JP6136316B2 - 超電導コイルおよび超電導コイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルおよび超電導コイル装置に関する。

特開２０１０−９８２６７号公報（特許文献１）は、超電導コイルに接続された電極を開示する。この電極は、超電導コイルの超電導線材に接続される第１電極と、第１電極に一体化された第２電極とを備える。第１電極は、超電導コイルの超電導線材の端末部に沿って周方向に延在する円弧状接触部と、該円弧状接触部の周方向の一端側でフランジに固定するとともに該フランジより突出させた固定部とを有する。第２電極は、フランジより外方に突出するとともに電源供給ケーブルとの接続部を有する形状とされる。第１電極の円弧状接触部は、超電導線材の端末部に半田付けされる。

特開２０１０−９８２６７号公報

特開２０１０−９８２６７号公報によれば、第１電極および第２電極は銅板により形成される。すなわち、超電導コイルの超電導線材は、銅電極に接続される。銅電極と超電導線材との接続部では、剛性が大きく変化する可能性がある。

たとえば超電導コイルの冷却および昇温が繰返される。この場合、銅電極と超電導線との間で熱収縮の度合いが異なることに起因する歪みが、銅電極と超電導線材との接続部に生じうる。また、コイルに電流が流れたときに、磁場と電流の相互作用による電磁力が生じうる。この電磁力によって超電導線材が応力を受ける。一方、コイルに電流が流れない時には上記の電磁力は生じない。したがって、コイルの通電および非通電を繰り返すことにより、銅電極と超電導線材との接続部には、応力が繰返して印加される。これらの応力によって、銅電極と接続される超電導線材の部分が損傷するという問題が生じうる。そして、超電導線材が酸化物超電導体で構成される場合、超電導線材は、歪に弱い。歪に弱い酸化物超電導線材に、銅電極と超電導線材との接続部に繰り返して応力が印加されることは好ましくない。

さらに、電極および／または超電導コイルのサイズに依存するものの、電極および超電導コイルの全体の熱容量が大きくなる場合がある。このような場合には、電極と超電導コイルの超電導線材とを半田付けするためには、電極と超電導線材との接続部分に大量の熱を与えて半田を溶かさなければならない。しかし超電導コイルの端部といった局所的な部分に大量の熱が与えられるため、超電導コイルの端部において超電導線材が損傷する可能性がある。そして、上記と同様に、超電導線材が酸化物超電導体で構成される場合、超電導線材は、歪に弱い。したがって、局所的な部分に大量の熱が与えられると、特に超電導線材が損傷する可能性がある。

上記のような超電導線材の損傷は、超電導線材の電気抵抗の上昇をもたらす。
したがって超電導コイルと接続される電極には、当該超電導コイルの端部での損傷を防ぐ構成を有することが求められる。しかしながら、特開２０１０−９８２６７号公報には、電極と超電導線材との接続部分において超電導線材が損傷する可能性があるという課題が示されておらず、そのため、その課題を解決するための方法も開示されていない。

本発明の目的は、超電導線材の損傷を防ぐことが可能な電極を備えた超電導コイルおよび、その超電導コイルを備えた超電導コイル装置を提供することである。

本発明のある局面に係る超電導コイルは、超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部と、コイル部に接続された第１の電極部材とを備える。第１の電極部材は、導電性材料からなる第１の引出電極と、第１の接続部材とを含む。第１の接続部材は、超電導線材からなる。第１の接続部材は、コイル部の超電導線材と第１の引出電極とを接続する。

この構成によれば、コイルの超電導線材は、第１の接続部材を介して第１の引出電極に接続される。第１の接続部材は、超電導線材からなる。したがってコイルの超電導線材と第１の接続部材との間での剛性の変化を小さくすることができる。第１の引出電極とコイル部の超電導線材との間で剛性が大きく異なる場合であっても、コイル部の端部に生じる応力（たとえば超電導コイルの冷却および昇温によって生じる応力）を小さくすることができる。したがって、コイル部の端部において超電導線材が損傷する可能性を小さくすることができる。

「剛性」とは、単位変形を起こすのに必要な力（荷重／変形量）として表現することができる。「剛性が高い（大きい）」とは、力に対して変形が小さいことであり、「剛性が低い（小さい）」とは、力に対する変形が大きいことであると定義することができる。

好ましくは、第１の引出電極の剛性は、コイル部を形成する超電導線材の剛性よりも高い。第１の接続部材の剛性は、第１の引出電極よりも低い。

この構成によれば、コイル部の超電導線材に接続される第１の接続部材の剛性は、第１の引出電極の剛性よりも小さい。したがって、第１の電極部材（第１の引出電極および第１の接続部材）とコイル部の端部の超電導線材との接続部分における剛性の変化を小さくすることができる。

好ましくは、コイル部を形成する超電導線材は、第１の超電導体と、第１の超電導体を被覆する、導電性の第１のシースとを含む。第１の接続部材は、第２の超電導体と、導電性の第２のシースとを含む。第２のシースは、第１のシースと同じ材料を含み、第２の超電導体を被覆する。

この構成によれば、コイル部を形成する超電導線材のシース（第１のシース）と、第１の接続部材のシース（第２のシース）とが同じ材料を含む。したがって、コイル部を形成する超電導線材と第１の接続部材との間で剛性の変化を小さくすることができる。

好ましくは、第１の接続部材は、コイル部が接続される第１の接続部と、第１の引出電極が接続される第２の接続部と、第１の接続部と第２の接続部との間に位置し、コイル部および第１の引出電極のいずれにも接続されていない中間部とを含む。

この構成によれば、たとえば、第１の接続部材の中間部が、第２の接続部における応力を緩和するバッファとして機能する。したがって、第１の接続部が、第２の接続部における応力の影響を受けることを回避できる。

好ましくは、超電導コイルは、コイル部に接続された第２の電極部材をさらに備える。第２の電極部材は、導電性材料からなる第２の引出電極と、第２の接続部材とを含む。第２の接続部材は、超電導線材からなり、コイル部と第２の引出電極とを接続する。

この構成によれば、超電導コイルは、第１の接続部材に加えて第２の接続部材を備える。第１の接続部材を第２の接続部材を、コイル部の入力電極および出力電極のうちの一方及び他方として使用することができる。第２の接続部材とコイル部との接続部分においても、コイル部の超電導線材が損傷する可能性を小さくすることができる。

好ましくは、超電導コイルは、第１の電極部材と第２の電極部材とを絶縁する絶縁部材をさらに備える。第１の引出電極と、第２の引出電極とは、絶縁部材を介在して一体化される。

この構成によれば、第１の引出電極と第２の引出電極とを近づけることができる。したがって、超電導コイル装置の第１の引出電極および第２の引出電極を、別の電気部品（たとえば電流リードなど）に接続する際の作業性を向上させることができる。

好ましくは、第１の接続部材の剛性は、少なくともコイル部を形成する超電導線材の剛性と同じである。

好ましくは、超電導線材は、酸化物超電導体で構成される。
この場合、酸化物超電導体で構成される超電導線材で形成されたコイル部の端部において、超電導線材が損傷する可能性を小さくできる。

本発明の他の局面に係る超電導コイル装置は、上記の超電導コイルを備える。
この構成によれば、コイル部の端部において超電導線材が損傷する可能性を小さくすることができる。

本発明によれば、超電導線材の損傷を防ぐことが可能な電極を備えた超電導コイルおよび、その超電導コイルを備えた超電導コイル装置を実現できる。

本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイルの構成を概略的に示す図である。 図１に示した電極１２ａ，１２ｂのうちの引出電極についての構成を概略的に示した図である。 コイル部１０と、電極１２ａ，１２ｂとの接続を説明するための平面図である。 コイル部１０が備える超電導線材３１、および接続部材１４ａの断面を模式的に示した図である。 接続部材１４ａの別の構成を示した模式的断面図である。 電極１２ａに流れる電流を説明するための図である。 引出電極１３ａの構成を示した図である。 引出電極１３ａの厚みと接続部材１４ａの厚みとの間の関係を説明するための図である。 図７に示すＸ方向から見た接続部材１４ａの先端の形状の例を示した図である。 引出電極１３ａと接続部材１４ａとの接続および接続部材１４ａとコイル１１ａとの接続を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１が備える電極の別の構成例を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１が備える電極のさらに別の構成例を説明するための図である。 電極の接続の向きの第１の例を示した図である。 電極の接続の向きの第２の例を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイルの構成を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態３に係る超電導コイル装置１０１の構成を示した図である。 本発明の実施の形態３に係る超電導コイル装置２０１の構成を示した図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイルの構成を概略的に示す図である。図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１は、コイル部１０を有する。コイル部１０は、酸化物系の超電導線材を巻回することによって形成される。この実施の形態では、コイル部１０は、いわゆるダブルパンケーキ型のコイルであり、コイル１１ａ，１１ｂを有する。コイル１１ａ，１１ｂは、その内周側で超電導線材を架け渡して連続させている。

超電導コイル１は、さらに、コイル部１０に接続される電極１２ａ，１２ｂを備える。電極１２ａは、コイル１１ａに接続される。電極１２ｂは、コイル１１ｂに接続される。電極１２ａ，１２ｂは、超電導コイル１の入力端子および出力端子のうちの一方および他方としての役割を担う。

電極１２ａ，１２ｂの各々は、同じ構成を有する。具体的には、電極１２ａは、引出電極１３ａと、超電導線からなる接続部材１４ａとを含む。電極１２ｂは、引出電極１３ｂと、超電導線からなる接続部材１４ｂとを含む。

引出電極１３ａ，１３ｂは、導電性材料（代表的には金属、一例では銅）からなる電極である。引出電極１３ａ，１３ｂには、たとえば図示しない電流リードをネジによって接続するための穴２１ａ，２１ｂがそれぞれ形成される。

接続部材１４ａは、引出電極１３ａと、コイル部１０を形成する超電導線材とを電気的に接続する。接続部材１４ｂは、引出電極１３ｂと、コイル部１０を形成する超電導線材とを電気的に接続する。

超電導コイル１は、さらに、固定ブロック１５と、伝熱部１６ａ，１６ｂとを備える。固定ブロック１５は、たとえばＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）などの絶縁部材によって形成される。固定ブロック１５は、引出電極１３ａと引出電極１３ｂとの間に配置される。

図２は、図１に示した電極１２ａ，１２ｂのうちの引出電極についての構成を概略的に示した図である。図２を参照して、引出電極１３ａ，１３ｂは、固定ブロック１５を挟んだ状態で固定ブロック１５に固定される。これにより、引出電極１３ａ，１３ｂが一体化される。図２に示されるＺ方向は、引出電極１３ａ，１３ｂが重ねられる方向である。この方向は引出電極１３ａ，１３ｂの厚み方向に相当する。Ｙ方向はＺ方向に直交する方向であるとともに、引出電極１３ａ，１３ｂの延在する方向である。Ｘ方向は、Ｚ方向およびＹ方向の両方に直交する方向である。

引出電極１３ａ，１３ｂが近づけられて配置されているので、引出電極１３ａ，１３ｂに電流リードなどの別の電気部品を接続する際の作業性を向上させることができる。引出電極１３ａ，１３ｂを固定ブロック１５に固定するための方法としては、たとえばネジによる固定など公知の方法を用いることができる。

引出電極１３ａは、先端部２２ａと、湾曲部２３ａと、後端部２４ａとを有する。引出電極１３ｂは、先端部２２ｂと、湾曲部２３ｂと、後端部２４ｂとを有する。引出電極１３ａの先端部２２ａおよび引出電極１３ｂの先端部２２ｂは、コイル部１０に向けられる部分である。

図１に戻り、伝熱部１６ａは、コイル１１ａと接触する。同じく、伝熱部１６ｂは、コイル１１ｂと接触する。伝熱部１６ａ，１６ｂは、コイル１１ａ，１１ｂをそれぞれ冷却あるいは昇温させるにコイル１１ａ，１１ｂに熱を伝える。なお、ネジなどの固定部材によって、固定ブロック１５と伝熱部１６ａ，１６ｂとを固定してもよい。

図１に示された構成では、超電導コイル１は、伝熱部１６ａ，１６ｂの両方を有する。ただし、超電導コイル１は、伝熱部１６ａ，１６ｂの一方のみを有していてもよい。また、超電導コイル１をＬＮ_２やＬＨｅなどの冷媒に直接浸漬する場合、伝熱部１６ａ，１６ｂを省略することができる。

図３は、コイル部１０と、電極１２ａ，１２ｂとの接続を説明するための平面図である。図３を参照して、コイル部１０（図３では、コイル１１ａが示される）は、酸化物超電導体を用いた超電導線材３１が巻回されることにより形成される。

電極１２ａにおいて、引出電極１３ａと接続部材１４ａとは半田によって機械的かつ電気的に接続される。接続部材１４ａは、半田によって、コイル１１ａの超電導線材３１に機械的かつ電気的に接続される。

接続部材１４ａは、第１の接続部と、第２の接続部と、中間部とを有する。接続部１９ａは、コイル１１ａの超電導線材３１に接続される接続部材１４ａの部分であり、第１の接続部に相当する。第２の接続部は、引出電極１３ａに接続される接続部材１４ａの部分である。引出電極１３ａに沿う接続部材１４ａの部分が、第２の接続部に相当する。中間部２０ａは、接続部材１４ａの第１の接続部（接続部１９ａ）と、接続部材１４ａの第２の接続部との間の部分である。接続部材１４ａの中間部２０ａは、コイル部（コイル１１ａ）および引出電極１３ａのいずれにも接続されていない。

同じように、電極１２ｂにおいて、引出電極１３ｂと接続部材１４ｂとは半田によって機械的かつ電気的に接続される。接続部材１４ｂは、半田によって、コイル１１ａの超電導線材３１に機械的かつ電気的に接続される。

接続部材１４ｂは、第１の接続部と、第２の接続部と、中間部とを有する。接続部１９ｂは、コイル１１ｂ（図１参照）の超電導線材３１に接続される接続部材１４ｂの部分であり、第１の接続部に相当する。第２の接続部は、引出電極１３ｂに接続される接続部材１４ｂの部分である。引出電極１３ｂに沿う接続部材１４ｂの部分が、第２の接続部に相当する。中間部２０ｂは、接続部材１４ｂの第１の接続部（接続部１９ｂ）と、接続部材１４ｂの第２の接続部との間の部分である。接続部材１４ｂの中間部２０ｂは、コイル部（コイル１１ｂ）および引出電極１３ｂのいずれにも接続されていない。

図３に示された構成では、引出電極１３ａ，１３ｂとコイル部１０との間に隙間が設けられる。ただし、このように限定される必要はない。コイル部１０の外周部分と引出電極１３ａ，１３ｂとの間の電気的絶縁を確保できるのであれば、コイル部１０の外周部分と、引出電極１３ａ，１３ｂとが接触していてもよい。

図４は、コイル部１０が備える超電導線材３１、および接続部材１４ａの断面を模式的に示した図である。図４を参照して、超電導線材３１は、長手方向に延びる複数の超電導体３２ａと、複数の超電導体３２ａの全周を被覆するシース部３２ｂとを有する。シース部３２ｂは超電導体３２ａに接触している。シース部３２ｂの材質は、たとえば銀、銀合金である。しかしながら、シース部３２ｂの材質は、銀、銀合金に限定されない。なお、超電導体３２ａの本数は、単数でもよい。

超電導線材である接続部材１４ａは、超電導線材３１と同じ構造を有する。接続部材１４ａは、長手方向に延びる複数の超電導体と、複数の超電導体の全周を被覆するシース部とを有する。接続部材１４ａのシース部の材質は、超電導線材３１のシース部と同じ材質からなり、具体的には、たとえば銀、銀合金である。

図５は、接続部材１４ａの別の構成を示した模式的断面図である。図４および図５を参照して、接続部材１４ａは、長手方向に延びる複数の超電導体３２ａと、複数の超電導体３２ａの全周を被覆するシース部３２ｂと、シース部３２ｂを覆うシース部材３３ａを有する。シース部材３３ａの材質は、たとえばステンレス鋼や銅合金が例示される。また、シース部３２ｂの側面は、必要に応じて半田３３ｂなどで覆われる。

接続部材１４ｂの構成は、接続部材１４ａと同様であり、図４あるいは図５に示された構成を有する。したがって接続部材１４ｂの構成については詳細な説明を以後繰り返さない。

本実施の形態に係る構成の特徴について、代表的に電極１２ａについて説明する。引出電極１３ａは、銅板によって形成される。超電導線材３１の剛性は引出電極１３ａの剛性よりも小さい。すなわち超電導線材３１は引出電極１３ａに比べて、応力による影響を受けやすい。コイル部１０の超電導線材３１に引出電極１３ａを半田によって接続すると、超電導線材３１と引出電極１３ａとの接続部において剛性が大きく変化する。

しかしながら、本実施の形態では、コイル部１０の超電導線材３１には、超電導線材からなる接続部材１４ａが接続される。超電導線材３１と接続部材１４ａとは、たとえば図４に示した構成を有する。コイルの超電導線材３１と接続部材１４ａとの間での剛性の変化は小さい。これにより、超電導コイル１の冷却および昇温によって、超電導線材３１と引出電極１３ａとの間に生じる応力を緩和することができる。あるいは、電磁力によって超電導コイル１に作用する力が働く場合にもコイル部１０の端部に生じる応力を小さくすることができる。

超電導線材３１に損傷部分が生じると、その損傷部分の電気抵抗が高くなる。本実施の形態によれば、接続部材１４ａと接続される超電導線材３１の部分が損傷する可能性を小さくすることができる。したがって上記の問題が生じる可能性を小さくすることができる。特に、超電導線材が酸化物超電導体で構成される場合、超電導線材は歪に弱い。したがって、コイル部１０の端部に生じる応力をできる限り小さくすることが、超電導線材３１の損傷を防ぐ点で好ましい。したがって、本実施の形態に係る電極１２ａなどを採用することが良い。

また、引出電極１３ａと超電導コイルの超電導線材３１とを半田により直接接続する場合、半田を溶かすために、電極と超電導線材との接続部分に大量の熱を与える必要がある。しかし、超電導線材３１の一部に過大な熱負荷がかかるため、その部分が損傷する可能性が高くなる。本実施の形態によれば、電極１２ａは、接続部材１４ａと引出電極１３ａとを半田で接続しておくことによって予め形成することができる。従来の電極は、電極の熱容量が大きいために、電極全体をヒータあるいは恒温槽によって温めた状態でなければ半田ごてによる半田付けが困難であった。これに対して、この実施の形態によれば、超電導線材である接続部材１４ａの先端を温めれば、接続部材１４ａをコイル部１０に半田で接続することができる。これにより、半田ごてを用いて電極をコイルに接続することを容易にすることができる。

また、コイル１１ａの超電導線材３１と、接続部材１４ａである超電導線材とは、同じ構成を有していてもよい（図４を参照）。したがって、コイル１１ａの超電導線材３１が有するシース部の材質と、接続部材１４ａである超電導線材が有するシース部の材質とは、同じであってもよい。この場合、接続部材１４ａの剛性とコイル１１ａの超電導線材３１の剛性とが実質的に同じとなる。したがって、電極１２ａとコイル部１０の超電導線材３１との接続部分における剛性の変化を小さくすることができる。上記のように、たとえばコイル１１ａの超電導線材３１が有するシース部と、接続部材１４ａである超電導線材が有するシース部とは、銀、銀合金よりなってもよい。

あるいは、接続部材１４ａの剛性は、コイル１１ａの超電導線材３１の剛性よりも高くてもよい。ただし、接続部材１４ａの剛性は引出電極１３ａの剛性よりも低い。この場合にも、接続部材１４ａをコイル１１ａの超電導線材３１に半田付することにより、引出電極１３ａをコイル１１ａの超電導線材３１に直接に半田付するよりも剛性の変化を小さくすることができる。

さらに本実施の形態によれば、接続部材１４ａは、コイル部１０が接続される第１の接続部（接続部１９ａ）と、引出電極１３ａが接続される第２の接続部と、第１の接続部と第２の接続部との間に位置する中間部２０ａとを含む。接続部材１４ａの中間部２０ａは、コイル部１０および引出電極１３ａのいずれにも接続されていない。超電導コイル１の冷却および昇温によって、各部材が収縮および膨張する。接続部材１４ａの中間部２０ａは、引出電極１３ａの該当の部材が収縮および膨張することによって第２の接続部に生じる応力を吸収するバッファとして機能する。これにより、接続部材１４ａの第１の接続部が、第２の接続部に生じる応力の影響を受けることを防ぐことができる。

さらに、本実施の形態によれば、引出電極１３ａと接続される接続部材１４ａの部分（すなわち接続部材１４ａの第２の接続部）が引出電極１３ａに沿っている。これにより、電極１２ａ全体の電気抵抗を小さくすることができる。

図６は、電極１２ａに流れる電流を説明するための図である。図６を参照して、コイル１１ａの超電導線材３１から出力された電流３５は、接続部材１４ａを流れる。電流は、接続部材１４ａから引出電極１３ａへと流入して、引出電極１３ａの後端部２４ａから出力される。

接続部材１４ａは超電導線材であるため、接続部材１４ａの電気抵抗の値は、引出電極１３ａの電気抵抗の値よりも大幅に小さい。コイル１１ａから電流を取り出す際には、電流は、電気抵抗の低い部分、すなわち接続部材１４ａを流れる。引出電極１３ａにおける電流３５の経路が短くなるので、電極１２ａ全体の電気抵抗を小さくすることができる。なお、電流３５の流れの向きが図５に示された向きと逆であっても、上記の説明が成り立つ。

このように、接続部材１４ａは、引出電極１３ａの後端部２４ａ（すなわち電流リードが接続される部分）に近づけて取り付けられることが好ましい。これによって、引出電極１３ａにおける電流経路を短くすることができる。したがって、電極１２ａの抵抗を小さくすることができる。

続いて、引出電極１３ａおよび接続部材１４ａについて、さらに詳細に説明する。図７は、引出電極１３ａの構成を示した図である。図７を参照して、引出電極１３ａは、後端部２４ａから先端部２２ａに向かうほど細くなるように形成されている。接続部材１４ａは、引出電極１３ａに沿って引出電極１３ａに接続される（図３を参照）。引出電極１３ａを先細りの形状とすることによって、引出電極１３ａと、接続部材１４ａとの間での剛性の変化をより小さくする（緩和する）ことができる。引出電極１３ａの先細りの部分は、できるだけ長いことが好ましい。これにより、剛性の変化を緩和する効果を大きくすることができる。

さらに、超電導線材である接続部材１４ａは、引出電極１３ａの湾曲部２３ａにおいて曲げられる。したがって、湾曲部２３ａの曲率半径は、接続部材１４ａの許容両曲げ直径の１／２よりも大きいことが好ましい。接続部材１４ａすなわち超電導線材の許容両曲げ直径は、たとえば、超電導線材の臨界電流値が、超電導線材を曲げる前の値に対して９５％まで低下したときの曲げ直径と定義される。

図８は、引出電極１３ａの厚みと接続部材１４ａの厚みとの間の関係を説明するための図である。図８では、図７に示すＹ方向に沿って電極１２ａを見たときの引出電極１３ａおよび接続部材１４ａが示される。

図７および図８を参照して、引出電極１３ａの厚みをＴ１とし、接続部材１４ａの厚みをＴ２とする。引出電極１３ａの厚みＴ１と、接続部材１４ａの厚みＴ２との間には、Ｔ１≧Ｔ２の関係が成立する。

仮に、Ｔ２≧Ｔ１であるとすると、Ｚ方向において、接続部材１４ａが引出電極１３ａからはみ出る。このため、たとえば、引出電極１３ａの穴２１ａにリード（図示せず）をネジによって固定する際に、ネジ留めが難しくなる可能性がある。図８に示されるように、接続部材１４ａの厚みＴ２を引出電極１３ａの厚みＴ１以下にすることによって、引出電極１３ａに関する各種の作業（たとえば上述のようなリードの固定）を容易にすることができる。

図９は、図７に示すＸ方向から見た接続部材１４ａの先端の形状の例を示した図である。図９に示されるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、図７および図８に示されたＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向とそれぞれ同じである。図９（ａ）〜（ｅ）に示されるように、接続部材１４ａの先端部は、先細りの形状を有していてもよい。たとえば接続部材１４ａの先端部を切断して、図９（ａ）〜（ｅ）の各々に示された形状を得ることができる。接続部材１４ａの先端部（先細りの部分）によって、コイル１１ａと接続部材１４ａとが接続された状態での剛性の変化を緩和することができる。先細りの部分の長さＬが大きいことで好ましい。剛性の変化を緩和する効果をより発揮することができる。

先細りの具体的形状には、さまざまな形状を採用することができる。たとえば図９（ａ），（ｂ）に示されるように、直線的な傾斜を有する形状であってもよい。あるいは図９（ｃ）に示されるように、丸みをつけた形状であってもよい。あるいは、図９（ｄ）に示されるように、厚み方向の中央部分を除去した形状であってもよい。あるいは、図９（ｅ）に示されるように、角の部分が切断された形状であってもよい。

図１０は、引出電極１３ａと接続部材１４ａとの接続および接続部材１４ａとコイル１１ａとの接続を説明するための図である。図１０を参照して、接続部材１４ａは、引出電極１３ａの先端部２２ａ付近において、引出電極１３ａおよびコイル１１ａに接続されていないことが好ましい。具体的には、接続部材１４ａのうち、引出電極１３ａの先端から引出電極１３ａ側に延びる長さＬ１の部分は、引出電極１３ａに半田付けされていない。さらに接続部材１４ａのうち、引出電極１３ａの先端から接続部材１４ａの先端側に延びる長さＬ２の部分は、コイル１１ａには半田付けされていない。

引出電極１３ａの先端に接続部材１４ａが半田付けされている場合、接続部材１４ａと引出電極１３ａとの間での剛性の違いが大きくなる。したがって、超電導コイル１の冷却および昇温によって、接続部材１４ａの損傷が生じる（たとえば接続部材１４ａが折れる）といった問題が発生する可能性がある。図１０に示されるように、引出電極１３ａの先端には接続部材１４ａが半田付けされていないことで、剛性の変化を緩和することができる。したがって上記の問題が生じるのを防ぐことができる。

図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１が備える電極の別の構成例を説明するための図である。図１１を参照して、電極４２ａは、接続部材１４ｃが追加される点において電極１２ａ（図３を参照）と異なる。接続部材１４ｃは接続部材１４ａと同様に超電導線材である。接続部材１４ｃは、たとえば図４あるいは図５に示された構成を有する。接続部材１４ａのみでは電流容量あるいは剛性が不足する場合には、このように追加の接続部材を設けることができる。なお、追加の接続部材（超電導線材）の本数は特に限定されるものではない。

さらに、接続部材の本数が複数である場合には、それらの先端の位置をずらすことが好ましい。これにより、接続部材がコイル１１ａに半田付けされた状態において剛性の変化を緩和することができる。図１１では、接続部材１４ｃの先端が、接続部材１４ａの先端よりも、より引出電極１３ａから遠く離れた位置にある。この構成によれば、接続部材の冗長性を期待することができる。すなわち、接続部材１４ａまたは接続部材１４ｃの一部が損傷した場合でも接続部材１４ｃまたは接続部材１４ａに電流が流れる。

図１２は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導コイル１が備える電極のさらに別の構成例を説明するための図である。図１１に示された構成では、接続部材１４ａの先端が、接続部材１４ｃの先端よりも、より引出電極１３ａから遠く離れた位置にある。この構成によれば、接続部材１４ａがコイル１１ａに接続される。したがって、電極１２ａをコイル１１ａに半田付けする際の作業が容易となる。

さらに、コイル部１０に電流が流れることによってコイル部１０にはフレミングの左手の法則に従う電磁力（ローレンツ力）が発生する。コイル部１０に接続される接続部材は、この電磁力（ローレンツ力）を受ける。この電磁力の作用する方向を考慮して、電極の向きを決定することが好ましい。

図１３は、電極の接続の向きの第１の例を示した図である。図１４は、電極の接続の向きの第２の例を示した図である。図１３および図１４を参照して、コイル１１ａに流れる電流の方向は同じである。図１３に示すように電極４２ａを取り付けた場合、コイル１１ａの中心に向かう電磁力Ｆが接続部材１４ａ，１４ｃに対して発生する。したがって、接続部材１４ａがコイル１１ａに接続された状態を確保することができる。一方、図１４に示すように電極４２ａを取り付けた場合、コイル１１ａの中心から外側に向かう電磁力Ｆが接続部材１４ａ，１４ｃに対して発生する。すなわち接続部材１４ａがコイル１１ａから剥がれる方向に電磁力Ｆが作用する。したがって、図１３に示されるように、コイル１１ａの中心に向かう電磁力Ｆが接続部材１４ａ，１４ｃに対して発生するように電極４２ａの向きを決定することが好ましい。

なお、図１３および図１４では、電極４２ａに電流が流入する場合について示されている。電極４２ａから電流が出力される場合にも、同様に、コイル１１ａの中心に向かう電磁力Ｆが接続部材１４ａ，１４ｃに対して発生するように電極４２ａの向きを決定することが好ましい。また、図１３および図１４では、接続部材の本数が複数の場合について示されているが、接続部材の本数は単数であってもよい。

［実施の形態２］
図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイルの構成を概略的に示す図である。図１５を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイル１ａは、電極１２ａ，１２ｂが離れた位置にある点において、本発明の第２の実施の形態に係る超電導コイル１と異なる。この構成では、固定ブロック１５が省略される。

電極１２ａ，１２ｂの構成は、実施の形態１と同様であり、引出電極（１３ａ，１３ｂ）と、超電導線材からなる接続部材（１４ａ，１４ｂ）とを有する。引出電極とコイル部とは、接続部材によって接続される。実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、電極とコイルの超電導線材との接続部分における剛性の変化を緩和することができる。したがって、超電導コイルへの電極の取り付け時における超電導線材の損傷、あるいは、超電導コイルの熱サイクルによる超電導コイルの超電導線材の損傷の可能性を低減することができる。

［実施の形態３］
実施の形態３では、実施の形態１または実施の形態２に係る超電導コイルを備えた超電導コイル装置が開示される。

図１６は、本発明の実施の形態３に係る超電導コイル装置１０１の構成を示した図である。図１６を参照して、超電導コイル装置１０１は、超電導コイル１と、超電導コイル１を取り付けるためのボビン１０２とを有する。超電導コイル１は、コイル部１０と電極１２ａ，１２ｂとを有する。コイル部１０は、コイル１１ａ〜１１ｈを有する。軸Ａｘはコイル１１ａ〜１１ｈの積層方向に対応する。

ボビン１０２は、積層されたコイル１１ａ〜１１ｈの内側に配置される胴部１０３と、胴部１０３の上端に設けられるフランジ１０４ａと、胴部１０３の下端に設けられるフランジ１０４ｂとを有する。胴部１０３には、円筒空間（ボア）１０５が形成されている。超電導コイル装置１０１に直流電流が流れることにより、ボア１０５には、静磁場が生じる。なお、超電導コイル装置１０１に交流電流が流れた場合、ボア１０５には、動磁場が生じる。

コイル１１ａ〜１１ｈはパンケーキ型コイルである。最上層のコイル１１ａには、電極１２ａが接続される。一方、最下層のコイル１１ｈには、電極１２ｂが接続される。電極１２ａ，１２ｂは、コイル部１０の同じ側（図１６では紙面の左側）から引出される。なお、超電導コイル１の詳細な構成は、実施の形態１に係る超電導コイルの構成と同じでもよく、実施の形態２に係る超電導コイルの構成と同じでもよい。

図１７は、本発明の実施の形態３に係る超電導コイル装置２０１の構成を示した図である。図１７を参照して、超電導コイル装置２０１は、超電導マグネットとして適用される。超電導コイル装置２０１は、超電導コイル装置１０１と、電流リード１１１，１１３と、高温超電導リード１１２と、クライオスタット１２０と、熱シールド１２１と、冷凍機１３０と、ヒータ１３３とを備える。冷凍機１３０は、第１ステージ１３１と、第２ステージ１３２とを備える。超電導コイル装置１０１に電流が流れることによって室温ボア１４１内に静磁場が生じる。

超電導コイル装置１０１は、図１６に示された構成と同様の構成を有する。したがって超電導コイル装置１０１の構成については詳細な説明を繰り返さない。なお、コイル１１ａ〜１１ｈの各々には伝熱部１６ｂが接続される。各コイルに接続された伝熱部１６ｂは１箇所で統合されて、たとえば第２ステージ１３２とヒータ１３３によって所定の温度に調節される。

電流リード１１１は、超電導コイル装置１０１の電極１２ａ，１２ｂに接続されるとともに、高温超電導リード１１２に接続される。電流リード１１３は、外部の電源（図示せず）に接続される。電流リード１１３からの熱侵入を出来るだけ抑制するため、断熱が良くジュール熱の発生しない高温超電導リード１１２が電流リード１１３に接続される。

超電導コイル１および熱シールド１２１は、クライオスタット１２０の内部に収められる。冷凍機１３０の第１ステージ１３１によって、熱シールド１２１が冷却される。超電導コイル装置１０１は、冷却された熱シールド１２１によって覆われる。クライオスタット１２０の内部は真空とされている。

伝熱部１６ｂ（冷却板）から第２ステージ１３２までは、熱抵抗が少なくなるように充分な断面積を有するクーリングパスにより連結される。（クーリングパスは、たとえば銅やアルミニウムで構成される。）電流リード１１１，１１３は、ヒータ１３３と第２ステージ１３２によって所定の温度に調節される。

以上のように実施の形態３によれば、実施の形態１または実施の形態２に係る超電導コイルを備える。したがって実施の形態３によれば、超電導線材から形成されたコイル部と電極との接続部分におけるコイル部の損傷を防ぐことができる。

上記の各実施の形態では、電極１２ａ，１２ｂは、本発明の超電導コイルが備える「第１の電極部材」および「第２の電極部材」を実現する。ただし、たとえば電極１２ａが「第１の電極部材」に対応し、電極１２ｂが「第２の電極部材」に対応すると限定される必要はない。たとえば電極１２ａが「第２の電極部材」に対応し、電極１２ｂが「第１の電極部材」に対応してもよい。

また、上記の各実施の形態では、２つの電極（１２ａ，１２ｂ）を有する超電導コイルが示されている。しかしながら、超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部と、そのコイル部に接続された１つの電極部材とを備える構成であれば、本発明の範囲に含まれる。したがって２つの電極が必須であると限定される必要はない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１ａ 超電導コイル、１０ コイル部、１１ａ〜１１ｈ コイル、１２ａ，１２ｂ，４２ａ 電極、１３ａ，１３ｂ 引出電極、１４ａ〜１４ｃ 接続部材、１５ 固定ブロック、１６ａ，１６ｂ 伝熱部、１９ａ，１９ｂ 接続部、２０ａ，２０ｂ 中間部、２１ａ，２１ｂ 穴、２２ａ，２２ｂ 先端部、２３ａ，２３ｂ 湾曲部、２４ａ，２４ｂ 後端部、３１ 超電導線材、３２ａ 超電導体、３２ｂ シース部、３３ａ シース部材、３３ｂ 半田、３５ 電流、１０１，２０１ 超電導コイル装置、１０２ ボビン、１０３ 胴部、１０４ａ，１０４ｂ フランジ、１０５ ボア、１１１，１１３ 電流リード、１１２ 高温超電導リード、１２０ クライオスタット、１２１ 熱シールド、１３０ 冷凍機、１３１ 第１ステージ、１３２ 第２ステージ、１３３ ヒータ、Ａｘ 軸、Ｆ 電磁力。

Claims (9)

1. 超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部と、
   前記コイル部に接続された第１の電極部材とを備え、
   前記第１の電極部材は、
   導電性材料からなる第１の引出電極と、
   超電導線材からなり、前記コイル部の前記超電導線材と前記第１の引出電極とを接続する第１の接続部材とを含み、
   前記第１の引出電極は、
   前記コイル部の外周に沿うように位置し、先細りの形状を有する先端部と、
   前記先端部よりも前記コイル部から離れて位置する後端部と、
   前記先端部と前記後端部との間に位置し、前記コイル部の軸方向から見て湾曲した表面とを有する湾曲部とを有し、
   前記第１の接続部材は、
   前記コイル部が接続される第１の接続部と、
   前記第１の引出電極の前記後端部、前記湾曲部および前記先端部が接続される第２の接続部と、
   前記第１の接続部と前記第２の接続部との間に位置し、前記コイル部および前記第１の引出電極のいずれにも接続されていない中間部とを含み、
   前記中間部と前記コイル部との間に隙間が設けられている、超電導コイル。
2. 前記第１の引出電極の剛性は、前記コイル部を形成する前記超電導線材の剛性よりも高く、
   前記第１の接続部材の剛性は、前記第１の引出電極よりも低い、請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記コイル部を形成する前記超電導線材は、
   第１の超電導体と、
   前記第１の超電導体を被覆する、導電性の第１のシースとを含み、
   前記第１の接続部材は、
   第２の超電導体と、
   前記第１のシースと同じ材料を含み、前記第２の超電導体を被覆する、導電性の第２のシースとを含む、請求項１または２に記載の超電導コイル。
4. 前記第１の接続部材の前記第２の接続部は、前記第１の引出電極の先端部において、前記第１の引出電極に物理的に固定されていない、請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
5. 前記超電導コイルは、
   前記コイル部に接続された第２の電極部材をさらに備え、
   前記第２の電極部材は、
   導電性材料からなる第２の引出電極と、
   超電導線材からなり、前記コイル部と前記第２の引出電極とを接続する第２の接続部材とを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の超電導コイル。
6. 前記超電導コイルは、
   前記第１の電極部材と前記第２の電極部材とを絶縁する絶縁部材をさらに備え、
   前記第１の引出電極と、前記第２の引出電極とは、前記絶縁部材を介在して一体化される、請求項５に記載の超電導コイル。
7. 前記第１の接続部材の剛性は、少なくとも前記コイル部を形成する超電導線材の剛性と同じである、請求項２に記載の超電導コイル。
8. 前記超電導線材は、酸化物超電導体で構成される、請求項１から７のいずれかに記載の超電導コイル。
9. 請求項１に記載の超電導コイルを備える、超電導コイル装置。

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