(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に平滑層を備える高温超電導体素線を積み重ねて形成される転位導体を巻線して構成する超電導コイルであって、
該超電導コイルの巻線時及び巻線後における該転位導体に付与されている曲げひずみが１％以下であり、前記平滑層は金属テープからなることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記平滑層は、前記高温超電導体素線の厚さ方向の上下面のみに構成され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】
前記超電導コイルの重なり合う転位導体と転位導体の間にスペーサーが備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記転移導体の厚みがｔ（ｍｍ）であり、前記転位導体を巻線して形成したコイルの巻内径がＤ（ｍｍ）である請求項１〜３のいずれか記載の超電導コイルであって、
該転位導体の厚みｔ（ｍｍ）及び該超電導コイルの巻内径Ｄ（ｍｍ）が下記式の関係を満たしていることを特徴とする超電導コイル。
０＜ｔ≦Ｄ／１００
【請求項５】
超電導コイルを形成する転位導体に付与される曲げが、同じ方向の曲げであって、且つその曲げひずみが１％以下であるように巻線されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超電導コイルの製造方法。
【請求項６】
超電導コイルの巻線時及び巻線後における転位導体に付与されている曲げひずみが１％以下であり、外周に金属テープからなる平滑層を備えた高温超電導体素線を積み重ねて形成されている前記転位導体の前記各高温超電導体素線の厚みにあわせて設けられた転位導体接続用の段差を備える超電導コイル用電極。
【請求項７】
請求項６記載の超電導コイル電極を、超電導コイルの端部に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
超電導電力貯蔵装置、核融合炉等に使用される大型超電導マグネット用の超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導体は、超電導電力貯蔵（ＳＭＥＳ）装置用の超電導コイルや超電導変圧器用の超電導コイルなどのコイル用途に用いる導体として、高臨界温度であること、運転コストが安いこと、運転時に電気的・熱的に安定していることの点が、従来の金属系低温超電導導体よりも優れており、例えば、ビスマス系やイットリウム系酸化物高温超電導体が開発されてきた。
【０００３】
しかし、これらの高温超電導導体を用いた超電導線は、臨界電流密度が、金属系低温超電導導体を用いた超電導線に比べて低いため、実用化の妨げとなっている。
【０００４】
そこで、この導体電流容量を増やす手段として、複数本の超電導素線を転位させて一つの導体とする方法が開発され、超電導電力ケーブルなどに利用されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
この転位導体は、交流通電やパルス的な通電電流に対して素線間の電流が均流化するので、容量を増強できると共に交流損失を抑えることができる構造として、他の導体化構造よりも優れていることが特徴である。即ち、通電電流が素線間を均流化して流れる場合は、そうでない場合と比較して、素線間の電磁力均衡や損失について抑制あるいは低減できるからである。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２０９２２号公報公報
【特許文献２】特開２００２−１１０４３４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、転位導体を使用して超電導コイルを作製する場合に、幾つかの問題が生じている。
【０００８】
問題点の第一は、転位導体を巻線して超電導コイルを作製する際に、その導体特性（超電導特性）が著しく低下し、超電導体素線を複数本束ねて転位導体化したことにより期待される電流容量増加効果が得られないという問題である。
【０００９】
この理由の一つとして、超電導コイルの作製時に転位導体を構成する超電導体素線（以下、素線と略す）間の滑りが悪く、素線の一部に引っかかりが生じ、特性低下が発生するほどのひずみが付与されることが考えられる。
【００１０】
別の理由として、転位導体から超電導コイルを作製する巻線作業時に、使用する巻線装置において転位導体に付与される曲げひずみが考えられる。
【００１１】
即ち、巻線作業を一時停止したり、巻戻しを行ったりすると転位導体の一部が、巻出し装置と巻取り装置間で垂れ下がり、曲げひずみを転位導体に与えることである。
【００１２】
更に、巻出し装置から引き出された転位導体が、張力制御装置などの巻線装置部材で構成される巻線ラインを通る際に、曲げ方向の逆転が生じると過大な曲げひずみが付与されて、転位導体の特性を著しく劣化させる場合である。実際の超電導コイルの巻線作業では、この両者の影響により導体特性が劣化するものと思われる。
【００１３】
例えば、図６を参照して説明する。巻き線装置２０は、巻き出し装置２１、張力検出リール２２、方向変換リール２３、巻内径１２０ｍｍのボビン２４を備えた巻取り装置２５で構成されている。巻き線装置２０では、転位導体１は矢印方向に巻き取られ、曲げ方向が、張力検出リール２２と方向変換リール２３間で走行中に逆転されるようになっている。
【００１４】
上記の巻き線装置２０を用いて転位導体１を巻線し、該転位導体１の端部に銅製板電極をはんだ付けして超電導コイルを作製し、ついで、該超電導コイルを用いて通電試験を行った。その結果、臨界電流が転位導体形成直後よりも５割低下し、超電導コイルとして要求される性能が得られなかった。
【００１５】
更に、この超電導コイルに１Ｔ（以降Ｔはテスラを示す）の磁界を加え、液体ヘリウム温度で通電すると、５６ＭＰａのフープ電磁力で臨界電流に達した。しかし、この値は、通常の機器製品で想定されるフープ電磁力１００ＭＰａに比べてほぼ半分の値であった。従って、上記問題点は、酸化物超電導体による製品化の妨げとなっていた。
【００１６】
問題点の第二として、巻線して超電導コイル化した後に、通電用電極を形成する電極部品と転位導体の端部とをはんだ付けにより接続した場合に、通電によって転位導体の超電導体素線間で均流化しなかったり、通電による電磁力によって電極付近の転位導体の素線にひずみが加わることにより特性の劣化が生じることである。
【００１７】
この原因は以下のようである。転位導体の端部には通電用の電極を設ける必要がある。しかし、転位導体は超電導体素線を複数本束ねたものであるため、単純に転位導体の端部を金属板にはんだ付けして接続した場合には、接続抵抗のバラツキによって転位による均流化が妨げられることがある。
【００１８】
更に、はんだ付け作業時や通電による電磁力で電極近傍の導体に局所的なひずみが加わり、転位導体の特性劣化を引き起こすものとも考えられる。
【００１９】
問題点の第三として、転位導体の形状を維持するには結束部が必要であり、その結束部が位置する転位導体巻回コイルの上下層の転位導体には、局所的なひずみが加わることになり転位導体の特性低下が生じてしまうことである。
【００２０】
そこで、本発明では転位導体を使用する超電導コイルに生じる種々の問題を解決して、優れた超電導特性を発揮する超電導コイル及び、そのような超電導コイルをもたらす巻線装置、転位導体用電極、転位導体などを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、外周に平滑層を備える高温超電導体素線を積み重ねて形成される転位導体を巻線して構成する超電導コイルであって、該超電導コイルの巻線時及び巻線後における該転位導体に付与されている曲げひずみが１％以下であり、前記平滑層は金属テープからなることを特徴とする超電導コイルである。
【００２２】
本発明の第２の態様は、前記平滑層は、前記高温超電導体素線の厚さ方向の上下面のみに構成されることを特徴とする超電導コイルである。
【００２３】
本発明の第３の態様は、前記超電導コイルの重なり合う転位導体と転位導体の間にスペーサーが備えられていることを特徴とする超電導コイルである。
【００２４】
本発明の第４の態様は、前記転移導体の厚みがｔ（ｍｍ）であり、前記転位導体を巻線して形成したコイルの巻内径がＤ（ｍｍ）である超電導コイルであって、
該転位導体の厚みｔ（ｍｍ）及び該超電導コイルの巻内径Ｄ（ｍｍ）が下記式の関係を満たしていることを特徴とする超電導コイルである。
０＜ｔ≦Ｄ／１００
【００２５】
本発明の第５の態様は、超電導コイルを形成する転位導体に付与される曲げが、同じ方向の曲げであって、且つその曲げひずみが１％以下であるように巻線されたものであることを特徴とする超電導コイルの製造方法である。
【００２６】
本発明の第６の態様は、巻出し装置と巻取り装置とそれらの間に少なくとも一つ以上の巻線装置構成部品を備える巻線装置において、
前記巻出し装置と巻取り装置間で、前記転位導体に付与されている曲げひずみが１％以下となるように巻出し装置、巻取り装置及び巻線装置構成部品が配置されていることを特徴とする巻線装置である。
【００２７】
本発明の第７の態様は、巻出し装置と巻取り装置とそれらの間に少なくとも一つ以上の巻線装置構成部品を備える巻線装置において、
転位導体に同じ方向の曲げが付与されるように巻出し装置、巻取り装置及び巻線装置構成部品が配置されていることを特徴とする巻線装置である。
【００２８】
本発明の第８の態様は、巻出し装置と巻取り装置とそれらの間に少なくとも一つ以上の巻線装置構成部品を備える巻線装置において、
前記巻出し装置と巻取り装置間で、前記転位導体に付与されている曲げひずみが１％以下となるように巻出し装置、巻取り装置及び巻線装置構成部品が配置されており、
且つ転位導体に同じ方向の曲げが付与されるように巻出し装置、巻取り装置及び巻線装置構成部品が配置されていることを特徴とする巻線装置である。
【００２９】
本発明の第９の態様は、巻出し装置と巻取り装置とそれらの間に少なくとも一つ以上の巻線装置構成部品を備える巻線装置において、前記巻線装置構成部品が走行中の転位導体のたるみを抑制する部品であることを特徴とする巻線装置である。
【００３０】
本発明の第１０の態様は、超電導コイルの巻線時及び巻線後における転位導体に付与されている曲げひずみが１％以下であり、外周に金属テープからなる平滑層を備えた高温超電導体素線を積み重ねて形成されている前記転位導体の前記各高温超電導体素線の厚みにあわせて設けられた転位導体接続用の段差を備える超電導コイル用電極である。
【００３１】
本発明の第１１の態様は、超電導コイル電極を、超電導コイルの端部に備えることを特徴とする超電導コイルである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明により酸化物高温超電導体を使用した転位導体で構成される特性に優れた超電導コイルの製作が可能となり、また、超電導電力貯蔵装置、超電導変圧器及び交流コイルなどの応用機器の開発、製造が可能となる。従って、工業上顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
先ず、超電導コイルにおいて、長手方向の曲げひずみを１％以下とする。１％以下とするには、転位導体を構成する超電導体素線（以下、素線と略す）表面を滑らかにして、素線同士のすべりを平滑にすることが必要である。平滑にする方法には、例えば樹脂などをコーティングする、或いはステンレスなどの平滑平面を有する金属材料を素線に貼り合わせるなどの方法がある。
【００３４】
又、下記式（１）で示した曲げひずみに関する式を用いて、コイル巻回時に転位導体へ加わる曲げひずみが１％以内になるように、超電導コイルの巻内径と導体の厚みを調整する方法がある。
【００３５】
これにより、コイル巻枠で巻回される転位導体は、素線同士の巻回中に滑ることが可能となり、局所的な曲げひずみを回避してコイル巻回時に転位導体に付与される曲げひずみを１％以内に抑えることができ、超電導特性の劣化が生じなくなる。
ε＝（ｔ／Ｄ）×１００・・・・・・（１）
ここで各記号は以下を示す。
ε（％）  ：曲げひずみ
ｔ（ｍｍ）：転位導体厚み
Ｄ（ｍｍ）：コイルの巻内径
【００３６】
なお、本発明では、該転位導体の厚み（ｔ）及び該超電導コイルの巻内径（Ｄ）が下記式の関係を満たすことを特徴とする。
０＜ｔ≦Ｄ／１００・・・・・・（２）
即ち、本発明では曲げひずみを１％以内にする。そのために、式（１）を変形すると下記式（３）のように示される。
ε＝（ｔ／Ｄ）×１００≦１・・（３）
更に、式（３）を変形すると、下記式（４）のように示される。
ｔ≦Ｄ／１００・・・・・・・・（４）
なお、ｔの値は０（ｍｍ）以上である。従って、式（４）から、本発明において、前記式（２）が誘導される。
【００３７】
転位導体を巻線して超電導コイルを作製する巻線装置において、転位導体の走行ラインは、巻出し装置から途中数カ所の送り備品（以下リールと称す）を経て、コイル巻枠に到達し、巻回されて超電導コイルが形成される。この走行ラインにおいて、リール間にパイプや板などで構成される転位導体支持具を設けて転位導体を支持する構造にすることにより本発明の目的を達成することができる。
【００３８】
即ち、転位導体について、設置したパイプの中を通したり、板の上を滑らせたり、板の直上を走行させることにより、巻線作業を中断したときに、巻戻しなどの際の転位導体に弛みが発生した場合にも、転位導体支持具により転位導体に発生する曲げひずみを１％以内に収めることができ、よって、転位導体特性の劣化を防止することができるのである。
【００３９】
また、転位導体については、巻出し装置から走行ライン上に繰り出された後、曲げ方向が片振り曲げのように一方向となるように、巻線装置の構成部品の配置を行うことが望ましい。すると、転位導体に付与される曲げひずみは、片方向のみとなり繰り返し曲げのような曲げ方向の逆転が生じないので、転位導体特性の劣化を防ぐことができる。
【００４０】
転位導体の端部に設けられ電極は、転位導体の積層数に等しい段数で、且つ転位導体を構成する素線厚みに合った高さの段差が設けられた構造を有することを特徴とする。この段差部に転位導体の各層をハンダ付けで接続する。
【００４１】
これにより、電極を構成する金属板と転位導体間の接続抵抗をほぼ等しい値に揃えることが可能となり、均流化することができる。又、はんだ付け時の局所的なひずみや、電磁力による局所的なひずみの発生を防ぐことができると共に、通電による導体特性の低下も防止することができる。
【００４２】
転位導体は、その形状を保持するための結束部を設ける場合には、結束部をコイル形状に巻回した場合に結束部の上下層の転位導体に局所的なひずみを加えることになる。これら局所的なひずみを防ぐために各層間に板状やフィルム状のスペーサーを設けて転位導体巻回コイルを作製することが望ましい。
【実施例】
【００４３】
図１〜図５を参照して、本発明を詳細に説明する。図１、図２において、図番の１は転位導体、図番の２は素線（超電導体）、３は素線表面に設けられる平滑層であり、４ａは樹脂被覆素線、４ｂは金属板貼付素線である。図１に示したように、転移導体１を構成する素線２には、厚み０．２ｍｍ、幅１．８５ｍｍの銀マグネシウム合金シースを用いたビスマス系高温超電導体素線を使用した。
【００４４】
この素線の表面に設けられる平滑層３として、フォルマール絶縁樹脂を被覆厚み約２０μｍに設けて、樹脂被覆素線４ａを作製した。なお、被覆はフォルマール以外にも、エポキシ樹脂やポリイミドテープやマイラテープなどで被覆しても良く、又は図１（ｂ）で示したように、ステンレステープや銅テープなどの表面が平滑な金属テープ類を貼り合わせたり、重ねたりしても良い。
【００４５】
次いで、この樹脂被覆素線を転位導体化した。図２で示されるように、先ず長さ５０ｍの樹脂被覆素線４ａを６本用意し、それらを転位ピッチ５７０ｍｍで転位しながら転位導体化した。この転位導体の寸法は厚み１．３ｍｍ、幅４．０ｍｍで、この転位導体１の自己磁界下における液体窒素温度での臨界電流（Ｉｃ）は、１５６Ａであった。
【００４６】
この転位導体を巻内径φ２００ｍｍのボビンに巻取り、転位導体供給コイルを作製した。
【００４７】
超電導コイルの作製には、図３（ａ）に示した、例えば巻内径が２００ｍｍ、巻幅が９０ｍｍのガラス繊維強化プラスチック製ボビン５を用いた。このボビン５の巻内径は転位導体に付与されるひずみが１％以内に収まるように決められているが、０．３％程度のひずみを安全マージンとして見込み、転位導体の曲げひずみが０．７％程度になるように、前記式（１）から求めた。従って、ボビンの巻内径がＤ＝２００ｍｍの場合、曲げひずみεは０．６５％とした。
【００４８】
転位導体は、このボビン５にソレノイド巻で巻線した。図３（ｂ）に示したように、ソレノイド巻の巻線においては転位導体を１層形成するごとに、その層の外周にエポキシ樹脂を塗り込み、更にその上に幅５ｍｍ、厚み０．４ｍｍの繊維強化プラスチック製スペーサー６を設けた。スペーサー６は、超電導コイルの巻線の周方向に２４等配となるように配置した。スペーサー６上に次の転位導体の層を巻線することを繰り返して所定の巻数を形成した。
【００４９】
巻線中は転位導体を形成している素線同士がお互いに平滑に滑ることで素線に局所的な曲げひずみが生じることがないようにした。巻線終了後には、転位導体の両端部に電極をはんだ付けした。
【００５０】
図４には、転位導体１をボビンに巻線して超電導コイルを作製する巻線装置を示した。超電導コイル用のボビン５を巻線装置７の巻取り装置８に取り付け、ボビン５を回転させて転位導体１を、矢印方向に巻取り装置８で巻取り、超電導コイル９を作製した。
【００５１】
転位導体１は、巻出し装置１０に設置された転位導体供給コイル１１から繰り出されて、巻線装置７の走行ラインを進む。この走行ラインには途中φ３００ｍｍの張力検出用リール１２があり、この張力検出用リール１２の信号をフィードバックして、転位導体１の巻線張力を制御する。
【００５２】
張力検出用リール１２を通った転位導体１は、ボビン５に巻線されるが、転位導体１の曲げ方向は、常に転位導体供給コイル１１の巻き方向と同じ向きとなるように、張力検出リール１２やボビン５などの巻線装置構成部品を配置した。
【００５３】
更に、張力検出リール１２とボビン５間には、転位導体１が垂れ下がっても曲げひずみが１％以内に収まるように支持具１３が設けた。この支持具１３は塩化ビニルや金属などのチャンネル材、板又は筒などを用いている。ここでは、塩化ビニル製チャンネル材を用いたる。
【００５４】
支持具１３は転位導体１の走行ラインの下方に、例えば約１ｍｍの間隔の所に固定されており、転位導体１が緩んで垂れ下がってきても、この支持具１３に転位導体１が支えられて転位導体１に加わる曲げひずみを１％以内に抑えることができる。また、転位導体１の巻戻し時に発生する一時的な転位導体１の垂れ下がりに対応できるので、曲げひずみを１％以内に抑えることができる。
【００５５】
図５に示した本発明に係る電極１４は、ＪＩＳ  Ｃ１１００に準じて作製した銅製の電極であり、転位導体との半田付け接続部位１５は階段状に段差１６を設けた。図５では、段差が２段になっているが、用いる転位導体によって２段、又は多段に設けて良い。
【００５６】
この段差１６の大きさは、図４の電極の場合には、２列３層の素線で構成される転位導体１の素線厚みにほぼ相当するように設けられ、例えば０．５ｍｍとした。この電極の段差量を素線の厚み相当にして、転位導体の電極はんだ付け接続部位に曲げ歪みを与えないようにした。
【００５７】
なお、電極構造は、この他にも繊維強化プラスチック製の板に銅板を組み合わせて段差を形成するなどの方法でも良く、本発明の段差を有する電極構造を実現する方法であるなら、どのような方法を用いても良い。
【００５８】
次いで、この電極の一つの段差に、転位導体の素線２列分をはんだ接続した。これを３回繰り返し、６本の素線全てを電極にはんだ付けにより接続した。さらに転位導体の残りの端部も同じ電極を用意し、同様のはんだ付けにより接続した。
【００５９】
次に、本発明による巻線装置、電極を用いて作製した超電導コイルの特性示す。作製した超電導コイルを液体窒素温度に冷却し、自己磁界下での臨界電流を測定し、１４０Ａの臨界電流値を得た。この臨界電流値はコイル形状により発生する磁界による超電導特性の影響であって、コイル作製時の曲げひずみによる変化ではないことを確認した。
【００６０】
高磁界下での臨界電流とフープ電磁力測定するため、内径３００ｍｍの断熱筒の内側に本発明の超電導コイルを取り付け、液体ヘリウム温度まで冷却し、１４Ｔの磁界環境下で通電試験を行った。その結果、臨界電流値は３６０Ａで、そのときの転位導体に加わるフープ電磁力は１３６ＭＰａであった。
【００６１】
更に、１４Ｔの磁界中で励磁と減磁を３回繰り返したが、臨界電流特性に変化は見られなかった。従って、本発明による超電導コイルは、実用化に充分な電気的及び機械的特性を兼ね備えている。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
超電導電力貯蔵装置、核融合炉等に使用される大型超電導マグネット用の超電導コイルに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明について、図１（ａ）には樹脂を被覆した場合、図１（ｂ）には金属材料を貼り付けた場合の超電導体素線の断面構造の模式図を示した。
【図２】本発明に係る転位導体の構造の斜視図である。
【図３】本発明に係る巻線装置に用いられる巻取り用のボビンの外観図である。
【図４】本発明に係る巻線装置の模式図である。
【図５】本発明に係る転位導体に設けられる電極である。
【図６】転位導体の曲げ方向が逆転する巻線装置の模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
１    転位導体
２    超電導体素線
３    素線表面の平滑層
４ａ  樹脂被覆素線
４ｂ  金属材料貼付素線
５    超電導コイル用ボビン
６    スペーサー
７    巻線装置
８    巻取り装置
９    超電導コイル
１０  巻出し装置
１１  転位導体供給コイル
１２  張力検出リール
１３  支持具
１４  超電導コイル用電極
１５  はんだ接続部位
１６  段差
２０  巻線装置
２１  巻出し装置
２２  張力検出リール
２３  方向変換リール
２４  ボビン
２５  巻取り装置
【図１】
0004652721.tif 000002
【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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