(57)【要約】【課題】冷却による超電導特性の劣化を抑制することが可能な超電導コイルを提供する。【解決手段】巻枠１０と、巻枠１０の外周に、少なくとも一部において多層構造をなすように螺旋状に巻かれ、基板、基板上の酸化物超伝導体からなる超電導層、超電導層上の銀からなる第１安定化層、及び第１安定化層上の銅からなる第２安定化層を有する超電導線材２０と、超電導線材２０を被覆する絶縁層２４と、巻枠１０と絶縁層２４との間、及び多層構造部分において互いに対向する絶縁層２４の間を接着する接着層２２とを備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻枠と、
前記巻枠の外周に、少なくとも一部において多層構造をなすように螺旋状に巻かれ、基板、前記基板上の酸化物超伝導体からなる超電導層、前記超電導層上の銀からなる第１安定化層、及び前記第１安定化層上の銅からなる第２安定化層を有する超電導線材と、
前記超電導線材を被覆する絶縁層と、
前記巻枠と前記絶縁層との間、及び前記多層構造部分において互いに対向する前記絶縁層の間を接着する接着層
とを備えることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記絶縁層が、ポリイミドテープであ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】
前記絶縁層が、エナメル被覆膜であ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４】
前記接着層が、ガラス繊維の支持体に半硬化樹脂を付加したプリプレグテープであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
【請求項５】
前記酸化物超電導体が、希土類元素、バリウム及び銅を１：２：３の元素比で含む希土類酸化物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
【請求項６】
前記第２安定化層が、前記第１安定化層に半田付けされた銅テープであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導コイル。
【請求項７】
前記接着層の線膨張係数が、前記巻枠より小さく、前記前記超電導線材より大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１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、酸化物系高温超電導体を用いた超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルでは、使用時の冷却による超電導線材の機械的動きを抑制し、コイルの強度を保つため、コイルの固定が行なわれる。通常、超電導線材を巻枠に巻いた超電導コイルにエポキシ樹脂等の含浸材を含浸させ、加熱硬化により巻枠と超電導線材とを一体化して固定させる。
【０００３】
超電導線材では、基板上に成膜した酸化物系高温超電導体からなる超電導層を保護するために銀安定化層が表面に設けられる。このような超電導線材を加熱硬化したエポキシ樹脂で固定して冷却すると、硬化したエポキシ樹脂と超電導線材との熱膨張率の違いにより超電導線材の一部が剥離して超電導特性が劣化することが報告されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
コイルの固定について、テープ状の超電導線材にプリプレグテープを挟み込み、プリプレグテープを加熱硬化させて固定した超電導コイルが提案されている（特許文献１参照）。更に、プリプレグテープを超電導線材の間に挟みこみ、巻枠とは接着させないようにプリプレグテープを硬化させて超電導線材だけを一体化した超電導コイルが提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１８７２９３号公報
【特許文献２】特開２００８−１４０９０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】富田他、“鉄道応用に向けた高温超電導線材の特性”、鉄道総研報告書、２００９年１２月、第２３巻，第６号，ｐｐ．４７−５２
【発明の概要】
【０００７】
しかしながら、プリプレグテープを用いる場合でも、超電導線材はプリプレグテープに含浸されたエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で固定される。そのため、超電導コイルを冷却すると、硬化した熱硬化性樹脂と超電導線材の熱膨張率の違いによる超電導線材の層間剥離が発生しやすく、超電導特性の劣化を抑制することは困難である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、冷却による超電導線材の層間剥離を防止し、超電導特性の劣化を抑制することが可能な超電導コイルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、巻枠と、巻枠の外周に巻かれ、基板、基板上の酸化物超伝導体からなる超電導層、超電導層上の銀からなる第１安定化層、及び第１安定化層上の銅からなる第２安定化層を含む超電導線材と、超電導線材の外表面に巻かれた絶縁層と、超電導線材に沿って巻枠の外周に巻かれ、巻枠と絶縁層との間、及び重なり合う絶縁層の間を熱硬化した樹脂で固着する接着層とを備える超電導コイルが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、冷却による超電導線材の層間剥離を防止し、超電導特性の劣化を抑制することが可能な超電導コイルを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る超電導コイルの一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示した超電導コイルのＡ−Ａ断面を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る超電導コイルの超電導線材の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る超電導コイルの超電導特性を示す表である。
【図５】本発明の実施の形態に係る超電導コイルの超電導線材の絶縁層の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る超電導コイルの他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１３】
又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る超電導コイルは、図１及び図２に示すように、巻枠１０及び巻線部１２を備える。巻枠１０は、円環形状を有する。巻線部１２は、巻枠１０の外周に配置される。なお、巻枠１０の形状は円環に限定されず、例えばレーストラック形状、楕円形状、矩形状等であってもよい。
【００１５】
巻枠１０として、ガラス繊維強化プラスティック（ＧＦＲＰ）、カーボン繊維強化プラスティック（ＣＦＲＰ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及びステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮等の金属材料が使用可能である。
【００１６】
巻線部１２は、図２に示すように、少なくとも一部において接着層２２、超電導線材２０、接着層２２、超電導線材２０、・・・と多層構造をなすように螺旋状に巻かれる。巻線部１２は、巻枠１０に接する接着層２２により巻枠１０に固着される。
【００１７】
超電導線材２０は、図３に示すように、テープ状の基板４０上に中間層４２、超電導層４４、第１安定化層４６、及び第２安定化層４８を含む。例えば、超電導層４４として、希土類系酸化物等の酸化物系高温超伝導体が使用可能である。希土類系酸化物等として、ガドリニウム（Ｇｄ）、イットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）等の希土類元素（ＲＥ）、バリウム（Ｂａ）、及び銅（Ｃｕ）を１：２：３の元素比で含む希土類酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx、以下においてＲＥ１２３系酸化物超電導体と記す。）等が用いられる。
【００１８】
基板４０として、ニッケル（Ｎｉ）合金テープ等が用いられる。中間層４２として、ガドリニウムジルコニウム酸化物（Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7）、酸化セリウム（ＣｅＯ2）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の酸化物、又はこれらの酸化物の多層膜が用いられる。第１安定化層４６として、銀（Ａｇ）等の金属が用いられる。第２安定化層４８として、銅（Ｃｕ）が用いられる。
【００１９】
超電導線材２０は、巻きつけ時に加えられる張力や、超電導コイル使用時の熱収縮等により発生する応力の影響を受ける。超電導線材の機械的特性が不十分であれば、超電導特性の劣化を招きやすく、超電導線材の層間剥離が発生する場合もある。そのため、超電導層４４には、機械的強度が必要となる。ＲＥ１２３系酸化物超伝導体は、従来よく用いられるビスマス（Ｂｉ）系酸化物超伝導体に比べて高い機械的強度を有する。したがって、超電導層４４としては、ＲＥ１２３系酸化物超伝導体を用いることが望ましい。
【００２０】
また、従来の超電導線材では、単一のＡｇ安定化層が用いられている。Ａｇ安定化層上にＣｕ安定化層を複合化した超電導線材は、単一のＡｇ安定化層を有する超電導線材よりも機械的強度が増加する。したがって、超電導特性の劣化を防止するため、図３に示したように、Ａｇからなる第１安定化層４６上にＣｕからなる第２安定化層４８を複合化した超電導線材２０を用いることが望ましい。
【００２１】
冷却による超電導線材２０の機械的動きを抑制するため、巻線部１２を巻枠１０に固着するだけでなく、巻線部１２で巻かれた超電導線材２０も固着することが望ましい。超電導線材２０を固着するため、巻線部１２においては、図２に示したように、超電導線材２０に沿って接着層２２が巻かれる。巻枠１０と超電導線材２０の間の接着層２２を巻枠１０と超電導線材２０に接着させて、巻枠１０に巻線部１２を固着する。また、巻線部１２の多層構造部分において互いに対向する超電導線材２０の間の接着層２２を超電導線材２０にそれぞれ接着させて巻線部１２を固着する。このようにして、超電導線材２０と巻枠１０が固着されて一体化される。
【００２２】
接着層２２として、ガラス繊維等の支持体にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた半硬化のプリプレグテープが用いられる。
【００２３】
例えば、図３に示した超電導線材２０は、以下のようにして作製される。厚さが約１００μｍのＮｉ合金テープからなる基板４０に、中間層４２が成膜される。中間層４２は、例えば、イオンビームアシスト蒸着（ＩＢＡＤ）等により成膜された厚さが約１μｍのＧｄ2Ｚｒ2Ｏ7膜、及びパルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）、有機酸塩塗布熱分解法（ＭＯＤ）等により成膜されたＣｅＯ2膜を含む。中間層４２上に、ＰＬＤや化学気相蒸着（ＣＶＤ）等により厚さが約１μｍ〜約２．５μｍのＧｄＢａ2Ｃｕ3Ｏx（Ｇｄ１２３）膜からなる超電導層４４を成膜する。超電導層４４上に、スパッタリング等により厚さが約５μｍ〜約２０μｍのＡｇ膜からなる第１安定化層４６が成膜される。更に、第１安定化層４６上に、厚さが約４０μｍ〜約１００μｍのＣｕテープを半田付けして第２安定化層４８を形成する。なお、第２安定化層４８をＣｕメッキにより形成してもよい。
【００２４】
作製した超電導線材２０が、ＧＦＲＰからなる巻枠１０に巻かれる。例えば、厚さが約０．２１ｍｍ、幅が約５ｍｍの超電導線材２０を、エポキシ樹脂を含浸させたプリプレグテープに重ね合わせて外径が約７０ｍｍの巻枠１０に螺旋状に巻きつける。巻きつけ後に約１００℃〜約１５０℃でプリプレグテープのエポキシ樹脂を硬化させ、接着層２２を形成する。接着層２２により、巻枠１０と超電導線材２０が固着され、螺旋状に巻かれた超電導線材２０の間を固着する。このようにして、巻枠１０及び巻線部１２が一体化された超電導コイルが作製される。
【００２５】
作製した超電導コイルについて、液体窒素中で臨界電流Ｉｃ2を測定し、巻きつけ前の超電導線材２０の臨界電流Ｉｃ1との比Ｉｃ2／Ｉｃ1から超電導特性の劣化の有無を判定した。なお、超電導線材２０の巻きつけにより発生する経験磁場による臨界電流の低下は無視している。図４の表には、超電導コイルの超電導特性の劣化を評価した結果が示されている。ここで、試料Ａは比較例として、従来のエポキシ樹脂含浸により超電導線材２０の固着を行っている。試料Ｂ及び試料Ｃでは、それぞれ厚さが約０．１ｍｍ及び約０．２５ｍｍのプリプレグテープが用いられている。なお、超電導線材２０の第２安定化層４８の厚さは、約１００μｍである。
【００２６】
図４の表に示すように、エポキシ樹脂含浸により超電導線材２０が固着された試料Ａでは、臨界電流比が０．９より小さくなる。一方、接着層２２にプリプレグテープを用いた試料Ｂ及び試料Ｃでは、臨界電流比が０．９５以上である。このように、プリプレグテープを用いて超電導コイルを一体化することにより、超電導線材２０の超電導特性の劣化を抑制することができる。しかしながら、試料Ｂ及び試料Ｃは、超電導特性が若干劣化していることが確認された。
【００２７】
そこで、実施の形態に係る超電導コイルでは、図５に示すように、図３に示した超電導線材２０を非粘着性の絶縁層２４で被覆する。図６に示すように、絶縁層２４により被覆された超電導線材２０が、巻枠１０に少なくとも一部が多層構造をなすように螺旋状に巻かれる。したがって、巻線部１２の多層構造部分においては、互いに対向する絶縁層２４の間を接着層２２が接着する。
【００２８】
巻枠１０に接する接着層２２により巻枠１０と絶縁層２４とを接着させて、巻線部１２を巻枠１０に固着する。巻線部１２の多層構造部分においては、互いに対向する絶縁層２４の間の接着層２２を絶縁層２４にそれぞれ接着させて、巻線部１２を固着する。このように、図６に示した超電導コイルでは、超電導線材２０は、接着層２２と絶縁層２４を接着させることにより固定される。超電導線材２０は、接着層２２に固着された絶縁層２４により物理的に支持される。したがって、超電導線材２０と接着層２２との熱膨張率の差により超電導線材２０に生じる歪を抑制することができる。絶縁層２４として、ポリイミドテープ、フッ素樹脂からなるテープ等の絶縁テープが用いられる。また、超電導線材２０を被覆するエナメル被覆膜を絶縁層２４としてもよい。
【００２９】
図６に示した超電導コイルについて、液体窒素中で臨界電流Ｉｃ2を測定し、巻きつけ前の超電導線材２０の臨界電流Ｉｃ1との比Ｉｃ2／Ｉｃ1から超電導特性の劣化の有無を判定した。図４の表には、超電導コイルの超電導特性の劣化を評価した結果が示されている。
【００３０】
ここで、絶縁層２４として、２枚重ねて巻いたポリイミドテープを用いている。試料Ｄ及び試料Ｅでは、接着層２２として、厚さが約０．１ｍｍのプリプレグテープが用いられる。試料Ｆ及び試料Ｇでは、接着層２２として、厚さが約０．２５ｍｍのプリプレグテープが用いられる。また、試料Ｅ及び試料Ｇでは、２枚のプリプレグテープをそれぞれポリイミドテープが巻かれた超電導線材２０の長手方向で上下に重ねて巻いている。超電導線材２０は、試料Ａ、試料Ｂ及び試料Ｃと同様である。
【００３１】
図４の表に示すように、試料Ｄ、試料Ｅ、試料Ｆ及び試料Ｇではいずれも臨界電流比が０．９７よりも大きく、超電導特性の劣化はないことが確認できる。このように、外表面を覆うように絶縁層２４を巻いた超電導線材２０を用いることにより、冷却による超電導特性の劣化を抑制することができる。
【００３２】
実施の形態に係る超電導コイルでは、接着層２２により巻枠１０及び巻線部１２が固着され、超電導線材２０は外表面に巻かれた絶縁層２４で物理的に支持されているだけである。超電導線材２０は固着されていないため、超電導コイルを冷却した際に超電導線材２０と接着層２２との熱膨張率の差により発生する超電導線材２０の歪を低減することができる。
【００３３】
上述のように、絶縁層２４を用いると、超電導線材２０の歪が低減される。したがって、絶縁層２４を用いる場合は、超電導線材２０の機械的強度は相対的に小さくてもよい。例えば、図３に示した第１安定化層４６、または第２安定化層４８のいずれか一方の単一の安定化層を有する超電導線材を用いてもよい。
【００３４】
なお、上記説明においては、絶縁層２４として、２枚重ねて巻いたポリイミドテープを用いているが、枚数は限定されない。例えば、１枚のポリイミドテープを巻いた場合でも超電導特性の劣化が防止できることを確認している。３枚以上のポリイミドテープを重ねて巻いても同様の効果を得ている。
【００３５】
また、接着層２２として、１枚または２枚のプリプレグテープを用いているが、プリプレグテープの枚数は限定されない。３枚以上のプリプレグテープを重ねて用いても同様の効果が得られる。
【００３６】
また、超電導線材２０と巻枠１０との線膨張係数の差は小さい方が望ましい。超電導線材２０と巻枠１０との線膨張係数の差が大きいと、熱膨張率の差による応力が増大して超電導特性が劣化しやすくなる。
【００３７】
例えば、ＲＥ１２３系酸化物超伝導体を超電導層４４として用いた超電導線材２０の線膨張係数は、約１１×１０-6Ｋ-1である。ＧＦＲＰを用いた巻枠１０の線膨張係数は、約３０×１０-6〜約６０×１０-6Ｋ-1である。このように、超電導線材２０の線膨張係数が巻枠１０よりも大きい場合、線膨張係数の差を緩和するように、線膨張係数が巻枠１０よりも小さく、超電導線材２０よりも大きな接着層２２を用いることが望ましい。
【００３８】
例えば、接着層２２として、線膨張係数が約２０×１０-6〜約６０×１０-6Ｋ-1であるガラス繊維等にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグテープが使用可能である。また、ガラス繊維は交互に織り込まれているものであっても、一方向のものでも良い。また、繊維の材質はアラシド繊維、ポリエステル繊維などであっても同様の効果が得られる。
【００３９】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、超電導マグネット、超電導電動機、発電機等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０…巻枠
１２…巻線部
２０…超電導線材
２２…接着層
２４…絶縁層
４０…基板
４２…中間層
４４…超電導層
４６…第１安定化層
４８…第２安定化層
【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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