(57)【要約】【課題】端部に位置する超電導コイルの通電特性を改善し、超電導特性の低下を抑制することができる超電導コイル装置を提供する。【解決手段】超電導コイル装置１０は、希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材１１が巻回されて形成された超電導コイル１２、１２ａをその軸線方向ｙに積層して構成されている。積層された超電導コイル１２、１２ａのうち、その軸線方向ｙの両端部に位置する超電導コイル１２ａが、該超電導コイル１２ａに通電して発生する磁界の方向ｚ１に沿うように端部ほど拡径する傾斜状に形成されている。傾斜状に形成された超電導コイル１２ａの延びる方向は、超電導コイル１２ａの軸線方向ｙに対して１０〜１５°の傾斜角度に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材が巻回されて形成された超電導コイルをその軸線方向に積層して構成した超電導コイル装置であって、
前記積層された超電導コイルのうち、少なくとも軸線方向の最端部に位置する超電導コイルを、該超電導コイルに印加される磁界の方向に沿うように端部ほど拡径する傾斜状に形成したことを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
前記軸線方向の端部に位置する複数の超電導コイルを傾斜状に形成し、端部側の超電導コイルほど傾斜角度が大きくなるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
【請求項３】
前記傾斜状に形成された超電導コイルの延びる方向は超電導コイルの軸線方向に対して１０〜１５°の傾斜角度に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導コイル装置。
【請求項４】
前記超電導線材は、ビスマス系の酸化物超電導体が展伸性を有する金属材料でシースされて構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超電導コイル装置。
【請求項５】
前記展伸性を有する金属材料は、銀又は銀合金であることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイル装置。
【請求項６】
前記傾斜状に形成された超電導コイルは、超電導線材のテープを平面上に置いたとき円弧状に延びるように構成され、その超電導線材が巻回して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばビスマス系酸化物等の希土類系酸化物超電導体を銀等でシースしたテープ状の超電導線材が巻回された超電導コイルを積層して構成され、通電特性の低下を抑えて良好な超電導特性を維持することができる超電導コイル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
希土類系酸化物超電導体を用いた超電導線材を巻回してなる超電導コイル（パンケーキコイル）を積層した超電導コイル装置は、高磁場マグネット等として好適に利用される。この超電導コイルに通電すると、図８（ａ）の二点鎖線の矢印に示すように、各超電導コイル３１の周りには超電導コイル３１を囲むように磁力線ｍが発生し、超電導コイル３１に磁場が作用する。この場合、図８（ｂ）に示すように、超電導コイル３１の延びる方向ｘ（超電導コイル３１の軸線方向ｙと同じ）と磁界の方向ｚとのなす傾斜角θが大きくなるほど臨界電流密度が低下する。例えば、図９の△印で示すガドリニウム系超電導体（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７）及び図９の○印で示すイットリウム系超電導体（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７）のいずれの場合においても、前記傾斜角θが大きくなるほど臨界電流密度は急激に低下する。
【０００３】
特に、超電導コイル装置の両端部に位置する超電導コイル３１においては、超電導コイル３１の延びる方向ｘと磁界の方向ｚとのなす傾斜角θが大きい（例えば４５°に近い）ことから、臨界電流密度が著しく低下し、通電特性が悪化する。このため、超電導コイル装置全体の性能が、両端部に位置する超電導コイル３１の特性低下により制限されることになる。
【０００４】
このように、端部に位置する超電導コイルの性能を維持するための超電導コイル装置が特許文献１に開示されている。すなわち、この超電導コイル装置では、両端部に配置された超電導線材の幅が、中間部に配置された超電導線材の幅よりも狭く形成されている。従って、超電導コイルの径方向の磁場成分が大きいコイル端部における超電導線材の幅を狭くしたことにより、磁場成分の影響を抑えて臨界電流を確保し、かつ交流損失を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２３８８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている従来構成の超電導コイル装置においては、積層された超電導コイル３１が全てその軸線方向ｙに延びていることから、両端部における超電導コイル３１の延びる方向ｘと磁界の方向ｚとのなす傾斜角θが依然として大きい。このため、両端部に位置する超電導コイル３１の臨界電流密度は下がり、通電特性が低下する。従って、超電導コイル装置全体の超電導特性は、両端部に位置する超電導コイル３１によって制限を受け、その分だけ低下することは避けられないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的とするところは、端部に位置する超電導コイルの通電特性を改善し、超電導特性の低下を抑制することができる超電導コイル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の超電導コイル装置は、希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材が巻回されて形成された超電導コイルをその軸線方向に積層して構成した超電導コイル装置であって、前記積層された超電導コイルのうち、少なくとも軸線方向の最端部に位置する超電導コイルを、該超電導コイルに印加される磁界の方向に沿うように端部ほど拡径する傾斜状に形成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明の超電導コイル装置は、請求項１に係る発明において、前記軸線方向の端部に位置する複数の超電導コイルを傾斜状に形成し、端部側の超電導コイルほど傾斜角度が大きくなるように設定したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明の超電導コイル装置は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記傾斜状に形成された超電導コイルの延びる方向は超電導コイルの軸線方向に対して１０〜１５°の傾斜角度に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明の超電導コイル装置は、請求項１から請求項３のいずれか一項に係る発明において、前記超電導線材は、ビスマス系の酸化物超電導体が展伸性を有する金属材料でシースされて構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明の超電導コイル装置は、請求項４に係る発明において、前記展伸性を有する金属材料は、銀又は銀合金であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明の超電導コイル装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に係る発明において、前記傾斜状に形成された超電導コイルは、超電導線材のテープを平面上に置いたとき円弧状に延びるように構成され、その超電導線材が巻回して形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
本発明の超電導コイル装置では、積層された超電導コイルのうち、少なくとも軸線方向の最端部に位置する超電導コイルが、磁界の方向に沿うように端部ほど拡径する傾斜状に形成されている。このため、端部に位置する超電導コイルの延びる方向が磁界の方向に近づき、臨界電流密度の低下が抑えられる。従って、超電導コイル装置の超電導特性は、両端部に位置する超電導コイルの影響を受けることが少なく、十分に発揮される。
【００１４】
よって、本発明の超電導コイル装置によれば、端部に位置する超電導コイルの通電特性を改善することができ、超電導特性の低下を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を具体化した第１実施形態の超電導コイル装置を一部破断して示す斜視図。
【図２】その超電導コイル装置を示す平面図。
【図３】その超電導コイル装置の端部に位置する超電導コイルの延びる方向とコイルの軸線方向との関係を示す説明図。
【図４】超電導コイルを形成する超電導線材を示す断面図。
【図５】超電導線材の製造工程を示す図であって、（ａ）はセグメント用パイプに超電導体の粉末を充填して単芯伸線を形成する状態を示す斜視図、（ｂ）は単芯伸線をダイスで絞る状態を示す斜視図、（ｃ）は多数の単芯伸線を外皮用パイプに嵌め込んで多芯伸線を形成する状態を示す斜視図、（ｄ）は多数の単芯伸線が嵌め込まれた外皮用パイプをダイスで絞る状態を示す斜視図、（ｅ）は多芯伸線を圧延する状態を示す斜視図。
【図６】（ａ）は平面円弧状に形成した超電導線材を示す平面図、（ｂ）はその超電導線材を内周枠の周りに巻いた状態を一部切欠いて示す斜視図。
【図７】（ａ）は第２実施形態の超電導コイル装置を一部破断して示す斜視図、（ｂ）はその超電導コイル装置の端部に位置する超電導コイルの延びる方向とコイルの軸線方向との関係を示す説明図。
【図８】（ａ）は従来の超電導コイル装置を示す斜視図、（ｂ）はその端部に位置する超電導コイルの延びる方向と磁界の方向との関係を示す説明図。
【図９】超電導コイルの傾斜角（°）と臨界電流密度Ｊｃ（Ａ／ｍ２）との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明の超電導コイル装置を具体化した第１実施形態に関し、図１〜図６に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１及び図２に示すように、超電導コイル装置１０は、希土類系酸化物超電導体を有するテープ状の超電導線材１１が巻回されて形成された超電導コイル１２をその軸線方向ｙに積層して構成されている。このように積層された複数の超電導コイル１２のうち、その軸線方向ｙの両端部に位置する超電導コイル１２ａが、該超電導コイル１２ａに通電して発生する磁界の方向ｚ１に沿うように端部ほど拡径する傾斜状に形成されている。
【００１８】
図４に示すように、前記テープ状の超電導線材１１は、希土類系酸化物超電導体として好ましくはビスマス系酸化物の超電導体１３が展伸性を有する金属材料のシース層１４で被覆されて構成されている。このビスマス系酸化物の超電導体１３は、超電導線材１１の製造時に圧延したとき結晶が一方向に並びやすく、通電特性を良好に発現することができる。この超電導体１３が展伸性を有する金属材料のシース層１４で被覆されることにより、超電導線材１１を平面円弧状に変形させることができ、その超電導線材１１を巻いて円環状に形成したとき、その一端側を他端側より拡径させ、超電導コイル１２ａの延びる方向ｘをコイルの軸線方向ｙに対して傾斜状に形成することができる。
【００１９】
ビスマス系酸化物の超電導体１３としては、例えばビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅酸化物の超電導体（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８）、ビスマス−鉛−ストロンチウム−カルシウム−銅酸化物の超電導体〔（ＢｉＰｂ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０〕等が挙げられる。シース層１４を形成する展伸性を有する金属材料としては、銀、銀合金等が挙げられる。これらの金属材料は、軟かく、伸びが良く、曲げ加工を容易に行うことができる。
【００２０】
図３に示すように、前記両端部に位置する傾斜状に形成された超電導コイル１２ａの延びる方向ｘは、超電導コイル１２の軸線方向ｙに対して１０〜１５°の傾斜角度αとなるように設定することが好ましい。ここで、超電導コイル１２、１２ａの周りには、該超電導コイル１２、１２ａを取り囲むように磁力線ｍが発生し、超電導コイル１２、１２ａに磁場が作用する。このとき、磁力線ｍに基づく磁界の方向ｚは、超電導コイル装置１０の中間部に位置する超電導コイル１２の周りでは、超電導コイル１２の軸線方向ｙに延びている。超電導コイル装置１０の端部に位置する超電導コイル１２ａの周りでは、磁界の方向ｚ１は端部ほど超電導コイル１２ａの径方向外側へ延びるように傾斜している。
【００２１】
前記傾斜角度αが１０°を下回る場合には、超電導コイル１２ａの延びる方向ｘが磁界の方向ｚ１から離れ、端部に位置する超電導コイル１２ａの臨界電流密度が下がる傾向を示し、通電特性が低下する。その一方、傾斜角度αが１５°を上回る場合には、そのような傾斜角度αを有する超電導コイル１２ａの製造が難しくなって好ましくない。
【００２２】
前記各超電導コイル１２、１２ａには、それぞれ図示しない一対の電極が設けられている。一方の電極は巻回された超電導線材１１の外周端に接続され、他方の電極は超電導線材１１の内周端に接続されている。
【００２３】
次に、前記超電導コイル装置１０の製造方法について説明する。
まず、超電導コイル装置１０の中間部に位置する超電導コイル１２の製造方法について説明する。前記図４に示す超電導線材１１を、図示しない円筒状の内周枠の周りに巻き付け、その端部をエポキシ樹脂接着剤等の接着剤で固着する。そして、巻回された超電導線材１１の外端部及び内端部にそれぞれ電極を接続する。その後、前記内周枠を取り外す。このようにして、中間部に位置する円筒状の超電導コイル１２を得ることができる。
【００２４】
続いて、両端部に位置する超電導コイル１２ａの製造方法について説明する。
まず、テープ状の超電導線材１１の製造方法を説明する。図５（ａ）に示すように、銀製のセグメント用パイプ１５内に超電導体１３の粉末を充填する。続いて、図５（ｂ）に示すように、前記超電導体１３の粉末が充填されたセグメント用パイプ１５をダイス１６に通して単芯伸線１７を作製する。図５（ｃ）に示すように、得られた単芯伸線１７を銀製の外皮用パイプ１８内に多数嵌め込む。次いで、図５（ｄ）に示すように、単芯伸線１７が嵌め込まれた外皮用パイプ１８をダイス１６に通して絞り、多芯伸線１９を作製する。
【００２５】
その後、図５（ｅ）に示すように、前記多芯伸線１９を上下一対の圧延ローラ２０ａ、２０ｂ間に通して一次圧延し、一次圧延体２１を成形する。得られた一次圧延体２１を一次焼結する。一次焼結された一次圧延体２１をさらに圧延ローラ２０ａ、２０ｂ間に通して二次圧延し、二次圧延体を成形する。最後に、二次圧延体を二次焼結することにより、テープ状の超電導線材１１を得ることができる。
【００２６】
次に、図６（ａ）に示すように、得られた直線状の超電導線材１１を平面上に置いて、所定半径の円弧状をなすように曲げる。この場合、超電導線材１１のシース層１４が展伸性を有する金属材料で形成されていることから、所望の半径を有する円弧状に容易に曲げ形成することができる。続いて、図６（ｂ）の二点鎖線に示すように、軸線方向ｙの端部ほど拡径するように構成された内周枠２２の外周に対し、前述の円弧状に形成された超電導線材１１を所定回数巻き付けて、超電導線材１１の両端部をエポキシ樹脂接着剤等の接着剤で接合することにより、端部に位置する超電導コイル１２ａを作製する。このとき、超電導線材１１は予め平面円弧状に形成されていることから、超電導線材１１を内周枠２２の外周面に円滑に巻き付けることができる。その後、内周枠２２を超電導コイル１２ａから取り外す。
【００２７】
前記中間部に位置する超電導コイル１２間又は当該超電導コイル１２と端部に位置する超電導コイル１２ａ間の接合は、エポキシ樹脂接着剤等の接着剤で接着することにより行うことができる。このようにして、目的とする超電導コイル装置１０を得ることができる。
【００２８】
次に、上記のように構成された超電導コイル装置１０について作用を説明する。
さて、第１実施形態の超電導コイル装置１０を高磁場マグネット等として使用する場合には、超電導コイル１２、１２ａに通電して発生した自己磁場又は外部磁場に基づいて、図１及び図３の二点鎖線の矢印に示すように、超電導コイル１２、１２ａの周りに磁界が発生する。この磁界の方向ｚ、ｚ１は、超電導コイル装置１０の中間部では超電導コイル１２の軸線方向ｙに平行に延びている。このため、超電導コイル１２の延びる方向ｘと磁界の方向ｚとのなす傾斜角θは０°に近づき、超電導コイル１２ａの臨界電流密度の低下が抑えられ、超電導コイル１２の通電特性が維持される。その結果、中間部に位置する超電導コイル１２は、良好な超電導特性を発現することができる。
【００２９】
また、超電導コイル装置１０の両端部に位置する超電導コイル１２ａおいては、磁界の方向ｚ１が端部ほど斜め外方に傾斜するが、両端部の超電導コイル１２ａもその磁界の方向ｚ１に沿うように、端部ほど拡径する傾斜状に形成されている。このため、超電導コイル１２ａの延びる方向ｘと磁界の方向ｚ１とのなす傾斜角θが小さくなり、超電導コイル１２ａの臨界電流密度の低下が抑制され、超電導コイル１２ａの通電特性の低下が抑制される。その結果、両端部に位置する超電導コイル１２ａも良好な超電導特性を発現することができる。従って、超電導コイル装置１０は全体として、磁界の影響を極力抑えることができ、十分な超電導特性を得ることができる。
【００３０】
以上詳述した第１実施形態によって得られる効果を以下にまとめて記載する。
（１）この第１実施形態の超電導コイル装置１０においては、積層された超電導コイル１２、１２ａのうち、軸線方向ｙの両端部に位置する超電導コイル１２ａが、磁界の方向ｚ１に沿うように端部ほど拡径する傾斜状に形成されている。このため、端部に位置する超電導コイル１２ａの延びる方向ｘが磁界の方向ｚ１に近づき、臨界電流密度の低下が抑えられる。従って、超電導コイル装置１０の超電導特性は、両端部に位置する超電導コイル１２ａの制限を受けることが少なく、十分に発揮される。
【００３１】
よって、第１実施形態の超電導コイル装置１０によれば、端部に位置する超電導コイル１２ａの通電特性を改善することができ、超電導特性の低下を抑制することができるという効果を奏する。
（２）前記傾斜状に形成された超電導コイル１２ａの延びる方向ｘは軸線方向ｙに対して１０〜１５°の傾斜角度αに設定されている。このため、端部に位置する超電導コイル１２ａの延びる方向ｘを磁界の方向ｚ１に近づけることができ、超電導コイル１２ａの通電特性に与える磁界の影響を極力抑えることができる。
（３）前記超電導線材１１は、ビスマス系酸化物の超電導体１３が展伸性を有する金属材料でシースされて構成されている。従って、超電導線材１１を平面円弧状に容易に曲げ形成することができ、端部に位置する超電導コイル１２ａを端部ほど拡径する傾斜状に容易に成形することができる。また、前記展伸性を有する金属材料が銀又は銀合金であることにより、超電導線材１１を平面円弧状に曲げる際の成形性を一層向上させることができる。
（４）前記傾斜状に形成された超電導コイル１２ａは、超電導線材１１のテープを平面上に置いたとき円弧状に延びるように構成され、その超電導線材１１が巻回して形成されている。そのため、超電導線材１１の円弧の半径を設定することにより、軸線方向ｙに対する超電導コイル１２ａの延びる方向ｘの傾斜角度αを容易に決定することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の超電導コイル装置１０を具体化した第２実施形態に関し、図７に基づいて詳細に説明する。なお、この第２実施形態では、主に前記第１実施形態と相違する部分について説明し、重複する部分についてはその説明を省略する。
【００３２】
図７（ａ）に示すように、第２実施形態の超電導コイル装置１０は、その両端部において最端部及びその内側に位置する各超電導コイル１２ａ、１２ｂがコイルの軸線方向ｙに対して外端側ほど拡径するように傾斜している。図７（ｂ）に示すように、最端部に位置する超電導コイル１２ａの傾斜角度αは、その内側に位置する超電導コイル１２ｂの傾斜角度βよりも大きくなるように設定されている。
【００３３】
異なる傾斜角度α、βを有する超電導コイル１２ａ、１２ｂを製造する場合には、前記第１実施形態において、図６（ａ）に示す平面円弧状の超電導線材１１の半径が異なるように設定することにより、超電導線材１１を内周枠２２の周りに巻いたとき、超電導コイル１２ａ、１２ｂの傾斜角度α、βを変更することができる。すなわち、前記超電導線材１１の円弧の半径を小さくすれば超電導コイル１２ａ、１２ｂの傾斜角度α、βは大きくなり、超電導線材１１の円弧の半径を大きくすれば超電導コイル１２ａ、１２ｂの傾斜角度α、βは小さくなる。
【００３４】
さて、第２実施形態の超電導コイル装置１０を高磁場マグネット等として使用する場合には、超電導コイル１２、１２ａ、１２ｂに通電して発生した自己磁場又は外部磁場に基づいて、図７（ｂ）の二点鎖線の矢印に示すように、超電導コイル装置１０の周りに磁界が発生する。その磁界は、超電導コイル１２の軸線方向ｙに対して端部ほど軸線方向ｙから離れるように延び、最端部の磁界の方向ｚ１はその内側の磁界の方向ｚ２よりも傾きが大きくなっている。一方、最端部に位置する超電導コイル１２ａの傾斜角度αは、その内側に位置する超電導コイル１２ｂの傾斜角度βより大きく設定されている。
【００３５】
このため、最端部に位置する超電導コイル１２ａ及びその内側に位置する超電導コイル１２ｂの延びる方向ｘは、第１実施形態の場合に比べてそれぞれ磁界の方向ｚ１、ｚ２に一層近づくように傾斜している。その結果、超電導コイル１２ａの延びる方向ｘと磁界の方向ｚ１とのなす傾斜角θ及び超電導コイル１２ｂの延びる方向ｘと磁界の方向ｚ２とのなす傾斜角θはそれぞれ一層小さく抑えられ、両端部に位置する超電導コイル１２ａ、１２ｂの通電特性が維持される。従って、第２実施形態の超電導コイル装置１０は全体として、第１実施形態より一層良好な超電導特性を発現することができる。
【００３６】
なお、前記各実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・  前記超電導コイル装置１０の端部に位置する超電導コイル１２の３つ以上を傾斜させ、端部側の超電導コイル１２ａほど傾斜角度αが大きくなるように設定してもよい。傾斜状に形成する超電導コイル１２が多くなるほど、端部における超電導コイル１２ａ、１２ｂの延びる方向ｘを磁界の方向ｚ１、ｚ２に近づけることができ、超電導コイル装置１０の通電特性をさらに向上させることができる。
【００３７】
・  前記超電導コイル装置１０の端部に位置する超電導コイル１２ａ、１２ｂの長さや傾斜角度を磁界の方向ｚ１、ｚ２にできるだけ沿わせるために、発生する磁界を小領域に区分して、各小領域における磁界の方向ｚ１、ｚ２についての関数を有限要素法等の方法により簡単化してもよい。そして、それに基づいて超電導コイル１２の長さや傾斜角度を設定することも可能である。
【００３８】
・  前記端部に位置する超電導コイル１２ａを、端部ほど拡径するように断面円弧状、断面楕円弧状等の形状に形成してもよい。
・  前記超電導コイル１２ａを形成するための内周枠２２を取り外すことなく、そのまま残して超電導コイル装置１０を構成してもよい。
【００３９】
・  前記超電導線材１１のシース層１４を形成する展伸性の金属材料として、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等を使用してもよい。
・  前記傾斜状に形成された超電導コイル１２ａ、１２ｂは、超電導線材１１のテープを円筒状に形成した後、その一端側を円錐状の成形型等で拡径するようにして製造することも可能である。
【００４０】
・  前記超電導コイル装置１０を構成する超電導コイル１２のうち、中間部に位置し、軸線方向ｙに延びる超電導コイル１２を、イットリウム（Ｙ）系酸化物の超電導体等で形成してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０…超電導コイル装置、１１…超電導線材、１２、１２ａ、１２ｂ…超電導コイル、１３…超電導体、１４…シース層、ｘ…超電導コイルの延びる方向、ｙ…軸線方向、ｚ、ｚ１、ｚ２…磁界の方向、α、β…傾斜角度。
【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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【図８】
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【図９】
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