的に接続されている。そのため、特定の超伝導線材に断線が生じた場合、断線した超伝導線材についても、接続部を介して断線部以外の部分に電流が流れ得る。従って、本発明の超伝導コイルでは、超伝導線材に断線が生じた場合であっても、貯蔵可能エネルギー量の減少が、高度に抑制されている。
【００１０】
本発明の超伝導コイルは、小型化することができ、信頼性が高く、貯蔵可能なエネルギー密度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の超伝導コイルの一例を示す平面図である。
【図２】図２は、図１において、破線で囲った領域の拡大図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は、図１において、一点鎖線で囲った領域の拡大図である。
【図５】図５は、図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】図６は、本発明の超伝導コイルの積層体の一例を示す概略斜視図である。
【図７】図７は、本発明の超伝導コイルの積層体において、各超伝導コイルの超伝導線材の券回状態を説明するための概略斜視図である。
【図８】図８は、本発明の超伝導コイルを利用する超伝導エネルギー貯蔵装置の構成の一例を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の超伝導コイルは、
並走する複数の螺旋溝を有する基体と、
前記複数の螺旋溝のそれぞれの内部に形成されて螺旋状に並走する複数の超伝導線材と、
を有し、
前記複数の超伝導線材が、前記複数の超伝導線材と同種の超伝導線材により互いに電気的に接続されている。
【００１３】
＜基体＞
基体は、超伝導線材に通電したときに、該超伝導線材に作用する電磁力を負担することが可能な引張強度を有する材料から構成されてよい。即ち、基体の引張強度が１００ＭＰａ以上であれば、超伝導線材に作用する電磁力を基体で負担し、超伝導線材が破損することが防止される。基体の引張強度は、５００ＭＰａ以上であることが望ましい。基体の引張強度が５００ＭＰａ以上であれば、磁束密度が５Ｔであっても超伝導線材の破損が防止される。
【００１４】
基体の構成材料としては、例えば、単結晶のシリコン、多結晶のシリコン、単結晶の炭化ケイ素、単結晶の酸化アルミニウム、単結晶の窒化ホウ素等からなる群より選択される少なくとも１つを含むことが望ましい。基体に半導体材料が用いられていると、汎用の半導体製造技術を用いて基体に溝を形成することができるとの利点がある。
【００１５】
基体は、典型的にはシリコンウェハであってよい。
【００１６】
基体は、並走する複数の螺旋溝を有する。並走する複数の螺旋溝は、例えば、基体の中心部から周辺部に向かって次第に螺旋が拡大する一群の螺旋状の溝であってよい。並走する複数の螺旋溝が基体を１周回すると、周回前の複数の螺旋溝と隣接することになる。
【００１７】
基体における螺旋溝の数は、特定の超伝導線材が断線したときの、貯蔵可能エネルギー量の減少量をできるだけ抑制し、且つ高周波電流を通電するときの表皮効果を有効に発現させるとの観点から、例えば、５本以上、１０本以上、２０本以上、３０本以上、４０本以上、５０本以上、又は６０本以上であってよい。一方で、得られる超伝導コイルの過度の大型化、及び製造コストの高騰を防ぐ観点から、螺旋溝の数は、例えば、５００本以下、４００本以下、３００本以下、２００本以下、又は１００本以下であってよい。
【００１８】
基体における螺旋溝それぞれの幅は、例えば、１０μｍ以上、２０μｍ以上、３０μｍ以上、又は４０μｍ以上であってよく、例えば、１００μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、又は６０μｍ以下であってよい。
【００１９】
１本の螺旋溝と、これに隣接して並走する別の螺旋溝との間の最短距離は、例えば、５μｍ以上、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上であってよく、例えば、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、又は２５μｍ以下であってよい。
【００２０】
並走する複数の螺旋溝の総幅、即ち、溝間距離を含む一群の螺旋溝の総幅は、例えば、１００μｍ以上、２００μｍ以上、５００μｍ以上、１ｍｍ以上、又は３ｍｍ以上であってよく、例えば、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、又は１０ｍｍ以下であってよい。
【００２１】
並走する複数の螺旋溝と、１周回後の隣接する複数の螺旋溝との間の最短距離は、例えば、２０μｍ以上、４０μｍ以上、６０μｍ以上、又は８０μｍ以上であってよく、例えば、２５０μｍ以下、２００μｍ以下、１８０μｍ以下、又は１６０μｍ以下であってよい。
【００２２】
螺旋溝を該溝の長さ方向に垂直な面で切断した断面の形状は、例えば矩形であってよい。この場合の溝のアスペクト比、即ち螺旋溝の深さの幅に対する比、としては、高周波電流を通電するときの表皮効果を有効に発現させるために、例えば、０．８以上、１．０以上、１．２以上、又は１．４以上であってよい。一方で、超伝送線材形成時の欠陥の発生をできるだけ回避するとの観点から、溝のアスペクト比は、例えば、３．０以下、２．５以下、２．０以下、又は１．８以下であってよい。
【００２３】
並走する複数の螺旋溝の巻き数は、例えば、１周回以上５，０００周回以下としてよい。
【００２４】
基体の溝は、様々な方法を使用して形成することができる。例えば、工作機械を利用して基体の表面に溝を形成してもよく、エッチング技術を利用して基体の表面に溝を形成してもよい。特に、エッチング技術の利用は、高精度な溝を形成することができるとともに、スループットが高く大量生産に適している。
【００２５】
＜超伝導線材＞
基体の有する複数の螺旋溝それぞれの内部には、超伝導線材が形成されている。従って基体には、複数の超伝導線材から成る一群の超伝導線材が、該基体の有する複数の螺旋溝のパターンに従って螺旋状に並走することになる。
【００２６】
超伝導線材を構成する材料としては、超伝導特性を示す様々な材料を選択することができ、例えば、金属系の超伝導材料、酸化物系の超伝導材料、有機系の超伝導材料等が例示される。金属系の超伝導材料としては、例えば、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＭｇＢ２、ＮｂＮ等を挙げることができる。酸化物系の超伝導材料としては、例えば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（ＹＢＣＯ）、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏｘ（Ｂｉ２２１２）等を挙げることができる。有機系の超伝導材料としては、例えば、β−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２Ｉ３、Ｋ３Ｃ６０、Ｒｂ３Ｃ６０、Ｃ６Ｃａ（グラファイト）等を挙げることができる。有機系の超伝導材料における「ＢＥＤＴ−ＴＴＦ」はビス（エチレンジチオ）テトラチアフルバレンを示し、Ｃ６Ｃａ（グラファイト）はグラファイト層間化合物である。
【００２７】
超伝導線材は、様々な方法を利用して形成することができる。例えば、めっき技術を利用して超伝導線材を溝内に充填してもよく、蒸着技術を利用して超伝導線材を溝内に充填してもよい。特に、蒸着技術の利用は、高精度な著伝導線材を形成することができるとともに、スループットが高く定量生産に適している。
【００２８】
基体の溝内に超伝導線材を形成する際、溝内領域のすべてを超伝導線材で充填してもよいし、断面形状が矩形の溝内の側壁及び底面に、他の導電性材料の層を形成し、溝内の残余の部分を超伝導線材で充填してもよい。
【００２９】
上記の場合、本実施形態の超伝導コイルの貯蔵可能エネルギー量を確保する観点から、形成される超伝導線材の層の厚みは、例えば、１μｍ以上、３μｍ以上、又は５μｍ以上であってよい。一方で、他の導電性材料を使用するメリットを十分に享受する観点から、超伝導線材の層の厚みは、例えば、１５μｍ以下、１２μｍ以下、又は１０μｍ以下であってよい。
【００３０】
ここで使用される他の導電性材料は、導電性の高い任意の材料であってよく、典型的には金属であり、具体的には例えば、金、銀、銅、アルミニウム等である。
【００３１】
他の導電性材料の充填は、超伝導線材の層を形成した後の溝内に、例えば、めっき技術の利用、蒸着技術の利用等の適宜の手法を適用することによって行われてよい。
【００３２】
本実施形態の超伝導コイルでは、基体における並走する複数の螺旋溝の内部に形成された複数の超伝導線材は、これらと同種の超伝導線材により互いに電気的に接続されている。ここで、複数の超伝導線材間の電気的接続を、Ｃｕ等の常伝導線材によって行うと、以下のような不都合が生ずる。即ち、ある１本の超伝導線材を流れていた電流が、常伝導線材を介して隣接する他の超伝導線材にバイパスされると、常伝導線材が有する抵抗によってジュール熱が発生する。すると、隣接する他の超伝導線材の温度が上昇し、超伝導から常伝導への転移が起こるため、好ましくない。
【００３３】
接続は、螺旋状に並走する一群の超伝導線材のそれぞれについて、一定の長さごとに行われてよい。例えば、蒸着技術を利用して超伝導線材を溝内に充填する際に、一定の確率で発生し得る欠陥又は断線による性能低下を確実にカバーするとの観点から、接続間距離は、例えば、５ｍ以下、４ｍ以下、３ｍ以下、２ｍ以下、１ｍ以下、又は５０ｃｍ以下であってよい。一方で、超伝導線材を複数化することのメリットをできるだけ減殺させないために、接続間距離は、例えば、５ｃｍ以上、１０ｃｍ以上、１５ｃｍ以上、２０ｃｍ以上、又は３０ｃｍ以上であってよい。
【００３４】
接続の位置としては、一群の超伝導線材の全部を一箇所で接続してもよいし、一群の超伝送線材のうちの一部ずつを異なる位置で阿弥陀籤状に接続してもよい。
【００３５】
接続部の幅、即ち、超伝導線材の長さ方向における接続部の長さは、超伝導線材の欠陥又は断線による性能低下を確実にカバーするとの観点から、例えば、１０μｍ以上、２０μｍ以上、３０μｍ以上、４０μｍ以上、又は５０μｍ以上であってよい。一方で、超伝導線材を複数化することのメリットをできるだけ減殺させないために、接続部の幅は、例えば、５００μｍ以下、４００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、又は１５０μｍ以下であってよい。
【００３６】
接続は、
基体の溝内に超伝導線材、及び使用する場合には他の導電性材料を充填した後に、別個の接続用の超伝導線材を形成する方法によって行ってよいし、
基体に、複数の螺旋溝とともに接続部となる凹部を予め形成しておき、これらの内部に一度に超伝送線材等を充填する方法によってもよい。
【００３７】
基体に、接続部となる凹部を予め形成する場合、該凹部の深さは、複数の螺旋溝の深さと略同等に設定されてよい。
【００３８】
＜具体的態様＞
以下、本実施形態の超伝導コイルの具体的態様につき、図を参照しながら説明する。
【００３９】
図１に、本実施形態の超伝導コイルの一例を示す平面図を示した。図１の超伝導コイル１００は、基体１０が、並走する複数の螺旋溝と、これら複数の螺旋溝のそれぞれの内部に形成されて螺旋状に並走する６本の超伝導線材２０ａ〜２０ｆから成る一群の螺旋状超伝導線材２０と、を有し、超伝導線材２０ａ〜２０ｆが接続部３０において、超伝導線材２０と同種の超伝導線材によって互いに電気的に接続されている場合である。
【００４０】
図１の超伝導コイル１００の中心部において、超伝導線材２０ａ〜２０ｆはこれらと同種の超伝導線材によって互いに接続されているが、本発明はこの場合に限られない。超伝導コイルの中心部において、超伝導線材２０ａ〜２０ｆは、互いに接続されていなくてもよい。
【００４１】
図２に、図１において破線で囲った領域の拡大図を示した。図２を参照すると、超伝導線材２０ａ〜２０ｆが並走する様子が理解される。
【００４２】
図２において、超伝導線材２０ａ〜２０ｆそれぞれの幅ｄ１は、例えば５０μｍであってよく、螺旋溝間の最短距離ｄ２は、例えば、２２μｍであってよい。一群の螺旋溝群２０と、１周回後の隣接する螺旋溝群との間の最短距離ｄ３は、例えば、９０μｍであってよい。
【００４３】
図３に、図２のＡ−Ａ線断面図を示した。
【００４４】
図３において、基体１０の有する各螺旋溝の内部に形成される超伝導線材２１は、例えば、溝の内部壁及び底面上に形成された厚みｄ４が７．５μｍのＣｕ層２１ａと、このＣｕ層の上に形成され、溝の内部の残余空隙を充填するＮｂＮ層２１ｂと、から成っていてよい。図３には、超伝導線材それぞれの幅ｄ１及び螺旋溝間の最短距離ｄ２を合わせて示した。
【００４５】
図４に、図１において一点鎖線で囲った領域の拡大図を示した。図４を参照すると、並走する超伝導線材２０ａ〜２０ｆを横断するように、これらを互いに電気的に接続する接続部３０が形成されている様子が理解される。図４において、接続部３０の幅ｄ５は、例えば１００μｍであってよい。
【００４６】
図５に、図４のＢ−Ｂ線断面図を示した。
【００４７】
図５において、接続部３０は、基体１に予め形成された接続部のための凹部の内部に形成されている。この接続部３０は、凹部の内部壁及び底面上に形成された厚みｄ６が７．５μｍのＣｕ層３０ａと、このＣｕ層の上に形成され、凹部の内部の残余空隙を充填するＮｂＮ層３０ｂと、から成っていてよい。
【００４８】
本実施形態の超伝導コイルは、複数枚を積層して使用してよい。図６及び７に、この場合の使用態様の一例を示した。図６は、本実施形態の超伝導コイル１００の積層体である超伝導コイル積層体２００の一例を示す概略斜視図である。図７は、超伝導コイル積層体２００において、各超伝導コイルの超伝導線材２０の券回状態を説明するための概略斜視図である。
【００４９】
図６の超伝導コイル積層体２００において、積層方向に隣接する超伝導コイル１００同士は、例えば陽極接合技術を利用して強固に接合されていてよい。積層方向に隣接する超伝導コイル１００同士は、超伝導線材２０が互いに電気的に接続されていてよい。このことにより、超伝導コイル１００の積層体における超伝導線材２０は、全体としてソレノイドコイルを形成してよい。
【００５０】
図７に示したように、超伝導コイル積層体２００中の超伝導コイル１００には、超伝導線材２０の周回方向が互いに逆である、第１の超伝導コイル１００ａと第２の超伝導コイル１００ｂとの２種類を有してしてよく、これらが交互に積層されていてよい。
【００５１】
上記に説明したような本実施形態の超伝導コイル又は超伝導コイル積層体は、例えば、超伝導エネルギー貯蔵装置として適用することができる。図８に、本実施形態の超伝導コイル積層体２００を利用する超伝導エネルギー貯蔵装置３００の構成の一例を示した。
【００５２】
図８の超伝導エネルギー貯蔵装置３００は、４つの超伝導コイル積層体２００を備えていてよい。隣接する超伝導コイル積層体２００同士は、極性の方向が互いに逆になるように配置されていてよい。このような配置とすることにより、漏れ磁場を低減することができる。超伝導エネルギー貯蔵装置３００は、例えば、クライオスタット（図示せず）に収納され、液体ヘリウムによる冷却が可能となるように構成されてよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の超伝導コイルは、例えば、エネルギー貯蔵装置、高磁場発生装置、各種センサ、電気自動車の充電スタンド、再生可能エネルギー利用発電の備蓄装置等への適用に好適である。本発明の超伝導コイルは更に、小型とした場合でも高密度のエネルギー貯蔵が可能であり、信頼性も高いことから、例えば家庭用の個別単位での一時的なエネルギー貯蔵装置としても好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０    基体
２０    一群の超伝導線材
２０ａ〜２０ｆ    超伝導電材
２１    超伝導線材
２１ａ    Ｃｕ層
２１ｂ    ＮｂＮ層
３０    接続部
３０ａ    Ｃｕ層
３０ｂ    ＮｂＮ層
１００    超伝導コイル
１００ａ    第１の超伝導コイル
１００ｂ    第２の超伝導コイル
２００    超伝導コイル積層体
３００    超伝導エネルギー貯蔵装置
ｄ１    超伝導線材の幅
ｄ２    隣接する超伝導線材間の最短距離
ｄ３    隣接する複数の螺旋溝間の最短距離
ｄ４    Ｃｕ層の厚み
ｄ５    接続部の幅ｄ５
ｄ６    Ｃｕ層の厚み
【図１】
2018181886.tif 000003
【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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