(57)【要約】【課題】超電導コイルが低温雰囲気下において運転される場合に、超電導テープ線材の基板と補強テープ線材の熱膨張率の相違に起因する超電導層の引張応力を低減して、超電導コイルの許容電流値を適正に保持することができる超電導コイルを提供する。【解決手段】巻枠３１の巻芯３３に設けた第１電極端子３４に対し超電導テープ線材１１及び補強テープ線材２１を積層してその始端部を連結し、低温雰囲気下において、前記巻枠３１を回転して、ボビン４５から超電導テープ線材１１を、ボビン４７から補強テープ線材２１を巻き戻しつつ前記巻芯３３の外周面に巻き取る。両超電導テープ線材１１、補強テープ線材２１の巻回終了後に両テープ線材１１，２１の終端部を第２電極端子３５に連結する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の基板の片面に超電導層を形成してなる超電導テープ線材と、前記基板の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さく設定された補強テープ線材と、コイル基板、巻芯、第１電極端子及び第２電極端子を備えた巻枠とにより構成された超電導コイルであって、
低温雰囲気下において、前記巻枠の巻芯の外周面に対し前記超電導テープ線材及び補強テープ線材が積層状態で巻回されるとともに、両テープ線材の始端部及び終端部が前記第１電極端子及び前記第２電極端子に連結されていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
請求項１において、前記基板はハステロイ、ステンレススチール及びニッケル・タングステン合金の材料の群から一種選択され、前記補強テープ線材は、テープ状の樹脂に対し多数本のカーボンファイバー又はガラスファイバーを長手方向に埋設して構成されていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項３】
テープ状の基板の片面に超電導層を形成してなる超電導テープ線材と、前記基板の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さく設定された補強テープ線材と、コイル基板、巻芯、第１電極端子及び第２電極端子を備えた巻枠とを用いた超電導コイルの製造方法において、
低温雰囲気下において、前記巻枠の巻芯の外周面に対し前記超電導テープ線材及び補強テープ線材を積層状態で巻回する工程と、
両テープ線材の始端部と終端部を前記第１及び第２電極端子に連結する工程と、
前記電導コイルを低温雰囲気から常温状態に戻す工程と
を含むことを特徴とする超電導コイルの製造方法。
【請求項４】
請求項３において、前記巻枠の第１電極端子に対し前記超電導テープ線材及び補強テープ線材の始端部を連結した後、低温雰囲気下において、両テープ線材を前記巻芯の外周面に積層状態で巻回し、両テープ線材が低温に冷却されている状態で、両テープ線材の終端部を第２電極端子に連結することを特徴とする超電導コイルの製造方法。
【請求項５】
請求項４において、低温雰囲気下の温度は６４〜７７Ｋの範囲に設定されていることを特徴とする超電導コイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば超電導電力貯蔵装置、磁気共鳴画像診断装置、核磁気共鳴装置、磁気浮上装置等の各種の機器に用いられる超電導コイル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
巻枠の巻芯に超電導テープ線材を巻回して製造された超電導コイルに通電した場合、図１０（ａ）に示すように、コイルＣに流れる電流が円環状になり、この通電電流によりコイルＣの内側に磁束が発生する。この磁束により、図１０（ｂ）に示すようにコイルＣにはローレンツ力がコイルＣの半径方向外方に作用し、コイルＣにフープ応力が生じ、この応力によってコイルＣにはその長手方向に引張応力が作用する。この引張応力が作用すると、図１１に示すように応力（歪）を零とした場合の超電導コイルの許容電流値を１とすると、引張応力が例えば０．２％の場合には、若干電流が増加するがそれよりも引張応力が大きくなると、許容電流値が低下する。反対に、コイルＣに圧縮応力が作用する場合にはその圧縮応力の増大に伴って許容電流値が低下する。
【０００３】
前記の問題を解決するために、特許文献１には、次のような技術が提案されている。即ち、可撓性のあるテープ状の基材上に酸化物超電導層を形成し、前記酸化物超電導層が基材の長手方向に関して圧縮の予歪を有しているテープ状の酸化物超電導線及びこの超電導線を巻芯に巻回した超電導コイルが提案されている。そして、超電導コイルの通電時に、前述したコイルに作用するフープ応力によって前記酸化物超電導層に引張応力が作用した場合に、前記酸化物超電導層の圧縮の予歪が相殺されて、酸化物超電導層の歪が打ち消され、許容電流値が低下するのを防止するようになっている。
【特許文献１】特開平３−１３８８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に開示された酸化物超電導線は、テープ状の基材の片面に酸化物超電導層を積層した構成及び前記酸化物超電導層の表面に安定化層を形成した構成を対象としているので、これ以外の構成の酸化物超電導線に適用可能な技術が望まれていた。これについて、以下に説明する。
【０００５】
超電導コイルの能力を向上させるために、該コイルに通電される電流は、増大する必要がある。この通電電流の許容値が高くなると、前述したフープ応力も大きくなり、コイルに作用する引張応力も大きくなる。近年、超電導テープ線材を、例えばハステロイ等の引張強度に優れたテープ状の基板と、該基板の片面に形成された超電導層と、該超電導層の表面に形成された安定化層とにより構成している。又、カーボンファイバーを平織してエポキシ樹脂等で扁平状に一体形成し、この補強シート材を裁断して引張強度に優れた補強テープ線材を製造する。そして、巻枠の巻芯に取り付けられた第１電極端子に対し、超電導テープ線材及び前記補強テープ線材の始端部を連結した後、前記巻芯に対し前記両テープ線材を積層状態で共巻きし、終端部をコイル基板に取り付けられた第２電極端子に連結することにより、前記フープ応力によって発生するコイルの引張応力を抑制する対策が考えられる。
【０００６】
しかしながら、前記超電導テープ線材と補強テープ線材を共巻した超電導コイルには、次のような新たな問題があることが判明した。すなわち、超電導コイルが作動されて常温状態から極低温状態に切り替えられると、超電導テープ線材のハステロイよりなる基板の冷却時の熱収縮率が大きく、一方、カーボンファイバーよりなる補強テープ線材の熱収縮率が小さいので、超電導テープ線材の基板の冷熱収縮によって収縮しようとする超電導層の収縮が補強テープ線材によって抑制され、該超電導層に引張応力が負荷される。従って、超電導コイルの許容電流値が低下し、超電導コイルに十分な電流を流して高磁場化あるいはエネルギー高密度化を図ることができず、コイルのコンパクト化、低コスト化を十分に図ることができないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、前記従来の技術に存する問題点を解消して、超電導コイルが低温雰囲気下において運転される場合に、超電導テープ線材の基板と補強テープ線材の熱膨張率の相違に起因する超電導層の引張応力をなくして、超電導コイルの許容電流値を適正に保持することができる超電導コイル及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、テープ状の基板の片面に超電導層を形成してなる超電導テープ線材と、前記基板の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さく設定された補強テープ線材と、コイル基板、巻芯、第１電極端子及び第２電極端子を備えた巻枠とにより構成された超電導コイルであって、低温雰囲気下において、前記巻枠の巻芯の外周面に対し前記超電導テープ線材及び補強テープ線材が積層状態で巻回されるとともに、両テープ線材の始端部及び終端部が前記第１電極端子及び前記第２電極端子に連結されていることを要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記基板はハステロイ、ステンレススチール及びニッケル・タングステン合金の材料の群から一種選択され、前記補強テープ線材は、テープ状の樹脂に対し多数本のカーボンファイバー又はガラスファイバーを長手方向に埋設して構成されていることを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、テープ状の基板の片面に超電導層を形成してなる超電導テープ線材と、前記基板の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さく設定された補強テープ線材と、コイル基板、巻芯、第１電極端子及び第２電極端子を備えた巻枠とを用いた超電導コイルの製造方法において、低温雰囲気下において、前記巻枠の巻芯の外周面に対し前記超電導テープ線材及び補強テープ線材を積層状態で巻回する工程と、両テープ線材の始端部と終端部を前記第１及び第２電極端子に連結する工程と、前記電導コイルを低温雰囲気から常温状態に戻す工程とを含むことを要旨とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記巻枠の第１電極端子に対し前記超電導テープ線材及び補強テープ線材の始端部を連結した後、低温雰囲気下において、両テープ線材を前記巻芯の外周面に積層状態で巻回し、両テープ線材が低温に冷却されている状態で、両テープ線材の終端部を第２電極端子に連結することを要旨とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４において、低温雰囲気下の温度は６４〜７７Ｋの範囲に設定されていることを要旨とする。
（作用）
本発明によれば、低温雰囲気下において、テープ状の基板の片面に超電導層を形成してなる超電導テープ線材と、前記基板の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さく設定された補強テープ線材を積層状態で巻枠の巻芯に巻回し、両テープ線材の始端部及び終端部を巻枠の第１及び第２電極端子に連結した。このため、超電導コイルが作動されて常温状態から低温状態に移行した状態において、超電導テープ線材及び補強テープ線材が共に適正に冷熱収縮され、超電導テープ線材の基板の冷却による収縮に追従して、補強テープ線材も適正に冷熱収縮され、超電導層の冷熱収縮が適正に行われ、該超電導層に前記補強テープ線材による引張応力が負荷されるのを防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、超電導コイルが低温雰囲気下において運転される場合に、超電導テープ線材の基板と補強テープ線材の熱膨張率の相違に起因する超電導層の引張応力をなくして、超電導コイルの許容電流値を適正に保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した超電導コイルの製造方法の一実施形態を図１〜図８にしたがって説明する。
超電導コイルを製造するための超電導テープ線材１１、補強テープ線材２１、巻枠３１及び製造装置４１について順次説明する。
【００１５】
最初に、図１及び図２に基づいて超電導テープ線材１１の構造について説明する。
この超電導テープ線材１１を構成するテープ状の基板１２は、引張強度に優れたハステロイにより形成されている。前記基板１２の片面にはＧｄ２−Ｚｒ２−Ｏ７よりなる第１中間層１３がイオンビームアシスト蒸着法等の気相法により形成されている。該第１中間層１３の表面には酸化セシウム（ＣｅＯ２）よりなる第２中間層１４がＰＬＤ（Pulse Laser Deposition ）蒸着法又はＥＢ（Ｅlectron Ｂeam ）蒸着法により形成されている。前記第２中間層１４の表面には、超電導層１５がＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）蒸着法，ＰＬＤ蒸着法あるいはＭＯＤ（Metal-organic deposition）蒸着法により形成されている。この超電導層１５の材料としては、イットリウム系（Ｙ，Ｇｄ等）によるＹ１−Ｂａ２−Ｃｕ３−Ｏｘ系等がある。それらは４００〜１０００℃の熱処理によって超電導特性を発現する。さらに、前記超電導層１５の表面には、安定化層としても機能する銀よりなる保護層１６が蒸着により形成されている。この実施形態においては、前記保護層１６の表面には銅よりなる安定化層１７がＡｇを含有すハンダ１８により接着されている。
【００１６】
この実施形態においては、前記超電導テープ線材１１の幅寸法を例えば１０ｍｍとしている。又、前記基板１２、第１中間層１３、第２中間層１４、超電導層１５、保護層１６及び安定化層１７の各厚さ寸法を順に、５０〜１００μｍ、０．５〜１μｍ、０．５〜１μｍ、１〜２μｍ、３〜５μｍ、５０〜２００μｍとしている。
【００１７】
前記補強テープ線材２１は図１に示すように形成されている。この補強テープ線材２１は図３に示すように多数本のカーボンファイバー２２を扁平状に平織して幅広い帯状のファイバーシートを形成し、このシートを図１に示すように所定幅のテープ状に裁断して製造される。
【００１８】
この実施形態においては、前記補強テープ線材２１の幅寸法を例えば１０ｍｍ、厚さ寸法を１００〜２００μｍとしている。前記補強テープ線材２１の熱膨張係数は、後に補強テープ線材２１に含浸されるエポキシ樹脂２３ではなくカーボンファイバー２２の熱膨張係数に左右され、該カーボンファイバー２２の熱膨張係数は、前記超電導テープ線材１１の基板１２を形成するハステロイの熱膨張係数よりも小さい。
【００１９】
次に、前記巻枠３１について説明する。この巻枠３１は図４に示すように絶縁性を有するＦＲＰ等の強化プラスチックよりなるコイル基板３２の片面に対し、同じくＦＲＰ等の強化プラスチックよりなる円筒状の巻芯３３を連結するとともに、前記巻芯３３の外周面に第１電極端子３４を取り付け、前記コイル基板３２の外周側に第２電極端子３５を取り付けて構成されている。
【００２０】
次に、図５〜図７に基づいて超電導コイルの製造装置４１について説明する。
この製造装置４１のケース４２には、図５及び図６に示すように前記巻枠３１を所定位置において回転させるためのモータ４３を備えた巻芯回転機構部４４が設けられている。同じくケース４２には図６に示すように前記超電導テープ線材１１をリール状に巻き取ったボビン４５を所定位置において回転可能に支持するボビン支持軸４６が備えられている。さらに、前記ケース４２には前記補強テープ線材２１を巻き取ったボビン４７を所定位置において回転可能に支持するボビン支持軸４８が装着されている。
【００２１】
図７に示すように、前記製造装置４１のケース４２は前記モータ４３の回転支持軸４３ａ及びボビン支持軸４６，４８が下向きとなるように支持枠４９に支持されている。この支持枠４９には図示しないが製造装置４１の昇降機構が設けられている。前記支持枠４９の内側には、液体窒素等の冷却媒体Ｌを貯留するための冷却媒体貯留槽５１が設けらている。この冷却媒体貯留槽５１には冷却媒体Ｌを冷却するための冷凍機構（図示略）が設けられ、冷却媒体Ｌを例えば６４〜２００Ｋの低温に冷却するようにしている。
【００２２】
次に、前記超電導テープ線材１１、補強テープ線材２１、巻枠３１及び製造装置４１を用いて低温雰囲気下で行われる超電導コイルの製造方法について説明する。
最初に、図６に示すように、前記巻芯回転機構部４４のモータ４３の回転支持軸４３ａに巻枠３１を同期回転可能に装着する。次に、前記ボビン支持軸４６に前記ボビン４５を回転可能に支持するとともに、前記ボビン支持軸４８に前記ボビン４７を回転可能に装着する。そして、ボビン４５及びボビン４７から巻き戻した超電導テープ線材１１の先端部及び補強テープ線材２１の先端部を重ね合わせて、前記巻芯３３に設けた第１電極端子３４にボルトによって連結する。
【００２３】
次に、前記製造装置４１に装着された巻枠３１、ボビン４５，４７等が図７に示すように前記冷却媒体貯留槽５１の６４〜７４Ｋの温度の冷却媒体Ｌの内部に進入するように、該製造装置４１を下降動作させる。この状態において、前記巻芯回転機構部４４のモータ４３を駆動して回転支持軸４３ａにより前記巻枠３１を回転する。そして、超電導テープ線材１１及び補強テープ線材２１を巻き戻し、前記巻芯３３の外周面に前記超電導テープ線材１１と前記補強テープ線材２１を積層させた状態でコイル状に複数回巻き付ける。
【００２４】
前記巻芯３３に対する超電導テープ線材１１及び補強テープ線材２１の巻き付け動作が終了した後、図示しない昇降機構を動作させて、冷却媒体貯留槽５１から製造装置４１を上昇させる。次に、両テープ線材１１，２１の終端部となる部分を図８に示すように前記第２電極端子３５にボルトによって連結する。その後、超電導テープ線材１１及び補強テープ線材２１を切断し、このようにして得られた超電導コイルを、図示しないエポキシ樹脂溶液の中に侵入させて、前記補強テープ線材２１のカーボンファイバー２２の隙間に図９（ａ）に示すようにエポキシ樹脂２３を含浸硬化させ、超電導コイルの製造を終了する。
【００２５】
図８に示す超電導コイルの両テープ線材１１，２１は、図９（ａ）に示すように、超電導テープ線材１１の基板１２がコイル層の内側に、安定化層１７が外側に位置し、かつ補強テープ線材２１が前記安定化層１７の外側に位置する状態となっている。
【００２６】
なお、前記超電導コイルの製造に際しては、前記超電導テープ線材１１の基板１２の下面にポリイミド樹脂よりなる絶縁テープが接触された状態で、該絶縁テープが超電導テープ線材１１とともにコイル状に巻回されるが、この絶縁テープは図示されていない。
【００２７】
前記実施形態の超電導コイルの製造方法によれば、以下のような作用、効果を得ることができる。
（１）前記実施形態では、前記巻枠３１の巻芯３３に超電導テープ線材１１及び補強テープ線材２１を積層して巻き取る作業を低温雰囲気下において行うようにした。このため、図８に示す超電導コイルの製造を終了した後、該コイルを使用状態に保持したとき、超電導テープ線材１１及び補強テープ線材２１が低温の臨界温度（例えば７０〜２００Ｋ）に冷却される過程で、熱膨張係数の大きい超電導テープ線材１１の冷却による冷熱収縮によって前記超電導層１５に圧縮応力が負荷される。このとき、熱膨張係数の小さい前記補強テープ線材２１も超電導テープ線材１１の冷却による冷熱収縮動作に追従して適正に収縮される。この補強テープ線材２１が適正に収縮される理由は、超電導コイルが製造終了後に常温状態に戻されると、両テープ線材１１，２１は両端部が第１及び第２電極端子３４，３５によって固定されているので、超電導テープ線材１１の熱膨張量が補強テープ線材２１の熱膨張量よりも大きくなる。このため、超電導テープ線材１１の熱膨張によって前記補強テープ線材２１に引張応力が作用した状態となる。この引張応力によって補強テープ線材２１が冷熱収縮し易くなるのである。この結果、超電導コイルの使用状態である冷却雰囲気下において、補強テープ線材２１によって超電導テープ線材１１の超電導層１５に引張応力が生じるのを防止することができるとともに、前記超電導テープ線材１１の基板１２の冷熱収縮によって超電導層１５に圧縮応力が発生する。なお、このように超電導層１５に圧縮応力が負荷されるのは、超電導テープ線材１１の熱膨張係数が超電導層１５の熱膨張係数よりも大きいからである。従って、超電導コイルが通電作動されたとき、前記超電導層１５に作用するフープ応力によって生じる引張応力により前記圧縮応力が低減されて、応力が低減された状態となり、超電導層１５の許容電流値を適正に保持することができる。
【００２８】
（２）前記実施形態では、図９（ａ）に示すように超電導テープ線材１１の安定化層１７側に、つまり超電導テープ線材１１の外周側に補強テープ線材２１を積層したので、補強機能を向上することができる。
【００２９】
なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。
・  図９（ｂ）に示すように、超電導テープ線材１１の基板１２がコイルの外側に安定化層１７がコイルの内側に位置するように、かつ前記安定化層１７の内側に補強テープ線材２１が位置するようにしてもよい。この実施形態においては超電導テープ線材１１の基板１２が外側に位置しているので、前記超電導層１５に通電されたときのフープ応力を前記基板１２で支持し易くなり、この結果、超電導層１５及び保護層１６の接合界面の剥離を抑制することができる。
【００３０】
・  ダブルパンケーキ型の超電導コイルあるいはソレノイド型の超電導コイルに具体化してもよい。
・  前記超電導テープ線材１１の第１及び第２中間層１３，１４を省略したり、安定化層１７を省略したりしてもよい。
【００３１】
・  前記超電導テープ線材１１の基板１２の材料として、例えば、ステンレススチール、ニッケル・タングステン合金等を用いてもよい。
・  前記補強テープ線材２１の材料として、例えば、前記カーボンファイバー２２に代えて、ガラスファイバー、ステンレススチール、ニッケル・タングステン合金等の群の中の一種を選択してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の超電導コイルの製造方法に用いられる超電導テープ線材及び補強テープ線材の部分斜視図。
【図２】超電導テープ線材の拡大縦断面図。
【図３】補強テープ線材の拡大縦断面図。
【図４】超電導コイルの巻枠の斜視図。
【図５】超電導コイルの製造装置を示す底面図。
【図６】超電導コイルの製造方法を説明する底面図。
【図７】超電導コイルの製造方法を説明する正面図。
【図８】超電導コイルの正面図。
【図９】（ａ）（ｂ）は超電導コイルの部分拡大縦断面図。
【図１０】（ａ）は超電導コイルに流れる電流と磁束との関係を示す線図、（ｂ）は超電導コイルに作用するフープ応力を説明する線図。
【図１１】超電導コイルの超電導層に作用する歪と許容電流値との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
１１，２１…テープ線材、１１…超電導テープ線材、１２…基板、１５…超電導層、２１…補強テープ線材、２２…カーボンファイバー、３１…巻枠、３２…コイル基板、３３…巻芯、３４…第１電極端子、３５…第２電極端子。
【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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【図１０】
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【図１１】
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