(57)【要約】  超電導磁場発生素子１は、円柱形状又は円筒形状の超電導バルク２と、超電導バルク２の外周面にその内周面が接触するように、超電導バルク２に取り付けられた内側円筒状部材４と、内側円筒状部材４の外周面にその内周面が接触するように、内側円筒状部材４に取り付けられた外側円筒状部材５と、を備える。内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５は、それぞれ、超電導バルク２の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する材質により形成される。外側円筒状部材５は、常温にて超電導バルク２に圧縮応力が作用するように、内側円筒状部材４に取り付けられている。
2017169422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱形状又は円筒形状の超電導バルクと、
前記超電導バルクの外周面にその内周面が接触するように、前記超電導バルクに取り付けられた内側円筒状部材と、
前記内側円筒状部材の外周面にその内周面が接触するように、前記内側円筒状部材に取り付けられた外側円筒状部材と、を備え、
前記内側円筒状部材及び前記外側円筒状部材は、それぞれ、前記超電導バルクの熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する材質により形成され、
前記外側円筒状部材は、常温にて前記内側円筒状部材を介して前記超電導バルクに圧縮応力が作用するように、前記内側円筒状部材に取り付けられている、超電導磁場発生素子。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導磁場発生素子において、
前記内側円筒状部材は、その内周面が前記超電導バルクの外周面に接着層を介して接着されるように、前記超電導バルクに取り付けられている、超電導磁場発生素子。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導磁場発生素子において、
前記接着層の材質が樹脂である、超電導磁場発生素子。
【請求項４】
請求項１に記載の超電導磁場発生素子において、
前記内側円筒状部材の内周面は、前記超電導バルクの外周面に直接接触した第一領域と、前記超電導バルクの外周面との間に隙間が形成された第二領域を有し、
前記隙間に充填剤が充填されることにより、前記第二領域が前記充填剤を介して前記超電導バルクの外周面に間接接触している、超電導磁場発生素子。
【請求項５】
請求項４に記載の超電導磁場発生素子において、
前記充填剤は、流動性を有する材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項６】
請求項５に記載の超電導磁場発生素子において、
前記充填剤は、所定の温度以下で固化状態である材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材が、前記内側円筒状部材に焼き嵌めされている、超電導磁場発生素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材が、前記内側円筒状部材に冷やし嵌めされている、超電導磁場発生素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材は、前記内側円筒状部材の熱収縮率と等しい熱収縮率又は前記内側円筒状部材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材は、径方向に積層された複数の円筒状部材により構成され、且つ、常温にて隣接する円筒状部材の接触面に圧縮方向への応力が発生するように、構成されている、超電導磁場発生素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材を構成する各円筒状部材は、それよりも径内方に隣接配置した円筒状部材の熱収縮率と等しいか又はそれよりも大きい熱収縮率を有する材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材を構成する各円筒状部材は、それよりも径内方に隣接配置した円筒状部材のヤング率と等しいか又はそれよりも大きいヤング率を有する材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材と前記内側円筒状部材が同一の材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記内側円筒状部材の径方向における厚さである内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）と前記外側円筒状部材の径方向における厚さである外側肉厚（ｔ＿ｏｕｔ）との和である総肉厚（Ｔ）に対する前記内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）の比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）が、３／４以下である、超電導磁場発生素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記内側円筒状部材の径方向における厚さである内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）と前記外側円筒状部材の径方向における厚さである外側肉厚（ｔ＿ｏｕｔ）との和である総肉厚（Ｔ）に対する前記内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）の比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）が、１／１０以上である、超電導磁場発生素子。
【請求項１６】
円柱形状又は円筒形状の超電導バルクと、前記超電導バルクの外周面に取り付けられる内側円筒状部材と、前記内側円筒状部材の外周面に取り付けられる外側円筒状部材とを備える超電導磁場発生素子の製造方法であって、
前記超電導バルクの外周面に前記内側円筒状部材を取り付ける第一工程と、
前記内側円筒状部材の温度よりも高い温度の前記外側円筒状部材の内周面が前記内側円筒状部材の外周面に対面するように、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材に対して配設し、その後、前記内側円筒状部材の温度と前記外側円筒状部材の温度との差を減少させることにより、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材の外周面に取り付ける第二工程と、
を含む、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記第一工程は、前記超電導バルクの外周面又は前記内側円筒状部材の内周面に接着剤を塗布する工程と、前記接着剤を介して前記超電導バルクの外周面に前記内側円筒状部材の内周面が接触するように、前記内側円筒状部材を前記超電導バルクに取り付ける工程と、を含む、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記第一工程は、前記超電導バルクの外周面又は前記内側円筒状部材の内周面に、流動性を有する充填剤を塗布する工程と、前記充填剤を介して前記超電導バルクの外周面に前記内側円筒状部材の内周面が接触するように、前記内側円筒状部材を前記超電導バルクに取り付ける工程と、を含む、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記充填剤は、流動性を有する状態から流動性を有しない状態に変化することができるような材質により構成されており、
前記第二工程は、前記第一工程にて前記超電導バルクの外周面と前記内側円筒状部材の内周面との間に介在した充填剤が流動性を有する状態であるときに実行される、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記第二工程は、前記内側円筒状部材の温度よりも高い温度に加熱された前記外側円筒状部材の内周面が、前記内側円筒状部材の外周面に対面するように、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材に対して配設し、その後、前記外側円筒状部材を冷却することにより、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材の外周面に取り付ける工程である、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項２１】
請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記第二工程は、前記外側円筒状部材の内周面が、前記外側円筒状部材の温度よりも低い温度に冷却された前記内側円筒状部材の外周面に対面するように、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材に対して配設し、その後、前記内側円筒状部材を昇温することにより、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材の外周面に取り付ける工程である、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記外側円筒状部材は、径方向に積層された複数の円筒状部材により構成されており、
前記第二工程は、前記複数の円筒状部材を内径側から順に取り付ける工程を含み、且つ、少なくとも、ｉ番目に取り付けられる円筒状部材の取付時における温度が、ｉ−１番目に取り付けられた円筒状部材の温度よりも高くされている、超電導磁場発生素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁場発生素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導バルクを用いて構成される超電導磁場発生素子は、永久磁石により発生される磁場よりもはるかに大きな磁場を発生する。例えば、Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（Ｒｅは希土類元素のうちの１種又は２種以上）の高温超電導材料からなる超電導バルクを用いて構成される超電導磁場発生素子は、１０Ｔ以上の磁場を発生することができる。【０００３】
超電導バルクを用いた超電導磁場発生素子に磁場を発生させる場合、超電導磁場発生素子を超電導転移温度以下の温度に冷却した状態で、超電導バルクに磁場を捕捉させる。超電導バルクが磁場を捕捉しているときには、超電導バルク内を円電流が流れる。この円電流と超電導バルクの捕捉磁場とに基づく電磁力が、超電導バルクに作用する。この電磁力は、超電導バルクの中心から外方に向かう方向に作用する。従って、超電導バルクが円筒形状、或いは、円柱形状に形成されている場合、電磁力は、超電導バルクの中心軸から径外方に向かう方向に作用する。このため、超電導バルクはその径を大きくしようとして膨張し、斯かる膨張力によって、周方向に引き裂かれるように引張応力が超電導バルクに作用する。そして、引張応力が超電導バルクの機械的強度を上回るとき、超電導バルクが割れる。【０００４】
上記した引張応力に基づく超電導バルクの破損を防止するため、引張応力（膨張力）に対抗する圧縮応力を超電導バルクに与えることによって超電導バルクが補強されるように構成された超電導磁場発生素子が開発されている。例えば、特許文献１は、円柱形状の超電導バルクを、それよりも熱収縮率の大きい金属により構成される円筒状部材の内部に樹脂層を介して室温で埋め込むことにより構成される超電導磁場発生素子を開示する。この構成によれば、円柱形状の超電導バルクの外周面が、樹脂層を介して円筒状部材に覆われる。このような超電導磁場発生素子をその使用温度である超電導転移温度以下の温度まで冷却すると、熱収縮率の差に起因して、円筒状部材が超電導バルクを締め付ける。このため超電導バルクの外周に圧力が加わり、結果として超電導バルクの内部に圧縮応力が作用する。この圧縮応力と超電導バルクに発生している引張応力（膨張力）とを相殺させることにより、超電導バルクに作用する正味の応力が低減される。このため、超電導バルクの割れが効果的に防止でき、それ故に、より高い磁場を、超電導バルクに着磁させることができる。【０００５】
特許文献２は、円柱形状又は円筒形状の超電導バルクの外周面に加え、上端面又は下端面の少なくとも一方に、補強部材が設けられた超電導磁場発生素子を開示する。この構成によれば、超電導バルクの外周面のみならず、上端面又は下端面の少なくとも一方にも補強部材が設けられているために、超電導バルクに与える圧縮応力が増加し、それ故に、補強効果が高められる。【０００６】
特許文献３は、円柱形状又は円筒形状の超電導バルクの外周面に、加熱された円筒状部材を取り付けることにより構成される超電導磁場発生素子を開示する。この構成によれば、加熱された円筒状部材を超電導バルクの外周面に取り付けた後に、円筒状部材を室温まで冷却することにより、円筒状部材が超電導バルクに焼き嵌めされる。また、特許文献３は、７７Ｋに冷却した超電導バルクに室温の円筒状部材を取り付けることにより構成される超電導磁場発生素子をも開示する。この構成によれば、冷却された超電導バルクに室温の円筒状部材を取り付けた後に、超電導バルクを室温まで昇温することにより、円筒状部材が超電導バルクに冷やし嵌めされる。超電導バルクに円筒状部材を焼き嵌め又は冷やし嵌めすることにより、超電導磁場発生素子の製造の段階で、超電導バルクに円筒状部材から圧縮応力を作用させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３３８９０９４号明細書
【特許文献２】特開２０１４−１４６７６０号公報
【特許文献３】特許第４０１２３１１号明細書
【発明の概要】
【０００８】
（発明が解決しようとする課題）
特許文献１に記載の超電導磁場発生素子によれば、より大きな圧縮応力を超電導バルクに作用させて補強効果を高めようとする場合には、円筒状部材の厚さ（肉厚）が大きくされる。円筒状部材の肉厚が大きくされると、その分だけ超電導磁場発生素子の外径が大きくされる。しかしながら、超電導磁場発生素子は、着磁用マグネットのボア内に挿入された状態で着磁されるため、超電導磁場発生素子の外径は、着磁用マグネットのボアの内径よりも小さくなければならならい。このため、円筒状部材の肉厚の増加が、着磁用マグネットのボアの径によって制限される。よって、十分な圧縮応力を超電導バルクに作用させるように円筒状部材の肉厚を増加することができない場合も生じ得る。また、円筒状部材の肉厚を増加しても、肉厚に比例して補強効果（圧縮応力）が増すわけではなく、徐々に補強効果は小さくなり、やがて飽和する。一方で、超電導バルク内に生じる引張応力は、超電導バルクに捕捉された磁場強度の二乗に比例して大きくなる。このため、径の大きな円筒形状の超電導バルクに例えば１０Ｔ以上の高磁場を捕捉させようとしたときに、単に円筒状部材の肉厚を増加するだけでは、超電導バルク内で生じる引張応力に対抗することができる十分な大きさの圧縮応力を、超電導バルクに作用させることができず、その結果、超電導バルクが割れる虞がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載の超電導磁場発生素子によれば、円柱形状又は円筒形状の超電導バルクの外周面に加え、上端面或いは下端面にも補強部材が取り付けられているため、上端面或いは下端面に補強部材が取り付けられていない場合と比較して、超電導バルクに作用させる圧縮応力は大きくされる。しかし、超電導バルクの上端面或いは下端面に取り付けられた補強部材が直接的に超電導バルク内で生じる引張応力を受けるわけではないので、その補強効果の向上の度合い（圧縮応力の増加の度合い）は小さい。従って、超電導バルクに大きな磁場を捕捉させようとしたときに、超電導バルク内で生じる引張応力に対抗することができる十分な大きさの圧縮応力を、超電導バルクに作用させることができない。
【００１０】
また、特許文献３によれば、超電導バルクと温度差のある円筒状部材が直接的に超電導バルクに取り付けられるため、上記温度差による熱衝撃が超電導バルクに作用する。このため超電導バルクが破損する虞がある。なお、特許文献３に記載の技術に基づいて、樹脂層を介して円筒状部材を超電導バルクに取り付けようとしても、例えば加熱された円筒状部材の熱で樹脂層が溶融するなどの不具合を生じる。このため、特許文献３の技術を用いる限り、樹脂層を介して超電導バルクの外周面に円筒状部材を取り付けることはできない。
【００１１】
以上のように、従来の技術においては、超電導バルクに例えば１０Ｔ以上の大きな磁場を捕捉させようとしたときに、超電導バルク内で生じる引張応力に対抗することができる十分な大きさの圧縮応力を超電導バルクに作用させることができなかった。本発明は、十分に大きな圧縮応力を超電導バルクに作用させることができるように構成された超電導磁場発生素子、及び、そのような超電導磁場発生素子の製造方法を提供することを、目的とする。
【００１２】
（課題を解決するための手段）
本発明は、円柱形状又は円筒形状の超電導バルク（２）と、超電導バルクの外周面にその内周面が接触するように、超電導バルクに取り付けられた内側円筒状部材（４）と、内側円筒状部材の外周面にその内周面が接触するように、内側円筒状部材に取り付けられた外側円筒状部材（５）と、を備え、内側円筒状部材及び外側円筒状部材は、それぞれ、超電導バルクの熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する材質により形成され、外側円筒状部材は、常温にて内側円筒状部材を介して超電導バルクに圧縮応力が作用するように、内側円筒状部材に取り付けられている、超電導磁場発生素子（１，１Ａ，１Ｂ）を提供する。上記本発明において、「常温」とは、「５℃〜３５℃」程度の温度である。
【００１３】
本発明に係る超電導磁場発生素子によれば、径方向に積層された複数の円筒状部材（内側円筒状部材及び外側円筒状部材）によって、超電導バルクが補強されるように構成される。また、外側円筒状部材は、常温にて内側円筒状部材を介して超電導バルクに圧縮応力が作用するように、内側円筒状部材に取り付けられている。従って、超電導バルクに磁場を捕捉させるために超電導磁場発生素子を超電導転移温度以下の温度まで冷却した時には、内側円筒状部材及び外側円筒状部材の熱収縮により生じる圧縮応力に加え、既に常温にて生じている圧縮応力が付加される。このため、超電導バルクに磁場を捕捉させているときに超電導バルク内で生じている引張応力に対抗し得る圧縮応力は、常温にて既に生じている圧縮応力の分だけ大きくされる。
【００１４】
このように、本発明によれば、超電導バルクを補強するために複数の円筒状部材を用い、且つ、そのうちの一つの円筒状部材が常温で既に圧縮応力を超電導バルクに作用させているように、超電導磁場発生素子が構成される。よって、同じ厚さの一つの円筒状部材を用いて超電導バルクを補強する場合と比較して、より大きい圧縮応力を超電導バルクに作用させることができる。すなわち、本発明によれば、十分に大きな圧縮応力を超電導バルクに作用させることができるように構成された超電導磁場発生素子を提供することができる。
【００１５】
内側円筒状部材は、その内周面が超電導バルクの外周面に接着層（３）を介して接着されるように、超電導バルクに取り付けられているのがよい。これによれば、内側円筒状部材と超電導バルクとの間に接着層が介在されているため、接着層を介して内側円筒状部材の内周面を超電導バルクの外周面の全面に均一に接触させることができる。よって、超電導バルクと内側円筒状部材を直接接触させた場合に両者の接触表面の凹凸や形状の歪によって接触面積が限定される（すなわち両者が部分的に接触する）といったことはない。このため、接触面積が限定される（部分的に接触する）ことに起因して、すなわち両者の接触表面の凹凸や形状の歪に起因して、部分的に圧力が高まることによって超電導バルクが破損するようなことを効果的に防止することができる。
【００１６】
この場合、超電導バルクの外周面と内側円筒状部材との間に介在する接着層が、樹脂により構成されているとよい。これによれば、接着層としての樹脂が均一に超電導バルクの外周面と内側円筒状部材の内周面との間の隙間を埋めることにより、圧縮応力を確実に超電導バルクに伝えることができる。
【００１７】
また、内側円筒状部材の内周面は、超電導バルクの外周面に直接接触した第一領域（Ａ）と、超電導バルクの外周面との間に隙間（Ｇ）が形成された第二領域（Ｂ）を有し、隙間に充填剤（６）が充填されることにより、第二領域が充填剤を介して超電導バルクの外周面に間接接触しているように構成することもできる。これによれば、内側円筒状部材と超電導バルクとの接触表面に形成される凹凸や空孔、或は形状の歪みによって、内側円筒状部材の内周面に、超電導バルクの外周面に直接接触した第一領域と、超電導バルクの外周面に直接接触しておらず、両面間に隙間が形成された第二領域が形成される。そして、第二領域上に形成される隙間に充填剤が充填される。このように構成することで、内側円筒状部材の内周面と超電導バルクの外周面とを直接的及び間接的に全面接触させることができる。
【００１８】
この場合、充填剤は、流動性を有する材質により形成されているとよい。これによれば、内側円筒状部材の内周面と超電導バルクの外周面との間に介在した充填剤が外側円筒状部材からの圧縮応力を受けることにより流動する。流動した充填剤は、外側円筒状部材からの圧縮応力により、内側円筒状部材の内周面の第二領域上に形成される隙間に確実に充填される。
【００１９】
さらにこの場合、充填剤は、時間の経過とともに流動性が低下する材質により形成されていてもよい。これによれば、流動性を有するときに内側円筒状部材の内周面の第二領域上に形成された隙間に充填された充填剤の流動性が、その後、時間の経過とともに低下する。このため、隙間に入り込んだ充填剤を隙間内に留めることができる。時間の経過とともに流動性が低下する材質として、エポキシ系接着剤等を例示することができる。
【００２０】
また、充填剤は、所定の温度以下で固化状態である材質により構成されていてもよい。これによれば、内側円筒状部材の内周面の第二領域上に形成された隙間に充填された充填剤の温度を上記所定の温度以下の温度に低下させて充填剤を固化させることにより、隙間に入り込んだ充填剤を隙間内に留めることができる。所定の温度として、例えば、超電導磁場発生素子を使用する際の温度（例えば−２００℃程度）を例示することができる。所定の温度以下で固化状態である充填剤として、シリコングリース等を例示することができる。
【００２１】
本発明において、外側円筒状部材が、内側円筒状部材に焼き嵌めされているとよい。これによれば、常温よりも高い温度に加熱された外側円筒状部材を、常温の内側円筒状部材の外周面に取り付け、その後に外側円筒状部材を常温まで冷却して外側円筒状部材を熱収縮させることにより、常温にて外側円筒状部材が内側円筒状部材に焼き嵌めされる。このとき、外側円筒状部材から内側円筒状部材に圧縮応力が作用し、さらに、内側円筒状部材の内周側に取り付けられた超電導バルクにも、内側円筒状部材を介して圧縮応力が作用する。この場合において、外側円筒状部材と超電導バルクとの間に内側円筒状部材が介在されているので、焼き嵌め時における外側円筒状部材の熱が、超電導バルクに直接伝達されることが防止される。よって、熱衝撃による超電導バルクの破損を防止することができ、それ故に、より大きな圧縮応力を超電導バルクに与えることができる。また、超電導バルクの外周面と内側円筒状部材の内周面との間に接着層或いは充填剤が介在している場合、外側円筒状部材の熱が接着層或いは充填剤に直接伝わることが防止される。このため、接着層の接着能力の低下（例えば接着層が樹脂により構成されている場合、熱によって樹脂が溶融して接着能力が低下すること）或いは充填剤の劣化を防止することができる。
【００２２】
また、外側円筒状部材が、内側円筒状部材に冷やし嵌めされていてもよい。これによれば、常温よりも低い温度に冷却された内側円筒状部材の外周面に、常温の外側円筒状部材を取り付け、その後に内側円筒状部材を常温まで昇温して内側円筒状部材を熱膨張させることにより、常温にて外側円筒状部材が内側円筒状部材に冷やし嵌めされる。このとき、外側円筒状部材から内側円筒状部材に圧縮応力が作用し、さらに、内側円筒状部材の内周側に取り付けられた超電導バルクにも、内側円筒状部材を介して圧縮応力が作用する。なお、この場合、内側円筒状部材を超電導バルクとともにゆっくりと冷却し、且つ、外側円筒状部材が取り付けられた後に内側円筒状部材を超電導バルクとともにゆっくりと昇温させることにより、熱衝撃による超電導バルクの破損を防止することができる。
【００２３】
また、外側円筒状部材は、内側円筒状部材の熱収縮率と等しい熱収縮率または内側円筒状部材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する材質により構成されるとよい。これによれば、超電導磁場発生素子を超電導転移温度以下の温度に冷却する際に、内側円筒状部材と同等以上に外側円筒状部材が熱収縮するため、両者の間に隙間が発生しない。よって、外側円筒状部材、内側円筒状部材の両者の熱収縮により発生する圧縮応力を超電導バルクに作用させることができる。
【００２４】
また、外側円筒状部材は、径方向に積層された複数の円筒状部材（５Ａ，５Ｂ）により構成されていてもよい。この場合、常温にて隣接する円筒状部材の接触面に圧縮方向への応力が作用するように、構成されているとよりよい。これによれば、常温にて、外側円筒状部材を構成するそれぞれの円筒状部材が発生する圧縮応力の総和を超電導バルクに作用させることができる。
【００２５】
この場合、外側円筒状部材を構成する各円筒状部材は、それよりも径内方に隣接配置した円筒状部材の熱収縮率と等しいか又はそれよりも大きい熱収縮率を有する材質により構成されるとよい。或いは、外側円筒状部材を構成する各円筒状部材は、それよりも径内方に隣接配置した円筒状部材のヤング率と等しいか又はそれよりも大きいヤング率を有する材質により構成されていてもよい。これによれば、超電導磁場発生素子を超電導転移温度以下の温度に冷却する際に、外側円筒状部材を構成する各円筒状部材の熱収縮に伴う圧縮応力の総和を、超電導バルクに作用させることができる。
【００２６】
また、外側円筒状部材と内側円筒状部材が同一の材質により構成されていてもよい。例えば、外側円筒状部材と内側円筒状部材が、共に、アルミニウム合金により構成されていてもよい。これによれば、外側円筒状部材と内側円筒状部材を同一の材質により構成することにより、異なる材質により構成する場合と比較して、製造コストを低減することができる。
【００２７】
また、内側円筒状部材の径方向における厚さである内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）と外側円筒状部材の径方向における厚さである外側肉厚（ｔ＿ｏｕｔ）との和である総肉厚（Ｔ）に対する内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）の比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）が、３／４以下であるとよい。換言すれば、総肉厚（Ｔ）に対する外側肉厚（ｔ＿ｏｕｔ）の比（ｔ＿ｏｕｔ／Ｔ）が２５％以上であるとよい。これによれば、内側円筒状部材の肉厚が大きすぎることによって外側円筒状部材の圧縮応力が超電導バルクに十分に作用しないことを、防止することができる。
【００２８】
また、総肉厚（Ｔ）に対する内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）の比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）が、１／１０以上であるとよい。外側円筒状部材を内側円筒状部材に焼き嵌めする場合においては、外側円筒状部材の熱が内側円筒状部材に伝達される。内側円筒状部材に伝達された熱は、それよりも内周側に位置する超電導バルク、或は接着層又は充填剤に伝達されないように外部に放熱されるのが望ましい。この場合において、総肉厚（Ｔ）に対する内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）の比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）を１／１０以上にすることで、すなわち内側肉厚の総肉厚に対する比率を１０％以上にすることで、放熱効果を向上させることができる。
【００２９】
また、本発明は、円柱形状又は円筒形状の超電導バルク（２）と、超電導バルクの外周面に取り付けられる内側円筒状部材（４）と、内側円筒状部材の外周面に取り付けられる外側円筒状部材（５）とを備える超電導磁場発生素子（１，１Ａ，１Ｂ)の製造方法であって、超電導バルクの外周面に内側円筒状部材を取り付ける第一工程と、内側円筒状部材の温度よりも高い温度の外側円筒状部材の内周面が内側円筒状部材の外周面に対面するように、外側円筒状部材を内側円筒状部材に対して配設し、その後、内側円筒状部材の温度と外側円筒状部材の温度との差を減少させることにより、外側円筒状部材を内側円筒状部材の外周面に取り付ける第二工程と、を含む、超電導磁場発生素子の製造方法を提供する。
【００３０】
本発明によれば、第二工程にて、内側円筒状部材の温度よりも高い温度の外側円筒状部材の内周面が内側円筒状部材の外周面に対面するように、外側円筒状部材が内側円筒状部材に対して配設され、その後、内側円筒状部材の温度と外側円筒状部材の温度との差が減少させられる。このとき外側円筒状部材の熱収縮により、或いは、内側円筒状部材の熱膨張により、外側円筒状部材が内側円筒状部材の外周に取り付けられるとともに、外側円筒状部材が内側円筒状部材を締め付けることによって外側円筒状部材からの圧縮応力が内側円筒状部材を介して超電導バルクに作用する。このため、超電導磁場発生素子の製造の段階で、既に、外側円筒状部材から超電導バルクに圧縮応力が作用している。従って、その後に超電導磁場発生素子を超電導転移温度まで冷却した時には、内側円筒状部材及び外側円筒状部材の熱収縮により生じる圧縮応力に加え、既に製造の段階で生じている圧縮応力が付加される。このため、超電導バルクに磁場を捕捉させているときに超電導バルク内で生じている引張応力に対抗し得る圧縮応力が、既に製造の段階で生じている圧縮応力の分だけ大きくされる。このように、本発明によれば、十分に大きな圧縮応力を超電導バルクに作用させることができるように構成された超電導磁場発生素子の製造方法を提供することができる。
【００３１】
上記第一工程は、超電導バルクの外周面又は内側円筒状部材の内周面もしくはその両面に接着剤を塗布する工程と、接着剤を介して超電導バルクの外周面に内側円筒状部材の内周面が接触するように、内側円筒状部材を超電導バルクに取り付ける工程と、を含むとよい。これによれば、内側円筒状部材と超電導バルクとの間に接着層が介在するため、接着層を介して内側円筒状部材を超電導バルクの外周面の全面に均一に接触させることができる。よって、超電導バルクと内側円筒状部材とを直接接触させたときに両者の接触表面の凹凸や形状の歪に起因して部分的に圧力が高まることによって超電導バルクが破損するようなことを効果的に防止することができる。
【００３２】
また、第一工程は、超電導バルクの外周面又は内側円筒状部材の内周面もしくはその両面に、流動性を有する充填剤を塗布する工程と、充填剤を介して超電導バルクの外周面に内側円筒状部材の内周面が接触するように、内側円筒状部材を超電導バルクに取り付ける工程と、を含むとよい。この場合、充填剤は、流動性を有する状態から流動性を有しない状態（すなわち固化状態）に変化することができるような材質により構成されており、第二工程は、第一工程にて超電導バルクの外周面と内側円筒状部材の内周面との間に介在した充填剤が流動性を有する状態であるときに実行されるとよい。
【００３３】
上記発明によれば、第一工程にて充填剤が超電導バルクの外周面と内側円筒状部材との間に介在される。そして、第二工程にて、充填剤が流動状態であるときに、内側円筒状部材の外周面に外側円筒状部材が取り付けられる。このとき、外側円筒状部材から内側円筒状部材を介して超電導バルクに作用する圧縮応力により充填剤が流動する。さらに、上記圧縮応力によって、充填剤は、内側円筒状部材と超電導バルクとの接触表面に形成される凹凸、空孔、或いは形状の歪みによって内側円筒状部材の内周面と超電導バルクの外周面との間に形成される隙間をほぼ完全に塞ぐように、隙間に充填される。一方、上記隙間が形成されていない部分においては、充填剤を介することなく内側円筒状部材の内周面が超電導バルクの外周面に直接接触される。このようにして、内側円筒状部材の内周面と超電導バルクの外周面とを直接的及び間接的に、全面接触させることができるので、超電導バルクと内側円筒状部材が部分接触して応力集中することに起因した超電導バルクの破損を効果的に防止することができる。
【００３４】
また、第二工程は、内側円筒状部材の温度よりも高い温度に加熱された外側円筒状部材の内周面が、内側円筒状部材の外周面に対面するように、外側円筒状部材を内側円筒状部材に対して配設し、その後、外側円筒状部材を冷却することにより、外側円筒状部材を内側円筒状部材の外周面に取り付ける工程であるとよい。つまり、焼き嵌めによって、外側円筒状部材を内側円筒状部材に取り付けると良い。或いは、第二工程は、外側円筒状部材の内周面が、外側円筒状部材の温度よりも低い温度に冷却された内側円筒状部材の外周面に対面するように、外側円筒状部材を内側円筒状部材に対して配設し、その後、内側円筒状部材を昇温することにより、外側円筒状部材を内側円筒状部材の外周面に取り付ける工程であるとよい。つまり、冷やし嵌めによって、外側円筒状部材を内側円筒状部材に取り付けると良い。
【００３５】
また、外側円筒状部材は、径方向に積層された複数の円筒状部材（５Ａ，５Ｂ）により構成されており、第二工程は、複数の円筒状部材を内径側から順に取り付ける工程を含み、且つ、少なくとも、ｉ番目に取り付けられる円筒状部材の取付時における温度が、ｉ−１番目に取り付けられた円筒状部材の温度よりも高くされているとよい。これによれば、外側円筒状部材を構成する複数の円筒状部材の少なくとも一つが、焼き嵌め或いは冷やし嵌めされることにより、常温にて、外側円筒状部材から超電導バルクに圧縮応力を作用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、第一実施形態及び第二実施形態に係る超電導磁場発生素子の概略構成を示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第一実施形態に係る製造方法の第一工程を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第一実施形態に係る製造方法の第一工程の実施により作製される中間組み付け体の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、第一実施形態に係る製造方法の第二工程を示す図である。
【図４】図４は、第三実施形態に係る超電導磁場発生素子の概略構成を示す斜視図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第三実施形態に係る製造方法の第一工程を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第三実施形態に係る製造方法の第一工程の実施により作製される第一中間組み付け体の概略構成を示す斜視図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第三実施形態に係る製造方法の第二工程の内側焼き嵌め工程を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第三実施形態に係る製造方法の第二工程の内側焼き嵌め工程の実施により作製される第二中間組み付け体の概略構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、第三実施形態に係る製造方法の第二工程の外側焼き嵌め工程を示す図である。
【図８】図８は、実施例１に係る圧縮応力の計算に使用した超電導磁場発生素子の概略構成を示す図である。
【図９】図９は、実施例１のケース１に示す外側円筒状部材を焼き嵌めする方法を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例２に係る圧縮応力の計算に使用した超電導磁場発生素子の概略構成を示す図である。
【図１１】図１１は、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子の概略構成を示す斜視図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子をその軸線を含む平面で切断した断面の一部を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａにおいて内側円筒状部材と超電導バルクの接触界面を含む領域部分であるＣ部の詳細図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子をその軸線を含む平面で切断した断面の一部を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、第四実施形態に係る製造方法の第一工程を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、第四実施形態に係る製造方法の第一工程の実施により超電導バルクに内側円筒状部材が取り付けられた状態を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、第四実施形態に係る製造方法の第二工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１は、超電導バルク２と、接着層３と、内側円筒状部材４と、外側円筒状部材５とを備える。
【００３８】
超電導バルク２は、主に溶融法により作製した塊状の高温超電導成形体である。この超電導バルク２を構成する高温超電導材料として、例えば、イットリウム系（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）、サマリウム系（Ｓｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）、ネオジム系（Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）、ユーロピウム系（Ｅｕ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）等の高温超電導材料が例示される。
【００３９】
本実施形態において、超電導バルク２の形状は、中央に断面円形の孔２ａが形成された円筒形状である。この円筒形状の超電導バルク２の外周面に、内側円筒状部材４が配設される。超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４の内周面との間に、樹脂（例えばエポキシ樹脂）からなる接着層３が設けられる。つまり、内側円筒状部材４は、超電導バルク２の外周面に接着層３を介してその内周面が接触するように、超電導バルク２に取り付けられる。
【００４０】
また、外側円筒状部材５は、内側円筒状部材４の外周面にその内周面が接触するように、内側円筒状部材４に取り付けられる。従って、図１に示すように、超電導バルク２、内側円筒状部材４、外側円筒状部材５は、それぞれ、同軸的に配設され、超電導バルク２の外周面を内側円筒状部材４が囲み、内側円筒状部材４の外周面を外側円筒状部材５材が囲んでいる。
【００４１】
本実施形態において、内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５は、ともに、金属材料により構成される。また、内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５は、ともに、超電導バルク２の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する金属材料により構成される。さらに、外側円筒状部材５は、内側円筒状部材４の熱収縮率と等しい収縮率、或いは内側円筒状部材４の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する金属材料により構成される。つまり、超電導バルク２の熱収縮率をα１とし、内側円筒状部材４の熱収縮率をα２とし、外側円筒状部材５の熱収縮率をα３としたとき、α１＜α２≦α３という関係を有する。このような熱収縮率の関係を有する内側円筒状部材４を形成する材料としてアルミニウム、アルミニウム合金、又はチタンを、外側円筒状部材５を形成する材料としてアルミニウム又はアルミニウム合金を、例示できる。また、内側円筒状部材４の熱収縮率α２と外側円筒状部材５の熱収縮率α３が同じである場合、内側円筒状部材４と外側円筒状部材５は、同じ材質（例えばアルミニウム又はアルミニウム合金）により構成するとよい。
【００４２】
また、内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５は、ともに、超電導バルク２のヤング率よりも大きいヤング率を有する材料により構成されていてもよい。さらに、外側円筒状部材５は、内側円筒状部材４のヤング率と等しいヤング率、或いは内側円筒状部材４のヤング率よりも大きいヤング率を有する材料により構成されていてもよい。つまり、超電導バルク２のヤング率をβ１とし、内側円筒状部材４のヤング率をβ２とし、外側円筒状部材５のヤング率をβ３としたとき、β１＜β２≦β３という関係を有する。
【００４３】
また、接着層３は、例えばエポキシ樹脂により構成される。この接着層３は、超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４の内周面との間に設けられる。この接着層３は、超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４の内周面とを、均一に接着する機能を有する。
【００４４】
第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１は、常温にて、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４を締め付けている。従って、外側円筒状部材５の締め付け力が、内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に伝達される。このため、超電導バルク２には、その外周側から中心側に向かう方向への応力、すなわち圧縮応力が作用している。つまり、常温にて、超電導バルク２に圧縮応力が作用するように、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に取り付けられている。
【００４５】
このような構成の超電導磁場発生素子１に磁場を発生させる場合、例えば、着磁装置に設けられているボア内に、超電導磁場発生素子１が投入される。次いで、超電導磁場発生素子１に着磁用の外部磁場が印加される。この外部磁場の大きさは例えば１０Ｔである。その後、冷媒或いは冷却器を用いて、超電導磁場発生素子１が超電導バルク２の超電導転移温度以下の温度、例えば、５０Ｋ程度に冷却される。冷却完了後、印加した外部磁場が除去される。このとき超電導バルク２に磁場が捕捉される。これにより、超電導磁場発生素子１から磁場が発生される。
【００４６】
上述した着磁方法は、ＦＣ（磁場中冷却法）と呼ばれる着磁方法であるが、着磁方法は、ＺＦＣ（ゼロ磁場中冷却法）でもよく、また、ＰＦＭ（パルス着磁法）でもよい。
【００４７】
超電導磁場発生素子１に磁場を発生させる際に、いずれの着磁方法によっても、超電導バルク２が超電導転移温度以下の温度にまで冷却される。この冷却により、超電導バルク２、内側円筒状部材４、及び外側円筒状部材５が、熱収縮する。ここで、内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５の熱収縮率は、それぞれ、超電導バルク２の熱収縮率よりも大きい。また、外側円筒状部材５の熱収縮率は、内側円筒状部材４の熱収縮率以上である。従って、超電導バルク２が磁場を捕捉しているとき（以下、超電導磁場発生素子１の使用時と呼ぶ場合もある）には、内側円筒状部材４の熱収縮によって内側円筒状部材４が超電導バルク２を締め付けるとともに、外側円筒状部材５の熱収縮によって外側円筒状部材５が内側円筒状部材４及び超電導バルク２を締め付ける。このようにして、超電導磁場発生素子１の使用時に、超電導バルク２は、冷却時の熱収縮に起因した内側円筒状部材４からの圧縮応力及び外側円筒状部材５からの圧縮応力を受ける。
【００４８】
また、超電導バルク２が磁場を捕捉したとき、上述したように、引張応力が超電導バルク２に対して作用する。この引張応力に対抗するように、上記圧縮応力が超電導バルク２に作用している。ここで、本実施形態においては、冷却時に内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５の熱収縮に起因して発生する圧縮応力に加え、常温にて、既に外側円筒状部材５が、超電導バルク２に圧縮応力を作用させるように、内側円筒状部材４に取り付けられている。従って、超電導磁場発生素子１の使用時に得られる圧縮応力は、外側円筒状部材５と同じ外形寸法である一つの円筒状部材によって超電導バルクを補強するように構成された従来の超電導磁場発生素子（従来素子）の使用時に得られる圧縮応力と比べ、常温にて既に発生している圧縮応力の分だけ高められる。よって、同じ寸法の円筒状部材を用いた従来素子に比べ、引張応力に対抗し得る圧縮応力が高い。その結果、超電導バルク２が引っ張り応力で割れることなく超電導バルク２に着磁させることができる磁場を、大きくすることができる。
【００４９】
また、超電導バルク２と内側円筒状部材４との間に、両者を全面接着する接着層３が介在しているため、接着層３を介して内側円筒状部材４が超電導バルク２の外周面の全面に均一に接触する。よって、超電導バルク２と内側円筒状部材４とを直接接触させたときに両者の接触表面の凹凸や形状の歪に起因して部分的に両者が接触し、接触部分に圧縮応力が集中すること（圧力が高まること）によって超電導バルク２が破損するようなことを効果的に防止することができる。
【００５０】
次に、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１の製造方法について説明する。第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１の製造方法は、第一工程及び第二工程を含む。図２Ａは、第一工程を示す図であり、図２Ｂは、第一工程の実施により作製される中間組み付け体１１の概略構成を示す斜視図である。また、図３は、第二工程を示す図である。
【００５１】
第一工程では、超電導バルク２の外周面又は内側円筒状部材４の内周面に、エポキシ樹脂からなる接着剤が塗布され、その後、円筒状の超電導バルク２の外周面が内側円筒状部材４の外周面と対面するように、超電導バルク２が内側円筒状部材４の内周側に同心配置される。なお、第一工程の実施時における超電導バルク２と内側円筒状部材４の温度を温度Ｔ１とすると、温度Ｔ１にて、超電導バルク２の外径ＯＤ＿Ｂは、内側円筒状部材４の内径ＩＤ１よりも小さい。従って、同心配置された超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４との間に接着剤が充填される。その後、充填した接着剤が固化するまで放置する。これにより、接着層３を介して超電導バルク２の外周面に内側円筒状部材４の内周面が接触するように、内側円筒状部材４が超電導バルク２に取り付けられてなる図２Ｂに示す中間組み付け体１１が作製される。なお、温度Ｔ１は、例えば常温（５℃〜３５℃）であるのがよい。
【００５２】
第二工程では、超電導バルク２の外周面に接着層３を介して取り付けられている内側円筒状部材４の外周面、すなわち中間組み付け体１１の外周面に、外側円筒状部材５が取り付けられる。この場合、まず温度Ｔ１の外側円筒状部材５を用意する。外側円筒状部材５の内径ＩＤ２は、温度Ｔ１にて、超電導バルク２の外周に取り付けられている温度Ｔ１の内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも僅かに小さい。すなわち、温度Ｔ１にて、ＩＤ２＜ＯＤ１である。
【００５３】
次に、用意した温度Ｔ１の外側円筒状部材５を、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２に加熱する。例えば温度Ｔ１が常温である場合、第二工程にて外側円筒状部材５を約３００℃に加熱する。この加熱により、外側円筒状部材５が熱膨張する。このため、外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が広がり、外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が、中間組み付け体１１に備えられる内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも大きくなる。
【００５４】
次いで、図３に示すように、温度Ｔ２に加熱された外側円筒状部材５の内周面が、内側円筒状部材４の外周面（中間組み付け体１１の外周面）に対面するように、外側円筒状部材５を内側円筒状部材４に対して同心状に配設する。その後、外側円筒状部材５を温度Ｔ１まで冷却する。冷却方法は、特に限定されないが、例えば、自然放冷、或いは、冷風を外側円筒状部材５に供給することにより、外側円筒状部材５が冷却される。この冷却による熱収縮により、外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が小さくなっていく。外側円筒状部材５の温度が温度Ｔ１にまで冷却された場合、自然状態における外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも小さくなる。そのため、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４の外周面（中間組み付け体１１の外周面）に取り付けられるとともに、内側円筒状部材４を締め付ける。斯かる締め付け力が超電導バルク２に作用する。
【００５５】
上記した第一工程及び第二工程を経由して、図１に示すような、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１が製造される。この製造方法によれば、第二工程にて、内側円筒状部材４の温度（Ｔ１）よりも高い温度（Ｔ２）の外側円筒状部材５の内周面が内側円筒状部材４の外周面に対面するように、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に対して配設される。そして、その後、外側円筒状部材５が冷却されることによって、内側円筒状部材４の温度と外側円筒状部材５の温度との差が減少させられる。このとき外側円筒状部材５の熱収縮により、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４の外周に取り付けられるとともに、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４を締め付ける。つまり、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に焼き嵌めされる。このため、外側円筒状部材５からの圧縮応力が内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に作用する。このように、超電導磁場発生素子１の製造の段階で、既に、外側円筒状部材５から超電導バルク２に圧縮応力が作用している。従って、その後に超電導磁場発生素子１を超電導転移温度以下の温度まで冷却した時には、内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５の熱収縮により生じる圧縮応力に加え、既に製造の段階で生じている圧縮応力が付加される。このため、超電導バルク２に磁場を捕捉させているときに超電導バルク２内で生じている引張応力に対抗し得る圧縮応力が、既に製造の段階で生じている圧縮応力の分だけ大きくされる。また、内側円筒状部材４と超電導バルク２との間に接着層３が介在されているため、接着層３を介して内側円筒状部材４を超電導バルク２の外周面の全面に均一に接触させることができる。よって、超電導バルク２と内側円筒状部材４とを直接接触させたときに両者の接触表面の凹凸や形状の歪に起因して部分的に圧力が高まることによって超電導バルク２が破損するようなことを効果的に防止することができる。このように、本実施形態によれば、使用時に、超電導バルク２を破壊させることなく、十分に大きな圧縮応力を均一に超電導バルク２に作用させることができるように構成された超電導磁場発生素子の製造方法を提供することができる。
【００５６】
また、外側円筒状部材５と超電導バルク２との間に内側円筒状部材４が介在されているので、第二工程で外側円筒状部材５を焼き嵌めする際における外側円筒状部材５の熱が、超電導バルク２及び接着層３に直接伝達されることが防止される。よって、熱衝撃による超電導バルク２の破損を防止することができるとともに、熱により接着層３の接着能力が低下すること（例えば接着層３が樹脂により構成されている場合、熱によって樹脂が溶融して接着能力が低下すること）を防止することができる。
【００５７】
（第二実施形態）
第二実施形態に係る超電導磁場発生素子の構成は、図１に示す第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１の構成と同一である。従って、図１に示す超電導磁場発生素子１は、第二実施形態に係る超電導磁場発生素子でもある。
【００５８】
第二実施形態に係る超電導磁場発生素子の製造方法は、上記第一実施形態に係る超電導磁場発生素子の製造方法と同様に、第一工程と第二工程とを含む。第一工程は、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子の製造方法の第一工程と同一である。すなわち第一工程では、超電導バルク２の外周面又は内側円筒状部材４の内周面に、エポキシ樹脂からなる接着剤が塗布され、その後、円筒状の超電導バルク２の外周面が内側円筒状部材４の外周面と対面するように、超電導バルク２が内側円筒状部材４の内周側に同心配置される。なお、第一工程の実施時における超電導バルク２と内側円筒状部材４の温度を温度Ｔ１とすると、温度Ｔ１にて、超電導バルク２の外径ＯＤ＿Ｂは、内側円筒状部材４の内径ＩＤ１よりも小さい。従って、同心配置された超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４との間に接着剤が充填される。その後、充填した接着剤が固化するまで放置する。これにより、接着層３を介して超電導バルク２の外周面に内側円筒状部材４の内周面が接触するように、内側円筒状部材４が超電導バルク２に取り付けられてなる図２Ｂに示す中間組み付け体１１が作製される。
【００５９】
第二工程では、超電導バルク２の外周面に接着層３を介して取り付けられている内側円筒状部材４の外周面、すなわち中間組み付け体１１の外周面に、外側円筒状部材５が取り付けられる。この場合、まず温度Ｔ１の外側円筒状部材５を用意する。外側円筒状部材５の内径ＩＤ２は、温度Ｔ１にて、超電導バルク２の外周に取り付けられている温度Ｔ１の内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも僅かに小さい。すなわち、温度Ｔ１にて、ＩＤ２＜ＯＤ１である。
【００６０】
次に、超電導バルク２及び、接着層３を介して超電導バルク２に取り付けられている内側円筒状部材４を、温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ０に冷却する。例えば温度Ｔ１が常温である場合、この第二工程にて、超電導バルク２及び内側円筒状部材４が、液体窒素で−１９６℃に冷却される。この冷却過程では、熱衝撃による応力が発生しないように、超電導バルク２及び内側円筒状部材４はそれらを配した容器中に時間をかけて液体窒素を充填する。これにより、超電導バルク２及び内側円筒状部材４が、ゆっくり冷却される。この冷却により、内側円筒状部材４が熱収縮する。このため、内側円筒状部材４の外径ＯＤ１が縮み、外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が、内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも大きくなる。
【００６１】
次いで、外側円筒状部材５の内周面が、冷却された内側円筒状部材４の外周面（中間組み付け体１１の外周面）に対面するように、外側円筒状部材５を内側円筒状部材４に対して同心状に配設する。その後、超電導バルク２及び内側円筒状部材４を、温度Ｔ１まで昇温する。昇温方法は、特に限定されないが、熱衝撃による応力が発生しないように、ゆっくりと昇温させるのがよい。例えば、内側円筒状部材４の冷却を停止して、常温で所定時間放置することにより、超電導バルク２及び内側円筒状部材４がゆっくりと昇温される。この昇温による熱膨張により、内側円筒状部材４の内径ＩＤ１が大きくなっていく。内側円筒状部材４の温度が温度Ｔ１にまで昇温された場合、自然状態における内側円筒状部材４の外径ＯＤ１が外側円筒状部材５の内径ＩＤ２よりも大きくなる。そのため、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に取り付けられるとともに、内側円筒状部材４を締め付ける。斯かる締め付け力が超電導バルク２に作用する。
【００６２】
上記した第一工程及び第二工程を経由して、第二実施形態に係る超電導磁場発生素子１が製造される。この製造方法によれば、第二工程にて、冷却されている内側円筒状部材４の温度（Ｔ０）よりも高い温度（Ｔ１）の外側円筒状部材５の内周面が内側円筒状部材４の外周面に対面するように、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に対して配設される。そして、その後、内側円筒状部材４が昇温(加熱）されることによって、内側円筒状部材４の温度と外側円筒状部材５の温度との差が減少させられる。このとき内側円筒状部材４の熱膨張により、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４の外周に取り付けられるとともに、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４を締め付ける。つまり、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に冷やし嵌めされる。このため、外側円筒状部材５からの圧縮応力が内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に作用する。このように、超電導磁場発生素子１の製造の段階で、既に、外側円筒状部材５から超電導バルク２に圧縮応力が作用している。従って、その後に超電導磁場発生素子１を超電導転移温度以下の温度まで冷却した時には、内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５の熱収縮により生じる圧縮応力に加え、既に製造の段階で生じている圧縮応力が付加される。このため、超電導バルク２に磁場を捕捉させているときに超電導バルク２内で生じている引張応力に対抗し得る圧縮応力が、既に製造の段階で生じている圧縮応力の分だけ大きくされる。また、内側円筒状部材４と超電導バルク２との間に接着層３が介在されているため、接着層３を介して内側円筒状部材４を超電導バルク２の外周面の全面に均一に接触させることができる。よって、超電導バルク２と内側円筒状部材４とを直接接触させたときに両者の接触表面の凹凸や形状の歪に起因して部分的に圧力が高まることによって超電導バルク２が破損するようなことを効果的に防止することができる。このように、本実施形態によれば、超電導バルク２を破壊させることなく、十分に大きな圧縮応力を均一に超電導バルク２に作用させることができるように構成された超電導磁場発生素子の製造方法を提供することができる。
【００６３】
（第三実施形態）
次に、第三実施形態に係る超電導磁場発生素子について説明する。図４は、第三実施形態に係る超電導磁場発生素子の概略構成を示す斜視図である。図４に示すように、第三実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ａは、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１と同様に、超電導バルク２と、接着層３と、内側円筒状部材４と、外側円筒状部材５とを備える。
【００６４】
超電導バルク２、接着層３、及び、内側円筒状部材４の構成は、上記第一実施形態に係る超電導磁場発生素子に備えられる超電導バルク２、接着層３、及び内側円筒状部材４の構成と同一であるので、その具体的な説明は省略する。
【００６５】
また、本実施形態において、外側円筒状部材５は、第一外側円筒状部材５Ａと、第二外側円筒状部材５Ｂとを備える。第一外側円筒状部材５Ａは第二外側円筒状部材５Ｂの内側に配設され、組み付け状態では、第一外側円筒状部材５Ａの外周面が第二外側円筒状部材５Ｂの内周面に面接触する。すなわち、本実施形態においては、外側円筒状部材５は、径方向に積層された複数（本実施形態では２個）の円筒状部材（第一外側円筒状部材５Ａ及び第二外側円筒状部材５Ｂ）により構成される。
【００６６】
本実施形態において、第二外側円筒状部材５Ｂは、第一外側円筒状部材５Ａの熱収縮率と同じか又はそれよりも大きい熱収縮率を有する金属材料により構成される。また、第一外側円筒状部材５Ａの熱収縮率は、内側円筒状部材４の熱収縮率と同じか又はそれよりも大きく、内側円筒状部材４の熱収縮率は、超電導バルク２の熱収縮率よりも大きい。つまり、超電導バルク２の熱収縮率をα１とし、内側円筒状部材４の熱収縮率をα２とし、第一外側円筒状部材５Ａの熱収縮率をα３＿１とし、第二外側円筒状部材５Ｂの熱収縮率をα３＿２としたとき、α１＜α２≦α３＿１≦α３＿２という関係を有する。つまり、外側円筒状部材５を構成する各円筒状部材（５Ａ，５Ｂ）は、それよりも径内方に隣接配置する円筒状部材の熱収縮率と等しいか又はそれよりも大きい熱収縮率を有する材質により構成される。また、内側円筒状部材４の熱収縮率α２、第一外側円筒状部材５Ａの熱収縮率α３＿１、第二外側円筒状部材５Ｂの熱収縮率α３＿２が同じである場合、内側円筒状部材４、第一外側円筒状部材５Ａ、及び第二外側円筒状部材５Ｂは、同じ材質（例えばアルミニウム又はアルミニウム合金）により構成するとよい。
【００６７】
また、第二外側円筒状部材５Ｂは、第一外側円筒状部材５Ａのヤング率と等しいか又はそれよりも大きいヤング率を有する材料により構成されていてもよい。この場合、超電導バルク２のヤング率をβ１とし、内側円筒状部材４のヤング率をβ２とし、第一外側円筒状部材５Ａのヤング率をβ３＿１とし、第二外側円筒状部材５Ｂのヤング率をβ３＿２としたとき、β１＜β２≦β３＿１≦β３＿２という関係を有していてもよい。すなわち、外側円筒状部材５を構成する各円筒状部材（５Ａ，５Ｂ）は、それよりも径内方に隣接配置する円筒状部材のヤング率と等しいか又はそれよりも大きいヤング率を有する材質により構成してもよい。
【００６８】
その他の構成は、上記第一実施形態で説明した超電導磁場発生素子１に備えられる各構成と同一であるので、その具体的説明は省略する。
【００６９】
第三実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ａは、常温にて、外側円筒状部材５を構成する第一外側円筒状部材５Ａ又は第二外側円筒状部材５Ｂのいずれか一方或いは両方が、内側円筒状部材４を締め付けている。従って、外側円筒状部材５の締め付け力が、内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に伝達される。このため、超電導バルク２には、その外周側から中心側に向かう方向への応力、すなわち圧縮応力が作用している。つまり、常温にて、超電導バルク２に圧縮応力が作用するように、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に取り付けられている。
【００７０】
従って、第三実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ａの使用時に得られる圧縮応力が、第二外側円筒状部材５Ｂと同じ外形寸法である一つの円筒状部材によって超電導バルクを補強するように構成された従来の超電導磁場発生素子（従来素子）の使用時に得られる圧縮応力と比べ、常温にて既に発生している圧縮応力の分だけ高められる。よって、同じ寸法の円筒状部材を用いた従来素子に比べ、引張応力に対抗し得る圧縮応力が高い。その結果、超電導バルク２が引っ張り応力で割れることなく超電導バルク２に着磁させることができる磁場を、大きくすることができる。
【００７１】
また、超電導バルク２と内側円筒状部材４との間に、両者を全面接着する接着層３が介在しているため、接着層３を介して内側円筒状部材４が超電導バルク２の外周面の全面に均一に接触する。よって、超電導バルク２と内側円筒状部材４とを直接接触させたときに両者の接触表面の凹凸や形状の歪に起因して部分的に圧力高まることによって超電導バルク２が破損するようなことを効果的に防止することができる。
【００７２】
次に、第三実施形態に係る超電導磁場発生素子１の製造方法について説明する。第三実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ａの製造方法も、上記第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１の製造方法と同様に、第一工程と第二工程とを含む。図５Ａは、第一工程を示す図であり、図５Ｂは、第一工程の実施により作製される第一中間組み付け体１２の概略構成を示す斜視図である。
【００７３】
第一工程では、超電導バルク２の外周面又は内側円筒状部材４の内周面に、エポキシ樹脂からなる接着剤が塗布され、その後、円筒状の超電導バルク２の外周面が内側円筒状部材４の外周面と対面するように、超電導バルク２が内側円筒状部材４の内周側に同心配置される。なお、第一工程の実施時における温度を温度Ｔ１とすると、温度Ｔ１にて、超電導バルク２の外径ＯＤ＿Ｂは、内側円筒状部材４の内径ＩＤ１よりも小さい。従って、同心配置された超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４との間に接着剤が充填される。その後、充填した接着剤が固化するまで放置する。これにより、接着層３を介して超電導バルク２の外周面に内側円筒状部材４の内周面が接触するように、内側円筒状部材４が超電導バルク２に取り付けられてなる図２Ｂに示す第一中間組み付け体１１が作製される。なお、温度Ｔ１は、例えば常温（５℃〜３５℃）であるのがよい。
【００７４】
第二工程では、超電導バルク２の外周面に接着層３を介して取り付けられている内側円筒状部材４の外周面、すなわち第一中間組み付け体１２の外周面に、外側円筒状部材５が取り付けられる。この第二工程は、第三実施形態では、内側焼き嵌め工程と外側焼き嵌め工程とを含む。内側焼き嵌め工程では、第一外側円筒状部材５Ａが内側円筒状部材４の外周面に焼き嵌めされる。外側焼き嵌め工程では、第二外側円筒状部材５Ｂが第一外側円筒状部材５Ａの外周面に焼き嵌めされる。図６Ａは内側焼き嵌め工程を示す図であり、図６Ｂは、内側焼き嵌め工程の実施により作製される第二中間組み付け体１３の概略構成を示す斜視図である。
【００７５】
内側焼き嵌め工程では、まず温度Ｔ１の第一外側円筒状部材５Ａを用意する。第一外側円筒状部材５Ａの内径ＩＤ２は、温度Ｔ１にて、第一中間組み付け体１２に備えられる温度Ｔ１の内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも僅かに小さい。すなわち、温度Ｔ１にて、ＩＤ２＜ＯＤ１である。
【００７６】
次に、用意した温度Ｔ１の第一外側円筒状部材５Ａを、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２に加熱する。例えば温度Ｔ１が常温である場合、第一外側円筒状部材５Ａを約３００℃に加熱する。この加熱により、第一外側円筒状部材５Ａが熱膨張する。このため、第一外側円筒状部材５Ａの内径ＩＤ２が広がり、第一外側円筒状部材５Ａの内径ＩＤ２が、第一中間組み付け体１２に備えられる内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも大きくなる。
【００７７】
次いで、温度Ｔ２に加熱された第一外側円筒状部材５Ａの内周面が、内側円筒状部材４（第一中間組み付け体１２）の外周面に対面するように、第一外側円筒状部材５Ａを内側円筒状部材４に対して同心状に配設する。その後、第一外側円筒状部材５Ａを温度Ｔ１まで冷却する。冷却方法は、特に限定されないが、例えば、自然放冷、或いは、冷風を第一外側円筒状部材５Ａに供給することにより、第一外側円筒状部材５Ａが冷却される。この冷却による熱収縮により、第一外側円筒状部材５Ａの内径ＩＤ２が小さくなっていく。第一外側円筒状部材５Ａの温度が温度Ｔ１にまで冷却された場合、自然状態における第一外側円筒状部材５Ａの内径ＩＤ２が内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも小さくなる。そのため、第一外側円筒状部材５Ａが内側円筒状部材４の外周面（第一中間組み付け体１２の外周面）に取り付けられて、図６Ｂに示すような第二中間組み付け体１３が作製される。このようにして第二中間組み付け体１３が作製された場合、第二中間組み付け体１３の第一外側円筒状部材５Ａが内側円筒状部材４を締め付ける。斯かる締め付け力が超電導バルク２に作用する。
【００７８】
図７は、第二工程の外側焼き嵌め工程を示す図である。外側焼き嵌め工程は、以下の説明では、内側焼き嵌め工程の実施後に実施される。外側焼き嵌め工程では、温度Ｔ１の第二外側円筒状部材５Ｂを用意する。第二外側円筒状部材５Ｂの内径ＩＤ３は、温度Ｔ１にて、第二中間組み付け体１３の内側円筒状部材４の外周に取り付けられている温度Ｔ１の第一外側円筒状部材５Ａの外径ＯＤ２よりも僅かに小さい。すなわち、温度Ｔ１にて、ＩＤ３＜ＯＤ２である。
【００７９】
次に、用意した温度Ｔ１の第二外側円筒状部材５Ｂを、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ３に加熱する。例えば温度Ｔ１が常温である場合、第二外側円筒状部材５Ｂを約４００℃に加熱する。この加熱により、第二外側円筒状部材５Ｂが熱膨張する。このため、第二外側円筒状部材５Ｂの内径ＩＤ３が広がり、第二外側円筒状部材５Ｂの内径ＩＤ３が、第二中間組み付け体１３に備えられる温度Ｔ１の第一外側円筒状部材５Ａの外径ＯＤ２よりも大きくなる。
【００８０】
次いで、温度Ｔ３に加熱された第二外側円筒状部材５Ｂの内周面が、第一外側円筒状部材５Ａの外周面（第二中間組み付け体１３の外周面）に対面するように、第二外側円筒状部材５Ｂを第一外側円筒状部材５Ａに対して同心状に配設する。その後、第二外側円筒状部材５Ｂを温度Ｔ１まで冷却する。冷却方法は、特に限定されないが、例えば、自然放冷、或いは、冷風を第二外側円筒状部材５Ｂに供給することにより、第二外側円筒状部材５Ｂが冷却される。この冷却による熱収縮により、第二外側円筒状部材５Ｂの内径ＩＤ３が小さくなっていく。第二外側円筒状部材５Ｂの温度が温度Ｔ１にまで低下した場合、自然状態における第二外側円筒状部材５Ｂの内径ＩＤ３が第二中間組み付け体１３の第一外側円筒状部材５Ａの外径ＯＤ２よりも小さくなる。そのため、第二外側円筒状部材５Ｂが第一外側円筒状部材５Ａの外周面に取り付けられるとともに、第一外側円筒状部材５Ａを締め付ける。斯かる締め付け力が内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に作用する。
【００８１】
上記した第一工程及び第二工程を経由して、本実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ａが製造される。この製造方法によれば、第二工程の内側焼き嵌め工程にて、内側円筒状部材４の温度（Ｔ１）よりも高い温度（Ｔ２）の第一外側円筒状部材５Ａの内周面が内側円筒状部材４の外周面に対面するように、第一外側円筒状部材５Ａが内側円筒状部材４に対して配設される。そして、その後、第一外側円筒状部材５Ａが冷却されることによって、内側円筒状部材４の温度と第一外側円筒状部材５Ａの温度との差が減少させられる。このとき第一外側円筒状部材５Ａの熱収縮により、第一外側円筒状部材５Ａが内側円筒状部材４の外周に取り付けられるとともに、第一外側円筒状部材５Ａが内側円筒状部材４を締め付ける。つまり、第一外側円筒状部材５Ａが内側円筒状部材４に焼き嵌めされる。このため、第一外側円筒状部材５Ａからの圧縮応力が内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に作用する。さらに、第二工程の外側焼き嵌め工程にて、第一外側円筒状部材５Ａの温度（Ｔ１）よりも高い温度（Ｔ３）の第二外側円筒状部材５Ｂの内周面が第一外側円筒状部材５Ａの外周面に対面するように、第二外側円筒状部材５Ｂが第一外側円筒状部材５Ａに対して配設される。そして、その後、第二外側円筒状部材５Ｂが冷却されることによって、第一外側円筒状部材５Ａ及び内側円筒状部材４の温度と第二外側円筒状部材５Ｂの温度との差が減少させられる。このとき第二外側円筒状部材５Ｂの熱収縮により、第二外側円筒状部材５Ｂが第一外側円筒状部材５Ａの外周に取り付けられるとともに、第二外側円筒状部材５Ｂが第一外側円筒状部材５Ａを締め付ける。つまり、第二外側円筒状部材５Ｂが第一外側円筒状部材５Ａに焼き嵌めされる。このため、第二外側円筒状部材５Ｂからの圧縮応力が第一外側円筒状部材５Ａ及び内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に作用する。
【００８２】
このように、超電導磁場発生素子１Ａの製造の段階で、既に、外側円筒状部材５（第一外側円筒状部材５Ａ及び第二外側円筒状部材５Ｂ）から超電導バルク２に圧縮応力が作用している。従って、その後に超電導磁場発生素子１を超電導転移温度まで冷却した時には、内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５の熱収縮により生じる圧縮応力に加え、既に製造の段階で生じている圧縮応力が付加される。このため、超電導バルク２に磁場を捕捉させているときに超電導バルク２内で生じている引張応力に対抗し得る圧縮応力が、既に製造の段階で生じている圧縮応力の分だけ大きくされる。また、内側円筒状部材４と超電導バルク２との間に接着層３が介在されているため、接着層３を介して内側円筒状部材４を超電導バルク２の外周面の全面に均一に接触させることができる。よって、超電導バルク２と内側円筒状部材４とを直接接触させたときに両者の接触表面の凹凸や形状の歪に起因して部分的に圧力が高まることによって超電導バルク２が破損するようなことを効果的に防止することができる。このように、本実施形態によれば、超電導バルク２を破壊させることなく、十分に大きな圧縮応力を均一に超電導バルク２に作用させることができるように構成された超電導磁場発生素子の製造方法を提供することができる。
【００８３】
また、第一外側円筒状部材５Ａと超電導バルク２との間に内側円筒状部材４が介在されているので、第二工程で外側円筒状部材５を焼き嵌めする際における外側円筒状部材５の熱が、超電導バルク２及び接着層３に直接伝達されることが防止される。よって、熱衝撃による超電導バルク２の破損を防止することができるとともに、熱により接着層３の接着能力が低下すること（例えば接着層３が樹脂により構成されている場合、熱によって樹脂が溶融して接着能力が低下すること）を防止することができる。
【００８４】
また、第三実施形態に係る製造方法の第二工程は、複数の円筒状部材（第一外側円筒状部材５Ａ及び第二外側円筒状部材５Ｂ）を内径側から順に取り付ける工程（内側焼き嵌め工程及び外側焼き嵌め工程）を含み、且つ、２番目（ｉ番目）に取り付けられる第二外側円筒状部材５Ｂの取付時における温度（Ｔ３）が、１番目（ｉ−１番目）に取り付けられた第一外側円筒状部材５Ａの温度（Ｔ２）よりも高くされている。このため、外側円筒状部材５を構成する複数の円筒状部材の少なくとも一つが、確実に焼き嵌めされる。これにより、常温にて、外側円筒状部材５から超電導バルク２に圧縮応力を確実に作用させることができる。
【００８５】
なお、上記の例では、外側焼き嵌め工程を内側焼き嵌め工程の実施後に実施する例を示したが、温度Ｔ２に加熱された第一外側円筒状部材５Ａの外径よりも、温度Ｔ３に加熱された第二外側円筒状部材５Ｂの内径が大きければ、内側焼き嵌め工程と外側焼き嵌め工程を同時に実施することもできる。これによれば、工程時間を短縮することができる。
【００８６】
（実施例１：２重リング（内側円筒状部材及び外側円筒状部材）による補強効果の確認）
図８に示すような超電導磁場発生素子２１を使用温度（５０Ｋ）まで冷却した場合に超電導バルクの内周面に生じる圧縮応力を、計算により求めた。ここで、超電導磁場発生素子２１は、円筒状の超電導バルク２２、内側円筒状部材２４、外側円筒状部材２５を備える。超電導バルク２２、内側円筒状部材２４、外側円筒状部材２５は、同心状に配置される。超電導バルク２２の外径（ＯＤ＿Ｂ）は６４ｍｍ、内径（ＩＤ＿Ｂ）は２８ｍｍである。内側円筒状部材２４はアルミニウム製又はアルミニウム合金製である。内側円筒状部材２４は、超電導バルク２２の外側に配置される。内側円筒状部材２４の内周面は、厚さ０．１ｍｍの樹脂の接着層２３を介して超電導バルク２２の外周面に接着される。外側円筒状部材２５の材質は内側円筒状部材２４の材質と同じ（アルミニウム製又はアルミニウム合金製）であり、その外径（ＯＤ２）は７４ｍｍである。外側円筒状部材２５は、その内周面が内側円筒状部材２４の外周面に対面するように内側円筒状部材２４の外側に配置されており、焼き嵌めにより、内側円筒状部材２４に取り付けられる。
【００８７】
上記構成の超電導磁場発生素子２１の内側円筒状部材２４の自然状態における常温での外径（ＯＤ１）と外側円筒状部材２５の自然状態における常温での内径（ＩＤ２）を、様々な値に変更した４つのケース（ケース１−ケース４）について、使用温度（５０Ｋ）まで冷却した場合に超電導バルク２２の内周面に生じる周方向の圧縮応力を計算した。また、比較のため、内側円筒状部材２４の外径（ＯＤ１）を７４ｍｍとし、外側円筒状部材２５を用いない場合についての圧縮応力も計算した。なお、圧縮応力の計算にあたり、超電導バルク２２の軸方向長さを無限長とした。各ケース及び比較例に係る圧縮応力の計算結果を、内側円筒状部材２４の常温での外径（ＯＤ１）、外側円筒状部材２５の常温での内径（ＩＤ２）、外側円筒状部材２５の常温での外径（ＯＤ２＝７４ｍｍ）とともに、表１に示す。
【表１】
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【００８８】
使用温度（５０Ｋ）にてリング状（円筒状）の超電導バルクに着磁させた場合、超電導バルクには、環状の超電導電流が流れる。この超電導電流に基づいて、超電導バルクを外側に広げる方向に働く力が超電導バルク内で生じる。その力により超電導バルク内で働く応力のうち、超電導バルクの内周面で周方向に超電導バルクを引き裂く引っ張り応力が最も高いことが知られている。その引っ張り応力に対し、表１で計算した圧縮応力が逆向きに働くため、圧縮応力を大きくすれば、より高い磁場を着磁する場合に引っ張り応力に起因する超電導バルクの破壊を防ぐ効果が高められると考えられる。比較例として示した、従来行われている一重の円筒状部材を補強リングとして超電導バルクに接着する方法でも、５０Ｋ（使用温度）まで冷却すると、補強リングの熱収縮量が超電導バルクの熱収縮量よりも大きいために、圧縮応力は発生する。これに対し、ケース１−４のように、補強リングの構造を、内側円筒状部材２４及び外側円筒状部材２５を備える二重リング構造とし、且つ、外側円筒状部材２５を内側円筒状部材２４に焼き嵌めすることにより、補強リングのトータルの厚さが同じ（すなわち補強リングの外径が同じ）であっても比較例の１．４倍から２倍の圧縮応力を得ることができることがわかる。
【００８９】
また、表１において、「３００℃での隙間」の欄に示す数値は、ケース１−４において、外側円筒状部材２５を焼き嵌めする際に外側円筒状部材２５を３００℃に加熱した場合において、常温の内側円筒状部材２４の外径と３００℃の外側円筒状部材２５の内径との差（直径差）を表す。この欄に示す数値からもわかるように、嵌め代（常温での内側円筒状部材２４の外径（ＯＤ１）と外側円筒状部材２５の内径（ＩＤ２）の差）を０．１ｍｍ乃至０．２ｍｍとしたとき、外側円筒状部材２５を３００℃に加熱すれば、焼き嵌めに必要な隙間（０．２ｍｍ以上の隙間）を十分に確保できることがわかる。
【００９０】
また、本例において、内側円筒状部材２４の外径ＯＤ１は６６ｍｍ(ケース１、ケース２）又は６８ｍｍ(ケース３、ケース４）であり、内側円筒状部材２４の内径ＩＤ１は、超電導バルク２２の外径にほぼ等しい６４ｍｍである。従って、内側円筒状部材２４の径方向における厚さ（内側肉厚ｔ＿ｉｎ）は、１ｍｍ（ケース１、ケース２）又は２ｍｍ(ケース３、ケース４）である。また、本例において外側円筒状部材２５の外径ＯＤ２は７４ｍｍであり、外側円筒状部材２５の内径ＩＤ２は、約６６ｍｍ（ケース１、ケース２）又は約６８ｍｍ(ケース３、ケース４）である。従って、外側円筒状部材２５の径方向における厚さ（外側肉厚ｔ＿ｏｕｔ）は、４ｍｍ(ケース１、ケース２）又は３ｍｍ（ケース３、ケース４）である。
【００９１】
全てのケースにおいて、内側円筒状部材２４の肉厚（内側肉厚ｔ＿ｉｎ）と外側円筒状部材２５の肉厚（外側肉厚ｔ＿ｏｕｔ）との和である総肉厚Ｔは、５ｍｍである。そして、総肉厚Ｔ（５ｍｍ）に対する内側円筒状部材２４の肉厚（内側肉厚ｔ＿ｉｎ）の比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）は、ケース１，２においては２０％、ケース３，４においては４０％である。つまり、いずれのケースにおいても、比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）は、７５％以下である。比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）が７５％以下であれば、内側円筒状部材２４の肉厚が大きすぎることによって外側円筒状部材２５の圧縮応力が超電導バルク２２に十分に作用しないことを、防止することができる。
【００９２】
加えて、いずれのケースにおいても、比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）は、１０％以上である。比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）が１０％以上であれば、外側円筒状部材２５の焼き嵌め時における放熱効果を向上させることができる。
【００９３】
図９に、ケース１に示す外側円筒状部材２５を焼き嵌めする方法の一例を示す。まず、外側円筒状部材２５よりも径の大きい銅プレート３１を用意した。この銅プレート３１上に、厚さ０．１ｍｍの樹脂の接着層２３を介して外径（ＯＤ１）６６．０ｍｍの内側円筒状部材２４に超電導バルク２２を埋め込んだ第一中間組み付け体１２を置いた。銅プレート３１上に載置された第一中間組み付け体１２の上に、底面の外径が内側円筒状部材２４の外径と等しい円錐台形状のテーパー銅プレート３２を同心状に重ねた。
【００９４】
また、常温で外径７４．０ｍｍ、内径６５．９ｍｍであるケース１に示すサイズの外側円筒状部材２５を、電気炉を用いて１０分以上加熱して、外側円筒状部材２５の温度を３００℃にまで昇温した。その後、電気炉の扉を開け、耐熱グローブを使って電気炉内から外側円筒状部材２５を素早く取り出した。取り出した外側円筒状部材２５を直ちに、第一中間組み付け体１２に重ねられたテーパー銅プレート３２の上に配置し、外側円筒状部材２５をテーパー銅プレート３２の外周に沿って落下させた。テーパー銅プレート３２の外周に沿って落下した外側円筒状部材２５は、銅プレート３１の上面に載置される。このとき外側円筒状部材２５は、テーパー銅プレート３２の下方に位置する第一中間組み付け体１２の外側に同心状に配置する。
【００９５】
その後、ただちに、外側円筒状部材２５の上に銅リング３３を載置した。この銅リング３３の内径は外側円筒状部材２５の内径より僅かに大きく且つ外側円筒状部材２５の外径よりも小さい。また、銅リング３３の外径は外側円筒状部材２５の外径よりも一回り大きい。従って、外側円筒状部材２５の上端面が銅リング３３の下端面に面接触し、外側円筒状部材２５の下端面が銅プレート３１の上面に面接触する。面接触部分にて外側円筒状部材２５の熱が銅リング３３及び銅プレート３１に奪われることにより、外側円筒状部材２５が冷却される。これにより外側円筒状部材２５が内側円筒状部材２４に焼き嵌めされる。このような手順で、５秒程度で、素手で触れる温度まで外側円筒状部材２５が冷却されるとともに、外側円筒状部材２５が焼き嵌めされた。このようにして短時間で外側円筒状部材２５を冷却することにより、超電導バルク２２及び接着層２３に影響を及ぼさないように外側円筒状部材２５を焼き嵌めすることができる。
【００９６】
（実施例２：三重リング（内側円筒状部材、第一外側円筒状部材、第二外側円筒状部材）による補強効果の確認）
図１０に示すような超電導磁場発生素子４１を使用温度（５０Ｋ）まで冷却した場合に超電導バルクの内周面に生じる圧縮応力を、計算により求めた。ここで、超電導磁場発生素子４１は、円筒状の超電導バルク４２、内側円筒状部材４４、外側円筒状部材４５を備える。また、外側円筒状部材４５は、第一外側円筒状部材４５Ａ及び第二外側円筒状部材４５Ｂを備える。超電導バルク４２、内側円筒状部材４４、第一外側円筒状部材４５Ａ、第二外側円筒状部材４５Ｂは、同心状に配置される。
【００９７】
超電導バルク４２の外径（ＯＤ＿Ｂ）は６４ｍｍ、内径（ＩＤ＿Ｂ）は２８ｍｍである。内側円筒状部材４４はアルミニウム製又はアルミニウム合金製である。内側円筒状部材４４の外径（ＯＤ１）は６６ｍｍである。内側円筒状部材４４は、超電導バルク４２の外側に配置される。内側円筒状部材４４の内周面は、厚さ０．１ｍｍの樹脂の接着層４３を介して超電導バルク４２の外周面に接着される。第一外側円筒状部材４５Ａ及び第二外側円筒状部材４５Ｂの材質は、共に、内側円筒状部材４４の材質と同じ（アルミニウム製又はアルミニウム合金製）である。第一外側円筒状部材４５Ａの外径（ＯＤ２）は６８ｍｍである。第一外側円筒状部材４５Ａは、その内周面が内側円筒状部材４４の外周面に対面するように内側円筒状部材４４の外側に配置されており、焼嵌めにより、内側円筒状部材４４に取り付けられる。第二外側円筒状部材４５Ｂの外径（ＯＤ３）は７４ｍｍである。第二外側円筒状部材４５Ｂは、その内周面が第一外側円筒状部材４５Ａの外周面に対面するように第一外側円筒状部材４５Ａの外側に配置されており、焼嵌めにより、第一外側円筒状部材４５Ａに取り付けられる。
【００９８】
上記構成の超電導磁場発生素子４１の自然状態における常温での第二外側円筒状部材４５Ｂの内径（ＩＤ３）を変更した２つのケース（ケース５、ケース６）について、使用温度（５０Ｋ）まで冷却した場合に超電導バルク４２の内周面に生じる圧縮応力を計算した。なお、圧縮応力の計算にあたり、超電導バルク４２の軸方向長さを無限長とした。各ケースに係る圧縮応力の計算結果を、内側円筒状部材４４の常温での外径（ＯＤ１）、第一外側円筒状部材４５Ａの常温での外径（ＯＤ２）及び内径（ＩＤ２）、第二外側円筒状部材４５Ｂの常温での外径（ＯＤ３）及び内径（ＩＤ３）とともに、表２に示す。
【表２】
2017169422.tif 000004
【００９９】
表２において、嵌め代Ａは、ＯＤ２とＩＤ３の差を表し、嵌め代Ｂは、ＯＤ１とＩＤ２との差を表す。また、隙間Ｃは、第一外側円筒状部材４５Ａを焼き嵌めする際に第一外側円筒状部材４５Ａを３００℃に加熱した場合において、常温の内側円筒状部材４４の外径（ＯＤ１）と３００℃の第一外側円筒状部材４５Ａの内径との差（直径差）を表す。また、隙間Ｄは、第二外側円筒状部材４５Ｂを焼嵌めする際に第二外側円筒状部材４５Ｂを４００℃に加熱した場合において、常温の第一外側円筒状部材４５Ａの外径（ＯＤ２）と４００℃の第二外側円筒状部材４５Ｂの内径との差（直径差）を表す。
【０１００】
表２からわかるように、最も外側の第二外側円筒状部材４５Ｂの外径ＯＤ３は７４ｍｍと実施例１の場合と同じであるが、実施例１のケース１−４と比較して、実施例２のケース５，６の圧縮応力がより大きい。この理由は、実施例２のケース５，６においては、円筒状部材を三重構造にし、第一外側円筒状部材４５Ａの焼き嵌めによる圧縮応力及び第二外側円筒状部材４５Ｂの焼き嵌めによる圧縮応力が共に超電導バルク４２に作用するためである。
【０１０１】
（第四実施形態）
次に、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子について説明する。第四実施形態に係る超電導磁場発生素子は、内側円筒状部材の内周面と超電導バルクの外周面との接触状態を除き、基本的には上記第一実施形態に係る超電導磁場発生素子の構造と同一である。
【０１０２】
図１１は、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ｂの概略構成を示す斜視図である。図１１に示すように、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ｂは、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１と同様に、超電導バルク２と、内側円筒状部材４と、外側円筒状部材５とを備える。
【０１０３】
超電導バルク２、内側円筒状部材４、外側円筒状部材５の形状は、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１が備える超電導バルク２、内側円筒状部材４、外側円筒状部材５の形状と同一であるので、その具体的説明は省略する。
【０１０４】
また、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ｂにおいても、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１と同様に、常温にて、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４を締め付けている。従って、外側円筒状部材５の締め付け力が、内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に伝達される。このため、超電導バルク２には、その外周側から中心側に向かう方向への応力、すなわち圧縮応力が作用している。つまり、常温にて、超電導バルク２に圧縮応力が作用するように、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に取り付けられている。
【０１０５】
図１２Ａは、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ｂをその軸線を含む平面で切断した断面の一部を示す図である。また、図１２Ｂは、図１２Ａにおいて内側円筒状部材４と超電導バルク２の接触界面を含む領域部分であるＣ部の詳細図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、互いに接触した内側円筒状部材４の内周面、及び、超電導バルク２の外周面には、微細な凹凸が形成されている。特に超電導バルク２を溶融法により円筒形状に形成した場合、その外周面に多くの凹凸が形成される。ここで、凹凸には、空孔も含まれる。従って、超電導バルク２の外周面を内側円筒状部材４の内周面に接触させた場合でも、両面の凹凸或いは形状の歪みによって、両面が直接接触する部分と直接接触しない部分が形成される。
【０１０６】
よって、内側円筒状部材４の内周面は、超電導バルク２の外周面に直接接触した第一領域と、直接接触せずに超電導バルクの外周面との間に隙間Ｇ（図１２Ｂ参照）が形成された第二領域を有する。図１２Ｂにおいて、第一領域が領域Ａにより表され、第二領域が領域Ｂにより表される。そして、本実施形態においては、第二領域Ｂ上に形成される隙間Ｇに、充填剤６が充填される。従って、第二領域Ｂにおいては、内側円筒状部材４は、充填剤６を介して超電導バルク２に間接接触する。
【０１０７】
図１２Ｃは、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１をその軸線を含む平面で切断した断面の一部を示す図である。図１２Ｃに示すように、第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１においては、内側円筒状部材４の内周面と超電導バルク２の外周面との間のほぼ全域に、接着層３が介在している。従って、内側円筒状部材４の内周面と超電導バルク２の外周面が直接接触することはなく、接着層３を介して両面が間接接触する。これに対し、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ｂにおいては、内側円筒状部材４の内周面の第一領域Ａが超電導バルク２の外周面と直接接触し、内側円筒状部材４の内周面の第二領域Ｂが充填剤６を介して超電導バルク２の外周面と間接接触する。
【０１０８】
第四実施形態に示すように超電導磁場発生素子１Ｂを構成した場合でも、内側円筒状部材４と超電導バルク２とを直接的及び間接的に全面接触させることができる。また、内側円筒状部材４と超電導バルク２が直接接触する部分が存在するため、充填剤６が劣化して充填剤６を介して第二領域Ｂから超電導バルク２に圧縮応力を伝えにくくなった場合でも、直接接触している第一領域Ａから超電導バルク２に圧縮応力を伝えることができる。従って、超電導磁場発生素子１Ｂの耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【０１０９】
次に、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ｂの製造方法について説明する。第四実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ｂの製造方法も、上記第一実施形態に係る超電導磁場発生素子１の製造方法と同様に、第一工程及び第二工程を含む。図１３Ａは、第一工程を示す図であり、図１３Ｂは、第一工程の実施により超電導バルク２に内側円筒状部材４が取り付けられた状態を示す斜視図である。また、図１４は、第二工程を示す図である。
【０１１０】
第一工程では、超電導バルク２の外周面又は内側円筒状部材４の内周面に、流動性を有する充填剤６が塗布され、その後、円筒状の超電導バルク２の外周面が内側円筒状部材４の外周面と対面するように、超電導バルク２が内側円筒状部材４の内周側に同心配置される。なお、第一工程の実施時における超電導バルク２及び内側円筒状部材４の温度を温度Ｔ１とすると、温度Ｔ１にて、超電導バルク２の外径ＯＤ＿Ｂは、内側円筒状部材４の内径ＩＤ１よりも僅かに小さい。従って、同心配置された超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４との間に充填剤６が充填される。充填剤６として、エポキシ樹脂からなる接着剤、或いは、グリースを例示することができる。なお、温度Ｔ１は、例えば常温（５℃〜３５℃）であるのがよい。この第一工程により、超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４の内周面との間に流動性を有する充填剤６を介在させた状態で、超電導バルク２の外周面に内側円筒状部材４の内周面が接触するように、内側円筒状部材４が超電導バルク２に取り付けられる、
【０１１１】
第二工程では、第一工程にて流動性を有する充填剤６を介在させた状態で内周側に超電導バルク２が取り付けられた内側円筒状部材４の外周面に、外側円筒状部材５が取り付けられる。この場合、まず温度Ｔ１の外側円筒状部材５を用意する。外側円筒状部材５の内径ＩＤ２は、温度Ｔ１にて、超電導バルク２の外周に取り付けられている温度Ｔ１の内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも僅かに小さい。すなわち、温度Ｔ１にて、ＩＤ２＜ＯＤ１である。
【０１１２】
次に、用意した温度Ｔ１の外側円筒状部材５を、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２に加熱する。例えば温度Ｔ１が常温である場合、第二工程にて外側円筒状部材５を約３００℃に加熱する。この加熱により、外側円筒状部材５が熱膨張する。このため、外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が広がり、外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が、常温の内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも大きくなる。
【０１１３】
次いで、図１４に示すように、温度Ｔ２に加熱された外側円筒状部材５の内周面が、内側円筒状部材４の外周面に対面するように、外側円筒状部材５を内側円筒状部材４に対して同心状に配設する。その後、外側円筒状部材５を温度Ｔ１まで冷却する。冷却方法は、特に限定されないが、例えば、自然放冷、或いは、冷風を外側円筒状部材５に供給することにより、外側円筒状部材５が冷却される。この冷却による熱収縮により、外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が小さくなっていく。外側円筒状部材５の温度が温度Ｔ１にまで冷却された場合、自然状態における外側円筒状部材５の内径ＩＤ２が内側円筒状部材４の外径ＯＤ１よりも小さくなる。そのため、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４の外周面に取り付けられるとともに、内側円筒状部材４を締め付ける。つまり、外側円筒状部材５が内側円筒状部材４に焼き嵌めされる。そして、焼嵌めによる締め付け力が、内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に作用する。
【０１１４】
ここで、第四実施形態に係る第二工程は、第一工程にて超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４の内周面との間に介在した充填剤６が流動性を有する状態であるときに実行される。従って、第二工程の実施によって外側円筒状部材５から内側円筒状部材４を介して超電導バルク２に作用する圧縮応力により、充填剤６が超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４の内周面との間の接触界面間で流動する。流動した充填剤６は、内側円筒状部材４と超電導バルク２との接触表面に形成される凹凸、空孔、或いは形状の歪みによって内側円筒状部材４の内周面と超電導バルク２の外周面との間に形成される隙間Ｇ（図１２Ｂ参照）に充填される。ここで、超電導バルク２の外周面に形成された微細な空孔には、単に充填剤６を超電導バルク２の外周面に塗布するだけでは、充填されない場合も考えられる。これに対し、本実施形態によれば、第二工程にて、超電導バルク２と内側円筒状部材４との間の充填剤６に外側円筒状部材５からの圧縮応力が作用するので、この圧縮応力によって、微細な空孔にも充填剤６を入り込ませることができる。一方、上記隙間Ｇが形成されていない部分においては、充填剤６を介することなく内側円筒状部材４の内周面が超電導バルク２の外周面に直接接触される。このようにして、内側円筒状部材４の内周面と超電導バルク２の外周面とを直接的及び間接的に、全面接触させることができる。
【０１１５】
上記した第一工程及び第二工程を経由して、図１１に示すような、第四実施形態に係る超電導磁場発生素子１Ｂが製造される。この製造方法によれば、超電導磁場発生素子１Ｂの製造の段階で、既に、外側円筒状部材５から超電導バルク２に焼き嵌めによる圧縮応力が作用している。従って、その後に超電導磁場発生素子１Ｂを超電導転移温度まで冷却した時には、内側円筒状部材４及び外側円筒状部材５の熱収縮により生じる圧縮応力に加え、既に製造の段階で生じている圧縮応力が付加される。このため、超電導バルク２に磁場を捕捉させているときに超電導バルク２内で生じている引張応力に対抗し得る圧縮応力が、既に製造の段階で生じている圧縮応力の分だけ大きくされる。また、この製造方法によれば、内側円筒状部材４の内周面と超電導バルク２の外周面とを直接的及び間接的に全面接触させることができる。従って、超電導バルク２の外周面に均一に圧縮応力を加えることができるため、超電導バルク２を破壊させることなく、十分に大きな圧縮応力を均一に超電導バルク２に作用させることができる。
【０１１６】
また、外側円筒状部材５と超電導バルク２との間に内側円筒状部材４が介在されているので、第二工程で外側円筒状部材５を焼き嵌めする際における外側円筒状部材５の熱が、超電導バルク２及び充填剤６に直接伝達されることが防止される。よって、熱衝撃による超電導バルク２の破損を防止することができるとともに、充填剤６の熱劣化を防止することができる。
【０１１７】
また、第四実施形態に係る製造方法によれば、第一工程にて超電導バルク２と内側円筒状部材４との間に介在される充填剤６は、第二工程の実施時に流動性を有した状態である必要がある。一方、第二工程の実施後は、所定の条件を満たしたときに、充填剤６の流動性が低下するとよい。例えば、所定の時間が経過した場合、或いは、充填剤６の温度が所定の温度以下にまで低下した場合に、充填剤６の流動性が低下し、或いは充填剤６が固化状態にされるとよい。つまり、充填剤６は、流動性を有する状態から流動性を有しない状態に変化することができるような材質により構成されており、第二工程は、第一工程にて超電導バルク２の外周面と内側円筒状部材４の内周面との間に介在した充填剤６が流動性を有する状態であるときに実行され、第二工程の実行後に所定の条件を満たした場合に充填剤６が固化状態にされるとよい。
【０１１８】
例えば、充填剤６としてエポキシ系の接着剤を用いた場合、充填剤６は初期には流動性を有するが、時間の経過とともに固化する。従って、本実施形態において充填剤６としてエポキシ系の接着剤を用いる場合、充填剤６の固化前に第二工程が実施されることになる。その後、所定時間経過後に、内側円筒状部材４と超電導バルク２との間の接触界面に形成されている隙間Ｇ内で充填剤６が固化する。このため、製造した超電導磁場発生素子１Ｂを使用する際には充填剤６が固化しているので、使用時に充填剤６を隙間Ｇ内に留めておくことができる。また、充填剤６としてグリースを用いる場合、充填剤６は所定の温度以上で流動性を有し、所定の温度未満（例えば超電導磁場発生素子１Ｂの使用温度）では固化状態である。従って、この場合、製造した超電導磁場発生素子１Ｂを使用する際に５０Ｋ程度の温度に超電導磁場発生素子１Ｂを冷却した場合、充填剤６が隙間Ｇ内で固化する。これにより、使用時に充填剤６を隙間Ｇ内に留めておくことができる。
【０１１９】
（実施例３：充填剤としてエポキシ系接着剤を用いた場合）
外形６３．９５ｍｍ、内径２８．０ｍｍ、高さ２０ｍｍのＥｕＢａＣｕＯ系超電導バルクを用意した。用意した超電導バルクの外周面に、２液混合型のエポキシ系接着剤を塗布した。このエポキシ系接着剤は、流動性を有するが、時間の経過とともに流動性が低下し、やがて、固化する。次いで、常温にて外径６８．０ｍｍ、内径６４．０ｍｍ、高さ２０ｍｍのアルミニウム合金製の内側円筒状部材の内周面に、外周面にエポキシ系接着剤が塗布された超電導バルクの外周面が対面するように、超電導バルクを内側円筒状部材の内周側に配置した。これにより、超電導バルクの外周面と内側円筒状部材の内周面との間に流動性を有するエポキシ系接着剤を介在させた状態で、超電導バルクの外周面に内側円筒状部材が取り付けられた（第一工程）。
【０１２０】
次に、外径７４．０ｍｍ、内径６７．７５ｍｍ、高さ２０ｍｍのアルミニウム合金製の外側円筒状部材を、２００℃の電気炉内で１０分間加熱した。この加熱により、外側円筒状部材の内径が６８ｍｍ以上に拡径した。その後、電気炉から外側円筒状部材を取り出した。そして、外側円筒状部材の内周面が内側円筒状部材の外周面に対面するように、外側円筒状部材を内側円筒状部材の外側に配置した。この場合において、外側円筒状部材の内径が６８ｍｍ以上であり、且つ、超電導バルクの外周面と内側円筒状部材の内周面との間に介在されたエポキシ系接着剤が流動性を有している時間内に、外側円筒状部材を内側円筒状部材の外側に配置した。その後、外側円筒状部材を常温まで冷却した。この冷却による熱収縮により、外側円筒状部材の内径が小さくなっていく。外側円筒状部材の温度が常温にまで低下した場合、自然状態における外側円筒状部材の内径が内側円筒状部材の外径よりも小さくなる。そのため、外側円筒状部材が内側円筒状部材の外周面に取り付けられるとともに、内側円筒状部材を締め付ける。つまり、外側円筒状部材が内側円筒状部材に焼き嵌めされる（第二工程）。
【０１２１】
第二工程の実施により、外側円筒状部材からの圧縮応力が、内側円筒状部材を介して超電導バルクに作用する。また、上記圧縮応力は、超電導バルクと内側円筒状部材との間のエポキシ系接着剤にも作用する。このためエポキシ系接着剤が超電導バルクと内側円筒状部材との間の接触界面間で流動する。この流動によって、エポキシ系接着剤は、超電導バルクの外周面及び内側円筒状部材の外周面の凹凸或いは形状の歪みにより両面間に形成される微小の隙間内に充填される。また、隙間が形成されていない箇所では、上記圧縮応力によって超電導バルクの外周面と内側円筒状部材の外周面が直接接触する。なお、上記隙間に充填されなかった接着剤は、超電導磁場発生素子の両端面に溢れ出る。こうして溢れ出た接着剤は拭き取られる。焼き嵌め後、所定時間経過すると、上記隙間内のエポキシ系接着剤が固化する。このようにして超電導磁場発生素子が製造された。
【０１２２】
上記のようにして製造した超電導磁場発生素子を使用温度（５０Ｋ）まで冷却したときに超電導バルクの内周面に生じる周方向の圧縮応力を計算した。この場合において、第一工程にて超伝導バルクと内側円筒状部材との間に介在されたエポキシ系接着剤の半分が、第二工程の実施によって溢れ出たと仮定して、圧縮応力を計算した。この計算結果を表３のケース７に示す。また、比較のため、外径７４．０ｍｍ、内径６４．０ｍｍの内側円筒状部材を用いて上記第一工程を実施して製造した超電導磁場発生素子、つまり第二実施工程を実施せずに１重リング（内側円筒状部材のみ）により円筒状部材が構成される超電導磁場発生素子、についても、使用温度（５０Ｋ）まで冷却したときに超電導バルクの内周面に生じる周方向の圧縮応力を計算した。この計算結果を表３のケース８に示す。また、第一工程にて塗布された接着剤が固化した後に第二工程を実施して製造した超電導磁場発生素子についても、使用温度（５０Ｋ）まで冷却したときに超電導バルクの内周面に生じる周方向の圧縮応力を計算した。この計算結果を表３のケース９に示す。さらに、接着剤を用いることなく第一工程及び第二工程を実施して製造した超電導磁場発生素子についても、使用温度（５０Ｋ）まで冷却したときに超電導バルクの内周面に生じる周方向の圧縮応力を計算した。この計算結果を表３のケース１０に示す。なお、圧縮応力の計算にあたり、超電導バルクの軸方向長さを無限長に設定した。
【表３】
2017169422.tif 000005
【０１２３】
表３において、「円筒状部材」の欄に記載された「２重構造」とは、超電導磁場発生素子が内側円筒状部材及び外側円筒状部材を備え、これらにより円筒状部材が構成されていることを表す。また、表３の「１重構造」とは、超電導磁場発生素子が円筒状部材として内側円筒状部材のみを備えて構成されていることを表す。
【０１２４】
表３からわかるように、円筒状部材が２重構造である場合、すなわちケース７，９，１０のように超電導磁場発生素子が構成されている場合、圧縮応力は高い。一方、円筒状部材が１重構造である場合、すなわちケース８のように超電導磁場発生素子が構成されている場合、圧縮応力は低い。また、円筒状部材が１重構造である場合も２重構造である場合も、トータルの円筒状部材の厚みは同じである。このことから、円筒状部材を２重構造に構成することで、十分に圧縮応力が高められることがわかる。
【０１２５】
また、ケース９は、第二工程の実施時に内側円筒状部材と超電導バルクとの間の接触界面から充填剤（エポキシ系接着剤）が全く溢れ出なかった場合に相当し、ケース１０は、第二工程の実施時に内側円筒状部材と超電導バルクとの間の接触界面から充填剤が全て溢れ出た場合に相当する。従って、ケース７，９，１０に係る超電導磁場発生素子ついて、内側円筒状部材と超電導バルクとの間の接触界面に残存する充填剤の量を比較した場合、最も充填剤の残存量が多いケースがケース９であり、次に充填剤の残存量が多いケースがケース７であり、最も充填剤の残存量が少ないケースがケース１０である。
【０１２６】
第二工程にて充填剤が溢れ出ると、溢れ出た分だけ外側円筒状部材の熱収縮により超電導バルクの外周面に作用する圧縮応力は低下する。しかしながら、表３に示すように、充填剤が全て溢れ出た場合に相当するケース１０でも、円筒状部材の厚さが同じで１重構造であるケース８における圧縮応力よりもはるかに高いことがわかる。
【０１２７】
（実施例４：充填剤として真空グリースを用いた場合）
外形６３．９５ｍｍ、内径２８．０ｍｍ、高さ２０ｍｍのＥｕＢａＣｕＯ系超電導バルクを用意した。用意した超電導バルクの外周面に、真空グリースを塗布した。この真空グリースは、後述する第二工程で焼き嵌めを行うときには流動性を有するが、温度が下がるほど粘性が高まって流動性を失い、超電導磁場発生素子として動作させる温度（使用温度）まで冷却すると、実質的に個体状態になる。
【０１２８】
次いで、常温にて外径６８．０ｍｍ、内径６４．０ｍｍ、高さ２０ｍｍのアルミニウム合金製の内側円筒状部材に、外周面に真空グリースが塗布された超電導バルクの外周面が対面するように、超電導バルクを内側円筒状部材の内周側に配置した。これにより、超電導バルクの外周面と内側円筒状部材の内周面との間に流動性を有する真空グリースを介在させた状態で、超電導バルクの外周面に内側円筒状部材が取り付けられた（第一工程）。
【０１２９】
次に、外径７４．０ｍｍ、内径６７．７５ｍｍ、高さ２０ｍｍのアルミニウム合金製の外側円筒状部材を、２５０℃の電気炉内で２０分間加熱した。この加熱により、外側円筒状部材の内径が６８ｍｍ以上に拡径した。その後、電気炉から外側円筒状部材を取り出した。そして、外側円筒状部材の内径が６８ｍｍ以上であるときに、外側円筒状部材の内周面が内側円筒状部材の外周面に対面するように、外側円筒状部材を内側円筒状部材の外側に配置した。その後、外側円筒状部材を常温まで冷却した。この冷却による熱収縮により、外側円筒状部材の内径が小さくなっていく。外側円筒状部材の温度が常温にまで低下した場合、自然状態における外側円筒状部材の内径が内側円筒状部材の外径よりも小さくなる。そのため、外側円筒状部材が内側円筒状部材の外周面に取り付けられるとともに、内側円筒状部材を締め付ける。つまり、外側円筒状部材が内側円筒状部材に焼き嵌めされる（第二工程）。
【０１３０】
第二工程の実施により、外側円筒状部材からの圧縮応力が、内側円筒状部材を介して超電導バルクに作用する。また、上記圧縮応力は、超電導バルクと内側円筒状部材との間の真空グリースにも作用する。このため真空グリースが超電導バルクと内側円筒状部材との間の接触界面間で流動する。この流動によって、真空グリースは、超電導バルクの外周面及び内側円筒状部材の外周面の凹凸或いは形状の歪みにより両面間に形成される微小の隙間内に充填される。また、隙間が形成されていない箇所では、上記圧縮応力によって超電導バルクの外周面と内側円筒状部材の外周面が直接接触する。なお、上記隙間に充填されなかった真空グリースは、超電導磁場発生素子の両端面に溢れ出る。こうして溢れ出た真空グリースは拭き取られる。以上の工程を経て、超電導磁場発生素子が製造された。
【０１３１】
実施例４に係る超電導磁場発生素子も、上記実施例３（ケース７）に係る超電導磁場発生素子と同様に、内側円筒状部材と超電導バルクが、直接的及び真空グリースを介して間接的に、全面接触される。また、超電導磁場発生素子を温度５０Ｋに冷却した場合に超電導バルクの内周面に生じる圧縮応力も、上記実施例３（ケース７）に係る超電導磁場発生素子についての圧縮応力と同等であった。
【０１３２】
また、実施例４に係る超電導磁場発生素子は、常温にて、内側円筒状部材と超電導バルクとの接触界面の隙間に存在する充填剤（真空グリース）が流動性を有している。しかし、使用時には５０Ｋにまで冷却されるので、内側円筒状部材と超電導バルクとの接触界面の隙間に存在する充填剤（真空グリース）は固化する。このため、使用時に充填剤が内側円筒状部材と超電導バルクとの接触界面に形成された隙間から流れ落ちて、圧縮応力が低下することを防止することができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年7月27日(2017.7.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱形状又は円筒形状の超電導バルクと、
前記超電導バルクの外周面にその内周面が接触するように、前記超電導バルクに取り付けられた内側円筒状部材と、
前記内側円筒状部材の外周面にその内周面が接触するように、前記内側円筒状部材に取り付けられた外側円筒状部材と、を備え、
前記外側円筒状部材は、前記内側円筒状部材の熱収縮率と等しい熱収縮率又は前記内側円筒状部材の熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する材質により構成され、
前記内側円筒状部材及び前記外側円筒状部材は、それぞれ、前記超電導バルクの熱収縮率よりも大きい熱収縮率を有する材質により形成され、
前記外側円筒状部材は、常温にて前記内側円筒状部材を介して前記超電導バルクに圧縮応力が作用するように、前記内側円筒状部材に取り付けられている、超電導磁場発生素子。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導磁場発生素子において、
前記内側円筒状部材は、その内周面が前記超電導バルクの外周面に接着層を介して接着されるように、前記超電導バルクに取り付けられている、超電導磁場発生素子。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導磁場発生素子において、
前記接着層の材質が樹脂である、超電導磁場発生素子。
【請求項４】
請求項１に記載の超電導磁場発生素子において、
前記内側円筒状部材の内周面は、前記超電導バルクの外周面に直接接触した第一領域と、前記超電導バルクの外周面との間に隙間が形成された第二領域を有し、
前記隙間に充填剤が充填されることにより、前記第二領域が前記充填剤を介して前記超電導バルクの外周面に間接接触している、超電導磁場発生素子。
【請求項５】
請求項４に記載の超電導磁場発生素子において、
前記充填剤は、流動性を有する材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項６】
請求項５に記載の超電導磁場発生素子において、
前記充填剤は、所定の温度以下で固化状態である材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材が、前記内側円筒状部材に焼き嵌めされている、超電導磁場発生素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材が、前記内側円筒状部材に冷やし嵌めされている、超電導磁場発生素子。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材は、径方向に積層された複数の円筒状部材により構成され、且つ、常温にて隣接する円筒状部材の接触面に圧縮方向への応力が発生するように、構成されている、超電導磁場発生素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材を構成する各円筒状部材は、それよりも径内方に隣接配置した円筒状部材の熱収縮率と等しいか又はそれよりも大きい熱収縮率を有する材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材を構成する各円筒状部材は、それよりも径内方に隣接配置した円筒状部材のヤング率と等しいか又はそれよりも大きいヤング率を有する材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項１３】
請求項１乃至８、１０乃至１２のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記外側円筒状部材と前記内側円筒状部材が同一の材質により構成される、超電導磁場発生素子。
【請求項１４】
請求項１乃至８、１０乃至１３のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記内側円筒状部材の径方向における厚さである内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）と前記外側円筒状部材の径方向における厚さである外側肉厚（ｔ＿ｏｕｔ）との和である総肉厚（Ｔ）に対する前記内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）の比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）が、３／４以下である、超電導磁場発生素子。
【請求項１５】
請求項１乃至８、１０乃至１４のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子において、
前記内側円筒状部材の径方向における厚さである内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）と前記外側円筒状部材の径方向における厚さである外側肉厚（ｔ＿ｏｕｔ）との和である総肉厚（Ｔ）に対する前記内側肉厚（ｔ＿ｉｎ）の比（ｔ＿ｉｎ／Ｔ）が、１／１０以上である、超電導磁場発生素子。
【請求項１６】
円柱形状又は円筒形状の超電導バルクと、前記超電導バルクの外周面に取り付けられる内側円筒状部材と、前記内側円筒状部材の外周面に取り付けられる外側円筒状部材とを備える超電導磁場発生素子の製造方法であって、
前記超電導バルクの外周面に前記内側円筒状部材を取り付ける第一工程と、
前記内側円筒状部材の温度よりも高い温度の前記外側円筒状部材の内周面が前記内側円筒状部材の外周面に対面するように、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材に対して配設し、その後、前記内側円筒状部材の温度と前記外側円筒状部材の温度との差を減少させることにより、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材の外周面に取り付ける第二工程と、
を含む、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記第一工程は、前記超電導バルクの外周面又は前記内側円筒状部材の内周面に接着剤を塗布する工程と、前記接着剤を介して前記超電導バルクの外周面に前記内側円筒状部材の内周面が接触するように、前記内側円筒状部材を前記超電導バルクに取り付ける工程と、を含む、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記第一工程は、前記超電導バルクの外周面又は前記内側円筒状部材の内周面に、流動性を有する充填剤を塗布する工程と、前記充填剤を介して前記超電導バルクの外周面に前記内側円筒状部材の内周面が接触するように、前記内側円筒状部材を前記超電導バルクに取り付ける工程と、を含む、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記充填剤は、流動性を有する状態から流動性を有しない状態に変化することができるような材質により構成されており、
前記第二工程は、前記第一工程にて前記超電導バルクの外周面と前記内側円筒状部材の内周面との間に介在した充填剤が流動性を有する状態であるときに実行される、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記第二工程は、前記内側円筒状部材の温度よりも高い温度に加熱された前記外側円筒状部材の内周面が、前記内側円筒状部材の外周面に対面するように、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材に対して配設し、その後、前記外側円筒状部材を冷却することにより、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材の外周面に取り付ける工程である、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項２１】
請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記第二工程は、前記外側円筒状部材の内周面が、前記外側円筒状部材の温度よりも低い温度に冷却された前記内側円筒状部材の外周面に対面するように、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材に対して配設し、その後、前記内側円筒状部材を昇温することにより、前記外側円筒状部材を前記内側円筒状部材の外周面に取り付ける工程である、超電導磁場発生素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載の超電導磁場発生素子の製造方法において、
前記外側円筒状部材は、径方向に積層された複数の円筒状部材により構成されており、
前記第二工程は、前記複数の円筒状部材を内径側から順に取り付ける工程を含み、且つ、少なくとも、ｉ番目に取り付けられる円筒状部材の取付時における温度が、ｉ−１番目に取り付けられた円筒状部材の温度よりも高くされている、超電導磁場発生素子の製造方法。
【国際調査報告】
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