JP2003500851A

JP2003500851A - 超電導コイル

Info

Publication number: JP2003500851A
Application number: JP2000620642A
Authority: JP
Inventors: ディヴィッドトーマスライアン; マーティンノーマンウィルソン
Original assignee: オックスフォードインストルメンツスーパーコンダクティヴィティリミテッド
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2003-01-07
Also published as: EP1185988B1; DE60022501D1; US6806432B1; AU4599600A; GB9911680D0; EP1185988A2; WO2000072335A3; ATE304212T1; DE60022501T2; WO2000072335A2

Abstract

(57)【要約】超電導コイルとして使用するためのコイル（１４）を熱処理する方法。コイル（１４）は、炉内で加熱され、炉の温度は所定の加熱サイクルを遂行するように制御される。加熱サイクルの少なくとも一部分の間にコイル（１４）に通電し、抵抗加熱によってコイルを更に加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、超電導コイルとして使用するためのコイル、特定的には超電導磁石
に使用するために“巻いてから反応”（ワインド・アンド・リアクト）プロセス
によって製造されるコイルの熱処理に関する。本発明は、更に、このような熱処
理を受けるのに適する超電導コイルとして使用するためのコイルに関する。

【０００２】（従来の技術） “巻いてから反応”プロセスは、完全に反応した状態でコイルに巻くと破砕し
てしまう程脆い超電導材料に屡々用いられる技術である。この種の問題を回避す
るために、先ず、未反応状態にある、従って材料が延性である間に超電導ワイヤ
ーまたはコイル材料をコイルに巻く。次いで、反応熱処理を行って超電導材料内
に所望の反応を生じさせる。

【０００３】ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（Ｂ２２１２）のような材
料製の“巻いてから反応”コイルにおいて一般的に発生する問題は、超電導コイ
ル材料の臨界電流が、同一コイル材料を短いサンプルの形状で熱処理した場合に
比して、コイルにおける方が実質的に小さいことである。これは、コイルの体積
を通る熱の拡散、及び酸素の拡散が関係する問題によって生じる。

【０００４】コイルを通る熱の拡散に伴う問題を以下に説明する。図１は、Ｂ２２１２の溶
融処理の場合の典型的な反応熱処理サイクルを示している。この処理は、純粋な
酸素または酸素／窒素混合体の雰囲気内で遂行される。プロセスの第１段階１で
は数時間にわたって、Ｂ２２１２を溶融させるのに丁度十分なレベルまで温度を
上昇させる。図２に詳細を示すように、第２段階２において数分間にわたって温
度を実質的に溶融温度に維持し、その後の第３段階３において温度を約30℃だけ
低下させる。第４段階４は極めてゆっくりとした降下であって材料をアニールす
るのに役立ち、その後の第５段階５において温度を周囲温度まで急速に低下させ
る。

【０００５】超電導特性を最適化するためには、この熱処理を精密に制御することが不可欠
である。詳述すれば、１℃の精度で約885℃のピーク溶融温度を保持しなければ
ならない。更に、溶融時間を精密に数分に制御することが重要である。

【０００６】短い導体サンプルの場合には、これらの条件を、炉内で精密に制御された温度
プロファイルで得ることは容易である。しかしながら、コイルの場合には、コイ
ルの外側から内側へ熱が拡散するのに有限の時間を要するので、巻線内の温度は
均一ではない。

【０００７】図２は小さい実験用コイルを用いて測定した、溶融シーケンスの第１、第２、
及び第３段階１、２、３における内側と外側の温度を示している。コイルの内側
の温度がコイルの外側の温度よりも遅れ、ピーク温度が２−３℃低いことが分か
る。ピーク温度における時間も、外側領域よりも内側領域の方が実質的に短い。
そのため、もしコイルの外側領域に最適の処理が得られるように炉のプロファイ
ルをセットすれば、内側領域にとっては最適ではなくなり、その逆もまた真であ
る。

【０００８】これらの結果は、ほんの数ｍｍ厚の小さいコイルで得られたものである。これ
は、熱拡散時間が最小寸法の自乗に比例するという公知の拡散理論の結果である
。例えば、３倍の厚みのコイルの場合には熱拡散時間は９倍長くなり、内側温度
と外側温度との差は20℃よりも大きくなる。

【０００９】（発明の概要）本発明の第１の面によれば、超電導コイルとして使用するためのコイルの熱処
理方法が提供され、本方法は、所定の加熱サイクルを遂行するように温度制御さ
れている炉内でコイルを加熱するステップと、上記加熱サイクルの少なくとも一
部分の間にコイルに通電し、抵抗加熱によって上記コイルを更に加熱するステッ
プとを含む。

【００１０】従って、本発明の第１の面は、コイルを通る熱伝達の問題を電気加熱ブースト
によって相殺する方法を提供している。コイル内の全ての巻回を相互に絶縁する
と、電気ブーストは、単にコイル材料に通電するだけで達成することができる。

【００１１】典型的には、所定の加熱サイクルは、コイルの温度を第１の所定の温度まで増加させる第１の加熱部分と、コイルの温度を上記第１の所定の温度に維持する第２の部分と、コイルの温度を第２の所定の温度まで減少させる第３の冷却部分と、コイルの温度を第３の所定の温度まで減少させる第４の冷却部分と、コイルを加熱せず、冷却を可能にする第５の冷却部分と、を含む。

【００１２】しかしながら、コイル材料、コイル形態、及び他の要因に依存して、他の適当
な加熱サイクルを使用できることは理解されよう。

【００１３】上述した加熱サイクルを使用する場合、本方法は典型的に、加熱サイクルの少
なくとも第１の加熱部分中にコイルに通電することを含む。これにより、最大温
度に到達する際のコイルを通る貧弱な熱伝達の効果を最小にすることができる。

【００１４】好ましくは、本方法は更に、コイルの内面をコイルの外面と実質的に同一の温
度に維持するように電流を制御するステップを含む。

【００１５】この場合、これは次の式に従って電流を制御することによって達成することが
できる。 γＣ・ｄθ／ｄｔ＝Ｊ²ρ 但し、γ＝コイル材料の平均密度、Ｃ＝コイル材料の平均比熱、ｄθ／ｄｔ＝要求される温度の変化レート、Ｊ＝コイル材料内の平均電流密度、 ρ＝コイル材料の平均固有抵抗である。

【００１６】典型的には、所定の加熱サイクルは純粋な酸素、または酸素／窒素混合体の雰
囲気内で遂行される。

【００１７】図１に示す熱処理サイクル中の酸素拡散が関係している問題を説明すれば、超
電導材料内に化学変化が起こって酸素を発生させるか、または吸収する。従って
、コイル全体を通しての酸素の濃度の変化が、熱処理の有効性に変化を生じさせ
得る。

【００１８】別の効果は、もし酸素の分圧が低下するとＢ２２１２の融点が低下することに
よってもたらされる。従って、密に巻かれたコイルの場合、酸素が吸収される時
間中に、コイルの最も内側の領域内の酸素の分圧が低下する恐れがある。この低
下は、Ｂ２２１２の融点を引き下げ、それによって２つの望ましくない効果が発
生する。即ち、ａ）最大温度は、最良超電導特性にとって最適ではなくなる。ｂ）Ｂ２２１２はより完全に溶融し、従ってその銀のシースから漏洩してコイルの巻回を短絡させる可能性が高くなる（溶融処理されたコイルの公知の問題）。

【００１９】本発明の第２の面によれば、超電導コイルとして使用するためのコイルが提供
され、このコイルは、酸化雰囲気内で熱処理プロセスを受けるのに適している。
このコイルは、コイルの層間に散在させた絶縁材料の層を含み、この絶縁材料は
酸化雰囲気がコイルを通して拡散できるように配列されたファイバマットからな
っている。

【００２０】本発明の第２の面は、加熱処理中に巻線を通して酸素が自由に循環できるよう
にコイルを構成することによって、コイルを通る酸素の貧弱な拡散に伴う問題を
解消する。この循環は、酸素がコイルの両端から中心内へ容易に拡散できるよう
に、コイルの各層間の絶縁を多孔性にすることによって達成される。

【００２１】典型的には、ファイバマットはティッシュペーパー層を含み、これらの層には
複数の離間した、実質的に平行なファイバが糊付けされている。平行な離間した
ファイバを使用すると、コイル間にチャンネルが形成されてコイルを通る酸素の
流れが高まるようになる。好ましくは、コイルは、ファイバマットのファイバが
コイルの軸と実質的に整列するように構成する。このようにすると、上述したチ
ャンネルが形成されるだけではなく、チャンネルをコイルの端において終端させ
るようになる。これは、コイル内へ浸透するようにチャンネルの端内へ酸素を流
すことを可能にしながら、コイルの隣接する層を接触させないようにする。

【００２２】典型的には、ファイバはセラミックまたは耐熱酸化物で形成される。適当な材
料の例は、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムを含み、これらはNextel^TM のようなファイバの形状で製造されている。しかしながら、酸化雰囲気内で高温
に耐えることができるどのような材料も使用することができる。但し、これらは
反応中にコイル材料と化学的に反応してはならない。

【００２３】本発明の第３の面によれば、上述したコイル内に使用するためのファイバマッ
トを製造する方法が提供され、本方法は、ティッシュペーパーの管をフォーマーの周囲に形成させるステップと、ファイバの単層らせんをティッシュペーパーの管に固定するステップと、ティッシュペーパーを管軸に平行に切断し、ファイバマットを形成するステッ
プと、を含む。

【００２４】この構造により、超電導コイル内に使用するのに適するファイバマットを、容
易に且つ安価に製造することができる。

【００２５】典型的には、ファイバはティッシュペーパーに糊付けされるが、他の形状の固
定方法も使用することができる。

【００２６】本発明の第２の面によるコイルは、本発明の第１の面の方法を使用して容易に
熱処理できることが理解されよう。

【００２７】この場合、所定の加熱サイクルによってティッシュペーパーは焼失し、有利な
ことにはファイバが残されて超電導コイルの層を絶縁する。

【００２８】典型的には、もしペーパーを焼失させるのであれば、温度を実質的に一定に維
持する時間を含むように第１の加熱部分を変更し、それによってペーパーを完全
に除去するようにする。

【００２９】明らかに、本発明は、得られる超電導コイルの性能を実質的に改善する絶縁技
術及び熱処理プロセスを改良している。本発明は、主として、銀及び高温超電導
材料（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物Ｂ２２１２）から“管
内粉末”プロセスによって作られる超電導コイル材料と共に使用するように意図
しているが、反応熱処理を必要とする他の超電導材料と共に使用することもでき
る。

【００３０】以下に添付図面を参照して本発明の例を説明する。

【００３１】（実施の形態）本発明の第１の面の例では、超電導コイルの熱処理は、図１及び２に関して説
明した従来技術における熱処理と実質的に同一である。しかしながら、従来技術
とは異なり、熱処理プロセス中にコイルに電流を印加する。

【００３２】この場合、炉の加熱サイクルは、コイルの外側領域に理想化された温度を維持
するように制御される。コイル材料が抵抗性（クエンチされた）状態で電流を流
すと、コイルを通って流れる電流が熱を生成する。この熱は、加熱サイクルを通
してコイルの内側領域にも所望の温度プロファイルが維持されるように使用され
る。

【００３３】これは、コイルの内側領域と外側領域との間の温度差を０に維持するように電
流を制御することによって達成される。コイル内に０温度勾配を維持するように
加熱電流を制御するものとすれば、炉とコイルの内部との間に熱伝達は存在しな
い。

【００３４】必要な抵抗性加熱電力は、要求される温度の変化レート、及びコイル材料の比
熱から決定することができ、次式によって表すことができる。 γＣ・ｄθ／ｄｔ＝Ｊ²ρ 但し、γ＝コイル材料の平均密度、Ｃ＝コイル材料の平均比熱、ｄθ／ｄｔ＝要求される温度の変化レート、Ｊ＝コイル材料内の平均電流密度、 ρ＝コイル材料の平均固有抵抗である。

【００３５】典型的に要求される温度傾斜レートが約60℃／時であり、約890℃における銀
及びＢ２２１２の特性を使用する場合、要求される電流密度はＪ＝0.7Ａ・ｍｍ^-2 であることを見出した。

【００３６】 0.2ｍｍ×3.0ｍｍの断面を有するコイル材料で形成されているコイルの場合、
これは0.42Ａの電流と等価である。

【００３７】上述したように、炉は、コイルの外面が所望のプロファイルを追随するように
制御される。電流による付加的な加熱効果は、コイルの内側領域に同一温度プロ
ファイルを追随させるだけに使用され、従って、単に上式によって指示される電
流を印加することができる。

【００３８】しかしながら、代替においては、上式によって指定された電流を印加し、コイ
ルの内側または外側領域の何れかを監視する。もしコイルの監視されている部分
が理想的な温度プロファイルからずれれば、それは炉が温度制御されるにつれて
抵抗加熱によってずれがもたらされたのである。従って、もしコイルの温度が所
望温度を超えれば電流を、従って抵抗加熱の量を減少させるように電流をフィー
ドバックシステムによって制御することができる。同様に、コイルが冷た過ぎれ
ば電流が、従って抵抗加熱の効果が増加される。

【００３９】さらなる代替では、コイルの内側領域及び外側領域の両方の温度を測定する。
抵抗加熱によってもたらされる加熱効果は、コイルの内側領域がコイルの外側領
域の温度プロファイルに追随するように使用される。従って、もしコイルの内側
領域が外側領域よりも冷たければ、電流の流れを増加させて加熱効果を増加させ
る。同様に、もしコイルの内側領域が外側領域よりも熱ければ、電流の流れを減
少させ、従って加熱効果を減少させる。

【００４０】当分野に精通していれば理解できるように、コイル領域の温度は適切に位置決
めした熱電対を使用して測定することができる。

【００４１】電流は、温度がＢ２２１２を溶融させるのに丁度十分なレベルまで温度を上昇
させる加熱処理プロセスの第１段階１の間だけ印加される。第２段階２の始まり
の平坦部に達した時に加熱電流を遮断すると、コイルの温度を炉内の周囲温度と
等化させることができる。第２段階２が完了した後に、コイルは通常の手法で冷
却することが可能になる。

【００４２】第１の加熱期間中の電流加熱動作の結果を図３に示す。この図は、図２に示す
従来の方法によって得られた結果と比較した場合、コイルの内側領域と外側領域
との間の温度差が極めて減少していることを示している。

【００４３】本発明の第２の面の例では、コイルは、コイル材料の層の間に多孔性の絶縁層
を設けてそれ自体を変更している。

【００４４】この例では、多孔性の絶縁層は、コイルの各層間に横たわっているファイバマ
ットの形状である。図４ａ及び４ｂに示すように、ファイバマット１０はコイル
の層（図示してない）の上に横たわっており、セラミックファイバ１１がコイル
軸１２と平行に整列している。セラミックファイバ１１間の間隔１３は、酸素が
コイル材料の層間を自由に通過するようにしている。従って、酸素はコイルの各
端から最も内側の領域の全て内に拡散することができる。ファイバマット１０が
所定の位置に位置決めされると、コイルの次の層１４が追加される。

【００４５】ファイバマット１０は、図５のようにして作ることができる。最初に、極めて
薄いティッシュペーパー２０の層を、滑らかな円筒形金属心棒１の周囲に巻き付
ける。次に、図５に示すように、隣接する巻回の間に若干の間隔２３を残しなが
ら、セラミックファイバ２２の単層らせんをティッシュペーパー２０上に巻く。
ファイバは、薄い糊の層を用いてティッシュペーパーに固定される。最後に、ペ
ーパーを心棒から除去して平らに伸ばすことができるように、図５の線ＡＢに沿
ってペーパー２０及びファイバ２２を切断する。

【００４６】このファイバマット１０は、例えば図４ａ及び４ｂに示すように、コイルの各
層の間の隙間用シートとして使用することができる。加熱処理中に、ティッシュ
ペーパーは完全に焼失する。

【００４７】好ましくは、ティッシュから炭素を完全に除去するように、加熱サイクルの第
１段階１中に700℃乃至800℃の温度の数時間の平坦部を設けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｂ２２１２の溶融処理のための典型的な反応熱処理サイクルのグラフである。

【図２】図１の溶融シーケンス中に小さい実験用コイルで得た内側及び外側の温度の典
型的な測定のグラフである。

【図３】本発明の第１の面により熱処理中の小さい実験用コイルで得た内側及び外側の
温度の典型的な測定のグラフである。

【図４ａ】本発明の第２の面によって形成される超電導コイルの部分切除斜視図である。

【図４ｂ】図４ａの一部分の拡大図である。

【図５】本発明の第３の面によるファイバマットの形成を示す斜視図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ウィルソンマーティンノーマンイギリスオーエックス14 ３エイワイアービンドンロウアーラッドレー 33 ブルックハウス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導コイルとして使用するためのコイルの熱処理方法であ
って、所定の加熱サイクルを遂行するように温度制御されている炉内でコイルを加熱
するステップと、上記加熱サイクルの少なくとも一部分の間に上記コイルに通電し、抵抗加熱に
よって上記コイルを更に加熱するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】上記所定の加熱サイクルは、上記コイルの温度を第１の所定の温度まで増加させる第１の加熱部分と、上記コイルの温度を上記第１の所定の温度に維持する第２の部分と、上記コイルの温度を第２の所定の温度まで減少させる第３の冷却部分と、上記コイルの温度を第３の所定の温度まで減少させる第４の冷却部分と、上記コイルを加熱せず、冷却を可能にする第５の冷却部分と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】上記加熱サイクルの少なくとも第１の加熱部分中に、上記コ
イルに通電するステップを更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】上記コイルの内面を上記コイルの外面と実質的に同一の温度
に維持するように上記電流を制御するステップを更に含むことを特徴とする先行
請求項の何れかに記載の方法。
【請求項５】 γ＝コイル材料の平均密度、Ｃ＝コイル材料の平均比熱、ｄ
θ／ｄｔ＝要求される温度の変化レート、Ｊ＝コイル材料内の平均電流密度、ρ
＝コイル材料の平均固有抵抗として、式 γＣ・ｄθ／ｄｔ＝Ｊ²ρ に従って電流を制御するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法
。
【請求項６】上記所定の加熱サイクルを、純粋な酸素、または酸素／窒素
混合体の雰囲気内で遂行するステップを更に含むことを特徴とする先行請求項の
何れかに記載の方法。
【請求項７】図１乃至３を参照して記述したような、超電導コイルとして
使用するためのコイルを熱処理する方法。
【請求項８】超電導コイルとして使用するためのコイルであって、上記コ
イルは酸化雰囲気内で熱処理プロセスを受けるのに適し、上記コイルは上記コイ
ルの層の間に散在させた絶縁材料の層を含み、上記絶縁材料は上記コイルを通し
て上記酸化雰囲気を拡散可能にするように配列されているファイバマットからな
ることを特徴とするコイル。
【請求項９】上記ファイバマットはティッシュペーパーを含み、複数の離
間した実質的に平行なファイバが上記ティッシュペーパー上に糊付けされている
ことを特徴とする請求項８に記載のコイル。
【請求項１０】上記ファイバは、セラミックまたは耐熱酸化物から形成さ
れていることを特徴とする請求項８及び請求項９に記載のコイル。
【請求項１１】上記コイルは、上記ファイバマットのファイバが上記コイ
ルの軸と実質的に整列するように構成されていることを特徴とする先行請求項の
何れかに記載のコイル。
【請求項１２】図４及び５を参照して記述したような、酸化雰囲気内で熱
処理プロセスを受けるのに適したコイル。
【請求項１３】請求項８乃至１２の何れか記載のコイルを熱処理するため
の、請求項１乃至７の何れかに記載の方法。
【請求項１４】請求項９に従属した時に、上記所定の加熱サイクルが上記
ティッシュペーパを焼失せしめることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】請求項２に従属した時に、上記温度を実質的に一定に維持
する時間を含むように上記第１の加熱部分を変更し、それによって上記ペーパー
を完全に除去するようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】請求項８乃至１２の何れかに記載のコイル内に使用するた
めのファイバマットを製造する方法であって、ティッシュペーパーの管をフォーマーの周囲に形成させるステップと、ファイバの単層らせんを上記ティッシュペーパーの管に固定するステップと、上記ティッシュペーパーを上記管の軸に平行に切断し、ファイバマットを形成
するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】上記ファイバは、上記ティッシュペーパーに糊付けされて
いることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】図５を参照して記述したようにしてファイバマットを製造
する方法。