(57)【要約】【課題】本発明は複数のテープ状超電導線材が積層された状態で巻枠に巻回される構成の超電導コイル及び超電導マグネット装置に関し、テープ状超電導線材と電極との電気的接続性の向上、及びテープ状超電導線材と電極との接続処理における施工性の向上を図ることを課題とする。【解決手段】複数の巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃが積層された状態で５１巻枠に巻回されたコイル本体５２と、巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃの端部に設けられた電極５３とを有した超電導コイルであって、前記電極５３を複数の巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃ及び接続用超電導線材５６Ａ〜５６Ｃに個別に接続された個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃを積層した構成とする。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のテープ状超電導線材が積層された状態で巻枠に巻回されたコイル本体と、
前記テープ状超電導線材の端部に設けられた電極とを有した超電導コイルであって、
前記電極は、複数の前記テープ状超電導線材の端部に個別に接続された個別電極体を積層した構成であることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記テープ状超電導線材は、酸化物系超電導材料よりなることを特徴とする請求項１記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記テープ状超電導線材は、前記巻枠に螺旋状に巻回されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記テープ状超電導線材の前記電極から引き出された部分に、該テープ状超電導線材を保持する繊維強化プラスチックを配設したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超電導コイル。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超電導コイルを備えたことを特徴とする超電導マグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導コイル及び超電導マグネット装置に係り、特に複数のテープ状超電導線材が積層された状態で巻枠に巻回される構成の超電導コイル及び超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１乃至図３は、従来の一例である超電導コイル１０を説明するための図である。超電導コイル１０は、大略すると巻枠１１、コイル本体１２、電極１３等により構成されている。コイル本体１２は、巻枠１１に巻回された超電導線材１５により構成されている。また、各電極１３は、銅よりなる電極部材１７超電導線材１５の端部が接続された構成となっている。
【０００３】
また例えば、特許文献１，２に開示されているように、超電導線としてテープ状の超電導線材を用い、これをパンケーキ状に巻回して巻枠とした超電導コイルも提供されている。また、より強い磁場を発生させるために、複数のテープ状の超電導線を積層した状態で巻枠に巻回することも考えられている。
【０００４】
図２及び図３は、この複数積層されたテープ状の超電導線材を用いた電極２０の構造を示している。以下の説明では、３枚のテープ状の超電導線材を積層した例について説明する。
【０００５】
テープ状の超電導線材の場合、線材よりなる超電導線材と異なり、巻枠１１への巻回方向に対して直角上方向に曲げることができない。このため、テープ状の超電導線材として巻枠１１に巻回する巻回用超電導線材１６Ａ〜１６Ｃと、電極２０に接続するための接続用超電導線材１７Ａ〜１７Ｃを用意しておき、図２に示すように巻回用超電導線材１６Ａ〜１６Ｃの端部に、巻回用超電導線材１６Ａ〜１６Ｃの巻回方向（図２に矢印Ｘで示す方向）に対して直角方向（図２に矢印Ｙで示す方向）に延在するように接続用超電導線材１７Ａ〜１７Ｃを接続する。
【０００６】
このように巻回用超電導線材１６Ａ〜１６Ｃと接続用超電導線材１７Ａ〜１７Ｃとが直交するように接続されると、これを電極部材１８に形成された取付け溝１９に装着する。その後、はんだ付けすることにより接続用超電導線材１７Ａ〜１７Ｃと電極部材１８を電気的及び機械的に接続し、これにより電極２０が形成される構成とされていた。
【特許文献１】特開２００２−１１０４１６号公報
【特許文献２】特開２００１−２９１６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図２及び図３に示す電極２０では、巻回用超電導線材１６Ａ〜１６Ｃと接続用超電導線材１７Ａ〜１７Ｃとを交互に積層した上で、これを電極部材１８に接続する構成とされていたため、一番奥の接続用超電導線材１７Ｃは電極部材１８との接触面積が広くなるため接続抵抗（電気抵抗）は小さくなる。しかしながら、中央及び表面側に位置する接続用超電導線材１７Ａ，１７Ｂは電極部材１８と接触する面積が狭くなり、よって電極部材１８に対する接続抵抗が大きくなってしまう。このため、この電極２０を有した超電導コイルが駆動した場合、接続用超電導線材１７Ａ，１７Ｂにおいてジュール発熱が発生するおそれがある。
【０００８】
また、従来の電極２０の構成では、図２に示すように積層された巻回用超電導線材１６Ａ〜１６Ｃに更に接続用超電導線材１７Ａ〜１７Ｃが交互に積層されるため、各超電導線材１６Ａ〜１６Ｃ，１７Ａ〜１７Ｃの交差位置においては６層が積層されることとなり、その厚さが大きくなる。このため、電極部材１８に形成する取付け溝１９も深く形成する必要があり、その施工が面倒であるという問題点もある。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、テープ状超電導線材と電極との電気的接続性の向上、及びテープ状超電導線材と電極との接続処理における施工性の向上を図りうる超電導コイル及び超電導マグネット装置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】
【００１０】
上記の課題は、本発明の第１の観点からは、
複数のテープ状超電導線材が積層された状態で巻枠に巻回されたコイル本体と、
前記テープ状超電導線材の端部に設けられた電極とを有した超電導コイルであって、
前記電極は、複数の前記テープ状超電導線材の端部に個別に接続された個別電極体を積層した構成であることを特徴とする超電導コイルにより解決することができる。
【００１１】
また、上記発明において、前記テープ状超電導線材を酸化物系超電導材料よりなる構成としてもよい。
【００１２】
また、上記発明において、前記テープ状超電導線材を前記巻枠に螺旋状に巻回した構成としてもよい。
【００１３】
また、上記発明において、前記テープ状超電導線材の前記電極から引き出された部分に、該テープ状超電導線材を保持する繊維強化プラスチックを配設した構成としてもよい。
【００１４】
また上記の課題は、本発明の他の観点からは、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超電導コイルを備えたことを特徴とする超電導マグネット装置により解決することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数のテープ状超電導線材の端部に個別に接続された個別電極体を積層することにより電極を構成したことにより、各テープ状超電導線材と個別電極体との間に流れる電流を均一化することができ、ジュール熱の発生を抑制することができる。
【００１６】
また、複数のテープ状超電導線材と電極との接続は、各テープ状超電導線材の端部に個別電極体を接続しこれを積層すればよいため、テープ状超電導線材と電極との接続処理を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００１８】
図４は、本発明の一実施形態である超電導コイル５０を適用した超電導マグネット装置３０の概略構成を示した図である。図４に示すように、超電導マグネット装置３０は、大略すると真空容器３１、ＧＭ（ギュフオード・マクマホン）冷凍機３２、熱シールド部材３７、及び超電導コイル５０等により構成されている。
【００１９】
真空容器３１は、大略すると容器本体３３と、天板３６とにより構成されている。天板３６は、容器本体３３の開口部を覆うように形成されている。真空容器３１の中央部には円筒壁３４で仕切られ、図４中の上下方向に貫通した円筒状空間３５が形成されている。この円筒状空間３５は、通電された際、高磁場空間として利用されるものである。
【００２０】
天板３６には、ＧＭ冷凍機３２が配設されている。また、真空容器３１内には、熱を遮断するための熱シールド部材３７が、後述する支柱４２とコールドヘッド部４５Ｂとで吊設されている。熱シールド部材３７の図４中の上方には高温側冷却ステージ４１が形成されている。熱シールド部材３７の中央部に形成された円筒壁３８は、円筒壁３４に対して隙間を介在させた状態で形成されている。
【００２１】
ＧＭ冷凍機３２の図４中の下方には、一段目冷却手段４５が形成されている。一段目冷却手段４５は、大略するとシリンダ部４５Ａと、コールドヘッド部４５Ｂとにより構成されている。シリンダ部４５Ａは、ＧＭ冷凍機３２の図４中の下方にＧＭ冷凍機３２と一体に形成されている。
【００２２】
シリンダ部４５Ａの下方には、コールドヘッド部４５Ｂが形成されている。コールドヘッド部４５Ｂは、取付けフランジを介してボルト４８により高温側冷却ステージ４１に固定されている。コールドヘッド部４５Ｂは、取付けフランジ４７を介して高温側冷却ステージ４１を冷却するためのものである。
【００２３】
コールドヘッド部４５Ｂの図４中の下方には、二段目冷却手段４６が形成されている。二段目冷却手段４６は、大略するとシリンダ部４６Ａと、コールドヘッド部４６Ｂとにより構成されている。シリンダ部４６Ａは、コールドヘッド部４５Ｂの下方に形成されており、コールドヘッド部４５Ｂの下方にはコールドヘッド部４６Ｂが形成されている。
【００２４】
コールドヘッド部４６Ｂは、取付けフランジ５３を介してボルト５４により低温側冷却ステージ４４に固定されている。コールドヘッド部４６Ｂは、取付けフランジ５３及び低温冷却ステージを介して、後述する超電導コイル５０を冷却するためのものである。低温側冷却ステージ４４の下方には、超電導コイル５０が形成されている
次に、図５乃至図９を参照して、超電導コイル５０について説明する。図５に示すように、超電導コイル５０は、大略すると巻枠５１、コイル本体５２、電極５３、テープ状超電導線材、及びＦＲＰ６０（図９に示す）等により構成されている。
【００２５】
巻枠５１は、図５及び図６に示されるように、コイル形成領域５１Ａとフランジ部５１Ｂとにより構成されている。コイル形成領域５１Ａにはテープ状超電導線材が巻回され、またフランジ部５１Ｂにはテープ状超電導線材と接続した電極５３が立設される。この電極５３は、コイル形成領域５１Ａに巻回されるテープ状超電導線の両端部に設けられるため、図５に示すようにフランジ部５１Ｂ上には一対の電極５３が立設される。この電極５３は、後述するように個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃが積層された構成とされている。
【００２６】
また、この各個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃは、導電性の良好である銅により形成されている。その中でも、特に電気的な特性の良好な純度の高い無酸素銅を用いることが望ましい。
【００２７】
コイル本体５２は、巻枠５１のコイル形成領域５１Ａにテープ状超電導線材を巻回した構成とされている。また図示しないが、コイル形成領域５１Ａに巻回されたテープ状超電導線材の表面は絶縁性樹脂により被覆される。
【００２８】
本実施形態では、３枚のテープ状超電導線材を積層した状態でコイル形成領域５１Ａに巻回した構成としている。具体的には、テープ状超電導線材はフランジ部５１Ｂに巻回される巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃと、その両端部に接続される接続用超電導線材５６Ａ〜５６Ｃとにより構成されている。
【００２９】
また本実施形態では、コイル形成領域５１Ａに対して巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃを螺旋状に巻回させることによりソレノイド状のコイル構成としている（図５（Ｂ）参照）。このため本実施形態では、超電導線材５５Ａ〜５５Ｃの材料としては、Bi2Sr2CaCu2Ox，Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，YBa2Cu3Ox等の酸化物系の超電導材料を用いている。また、接続用超電導線材５６Ａ〜５６Ｃの材料は、接合性の面より巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃと同一材料が選定されている。尚、螺旋状に巻回させる面からは上記した酸化物系の超電導材料を用いることが望ましいが、NbTi，Nb3Sn，MgB2等の金属系の超電導材料を用いることも可能である。
【００３０】
次に、電極５３の構造について説明する。電極５３は、前記した個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃに巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃを接続した構成とされている。前記のように、テープ状とされた巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃの場合、棒状の線材よりなる超電導線材と異なり扁平形状であるため、巻枠５１のコイル形成領域５１Ａの巻回方向（図６に矢印Ｘで示す方向）に対して直角上方向（図６に矢印Ｙで示す方向）に曲げることができない。
【００３１】
しかしながら、図５（Ｂ）に示すように、電極５３はフランジ部５１Ｂに対して立設されるため、巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃを電極５３に接続するためには、巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃの端部に立設方向（Ｙ方向）に延在する超電導線材を設ける必要がある。このため、本実施形態では巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃの端部に接続用超電導線材５６Ａ〜５６Ｃを接続した構成としている。
【００３２】
上記した各超電導線材５５Ａ〜５５Ｃ，５６Ａ〜５６Ｃを電極５３に接続するには、先ず巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃの両端部に接続用超電導線材５６Ａ〜５６Ｃを接続する。この際、図２を用いて説明した従来のように全ての超電導線材１６Ａ〜１６Ｃ，１７Ａ〜１７Ｃを積層するのではなく、図７に示すように、巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃの各々に対し、接続用超電導線材５６Ａ〜５６Ｃを個別に接続する。
【００３３】
即ち、巻回用超電導線材５５Ａには接続用超電導線材５６Ａを接続（接合）し、巻回用超電導線材５５Ｂには接続用超電導線材５６Ｂを接続（接合）し、巻回用超電導線材５５Ｃには接続用超電導線材５６Ｃを接続（接合）する。よって、この接続処理が終了した時点では、各巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃはそれぞれ独立した状態となっている。
【００３４】
このように巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃに対する接続用超電導線材５６Ａ〜５６Ｂの接続処理が終了すると、各超電導線材５５Ａ〜５５Ｃ，５６Ａ〜５６Ｂを電極５３に接続する処理を行う。この接続処理においては、電極５３を構成する個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃに対し、各超電導線材５５Ａ〜５５Ｃ，５６Ａ〜５６Ｂを個別に接続する。
【００３５】
具体的には、接合されて一体化した巻回用超電導線材５５Ａと接続用超電導線材５６Ａは、個別電極部材５４Ａに形成されている装着溝５９Ａ内に装着され、はんだ付けにより個別電極部材５４Ａと接続される。同様に、巻回用超電導線材５５Ｂと接続用超電導線材５６Ｂは個別電極部材５４Ｂに形成されている装着溝５９Ｂ内に装着された上ではんだ付けにより個別電極部材５４Ａと接続され、巻回用超電導線材５５Ｃと接続用超電導線材５６Ｃは個別電極部材５４Ｃに形成されている装着溝５９Ｃ内に装着された上ではんだ付けにより個別電極部材５４Ｃと接続される。
【００３６】
上記のように、各超電導線材５５Ａ〜５５Ｃ，５６Ａ〜５６Ｂと各個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃとが個別に接続されると、３枚の個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃは積層されてフランジ部５１Ｂに固定され、これにより電極５３が構成される。この電極５３をフランジ部５１Ｂに固定する具体的な方法としては、例えば図６に示す方法を適用することができる。
【００３７】
即ち、個別電極部材５４Ｂにフランジ部６２を形成しておき、このフランジ部６２をフランジ部５１Ｂにボルト５７を用いて固定する。また、個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃにボルト穴５８を形成しておき、前記のフランジ部５１Ｂに固定された個別電極部材５４Ｃに対して個別電極部材５４Ａ，５４Ｂを積層した状態でボルト（図示せず）で締結する。これにより、電極５３をフランジ部５１Ｂに固定することができる。
【００３８】
また、上記のように電極５３を巻枠５１に固定した場合、巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃは各個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃから延出するため、図８（Ａ）及び図９に示すように外力印加が行われ易い状態となっている。このため、巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃが各個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃから延出する部位には、繊維強化プラスチック６０（ＦＲＰ）を配設した構成としている。このように、ＦＲＰ６０を配設したことにより、巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃが各個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃから延出する部位において損傷したり破損したりする事故の発生を防止することができる。
【００３９】
上記のように、本実施形態に係る超電導コイル５０によれば、複数の巻回用及び接続用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃ，５６Ａ〜５６Ｃに個別に個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃを割り当てて接合し、これを積層することにより電極５３を構成しているため、巻回用超電導線材５５Ａと接続用超電導線材５６Ａとが個別電極部材５４Ａと接触する面積、巻回用超電導線材５５Ｂと接続用超電導線材５６Ｂとが個別電極部材５４Ｂと接触する面積、及び巻回用超電導線材５５Ｃと接続用超電導線材５６Ｃとが個別電極部材５４Ｃと接触する面積は均一となる。特に、超電導線材５５Ｂ，５５Ｃ，５６Ｂ，５６Ｃにおいては、従来（図２及び図３参照）に比べて個別電極部材５４Ｂ，５４Ｃとの接触面積を広くすることができる。
【００４０】
これにより、各個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃ及び各超電導線材５５Ａ〜５５Ｃ，５６Ａ〜５６Ｃを流れる電流を均一化することができ、ジュール熱の発生を抑制することができる。また、電極５３の作製に際しては、各超電導線材５５Ａ，５６Ａが２層接合されたものを個別電極部材５４Ａに接合し、同様に各超電導線材５５Ｂ，５６Ｂが２層接合されたものを個別電極部材５４Ｂに接合し、各超電導線材５５Ｃ，５６Ｃが２層接合されたものを個別電極部材５４Ｃに接合すればよいため、この接合処理は容易に行うことができる。また、上記したように個別電極部材５４Ａ〜５４Ｃの積層処理も、ボルトの締結等の容易な作業である。このため、電極５３を巻枠５１に容易に取り付けることができる。
【実施例】
【００４１】
次に、上記構成とされた超電導コイル５０を作製し、これを駆動したときの実施例について説明する。図１０は、本発明者が試作した超電導コイル５０の仕様を示している。195Aの通電により、コイル中心で0.04Tの磁場を発生させ、各超電導線材５５Ａ〜５５Ｃ，５６Ａ〜５６Ｃが経験する最大磁場Bmaxは0.06Tとなる。
【００４２】
本仕様を元に、Bi2Sr2Ca2Cu3Oxの巻回用超電導線材５５Ａ〜５５Ｃを３枚重ね、上記した実施形態の構成を有する超電導コイル５０を作製した。得られた超電導コイル５０を77K，自己磁場中にて通電測定し、図１１の結果が得られた。同図より、10-13Ω-mにてコイル臨界電流（Ic）を定義すると、194Aとなる。
【００４３】
また、図１１は超電導材料として、超電導コイル５０の巻線前の線材を切り出し、事前に短尺線で通電試験をした結果であり、Ｖ−Ｉ曲線（＠77K,006T）を示している。コイル臨界電流（Ic）は68Aとなり、３枚積層では３倍の204Aのコイル臨界電流（Ic）となることが推察されるが、コイル臨界電流（Ic）は194Aであり、短尺線の100%の性能までは至っていない。しかしながら、コイル臨界電流（Ic）は短尺線の95％まで達しており、通常の超電導コイルと比較して、良好なコイルが作製できていると確認される。
【００４４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、従来の一例である超電導コイルの正面図である。
【図２】図２は、従来の一例である超電導コイルに設けられる電極の構造を説明するための分解斜視図である。
【図３】図３は、従来の一例である超電導コイルに設けられる電極の構造を説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は左側面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態である超電導マグネット装置を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態である超電導コイルを説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態である超電導コイルの電極近傍を拡大して示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態である超電導コイルに設けられる電極の分解斜視図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態である超電導コイルに設けられる電極の構造を説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は左側面図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態である超電導コイルの電極近傍を拡大して示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例である超電導コイルの仕様を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す仕様の超電導コイルを駆動した場合の巻回用超電導線材の電圧−電流特性を示す図である。
【図１２】図１２は、図１０に示す仕様の超電導コイルを駆動した場合の接続用超電導線材の電圧−電流特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
３０  超電導マグネット装置    名詞３０
３１  真空容器
３２  ＧＭ冷凍機
３３  容器本体
５０  超電導コイル
５１  巻枠
５２  コイル本体
５３  電極
５４Ａ〜５４Ｃ  個別電極部材
５５Ａ〜５５Ｃ  巻回用超電導線材
５６Ａ〜５６Ｃ  接続用超電導線材
５９Ａ〜５９Ｃ  取付け溝
６０  ＦＲＰ
【図１】
2008305861.tif 000003
【図２】
2008305861.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008305861.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008305861.tif 000009
【図８】
2008305861.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2008305861.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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