(57)【要約】【課題】冷凍機冷却型超電導機器において、小型化および軽量化に適した構成によって超電導コイルの冷却効率を高める。【解決手段】超電導コイル体９１は、超電導導体が巻回されたコイル１１を複数個積層して構成される超電導コイル１０と、超電導コイル１０のコイル軸方向の少なくとも一方の端部に配置される冷却板３１と、冷却板３１を覆うようにコイル軸方向に積み重ねられた磁性体１３ａ，１３ｂとを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導導体が巻回されたコイルを複数個積層して構成される超電導コイルと、
前記超電導コイルのコイル軸方向の少なくとも一方の端部に配置される冷却板と、
前記冷却板を覆うようにコイル軸方向に積み重ねられた磁性体とを備える、超電導コイル体。
【請求項２】
前記磁性体のコイル軸方向における厚みは１０ｍｍ以下である、請求項１に記載の超電導コイル体。
【請求項３】
前記磁性体のコイル軸方向における厚みは５ｍｍ以下である、請求項２に記載の超電導コイル体。
【請求項４】
前記磁性体は、前記超電導コイルのコイル軸方向における両端部に配置されるフランジの少なくとも一方を構成する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル体。
【請求項５】
前記磁性体は、コイル軸方向における厚みが、コイル径方向の内周側から外周側に向かって大きくなるように形成される、請求項４に記載の超電導コイル体。
【請求項６】
前記磁性体には、コイル軸方向に垂直な面内にスリットが形成される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイル体。
【請求項７】
前記磁性体は、コイル軸方向に垂直な面内で分割された複数の磁性片により形成される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイル体。
【請求項８】
前記磁性体は、複数の磁性板をコイル軸方向に積層させることによって形成される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイル体。
【請求項９】
前記複数の磁性板は、
前記超電導コイルのコイル径方向の外周側に配置された第１の磁性板と、
前記第１の磁性板に対してコイル径方向の内周側に配置された部分を含み、コイル軸方向における前記部分の厚みが前記第１の磁性板の厚みよりも薄い第２の磁性板とを含む、請求項８に記載の超電導コイル体。
【請求項１０】
前記複数の磁性板の少なくとも１つには、コイル軸方向に垂直な面内にスリットが形成される、請求項８または請求項９に記載の超電導コイル体。
【請求項１１】
前記複数の磁性板の少なくとも１つは、コイル軸方向に垂直な面内で分割された複数の磁性片により形成される、請求項８または請求項９に記載の超電導コイル体。
【請求項１２】
前記磁性体は、前記超電導コイルの運転温度における電気抵抗率が、１×１０−９Ωｍ以上である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の超電導コイル体。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の超電導コイル体を備える、超電導機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超電導コイル体および超電導機器に関し、より特定的には、超電導コイルを冷凍機を用いて冷却する超電導機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材を巻回した超電導コイルは、極低温の温度下において用いられる。たとえば特開平１１−１８６０２５号公報（特許文献１）には、超電導コイルを冷凍機を用いて冷却する超電導機器が開示される。この種の超電導機器は、冷凍機冷却型超電導機器とも呼ばれる。
【０００３】
特許文献１に記載される冷凍機冷却型超電導機器において、超電導コイルは、複数個のパンケーキコイルが積層された構造を有する。超電導コイルは、コイル軸方向に積重ねられた第１および第２のパンケーキコイルと、第１のパンケーキコイルと第２のパンケーキコイルとの間に介在するように配置された冷却板とを備える。冷却板は、熱伝導バーを介して冷却ヘッドに接続されている。このように冷却板を配置することにより、コイルの発熱を直接的に冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１８６０２５号公報
【特許文献２】特開２０１２−２４８７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１に記載される技術では、超電導コイルのコイル軸方向の両端部に円板状のフランジをそれぞれ配置する。そして、フランジの外周側に設けられた固定部材によってフランジを締め付けることにより、超電導コイルをフランジで挟み込むように固定する。
【０００６】
しかしながら、固定部材の締め付け圧力を受けてフランジが撓むと、超電導コイルのコイル軸方向の端部に位置するコイルと冷却板との密着性が損なわれるため、コイルと冷却板との間の熱抵抗が増加してしまう（すなわち、熱伝導性が低下してしまう）。
【０００７】
一方、フランジの撓みを抑制するためにフランジを厚くすると、超電導コイルが重量化し、また超電導コイル体の熱容量が増大するという問題が生じる。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、冷凍機冷却型超電導機器において、小型化および軽量化に適した構成によって超電導コイルの冷却効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る超電導コイル体は、超電導導体が巻回されたコイルを複数個積層して構成される超電導コイルと、超電導コイルのコイル軸方向の少なくとも一方の端部に配置される冷却板と、冷却板を覆うようにコイル軸方向に積み重ねられた磁性体とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
上記によれば、冷凍機冷却型超電導機器において、小型化および軽量化に適した構成によって超電導コイルの冷却効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１による超電導機器の全体構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１における超電導コイル体の構成を概略的に示す図である。
【図３】超電導コイル体における冷却板の構成を示す平面模式図である。
【図４】図２のダブルパンケーキコイルの構成を概略的に示す斜視図である。
【図５】超電導コイル体のシミュレーションモデルを示す図である。
【図６】端部コイルにかかる面応力と磁性体の厚みとの関係、および磁性体のヒステリシス損失と厚みとの関係を示す図である。
【図７】端部コイルにかかる面応力の面内分布を示す図である。
【図８】超電導コイル体における磁性体の構成を示す平面模式図である。
【図９】磁性体の変形例の構成を示す平面模式図である。
【図１０】積層板からなる磁性体の構成を概略的に示す一部断面図である。
【図１１】積層板からなる磁性体の変形例の構成を概略的に示す一部断面図である。
【図１２】実施の形態２による超電導機器における超電導コイル体の構成を概略的に示す図である。
【図１３】実施の形態２の変形例による超電導機器における超電導コイル体の構成を概略的に示す図である。
【図１４】実施の形態２の変形例による超電導機器における超電導コイル体の構成を概略的に示す図である。
【図１５】超電導コイル体のシミュレーションモデルを示す図である。
【図１６】実施例１および実施例２の各々についてのパラメータを示す図である。
【図１７】実施例１および２で用いた磁性体の電気抵抗率の温度依存性を示すグラフである。
【図１８】実施例１および２の各々についてのシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施態様の内容を列記して説明する。
【００１３】
（１）本発明の一態様に係る超電導コイル体は、超電導導体が巻回されたコイルを複数個積層して構成される超電導コイルと、超電導コイルのコイル軸方向の少なくとも一方の端部に配置される冷却板と、冷却板を覆うようにコイル軸方向に積み重ねられた磁性体とを備える。
【００１４】
このようにすれば、超電導コイルのコイル軸方向における端部では、磁性体と超電導コイルとの間の磁気吸引力によって冷却板と超電導コイルとの機械的な接触が改善される。これにより、超電導コイルと冷却板との間の熱抵抗を小さくすることができるため、超電導コイルの冷却効率を高めることができる。
【００１５】
また、フランジの撓みを抑えるためにフランジの厚みを厚くすることが不要となることから、フランジの厚みを薄くすることができ、超電導コイル体の小型化および軽量化を実現する。
【００１６】
（２）上記超電導コイル体において、磁性体のコイル軸方向における厚みは１０ｍｍ以下である。
【００１７】
磁性体の厚みを厚くするほど、磁性体に作用する磁気吸引力が大きくなるため、冷却板と超電導コイルとの接触面に働く応力が大きくなって接触面積が増大する。その一方で、磁性体の厚みを厚くするに従って磁性体の可撓性が低下するため、上記接触面における応力に大きな面内ばらつきを生じさせる。また、磁性体のヒステリシス損失が増える。したがって、冷却板と超電導コイルとの良好な接触を確保するのに好適な応力および可撓性と、磁性体の低損失とを実現するためには、磁性体の厚みが１０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００１８】
（３）上記超電導コイル体において、磁性体のコイル軸方向における厚みは５ｍｍ以下である。
【００１９】
フランジから超電導コイルにかかる締め付け圧力は超電導コイルの外周側ほど高くなる一方で、磁性体と超電導コイルとの間の磁気吸引力は超電導コイルの内周側ほど高くなる。磁性体の厚みを５ｍｍ以下にすることにより、上記２つの応力をバランスさせることができるため、冷却板と超電導コイルとの接触面に働く応力の面内ばらつきを低減できる。この結果、冷却板と超電導コイルとの機械的な接触がより一層改善される。また、超電導コイル体のより一層の小型化および軽量化を可能とする。
【００２０】
（４）上記超電導コイル体において、磁性体は、超電導コイルのコイル軸方向における両端部に配置されるフランジの少なくとも一方を構成する。
【００２１】
このようにすれば、フランジと超電導コイルとの間に生じる磁気吸引力を受けて冷却板と超電導コイルとの機械的な接触が実現する。よって、冷却板と超電導コイルとの良好な接触を確保するのに好適な厚みにまでフランジの厚みを薄くすることができるため、超電導コイル体のより一層の小型化および軽量化を可能とする。
【００２２】
（５）上記超電導コイル体において、磁性体は、コイル軸方向における厚みが、コイル径方向の内周側から外周側に向かって大きくなるように形成される。
【００２３】
磁性体の厚みを均一とした場合、磁性体と超電導コイルとの間の磁気吸引力は超電導コイルの内周側に向かうほど大きくなる。磁性体の内周側の厚みを薄くして磁気吸引力を減少させることによって、外周側における磁気吸引力との差を縮めることができるため、冷却板と超電導コイルとの接触面に働く応力の面内ばらつきを低減できる。
【００２４】
（６）上記超電導コイル体において、磁性体には、コイル軸方向に垂直な面内にスリットが形成される。
【００２５】
このようにすれば、磁性体の可撓性が向上するため、磁性体は超電導コイルとの間の磁気吸引力を受けて変形しやすくなる。これにより、冷却板と超電導コイルとの機械的な接触がさらに改善される。
【００２６】
（７）上記超電導コイル体において、磁性体は、コイル軸方向に垂直な面内で分割された複数の磁性片により形成される。
【００２７】
このようにすれば、磁性体の可撓性が向上するため、磁性体は超電導コイルとの間の磁気吸引力を受けて変形しやすくなる。これにより、冷却板と超電導コイルとの機械的な接触がさらに改善される。
【００２８】
（８）上記超電導コイル体において、磁性体は、複数の磁性板をコイル軸方向に積層させることによって形成される。
【００２９】
磁性体として積層板を用いることにより、単層板を用いる場合と比較して磁性体の可撓性が向上する。したがって、冷却板と超電導コイルとの機械的な接触がさらに改善される。
【００３０】
（９）上記超電導コイル体において、複数の磁性板は、超電導コイルのコイル径方向の外周側に配置された第１の磁性板と、第１の磁性板に対してコイル径方向の内周側に配置された部分を含み、コイル軸方向における上記部分の厚みが第１の磁性板の厚みよりも薄い第２の磁性板とを含む。
【００３１】
このようにすれば、積層板からなる磁性体は、コイル軸方向における厚みが、コイル径方向の内周側から外周側に向かって大きくなるように形成される。したがって、超電導コイル体は上記（４）で説明した作用効果を実現する。
【００３２】
（１０）上記超電導コイル体において、複数の磁性板の少なくとも１つには、コイル軸方向に垂直な面内にスリットが形成される。
【００３３】
このようにすれば、積層板からなる磁性体の可撓性が向上するため、冷却板と超電導コイルとの機械的な接触がさらに改善される。
【００３４】
（１１）上記超電導コイル体において、複数の磁性板の少なくとも１つは、コイル軸方向に垂直な面内で分割された複数の磁性片により形成される。
【００３５】
このようにすれば、積層板からなる磁性体の可撓性が向上するため、冷却板と超電導コイルとの機械的な接触がさらに改善される。
【００３６】
（１２）上記超電導コイル体において、磁性体は、超電導コイルの運転温度における電気抵抗率が、１×１０−９Ωｍ以上である。
【００３７】
このようにすれば、超電導コイル体の運転時に磁性体に発生する渦損を効果的に抑制することができる。このため、磁性体内部に形成される渦電流の経路を小さくするために磁性体を複数の磁性片に分割したり、磁性体にスリットを設けることが不要となる。したがって、磁性体の構成を簡素化できるとともに、コスト低減についても寄与できる。
【００３８】
（１３）本発明の一態様に係る超電導機器は、上記（１）から（１２）のいずれかに記載の超電導コイル体を備える。
【００３９】
このようにすれば、小型化および軽量化され、かつ、高い冷却効率を有する超電導コイル体を用いることにより、超電導機器の小型化および軽量化を実現できる。
【００４０】
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態に係る超電導コイル体および超電導機器の具体例を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００４１】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１による超電導機器の全体構成を概略的に示す断面図である。本実施の形態による超電導機器１００は、超電導コイルを冷凍機で冷却する冷凍機冷却型の超電導機器である。
【００４２】
図１を参照して、超電導機器１００は、超電導コイル体９１と、断熱容器１１１と、冷凍機１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２とを備える。断熱容器１１１は超電導コイル体９１を収容する。本実施の形態においては、磁場が印加される試料（図示せず）を収容するための磁場印加領域ＳＣが断熱容器１１１内に設けられている。
【００４３】
図２は、図１における超電導コイル体９１の構成を概略的に示す図である。
図２を参照して、超電導コイル体９１は、コイル部１０と、磁性体１３ａ，１３ｂと、フランジ１４ａ，１４ｂと、固定部材１５と、冷却ヘッド２０と、伝熱部３０と、芯部８１とを含む。
【００４４】
コイル部１０は、超電導線材が巻回されることによって形成されており、磁束ＭＦを発生するためのものである。コイル部１０は、磁束ＭＦが通過する端部（図２における上端および下端）を有する。コイル部１０は、複数のダブルパンケーキコイル１１を含む。軸方向Ａａはダブルパンケーキコイル１１の積層方向に対応しており、径方向Ａｒは当該積層方向に垂直な方向（ダブルパンケーキコイル１１の中心から外周に向かう方向）に対応している。
【００４５】
冷却ヘッド２０は、コイル部１０を冷却するためのものであり、冷却可能な端部２１と、端部２１および冷凍機１２１（図１）の間を繋ぐ接続部２２とを含む。
【００４６】
伝熱部３０は、複数の冷却板３１からなる冷却板群と、固定具３２とを含む。図３は、超電導コイル体９１における冷却板３１の構成を示す平面模式図である。図２および図３を参照して、複数の冷却板３１の各々はコイル部１０に取り付けられている。固定具３２は冷却ヘッド２０の端部に取り付けられている。固定具３２は冷却板群を把持している。冷却板群のうち固定具３２に把持されている部分において、複数の冷却板３１は互いに直接積層されている。このような構造によって、伝熱部３０はコイル部１０および冷却ヘッド２０を互いに繋いでいる。
【００４７】
コイル部１０と、冷却板群のコイル部１０に取り付けられた部分とは、冷却板３１とダブルパンケーキコイル１１とが交互に積層された構成を有している。冷却板３１の材料は、熱伝導率および可撓性が大きい材料が好ましく、たとえばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）である。Ａｌ（またはＣｕ）の純度は９９．９％以上が好ましい。冷却板３１は、固定具３２まで延びることができるように、折曲部ＦＤを有してもよい。冷却板３１には、コイル部１０の径方向に沿って、渦損抑制のためのスリット４１が形成されている。
【００４８】
固定具３２は、部材３２ａ，３２ｂと、ねじ３４ａ，３４ｂとを含む。部材３２ａおよび３２ｂの間の隙間に冷却板群が挟まれており、かつ、ねじ３４ａで締め付けることによって、冷却板群が固定具３２に把持されている。すなわち、複数の冷却板３１がともに固定具３２に把持されている。ねじ３４ｂは、部材３２ａ，３２ｂの各々が冷却ヘッド２０の端部２１の側面を締め付けることができるように設けられている。これにより固定具３２は冷却ヘッド２０の端部２１に取り付けられている。
【００４９】
図４は、図２のダブルパンケーキコイル１１の構成を概略的に示す斜視図である。図４を参照して、ダブルパンケーキコイル１１は、互いに積層されたパンケーキコイル１２ａ，１２ｂを含む。パンケーキコイル１２ａにおける超電導線材の巻回し方向Ｗａと、パンケーキコイル１２ｂにおける超電導線材の巻回し方向Ｗｂとは互いに逆である。パンケーキコイル１２ａの内周側に位置する超電導線材の端部ＥＣｉと、パンケーキコイル１２ｂの内周側に位置する超電導線材の端部ＥＣｉとは、互いに電気的に接続されている。これにより、パンケーキコイル１２ａの外周側に位置する端部ＥＣｏと、パンケーキコイル１２ｂの外周側に位置する端部ＥＣｏとの間で、パンケーキコイル１２ａ，１２ｂは互いに直列に接続されている。
【００５０】
複数のダブルパンケーキコイル１１のうち、互いに隣り合うものの各々の端部ＥＣｏは互いに電気的に接続されている。これにより、複数のダブルパンケーキコイル１１は互いに直列に接続されている。
【００５１】
なお、超電導線材は、帯状面に対して垂直な方向の磁場（垂直磁場）が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有する。このため、コイル部１０（図２）においては、軸方向Ａａにおける端部に位置するダブルパンケーキコイル１１（以下、「端部コイル」とも称する。）は、軸方向Ａａにおける中央部に位置するダブルパンケーキコイル１１（以下、「中央部コイル」とも称する。）に比べて、垂直磁場の強度が大きくなることに起因して発熱が多くなりやすい。したがって、コイル部１０の冷却効率を高めるためには、端部コイルに生じる熱を効率良く除去することが必要となる。
【００５２】
再び図２を参照して、フランジ１４ａ，１４ｂは、コイル部１０の軸方向Ａａにおける両端部にそれぞれ配置されている。フランジ１４ａ，１４ｂは、例えば真鍮またはＳＵＳ（Steel  Use  Stainless）等の金属材料から構成される。フランジ１４ａ，１４ｂの各々は、ダブルパンケーキコイル１１の平面形状より大きいサイズであって、たとえば円形状の平面形状を有していてもよい。フランジ１４ａ，１４ｂは、固定部材１５により、コイル部１０の上端面および下端面を挟んだ状態で固定されている。
【００５３】
具体的には、固定部材１５は、連結用ボルト１５ａおよびナット１５ｂを含む。フランジ１４ａ，１４ｂの各々にはたとえば外周に沿って複数の貫通孔が形成されている。このフランジ１４ａの貫通孔とフランジ１４ｂの貫通孔とに連結用ボルト１５ａが挿入された状態となっている。連結用ボルト１５ａの先端部には、連結用ボルト１５ａが貫通孔から抜けないようにするためのナット１５ｂが接続固定されている。ナット１５ｂの締め付け圧力を受けてフランジ１４ａからコイル部１０の上端面に対して面圧が作用するとともに、フランジ１４ｂからコイル部１０の下端面に対して面圧が作用する。このようにして、コイル部１０は冷却板３１とともにフランジ１４ａおよび１４ｂに把持されている。
【００５４】
ここで、上述したように、コイル部１０の冷却効率を高めるためには、発熱が多い端部コイルを効率的に冷却する必要がある。このための単純な方法として、ナット１５ｂを強く締め付けることによって端部コイルと冷却板３１との機械的な接触を良くすることが考えられる。しかしながら、ナット１５ｂの締め付け圧力を単純に大きくすると、フランジ１４ａ，１４ｂの内周側が冷却板３１から浮き上がる方向にフランジ１４ａ，１４ｂが撓んでしまうため、端部コイルと冷却板３１との密着性が損なわれる。その結果、端部コイルの軸方向Ａａに垂直な面内で冷却板３１と端部コイルとの接触面に働く応力が不均一となり、端部コイルと冷却板３１との間の熱抵抗を増加させてしまう（すなわち、熱伝導性を低下させてしまう）。
【００５５】
一方、フランジ１４ａ，１４ｂの撓みを抑制するためにフランジ１４ａ，１４ｂの厚みを厚くすると、超電導コイル体９１が重量化し、また超電導コイル体９１の熱容量が増大するという問題が生じる。そのため、これに代わる方法として、フランジ１４ａ，１４ｂと冷却板３１との間の隙間に詰め物をする、あるいは、フランジ１４ａ，１４ｂと冷却板３１との間にたとえばインジウムのような柔軟な熱伝導材料を挟むといった方法が採られている。
【００５６】
本実施の形態１による超電導コイル体９１においては、図２に示すように、コイル部１０の上端面に配置された冷却板３１とフランジ１４ａとの間に磁性体１３ａが配置されている。さらに、コイル部１０の下端面に配置された冷却板３１とフランジ１４ｂとの間に磁性体１３ｂが配置されている。このような構成とすることにより、コイル部１０に発生する磁束ＭＦと磁性体１３ａ，１３ｂとの磁気的相互作用によって、磁性体１３ａ，１３ｂとコイル部１０との間には吸引力が発生する。超電導コイル体９１は、この磁気吸引力を利用して冷却板３１を端部コイルに接触させることにより、冷却板３１と端部コイルとの密着性を確保する。これにより、冷却板３１と端部コイルとの機械的な接触が改善されるため、端部コイルと冷却板３１との間の熱抵抗を小さくする（すなわち、熱伝導性を高める）ことができる。
【００５７】
以下、本実施の形態１による超電導コイル体９１における磁性体１３ａ，１３ｂの構造を説明する。
【００５８】
図２を参照して、磁性体１３ａは、コイル部１０の上端面に配置された冷却板３１を覆うように積み重ねられている。すなわち冷却板３１、磁性体１３ａおよびフランジ１４ａは、端部コイルの上にこの順で軸方向Ａａに積み重ねられている。磁性体１３ｂは、コイル部１０の下端面に配置された冷却板３１を覆うように積重ねられている。すなわち冷却板３１、磁性体１３ｂおよびフランジ１４ｂは、端部コイルの下にこの順で軸方向Ａａに積み重ねられている。磁性体１３ａ，１３ｂの材料は、高透磁率を有する材料が好ましく、たとえば、鉄、電磁軟鉄、電磁鋼、パーマロイ合金、またはアモルファス磁性合金である。磁性体１３ａ，１３ｂは、ダブルパンケーキコイル１１の平面形状とほぼ同じか又はより大きい形状を有しており、たとえば円形状の平面形状を有していてもよい。
【００５９】
ここで、磁性体１３ａ，１３ｂは、コイル部１０との間の磁気吸引力によってコイル部１０の中央部に向かって吸引されるのを許容するために、可撓性を有する必要がある。したがって、磁性体１３ａ，１３ｂに作用する磁気吸引力を低下させない限りにおいて、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを薄くすることが望ましい。
【００６０】
磁性体１３ａ，１３ｂの好適な厚みについては、たとえば磁性体１３ａ，１３ｂに作用する磁気吸引力を受けて端部コイルにかかる面応力と、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みとの関係を用いて設定することができる。この端部コイルにかかる面応力と磁性体１３ａ，１３ｂの厚みとの関係は、たとえば電磁界解析シミュレータを用いて超電導コイル体９１を電磁界解析することにより求めることができる。
【００６１】
図５および図６を用いて、端部コイルにかかる面応力と磁性体１３ａ，１３ｂの厚みとの関係を解析したシミュレーション結果について説明する。図５は、超電導コイル体９１のシミュレーションモデルを示す図である。超電導コイル体９１は、複数のダブルパンケーキコイル１１からなるコイル部１０と、コイル部１０の上端面および下端面にそれぞれ配置された磁性体１３ａ，１３ｂとを含んでいる。シミュレーションモデルでは、コイル部１０の高さをｈ［ｍｍ］とし、外径を２Ｒ［ｍｍ］とし、内径を２ｒ［ｍｍ］とし、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みをｔ［ｍｍ］とする。また、ダブルパンケーキコイル１１における超電導線材のターン数、ダブルパンケーキコイル１１の個数および通電電流［Ａ］、コイル部１０の中心軸における中央部に生じる磁場［Ｔ］をそれぞれ設定する。
【００６２】
このように設定された各パラメータの下で、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みｔのみを変化させながら、コイル部１０と磁性体１３ａ，１３ｂとの間に生じる磁気吸引力を算出した。そして、算出された磁気吸引力を用いて端部コイルにかかる面応力を導出した。シミュレーションにおいてはさらに、磁性体１３ａ，１３ｂのヒステリシス損失を導出した。
【００６３】
図６に、端部コイルにかかる面応力と磁性体の厚みとの関係、および磁性体のヒステリシス損失と厚みとの関係を示す。図６に示すグラフのうち、横軸は、磁性体１３ａ，１３ｂの厚み［ｍｍ］を示し、縦軸は、端部コイルにかかる面応力［ＭＰａ］および磁性体１３ａ，１３ｂのヒステリシス損失［Ｗ］を示す。図６に示す関係は、シミュレーションモデル（図５）のコイル部１０の高さｈを１４５ｍｍ，外径２Ｒを１６０ｍｍ，内径２ｒを１００ｍｍとしたときのシミュレーション結果に基づいている。
【００６４】
図６を参照して、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みが厚くなるほど、コイル部１０との間の磁気吸引力が強まるため、端部コイルにかかる面応力が大きくなる。したがって、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを厚くするほど、冷却板３１と端部コイルとの接触面に働く応力が大きくなり、接触面積が増えるものと推測される。
【００６５】
ただし、図６の関係によれば、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みが１０ｍｍを超えると、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みが１０ｍｍ以下のときと比べて、磁性体の厚みの変化に対する面応力の応答性が下がっている。
【００６６】
その一方で、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みが厚くなるほど、磁性体１３ａ，１３ｂのヒステリシス損失が大きくなっている。このヒステリシス損失によって磁性体１３ａ，１３ｂが少なからず加熱されるため、磁性体１３ａ，１３ｂを厚くすることによって却って端部コイルの冷却を妨げることが懸念される。
【００６７】
また、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを厚くするに従って磁性体１３ａ，１３ｂの可撓性が低下する。このため、端部コイルにかかる面応力に大きな面内ばらつきが生じてしまう。この結果、冷却板３１と端部コイルとの接触面における応力が面内で不均一となり、冷却板３１と端部コイルとの機械的な接触を良くすることが困難となる。
【００６８】
そこで、本実施の形態１による超電導コイル体９１においては、図６に示す端部コイルにかかる面応力と磁性体の厚みとの関係に基づき、冷却板３１と端部コイルとの良好な接触を確保するのに好適な面応力および可撓性と、磁性体の低損失とを実現する観点から、磁性体１３ａ，１３ｂの好適な厚みを１０ｍｍ以下とする。これは、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みが１０ｍｍを超えると、磁性体の厚みに対する面応力の応答性が低下することを考慮したものである。
【００６９】
さらに、超電導コイル体９１の電磁界解析において、端部コイルにかかる面応力について、軸方向Ａａに垂直な面内における分布を解析した。図７にそのシミュレーション結果を示す。シミュレーションにおいては、コイル部１０の高さｈを１４５ｍｍ，外径２Ｒを１６０ｍｍ，内径２ｒを１００ｍｍ，磁性体１３ａ，１３ｂの厚みｔを５ｍｍとし、磁性体１３ａを径方向Ａｒに３つに分割した。そして、領域ごとに磁気吸引力［ｋＮ］および面応力［ＭＰａ］を導出した。
【００７０】
図６に示したように、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みが５ｍｍのときに端部コイルにかかる面応力は０．９ＭＰａとなる。なお、このときのコイル部１０および磁性体１３ａの間の磁気吸引力は１１ｋＮとなる。このときの磁性体１３ａの領域ごとの磁気吸引力は、図７に示すように、内周側の領域が６．１ｋＮと最も大きく、外周側の領域が２．２ｋＮと最も小さくなっている。その結果、磁性体１３ａの領域ごとの面応力は、内周側の領域が１．６ＭＰａと最も大きく、外周側の領域が０．４７ＭＰａと最も小さくなっている。これにより端部コイルの面全体としては、上述したように０．９ＭＰａという面応力がかかっている。
【００７１】
このように、磁気吸引力によって端部コイルにかかる面応力は、端部コイルの内周側が最も大きく、端部コイルの径方向外方に向かって小さくなる。ここで、非励磁状態での端部コイルにかかる面応力が０．５ＭＰａとなるようにナット１５ｂ（図２）を締め付ける場合を想定する。この場合、端部コイルの外周側にかかる締め付け圧力は６．１ｋＮとなる。この締め付け圧力は、励磁状態での端部コイルの内周側に作用する磁気吸引力６．１ｋＮと等しくなっている。したがって、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを５ｍｍとすることにより、磁性体１３ａ，１３ｂを励磁したときに端部コイルにかかる面応力は内周側と外周側とで同等となるため、面応力の面内ばらつきが低減されることが分かる。このように端部コイルにかかる締め付け圧力と磁気吸引力とのバランスを考慮すると、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みは５ｍｍ以下とすることがより好ましい。
【００７２】
なお、非励磁状態での端部コイルにかかる面応力が２．０ＭＰａとなるようにナット１５ｂを締め付ける場合では、端部コイルにかかる面応力の面内ばらつきを小さくするためには、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを１０ｍｍ以下とすればよいことが確認されている。
【００７３】
以上のように、磁性体の厚みに対する面応力の応答性、磁性体のヒステリシス損失および可撓性、および端部コイルにかかる締め付け圧力と磁気吸引力とのバランスを考慮すると、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みは１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがより好ましい。
【００７４】
次に、図８および図９を用いて、磁性体１３ａ，１３ｂの平面形状について説明する。
図８は、超電導コイル体９１における磁性体１３ａの構成を示す平面模式図である。磁性体１３ｂも磁性体１３ａと同様の構成を有する。
【００７５】
図８を参照して、磁性体１３ａは、冷却板３１の平面形状と同じか又はより大きい形状を有しており、たとえば円形状の平面形状を有していてもよい。冷却板３１に磁性体１３ａを直接的に積み重ねる場合には、図８に示すように、磁性体１３ａには、冷却板３１に形成されるスリット４１（図３）に重なる位置にスリット５０が形成される。これにより、冷却板３１から磁性体１３ａに侵入した磁束によって渦電流の経路が形成されるのを抑制することができる。
【００７６】
さらに、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、磁性体１３ａにスリットを形成する、または磁性体１３ａを複数の磁性片に分割することによって、磁性体１３ａの可撓性を高めることができる。
【００７７】
具体的には、図９（ａ）を参照して、磁性体１３ａは、各々が扇形形状を有する複数の磁性片５１〜５８により形成される。あるいは、図９（ｄ）に示すように、磁性体１３ａは、各々が円環形状を有する複数の磁性片６１〜６５により形成される。また、図９（ｂ）および図９（ｃ）において、磁性体１３ａには、コイル部１０の軸方向に垂直な面内において、中心部から放射状に広がるように複数のスリット６０が形成されている。
【００７８】
このようにして磁性体１３ａ，１３ｂの可撓性を高めることによって、磁性体１３ａ，１３ｂはコイル部１０との間の磁気吸引力を受けて変形しやすくなるため、端部コイルにかかる面応力の面内ばらつきが低減される。この結果、冷却板３１と端部コイルとの機械的な接触がさらに改善されるため、端部コイルと冷却板３１との間の熱抵抗をより一層小さくする（すなわち、熱伝導性をより一層高める）ことができる。また、磁性体１３ａ，１３ｂの内部に形成される渦電流の経路が小さくなるため、磁性体１３ａ，１３ｂに発生する渦損を抑制できる。
【００７９】
また、磁性体１３ａ，１３ｂは、単層の磁性板で形成してもよい。あるいは、複数の磁性板を積層することによって形成してもよい。図１０には、一例として、磁性体１３ａを、同一の厚みを有する複数の磁性板１３ａ１〜１３ａ５を積層して形成した構成が示されている。このように磁性体１３ａ，１３ｂとして積層板を用いることにより、単層板を用いる場合と比較して、磁性体１３ａ，１３ｂの可撓性を高めることができる。よって、端部コイルにかかる面応力の面内ばらつきをさらに低減することができる。
【００８０】
なお、複数の磁性板１３ａ１〜１３ａ５の数は、磁性体１３ａの厚みに応じて調整することができる。また、磁性板１３ａ１〜１３ａ５の厚みを合計した値が磁性体１３ａの好適な厚みとなっていればよく、磁性板１３ａ１〜１３ａ５の各々の厚みは同一であっても異なっていてもよい。
【００８１】
また、複数の磁性板１３ａ１〜１３ａ５のうちの少なくとも１つに対して、図９（ａ）〜（ｄ）に示したように、軸方向に垂直な面内にスリットを形成する、または軸方向に垂直な面内で複数の磁性片に分割する構成としてもよい。これにより磁性体１３ａの可撓性を高めることができる。
【００８２】
ここで、図６に示したように、コイル部１０と磁性体１３ａ，１３ｂの間に発生する磁気吸引力（端部コイルにかかる面応力）は磁性体１３ａ，１３ｂの厚みが厚くなるほど大きくなる。したがって、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みをコイル部１０の径方向において異ならせる構成とすれば、端部コイルにかかる面応力を面内で調整できるため、面応力の面内ばらつきを小さくすることができる。
【００８３】
たとえば、図１１を参照して、磁性体１３ａは、２枚の磁性板１３ａ１，１３ａ２を積層することによって形成される。磁性板１３ａ１，１３ａ２は、磁性板１３ａ１の方が磁性板１３ａ２よりも、厚みが厚く、かつ内径が大きくなるように形成されている。すなわち、磁性板１３ａ２は、磁性板１３ａ１に対して径方向の内周側に配置された部分を含んでおり、軸方向における当該部分の厚みが磁性板１３ａ１の厚みよりも薄くなっている。これにより、磁性体１３ａは、コイル部１０の径方向の内周側から外周側に向かって厚みが大きくなるように形成される。
【００８４】
なお、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みをコイル部１０の径方向の内周側から外周側に向かって大きくするという構成は、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを段階的に大きくする構成以外に、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを連続的に大きくする構成によっても実現することができる。また、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを段階的に大きくする構成には、図１１に示すように、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを、内周側と外周側とで２段階に変化させる構成も含まれる。いずれの構成においても、磁性体１３ａ，１３ｂの厚みを径方向に平均した値が磁性体の好適な厚みとなっていればよい。
【００８５】
図７に示したように、磁性体１３ａの厚みを均一とした場合、磁性体１３ａとコイル部１０との間の磁気吸引力（端部コイルにかかる面応力）は、端部コイルの内周側が最も大きく、端部コイルの径方向外方に向かって小さくなる。
【００８６】
これに対して、図１１に示すように磁性体１３ａの内周側の厚みを薄くした場合には、磁性体１３ａの内周側の領域に生じる磁気吸引力が小さくなるため、当該領域にかかる面応力も小さくなる。したがって、内周側の領域にかかる面応力と外周側の領域にかかる面応力とが同等となるように磁性体１３ａの内周側の厚みを調整することにより、端部コイルにかかる面応力の面内ばらつきを低減することができる。この結果、冷却板３１と端部コイルとの機械的な接触が改善されるため、冷却板３１と端部コイルとの間の熱抵抗が小さくなる。
【００８７】
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、超電導コイル体のコイル部の軸方向における端部に配置される冷却体とフランジとの間に磁性体を配置することにより、磁性体とコイル部との間に発生する磁気吸引力を利用して冷却板と端部コイルとの機械的な接触を良くすることができる。この結果、端部コイルと冷却板との間の熱抵抗が小さくなるため、コイル部の冷却効率を高めることができる。
【００８８】
また、磁性体が冷却板と端部コイルとの機械的な接触を確保するため、フランジの撓みを抑えるためにフランジの厚みを厚くすることが不要となる。したがって、フランジの厚みを薄くすることが可能となり、超電導コイル体の小型化および軽量化が実現する。
【００８９】
（実施の形態２）
上述のこの発明の実施の形態１による超電導コイル体では、コイル部の軸方向における端部に配置される冷却板とフランジとの間に磁性体を配置する構成について説明したが、フランジ自体を磁性体で形成することでフランジとコイル部との間に磁気吸引力を発生させる構成としてもよい。この発明の実施の形態２では、フランジ自体を磁性体で形成する構成について説明する。
【００９０】
図１２は、この発明の実施の形態２による超電導機器における超電導コイル体９１Ａの構成を概略的に示す図である。この発明の実施の形態２による超電導機器の全体構成は、超電導コイル体９１Ａの構成を除いて図１と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００９１】
図１２を参照して、超電導コイル体９１Ａは、図２に示す超電導コイル体９１において、フランジ１４ａ，１４ｂおよび磁性体１３ａ，１３ｂに代えて、フランジ１６ａ，１６ｂを設けたものである。
【００９２】
フランジ１６ａ，１６ｂは、コイル部１０の軸方向Ａａにおける両端部にそれぞれ配置されている。フランジ１６ａ，１６ｂの各々は、ダブルパンケーキコイル１１の平面形状より大きいサイズであって、たとえば円形状の平面形状を有していてもよい。フランジ１６ａ，１６ｂは、固定部材１５により、コイル部１０の上端面および下端面を挟んだ状態で固定されている。
【００９３】
具体的には、固定部材１５は、連結用ボルト１５ａおよびナット１５ｂを含む。フランジ１６ａ，１６ｂの各々は、たとえば外周に沿って複数の貫通孔が形成されている。このフランジ１６ａの貫通孔とフランジ１６ｂの貫通孔とに連結用ボルト１５ａが挿入された状態となっている。連結用ボルト１５ａの先端部には、連結用ボルト１５ａが貫通孔から抜けないようにするためのナット１５ｂが接続固定されている。ナット１５ｂの締め付け圧力を受けてフランジ１６ａからコイル部１０の上端面に対して面圧が作用するとともに、フランジ１６ｂからコイル部１０の下端面に対して面圧が作用する。このようにして、コイル部１０は冷却板３１とともにフランジ１６ａおよび１６ｂに把持されている。
【００９４】
本実施の形態２による超電導コイル体９１Ａにおいて、フランジ１６ａ，１６ｂは磁性体から形成されている。フランジ１６ａ，１６ｂの材料は、高透磁率を有する材料が好ましく、たとえば、鉄、電磁軟鉄、電磁鋼、パーマロイ合金、またはアモルファス磁性合金である。
【００９５】
このような構成とすることにより、コイル部１０に発生する磁束ＭＦとフランジ１６ａ，１６ｂとの磁気的相互作用によって、フランジ１６ａ，１６ｂとコイル部１０との間には吸引力が発生する。超電導コイル体９１Ａにおいては、この磁気吸引力を利用して冷却板３１を端部コイルに接触させることにより、冷却板３１と端部コイルとの密着性が確保される。これにより、冷却板３１と端部コイルとの機械的な接触が改善されるため、端部コイルと冷却板３１との間の熱抵抗を小さくする（すなわち、熱伝導性を高める）ことができる。
【００９６】
ここで、フランジ１６ａ，１６ｂは、コイル部１０との間の磁気吸引力によってコイル部１０の中央部に向かって吸引されるのを許容するために、柔軟性を有する必要がある。したがって、フランジ１６ａ，１６ｂに作用する磁気吸引力を低下させない限りにおいて、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みを薄くすることが望ましい。
【００９７】
フランジ１６ａ，１６ｂの好適な厚みについては、フランジ１６ａ，１６ｂに作用する磁気吸引力を受けて端部コイルにかかる面応力とフランジ１６ａ，１６ｂの厚みとの関係を用いて設定することができる。この端部コイルにかかる面応力とフランジ１６ａ，１６ｂの厚みとの関係については、図６に示した端部コイルにかかる面応力と磁性体の厚みとの関係を用いることができる。すなわち、上述の実施の形態１で説明したように、磁性体の厚みに対する面応力の応答性、磁性体のヒステリシス損失および可撓性、および端部コイルにかかる締め付け圧力と磁気吸引力とのバランスを考慮すると、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みは１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがより好ましい。
【００９８】
次に、フランジ１６ａ，１６ｂの詳細な構造について説明する。
フランジ１６ａ，１６ｂは、ダブルパンケーキコイル１１の平面形状より大きいサイズであって、たとえば円形状の平面形状を有していてもよい。冷却板３１にフランジ１６ａ，１６ｂを直接的に積み重ねる場合には、フランジ１６ａ，１６ｂには、冷却板３１に形成されるスリット４１（図３）に重なる位置にスリットが形成される。これにより、冷却板３１からフランジ１６ａ，１６ｂに侵入した磁束によって渦電流の経路が形成されるのを抑制することができる。
【００９９】
また、フランジ１６ａ，１６ｂは、上記の実施の形態１における磁性体１３ａ，１３ｂと同様に、コイル部１０の軸方向に垂直な面内にスリットを形成する（図９（ｂ），（ｃ））、またはコイル部１０の軸方向に垂直な面内で分割された複数の磁性片により形成する（図９（ａ），（ｄ））ようにしてもよい。これによりフランジ１６ａ，１６ｂはコイル部１０との間の磁気吸引力を受けて変形しやすくなるため、端部コイルにかかる面応力の面内ばらつきが低減される。この結果、冷却板３１と端部コイルとの機械的な接触がさらに改善されるため、端部コイルと冷却板３１との間の熱抵抗をより小さくする（すなわち、熱伝導性をより高める）ことができる。また、フランジ１６ａ，１６ｂの内部に形成される渦電流の経路が小さくなるため、フランジ１６ａ，１６ｂに発生する渦損を抑制できる。
【０１００】
さらに、フランジ１６ａ，１６ｂは、単層の磁性板で形成してもよい。あるいは、複数の磁性板を積層することによって形成してもよい（図１０）。なお、複数の磁性板数は、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みに応じて調整することができる。また、複数の磁性板の厚みを合計した値がフランジ１６ａ，１６ｂの好適な厚みとなっていればよく、複数の磁性板の各々の厚みは同一であっても異なっていてもよい。
【０１０１】
また、複数の磁性板のうちの少なくとも１つに対して、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、軸方向に垂直な面内にスリットを形成する、または軸方向に垂直な面内で複数の磁性片に分割する構成としてもよい。これによりフランジ１６ａ，１６ｂの可撓性を高めることができる。
【０１０２】
さらに、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みをコイル部１０の径方向において異ならせる構成としてもよい。これによれば、端部コイルにかかる面応力を面内で調整できるため、面応力の面内ばらつきを小さくすることができる。
【０１０３】
たとえば、図１３を参照して、フランジ１６ａ，１６ｂの各々は、コイル部１０の径方向の内周側から外周側に向かって厚みが大きくなるように形成される。このように、磁性体１３ａの内周側の厚みを薄くすることにより、フランジ１６ａ，１６ｂの内周側の領域に生じる磁気吸引力が小さくなるため、当該領域にかかる面応力も小さくなる。したがって、内周側の領域にかかる面応力が外周側の領域にかかる面応力と等しくなるようにフランジ１６ａ，１６ｂの内周側の厚みを調整することにより、面応力の面内ばらつきを低減することができる。
【０１０４】
なお、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みをコイル部１０の径方向の内周側から外周側に向かって大きくするという構成は、図１３に示すようにフランジ１６ａ，１６ｂの厚みを段階的に大きくする構成以外に、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みを連続的に大きくする構成によっても実現することができる。また、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みを段階的に大きくする構成には、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みを、内周側と外周側とで２段階に変化させる構成も含まれる。いずれの構成においても、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みを径方向に平均した値がフランジの好適な厚みとなっていればよい。
【０１０５】
以上のように、この発明の実施の形態２によれば、超電導コイル体のコイル部の軸方向における端部に配置される冷却体を覆うように、磁性体からなるフランジを配置することにより、フランジとコイル部との間に発生する磁気吸引力を利用して冷却板と端部コイルとの機械的な接触を良くすることができる。この結果、端部コイルと冷却板との間の熱抵抗が小さくなるため、コイル部の冷却効率を高めることができる。
【０１０６】
また、冷却板と端部コイルとの良好な接触を確保するのに好適な厚みにまでフランジを薄くすることが可能となり、超電導コイル体の小型化および軽量化が実現する。
【０１０７】
なお、上述の実施の形態１および２では、コイル部１０の上端面および下端面に配置された冷却板３１にそれぞれ対応させて磁性体１３ａ，１３ｂを配置する構成について説明したが、この構成に限られることはなく、コイル部１０の少なくとも一方の端部に磁性体が配置されていればよい。
【０１０８】
たとえば図１４に示す超電導機器においては、２つの超電導コイル体９１Ａ１，９１Ａ２は、各々のコイル部１０の中心軸が一致するように配置されている。このような構成においては、各々の超電導コイル体において、コイル部１０の軸方向Ａａにおける一方の端部の垂直磁場の強度が、他方の端部の垂直磁場の強度よりも大きくなる。したがって、垂直磁場の強度が大きくなる方の端部にのみ磁磁性体を配置するようにしてもよい。
【０１０９】
具体的には、図１４を参照して、超電導コイル体９１Ａ１におけるコイル部１０の上端部に位置するダブルパンケーキコイル１１と、超電導コイル体９１Ａ２におけるコイル部１０の下端部に位置するダブルパンケーキコイル１１とは、磁束ＭＦが通過する端部に位置する端部コイルに相当する。そのため、他のダブルパンケーキコイル１１に比べて垂直磁場の強度が大きくなり、発熱が多くなる。そこで、これら２つの端部コイルに生じる熱を効率良く除去するために、超電導コイル体９１Ａ１において、軸方向Ａａの上端側に位置するフランジ１６ａを磁性体で形成するとともに、超電導コイル体９１Ａ２において、軸方向Ａａの下端側に位置するフランジ１６ｂを磁性体で形成する。なお、超電導コイル体９１Ａ１において、軸方向Ａａの下端側に位置するフランジ１４ｂと、超電導コイル体９１Ａ２において、軸方向Ａａの上端側に位置するフランジ１４ａとは、例えば真鍮またはＳＵＳ等の金属材料から構成されている。
【０１１０】
（実施の形態３）
この発明の実施の形態による超電導コイル体において、磁性体には渦損の発生を小さくすることが求められる。これを実現するため、上述の実施の形態１および２では、磁性体を複数の磁性片で構成する（図９（ａ），（ｄ）参照）、磁性体にスリットを設ける（図９（ｂ），（ｃ）参照）、または複数の磁性板を積層させる（図１０）ことにより、磁性体内部に形成される渦電流の経路を小さくする構成について説明した。
【０１１１】
この発明の実施の形態３では、磁性体の電気抵抗率を大きくすることにより、渦損を低減させる構成について説明する。
【０１１２】
本実施の形態３では、シミュレーション実験を行ない、磁性体の電気抵抗率と磁性体に発生する渦損との関係を調べた。この実験には、フランジを磁性体で形成した超電導コイル体（図１２参照）について、コイル部およびフランジの各々を同一形状として、フランジを電気抵抗率が異なる２種類の磁性体で形成した実施例１および実施例２を用いた。
【０１１３】
図１５は、超電導コイル体９１Ａのシミュレーションモデルを示す図である。図１５を参照して、超電導コイル体９１Ａは、複数のダブルパンケーキコイル１１からなるコイル部１０と、コイル部１０の上端面および下端面にそれぞれ配置されたフランジ（磁性体）１６ａ，１６ｂとを含んでいる。シミュレーションモデルでは、コイル部１０の高さをｈ［ｍｍ］とし、外径を２Ｒ［ｍｍ］とし、内径を２ｒ［ｍｍ］とする。また、フランジ１６ａ，１６ｂの厚みをｔ［ｍｍ］とし、外径をφ［ｍｍ］とし、内径を２ｒ［ｍｍ］とする。
【０１１４】
図１６は、実施例１および実施例２の各々についてのパラメータを示す図である。図１６を参照して、実施例１と実施例２とは、コイル部１０およびフランジ１６ａ，１６ｂの各々が同一形状であり、フランジ１６ａ，１６ｂを形成する磁性体のみが異なっている。実施例１では、フランジ１６ａ，１６ｂは純鉄から形成されている。実施例２では、フランジ１６ａ，１６ｂはＳＵＳ４１６（クロム含有量１３重量％）から形成されている。
【０１１５】
シミュレーションでは、実施例１および実施例２の各々に対して、超電導コイル体の運転温度を２０［Ｋ］とし、コイル部１０に周波数０．０２［Ｈｚ］かつ最大値２５０［Ａ］の交流電流を流したときにフランジ１６ａ，１６ｂに発生する渦損を算出した。さらに、フランジ１６ａ，１６ｂにかかる面圧を算出した。
【０１１６】
図１７は、実施例１および２で用いた磁性体の電気抵抗率の温度依存性を示すグラフである。図１７において、横軸は磁性体の温度［Ｋ］を示し、縦軸は磁性体の電気抵抗率［Ωｍ］を示す。図１７を参照して、ＳＵＳ４１６（実施例２）は純鉄（実施例１）に比べて電気抵抗率が高く、超電導コイル体の運転温度である２０［Ｋ］では、ＳＵＳ４１６の電気抵抗率は純鉄の電気抵抗率の約１０００倍となっている。なお、純鉄は温度の低下とともに電気抵抗率が減少するが、ＳＵＳ４１６については温度による電気抵抗率の変化はわずかである。
【０１１７】
図１８は、実施例１および２の各々についてのシミュレーション結果を示す図である。図１８によれば、実施例２は、実施例１に比べて、フランジに発生する渦損が１／１０００程度に低減されていることが分かる。また、実施例２は、実施例１に比べて、面圧が約４／５倍に減少していることが分かる。
【０１１８】
磁性体に発生する渦損は、磁性体の電気抵抗率に反比例する。超電導コイル体の運転温度（２０［Ｋ］）においては、図１７に示したように、実施例２は実施例１に比べてフランジの電気抵抗率が約１０００倍となっており、この結果、フランジに発生する渦損が約１／１０００に低減している。
【０１１９】
一方、フランジにかかる面圧は、フランジおよびコイル部間の磁気吸引力の大きさを示しており、フランジの透磁率が高くなるとともに磁気吸引力は増加する。ＳＵＳ４１６は純鉄に比べて透磁率が低い。そのため、実施例２は実施例１に比べて面圧が小さくなっている。なお、実施例２の面圧は、コイル部の冷却効率を高めるという本発明の効果に影響を及ぼすものではない。
【０１２０】
上記のシミュレーション結果から、超電導コイル体のフランジを、電気抵抗率が大きい磁性体を用いて形成することにより、フランジに発生する渦損を低減できることが確認された。なお、冷却板とフランジとの間に磁性体を配置する構成（図２参照）においても同様の効果が得られることが確認されている。
【０１２１】
ここで、磁性体の好適な電気抵抗率については、超電導コイル体の運転温度に応じて、所望の渦損となるように求めることができる。たとえば、超電導コイル体の有効な運転温度の範囲を３０［Ｋ］以下とする場合、鉄の電気抵抗率は１０−１０Ωｍのオーダーとなる。そこで、当該温度範囲において１×１０−９Ωｍ以上の電気抵抗率を有する磁性体を用いる構成とすれば、フランジの材料として鉄を用いる超電導コイル体に比べて渦損を小さくすることができる。なお、従来技術では、運転温度範囲を７７［Ｋ］以下として、フランジが鉄で形成された超電導コイル体が普及している。当該温度範囲において、鉄の電気抵抗率は７×１０−９Ωｍ以下となる。したがって、本実施の形態による超電導コイル体においては、当該温度範囲において８×１０−９Ωｍ以上の電気抵抗率を有する磁性体を用いることにより、従来技術に比べて渦損を低減させることができる。
【０１２２】
このような磁性体の材料としては、たとえば、フェライト系ステンレスおよびマルテンサイト系ステンレス（ＳＵＳ４００番台）が好適である。また、高い電気抵抗率と高い透磁率とを兼ね備えた材料として、たとえばパーメンジュールなどを好適に利用することができる。
【０１２３】
以上のように、この発明の実施の形態３によれば、フランジを構成する磁性体または冷却体とフランジとの間に配置される磁性体の電気抵抗率を大きくすることにより、当該磁性体に発生する渦損を低減させることができる。なお、磁性体の電気抵抗率は、３０［Ｋ］以下の運転温度範囲において１×１０−９Ωｍ以上であることが好ましく、７７［Ｋ］以下の運転温度範囲において８×１０−９Ωｍ以上であることがより好ましい。これによれば、フランジの材料として鉄を用いる従来の超電導コイル体に対して、渦損の低減という効果が奏される。
【０１２４】
さらに、この発明の実施の形態３によれば、渦損を低減するために、磁性体を複数の磁性片で構成したり、磁性体にスリットを設けることが不要となる。これにより、磁性体の構成を簡素化できるとともに、コスト低減についても寄与できる。なお、磁性体を複数の磁性片で構成したり、磁性体にスリットを設ける構成についても、磁性体の電気抵抗率を大きくすることによって、各々の構成を簡素化できる点について確認的に記載する。
【０１２５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の説明は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
この発明は、超電導コイルを冷凍機を用いて冷却する超電導機器に有利に適用される。
【符号の説明】
【０１２７】
１０  コイル部
１１  ダブルパンケーキコイル
１３ａ，１３ｂ  磁性体
１３ａ１〜１３ａ５  磁性板
１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ  フランジ
１５  固定部材
２０  冷却ヘッド
２１  端部
２２  接続部
３０  伝熱部
３１  冷却板
３２  固定具
８１  芯部
９１，９１Ａ，９１Ａ１，９１Ａ２  超電導コイル体
１００  超電導機器
１１１  断熱容器
１２１  冷凍機
１２２  ホース
１２３  コンプレッサ
１３１  ケーブル
１３２  電源
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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