(57)【要約】【課題】巻回されるテープ線材の剥離を抑制できる超伝導電磁石を提供する。【解決手段】本実施形態に係る超伝導電磁石１によれば、テープ線材４と含浸材５との間には潤滑剤３が介在しているため、テープ線材４と含浸材５との固着が抑制される。このため、超伝導電磁石１を冷却した際にテープ線材４と含浸材５とが異なる熱収縮率によって収縮しても、テープ線材４に対して力が作用することを抑制できる。更に、テープ線材４は、巻枠２に巻回される各周において潤滑剤３が塗布されているため、テープ線材４に対して力が作用することをテープ線材４の各周において満遍なく抑制できる。従って、巻回されるテープ線材４の剥離を抑制できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の巻枠と、
前記巻枠に巻回され、少なくとも基板及び超伝導層を積層したテープ線材と、
前記テープ線材を埋め込むように前記巻枠に設けられる含浸材と、を備え、
前記テープ線材には、前記巻枠に巻回される各周において、前記テープ線材と前記含浸材とが固着することを抑制する潤滑剤が塗布されている超伝導電磁石。
【請求項２】
前記テープ線材には、前記テープ線材の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたって前記潤滑剤が塗布されている請求項１に記載の超伝導電磁石。
【請求項３】
前記潤滑剤の熱伝導率は、前記含浸材の熱伝導率より高い請求項１又は２に記載の超伝導電磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導電磁石に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超伝導層等を積層したテープ線材を巻回して超伝導コイルを形成し、このテープ線材を樹脂等の含浸材によって保形する超伝導電磁石が知られている。テープ線材は、含浸材が硬化することによって含浸材と強固に接着される。
【０００３】
このような超伝導電磁石を冷却すると、テープ線材と含浸材との熱収縮率の差によって、テープ線材に対して力が作用する。この力によるテープ線材の剥離を抑制する技術として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１には、超伝導テープ線と、樹脂を塗布した絶縁テープと、を重ね合わせて複合テープとし、この複合テープを巻芯に巻回して、内外径比が所定の大きさに近づいたときに、隣り合う複合テープ間の接着力を弱くする超伝導電磁石が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６７８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような超伝導電磁石では、接着力を弱くした複合テープ間においてテープ線材が剥離することを抑制しようとする一方、接着力を弱くしていない部分については、テープ線材の剥離を別途の方法で抑制する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、巻回されるテープ線材の剥離を抑制できる超伝導電磁石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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る超伝導電磁石は、環状の巻枠と、巻枠に巻回され、少なくとも基板及び超伝導層を積層したテープ線材と、テープ線材を埋め込むように巻枠に設けられる含浸材と、を備え、テープ線材には、巻枠に巻回される各周において、テープ線材と含浸材とが固着することを抑制する潤滑剤が塗布されている。
【０００８】
本発明に係る超伝導電磁石によれば、テープ線材と含浸材との間には潤滑剤が介在しているため、テープ線材と含浸材との固着が抑制される。このため、超伝導電磁石を冷却した際にテープ線材と含浸材とが異なる熱収縮率によって収縮しても、テープ線材に対して力が作用することを抑制できる。更に、テープ線材は、巻枠に巻回される各周において潤滑剤が塗布されているため、テープ線材に対して力が作用することをテープ線材の各周において満遍なく抑制できる。従って、巻回されるテープ線材の剥離を抑制できる。
【０００９】
また、本発明に係る超伝導電磁石において、テープ線材には、テープ線材の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたって潤滑剤が塗布されていてもよい。これにより、テープ線材の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたってテープ線材の剥離を抑制できると共に、テープ線材に潤滑剤を容易に塗布できる。
【００１０】
また、本発明に係る超伝導電磁石において、潤滑剤の熱伝導率は、含浸材の熱伝導率より高くてもよい。これにより、テープ線材と含浸材との間に潤滑剤が介在していても、テープ線材と含浸材との間の伝熱効率を維持することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、巻回されるテープ線材の剥離を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る超伝導電磁石を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った部分断面図である。
【図３】テープ線材の積層構造を示す図である。
【図４】比較例に係る超伝導電磁石の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明に係る超伝導電磁石の一実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る超伝導電磁石を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った部分断面図であり、超伝導電磁石の巻枠に巻回されたテープ線材を模式的に示す。図３は、テープ線材の積層構造を示す図である。図１〜図３に示すように、超伝導電磁石１は、巻枠２と、潤滑剤３が塗布されたテープ線材４と、含浸材５と、を備える。超伝導電磁石１は、例えば超伝導サイクロトロン、荷電粒子線治療装置における偏向電磁石、シリコン単結晶引き上げ装置（ＭＣＺ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ装置）、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ装置）等、超伝導電磁石１を使用する種々の装置に適用できる。
【００１５】
巻枠２は、テープ線材４を巻回してコイル状に保持するためのものである。巻枠２は、環状をなし、外周側には、テープ線材４が巻回されながら収容される凹部が巻枠２の全周にわたって設けられている。具体的に、巻枠２は、巻枠２の周方向に対して垂直な断面を見た場合（図２に示す状態）、内周側に配置される背板２ａと、背板２ａの両端からそれぞれ外周側に向かって広がる側板２ｂ，２ｃと、によって構成されている。
【００１６】
テープ線材４は、巻枠２に巻回されて環状の超伝導コイルを形成する。テープ線材４は、基板８を含む第１の部分６と、基板８上に成膜される層を含む第２の部分７と、が積層されて構成される。第２の部分７は、基板８の面から剥離が生じ易い部分である。テープ線材４は、積層方向の厚みが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度、幅が４ｍｍ〜１２ｍｍ程度となるように形成されている。なお、テープ線材４は、外面に潤滑剤３が塗布されている。潤滑剤３については後述する。
【００１７】
第１の部分６は、基板８に基板部金属層９を積層した構成となっており、基板部金属層９は、基板８に接する銀層１０と、銀層１０に接する銅層１１と、からなる。基板８の厚みは５０μｍ程度、銀層１０の厚みは１．８μｍ程度、銅層１１の厚みは２０μｍ程度となるように形成されている。
【００１８】
第２の部分７は、基板８に接して、基板部金属層９とは反対側にバッファ１２〜１６を積層し、バッファ１６に接するように超伝導層１７を積層し、超伝導層１７に接するように成膜部金属層１８を積層した構成となっている。成膜部金属層１８は、超伝導層１７に接する銀層１９と、銀層１９に接する銅層２０と、からなる。バッファ１２〜１６及び超伝導層１７は、例えば蒸着、スパッタ等の成膜プロセスによって形成される。バッファ１２〜１６の厚みは０．２μｍ程度、超伝導層１７の厚みは１μｍ程度、銀層１９の厚みは２μｍ程度、銅層２０の厚みは２０μｍ程度となるように形成されている。
【００１９】
超伝導層１７は、ＲＥ１２３系超伝導層によって構成される。ＲＥ１２３系超伝導層とは、ガドリニウム、イットリウム等の希土類元素（ＲＥ）と、バリウムと、銅と、を１：２：３の比率で含有する酸化物超伝導層をいう。超伝導層１７は、テープ線材４の一部として環状に巻回されて超伝導コイルを形成し、冷凍機（不図示）によって所定温度以下まで冷却されることで超伝導状態となる。超伝導コイルを形成した超伝導層１７は、断面矩形状の円環状をなしており、電源（不図示）によって給電されることで強磁場を発生する。
【００２０】
含浸材５は、テープ線材４を埋め込むように巻枠２に設けられ、超伝導コイルを形成したテープ線材４と冷凍機との熱伝導性を確保する共に、超伝導コイルを形成したテープ線材４を保形する。含浸材５は、ゲル状、液体状等の流動する状態から硬化する材質からなり、例えばエポキシ樹脂、ワックス、シアノアクリレート（瞬間接着剤）、蝋燭のろう材等からなる。なお、含浸材５は上記の材質を適用しなくてもよく、超伝導コイルとの熱伝導性が確保できると共に、超伝導コイルを保形できれば、他の材質を適用してもよい。含浸材５が流動する状態のときに、巻枠２内においてテープ線材４を含浸させることで、テープ線材４を巻回した際に生じる隙間に含浸材５が入り込み、良好な熱伝導性を確保することができる。また、含浸材５は、テープ線材４を巻回した際に生じる隙間に入り込んだ後に硬化するため、超伝導コイルを形成したテープ線材４を保形することができる。
【００２１】
続いて、潤滑剤３について説明する。
【００２２】
潤滑剤３は、テープ線材４に塗布されることで、テープ線材４と含浸材５とが潤滑され、テープ線材４と含浸材５とが固着することを抑制する。特に、潤滑剤３は、巻枠２に巻回される各周においてテープ線材４に塗布される。これにより、テープ線材４を複数回にわたって巻回した後に潤滑剤３を塗布した場合とは異なって、テープ線材４と含浸材５との間には常に潤滑剤３が介在していることとなる。
【００２３】
ここで、潤滑剤３が、巻回される各周においてテープ線材４に塗布されるとは、例えば、図２において最も内周側に示すテープ線材４を１周目とし、１周目の隣に示すテープ線材４を２周目とし、同様に、図示しない３周目以降が続くものとする場合、テープ線材４の各周回部分に潤滑剤３が塗布されることを意味する。あるいは、製造時においては、巻回するテープ線材４の全長にわたって潤滑剤３が塗布された状態を意味する。
【００２４】
潤滑剤３としては、熱伝導率が高く、含浸材５を構成する材質（例えばエポキシ樹脂）に対して接着しにくい材質を用いることができ、例えば熱伝導グリースを用いることができる。特に、潤滑剤３の熱伝導率が、含浸材５の熱伝導率より高い熱伝導グリースを用いることが好ましい。具体的に、アピエゾン（登録商標）Ｎグリース等の潤滑剤３を適用することができる。これにより、テープ線材４と含浸材５との間に潤滑剤３が介在することで、テープ線材４と含浸材５とが直接接触しなくても良好な熱伝導性を確保することができる。
【００２５】
なお、潤滑剤３とは、必ずしも潤滑のための使用を目的として流通しているものに限定されず、テープ線材４と含浸材５とが固着することを抑制することができるものを広く含む。例えば、潤滑剤３とは、離型剤として流通しているものでもよく、ワックス、蝋燭のろう材として流通しているものでもよい。
【００２６】
続いて、超伝導電磁石１の製造方法について説明する。まず、環状の巻枠２の外周側に全周にわたって設けられている凹部に、硬化前の流動する状態の含浸材５を注入する。次に、全長にわたって表面に潤滑剤３を塗布したテープ線材４を、含浸材５が注入された巻枠２に巻回する。このとき、巻回されたテープ線材４に隙間が生じたとしても、含浸材５は流動する状態であるため当該隙間に入り込む。次に、含浸材５を経時的に、又は加熱等の所定の方法により硬化させる。従って、含浸材５はテープ線材４を巻回した際に生じる隙間に入り込んだ後に硬化するため、超伝導コイルを形成したテープ線材４を保形することができる。また、テープ線材４は全長にわたって表面に潤滑剤３が塗布された状態で含浸材５に含浸されているため、テープ線材４と含浸材５とは、テープ線材４が巻枠２に巻回される各周において潤滑剤３が介在した状態となる。
【００２７】
なお、上記の製造方法の他、超伝導電磁石１は、まず、全長にわたって表面に潤滑剤３を塗布したテープ線材４に、更に含浸材５を付着させた状態で巻枠２に巻回する方法によって製造してもよい。この場合、巻回後に、巻枠２に含浸材５を追加注入してもよい。この方法でも、含浸材５が、テープ線材４を巻回した際に生じる隙間に入り込んで硬化するため、超伝導コイルを形成したテープ線材４を保形することができる。また、テープ線材４と含浸材５とは、テープ線材４が巻枠２に巻回される各周において潤滑剤３が介在した状態となる。
【００２８】
続いて、超伝導電磁石１の構成による作用について説明する。
【００２９】
上述したように、テープ線材４は主に金属等によって構成されるのに対し、含浸材５はエポキシ樹脂等によって構成されるため、テープ線材４と含浸材５とでは熱収縮率が異なる。このため、図２に示すように、超伝導電磁石１を冷却した場合のテープ線材４の熱収縮（矢印Ａ１）と、含浸材５の熱収縮（矢印Ａ２）には差があり、超伝導電磁石１の冷却に伴って熱応力が発生する。これにより、特に第２の部分７と含浸材５との間で、第２の部分７を第１の部分６から剥離させる方向の力が作用する。
【００３０】
ここで、超伝導電磁石１では、テープ線材４と含浸材５との間に潤滑剤３が介在しているため、超伝導電磁石１を冷却した場合であっても、潤滑剤３が流動することによって熱応力の発生を抑制することができる。従って、巻回されたテープ線材４の各周において剥離を抑制できる。
【００３１】
続いて、比較例に係る超伝導電磁石１００について説明する。図４は、比較例に係る超伝導電磁石の、巻枠に巻回されたテープ線材を模式的に示す図である。
【００３２】
図４に示すように、比較例に係る超伝導電磁石１００では、テープ線材４と含浸材５との間に潤滑剤３が介在していない。このため、含浸材５が硬化すると、含浸材５がテープ線材４と強固に接着される。ここで、超伝導電磁石１００を冷却した場合のテープ線材４の熱収縮（矢印Ａ１）と、含浸材５の熱収縮（矢印Ａ２）の差によって発生する熱応力により、特に第２の部分７と含浸材５との間で、第２の部分７を第１の部分６から剥離させる方向の力が作用する。比較例に係る超伝導電磁石１００では、テープ線材４と含浸材５との間に潤滑剤３が介在していないため、第２の部分７が第１の部分６から剥離されて、超伝導コイルがダメージを受けるおそれがある。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態に係る超伝導電磁石１によれば、テープ線材４と含浸材５との間には潤滑剤３が介在しているため、テープ線材４と含浸材５との固着が抑制される。このため、超伝導電磁石１を冷却した際にテープ線材４と含浸材５とが異なる熱収縮率によって収縮しても、テープ線材４に対して力が作用することを抑制できる。更に、テープ線材４は、巻枠２に巻回される各周において潤滑剤３が塗布されているため、テープ線材４に対して力が作用することをテープ線材４の各周において満遍なく抑制できる。従って、巻回されるテープ線材４の各周において剥離を抑制できる。
【００３４】
また、本発明に係る超伝導電磁石１は、テープ線材４には、テープ線材４の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたって潤滑剤３が塗布されている。これにより、テープ線材４が延びる方向に対して垂直な断面の全周にわたってテープ線材４の剥離を抑制できると共に、テープ線材４に潤滑剤３を容易に塗布できる。
【００３５】
また、本発明に係る超伝導電磁石１は、潤滑剤３の熱伝導率は、含浸材５の熱伝導率より高い。これにより、テープ線材４と含浸材５との間に潤滑剤３が介在していても、テープ線材４と含浸材５との間の伝熱効率を維持することができる。
【００３６】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、テープ線材４は、基板部金属層９及び成膜部金属層１８の両方を設けているが、成膜部金属層１８のみ設けられていてもよい。
【００３７】
また、テープ線材４を巻回する周数は、複数回であれば特に限定されず、超伝導電磁石１の使用目的やテープ線材４の太さ等の条件によって自由に変更できる。また、テープ線材４は、図２では、径方向に並ぶように巻回されているが、軸方向に並んで巻回されてもよく、軸方向又は径方向にずらして巻回されてもよい。
【００３８】
また、環状の巻枠２は、巻枠２の周方向に対して垂直な断面形状が、背板２ａと、背板２ａの両端からそれぞれ外周側に向かって立設された側板２ｂ，２ｃと、によって構成されているが、巻枠２の断面形状は、テープ線材４を巻回し、且つ、テープ線材４を埋め込むように含浸材５を設けることができれば、異なる形状であってもよい。
【００３９】
また、テープ線材４には、テープ線材４の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたって潤滑剤３が塗布されていなくてもよく、図２に示すように、少なくとも、巻回されたテープ線材４の第２の部分７の外周面から、上面及び下面に回り込み、上面及び下面を過ぎた位置までの範囲（領域Ｒ）に潤滑剤３が塗布されていればよい。この場合でも、第２の部分７と含浸材５との間に潤滑剤３が介在することで、巻回されるテープ線材４の各周において剥離を抑制できる。なお、テープ線材４に潤滑剤３が塗布されておらずテープ線材４と含浸材５とが固着している場合、第２の部分７の上面及び下面のうち第２の部分７と基板８との境界の位置では、テープ線材４と含浸材５との熱収縮率の差による応力集中が発生し易い。これに対し、第２の部分７の上面及び下面を過ぎた位置まで潤滑剤３が塗布されていることで、応力集中によってテープ線材４に対して過大な力が作用することを抑制できる。以上により、巻回されるテープ線材４の各周において剥離を抑制できる。
【符号の説明】
【００４０】
１…超伝導電磁石、２…巻枠、３…潤滑剤、４…テープ線材、５…含浸材、８…基板、１７…超伝導層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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