特許 6991775 無絶縁超電導コイル用の超電導体及びそれを用いた超電導コイル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-10

(45)【発行日】2022-01-13

(54)【発明の名称】無絶縁超電導コイル用の超電導体及びそれを用いた超電導コイル

(51)【国際特許分類】

   H01B 12/06 20060101AFI20220105BHJP

   H01F 6/06 20060101ALI20220105BHJP

   C01G 1/00 20060101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

H01B12/06

H01F6/06 140

H01F6/06 120

C01G1/00 S

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2017149934

(22)【出願日】2017-08-02

(65)【公開番号】P2019029285

(43)【公開日】2019-02-21

【審査請求日】2020-07-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000213297

【氏名又は名称】中部電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】渡部 智則

(72)【発明者】

【氏名】長屋 重夫

(72)【発明者】

【氏名】福井 聡

【審査官】和田 財太

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２２８４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６８９３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｂ １２／０６

Ｈ０１Ｆ ６／０６

Ｃ０１Ｇ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の片面に中間層を介して希土類系酸化物超電導体による超電導層が設けられ、該超電導層上に保護層を介して導電性金属よりなる安定化層が被覆されて構成されたテープ状の超電導線材を２枚重ね合せて超電導線材のバンドルを構成した無絶縁超電導コイル用の超電導体であって、
前記バンドルを構成する２枚の前記超電導線材の前記安定化層同士を直接接触させた無絶縁超電導コイル用の超電導体。

【請求項2】

基板の片面に中間層を介して希土類系酸化物超電導体による超電導層が設けられ、該超電導層上に保護層を介して導電性金属よりなる安定化層が被覆されて構成されたテープ状の超電導線材を３枚以上重ね合せて超電導線材のバンドルを構成した無絶縁超電導コイル用の超電導体であって、
前記バンドルを構成する３枚以上の前記超電導線材のうち両側に超電導線材が位置する超電導線材の安定化層とその両側の超電導線材の安定化層とを直接接触させた無絶縁超電導コイル用の超電導体。

【請求項3】

前記バンドルは偶数枚の超電導線材が重ね合されて構成されるときには、隣接する一対の超電導線材の超電導層が対向するように重ね合されている請求項１又は請求項２に記載の無絶縁超電導コイル用の超電導体。

【請求項4】

前記バンドルは奇数枚の超電導線材が重ね合されて構成されるときには、隣接する一対の超電導線材は超電導層が対向するように重ね合されるとともに、残りの１枚の超電導線材は超電導層が超電導コイルの中心側に位置するように配置されている請求項２に記載の無絶縁超電導コイル用の超電導体。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無絶縁超電導線コイル用の超電導体のバンドルをコイル状に巻回して構成される超電導コイルであって、
前記コイル状に巻回されるバンドル間には電気抵抗性を有する離隔層が設けられている超電導コイル。

【請求項6】

前記電気抵抗性を有する離隔層は、電気抵抗率が１×１０^－６～１×１０^－５Ωｍの金属層である請求項５に記載の超電導コイル。

【請求項7】

臨界電流に対するコイルの通電電流の割合を示す負荷率（％）は、バンドルを構成する超電導線材の枚数をｘとしたとき、〔（ｘ－１）／ｘ〕×１００で表される値に設定される請求項５又は請求項６に記載の超電導コイル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コイル状に巻回されるテープ状の超電導線材間が電気的に絶縁されない無絶縁の超電導コイルに使用される超電導体及びそれを用いた超電導コイルに関する。

【背景技術】

【0002】

超電導線材間を電気的に絶縁しない無絶縁の超電導コイルにおいては、常電導転移（クエンチ）が発生したとき隣接する超電導線材間に電流が流れることにより、超電導線材の発熱が抑えられて超電導コイルの損傷を防止することができる。この種の超電導線材及びそれを用いた超電導コイルが、例えば特許文献１に示されている。すなわち、この超電導線材は、基板上に中間層を介して超電導層が形成され、該超電導層上に保護層を介して銅よりなる安定化層が形成され、さらにその安定化層上には銅よりも柔らかい金属で形成された金属層が設けられている。

【0003】

このため、超電導コイルに常電導転移が発生したとき、電流は超電導層から保護層及び安定化層を介して金属層へ流れ、さらに隣接する超電導線材の金属層へと流入する。従って、常電導転移が引き起こされた超電導層から電流を超電導コイルの全周に拡散させることができ、超電導コイルの電圧上昇を抑制して超電導線材の局部的な発熱を回避でき、超電導線材の損傷を抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－２８９１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前述した特許文献１に記載されている従来構成の超電導線材は、その長手方向における超電導特性のばらつきが大きく、低臨界電流箇所（低特性箇所）で超電導線材間が結合して超電導コイルの径方向への電流が発生し、所望とするコイル磁場を得ることが困難になる。

【0006】

よって、このような従来の超電導コイルでは、臨界電流に対する超電導コイルへの通電電流の割合を示す負荷率を高めることが難しく、安定した状態で高負荷率通電を行うことが困難であった。

【0007】

また、励磁の際、超電導線材間に電流が流れたときには直ちに超電導コイルの周方向への電流が減少し、コイル磁場の励磁遅れが発生する。すなわち、超電導コイルの中心磁場の立ち上がりが遅れ、所定磁場に到達するまでに時間を要し、言い換えれば励磁速度を増大させることができなくなる。

【0008】

このような従来の超電導コイルでは、臨界電流に対する超電導コイルへの通電電流の割合を示す負荷率を高めることが難しく、安定した状態で高負荷率通電を行うことが困難であった。

【0009】

そこで、本発明の目的とするところは、コイル磁場の励磁遅れを抑制できるとともに、安定した高負荷率通電を行うことができる無絶縁超電導コイル用の超電導体及びそれを用いた超電導コイルを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の目的を達成するために、本発明の無絶縁超電導コイル用の超電導体は、基板の片面に希土類系酸化物超電導体による超電導層が設けられたテープ状の超電導線材を複数枚重ね合せて超電導線材のバンドルを構成したものである。また、本発明の超電導コイルは、前記超電導体のバンドルをコイル状に巻回して構成され、コイル状に巻回されるバンドル間には電気抵抗性を有する離隔層が設けられている。

【0011】

このため、１枚の超電導線材では通電量が臨界電流により制限されるのに対し、バンドルでは複数の超電導線材に通電が可能であるため通電量を増大させることができる。従って、臨界電流に対するコイルの通電電流の割合を示す負荷率を高めることができるとともに、高い負荷率で安定した通電を行うことができる。

【0012】

さらに、バンドル間には電気抵抗性を有する離隔層が設けられていることから、超電導コイルへの通電時にコイルの径方向への電流の流れがバンドル内に制限され、コイルの周方向への電流量を十分に確保でき、励磁遅れを抑制できるとともに、十分な励磁速度を得ることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明の無絶縁超電導コイル用の超電導体によれば、コイル磁場の励磁遅れを抑制できるとともに、安定した高負荷率通電を行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態における無絶縁超電導コイルを一部破断して示す模式的な概略斜視図。

【図2】図１に示す無絶縁超電導コイルを構成する超電導線材のバンドルを拡大して示す断面図。

【図3】バンドルを構成する超電導線材を示す断面図。

【図4】（ａ）は隣接する２枚の超電導線材の超電導層を対向させて配置した状態における電流の流れを示すバンドルの断面図、（ｂ）は隣接する２枚の超電導線材の超電導層を対向させないように配置した状態における電流の流れを示すバンドルの断面図。

【図5】２枚の超電導線材で構成したバンドルを、電気抵抗性を有する離隔層を介して巻回した状態を示す断面図。

【図6】５枚の超電導線材で構成したバンドルを、電気抵抗性を有する離隔層を介して巻回した状態を示す断面図。

【図7】超電導線材の長さ（ｍｍ）と臨界電流Ｉｃ（Ａ）との関係を示すグラフ。

【図8】通電時間（秒）と中心磁場（Ｔ）との関係を示すグラフ。

【図9】垂直磁場（Ｔ）と臨界電流の比（磁場中の臨界電流／自己磁場下の臨界電流）との関係を示すグラフ。

【図10】通電電流（Ａ）と中心磁場（ｍＴ）との関係を示すグラフ。

【図11】通電電流（Ａ）と中心磁場（ｍＴ）との関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、実施形態における無絶縁超電導コイル１１（単に超電導コイル１１ともいう）用の超電導体は、基板１２の片面に希土類系酸化物超電導体による超電導層１３が設けられたテープ状の超電導線材１４を複数枚重ね合せたバンドル１５により構成されている。すなわち、バンドル１５は複数枚の超電導線材１４を重ね合せて束ねた集合体を意味する。前記無絶縁超電導コイル１１は、コイル状に巻回されるバンドル１５間を電気的に絶縁することなく、バンドル１５間での電流の転流を許容する超電導コイル１１である。この超電導コイル１１では電流密度を高めることができるとともに、常電導転移が生じたときにバンドル１５内で超電導線材１４間に電流が流れて発熱が抑えられ、超電導コイル１１の損傷を抑制できる。

【0016】

超電導線材１４は長手方向における超電導特性のばらつきがあり、超電導特性の低い箇所（低特性箇所）すなわち臨界電流の低い箇所で超電導線材１４間が結合して電流が超電導コイル１１の径方向へ流れ、周方向への電流が減少して磁場減衰が生じる傾向を示す。

【0017】

図３に示すように、前記超電導線材１４はテープ状に形成され、基板１２上には電気絶縁性の中間層１６を介して希土類系酸化物の超電導体による超電導層１３が形成されている。その超電導層１３上には保護層１７を介して導電性金属よりなる安定化層１８が超電導線材１４の外周部を被覆するように形成されている。

【0018】

前記基板１２は、ニッケル合金（ハステロイ）、銀、銀合金等の金属により形成される。中間層は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム（Ｙ）酸化物、アルミニウム（Ａｌ）酸化物、ランタン・マンガン酸化物（Ｌａ・Ｍｎ酸化物）等の化合物により形成されている。

【0019】

超電導層１３は、希土類系酸化物超電導体のＣＶＤ法（化学蒸着法）等により形成される。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。前記ＲＥは希土類元素を表す。この超電導層として具体的には、イットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、ガドリニウム・バリウム・銅酸化物（Ｇｄ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、イットリウム・ガドリニウム混合体（Ｙ：Ｇａ＝７：３）・バリウム・銅酸化物〔（Ｙ，Ｇａ）Ｂａ／Ｃｕ〕等が挙げられる。

【0020】

保護層１７は、銀等の金属のスパッタリング等により形成される。安定化層１８は、銅等の金属のメッキ等により形成される。超電導層１３上に保護層１７や安定化層１８を形成することにより、超電導層１３を保護できるとともに、過電流を超電導層１３から保護層１７や安定化層１８に流すことができる。前記超電導線材１４の幅は、実用的な観点から１～１２ｍｍ程度が好ましい。

【0021】

図５及び図６に示すように、前記バンドル１５は超電導線材１４が複数枚重ね合せて構成されるが、無絶縁超電導コイル１１の特性を良好に発現するために超電導線材１４を２～５枚重ね合せてバンドル１５を構成することが好ましい。

【0022】

図５に示すように、前記バンドル１５は偶数枚（２枚）の超電導線材１４が重ね合されて構成されるときには、隣接する一対の超電導線材１４の超電導層１３が対向するように重ね合せることが好ましい。

【0023】

図４（ａ）の矢印に示すように、隣接する一対の超電導線材１４の超電導層１３を対向させることにより、常電導転移時に一方の超電導線材１４の超電導層１３から他方の超電導線材１４の超電導層１３へ直線的にかつ瞬時に転流させることができる。

【0024】

その一方、図４（ｂ）の矢印に示すように、隣接する一対の超電導線材１４の超電導層１３が対向せず、他方の超電導線材１４の超電導層１３が基板１２の反対側に位置する場合には、常電導転移時に一方の超電導線材１４からの電流は他方の超電導線材１４の安定化層１８を流れて基板１２の反対側から超電導層１３へ流れる。この場合には、電流が安定化層１８を迂回して流れることから、超電導線材１４が発熱するおそれがあって好ましくない。

【0025】

図６に示すように、前記バンドル１５は奇数枚（５枚）の超電導線材１４が重ね合されて構成されるときには、隣接する一対の超電導線材１４は超電導層１３が対向するように重ね合されるとともに、残りの１枚（最外周側）の超電導線材１４は超電導層１３が超電導コイル１１の中心側に位置するように配置することが好ましい。一般に、超電導線材１４を巻回して超電導コイル１１を作製する場合には、超電導層１３により大きな圧縮力を作用させて超電導層１３を保護する観点から超電導層１３は基板１２よりも超電導コイル１１の中心側に配置される。そのため、偶数枚の超電導線材１４は隣接する超電導線材１４間で超電導層１３を対向配置し、残り１枚の超電導線材１４の超電導層１３を基板１２より超電導コイル１１の中心側に配置する。

【0026】

次に、上記無絶縁超電導コイル１１用の超電導体を用いた超電導コイル１１について説明する。
図１に示すように、超電導コイル１１としてのシングルパンケーキコイルは、前記バンドル１５がコイル状（渦巻き状）に巻回されるとともに、巻回されるバンドル１５間には電気抵抗性を有する離隔層１９が設けられて構成されている。なお、バンドル１５の両端部には、図示しない通電用の電極が接続される。前記電気抵抗性を有する離隔層１９は、バンドル１５間での電流の転流を許容するが、比較的高い一定の電気抵抗性を示す金属層により構成され、バンドル１５間での結合を抑制する。

【0027】

このように、超電導コイル１１はバンドル１５間を電気的に絶縁することなく、離隔層１９を介在させてバンドル１５をコイル状に巻回して無絶縁コイルとしたものである。このような無絶縁超電導コイル１１は、常電導転移の発生時にバンドル１５内の超電導線材１４間に電流が流れて発熱が抑えられ、超電導コイル１１の損傷を抑制することができる。

【0028】

前記離隔層１９の電気抵抗率は１×１０^－６～１×１０^－５Ωｍであることが好ましい。この電気抵抗率が１×１０^－５Ωｍよりも大きい場合、常電導転移が発生したときバンドル１５間での転流が生じ難いことから、発熱により超電導コイル１１が損傷を受けるおそれがある。その一方、離隔層１９の電気抵抗率が１×１０^－６Ωｍよりも小さい場合、バンドル１５間における転流が起きやすく、超電導コイル１１の径方向への電流の流出が生じて周方向への電流が減少し、磁場が急速に減衰して好ましくない。

【0029】

前記超電導線材１４を構成する安定化層１８の電気抵抗率は、１×１０^－７～１×１０^－９Ωｍであり、離隔層１９の電気抵抗率は離隔層１９としての機能を有効に発揮させるために安定化層１８の電気抵抗率より高く設定される。

【0030】

離隔層１９を構成する材料としては、ステンレス鋼等の金属、表面酸化処理された金属、表面を粗面化した金属、導電性樹脂等が使用される。離隔層１９の厚さは１０～２００μｍ程度の範囲が好ましい。

【0031】

前記超電導コイル１１において、バンドル１５間の結合によりコイルの径方向電流が増大して磁場減衰を引き起こす指標として、臨界電流に対するコイルへの通電電流の割合を示す負荷率がある。この負荷率（％）は、バンドル１５を構成する超電導線材１４の枚数をｘとしたとき、〔（ｘ－１）／ｘ〕×１００で表される値に設定されることが好ましい。

【0032】

ここで、負荷率について説明する。超電導線材１４の臨界電流を詳細に測定すると、超電導線材１４の長さ（ｍｍ）と臨界電流Ｉｃ（Ａ）との関係は図７に示すようになる。臨界電流の平均値は１５２Ａ、最小値は７９Ａ、最大値は２０２Ａである。このため、超電導線材１４を１枚で使用する場合には、最小値の７９Ａより小さい通電電流で運転する必要がある。すなわち、負荷率は５２％〔（７９／１５２）×１００〕より小さく設定する必要がある。

【0033】

一方、２枚の超電導線材１４で構成されるバンドル１５の場合には、１枚の超電導線材１４は最小値の７９Ａであるが、もう１枚の超電導線材１４は平均値の１５２Ａ程度まで通電が可能である。すなわち、負荷率は７６％〔（１５２＋７９）×１００／（１５２×２）〕であり、バンドル１５の場合の方が１枚の超電導線材１４の場合より高い負荷率を得ることができる。

【0034】

例えば、１枚の超電導線材１４を使用し、その超電導線材１４が常電導転移して臨界電流の最小値が０Ａとなったときには、負荷率は０％である。これに対し、図５に示すように、バンドル１５が２枚の超電導線材１４で構成される場合（ｘ＝２）には、負荷率は５０％である。すなわち、この場合には負荷率が５０％で安定して通電が可能である。バンドル１５が３枚の超電導線材１４で構成される場合（ｘ＝３）には、負荷率は６７％である。すなわち、この場合には３枚の超電導線材１４の低特性箇所が重ならない限り、３枚の超電導線材１４のうちの１枚の超電導線材１４の低特性箇所で転流が発生し、２枚の超電導線材１４で３枚の超電導線材１４分の電流を維持することになるため負荷率が６７％で安定して通電が可能となる。

【0035】

図１及び図２に示すように、バンドル１５が４枚の超電導線材１４で構成される場合（ｘ＝４）には、負荷率は７５％である。すなわち、この場合には同様に３枚の超電導線材１４で４枚の超電導線材１４分の電流を維持することになるため負荷率が７５％で安定して通電が可能である。図６に示すように、バンドル１５が５枚の超電導線材１４で構成される場合（ｘ＝５）には、負荷率は８０％である。すなわち、この場合には同様に４枚の超電導線材１４で５枚の超電導線材１４分の電流を維持することになるため負荷率が８０％で安定して通電が可能である。

【0036】

次に、本実施形態の無絶縁超電導コイル１１用の超電導体及び超電導コイル１１について作用を説明する。
さて、図４（ａ）に示すように、超電導コイル１１のバンドル１５中における超電導線材１４の低特性箇所で常電導転移が生じたときには、電流はその超電導線材１４の超電導層１３から保護層１７及び安定化層１８を介して隣接する超電導線材１４の安定化層１８、保護層１７を経て超電導層１３へ直線的に流れ込む。このため、バンドル１５を構成する超電導線材１４は局部的に発熱する事態が回避され、超電導線材１４の損傷が抑えられる。

【0037】

また、１枚の超電導線材１４では通電量が臨界電流により制限される一方、バンドル１５では複数枚の超電導線材１４に通電が可能であるため通電量を増大させることができる。このため、臨界電流に対するコイルの通電電流の割合を示す負荷率を高めることができるとともに、そのような高い負荷率で安定した通電が可能となる。

【0038】

加えて、バンドル１５間には電気抵抗性を有する離隔層１９が設けられていることから、超電導コイル１１への通電時にコイルの径方向への電流の流れがバンドル１５内に制限され、コイルの周方向への電流量を十分に確保でき、励磁遅れや磁場減衰を抑制し、かつ十分な励磁速度を得ることができる。

【0039】

以上詳述した実施形態によって得られる効果を以下にまとめて記載する。
（１）この実施形態の無絶縁超電導コイル１１用の超電導体は、基板１２の片面に希土類系酸化物超電導体による超電導層１３が設けられたテープ状の超電導線材１４を複数枚重ね合せて超電導線材１４のバンドル１５を構成したものである。このため、超電導コイル１１への通電時にバンドル１５内における複数枚の超電導線材１４に通電可能であり、負荷率を高く設定でき、安定した通電を行うことができる。

【0040】

また、バンドル１５を用いた超電導コイル１１では、バンドル１５間に電気抵抗性を有する離隔層１９が設けられることから、コイルの径方向への電流を抑え、周方向への電流を確保でき、通電時の励磁遅れを回避することができる。

【0041】

従って、実施形態における無絶縁超電導コイル１１用の超電導体によれば、コイル磁場の励磁遅れを抑制できるとともに、安定した高負荷率通電を行うことができる。
（２）前記超電導線材１４は、基板１２の片面に中間層１６を介して希土類系酸化物超電導体による超電導層１３が設けられ、その上に保護層１７を介して導電性金属よりなる安定化層１８が被覆されて構成されている。このため、超電導線材１４は超電導層１３が保護された状態で超電導特性を持続して発揮することができる。

【0042】

（３）前記バンドル１５は、超電導線材１４が２～５枚重ね合せて構成されている。そのため、バンドル１５を用いた超電導コイル１１は、バンドル１５に基づく効果を有効に発揮させることができる。

【0043】

（４）前記バンドル１５は偶数枚の超電導線材１４が重ね合されて構成されるときには、隣接する一対の超電導線材１４の超電導層１３が対向するように重ね合される。従って、常電導転移時には電流を隣接する超電導線材１４の超電導層１３へ直線的に流すことができ、超電導線材１４の発熱や損傷を効果的に抑制することができる。

【0044】

（５）前記バンドル１５は奇数枚の超電導線材１４が重ね合されて構成されるときには、隣接する一対の超電導線材１４は超電導層１３が対向するように重ね合されるとともに、残りの１枚の超電導線材１４は超電導層１３が超電導コイル１１の中心側に位置するように配置される。

【0045】

このため、偶数枚の超電導線材１４は上記と同様の効果を発揮できるとともに、残りの１枚の超電導線材１４は超電導層１３に圧縮力を作用させて拡径力に対抗させることができ、超電導線材１４の損傷を抑制することができる。

【0046】

（６）超電導コイル１１は、前記超電導体のバンドル１５をコイル状に巻回して構成され、バンドル１５間には電気抵抗性を有する離隔層１９が設けられる。従って、超電導コイル１１への通電時にコイルの径方向への電流をバンドル１５内に制限でき、コイルの周方向への電流量を確保でき、励磁遅れを抑制することができる。

【0047】

（７）前記電気抵抗性を有する離隔層１９は、電気抵抗率が１×１０^－６～１×１０^－５Ωｍの金属層で構成される。そのため、バンドル１５間での転流を抑制できるとともに、常電導転移時にバンドル１５間での転流を可能とし、超電導線材１４を保護することができる。

【0048】

（８）臨界電流に対するコイルの通電電流の割合を示す負荷率（％）は、バンドル１５を構成する超電導線材１４の枚数をｘとしたとき、〔（ｘ－１）／ｘ〕×１００で表される値に設定される。従って、超電導コイル１１は、高負荷率通電を安定した状態で継続することができる。

【実施例】

【0049】

以下に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１、２及び比較例１～３）
実施例１では、希土類系酸化物超電導体の超電導層１３を有する超電導線材１４を２枚重ね合せてバンドル１５を構成し、実施例２では同じ超電導線材１４を５枚重ねてバンドル１５を構成した。比較例１～３では、超電導線材１４を１枚で使用した。

【0050】

前記超電導線材１４は、基板１２上に中間層１６を介して超電導層１３を形成し、その上に保護層１７を介して安定化層１８を被覆して構成した。前記基板１２はニッケル合金（ハステロイ）により厚さ５０μｍに形成され、中間層１６は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）により厚さ８０ｎｍに形成されている。中間層１６上には、イットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）により厚さ１μｍの超電導層１３を形成した。超電導層１３上には銀（Ａｇ）により厚さ８μｍの保護層１７を形成し、その保護層１７上には銅（Ｃｕ）による厚さ２０μｍの安定化層１８を、超電導線材１４の外周部を覆うように形成した。超電導線材１４の幅は４ｍｍである。

【0051】

次に、実施例１では前記バンドル１５を３０ターン（巻）巻回して超電導コイル１１を調製し、実施例２ではバンドル１５を１２ターン巻回して超電導コイル１１を調製し、比較例１～３では超電導線材１４を６０ターン巻回して超電導コイル１１を調製した。いずれの超電導コイル１１もシングルパンケーキコイルである。また、実施例１及び２では、バンドル１５間に電気抵抗性を有する離隔層１９として、厚さ３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製テープを介在させて無絶縁超電導コイル１１とした。実施例１の無絶縁超電導コイル１１の内径は６０ｍｍ、外径は７３ｍｍ、実施例２の無絶縁超電導コイル１１の内径は６０ｍｍ、外径は７２．５ｍｍであった。

【0052】

また、図５に示すように、実施例１のバンドル１５を構成する２枚の超電導線材１４の超電導層１３は対向するように配置され、実施例２のバンドル１５を構成する隣り合う各２枚の超電導線材１４の超電導層１３は対向するように配置され、残り１枚の超電導線材１４の超電導層１３はコイルの中心側に配置されている。

【0053】

比較例１では、超電導線材１４間に離隔層１９として、厚さ１５μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製テープを介在させて無絶縁超電導コイル１１とした。比較例２では、超電導線材１４間に何も介在させない無絶縁超電導コイル１１とした。比較例３では、超電導線材１４間に絶縁テープとして厚さ１５μｍのポリイミドテープを介在させて絶縁超電導コイルとした。比較例１の無絶縁超電導コイル１１の内径は６０ｍｍ、外径は７３ｍｍ、比較例２の無絶縁超電導コイル１１の内径は６０ｍｍ、外径は７１ｍｍ、比較例３の絶縁超電導コイルの内径は６０ｍｍ、外径は７３ｍｍであった。

【0054】

前記超電導線材１４の通電特性は前記図７に示した通りであって、臨界電流の平均値は１５０Ａであり、超電導線材１４の長さ１０ｍで臨界電流が１００Ａを下回るような低特性箇所を有する超電導線材１４を使用した。

【0055】

そして、これらの超電導コイル１１を液体窒素の温度（７７Ｋ）に冷却し、バンドル１５を用いない超電導コイル１１の場合には１５Ａ／秒の掃引速度で３０Ａまで通電し、保持した。バンドル１５を用いた超電導コイル１１の場合にはコイル巻線の電流密度が１枚の超電導線材１４を用いた場合と同じになるように、２枚の超電導線材１４を重ね合せた実施例１のバンドル１５では３０Ａ／秒、５枚の超電導線材１４を重ね合せた実施例２のバンドル１５では７５Ａ／秒で掃引した。このように、超電導コイル１１への通電により励磁した際の通電時間（秒）と超電導コイル１１の中心磁場（Ｔ）の変化を測定し、その結果を図８に示した。

【0056】

図８に示した結果において、１枚の超電導線材１４による無絶縁超電導コイル１１を使用した比較例２では中心磁場の励磁遅れが生じているのに対し、バンドル１５による無絶縁超電導コイル１１を使用した実施例１及び２ではそのような励磁遅れは生じないことが示された。

【0057】

次に、高負荷率通電における安定性について試験を行った。
超電導コイル１１を液体窒素中で１Ａ／秒の掃引速度で励磁電流を通電した際の通電電流（Ａ）と超電導コイル１１の中心磁場（Ｔ）の変化を測定し、その結果を図１０に示した。図１０中の破線は実施例１、一点鎖線は実施例２及び実線は比較例１を表す。

【0058】

この図１０において、１枚の超電導線材１４による超電導コイル１１を使用した比較例１では、通電電流が３０Ａを超えると中心磁場の増大傾向が鈍くなり、臨界電流に達したことがわかる。

【0059】

一方、通電電流３０Ａのときの超電導線材１４のテープ面に垂直に作用する垂直磁場は１１５ｍＴである。また、超電導層１３を形成する希土類系酸化物がＹ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物である場合とＧｄ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物である場合について、垂直磁場（ｍＴ）と、臨界電流の比（磁場中の臨界電流／自己磁場下の臨界電流）との関係は図９に示されている。実線はＹ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物の場合を示し、破線はＧｄ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物の場合を示す。この図９のグラフにおいて、垂直磁場が１１５ｍＴのときの臨界磁場の比は０．４である。すなわち、通電時の臨界電流の平均値は自己磁場下の臨界電流である１５０Ａの４０％程度まで低下し、６０Ａとなる。このため、通電電流が３０Ａのときには負荷率は５０％となるが、これは前記のように比較例１の超電導コイル１１の臨界電流である。従って、比較例１の超電導コイル１１では、負荷率５０％においては超電導状態を部分的に維持できなくなっており、負荷率５０％を確保することは困難である。

【0060】

これに対し、２枚の超電導線材１４でバンドル１５を構成した実施例１では、通電電流８５Ａで中心磁場の増大傾向が鈍っており、臨界電流に達している。一方、通電電流が８５Ａのときの垂直磁場は１６４ｍＴであり、前記図９に基づいてそのときの臨界磁場の比は０．３３である。このため、２枚の超電導線材１４では自己磁場下の平均値１５０Ａから導出したバンドル１５の臨界電流は０．３３×２×１５０で約１００Ａとなる。図１０に示す実施例１のバンドル１５の臨界電流８５Ａは負荷率８５％に相当し、１枚の超電導線材１４と比較して高い負荷率での通電が可能である。２枚の超電導線材１４によるバンドル１５の場合に〔（ｘ－１）／ｘ〕×１００により算出される負荷率５０％に対して余裕があり、通電電流を十分に高い負荷率で設定することができ、安定した高負荷率通電を行うことができる。

【0061】

続いて、５枚の超電導線材１４でバンドル１５を構成した実施例２では、通電電流２２０Ａで中心磁場の増大傾向が鈍っており、臨界電流に達している。一方、通電電流が２２０Ａのときの垂直磁場は１７１ｍＴであり、前記図９に基づいてそのときの臨界磁場の比は０．３１である。このため、５枚の超電導線材１４では自己磁場下の平均値１５０Ａから導出したバンドル１５の臨界電流は０．３１×５×１５０で約２３３Ａとなる。図１０に示す実施例２のバンドル１５の臨界電流２２０Ａは負荷率９４％に相当し、１枚の超電導線材１４と比較して一層高い負荷率での通電が可能である。５枚の超電導線材１４によるバンドル１５の場合に〔（ｘ－１）／ｘ〕×１００により算出される負荷率８０％に対して余裕があり、通電電流を２枚の超電導線材１４によるバンドル１５の場合よりもさらに高い負荷率で設定することができ、安定した高負荷率通電を行うことができる。

【0062】

（実施例３，４及び比較例４）
実施例３及び４では、超電導層１３をＧｄ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物で構成し、その他は実施例１及び２と各々同様に構成して超電導コイル１１を調製した。また、比較例４では、超電導層１３をＧｄ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物で構成し、その他は比較例１と同様に構成して超電導コイル１１を調製した。

【0063】

そして、前記実施例１と同様にして、超電導コイル１１への通電により励磁した際の通電時間（秒）と超電導コイル１１の中心磁場（Ｔ）の変化を測定した。その結果、バンドル１５による無絶縁超電導コイル１１を使用した実施例３及び４では、実施例１及び２と同様に励磁遅れは生じないことが明らかになった。

【0064】

さらに、実施例１と同様に超電導コイル１１を液体窒素中で１Ａ／秒の掃引速度で励磁電流を通電した際の通電電流（Ａ）と超電導コイル１１の中心磁場（Ｔ）の変化を測定し、その結果を図１１に示した。図１１中の破線は実施例３、一点鎖線は実施例４及び実線は比較例４を表す。

【0065】

この図１１において、比較例４では、通電電流が３５Ａを超えると中心磁場の増大傾向が鈍くなり、臨界電流に達したことがわかる。
一方、通電電流３５Ａのときの超電導線材１４のテープ面に垂直に作用する垂直磁場は１３７ｍＴである。また、前記図９のグラフにおいて、垂直磁場が１３７ｍＴのときの臨界磁場の比は０．４５である。すなわち、通電時の臨界電流の平均値は自己磁場下の臨界電流である１６０Ａの４５％程度まで低下し、７２Ａとなる。このため、通電電流が３５Ａのときには負荷率は４９％となるが、これは前記のように比較例４の超電導コイル１１の臨界電流に相当する。従って、比較例４の超電導コイル１１では、負荷率４９％においては超電導状態を部分的に維持できなくなっており、負荷率４９％を確保することは困難である。

【0066】

これに対し、２枚の超電導線材１４でバンドル１５を構成した実施例３では、通電電流１００Ａの手前で中心磁場の増大傾向が鈍っており、臨界電流に達している。一方、通電電流が９５Ａのときの垂直磁場は１６６ｍＴであり、前記図９のグラフに基づいてそのときの臨界磁場の比は０．３５である。このため、２枚の超電導線材１４では自己磁場下の平均値１６０Ａから導出したバンドル１５の臨界電流は０．３５×２×１６０で約１１２Ａとなる。図１１に示す実施例３のバンドル１５の臨界電流９５Ａは負荷率８５％に相当し、１枚の超電導線材１４と比較して高い負荷率での通電が可能である。２枚の超電導線材１４によるバンドル１５の場合に〔（ｘ－１）／ｘ〕×１００により算出される負荷率５０％に対して余裕があり、通電電流を十分に高い負荷率で設定することができ、安定した高負荷率通電を行うことができる。

【0067】

続いて、５枚の超電導線材１４でバンドル１５を構成した実施例４では、通電電流２５０Ａでも中心磁場の増大傾向が維持されている。一方、通電電流が２５０Ａのときの垂直磁場は１９３ｍＴであり、前記図９に基づいてそのときの臨界磁場の比は０．３３である。このため、５枚の超電導線材１４では自己磁場下の平均値１６０Ａから導出したバンドル１５の臨界電流は０．３３×５×１６０で約２６４Ａとなる。図１０に示す実施例４のバンドル１５の臨界電流２５０Ａは負荷率９５％に相当し、１枚の超電導線材１４と比較して高い負荷率での通電が可能である。５枚の超電導線材１４によるバンドル１５の場合に〔（ｘ－１）／ｘ〕×１００により算出される負荷率８０％に対して余裕があり、通電電流を２枚の超電導線材１４によるバンドル１５の場合よりもさらに高い負荷率で設定することができ、安定した高負荷率通電を行うことができる。

【0068】

（実施例５及び６）
実施例５及び６では、超電導層１３を（Ｙ，Ｇａ）Ｂａ／Ｃｕ酸化物で構成し、その他は実施例１及び２と各々同様に構成して超電導コイル１１を調製した。

【0069】

そして、前記実施例１と同様にして、超電導コイル１１への通電により励磁した際の通電時間（秒）と超電導コイル１１の中心磁場（Ｔ）の変化を測定した。その結果、バンドル１５による無絶縁超電導コイル１１を使用した実施例５及び６では、実施例１及び２と同様に励磁遅れは生じないことが明らかになった。

【0070】

なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・前記バンドル１５を構成する超電導線材１４の枚数に応じて、電気抵抗性を有する離隔層１９の電気抵抗率を設定してもよい。

【0071】

・前記バンドル１５を奇数枚の超電導線材１４で構成した場合、偶数枚の超電導線材１４について隣接する超電導線材１４の各超電導層１３が対向するように配置し、残り１枚の超電導線材１４を超電導コイル１１の最内周側に配置してもよい。

【0072】

・前記超電導コイル１１は、ダブルパンケーキコイルやソレノイドコイルであってもよい。

【符号の説明】

【0073】

１１…超電導コイル、１２…基板、１３…超電導層、１４…超電導線材、１５…バンドル、１６…中間層、１７…保護層、１８…安定化層、１９…離隔層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】