(57)【要約】【課題】交流損失を増加させることなく、臨界電流を上昇させることが可能であり、中心磁場を高めることが可能な超電導コイルの提供。【解決手段】本発明の超電導コイル２０は、テープ状の超電導線材１０を巻回した複数のコイル体が、同軸的に積層されてなり、前記複数のコイル体のうち、少なくとも積層方向両端部に配置されたコイル体２２が、複数の超電導線材１０を重ねた状態で巻回して形成されていることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の超電導線材を巻回した複数のコイル体が、同軸的に積層されてなる超電導コイルにおいて、
前記複数のコイル体のうち、少なくとも積層方向両端部に配置されたコイル体が、複数の前記超電導線材を重ねた状態で巻回し形成されていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
積層方向内側のコイル体より積層方向外側のコイル体の方が、個々により多くの超電導線材を重ねた状態で巻回し形成されて構成されてなる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】
前記複数のコイル体のうち、少なくとも積層方向中央部に配置されたコイル体は、１本の超電導線材を巻回し形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記超電導線材が、テープ状の基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた安定化層とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルは、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）といった様々な用途に使用される。これまで超電導線材として、ＮｂＴｉ等の金属系超電導体が広く用いられてきたが、近年、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ（Ｂｉ２２２３）などのビスマス系超電導体や、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（ＲＥ１２３、ＲＥ：希土類元素）で表される希土類系超電導体を用いた酸化物高温超電導線材の開発が進んでいる。この酸化物高温超電導線材は、金属系超電導線材に比べて臨界温度が高温であるため、より高い温度での使用が可能であることから、コイル等への応用の開発も進んでいる。
【０００３】
酸化物高温超電導線材は、そのほとんどがテープ状であり、長尺の基材上に酸化物超電導体が２軸配向して積層されている。この酸化物高温超電導線材は、線材にかかる磁場の角度や大きさにより臨界電流密度が異なるという特性を有しており、超電導線材に対して垂直方向の磁場がかかった場合に、最も臨界電流密度が小さくなる。
酸化物高温超電導線材を用いた超電導コイルとしては、断面積が異なる超電導線材より形成した複数のコイルを積層させたもの（特許文献１参照）や、複数のダブルパンケーキコイルを積層した超電導コイルにおいて、その端部のコイルの幅を小さくしたもの（特許文献２参照）などが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４２２４５号公報
【特許文献２】特開２００９−２３８８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図２（ａ）に示すような従来の超電導コイル１００は、図２（ｂ）に示す如く１本の超電導線材１０１ａが巻回されて形成されたドーナツ盤状のコイル体１０１が、複数個（図２では８個）積層されて構成されている。各コイル体１０１は、隣接するコイル体同士の巻回方向が逆とされており、巻回始端または巻回終端で電気的および機械的に接続されている。
このような構造の超電導コイル１００に通電した場合に発生する磁場の分布を図３に示す。図３（ｂ）においては、図３（ａ）に示す超電導コイル１００の領域Ａにおける磁場分布を示しており、矢印は磁場の向きと大きさ（強さ）をベクトルとして表している。図３に示すように、超電導コイル１００では、積層方向外側に行くほど超電導線材の垂直方向（Ｘ方向）の磁場成分が多くなっていることがわかる。それに対し、超電導コイル１００の中央部に近くなるほど、超電導線材に平行な方向（Ｙ方向）の磁場成分が多くなっている。
【０００６】
図４に、超電導線材にかかる磁場の角度と、臨界電流の関係の一例をプロットして示す。図４において、θ［ｄｅｇ］は超電導線材の垂直方向（図３におけるＸ方向：テープ状の超電導線材に垂直方向）に対する磁場の角度を示し、θ＝０°は超電導線材に対して垂直方向に磁場がかかっている場合であり、θ＝９０°は超電導線材に対して水平方向（図３におけるＹ方向：テープ状の超電導線材に平行方向）に磁場がかかっている場合である。また、図４におけるＩｃ／Ｉｃ０は、超電導線材に磁場がかかっていない場合の臨界電流Ｉｃ０（自己磁場下での臨界電流）に対して、超電導線材に角度θで０．５Ｔの磁場をかけた場合の臨界電流Ｉｃの割合を示したものである。Ｉｃ／Ｉｃ０の値が小さいほど臨界電流の変化（減少率）が大きく、Ｉｃ／Ｉｃ０の値が大きいほど臨界電流の変化（減少率）が小さいことを示す。図４に示すように、テープ状の超電導線材にかかる磁場が垂直に近くなるほど、臨界電流が低下していることがわかる。そのため、図３に示すような従来の超電導コイル１００では、コイル体の積層方向両端部に行くほど垂直方向の磁場成分が多くなることから、コイル体の積層方向両端部の臨界電流が小さくなる。
【０００７】
特許文献１に記載の超電導コイルは、コイルの積層方向両端部に行くほど臨界電流が小さくなり、それに伴い臨界電流密度が小さくなってしまう問題を解決するために、コイルの積層方向両端部に行くに従って、コイルを構成する線材の断面積を大きくして臨界電流を大きくして、臨界電流密度を確保している。しかしながら、特許文献１の超電導コイルでは、超電導線材の垂直方向の磁場が大きいコイルの積層方向両端部の線材の断面積を大きくしているため、交流損失が大きくなってしまうという問題があった。
そこで、特許文献２に記載の超電導コイルでは、交流損失を小さくするために、超電導線材の垂直方向の磁場が大きいコイルの積層方向両端部の線材の幅（断面積）を小さくしている。しかしながら、このようにコイルの積層方向両端部の線材の断面積を小さくすると、交流損失は小さくなるが、臨界電流が小さくなり、それに伴い臨界電流密度も小さくなってしまうという問題があった。この様に、線材の断面積を変化させる方法では、臨界電流（および臨界電流密度）と交流損失はトレードオフの関係にあった。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、交流損失を増加させることなく、臨界電流を上昇させることが可能であり、中心磁場を高めることが可能な超電導コイルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の超電導コイルは、テープ状の超電導線材を巻回した複数のコイル体が、同軸的に積層されてなる超電導コイルにおいて、前記複数のコイル体のうち、少なくとも積層方向両端部に配置されたコイル体が、複数の前記超電導線材を重ねた状態で巻回し形成されていることを特徴とする。
本発明の超電導コイルは、積層方向内側のコイル体より積層方向外側のコイル体の方が、個々により多くの超電導線材を重ねた状態で巻回し形成されて構成されてなることが好ましい。
前記複数のコイル体のうち、少なくとも積層方向中央部に配置されたコイル体は、１本の超電導線材を巻回し形成されていることが好ましい。
前記超電導線材は、テープ状の基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた安定化層とを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超電導コイルは、積層方向両端部に位置するコイル体を複数の超電導線材が重ねられた状態で巻回されて形成されたコイル体としたことにより、コイルの積層方向両端部の臨界電流密度を下げることができるので、交流損失の増加を抑制することができる。
また、コイルの積層方向両端部の臨界電流（および臨界電流密度）が低く、コイルの積層方向両端部のコイル体を構成する各超電導線材にかかる負担を低下させることができるので、超電導コイル全体に流す電流値を従来よりも大きくすることができる。そのため、積層方向中央部のコイル体の臨界電流を大きくすることができ、超電導コイルの中心磁場を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の超電導コイルに使用される超電導線材の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図２（ａ）は従来の超電導コイルを示す概略斜視図であり、図２（ｂ）は同超電導コイルを構成するコイル体を示す概略斜視図である。
【図３】図２に示す超電導コイルにおいて発生する磁場の方向と大きさを示す図である。
【図４】臨界電流の磁場角度依存性の一例を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は本発明に係る超電導コイルの第１実施形態の一例を示す概略斜視図であり、図５（ｂ）は同超電導コイルを構成する各コイル体を示す概略斜視図である。
【図６】図６（ａ）は本発明に係る超電導コイルの第２実施形態の一例を示す概略斜視図であり、図６（ｂ）は同超電導コイルを構成する各コイル体を示す概略斜視図である。
【図７】図７は、本発明に係る超電導コイルにおけるコイル体同士の接続構造の一例を示す図であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は上面図、図７（ｃ）はＡ−Ａ’断面図、図７（ｄ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【図８】図８は、本発明に係る超電導コイルにおけるコイル体同士の接続構造の他の例を示す図であり、図８（ａ）は分解斜視図、図８（ｂ）は上面図、図８（ｃ）はＣ−Ｃ’断面図である。
【図９】図９は、本発明に係る超電導コイルにおけるコイル体同士の接続構造の他の例を示す図であり、図９（ａ）は分解斜視図、図９（ｂ）は上面図、図９（ｃ）はＤ−Ｄ’断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の超電導コイルについて、図面に基づき説明する。
本発明の超電導コイルは、テープ状の超電導線材を巻回した複数のコイル体が、同軸的に積層されてなる超電導コイルにおいて、前記複数のコイル体のうち、少なくとも両端部に配置されたコイル体が、複数の前記超電導線材を重ねた状態で巻回して形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の超電導コイルを構成するコイル体は、テープ状の超電導線材が巻回されて形成されている。図１は、本発明の超電導コイルに使用される超電導線材の一例を示す概略斜視図である。図１に示す超電導線材１０は、長尺テープ状の基材１１上に、中間層１２、超電導層１３及び安定化層１４がこの順に積層されて構成されている。
【００１４】
基材１１は、通常の超電導線材の基材として使用し得るものであれば良く、長尺のプレート状又はシート状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。耐熱性の金属の中でも、合金が好ましく、ニッケル（Ｎｉ）合金又は銅（Ｃｕ）合金がより好ましい。なかでも、市販品であればハステロイ（商品名、ヘインズ社製）が好適であり、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。
基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍであることが好ましく、２０〜２００μｍであることがより好ましい。下限値以上とすることで強度が一層向上し、上限値以下とすることで臨界電流密度を一層向上させることができる。
【００１５】
中間層１２は、超電導層１３の結晶配向性を制御し、基材１１中の金属元素の超電導層１３への拡散を防止するものである。そして、基材１１と超電導層１３との物理的特性（熱膨張率や格子定数等）の差を緩和するバッファー層として機能し、その材質は、物理的特性が基材１１と超電導層１３との中間的な値を示す金属酸化物が好ましい。中間層１２の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物が例示できる。
中間層１２は、単層でも良いし、複数層でも良い。例えば、前記金属酸化物からなる層（金属酸化物層）は、結晶配向性を有していることが好ましく、複数層である場合には、最外層（最も超電導層１３に近い層）が少なくとも結晶配向性を有していることが好ましい。
【００１６】
中間層１２と基材１１との間には、ベッド層が介在されていてもよい。ベッド層は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。
【００１７】
さらに、本発明においては、基材１１とベッド層との間に拡散防止層が介在された構造としても良い。拡散防止層は、基材１１の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、あるいは希土類金属酸化物等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。なお、拡散防止層の結晶性は問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すればよい。
このように基材１１とベッド層との間に拡散防止層を介在させることにより、後述する中間層１２や超電導層１３等の他の層を形成する際に、必然的に加熱されたり、熱処理される結果として熱履歴を受ける場合に、基材１１の構成元素の一部がベッド層を介して超電導層１３側に拡散することを効果的に抑制することができる。基材１１とベッド層との間に拡散防止層を介在させる場合の例としては、拡散防止層としてＡｌ２Ｏ３、ベッド層としてＹ２Ｏ３を用いる組み合わせを例示することができる。
【００１８】
また中間層１２は、前記金属酸化物層の上に、さらにキャップ層が積層された複数層構造でも良い。キャップ層は、超電導層１３の配向性を制御する機能を有するとともに、超電導層１３を構成する元素の中間層１２への拡散や、超電導層１３積層時に使用するガスと中間層１２との反応を抑制する機能等を有するものである。そして、前記金属酸化物層により配向性が制御される。
【００１９】
キャップ層は、前記金属酸化物層の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層は、前記金属酸化物層よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
【００２０】
中間層１２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．１〜５μｍである。
中間層１２が、前記金属酸化物層の上にキャップ層が積層された複数層構造である場合には、キャップ層の厚さは、通常は、０．１〜１．５μｍである。
【００２１】
中間層１２は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシストスパッタ法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）；溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、超電導層１３やキャップ層の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、結晶の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる中間層１２は、ＩＢＡＤ法における配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
【００２２】
超電導層１３は通常知られている組成の超電導体からなるものを広く適用することができ、酸化物超電導体からなるものが好ましい。具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものが例示できる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。
超電導層１３は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等で積層でき、なかでもレーザ蒸着法が好ましい。
超電導層１３の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００２３】
安定化層１４は、超電導層１３の一部領域が常電導状態に遷移しようとした場合に、電流のバイパス路として機能することで、超電導層１３を安定化させて焼損に至らないようにする、主たる構成要素である。
安定化層１４は、導電性が良好な金属からなるものが好ましく、具体的には、銀又は銀合金、銅などからなるものが例示できる。安定化層１４は１層構造でも良いし、２層以上の積層構造であってもよい。
安定化層１４は、公知の方法で積層できるが、銀層をメッキやスパッタ法で形成し、その上に銅テープなどを貼り合わせるなどの方法を採用できる。安定化層１４の厚さは、３〜３００μｍの範囲とすることができる。
【００２４】
このような構成の超電導線材１０は、さらにその外周面を絶縁層で被覆することで、各コイル体を構成する超電導線材とすることができる。
絶縁層は、通常使用される各種樹脂等、公知の材質からなるものである。前記樹脂として具体的には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、ケイ素樹脂、シリコン樹脂、アルキッド樹脂、ビニル樹脂等が例示できる。絶縁層による被覆の厚さは特に限定されず、被覆対象部位等に応じて、適宜調節すれば良い。絶縁層は、その材質に応じて公知の方法で形成すれば良く、例えば、原料を塗布して、これを硬化させれば良い。また、シート状のものが入手できる場合には、これを使用して被覆しても良い。
【００２５】
この様な構成のテープ状の超電導線材１０が巻回されてコイル体を形成し、このコイル体が複数積層されて本発明の超電導コイルを構成する。
図５は、本発明の第一実施形態の超電導コイルの一例を示す斜視図である。図５（ａ）は、本実施形態の超電導コイル２０の全体図であり、図５（ｂ）は超電導コイル２０を構成する各コイル体を示す図である。
本実施形態の超電導コイル２０は、テープ状の１本の超電導線材１０が、その基材１１側を内側に安定化層１４側を外側にして同心円状に巻回されて形成された第１コイル体２１と、２本の超電導線材１０が重ねられた状態で同心円状に巻回された第２コイル体２２とが、複数個（図５では８個）同軸的に積層されて構成されている。この超電導コイル２０において、その積層方向両端部（積層構造の最下部および最上部）に位置するコイル体は第２コイル体２２であり、その他の部分は第１コイル体２１とされている。超電導コイル２０において、各コイル体２２、２１、２１、２１、２１、２１，２１、２２は、隣接するコイル体同士の巻回方向が逆とされており、巻回始端または巻回終端で銅などの良導電性材料よりなる接続板でその安定化層同士が、電気的および機械的に接続されている。
【００２６】
ここで、第１コイル体２１を構成する超電導線材と、第２コイル体２２を構成する２本の超電導線材とは、同じ層構成（設けられる層の種類および構成材料が同じ）であってもよく、異なる層構成であってもよいが、同じ層構成とする方が生産プロセスが簡便である。本実施形態では、第１コイル体２１と第２コイル体２２が同じ層構成の超電導線材１０より形成されている場合を例に説明する。
【００２７】
超電導コイル２０を構成する第１コイル体２１と第２コイル体２２との内径および外径はほぼ同一とされている。そのため、２本の超電導線材１０が重ねられた状態で巻回された第２コイル体２２では、超電導線材１０の巻回回数は、第１コイル体２１と比較して約半分となっている。このような構成の超電導コイル２０に電流を流すと、コイルの積層方向端部に位置する第２コイル体２２を構成する超電導線材１０、１０の１本当たりに流れる電流値は、第１コイル体２１を構成する１本の超電導線材１０に流れる電流値の約半分となる。そのため、全体としてみると、超電導コイル２０の積層方向端部の第２コイル体２２の電流密度は、第１コイル体２１の約半分となる。通常、超電導コイルでは、積層方向両端部に位置するコイルには、電流を入力または出力するための電流リードが取り付けられており、この電流リードからの浸入熱による発熱の影響で、積層方向両端部のコイルが最初に臨界電流値に達してしまい、電流値を上げることが難しいという問題があった。しかしながら、本実施形態の超電導コイル２０では、積層方向両端部に位置する第２コイル２２の各超電導線材１０、１０に流れる電流値が、積層方向中央部の第１コイル２１の１本の超電導線材に流れる電流値よりも低く、第２コイル２２を構成する各超電導線材１０への負担が小さいので、従来の超電導コイルに比較して、より高い電流を流すことが可能である。そのため、超電導コイル２０全体に流すことのできる電流値を上げて、超電導コイル２０の中心磁場をより強くすることができる。
【００２８】
超電導コイル２０において重要な特性である中心磁場の強さは、主に積層方向中央部に位置する第１コイル体２１の電流値（および電流密度）が大きく影響する。本実施形態の超電導コイル２０では、積層方向両端部の第２コイル体２２の各超電導線材１０に流れる電流値は、積層方向中心部の第１コイル体２１の１本の超電導線材１０に流れる電流値よりも低く、したがって、積層方向両端部の第２コイル体２２の電流密度は積層方向中心部の第１コイル体２１よりも低い。しかしながら、その分、積層方向両端部の第２コイル体２２に従来の超電導コイルよりも高い電流を流しても、第２コイル体２２を構成する２本の超電導線材１０にかかる負担が少ない。そのため、超電導コイル２０全体に流す電流値を高くすることができ、積層方向中央部の第１コイル体２１の電流値（および電流密度）を高くすることができるので、より高い中心磁場を発生することができる。従って、超電導コイル２０全体の特性を考えた場合、従来の超電導コイルよりも高い特性（高磁場）とすることができる。また、本実施形態の超電導コイル２０では、超電導線材の垂直方向の磁場成分が多くなり、平行方向ではない方向の磁場の強さも強くなる積層方向両端部のコイル体を、２本の超電導線材１０が巻回された第２コイル体２２としたことにより、交流損失の増加を抑えることができる。
【００２９】
ここで、１本の超電導線材１０より形成された第１コイル体２１と、２本の超電導線材２０より形成された第２コイル体２２との接続構造について図７〜図９に基づき説明する。図７〜図９において、説明を簡略化するために、超電導線材１０の層構成は一部図示略とした。
図７は第１コイル体２１と第２コイル体２２との接続構造の一実施形態を示す図であり、図７（ａ）は分解斜視図、図７（ｂ）は上面図、図７（ｃ）はＡ−Ａ’断面図、図７（ｄ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【００３０】
図７に示すように、第１コイル体２１と第２コイル体２２の接続構造では、１本の超電導線材１０が安定化層１４側を外側にして巻回された第１コイル体２１の巻回終端部と、２本の超電導線材１０、１０がそれぞれ安定化層１４側を外側にして重ねられた状態で巻回された第２コイル体２２の巻回端部とが、隣接するように配されている。第２コイル体２２を構成する２本の超電導線材１０、１０は、内側に位置する超電導線材１０の端部２２Ａが、外側に位置する超電導線材１０の端部２２Ｂよりも長く設定されている。そのため、第１コイル体２１の超電導線材１０の端部２１Ａと、第２コイル体２２の外側の超電導線材１０の端部２１Ｂとが隣接し、第２コイル体２２の内側の超電導線材１０の端部２１Ａは、第１コイル体の超電導線材１０の巻回終端の手前部２１Ｂと隣接している。
【００３１】
第２コイル体２２の内側の超電導線材１０の端部２２Ａの安定化層１４の表面と、第１コイル体２１の超電導線材１０の巻回終端の手前部２１Ｂの安定化層１４の表面とを覆うように、銅などの良導電性材料よりなる板状の接続板４２が半田を介して接合されている。これにより、第２コイル体２２の内側の超電導線材１０と、第１コイル体２１の超電導線材１０とは、電気的および機械的に接続されている。
また、第１コイル体２１の超電導線材１０の端部２１Ａでは、該線材の下部にエポキシ樹脂やＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等の絶縁材などにより形成されたスペーサー４３が配されており、第１コイル体２１の超電導線材１０の端部２１Ａの安定化層１４の表面と、第２コイル体２２の外側の超電導線材１０の安定化層１４の表面はほぼ同じ高さで隣接しており、各安定化層１４の表面を覆うように、銅などの良導電性材料よりなる接続板４１が半田を介して設置されている。これにより、第２コイル体２２の外側の超電導線材１０と、第１コイル体２１の超電導線材１０とは、電気的および機械的に接続されている。
【００３２】
半田としては、特に限定されず、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ系合金半田の他、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金等の鉛フリー半田等が挙げられ、これらのうちから１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
図７に示す接続構造とすることにより、第１コイル体２１と第２コイル体２２とは電気的な接続だけでなく、機械的にも強固に接続することができる。
【００３３】
なお、１本の超電導線材１０より形成された第１コイル体２１と、２本の超電導線材２０より形成された第２コイル体２２との接続構造は、図７に示す例に限定されるものではない。
図８は第１コイル体２１と第２コイル体２２との接続構造の他の実施形態を示す図であり、図８（ａ）は分解斜視図、図８（ｂ）は上面図、図８（ｃ）はＣ−Ｃ’断面図である。図８において、図７に示す接続構造と同じ構成要素には同じ符号を付した。
本実施形態では、第２コイル体２２は、内側の超電導線材１０は安定化層１４側を外側とし、外側の超電導線材１０は基材１１側を外側とした状態で重ねられて巻回されて構成されている。すなわち、２本の超電導線材１０、１０は、その安定化層１４側同士が対向して巻回されている。このような構造の第２コイル体２２の巻回終端では、２本の超電導線材１０、１０の端部２２Ａ、２２Ｂがほぼ同じ長さとなっており、各端部２２Ａ、２２Ｂが、第１コイル体２１の巻回終端である超電導線材１０の端部２１Ａと隣接している。第１コイル体２１の超電導線材１０の安定化層１４の表面と、第２コイル体２２の内側の超電導線材１０の端部２２Ａの安定化層１４の表面とを覆うように銅などよりなる接続板４１が半田を介して設置されている。さらに、第２コイル体２２の巻回終端では、内側の超電導線材１０上に設置された接続板４１の上面と、外側の超電導線材１０の安定化層１４の表面とが半田を介して接続されている。このような構成の接続構造とすることによっても、第１コイル体２１と第２コイル体２２とは電気的な接続だけでなく、機械的にも強固に接続することができる。
【００３４】
また、第１コイル体２１と、第２コイル体２２との接続構造としては、図９に示すような接続構造とすることもできる。
図９は第１コイル体２１と第２コイル体２２との接続構造の他の実施形態を示す図であり、図９（ａ）は分解斜視図、図９（ｂ）は上面図、図９（ｃ）はＤ−Ｄ’断面図である。図９において、図７に示す接続構造と同じ構成要素には同じ符号を付した。
【００３５】
本実施形態では、本実施形態では、第２コイル体２２は、内側の超電導線材１０と外側の超電導線材１０は、それぞれ安定化層１４側を外側とした状態で重ねられて巻回されて構成されている。第２コイル体２２の巻回終端において、内側の超電導線材１０の端部２２Ａと外側の超電導線材１０の端部２２Ｂとは、ほぼ同じ長さとされており、各端部２２Ａ、２２Ｂが、第１コイル体２１の巻回終端である超電導線材１０の端部２１Ａと隣接している。第１コイル体２１の超電導線材１０の安定化層１４の表面と、第２コイル体２２の内側の超電導線材１０の端部２２Ａの安定化層１４の表面とを覆うように銅などよりなる接続板４２が半田を介して設置されている。さらに、第２コイル体２２の外側の超電導線材１０の端部２２Ｂの安定化層１４の表面を覆うように、銅などよりなる接続板４１が半田を介して設置されており、この接続板４１は、厚めに形成した半田や銅などの良導電性材料よりなる接続部材４４により、第１コイル体２１の端部２１Ａ上の接続板４２と電気的および機械的に接続されている。このような構成の接続構造とすることによっても、第１コイル体２１と第２コイル体２２とは電気的な接続だけでなく、機械的にも強固に接続することができる。
【００３６】
本実施形態の超電導コイル２０は、両端部に位置するコイル体を２枚の超電導線材１０が重ねられた状態で巻回されたコイル体２２とし、その他の部分を１本の超電導線材１０が巻回されたコイル体２１としたことにより、コイル端部の電流密度を下げることができるので、交流損失の増加を抑制することができる。また、コイル端部の電流密度が低く、コイル端部の第２コイル体２２を構成する各超電導線材１０にかかる負担を低下させることができるので、超電導コイル２０に流す電流値を大きくすることができる。そのため、中央部の第１コイル体２１の電流密度を大きくすることができ、超電導コイル２０の中心磁場を高めることができる。
【００３７】
次に、本発明に係る超電導コイルの第２実施形態について説明する。
図６は、本発明に係る超電導コイルの第２実施形態の一例を示す斜視図である。図６（ａ）は、本実施形態の超電導コイル３０の全体図であり、図６（ｂ）は超電導コイル３０を構成する各コイル体を示す図である。
本実施形態の超電導コイル３０は、１本の超電導線材１０が同心円状に巻回されて形成された第１コイル体３１と、２本の超電導線材１０が重ねられた状態で同心円状に巻回された第２コイル体３２と、３本の超電導線材１０が重ねられた状態で同心円状に巻回された第３コイル体３３、複数個（図６では８個）同軸的に積層されて構成されている。
この超電導コイル３０において、その積層方向両端部（積層構造の最下部および最上部）に位置するコイル体は第３コイル体３３であり、積層方向両端部の一段内側（積層構造の下から２段目および上から２段目）に位置するコイル体は第２コイル体３２であり、その他の部分は第１コイル体３１とされている。超電導コイル３０において、各コイル体３３、３２、３１、３１、３１、３１，３２、３３は、隣接するコイル体同士の巻回方向が逆とされており、巻回始端または巻回終端で銅などの良導電性材料よりなる接続板でその安定化層同士が、電気的および機械的に接続されている。各コイル体同士の接続は、上述した第１実施形態の接続構造を適宜組み合わせることで行うことが可能である。
【００３８】
ここで、第１コイル体３１を構成する超電導線材と、第２コイル体３２を構成する２本の超電導線材と、第３コイル体を構成する超電導線材とは、同じ層構成（設けられる層の種類および構成材料が同じ）であってもよく、異なる層構成であってもよいが、同じ層構成とする方が生産プロセスが簡便である。本実施形態では、第１コイル体３１と第２コイル体３２と第３コイル体３３が同じ層構成の超電導線材１０より形成されている場合を例に説明する。
【００３９】
超電導コイル３０を構成する各コイル体の内径および外径はほぼ同一とされている。そのため、２本の超電導線材１０が重ねられた状態で巻回された第２コイル体３２では、超電導線材１０の巻回回数は、第１コイル体３１と比較して約半分となっている。また、３本の超電導線材１０が重ねられた状態で巻回された第３コイル体３３では、超電導線材１０の巻回回数は、第１コイル体３１と比較して約１／３となっている
【００４０】
このような構成の超電導コイル３０に電流を流すと、コイル積層方向端部に位置する第３コイル体３３を構成する各超電導線材１０に流れる電流値は、第１コイル体３１を構成する超電導線材１０に流れる電流値の約１／３となる。また、コイル積層方向端部の一段内側に位置する第２コイル体３２を構成する各超電導線材１０に流れる電流値は、第１コイル体３１を構成する超電導線材１０に流れる電流値の約半分となる。そのため、全体としてみると、超電導コイル３０の積層方向端部の第３コイル体３３の電流密度は、第１コイル体３１の約１／３となり、端部から一段内側の第２コイル体３２の電流密度は、第１コイル体３１の約半分となる。このような構成の超電導コイル３０とすることにより、コイル積層方向端部に位置する第３コイル体３３を構成する各超電導線材１０への負担を小さくすることができるので、コイル積層方向端部に設置される電流リードによる発熱の影響を低減しつつ、高い電流を流すことができる。そのため、従来の超電導コイルに比較して、より高い電流を流して積層方向中央部の第１コイル体１０を構成する１本の超電導線材１０の電流値を高めて、その電流密度を高めることができるので、超電導コイル３０の中心磁場をより強くすることができる。また、本実施形態の超電導コイル３０では、超電導線材の垂直方向の磁場成分が多くなり、平行方向ではない方向の磁場の強さも強くなる積層方向両端部のコイル体を、３本の超電導線材１０が巻回された第３コイル体３３としたことにより、交流損失の増加をより効果的に抑えることができる。
【００４１】
以上、本発明に係る超電導コイルの第１実施形態および第２実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
上述した第１実施形態においては、積層方向上端部に位置するコイル体と積層方向下端部に位置するコイル体を、それぞれ１段ずつ、２本の超電導線材より形成された第２コイル体２２とする超電導コイル２０を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。超電導コイルを構成するコイル体の積層数や、各コイル体の高さ（すなわち、超電導線材の幅）に応じて適宜変更が可能であり、例えば、超電導コイル全体の高さに対して、積層方向端部から１〜２０％程度の部分を２枚の超電導線材より形成されたコイル体とすることもできる
【００４２】
また、第２実施形態においては、コイルの積層方向最端部に３本の超電導線材より形成された第３コイル体３３を配し、積層方向端部の一段内側に２本の超電導線材より形成された第２コイル体３２を配す構成の超電導コイル３０を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コイル積層方向端部に位置するコイル体を構成する超電導線材の枚数や、積層方向端部からの中心部へ向けての各コイル体の構成および配置は適宜変更である。しかしながら、コイル積層方向端部に位置するコイル体は、少なくとも２枚以上の超電導線材より構成されていなければ、本発明の効果を奏することはできない。また、コイル積層方向中心付近に配されるコイル体は、超電導コイルの中心磁場の強さに大きく影響するため、１本の超電導線材より形成されていることが望ましい。なお、上記実施形態においては、８個のコイル体が積層された超電導コイルを例示したが、本発明はこれに限定されず、コイルの積層数は適宜変更可能である。
【００４３】
以上、本発明の超電導コイルについて説明したが、上記実施形態において、超電導線材の各部、超電導コイルを構成する各部は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）により１．２μｍ厚のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ；中間層）を形成した上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により１．０μｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅ２Ｏ層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（超電導層）を形成し、さらに超電導層上にスパッタ法により１０μｍの銀層と０．１ｍｍ厚の銅層（安定化層）とを順次積層し、図１に示す構造の超電導線材を作成した。得られた超電導線材の臨界電流は２５０Ａであった。
次いで、得られた超電導線材を同心円状に複数回巻回させて内径７０ｍｍ、外径１０７ｍｍの第１コイル体を作製した。
次に、同様の手順で作製した２本の超電導線材を、各線材の安定化層が外側になるようにして重ねた状態で同心円状に巻回して内径７０ｍｍ、外径１０７ｍｍの第２コイル体を作製した。
続いて、同様の手順で複数の第１コイル体と第２コイル体を作製し、積層方向両端部の一層が第２コイル体、その他の部分が第１コイル体となるように、１２個のコイル体を同軸的に積層させることにより、図５に示す構造の超電導コイルを作製した。なお、第１コイル体と第２コイル体は、図７に示す接続構造で電気的および機械的に接続した。
【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様の手順で、複数の第１コイル体と第２コイル体を作製し、両端部の２段ずつ（１段目、２段目、１１段目、１２段目）を第２コイル体とし、その他の部分が第１コイル体となるように、１２個のコイル体を同軸的に積層させることにより、超電導コイルを作製した。
（比較例１）
実施例１と同様の手順で１２個の第１コイル体を作成し、１２個のコイル体を同軸的に積層させることにより、図２に示す構造の超電導コイルを作製した。
【００４６】
実施例および比較例の超電導コイルについて、臨界電流と中心磁場を測定した。結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2011228479.tif 000003
【００４８】
表１の結果より、本発明に係る実施例１および２の超電導コイルでは、比較例１の超電導コイルと比較して、臨界電流が高く、コイル中心磁場も強くなっていた。
【符号の説明】
【００４９】
１０…超電導線材、１１…基材、１２…中間層、１３…超電導層、１４…安定化層、２０、３０…超電導コイル、２１、３１…第１コイル体、２２、３２…第２コイル体、３３…第３コイル体。
【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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