(57)【要約】【課題】巻線構造が簡略で信頼性が高い超電導コイルを提供する。【解決手段】一条のテープ形状の超電導線材２がらせん状に巻かれた少なくとも一の第１の巻線部２ａと、一条のテープ形状の超電導線材２が第１の巻線部２ａの方向とは反対回りのらせん状に巻かれ、第１の巻線部２ａと同心軸上に配置された少なくとも一の第２の巻線部２ｂと、通電時に第１の巻線部２ａと第２の巻線部２ｂとに発生する磁気モーメントの方向が同一になるように一の第１の巻線部２ａと一の第２の巻線部２ｂとを順次電気的に接続し直列回路を構成する接続部４とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一条のテープ形状の超電導線材がらせん状に巻かれた少なくとも一の第１の巻線部と、
一条のテープ形状の超電導線材が前記第１の巻線部の方向とは反対回りのらせん状に巻かれ、前記第１の巻線部と同心軸上に配置された少なくとも一の第２の巻線部と、
通電時に前記第１の巻線部と前記第２の巻線部とに発生する磁気モーメントの方向が同一になるように一の前記第１の巻線部と一の前記第２の巻線部とを順次電気的に接続し直列回路を構成する接続部とを備えたことを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記第１の巻線部および前記第２の巻線部をそれぞれ複数備え、
前記第１の巻線部と前記第２の巻線部とは、径方向に交互に配置された請求項１記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記第１の巻線部および前記第２の巻線部をそれぞれ複数備え、
複数の前記第２の巻線部は、複数の前記第１の巻線部に対し径方向外側に配置された請求項１記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記第１の巻線部と前記第２の巻線部とが巻かれた絶縁体からなる複数の巻枠をさらに備えた請求項１記載の超電導コイル。
【請求項５】
前記巻枠は、前記超電導線材の幅に対応する幅を有するらせん状の溝を備え、
前記第１の巻線部と前記第２の巻線部とは、前記溝に沿って前記巻枠に巻かれた請求項４記載の超電導コイル。
【請求項６】
前記第１の巻線部および前記第２の巻線部をそれぞれ複数備え、
複数の前記第２の巻線部は、複数の前記第１の巻線部に対し径方向外側に配置され、
複数の前記第１の巻線部は、一の前記巻枠に対して並列に巻かれ、
複数の前記第２の巻線部は、他の前記巻枠に対して並列に巻かれた請求項４記載の超電導コイル。
【請求項７】
軸に垂直な断面の形状が円形または円弧部と直線部とを有する長円形である請求項１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、テープ形状の超電導線材からなる超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、超電導線材の開発が国内外で盛んに行われており、超電導線材の長尺化が飛躍的に進んでいる。中でも、金属基板上に中間層を介して超電導層を形成させた高温超電導線材は、第二世代の高温超電導線材と呼ばれている。この高温超電導線材は、その製法により形状がテープ状となる。
【０００３】
超電導線材は、巻枠などに巻いてコイル化し、各種機器へ応用することが期待されている。テープ状の超電導線材を巻き円筒形のコイル（ソレノイドコイル）を形成する代表的な方法に、「レイヤ（層）巻き」と「パンケーキ巻き」とがある。
【０００４】
「レイヤ巻き」は、円筒の軸（巻枠）に対して線材をらせんに巻く、すなわち軸を一周する毎に軸方向に巻き位置をずらし、次のターンを同じ曲率半径で巻く方法である。「パンケーキ巻き」は、線材を渦巻きに巻く、すなわち曲率半径を増やしながら巻き位置をずらして次のターンを巻く方法である。
【０００５】
パンケーキ巻きは、テープ形状や平角線のように矩形の断面形状を持つ線材のコイル化では多く用いられる巻線方法である。これに対し、コイルの適用先となる機器の仕様やコイルの寸法（内径、外径、軸長）によっては、線材の形状に因らずレイヤ巻きが望まれる場合もある。
【０００６】
前述の高温超電導線材は、その製法から丸線ではなくテープ形状となるため、従来の丸線の低温超電導線材と比較するとコイル化時の曲げの方向に制約が生じる。具体的には、線材の幅となる面の曲げであるフラットワイズ曲げには、比較的小さい曲率半径まで対応できる一方、線材の厚さとなる面の曲げであるエッジワイズ曲げを行うのは困難である。
【０００７】
このため、テープ線材の超電導線材を円筒形状の巻枠にレイヤ巻きしようとすると、巻枠の一端から他端まで一層分巻き終え次の層に移る折り返し部分において線材をエッジワイズ方向に曲げることになり、歪によって超電導特性を劣化させてしまう恐れがあった。
【０００８】
従来、円筒形の巻枠の端部を変形させたり、円筒端部付近でテープ線材を重ねてエッジワイズ歪を低減させたりする方法が開示されている（特許文献１および２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−７３６２３号公報
【特許文献２】特開２００９−１３０２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した従来の方法は、少なからず歪が発生してしまい、特に巻枠の径が小さい場合には顕著であった。このため、超電導テープ線材をレイヤ巻きする超電導コイルは、エッジワイズ方向の歪が加わり、超電導特性の低下が生じてしまうという課題があった。
【００１１】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、巻線構造が簡略で信頼性が高い超電導コイル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】
【００１２】
本発明に係る超電導コイルは、上述した課題を解決するために、一条のテープ形状の超電導線材がらせん状に巻かれた少なくとも一の第１の巻線部と、一条のテープ形状の超電導線材が前記第１の巻線部の方向とは反対回りのらせん状に巻かれ、前記第１の巻線部と同心軸上に配置された少なくとも一の第２の巻線部と、通電時に前記第１の巻線部と前記第２の巻線部とに発生する磁気モーメントの方向が同一になるように一の前記第１の巻線部と一の前記第２の巻線部とを順次電気的に接続し直列回路を構成する接続部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る超電導コイルによれば、巻線構造が簡略で信頼性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る超電導コイルの第１実施形態を示す概略図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（Ｃ）は図１（Ｂ）の巻枠を省略した説明図。
【図２】比較例としての超電導コイルの外観図。
【図３】第１実施形態における超電導コイルの変形例を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。
【図４】本発明に係る超電導コイルの第２実施形態を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。
【図５】第２実施形態における超電導コイルの変形例を示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は図５（Ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図。
【図６】本発明に係る超電導コイルの第３実施形態を示す概略図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は図６（Ａ）のＥ−Ｅ矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る超電導コイルの各実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る超電導コイルの第１実施形態を示す概略図である。図１（Ａ）は、超電導コイル１の平面図、（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（Ｃ）は、図１（Ｂ）の巻枠を省略した図である。
【００１７】
超電導コイル１は、超電導線材２がらせん状にレイヤ巻きされたコイルである。超電導線材２は、例えば酸化物系の高温超電導線材でありビスマス系（例えば、Ｂｉ２２２３相型、Ｂｉ２２１２相型）、イットリウム系（例えば、ＹＢＣＯ系）、タリウム（Ｔｌ）系、水銀（Ｈｇ）系が用いられる。超電導線材２は、金属基板上に中間層、超電導層が順次積層される。
【００１８】
超電導コイル１は、第１の巻線部２ａと第１の巻線部２ａより径が大きい第２の巻線部２ｂとを有する。第１の巻線部２ａと第２の巻線部２ｂとは、それぞれ異なる一条の超電導線材からなり、同心軸上に配置される。
【００１９】
第１の巻線部２ａと第２の巻線部２ｂとは、例えば円筒形の巻枠３ａ、３ｂを軸に巻かれ、軸を一周する毎に軸方向に巻き位置をずらし、次のターンは同じ曲率半径で巻かれている。第１の巻線部２ａは、図示上端から下端に向かって反時計回り（ＣＣＷ）に巻かれている。第２の巻線部２ｂは、図示上端から下端に向かって時計回り（ＣＷ）に巻かれている。図中の矢印は、上端から超電導線材２を巻いた場合の巻き方向を示す。
【００２０】
巻枠３ａ、３ｂは、各巻線部のターン間の短絡や渦電流、磁化の影響を避けるため、絶縁体であることが望ましい。
【００２１】
第１の巻線部２ａと第２の巻線部２ｂとは、図示下端位置における超電導線材２の端部またはその近傍において、導電性を有する接続部４によって電気的に接続される。すなわち、第１の巻線部２ａと第２の巻線部２ｂとは、接続部４に接続されることにより直列回路を構成する。
【００２２】
このように構成された超電導コイル１に流れる電流は、例えば第２の巻線部２ｂの上端を起点として下端まで時計回りで流れると、下端位置に設けられた接続部４を介して第１の巻線部２ａに流れる。第１の巻線部２ａと第２の巻線部２ｂとは、巻き方向が逆であるため電流は第２の巻線部２ｂを時計回りで流れる。この結果、第１の巻線部２ａと第２の巻線部２ｂとに発生する磁場方向は等しくなる。
【００２３】
超電導コイル１は、接続部４を設けることにより接続抵抗が生じジュール発熱する。永久電流モード運転機器や電導冷却の機器ではこの発熱は好ましくない。しかし、交流運転時の交流損失による発熱を考慮した機器や、冷媒の消費量を考慮した浸漬冷却の機器の場合には、冷媒への熱負荷はコイルの交流損失と比べて小さく、接続部４の熱負荷の影響は小さくなる。
【００２４】
ここで、比較例としての一条の超電導線材で二層の巻線を形成する超電導コイルについて説明する。
【００２５】
図２は、比較例としての超電導コイル１００の外観図である。
【００２６】
超電導コイル１００は、複数層の超電導コイルを一条の超電導線材１０１を巻くことにより形成されている。この超電導コイル１００は、１層を巻き終えて次の層に移る折り返し部分１０２が発生し、超電導線材１０１にエッジワイズ方向の歪が生じてしまう。
【００２７】
これに対し、本実施形態における超電導コイル１は、各層をそれぞれ一条の超電導線材２で形成したため、巻枠の一端まで巻かれた超電導線材に次の層へ移行する際の折り返し部分がなく、エッジワイズ方向の歪が発生しない。
【００２８】
このため、超電導コイル１は、超電導特性を低下させることなく高い信頼性を有することができる。また、超電導コイル１は、巻線構造が簡略化でき、低コスト化を実現することができる。
【００２９】
さらに、超電導コイル１を冷媒に漬けて冷却する場合、樹脂を用いて超電導線材２間を固着させると超電導線材２の表面を冷媒に直接接触させることができない。これに対し、巻枠３ａ、３ｂを用いて巻線部の形状を維持することにより樹脂を用いる必要がないため、超電導線材２の表面を冷媒に直接接触させることができ、超電導線材の交流損失などによる発熱を冷媒へと効率よく伝達させることができる。
【００３０】
なお、超電導コイルは、軸に垂直な断面が円形状に限らず図３に示す長円形状であってもよい。
【００３１】
図３は、第１実施形態における超電導コイルの変形例を示す図である。図３（Ａ）は、超電導コイル１１の平面図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００３２】
超電導コイル１１は、断面形状が円弧部１１ａと直線部１１ｂとを有する長円形（いわゆるレーストラック形）であり、第１の巻線部１２ａと第１の巻線部１２ａより径が大きい第２の巻線部１２ｂとを有する。第１の巻線部１２ａと第２の巻線部１２ｂとは、それぞれ異なる一条の超電導線材から構成されている。例えば磁場によって荷電粒子線を偏向するダイポールマグネットなどの断面形状が円形ではなく長円形の超電導コイルのほうが望ましい機器に適用する場合に有効である。
【００３３】
なお、超電導コイル１、１１は、隣接する層の巻線方向が異なっていればよく、時計回りと反時計回りは適宜選択してもよい。以下の実施形態においても同様である。
【００３４】
［第２実施形態］
図４は、本発明に係る超電導コイルの第２実施形態を示す図である。図４（Ａ）は、超電導コイル２１の平面図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。
【００３５】
超電導コイル２１は、第１の巻線部２２ａ〜第６の巻線部２２ｆを有する。この巻線部の層数は適宜増減することができる。第１の巻線部２２ａ〜第６の巻線部２２ｆは、同心軸上に配置され、順次径が大きくなっている。第１の巻線部２２ａ〜第６の巻線部２２ｆとは、それぞれ異なる一条の超電導線材からなる。第１の巻線部２２ａ〜第６の巻線部２２ｆは、それぞれ図示しない円筒形の巻枠を軸に巻かれる。
【００３６】
第１の巻線部２２ａと第３の巻線部２２ｃと第５の巻線部２２ｅとは、図示上端から下端に向かって反時計回り（ＣＣＷ）に巻かれている。第２の巻線部２２ｂと第４の巻線部２２ｄと第６の巻線部２２ｆとは、図示上端から下端に向かって時計回り（ＣＷ）に巻かれている。すなわち、超電導コイル２１は、反時計回りと時計回りに巻かれた第１の巻線部２２ａ〜第６の巻線部２２ｆが内径側から外径側に向かって交互に配置される。
【００３７】
第１の巻線部２２ａ〜第６の巻線部２２ｆは、時計回りに巻かれた巻線部と反時計回りに巻かれた巻線部とが導電性を有する接続部２４ａ〜２４ｅにより交互に接続される。具体的には、第１の巻線部２２ａと第２の巻線部２２ｂとは、図示下端位置で接続部２４ａによって電気的に接続される。第２の巻線部２２ｂと第３の巻線部２２ｃとは、図示上端位置で接続部２４ｂによって電気的に直列に接続される。第３の巻線部２２ｃと第４の巻線部２２ｄとは、図示下端位置で接続部２４ｃによって電気的に直列に接続される。第４の巻線部２２ｄと第５の巻線部２２ｅとは、図示上端位置で接続部２４ｄによって電気的に直列に接続される。第５の巻線部２２ｅと第６の巻線部２２ｆとは、図示下端位置で接続部２４ｅによって電気的に直列に接続される。
【００３８】
すなわち、第１の巻線部２２ａ〜第６の巻線部２２ｆは、接続部２４ａ〜２４ｅにより接続されることにより直列回路を構成する。
【００３９】
第２実施形態における超電導コイル２１は、第１実施形態の超電導コイルが奏する効果に加え、巻線部を径方向に複数層配置することで、よりターン数の大きい超電導コイルを構成できる。
【００４０】
図５は、第２実施形態における超電導コイルの変形例を示す図である。図５（Ａ）は、超電導コイル３１の平面図、（Ｂ）は図５（Ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【００４１】
第１の巻線部３２ａ〜第３の巻線部３２ｃは、図示上端から下端に向かって反時計回り（ＣＣＷ）に巻かれている。第４の巻線部３２ｄ〜第６の巻線部３２ｆは、図示上端から下端に向かって時計回り（ＣＷ）に巻かれている。すなわち、超電導コイル３１は、反時計回りに巻かれた三条（複数条）の超電導線材である第１の巻線部３２ａ〜第３の巻線部３２ｃが内径側に、時計回りに巻かれた三条の超電導線材である第４の巻線部３２ｄ〜第６の巻線部３２ｆが外径側に配置される。
【００４２】
第１の巻線部３２ａ〜第３の巻線部３２ｃは、１つの巻枠に対して並列に（束ねられた状態で）巻かれる。また、第４の巻線部３２ｄ〜第６の巻線部３２ｆは、１つの巻枠に対して並列に巻かれる。
【００４３】
第１の巻線部３２ａ〜第６の巻線部３２ｆは、時計回りに巻かれた巻線部と反時計回りに巻かれた巻線部とが導電性を有する接続部３４ａ〜３４ｅにより交互に接続される。例えば、第１の巻線部３２ａと第６の巻線部３２ｆとは、図示下端位置で接続部３４ａによって電気的に直列に接続される。第６の巻線部３２ｆと第２の巻線部３２ｂとは、図示上端位置で接続部３４ｂによって電気的に直列に接続される。第２の巻線部３２ｂと第５の巻線部３２ｅとは、図示下端位置で接続部３４ｃによって電気的に直列に接続される。第５の巻線部３２ｅと第３の巻線部３２ｃとは、図示上端位置で接続部３４ｄによって電気的に直列に接続される。第３の巻線部３２ｃと第４の巻線部３２ｄとは、図示下端位置で接続部３４ｅによって電気的に直列に接続される。
【００４４】
すなわち、第１の巻線部３２ａ〜第６の巻線部３２ｆは、接続部３４ａ〜３４ｅにより接続されることにより直列回路を構成する。
【００４５】
超電導コイル３１は、複数条（図５においては三条）の超電導線材３２をそれぞれ時計回りと反時計回りとに並列に巻き、複数層（図５においては六条）の超電導コイル３１としたため、各層に巻枠を要する図４の超電導コイル２１よりも巻枠の数を減らすことができる。この超電導コイル３１は、巻枠により径方向に占有される空間が低減できる。例えば、巻枠の厚さが２０ｍｍである場合、図４の超電導コイル２１は径方向の巻枠が占める厚みは２０ｍｍ×６で１２０ｍｍとなる。これに対し、図５の超電導コイル３１は２０ｍｍ×２で４０ｍｍとなり、径方向の厚みを約３分の１にすることができる。
【００４６】
このため、発生磁場に対してコイル部分の占める容積が少なく、空間電流密度の高いコンパクトな超電導コイルを実現できる。
【００４７】
［第３実施形態］
図６は、本発明に係る超電導コイルの第３実施形態を示す概略図である。図６（Ａ）は、超電導コイル４１の平面図、（Ｂ）は、図６（Ａ）のＥ−Ｅ矢視断面図である。また、第３実施形態における超電導コイル４１の超電導線材４２の各巻部は、図５の超電導コイル３１と略同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００４８】
超電導コイル４１は、第１の巻部４２ａ〜第３の巻部４２ｃを巻く巻枠４３ａと第４の巻部４２ｄ〜第６の巻部４２ｆを巻く巻枠４３ｂを有する。巻枠４３ａ、４３ｂは、超電導線材４２が巻かれる面に、らせん状の巻溝４５を有する。巻溝４５は、超電導線材４２の幅とほぼ等しい幅を有する。
【００４９】
超電導線材４２は、巻枠４３ａ、４３ｂの巻溝４５に沿って巻かれ、超電導コイル４１の各巻線部の位置はこの巻溝４５が作用し維持される。このため、巻枠４３ａ、４３ｂ表面での超電導線材４２の位置を精度良く保つことができる。
【００５０】
また、超電導コイル４１に対して冷却と昇温が繰返された場合や電磁力などの外力が加わった場合においても、超電導線材４２を一定の位置に固定することができ、超電導コイル４１の性能を向上させることができる。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１、１１、２１、３１、４１  超電導コイル
２、３２、４２  超電導線材
２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、２２ａ〜２２ｆ、３２ａ〜３２ｆ、４２ａ〜４２ｆ  各巻線部
３ａ、３ｂ、４３ａ、４３ｂ  巻枠
４、２４ａ〜２４ｅ、３４ａ〜３４ｅ、４４ａ〜４４ｅ  接続部
４５  巻溝
【図１】
2012114230.tif 000003
【図２】
2012114230.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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