(57)【要約】      （修正有）【課題】径方向の平均電流密度を維持または向上しつつ、クエンチによる焼損、ダメージを抑制可能な高温超電導コイルを提供する。【解決手段】高温超電導線材１００がコイル状に巻回された高温超電導コイルであって、高温超電導線材１００は、他の部位よりも臨界電流が低い部位３００を１以上有し、臨界電流が低い部位３００は、高温超電導コイル内において、１周に満たない範囲で存在し、臨界電流が低い部位３００には、他の部位に設けられた所定の保護層と比べて厚い補強用保護層３０１が設けられている。【選択図】図３
2017028154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超電導線材がコイル状に巻回された高温超電導コイルにおいて、
前記高温超電導線材は、他の部位よりも臨界電流が低い部位を１以上有し、
前記臨界電流が低い部位は、前記高温超電導コイル内において、１周に満たない範囲で存在し、
前記臨界電流が低い部位には、前記他の部位に設けられた所定の保護層と比べて厚い保護層が設けられていることを特徴とする高温超電導コイル。
【請求項２】
前記臨界電流が低い部位が、当該高温超電導コイルの最内周に存在していることを特徴とする請求項１記載の高温超電導コイル。
【請求項３】
前記臨界電流が低い部位が、当該高温超電導コイルの電極接続部に隣接する位置に存在していることを特徴とする請求項１記載の高温超電導コイル。
【請求項４】
前記所定の保護層と比べて厚い保護層の少なくとも一部の幅が、前記高温超電導線材の幅よりも広いことを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項記載の高温超電導コイル。
【請求項５】
前記所定の保護層と比べて厚い保護層が少なくとも一方の端部で分割されており、
前記端部側の前記所定の保護層と比べて厚い保護層が、当該高温超電導コイル外部に引き出されて伝導冷却される構造であることを特徴とする請求項４に記載の高温超電導コイル。
【請求項６】
高温超電導線材がコイル状に巻回された高温超電導コイルにおいて、
前記高温超電導線材は、他の部位よりも臨界電流が低い部位を１以上有し、
前記臨界電流が低い部位は、前記高温超電導コイル内において、１周に満たない範囲で存在し、
前記臨界電流が低い部位には、当該高温超電導コイルのクエンチ検出用の電圧測定端子が設けられていることを特徴とする高温超電導コイル。
【請求項７】
前記臨界電流が低い部位の両端と、当該円弧状の部位に隣接した同円周角の円弧状の部位の両端と、に当該高温超電導コイルのクエンチ検出用にブリッジ回路を構成する電圧測定端子が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の高温超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超電導線材がコイル状に巻回された高温超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導線材がコイル状に巻回された高温超電導コイルは、温度上昇などによって急激な発熱とそれによる常電導化、いわゆるクエンチが発生してしまう虞がある。これに対して、超電導コイルをクエンチから保護する機構としては、一般に保護抵抗と金属保護層（安定化層）が用いられる。
【０００３】
前者の保護抵抗を用いる保護機構は、コイルと並列な経路に電気抵抗を挿入することで、クエンチ発生時に電流を保護抵抗に流し、超電導線材を保護する手法であるが、クエンチ発生後はコイルでの発熱を完全に抑止することができず、確実な手法とはなり得ない。このような完全に抑止できないコイルでの発熱に対する対策が、特許文献１及び２に記載されている。具体的に、特許文献１には、コイルに接する部位を熱伝導度の高い金属と熱容量の大きな蓄熱材の組み合わせで作製し、コイルで生じた熱を吸収することでコイルにおける過度の温度上昇を防ぐことが記載されている。特許文献２には、コイルの外周側に金属テープを巻くことで、コイルで生じてしまう熱を吸収してコイルにおける過度の温度上昇を防ぐことが記載されている。
【０００４】
また、後者の金属保護層を用いる保護機構は、いわばコイルを形成する超電導線材の保護層に、保護抵抗の役割を担わせようというものである。この後者の保護機構では、金属保護層がコイル内部での発熱の緩和及び生じた熱の拡散促進の役割も果たし、コイルの急激な温度上昇を抑制できる。しかし、コイルを確実に保護するためには一定以上の厚さが必要となり、コイルに流される電流が大きいほど必要な厚さは大きくなってしまう。金属保護層の厚さの増大は平均電流密度の低下、ひいては作り出される磁場強度の低下をもたらすため、同じ強度の磁場を得るために必要となるコイルの大きさや線材量を増大させてしまう。このような問題に対して、特許文献３には、超電導線材のシースとして形成されたりあるいは蒸着や電解析出により形成されたりする金属保護層に加え、補強用の金属テープを超電導線材に貼り付けてその保護機能を強化することが記載されている。特許文献３に記載された発明では、通常の形成法で１００μｍ以上の厚さの保護層を形成するよりも低コストで保護機能を強化できるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１６３２４９号公報
【特許文献２】特開２０１３−３１６５８号公報
【特許文献３】特開２０１２−１９５４１３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及び特許文献２に記載された発明では、クエンチがコイルのどこの箇所で発生するのかは定かでなく、巻き枠や外周から離れているコイル内部でクエンチが発生した場合、熱を吸収する構造としては不十分である。つまり、熱が熱浴に吸収するよりも前にコイルの発熱部位の温度を過度に上昇させてしまい、コイルの焼損や熱膨張による超電導領域の損傷等が生じる可能性を排除できない。
【０００７】
また、特許文献３に記載された発明では、厚い金属保護層を設ければその分、コイルの径方向の平均電流密度が低下してしまうこととなる。特に、同一平面上に超電導線材を巻回したいわゆるパンケーキコイルにおいては、径方向の平均電流密度の低下が深刻なデメリットとなるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、平均電流密度を維持または向上しつつ、クエンチによる焼損、ダメージを抑制可能な高温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】
【０００９】
本発明の第１態様に係る高温超電導コイルは、高温超電導線材がコイル状に巻回された高温超電導コイルであって、前記高温超電導線材は、他の部位よりも臨界電流が低い部位を１以上有し、前記臨界電流が低い部位は、前記高温超電導コイル内において、１周に満たない範囲で存在し、前記臨界電流が低い部位には、前記他の部位に設けられた所定の保護層と比べて厚い保護層が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
上記第１態様によれば、クエンチの生じる箇所を、予め臨界電流を低下させる処理を施した部位、つまり臨界電流が低い部位に限定する。このようにクエンチが生じる部位を限定することで、臨界電流が低い部位を含む領域のみに厚い補強用保護層を貼り付けることで、クエンチによる焼損、ダメージを抑制できる。さらに、他の部位を厚い補強用保護層で保護する必要がないため、コイルの径方向の平均電流密度を低下させることもない。
【００１１】
上記第１態様に係る高温超電導コイルは、好ましくは、前記臨界電流が低い部位が、当該高温超電導コイルの最内周に存在していることを特徴とする。
【００１２】
上記第１態様に係る高温超電導コイルは、好ましくは、前記臨界電流が低い部位が、当該高温超電導コイルの電極接続部に隣接する位置に存在していることを特徴とする。
【００１３】
上記第１態様に係る高温超電導コイルは、好ましくは、前記所定の保護層と比べて厚い保護層の少なくとも一部の幅が、前記高温超電導線材の幅よりも広いことを特徴とする。
【００１４】
上記第１態様に係る高温超電導コイルは、好ましくは、前記所定の保護層と比べて厚い保護層が少なくとも一方の端部で分割されており、前記端部側の前記所定の保護層と比べて厚い保護層が、当該高温超電導コイル外部に引き出されて伝導冷却される構造であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第２態様に係る高温超電導コイルは、高温超電導線材がコイル状に巻回された高温超電導コイルにおいて、前記高温超電導線材は、他の部位よりも臨界電流が低い部位を１以上有し、前記臨界電流が低い部位は、前記高温超電導コイル内において、１周に満たない範囲で存在し、前記臨界電流が低い部位には、当該高温超電導コイルのクエンチ検出用の電圧測定端子が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
上記第２態様によれば、クエンチの生じる箇所を、予め臨界電流を低下させる処理を施した部位、つまり臨界電流が低い部位に限定するため、当該臨界電流が低い部位に設けられた電圧測定端子による測定結果を利用して、高精度で速やかにクエンチの発生を検出することができる。このように高精度で速やかにクエンチの発生を検出できるので、例えば速やかに通電を停止するなど、クエンチによる焼損、ダメージから保護することができる。さらに、厚い補強用保護層で保護する必要がないため、コイルの径方向の平均電流密度を低下させることもない。
【００１７】
上記第１又は第２態様に係る高温超電導コイルは、好ましくは、前記臨界電流が低い部位の両端と、当該円弧状の部位に隣接した同円周角の円弧状の部位の両端と、に当該高温超電導コイルのクエンチ検出用にブリッジ回路を構成する電圧測定端子が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、平均電流密度を維持または向上しつつ、クエンチによる焼損、ダメージを抑制可能な高温超電導コイルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、高温超電導線材の積層構造を示す断面図である。
【図２】ダブルパンケーキ型に巻回した高温超電導コイルを示す斜視図である。
【図３】予め臨界電流を低下させる処理を施した部位（臨界電流が低い部位）について説明するための図である。
【図４】高温超電導コイルにおける補強用保護層および電圧測定端子について説明するための図である。
【図５】クエンチ検出用のブリッジ回路の回路構成を説明するための回路図である。
【図６】第１実施例に係る高温超電導コイルについて、臨界電流が低い部位の構造ないし各種寸法を示す図である。
【図７】第２実施例に係る高温超電導コイルについて、臨界電流が低い部位の構造ないし各種寸法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、高温超電導線材がコイル状に巻回された高温超電導コイルに関するものである。高温超電導コイルに関する具体的な説明に先立ち、高温超電導線材の構成について、図１の断面図を用いて説明する。
【００２１】
図１に示すように、高温超電導線材１００は、本発明に係る高温超電導線材の一態様であって、基板１０１に超電導層１０２と保護層１０３を順次積層して、当該積層体の周囲を保護層１０４で被覆したものである。基板１０１は、ハステロイ（登録商標）やステンレスなどが用いられる。超電導層１０２は、Ｙ系、Ｂｉ系などの酸化物からなる高温超電導体である。保護層１０３は、超電導層１０２の表面を覆う層であって、例えば銀が用いられる。保護層１０４は、上述したように基板１０１に超電導層１０２と保護層１０３を順次積層した積層体の周囲を覆う層であって、例えば銅が用いられる。上記の構成からなる高温超電導線材１００において、保護層１０３と保護層１０４とを合わせた保護層が、本発明に係る所定の保護層の一態様に相当する。
【００２２】
本実施形態に係る高温超電導コイル２００は、上記の構成からなる超電導線材１００を例えば図２に示すような、上下２枚のパンケーキコイル、いわゆるダブルパンケーキコイルである。具体的には、高温超電導コイル２００は、巻き枠２０１上部において同一平面径方向に高温超電導線材１００が巻回された上部パンケーキコイル２１０と、円筒２０１下部において同一平面径方向に高温超電導線材１００が巻回された下部パンケーキコイル２２０と、から構成される。高温超電導コイル２００は、上部パンケーキコイル２１０の最内径ターン２１１、および下部コイル２２０最内径ターン２２１と電気的に接続され、それらの内側に巻回されている橋渡し部２３０が設けられている。
【００２３】
本実施形態では、図３に示すように、上述した高温超電導コイル２００を構成する高温超電導線材１００のうち、コイル全周に満たない１以上の部位３００に予め臨界電流を低下させる処理を施しておき、その部位３００を含む領域のみに、他の部位も設けられている保護層（保護層１０３、１０４）に比べて厚い補強用保護層３０１を貼り付ける。これにより、クエンチの生じる場所を臨界電流が低い部位３００に限定することができる。さらに、部位３００に、上述した保護層１０３、１０４と比べて層厚である補強用保護層３０１を貼り付けることによりクエンチによる焼損、ダメージを抑制することで、高温超電導コイル２００のうち強制的なクエンチ部位３００以外の他の部位を厚い補強用保護層で守る必要がなくなるという利点がある。
【００２４】
ここで、「臨界電流を低下させる処理」は、具体的には図３に示すように、部位３００の側面部３００ａ、３００ｂを機械的に切削して幅を狭窄化する手法が挙げられる。なお、部位３００を故意に臨界電流を低く設定して作製された超電導線材を継ぎはぎしてもよい。
【００２５】
また、補強用保護層３０１の貼り付け方としては、はんだなどの低融点金属による融着接合が挙げられる。この補強用保護層３０１の役割として、電流のバイパスとなってジュール発熱量を緩和させること、発生した熱を周囲に散逸させることの２つを機能を実現する場合には、接合は導電性を維持する形で行うことが好ましい。ただし、部位３００に生じたクエンチの早期検出のためクエンチ時に大きな電圧を出したい場合には、クエンチ発生時の電気抵抗が大きくなるように、上述した導電性部材で接合するのに代えて、非導電性の接着剤（エポキシ樹脂等）を用いて接合することが好ましい。
【００２６】
また、予め臨界電流を低下させておく部位３００は、敢えて高温超電導コイル２００の弱点箇所、言い換えればクエンチが発生しやすい箇所に設けることが好ましい。なぜならば、本来、強い箇所、言い換えればクエンチが発生しにくい箇所に、臨界電流を低下させる処理を施してしまうと、弱点箇所で予期しないクエンチが発生してしまう虞があるためである。さらに、本来強い箇所で予期しないクエンチが発生するには例えば相当大きな後天的欠陥が生じるなどしなければならず、クエンチが発生する可能性は小さいためである。
【００２７】
具体的に図２に示したダブルパンケーキ型の高温超電導コイル２００では、最内径ターン２１１、２２１が弱点箇所となる。これは、最内径ターン２１１、２２１が最も強い自己磁場にさらされることで、臨界電流が低下してしまうからである。ただし、高温超電導線材として、Ｙ系ＨＴＳ（高温超電導）線材を比較的低温（＜４０Ｋ）で用いる場合は、線材の臨界電流の磁場角度依存性によって最内径ターン２１１、２２１よりもやや外側が弱点箇所となる。いずれにせよ、最内径ターン２１１、２２１は、補強用保護層３０１を貼り付けるスペースも取りやすいため、臨界電流を低下させる強制的なクエンチ部位３００は、最内径ターン２１１、２２１に形成することが好適である。
【００２８】
また、高温超電導コイル２００には、上述した最内径ターン２１１、２２１以外にも、弱点箇所として、高温超電導コイル２００と外部電極との接合部位がある。通常、電極は常電導の金属製であり、通電時にはわずかながら発熱がある。この発熱がコイルに流れ込むため、電極付近は他と比べて若干温度が高くなってしまう。特に、電極との接合、例えば、はんだ付けが不十分な場合、その接合面に生じる界面接合抵抗が大きな発熱を生み出してしまう。あるいは、電極よりも遠方に接合不良が生じた場合などにも電極から熱が流入してくるため、電極付近でクエンチが生じる可能性は高い。この対策として、高温超電導コイル２００では、電極付近にも、臨界電流を低下させ補強用保護層３０１を持たせる処理を施すことが好ましい。ここで、図２に示した高温超電導コイル２００では、電極がコイルの最外周側となるため、最内径ターン２１１、２２１の場合と同様に、スペース的にも補強用保護層３０１を導入しやすいという利点がある。これらの補強用保護層３０１によって高温超電導コイル２００の平均電流密度が低下することはない。つまり、部位３００以外の他の部位を厚い補強用保護層３０１で保護する必要がないため、コイルの径方向の平均電流密度を低下させることもない。
【００２９】
また、比較例として、ニオブ系合金からなる低温超電導コイルでは、クエンチの生じる主な原因が線材の微小な横滑り移動による摩擦発熱であり、これはコイルのいかなる場所でも発生し得るため、クエンチの発生部位を限定することが難しい。このような低温超電導コイルと比べても、高温超電導コイル２００は、クエンチの発生部位を容易に限定できるという利点がある。
【００３０】
また、補強用保護層３０１を、電解析出ではなく後から高温超電導線材１００に貼り付けるのであれば、補強用保護層３０１の幅を高温超電導線材１００の幅に合わせなくてもよい。特に、高温超電導線材１００の一部にのみ補強用保護層３０１を貼り付ける場合、例えば図４に示すように、高温超電導線材１００の幅と比べて補強用保護層３０１の幅を広くとると非常に大きなメリットが生じる。具体的には、補強用保護層３０１では、高温超電導線材１００の幅よりも広い部分が高温超電導コイル２００の外側にはみ出すため、このはみ出した部位を直接伝導冷却できる構造となる。あるいは、浸漬冷却の場合でも、補強用保護層３０１がラジエタのように働くのでやはり効率的に冷却できる。そのため、を低下させる処理が施された部位３００でクエンチが生じても、高温超電導コイル外部に引き出されて伝導冷却される構造の補強用保護層３０１により、速やかに抜熱され、コイルに深刻な影響をもたらすほどの過剰な温度上昇を抑制することができる。つまり、安全なクエンチを実現することができる。
【００３１】
さらに、補強用保護層３０１は、局所にて発生した熱を周囲に拡散してしまうため、発熱していない部位を温めてしまう場合がある。この場合、予め臨界電流を低下させられた部位３００でクエンチが発生した直後に、クエンチが補強用保護層３０１を貼り付けられた全域に広がってしまうことになり、その後は補強用保護層３０１のない領域の高温超電導線材１００にもクエンチが伝播していくことになる。このような事態を回避するために、図４に示すように、補強用保護層３０１が貼り付けられた部位３００の両側にも少し間隔をあけて、補強用保護層３０２ａ、３０２ｂを貼り付けることが好ましい。これらの補強用保護層３０２ａ、３０２ｂも、高温超電導線材１００の幅と比べて補強用保護層３０１の幅を広くとることにより、前述の補強用保護層３０１とは独立した伝導冷却が可能となる。部位３００の補強用保護層３０１の温度が上昇しても、その両端の補強用保護層３０２ａ、３０２ｂの温度はそれほど上昇せずに済み、クエンチ領域がそれ以上伝播することを防ぐことができる。また、コイル径方向に隣接ターンへとクエンチが伝播する可能性を排除するために、例えば絶縁性・非晶質の高分子テープを挟み込むなど、部位３００の周辺のみターン間の熱伝導度を下げるような措置をとることが好ましい。
【００３２】
また、本実施形態に係る高温超電導コイル２００では、クエンチの発生箇所を狭い範囲、つまり臨界電流を低下させる処理を施した部位３００に限定するため、測定電圧に基づいてクエンチの発生を確実に検出することができる。
【００３３】
まず、具体的なクエンチの検出法に先立ち、第１ないし第２比較例に係るクエンチの検出法について説明する。第１比較例に係る検出法は、コイルの電極間の電圧（以下、コイル電圧ともいう。）を測定して、測定したコイル電圧の変動に応じてクエンチを検出する方法である。第１比較例に係る検出法では、最も速やかで確実性が高いのだが、コイルの電流変化や磁束変化による誘導電圧がノイズとして紛れ込みその検出精度を低下させる、という問題がある。インダクタンスの大きなコイルであれば数Ｖの誘導電圧が生じ得るため、クエンチの初期に発生する数ｍＶの微小な電圧は、誘導電圧の陰に隠れてしまって検出できないという問題がある。この問題に対して、第２比較例に係るクエンチの検出法では、コイルの両端および中間点の３箇所でブリッジ回路を構成し、誘導電圧をキャンセルしてクエンチを引き起こす電圧のみを検出する。しかしながら、第２比較例に係るクエンチの検出法では、ブリッジ回路の抵抗比をいくら調整しても誘導電圧を完全にキャンセルすることはできない。つまり、コイル全体のブリッジ電圧測定でもある程度大きな電圧が生じるまでクエンチ発生の判断を下すことができない。
【００３４】
上記のような第１ないし第２比較例に係る検出法に対して、高温超電導コイル２００では、クエンチの発生箇所を狭い範囲、つまり臨界電流を低下させる処理を施した部位３００に限定するため、例えば図４に示すように、当該部位３００の両端電圧を検出する電圧測定端子３０３ａ、３０３ｂを設けることで、測定電圧に基づいてクエンチの発生を確実に検出することができる。これは、臨界電流を低下させる処理を施した部位３００を貫く磁束の変化が小さく、故に誘導電圧も小さいため、精度よくクエンチ電圧を検出できるからである。
【００３５】
さらに、このクエンチ部位に隣接する同じ長さの範囲との間で、図５に示すようなブリッジ回路を構成すれば、部位３００に生じる誘導電圧もキャンセルすることができる。そのキャンセルが完全とはいかないにしても、元々の誘導電圧が小さいため結果的にノイズとして残る電圧は相当に小さく抑えることができる。そこで、円弧状の部位３００に隣接した同円周角の円弧状の他の部位３５０の両端電圧を検出するため、電圧測定端子３０３ｃをさらに設けることが好ましい。これら電圧測定端子３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｂは、図５に示すように、高温超電導コイル２００のクエンチ検出用にブリッジ回路５００を構成する電圧測定端子として機能する。つまり、図５に示すブリッジ回路５００では、電圧計５０３の一端に、電圧測定端子３０３ｂが接続されるとともに、電圧計５０３の他端に抵抗素子５０１と可変抵抗素子５０２とが接続され、抵抗素子５０１が電圧測定端子３０３ａに接続され、可変抵抗素子５０２とが電圧測定端子３０３ｃに接続された回路である。上述した電圧測定端子３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃを設けることにより、ブリッジ回路５００を構成することで、誘導電圧の影響をより抑えながら、クエンチ電圧を精度よく検出することができる。
【００３６】
なお、上述した電圧測定端子３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃを設けた場合には、例えば速やかに通電を停止するなど、高温超電導コイルを保護することができるため、補強用保護層３０１を設けなくてもよい。特に、Ｂｉ系線材のように線材全体が既に比較的厚い保護層を有しているような高温超電導線材を用いる場合には、補強用保護層３０１を設けなくても、クエンチから保護することができる。
【００３７】
次に、本実施形態に係る高温超電導コイル２００の具体的な実施例について説明する。
【００３８】
（第１実施例）
第１実施例に係る高温超電導コイルとして、電極付近の保護層が補強されたダブルパンケーキコイルについて、以下のとおり説明する。
【００３９】
本実施例では、幅４．０ｍｍで全長２００ｍのＹ系高温超電導線材を、外径φ１２０ｍｍのＦＲＰ製巻き枠に巻回して作製した円形ダブルパンケーキコイルを、伝導冷却で４０Ｋまで冷却して通電するものとする。このＹ系高温超電導線材が全長にわたって備えている保護層（安定化層）は、銀５μｍ分の保護層１０３と銅４０μｍ分の保護層１０４である。銀保護層は超電導層の直上にスパッタリングで形成され、銅保護層は線材両面にメッキで２０μｍずつ形成されている。なお、Ｙ系高温超電導線材はハステロイ基板５０μｍを含むが、電気伝導度も熱伝導度も低いため、ハステロイ基板は保護層ではないものとして扱う。Ｙ系高温超電導線材の厚さは平均１００μｍ弱となり、巻回された高温超電導コイルのターン数は、上部ダブルパンケーキコイルおよび下部ダブルパンケーキコイルそれぞれ２１２ターンであるものとする。また、最外周ターンの径は、φ１８０ｍｍ、平均ターン間隔は１４０μｍとなった。ただし、ターン間には厚さ３０μｍの絶縁テープが共巻きされており、さらにコイル形成後にエポキシ樹脂を含浸させている。ダブルパンケーキコイルを構成する上部および下部パンケーキコイルは同じ巻き枠を共有しており、そのコイル厚さ方向の間隔は４ｍｍ、ダブルパンケーキコイル全体の厚さは１２ｍｍである。上部および下部パンケーキコイルの最内周ターンは、橋渡し部として共有されており、電極（銅製）は、両パンケーキコイルの最外周に１つずつはんだ付けされる。
【００４０】
次に、上記構成からなる第１実施例に係る高温超電導コイルのコイル特性について、以下のとおり説明する。具体的には、Ｙ系高温超電導線材が４０Ｋでの磁場中Ｖ−Ｉ特性を基に、コイル全体での磁場分布および電流密度分布を計算し、コイル全体でのＶ−Ｉ特性を導出した。その結果、３５０Ａの電流を通電するとコイル全体で３ｍＶの発熱を伴う電圧が生じることが判明した。これ以上の電流を通電するとコイルが熱暴走し、クエンチを起こす危険性が生じる。このコイルが実際に使われる際には正常な状態で２９０Ａの通電を想定しており、この危険電流基準から見ると想定通電電流はおよそ２０％の余裕を持った設定であるということになる。前述したコイルのＶ−Ｉ特性の解析結果を詳しく見ると、３５０Ａ通電時に最も大きな電圧が生じるのは最内周ターンで、その部位における「長さ当たり一定電圧が生じる電流」は最外周ターンのそれと比べて１５％低くなっていた。この結果から、最外周に位置する電極近傍の部位で線材の幅２０％分を切断・除去して臨界電流を低下させる処理をすると、この臨界電流を低下させる処理をした部位で、コイル全体のどこよりも早く電圧が出始めることになる。その場合、電圧の出始める電流は３５０Ａよりも低く３３０Ａ程度となるが、それでも正常時の通電電流２９０Ａに対して１４％分の余裕があることになる。なお、計算結果は、上述のダブルパンケーキコイルを単体で用いる場合を想定している。したがって、複数のコイル、もしくは強磁性材料を合わせて用いる場合には、それらによる外部磁場の影響も考慮して臨界電流の低減量を定めることが好ましい。
【００４１】
次に、高温超電導コイルと電極との接合状態について、図６を参照して説明する。図６は、高温超電導コイル２００と電極６００との接合構造に係る各種寸法を示した図である。図６に示すように、高温超電導コイル２００において、電極６００とはんだ付けされる領域６５０の端から４０ｍｍ分のＹ系高温超電導線材の幅０．８ｍｍ分をレーザー裁断機にて切断・除去し、さらに上記領域６５０の端から５０ｍｍ分の領域に幅４．０ｍｍ、厚さ２００μｍの第１銅テープ６１０を補強用保護層としてはんだ付けした。この領域６５０は、Ｙ系高温超電導線材が本来持つ４５μｍ分の保護層（銀と銅を含む所定厚みの保護層）と第１銅テープ６１０（補強用保護層）とを合わせて、厚さが２４５μｍ分の保護層を持つことになる。この銅テープ６１０の電極側の端部６５１は、銅製電極と直にはんだ付けされており、クエンチ発生時には電流および熱がこの銅テープ６１０を流れていくことになる。またこの銅テープ６１０の両端電圧が常時測定されることによりコイルのクエンチを検出する。さらに、この第１銅テープ６１０の電極６００と逆側の端部６５２から２ｍｍ離れた点を起点としてさらに２０ｍｍ分の線材上面（コイル外径側）に第２銅テープ６２０をはんだ付けした。この第２銅テープ６２０は、その上面がさらに薄い絶縁シート６３０を介して伝導冷却されている金属製の熱浴６４０と接着されている。以上は、２つある電極のうち一方の近傍に対してなされた処理の説明である。もう一方の電極側は、「線材の幅を細くする」以外のすべての処理がなされているものとする。
【００４２】
つぎに、第１実施例に係る高温超電導コイルが過電流通電されてクエンチする際の挙動をシミュレートする。上述のとおり、本コイルは本来の危険電流である３５０Ａよりも小さい３３０Ａ程度の通電によって、発熱を伴う電圧が出始めることになる。上述の第１の銅テープおよび線材本来の保護層４ｃｍ分の電気抵抗は計算すると、４０Ｋで２１μΩとなり、全電流のうち５Ａが第１銅テープ６１０で補強された部位（以下「第１の保護部位３５０」と表記）に分流したとすると、第１銅テープ６１０の両端に生じる電圧は０．１ｍＶとなる。このとき超電導層には残りの大半の電流が流れながら０．１ｍＶの電圧が生じており、その発熱量は３３ｍＷ程度となる。これは超電導層の温度を上昇させ熱暴走に至らしめるには十分な量であり、超電導層の温度上昇と共に電流の保護部位への転流が進行する。ちなみに４０Ｋでの銅の比熱は０．５５Ｊ／（ｃｃ・Ｋ）程度であり、第１保護部位３５０の熱容量は２６ｍＪ／Ｋと計算されるため、超電導層で発生した熱が第１の保護部位３５０全体に拡散するとしても１Ｋ／ｓｅｃ強の速度で温度上昇が進行することになる。第１保護部位３５０への電流の転流が進めば発生電圧・発熱量とも増大し、この第１保護部位３５０のクエンチへと発展する。クエンチはやがて幅を狭められた４０ｍｍの領域より外側へと広まるが、第２銅テープ６２０で補強された部位（以下、「第２保護部位３６０」と標記）まで広まった時点で進行が停止する。そこで発生した熱は熱浴６４０へと逃げてしまい、超電導層周辺の温度上昇を引き起こさなくなるためである。なお、第１保護部位３５０における発熱も徐々に電極へと逃げていくため、ある程度温度が上昇するとクエンチによる温度上昇は収束に向かう。この時点での通電電流は３３０Ａ程度、あるいはそれよりやや高い程度であり、最内周ターンで電圧が発生し始める３５０Ａには達していない。ゆえに、この時点でクエンチを検出して通電電流の減衰に入ればコイルを保護することができる。クエンチの検出は第１銅テープ６１０の両端電圧測定で行う。この時点で数ｍＶ〜数十ｍＶの電圧が発生しており、これは容易に検出できる値である。そもそも本コイルはインダクタンスが小さく（せいぜい数十ｍＨ）、コイル全体での誘導起電力もそう大きくはないが、第１銅テープ６１０の長さはわずかに５０ｍｍで、これは最外周ターン全周の９％でしかなく、そこに生じる誘導起電力は非常に小さくなる。よほど激しい電流変化や外部磁場がない限り１ｍＶにも達しない。
【００４３】
つぎに、第１実施例に係る高温超電導コイルの品質チェックについて説明する。具体的には、第１実施例に係る高温超電導コイルは、当該コイル完成後の、製品への組み込み前あるいは出荷前に最終の動作確認を行うことができる。まず、高温超電導コイルを伝導冷却で所定の温度に冷却し、内径側に電圧が出始める３５０Ａよりも少し低めの電流３４０Ａまで短時間で励磁、すなわち通電電流を増大させる。例えば励磁速度を１００Ａ／ｓｅｃとすれば３．４秒で３４０Ａまで励磁できる。励磁後、数秒間通電電流を一定に保持したのち、短時間で０Ａまで消磁、すなわち通電電流を減少させる。この励磁後から消磁するまでの間、第１銅テープ６１０の両端電圧、およびコイルの両端電圧を測定・記録しておく。通電電流を一定に保持している間は誘導電圧が出ず、発熱を伴う電圧のみが測定される。この時想定された通りの電圧が第１銅テープ６１０の両端とコイル両端に同じように出れば、コイルが正常に作製されていることを確認できる。コイル両端電圧が第１銅テープ６１０の両端電圧よりも高くなった、もしくは通電途中にコイルが焼けてしまった場合は、コイル製造時に欠陥が生じた不良品だということになる。高温超電導コイルでは冷却時の熱歪みや通電時の電磁力により損傷が生じてしまう不良事例があるが、そのような不良品もこの時点で除かれるべきである。望ましくは、製品に組み込んだ後にも同様の検査を行うべきである。配線不良や組み込み不良、はんだ付け不良による発熱、ボルト締め不良による抜熱不良などの有無を安全に検出できるからである。不良が検出された場合は、その不良個所を補修するだけで済ませられる。一方、臨界電流を低下させる処理が施されていない比較例に係る高温超電導コイルの場合、これらの不良があると検査通電によってコイルがクエンチ、焼損してしまう虞があり、その場合不良のあったコイル以外の部材にも悪影響を与えてしまう可能性があるため、不良箇所の補修だけではすまなくなる。当該比較例と比べても明らかなように、第１実施例に係る高温超電導コイルは、確実に焼損を防ぎつつ、良否評価などの動作確認を行うことができる。
【００４４】
（第２実施例）
第２実施例に係る高温超電導コイルとして、最内周ターンの保護層が補強されたダブルパンケーキコイルについて、以下のとおり説明する。
【００４５】
第２実施例に係る高温超電導コイルは、第１実施例と、臨界電流を低下させる処理を行う部位が異なるものであり、具体的には、図７に示すように最内周に位置する両パンケーキコイルの橋渡し部２３０について、３０ｍｍ分が幅０．２ｍｍ分切断・除去されている状況であって、切断・除去された残りの幅が３．８ｍｍである状況を想定したものである。この除去分は元の線材の５％に相当し、第１実施例と同様に３３０Ａほど通電したところで電圧が出始める計算になる。この臨界電流を低下させた部位７００およびその両端３０ｍｍずつ、計９０ｍｍ分の領域７１０に厚さ０．２ｍｍの銅テープ７２０を接着した。ただし銅テープ７２０と高温超電導線材１００の間には、厚さ２５μｍの絶縁シート７３０を介し、エポキシ接着剤を含浸させて接着している。超電導層は、コイル外径側に位置しており、銅テープ７２０も外径側に接着した。この銅テープ７２０の幅は基本的に線材と同じ４ｍｍだが、両端の１０ｍｍずつは幅方向片側に２０ｍｍ張り出した形になっている。つまり銅テープ７２０だけを見ると略コの字型になっている。この張り出し部がコイル厚さ方向に突出しており、冷凍機と接続されている伝導冷却用金属板にはんだ接合されている。この銅テープ７２０が接着された長さ９０ｍｍの領域７１０を含む長さ１００ｍｍの領域の両端には電圧測定端子Ｔａ、Ｔｂが設けられており、さらにその１０ｃｍ先にももう一つ電圧測定端子Ｔｃが設けられている。つまり、電圧測定端子Ｔｂが電圧測定端子Ｔａと電圧測定端子Ｔｃの中間に来る位置関係となっている。電圧測定端子Ｔａから電圧測定端子Ｔｂに亘る部位は、φ１２０ｍｍの最内周ターンに位置し、銅テープ７２０が接着された長さ９０ｍｍの領域７１０は四半周分に相当する。ゆえにその経路が張る面積も小さくなく、電流もしくは磁場の変動によって比較的大きな誘導電圧が生じる。これがノイズとなるため、電圧測定端子Ｔａ、Ｔｂの両端電圧をそのまま測定するだけで、この領域でのクエンチ発生を早期に高い精度で検出することは困難である。これに対して、電圧測定端子Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを用いて上述した図５に示すようなブリッジ回路５００を形成すると、この誘導電圧をキャンセルして電圧測定端子Ｔａ、Ｔｂの両端電圧のみを測定することができる。実際には誘導電圧を完全にキャンセルすることはできないが、仮に全体の１％がキャンセルしきれずに測定されてしまったとしてもそれだけであればノイズとして無視できる程度であり、クエンチの発生を早期かつ高い精度で検出することができる。第２実施例の場合、銅テープ７２０は、線材と電気的に絶縁されており、線材の切断部位でクエンチが生じても、絶縁シート７３０により、電流が銅テープ７２０には転流できず、高温超電導線材１００が持つ本来の保護層４５μｍ分のみに転流するため、少量の電流が転流しただけで比較的大きな電圧が生じることになる。その時には線材内部にて発熱が生じるが、生じた熱は銅テープを伝ってコイル外部に排出されるため、クエンチ発生部の急激な温度上昇は回避できる。
【符号の説明】
【００４６】
１００  高温超電導線材
１０３、１０４  保護層
２００  高温超電導コイル
３００、７００  部位
３５０  他の部位
３０１、３０２ａ、３０２ｂ  補強用保護層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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