(57)【要約】【課題】超電導コイルの端末部と電極との接続部における超電導線材の劣化が防止される超電導コイルを提供する。【解決手段】本発明の超電導コイル１は、薄膜積層構造の超電導線材が巻かれた超電導コイルであって、前記超電導コイルは電極４を具備し、前記電極は第１電極部材５と第２電極部材６を備え、前記第１電極部材５は前記超電導コイル１の外周に沿った第１電極部材の周側部５Ｓと、曲げられて前記超電導コイルの外方に伸びる第１電極部材の延出部５Ｅを有しており、前記第１電極部材５に前記超電導コイルの端末部２Ａが電気的に接続され、前記第２電極部材６は前記第１電極部材の延出部５Ｅに重なるように配置されて、前記超電導コイルの端末部２Ａを挟むように第１電極部材の延出部５Ｅと第２電極部材６とが接合材７で接続されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜積層構造の超電導線材が巻かれた超電導コイルであって、前記超電導コイルは電極を具備し、前記電極は第１電極部材と第２電極部材とを備え、前記第１電極部材は前記超電導コイルの外周に沿った第１電極部材の周側部と、曲げられて前記超電導コイルの外方に伸びる第１電極部材の延出部とを有しており、前記第１電極部材に前記超電導コイルの端末部が電気的に接続され、前記第２電極部材は前記第１電極部材の延出部に重なるように配置されて、前記超電導コイルの端末部を挟むように第１電極部材の延出部と第２電極部材とが接合材で接続されていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記第１電極部材の延出部の幅と前記第２電極部材の幅は、前記超電導コイルの端末部の幅よりも大きく形成され、前記第１電極部材の延出部の幅方向端部内面と前記第２電極部材の幅方向端部内面が、接合材で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記第１電極部材の延出部と前記第２電極部材の一方は断面がコ字状に形成されて、前記第１電極部材の延出部と前記第２の電極部材が嵌め合わせられ、前記第１電極部材の延出部の嵌め合い面と前記第２電極部材の嵌め合い面が接合材で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記第１電極部材の延出部の先端および前記第２電極部材の先端は、前記超電導コイルの端末部の先端よりも長く形成され、前記第１電極部材の延出部の先端内面と前記第２電極部材の先端内面が接合材で接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に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、薄膜積層構造の超電導線材をコイル巻きにしたコイル部を含む超電導コイルにおいて、該超電導コイルの端末部と電極との接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルは、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）をはじめ、様々な機器に使用される。これまで超電導コイルには、金属系超電導線材が使用されてきたが、近年、酸化物系超電導線材の開発が進んできており、金属系超電導線材に比べて高温で使用できることから、超電導コイルへの適用が試みられている。酸化物系超電導線材の中でもイットリウム系超電導線材は磁場中の特性が優れているため、超電導コイルへの適用が望まれている。
【０００３】
超電導コイルは、巻胴に例えばテープ状の超電導線材が巻かれて形成される。超電導コイルには、通電のため電源から引き出される電流リードを接続する電極が設けられている。
特許文献１には、コイル周面に沿う部分とコイルの外側に延出された部分を含む超電導コイルと、該超電導コイルの外側に延出された超電導線材部分に設けられた電極が記載され、この電極を電流リードに接続して超電導コイルに通電する構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１６４８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されている超電導コイルの電極構造の概略を図８に示す。
図８に示す超電導コイル１００は、テープ状の超電導線材１０１が巻かれたダブルパンケーキコイル部１０２により形成され、ダブルパンケーキコイル部１０２は、上側の第１のコイル体１０２Ａと下側の第２のコイル体１０２Ｂから構成されている。
超電導コイル１００には電極１０３が設けられている。電極１０３は、コイル外周からコイル外側に延出されてＬ字状に形成されている。電極１０３に沿って超電導コイルの端末部１０１Ａが半田等により電気的に接続されている。電極１０３に図示しない電流リードが接続され、電極を介して超電導コイルの端末部から超電導コイルに通電される。
電極１０３がＬ字状に形成されているため、超電導コイルの端末部と電極との接触面積が大きくなり、接続抵抗が小さく、電極の発熱が抑えられた構造となっている。
【０００６】
超電導コイルに使用される例えばイットリウム系超電導線材は、テープ状の基材に中間層、超電導層、保護層が順に積層された薄膜積層構造の線材である。
超電導線材をコイル状に巻かれてなる超電導コイルのうち超電導コイルの端末部は、電極に接続する際にハサミ等で切断されて電極と位置合わせをし、電極に半田付けされるが、コイルに通電して励磁する際に、コイルの外側に延出された電極と超電導コイルの端末部との半田接続部分に、電磁力により超電導層を引き剥がすような剥離力が作用して、電極に接続された超電導コイルの端末部の超電導線材が劣化する虞がある。
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、超電導コイルの端末部と電極との接続部における超電導線材の劣化を防止する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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の超電導コイルは、薄膜積層構造の超電導線材が巻かれた超電導コイルであって、前記超電導コイルは電極を具備し、前記電極は第１電極部材と第２電極部材とを備え、前記第１電極部材は前記超電導コイルの外周に沿った第１電極部材の周側部と、曲げられて前記超電導コイルの外方に伸びる第１電極部材の延出部とを有しており、前記第１電極部材に前記超電導コイルの端末部が電気的に接続され、前記第２電極部材は前記第１電極部材の延出部に重なるように配置されて、前記超電導コイルの端末部を挟むように第１電極部材の延出部と第２電極部材とが接合材で接続されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の超電導コイルにおいて、前記第１電極部材の延出部の幅と前記第２電極部材の幅は、前記超電導コイルの端末部の幅よりも大きく形成され、前記第１電極部材の延出部の幅方向端部内面と前記第２電極部材の幅方向端部内面が、接合材で接続されていることが好ましい。ここで、前記超電導コイルの端末部の幅とは、超電導線材の長手方向に対し垂直方向の長さをいい、前記第１電極部材の延出部の幅とは、前記超電導コイルの端末部の幅と並行な向きの長さをいう。
【００１０】
本発明の超電導コイルにおいて、前記第１電極部材の延出部と前記第２電極部材の一方は断面がコ字状に形成されて、前記第１電極部材の延出部と前記第２の電極部材が嵌め合わせられ、前記第１電極部材の延出部の嵌め合い面と前記第２電極部材の嵌め合い面が接合材で接続されていることが好ましい。
【００１１】
本発明の超電導コイルにおいて、前記第１電極の延出部の先端（電極の延出部の先端とは、前記超電導コイルの端末部の端と平行な面）および前記第２電極部材の先端は、前記超電導コイルの端末部の先端（前記超電導コイルの端末部の先端とは、前記超電導線材の長手方向の端の面）よりも長く形成され、前記第１電極部材の延出部の先端内面と記第２電極部材の先端内面が接合材で接続されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第２電極部材が第１電極部材の延出部に重なるように接合材で接続されて超電導コイルの端末部を挟んでいるため、超電導コイルの外方に延出された超電導コイルの端末部が電磁力等の外力に強く、薄膜積層構造の超電導線材に剥離が生じることが防止された超電導コイルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る超電導コイルの一例構造を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す超電導コイルが備える超電導線材の一例構造を示す概略斜視図である。
【図３】図１に示す超電導コイルの電極構造を模式的に示す上面図である。
【図４】図４（ａ）は図１に示す電極構造の横断面図であり、図４（ｂ）は電極構造の縦断面図である。
【図５】電極構造の第１の変形例を示す横断面図である。
【図６】電極構造の第２の変形例を示す縦断面図である。
【図７】電極構造の第３の変形例を示す縦断面図である。
【図８】従来の超電導コイルの構造を模式的に示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る超電導コイルについて図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の超電導コイルの一実施形態を示す概略斜視図である。
図１に示す超電導コイル１は、テープ状の超電導線材２が図示しない巻枠に巻かれたダブルパンケーキコイル部３により形成されている。ダブルパンケーキコイル部３は上側の第１コイル部３Ａと下側の第２コイル３Ｂからなり、第１コイル部３Ａの最内周の超電導線材と第２コイル３Ｂの最内周の超電導線材が接続されて導通している。第１コイル部３Ａと第２コイル部３Ｂの超電導線材は、１本の超電導線材であってもよい。本実施形態では、ダブルパンケーキコイル部を用いた超電導コイルについて説明するが、これに限定されるものではない。超電導コイルは機械的強度と冷却特性の向上のため、超電導線材間にエポキシ樹脂等の含浸材が含浸される。
【００１５】
超電導コイル１には電極４が設けられる。電極４は平板状の第１電極部材５と平板状の第２電極部材６を有している。また、第１電極部材５は周側部と延出部を有している。超電導コイルの端末部２Ａは、その幅広面が第１電極部材５の一方の面に沿うように半田等により電気的に接続される。この第１電極部材５に図示しない電流リードが接続され、超電導コイルの端末部２Ａから通電されて、超電導コイルは励磁される。第１電極部材および第２電極部材は長さ方向に一様な平板状に形成される。第１電極部材および第２電極部材は、長さ方向に直交する断面が一様な長方形、正方形などの四角形状であってもよい。
【００１６】
図２は、図１に示す超電導コイルに使用される超電導線材の一例構造を示す概略斜視図である。超電導線材２は、テープ状の基材１１の上に中間層１２と高温超電導層１３と保護層１４と安定化層１５とが積層された薄膜積層構造の超電導線材に、絶縁層２０を施したものである。基材１１は、耐熱性の金属が好ましく、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）等のＮｉ合金、ステンレス鋼などが好ましい。中間層１２は、ＭｇＯ、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＹＳＺ等をイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により成膜した面内配向層１８を含むことが好ましい。中間層１２は複数の層から構成されてもよい。中間層１２は、基材１１と面内配向層１８との間にＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の拡散防止層１６や、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３等のベッド層１７を含んだ構造でもよい。さらに、中間層１２は面内配向層と高温超電導層１３との間にＣｅＯ２、ＬａＭｎＯ３等のキャップ層１９を含んでもよい。高温超電導層１３は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３ＯＸ（ＲＥは希土類元素を表す）等の酸化物超電導体が好ましい。保護層１４はＡｇやＡｇ合金が好ましく、安定化層１５はＣｕやＣｕ合金が好ましい。基材１１に配向Ｎｉ−Ｗ合金等の配向基板を適用して、ＩＢＡＤ法を用いずに中間層を面内配向させることもできる。絶縁層２０は、超電導線材にポリイミド樹脂などのテープを巻き付けたり、縦添えしたりすることにより形成される。エナメルなどの樹脂被覆を施して、絶縁層２０を形成してもよい。
【００１７】
図３は、図１に示す超電導コイルを模式的に示す上面図である。
ダブルパンケーキコイル部３のうち、超電導線材が巻かれた超電導コイルの端末部２Ａに、第１電極部材５と第２電極部材６を有する電極４が設けられる。第１電極部材５は、コイル周方向に沿って所定長さに延設された周側部５Ｓと、曲げられて超電導コイルの円周方向の外方に延出された延出部５Ｅを有し、Ｌ字状に形成されている。第１電極部材５は、図示しない超電導コイルの巻枠などに固定されている。
【００１８】
超電導コイルの端末部２Ａの超電導線材はハサミ等で切断され、長さを調整して電極に接続される。超電導コイルの端末部２Ａは、絶縁層２０が除去され、第１電極部材５の周側部５Ｓと延出部５Ｅに沿って半田８により電気的に接続される。超電導コイルの端末部２Ａと第１電極部材５の電気的な接続には、半田のほか溶接やろう付けを用いることができる。図３に示すように、第１電極部材の周側部５Ｓが、超電導コイルの外方から超電導コイルの端末部２Ａに重なるように配置されている。超電導コイルの端末部２Ａの基材に対して超電導層の上方の安定化層が、第１電極部材５と接続されている。
第１電極部材の周側部５Ｓと延出部５Ｅに超電導コイルの端末部２Ａが接続されることから、超電導コイルの端末部２Ａと第１電極部材５との接続長さを長くとることができ、接触面積が大きくなるため、接続抵抗が小さく、電極の発熱が抑えられた電極接続構造となっている。
第２電極部材６は超電導コイルの端末部２Ａが接続された第１電極部材の延出部５Ｅに重なるように配置され、超電導コイルの端末部２Ａを挟むように第１電極部材の延出部５Ｅと第２電極部材６とが接合材７で接続される。
超電導コイルの端末部２Ａの先端は、超電導線材の長さ方向に直交する平面状に形成されている。第１電極部材の延出部５Ｅの先端、第２電極部材６の先端についても、長さ方向に直交する平面状に形成されている。第１電極部材の延出部５Ｅの先端、第２電極部材６の先端と、第１電極部材の延出部５Ｅに接続された超電導コイルの端末部２Ａの先端は揃えられている。第１電極部材の延出部５Ｅに接続された超電導コイルの端末部２Ａの先端よりも、第１電極部材の延出部５Ｅの先端、及び第２電極部材６の先端の方が延出していても良い。
【００１９】
図４（ａ）は電極４の横断面図である。図４（ａ）に示すように、超電導コイルの端末部２Ａは、第１電極部材の延出部５Ｅと第２電極部材６によって挟まれて接続されている。第１電極部材の延出部５Ｅの幅方向端部の側面５１と第２電極部材６の幅方向端部の側面６１とが、幅方向の両側とも接合材７により接続される。つまり、超電導コイルの端末部２Ａは、第１電極部材の延出部５Ｅと第２電極部材６とに挟まれて固定されている。
電極材料としては、導電性と機械的強度を有するものが適用され、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金などが好ましい。電極に良導電性金属のめっきを施してもよい。接合材７には、半田、接着材、導電性接着材等を適用することができるが、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｉｎ、Ｉｎ合金などの半田に代表される低融点金属が好ましい。半田の種類など低融点金属の材料は特に限定されない。
【００２０】
第１電極部材５には、図示しない電流リードが接続されて、超電導コイル１は通電される。電流リードは、第１電極部材５の超電導線材が接続されている面と異なる面に半田付けで接続されるか、第１電極部材５の一部に図示しない拡張部を設け、その拡張部に半田付けあるいはネジ止めするなどにより接続される。
超電導コイル１に通電して励磁すると、第１電極部材の延出部５Ｅに接続されている超電導コイルの端末部２Ａにおいて、超電導線材の幅広面に垂直方向の電磁力が働き、超電導層を引き剥がそうとする剥離力が作用するが、超電導コイルの端末部２Ａが、第１電極部材の延出部５Ｅと第２電極部材６が接合材７により固定されて、超電導コイルの端末部２Ａを挟みつけて固定しているので、電磁力が働いても薄膜積層構造の超電導線材の超電導層が剥離することを防止できる。
【００２１】
図４（ｂ）は電極４の縦断面図である。図４（ｂ）に示すように、第１電極部材の延出部の先端面５２と第２電極部材の先端面６２とを接合材７で接続すれば、接続強度を増大させ、超電導コイルの端末部２Ａをより強固に固定することができる。
さらに、第１電極部材の延出部と第２電極部材の全長に渡って、第１電極部材の延出部の側面５１と第２電極部材の側面６１を電極幅方向の両側とも接合材７で接続し、なおかつ、電極部材の全幅に渡って、第１電極部材の先端面５２と第２電極部材の先端面６２を接合材７で接続すれば、より接続強度を増大させることができるとともに、超電導コイル外方部分の超電導コイルの端末部２Ａが、電極部材と接合材とで隙間なく覆われて、露出しないような構造になるため、水分の浸入を防ぎ、水分による超電導コイルの端末部２Ａの超電導層の劣化を防止することができる。
【００２２】
（第１の変形例）
図５は、超電導コイルに備えられた電極の第１の変形例を示す横断面図である。前述の説明と同様に超電導コイルの端末部２Ａは、半田８により第１電極部材に電気的に接続されている。図５に示す電極４Ａでは、第１電極部材の延出部５Ｆと第２電極部材６Ａの幅方向の長さは、超電導コイルの端末部２Ａの幅方向の長さよりも大きくなっている。すなわち、第１電極部材の延出部５Ｆと第２電極部材６Ａの幅が超電導線材の幅よりも大きく、電極の幅方向の両側とも超電導コイルの端末部２Ａの幅よりもはみ出るようになっており、図５に示すように、超電導コイルの端末部２Ａが第１電極部材の延出部５Ｆと第２電極部材６Ａに挟まれて、幅方向の端の部分に隙間が両側に形成され、第１電極部材の延出部の幅方向端部内面５３と第２電極部材の幅方向端部内面６３とが対向している。この対向する第１電極部材の延出部の内面５３と第２電極部材の内面６３とを接合材７Ｂで接続することにより、第１の電極部材の延出部５Ｆと第２電極部材６Ａとの接続強度が大きくなるため、超電導コイルの端末部２Ａが強固に固定され、超電導層の剥離をより効果的に防止することができる。第１電極部材の延出部５Ｆと第２電極部材６Ａの長手方向の全長に渡って内面５３と内面６３とを接続すれば、接続強度をさらに増大させることができるとともに、超電導コイルの端末部２Ａが隙間なく覆われて、水分の浸入を防ぎ、水分による超電導層の劣化を防止することができる。
また、図４（ａ）と同様に、第１電極部材の延出部の側面５１と第２電極部材の側面６１とを接合材７Ｃにより接続すれば、接続強度をさらに大きくすることができ、超電導コイルの端末部２Ａをより強固に固定できる。
【００２３】
（第２の変形例）
図６は、超電導コイルに備えられた電極の第２の変形例を示す横断面図である。前述の説明と同様に超電導コイルの端末部２Ａは、半田８により第１電極部材に電気的に接続されている。図６に示す電極４Ｂでは、第２電極部材６Ｂの断面がコ字状であり、第２電極部材６Ｂの幅方向の長さは、第１電極部材の延出部５Ｇの幅方向の長さよりも長くなっていて、第１電極部材の延出部５Ｇが超電導コイルの端末部２Ａを挟み込んで、第２電極部材６Ｂに嵌め合わせられるような構造である。第１電極部材の延出部５Ｇの幅は超電導コイルの端末部２Ａの幅と同等である。第１電極部材の延出部５Ｇの外面５５と第２電極部材６Ｂのコ字状端面６５とがほぼ同一面上に揃えられている。第１電極部材の延出部５Ｇに接続された超電導コイルの端末部２Ａの先端よりも、第１電極部材の延出部５Ｇの先端、及び第２電極部材６Ｂの先端の方が延出していても良い。このような構造により、第１電極部材の延出部の嵌め合い面５４と第２電極部材の嵌め合い面６４とが接合材７Ｄにより接続されて、超電導コイルの端末部２Ａが固定されるため、電磁力が働いても超電導層が剥離することを防止できる。第１電極部材の延出部５Ｇと第２電極部材６Ｂの長手方向の全長に渡って接続すれば、接続強度を増大させて、超電導コイルの端末部２Ａをより強固に固定することができるとともに、超電導コイルの端末部２Ａが接合材により隙間なく覆われて、水分による超電導層の劣化を防止することができる。第１電極部材の延出部の外面５５と幅方向両側に位置する第２電極部材の端面６５とを接合材７Ｅで接続すれば、接続強度をさらに増大させることができる。
以上、第２電極部材をコ字状にした場合について説明したが、第１電極部材の延出部をコ字状にし、第２電極部材を嵌め合わせるような逆の構造にしても、同様の作用効果が得られる。
【００２４】
（第３の変形例）
図７は、超電導コイルに備えられた電極の第３の変形例を示す縦断面図である。図７に示す電極４Ｃでは、第１の電極部材の延出部５Ｈおよび第２電極部材６Ｃの先端は、超電導コイルの端末部２Ａの先端よりも長く伸びている。これにより、第１電極部材の延出部の先端部と第２電極部材の先端部との隙間において、第１電極部材の延出部の先端内面５５と第２電極部材の先端内面６６が対向している。この対向する第１電極部材の延出部の先端内面５５と第２電極部材の先端内面６６とを接合材７Ｆで接続することにより、第１電極部材の延出部５Ｈと第２電極部材６Ｃとの接続強度を増大させることができる。第１電極部材の延出部５Ｈと第２電極部材６Ｃの幅全体に渡って接合材で接続すれば、接続強度をさらに増大させるとともに、超電導コイルの端末部２Ａの先端が接合材により隙間なく覆われて、水分による超電導層の劣化を防止することができる。第１電極部材の延出部の先端面５２と第２電極部材の先端面６２を接合材７Ｇで接合すれば、さらに接続強度を増大させることができる。
【００２５】
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、超電導マグネット、超電導モータ、限流器などの超電導機器に用いられる超電導コイルに利用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１…超電導コイル、２…超電導線材、２Ａ…超電導コイルの端末部、３…ダブルパンケーキコイル部、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…電極、５…第１電極部材、５Ｓ…周側部、５Ｅ，５Ｆ，５Ｇ，５Ｈ…延出部、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…第２電極部材、７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ，７Ｆ，７Ｇ…接合材、８…半田、５１…側面、５２…先端面、５３…内面、５４…嵌め合い面、５５…外面、５６…先端内面、６１…側面、６２…先端面、６３…内面、６４…嵌め合い面、６５…端面、６６…先端内面。
【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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