(57)【要約】【課題】テープ状の超電導線材を用いた超電導コイルにおいて、コイル全体を大型化することなく、また、コイルの作製を困難とすることなく、超電導線材の広幅面に対して略平行な磁場がかかるようにして臨界電流の低下を防止し、運転電流の向上を図る。【解決手段】超電導線材の少なくとも一部を、基板１、超電導層３及び安定化層２からなる断面形状が、円形、半円形、楕円形、もしくは、多角形状となっているものとして、この超電導線材が、コイル内の部位によって、超電導層の広幅面の方向が巻枠５の軸線に対する所定の方向となされて保持されるようにする。【選択図】図１
2011108427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板及び安定化層によりテープ状超電導層を挟んだ構造を有する超電導線材であって、
前記基板、前記超電導層及び前記安定化層からなる線材断面形状が、円形、半円形、楕円形、もしくは、多角形状となっていることを特徴とする超電導線材。
【請求項２】
イットリウム系の超電導線材である
ことを特徴とする請求項１記載の超電導線材。
【請求項３】
超電導線材を巻枠に巻線して構成された超電導コイルであって、
前記巻枠の上端部、下端部の超電導線材の少なくとも一部が、請求項１または２記載の超電導線材であり、
前記上端部、下端部に於ける超電導層の広幅面の方向が、前記巻枠の軸線に対して所定有限角度の角度範囲にある
ことを特徴とする超電導コイル。
【請求項４】
前記所定有限角の角度範囲は、２０°＜θ＜７０°である
ことを特徴とする請求項３記載の超電導コイル。
【請求項５】
前記上端部、下端部に於ける超電導層広幅面の法線方向と、発生する磁場方向のなす角φは、８０°＜φ＜１００°である
ことを特徴とする請求項３、または、請求項４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、テープ状の構造を有する超電導線材及びこの超電導線材を用いて構成された超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｂｉ系、Ｙ系に代表されるような高温超電導線材は、図６に示すように、基板１０１ａ、中間層１０１ｂ、超電導層１０１ｃ、安定化層１０１ｄ等から成るテープ状の構造を有している。ここに基板１０１ａは、例えば、ニッケル基合金などの金属材料からなり、中間層１０１ｂは超電導層１０１ｃの結晶を規則正しく並べるための層でマグネシウム酸化物などからなり、安定化層１０１ｄは例えば、銀や銅などの金属材料からなり、超電導体の冷却に寄与したり、常伝導転位時にバイパスして発熱を抑えるためのものである。
【０００３】
このようなテープ状の超電導線材１０１を巻線して作製される超電導コイルにおいては、超電導線材１０１に対して、コイルの部位によって異なる方向の磁場がかかる。図７は、円形のコイルの１／４断面の磁場分布例を示している。図７に示すように、超電導線材１０１に対して、コイルの部位により、大きさ及び方向が異なる磁場Ｈ（Ｈはベクトル）がかかる。
【０００４】
また、超電導線材１０１は、磁場について方向依存性を有しており、超電導線材１０１の広幅面１０１ａに対して平行な磁場Ｈ１がかかる場合よりも、広幅面に垂直や、ある所定の方向から磁場Ｈ２がかかる場合に、臨界電流が低下することが知られている。そのため、超電導コイルの運転電流は、使用する超電導線材により、どのような方向の磁場により臨界電流が低下するのか、また、コイル内のどの部位における磁場が最も臨界電流を低下させるのかにより、制限される。一般に、高温超電導材料を適用した場合、コイルの上部や下部における超電導線材１０１の広幅面に略垂直な磁場により、運転電流が制限されることが多い。
【０００５】
特許文献１には、巻枠の軸線方向の中央位置の部位では、超電導線材の広幅面を巻枠の軸線と平行にし、巻枠の軸線方向の少なくとも両端位置の部位では、内周側の超電導線材の広幅面を巻枠の軸線に対して傾斜させるとともに、外周側の超電導線材の広幅面を巻枠の軸線に対して垂直となるように巻付方向を変化させ、交流印加時に発生する磁場方向に対して超電導線材の広幅面を平行にした超電導コイルが記載されている。
【０００６】
また、非特許文献１には、コイル両端部における磁場方向を超電導線材の広幅面に対して平行な方向に近づけるように、図８に示すように、超電導線材１０１からなるコイルの上部や下部にサブコイル１０２，１０２を配置して、磁場の方向を制御する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２４４２８０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】２００８年度春期低温工学・超電導学会「他芯テープ線材の活用による超電導コイルの性能向上」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、特許文献１に記載された超電導コイルにおいては、一本の超電導線材を保持する保持溝を有する巻枠を用いることにより、超電導線材の広幅面の方向を、コイルの部位によって所定の方向となるようにしている。このような巻枠を用いると、超電導線材同士の間隔を狭くすることができず、超電導線材の密度が低くなるため、必要なターン数を確保するためには、コイル全体が大型化してしまうという問題がある。また、このような巻枠を用いることは、コイルの作製にあたっては、超電導線材を保持溝に挿入しなければならないため、作製が困難である。
【００１０】
また、非特許文献１に記載された超電導コイルにおいては、サブコイルを用いることによって磁場の方向を制御し、運転電流を向上させることができるが、サブコイルを配置するためのスペースが必要であり、コイル全体が大型化してしまうという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、テープ状の超電導線材を用いた超電導コイルにおいて、コイル全体を大型化することなく、また、コイルの作製を困難とすることなく、超電導線材の広幅面に対して略平行な磁場がかかるようにして臨界電流の低下を防止し、運転電流の向上を図ることができる超電導線材及び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】
【００１２】
前述の課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る超電導線材及び超電導コイルは、以下の構成を有するものである。
【００１３】
〔構成１〕
本発明に係る超電導線材は、基板及び安定化層によりテープ状超電導層を挟んだ構造を有する超電導線材であって、基板、超電導層及び安定化層からなる線材断面形状が、円形、半円形、楕円形、もしくは、多角形状となっていることを特徴とするものである。
【００１４】
〔構成２〕
構成１を有する超電導線材であって、イットリウム系の超電導線材であることを特徴とするものである。
【００１５】
〔構成３〕
本発明に係る超電導コイルは、超電導線材を巻枠に巻線して構成された超電導コイルであって、巻枠の上端部、下端部の超電導線材の少なくとも一部が、構成１、または、構成２を有する超電導線材であり、上端部、下端部に於ける超電導層の広幅面の方向が、巻枠の軸線に対して所定有限角度の角度範囲にあることを特徴とするものである。
【００１６】
〔構成４〕
構成３を有する超電導コイルであって、所定有限角の角度範囲は２０°＜θ＜７０°であることを特徴とするものである。
【００１７】
〔構成５〕
構成３、または、構成４を有する超電導コイルであって、上端部、下端部に於ける超電導層広幅面の法線方向と、発生する磁場方向のなす角φは、８０°＜φ＜１００°であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る超電導線材においては、基板、超電導層及び安定化層からなる断面形状が、円形、半円形、楕円形、もしくは、多角形状となっていることにより、巻枠に巻線してコイル化するにあたって、超電導層の広幅面の方向を巻枠の軸線に対する所定の方向とした状態で保持されるので、超電導層の広幅面に対して略平行な磁場がかかるようにして臨界電流の低下を防止し、運転電流の向上が図られた超電導コイルを容易に作製することができる。
【００１９】
本発明に係る超電導コイルにおいては、超電導線材の少なくとも一部が、コイル内の部位によって、超電導層の広幅面の方向が、巻枠の軸線に対する所定の方向となされて保持されているので、超電導層の広幅面に対して略平行な磁場がかかるようにして臨界電流の低下を防止し、運転電流の向上を図ることができる。
【００２０】
すなわち、本発明は、テープ状の超電導線材を用いた超電導コイルにおいて、コイル全体を大型化することなく、また、コイルの作製を困難とすることなく、超電導線材の広幅面に対して略平行な磁場がかかるようにして臨界電流の低下を防止し、運転電流の向上を図ることができる超電導線材及び超電導コイルを提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る超電導線材の構造を示す断面図である。
【図２】本発明に係る超電導コイルの構造を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明に係る超電導コイルの構造を示す断面図である。
【図４】本発明に係る超電導コイルの構造の他の例を示す断面図である。
【図５】本発明に係る超電導線材をなす超電導層の磁場角度依存性を示すグラフである。
【図６】テープ状の超電導線材の構造を示す斜視図である。
【図７】円形のコイルの１／４断面における磁場分布例を示す断面図である。
【図８】従来の超電導コイルの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る超電導線材の構造を示す断面図である。
【００２４】
本発明に係る超電導線材は、図１中の（ａ）に示すように、基板１及び安定化層２により、超電導層３を挟んだ構造を有する超電導線材である。また、基板１及び安定化層２の間には、超電導層３とともに、中間層４が挟まれているようにしてもよい。この場合には、この超電導線材は、基板１、中間層４、超電導層３及び安定化層２が順次積層された構造を有している。
【００２５】
基板１及び安定化層２は、銅、その他の金属材料により形成されている。超電導層３は、例えば、イットリウム系（Ｙ系）の超電導材料により形成されている。
【００２６】
また、この超電導線材は、図１中の（ｂ）に示すように、基板１の側にさらに安定化層２を設けて、安定化層２、基板１、中間層４、超電導層３及び安定化層２が順次積層された構造を有するものとしてもよい。また、中間層４、安定化層２など各層は複数層から構成されていてもよい。
【００２７】
さらに、この超電導線材は、図１中の（ｃ）に示すように、外周面にさらに安定化層２を設けた構造を有するものとしてもよい。
【００２８】
そして、この超電導線材は、図１中の（ａ）乃至（ｃ）に示すように、基板１、超電導層３及び安定化層２からなる断面形状が円形となっており、円柱状の形状となっている。あるいは、この超電導線材は、図１中の（ｄ）及び（ｅ）に示すように、基板１、超電導層３及び安定化層２からなる断面形状が、六角形、四角形などの多角形状となっており、六角柱状や四角柱状の形状となっている。さらに、この超電導線材は、基板１、超電導層３及び安定化層２からなる断面形状を、半円形や楕円形としてもよい。また断面形状は、前記円形、多角形、半円形、楕円形の他、所定の閉曲線形状とすることもできる。
【００２９】
また、基板１、超電導層３及び安定化層２からなる断面形状を多角形状とした場合において、超電導層３の広幅面３ａの方向Ａは、多角形の一の辺にあたる側面に対して平行としてもよく、また、所定の角度をなすようにしてもよい。
【００３０】
この超電導線材は、基板１、超電導層３及び安定化層２からなる断面形状が、円形、または、多角形状等となっていることにより（後述するように）、巻枠に巻線してコイル化するにあたって、超電導層３の広幅面３ａの方向Ａを巻枠の軸線に対して有限傾斜角を有する所定の方向とした状態で保持される。
【００３１】
すなわち、この超電導線材は、断面形状が円形である場合には、巻枠に巻線したときに、超電導層３の広幅面の方向が巻枠の軸線に対する所定の方向となっている状態で、外周面同士の摩擦により保持される。また、この超電導線材は、断面形状が多角形である場合には、巻枠に巻線したときに、超電導層３の広幅面の方向が巻枠の軸線に対する所定の方向となっている状態で、平坦な外周面同士が当接した状態で保持される。
【００３２】
そして、この超電導線材においては、このように超電導層３の広幅面の方向を所定の方向として巻線しても、超電導層３に捻れの力が直接加わらず、歪みによって超電導層３が破壊されることが防止される。
【００３３】
本発明に係る超電導コイルは、超電導線材を巻枠に巻線して構成された超電導コイルであって、超電導線材の少なくとも一部が、前述した本発明に係る超電導線材となっているものである。
【００３４】
図２は、本発明に係る超電導コイルの構造を示す模式的な断面図である。
【００３５】
この超電導コイルにおいては、図２に示すように、少なくとも本発明に係る超電導線材を用いた部位においては、超電導線材は、コイル内の部位によって、超電導層３の広幅面３ａの方向Ａが、巻枠５の軸線ｏに対して有限傾斜角θを有する所定の方向となされて保持されている。超電導層３の広幅面の方向Ａは、この超電導コイルに通電されたときに、発生する磁場の方向に略平行となるようになされている。超電導層３の広幅面の方向が、発生磁場の方向に略平行となっていることにより、臨界電流の低下が防止され、運転電流が向上し、高性能な超電導コイルを提供することができる。
【００３６】
図３は、本発明に係る超電導コイルの具体的構造或いは配置を示す断面図である。
【００３７】
この超電導コイルにおいては、図３に示すように、超電導線材の断面形状が、円形、または、多角形状等となっていることにより、この超電導線材を巻枠に巻線するにあたって、超電導層３の広幅面の方向Ａを、巻枠５の軸線ｏに対して所定の有限傾斜角θを有する所定の方向とした状態で保持させることができる。これにより超電導層３の広幅面の方向Ａを、発生磁場の方向と平行に維持することができる。
【００３８】
すなわち、超電導線材の断面形状が円形である場合には、超電導線材を巻枠に巻線したときに、超電導層３の広幅面の方向が巻枠５の軸線に対する所定の方向となっている状態で、超電導線材は、外周面同士の摩擦により保持される。また、この超電導線材の断面形状が多角形である場合には、超電導線材を巻枠に巻線したときに、超電導層３の広幅面の方向が巻枠の軸線に対する所定の方向となっている状態で、超電導線材は、平坦な外周面同士が当接した状態で保持される。
【００３９】
超電導コイルにおいては、コイルの上端部５ａ近傍及び下端部５ｂ近傍において、磁場の方向が巻枠５の軸線に対して傾くので、これら上端部５ａ近傍及び下端部５ｂ近傍の部位において、超電導層３の広幅面の方向を、磁場の方向に沿って傾けるようにする。
【００４０】
図４は、本発明に係る超電導コイルの構造の他の例を示す断面図である。
【００４１】
この超電導コイルにおいては、図４に示すように、コイル中央部５ｃには、従来と同様に、軸線ｏと平行に巻いたテープ状線材１３を用い、コイルの上端部５ａ及び下端部５ｂに、前述した断面形状が、円形、または、多角形状等となっている超電導線材を用いる。この場合には、磁場の方向が巻枠５の軸線に対して傾くコイルの上端部５ａ近傍及び下端部５ｂ近傍の部位において、断面形状が、円形、または、多角形状等となっている超電導線材を用いることにより、超電導層３の広幅面の方向を、磁場の方向に沿って傾けるとよい。
【実施例】
【００４２】
本発明の実施例として、超電導層３として、ＲＥ（希土類（Rare Earth））系の酸化物超電導材料を用いて、前述した構成の超電導線材を作製した。
【００４３】
図５は、本発明に係る超電導線材をなす超電導層の臨界電流の磁場角度依存性を示すグラフである。
【００４４】
この酸化物超電導材料からなる超電導層の臨界電流は、図５に示すように、磁場角度依存性を有している。この超電導層３においては、図５に示すように、広幅面の法線ｏに対する磁場Ｈの角度φが９０°であるとき（すなわち広幅面の表面に対して磁場が平行であるとき）に、最も臨界電流が高くなっており、８０°から１００°であれば、臨界電流は、それ以外の角度の場合に比べて高くなる。したがって、前記角度φは、８０°から１００°であるのが好ましく、９０°前後（例えば８５°から９５°）であるのがさらに好ましい。
【００４５】
この超電導線材を用いて、内径７０ｍｍ、外径９０ｍｍ、高さ７２ｍｍのパンケーキ状の超電導コイルを作製した。コイルは６層、ターン数は２１０ターン、使用温度を７７Ｋとした。
【００４６】
そして、磁場の方向が巻枠５の軸線に対して傾くコイルの上端部近傍及び下端部近傍の部位、すなわち、超電導コイルの臨界電流が決定される部位においては、超電導層３の広幅面の表面の方向を以下の表１に示すように傾けた。このとき、超電導層３の広幅面の巻枠５の軸線に対する角度θと、臨界電流との関係は、７７Ｋにおいて、以下の〔表１〕に示すようになった。
【００４７】
【表１】
2011108427.tif 000003
〔表１〕に示すように、超電導コイルの臨界電流が決定される部位における超電導層３の広幅面の方向を変えることにより、臨界電流が改善された。
【００４８】
すなわちコイル上端部及び下端部において、巻枠軸線ｏに対する前記超電導層３の広幅面の方向Ａの傾斜角θは、２０°＜θ＜７０°であるのが好ましい。なお、誤差を考慮すれば、１０°＜θ＜８０°で有っても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、テープ状の構造を有する超電導線材及びこの超電導線材を用いて構成された超電導コイルに適用される。
【符号の説明】
【００５０】
１  基板
２  安定化層
３  超電導層
５  巻枠
【図１】
2011108427.tif 000004
【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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