JP2001176338A

JP2001176338A - 無接続超電導線材および製造方法

Info

Publication number: JP2001176338A
Application number: JP36036299A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Suzuki; 保夫鈴木; Takeshi Wakuta; 毅和久田; Yoshihide Wadayama; 芳英和田山; Michiya Okada; 道哉岡田; Keiji Fukushima; 敬二福島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】永久電流回路に流れる電流値が減衰することな
しに、高精度で高性能のＭＲＩ装置やＮＭＲ装置を可能
にする。【解決手段】超電導線材に引っ張り応力を加えずに圧延
加工方式で、縮経溝ロールを動力で回す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、MRI断層撮影装置
やNMR物性研究用高磁界発生装置等の永久電流モードで
使用する装置に係わり、特に永久電流回路の電気抵抗が
極めて小さく、発生磁場の時間安定度に優れた超電導線
材および磁石に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に超電導線材は電気伝導性に優れ
た銅等の安定化金属の内部に超電導材料が内蔵された単
芯線あるいは、これらを束ねたものを減面加工して製作
される。即ち、従来の超電導線材は長手方向の両端２個
所に端部を有する形状を有する。またこれらの線材を巻
線して超電導コイルを製作する場合には、必ずコイル端
部２個所には電気的接続部が存在する。超電導コイルを
電源と切り離した状態で運転する永久電流運転におい
て、その発生磁場の時間減衰度を小さくするためには、
これら線材接続部の接続電気抵抗を極力小さくする必要
があり、これまでに数多くの技術開発と出願がなされて
きた。

【０００３】また、接続部のない永久電流ループを得る
ために、超電導材料の塊を機械切削等によって環状加工
したものが利用された例もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来技術のごと
くコイル両端部に接続部が存在する場合には、その接続
部で電気抵抗が生じ、コイルを極めて優れた時間安定度
に保持するためには問題があった。即ちこれまでの超電
導線材の接続技術の進展において、その接続抵抗は、10
~⁹〜１０~¹³Ω程度にまで低減されてきたが、超電導線
材が本来有する10~²⁵Ω−ｍのレベルとゆう極めて低い
電気抵抗に達するには限界があった。

【０００５】また超電導体の塊を機械切削等の加工によ
って永久電流ループを製作しても、加工前の超電導体の
臨界電流特性が一般の線材性能と比較しても低いものが
多い。これは超電導線材が金属学的に強加工あるいは、
微細加工されることによってその臨界電流特性が向上す
る手法がとられることが多いため、超電導体の塊から切
り出したものでは優れた超電導特性が得られない大きな
課題がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】超電導コイルの接続部の
接続抵抗を無くす方法は、接続部を持たないエンドレス
の超電導線材を製造する方法を確立する事にある。本発
明は上記問題点を解決するためになされたものである。

【０００７】電気伝導性に優れた安定化金属の内部に超
電導材料が配置された単芯線が複数回巻回されて一体化
した断面構造で、かつ線材長手方向において端部が存在
しないエンドレス構造を有する超電導線材をコイル巻線
する。

【０００８】電気伝導性に優れた安定化金属の内部に超
電導材料が配置された単芯あるいはこれらが多数本配置
された複合多芯構造を有し、かつ線材長手方向に１個所
の接続部を有するエンドレス構造の超電導線材をコイル
巻線する。

【０００９】絶縁被覆層のない超電導線材の安定化母材
中に、超電導素材（素線）が配置された超電導線材と前
記超電導線材を複数回リング状に巻回成形する機構とリ
ング状に巻回した複合超電導線材へ安定化材を取り付け
る機構を持つ装置と、断面を縮経加工を行う装置を用い
て超電導線材を製造する。

【００１０】超電導線材を複数回リング状に巻回成形す
る機構とリング状に巻回した複合超電導線材の先端と後
端部を接合することで加工性を良くした超電導線材を製
造する。

【００１１】超電導線材を複数回巻回しエンドレス超電
導線材を製造する方法で製作した超電導線材を製造す
る。

【００１２】超電導線材を複数回リング状に巻回成形し
た超電導線材の断面を縮経加工をする装置は、加圧調整
スタンドの外側に伸線加工ロールがあり溝交換に適した
超電導線材を製造する。

【００１３】断面を縮経加工する装置は、直交ロールが
組み合う機構で真円度に優れた加工性をする超電導線材
を製造する。

【００１４】超電導線材の断面形状を部分的に異形に加
工できるので高磁界部分の線材を太くし低磁界部分を細
く加工しコイル性能を向上する超電導線材を製造する。

【００１５】超電導線材の断面を縮経加工した同一の超
電導線材上に、熱式永久電流スイッチを内蔵し無接続超
電導コイルを製作した超電導線材を製造する。

【００１６】エンドレス超電導線材が巻線されたコイル
が使用される磁気共鳴イメージング装置や核磁気分析装
置等の永久電流型超電導マグネットシステムを高精度で
高安定に使用するには無接続超電導線材を使用すると良
い。

【００１７】超電導線材の接続部のない健全な部分は、
高磁界にも耐える優れた性能があり大電流を通電でき
る。この優れた性能をそのまま超電導コイルへ採用す
る。すなわち、エンドレス超電導線材を用いて製作した
超電導コイルは接続部がないので、4×10~²⁵Ω−ｍ以下
の抵抗値を保持できる。磁場の影響を軽減し超電導コイ
ル特有の優れた高電流密度の性能をそのまま発揮できる
ので、上記発明の目的は達成できる。

【００１８】接続部があるとないでは、永久電流モード
で使用中の超電導状態のとき特性が大きく異なる。例え
ば超電導線材をコイルに巻き替えて使用すると、はっき
り判明する。接続部が高磁場の影響を受けると通電電流
は、約2／3から1／3位まで低下するのが普通である。超
電導線材を使用すると、大電流を通電できるので装置を
小型にしても高磁界を高安定に発生できる装置を製造で
きるので目的は達成できる。接続部を持たない超電導線
を用いれば、さらに、コイル巻線内部および線材全長に
渡り自己磁界や外部磁界の影響を受けても、性能を低下
させる欠陥部分（接続部）がないので、高安定に大電流
を永久電流モードで効率よく高安定に通電できるので減
衰することがない。装置全体が高性能をそのまま保持す
るように作用する。

【００１９】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１は、本発明の無
接続超電導コイルの構成を示す図である。コイルボビン
Ｃへ無接続超電導線1を巻回し超電導コイルＳ１を製作
し、その同一線材の一部分へヒーター線Ｈを巻き付け
た。そのヒーター線Ｈを巻き付けた部分を無誘導巻で超
電導コイルＳ2を製作した。超電導コイルＳ2は、熱式永
久電流スイッチとして使用する。超電導コイル全体を冷
媒中に浸けたままで、超電導コイルＳ2のヒーター線Ｈ
へ電流を流し超電導転移温度以上に加熱して、超電導状
態を破壊させる。その状態で、電極ＰＬ１と電極ＰＬ２
から給電すると、超電導コイルＳ１を励磁することがで
きる。その時、電流の流れる方向は、超電導状態のコイ
ルＳ１は10~²⁵Ω−ｍで超電導コイルＳ2は10~⁸Ωなの
で、電気的な抵抗値の差から超電導コイルＳ１側へ効率
よく電流が流れる通電回路が形成される。超電導コイル
Ｓ１中央に磁場の変化量を測定するホール素子HSを取り
付け、永久電流回路に流れる電流値を磁場変動に換え
て、ホール素子HSで長時間連続測定することができる構
造である。

【００２０】図２は、本発明の無接続超電導線材を用い
たコイルの巻線構造を示した図である。無接続超電導線
1を用いてコイル巻線を行う状態を具体的に示す。無接
続超電導線１は、最適化熱処理を済ませ超電導特性を保
持している。さらに、電気的な絶縁被覆層も完了し超電
導線として完成している。コイル巻線ボビンＣは、巻始
め部分の超電導線Ｂがコイル巻線部分に巻き乱れが発生
しないように、フランジＣの一部へ溝を設けた。超電導
線1がフランジ面より出張ることがない構造にした。出
張があると超電導線が盛り上がり巻き乱れが起こり、コ
イル巻線が乱れ電磁力で動きコイルの性能が低下するこ
とがあり対策した。超電導線1とボビンＣは、電気的絶
縁と電磁力に耐える構造が必要で、無接続超電導線1の
一部を引き出し１Ｌ巻線ボビンＣへ固定した。電気的絶
縁と固定を確認した後、線材の一部から巻き始め1−1、
1−2、1−3、1−4、1−5、1−6、1−ｎの順に、線材を
解きながらコイル巻線を行った。この操作を繰り返し連
続的に行い、コイルボビンに複数層巻線を行って超電導
コイルS1を巻回した。線材の一部にヒーター線を一緒に
巻き込み小コイルS2（熱式永久電流スイッチ）を巻回す
る構成にした。

【００２１】図３は、現在使用中の超電導多芯線を示し
た図である。この超電導多芯線１０は、超電導素線数が
多数銅母材中に組み込まれている。加工方法は固定ダイ
スを用いて引き抜き伸線加工法で加工したもので、最適
化熱処理も絶縁被覆も施していない。この超電導多芯線
１０を酸洗し線材表面の不純物を除去し、中和液に浸け
た後温風乾燥し表面が純粋な銅色をした状態に仕上げ
た。この線材を用いて無接続超電導線材を製作する。

【００２２】図４は、本発明の無接続超電導コイル用線
材の製造方法を示す図である。この装置は製作するコイ
ルの寸法と通電電流容量が基準となり、リング状の直径
の大きさと横断面の太さから計算し、縮径加工完了後、
最終的に必要な線材長を試算し、基本長を作り出す装置
である。リング状の大きさを大きくすると、全体の初期
組み込み長さが長くなる。また巻き回数を多くすると、
断面が太くなり縮径加工後の断面縮小倍率が数十倍から
数百倍となり全体の仕上がり長を大きく変化できる。超
電導多芯線１０をリング状に巻回した無接続超電導線材
1長を、調節用ロールG1〜Gnを用いて適量を加工成形ロ
ールR1で断面を密に成形しながら、一体化被覆安定化材
1Aを取り付ける装置である。一体化加工する被覆安定化
材1Aの取り付け方法は、横圧延巻き付け法やチューブ挿
入法、縦型巻き込み圧接法等ある。

【００２３】図５は、本発明の無接続超電導線材の初期
加工方法を示す図である。

【００２４】スパイラル状に安定化被覆材1Aを取り付
け、複合体にしてから加工整形ロールR1で、強制的に一
体化縮径加工する装置である。横断面が太い状態のもの
を強制的に稼働溝ロールR1上下で、縮径ロールで加工を
すると、線材自身に張力が加わらず断線の危険がない加
工ができる。断面が縮径するとリング径が大きくなる。
大きくなったリング径を、調整支持ロールG1〜Gnが超電
導線1Aに添って移動し大きさを調節する。縮径ロールの
溝径をくり返し換えて細線加工を行う。

【００２５】図６は、本発明の無接続超電導線材の細線
化方法を示す図である。

【００２６】ある程度まで断面を縮径した細線を加工す
る装置である。無接続超電導線材１Aが細くなると捻れ
強度が低下し、溝ロール内で抵抗の少ない方向に傾い
て、無接続超電導線1Aが真円にならず扁平現象が起こ
る。この扁平現象を無くすために補助加工ロールR2、R3
を取り付ける。この補助ロールR2、R3を用いて真円度の
精度を向上させ、超電導線材の電流密度を均一化し線材
の特性を向上させる。無接続超電導線材１Aは、エンド
レスであり縮径加工はすべて溝ロールR1、R2、R3で強制
圧延加工法で細くする。溝ロールR1、R2、R3で加工した
超電導線材１Aは巻き上げ装置Kに巻き付き送り出し装置
H〜Hnで、超電導線材１Aの長さをロール間で調整し、調
節ロールG〜G1〜Gnを介して、溝ロールR1、R2、R3に戻
り順次細線加工が繰り返し行う。この細線加工行程で伸
びた超電導線材１Aは、長さ調整ロールG〜G2’〜Gn’が
移動し、移動した距離を元に戻すために巻取り調整機KR
が稼働し、巻き上げ装置Kに巻き付かる。この動作を繰
り替えし行い、長尺超電導線材１Aが細線化され目的の
線径まで加工し、長尺のエンドレス超電導線材１が完成
できる。

【００２７】図７は、本発明の無接続超電導線材の長尺
細線を加工する方法を示した図である。

【００２８】超電導多芯線１０を加工成形ロールR1、R
2、R3の溝ロールで圧延縮径加工して送り出された線材1
Aを、巻き取り装置Kに巻き付き数ターン毎に送り出し装
置H〜H1〜Ｈｎで順次送られ線材の長さ調整装置KKL1〜K
L2〜KL3〜KLnを経由して加工成形ロールR1、R2、R3へ戻
る。加工成形ロールR1、R2、R3の溝径を順次縮径しなが
ら連続的に加工を行う。断面が縮小することにより線材
長が長くなる。この長くなった部分は、無接続超電導線
材の長さ調節用ロールKL1〜KL2〜KL3〜KLnが適度に指定
方向に広がり、伸びた分を連続して吸収し連続した圧延
作業を容易にし目的の線径の無接続超電導線の加工が完
成する。その後、超電導特性を得る最適化熱処理を行
い、電気的絶縁を行い超電導線材が完成する。この線材
をコイル巻回し超電導コイルが完成できる。このコイル
の巻線方法は、縦型でも横型でも巻線装置の構造で巻線
可能である。

【００２９】図８は、本発明の無接続超電導線材の安定
化被覆材取り付け方法を示す図である。

【００３０】無接続超電導線材の製造方法において、一
体化安定化被覆材を取り付ける方法を具体的に示した図
である。銅パイプあるいは銀、金、アルミパイプP等電
気的抵抗が小さい材質であれば使用可能できる。パイプ
を円弧上に丸めPK1とPK2の間を数十ミリあけ、超電導多
芯線線材10をパイプ内へ数回ないし数十回巻回する。端
末同士を処理した後ロールRで圧延加工を加え、断面が
縮径した端面PK2とPK1の端面同士が接近し銀ロー等で接
続する。その後、ロールによる縮径加工をロールの溝径
を換え連続して行う。これにより無接続超電導線材が出
来上がる。

【００３１】図９は、本発明の無接続超電導線材の安定
化被覆材取り付け製造方法を示す図である図８で説明し
た通り、一体化安定化被覆材を取り付ける方法を具体的
に示した図である。一体化安定化被覆材を平板Pをロー
ルR1、R2で連続して巻き込みながら取り付ける方法であ
る。この手法を用いると長尺線材を容易に製作できる。
その他一体化安定化被覆材を取り付ける方法は、被覆材
の侵入と同一方向に回転するロールと直角に回転する横
圧延ロールを組み合わせた装置で取り付ける方法等があ
る。

【００３２】（実施例２）伸線加工で完成した、直経2
ミリの超電導多芯マルチ線材を巻経1000ミリのリング状
に19回巻つけた。その後、先端部と後端部を突き合わせ
接続を行い仕上げ加工を行った。先端部と後端部を接続
しなくとも無接続超電導線材は、製作可能である。しか
し、端部を開放のままにすると変形抵抗が小さくなり、
健全な長尺部分と差が生じ比較的太い状態で残留し、健
全な部分に食い込む形になり超電導素線径がアンバラン
スになり性能を低下させる。リング状に巻つけた19回の
超電導多芯マルチ線材の集合体の断面が、真円になるよ
うに仮締め冶具を用いて調整しながら、1.2ミリ厚さの
銅テープをスパイラル状に隙間が出来るだけ発生しない
ように全長に渡り巻き付け、突き合わせ部分を銀蝋で固
定しながら行った。この銅テープは最終的には安定化材
にも使用される。安定化材の取付方法は、図８に示す用
にパイプをリング状に曲げ一部分を開口に加工してか
ら、パイプ内へ超電導線材を多数巻回し、そのパイプの
外径を縮経加工するとパイプは伸びて、ラップする。そ
のラップする長さを精度よく調整し接合することによ
り、全体のバランスが保たれ安定化材として有効に被覆
層が形成できる。安定化材は、複合超電導線を安定に保
つために、冷却効率の向上と超電導素線の固定を同時に
行う断面構造を形成する上で重要であり、その役割をす
る。安定化材の取付方法として、特開昭58−25015号超
電導中空導体の製造方法、特開60−136109号超電導性導
体とその製造方法、特開61−183815号アルミ安定化超電
導線の製法等多数提案されている。スパイラル状に取り
付けた被覆層の外径12.5ミリの調整溝ロールを用いて、
スパイラル状の被覆層が損傷しない圧延方式を採用して
全断面に加工応力が一応に強制的に加わる縮径加工を行
った。溝ロール経を順次替えながら1、0ミリまで縮経加
工を行った。完成した無接続線材の仕上がり線材長は約
370メートルに達した。絶縁被覆層は耐熱クロス材を用
いた。巻き径50ミリ軸長100ミリに20層巻回したコイル
を、本体コイルとした。この本体コイルと同一線材の一
部にヒータ線を巻き、そのヒータ線を巻き付けた部分を
中心に無誘導巻きの小コイルを巻回し、無接続永久電流
回路を構成した。この小コイルは、熱式永久電流スイッ
チとして使用する。２個のコイル巻線を完了し組合わせ
て固定した後、超電導層生成の最適化熱処理をアルゴン
雰囲気の炉で行った。その後、コイル全体を真空含浸を
行った。給電用端子を本体コイルの巻きはじめ側と巻き
終わり側の両端に取り付け、小コイルは熱式永久電流ス
イッチがON、OFF動作する。OFFにした時、本体コイル側
へ電流が良く流れる回路に組み立てた。コイルに流れる
電流値を直接測定する素子は、減衰を早めるので使用不
可能である。そこでポール素子の電圧の変化量を測定す
る方法を用いることにした。電流値の減衰は、本体コイ
ルの中心に市販品の校正済みポール素子を取り付け、発
生する磁場の変化量を時間経過と伴に減衰する量で評価
した。コイル全体を液体ヘリウムに浸し、微少電流をコ
イルに流し超電導状態になったことを電圧端子で確認し
た。ヒーターを巻き込んだ小コイル永久電流スイッチに
電流を流し、Nb-Ti合金線の転移温度以上15Ｋまで加熱
しOFF回路を確認した。このOFF状態で本体コイルの両端
電極へ、電源からの通電を開始した。電流を320Aまで通
電し15分間流し続ずけ5、5Tの発生磁場を確認した後、2
Tを目標に120Aまで電流を低下させた。小コイルの永久
電流スイッチ電流を遮断した。本体コイルと小コイルを
含めた永久電流回路に電流が流れ始め15分経過後、ポー
ル素子の電圧は、2、1Ｔの値を示した。その状態で電源
からの通電を遮断し、無接続永久電流回路から電源回路
を切り放し、並列回路となる部分を完全に無くした状態
で性能を測定する。この切り離しの時、本の僅か減衰傾
向が発生した。永久電流値をポール素子で測定を開始し
た。７日間16８時間、1０日間240時間、3０日間72０時
間の連続運転を行ったが、減衰する傾向は全く見受けら
れなかった。無接続超電導線材のコイル性能が確認でき
た。

【００３３】

【発明の効果】超電導線材同士の接続部は、必ず有限抵
抗が発生し装置の性能が低下する。さらに、磁場を受け
ると電気的な抵抗が増大し、永久電流回路に流れる電流
が減衰する特有の性質がある。接続部のない超電導線
は、電流の低下が少なく優れた性能をそのまま磁場中に
適用できる優れた効果があり、高磁界中でのコイルの組
み合わせ等コイルの配置構成が簡単になる等優れた効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の無接続超電導コイルの構造を示す図で
ある。

【図２】本発明の無接続超電導線材を用いた巻線構造を
示す図である。

【図３】現在使用中の超電導多芯線を示す図である。

【図４】本発明の無接続超電導コイル用線材の製造方法
を示す図である。

【図５】本発明の無接続超電導線材の初期加工方法を示
す図である。

【図６】本発明の無接続超電導線材の細線化方法を示す
図である。

【図７】本発明の無接続超電導線材の長尺細線の加工方
法を示す図である。

【図８】本発明の無接続超電導線材の安定化被覆材取り
付け方法を示す図である。

【図９】本発明の無接続超電導線材の安定化被覆材取り
付け製造方法を示す図である。

【符号の説明】

１…無接続超電導線材、1A…一体化加工被覆安定化材、
1−1〜1−ｎ…無接続超電導線の巻き取り終わり部、１
０…現在使用中の超電導線材、1L…無接続超電導線材の
巻き線調整部、A…無接続超電導線の巻取り始め部、B…
無接続超電導線のコイル巻き始め部、C…コイルボビ
ン、G1〜Gn…無接続超電導線材の長さ調節用ロール、HA
…ヒータ、HＬ…温度センサー、H〜Hn…無接続超電導線
材の巻き上げ装置、K…無接続超電導線材の巻き上げ装
置KL1、KL2、KL3、KLn…線材長調整滑車、KR…巻取り調
整機、P…パイプ安定化材、PL1、PL2…電極、R1〜Rn…
加工成形ロール、S1…超電導コイル、S2…ヒータ内蔵超
電導コイル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者和田山芳英茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者岡田道哉茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者福島敬二茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 5G321 AA00 BA03 CA08 CA09 CA41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気伝導性に優れた安定化金属の内部に
超電導材料が配置された単芯線が複数回巻回されて一体
化した断面構造で、かつ線材長手方向において端部が存
在しないエンドレス構造を有することを特徴とする超電
導線材。
【請求項２】電気伝導性に優れた安定化金属の内部に
超電導材料が配置された単芯あるいはこれらが多数本配
置された複合多芯構造を有し、かつ線材長手方向に１個
所の接続部を有するエンドレス構造を特徴とする超電導
線材。
【請求項３】絶縁被覆層のない超電導線材の安定化母
材中に、超電導素材（素線）が配置された超電導線材と
前記超電導線材を複数回リング状に巻回成形する機構と
リング状に巻回した複合超電導線材へ安定化材を取り付
ける機構を持つ装置と、断面を縮経加工を行う装置を特
徴とした超電導線材の製造方法。
【請求項４】請求項１項において超電導線材を複数回
リング状に巻回成形する機構とリング状に巻回した複合
超電導線材の先端と後端部を接合することを特徴とした
超電導線材の製造方法。
【請求項５】請求項１〜４項記載のエンドレス超電導
線材が巻線されたコイルが使用される磁気共鳴イメージ
ング装置や核磁気分析装置等の永久電流型超電導マグネ
ットシステム。