(57)【要約】【課題】薄膜超電導線材の機械的動きを抑制し、十分なコイル強度を保持しつつ、室温と液体窒素温度のヒートサイクルにおいて、薄膜超電導線材に巻枠との熱収縮率の差異に伴う歪みを生じさせない安定で高性能な超電導コイルを提供する。【解決手段】巻枠に薄膜超電導線材を巻回し、最内周ターンの薄膜超電導線材を巻枠に固着してなるパンケーキ型の超電導コイルにおいて、前記巻枠のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ａ）は、前記薄膜超電導線材のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｂ）の±０．２０％の範囲内である。【選択図】図２
2008140900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻枠に薄膜超電導線材を巻回し、最内周ターンの薄膜超電導線材を巻枠に固着してなるパンケーキ型の超電導コイルにおいて、
前記巻枠のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ａ）は、前記薄膜超電導線材のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｂ）の±０．２０％の範囲内であることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記巻枠は、前記コイル軸線方向と平行に配置されたプリプレグシートの積層体から形成され、前記熱収縮率（Ａ）は０．３５％未満である請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記巻枠と前記薄膜超電導線材の間および前記薄膜超電導線材の各ターン間に、プリプレグテープを介在させて絶縁接着層が設けられ、該絶縁接着層のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｃ）は０．３０％以下である請求項１または請求項２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、超電導コイルに関し、詳しくは、巻枠に多層構造の薄膜超電導線材を巻回してなるパンケーキ型の超電導コイルにおいて、薄膜超電導線材に歪みを生じさせず、安定かつ高性能な超電導コイルとするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００３−３２３８２２号公報等において、基板、中間層、超電導層、及び安定化層を有する多層構造の薄膜超電導線材が提供されている。
この種の薄膜超電導線材を絶縁テープと重ねて巻枠に渦巻状に巻回してパンケーキ型の超電導コイルとしたものにおいて、加熱処理して一体的に硬化させた、所謂、含浸コイルは、超電導コイルの使用時における薄膜超電導線材の機械的動きを抑制し、コイル強度を保持すると共に、薄膜超電導線材相互の絶縁保護を行い、超電導コイルの超電導状態が壊れる状態である「クエンチ」を防止するために有効であるとされている。
【０００３】
従来の含浸コイル１００は、図３に示すように、絶縁テープ１５を、巻枠２２と薄膜超電導線材１１の最内周ターン（Ｔ１）との間、最内周ターンの外周面と次のターン（Ｔ２）から最外周ターン（ＴＺ）までのターン間、最外周ターン（ＴＺ）の外周面の各箇所に配置して互いに接着し、巻枠２２および薄膜超電導線材１１と共に加熱硬化することにより一体化して製造されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３２３８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、多層構造の薄膜超電導線材は歪みが発生すると、異種材料からなる薄膜超電導線材の基板と中間層、超電導層と安定化層の間においては層間剥離が生じる恐れがある。
そのため、前記の含浸コイルのように巻枠と薄膜超電導線材を接着固定すると、使用時に液体窒素温度以下に冷却されたり、点検時に液体窒素温度から急激に室温まで温度上昇されると、巻枠と薄膜超電導線材の熱収縮率差により薄膜超電導線材に歪みが生じ、前記した層間剥離が生じる恐れがある。
【０００６】
具体的には、図３において、室温から液体窒素温度（７７Ｋ）まで冷却した場合の、薄膜超電導線材１１のコイル軸線方向（図中矢印Ｙ）の熱収縮率が略０．３０％であるのに対し、巻枠２２のコイル軸線方向の熱収縮率は略０．７５％である。この熱収縮率の相違により、巻枠の熱収縮に薄膜超電導線材が引きずられ、薄膜超電導線材に歪みが生じる恐れがある。
【０００７】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、薄膜超電導線材の機械的動きを抑制して十分なコイル強度を保持しつつ、室温と液体窒素温度のヒートサイクルにおいて、薄膜超電導線材に巻枠との熱収縮率の差異に伴う歪みを生じさせない、安定で高性能な超電導コイルを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、巻枠に薄膜超電導線材を巻回し、最内周ターンの薄膜超電導線材を巻枠に固着してなるパンケーキ型の超電導コイルにおいて、
前記巻枠のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ａ）は、前記薄膜超電導線材のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｂ）の±０．２０％の範囲内であることを特徴とする超電導コイルを提供している。
【０００９】
本発明者は、薄膜超電導線材の機械的な動きは確実に抑制することができ、かつ、薄膜超電導線材に熱収縮率差に伴う歪みを発生させない超電導コイルについて鋭意研究した。その結果、巻枠と薄膜超電導線材とは一体的に固着した状態であっても、巻枠のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ａ）と、薄膜超電導線材のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｂ）とを±０．２０％以内に近接させることにより薄膜超電導線材に生じる歪みを抑え、安定な超電導コイルとすることができることを知見した。
【００１０】
前記のように巻枠と薄膜超電導線材の熱収縮率（Ａ）（Ｂ）の差異を±０．２０％以内としているのは、両者の熱収縮率（Ａ）（Ｂ）の差が±０．２０％を超えると薄膜超電導線材に歪み（引張または圧縮）を生じさせるおそれがあるからである。熱収縮率（Ａ）（Ｂ）の差はさらに±０．１０％以内とするのが好ましい。
前記熱収縮率（Ａ）（Ｂ）は、巻枠の外周面及び薄膜超電導線材に歪みゲージを貼り付け、液体窒素温度（７７Ｋ）に冷却したときの室温からの寸法変化率により測定している。
【００１１】
超電導コイルでは、巻枠の熱収縮率（Ａ）を、薄膜超電導線材の熱収縮率（Ｂ）に近接させていることが好ましい。一般的に薄膜超電導線材の材料変更は困難であることから、本発明では、巻枠の材料変更を行うことにより対応している。
【００１２】
本発明で用いる巻枠の材質としては、前記熱収縮率（Ａ）（Ｂ）の差が±０．２０％以内となる材質であればよく、例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属、セラミックス、ガラス、繊維強化ブラスチックが挙げられる。
このなかでも、絶縁性に優れ、液体窒素温度における機械的特性を確保することができ、高い安定性を有することから、繊維強化プラスチックを用いることが好ましい。
前記繊維強化プラスチックは、各種方法により製造されたものが含まれるが、プリプレグシートを積層して加熱一体化して真空成形したものを用いることが好ましい。
【００１３】
前記巻枠を構成するプリプレグシートとしては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の織物または繊維材料に未硬化のエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた織物（クロス）プリプレグ、一方向プリプレグを用いることができる。
このなかでも、ガラス繊維の織物に未硬化のエポキシ樹脂を含浸させた織物プリプレグシートが好適に用いられる。該織物プリプレグシートは樹脂量が６０±１０質量％、厚みが１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記繊維強化プラスチック製の巻枠のなかでも、前記コイル軸線方向と平行に配置されたプリプレグシートの積層体から形成され、前記熱収縮率（Ａ）は０．３５％未満であることが好ましい。
【００１５】
従来、用いられていた繊維強化プラスチック製の巻枠は必要枚数のプリプレグシートを厚さ方向（即ち、巻枠の軸線方向と直交方向）に積層配置して加熱し、真空成形した平板を加工して作製されていた。そのため、図３（Ｂ）に示すように、プリプレグシート及びプリプレグシートを構成する強化繊維クロス２０は巻枠２２において、超電導コイルの軸方向と直交する方向に積層配置されていた。
この場合、巻枠２２の熱収縮率は、繊維により強化されているコイル周方向においては小さくなり（略０．２３％）、繊維により強化されていないコイル軸方向において大きくなる（略０．７５％）。
【００１６】
よって、本発明は、前記のように、巻枠をコイル軸線方向と平行に配置されたプリプレグシートの積層体から形成して、コイル軸方向の熱収縮率を小さくしていることが好ましい。
具体的には、コイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率を０．３５％未満としていることが好ましい。より好ましくは、０．３０％未満である。前記温度範囲における巻枠の熱収縮率を０．３５％未満とすれば、従来の繊維強化プラスチック製の巻枠よりもコイル軸方向の熱収縮率を大幅に小さくすることができ、薄膜超電導線材の熱収縮率（略０．３０％）と近接させることができる。
【００１７】
前記コイル軸線方向と平行に配置したプリプレグシートの積層体は、プリプレグシートを金型に巻き付けし、熱硬化させた後に脱芯し、金型から分離する等の方法によりパイプ状に作製し、このパイプを切断加工することにより作製することができる。
【００１８】
前記巻枠と前記薄膜超電導線材の間および前記薄膜超電導線材の各ターン間に、プリプレグテープを介在させて絶縁接着層が設けられ、該絶縁接着層のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｃ）は０．３０％以下であることが好ましい。
【００１９】
前記構成とすれば、薄膜超電導線材の各ターン間を確実に絶縁・固定してクエンチを防止できると共に、絶縁接着層のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率を薄膜超電導線材及び巻枠の熱収縮率と極めて近接させることができるため、薄膜超電導線材に生じる歪みをより小さくすることができる。
前記絶縁接着層を形成するプリプレグテープは、薄膜超電導線材と共に巻枠に巻回された場合、コイル軸方向が強化繊維の配向方向となり補強されるので、室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率を０．３０％以下とすることができる。
【００２０】
すなわち、前記構成とすれば、巻枠を形成するプリプレグシートの強化繊維の配向方向と、前記絶縁接着層を形成するプリプレグテープの強化繊維の配向方向を共にコイル軸方向とすることができるので、巻枠、絶縁接着層及び薄膜超電導線材の熱収縮率を極めて近接させることができる。そのため、薄膜超電導線材に最も歪みを生じにくい超電導コイルとすることができる。
【００２１】
本発明の薄膜超電導線材としては、多層構造を有するものであれば問わないが、例えば、ハステロイ（登録商標）テープからなる金属基板に、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）からなるセラミックス中間層、ホルミウム系酸化物超電導体等の酸化物超電導層からなる超電導層、銀等からなる安定化層が積層された構造を有する薄膜超電導線材が挙げられる。さらに、積層体の全周は無電解メッキにより前記銅からなる金属保護膜で被覆されていてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
前述したように、本発明によれば、前記巻枠のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ａ）を、前記薄膜超電導線材のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｂ）の±０．２０％の範囲内とし、巻枠と薄膜超電導線材の熱収縮率（Ａ）と（Ｂ）を極めて近接させているので、巻枠との熱収縮率差に伴う歪みをほとんど生じさせない。
また、巻枠と薄膜超電導線材は固着しているので、薄膜超電導線材の機械的動きを抑制することができ、クエンチを有効に防止することができる。
【００２３】
また、前記巻枠と薄膜超電導線材との間を絶縁接着層により固着し、該絶縁接着層のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率も０．３０％以下とすると、巻枠及び薄膜超電導線材の熱収縮率に近接させることができるので、極めて安定かつ高性能な超電導コイルとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態の超電導コイル１０を示す。
超電導コイル１０は、多層構造の薄膜超電導線材１１をプリプレグテープ（図示せず）と共に巻枠１２に渦巻き状に巻回し、加熱処理して一体に固めて形成したシングルパンケーキ型コイルである。
該超電導コイル１０は、薄膜超電導線材１１として酸化物超電導体を用いており、液体窒素温度（７７Ｋ）に冷却されて使用される。
【００２５】
超電導コイル１０において、前記薄膜超電導線材１１の最内周ターン（Ｔ１）の先端内周面には前記内電極１３を取り付けて電気接続し、該内電極１３を前記巻枠１２に設けた取付部に固定している。一方、薄膜超電導線材１１の最外周ターン（ＴＺ）の先端外周面には外電極１４を取り付けて電気接続しており、該外電極１４の外側にはプリプレグテープを５周巻き付けて形成した絶縁保護層１７を設けている。
【００２６】
図２（Ａ）は、超電導コイル１０をＡ−Ａ線においてコイル軸方向（図中矢印Ｙ）と平行に切断した場合の断面図である。
【００２７】
巻枠１２はプリプレグシート（図示せず）を金型に巻き付けし、熱硬化させたのち、金型から分離して作製したパイプを切断加工することにより作製したものを用いている。
即ち、巻枠１２は、プリプレグシートをコイル軸線方向（Ｙ）と平行に配置した積層体から形成しているので、図２（Ｂ）に示すように、プリプレグシートの強化繊維クロス２０をコイル軸方向（Ｙ）に配向させて強化している。そのため、コイル軸方向（Ｙ）の巻枠１２の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率は小さく、０．２３％である。
前記巻枠１２を構成するプリプレグシートとしては、ガラス繊維を強化繊維とした強化繊維クロス２０をエポキシ樹脂に含浸したものを用いており、形成された巻枠１２全体に占める樹脂の割合は４０±５質量％である。
【００２８】
本実施形態で使用する薄膜超電導線材１１は、金属からなる基板層、セラミックスからなる中間層、酸化物超電導体からなる超電導層、銀からなる安定化層が積層された多層構造からなり、室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率が、０．３０％のものを用いている。
【００２９】
すなわち、本実施形態において、巻枠１２のコイル軸方向（Ｙ）の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ａ）を、前記薄膜超電導線材１１のコイル軸方向の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｂ）の−０．０７％とし、巻枠１２と薄膜超電導線材１１の熱収縮率を極めて近接させている。そのため、巻枠１２の熱収縮に引きずられて薄膜超電導線材１１に歪みが生じることはなく、安定な超電導コイルとすることができる。
【００３０】
さらに、超電導コイル１０は、巻枠１２と前記薄膜超電導線材１１の間及び前記薄膜超電導線材１１の各ターン間に、プリプレグテープ１５を配置して巻線したのち、加熱硬化させることにより、絶縁接着層１６を設けている。前記絶縁接着層１６を形成するプリプレグテープ１５としては、ガラス繊維を強化繊維とした強化繊維クロス２１をエポキシ樹脂に含浸したもの（エポキシ樹脂量；５５±５質量％）を用いている。前記絶縁接着層１６により、巻枠１２と薄膜超電導線材１１及び薄膜超電導線材の各ターン間を接着固定することができるので、薄膜超電導線材１１の機械的動きは抑制してコイル強度を保持することができる。
該絶縁接着層１６のコイル軸方向（Ｙ）の室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の間の熱収縮率（Ｃ）は、０．２３〜０．３０％である。
【００３１】
また、本構成とすれば、絶縁接着層１６を形成するプリプレグシート１５の強化繊維クロス２１と、巻枠１２を形成する強化繊維クロス２０の配向方向が共にコイル軸方向（Ｙ）となり同一となるため、絶縁接着層１６の熱収縮率（Ｃ）を巻枠１２及び薄膜超電導線材１１の熱収縮率（Ａ）（Ｂ）に極めて近接させることができる。そのため、薄膜超伝導線材に歪みが生じない、極めて安定な超電導コイルとすることができる。
【００３２】
本発明で使用する薄膜超電導線材１１及び巻枠１２としては、巻枠の熱収縮率（Ａ）を、前記薄膜超電導線材の熱収縮率（Ｂ）の±０．２０％以内としていれば、本実施形態で述べた材質及び構造のものに限定されず、特許請求の範囲と均等の範囲内の変更が含まれる。
【００３３】
実施形態において、シングルパンケーキ型の超電導コイルに関して述べたが、本発明はダブルパンケーキ型の超電導コイルにも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態の超電導コイルの概略斜視図である。
【図２】（Ａ）図１の超電導コイルのＡ−Ａ断面を示す模式図であり、（Ｂ）は（Ａ）の要部を示す拡大図である。
【図３】（Ａ）は従来の超電導コイルの断面模式図であり、（Ｂ）は（Ａ）の要部を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０    超電導コイル
１１    薄膜超電導線材
Ｔ１    最内周ターン
ＴＺ    最外周ターン
１２、２２    巻枠
１３    内電極
１４    外電極
１５    プリプレグテープ
１６    絶縁接着層
１７    絶縁保護層
２０、２１    強化繊維クロス
【図１】
2008140900.tif 000003
【図２】
2008140900.tif 000004
【図３】
2008140900.tif 000005