CN114746964A - 超导线圈及其制造方法以及超导线圈用超导扁线材 - Google Patents

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CN114746964A CN202080079788.3A CN202080079788A CN114746964A CN 114746964 A CN114746964 A CN 114746964A CN 202080079788 A CN202080079788 A CN 202080079788A CN 114746964 A CN114746964 A CN 114746964A
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伊井秀树
佐藤巧望
浅见大亮
杉本昌弘
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Abstract

超导线圈具备：绕线框；和至少2层超导扁线材层，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材且截面为大致矩形状的超导扁线材沿着绕线框的大致周向螺旋卷绕在绕线框的外周面上、使在绕线框的轴向上邻接的线材彼此被以相互分离的状态并行配置而成的，在同一超导扁线材层内邻接的线材彼此的分离部分及分别位于邻接的2个超导扁线材层内的邻接的线材彼此的分离部分处至少具有热塑性熔接树脂，从包含绕线框的轴线的截面观察时，对于位于邻接的2个超导扁线材层且相互邻接的、合计3根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙及合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙中的至少一者的空隙而言，其以在至少2层超导扁线材层中所占的面积比例即空隙率计为4％以下。

Description

超导线圈及其制造方法以及超导线圈用超导扁线材
技术领域
本发明涉及超导线圈及其制造方法以及超导线圈用超导扁线材。
背景技术
就超导线而言，通常已知于极低温表现超导性能的物质。对于这样的超导线而言，若在卷绕于绕线框而形成线圈状后处于浸渍在液体氦中的状态，则能够作为电磁铁使用。超导线与通常的铜线等电线相比具有能够使非常大的电流通过的优点，但在大电流通过时，可能会被施加大的电磁力而产生振动并发热，若由于发热而温度上升，则即使在电流小于超导线的临界电流值的通电中，也会产生超导状态破坏而变为常导状态(以下称为“失超”)、液体氦瞬间蒸发等问题，因此要求采取维持超导状态、防止失超的措施。
作为防止该失超的手段，例如专利文献1中公开了将超导线圈的绕组部分含浸于环氧树脂，之后对环氧树脂实施固化处理来进行固定的超导线圈。固化了的环氧树脂即使反复进行常温和极低温(～4K)的热循环也不易产生裂纹、剥离等破损，但假设在发生了破损的情况下容易发生失超。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平06-325932号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，上述超导扁线材的基于使用环氧树脂的含浸及固化处理的固定需要成本和劳力，因此期待以更简单的方法制造能够防止失超的超导线圈的方法、超导扁线材。
本发明是鉴于以上情况提出的，目的在于提供用于在不进行使用树脂的含浸及固化的处理的情况下以简单方法制造能够防止失超的超导线圈的超导扁线材、使用该超导扁线材制得的超导线圈及其制造方法。
用于解决课题的手段
本申请发明人为了解决上述课题进行了反复深入研究。其结果发现，对于具有表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材和被覆线材的外周面的由热塑性熔接树脂形成的熔接树脂层的超导线圈用超导扁线材，通过对构成超导扁线材的熔接树脂层的平均被覆厚度及超导扁线材的角部的曲率半径进行优化，以及通过使用该超导扁线材制备超导线圈，从而能够有效抑制失超，并完成了本发明。具体来说，本发明提供以下技术。
[1]超导线圈，其具备：绕线框；和至少2层超导扁线材层，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材且截面为大致矩形状的超导扁线材沿着上述绕线框的大致周向螺旋卷绕在上述绕线框的外周面上、使在上述绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置而形成的，上述超导线圈的特征在于，在同一超导扁线材层内邻接的线材彼此的分离部分、以及在分别位于邻接的2个超导扁线材层内的邻接的线材彼此的分离部分处，至少具有热塑性熔接树脂，从包含上述绕线框的轴线的截面观察时，对于位于上述邻接的2个超导扁线材层且相互邻接的、合计3根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙及合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙中的至少一者的空隙而言，其以在上述至少2层超导扁线材层中所占的面积比例即空隙率(V1)计为4％以下。
[2]根据上述[1]记载的超导线圈，其特征在于，从包含上述绕线框的轴线的截面观察时，上述空隙是位于上述邻接的2个超导扁线材层且相互邻接的合计3根及合计4根超导扁线材的外表面所划分形成的。
[3]超导线圈，其具备：绕线框；和1层超导扁线材层，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材且截面为大致矩形状的超导扁线材沿着上述绕线框的大致周向螺旋卷绕在上述绕线框的外周面上、使在上述绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置而形成的，上述超导线圈的特征在于，在上述超导扁线材层内邻接的线材彼此的分离部分处，至少具有热塑性熔接树脂，从包含上述绕线框的轴线的截面观察时，对于相互邻接的合计2根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙而言，其以在上述超导扁线材层中所占的面积比例即空隙率(V1)计为4％以下。
[4]根据上述[1]～[3]中任一项记载的超导线圈，其特征在于，上述超导扁线材具有被覆上述线材的外周面的、由上述热塑性熔接树脂形成的熔接树脂层。
[5]根据上述[1]～[4]中任一项记载的超导线圈，其特征在于，上述热塑性熔接树脂包含选自苯氧基树脂、聚酰胺树脂及聚酯树脂中的1种以上。
[6]根据上述[4]或[5]记载的超导线圈，其特征在于，上述超导扁线材在上述线材的外周面与上述熔接树脂层之间进一步具有绝缘树脂层。
[7]根据上述[6]记载的超导线圈，其特征在于，上述绝缘树脂层包含选自聚乙烯醇缩甲醛树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯树脂及聚氨酯树脂中的1种以上。
[8]根据上述[6]或[7]记载的超导线圈，其特征在于，上述绝缘树脂层的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下。
[9]根据上述[1]～[8]中任一项记载的超导线圈，其特征在于，上述线材为扁线材且角部的曲率半径(R1)为0.1mm以上0.4mm以下。
[10]根据上述[1]～[9]中任一项记载的超导线圈，其特征在于，上述线材为扁线材且角部的曲率半径(R1)满足以下所示的式(1)及式(2)，
[数学式1]
0＜R1≤R1max…式(1)
Figure BDA0003646986670000041
式(2)中，A为0.06。
[11]超导扁线材，其为超导线圈用超导扁线材，上述超导线圈用超导扁线材具有：表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材；和被覆上述线材的外周面的、由热塑性熔接树脂形成的熔接树脂层，上述超导扁线材的特征在于，上述熔接树脂层的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下，上述超导扁线材的角部的曲率半径(R2)满足以下所示的式(3)及式(4)，
[数学式2]
0＜R2≤R2max…式(3)
Figure BDA0003646986670000042
式(4)中，B为0.06。
[12]根据上述[11]记载的超导扁线材，其特征在于，上述熔接树脂层的平均被覆厚度为0.01mm以上0.07mm以下。
[13]根据上述[11]或[12]记载的超导扁线材，其特征在于，上述热塑性熔接树脂包含选自苯氧基树脂、聚酰胺树脂及聚酯树脂中的1种以上。
[14]根据上述[10]～[13]中任一项记载的超导扁线材，其特征在于，在上述线材的外周面与上述熔接树脂层之间进一步具有由绝缘树脂形成的绝缘树脂层。
[15]根据上述[14]记载的超导扁线材，其特征在于，上述绝缘树脂包含选自聚乙烯醇缩甲醛树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯树脂及聚氨酯树脂中的1种以上。
[16]根据上述[14]或[15]记载的超导扁线材，其特征在于，上述绝缘树脂层的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下。
[17]根据上述[11]～[16]中任一项记载的超导扁线材，其特征在于，上述线材为扁线材且角部的曲率半径(R1)为0.1mm以上0.4mm以下。
[18]根据上述[11]～[17]中任一项记载的超导扁线材，其特征在于，上述线材为扁线材且角部的曲率半径(R1)满足以下所示的式(1)及式(2)，
[数学式3]
0＜R1≤R1max…式(1)
Figure BDA0003646986670000051
式(2)中，A为0.06。
[19]超导线圈的制造方法，其包含下述工序：卷绕工序，其中，将上述[10]～[18]中任一项记载的超导扁线材沿着绕线框的大致周向螺旋卷绕在上述绕线框的外周面上，形成具有在上述绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置的至少2层超导扁线材层的线圈；和
热处理工序，其中，在上述热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于上述非晶性树脂的玻璃化转变温度以上且300℃以下的温度对在上述卷绕工序中形成的上述线圈实施加热处理，或者在上述热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于上述结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对在上述卷绕工序中形成的上述线圈实施加热处理。
[20]超导线圈的制造方法，其包含下述工序：卷绕工序，其中，将上述[10]～[18]中任一项记载的超导扁线材沿着绕线框的大致周向螺旋卷绕在上述绕线框的外周面上，形成具有在上述绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置的1层超导扁线材层的线圈；和
热处理工序，其中，在上述热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于上述非晶性树脂的玻璃化转变温度以上且300℃以下的温度对在上述卷绕工序中形成的上述线圈实施加热处理，或者在上述热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于上述结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对在上述卷绕工序中形成的上述线圈实施加热处理。
发明效果
根据本发明，能够提供用于在不进行使用树脂的含浸及固化的处理的情况下以简单方法制造能够防止失超的超导线圈的超导扁线材、使用该超导扁线材制得的超导线圈及其制造方法。
附图说明
图1是将第1实施方式的超导线圈以包含绕线框的轴线的平面剖切时的剖视图。
图2是用于说明图1的超导线圈中的空隙率(V1)的计算方法的图。
图3是用于说明构成第2实施方式的超导线圈的、邻接的2个超导扁线材层的配置关系的剖视图。
图4是用于说明构成第3实施方式的超导线圈的、邻接的2个超导扁线材层的配置关系的剖视图。
图5是将第4实施方式的超导线圈以包含绕线框的轴线的平面剖切时的剖视图。
图6是用于说明图5的超导线圈中的空隙率(V1)的计算方法的图。
图7是第1实施方式的超导线圈用超导扁线材的横剖视图。
图8是第2实施方式的超导线圈用超导扁线材的横剖视图。
图9是用于说明超导线圈的制造方法的一例的图。
图10是用于说明超导线圈的制造方法的其他例的图。
图11是用于说明实施例中制造的超导线圈用超导扁线材的尺寸的横剖视图。
具体实施方式
以下，详细说明本发明优选的实施方式，本发明不限定于以下的实施方式。
1.超导线圈
本发明的超导线圈具备：其具备：绕线框；和至少2层超导扁线材层，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材且截面为大致矩形状的超导扁线材沿着绕线框的大致周向螺旋卷绕在绕线框的外周面上、使在绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置而形成的，在同一超导扁线材层内邻接的线材彼此的分离部分、以及在分别位于邻接的2个超导扁线材层内的邻接的线材彼此的分离部分处至少具有热塑性熔接树脂，从包含绕线框的轴线的截面观察时，对于位于邻接的2个超导扁线材层且相互邻接的、合计3根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙及合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙中的至少一者的空隙而言，其以在至少2层超导扁线材层中所占的面积比例即空隙率(V1)计为4％以下。
另外，本发明的超导线圈具备：绕线框；和1层超导扁线材层，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材且截面为大致矩形状的超导扁线材沿着绕线框的大致周向螺旋卷绕在绕线框的外周面上、使在绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置而形成的，在超导扁线材层内邻接的线材彼此的分离部分处至少具有热塑性熔接树脂，从包含绕线框的轴线的截面观察时，对于相互邻接的合计2根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙而言，其以在超导扁线材层中所占的面积比例即空隙率(V1)计为4％以下。
图1是将第1实施方式的超导线圈以包含绕线框的轴线的平面剖切时的剖视图。图1所示的超导线圈100具备：绕线框60；和2层超导扁线材层L1、L2，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材1’且截面为大致矩形状的超导扁线材10’沿着绕线框60的大致周向螺旋卷绕在绕线框60的外周面上，使在绕线框的轴向上邻接的线材1’彼此以相互分离的状态并行配置而形成的。超导扁线材层L1、L2在绕线框60的径向上层叠。超导扁线材层L1设置在超导扁线材层L2的外侧，超导扁线材层L2在超导扁线材层L1的内侧设置在绕线框60的外周面上。以下说明超导线圈100具备2层超导扁线材层L1、L2的例子，但超导线圈100也可以具备3层以上的超导扁线材层。
绕线框60具备例如中实或中空的筒状的主体部61和设置在主体部61的轴向两端部的凸缘状的翼板部62、63。线材1’卷绕在绕线框60的主体部61的外周面上。在图1所示的以包含绕线框的轴线的平面剖切时的剖视图、即包含绕线框的轴线的超导线圈的纵剖视图中，主体部61的外周面与后述的外周线61a相当。
在同一超导扁线材层L1或L2内在绕线框的轴向邻接的线材彼此1’-1、1’-2的分离部分S1及分别位于在绕线框的径向上邻接的2个超导扁线材层L1、L2内且在绕线框的径向上邻接的线材彼此1’-1、1’-6的分离部分S2处，至少具有热塑性熔接树脂2’。即，线材1’的表面由热塑性熔接树脂2’完全覆盖，线材1’彼此不接触。并且，从包含该绕线框60的轴线的截面观察时，对于位于邻接的2个超导扁线材层且在绕线框的轴向或径向上相互邻接的、合计3根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙及合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙中的至少一者的空隙而言，其以在2层超导扁线材层L1、L2中所占的面积比例即空隙率(V1)计为4％以下。
如图1所示，所谓合计3根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙，是指合计3根超导扁线材1’-1、1’-2、1’-6的外表面所能划分形成的空隙41、合计3根超导扁线材1’-2、1’-6、1’-7的外表面所能划分形成的空隙42、……、空隙48。另外，如后述的图4所示，所谓合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙，是指合计4根超导扁线材1b’-1、1b’-2、1b’-6、1b’-7的外表面所能划分形成的空隙41b、合计4根超导扁线材1’-2、1b’-3、1’-7、1’-8的外表面所能划分形成的空隙42b、……、空隙44b。
从包含绕线框60的轴线的的截面观察时，空隙可以仅为合计3根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙，或仅为合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙，或合计3根及合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙(混合存在)。另外，在超导线圈100中，存在若包含绕线框60的轴线的平面相对于绕线框60的轴线的角度不同，则包含绕线框60的轴线的截面中的空隙的状态变化的情况。例如，在超导线圈100中，存在在包含绕线框60的轴线的某个截面中仅观察到合计3根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙、在包含绕线框60的轴线的其他截面上仅观察到合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙的情况。
在此，说明在计算空隙率(V1)时，至少2层超导扁线材层的面积(S)的计算方法。如图2所示，从包含绕线框的轴线的截面观察时，将与构成作为最外层的超导扁线材层L1的各超导扁线材10’的全部相切或相交的直线中的、距离外周线61a最远的线设为线P。例如，如图2所示，线P是与外周线61a平行且与构成超导扁线材层L1的超导扁线材10’的全部相切的线。将由该线P、绕线框60的主体部61的外周线61a及绕线框60的翼板部62、63包围的区域设为面积(S)(图2中以虚线示出的部位)。另一方面，空隙的面积(Sv)为如上所述图1中示出的空隙41、42、……48、图4中示出的空隙41b、42b、……48b的总和。在绕线框60的两个翼板部62、63和与这两个翼板部62、63分别对置的两个超导扁线材层L1、L2的两侧面之间形成的空隙51、52(在图1中，分别以由双点划线包围的区域表示。)不计入空隙的面积(Sv)，在超导扁线材层L2与绕线框的主体部的外周线61a之间形成的全部的内侧空隙71及在作为最外层的超导扁线材层L1与线P之间形成的全部的外侧空隙72计入空隙的面积(Sv)。并且，空隙率(V1)以V1(％)＝(Sv/S)×100求出。从抑制失超的观点出发，优选在空隙51、52中填充热塑性熔接树脂等树脂。
根据这样的超导线圈100，即使在超导线圈100中流通大电流的情况下也能够有效防止失超，另外，不会因在线圈反复升温及降温时、失超时产生的热应力而在热塑性熔接树脂2’中产生龟裂，能够作为训练失超(training quench)的次数少，具有高稳定性的超导线圈使用。
[超导扁线材]
超导扁线材10’至少具有后述的线材1’和被覆线材1’的外周面的由热塑性熔接树脂形成的熔接树脂层2’，也可以任选地在二者之间进一步设置绝缘树脂。
在超导线圈100中，超导扁线材10’相对于绕线框60的卷绕方向没有特别限定，可以是右绕及左绕中的任意。
超导扁线材10’相对于绕线框60的卷绕数也没有特别限定。
超导扁线材层相对于绕线框60的数量也没有特别限定，为至少1层即可。
[线材]
线材1’为表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材。
线材1’的形状没有特别限定，能够使用例如圆形线材、扁线材等。其中，通过使用扁线材，从而能够减小空隙、获得更大的电流密度。此外，在以后述的制造方法制造等的情况下，由于线彼此的熔接面积(接触面积)变大，因此能够使熔接力增大。
在作为线材1’使用扁线材的情况下，优选横截面(即，也与超导线圈的包含绕线框的轴线的截面一致)中的角部的曲率半径(R1)为0.1mm以上0.4mm以下。通过使角部的曲率半径(R1)为0.1mm以上，从而能够防止在卷绕超导线圈时线彼此钩挂而在线材的表面产生损伤，通过设为0.4mm以下，从而能够减小超导线圈中的空隙率。
在作为线材1’使用扁线材的情况下，该线材1’的横截面中的厚度(短边)没有特别限定，例如为0.2mm以上3mm以下等。另外，宽度(长边)没有特别限定，例如为0.4mm以上10mm以下等。
在作为线材1’使用扁线材的情况下，优选线材1’的角部的曲率半径(R1)满足以下所示的式(1)及式(2)。需要说明的是，式(2)中的A为0.06，优选为0.04。
[数学式4]
0＜R1≤R1max…式(1)
Figure BDA0003646986670000101
[熔接树脂层]
熔接树脂层2’是被覆线材1’的外周面且由热塑性熔接树脂形成的层，能够通过加热相互熔接。
热塑性熔接树脂没有特别限定，从能够在较低温条件下进行熔接处理、能够期待良好的熔接特性的方面考虑，优选使用从苯氧基树脂、聚酰胺树脂及聚酯树脂中选择的1种以上。
上述苯氧基树脂也被称为聚羟基醚，具有10,000以上的分子量，以下以式(a)示出化学结构式。本发明中使用的苯氧基树脂能够以溶解到间甲酚等溶剂中的清漆的形式使用，但没有特别限定。
[化学式1]
Figure BDA0003646986670000111
上述聚酰胺树脂优选使用与聚酰胺单独相比熔点较低的聚酰胺无规共聚物，例如能够举出聚酰胺6/聚酰胺12共聚物、聚酰胺6/聚酰胺11共聚物、聚酰胺6/聚酰胺66共聚物，其中，聚酰胺6/聚酰胺12共聚物及聚酰胺6/聚酰胺11共聚物由于熔点低而更加优选。聚酰胺共聚物的熔点根据各树脂的组成比而变化，能够选择熔点最低的组成比使用。例如，在聚酰胺6/聚酰胺11共聚物中，在聚酰胺6为30重量％的情况下熔点最低，为150℃。本发明中使用的聚酰胺树脂能够以溶解到间甲酚等溶剂中的清漆的形式使用，但没有特别限定。
[绝缘树脂层]
虽非必需的构成要素，但为了进一步提高线材相对于外部的绝缘性，优选在线材的外周面与熔接树脂层之间进一步具有由绝缘树脂形成的绝缘树脂层。
图3是第2实施方式的超导线圈的超导扁线材层部分的剖视图。该图3是从包含绕线框的轴线的截面观察而得的图，省略绕线框而仅示出一侧的超导扁线材层部分的剖视图。熔接树脂层2a’熔接接合。并且，在该熔接树脂层2a’与线材1a’-1的外周面之间配置有绝缘树脂层3a。线材1a’的表面由绝缘树脂层3a完全覆盖。
绝缘树脂没有特别限定，能够使从线材1a’-1到外部的电流绝缘即可。优选绝缘树脂层由能够期待较良好的绝缘特性的选自聚乙烯醇缩甲醛树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯树脂及聚氨酯树脂中的1种以上形成。
绝缘树脂层3a的平均被覆厚度没有特别限定，为了确保绝缘特性，优选为0.005mm以上，更加优选为0.01mm以上。另外，优选绝缘树脂层3a的平均被覆厚度为0.100mm以下，更加优选为0.07mm以下，进一步优选为0.05mm以下。若绝缘树脂层的平均被覆厚度小于0.005mm，则由于树脂量不足而无法期待充分的绝缘特性，若比0.100mm厚，则线占空系数减小，线圈的电流密度降低，因此不理想。绝缘树脂层3a的平均被覆厚度由以包含绕线框60的轴线的平面剖切时的截面的端部(未被夹持在线材彼此之间的部分)来测定。
然而，如图1、图3所示，从包含绕线框的轴线的截面观察时，与空隙由合计4根超导扁线材的外表面划分形成的超导线圈(图4)相比，对于空隙41由位于邻接的2个超导扁线材层L1、L2且相互邻接的合计3根超导扁线材(例如线材1’-1、1’-2、1’-6的超导扁线材)的外表面划分形成的超导线圈而言，空隙41、42、……、48未沿着绕线框的径向以直线状排列，这些空隙在绕线框的径向上内外交替地错开配置。像这样，在图1、图3所示的超导线圈中，构成超导扁线材层L1的超导扁线材10’、线材1’的角部的位置与构成超导扁线材层L2(在绕线框的径向内侧与超导扁线材层L1邻接)的超导扁线材10’、线材1’的角部的位置在绕线框的轴向上不一致而完全错开。因此，能够有效抑制空隙间的龟裂发展、机械强度提高。
需要说明的是，如图4所示，在空隙41b由从包含绕线框的轴线的截面观察时位于邻接的2个超导扁线材层L1b、L2b且相互邻接的合计4根超导扁线材(例如线材1b’-1、1b’-2、1b’-6、1b’-7的超导扁线材)的外表面划分形成的情况下，空隙41b、42b、43b、44b沿着绕线框的径向以直线状配置，但具有足以耐受超导线圈的通常使用的强度。
图5是将第4实施方式的超导线圈以包含绕线框的轴线的平面剖切时的剖视图。图6是用于说明图5的超导线圈中的空隙率(V1)的计算方法的图。上文中，示出在绕线框60的主体部61的外周线61a上具备至少2层超导扁线材层L1、L2(L1b、L2b)的超导线圈，而本实施方式的超导线圈100在主体部61的外周线61a上具备仅1层的超导扁线材层L2。另外，与上述同样地，图5～6所示的超导线圈100也可以具备绝缘树脂层3a。
图5～6所示的超导线圈100具备：绕线框60；和仅1层的超导扁线材层L2，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材1’且截面为大致矩形状的超导扁线材10’沿着绕线框60的大致周向螺旋卷绕在绕线框60的外周面上、使在绕线框的轴向上邻接的线材1’彼此以相互分离的状态并行配置而成的。超导扁线材层L2设置在绕线框60的外周面上。
在超导扁线材层L2内在绕线框的轴向上邻接的线材彼此1’-6、1’-7的分离部分S1处至少具有热塑性熔接树脂2’。即，线材1’的表面由热塑性熔接树脂2’完全覆盖，线材1’彼此不接触。并且，从包含该绕线框60的轴线的截面观察时，对于在绕线框的轴向上相互邻接的合计2根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙而言，以在1层超导扁线材层L2中所占的面积比例即空隙率(V1)计为4％以下。
在此，说明本实施例中的计算空隙率(V1)时的1层超导扁线材层的面积(S)的计算方法。如图6所示，在从包含绕线框的轴线的截面观察时，将与构成超导扁线材层L2的各超导扁线材10’的全部相切或相交的直线中的、距离外周线61a最远的线设为线P。例如，如图6所示，线P为与外周线61a平行且与构成超导扁线材层L2的超导扁线材10’的全部相切的线。将由该线P、绕线框60的主体部61的外周线61a及由绕线框60的翼板部62、63包围的区域设为面积(S)(图6中以虚线示出的部位)。另一方面，空隙的面积(Sv)为在超导扁线材层L2与绕线框的主体部的外周线61a之间形成的全部的内侧空隙71及在超导扁线材层L2与线P之间形成的全部的外侧空隙72的总和。在绕线框60的两个翼板部62、63和与这两个翼板部62、63分别对置的超导扁线材层L2的两个侧面之间形成的空隙51(在这里，示出空隙51形成在翼板部62与超导扁线材层L2的侧面之间且未形成在翼板部63与超导扁线材层L2的侧面之间的构成)未计入空隙的面积(Sv)。并且，空隙率(V1)以V1(％)＝(Sv/S)×100求出。从抑制失超的观点出发，优选在空隙51中填充热塑性熔接树脂等树脂。
根据这样的1层式的超导线圈100，与上述多层式的超导线圈同样地，即使在超导线圈100通过大电流的情况下也能够有效防止失超，另外，不会因线圈反复升温及降温时、失超时所产生的热应力而在热塑性熔接树脂2’产生龟裂，能够作为训练失超的次数少、具有高稳定性的超导线圈使用。
2.超导线圈用超导扁线材
本发明的超导线圈用超导扁线材具有：表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材；和被覆线材的外周面的、由热塑性熔接树脂形成的熔接树脂层，熔接树脂层的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下，超导扁线材的角部的曲率半径(R2)满足以下所示的式(3)及式(4)。式(3)中的B为0.06，优选为0.04。
[数学式5]
0＜R2≤R2max…式(3)
Figure BDA0003646986670000141
图7是本发明第1实施方式的超导线圈用超导扁线材的横剖视图。超导线圈用超导扁线材10具有：表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材1；和被覆线材1的外周面的由热塑性熔接树脂形成的熔接树脂层2，熔接树脂层2的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下，超导扁线材10的角部的曲率半径(R2)满足上述式(3)及上述式(4)。超导扁线材10的横截面为大致矩形状的扁线。
经包含下述工序的简单方法从而预先在超导扁线材10的线材1的外周面被覆有熔接树脂层2，因此能够在不进行使用树脂的含浸及固化的处理的情况下以简便的操作容易地制造能够防止失超的超导线圈100，该工序为：卷绕工序，其中，将上述超导扁线材10沿着绕线框的大致周向螺旋卷绕在绕线框的外周面上，形成具有在绕线框的轴向上邻接的线材1、1彼此以相互分离的状态并行配置的至少2层超导扁线材层的线圈；和热处理工序，其中，在热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于该非晶性树脂的玻璃化转变温度以上(优选比玻璃化转变温度高30℃以上的温度)且300℃以下的温度对在卷绕工序中形成的上述线圈实施热处理，或者在热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对在卷绕工序中形成的上述线圈实施加热处理。若熔接处理温度超过300℃，则可能发生由加热引起的超导线的性能劣化，因此不理想。
特别是，通过使熔接树脂层2的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下、使超导扁线材10的角部的曲率半径(R2)满足上述式(3)及上述式(4)，由此，用超导扁线材10制造的超导线圈的空隙率(V1)成为4％以下，作为其结果，能够防止超导线圈100失超。
[线材]
由于线材1与上述超导线圈使用的线材相同，因此省略此处的说明。
[熔接树脂层]
熔接树脂层2为由与上述超导线圈中使用的热塑性熔接树脂相同的树脂形成的层，其被覆线材1的外周面。
具体来说，作为构成该熔接树脂层2的热塑性熔接树脂，没有特别限定，从在较低温条件下能够实施熔接处理且能够期待良好的熔接特性的观点出发，优选使用从苯氧基树脂、聚酰胺树脂及聚酯树脂中选择的1种以上。
熔接树脂层2的平均被覆厚度没有特别限定，为0.005mm以上0.100mm以下即可，优选为0.01mm以上。另外，优选熔接树脂层2的平均被覆厚度为0.07mm以下，更加优选为0.05mm以下。若熔接树脂层2的平均被膜厚度小于0.005mm，则由于树脂量不足，因此无法期待充分的熔接力，另一方面，若平均被膜厚度变得比0.100mm厚，则存在线占空系数减小、线圈的电流密度降低的可能，因此不理想。需要说明的是，对于构成超导线圈100的情况下的熔接树脂层2的平均被覆厚度而言，由以包含绕线框60的轴线的平面剖切时的截面的端部(未被夹持在线材彼此之间的部分)来测定。
[绝缘树脂层]
虽非必需的构成要素，但为了进一步提高线材相对于外部的绝缘性，优选在线材的外周面与熔接树脂层之间进一步具有由绝缘树脂形成的绝缘树脂层。
图8是本发明第2实施方式的超导线圈用超导扁线材的横剖视图。在图8中，超导扁线材10a在线材1a的外周面与熔接树脂层2a之间进一步具有绝缘树脂层3a。
绝缘树脂层3a没有特别限定，只要能够将从线材1a到外部的电流绝缘即可。从能够期待较良好的绝缘性的观点出发，优选绝缘树脂层3a由选自聚乙烯醇缩甲醛树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯树脂及聚氨酯树脂中的1种以上形成。
绝缘树脂层3a的平均被覆厚度没有特别限定，为了确保绝缘特性，优选为0.005mm以上，更加优选为0.01mm以上。另外，优选绝缘树脂层3a的平均被覆厚度为0.100mm以下，更加优选为0.07mm以下，进一步优选为0.05mm以下。若绝缘树脂层的平均被覆厚度小于0.005mm，则由于树脂量不足而无法期待充分的绝缘特性，若变得比0.100mm厚，则线占空系数减小、线圈的电流密度降低，因此不理想。需要说明的是，构成超导线圈100的情况下的绝缘树脂层3a的平均被覆厚度由以包含绕线框60的轴线的平面剖切时的截面的端部(未被夹持在线材彼此之间的部分)来测定。
[超导线圈用超导扁线材的制造]
就上述超导线圈用超导扁线材而言，例如，被覆熔接树脂层的方法没有特别限定，能够举出使用使热塑性熔接树脂溶解在溶剂中而成的清漆并通过树脂的烧结工序进行被覆的方法，被覆绝缘树脂层的方法没有特别限定，能够举出使用使绝缘树脂溶解在溶剂中而成的清漆并通过树脂的烧结工序进行被覆的方法。
需要说明的是，作为上述超导扁线材的使用方法中的其他效果，能够获得下述效果：在用于制备螺线管线圈以外的鞍型线圈等异形线圈的情况下，在线圈制备的中途使超导扁线材彼此局部接触，通过对该部位进行加热而进行临时固定、以不产生绕组的张力松弛的方式，使绕组操作性提高。
3.超导线圈的制造方法
本发明的超导线圈的制造方法包含下述工序：卷绕工序，其中，将上述超导扁线材10沿着绕线框60的大致周向螺旋卷绕在绕线框60的外周面上，形成具有在绕线框60的轴向上邻接的线材1彼此以相互分离的状态并行配置的至少2层超导扁线材层的线圈；和热处理工序，其中，在热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于非晶性树脂的玻璃化转变温度以上(优选比玻璃化转变温度高30℃以上的温度)且300℃以下的温度对在卷绕工序中形成的线圈实施热处理，或者在热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对在卷绕工序中形成的线圈实施加热处理。经上述简单方法，能够在不进行使用树脂的含浸及固化的处理的情况下制造能够防止失超的超导线圈100。需要说明的是，作为非晶性树脂，能够举出苯氧基树脂、聚酯树脂等。
以下，使用图9说明该制造方法。在卷绕工序中，从包含绕线框的轴线的截面观察时，以成为图9的(a)所示的配置的方式，将超导扁线材10沿着绕线框60的大致周向以至少2层螺旋卷绕在绕线框60的外周面上而形成线圈。接下来，在热处理工序中，在热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于非晶性树脂的玻璃化转变温度以上(优选比玻璃化转变温度高30℃以上的温度)且300℃以下对线圈实施加热处理，或者在热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对线圈实施加热处理，由此，热塑性熔接树脂2-1、2-2、……、2-10分别熔融并相互熔接，如图9的(b)所示，形成一个熔接树脂层2’。
另外，图5～6所示的本发明的超导线圈的制造方法包含下述工序：卷绕工序，其中，将上述超导扁线材10沿着绕线框60的大致周向螺旋卷绕在绕线框60的外周面上，形成具有在绕线框60的轴向上邻接的线材1彼此以相互分离的状态并行配置的1层超导扁线材层的线圈；和热处理工序，其中，在热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于非晶性树脂的玻璃化转变温度以上(优选比玻璃化转变温度高30℃以上的温度)且300℃以下的温度对在卷绕工序中形成的线圈实施加热处理，或者在热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对在卷绕工序中形成的线圈实施加热处理。经这样的简单方法，能够在不进行使用树脂的含浸及固化的处理的情况下制造能够防止失超的超导线圈100。需要说明的是，作为非晶性树脂，能够举出苯氧基树脂、聚酯树脂等。
以下使用图10说明该制造方法。在卷绕工序中，从包含绕线框的轴线的截面观察时，以成为图10的(a)所示的配置的方式，将超导扁线材10沿着绕线框60的大致周向以1层螺旋卷绕在绕线框60的外周面上而形成线圈。接下来，在热处理工序中，在热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于非晶性树脂的玻璃化转变温度以上(优选比玻璃化转变温度高30℃以上的温度)且300℃以下对线圈实施加热处理，或者在热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对线圈实施加热处理，热塑性熔接树脂2-6、2-7、……、2-10分别熔融并相互熔接，如图10的(b)所示，形成一个熔接树脂层2’。
作为用于形成均匀的熔接树脂层的方法，优选在上述卷绕工序中一边对超导扁线材10施加一定的张力一边进行卷绕。
在上述热处理工序中，在作为热塑性熔接树脂2使用例如苯氧基树脂的情况下，加热温度为100～300℃，优选为130～250℃。若熔接处理温度低于100℃，则需要长时间的熔接处理，若熔接处理温度超过300℃，则可能由于加热导致超导线的性能劣化而不理想。
实施例
接下来，为了使本发明的效果更加明确，对实施例及比较例进行说明，但本发明并非限定于这些实施例。
作为表面被覆有铜或铜合金的NbTi线，作为绝缘树脂层使用聚酰胺酰亚胺树脂(东特涂料公司制、Neoheat AlOOC)，作为熔接树脂层使用苯氧基树脂(日铁Chemical&Material公司制、YP-50)，以下述表1的“线材”、“绝缘树脂层”及“熔接树脂层”栏所示的尺寸制造图11所示的实施例1～6及比较例1～6的超导扁线材。在将该超导扁线材以20层卷绕在主体直径为300mm、宽度为500mm的SUS304制的绕线框后，加入氩气氛炉内，于200℃加热120分钟制得超导线圈。实施例1～6及比较例1～6各自的超导线圈的尺寸如下述表1所示。
使用液体氦对实施例1～6及比较例1～6各自的超导线圈进行冷却，反复进行多次直至实现设计磁场的电流为止的通电(电流增加速度50A/分钟)。将最大达到磁场、至最大达到磁场为止的发生训练失超的次数、实现最大达到磁场后至达到磁场减小为止的热循环(常温和4K)的重复次数的评价结果示于下述表1。
[表1]
Figure BDA0003646986670000201
关于实施例7～8及比较例7～8，除了将下述表2的“线材”、“绝缘树脂层”及“熔接树脂层”栏所示的尺寸的超导扁线材仅以1层卷绕于绕线框以外，以与实施例1～6及比较例1～6相同的条件制造超导线圈，实施与实施例1～6及比较例1～6相同的评价。
[表2]
Figure BDA0003646986670000221
附图标记说明
1、1’ 线材
1’-1～1’-10、1a’-1～1a’-10、1b’-1～1b’-10 线材的特定部位
10、10’ 超导扁线材
100 超导线圈
2、2-1～2-10 熔接树脂层
2’、2a’、2b’ 热塑性熔接树脂或熔接树脂层
3a 绝缘树脂层
41～47、41b～44b、51、52 空隙
60 绕线框
61 绕线框的主体部
61a 绕线框的主体部的外周线
62、63 绕线框的翼板部
71 内侧空隙
72 外侧空隙
L1、L2、L1b、L2b 超导扁线材层
S1、S2 分离部分
W1 线材的长边
W1’ 由绝缘树脂被覆的线材的长边
W2 超导扁线材的长边
T1 线材的短边
T1’ 由绝缘树脂被覆的线材的短边
T2 超导扁线材的短边
R1 线材角部的曲率半径
R1’ 由绝缘树脂被覆的线材的曲率半径
R2 超导扁线材的角部的曲率半径

Claims (20)

1.超导线圈，其具备：
绕线框；和
至少2层超导扁线材层，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材且截面为大致矩形状的超导扁线材沿着所述绕线框的大致周向螺旋卷绕在所述绕线框的外周面上、使在所述绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置而形成的，
所述超导线圈的特征在于，
在同一超导扁线材层内邻接的线材彼此的分离部分、以及在分别位于邻接的2个超导扁线材层内的邻接的线材彼此的分离部分处，至少具有热塑性熔接树脂，
从包含所述绕线框的轴线的截面观察时，对于位于所述邻接的2个超导扁线材层且相互邻接的、合计3根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙及合计4根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙中的至少一者的空隙而言，其以在所述至少2层超导扁线材层中所占的面积比例即空隙率(V1)计为4％以下。
2.根据权利要求1所述的超导线圈，其特征在于，从包含所述绕线框的轴线的截面观察时，所述空隙是位于所述邻接的2个超导扁线材层且相互邻接的合计3根及合计4根超导扁线材的外表面所划分形成的。
3.超导线圈，其具备：
绕线框；和
1层超导扁线材层，其是将包含表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材且截面为大致矩形状的超导扁线材沿着所述绕线框的大致周向螺旋卷绕在所述绕线框的外周面上、使在所述绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置而形成的，
所述超导线圈的特征在于，
在所述超导扁线材层内邻接的线材彼此的分离部分处，至少具有热塑性熔接树脂，
从包含所述绕线框的轴线的截面观察时，对于相互邻接的合计2根超导扁线材的外表面所能划分形成的空隙而言，其以在所述超导扁线材层中所占的面积比例即空隙率(V1)计为4％以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的超导线圈，其特征在于，所述超导扁线材具有被覆所述线材的外周面的、由所述热塑性熔接树脂形成的熔接树脂层。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的超导线圈，其特征在于，所述热塑性熔接树脂包含选自苯氧基树脂、聚酰胺树脂及聚酯树脂中的1种以上。
6.根据权利要求4或5所述的超导线圈，其特征在于，所述超导扁线材在所述线材的外周面与所述熔接树脂层之间进一步具有绝缘树脂层。
7.根据权利要求6所述的超导线圈，其特征在于，所述绝缘树脂层包含选自聚乙烯醇缩甲醛树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯树脂及聚氨酯树脂中的1种以上。
8.根据权利要求6或7所述的超导线圈，其特征在于，所述绝缘树脂层的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的超导线圈，其特征在于，所述线材为扁线材且角部的曲率半径(R1)为0.1mm以上0.4mm以下。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的超导线圈，其特征在于，所述线材为扁线材且角部的曲率半径(R1)满足以下所示的式(1)及式(2)，
[数学式1]
D＜R1≤RImax ···式(1)
Figure FDA0003646986660000021
式(2)中，A为0.06。
11.超导扁线材，其为超导线圈用超导扁线材，所述超导线圈用超导扁线材具有：
表面被覆有铜或铜合金的NbTi系或Nb3Sn系的线材；和
被覆所述线材的外周面的、由热塑性熔接树脂形成的熔接树脂层，
所述超导扁线材的特征在于，
所述熔接树脂层的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下，
所述超导扁线材的角部的曲率半径(R2)满足以下所示的式(3)及式(4)，
[数学式2]
0＜R2≤R2max ···式(3)
Figure FDA0003646986660000031
式(4)中，B为0.06。
12.根据权利要求11所述的超导扁线材，其特征在于，所述熔接树脂层的平均被覆厚度为0.01mm以上0.07mm以下。
13.根据权利要求11或12所述的超导扁线材，其特征在于，所述热塑性熔接树脂包含选自苯氧基树脂、聚酰胺树脂及聚酯树脂中的1种以上。
14.根据权利要求10～13中任一项所述的超导扁线材，其特征在于，在所述线材的外周面与所述熔接树脂层之间进一步具有由绝缘树脂形成的绝缘树脂层。
15.根据权利要求14所述的超导扁线材，其特征在于，所述绝缘树脂包含选自聚乙烯醇缩甲醛树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯树脂及聚氨酯树脂中的1种以上。
16.根据权利要求14或15所述的超导扁线材，其特征在于，所述绝缘树脂层的平均被覆厚度为0.005mm以上0.100mm以下。
17.根据权利要求11～16中任一项所述的超导扁线材，其特征在于，所述线材为扁线材且角部的曲率半径(R1)为0.1mm以上0.4mm以下。
18.根据权利要求11～17中任一项所述的超导扁线材，其特征在于，所述线材为扁线材且角部的曲率半径(R1)满足以下所示的式(1)及式(2)，
[数学式3]
0＜R1≤R1max ···式(1)
Figure FDA0003646986660000041
式(2)中，A为0.06。
19.超导线圈的制造方法，其包含下述工序：
卷绕工序，其中，将权利要求10～18中任一项所述的超导扁线材沿着绕线框的大致周向螺旋卷绕在所述绕线框的外周面上，形成具有在所述绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置的至少2层超导扁线材层的线圈；和
热处理工序，其中，在所述热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于所述非晶性树脂的玻璃化转变温度以上且300℃以下的温度对在所述卷绕工序中形成的所述线圈实施加热处理，或者在所述热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于所述结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对在所述卷绕工序中形成的所述线圈实施加热处理。
20.超导线圈的制造方法，其包含下述工序：
卷绕工序，其中，将权利要求10～18中任一项所述的超导扁线材沿着绕线框的大致周向螺旋卷绕在所述绕线框的外周面上，形成具有在所述绕线框的轴向上邻接的线材彼此以相互分离的状态并行配置的1层超导扁线材层的线圈；和
热处理工序，其中，在所述热塑性熔接树脂为非晶性树脂的情况下，于所述非晶性树脂的玻璃化转变温度以上且300℃以下的温度对在所述卷绕工序中形成的所述线圈实施加热处理，或者在所述热塑性熔接树脂为结晶性树脂的情况下，于所述结晶性树脂的熔点以上且300℃以下的温度对在所述卷绕工序中形成的所述线圈实施加热处理。
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