(57)【要約】【課題】超伝導コイルの巻線部に偏りを持つ電磁力が働いた場合に、その影響による巻枠本体の変形を防止できる超伝導コイル用巻枠を提供する。【解決手段】巻枠本体の内部に、巻枠本体の変形を防止する補強部材を設ける。補強部材は、巻枠本体の長さ方向に垂直な支柱部材、あるいは巻枠本体の長さ方向に垂直な主面を有するディスク部材からなる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形の巻枠本体を有する超伝導コイル用巻枠において、
前記巻枠本体の内部に、当該巻枠本体の変形を防止する補強部材を設けたことを特徴とする超伝導コイル用巻枠。
【請求項２】
前記補強部材が、前記巻枠本体の長さ方向に垂直な方向に延びる支柱部材であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導コイル用巻枠。
【請求項３】
前記補強部材が、前記巻枠本体の長さ方向に垂直な主面を有するディスク部材であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導コイル用巻枠。
【請求項４】
前記巻枠本体がオーステナイト系ステンレス鋼製又はアルミ合金製であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の超伝導コイル用巻枠。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一に記載の超伝導コイル用巻枠と、線材を含浸材で固めて製造されて前記超伝導コイル用巻枠に巻回された巻線部とを有していることを特徴とする超伝導コイル。
【請求項６】
請求項５に記載の超伝導コイルを複数備え、該複数の超伝導コイルが、それらの中心軸を互いに不一致とするように配置されていることを特徴とする超伝導コイルシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導コイル用巻枠に関し、特に、複数の超伝導コイルを備えた超伝導システムに用いられる超伝導コイル用巻枠に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超伝導コイル用巻枠は、円筒形の巻枠本体とその両端に形成された鍔部とを有している。そして、巻枠本体の内部は、中空となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４１２１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
複数の超伝導コイルを備えた超伝導コイルシステム（マルチコイルシステム）では、各超伝導コイルの巻線部に他の超伝導コイルからの電磁力が作用する。このとき、複数の超伝導コイルの中心軸（コイル軸）が互いに一致しているならば、各超伝導コイルの巻線部に作用する電磁力は、その超伝導コイルを単独で用いた場合と同様に、中心軸に関して対称（回転対称）となる。つまり、各超伝導コイルの巻線部には、全周にわたって均等な力、例えば、図５に示すような放射状の均等な力が働く。このとき、超伝導コイル５１の巻線部と巻枠本体との間に特別な力（巻枠本体から巻線部へのせん断力）は発生しない。
【０００５】
一方、複数の超伝導コイルが、その中心軸を一致させるように配置されていない場合、例えば、中心軸が互いに交差するように、あるいは互いに平行となるように配置されているような場合には、各超伝導コイルの巻線部に働く電磁力は、その中心軸に関して対称とならない。この場合、各超伝導コイルの巻線部には、例えば、図６に示すように、ある特定の方向に偏りを持った電磁力が作用する。
【０００６】
図６に示すように、超伝導コイル６１の巻線部に、ある特定方向に偏りを持つ電磁力が作用すると、巻枠本体は、この電磁力に逆らって巻線部を支持しなければならない。このとき、巻線部には、図７に示すように、局所的に大きな力が働く。つまり、巻線部は、巻枠本体から支持点において大きなせん断力を受ける。
【０００７】
ここで、超伝導コイルの巻線部について説明する。超伝導コイルの巻線部は、超伝導線材をエポキシ等の含浸材で固めて造られている。超伝導線材は、その長さ方向については高い強度を有しているけれども、それに直交する方向については、その強度が非常に低い。このため、超伝導コイルの巻線部は、線材の長さ方向（周方向）については高い強度を有しているが、それに直交する方向（径方向）については含浸材の強度と同程度の強度しか有していない。具体的には、巻線部の径方向の強度は、通常、周方向の強度の１０％程度である。
【０００８】
このように、超伝導コイルの巻線部は、径方向に関して十分な強度を持っていない。このため、超伝導コイルの巻線部に径方向の力（せん断力）が働くと、最悪の場合、せん断破壊が生じる。また、せん断破壊が生じない場合であっても、超伝導線材にミクロな破壊（すべり）が生じる。
【０００９】
超伝導線材にすべりが発生すると、そこの電気抵抗が周囲よりも高くなるので、超伝導線材に電流を流したときに発生するジュール熱が、すべり発生個所において周囲よりも多くなる。その結果、超伝導線材の温度が局所的に高くなり、超伝導コイルの特性（最大電流、最大磁場）が大きく劣化（低下）する。
【００１０】
従来の超伝導コイル用巻枠は、中空構造であるため、それに巻回された巻線部に偏りを持つ電磁力が働いたときに変形し、変形が無いとした場合に比べて、支持点に働く力を大きくなるという問題点がある。
【００１１】
そこで、本発明は、超伝導コイルの巻線部に偏りを持つ電磁力が働いた場合に、その変形を防止できる超伝導コイル用巻枠を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円筒形の巻枠本体を有する超伝導コイル用巻枠において、前記巻枠本体の内部に、当該巻枠本体の変形を防止する補強部材を設けたことを特徴とする超伝導コイル用巻枠が得られる。
【００１３】
補強部材としては、前記巻枠本体の長さ方向に垂直な方向に延びる支柱部材や、前記巻枠本体の長さ方向に垂直な主面を有するディスク部材を用いることができる。
【００１４】
また、本発明によれば、上記超伝導コイル用巻枠と、線材を含浸材で固めて製造されて前記超伝導コイル用巻枠に巻回された巻線部とを有していることを特徴とする超伝導コイルが得られる。
【００１５】
さらにまた、本発明によれば、上記超伝導コイルを超伝導コイルを複数備え、該複数の超伝導コイルが、それらの中心軸を互いに不一致とするように配置されていることを特徴とする超伝導コイルシステムが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
まず、図１及び図２を参照して、本発明の原理について説明する。
【００１８】
図１は、巻枠本体の内部に、補強部材として一文字型（２本スポーク型）のスポーク状支柱を備えた超伝導コイル１１の巻線部に発生するせん断力の分布を示すせん断力分布図である。ここでは、超伝導コイル１１が、スポーク状支柱を除いて図６のものと同じ構成を有しており、また、図６と同じ電磁力が作用しているものとする。
【００１９】
超伝導コイル１１の巻線部が、図６に示す電磁力と同じ電磁力を受けている場合、その合力は、巻線部を右方向へ引き延ばそうとする力である。このとき、巻枠本体は、図の上下方向の直径を小さくし、左右方向の直径を大きくするような力を受ける。このとき、支柱が、その巻枠本体の変形を防止する。その結果、支柱を持たない場合（図７に示す場合）に支持点において巻線部に加わるせん断力が２．５ｔｏｎｆであるとして、図１の超伝導コイルでは、そのせん断力を、最大でも１．２ｔｏｎｆに抑えることができる。
【００２０】
また、図２に示すように、補強部材として十字型（４本スポーク型）のスポーク状支柱を有する超伝導コイル２１では、図１と同じ電磁力が働いているとして、支持点において巻線部に加わるせん断力を最大でも１．１ｔｏｎｆに低減することができる。
【００２１】
このように、本発明によれば、巻枠本体の内部に補強部材を設け、巻枠本体の変形を防止するようにしたことで、巻線部にその中心軸に関して非対称の電磁力が発生したときに巻枠本体から巻線部に加えられるせん断力を、低減することができる。
【００２２】
次に、図３を参照して、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図３の超伝導コイルは、巻枠本体３１と、その内部に設けらた支柱部材３２と、巻枠本体３１の外周面に巻回された巻線部３３とを有している。
【００２４】
巻枠本体３１は、円筒形又は環状を呈し、その両端部（図の表裏面側端部）には、図示しない鍔部が設けられている。この巻枠本体３１は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼、あるいは、アルミ合金よりなる。
【００２５】
支柱部材３２は、巻枠本体３１の長さ方向に垂直（図の紙面に平行）な方向に延びる４本のスポーク状支柱を有している。支柱部材３２が１個の場合、その支柱部材は、巻枠本体３１の長さ方向中央に設けられる。また、支柱部材３２が複数の場合は、巻枠本体３１の長さ方向に関して対称的な位置に配置される。支柱部材３２は、巻枠本体３１と同一材料よりなり、巻枠本体３１と一体的に形成される。
【００２６】
巻線部３３は、超伝導線材をエポキシ等の含浸材で固めて作られている。
【００２７】
図３の超伝導コイルが、１以上の他の超伝導コイルと、その中心軸をずらした状態（不一致状態）で同時に使用されると、巻線部３３には、その中心軸に関して非対称な電磁力が働く。支柱部材３２は、この電磁力による巻枠本体３１の変形を防止し、支持点において巻枠本体３１から巻線部３３に加わるせん断力を低減する。
【００２８】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００２９】
図４の超伝導コイルは、巻枠本体４１と、その内部に設けらたディスク部材４２と、巻枠本体４１の外周面に巻回された巻線部４３とを有している。
【００３０】
巻枠本体４１及び巻線部４３は、第１の実施の形態における巻枠本体３１及び巻線部３３と同様のものである。
【００３１】
ディスク部材４２は、巻枠本体４１の長さ方向に垂直（図の紙面に平行）な主面を有している。また、ディスク部材４２には、周方向を４等分する位置に穴が形成されている。ディスク部材４２が１個の場合、そのディスク部材４２は、巻枠本体４１の長さ方向中央に設けられる。また、ディスク部材４２が複数の場合は、巻枠本体４１の長さ方向関して対称的な位置に配置される。ディスク部材４２は、第１の実施の形態における支柱部材３２と同様に、巻枠本体４１と同一材料よりなり、巻枠本体４１と一体的に形成される。また、ディスク部材４２は、支柱部材３２と同様に、巻線本体４１の変形を防止し、支持点において巻枠本体４１から巻線部４３に加わるせん断力を低減する。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、これら実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記第１の実施の形態では、補強部材として、４本のスポーク状支柱を備えた支柱部材３２を使用した場合について説明したが、スポーク状支柱は、４本に限らず、２本でも３本でも、あるいは５本以上でもよい。また、支柱部材３２は、必ずしもスポーク状である必要はなく、例えば、支柱を三角形や星型に配置されたものでもよい。また、支柱部材３２として用いられる各支柱の断面形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、さらには多角形、十字型等、どの様な形状でもよい。
【００３３】
また、上記第２の実施の形態では、補強部材として穴の空いた円盤状のディスク部材４２を用いる場合について説明したが、ディスク部材に形成する穴は、４個に限らず、強度的に問題が無い限り（０個を含め）いくつでもよい。また、ディスク部材４２の形状は、円盤状に限らず、Ｙ字状や、十字状などでもよい。
【００３４】
いずれにしても、補強部材は、巻枠本体の変形を防止して、巻線部に加わるせん断力を低減できるものであれば、どの様なものでもよく、巻枠本体のサイズや、巻線部が受ける電磁力の大きさなどに基づいて、そのサイズ、形状、個数が決定される。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、円筒形の巻枠本体の内部に、巻枠の変形を防止するための補強部材を設けたことで、隣接配置された他の超伝導コイルからの電磁力により、巻枠の外周面上に巻回されている巻線部に加わるせん断力を低減することができ、それによって、超伝導コイルの超伝導特性の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図であって、超伝導コイル用巻枠の内部に２本のスポーク状支柱（一文字型支柱）を設けた場合の巻線部へのせん断力の分布を示す図である。
【図２】本発明の原理を説明するための図であって、超伝導コイル用巻枠の内部に４本のスポーク状支柱（十字型支柱）を設けた場合の巻線部へのせん断力の分布を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る超伝導コイル用巻枠を備えた超伝導コイルの横断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る超伝導コイル用巻枠を備えた超伝導コイルの横断面図である。
【図５】単コイルに働く電磁力の大きさを説明するための図である。
【図６】マルチコイルに働く電磁力の大きさの一例を説明するための図である。
【図７】図６の電磁力により超伝導コイルの巻線部に発生するせん断力の分布を説明するための図である。
【符号の説明】
１１　　　超伝導コイル
２１　　　超伝導コイル
３１　　　巻枠本体
３２　　　支柱部材
３３　　　巻線部
４１　　　巻線本体
４２　　　支柱部材
４３　　　巻線部
【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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