高温超電導パンケーキコイルおよび高温超電導コイル
【課題】剥離しやすい高温超電導層を有する高温超電導線材を用いて作製した場合でも、超電導特性が劣化しない高温超電導パンケーキコイルおよびこのパンケーキコイルを用いた高温超電導コイルを提供すること。
【解決手段】本発明に係る高温超電導パンケーキコイル１は、金属基板２１の表面に中間層２２および酸化物超電導層２３を順次形成してなるテープ状の高温超電導線材２０を用い、この高温超電導線材が巻回されることにより軸方向中心を貫通する空間を有するパンケーキ状に形成されたパンケーキコイル１において、軸方向の１対の端面を構成する巻線側面部１２Ａ、１２Ｂの少なくとも一部が、樹脂層３０で被覆される。
【解決手段】本発明に係る高温超電導パンケーキコイル１は、金属基板２１の表面に中間層２２および酸化物超電導層２３を順次形成してなるテープ状の高温超電導線材２０を用い、この高温超電導線材が巻回されることにより軸方向中心を貫通する空間を有するパンケーキ状に形成されたパンケーキコイル１において、軸方向の１対の端面を構成する巻線側面部１２Ａ、１２Ｂの少なくとも一部が、樹脂層３０で被覆される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超電導パンケーキコイルおよび高温超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導コイルは、通常、テープ状の高温超電導線材を巻回して作製される。一般的に、巻回した高温超電導線材には、巻回した形状の保持や真空中での伝熱性の向上のためにエポキシ樹脂等の樹脂が含浸される。
【０００３】
近年、高温超電導線材として、第２世代線材とよばれるものが製造されるようになってきた。この第２世代線材は、たとえば、ハステロイ（登録商標）等のテープ状の金属基板上に酸化セリウム等の中間層を形成し、この中間層の上に厚さ数μｍ程度のイットリウム系等の酸化物超電導層を形成したものである。
【０００４】
しかし、この第２世代線材は、酸化物超電導層や中間層が周囲の層から剥離しやすく、この剥離により超電導特性が劣化する。このため、第２世代線材である高温超電導線材を用いて高温超電導コイルを作製する場合に、巻回した高温超電導線材にエポキシ樹脂等の樹脂を含浸すると、樹脂の硬化収縮や冷却時の熱応力により、酸化物超電導層や中間層が周囲の層から剥離しやすいという問題がある。
【０００５】
これに対し、たとえば、特許文献１（特開２００８−２４３５８８号公報）には、高温超電導線材と離形材テープとを共巻きすることにより、コイル内部で剥離力が発生した場合に、離形材テープ部分で剥離させ、高温超電導層に働く剥離力を緩和させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２４３５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のように離形材テープを共巻きする方法では、樹脂含浸による硬化収縮や冷却時の熱応力のために高温超電導層に剥離力が働く可能性を完全に取り除くことはできない。このため、特許文献１の方法では、高温超電導線材が剥離力に対して非常に弱い線材である場合には、作製したコイルの特性が劣化するおそれがあるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、剥離しやすい高温超電導層を有する高温超電導線材を用いて作製した場合でも、超電導特性が劣化しない高温超電導パンケーキコイルおよびこのパンケーキコイルを用いた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】
本発明は、高温超電導線材が巻回されてパンケーキ状に形成されたパンケーキコイルにおいて、軸方向の１対の端面を構成する巻線側面部の少なくとも一部を樹脂層で被覆すると、超電導特性が劣化しない高温超電導パンケーキコイルが得られることを見出して完成されたものである。
【００１０】
本発明に係る高温超電導パンケーキコイルは、上記問題点を解決するものであり、金属基板の表面に中間層および酸化物超電導層を順次形成してなるテープ状の高温超電導線材を用い、この高温超電導線材が巻回されることにより軸方向中心を貫通する空間を有するパンケーキ状に形成されたパンケーキコイルにおいて、軸方向の１対の端面を構成する巻線側面部の少なくとも一部が、樹脂層で被覆されたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る高温超電導コイルは、上記問題点を解決するものであり、前記高温超電導パンケーキコイルを積層し、接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る高温超電導パンケーキコイルおよび高温超電導コイルは、剥離しやすい高温超電導層を有する高温超電導線材を用いて作製した場合でも、超電導特性が劣化しない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態を示す図であり、（ａ）はパンケーキコイルの軸方向に沿って切断した断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図。
【図２】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第１変形例の拡大断面図。
【図３】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第２変形例の拡大断面図。
【図４】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第３変形例の拡大断面図。
【図５】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第４変形例の拡大断面図。
【図６】本発明のパンケーキコイルの第２実施形態を示す図であり、（ａ）はパンケーキコイルの軸方向に沿って切断した断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大断面図、（ｃ）は（ａ）に示すパンケーキコイルの他の部分の拡大断面図。
【図７】本発明のパンケーキコイルの第３実施形態を示す図であり、（ａ）はパンケーキコイルの一部を軸方向に沿って切断した斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すパンケーキコイルの要部拡大断面図。
【図８】本発明の高温超電導コイルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜パンケーキコイル＞
図面を参照して本発明に係るパンケーキコイルを説明する。
【００１５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態を示す図である。具体的には、図１（ａ）は軸方向中心に筒状空間を有するパンケーキ状のパンケーキコイルの軸方向に沿って切断した断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図である。
【００１６】
図１（ａ）に示されるパンケーキコイル１は、テープ状の高温超電導線材２０が図１（ｂ）に示すように巻回されることによりパンケーキコイル１の軸方向中心を貫通する空間３５を有するパンケーキ状に形成されたコイルである。パンケーキコイル１は、１枚のパンケーキ状に形成されたいわゆるシングルパンケーキコイルである。なお、図１ではシングルパンケーキコイルを図示しているが、本発明は２枚のパンケーキ状に形成されたいわゆるダブルパンケーキコイルとしても良い。
【００１７】
パンケーキコイル１は、空間３５に面した内周面１５と、外周面１６と、軸方向の１対の端面を構成するリング状の１対の巻線側面部１２Ａ、１２Ｂとを備える。巻線側面部１２Ａ、１２Ｂは、巻回された高温超電導線材２０と、高温超電導線材２０と共巻きされる共巻テープと、の幅方向の両端部が多数集まり、さらに樹脂硬化物層で被覆される等により面状に形成されるものである。
【００１８】
高温超電導線材２０は、通常、内周面１５側から巻き始め、外周面１６で巻き終わるように巻回される。以下、高温超電導線材２０を巻き始める高温超電導線材２０の１ターン目から数ターン目までの部分を巻き始め部１７という。また、高温超電導線材２０を巻き終わる高温超電導線材２０の最後の１ターンから数ターン前までの部分を巻き終わり部１８という。さらに、巻回した高温超電導線材２０のうち、巻き始め部１７と巻き終わり部１８とを除いた部分を巻回途中部１９という。また、巻き始め部１７、巻回途中部１９および巻き終わり部１８からなる部分を巻線部１１という。
【００１９】
図１（ｂ）は、巻線部１１の一部である巻線部部分１１０の拡大断面図である。図１（ｂ）に示すように、高温超電導線材２０は、隣接するターン間の絶縁のために、通常、共巻テープ５０としての絶縁テープ５１と共巻きされて巻回される。絶縁テープ５１としては、たとえばカプトン等が用いられる。
【００２０】
なお、高温超電導線材２０がホルマール被覆やカプトン被覆で絶縁処理されている場合は絶縁テープ５１は削除することも可能であり、さらに絶縁テープ５１の代わりに補強材として金属テープを絶縁被覆して使用することも可能である。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁テープ５１と共巻きされて巻回された高温超電導線材２０には、高温超電導線材２０の幅方向の一方端からなる巻線側面部１２Ａと、高温超電導線材２０の幅方向の他方端からなる巻線側面部１２Ｂとが形成される。
【００２２】
巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの表面には、樹脂層３０が形成される。また、巻線側面部１２Ａは、樹脂層３０および絶縁板４５を介して伝熱板４０に接続される。
【００２３】
樹脂層３０は、エポキシ樹脂等の硬化樹脂からなる層である。樹脂層３０は、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とが巻回されたコイルの形状を維持するものである。また、樹脂層３０は、高温超電導線材２０で発生した熱を、伝熱板４０に導く伝熱経路としても作用する。樹脂層３０が伝熱経路としても作用することにより、パンケーキコイル１を、真空中でも容易に冷却することができる。
【００２４】
樹脂層３０は、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との間には形成されない。このため、パンケーキコイル１の冷却時や電磁力印加時に高温超電導線材２０と絶縁テープ５１の間を引き離す力Ｆが働いた場合でもこの剥離力が高温超電導線材２０に伝わらないことにより、複層構造の高温超電導線材２０の内部の層間が剥離するおそれが実質的にない。
【００２５】
ここで、複層構造の高温超電導線材２０について説明する。図１（ｃ）に示すように、高温超電導線材２０は、テープ状の金属基板２１の表面に中間層２２、酸化物超電導層２３および保護層２４を順次形成した積層構造を有するとともに、この積層物全体を安定化層２５で被覆した複層構造になっている。なお、図１（ｃ）では、保護層２４および安定化層２５を設けた構成を示したが、本発明で用いられる高温超電導線材２０は、保護層２４および安定化層２５の少なくともいずれかが形成されない構成とすることもできる。
【００２６】
金属基板２１としては、たとえば、ハステロイ（登録商標）等のニッケル合金、ステンレス等からなるテープが用いられる。
【００２７】
中間層２２は表面に形成される酸化物超電導層２３の酸化物の結晶成長を促進する層である。中間層２２としては、たとえば、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム等からなる層が用いられる。
【００２８】
酸化物超電導層２３は超電導を発現する層である。酸化物超電導層２３としては、たとえば、イットリウム等の希土類酸化物や、Ｒｅ１２３系等の高温超電導材料を主成分とする層が用いられる。
【００２９】
保護層２４は酸化物超電導層２３を保護する層である。保護層２４としては、たとえば、銀、金またはこれらの合金からなる層が用いられる。酸化物超電導層２３の高温超電導材料は、一般的に他の金属と反応しやすい活性な材料であるため、金、銀、これらの合金等以外の金属と直接接触させると、反応が生じて酸化物超電導層２３の性能が低下するおそれがある。保護層２４は、酸化物超電導層２３の性能低下を防止するものである。
【００３０】
安定化層２５としては、たとえば銅からなる層が用いられる。この安定化層２５は全面を被覆する例を示したが、片面のみに付加する構造でも可能である。
【００３１】
樹脂層３０は、たとえば、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とを共巻きして巻回した後に、巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの所望の部分に樹脂を塗布することにより形成することができる。
【００３２】
パンケーキコイル１の作用を説明する。
【００３３】
パンケーキコイル１では、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との間に樹脂層３０が形成されない。このため、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１の間を引き離す力Ｆが働いた場合でも、複層構造の高温超電導線材２０の内部の層間が剥離するおそれが実質的にない。
【００３４】
パンケーキコイル１によれば、コイル形状が維持され、かつ高温超電導線材２０の内部に層間を剥離させる応力が発生しないため、高温超電導線材２０を劣化させることなく、また冷却特性が良いパンケーキコイル１が得られる。
【００３５】
なお、図１に示すパンケーキコイル１では、巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの全体に樹脂層３０が形成されているが、樹脂層３０は、巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの少なくとも一部を被覆する構成としてもよい。このような構成とすると、樹脂層３０に用いる樹脂量を少なくすることができ、パンケーキコイルの製造コストを低コスト化することができる。
【００３６】
［第１の実施形態の第１変形例］
図２は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第１変形例の拡大断面図である。第１実施形態の第１変形例として示すパンケーキコイル１Ａは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じであるため、外観を図１に示す。
【００３７】
パンケーキコイル１Ａは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造が異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ａとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００３８】
パンケーキコイル１Ａの高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造は、図２に示される。図２に示される巻線部部分１１０Ａは、図１に示した巻線部部分１１０に相当するものである。
【００３９】
図２に示すように、巻線部部分１１０Ａでは、高温超電導線材２０は１ターンごとに高温超電導線材２０の幅方向、すなわち図中上下方向にずれるように巻回される。また、巻線部部分１１０Ａでは、絶縁テープ５１も１ターンごとに高温超電導線材２０の幅方向にずれるように巻回される。
【００４０】
このように高温超電導線材２０が１ターンごとに高温超電導線材２０の幅方向にずれるように巻回されると、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、高温超電導線材２０と樹脂層３０との固着面積が増加する。
【００４１】
パンケーキコイル１Ａによれば、パンケーキコイル１に比べて、コイル形状の維持、伝熱特性をさらに良くすることができる。
【００４２】
［第１の実施形態の第２変形例］
図３は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第２変形例の拡大断面図である。第１実施形態の第２変形例として示すパンケーキコイル１Ｂは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じであるため、外観を図１に示す。
【００４３】
パンケーキコイル１Ｂは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、表面に絶縁材が用いられて絶縁処理された高温超電導線材２０と共巻テープ５０との共巻きの構造が異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｂとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００４４】
パンケーキコイル１Ｂの高温超電導線材２０と共巻テープ５０との共巻きの構造は、図３に示される。図３に示される巻線部部分１１０Ｂは、図１に示した巻線部部分１１０に相当するものである。
【００４５】
図３に示すように、巻線部部分１１０Ｂでは、共巻テープ５０は高温超電導線材２０よりも幅が狭いものになっている。
【００４６】
このように共巻テープ５０が高温超電導線材２０よりも幅が狭いものであると、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、高温超電導線材２０と樹脂層３０の固着面積が増加する。
【００４７】
パンケーキコイル１Ｂによれば、パンケーキコイル１に比べて、コイル形状の維持、伝熱特性をさらに良くすることができる。
【００４８】
なお、図３に示す巻線部部分１１０Ｂでは、共巻テープ５０を用いたが、共巻きテープ５０に代えて、または共巻テープ５０に加えて、補強を目的とする金属テープを用いてもよい。金属テープを用いると、パンケーキコイル１Ｂの強度が高くなる。補強を目的とする金属テープとしては、ニッケル基合金や銅等からなる金属テープが用いられる。
【００４９】
［第１の実施形態の第３変形例］
図４は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第３変形例の拡大断面図である。第１実施形態の第３変形例として示すパンケーキコイル１Ｃは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じであるため、外観を図１に示す。
【００５０】
パンケーキコイル１Ｃは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、さらに金属テープ５２も加えて共巻きにした点が異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｃとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００５１】
パンケーキコイル１Ｃの高温超電導線材２０と絶縁テープ５１と金属テープ５２との共巻きの構造は、図４に示される。図４に示される巻線部部分１１０Ｃは、図１に示した巻線部部分１１０に相当するものである。
【００５２】
図４に示すように、巻線部部分１１０Ｃでは、隣接する高温超電導線材２０、２０間に絶縁テープ５１と金属テープ５２とが配置され、高温超電導線材２０、絶縁テープ５１および金属テープ５２が共巻きされている。また、絶縁テープ５１と金属テープ５２は、高温超電導線材２０より幅が広いものになっている。金属テープ５２としては、ニッケル基合金よりも熱伝導率の良い材質、例えば銅等からなる金属テープが用いられる。
【００５３】
パンケーキコイル１Ｃは、このように高温超電導線材２０、絶縁テープ５１および金属テープ５２を共巻きしているため、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、金属テープ５２内を介して高温超電導線材２０を効率的に冷却することができるとともに、コイル形状の維持を強固にすることができる。
【００５４】
パンケーキコイル１Ｃによれば、パンケーキコイル１に比べて、高温超電導線材２０の冷却効率が良く、コイル形状の維持が良好である。
【００５５】
また、パンケーキコイル１Ｃは、巻線前に金属テープ５２をはんだ付けなどの方法により高温超電導線材２０に取り付けておくと金属テープ５２と高温超電導線材２０との間の伝熱性が向上し、冷却特性をさらに向上させることができる。
【００５６】
［第１の実施形態の第４変形例］
図５は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第４変形例の拡大断面図である。第１実施形態の第４変形例として示すパンケーキコイル１Ｄは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じであるため、外観を図１に示す。
【００５７】
パンケーキコイル１Ｄは、図３に第１実施形態の第２変形例として示したパンケーキコイル１Ｂに比較して、絶縁テープ５１を共巻テープ５３に代えた点で異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｄとパンケーキコイル１Ｂとで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００５８】
パンケーキコイル１Ｄの高温超電導線材２０と共巻テープ５３との共巻きの構造は、図５に示される。図５に示される巻線部部分１１０Ｄは、図１に示した巻線部部分１１０に相当するものである。
【００５９】
図５に示すように、巻線部部分１１０Ｄでは、共巻テープ５３は高温超電導線材２０よりも幅が狭いものになっている。
【００６０】
共巻テープ５３は、室温の２０℃から極低温の４Ｋまで冷却しても厚さ方向の熱収縮率が１％以下であるとともに、厚さ方向に力Ｐを加え厚みを１％以上変形させても復元力を有する材料からなる。共巻テープ５３としては、第１実施形態の第３変形例として示したパンケーキコイル１Ｃに用いた金属テープ５２と同様なものが用いられる。
【００６１】
共巻テープ５３の巻回時に予圧縮力Ｐをかけると、得られるパンケーキコイル１Ｄは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、コイル形状の維持、伝熱特性がさらに良くなる。
【００６２】
パンケーキコイル１Ｄによれば、室温から超電導コイルの運転温度である極低温まで冷却した場合でも、高温超電導線材２０と共巻テープ５３との間に隙間が生じることがなく、コイル形状の維持、伝熱特性をさらに良くすることができる。
【００６３】
なお、図５に示す巻線部部分１１０Ｄでは、共巻テープ５０として熱収縮率が小さい共巻テープ５３を用いたが、共巻テープ５３に代えて、樹脂層３０の樹脂よりも室温の２０℃から極低温の４Ｋまでの熱収縮率が小さい材料を用いても同様の効果が得られる。このような材料としては、ガラス繊維強化型樹脂テープが挙げられる。
【００６４】
［第２の実施形態］
図６は、本発明のパンケーキコイルの第２実施形態を示す図である。具体的には、図６（ａ）は軸方向中心に筒状空間を有するパンケーキ状のパンケーキコイルの軸方向に沿って切断した断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）に示すパンケーキコイルの他の一部の拡大断面図である。
【００６５】
第２実施形態として示すパンケーキコイル１Ｅは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じである。
【００６６】
パンケーキコイル１Ｅは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、巻き始め部１７および巻き終わり部１８における高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造が異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｅとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００６７】
図６（ｂ）は、パンケーキコイル１Ｅの巻き始め部１７の巻線部部分１１０Ｅの拡大断面図である。図６（ｃ）は、パンケーキコイル１Ｅの巻回途中部１９の巻線部部分１１０Ｅの拡大断面図である。なお、図示しないが、パンケーキコイル１Ｅの巻き終わり部１８の巻線部部分は、巻き始め部１７の巻線部部分と同じ構造になっている。
【００６８】
図６（ｃ）に示すように、パンケーキコイル１Ｅの巻回途中部１９の巻線部部分１９０Ｅにおける高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造は、図１に示したパンケーキコイル１の巻線部部分１１０の構造と同じである。
【００６９】
しかし、図６（ｂ）に示すように、パンケーキコイル１Ｅの巻き始め部１７の巻線部部分１７０Ｅにおいては、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造は、１９０Ｅの構造と異なる。
【００７０】
すなわち、巻き始め部１７の巻線部部分１７０Ｅにおいては、巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの表面の樹脂層３０に加え、共巻きされた高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との間にも樹脂の硬化物からなるテープ間樹脂層３１が形成される。また、巻き終わり部１８の巻線部部分も、巻き始め部１７の巻線部部分１７０Ｅと同様の構造になっている。テープ間樹脂層３１の形成に用いる樹脂としては、たとえば、樹脂層３０の形成に用いる樹脂と同じものが挙げられる。
【００７１】
テープ間樹脂層３１を形成する方法としては、たとえば、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とを共巻きして巻回する時に、樹脂を塗布する方法が挙げられる。
【００７２】
このようにテープ間樹脂層３１を形成すると、巻き終わり部１８および巻き始め部１７において高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とが巻きほぐれしにくくなる。なお、巻き終わり部１８および巻き始め部１７は周囲との境界であることから拘束力が弱くなる。このため、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との間にテープ間樹脂層３１を形成しても、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とを剥離させようとする熱応力は小さくて済む。
【００７３】
パンケーキコイル１Ｅによれば、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、コイル形状の維持特性をさらに良くすることができる。
【００７４】
なお、図６には巻き終わり部１８および巻き始め部１７にテープ間樹脂層３１が形成された例を示したが、巻き終わり部１８および巻き始め部１７のいずれかのみにテープ間樹脂層３１が形成される構成とすることもできる。巻き終わり部１８および巻き始め部１７のいずれかのみにテープ間樹脂層３１が形成される構成とすると、製造コストを低くすることができる。
【００７５】
［第３の実施形態］
図７は、本発明のパンケーキコイルの第３実施形態を示す図である。具体的には、図７（ａ）は軸方向中心に筒状空間を有するパンケーキ状のパンケーキコイルの一部を軸方向に沿って切断した斜視図、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図である。
【００７６】
第３実施形態として示すパンケーキコイル１Ｆは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、巻き始め部１７の内周に巻き始め枠６１、および巻き終わり部１８の外周に巻き終わり枠６２を設けた点、および巻線部１１Ｆの軸方向を被覆する１対の絶縁板４５、４５を設けた点で異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｆとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００７７】
図７（ｂ）は、パンケーキコイル１Ｆの巻き始め部１７の巻線部部分１７０Ｆの拡大断面図である。
【００７８】
図７（ａ）に示すように、巻き始め枠６１は、略リング状に形成された絶縁体部６３と、絶縁体部６３の一部に設けられた電極部６４とからなる。
【００７９】
図７（ｂ）に示すように、巻き始め枠６１は、巻き始め部１７の高温超電導線材２０の最内周のターンに隣接して設けられている。
【００８０】
巻き始め枠６１の絶縁体部６３は、高温超電導線材２０の巻き始め部１７を保護するとともに高温超電導線材２０を電気的に絶縁するものである。絶縁体部６３の材質としては、たとえばＦＲＰ等が用いられる。
【００８１】
巻き始め枠６１の電極部６４は、巻き始め部１７の高温超電導線材２０と導通する部材である。電極部６４の材質としては、たとえば銅が用いられる。
【００８２】
また、巻線部１１Ｆの軸方向にある１対の表面には、１対の絶縁板４５、４５が設けられている。
【００８３】
さらに、パンケーキコイル１Ｆは、図示しないが、巻き終わり枠６２にも巻き始め枠６１と同様な形状、機能の略リング状に形成された絶縁体部とこの絶縁体部の一部に設けられた電極部とを備える。
【００８４】
このように巻き始め枠６１および巻き終わり枠６２を設けると、図６に第２実施形態として示すパンケーキコイル１Ｅのようにテープ間樹脂層３１を形成しなくても、巻き始め部１７および巻き終わり部１８の高温超電導線材２０の巻回形状を強く保持することができる。
【００８５】
パンケーキコイル１Ｆによれば、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、コイル形状をさらに良く維持することができる。
【００８６】
なお、図７には巻き始め枠６１および巻き終わり枠６２が設けられた例を示したが、巻き始め枠６１および巻き終わり枠６２のいずれかのみを設ける構成とすることもできる。巻き始め枠６１および巻き終わり枠６２のいずれかのみを設ける構成とすれば、製造コストを低くすることができる。
【００８７】
＜高温超電導コイル＞
図８は、本発明の高温超電導コイルの断面図である。
【００８８】
高温超電導コイル２は、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１を積層し、パンケーキコイル１、１間を電気的に接続したものである。
【００８９】
積層方向に隣接するパンケーキコイル１、１同士は、図８に示すように巻き始め部１７から引き出された高温超電導線材２０または巻き終わり部１８から引き出された高温超電導線材２０が、接続部７０で接続される。これにより、複数個のパンケーキコイル１は電気的に直列に接続されている。また、各パンケーキコイル１に取り付けられた伝熱板４０は、パンケーキコイル１の外部に延設されている。この伝熱板４０は、パンケーキコイル１の外部に延設されているため、高温超電導コイル２の効率的な冷却が可能である。
【００９０】
高温超電導コイル２によれば、コイル形状が維持されかつ高温超電導線材２０の内部に層間を剥離させる応力が発生しないとともに、冷却特性が良い。
【００９１】
なお、図８にはパンケーキコイル１を積層した例を示したが、本発明の高温超電導コイルは、パンケーキコイル１に代えて、パンケーキコイル１Ａ〜１Ｆを用いた構成としてもよい。得られた高温超電導コイルは、積層されたパンケーキコイルの特長を備えるものになる。
【００９２】
また、上記第１から第３の実施形態においては通常のパンケーキコイルを例として示したがレーストラック形状のパンケーキコイルにおいても同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ パンケーキコイル
２ 高温超電導コイル
１１、１１Ｆ 巻線部
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１７０Ｆ 巻線部部分
１２Ａ、１２B 巻線側面部
１５ 内周面
１６ 外周面
１７ 巻き始め部
１７０Ｅ 巻き始め部部分
１８ 巻き終わり部
１９ 巻回途中部
１９０Ｅ 巻回途中部部分
２０ 高温超電導線材
２１ 金属基板
２２ 中間層
２３ 超電導層
２４ 保護層
２５ 安定化層
３０ 樹脂層
３１ テープ間樹脂層
３５ 空間
４０ 伝熱板
４５ 絶縁板
５０ 共巻テープ
５１ 絶縁テープ
５２ 金属テープ
５３ 共巻テープ
Ｐ 予圧縮力
６１ 巻き始め枠
６２ 巻き終わり枠
６３ 絶縁体部
６４ 電極部
７０ 接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超電導パンケーキコイルおよび高温超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導コイルは、通常、テープ状の高温超電導線材を巻回して作製される。一般的に、巻回した高温超電導線材には、巻回した形状の保持や真空中での伝熱性の向上のためにエポキシ樹脂等の樹脂が含浸される。
【０００３】
近年、高温超電導線材として、第２世代線材とよばれるものが製造されるようになってきた。この第２世代線材は、たとえば、ハステロイ（登録商標）等のテープ状の金属基板上に酸化セリウム等の中間層を形成し、この中間層の上に厚さ数μｍ程度のイットリウム系等の酸化物超電導層を形成したものである。
【０００４】
しかし、この第２世代線材は、酸化物超電導層や中間層が周囲の層から剥離しやすく、この剥離により超電導特性が劣化する。このため、第２世代線材である高温超電導線材を用いて高温超電導コイルを作製する場合に、巻回した高温超電導線材にエポキシ樹脂等の樹脂を含浸すると、樹脂の硬化収縮や冷却時の熱応力により、酸化物超電導層や中間層が周囲の層から剥離しやすいという問題がある。
【０００５】
これに対し、たとえば、特許文献１（特開２００８−２４３５８８号公報）には、高温超電導線材と離形材テープとを共巻きすることにより、コイル内部で剥離力が発生した場合に、離形材テープ部分で剥離させ、高温超電導層に働く剥離力を緩和させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２４３５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のように離形材テープを共巻きする方法では、樹脂含浸による硬化収縮や冷却時の熱応力のために高温超電導層に剥離力が働く可能性を完全に取り除くことはできない。このため、特許文献１の方法では、高温超電導線材が剥離力に対して非常に弱い線材である場合には、作製したコイルの特性が劣化するおそれがあるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、剥離しやすい高温超電導層を有する高温超電導線材を用いて作製した場合でも、超電導特性が劣化しない高温超電導パンケーキコイルおよびこのパンケーキコイルを用いた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】
本発明は、高温超電導線材が巻回されてパンケーキ状に形成されたパンケーキコイルにおいて、軸方向の１対の端面を構成する巻線側面部の少なくとも一部を樹脂層で被覆すると、超電導特性が劣化しない高温超電導パンケーキコイルが得られることを見出して完成されたものである。
【００１０】
本発明に係る高温超電導パンケーキコイルは、上記問題点を解決するものであり、金属基板の表面に中間層および酸化物超電導層を順次形成してなるテープ状の高温超電導線材を用い、この高温超電導線材が巻回されることにより軸方向中心を貫通する空間を有するパンケーキ状に形成されたパンケーキコイルにおいて、軸方向の１対の端面を構成する巻線側面部の少なくとも一部が、樹脂層で被覆されたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る高温超電導コイルは、上記問題点を解決するものであり、前記高温超電導パンケーキコイルを積層し、接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る高温超電導パンケーキコイルおよび高温超電導コイルは、剥離しやすい高温超電導層を有する高温超電導線材を用いて作製した場合でも、超電導特性が劣化しない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態を示す図であり、（ａ）はパンケーキコイルの軸方向に沿って切断した断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図。
【図２】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第１変形例の拡大断面図。
【図３】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第２変形例の拡大断面図。
【図４】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第３変形例の拡大断面図。
【図５】本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第４変形例の拡大断面図。
【図６】本発明のパンケーキコイルの第２実施形態を示す図であり、（ａ）はパンケーキコイルの軸方向に沿って切断した断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大断面図、（ｃ）は（ａ）に示すパンケーキコイルの他の部分の拡大断面図。
【図７】本発明のパンケーキコイルの第３実施形態を示す図であり、（ａ）はパンケーキコイルの一部を軸方向に沿って切断した斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すパンケーキコイルの要部拡大断面図。
【図８】本発明の高温超電導コイルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜パンケーキコイル＞
図面を参照して本発明に係るパンケーキコイルを説明する。
【００１５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態を示す図である。具体的には、図１（ａ）は軸方向中心に筒状空間を有するパンケーキ状のパンケーキコイルの軸方向に沿って切断した断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図である。
【００１６】
図１（ａ）に示されるパンケーキコイル１は、テープ状の高温超電導線材２０が図１（ｂ）に示すように巻回されることによりパンケーキコイル１の軸方向中心を貫通する空間３５を有するパンケーキ状に形成されたコイルである。パンケーキコイル１は、１枚のパンケーキ状に形成されたいわゆるシングルパンケーキコイルである。なお、図１ではシングルパンケーキコイルを図示しているが、本発明は２枚のパンケーキ状に形成されたいわゆるダブルパンケーキコイルとしても良い。
【００１７】
パンケーキコイル１は、空間３５に面した内周面１５と、外周面１６と、軸方向の１対の端面を構成するリング状の１対の巻線側面部１２Ａ、１２Ｂとを備える。巻線側面部１２Ａ、１２Ｂは、巻回された高温超電導線材２０と、高温超電導線材２０と共巻きされる共巻テープと、の幅方向の両端部が多数集まり、さらに樹脂硬化物層で被覆される等により面状に形成されるものである。
【００１８】
高温超電導線材２０は、通常、内周面１５側から巻き始め、外周面１６で巻き終わるように巻回される。以下、高温超電導線材２０を巻き始める高温超電導線材２０の１ターン目から数ターン目までの部分を巻き始め部１７という。また、高温超電導線材２０を巻き終わる高温超電導線材２０の最後の１ターンから数ターン前までの部分を巻き終わり部１８という。さらに、巻回した高温超電導線材２０のうち、巻き始め部１７と巻き終わり部１８とを除いた部分を巻回途中部１９という。また、巻き始め部１７、巻回途中部１９および巻き終わり部１８からなる部分を巻線部１１という。
【００１９】
図１（ｂ）は、巻線部１１の一部である巻線部部分１１０の拡大断面図である。図１（ｂ）に示すように、高温超電導線材２０は、隣接するターン間の絶縁のために、通常、共巻テープ５０としての絶縁テープ５１と共巻きされて巻回される。絶縁テープ５１としては、たとえばカプトン等が用いられる。
【００２０】
なお、高温超電導線材２０がホルマール被覆やカプトン被覆で絶縁処理されている場合は絶縁テープ５１は削除することも可能であり、さらに絶縁テープ５１の代わりに補強材として金属テープを絶縁被覆して使用することも可能である。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁テープ５１と共巻きされて巻回された高温超電導線材２０には、高温超電導線材２０の幅方向の一方端からなる巻線側面部１２Ａと、高温超電導線材２０の幅方向の他方端からなる巻線側面部１２Ｂとが形成される。
【００２２】
巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの表面には、樹脂層３０が形成される。また、巻線側面部１２Ａは、樹脂層３０および絶縁板４５を介して伝熱板４０に接続される。
【００２３】
樹脂層３０は、エポキシ樹脂等の硬化樹脂からなる層である。樹脂層３０は、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とが巻回されたコイルの形状を維持するものである。また、樹脂層３０は、高温超電導線材２０で発生した熱を、伝熱板４０に導く伝熱経路としても作用する。樹脂層３０が伝熱経路としても作用することにより、パンケーキコイル１を、真空中でも容易に冷却することができる。
【００２４】
樹脂層３０は、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との間には形成されない。このため、パンケーキコイル１の冷却時や電磁力印加時に高温超電導線材２０と絶縁テープ５１の間を引き離す力Ｆが働いた場合でもこの剥離力が高温超電導線材２０に伝わらないことにより、複層構造の高温超電導線材２０の内部の層間が剥離するおそれが実質的にない。
【００２５】
ここで、複層構造の高温超電導線材２０について説明する。図１（ｃ）に示すように、高温超電導線材２０は、テープ状の金属基板２１の表面に中間層２２、酸化物超電導層２３および保護層２４を順次形成した積層構造を有するとともに、この積層物全体を安定化層２５で被覆した複層構造になっている。なお、図１（ｃ）では、保護層２４および安定化層２５を設けた構成を示したが、本発明で用いられる高温超電導線材２０は、保護層２４および安定化層２５の少なくともいずれかが形成されない構成とすることもできる。
【００２６】
金属基板２１としては、たとえば、ハステロイ（登録商標）等のニッケル合金、ステンレス等からなるテープが用いられる。
【００２７】
中間層２２は表面に形成される酸化物超電導層２３の酸化物の結晶成長を促進する層である。中間層２２としては、たとえば、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム等からなる層が用いられる。
【００２８】
酸化物超電導層２３は超電導を発現する層である。酸化物超電導層２３としては、たとえば、イットリウム等の希土類酸化物や、Ｒｅ１２３系等の高温超電導材料を主成分とする層が用いられる。
【００２９】
保護層２４は酸化物超電導層２３を保護する層である。保護層２４としては、たとえば、銀、金またはこれらの合金からなる層が用いられる。酸化物超電導層２３の高温超電導材料は、一般的に他の金属と反応しやすい活性な材料であるため、金、銀、これらの合金等以外の金属と直接接触させると、反応が生じて酸化物超電導層２３の性能が低下するおそれがある。保護層２４は、酸化物超電導層２３の性能低下を防止するものである。
【００３０】
安定化層２５としては、たとえば銅からなる層が用いられる。この安定化層２５は全面を被覆する例を示したが、片面のみに付加する構造でも可能である。
【００３１】
樹脂層３０は、たとえば、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とを共巻きして巻回した後に、巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの所望の部分に樹脂を塗布することにより形成することができる。
【００３２】
パンケーキコイル１の作用を説明する。
【００３３】
パンケーキコイル１では、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との間に樹脂層３０が形成されない。このため、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１の間を引き離す力Ｆが働いた場合でも、複層構造の高温超電導線材２０の内部の層間が剥離するおそれが実質的にない。
【００３４】
パンケーキコイル１によれば、コイル形状が維持され、かつ高温超電導線材２０の内部に層間を剥離させる応力が発生しないため、高温超電導線材２０を劣化させることなく、また冷却特性が良いパンケーキコイル１が得られる。
【００３５】
なお、図１に示すパンケーキコイル１では、巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの全体に樹脂層３０が形成されているが、樹脂層３０は、巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの少なくとも一部を被覆する構成としてもよい。このような構成とすると、樹脂層３０に用いる樹脂量を少なくすることができ、パンケーキコイルの製造コストを低コスト化することができる。
【００３６】
［第１の実施形態の第１変形例］
図２は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第１変形例の拡大断面図である。第１実施形態の第１変形例として示すパンケーキコイル１Ａは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じであるため、外観を図１に示す。
【００３７】
パンケーキコイル１Ａは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造が異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ａとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００３８】
パンケーキコイル１Ａの高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造は、図２に示される。図２に示される巻線部部分１１０Ａは、図１に示した巻線部部分１１０に相当するものである。
【００３９】
図２に示すように、巻線部部分１１０Ａでは、高温超電導線材２０は１ターンごとに高温超電導線材２０の幅方向、すなわち図中上下方向にずれるように巻回される。また、巻線部部分１１０Ａでは、絶縁テープ５１も１ターンごとに高温超電導線材２０の幅方向にずれるように巻回される。
【００４０】
このように高温超電導線材２０が１ターンごとに高温超電導線材２０の幅方向にずれるように巻回されると、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、高温超電導線材２０と樹脂層３０との固着面積が増加する。
【００４１】
パンケーキコイル１Ａによれば、パンケーキコイル１に比べて、コイル形状の維持、伝熱特性をさらに良くすることができる。
【００４２】
［第１の実施形態の第２変形例］
図３は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第２変形例の拡大断面図である。第１実施形態の第２変形例として示すパンケーキコイル１Ｂは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じであるため、外観を図１に示す。
【００４３】
パンケーキコイル１Ｂは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、表面に絶縁材が用いられて絶縁処理された高温超電導線材２０と共巻テープ５０との共巻きの構造が異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｂとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００４４】
パンケーキコイル１Ｂの高温超電導線材２０と共巻テープ５０との共巻きの構造は、図３に示される。図３に示される巻線部部分１１０Ｂは、図１に示した巻線部部分１１０に相当するものである。
【００４５】
図３に示すように、巻線部部分１１０Ｂでは、共巻テープ５０は高温超電導線材２０よりも幅が狭いものになっている。
【００４６】
このように共巻テープ５０が高温超電導線材２０よりも幅が狭いものであると、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、高温超電導線材２０と樹脂層３０の固着面積が増加する。
【００４７】
パンケーキコイル１Ｂによれば、パンケーキコイル１に比べて、コイル形状の維持、伝熱特性をさらに良くすることができる。
【００４８】
なお、図３に示す巻線部部分１１０Ｂでは、共巻テープ５０を用いたが、共巻きテープ５０に代えて、または共巻テープ５０に加えて、補強を目的とする金属テープを用いてもよい。金属テープを用いると、パンケーキコイル１Ｂの強度が高くなる。補強を目的とする金属テープとしては、ニッケル基合金や銅等からなる金属テープが用いられる。
【００４９】
［第１の実施形態の第３変形例］
図４は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第３変形例の拡大断面図である。第１実施形態の第３変形例として示すパンケーキコイル１Ｃは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じであるため、外観を図１に示す。
【００５０】
パンケーキコイル１Ｃは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、さらに金属テープ５２も加えて共巻きにした点が異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｃとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００５１】
パンケーキコイル１Ｃの高温超電導線材２０と絶縁テープ５１と金属テープ５２との共巻きの構造は、図４に示される。図４に示される巻線部部分１１０Ｃは、図１に示した巻線部部分１１０に相当するものである。
【００５２】
図４に示すように、巻線部部分１１０Ｃでは、隣接する高温超電導線材２０、２０間に絶縁テープ５１と金属テープ５２とが配置され、高温超電導線材２０、絶縁テープ５１および金属テープ５２が共巻きされている。また、絶縁テープ５１と金属テープ５２は、高温超電導線材２０より幅が広いものになっている。金属テープ５２としては、ニッケル基合金よりも熱伝導率の良い材質、例えば銅等からなる金属テープが用いられる。
【００５３】
パンケーキコイル１Ｃは、このように高温超電導線材２０、絶縁テープ５１および金属テープ５２を共巻きしているため、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、金属テープ５２内を介して高温超電導線材２０を効率的に冷却することができるとともに、コイル形状の維持を強固にすることができる。
【００５４】
パンケーキコイル１Ｃによれば、パンケーキコイル１に比べて、高温超電導線材２０の冷却効率が良く、コイル形状の維持が良好である。
【００５５】
また、パンケーキコイル１Ｃは、巻線前に金属テープ５２をはんだ付けなどの方法により高温超電導線材２０に取り付けておくと金属テープ５２と高温超電導線材２０との間の伝熱性が向上し、冷却特性をさらに向上させることができる。
【００５６】
［第１の実施形態の第４変形例］
図５は、本発明のパンケーキコイルの第１実施形態の第４変形例の拡大断面図である。第１実施形態の第４変形例として示すパンケーキコイル１Ｄは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じであるため、外観を図１に示す。
【００５７】
パンケーキコイル１Ｄは、図３に第１実施形態の第２変形例として示したパンケーキコイル１Ｂに比較して、絶縁テープ５１を共巻テープ５３に代えた点で異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｄとパンケーキコイル１Ｂとで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００５８】
パンケーキコイル１Ｄの高温超電導線材２０と共巻テープ５３との共巻きの構造は、図５に示される。図５に示される巻線部部分１１０Ｄは、図１に示した巻線部部分１１０に相当するものである。
【００５９】
図５に示すように、巻線部部分１１０Ｄでは、共巻テープ５３は高温超電導線材２０よりも幅が狭いものになっている。
【００６０】
共巻テープ５３は、室温の２０℃から極低温の４Ｋまで冷却しても厚さ方向の熱収縮率が１％以下であるとともに、厚さ方向に力Ｐを加え厚みを１％以上変形させても復元力を有する材料からなる。共巻テープ５３としては、第１実施形態の第３変形例として示したパンケーキコイル１Ｃに用いた金属テープ５２と同様なものが用いられる。
【００６１】
共巻テープ５３の巻回時に予圧縮力Ｐをかけると、得られるパンケーキコイル１Ｄは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、コイル形状の維持、伝熱特性がさらに良くなる。
【００６２】
パンケーキコイル１Ｄによれば、室温から超電導コイルの運転温度である極低温まで冷却した場合でも、高温超電導線材２０と共巻テープ５３との間に隙間が生じることがなく、コイル形状の維持、伝熱特性をさらに良くすることができる。
【００６３】
なお、図５に示す巻線部部分１１０Ｄでは、共巻テープ５０として熱収縮率が小さい共巻テープ５３を用いたが、共巻テープ５３に代えて、樹脂層３０の樹脂よりも室温の２０℃から極低温の４Ｋまでの熱収縮率が小さい材料を用いても同様の効果が得られる。このような材料としては、ガラス繊維強化型樹脂テープが挙げられる。
【００６４】
［第２の実施形態］
図６は、本発明のパンケーキコイルの第２実施形態を示す図である。具体的には、図６（ａ）は軸方向中心に筒状空間を有するパンケーキ状のパンケーキコイルの軸方向に沿って切断した断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）に示すパンケーキコイルの他の一部の拡大断面図である。
【００６５】
第２実施形態として示すパンケーキコイル１Ｅは、外観が第１実施形態として示したパンケーキコイル１と同じである。
【００６６】
パンケーキコイル１Ｅは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、巻き始め部１７および巻き終わり部１８における高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造が異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｅとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００６７】
図６（ｂ）は、パンケーキコイル１Ｅの巻き始め部１７の巻線部部分１１０Ｅの拡大断面図である。図６（ｃ）は、パンケーキコイル１Ｅの巻回途中部１９の巻線部部分１１０Ｅの拡大断面図である。なお、図示しないが、パンケーキコイル１Ｅの巻き終わり部１８の巻線部部分は、巻き始め部１７の巻線部部分と同じ構造になっている。
【００６８】
図６（ｃ）に示すように、パンケーキコイル１Ｅの巻回途中部１９の巻線部部分１９０Ｅにおける高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造は、図１に示したパンケーキコイル１の巻線部部分１１０の構造と同じである。
【００６９】
しかし、図６（ｂ）に示すように、パンケーキコイル１Ｅの巻き始め部１７の巻線部部分１７０Ｅにおいては、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との共巻きの構造は、１９０Ｅの構造と異なる。
【００７０】
すなわち、巻き始め部１７の巻線部部分１７０Ｅにおいては、巻線側面部１２Ａおよび巻線側面部１２Ｂの表面の樹脂層３０に加え、共巻きされた高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との間にも樹脂の硬化物からなるテープ間樹脂層３１が形成される。また、巻き終わり部１８の巻線部部分も、巻き始め部１７の巻線部部分１７０Ｅと同様の構造になっている。テープ間樹脂層３１の形成に用いる樹脂としては、たとえば、樹脂層３０の形成に用いる樹脂と同じものが挙げられる。
【００７１】
テープ間樹脂層３１を形成する方法としては、たとえば、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とを共巻きして巻回する時に、樹脂を塗布する方法が挙げられる。
【００７２】
このようにテープ間樹脂層３１を形成すると、巻き終わり部１８および巻き始め部１７において高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とが巻きほぐれしにくくなる。なお、巻き終わり部１８および巻き始め部１７は周囲との境界であることから拘束力が弱くなる。このため、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１との間にテープ間樹脂層３１を形成しても、高温超電導線材２０と絶縁テープ５１とを剥離させようとする熱応力は小さくて済む。
【００７３】
パンケーキコイル１Ｅによれば、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、コイル形状の維持特性をさらに良くすることができる。
【００７４】
なお、図６には巻き終わり部１８および巻き始め部１７にテープ間樹脂層３１が形成された例を示したが、巻き終わり部１８および巻き始め部１７のいずれかのみにテープ間樹脂層３１が形成される構成とすることもできる。巻き終わり部１８および巻き始め部１７のいずれかのみにテープ間樹脂層３１が形成される構成とすると、製造コストを低くすることができる。
【００７５】
［第３の実施形態］
図７は、本発明のパンケーキコイルの第３実施形態を示す図である。具体的には、図７（ａ）は軸方向中心に筒状空間を有するパンケーキ状のパンケーキコイルの一部を軸方向に沿って切断した斜視図、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すパンケーキコイルの一部の拡大断面図である。
【００７６】
第３実施形態として示すパンケーキコイル１Ｆは、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比較して、巻き始め部１７の内周に巻き始め枠６１、および巻き終わり部１８の外周に巻き終わり枠６２を設けた点、および巻線部１１Ｆの軸方向を被覆する１対の絶縁板４５、４５を設けた点で異なり、他の点は同様である。このため、パンケーキコイル１Ｆとパンケーキコイル１とで同じ構成には、同じ符号を付し、作用についての説明を省略または簡略化する。
【００７７】
図７（ｂ）は、パンケーキコイル１Ｆの巻き始め部１７の巻線部部分１７０Ｆの拡大断面図である。
【００７８】
図７（ａ）に示すように、巻き始め枠６１は、略リング状に形成された絶縁体部６３と、絶縁体部６３の一部に設けられた電極部６４とからなる。
【００７９】
図７（ｂ）に示すように、巻き始め枠６１は、巻き始め部１７の高温超電導線材２０の最内周のターンに隣接して設けられている。
【００８０】
巻き始め枠６１の絶縁体部６３は、高温超電導線材２０の巻き始め部１７を保護するとともに高温超電導線材２０を電気的に絶縁するものである。絶縁体部６３の材質としては、たとえばＦＲＰ等が用いられる。
【００８１】
巻き始め枠６１の電極部６４は、巻き始め部１７の高温超電導線材２０と導通する部材である。電極部６４の材質としては、たとえば銅が用いられる。
【００８２】
また、巻線部１１Ｆの軸方向にある１対の表面には、１対の絶縁板４５、４５が設けられている。
【００８３】
さらに、パンケーキコイル１Ｆは、図示しないが、巻き終わり枠６２にも巻き始め枠６１と同様な形状、機能の略リング状に形成された絶縁体部とこの絶縁体部の一部に設けられた電極部とを備える。
【００８４】
このように巻き始め枠６１および巻き終わり枠６２を設けると、図６に第２実施形態として示すパンケーキコイル１Ｅのようにテープ間樹脂層３１を形成しなくても、巻き始め部１７および巻き終わり部１８の高温超電導線材２０の巻回形状を強く保持することができる。
【００８５】
パンケーキコイル１Ｆによれば、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１に比べて、コイル形状をさらに良く維持することができる。
【００８６】
なお、図７には巻き始め枠６１および巻き終わり枠６２が設けられた例を示したが、巻き始め枠６１および巻き終わり枠６２のいずれかのみを設ける構成とすることもできる。巻き始め枠６１および巻き終わり枠６２のいずれかのみを設ける構成とすれば、製造コストを低くすることができる。
【００８７】
＜高温超電導コイル＞
図８は、本発明の高温超電導コイルの断面図である。
【００８８】
高温超電導コイル２は、図１に第１実施形態として示したパンケーキコイル１を積層し、パンケーキコイル１、１間を電気的に接続したものである。
【００８９】
積層方向に隣接するパンケーキコイル１、１同士は、図８に示すように巻き始め部１７から引き出された高温超電導線材２０または巻き終わり部１８から引き出された高温超電導線材２０が、接続部７０で接続される。これにより、複数個のパンケーキコイル１は電気的に直列に接続されている。また、各パンケーキコイル１に取り付けられた伝熱板４０は、パンケーキコイル１の外部に延設されている。この伝熱板４０は、パンケーキコイル１の外部に延設されているため、高温超電導コイル２の効率的な冷却が可能である。
【００９０】
高温超電導コイル２によれば、コイル形状が維持されかつ高温超電導線材２０の内部に層間を剥離させる応力が発生しないとともに、冷却特性が良い。
【００９１】
なお、図８にはパンケーキコイル１を積層した例を示したが、本発明の高温超電導コイルは、パンケーキコイル１に代えて、パンケーキコイル１Ａ〜１Ｆを用いた構成としてもよい。得られた高温超電導コイルは、積層されたパンケーキコイルの特長を備えるものになる。
【００９２】
また、上記第１から第３の実施形態においては通常のパンケーキコイルを例として示したがレーストラック形状のパンケーキコイルにおいても同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ パンケーキコイル
２ 高温超電導コイル
１１、１１Ｆ 巻線部
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１７０Ｆ 巻線部部分
１２Ａ、１２B 巻線側面部
１５ 内周面
１６ 外周面
１７ 巻き始め部
１７０Ｅ 巻き始め部部分
１８ 巻き終わり部
１９ 巻回途中部
１９０Ｅ 巻回途中部部分
２０ 高温超電導線材
２１ 金属基板
２２ 中間層
２３ 超電導層
２４ 保護層
２５ 安定化層
３０ 樹脂層
３１ テープ間樹脂層
３５ 空間
４０ 伝熱板
４５ 絶縁板
５０ 共巻テープ
５１ 絶縁テープ
５２ 金属テープ
５３ 共巻テープ
Ｐ 予圧縮力
６１ 巻き始め枠
６２ 巻き終わり枠
６３ 絶縁体部
６４ 電極部
７０ 接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板の表面に中間層および酸化物超電導層を順次形成してなるテープ状の高温超電導線材を用い、この高温超電導線材が巻回されることにより軸方向中心を貫通する空間を有するパンケーキ状に形成されたパンケーキコイルにおいて、
軸方向の１対の端面を構成する巻線側面部の少なくとも一部が、樹脂層で被覆されたことを特徴とする高温超電導パンケーキコイル。
【請求項２】
前記樹脂層の表面に、伝熱部材が固着されたことを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項３】
前記高温超電導線材は、１ターンごとに高温超電導線材の幅方向にずれるように巻回されたことを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項４】
前記高温超電導線材は、共巻テープと共巻きして巻回したことを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項５】
前記共巻テープは、厚さ方向に１％以上変形させても復元力を有する材料からなることを特徴とする請求項４記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項６】
前記共巻テープは、熱収縮率が前記樹脂層よりも小さい材料からなることを特徴とする請求項４記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項７】
前記共巻テープは、前記高温超電導線材よりも幅が狭いことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項８】
前記共巻テープは、前記高温超電導線材よりも幅が広い金属テープであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項９】
前記共巻テープは、前記高温超電導線材よりも幅が広い絶縁テープおよび金属テープを含むことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１０】
前記高温超電導線材と金属テープとは、電気的に接続した後に巻回したことを特徴とする請求項８または９記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１１】
前記筒状空間に面した内周面近傍の巻き始め部および外周面近傍の巻き終わり部の少なくともいずれかにある高温超電導線材のターンは、隣接する高温超電導線材のターンとの間に樹脂が含浸されたものであることを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１２】
前記筒状空間に面した内周面近傍の巻き始め部および外周面近傍の巻き終わり部の少なくともいずれかに、前記巻き始め部または前記巻き終わり部を固定する枠体が取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１３】
前記枠体は、略リング状の絶縁体部と、この絶縁体部の一部に形成され前記高温超電導線材と電気的に接続された電極と、を有することを特徴とする請求項１２記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の高温超電導パンケーキコイルを積層し、接続したことを特徴とする高温超電導コイル。
【請求項１】
金属基板の表面に中間層および酸化物超電導層を順次形成してなるテープ状の高温超電導線材を用い、この高温超電導線材が巻回されることにより軸方向中心を貫通する空間を有するパンケーキ状に形成されたパンケーキコイルにおいて、
軸方向の１対の端面を構成する巻線側面部の少なくとも一部が、樹脂層で被覆されたことを特徴とする高温超電導パンケーキコイル。
【請求項２】
前記樹脂層の表面に、伝熱部材が固着されたことを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項３】
前記高温超電導線材は、１ターンごとに高温超電導線材の幅方向にずれるように巻回されたことを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項４】
前記高温超電導線材は、共巻テープと共巻きして巻回したことを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項５】
前記共巻テープは、厚さ方向に１％以上変形させても復元力を有する材料からなることを特徴とする請求項４記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項６】
前記共巻テープは、熱収縮率が前記樹脂層よりも小さい材料からなることを特徴とする請求項４記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項７】
前記共巻テープは、前記高温超電導線材よりも幅が狭いことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項８】
前記共巻テープは、前記高温超電導線材よりも幅が広い金属テープであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項９】
前記共巻テープは、前記高温超電導線材よりも幅が広い絶縁テープおよび金属テープを含むことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１０】
前記高温超電導線材と金属テープとは、電気的に接続した後に巻回したことを特徴とする請求項８または９記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１１】
前記筒状空間に面した内周面近傍の巻き始め部および外周面近傍の巻き終わり部の少なくともいずれかにある高温超電導線材のターンは、隣接する高温超電導線材のターンとの間に樹脂が含浸されたものであることを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１２】
前記筒状空間に面した内周面近傍の巻き始め部および外周面近傍の巻き終わり部の少なくともいずれかに、前記巻き始め部または前記巻き終わり部を固定する枠体が取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１３】
前記枠体は、略リング状の絶縁体部と、この絶縁体部の一部に形成され前記高温超電導線材と電気的に接続された電極と、を有することを特徴とする請求項１２記載の高温超電導パンケーキコイル。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の高温超電導パンケーキコイルを積層し、接続したことを特徴とする高温超電導コイル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２６７８８７（Ｐ２０１０−２６７８８７Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１９３０７（Ｐ２００９−１１９３０７）
【出願日】平成２１年５月１５日（２００９．５．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１５日（２００９．５．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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