JP2013012645A - 酸化物超電導コイル及び超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、酸化物超電導線材の冷却効率を良好とした酸化物超電導コイルの提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、金属製の基材と酸化物超電導層とが備えられたテープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材と樹脂層の少なくとも一方と巻回してなる要素コイルが、複数、各要素コイルをそれらの中心軸方向に金属製の冷却板を介し重ねて構成されたコイル積層体を備えた酸化物超電導コイルであって、前記各冷却板の少なくとも前記要素コイル側の面が高熱伝導絶縁部材で形成され、前記要素コイルの端面を構成する絶縁部材の端縁と樹脂層の端縁の少なくとも一方と前記酸化物超電導線材の端縁が前記高熱伝導絶縁部材に直接接触されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却効率を良好にした酸化物超電導コイルに関する。

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）といった様々な用途に使用されている。これまで、これらの用途には、超電導線材としてＮｂＴｉ等の金属系超電導体が広く用いられてきたが、近年、ビスマス系超電導線材（Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ：Ｂｉ２２１２、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ：Ｂｉ２２２３）やイットリウム系超電導線材ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲＥ１２３、ＲＥ：希土類元素）といった、酸化物高温超電導線材の開発が進められている。
酸化物高温超電導線材は、金属系超電導線材に比べ高温でも使用できることから、コイル等への応用開発も進められている。現状で提供されているほとんどの酸化物超電導線材はテープ状であり、このようなテープ状の超電導線材を用いた超電導コイルとして、パンケーキコイル、ダブルパンケーキコイル、あるいはダブルパンケーキコイルを複数個積層して構成された酸化物超電導コイルが知られている。

従来の金属系超電導線材を用いた超電導コイルは、超電導転移温度が低いため、高価な液体ヘリウム等で冷却されることが多いが、酸化物超電導線材は超電導転移温度が比較的高いため、安価な液体窒素で冷却し、運転することが可能である。
しかしながら、酸化物超電導線材は、液体窒素温度では臨界電流密度とその磁場特性が比較的良好ではないとされている。そのため、冷凍機による伝導冷却で液体窒素温度より低い温度に酸化物超電導コイルを冷却し、運転することで磁場中においても高い臨界電流密度が得られるように運転することが考えられている。

この伝導冷却による超電導コイルの一例として、以下の特許文献１に記載の構成が知られている。特許文献１に記載されている超電導コイルは、複数個のパンケーキコイルが積層され、各パンケーキコイルの間に冷却板が備えられており、これらの冷却板を冷凍機に接続された金属製の熱伝導バーを介し冷却し、効率良く超電導コイルを冷却できる構造とされている。
前記伝導冷却型超電導コイルの他の例として、以下の特許文献２に記載された構成が知られている。特許文献２に記載されている超電導コイルは、パンケーキ状に巻かれたコイルが冷却板と接触して冷却される構成であるが、この例では具体的にテープ状の超電導線材の側面が樹脂層、絶縁層を介し冷却板と接触され、伝導冷却される構成になっている。

特開平１１−１８６０２５号公報 特開２０１０−２６７８８７号公報

前記のような冷却板による伝導冷却は、特許文献１、２に記載されているように銅などの熱伝導性の高い金属製の冷却板を用い、絶縁のために超電導コイルと冷却板との間にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）のような絶縁材を介装することによりなされている。しかし、ＦＲＰなどの樹脂の絶縁材は酸化物超電導線材を用いる低温域においては熱伝導率が銅などの金属よりも３桁以上小さく、ＦＲＰを絶縁材として設けている場合は、低温域で使用する場合、冷却効率が低下する問題がある。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、冷却効率が良好な超電導コイルを提供することが可能な技術の提供を目的とする。

本発明の酸化物超電導コイルは、テープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材と樹脂層の少なくとも一方と巻回してなる要素コイルが、複数、各要素コイルをそれらの中心軸方向に金属製の冷却板を介し重ねて構成されたコイル積層体を備えた酸化物超電導コイルであって、前記各冷却板の少なくとも要素コイル側の面が熱伝導率５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高熱伝導絶縁部材で形成され、前記要素コイルの端面を構成する絶縁部材の端縁と樹脂層の端縁の少なくとも一方と前記酸化物超電導線材の端縁が前記高熱伝導絶縁部材に直接接触されていることを特徴とする。
冷却板に対し高熱伝導絶縁部材を介し酸化物超電導線材の端縁が接触されているので、冷却板から高熱伝導絶縁部材を介し酸化物超電導線材の端縁を効率良く伝導冷却できる酸化物超電導コイルを提供できる。
即ち、要素コイルの端面は酸化物超電導線材を構成する基材の端縁と酸化物超電導層の端縁に加え、絶縁部材の端縁または樹脂層の端縁が集まって構成されるが、要素コイルの端面側に金属製の基材端縁と酸化物超電導層の端縁が露出しているので、金属製の基材と酸化物超電導層を直に高熱伝導絶縁部材に接触させることができ、冷却板の伝導冷却によりこれらを効率良く冷却できる。

本発明の酸化物超電導コイルは、前記コイル積層体の中心を貫通するように設けられた巻胴と該巻胴の長さ方向両端部に設けられた金属製のフランジを備えてボビンが構成され、両フランジの内端面側に高熱伝導絶縁部材が設けられ、前記両フランジ間にコイル積層体が設けられるとともに、前記巻胴の一端に位置する要素コイルの外側端面に高熱伝導絶縁部材を介し一方のフランジが当接され、巻胴の他端に位置する要素コイルの外側端面に高熱伝導絶縁部材を介し他方のフランジが当接されたことを特徴とする。
金属製のフランジに対し高熱伝導絶縁部材を介し酸化物超電導線材の端縁が接触されているので、フランジと高熱伝導絶縁部材を介し酸化物超電導線材の端縁を効率良く冷却でき、冷却効率の良好な酸化物超電導コイルを提供できる。
即ち、要素コイルの端面は酸化物超電導線材を構成する基材の端縁と酸化物超電導層の端縁に加え、絶縁部材の端縁または樹脂層の端縁が集まって構成されるが、要素コイルの端面側に金属製の基材端縁と酸化物超電導層の端縁が露出しているので、金属製の基材と酸化物超電導層を直に高熱伝導絶縁部材に接触させることができ、金属製のフランジと高熱伝導絶縁部材を介しこれらを効率良く伝導冷却できる。

本発明の酸化物超電導コイルにおいて、前記高熱伝導絶縁部材が熱伝導率５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率を有する絶縁体であることが好ましい。
熱伝導率が５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上であれば樹脂材料よりも明らかに高熱伝導率であり、金属に匹敵する良好な熱伝導性であるので、効率の良い伝導冷却ができる。
本発明の酸化物超電導コイルは、前記酸化物超電導線材がテープ状の基材上方に配向性中間層と酸化物超電導層と金属製の安定化層を備えた積層構造とされ、要素コイルの外側端面に前記基材の端縁と前記安定化層の端縁が露出され、これらが前記高熱伝導絶縁部材に接触されてなる。
要素コイルの外側端面に金属製の基材の端縁と酸化物超電導層の端縁と金属製の安定化層の端縁が露出され、これらが直に高熱伝導性絶縁部材に接触されるので、高熱伝導性絶縁部材を介し冷却板から酸化物超電導層を効率の良く伝導冷却できる。

本発明の酸化物超電導コイルは、前記高熱伝導絶縁部材が窒化アルミニウムと炭化珪素の少なくとも一方からなる。
窒化アルミニウムと炭化珪素であるならば、絶縁性に優れ、熱伝導性にも優れているので、要素コイルを構成する酸化物超電導線材の絶縁性に優れるとともに、効率良く酸化物超電導線材を冷却できる要素コイルを備えた酸化物超電導コイルを提供できる。

本発明の酸化物超電導コイルは、真空容器と、該真空容器の内部に設けられた先のいずれか一項に記載の酸化物超電導コイルと、前記真空容器に設けられて前記超電導コイルの冷却板を冷却する冷凍機とを具備した超電導機器。
この発明により、冷却効率の良好な酸化物超電導コイルを備えた超電導機器を提供できる。

本発明によれば、酸化物超電導線材を樹脂層や絶縁材とともに巻回して構成した要素コイルを冷却板とともに備えた酸化物超電導コイルの構造において、冷却板から高熱伝導性絶縁部材を介し直接酸化物超電導層を冷却できる冷却効率の良好な酸化物超電導コイルを提供できる。また、冷却板から高熱伝導性絶縁部材を介し金属製の基材も直接冷却できるので、効率良く冷却している金属製の基材を介しその上方に形成されている酸化物超電導層を効率良く冷却できる構造を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る酸化物超電導コイルを示すもので、図１（Ａ）は側面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ部分の拡大断面図。 図１に示す酸化物超電導コイルに設けられているコイル積層体の分解斜視図。 図１に示す超電導コイルに適用されている酸化物超電導線材の拡大斜視図。 図１に示す超電導コイルを備えた超電導機器の一例を示す構成図。 本発明の第２実施形態に係る酸化物超電導コイルを示すもので、図５（Ａ）は側面図、図５（Ｂ）は部分拡大断面図。 ビスマス系酸化物超電導線材の一例構造を示す断面図。

以下、本発明に係る酸化物超電導コイルの第１実施形態について図面に基づいて説明するが、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。
図１（Ａ）に示すように本実施形態の酸化物超電導コイルＡは、薄型のリング状の要素コイル１を複数（図１（Ａ）に示す形態の場合は７個）、それらの中心軸を位置合わせして厚さ方向にドーナツ板状の冷却板２を介し積み上げて構成されたコイル積層体３を備えている。
また、筒状の巻胴５とその長さ方向両端に取り付けられたドーナツ板状のフランジ６、６を備えてボビン７が構成され、先のコイル積層体３の中心部を挿通するように巻胴５が設置され、フランジ６、６がコイル積層体３の積層方向両側（図１（Ａ）ではコイル積層体３の上下）を挟むように設置されて酸化物超電導コイルＡが形成されている。

要素コイル１は、図１（Ｂ）、図２に示すようにテープ状の酸化物超電導線材１０を樹脂層８および絶縁材９とともにパンケーキ状に巻き付けて構成されている。本実施形態において、酸化物超電導線材１０は図３に示すようにテープ状の基材１１の上に複数の層を積層した積層構造とされている。即ち、酸化物超電導線材１０は、一例として、基材１１の上に下地層１２、配向性中間層１５、キャップ層１６、酸化物超電導層１７、第一の安定化層１８、第二の安定化層１９が積層された構造とされている。なお、酸化物超電導線材１０として後述する構造のビスマス系酸化物超電導線材を用いてもよい。また、基材１１として、Ｎｉ合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材等を適用することもできる。

本実施形態の酸化物超電導線材１０に適用できる基材１１は、ニッケル合金からなることが好ましい。市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）などが好適であり、その厚さは、例えば１０〜５００μｍである。
下地層１２は、耐熱性が高く、界面反応を低減するものであり、例えば膜厚１０〜２００ｎｍである。基材１１と下地層１２との間に拡散防止層が介在されても良く、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。拡散防止層としてＡｌ_２Ｏ_３、下地層１２としてＹ_２Ｏ_３を例示できる。

配向性中間層１５は２軸配向する物質から選択される。具体的に配向性中間層１５は、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ等の金属酸化物を例示できる。この配向性中間層１５をイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１５゜以下）で成膜するならば、その上に形成するキャップ層１６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができ、これによりキャップ層１６の上に成膜する酸化物超電導層１７の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。

配向性中間層１５の厚さは、通常は、０．００５〜２μｍの範囲とすることができる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された金属酸化物層が好ましく、ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、下地の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。
キャップ層１６は、結晶粒が面内方向に選択成長するものが好ましい。キャップ層１６の一例としてＣｅＯ_２を選択できる。キャップ層１６の膜厚は、５０〜１０００ｎｍとすることができる。

酸化物超電導層１７は公知のもので良く、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものを例示できる。この酸化物超電導層１７として、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）などを例示できる。酸化物超電導層１７の厚みは、０．５〜５μｍ程度であることが好ましい。

酸化物超電導層１７の上に積層されている第一の安定化層１８はＡｇあるいは貴金属などからなる層として形成され、安定化層１８の厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
第二の安定化層１９は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、酸化物超電導層１７が超電導状態から常電導状態に遷移した時に、第一の安定化層１８とともに、酸化物超電導層１７の電流が転流するバイパスとして機能する。第二の安定化層１９は、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金等の比較的安価なものを用いるのが好ましい。第二の安定化層１９の厚さは１０〜３００μｍとすることができる。

以上構成のテープ状の酸化物超電導線材１０は樹脂層８と絶縁材９とともに図示略の巻枠等にパンケーキ状に巻回されて薄型のリング状の要素コイル１が構成されている。要素コイル１の中心には中心孔１ｂが形成されている。
要素コイル１に設けられている樹脂層８は、一例としてエポキシ系樹脂層から構成されるが、熱硬化性樹脂の内部に炭素繊維あるいは繊維ファイバーを混入したプリプレグを焼成した層から構成されていても良い。
絶縁材９はポリイミドテープやＦＲＰ（繊維強化プラスチック）テープなどから構成されている。
前記構造において樹脂層８は主に巻き付けた酸化物超電導線材１０間の一体化のために設けられ、冷却板２と酸化物超電導線材１０との固着のために設けられている。絶縁材９は酸化物超電導線材１０間の絶縁のために設けられている。
なお、樹脂層８として液状のエポキシ樹脂を用いる場合は、巻線時に絶縁剤９が無いと酸化物超電導線材１０同士が接触して短絡するおそれがあるので、絶縁材９は必須となる。樹脂層８としてプリプレグを用いると樹脂層としての機能と絶縁材としての機能を兼ね備えることができるが、酸化物超電導線材１０の表面に位置する第二の安定化層１９と樹脂を接着させたくない場合（劣化の可能性がある場合）があるので、この場合においても樹脂層８の他に絶縁材９を設けることが好ましい。

本実施形態においては、図１（Ｂ）に示すように、酸化物超電導線材１０について基材１１を外側に（ボビン３の外側に）、第二の安定化層１９を内側に（ボビン３の内側に）配置するように巻回して要素コイル１が構成されている。また、酸化物超電導線材１０の外側に樹脂層８を配置し内側に絶縁材９を配置するようにパンケーキ状に巻回して要素コイル１が構成されている。この要素コイル１は、その両端面１ａに酸化物超電導線材１０の端縁と樹脂層８の端縁と絶縁材９の端縁が渦巻き状に露出した形状とされている。
なお、樹脂層８を安定化層１９に積極的に接触させると、冷却時の熱収縮で超電導特性が劣化するおそれがあるので、安定化層１９の直上に絶縁材１９を設けることが好ましい。また、酸化物超電導線材１０のボビン３に対する巻付け方は、基材１１を外側としても内側としても、基本的にどちらでも良い。

冷却板２は良熱伝導性の金属材料からなり、厚さ１〜数ｍｍ程度のドーナツ板状に形成されている。冷却板２の中心孔２ａは要素コイル１の中心孔１ｂと同等の直径に形成され、要素コイル１と冷却板２を重ねた場合にそれらの中心孔１ｂ、２ａどうしを位置合わせできるように形成されている。冷却板２の外径は要素コイル１の外径よりも若干大きく形成され、要素コイル１と冷却板２とを重ねた状態において冷却板２の周縁部は要素コイル１の外方に若干突出されている。

なお、図面では略されているが、積み重ねられた複数の要素コイル１はそれぞれの内周部から引き出された酸化物超電導線材１０どうしが相互接続されていて、積み重ねられた要素コイル１の酸化物超電導線材１０どうしが電気的に接続されて全ての要素コイル１の酸化物超電導線材１０に通電可能とされている。
冷却板１２を構成する金属材料は特に制限されず、適宜変更可能であるが、熱伝導性に優れた金属材料が望ましく、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅、リン青銅などの銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などが挙げられる。

本実施形態の冷却板１２の表裏面には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と炭化珪素（ＳｉＣ）の少なくとも一方からなる高熱伝導絶縁部材２ａが被覆されている。この高熱伝導性絶縁部材２ａは、窒化アルミニウムあるいは炭化珪素のシートを冷却板１２の表裏面に貼り付けて構成されるか、窒化アルミニウムあるいは炭化珪素の被覆層を溶射法あるいは蒸着法により冷却板１２の表裏面に成膜することで形成されている。また、高熱伝導絶縁部材２ａは、コイル積層体３の上下に設置されているフランジ６において、要素コイル１側の面にも形成されている。

窒化アルミニウムの常温における熱伝導率は、１００〜３５０Ｗ／ｍ／Ｋ、絶縁破壊電圧は１１．７ＭＶ／ｃｍであり、炭化珪素の常温における熱伝導率は５０〜３５０Ｗ／ｍ／Ｋ、絶縁破壊電圧は２．０ＭＶ／ｃｍである。この種の超電導コイルの通電量において、絶縁耐圧は１ｋＶ程度の絶縁があれば良好と考えられるので、１ＭＶ／ｃｍの材料において１０μｍ程度の厚さがあれば、十分である。従って、上述の材料であれば、厚さ１０μｍ程度の高熱伝導性絶縁部材２ａであれば絶縁耐圧として十分な構造が得られ、良好な熱伝導性も得られる。また、本実施形態において、高熱伝導性とは、一例として常温における熱伝導率が５０〜３５０Ｗ／ｍ／Ｋの材料を示す。

図１に示す酸化物超電導コイルＡは例えば、図４に示す超電導機器２０に組み込まれて冷却されて使用される。
図４に示す超電導機器２０は、真空容器などの収容容器２１と、その内部に設置された酸化物超電導コイルＡと、収容容器２１の内部の酸化物超電導コイルＡを臨界温度以下に冷却するための冷凍機２２を備えて構成されている。収容容器２１は、図示略の真空ポンプに接続されていて、内部を目的の真空度に減圧できるように構成されている。また、酸化物超電導コイルＡは収容容器２１の外部の電源２５に電流リード線２５ａ、２５ｂを介し接続されており、この電源２５から酸化物超電導コイルＡに通電できるようになっている。

なお、図４においては図面の簡略化のために酸化物超電導コイルＡに設けている要素コイル１を４段構成に略記している。図４の構成において、最上段の要素コイル１の酸化物超電導線材１０に電流リード線２５ａが接続され、最下段の要素コイル１の酸化物超電導線材１０に接続線２５ｂが接続され、電源２５から酸化物超電導コイルＡに通電が可能とされている。
超電導機器２０において酸化物超電導コイルＡの冷却板２とフランジ６を上下に貫通するように冷却ロッド２３が複数本設けられている。これらの冷却ロッド２３は酸化物超電導コイルＡの上部側のフランジ６を貫通して上方に延出形成され、酸化物超電導コイルＡの上方に設置された金属製のフレーム部材２５に接続され、このフレーム部材２５が冷凍機２２の下端部に接続されている。

図４に示す超電導機器２０において、冷凍機２２を作動させると冷凍機２２がフレーム部材２５、冷却ロッド２３を介してフランジ６、６と複数の冷却板２を冷却するので、冷却板２の両面側に高熱伝導性絶縁部材２ａを介し接触している酸化物超電導線材１０を直接冷却することができる。
この冷却動作の際、金属製の冷却板２に対し、熱伝導性に優れた高熱伝導性絶縁部材２ａに対して酸化物超電導線材１０の基材１１の端縁と、酸化物超電導層１７の端縁と、第一の安定化層１８の端縁と、第二の安定化層１９の端縁を図１（Ｂ）に示すように直接接触させているので、良好な熱伝導性でもって酸化物超電導層１７を伝導冷却できる結果、酸化物超電導層１７を効率良く冷却することができる。
上述の構成では熱伝導率が５０〜３５０Ｗ／ｍ／Ｋの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と炭化珪素（ＳｉＣ）の少なくとも一方からなる高熱伝導絶縁部材２ａを設けているので、良好な冷却効率が得られる。

基材１１と第一の安定化層１８と第二の安定化層１９はいずれも金属製であり、熱伝導性は良好であり、これらが冷却板２と高熱伝導性絶縁部材２ａを介し効率良く冷却できる結果、酸化物超電導層１７をその両側に位置する金属製の基材１１と第一の安定化層１８と第二の安定化層１９を介し効率良く冷却できる。
また、酸化物超電導線材１０に通電する場合、酸化物超電導層１７に超電導電流が流れるが、酸化物超電導層１７の端縁が金属製の冷却板２に近接しているとしても、冷却板２との間に高熱伝導絶縁部材２ａを介在させているので、通電しても絶縁性の面で問題を生じない。高熱伝導絶縁部材２ａは前述の如く優れた絶縁耐性も有するので、絶縁耐性の面においても不足は生じない。

なお、要素コイル１を構成する場合、基材１１と酸化物超電導層１７と第一の安定化層１８と第二の安定化層１９をいずれにおいても同じ幅で形成したとしても、これらが酸化物超電導線材１０の全長にわたり完全に均一幅に揃っているとは限らない。従って、酸化物超電導線材１０を巻回して要素コイル１を形成した場合、要素コイル１の両側の端面１ａは、理想的な平滑面になる訳ではなく、多少の凹凸を有した面となる。即ち、要素コイル１の両端面１ａは、基材１１の端縁と酸化物超電導層１７の端縁と第一の安定化層１８の端縁と第二の安定化層１９の端縁と樹脂層８の端縁と絶縁材９の端縁からなる凹凸が生成する。

この場合、図１（Ｂ）に示すように理想的に端縁が揃った平面状態から多少の凹凸を有する状態となり、凹凸を有したまま要素コイル１の端面１ａは高熱伝導絶縁部材２ａに押し付けられる。積層構造の酸化物超電導線材１０のうち、厚さの大部分を占める基材１１の端縁と第二の安定化層１９の端縁が、両方とも金属製で熱伝導性に優れ、剛性にも優れる。要素コイル１と高熱伝導絶縁部材２ａを接触させた構造においては、これら剛性の高い金属製の基材１１の端縁と第二の安定化層１９の端縁を樹脂層８あるいは絶縁材９の端縁よりも高熱伝導性絶縁部材２ａ側に強く接触させることができるので、熱伝導性に優れる基材１１あるいは第二の安定化層１９を介し確実に高熱伝導絶縁部材２ａに接触させることができ、良好な熱効率でもって酸化物超電導層１７を冷却できる効果がある。

図５は、本発明に係る第２実施形態の酸化物超電導コイルＣを示すもので、この実施形態の酸化物超電導コイルＣは、先の第１実施形態の酸化物超電導コイルＡとほぼ同等構造であり、異なる点は要素コイル１、１間に介挿されている冷却板２Ａの全体が高熱伝導性絶縁部材からなる点である。また、本実施形態においては、ボビン７のフランジ６と要素コイル１との間にも冷却板２Ａが介挿されている。
その他の構造については先の第１実施形態の酸化物超電導コイルＡと同等であるので、同等の部分の構造について説明を略する。

第２実施形態の酸化物超電導コイルＣにおいて、冷却板２Ａの全体が高熱伝導性絶縁部材からなるので、先の第１実施形態の酸化物超電導コイルＡと同等の作用効果を得ることができる。

ところで、これまで説明した実施例においては、基材１１の上方に配向性中間層１５を介しＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘなる組成系の酸化物超電導層１７を設けた構造の酸化物超電導線材１０を用いて要素コイル１を形成した例について説明したが、本発明をビスマス系超電導線材（Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ：Ｂｉ２２１２、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ：Ｂｉ２２２３）について適用できるのは勿論である。
ビスマス系超電導線材の構造は図６に例示するようにＡｇなどのテープ状の安定化材からなるシース３０の内部に酸化物超電導層３１を内包した酸化物超電導線材３２が主体であるので、このテープ状のビスマス系の酸化物超電導線材３２を先の第１実施形態と第２実施形態の酸化物超電導線材１０の代わりに用いることでビスマス系の酸化物超電導線材３２を用いた酸化物超電導コイルに本発明を適用することができる。
なお、ビスマス系超電導線材においても、コイルを構成する場合、絶縁テープやプリプレグの幅を超電導線材よりも若干幅狭としておくと、線材両端側に凹凸が生じるのでＡｇ安定化材のシース３０を冷却板の皮膜に強く押し付けて接触させることができるので、その場合の熱伝達効率が向上し、酸化物超電導コイルとしての冷却効率を向上できる。

ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍのテープ状の基材を用意し、このテープ状基材の表面にＡｌ_２Ｏ_３からなる厚さ１００ｎｍの拡散防止層を形成し、更にその上にイオンビームスパッタ法を用いてＹ_２Ｏ_３からなる厚さ３０ｎｍのベッド層を形成した。イオンビームスパッタ法の実施にあたりテープ状の基材はスパッタ装置の内部においてリールに巻回しておき、一方のリールから他方のリールに繰り出す間に成膜できるようにして基材の全長に形成した。次に、イオンビームアシスト蒸着法によりベッド層上に厚さ１０ｎｍのＭｇＯの配向層を形成した。この場合、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対し、４５゜とした。

続いてパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）を用いてＭｇＯの配向層上にＣｅＯ_２の厚さ５００ｎｍのキャップ層を形成した。更に、このキャップ層上にパルスレーザー蒸着法によりＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの厚さ約２μｍの酸化物超電導層を形成した。
次に、スパッタ法により酸化物超電導層上に厚さ１０μｍのＡｇの第一の安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行った。この後、第一の安定化層の上に厚さ３００μｍの銅テープを半田付けして酸化物超電導線材を得た。
以上の工程により、テープ状の基材上に拡散防止層とベッド層と配向層とキャップ層と酸化物超電導層と第一の安定化層と第二の安定化層を備えた構造の酸化物超電導線材を形成した。

次いで、この酸化物超電導線材とポリイミド製の幅１０ｍｍ、厚さ０．０１２５ｍｍ（１２．５μｍ）のテープとエポキシ樹脂製の幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープを共巻きして内径７０ｍｍとして同心円状に３５回巻回させてパンケーキコイルを作成した。同様の手順で７個のパンケーキコイルを作製した。銅製の厚さ１ｍｍ、外径８７ｍｍ、中央の開口７０ｍｍの冷却板の表裏面に溶射法により窒化アルミニウムの皮膜を厚さ１０μｍになるように被覆した。この冷却板を６枚作製した。また、銅製のボビンのフランジ板の内側面にも同様の窒化アルミニウムの皮膜を溶射法により形成した。
７個のパンケーキコイルを冷却板を介し銅製のボビンの巻胴に積み重ね、巻胴の両端側に窒化アルミニウムの皮膜付きのフランジを押し付け固定してボビンを構成し、図１（Ａ）に示す構成の酸化物超電導コイルを得た。

「比較例１」
また、比較のために、先と同様の酸化物超電導線材の全周に厚さ約０．０１２５ｍｍのポリイミドテープをらせん状に隙間無く巻き付けたポリイミドテープ被覆型の酸化物超電導線材を得た。この酸化物超電導線材を先と同様の工程に基づき、エポキシ樹脂のテープとともに共巻きして内径７０ｍｍとして同心円状に３５回巻回させてパンケーキコイルを作成した。このパンケーキコイルを窒化アルミニウムの皮膜を設けていない冷却板を用いて７個積み重ねてボビンに組み込み、酸化物超電導コイルを作製した。この酸化物超電導コイルは、酸化物超電導線材の全周をポリイミドテープで覆っているので、冷却板と酸化物超電導線材との間にポリイミド層が介在された構造となっている。

図１（Ａ）に示す構造とした上述の酸化物超電導コイルと比較例１の酸化物超電導コイルを図５に示す構造の真空容器にそれぞれ組み込んで超電導機器に組み込み、冷凍機により冷却を開始してから、酸化物超電導線材を−２５３℃（２０Ｋ）まで冷却できる時間を計測した。
実施例の酸化物超電導コイルが−２５３℃に到達するまで２０時間かかり、比較例１の酸化物超電導コイルが−２５３℃に到達するまで２４時間かかった。

実施例の酸化物超電導コイルと比較例１の酸化物超電導コイルの比較から、実施例の酸化物超電導コイルの方が短時間で冷却できているので、冷却効率が優れていることが明かとなった。
また、先の実施例の酸化物超電導線材を用いてパンケーキコイルを作成する場合、ポリイミド製のテープとエポキシ樹脂製のテープを幅９ｍｍとし、先の実施例と同様にパンケーキコイルを作成し、このパンケーキコイルを用いて酸化物超電導コイルを作成し、同様の冷凍機による冷却試験を行った。超電導線材の基材と安定化層の幅は１０ｍｍである。
この構造の場合、同等の冷却運転条件で−２５３℃まで冷却するのに１８時間で冷却できた。これは、ポリイミド製のテープとエポキシ樹脂製のテープより超電導線材の基材幅と安定化層の幅が若干大きいので、超電導コイルを構成した場合、冷却板に被覆した窒化アルミニウム皮膜に酸化物超電導線材の基材と安定化層が密着する結果、熱伝導効率が高くなった影響と思われる。

本発明は、例えば超電導モーター、超電導電力貯蔵装置などの各種の超電導機器に用いられる酸化物超電導コイルに適用することができる。

Ａ、Ｃ…超電導コイル、１…要素コイル、２…冷却板、２ａ、２Ａ…高熱伝導性絶縁部材、３…コイル積層体、５…巻胴、６…フランジ、７…ボビン、８…樹脂層、９…絶縁材、１０…酸化物超電導線材、１１…基材、１２…下地層、１５…配向性中間層、１６…キャップ層、１７…酸化物超電導層、１８…第一の安定化層、１９…第二の安定化層、２０…超電導機器、２１…真空容器、２２…冷凍機、２３…冷却ロッド、２５…電源。

Claims (5)

1. テープ状の酸化物超電導線材を絶縁部材と樹脂層の少なくとも一方と巻回してなる要素コイルが、複数、各要素コイルをそれらの中心軸方向に金属製の冷却板を介し重ねて構成されたコイル積層体を備えた酸化物超電導コイルであって、
   前記各冷却板の少なくとも前記要素コイル側の面が熱伝導率５０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高熱伝導絶縁部材で形成され、前記要素コイルの端面を構成する絶縁部材の端縁と樹脂層の端縁の少なくとも一方と前記酸化物超電導線材の端縁が前記高熱伝導絶縁部材に直接接触されていることを特徴とする酸化物超電導コイル。
2. 前記コイル積層体の中心を貫通するように設けられた巻胴と該巻胴の長さ方向両端部に設けられた金属製のフランジを備えてボビンが構成され、両フランジの内端面側に高熱伝導絶縁部材が設けられ、前記両フランジ間にコイル積層体が設けられるとともに、前記巻胴の一端に位置する要素コイルの外側端面に高熱伝導絶縁部材を介し一方のフランジが当接され、巻胴の他端に位置する要素コイルの外側端面に高熱伝導絶縁部材を介し他方のフランジが当接されたことを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導コイル。
3. 前記酸化物超電導線材がテープ状の基材上方に配向性中間層と酸化物超電導層と金属製の安定化層を備えた積層構造とされ、要素コイルの外側端面に前記基材の端縁と前記安定化層の端縁が露出され、これらが前記高熱伝導絶縁部材に接触されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物超電導コイル。
4. 前記高熱伝導絶縁部材が窒化アルミニウムと炭化珪素の少なくとも一方からな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酸化物超電導コイル。
5. 真空容器と、該真空容器の内部に設けられた請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸化物超電導コイルと、前記真空容器に設けられて前記超電導コイルの冷却板を冷却する冷凍機とを具備した超電導機器。

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