JP5123604B2

JP5123604B2 - 超電導コイル

Info

Publication number: JP5123604B2
Application number: JP2007206935A
Authority: JP
Inventors: 隆司長谷; 浩二式町; 直樹平野; 重夫長屋
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-08-08
Also published as: JP2009043912A

Description

本発明は、パンケーキ型のコイル体を軸方向に積層した超電導コイルに関する。

近年、超電導線材を用いた電力応用機器として、種々の機器装置の開発が進められている。例えば、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＭａｇｎｅｔｉｃＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅ、以下ＳＭＥＳと略称する）は、他のエネルギー貯蔵装置と比べて、エネルギーの貯蔵効率が高い、エネルギーの出し入れ速度が速い等の特徴を有しており、精力的に開発が進められている。また、変圧器に代表される交流コイル、電動機や発電機に代表される超電導回転機、常電導時高抵抗線材を使用した限流器等の開発も進められている。

このような電力応用機器に、ＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎ等の金属系超電導線材を用いた場合は、冷却材として液体ヘリウムを使用し、線材を４．２Ｋ程度の極低温まで冷却しなければ該線材の超電導状態を得ることができないため、冷却コストが増大し、実用化の弊害となっている。一方、Ｂｉ（ビスマス）系やＹ（イットリウム）系の酸化物超電導線材を用いた場合は、該線材の超電導転移温度が比較的高く、線材を超電導状態にするための冷却材として７７．３Ｋの液体窒素を用いることができるため、冷却コストを大幅に低減することが可能である。

また、ＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎ等の金属系超電導線材は、臨界電流を超える電流が流れると即座に常電導転移を起こし、超電導状態を維持することができないことが知られている。そのため、例えばこのような金属系超電導線材を用いてＳＭＥＳを構成した場合、線材に臨界電流を超える電流が流れると該線材が即座に常電導転移を起こし、コイルに蓄積されていたエネルギーが放出されてしまう。一方、Ｂｉ系やＹ系の酸化物超電導線材の場合は、臨界電流を超える電流を流しても磁束流領域と称される電流範囲であれば、常電導転移を生じることなく超電導状態を維持することができる。そこで、このような酸化物超電導線材の利点を活かした応用が期待されている。

例えば、テープ状のＹ系酸化物超電導線材では、テープ幅が約１０ｍｍで、液体窒素により７７．３Ｋまで冷却し、外部磁場０Ｔとした場合の臨界電流が約１００〜３００Ａという超電導特性を有するものが入手可能であり、例えばパンケーキ型のコイル体（パンケーキコイル）等として利用することができる。このパンケーキコイルは、筒状の巻枠にテープ状の超電導線材を同心円状に巻回して形成されるものであり、超電導線材の始端部および終端部には、それぞれ、外部接続用電極が取り付けられて構成されている。

ところで、上記テープ状の酸化物超電導線材を用いたパンケーキコイルをＳＭＥＳや変圧器などの各種電力機器に適用する場合には、さらなる電流の増大が求められる。そこで、超電導線材をその厚さ方向に複数重ねて集合化し、その集合体を巻枠に巻回することで、コイル全体として流すことのできる許容電流を増大させることが考えられている。また、パンケーキコイルを軸方向に複数積層させて許容電流を増大させることも考えられている。

しかし、超電導線材を複数重ねて導体化する場合、各線材の巻回長さの差に起因する各線材の自己インダクタンスおよび各線材間の相互インダクタンスの差により偏流が生じ、特定の超電導線材に大きな電流が流れる電流偏流が生じる。そうすると、偏流により最も大きな電流が流れる超電導線材の臨界電流によって、集合体全体に流すことのできる電流が制限されるため、集合体の臨界電流は、集合化された超電導線材の臨界電流の合計を大きく下回るという問題が生じる。

また、パンケーキコイルを積層して各コイルに巻回された超電導線材同士を接続する場合には、線材の巻回長さが増大するため、インダクタンスの差がより大きくなることがあり、この場合、上記電流偏流がさらに顕著になる。

このような不都合を解消するために、線材の長さ方向において、一定の間隔ごとに線材の配置位置を内外で転位させる転位セグメントＴ（図９参照）を集合体に設ける技術が公知である（特許文献１および２参照）。そして、この技術は、例えば大型変圧器や大型モータ等の大型電気機器コイルの超電導コイルや超電導ケーブル等に適用されている。
特開２００１−１４８２１０号公報特開２００５−１９３２３号公報

しかしながら、線材の集合体に上記のような転位セグメントを設けた場合、転位セグメント部分で線材に歪みが生じるため、超電導特性が低下するという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、超電導特性の低下を抑えつつ、偏流電流の発生を抑制して臨界電流を増大させることが可能な超電導コイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明の請求項１に記載の超電導コイルは、第１のコイル体と、この第１のコイル体の軸方向側に隣接する第２のコイル体と、これら第１のコイル体および第２のコイル体を電気的に接続する接続手段とを備えた超電導コイルであって、前記第１のコイル体および第２のコイル体は、それぞれ、前記接続手段に接続される所定数のテープ状の超電導線材と、これらの超電導線材を、当該超電導線材の厚さ方向に重ねた状態で、かつその重ねた順序のまま同心円状に巻回するための巻枠とを含み、前記接続手段は、前記コイル体を構成する超電導線材の数に等しい所定数の電極部を含み、ｎを前記超電導線材の数以下の任意の正の整数とする場合に、前記第１のコイル体の径方向外側からｎ番目に配される超電導線材の端部と、前記第２のコイル体の径方向内側からｎ番目に配される超電導線材の端部とが、前記コイル体の軸方向に並んだ状態で、共通の前記電極部に各々導通可能に固着され、かつ、前記電極部を挟む前記第１のコイル体の超電導線材と前記第２のコイル体の超電導線材とが互いに逆向きに前記巻枠に巻回されていることを特徴とする。

この請求項１に記載の超電導コイルでは、上記のように、接続手段の共通の電極部に、第１のコイル体の径方向外側からｎ番目に配される超電導線材の端部と、第２のコイル体の径方向内側からｎ番目に配される超電導線材の端部とがそれぞれ固着されるように構成したので、例えば２枚のシート状の超電導線材を含む２つのコイル体を上記接続手段により電気的に接続する場合、一方のコイル体の外側に位置する超電導線材の端部を、他方のコイル体の内側に位置する超電導線材の端部に電極部を介して電気的に接続し、一方のコイル体の内側に位置する超電導線材の端部を、他方のコイル体の外側に位置する超電導線材の端部に上記電極部とは別の電極部を介して電気的に接続することができる。ここで、複数の超電導線材を厚さ方向に重ねた状態でかつその重ねた順序のまま巻枠に巻回すると、径方向外側に配される超電導線材ほどその巻回長さが長くなり、各超電導線材の巻回長さに差が生じることが知られているが、この請求項１の超電導コイルでは、上記接続手段により、一方のコイル体で生じた超電導線材の巻回長さの差と、他方のコイル体で生じた超電導線材の巻回長さの差とが互いに打ち消し合うように、２つのコイル体の対応する超電導線材同士をそれぞれ接続することができる。したがって、従来のように、超電導線材を厚さ方向に重ねた集合体の所定箇所にねじり部分（図９の転位セグメントＴ）を設けることなく、接続手段の各電極部により電気的に接続された一方のコイル体の超電導線材とこの超電導線材に対応する他方のコイル体の超電導線材とからなる連結体の２つのコイル体に亘る総巻回長さを、各連結体で略等しくし、各連結体の自己インダクタンスに差が生じ難くすることで偏流を抑制することが可能であるので、超電導特性の低下を十分に抑制しつつ、コイル全体の臨界電流を増大させることができるようになる。

なお、上記では、２枚の超電導線材を含むコイル体同士を接続手段により電気的に接続する場合を一例として挙げたが、３枚以上の超電導線材を含むコイル体同士を接続手段により電気的に接続する場合においても、接続手段の各電極部により、一方のコイル体の径方向外側から１番目に配される超電導線材の端部と、他方のコイル体の径方向内側から１番目に配される超電導線材の端部とを電気的に接続し、一方のコイル体の径方向外側から２番目に配される超電導線材の端部と、他方のコイル体の径方向内側から２番目に配される超電導線材の端部とを電気的に接続するというようにして、一方のコイル体の径方向外側からｎ番目に配される超電導線材の端部と、他方のコイル体の径方向内側からｎ番目に配される超電導線材の端部とを電気的に接続することによって、一方のコイル体で生じた超電導線材の巻回長さの差と、他方のコイル体で生じた超電導線材の巻回長さの差とを互いに打ち消し合わせ、一方のコイル体の超電導線材とこの超電導線材に対応する他方のコイル体の超電導線材とからなる連結体の２つのコイル体に亘る総巻回長さが、各連結体で略等しくなるようにすることが可能となる。

上記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記各コイル体の巻枠は、互いに略等しい外径寸法を有しており、前記超電導線材は、前記巻枠に所定の巻回数で巻回されている（請求項２）。このように構成すれば、超電導線材の巻回長さが径方向外側の超電導線材から径方向内側の超電導線材まで等間隔で短くなるように、かつ、各コイル体の径方向外側からｎ番目に配される超電導線材の巻回長さ同士が互いに略等しくなるように、超電導線材を巻枠に巻回することができるので、容易に、第１のコイル体の超電導線材とこの超電導線材に対応する第２のコイル体の超電導線材とからなる連結体の２つのコイル体に亘る総巻回長さを、各連結体で略等しくすることができる。

上記請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記所定数の電極部は、前記超電導線材の巻回方向に沿って配列されるとともに、それぞれ、前記コイル体の軸方向に延びる態様で前記２つのコイル体に亘って設けられ、前記超電導線材は、その端部がより径方向内側に配される超電導線材の端部を前記巻回方向に乗り越える位置まで延設されるとともに、当該位置において前記電極部に接続されている（請求項３）。この構成では、例えば３枚の超電導線材を含む２つのコイル体を接続手段により電気的に接続する場合、一方のコイル体の外側の超電導線材の端部と他方のコイル体の内側の超電導線材の端部とを、所定位置に配した電極部によりコイル体の軸方向に接続すれば、一方のコイル体の中間の超電導線材の端部と他方のコイル体の中間の超電導線材の端部とを、上記所定位置から超電導線材の巻回方向にずれた位置に配した別の電極部によりコイル体の軸方向に接続し、一方のコイル体の内側の超電導線材の端部と他方のコイル体の外側の超電導線材の端部とを、上記所定位置から超電導線材の巻回方向にさらにずれた位置に配したさらに別の電極部によりコイル体の軸方向に接続することができるので、各コイル体における超電導線材の重なり順序を維持しつつ、超電導線材の端部同士を各電極部により接続することができる。これにより、同一コイル体の超電導線材同士がコイル体の径方向に交差しながら各電極部に接続される場合と異なり、接続手段による接続構成が煩雑化するのを防ぐことができる。

上記請求項３に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記第１のコイル体の超電導線材の端部と、この超電導線材に対応する前記第２のコイル体の超電導線材の端部とが、前記電極部の同一面に接続されている（請求項４）。このように構成すれば、一対の超電導線材および電極部からなる接続箇所の径方向の厚みを小さくすることができるので、当該超電導コイルの大型化を抑制することができる。

上記請求項４に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記電極部は、前記超電導線材の径方向内側の端部に接続される電極部であって、前記超電導線材との接続面が前記巻枠の外周面に略面一となるように該巻枠に埋設されている（請求項５）。このように構成すれば、超電導線材の径方向内側の端部を歪ませることなく物理的に滑らかな態様で電極部に接続することができるので、超電導線材の形状の歪みに起因する超電導特性の低下を抑制することができる。

上記請求項３〜５のいずれか一項に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、隣り合う前記電極部が、絶縁性部材を介して連結されている（請求項２）。このように構成すれば、容易に、接続手段を単一のユニット体とすることができる。

上記請求項１〜６のいずれか一項に記載の超電導コイルにおいて、前記超電導線材に沿うように配されて該超電導線材とともに前記巻枠に巻回されるテープ状の支持体をさらに備えていてもよい（請求項５）。このように構成すれば、高磁場中で印加される電磁気応力を支持体に分散させることができるので、超電導線材に作用する電磁気応力を低減させることができる。これにより、臨界電流密度の低下を抑制することができる。

この発明の超電導コイルによれば、接続手段により、一方のコイル体で生じた超電導線材の巻回長さの差と、他方のコイル体で生じた超電導線材の巻回長さの差とが互いに打ち消し合うように、２つのコイル体の対応する超電導線材同士をそれぞれ接続することができるので、従来のように、超電導線材を厚さ方向に重ねた集合体の所定箇所にねじり部分を設けることなく、接続手段の各電極部により電気的に接続された一方のコイル体の超電導線材とこの超電導線材に対応する他方のコイル体の超電導線材とからなる連結体の２つのコイル体に亘る総巻回長さを、各連結体で略等しくし、各連結体の自己インダクタンスに差が生じ難くすることで偏流を抑制することができる。これにより、超電導特性の低下を十分に抑制しつつ、コイル全体の臨界電流を増大させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による超電導コイルの全体構成を示した斜視図であり、図２は、超電導コイルの集合導体の構成を説明するための斜視図である。また、図３および図４は、図１に示した超電導コイルの断面図であり、図５は、超電導コイルの電極ユニットの要部構成を示した正面図である。まず、図１を参照して、本発明の一実施形態による超電導コイル１の全体構成について説明する。

本実施形態の超電導コイル１は、図１に示すように、上部コイル体（第１のコイル体）１Ａと、この上部コイル体１Ａの軸方向下側に隣接する下部コイル体（第２のコイル体）１Ｂとにより構成されている。具体的には、両コイル体１Ａ，１Ｂに共通の巻枠２と、この巻枠２の上半分部位に同心円状に巻回される上部コイル体１Ａ用の集合導体３Ａと、この巻枠２の下半分部位に同心円状に巻回される下部コイル体１Ｂ用の集合導体３Ｂとを備えている。そして、本実施形態では、上部コイル体１Ａは、巻枠２の上部に集合導体３Ａを１段となるように巻回して構成された、いわゆるシングルパンケーキ型のコイル体（以下、「シングルパンケーキコイル」と称する。）であり、下部コイル体１Ｂも、巻枠２の下部に集合導体３Ｂを１段となるように巻回して構成されたシングルパンケーキコイルである。なお、超電導コイル１は、個別に構成された上部コイル体および下部コイル体を軸方向に積層することにより形成されていてもよい。この場合、上部コイル体および下部コイル体が各々個別の巻枠を備える構成となるが、各コイル体の巻枠は、互いに等しい外径寸法となるように形成されるのが好ましい。

また、超電導コイル１は、上部コイル体１Ａの集合導体３Ａに接続される外側電極４と、下部コイル体１Ｂの集合導体３Ｂに接続される外側電極５と、集合導体３Ａおよび集合導体３Ｂを電気的に接続する電極ユニット（接続手段）６とを備えている。

集合導体３Ａは、図２に示すように、所定数（本実施形態では２枚）のテープ状の超電導線材３１および３２からなり、これらの超電導線材３１，３２が、厚さ方向に重ねられた状態で、かつその重ねられた順序のまま巻枠２の上部に同心円状に所定回数巻回されることにより構成されている。そして、集合導体３Ａの巻回状態では、超電導線材３１が上部コイル体１Ａの径方向外側に位置し、超電導線材３２が径方向内側に位置している。

また、集合導体３Ｂは、上記集合導体３Ａと同じ数（２枚）のテープ状の超電導線材３３および３４からなり、これらの超電導線材３３，３４が、厚さ方向に重ねられた状態で、かつその重ねられた順序のまま巻枠２の下部に同心円状に上記集合導体３Ａの巻回数と等しい回数巻回されることにより構成されている。そして、集合導体３Ｂの巻回状態では、超電導線材３３が下部コイル体１Ｂの径方向外側に位置し、超電導線材３４が径方向内側に位置している。

また、本実施形態では、集合導体３Ａが、巻枠２の径方向内側から外側へ上面視で反時計回りに巻回されているのに対して、集合導体３Ｂは、巻枠２の径方向内側から外側へ上面視で時計回りに巻回されており、コイル体１Ａ，１Ｂで超電導線材の巻回方向が逆向きとなっている。

超電導線材３１〜３４は、複数層からなる線材であって、例えば、ハステロイ等の金属製基材の上に、金属酸化物からなる絶縁層、超電導層（Ｙ系超電導層）、および、電極接合用金属層がこの順に積層されたものである。

各超電導線材３１〜３４は、上述のように、巻枠２の径方向内側から外側へと巻回されており、その巻始め端部である始端部３１ａ〜３４ａにおいて電極ユニット６と接合（半田付け）される部分と、巻枠２に巻回される部分と、巻終り端部である終端部３１ｂ〜３４ｂにおいて外側電極４，５と接合される部分とをこの順に有している。

なお、本実施形態では、超電導線材３１〜３４として、Ｙ（イットリウム）系酸化物超電導線材３１〜３４（以下単に超電導線材３１〜３４という）を用いる例について説明するが、超電導線材３１〜３４としてはこれに限らず、ＡｇおよびＡｇ基合金シースを用いたＢｉ（ビスマス）系酸化物超電導線材を用いてもよい。また、Ｎｂ_３ＡｌやＭｇＢ_２を含む超電導線材３１〜３４であってもよい。

巻枠２は、集合導体３Ａ，３Ｂが巻き付けられる筒状の胴部２１と、この胴部２１の軸方向の上端部、中央部および下端部から胴部２１の延在方向と略直交方向に各々延びる上段フランジ部２２、中段フランジ部２３および下段フランジ部２４とを有している。

フランジ部２２〜２４は、それぞれ、胴部２１に設けられる平板状の円盤部材である。これらのフランジ部２２〜２４が胴部２１に組み付けられた状態では、各フランジ部２２〜２４の内周面と胴部２１の外周面２１ａとが接着剤等で接着されるとともに、フランジ部２２〜２４同士が図略のボルトで締結されることにより、各フランジ部２２〜２４と胴部２１とが連結されている。なお、胴部２１とフランジ部２２〜２４とが一体的に形成されていてもよい。

また、上段フランジ部２２の径方向外側には、外側電極４，５を取り付けるための切込部２２ａ，２２ｂが形成されており、中段フランジ部２３の径方向外側には、外側電極４，５を取り付けるための切込部２３ａ，２３ｂが形成されている。また、下段フランジ部２４の径方向外側には、外側電極５を取り付けるための切込部２４ａが形成されている。これらの切込部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂおよび２４ａは、外側電極４，５が挿通できる切込幅を有しており、フランジ部２２〜２４の一部を各フランジ部２２〜２４の外周面から所定長さ切り込むことによって形成されている。そして、これらのフランジ部２２〜２４が胴部２１に組み付けられた状態では、切込部２２ａ，２３ａおよび２４ａが超電導コイル１の軸方向に対面するとともに、切込部２２ｂおよび２３ｂが超電導コイル１の軸方向に対面するようになっている。

外側電極４，５は、略平板状の外部接続用電極である。外側電極４は、入力側の電極であり、フランジ部２２，２３の切込部２２ｂ，２３ｂに挿入された状態で接着剤等により固定されている。また、外側電極５は、出力側の電極であり、フランジ部２２、２３および２４の切込部２２ａ、２３ａおよび２４ａに挿入された状態で接着剤等により固定されている。また、外側電極４，５は、径方向外側を向く面（外面４ａ，５ａ）を有しており、外面４ａと超電導線材３１，３２とが半田付けにより接合され、外面５ａと超電導線材３３，３４とが半田付けにより接合されるようになっている。

以下、外側電極４，５の具体的な構成について説明する。

外側電極４は、図３に示すように、超電導線材３１，３２と接合される電極体４１と、この電極体４１から超電導コイル１の軸方向上側に延びる電流リード４２とにより構成されている。そして、電極体４１は、超電導線材３１の終端部３１ｂに半田４６を介して電気的に接続される第１銅電極４３と、超電導線材３２の終端部３２ｂに半田４６を介して電気的に接続される第２銅電極４４と、第１銅電極４３および第２銅電極４４の間に配されて両電極４３，４４に対する絶縁機能を有する絶縁材４５とを有している。

また、外側電極５は、図４に示すように、超電導線材３３，３４と接合される電極体５１と、この電極体５１から超電導コイル１の軸方向上側に延びる電流リード５２とにより構成されている。そして、電極体５１は、超電導線材３３の終端部３３ｂに半田５６を介して電気的に接続される第１銅電極５３と、超電導線材３４の終端部３４ｂに半田５６を介して電気的に接続される第２銅電極５４と、第１銅電極５３および第２銅電極５４の間に配されて両電極５３，５４に対する絶縁機能を有する絶縁材５５とを有している。

なお、外側電極４，５の外面４ａ，５ａは、当該外側電極４，５の内面に対して超電導線材３１〜３４の巻回方向に所定のテーパー角度で傾斜している。このテーパー角度は、任意に設定可能であるが、約１５°以下であることが望ましい。このように小さなテーパー角度の外面４ａ，５ａを設けることにより、超電導線材３１〜３４に局所的なフラットワイズの歪みを与えることなく巻回することが可能になるので、臨界電流を低下させることなく超電導線材３１〜３４を対応する外側電極４，５に接合することができる。

ここで、本実施形態では、電極ユニット６は、図３に示すように、胴部２１の外周面２１ａに設けられている。この電極ユニット６は、胴部２１の軸方向の略全域に亘って配されるように胴部２１の軸方向長さと略等しい軸方向長さを有するとともに、横断面略半円弧形状に形成されている。そして、電極ユニット６の凸面状の外側面６ａは、超電導線材３１〜３４と半田付けにより接合される面であり、胴部２１の外周面２１ａに沿う形状を有している。そして、電極ユニット６は、この電極ユニット６の外側面６ａが径方向外側に向く姿勢で、かつ、この外側面６ａが径方向外側に露出された状態で胴部２１の外周面２１ａに埋設されており、外側面６ａが胴部２１の外周面２１ａの一部を形成している。したがって、巻枠２の外周面２１ａおよび電極ユニット６の外側面６ａは、境界部分で連続的に繋がっており、当該電極ユニット６に超電導線材３１〜３４が接続された状態では、超電導線材３１〜３４が屈曲して歪むのを防止できるようになっている。

以下、電極ユニット６の構成を具体的に説明する。

電極ユニット６は、図５に示すように、超電導線材３１〜３４の巻回方向に沿って配列される第１電極部６１および第２電極部６２と、これらの電極部６１，６２間に配されて両電極部６１，６２に対する絶縁機能を有する絶縁材（絶縁性部材）６３とにより構成されている。第１電極部６１は、超電導コイル１の軸方向に延びる態様で両コイル体１Ａ，１Ｂに亘って設けられており、その上部に超電導線材３１の始端部３１ａが半田６４（図３参照）を介して導通可能に固着されるとともに、その下部に超電導線材３４の始端部３４ａが半田６４（図４参照）を介して導通可能に固着されるようになっている。また、第２電極部６２は、超電導コイル１の軸方向に延びる態様で両コイル体１Ａ，１Ｂに亘って設けられており、その上部に超電導線材３２の始端部３２ａが半田６４（図３参照）を介して導通可能に固着されるとともに、その下部に超電導線材３３の始端部３３ａが半田６４（図４参照）を介して導通可能に固着されるようになっている。

つまり、超電導線材３１は、図５に示すように、その始端部３１ａがより径方向内側に配される超電導線材３２の始端部３２ａを巻回方向と反対方向（上面視で時計回りの方向）に乗り越える位置まで延設されるとともに、当該位置において第１電極部６１に接続されている。また、超電導線材３３は、その始端部３３ａがより径方向内側に配される超電導線材３４の始端部３４ａを巻回方向と反対方向（上面視で反時計回りの方向）に乗り越える位置まで延設されるとともに、当該位置において第２電極部６２に接続されている。したがって、各電極部６１，６２を挟む上部コイル体１Ａの超電導線材３１，３２と、下部コイル体１Ｂの超電導線材３３，３４とが、互いに逆向きに巻枠２に巻回されている。なお、図５では、図示の都合上、超電導線材３１，３２、あるいは超電導線材３３，３４を軸方向にずらして示している。

これにより、集合導体３Ａの外側の超電導線材３１の始端部３１ａと、集合導体３Ｂの内側の超電導線材３４の始端部３４ａとが、超電導コイル１の軸方向に並んだ状態で電極ユニット６の第１電極部６１を介して電気的に接続され、集合導体３Ａの内側の超電導線材３２の始端部３２ａと、集合導体３Ｂの外側の超電導線材３３の始端部３３ａとが、超電導コイル１の軸方向に並んだ状態で電極ユニット６の第２電極部６２を介して電気的に接続されている。ここで、一般に、複数の超電導線材を厚さ方向に重ねた状態でかつその重ねた順序のまま巻枠に巻回すると、径方向外側に配される超電導線材ほどその巻回長さが長くなり、各超電導線材の巻回長さに差が生じることが知られており、本実施形態では、「超電導線材３１の巻回長さ」＞「超電導線材３２の巻回長さ」、「超電導線材３３の巻回長さ」＞「超電導線材３４の巻回長さ」となっているが、上記電極ユニット６により、上部コイル体１Ａで生じた超電導線材３１，３２の巻回長さの差と、下部コイル体１Ｂで生じた超電導線材３３，３４の巻回長さの差とが互いに打ち消し合うように、２つのコイル体１Ａ，１Ｂの超電導線材３１および３４を接続するとともに、超電導線材３２および３３を接続したので、電極ユニット６の第１電極部６１によって電気的に接続された超電導線材３１，３４からなる連結体、および、第２電極部６２によって電気的に接続された超電導線材３２，３３からなる連結体の２つのコイル体１Ａ，１Ｂに亘る総巻回長さが略等しくなっている。

このように構成された超電導コイル１では、外側電極４を通って上部コイル体１Ａに供給された電気が、集合導体３Ａの各超電導線材３１，３２をそれぞれ径方向外側から内側へ上面視で時計回り方向に流れ、巻枠２の外周面２１ａに設けた電極ユニット６の各電極部６１，６２を通って上部コイル体１Ａから下部コイル体１Ｂに流れ込み、集合導体３Ｂの対応する各超電導線材３４，３３をそれぞれ径方向内側から外側へ上面視で時計回り方向に流れる。そして、当該超電導コイル１における２つの電流経路である超電導線材３１，３４からなる連結体、および、超電導線材３２，３３からなる連結体の２つのコイル体１Ａ，１Ｂに亘る総巻回長さが、上述のように略等しくなっている。

次に、上記構成の超電導コイル１の製造手順の一例を以下に示す。まず、巻枠２における胴部２１の外周面２１ａに電極ユニット６を取り付ける。具体的には、胴部２１の上端部に上段フランジ部２２を接着剤等で固定した後、電極ユニット６の外側面６ａが巻枠２の外周面２１ａに沿う状態で、胴部２１の外周面２１ａに電極ユニット６を固定する。

次に、電極ユニット６の外側面６ａに超電導線材３１，３２を各々接合する。具体的には、電極ユニット６の第１電極部６１の上部と超電導線材３１の始端部３１ａとを半田付けによって接合するとともに、電極ユニット６の第２電極部６２の上部と超電導線材３２の始端部３２ａとを半田付けによって接合する。そして、胴部２１の軸方向中央部に中段フランジ部２３を接着剤等で固定した後、超電導線材３１，３２を、超電導線材３１が径方向外側に位置するように厚さ方向に重ね、その重ねた順序のまま外周面２１ａに径方向内側から外側へ上面視で反時計回りに同心円状に複数回巻回する。

次に、超電導線材３１，３２と外側電極４とを接合する。すなわち、巻枠２のフランジ部２２，２３の各切込部２２ｂ，２３ｂに外側電極４を差し込み、超電導線材３１，３２の終端部３１ｂ，３２ｂと外側電極４の外面４ａとを半田付けによって接合する。具体的には、外側電極４の第１電極４３と超電導線材３１の終端部３１ｂとを半田付けによって接合するとともに、外側電極４の第２電極４４と超電導線材３２の終端部３２ｂとを半田付けによって接合する。

次に、電極ユニット６の外側面６ａに超電導線材３３，３４を各々接合する。具体的には、電極ユニット６の第１電極部６１の下部と超電導線材３４の始端部３４ａとを半田付けによって接合するとともに、電極ユニット６の第２電極部６２の下部と超電導線材３３の始端部３３ａとを半田付けによって接合する。そして、胴部２１の下端部に下段フランジ部２４を接着剤等で固定した後、超電導線材３３，３４を、超電導線材３３が径方向外側に位置するように厚さ方向に重ね、その重ねた順序のまま外周面２１ａに同心円状に径方向内側から外側へ上面視で時計回りに上記超電導線材３１，３２の巻回数と同じ回数だけ巻回する。

次に、超電導線材３３，３４と外側電極５とを接合する。すなわち、巻枠２のフランジ部２２〜２４の各切込部２２ａ〜２４ａに外側電極５を差し込み、超電導線材３３，３４の終端部３３ｂ，３４ｂと外側電極５の外面５ａとを半田付けによって接合する。具体的には、外側電極５の第１電極５３と超電導線材３４の終端部３４ｂとを半田付けによって接合するとともに、外側電極５の第２電極５４と超電導線材３３の終端部３３ｂとを半田付けによって接合する。これにより、本実施形態の超電導コイル１の組立が完了する。

本実施形態の超電導コイル１では、電極ユニット６の第１電極部６１に、上部コイル体１Ａの径方向外側から１番目（すなわち径方向外側）に配される超電導線材３１の始端部３１ａと、下部コイル体１Ｂの径方向内側から１番目（すなわち径方向内側）に配される超電導線材３４の始端部３４ａとをそれぞれ導通可能に固着するとともに、電極ユニット６の第２電極部６２に、上部コイル体１Ａの径方向外側から２番目（すなわち径方向内側）に配される超電導線材３２の始端部３２ａと、下部コイル体１Ｂの径方向内側から２番目（すなわち径方向外側）に配される超電導線材３３の始端部３３ａとをそれぞれ導通可能に固着したので、上部コイル体１Ａで生じた超電導線材３１，３２の巻回長さの差と、下部コイル体１Ｂで生じた超電導線材３３，３４の巻回長さの差とが互いに打ち消し合うように、２つのコイル体１Ａ，１Ｂの超電導線材３１および３４を電気的に接続するとともに、超電導線材３２および３３を電気的に接続することができる。これにより、従来のように、超電導線材を厚さ方向に重ねた集合体の所定箇所にねじり部分（図９の転位セグメントＴ）を設けることなく、電極ユニット６の第１電極部６１によって電気的に接続された超電導線材３１，３４からなる連結体、および、第２電極部６２によって電気的に接続された超電導線材３２，３３からなる連結体の２つのコイル体１Ａ，１Ｂに亘る総巻回長さを略等しくし、各連結体の自己インダクタンスに差が生じ難くすることで偏流を抑制することができるので、超電導特性の低下を十分に抑制しつつ、超電導コイル１の臨界電流を増大させることができる。

また、集合導体３Ａの巻枠２への巻回数と、集合導体３Ｂの巻枠２への巻回数とを等しくしたので、各コイル体１Ａ，１Ｂの径方向外側に配される超電導線材３１，３３の巻回長さ同士が互いに略等しくなるとともに、径方向内側に配される超電導線材３２，３４の巻回長さ同士が互いに略等しくなるように、超電導線材３１〜３４を巻枠２に巻回することができるので、容易に、超電導線材３１，３４からなる連結体の２つのコイル体１Ａ，１Ｂに亘る総巻回長さと、超電導線材３２，３３からなる連結体の２つのコイル体１Ａ，１Ｂに亘る総巻回長さとを略等しくすることができる。

また、超電導コイル１の軸方向に延びる態様で２つのコイル体１Ａ，１Ｂに亘って設けられる電極部６１，６２を、超電導線材３１〜３４の巻回方向に沿って配列し、超電導線材３１（３３）を、その始端部３１ａ（３３ａ）がより径方向内側に配される超電導線材３２（３４）の始端部３２ａ（３４ａ）を巻回方向に乗り越える位置まで延設するとともに、当該位置において電極部６１（６２）に接続することによって、各コイル体１Ａ，１Ｂにおける超電導線材３１〜３４の重なり順序を維持しつつ、超電導線材３１〜３４の始端部３１ａ〜３４ａ同士を各電極部６１，６２により接続することができる。これにより、同一コイル体１Ａ（１Ｂ）の超電導線材３１，３２（３３，３４）同士がコイル体１Ａ，１Ｂの径方向に交差しながら各電極部６１，６２に接続される場合と異なり、電極ユニット６による接続構成が煩雑化するのを防ぐことができる。

また、上部コイル体１Ａの超電導線材３１（３２）の始端部３１ａ（３２ａ）と、下部コイル体１Ｂの超電導線材３４（３３）の始端部３４ａ（３３ａ）とを、電極部６１（６２）の同一面に接続することによって、一対の超電導線材３１，３４（３２，３３）および電極部６１（６２）からなる接続箇所の径方向の厚みを小さくすることができるので、当該超電導コイル１の大型化を抑制することができる。

また、電極ユニット６を、超電導線材３１〜３４との接続面である外側面６ａが巻枠２の外周面２１ａに略面一となるように該巻枠２の胴部２１に埋設するように構成することによって、超電導線材３１〜３４の径方向内側の始端部３１ａ〜３４ａを歪ませることなく物理的に滑らかな態様で電極ユニット６に接続することができるので、超電導線材３１〜３４の形状の歪みに起因する超電導特性の低下を抑制することができる。

また、電極部６１，６２を、超電導線材３１〜３４の巻回方向に沿って配列するとともに、絶縁材６３を介して連結したので、容易に、電極ユニット６を単一のユニット体とすることができる。

なお、上部コイル体１Ａおよび下部コイル体１Ｂからなる本実施形態の超電導コイル１同士を軸方向に積層させて構成される超電導コイルにおいても、上述の効果を容易に得ることができる。

また、本発明の超電導コイル１は、上記実施形態に限定されない。

例えば、集合導体３Ａ，３Ｂが、超電導線材３１〜３４に沿うように配されて該超電導線材３１〜３４とともに巻枠２に巻回されるテープ状の支持体をさらに備えていてもよい。このような集合導体３Ａ，３Ｂを用いた場合、高磁場中で印加される電磁気応力を支持体に分散させることができるので、超電導線材３１〜３４に作用する電磁気応力を低減させることが可能になる。これにより、臨界電流密度の低下を抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、本発明を、いわゆるシングルパンケーキコイルである上部コイル体１Ａおよび下部コイル体１Ｂを軸方向に積層して形成された超電導コイル１に適用する例について示したが、これに限らず、いわゆるダブルパンケーキ型のコイル体（以下、「ダブルパンケーキコイル」と称する。）を軸方向に積層して形成された超電導コイルにも適用可能である。なお、上記ダブルパンケーキコイルとは、複数の超電導線材からなる集合導体の長さ方向の中央部から一端までを、該中央部を径方向内側の巻始め部分として、巻枠の軸方向上部に例えば径方向内側から外側へ上面視で時計回りに同心円状に巻回するとともに、集合導体の中央部から他端までを、該中央部を径方向内側の巻始め部分として、巻枠の軸方向下部に例えば径方向内側から外側へ上面視で反時計回りに同心円状に巻回することにより構成されたものであり、当該ダブルパンケーキコイルにおいては、超電導線材の内外位置（重なり順序）が上下２段において一致している。

図６は、本実施形態の変形例による超電導コイルの全体構成を示した斜視図であり、図７および図８は、図６に示した超電導コイルの電極ユニットの断面図および正面図である。以下、本実施形態の変形例による超電導コイル１０１の構成について説明する。

この変形例による超電導コイル１０１は、図６に示すように、上部コイル体（第１のコイル体）１０１Ａと、この上部コイル体１０１Ａの軸方向下側に隣接する下部コイル体（第２のコイル体）１０１Ｂとにより構成されている。具体的には、両コイル体１０１Ａ，１０１Ｂに共通の巻枠１０２と、この巻枠１０２の上半分部位に上下２段となるように巻回される上部コイル体１０１Ａ用の集合導体１０３Ａと、この巻枠１０２の下半分部位に上下２段となるように巻回される下部コイル体１０１Ｂ用の集合導体１０３Ｂとを備えている。そして、本実施形態では、上部コイル体１０１Ａは、巻枠１０２の上部に集合導体１０３Ａを上下２段となるように巻回して構成されたダブルパンケーキコイルであり、下部コイル体１０１Ｂも、巻枠１０２の下部に集合導体１０３Ｂを上下２段となるように巻回して構成されたダブルパンケーキコイルである。

集合導体１０３Ａは、所定数（当該変形例では３枚）のテープ状の超電導線材１３１，１３２，１３３からなり、これらの超電導線材１３１〜１３３が、厚さ方向に重ねられた状態で、かつその重ねられた順序のまま巻枠１０２の上部に上下２段で所定回数巻回されることにより構成されている。つまり、集合導体１０３Ａの上段が、巻枠１０２の径方向内側から外側へ上面視で時計回りに巻回されるとともに、集合導体１０３Ａの下段が、巻枠１０２の径方向内側から外側へ上面視で反時計回りに巻回されている。また、集合導体１０３Ｂの上段が、巻枠１０２の径方向内側から外側へ上面視で時計回りに巻回されるとともに、集合導体１０３Ｂの下段が、巻枠１０２の径方向内側から外側へ上面視で反時計回りに巻回されている。そして、集合導体１０３Ａの巻回状態では、超電導線材１３１が上下２段ともに亘って上部コイル体１０１Ａの径方向外側に位置し、超電導線材１３２が上下２段ともに亘って径方向中間に位置し、超電導線材１３３が上下２段ともに亘って径方向内側に位置している。

また、集合導体１０３Ｂは、上記集合導体１０３Ａと同じ数（３枚）のテープ状の超電導線材１３４，１３５，１３６（図８参照）からなり、これらの超電導線材１３４〜１３６が、厚さ方向に重ねられた状態で、かつその重ねられた順序のまま巻枠１０２の下部に同心円状に上記集合導体１０３Ａの巻回数と等しい回数巻回されることにより構成されている。そして、集合導体１０３Ｂの巻回状態では、超電導線材１３４が上下２段ともに亘って下部コイル体１Ｂの径方向外側に位置し、超電導線材１３５が上下２段ともに亘って径方向中間に位置し、超電導線材１３６が上下２段ともに亘って径方向内側に位置している。

また、上部コイル体１０１Ａの集合導体１０３Ａの上段側の巻終り端部および下部コイル体１０１Ｂの集合導体１０３Ｂの下段側の巻終り端部には、それぞれ、外部接続用の外側電極１０４および１０５が接続されている。これらの外側電極１０４，１０５の構成は、超電導線材と接合される銅電極の数が３つであること以外、基本的に外側電極４，５と同様であるので、その詳細な説明を省略する。なお、外側電極１０４，１０５の外面は、その内面に対して巻回方向に約１５°以下のテーパー角度を有するように構成されている。

そして、この超電導コイル１０１は、上部コイル体１０１Ａの集合導体１０３Ａの下段側の巻終り端部と下部コイル体１０１Ｂの集合導体１０３Ｂの上段側の巻終り端部とを電気的に接続する電極ユニット（接続手段）１０６を備えている。この電極ユニット１０６は、図７および図８に示すように、超電導線材１３１〜１３６の巻回方向に沿って配列される第１電極部１６１、第２電極部１６２および第３電極部１６３と、電極部１６１，１６２間、および、電極１６２，１６３間に各々配される２つの絶縁材（絶縁性部材）１６４とにより構成されている。第１電極部１６１は、超電導コイル１０１の軸方向に延びる態様で両コイル体１０１Ａ，１０１Ｂに亘って設けられており、その上部に超電導線材１３１の端部が半田１６５（図７参照）を介して導通可能に固着されるとともに、その下部に超電導線材１３６の端部が図略の半田を介して導通可能に固着されるようになっている。また、第２電極部１６２は、超電導コイル１０１の軸方向に延びる態様で両コイル体１０１Ａ，１０１Ｂに亘って設けられており、その上部に超電導線材１３２の端部が半田１６５を介して導通可能に固着されるとともに、その下部に超電導線材１３５の端部が図略の半田を介して導通可能に固着されるようになっている。また、第３電極部１６３は、超電導コイル１０１の軸方向に延びる態様で両コイル体１０１Ａ，１０１Ｂに亘って設けられており、その上部に超電導線材１３３の端部が半田１６５を介して導通可能に固着されるとともに、その下部に超電導線材１３４の端部が図略の半田を介して導通可能に固着されるようになっている。

つまり、超電導線材１３２は、その端部が超電導線材１３３の端部を集合導体１０３Ａの下段の巻回方向（上面視で反時計回りの方向）に乗り越える位置まで延設されるとともに、超電導線材１３１は、その端部が超電導線材１３２の端部を上記巻回方向にさらに乗り越える位置まで延設され、上記各位置において対応する電極部１６１，１６２に接続されている。また、超電導線材１３５は、その端部が超電導線材１３６の端部を集合導体１０３Ｂの上段の巻回方向（上面視で時計回りの方向）に乗り越える位置まで延設されるとともに、超電導線材１３４は、その端部が超電導線材１３５の端部を上記巻回方向にさらに乗り越える位置まで延設され、上記各位置において対応する電極部１６３，１６２に接続されている。したがって、この変形例によるダブルパンケーキ型のコイル体１０１Ａ，１０１Ｂを備えた超電導コイル１０１においても、各電極部１６１〜１６３を挟む上部コイル体１０１Ａの超電導線材１３１〜１３３の下段部分と、下部コイル体１０１Ｂの超電導線材１３４〜１３６の上段部分とが、互いに逆向きに巻枠１０２に巻回されている。なお、電極ユニット１０６の外面は、図７に示すように、電極部１６２の巻回方向中央部を頂点として両側に約１５°以下のテーパー角度を有する構成となっているため、超電導線材１３１〜１３６に局所的にフラットワイズの歪みが発生し難くなっている。

これにより、集合導体１０３Ａの外側の超電導線材１３１の端部と、集合導体１０３Ｂの内側の超電導線材１３６の端部とが、超電導コイル１０１の軸方向に並んだ状態で電極ユニット１０６の第１電極部１６１を介して電気的に接続され、集合導体１０３Ａの中間の超電導線材１６２の端部と、集合導体１０３Ｂの中間の超電導線材１３５の端部とが、超電導コイル１０１の軸方向に並んだ状態で電極ユニット１０６の第２電極部１３２を介して電気的に接続され、集合導体１０３Ａの内側の超電導線材１３３の端部と、集合導体１０３Ｂの外側の超電導線材１３４の端部とが、超電導コイル１０１の軸方向に並んだ状態で電極ユニット６の第３電極部１６３を介して電気的に接続されている。

そして、電極ユニット１０６により、上部コイル体１０１Ａで生じた超電導線材１３１〜１３３の巻回長さの差と、下部コイル体１０１Ｂで生じた超電導線材１３４〜１３６の巻回長さの差とが互いに打ち消し合うように、２つのコイル体１０１Ａ，１０１Ｂの超電導線材１３１および１３６を接続し、超電導線材１３２および１３５を接続し、超電導線材１３３および１３４を接続したので、電極ユニット１０６の第１電極部１６１によって電気的に接続された超電導線材１３１，１３６からなる連結体、第２電極部１６２によって電気的に接続された超電導線材１３２，１３５からなる連結体、および、第３電極部１６３によって電気的に接続された超電導線材１３３，１３４からなる連結体の２つのコイル体１０１Ａ，１０１Ｂに亘る総巻回長さが略等しくなっている。

この変形例では、電極ユニット１０６の第１電極部１６１に、上部コイル体１０１Ａの径方向外側から１番目（すなわち径方向外側）に配される超電導線材１３１の端部と、下部コイル体１０１Ｂの径方向内側から１番目（すなわち径方向内側）に配される超電導線材１３６の端部とをそれぞれ導通可能に固着するとともに、電極ユニット１０６の第２電極部１６２に、上部コイル体１０１Ａの径方向外側から２番目（すなわち径方向中間）に配される超電導線材１３２の端部と、下部コイル体１０１Ｂの径方向内側から２番目（すなわち径方向中間）に配される超電導線材１３５の端部とをそれぞれ導通可能に固着し、さらに、電極ユニット１０６の第３電極部１６３に、上部コイル体１０１Ａの径方向外側から３番目（すなわち径方向内側）に配される超電導線材１３３の端部と、下部コイル体１０１Ｂの径方向内側から３番目（すなわち径方向外側）に配される超電導線材１３４の端部とをそれぞれ導通可能に固着したので、上部コイル体１０１Ａで生じた超電導線材１３１〜１３３の巻回長さの差と、下部コイル体１０１Ｂで生じた超電導線材１３４〜１３６の巻回長さの差とが互いに打ち消し合うように、２つのコイル体１０１Ａ，１０１Ｂの超電導線材１３１および１３６を電気的に接続するとともに、超電導線材１３２および１３５を電気的に接続し、さらに超電導線材１３３および１３４を電気的に接続することができる。これにより、従来のように、超電導線材を厚さ方向に重ねた集合体の所定箇所にねじり部分を設けることなく、電極ユニット１０６の第１電極部１６１によって電気的に接続された超電導線材１３１，１３６からなる連結体、第２電極部１６２によって電気的に接続された超電導線材１３２，１３５からなる連結体、および、第３電極部１６３によって電気的に接続された超電導線材１３３，１３４からなる連結体の２つのコイル体１０１Ａ，１０１Ｂに亘る総巻回長さを略等しくし、各連結体の自己インダクタンスに差が生じ難くすることで偏流を抑制することができるので、超電導特性の低下を十分に抑制しつつ、超電導コイル１０１の臨界電流を増大させることができる。

なお、上記実施形態およびその変形例では、超電導線材を２枚、あるいは３枚集合化した集合導体を用いているが、４枚以上の超電導線材からなる集合導体を用いた場合でも、本発明を適用可能である。すなわち、一方のコイル体の径方向外側から１番目の超電導線材と他方のコイル体の径方向内側から１番目の超電導線材とを電気的に接続し、一方のコイル体の径方向外側から２番目の超電導線材と他方のコイル体の径方向内側から２番目の超電導線材とを電気的に接続するというようにして、一方のコイル体の径方向外側からｎ番目の線材と他方のコイル体の径方向内側からｎ番目の線材とを電気的に接続する（ｎは超電導線材の数以下の正の整数）ことで、上記実施形態およびその変形例の効果と同等の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、集合導体１Ａ，１Ｂの径方向内側の端部、すなわち超電導線材３１〜３４の始端部３１ａ〜３４ａ同士を、電極ユニット６を介して電気的に接続したが、これに限らず、集合導体１Ａ，１Ｂの径方向外側の端部、すなわち超電導線材３１〜３４の終端部３１ｂ〜３４ｂ同士を、超電導コイル１の径方向外側に配した電極ユニットを介して電気的に接続する構成であってもよい。このとき、超電導線材３１〜３４の始端部３１ａ〜３４ａは、外部接続用の電極に各々接続される。

また、上記実施形態では、本発明の「接続手段」の一例として、電極部同士が絶縁材で連結されることによりユニット化された電極ユニットを示したが、これに限らず、各電極部が連結されることなく、それぞれ独立して設けられる構成の接続手段であってもよい。

次に、上記実施形態の効果を証明するために行った実験について説明する。

すなわち、上記実施形態に含まれない構成の比較例１による供試体Ａを作製するとともに、上記実施形態に対応する構成の実施例１による供試体Ｂと、上記実施形態の変形例に対応する構成の実施例２，３による供試体Ｃ，Ｄとを作製し、これらの供試体Ａ〜Ｄの特性を比較する実験を行った。

比較例１

２枚のテープ状のＹ系酸化物超電導線材を厚さ方向に重ねて集合導体とし、この集合導体を巻枠に巻回することによって、シングルパンケーキコイルを２つ作製した。そして、これらのシングルパンケーキコイルを軸方向に積層して比較例１による超電導コイルとしての供試体Ａを作製した。この供試体Ａでは、各パンケーキコイルの集合導体同士を接続する径方向内側の電極ユニットにおいて、上段および下段のパンケーキコイルで内側の超電導線材同士を接続するとともに、外側の超電導線材同士を接続した。つまり、超電導線材の集合導体における内外位置を入れ替えての接続を行っていない。この比較例１の供試体Ａでは、コイル全体の臨界電流が、コイル化する前の各超電導線材の臨界電流の合計を大きく下回り、顕著な偏流が生じていることが判明した。

以下、上記供試体Ａの具体的な作製手順および測定結果を示す。

厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍの４枚のハステロイ基板上に、Ｇｄ−Ｚｒ酸化物を中間層として１μｍ堆積し、その上に厚さ０．５μｍのＣｅＯ_２層をキャップ層として形成し、さらに、その上に厚さ１μｍのＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ超電導膜をＣＶＤ装置により成膜した。最後に、保護膜としてＡｇ層を成膜してテープ状のＹ系酸化物超電導線材Ｎｏ．１０１〜Ｎｏ．１０４を作製した。

２枚の超電導線材Ｎｏ．１０１，Ｎｏ．１０２を直径が約５０ｃｍの円形状に大きく曲げた状態で、液体窒素に浸漬し、温度７７．３Ｋ、外部磁場０Ｔにおいて、２枚の超電導線材Ｎｏ．１０１，Ｎｏ．１０２の臨界電流Ｉｃ１０１，Ｉｃ１０２を測定した。この時、６０Ａ／ｓの高速で電流を掃引して変化させた。ここでの臨界電流の定義は、「発生電圧を電圧端子間距離２０ｍで除して得られた電界が０．１μＶ／ｃｍ（＝０．０１μＶ／ｍｍ）となる時（すなわち発生電圧が２００μＶとなる時）の電流値」である。その結果、各臨界電流値は、Ｉｃ１０１＝１４７Ａ，Ｉｃ１０２＝１４３Ａであった。

次に、胴部が内径８０ｍｍ、外径１００ｍｍ、長さ２３ｍｍであり、フランジ径が１６０ｍｍであるＦＲＰ製巻枠の胴部に固定された幅２３ｍｍ、長さ１６ｍｍ、厚さ５ｍｍの内側銅電極の上半分（上段側）に、Ｂｉ基合金のＢｉ−４２ｗｔ％Ｓｎ半田を塗布し、１４０℃〜２００℃の温度範囲に加熱した後、上記超電導線材Ｎｏ．１０１，Ｎｏ．１０２をＡｇ側が内側銅電極に接触するように載置して固定し、そのまま冷却した。その後、２枚の超電導線材Ｎｏ．１０１，Ｎｏ．１０２を厚さ方向に重ね、超電導線材Ｎｏ．１０１が超電導線材Ｎｏ．１０２よりも外側に位置するように巻枠の胴部に巻回し、径方向外側の端部でも上記内側銅電極と同様の外側銅電極に各超電導線材Ｎｏ．１０１，Ｎｏ．１０２を半田付けして端部処理を施した。

次に、上記内側銅電極の下半分（下段側）に、Ｂｉ−４２ｗｔ％Ｓｎ半田を塗布し、１４０℃〜２００℃の温度範囲に加熱した後、残りの超電導線材Ｎｏ．１０３，Ｎｏ．１０４をＡｇ側が内側銅電極に接触するように載置して固定し、冷却した。この時の超電導線材Ｎｏ．１０３，Ｎｏ．１０４の位置は、上段の外側超電導線材Ｎｏ．１０１が下段の外側超電導線材Ｎｏ．１０３に、上段の内側超電導線材Ｎｏ．１０２が下段の内側超電導線材Ｎｏ．１０４にそれぞれ接続されるようにした。その後、超電導線材Ｎｏ．１０３，Ｎｏ．１０４を厚さ方向に重ね、超電導線材Ｎｏ．１０３が超電導線材Ｎｏ．１０４よりも外側に位置するように巻枠の胴部に巻回し、径方向外側の端部でも上記と同様の外側銅電極に各超電導線材Ｎｏ．１０３，Ｎｏ．１０４を半田付けして端部処理を施した。

そして、得られたコイルを真空中でエポキシ樹脂含浸して、比較例１による供試体Ａ（超電導コイル）を作製した。

作製した供試体Ａを液体窒素に浸漬して通電し、コイル形成前に超電導線材Ｎｏ．１０１，Ｎｏ．１０２の臨界電流を測定した同じ電圧端子を用いて、コイル形成後の電流−電圧特性を評価した。この時、６０Ａ／ｓの高速で電流を掃引して変化させ、２枚の超電導線材に流れる合計の電流Ｉｔをモニタリングした。便宜上、各線材の電圧が２０μＶとなる時のＩｔをＩｔｃ１０１，Ｉｔｃ１０２とする時、Ｉｔｃ１０１＝２１４Ａ，Ｉｔｃ１０２＝２０４Ａとなった。なお、接続抵抗による電圧やフロー電圧は、コイルのインダクタンスによる電圧に比べて十分小さい。この時、コイルに発生する磁場０．１Ｔにより、超電導線材の臨界電流Ｉｃ１０１´およびＩｃ１０２´は０Ｔに比べて低下するが、磁場の向きや分布を考慮すると９０％程度に低下すると考えられる。したがって、Ｉｃ１０１´＋Ｉｃ１０２´＝（Ｉｃ１０１＋Ｉｃ１０２）×０．９０＝（１４７＋１４３）×０．９０＝２６１Ａとなり、Ｉｔｃ１０１／（Ｉｃ１０１´＋Ｉｃ１０２´）＝０．８２、Ｉｔｃ１０２／（Ｉｃ１０１´＋Ｉｃ１０２´）＝０．７８という値に留まって、顕著な偏流が見られた（各線材の臨界電流まで同時に電流が流れた場合、Ｉｔｃ１０１／（Ｉｔ１０１´＋Ｉｔ１０２´）≒１．０、Ｉｔｃ１０２／（Ｉｃ１０１´＋Ｉｃ１０２´）≒１．０となる）。

比較例１と同様にしてＹ系酸化物超電導線材を４枚（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）切り出し、直径が約５０ｃｍの円形状に大きく曲げた状態で液体窒素に浸漬して、温度７７．３Ｋ、外部磁場０Ｔにおいて線材Ｎｏ．１，Ｎｏ．２の臨界電流Ｉｃ１およびＩｃ２を測定したところ、Ｉｃ１＝１５１Ａ，Ｉｃ２＝１４６Ａであった。なお、本実施例１および以下の実施例２，３における電流測定の際には、上記比較例１と同様に６０Ａ／ｓの高速で電流を掃引して変化させながら当該測定を行った。

これらの超電導線材を用い、比較例１と同じサイズの巻枠を用いて、上記実施形態に対応する超電導コイルとしての供試体Ｂを作製した（図１参照）。実施例１の供試体Ｂでは、超電導コイルの径方向内側に配される電極ユニット（本発明の「接続手段」）は、図３を参照して、絶縁材６３に相当するＦＲＰ板を電極部６１，６２に相当する銅ブロック材で挟んだ状態で、耐熱性のエポキシ接着剤を用いて接着固定することにより形成した。また、図５を参照して、上段および下段のパンケーキコイルで内側の超電導線材と外側の超電導線材とをそれぞれ入れ替えるように接続した。

作製した供試体Ｂを７７．３Ｋの液体窒素に浸漬して通電し、外部磁場０Ｔ中でＩｔｃ１，Ｉｔｃ２を評価したところ、Ｉｔｃ１＝２５４Ａ，Ｉｔｃ２＝２４６Ａの値が得られた。この時Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１´＋Ｉｃ２´）＝０．９５、Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１´＋Ｉｃ２´）＝０．９２であり、２枚の超電導線材の臨界電流の合計の９２％以上の臨界電流を確保することができ、偏流を十分に抑制することができたことが確認された。

なお、本実施例では、得られたコイルを真空中でエポキシ樹脂含浸して、供試体Ｂ（超電導コイル）を作製したが、コイルの含浸はエポキシ樹脂に限らず他の材料、例えばフェノール樹脂、エナメル樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ワックスで行っても同様の結果が得られる。

上記結果は、酸化物超電導線材としてＹ系酸化物超電導線材を用いた場合であるが、ＡｇおよびＡｇ基合金シースを用いたＢｉ系酸化物超電導線材を用いても、表面がＹ系酸化物超電導線材と同様にＡｇまたはＡｇ基合金であるので、同様な結果が得られる。

また、実施例１で作製した供試体Ｂを温度７７．３Ｋ中、外部磁場５Ｔ中でＩｔｃ１，Ｉｔｃ２を評価したところ、８．５Ａ，８．１Ａの値が得られ、Ｉｔｃ１，Ｉｔｃ２の値が０Ｔのときに比べて１／３０程度に低下することが判明した。また、超電導線材間の耐電圧テストでは３２０Ｖで絶縁破壊した。

次に、Ｙ系酸化物超電導線材Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１２にＳＵＳ３０４からなる厚さ０．０５ｍｍのテープ状の支持体を沿わせ、その集合体を０．０１ｍｍのポリイミドテープでラッピングして集合導体を作製し、実施例１と同様にして上記実施形態の一変形例に対応する超電導コイルとしての供試体Ｃを作製した。温度７７．３Ｋ、外部磁場０Ｔにおいて超電導線材Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１２の臨界電流Ｉｃ１１，Ｉｃ１２を測定したところ、Ｉｃ１１＝１５３Ａ、Ｉｃ１２＝１４８Ａであった。

作製した供試体Ｃを７７．３Ｋの液体窒素に浸漬して通電し、外部磁場０Ｔ中でＩｔｃ１１，Ｉｔｃ１２を評価したところ、２５７Ａ，２５２Ａの値が得られた。この時Ｉｔｃ１１／（Ｉｃ１１´＋Ｉｃ１２´）＝０．９５、Ｉｔｃ１２／（Ｉｃ１１´＋Ｉｃ１２´）＝０．９３であり、２枚の超電導線材の臨界電流の合計の９３％以上の臨界電流を確保することができ、偏流を十分に抑制することができたことが確認された。

なお、実施例２で作製した供試体Ｃを温度７７．３Ｋ中、外部磁場５Ｔ中でＩｔｃ１１、Ｉｔｃ１２を評価したところ、２９．３Ａ，２９．７Ａの値が得られ、実施例１に比べて、外部磁場５Ｔにおいて３倍以上のＩｔｃ１１，Ｉｔｃ１２が得られることが判明した。また、超電導線材間の耐電圧テストでは１ｋＶでも絶縁破壊しないことが確認でき、電力応用機器への適用条件が大きく緩和されることがわかった。

次に、長さ１２０ｍのＹ系酸化物超電導線材を２枚（Ｎｏ．２０，Ｎｏ．３０）準備し、その内の１枚（Ｎｏ．２０）を長さ方向に略３等分に切断して得られた超電導線材Ｎｏ．２１，Ｎｏ．２２，Ｎｏ．２３から長さ１００ｍｍの部分を切り出し、それぞれを温度７７．３Ｋに冷却して外部磁場０Ｔで、臨界電流Ｉｃ２１，Ｉｃ２２，Ｉｃ２３を測定した。その結果はＩｃ２１＝１５１Ａ，Ｉｃ２２＝１５６Ａ，Ｉｃ２３＝１５３Ａであった。

超電導線材Ｎｏ．２１，Ｎｏ．２２，Ｎｏ．２３を実施例１で用いたＦＲＰ製の巻枠に、ダブルパンケーキ型となるように巻回して（径方向外側から順にＮｏ．２１，Ｎｏ．２２，Ｎｏ．２３）上側パンケーキコイルを作製し、その上段の外周部で上記実施例１に示した外側銅電極と各超電導線材とをＢｉ−４２ｗｔ％Ｓｎ半田を用いて接続した。

その後、別の超電導線材（Ｎｏ．３０）を長さ方向に略３等分に切断して得られた超電導線材Ｎｏ．３１，Ｎｏ．３２，Ｎｏ．３３をＦＲＰ製の別の巻枠にダブルパンケーキ型となるように巻回して（外側から順にＮｏ．３１，Ｎｏ．３２，Ｎｏ．３３）下側パンケーキコイルを作製し、その下段の外周部で外側銅電極と各超電導線材とをＢｉ−４２ｗｔ％Ｓｎ半田を用いて接続した。

そして、この上側および下側パンケーキコイルを径方向外側に配した電極ユニット（接続手段）で接続する。各超電導線材Ｎｏ．２１，Ｎｏ．２２，Ｎｏ．２３がそれぞれ超電導線材Ｎｏ．３３，Ｎｏ．３２，Ｎｏ．３１に接続されるようにＢｉ−４２ｗｔ％Ｓｎ半田を用いて結線し、最後に真空中でエポキシ樹脂含浸して、上記実施形態の別の変形例に対応する超電導コイルとしての供試体Ｄを作製した。

作製した供試体Ｄを７７．３Ｋの液体窒素に浸漬して通電し、外部磁場０Ｔ中でＩｔｃ２，Ｉｔｃ２２，Ｉｔｃ２３を評価したところ、３５０Ａ，３３９Ａ，３４６Ａの値が得られた。この時、コイルに発生する磁場０．２５Ｔにより、超電導線材の臨界電流Ｉｃ２１´，Ｉｃ２２´，Ｉｃ２３´は０Ｔに比べて低下するが、磁場の向きや分布を考慮すると８０％程度に低下すると考えられる。したがって、Ｉｃ２１´＋Ｉｃ２２´＋Ｉｃ２３´＝（Ｉｃ２１＋Ｉｃ２２＋Ｉｃ２３）×０．８０＝（１５１＋１５６＋１５３）×０．８０＝３６８Ａとなるが、Ｉｔｃ２１／（Ｉｃ２１´＋Ｉｃ２２´＋Ｉｃ２３´）＝０．９５、Ｉｔｃ２２／（Ｉｃ２１´＋Ｉｃ２２´＋Ｉｃ２３´）＝０．９２、Ｉｔｃ２３／（Ｉｃ２１´＋Ｉｃ２２´＋Ｉｃ２３´）＝０．９４であり、３枚の超電導線材の臨界電流の合計の９２％以上の臨界電流を確保することができ、偏流を十分に抑制することができたことが確認された。

本発明の一実施形態による超電導コイルの全体構成を示した斜視図である。図１に示した超電導コイルの集合導体の構成を説明するための斜視図である。図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図１に示した超電導コイルのコイル体同士を電気的に接続する電極ユニットの要部構成を示した正面図である。変形例による超電導コイルの全体構成を示した斜視図である。図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。図６に示した超電導コイルのコイル体同士を電気的に接続する電極ユニットの構成を示した正面図である。従来の超電導線材の集合体における転位セグメントの構成を示した斜視図である。

符号の説明

１，１０１超電導コイル
１Ａ，１０１Ａ上部コイル体（第１のコイル体）
１Ｂ，１０１Ｂ下部コイル体（第２のコイル体）
２，１０２巻枠
３１〜３４，１３１〜１３６超電導線材
６，１０６電極ユニット（接続手段）
６１，１６１第１電極部（電極部）
６２，１６２第２電極部（電極部）
６３，１６４絶縁材（絶縁性部材）
１６３第３電極部（電極部）

Claims

第１のコイル体と、この第１のコイル体の軸方向側に隣接する第２のコイル体と、これら第１のコイル体および第２のコイル体を電気的に接続する接続手段とを備えた超電導コイルであって、
前記第１のコイル体および第２のコイル体は、それぞれ、
前記接続手段に接続される所定数のテープ状の超電導線材と、
これらの超電導線材を、当該超電導線材の厚さ方向に重ねた状態で、かつその重ねた順序のまま同心円状に巻回するための巻枠とを含み、
前記接続手段は、前記コイル体を構成する超電導線材の数に等しい所定数の電極部を含み、
ｎを前記超電導線材の数以下の任意の正の整数とする場合に、前記第１のコイル体の径方向外側からｎ番目に配される超電導線材の端部と、前記第２のコイル体の径方向内側からｎ番目に配される超電導線材の端部とが、前記コイル体の軸方向に並んだ状態で、共通の前記電極部に各々導通可能に固着され、
かつ、前記電極部を挟む前記第１のコイル体の超電導線材と前記第２のコイル体の超電導線材とが互いに逆向きに前記巻枠に巻回されていることを特徴とする超電導コイル。
前記各コイル体の巻枠は、互いに略等しい外径寸法を有しており、
前記超電導線材は、前記巻枠に所定の巻回数で巻回され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。
前記所定数の電極部は、前記超電導線材の巻回方向に沿って配列されるとともに、それぞれ、前記コイル体の軸方向に延びる態様で前記２つのコイル体に亘って設けられ、
前記超電導線材は、その端部がより径方向内側に配される超電導線材の端部を前記巻回方向に乗り越える位置まで延設されるとともに、当該位置において前記電極部に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル。
前記第１のコイル体の超電導線材の端部と、この超電導線材に対応する前記第２のコイル体の超電導線材の端部とが、前記電極部の同一面に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の超電導コイル。
前記電極部は、前記超電導線材の径方向内側の端部に接続される電極部であって、前記超電導線材との接続面が前記巻枠の外周面に略面一となるように該巻枠に埋設されていることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイル。
隣り合う前記電極部が、絶縁性部材を介して連結されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の超電導コイル。
前記超電導線材に沿うように配されて該超電導線材とともに前記巻枠に巻回されるテープ状の支持体をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の超電導コイル。