JP5687504B2 - 超電導コイル装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の超電導パンケーキコイルを積層した超電導コイル装置に関する。

超電導技術の向上に伴い、例えば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）、単結晶引き上げ装置などが実用化されている。これらの機器には、超電導線を巻き回してなる超電導コイルを使用するが、高温超電導線材のようなテープ形状の超電導線（超電導テープ線）を使用する場合には、同一平面上で超電導テープ線を巻き回したパンケーキ形状の超電導コイルを複数個組み合わせた超電導コイルとして使用する場合がある。

パンケーキ形状の超電導コイルを成形するためには、樹脂含浸された含浸コイルとするのが一般的で、その方法は塗り込み含浸方式と真空含浸方式がある。しかしながら、含浸コイルは冷却時に各部材の線膨張率の異方性により生じる超電導テープ厚さ方向の力（剥離力）に弱いため、冷却時に超電導特性が低下する問題がある。剥離力はコイルの内外径比に依存していることから、この問題を解決するためにパンケーキ内部に離型層を設け、内外径比をコントロールする方式がある（たとえば特許文献１参照）。

特開２０１０−２６７８３５号公報

しかしながら、コイル離型層はコイル巻厚方向に垂直に働く軸力に対し弱く、使用環境によっては劣化してしまう可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであって、複数の超電導パンケーキコイルを積層した超電導コイル装置の軸力に対する強度を確保し、超電導コイル装置の超電導特性低下を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る超電導コイル装置は、複数の超電導パンケーキコイルが軸方向に積層された超電導コイル装置であって、前記超電導パンケーキコイルそれぞれは、超電導テープ線と前記超電導テープ線のターンごとを互いに電気的に絶縁する絶縁テープとを複数ターン順次外側に重ねて同一平面内で巻き回された複合テープと、前記複合テープの間に配置されて、前記複合テープが互いに直接接触する場合に比べて互いの接着力を弱める離型層と、前記複合テープおよび離型層に含浸した含浸樹脂と、を有し、少なくとも上端の前記超電導パンケーキコイルの前記離型層の半径方向の位置が、軸方向に隣接する他の前記超電導パンケーキコイルの前記離型層の半径方向の位置と一致しておらず、前記超電導パンケーキコイルそれぞれには、複数の前記離型層が互いに半径方向に等間隔をあけて配置されていて、前記超電導パンケーキコイルの前記離型層の半径方向の位置が、軸方向に隣接する他の前記超電導パンケーキコイルの前記離型層の半径方向の間隔の中央にあること、を特徴とする。

本発明によれば、複数の超電導パンケーキコイルを積層した超電導コイル装置の軸力に対する強度を確保し、超電導コイル装置の超電導特性低下を抑制することができる。

本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部拡大断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施形態の平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第２の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第３の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第４の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第５の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第６の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第７の実施形態の平面図である。 図９のＸ−Ｘ線矢視断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第７の実施形態の部分断面図であって、図１０のＸＩ部拡大断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第８の実施形態の平面図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢視断面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第８の実施形態の部分断面図であって、図１３のＸＩＶ部拡大断面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明に係る超電導コイル装置の実施形態について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分については共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部拡大断面図である。図２は、本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施形態の平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。

この実施形態の超電導コイル装置は、電気的に互いに直列に接続された複数の超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎが軸方向に積層されて構成されている。各超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎは、巻芯１２と、電極１３と、超電導テープ線１４と、絶縁テープ１５と、離型層１６と、含浸樹脂１７と、を有する。

巻芯１２は、電気的絶縁材料、たとえば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で構成され、円筒状である。電極１３は金属製、たとえば銅製であって、巻芯１２に、ネジ１８によって機械的に固定されている。超電導テープ線１４は、電極１３に対してたとえばハンダによって機械的かつ電気的に接続された後に、巻芯１２および電極１３の周りに複数ターンが順次外側に重ねて同一平面内で巻き回されている。超電導テープ線１４とともに、巻芯１２および電極１３の周りに、絶縁テープ１５が巻き付けられ、これにより、超電導テープ線１４の各ターンが互いに電気的に絶縁されている。なお、超電導テープ線１４に絶縁テープ１５をあらかじめ巻きつけておくことで超電導テープ線１４の各ターンを互いに電気的に絶縁してもよい。以下、超電導テープ線１４と絶縁テープ１５とを「複合テープ」と呼ぶ。

さらに、複合テープの巻き回しの所定ターン数ごとに、たとえばテフロン（登録商標）テープからなる離型層１６が設けられている。離型層１６は、内外径比が許容値以下となるある一定の巻数ごとに設けられている。したがって、複数の離型層１６同士の半径方向の距離は等間隔となる。

そして、含浸樹脂１７により含浸されて成形されている。離型層１６により、複合テープが互いに直接接触する場合に比べて互いの接着力を弱められる。

軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎのうちで互いに軸方向に隣接する超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの電極１３は内側接続板２８によって電気的に接続されている。また、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ、１１ｂ，・・・，１１ｎのうちで互いに軸方向に隣接する超電導パンケーキコイル１１ａ、１１ｂ，・・・，１１ｎの超電導テープ線１４の外周部分は外側接続板１９によって互いに電気的に接続されている。これにより、超電導パンケーキコイル１１ａ、１１ｂ，・・・，１１ｎの超電導テープ線１４は、電気的に互いに直列に接続されている。

各離型層１６の半径方向の位置は、軸方向に隣接する他の超電導パンケーキコイルの離型層１６の半径方向の間隔の中央位置になっている。

この実施形態によれば、積層された超電導パンケーキコイルの離型層１６の半径方向位置が揃っていないので、超電導コイル装置のコイル軸方向の力がかかった場合に、離型層１６の脆弱さを、隣接する超電導パンケーキコイルが互いに補って支持する。これにより、離型層１６に過大な軸力をかけることが避けられ、超電導テープ線１４の超電導特性が低下することを防止または抑制することができる。特にこの実施形態では、各離型層１６の半径方向の位置が、軸方向に隣接する他の超電導パンケーキコイルの離型層１６の半径方向の間隔の中央位置になっていることから、離型層１６の脆弱さを均等に分散することができる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明に係る超電導コイル装置の第２の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。第１の実施形態で参照した図２および図３に示す構成は第２の実施形態でも共通である。

第２の実施形態では、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎのうちで軸方向の両端の超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｎの離型層１６の半径方向位置は互いに一致しており、その他の超電導パンケーキコイル１１ｂなどの離型層１６の半径方向位置は互いに一致しているが、両端の超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｎの離型層１６の半径方向位置とはずれている。

その他の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、積層された超電導パンケーキコイルのうちの特に軸方向端部において離型層１６の半径方向位置が揃っていないので、超電導コイル装置のコイル軸方向の力がかかった場合に、離型層１６の脆弱さを、隣接する超電導パンケーキコイルが補って支持する。これにより、離型層１６に過大な軸力をかけることが避けられ、超電導テープ線１４の超電導特性が低下することを防止または抑制することができる。この実施形態では第１の実施形態に比べると効果が限定的であるが、応力が集中することの多い軸方向端部において離型層１６の半径方向位置が揃っていないので、効果がある。

［第３の実施形態］
図５は、本発明に係る超電導コイル装置の第３の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。第１の実施形態で参照した図２および図３に示す構成は第３の実施形態でも共通である。

第３の実施形態では、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎのうちで軸方向の上端の超電導パンケーキコイル１１ａを除く他の超電導パンケーキコイル１１ｂ，・・・，１１ｎの離型層１６の半径方向位置は互いに一致しているが、上端の超電導パンケーキコイル１１ａの離型層１６の半径方向位置だけがずれている。

その他の構成は第１および第２の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、積層された超電導パンケーキコイルのうちの特に上端部において離型層１６の半径方向位置が揃っていないので、超電導コイル装置のコイル軸方向の力がかかった場合に、離型層１６の脆弱さを、隣接する超電導パンケーキコイルが互いに補って支持する。これにより、離型層１６に過大な軸力をかけることが避けられ、超電導テープ線１４の超電導特性が低下することを防止または抑制することができる。この実施形態では第１および第２の実施形態に比べると効果が限定的であるが、応力が集中することの多い上端部において離型層１６の半径方向位置が揃っていないので、効果がある。

［第４の実施形態］
図６は、本発明に係る超電導コイル装置の第４の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。第１の実施形態で参照した図２および図３に示す構成は第４の実施形態でも共通である。

第４の実施形態は第１の実施形態の変形であって、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間に絶縁板２０がはさまれている。絶縁板２０は、中央に円形の開口を有する円板状であって、たとえば窒化アルミニウム製である。

その他の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、離型層１６に過大な軸力をかけることが避けられ、超電導テープ線１４の超電導特性が低下することを防止または抑制することができる。さらに、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間の絶縁を強化することができ、耐電圧を向上することができる。

［第５の実施形態］
図７は、本発明に係る超電導コイル装置の第５の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。第１の実施形態で参照した図２および図３に示す構成は第５の実施形態でも共通である。

第５の実施形態は第１の実施形態の変形であって、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間に冷却板２１がはさまれている。冷却板２１は、中央に円形の開口を有する円板状である。

その他の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、離型層１６に過大な軸力をかけることが避けられ、超電導テープ線１４の超電導特性が低下することを防止または抑制することができる。さらに、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間の伝熱特性を向上させることができる。すなわち、離型層１６の伝熱特性の悪さを補い、コイル径方向の冷却特性を向上させることができる。これにより、コイル径方向の冷却特性が良く局所発熱しにくい安定した超電導コイル装置とすることができる。

［第６の実施形態］
図８は、本発明に係る超電導コイル装置の第６の実施形態の部分断面図であって、図３のＩ部に相当する拡大断面図である。第１の実施形態で参照した図２および図３に示す構成は第６の実施形態でも共通である。

第６の実施形態は、第４または第５の実施形態の変形であって、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間に、絶縁板２０と、これを両側からはさみ込む２枚の冷却板２１が配置されている。

その他の構成は第４および第５の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、第４および第５の実施形態と同様の効果の両方が得られる。すなわち、この実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるほか、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間の絶縁を強化することができ、さらに、軸方向に積層される超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間の伝熱特性を向上させることができる。

［第７の実施形態］
図９は、本発明に係る超電導コイル装置の第７の実施形態の平面図である。図１０は図９のＸ−Ｘ線矢視断面図である。図１１は、本発明に係る超電導コイル装置の第７の実施形態の部分断面図であって、図１０のＸＩ部拡大断面図である。

この実施形態で、軸方向に積層された超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの部分は第４の実施形態（図６）と同様であって、超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間に絶縁板２０がはさまれている。絶縁板２０は、たとえば窒化アルミニウム製である。

この実施形態では、積層された超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの上下両端が２枚の絶縁フランジ３０にはさまれており、これらの絶縁フランジ３０同士が複数のボルト３１とナット３２によって締め付けられている。絶縁フランジ３０は、中央に開口４０を有する円板状である。なお、図１０ではボルト３１は中心線のみを示している。

この実施形態によれば、第４の実施形態と同様の効果が得られるとともに、軸方向の力に対する強度が向上し、しかも超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎ同士の絶縁を強化することができる。

［第８の実施形態］
図１２は、本発明に係る超電導コイル装置の第８の実施形態の平面図である。図１３は図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢視断面図である。図１４は、本発明に係る超電導コイル装置の第８の実施形態の部分断面図であって、図１３のＸＩＶ部拡大断面図である。

この実施形態は、第７の実施形態の変形であって、積層された超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの上下両端が２枚の冷却フランジ３３にはさまれており、これらの冷却フランジ３３同士が複数のボルト３１とナット３２によって締め付けられている。冷却フランジ３３は絶縁フランジ３０と同様の形状であって、中央に開口４１を有する円板状である。

軸方向に積層された超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの部分は第７の実施形態（図１１）と同様、すなわち第４の実施形態（図６）と同様であって、超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの各層間に絶縁板２０がはさまれている。

この実施形態によれば、第４の実施形態と同様の効果が得られるとともに、軸方向の力に対する強度が向上し、しかも超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎ同士の絶縁を強化することができる。さらに、コイル径方向の冷却特性を向上させることができる。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、複数の超電導パンケーキコイルのそれぞれが、巻き芯と、電極と、超電導テープ線と、絶縁テープと、離型層とを有するシングルパンケーキコイル２個を軸方向に積層したダブルパンケーキコイルであるが、これに限定されるものではない。

また、上述の第４および第５の実施形態は、超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの離型層１６の半径方向位置の関係は第１の実施形態と同様なものとしたが、第４または第５の実施形態で、離型層１６の半径方向位置の関係が第２または第３の実施形態と同様なものとしてもよい。

また、上述の第７および第８の実施形態（図１１、図１４）では、第４の実施形態（図６）と同様に超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの層間に絶縁板２０がはさまれている。しかし、第７および第８の実施形態で、第５の実施形態（図７）と同様に超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎの層間に冷却板２１がはさまれていてもよい。

また、第３の実施形態では上端部の超電導パンケーキコイル１１ａの離型層１６の半径方向位置のみが他の超電導パンケーキコイル１１ｂ，・・・，１１ｎの離型層１６の半径方向位置と相違するものとしたが、上端部の超電導パンケーキコイル１１ａの離型層１６の半径方向位置のみが相違する場合に限定されない。すなわち、超電導パンケーキコイル１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎのいずれか少なくとも一つの離型層１６の半径方向位置が他のものと相違すれば、限定的ながらも従来技術に比べて効果がある。

１１ａ，１１ｂ，・・・，１１ｎ 超電導パンケーキコイル
１２ 巻芯
１３ 電極
１４ 超電導テープ線
１５ 絶縁テープ
１６ 離型層
１７ 含浸樹脂
１８ ネジ
１９ 外側接続板
２０ 絶縁板
２１ 冷却板
２８ 内側接続板
３０ 絶縁フランジ
３１ ボルト
３２ ナット
３３ 冷却フランジ
４０，４１ 開口

Claims (5)

1. 複数の超電導パンケーキコイルが軸方向に積層された超電導コイル装置であって、
   前記超電導パンケーキコイルそれぞれは、
   超電導テープ線と前記超電導テープ線のターンごとを互いに電気的に絶縁する絶縁テープとを複数ターン順次外側に重ねて同一平面内で巻き回された複合テープと、
   前記複合テープの間に配置されて、前記複合テープが互いに直接接触する場合に比べて互いの接着力を弱める離型層と、
   前記複合テープおよび離型層に含浸した含浸樹脂と、
   を有し、
   少なくとも上端の前記超電導パンケーキコイルの前記離型層の半径方向の位置が、軸方向に隣接する他の前記超電導パンケーキコイルの前記離型層の半径方向の位置と一致しておらず、
   前記超電導パンケーキコイルそれぞれには、複数の前記離型層が互いに半径方向に等間隔をあけて配置されていて、
   前記超電導パンケーキコイルの前記離型層の半径方向の位置が、軸方向に隣接する他の前記超電導パンケーキコイルの前記離型層の半径方向の間隔の中央にあること、
   を特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記複数の超電導パンケーキコイルが絶縁板をはさんで互いに軸方向に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
3. 前記複数の超電導パンケーキコイルが冷却板をはさんで互いに軸方向に隣接していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置。
4. 前記複数の超電導パンケーキコイルの軸方向の両端に配置された２個の絶縁フランジと、
   前記２個の絶縁フランジ同士を互いに締め付ける締め付け具と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超電導コイル装置。
5. 前記複数の超電導パンケーキコイルの軸方向の両端に配置された２個の冷却フランジと、
   前記２個の冷却フランジ同士を互いに締め付ける締め付け具と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超電導コイル装置。