JP7343859B2 - 伝導冷却型超伝導コイル - Google Patents
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Description
本発明は、伝導冷却型超伝導コイルに関する。
従来、低温超伝導体を使用した超伝導磁石において、導体を冷媒に浸漬し難い構造の磁石では伝導冷却方式が採用されている。この技術に関する文献としては、例えば非特許文献１－４がある。
非特許文献１においては、超伝導導体の外側にアルミニウム合金、及び純アルミニウムを配置してコイル巻線部を冷却している。
非特許文献２においては、コイル巻線の層間に純アルミニウム板を設置してコイル巻線部を冷却している。
非特許文献３や非特許文献４においては、コイル巻線の層間、および内外周にアルミニウム板を設置してコイル巻線部を冷却している。
非特許文献１においては、超伝導導体の外側にアルミニウム合金、及び純アルミニウムを配置してコイル巻線部を冷却している。
非特許文献２においては、コイル巻線の層間に純アルミニウム板を設置してコイル巻線部を冷却している。
非特許文献３や非特許文献４においては、コイル巻線の層間、および内外周にアルミニウム板を設置してコイル巻線部を冷却している。
前記の構造に関連する特許文献としては、例えば特許文献１－４がある。
特許文献１では、コイル導体を支持する電磁力支持シリンダーの外側または内側に冷却用熱伝導体を配置する構造が開示されている。
特許文献２では、超伝導コイル巻線の層間に導体に沿うような凹部を設けた冷却用金属板を設置する構造が開示されている。
特許文献３では、超伝導コイル巻線の層間に冷却板を設置した構造が開示されている。
特許文献４では、超伝導コイル巻線の層間に良熱伝導性樹脂または良熱伝導性樹脂と冷却板の両方を設置した構造が開示されている。
また、特許文献３と特許文献４では、定常的な冷却のみならず交流通電時の発熱を除去する目的も含めた冷却構造が開示されている。さらに特許文献４では、低温超伝導のみならず酸化物高温超伝導体も視野に入れた冷却構造が開示されている。
特許文献１では、コイル導体を支持する電磁力支持シリンダーの外側または内側に冷却用熱伝導体を配置する構造が開示されている。
特許文献２では、超伝導コイル巻線の層間に導体に沿うような凹部を設けた冷却用金属板を設置する構造が開示されている。
特許文献３では、超伝導コイル巻線の層間に冷却板を設置した構造が開示されている。
特許文献４では、超伝導コイル巻線の層間に良熱伝導性樹脂または良熱伝導性樹脂と冷却板の両方を設置した構造が開示されている。
また、特許文献３と特許文献４では、定常的な冷却のみならず交流通電時の発熱を除去する目的も含めた冷却構造が開示されている。さらに特許文献４では、低温超伝導のみならず酸化物高温超伝導体も視野に入れた冷却構造が開示されている。
一方、高温超伝導体（相転移温度Ｔｃが約２５Ｋ以上）においては、クエンチ伝播速度が遅く、クエンチした場合の温度上昇が低温超伝導体よりも大きくなる傾向にある。したがって、高温超伝導体を使用したコイルにおいては、その電流密度によってはクエンチ時の局所的発熱過大により焼損する可能性があり、その対策として過去種々の検討が実施されてきた。例えば、非特許文献５や非特許文献６がある。
非特許文献５や非特許文献６ではＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）導体を平板状にして、やはり平板状の銅板を半田付けすることにより、クエンチ時の熱を拡散させ、導体温度上昇を抑制している。
この平板状の銅板は、先に述べたコイル巻線層間の冷却板と同様の役目を果たすこととなり、コイルの伝導冷却の促進にも寄与する構造となっている。
非特許文献５や非特許文献６ではＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）導体を平板状にして、やはり平板状の銅板を半田付けすることにより、クエンチ時の熱を拡散させ、導体温度上昇を抑制している。
この平板状の銅板は、先に述べたコイル巻線層間の冷却板と同様の役目を果たすこととなり、コイルの伝導冷却の促進にも寄与する構造となっている。
A. Yamamoto, 他９名, "Conceptual Design of a Thin Superconducting Solenoid for Particle Astrophysics" IEEE Transactions on Magnetics, Vol.24, No.2, March 1988
Y. Makida, 他８名, "Development of an Astromag Test Coil with Aluminum Stabilized Superconductor" IEEE Transactions on Magnetics, Vol.27, No.2, March 1991
A. Yamamoto, 他１１名, "A Thin Superconducting Solenoid Magnet for Particle Astrophysics" IEEE Transactions on Superconductivity, Vol.12, No.1, March 2002
Y. Makida, 他６名, "Performance of an Ultra-Thin Superconducting Solenoid for Particle Astrophysics" IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.15, No.2, June 2005
S. Mine, 他７名，"Development of a 3T-250mm Bore MgB2 Magnet System" IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.25, No.3, June 2015
M. Wozniak, 他１名，"Long-Length Critical Current Measurement of MgB2 Wire in a Coil" IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.26, No.3, April 2016
以上、背景技術で述べたように、従来の高温超伝導体を利用した超伝導コイルでは、クエンチ時に局所的に発熱して高温になり、絶縁損傷を発生させたり、あるいは導体自体が焼損したりする可能性がある。そのため、導体に銅板のような冷却板を半田付けして一体化するような手法が必要であった。また、この銅板が定常時におけるコイル冷却促進の役割も担うことになっている。
しかしながら、この方法は、導体全長にわたって銅板を半田付けする処理が必要となり、コイル製作のコストが比較的上昇することとなる。
また、超伝導導体を冷却するのにコイル巻線層間に冷却板を設置する場合、冷却銅板のコイル軸方向端部における冷却構造が冷却構造上の熱的隘路とならない構造とする必要がある。しかし、その点に関する合理的な構造の提案は、特許文献１－４、非特許文献１－６を含めて、現状ではない。
しかしながら、この方法は、導体全長にわたって銅板を半田付けする処理が必要となり、コイル製作のコストが比較的上昇することとなる。
また、超伝導導体を冷却するのにコイル巻線層間に冷却板を設置する場合、冷却銅板のコイル軸方向端部における冷却構造が冷却構造上の熱的隘路とならない構造とする必要がある。しかし、その点に関する合理的な構造の提案は、特許文献１－４、非特許文献１－６を含めて、現状ではない。
本発明は、クエンチしてもコイル損傷が発生しにくく、急速な冷却が可能な伝導冷却型超伝導コイルを提供することを課題（目的）とする。
前記の課題を解決するために、本発明を以下のように構成した。
すなわち、本発明の伝導冷却型超伝導コイルは、超伝導物質を有しコイル状に構成される超伝導線と、前記超伝導線が卷回されるボビンと、前記ボビンに卷回されてコイル状の軸方向および径方向に層状に配置された前記超伝導線の各層を挟むように配置される複数の第１冷却板と、前記超伝導線のコイル状の径方向に積層された各層で前記超伝導線が複数本として配列された端の少なくとも一方において、前記超伝導線よりも軸方向における外側に、前記第１冷却板同士の間に挟まれるように配置される複数の第２冷却板と、を備え、前記第１冷却板の前記超伝導線のコイル状の軸方向における長さの寸法は、層状に配置された前記超伝導線と複数の前記第１冷却板とで積層された超伝導線冷却板積層部のコイル状の軸方向の長さの寸法と、前記第２冷却板のコイル状の軸方向の長さの寸法との合計以上の寸法で形成されて、前記第１冷却板は、複数の前記超伝導線と複数の前記第２冷却板とを覆っており、前記第２冷却板は、前記超伝導線のコイル状の径方向における１層の厚さの寸法が、前記超伝導線の１層の径方向の長さの寸法と等しい寸法であり、前記第２冷却板の前記超伝導線のコイル状の軸方向における長さの寸法が、複数の前記第１冷却板と複数の前記第２冷却板が積層された冷却板積層部の厚さの寸法と等しい寸法であり、前記超伝導線と複数の前記第１冷却板と複数の第２冷却板とは、樹脂により一体化されていることを特徴とする。
すなわち、本発明の伝導冷却型超伝導コイルは、超伝導物質を有しコイル状に構成される超伝導線と、前記超伝導線が卷回されるボビンと、前記ボビンに卷回されてコイル状の軸方向および径方向に層状に配置された前記超伝導線の各層を挟むように配置される複数の第１冷却板と、前記超伝導線のコイル状の径方向に積層された各層で前記超伝導線が複数本として配列された端の少なくとも一方において、前記超伝導線よりも軸方向における外側に、前記第１冷却板同士の間に挟まれるように配置される複数の第２冷却板と、を備え、前記第１冷却板の前記超伝導線のコイル状の軸方向における長さの寸法は、層状に配置された前記超伝導線と複数の前記第１冷却板とで積層された超伝導線冷却板積層部のコイル状の軸方向の長さの寸法と、前記第２冷却板のコイル状の軸方向の長さの寸法との合計以上の寸法で形成されて、前記第１冷却板は、複数の前記超伝導線と複数の前記第２冷却板とを覆っており、前記第２冷却板は、前記超伝導線のコイル状の径方向における１層の厚さの寸法が、前記超伝導線の１層の径方向の長さの寸法と等しい寸法であり、前記第２冷却板の前記超伝導線のコイル状の軸方向における長さの寸法が、複数の前記第１冷却板と複数の前記第２冷却板が積層された冷却板積層部の厚さの寸法と等しい寸法であり、前記超伝導線と複数の前記第１冷却板と複数の第２冷却板とは、樹脂により一体化されていることを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
本発明によれば、クエンチしてもコイル損傷が発生しにくく、また急速な冷却が可能な伝導冷却型超伝導コイルを提供できる。
以下、本発明を実施するための形態（以下においては「実施形態」と表記する）を、適宜、図面を参照して説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を、適宜、省略する。
≪第１実施形態≫
本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイルについて、図１～図３を参照して説明する。なお、伝導冷却型超伝導コイルの「超伝導」は「超電導」と同義語として、本発明の実施形態の説明では、「超伝導」と表記する。
本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイルについて、図１～図３を参照して説明する。なお、伝導冷却型超伝導コイルの「超伝導」は「超電導」と同義語として、本発明の実施形態の説明では、「超伝導」と表記する。
《伝導冷却型超伝導コイルの構造》
図１は、本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１の中心軸Ｚを含む切断面における断面構造の一例を示す図である。
また、図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１の中心軸Ｚ方向に垂直な切断面における断面構造の一例を示す図である。また、図２Ａにおいて、二つのＩ－Ｉ軸の交点に図１の中心軸Ｚが位置している。なお、図２Ｂ、図３については、後記する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１の中心軸Ｚを含む切断面における断面構造の一例を示す図である。
また、図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１の中心軸Ｚ方向に垂直な切断面における断面構造の一例を示す図である。また、図２Ａにおいて、二つのＩ－Ｉ軸の交点に図１の中心軸Ｚが位置している。なお、図２Ｂ、図３については、後記する。
図１および図２Ａにおいて、伝導冷却型超伝導コイル１は、ボビン１１、超伝導線１２、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を備えて構成される。
超伝導線１２は、１本の超伝導線が筒状（円筒状）のボビン１１を中心として、多層のコイル状に形成されている。そのため、図１および図２において、超伝導線１２は、複数本が配列、もしくは多層に積層したように表記されている。また、超伝導線１２は１本で構成されているが、図面の説明上、「複数（複数本）の超伝導線１２」とも、適宜、表記する。
図１においては、超伝導線１２の断面は、断面構造が円形の場合を例として表記している。また、図２Ａに示すように、超伝導線１２は、コイルの周方向に長い線状で構成されている。
また、図１および図２Ａに示すように、複数の配列として表記したそれぞれの超伝導線１２は、それぞれ二つの第１冷却板１３に挟まれて構成されている。なお、複数の層の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３が積層されている部分を、超伝導線冷却板積層部３１（図１）と表記する。
超伝導線１２は、１本の超伝導線が筒状（円筒状）のボビン１１を中心として、多層のコイル状に形成されている。そのため、図１および図２において、超伝導線１２は、複数本が配列、もしくは多層に積層したように表記されている。また、超伝導線１２は１本で構成されているが、図面の説明上、「複数（複数本）の超伝導線１２」とも、適宜、表記する。
図１においては、超伝導線１２の断面は、断面構造が円形の場合を例として表記している。また、図２Ａに示すように、超伝導線１２は、コイルの周方向に長い線状で構成されている。
また、図１および図２Ａに示すように、複数の配列として表記したそれぞれの超伝導線１２は、それぞれ二つの第１冷却板１３に挟まれて構成されている。なお、複数の層の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３が積層されている部分を、超伝導線冷却板積層部３１（図１）と表記する。
また、図１に示すように、コイル軸方向（中心軸方向）の超伝導線１２の端部において、第２冷却板１４が備えられている。第２冷却板１４の厚さ（コイル径方向の長さ）は、超伝導線１２の円形断面の直径と、ほぼ同じ長さ（厚さ）である。
複数のそれぞれの第２冷却板１４は、複数（複数本）の超伝導線１２と共に、それぞれ二つの第１冷却板１３に挟まれて構成されている。
なお、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４が交互に積層されている部分を、冷却板積層部３２と表記する。
複数のそれぞれの第２冷却板１４は、複数（複数本）の超伝導線１２と共に、それぞれ二つの第１冷却板１３に挟まれて構成されている。
なお、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４が交互に積層されている部分を、冷却板積層部３２と表記する。
前記したように、複数の層の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３が積層されている部分が超伝導線冷却板積層部３１であるので、超伝導線冷却板積層部３１の図面視で左端と右端の両側の端部に、それぞれ冷却板積層部３２が配置されている。なお、左端と右端における冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さが異なる場合には、左端を冷却板積層部３２Ｂ、右端を冷却板積層部３２Ａと表記する。
以下においては、両端の冷却板積層部３２は、同一の構造であるとして説明をする。また、前記したように左端が冷却板積層部３２Ｂで右端が冷却板積層部３２Ａである場合については、後記する第５実施形態で説明する。
また、図１および図２Ａに示すように、第１冷却板１３と第２冷却板１４は、超伝導線１２とともに、筒状のボビン１１を中心として、周方向に形成されている。
以下においては、両端の冷却板積層部３２は、同一の構造であるとして説明をする。また、前記したように左端が冷却板積層部３２Ｂで右端が冷却板積層部３２Ａである場合については、後記する第５実施形態で説明する。
また、図１および図２Ａに示すように、第１冷却板１３と第２冷却板１４は、超伝導線１２とともに、筒状のボビン１１を中心として、周方向に形成されている。
図１において、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された厚さ（冷却板積層部３２の厚さ）を寸法ａと表記する。
また、図１および図２Ａにおいて、複数の第１冷却板１３と複数の超伝導線１２とが積層された厚さ（超伝導線冷却板積層部３１の厚さ）を寸法ｂと表記する。
また、図１において、複数の超伝導線１２が、コイルとしての軸方向に配列された長さ（超伝導線冷却板積層部３１の軸方向の長さ）を寸法ｃとする。
また、第１冷却板１３のコイル軸方向の長さを寸法ｄとする。
また、第２冷却板１４のコイル軸方向の長さ（冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さ）を寸法ｅとする。なお、両端の冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さが異なる場合には、冷却板積層部３２Ａにおける第２冷却板１４のコイル軸方向の長さを寸法ｅ１とし、冷却板積層部３２Ｂにおける第２冷却板１４のコイル軸方向の長さを寸法ｅ２とする。この寸法ｅ１と寸法ｅ２が異なる場合については、後記する第５実施形態で説明する。
また、一つの第２冷却板１４の厚さを寸法ｆとする。
また、１本の超伝導線１２の厚さ（超伝導線の断面が円形状の場合は直径）を寸法ｇとする。
また、図１および図２Ａにおいて、複数の第１冷却板１３と複数の超伝導線１２とが積層された厚さ（超伝導線冷却板積層部３１の厚さ）を寸法ｂと表記する。
また、図１において、複数の超伝導線１２が、コイルとしての軸方向に配列された長さ（超伝導線冷却板積層部３１の軸方向の長さ）を寸法ｃとする。
また、第１冷却板１３のコイル軸方向の長さを寸法ｄとする。
また、第２冷却板１４のコイル軸方向の長さ（冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さ）を寸法ｅとする。なお、両端の冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さが異なる場合には、冷却板積層部３２Ａにおける第２冷却板１４のコイル軸方向の長さを寸法ｅ１とし、冷却板積層部３２Ｂにおける第２冷却板１４のコイル軸方向の長さを寸法ｅ２とする。この寸法ｅ１と寸法ｅ２が異なる場合については、後記する第５実施形態で説明する。
また、一つの第２冷却板１４の厚さを寸法ｆとする。
また、１本の超伝導線１２の厚さ（超伝導線の断面が円形状の場合は直径）を寸法ｇとする。
図１および図２Ａにおいて、２枚の第１冷却板１３は、複数に配列された超伝導線１２と、１枚の第２冷却板１４を同じように挟んで構成される。そのため、一つの第２冷却板１４の厚さの寸法ｆは、１本の超伝導線１２の厚さ（超伝導線の断面が円形状の場合は直径）の寸法ｇに概ね等しくなるように設定する。
そして、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された厚さ（冷却板積層部３２の厚さ）の寸法ａは、複数の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３とが積層された厚さ（超伝導線冷却板積層部３１の厚さ）の寸法ｂに概ね等しくなるように設定する。
そして、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された厚さ（冷却板積層部３２の厚さ）の寸法ａは、複数の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３とが積層された厚さ（超伝導線冷却板積層部３１の厚さ）の寸法ｂに概ね等しくなるように設定する。
また、複数（複数本）の超伝導線１２の冷却は、まず、図１における一番上の第１冷却板１３を、図示していない冷凍機器を介して冷却することから行われる。
そして、一番上の第１冷却板１３から、複数の第２冷却板１４や、中段や下段に配置された複数の第１冷却板１３へ伝導冷却が行われる。この伝導冷却の際に、熱は、図１の伝導冷却型超伝導コイル１の端部における複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４が交互に積層された部分（冷却板積層部３２）を介して行われる。
この伝導冷却が速やかに、効率的に行われるために、第２冷却板１４のコイル軸方向の長さの寸法ｅを、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された厚さの寸法ａと概ね等しく設定する。すなわち、冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さの寸法ｅを冷却板積層部３２の厚さの寸法ａと概ね等しく設定する。また、この関係は、冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さの寸法ｅを超伝導線冷却板積層部３１の厚さの寸法ｂと概ね等しく設定するに対応する（ａ≒ｂ）。
そして、一番上の第１冷却板１３から、複数の第２冷却板１４や、中段や下段に配置された複数の第１冷却板１３へ伝導冷却が行われる。この伝導冷却の際に、熱は、図１の伝導冷却型超伝導コイル１の端部における複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４が交互に積層された部分（冷却板積層部３２）を介して行われる。
この伝導冷却が速やかに、効率的に行われるために、第２冷却板１４のコイル軸方向の長さの寸法ｅを、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された厚さの寸法ａと概ね等しく設定する。すなわち、冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さの寸法ｅを冷却板積層部３２の厚さの寸法ａと概ね等しく設定する。また、この関係は、冷却板積層部３２のコイル軸方向の長さの寸法ｅを超伝導線冷却板積層部３１の厚さの寸法ｂと概ね等しく設定するに対応する（ａ≒ｂ）。
前記したように、図１におけるコイル端の第１冷却板１３と第２冷却板１４が積層された部分（冷却板積層部３２）は、冷凍機からの冷却板等で冷却されることになるが、この積層部分の外周側に冷凍機に連結された伝熱板を設置して冷却することを考えると、熱の速やかな流動のために、冷却板積層部分（冷却板積層部３２）のコイル軸方向の長さの寸法ｅが、熱伝導上、コイルの全厚さに概ね対応する超伝導線冷却板積層部３１の厚さの寸法ｂ、あるいは冷却板積層部３２の厚さの寸法ａとほぼ同等であることが合理的である。
また、第１冷却板１３のコイル軸方向の長さの寸法ｄは、複数の超伝導線１２がコイルとしての軸方向に配列された長さの寸法ｃと第２冷却板１４のコイル軸方向の長さの寸法ｅの合計値よりも長い。すなわち、第１冷却板１３は、複数の超伝導線１２と第２冷却板１４とを覆う。
図１においては、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された箇所が複数の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３とが積層された箇所の両側にあるので、概ね、ｄ＝ｃ＋２ｅの関係がある。
また、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された箇所（冷却板積層部３２）が複数の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３とが積層された箇所（超伝導線冷却板積層部３１）の片側の場合には、概ねｄ＝ｃ＋ｅの関係がある。
両側あるいは片側のいずれの場合でも、ｄ≧ｃ＋ｅの関係がある。
前記したように、概ねｅ＝ａの関係があるとしたので、ｄ≧ｃ＋ａの関係がある。
すなわち、第１冷却板１３のコイル軸方向の長さの寸法ｄは、複数の超伝導線１２がコイルとしての軸方向に配列された長さの寸法ｃに比較して、少なくとも片側においては、コイルの全厚さに概ね対応する超伝導線冷却板積層部３１の厚さの寸法ｂと同程度の寸法、あるいはそれ以上の寸法に設定している。
図１においては、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された箇所が複数の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３とが積層された箇所の両側にあるので、概ね、ｄ＝ｃ＋２ｅの関係がある。
また、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とが積層された箇所（冷却板積層部３２）が複数の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３とが積層された箇所（超伝導線冷却板積層部３１）の片側の場合には、概ねｄ＝ｃ＋ｅの関係がある。
両側あるいは片側のいずれの場合でも、ｄ≧ｃ＋ｅの関係がある。
前記したように、概ねｅ＝ａの関係があるとしたので、ｄ≧ｃ＋ａの関係がある。
すなわち、第１冷却板１３のコイル軸方向の長さの寸法ｄは、複数の超伝導線１２がコイルとしての軸方向に配列された長さの寸法ｃに比較して、少なくとも片側においては、コイルの全厚さに概ね対応する超伝導線冷却板積層部３１の厚さの寸法ｂと同程度の寸法、あるいはそれ以上の寸法に設定している。
また、図２Ｂは、本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１の中心軸Ｚ方向に垂直な図２Ａとは別の切断面における断面構造の一例を模式的に示す図である。
図１および図２Ａにおいて、伝導冷却型超伝導コイル１が、超伝導線１２、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４で構成されていることを説明した。ただし、１本の超伝導線１２をコイル状に巻回している。このコイル状に巻回された１本の超伝導線１２と、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４との関係が図１および図２Ａでは必ずしも明確とは言えないので図２Ｂを用いて補足説明をする。
図１および図２Ａにおいて、伝導冷却型超伝導コイル１が、超伝導線１２、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４で構成されていることを説明した。ただし、１本の超伝導線１２をコイル状に巻回している。このコイル状に巻回された１本の超伝導線１２と、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４との関係が図１および図２Ａでは必ずしも明確とは言えないので図２Ｂを用いて補足説明をする。
図２Ｂは、前記したように図２Ａとは別の断面の構造を模式的に示している。
図２Ｂが図２Ａと異なるのは、領域２００における構造である。領域２００において、１本の超伝導線１２が如何にコイル状に形成されるかを模式的に示している。
図２Ｂの領域２００においては、超伝導線１２が、内側（内層）から外側（外層）、あるいは下層から上層へ移行する様子を示している。なお、この超伝導線１２が巻かれて、内側から外側、あるいは下層から上層へ移行する箇所においては、所定の第１冷却板１３に孔部が、適宜、設けられる。
図２Ｂが図２Ａと異なるのは、領域２００における構造である。領域２００において、１本の超伝導線１２が如何にコイル状に形成されるかを模式的に示している。
図２Ｂの領域２００においては、超伝導線１２が、内側（内層）から外側（外層）、あるいは下層から上層へ移行する様子を示している。なお、この超伝導線１２が巻かれて、内側から外側、あるいは下層から上層へ移行する箇所においては、所定の第１冷却板１３に孔部が、適宜、設けられる。
図１、図２Ａ、図２Ｂにおいて示した超伝導線１２は、例えば高温超伝導体であるＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）が用いられている。また、高温超伝導体を用いた超伝導線を高温超伝導線と呼称するものとする。
なお、高温超伝導体の定義は、日本工業規格ＪＩＳ Ｈ７００５で定めた約２５Ｋ（ケルビン）以上の相転移温度Ｔｃを持つ超伝導体とする。
また、約２５Ｋ（ケルビン）未満の相転移温度Ｔｃを持つ超伝導体を低温超伝導体とする。図１、図２Ａ、図２Ｂにおいて示した超伝導線１２は、低温超伝導体も用いることができる。
また、第１冷却板１３と第２冷却板１４は、例えば銅で形成（構成）されている。
なお、高温超伝導体の定義は、日本工業規格ＪＩＳ Ｈ７００５で定めた約２５Ｋ（ケルビン）以上の相転移温度Ｔｃを持つ超伝導体とする。
また、約２５Ｋ（ケルビン）未満の相転移温度Ｔｃを持つ超伝導体を低温超伝導体とする。図１、図２Ａ、図２Ｂにおいて示した超伝導線１２は、低温超伝導体も用いることができる。
また、第１冷却板１３と第２冷却板１４は、例えば銅で形成（構成）されている。
また、複数の超伝導線１２と複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とを備えた伝導冷却型超伝導コイル１は、図示していない樹脂によって一体化されている。この一体化する際には、液状の樹脂を超伝導線１２と第１冷却板１３と第２冷却板１４との間に浸透させていく。なお、樹脂の絶縁性や熱伝導率は格別な特性は要求されない。例えば、樹脂の絶縁性は、超伝導線１２が超伝導体として使用される場合には、電流は超伝導体の状態にある超伝導線１２を流れるので樹脂の絶縁性は、格別、問題とならない。
また、樹脂の熱伝導率が高くなくとも時間をかけて超伝導線１２を冷却すれば、いずれ超伝導線１２は超伝導体の状態となる。そのため、樹脂の熱伝導率は、格別、問題とならない。
超伝導線１２と第１冷却板１３と第２冷却板１４との間に樹脂を含侵させることは、真空状態にしておくよりも、固定性、耐久性、冷却効率などの観点で望ましくなる。
また、樹脂の熱伝導率が高くなくとも時間をかけて超伝導線１２を冷却すれば、いずれ超伝導線１２は超伝導体の状態となる。そのため、樹脂の熱伝導率は、格別、問題とならない。
超伝導線１２と第１冷却板１３と第２冷却板１４との間に樹脂を含侵させることは、真空状態にしておくよりも、固定性、耐久性、冷却効率などの観点で望ましくなる。
以上の構成において、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とを介して、複数の超伝導線１２は、超伝導状態になるように冷却される。
《超伝導線の断面構造》
図３は、本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１における超伝導線１２の断面構造の一例を示す図である。
図３において、超伝導線１２は、超伝導フィラメント１７、第１シース１８、第２シース１９、安定化材（安定化銅）２０を備えて構成される。
超伝導線１２の中心部に、例えば安定化銅で構成される安定化材２０がある。この安定化材２０の外周側に複数の超伝導フィラメント１７が配置される。超伝導フィラメント１７は、例えばＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）を含む超伝導体で構成される。
複数の超伝導フィラメント１７は、被覆材である第２シース１９で覆われている。
また、被覆材である第１シース１８は、超伝導線１２の最外殻を覆って、第２シース１９とともに、超伝導フィラメント１７を保護している。
図３は、本発明の第１実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１における超伝導線１２の断面構造の一例を示す図である。
図３において、超伝導線１２は、超伝導フィラメント１７、第１シース１８、第２シース１９、安定化材（安定化銅）２０を備えて構成される。
超伝導線１２の中心部に、例えば安定化銅で構成される安定化材２０がある。この安定化材２０の外周側に複数の超伝導フィラメント１７が配置される。超伝導フィラメント１７は、例えばＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）を含む超伝導体で構成される。
複数の超伝導フィラメント１７は、被覆材である第２シース１９で覆われている。
また、被覆材である第１シース１８は、超伝導線１２の最外殻を覆って、第２シース１９とともに、超伝導フィラメント１７を保護している。
伝導冷却型超伝導コイル１の超伝導線１２における超伝導体が超伝導状態から逸脱するのがクエンチ（超伝導状態から常伝導状態への相転移）である。
導体（超伝導フィラメント１７、もしくは超伝導線１２）がクエンチした場合には、超伝導フィラメント１７が、超伝導状態ではなくなり、高抵抗を示す状態となる。
そのため、超伝導フィラメント１７に流れていた電流が、所定の抵抗を有する安定化材（安定化銅）２０に流れ込むことになり、発熱（抵抗発熱、ジュール熱）が始まる。
ある部分で生じたクエンチによる超伝導線１２の発熱は、超伝導線１２を挟む２枚の第１冷却板１３（図１）、および両隣の超伝導線１２（図１）に伝わる。
導体（超伝導フィラメント１７、もしくは超伝導線１２）がクエンチした場合には、超伝導フィラメント１７が、超伝導状態ではなくなり、高抵抗を示す状態となる。
そのため、超伝導フィラメント１７に流れていた電流が、所定の抵抗を有する安定化材（安定化銅）２０に流れ込むことになり、発熱（抵抗発熱、ジュール熱）が始まる。
ある部分で生じたクエンチによる超伝導線１２の発熱は、超伝導線１２を挟む２枚の第１冷却板１３（図１）、および両隣の超伝導線１２（図１）に伝わる。
第１冷却板１３によって、導体（超伝導線１２）の温度上昇が抑制されるが、一方では、第１冷却板１３の広い範囲で温度が上昇し、隣接する層の導体（超伝導線１２）を加温することになる。
このようにして、隣の層の複数の導体（超伝導フィラメント１７、もしくは超伝導線１２）が超伝導の臨界温度を越えると、一斉にクエンチを起こすことになる。つまり、超伝導線１２の一部のクエンチによって、超伝導線１２の一部が異常な高温になるのではなく、クエンチが起きた比較的に低温の状態でクエンチが広範囲に広がる。クエンチが広範囲に広がることにより、多くの導体の安定化材（安定化銅）２０に電流が流れるようになって、コイルの抵抗が高くなる。
このようにして、隣の層の複数の導体（超伝導フィラメント１７、もしくは超伝導線１２）が超伝導の臨界温度を越えると、一斉にクエンチを起こすことになる。つまり、超伝導線１２の一部のクエンチによって、超伝導線１２の一部が異常な高温になるのではなく、クエンチが起きた比較的に低温の状態でクエンチが広範囲に広がる。クエンチが広範囲に広がることにより、多くの導体の安定化材（安定化銅）２０に電流が流れるようになって、コイルの抵抗が高くなる。
超伝導を適用する通常の装置、機器においては、コイル保護のためにクエンチ時、コイルの始点と終点に対応するコイル口出し間電圧を検出して、電源をオフする構成となっている。コイル口出し間の電圧が、電圧の立ち上がりが早くかつ大きいほど、保護が早くなって、コイル温度上昇が抑えられ、コイル損傷の可能性が小さくなる。
すなわち、第１冷却板１３の存在、および第２冷却板１４の存在によりクエンチした導体の温度上昇が抑制される。それとともに、クエンチによる温度上昇が速く広範囲に広がって、コイルの抵抗が高くなり、コイル口出し間電圧が高くなる。そのためクエンチ検出による電源オフも早くなり、コイル損傷の可能性を小さくすることができる。
すなわち、第１冷却板１３の存在、および第２冷却板１４の存在によりクエンチした導体の温度上昇が抑制される。それとともに、クエンチによる温度上昇が速く広範囲に広がって、コイルの抵抗が高くなり、コイル口出し間電圧が高くなる。そのためクエンチ検出による電源オフも早くなり、コイル損傷の可能性を小さくすることができる。
＜第１実施形態の総括＞
本（第１）実施形態の伝導冷却型超伝導コイル１は、図１、図２Ａ、図２Ｂに示したように、コイル状に配列された複数の超伝導線１２の両端に複数の第２冷却板１４を配置し、複数の第１冷却板１３によって前記の複数の超伝導線１２と複数の第２冷却板１４を挟む構成をとっている。
この構成のように、複数の第１冷却板１３が超伝導線１２の各層間に存在することによって、超伝導線１２を速やかに冷却が可能となる。また、一部の超伝導線１２がクエンチを引き起こしても、第１冷却板１３と第２冷却板１４の冷却作用と高い熱伝導性によって、クエンチ時の局所的な温度上昇を緩和して、伝導冷却型超伝導コイル１のコイル損傷が発生しにくい構造となっている。
本（第１）実施形態の伝導冷却型超伝導コイル１は、図１、図２Ａ、図２Ｂに示したように、コイル状に配列された複数の超伝導線１２の両端に複数の第２冷却板１４を配置し、複数の第１冷却板１３によって前記の複数の超伝導線１２と複数の第２冷却板１４を挟む構成をとっている。
この構成のように、複数の第１冷却板１３が超伝導線１２の各層間に存在することによって、超伝導線１２を速やかに冷却が可能となる。また、一部の超伝導線１２がクエンチを引き起こしても、第１冷却板１３と第２冷却板１４の冷却作用と高い熱伝導性によって、クエンチ時の局所的な温度上昇を緩和して、伝導冷却型超伝導コイル１のコイル損傷が発生しにくい構造となっている。
また、前記したように、超伝導線１２と第２冷却板１４を第１冷却板１３で挟む構成であるので、従来例のような銅板を導体（超伝導体）に半田付けをするような工程もなく、低コストで製作できる。
また、本（第１）実施形態の伝導冷却型超伝導コイル１における超伝導線１２は、図３に示したように、超伝導フィラメント１７、第１シース１８、第２シース１９、安定化材（安定化銅）２０を備えて構成されているので、クエンチを引き起こした際にも、伝導冷却型超伝導コイル１のコイル損傷が発生しにくい構造となっている。
また、本（第１）実施形態の伝導冷却型超伝導コイル１における超伝導線１２は、図３に示したように、超伝導フィラメント１７、第１シース１８、第２シース１９、安定化材（安定化銅）２０を備えて構成されているので、クエンチを引き起こした際にも、伝導冷却型超伝導コイル１のコイル損傷が発生しにくい構造となっている。
＜第１実施形態の効果＞
本発明の第１実施形態によれば、クエンチしてもコイル損傷が発生しにくく、また冷却の速い伝導冷却型超伝導コイルを提供できる。また、低コストで製作できる。
本発明の第１実施形態によれば、クエンチしてもコイル損傷が発生しにくく、また冷却の速い伝導冷却型超伝導コイルを提供できる。また、低コストで製作できる。
≪第２実施形態≫
本発明の第２実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｂについて、図４Ａと図４Ｂを参照して説明する。
図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｂの中心軸Ｚを含む切断面における断面構造の一例を示す図である。
図４Ａにおいて、伝導冷却型超伝導コイル１Ｂは、ボビン１１、複数の超伝導線１２Ｂ、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を備えて構成される。
図４Ａにおける伝導冷却型超伝導コイル１Ｂが図１における伝導冷却型超伝導コイル１と異なるのは、超伝導線冷却板積層部３１Ｂにおける超伝導線１２Ｂおよびその近傍（領域３００）の構成である。この超伝導線１２Ｂおよびその近傍である領域３００の構成を次に図４Ｂを参照して説明する。
なお、ボビン１１、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４については、図１で示した第１実施形態の構成と同様であるので、事実上、重複する説明は省略する。
本発明の第２実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｂについて、図４Ａと図４Ｂを参照して説明する。
図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｂの中心軸Ｚを含む切断面における断面構造の一例を示す図である。
図４Ａにおいて、伝導冷却型超伝導コイル１Ｂは、ボビン１１、複数の超伝導線１２Ｂ、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を備えて構成される。
図４Ａにおける伝導冷却型超伝導コイル１Ｂが図１における伝導冷却型超伝導コイル１と異なるのは、超伝導線冷却板積層部３１Ｂにおける超伝導線１２Ｂおよびその近傍（領域３００）の構成である。この超伝導線１２Ｂおよびその近傍である領域３００の構成を次に図４Ｂを参照して説明する。
なお、ボビン１１、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４については、図１で示した第１実施形態の構成と同様であるので、事実上、重複する説明は省略する。
図４Ｂは、本発明の第２実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｂの超伝導線冷却板積層部３１Ｂにおける超伝導線１２Ｂ、および、その近傍（領域３００：図４Ａ）の構成例を示す図である。
図４Ｂにおいて、超伝導線１２Ｂは、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５に覆われて構成されている。
また、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５に覆われた超伝導線１２Ｂは、二つの第２ガラスクロス（またはＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic ：ガラス繊維強化プラスチック））１６を介して、二つの第１冷却板１３に挟まれて構成される。
図４Ｂにおいて、超伝導線１２Ｂは、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５に覆われて構成されている。
また、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５に覆われた超伝導線１２Ｂは、二つの第２ガラスクロス（またはＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic ：ガラス繊維強化プラスチック））１６を介して、二つの第１冷却板１３に挟まれて構成される。
このように、超伝導線１２Ｂが、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５で覆われることによって、複数の超伝導線１２Ｂ間の絶縁性が向上する。
また、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５に覆われた超伝導線１２Ｂが、二つの第２ガラスクロス（またはＧＦＰＲ）１６を介して、二つの第１冷却板１３に挟まれて構成されることによって、複数の超伝導線１２Ｂと第１冷却板１３との間の絶縁性や耐久性が向上する。
また、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５に覆われた超伝導線１２Ｂが、二つの第２ガラスクロス（またはＧＦＰＲ）１６を介して、二つの第１冷却板１３に挟まれて構成されることによって、複数の超伝導線１２Ｂと第１冷却板１３との間の絶縁性や耐久性が向上する。
＜第２実施形態の効果＞
第１実施形態の効果に加え、さらに、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５や第２ガラスクロス（またはＧＦＰＲ）１６を備えることによって、さらに超伝導線１２Ｂの絶縁性や耐久性が向上する。
第１実施形態の効果に加え、さらに、第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５や第２ガラスクロス（またはＧＦＰＲ）１６を備えることによって、さらに超伝導線１２Ｂの絶縁性や耐久性が向上する。
≪第３実施形態≫
本発明の第３実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｃについて、図５を参照して説明する。
図５は、本発明の第３実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｃの中心軸Ｚを含む切断面における断面構造の一例を示す図である。
図５において、伝導冷却型超伝導コイル１Ｃは、ボビン１１、複数の超伝導線１２、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を備えて構成される。
図５の構成において、図１の構成と異なるのは、超伝導線１２と第２冷却板１４とに対する第１冷却板１３の配置の構成である。
本発明の第３実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｃについて、図５を参照して説明する。
図５は、本発明の第３実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｃの中心軸Ｚを含む切断面における断面構造の一例を示す図である。
図５において、伝導冷却型超伝導コイル１Ｃは、ボビン１１、複数の超伝導線１２、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を備えて構成される。
図５の構成において、図１の構成と異なるのは、超伝導線１２と第２冷却板１４とに対する第１冷却板１３の配置の構成である。
すなわち、超伝導線冷却板積層部３１Ｃにおける超伝導線１２の積層を二段構成、および第２冷却板１４の積層を二段構成とし、これらの構成に対して、二つの第１冷却板１３で挟む構成としている。つまり、積層された超伝導線１２の間に、第１冷却板１３が存在しない層がある。
同様に冷却板積層部３２Ｃにおいて、積層された第２冷却板１４の間に、第１冷却板１３が存在しない層がある。
図５においては、上段から２層は、前記した積層された超伝導線１２の間、および積層された第２冷却板１４の間に第１冷却板１３が存在しない層となっている。
ただし、ボビン１１に最も近い層は、図１と同じように、超伝導線１２の一段構成、および第２冷却板１４の一段構成に対して、二つの第１冷却板１３で挟む構成としている。
同様に冷却板積層部３２Ｃにおいて、積層された第２冷却板１４の間に、第１冷却板１３が存在しない層がある。
図５においては、上段から２層は、前記した積層された超伝導線１２の間、および積層された第２冷却板１４の間に第１冷却板１３が存在しない層となっている。
ただし、ボビン１１に最も近い層は、図１と同じように、超伝導線１２の一段構成、および第２冷却板１４の一段構成に対して、二つの第１冷却板１３で挟む構成としている。
伝導冷却型超伝導コイル（１Ｃ）の通電電流、超伝導線１２の性能、およびコイル形状により、伝導冷却型超伝導コイル（１Ｃ）のクエンチのしやすさや温度上昇程度が変わってくる。そのため、伝導冷却型超伝導コイル（１Ｃ）によっては、必ずしも各層に冷却板（第１冷却板１３）を設置する必要はない。
また、コイル（超伝導コイル）内部においても、コイルの内周側と外周側とでは、発生する磁場（経験磁場）の強度が異なっていることや、冷却構造上の制約から温度分布が異なってくる場合がある。その相違によって第１冷却板１３の必要性も影響を受け、配置箇所を低減できる場合がある。
また、コイル（超伝導コイル）内部においても、コイルの内周側と外周側とでは、発生する磁場（経験磁場）の強度が異なっていることや、冷却構造上の制約から温度分布が異なってくる場合がある。その相違によって第１冷却板１３の必要性も影響を受け、配置箇所を低減できる場合がある。
＜第３実施形態の効果＞
冷却板（第１冷却板１３）の構成を最適化することによって、伝導冷却型超伝導コイル（１Ｃ）の形状の最適化（小型化）やコストを低減できる効果がある。
冷却板（第１冷却板１３）の構成を最適化することによって、伝導冷却型超伝導コイル（１Ｃ）の形状の最適化（小型化）やコストを低減できる効果がある。
≪第４実施形態≫
本発明の第４実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｄについて、図６を参照して説明する。
図６は、本発明の第４実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの中心軸Ｚ方向に垂直な切断面における断面構造の一例を示す図である。
図６において、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄは、ボビン１１、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４、複数の超伝導線１２を備えて構成される。また、第１冷却板１３および第２冷却板１４は、それぞれ分断される箇所があり、その分断箇所がギャップ２１として示されている。
図６の断面図は、図２の断面図と、ギャップ２１を除いて似た構成であるが、断面の切断位置が異なる。そのため、図６においては、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４が主として示されており、第１冷却板１３および第２冷却板１４のそれぞれの隙間であるギャップ２１において、複数の超伝導線１２が覗いて見えている。
本発明の第４実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｄについて、図６を参照して説明する。
図６は、本発明の第４実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの中心軸Ｚ方向に垂直な切断面における断面構造の一例を示す図である。
図６において、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄは、ボビン１１、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４、複数の超伝導線１２を備えて構成される。また、第１冷却板１３および第２冷却板１４は、それぞれ分断される箇所があり、その分断箇所がギャップ２１として示されている。
図６の断面図は、図２の断面図と、ギャップ２１を除いて似た構成であるが、断面の切断位置が異なる。そのため、図６においては、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４が主として示されており、第１冷却板１３および第２冷却板１４のそれぞれの隙間であるギャップ２１において、複数の超伝導線１２が覗いて見えている。
図６においては、複数の第１冷却板１３、および複数の第２冷却板１４が、２箇所のギャップ２１（分断箇所）によって、周方向に２分割されて、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄが構成されている。
図６に示すように、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を分割することによって、コイル製作を容易にすることができる。
また、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を分割することによって、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの励磁時に誘起される循環電流が冷却板に流れることを防止できる。つまり、循環電流が冷却板に流れることを防止することによって、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの定格電流の通電時において、磁場の静定に支障が出ることを避けることが可能となる。
なお、ギャップ２１の分割数、およびギャップ幅は、製作性や伝導冷却型超伝導コイルの各種の特性などから決定される。
図６に示すように、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を分割することによって、コイル製作を容易にすることができる。
また、複数の第１冷却板１３、複数の第２冷却板１４を分割することによって、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの励磁時に誘起される循環電流が冷却板に流れることを防止できる。つまり、循環電流が冷却板に流れることを防止することによって、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの定格電流の通電時において、磁場の静定に支障が出ることを避けることが可能となる。
なお、ギャップ２１の分割数、およびギャップ幅は、製作性や伝導冷却型超伝導コイルの各種の特性などから決定される。
＜第４実施形態の効果＞
冷却板を分割することによって、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの製作が容易になる効果がある。
また、循環電流が冷却板に流れることを防止できるので、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの安定動作に効果がある。
冷却板を分割することによって、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの製作が容易になる効果がある。
また、循環電流が冷却板に流れることを防止できるので、伝導冷却型超伝導コイル１Ｄの安定動作に効果がある。
≪第５実施形態≫
本発明の第５実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイルについて、図１を兼用して説明する。
第５実施形態の伝導冷却型超伝導コイル（１）は、図１における冷却板積層部３２Ａのコイル軸方向の長さの寸法ｅ１と冷却板積層部３２Ｂのコイル軸方向の長さの寸法ｅ２とが異なる場合である。具体的には、冷却板積層部３２Ｂ（第２の冷却板積層部）のコイル軸方向の長さの寸法ｅ２を、冷却板積層部３２Ａのコイル軸方向の長さの寸法ｅ１よりも短くする。
ただし、冷却板積層部３２Ａのコイル軸方向の長さの寸法ｅ１は、冷却板積層部３２Ａの厚さの寸法ａと概ね等しく設定する。なお、前記したように、冷却板積層部３２Ａの厚さの寸法ａは、超伝導線冷却板積層部３１の厚さの寸法ｂと等しくしておく。
本発明の第５実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイルについて、図１を兼用して説明する。
第５実施形態の伝導冷却型超伝導コイル（１）は、図１における冷却板積層部３２Ａのコイル軸方向の長さの寸法ｅ１と冷却板積層部３２Ｂのコイル軸方向の長さの寸法ｅ２とが異なる場合である。具体的には、冷却板積層部３２Ｂ（第２の冷却板積層部）のコイル軸方向の長さの寸法ｅ２を、冷却板積層部３２Ａのコイル軸方向の長さの寸法ｅ１よりも短くする。
ただし、冷却板積層部３２Ａのコイル軸方向の長さの寸法ｅ１は、冷却板積層部３２Ａの厚さの寸法ａと概ね等しく設定する。なお、前記したように、冷却板積層部３２Ａの厚さの寸法ａは、超伝導線冷却板積層部３１の厚さの寸法ｂと等しくしておく。
すなわち、本（第５）実施形態の伝導冷却型超伝導コイルにおいては、冷却板積層部３２Ｂのコイル軸方向の長さの寸法ｅ２を短くするものである。つまり、冷却板積層部３２Ｂにおける第２冷却板１４の長さを短くする。
本（第５）実施形態の伝導冷却型超伝導コイルにおいては、外部の冷凍機からの冷却板等による冷却を主として、冷却板積層部３２Ａを介して行う。そのため、冷却板積層部３２Ｂのコイル軸方向の長さの寸法ｅ２を、冷却板積層部３２Ａ側と同程度の長さに確保する必要がない。この冷却板積層部３２Ｂのコイル軸方向の長さの寸法ｅ２を短くする構成によって、第２冷却板１４と第１冷却板１３の量を減らして、製作コストを低減する。
本（第５）実施形態の伝導冷却型超伝導コイルにおいては、外部の冷凍機からの冷却板等による冷却を主として、冷却板積層部３２Ａを介して行う。そのため、冷却板積層部３２Ｂのコイル軸方向の長さの寸法ｅ２を、冷却板積層部３２Ａ側と同程度の長さに確保する必要がない。この冷却板積層部３２Ｂのコイル軸方向の長さの寸法ｅ２を短くする構成によって、第２冷却板１４と第１冷却板１３の量を減らして、製作コストを低減する。
＜第５実施形態の効果＞
冷却板の量を減らして、製作コストが低減できる。
冷却板の量を減らして、製作コストが低減できる。
≪第６実施形態≫
本発明の第６実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイルについて、図１を兼用して説明する。
第６実施形態の伝導冷却型超伝導コイルにおいては、第１冷却板１３を第２冷却板１４にボルト（不図示）で固定する。前記した樹脂含侵と併せて、冷却板をさらに強固に固定できる。
本発明の第６実施形態に係る伝導冷却型超伝導コイルについて、図１を兼用して説明する。
第６実施形態の伝導冷却型超伝導コイルにおいては、第１冷却板１３を第２冷却板１４にボルト（不図示）で固定する。前記した樹脂含侵と併せて、冷却板をさらに強固に固定できる。
＜第６実施形態の効果＞
冷却板を強固に固定できる。
冷却板を強固に固定できる。
≪その他の実施形態≫
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。
《超伝導線》
図１において、超伝導線１２の断面形状を円形の場合を示して説明した。しかし、超伝導線１２の断面形状は、円形に限定されない。例えば、断面形状が、楕円形や四角形、それ以上の多角の形状であってもよい。
図１において、超伝導線１２の断面形状を円形の場合を示して説明した。しかし、超伝導線１２の断面形状は、円形に限定されない。例えば、断面形状が、楕円形や四角形、それ以上の多角の形状であってもよい。
《超伝導体》
第１実施形態においては、図３に示した超伝導フィラメント１７は、例えばＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）を含む超伝導体であると説明したが、超伝導体は、ＭｇＢ2に限定されない。
例えば、ニオブチタン(ＮｂＴｉ)、ニオブ酸スズ(Ｎｂ3Ｓｎ)、ビスマス系超電導体(ＢＳＣＣＯ)、イットリウム系超電導体(ＹＢＣＯ)などの超伝導体であっても、本（第１）実施形態の伝導冷却型超伝導コイルは、同じような効果が期待できることがある。
第１実施形態においては、図３に示した超伝導フィラメント１７は、例えばＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）を含む超伝導体であると説明したが、超伝導体は、ＭｇＢ2に限定されない。
例えば、ニオブチタン(ＮｂＴｉ)、ニオブ酸スズ(Ｎｂ3Ｓｎ)、ビスマス系超電導体(ＢＳＣＣＯ)、イットリウム系超電導体(ＹＢＣＯ)などの超伝導体であっても、本（第１）実施形態の伝導冷却型超伝導コイルは、同じような効果が期待できることがある。
《冷却板の段構成》
図５で示した第３実施形態においては、超伝導線１２の二段構成、および第２冷却板１４の二段構成に対して、二つの第１冷却板１３で挟む構成の例を示したが、超伝導線１２と第２冷却板１４の段構成は、前記の二段構成には限定されない。三段構成でもよい。
また、図１に示した一段構成と図５で示した二段構成を混在させてもよい。
また、伝導冷却型超伝導コイル１Ｃの外周側か内周側かによって、超伝導線１２の多段構成の段数が変化してもよい。
図５で示した第３実施形態においては、超伝導線１２の二段構成、および第２冷却板１４の二段構成に対して、二つの第１冷却板１３で挟む構成の例を示したが、超伝導線１２と第２冷却板１４の段構成は、前記の二段構成には限定されない。三段構成でもよい。
また、図１に示した一段構成と図５で示した二段構成を混在させてもよい。
また、伝導冷却型超伝導コイル１Ｃの外周側か内周側かによって、超伝導線１２の多段構成の段数が変化してもよい。
《冷却板の分割数》
図６で示した第４実施形態においては、複数の第１冷却板１３、および複数の第２冷却板１４を周方向に２分割にする例を示した。しかし、２分割に限定されない。
例えば４分割でも６分割でもよい。一般に２分割以上で同様の効果が期待できる。
図６で示した第４実施形態においては、複数の第１冷却板１３、および複数の第２冷却板１４を周方向に２分割にする例を示した。しかし、２分割に限定されない。
例えば４分割でも６分割でもよい。一般に２分割以上で同様の効果が期待できる。
《冷却板積層部》
図１で示した第１実施形態の伝導冷却型超伝導コイル１において、複数の第２冷却板１４は、複数（複数本）の超伝導線１２がコイル軸方向に配列された端の両側に設けられ、複数の第１冷却板１３が複数（複数本）の超伝導線１２と複数の第２冷却板１４を挟むように構成している例を示した。しかし、複数の第２冷却板１４が、複数（複数本）の超伝導線１２がコイル軸方向に配列された両側に設けられることに限定されない。
複数の第２冷却板１４（あるいは冷却板積層部３２）が、複数（複数本）の超伝導線１２がコイル軸方向に配列された端のどちらか一方の側であってもよい。
すなわち、超伝導線冷却板積層部３１に対して、超伝導線冷却板積層部３１のどちらか一方の端のみに、冷却板積層部３２を備える構成であってもよい。
この構成によっても、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とによって、複数（複数本）の超伝導線１２を冷却することが可能である。
図１で示した第１実施形態の伝導冷却型超伝導コイル１において、複数の第２冷却板１４は、複数（複数本）の超伝導線１２がコイル軸方向に配列された端の両側に設けられ、複数の第１冷却板１３が複数（複数本）の超伝導線１２と複数の第２冷却板１４を挟むように構成している例を示した。しかし、複数の第２冷却板１４が、複数（複数本）の超伝導線１２がコイル軸方向に配列された両側に設けられることに限定されない。
複数の第２冷却板１４（あるいは冷却板積層部３２）が、複数（複数本）の超伝導線１２がコイル軸方向に配列された端のどちらか一方の側であってもよい。
すなわち、超伝導線冷却板積層部３１に対して、超伝導線冷却板積層部３１のどちらか一方の端のみに、冷却板積層部３２を備える構成であってもよい。
この構成によっても、複数の第１冷却板１３と複数の第２冷却板１４とによって、複数（複数本）の超伝導線１２を冷却することが可能である。
《第１冷却板、第２冷却板》
本発明の第１実施形態の伝導冷却型超伝導コイル１を示す図１において、第１冷却板１３と第２冷却板１４は、銅で形成されていることを例示した。しかし、第１冷却板１３および第２冷却板は、銅による構成に限定されない。熱伝導度が高い特性を有する材質（金属）であれば、銅以外の他の材質でもよい。例えば、アルミニウムや前記特性を有する合金でもよい。
本発明の第１実施形態の伝導冷却型超伝導コイル１を示す図１において、第１冷却板１３と第２冷却板１４は、銅で形成されていることを例示した。しかし、第１冷却板１３および第２冷却板は、銅による構成に限定されない。熱伝導度が高い特性を有する材質（金属）であれば、銅以外の他の材質でもよい。例えば、アルミニウムや前記特性を有する合金でもよい。
《安定化材》
本発明の第１実施形態を示す図３において、安定化材２０は、安定化銅で形成されていることを例示した。しかし、安定化材２０は、銅による構成に限定されない。熱伝導率が高く、電気抵抗が低い材質（金属）であれば他の材質でもよい。例えば、アルミニウムや前記特性を有する合金でもよい。
本発明の第１実施形態を示す図３において、安定化材２０は、安定化銅で形成されていることを例示した。しかし、安定化材２０は、銅による構成に限定されない。熱伝導率が高く、電気抵抗が低い材質（金属）であれば他の材質でもよい。例えば、アルミニウムや前記特性を有する合金でもよい。
《第１ガラスクロス、第２ガラスクロス》
本発明の第２実施形態を示す図４において、第１ガラスクロス１５、第２ガラスクロス１６を共に用いた構成で説明したが、第１ガラスクロス１５のみ、あるいは第２ガラスクロス１６のみの構成でも、第１実施形態よりは絶縁性が向上する効果がある。
また、第１ガラスクロス１５の代わりにエナメル絶縁でもよく、第２ガラスクロス１６の代わりにＧＦＰＲを用いてもよい。
また、エナメル絶縁とＧＦＰＲの組み合わせた構成でもよい。
なお、第１ガラスクロス１５（またはエナメル絶縁）、第２ガラスクロス１６（またはＧＦＰＲ）の材質の特性は、絶縁性が高く、熱伝導率が大きいものが望ましい。
本発明の第２実施形態を示す図４において、第１ガラスクロス１５、第２ガラスクロス１６を共に用いた構成で説明したが、第１ガラスクロス１５のみ、あるいは第２ガラスクロス１６のみの構成でも、第１実施形態よりは絶縁性が向上する効果がある。
また、第１ガラスクロス１５の代わりにエナメル絶縁でもよく、第２ガラスクロス１６の代わりにＧＦＰＲを用いてもよい。
また、エナメル絶縁とＧＦＰＲの組み合わせた構成でもよい。
なお、第１ガラスクロス１５（またはエナメル絶縁）、第２ガラスクロス１６（またはＧＦＰＲ）の材質の特性は、絶縁性が高く、熱伝導率が大きいものが望ましい。
《第２実施形態と第３実施形態の組み合わせ》
第３実施形態においては、第１実施形態で説明した超伝導線１２を用いて、超伝導線１２の二段構成に対して、二つの第１冷却板１３で挟む構成を示した。
しかし、第３実施形態の超伝導線１２の二段構成において、図４Ａ、図４Ｂで示した第２実施形態の領域３００の構成における超伝導線１２Ｂの構成を用いてもよい。
すなわち、図５で示す第３実施形態の超伝導線１２を、図４Ａ、図４Ｂに示す超伝導線１２Ｂのように、超伝導線を第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５で包んでもよい。また、二つの超伝導線の間に第２ガラスクロス（またはＧＦＰＲ）１６を設けてもよい。
第３実施形態においては、第１実施形態で説明した超伝導線１２を用いて、超伝導線１２の二段構成に対して、二つの第１冷却板１３で挟む構成を示した。
しかし、第３実施形態の超伝導線１２の二段構成において、図４Ａ、図４Ｂで示した第２実施形態の領域３００の構成における超伝導線１２Ｂの構成を用いてもよい。
すなわち、図５で示す第３実施形態の超伝導線１２を、図４Ａ、図４Ｂに示す超伝導線１２Ｂのように、超伝導線を第１ガラスクロス（またはエナメル絶縁）１５で包んでもよい。また、二つの超伝導線の間に第２ガラスクロス（またはＧＦＰＲ）１６を設けてもよい。
《ボビン》
第１実施形態において、図１および図２に示したボビン１１を「筒状（円筒状）」として説明したが、ボビン１１は、筒状に限定されない。例えば、中心部に空洞のない「棒状」の構成であってもよい。また、筒状の周辺部に対して、異なる材質の部材を中心部に備える構成であってもよい。
第１実施形態において、図１および図２に示したボビン１１を「筒状（円筒状）」として説明したが、ボビン１１は、筒状に限定されない。例えば、中心部に空洞のない「棒状」の構成であってもよい。また、筒状の周辺部に対して、異なる材質の部材を中心部に備える構成であってもよい。
《伝導冷却型超伝導コイルの応用》
本発明の第１実施形態～第４実施形態で説明した伝導冷却型超伝導コイルは、例えば、超伝導電磁石装置（超電導電磁石装置）や超伝導エネルギー貯蔵装置や磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）などに適用、応用することができる。
本発明の第１実施形態～第４実施形態で説明した伝導冷却型超伝導コイルは、例えば、超伝導電磁石装置（超電導電磁石装置）や超伝導エネルギー貯蔵装置や磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）などに適用、応用することができる。
１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 伝導冷却型超伝導コイル
１１ ボビン
１２，１２Ｂ 超伝導線
１３ 冷却板、第１冷却板
１４ 冷却板、第２冷却板
１５ ガラスクロス、第１ガラスクロス、エナメル絶縁
１６ ガラスクロス、第２ガラスクロス、ＧＦＲＰ
１７ 超伝導フィラメント
１８ シース（被覆材）、第１シース
１９ シース（被覆材）、第２シース
２０ 安定化材、安定化銅
２１ ギャップ（切断箇所）
３１，３１Ｂ，３１Ｃ 超伝導線冷却板積層部
３２，３２Ａ，３２Ｃ 冷却板積層部
３２Ｂ 冷却板積層部、第２の冷却板積層部
１１ ボビン
１２，１２Ｂ 超伝導線
１３ 冷却板、第１冷却板
１４ 冷却板、第２冷却板
１５ ガラスクロス、第１ガラスクロス、エナメル絶縁
１６ ガラスクロス、第２ガラスクロス、ＧＦＲＰ
１７ 超伝導フィラメント
１８ シース（被覆材）、第１シース
１９ シース（被覆材）、第２シース
２０ 安定化材、安定化銅
２１ ギャップ（切断箇所）
３１，３１Ｂ，３１Ｃ 超伝導線冷却板積層部
３２，３２Ａ，３２Ｃ 冷却板積層部
３２Ｂ 冷却板積層部、第２の冷却板積層部
Claims (14)
- 超伝導物質を有しコイル状に構成される超伝導線と、
前記超伝導線が卷回されるボビンと、
前記ボビンに卷回されてコイル状の軸方向および径方向に層状に配置された前記超伝導線のコイル状の径方向に積層された各層を挟むように配置される複数の第１冷却板と、
前記超伝導線のコイル状の径方向に積層された各層で前記超伝導線が複数本として配列された端の少なくとも一方において、前記超伝導線よりも軸方向における外側に、前記第１冷却板同士の間に挟まれるように配置される複数の第２冷却板と、
を備え、
前記第１冷却板の前記超伝導線のコイル状の軸方向における長さの寸法は、層状に配置された前記超伝導線と複数の前記第１冷却板とで積層された超伝導線冷却板積層部のコイル状の軸方向の長さの寸法と、前記第２冷却板のコイル状の軸方向の長さの寸法との合計以上の寸法で形成されて、前記第１冷却板は、複数の前記超伝導線と複数の前記第２冷却板とを覆っており、
前記第２冷却板は、前記超伝導線のコイル状の径方向における１層の厚さの寸法が、前記超伝導線の１層の径方向の長さの寸法と等しい寸法であり、
前記第２冷却板の前記超伝導線のコイル状の軸方向における長さの寸法が、複数の前記第１冷却板と複数の前記第２冷却板が積層された冷却板積層部の厚さの寸法と等しい寸法であり、
前記超伝導線と複数の前記第１冷却板と複数の第２冷却板とは、樹脂により一体化されている、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記超伝導線冷却板積層部の厚さの寸法は、前記冷却板積層部の厚さの寸法と等しい寸法である、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記冷却板積層部は、前記超伝導線冷却板積層部の前記超伝導線のコイル状の軸方向における両端に備えられている、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項３において、
前記超伝導線冷却板積層部の両端に備えられる二つの前記冷却板積層部のコイル状の軸方向における長さの寸法が互いに等しい、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
複数の前記第１冷却板と複数の前記第２冷却板が積層された第２の冷却板積層部を備え、
当該第２の冷却板積層部のコイル状の軸方向における長さの寸法は、前記冷却板積層部のコイル状の軸方向における長さの寸法よりも短い、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
各層の前記超伝導線は、複数の前記第１冷却板に交互に挟まれて配置されている、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記超伝導線は、前記超伝導線が二層に積層される毎に、複数の前記第１冷却板に交互に挟まれて配置されている、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記第１冷却板および前記第２冷却板は、それぞれ前記超伝導線のコイル状の周方向に分断箇所を有し、周方向に循環電流が流れない構造となっている、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記冷却板積層部における前記第１冷却板と前記第２冷却板とがボルトで固定される、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記超伝導線は、高温超伝導線である、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記超伝導線は、二ホウ化マグネシウムを有する、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記超伝導線は、超伝導フィラメント、安定化材、シース材を備えて構成される、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記超伝導線に、ガラスクロスまたはエナメル絶縁が施されている、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。 - 請求項１において、
前記超伝導線と前記第１冷却板との間に、ガラスクロスまたはガラス繊維強化プラスチックを備える、
ことを特徴とする伝導冷却型超伝導コイル。
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| WO2017018144A1 (ja) | 2015-07-30 | 2017-02-02 | 株式会社日立製作所 | 超電導コイルおよびその製造方法 |
| JP2017046987A (ja) | 2015-09-03 | 2017-03-09 | 株式会社日立製作所 | 超電導磁石装置、それを用いた磁気共鳴イメージング装置 |
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| JPH10116725A (ja) * | 1996-08-22 | 1998-05-06 | Fuji Electric Co Ltd | 超電導磁石装置 |
| JPH11135318A (ja) * | 1997-10-28 | 1999-05-21 | Kyushu Electric Power Co Inc | 超電導磁石 |
-
2019
- 2019-09-17 JP JP2019168013A patent/JP7343859B2/ja active Active
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| JP2017046987A (ja) | 2015-09-03 | 2017-03-09 | 株式会社日立製作所 | 超電導磁石装置、それを用いた磁気共鳴イメージング装置 |
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