JP2007324615A

JP2007324615A - コイル用巻き枠及びコイル

Info

Publication number: JP2007324615A
Application number: JP2007191350A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ishizuka; 正之石塚
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】本発明は超電導コイルに用いて好適なコイル用巻き枠及びコイルに関し、信頼性及びコイル特性の向上を図ることを課題とする。
【解決手段】円筒状部３２とフランジ部３３とにより構成される巻き枠本体１５Ａに、前記円筒状部３２を芯とし、前記フランジ部３３を側壁とする巻き線巻回部２４が形成されたコイル用巻き枠において、前記円筒状部３２とフランジ部３３とを別部材とする。
【選択図】図６

Description

本発明はコイル用巻き枠及びコイルに係り、特に超電導コイルに用いて好適なコイル用巻き枠及びコイルに関する。

一般に、ワインド・アンド・リアクト法（巻き線をコイル用巻き枠に巻回した後、樹脂含浸させて固定してコイルとする方法）を用いて酸化物超電導コイルを製造する場合、超電導組成を形成させるため、巻き線をコイル用巻き枠に巻回した後、800〜900℃の熱処理を実施している。この際、コイル用巻き枠も巻き線（線材）と一緒に熱処理するため、コイル用巻き枠はこの熱処理に耐えうる材料とする必要がある。具体的には、熱処理に耐えうるコイル用巻き枠の材料としては、例えばアルミナ、ジルコニア、マグネシア等のファインセラミックが挙げられる（特許文献１〜３参照）。
しかしながら、これらセラミックは加工性が悪く、コストも高く、接合はほとんど不可能であるため実用上問題がある。また、加工可能なマシナブルセラミックがあるが、これは加工可能ではあるが脆いため加工精度は悪く、更にコストも高いため、本材料も実用上問題がある。

また、ファインセラミック、マシナブルセラミックはサーマルショックに弱いため、製造されたコイルを超電導状態とするために冷却する冷却過程において、コイル巻き枠に亀裂を生じてしまうことが多々あった。更に、上記のようにセラミックを使用する場合、ＳｉＯ２成分が多いと焼成中に酸化物超電導材と反応し超電導特性を劣化させるおそれがある。このため、ＳｉＯ２成分を押さえた純度の高いセラミック材料が要求されるという問題点もあった。

尚、本明細書の説明において、ファインセラミックとセラミックは同じ意味で用いており、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、窒化珪素、窒化アルミ等のセラミックを指している。一般にセラミックと言う場合、成形、焼成等の工程を経て得られる非金属無機材料を指し、陶磁器、セメント、ガラス等もこれに含まれる。

一方、商業ベースとなっている金属系超電導体として、Ｎｂ_３Ｓｎが知られている。このＮｂ_３Ｓｎよりなる巻き線は、Ｎｂ_３Ｓｎ線材に絶縁材としてのガラスを被覆した構成とされている。このＮｂ_３Ｓｎよりなる巻き線（以下、Ｎｂ_３Ｓｎ巻き線という）を用いて超電導コイルを製造するには、ステンレス製のコイル用巻き枠（以下、単に巻き枠という）にＮｂ_３Ｓｎ巻き線を巻回し、500〜700℃にて熱処理を行い超電導化している。

図８及び図９は、超電導コイルに用いるステンレス製の巻き線枠４０を示している。図８は巻き線枠４０の斜視図であり、図９はその断面図である。図８に示すように、巻き線枠４０は、円筒状部４２の上下端部にフランジ部４３を配設した構成とされている。Ｎｂ_３Ｓｎ巻き線（図示せず）は、この円筒状部４２に巻回される。

この際、ステンレスは導電性を有しているため、ステンレス製の巻き線枠４０とＮｂ_３Ｓｎ巻き線との間で電気的絶縁を取る必要がある。このため、巻き線枠４０のＮｂ_３Ｓｎ巻き線が巻回される部分には、熱処理を実施しても変質しない絶縁体（マイカ）４４，４５が配設されている。

マイカ４４は棒状の形状をしており、円筒状部４２の外周を囲うように配設される（図９参照）。また、マイカ４５は円板形状を有しており，フランジ部４３に配設される。このマイカ４４，４５は、ステンレスに接着できない。このため、マイカ４４，４５は、Ｎｂ３Ｓｎ巻き線を巻き線枠４０に巻回するときに、Ｎｂ_３Ｓｎ巻き線と円筒状部４２との間、及びＮｂ_３Ｓｎ巻き線とフランジ部４３の間に挟み込むようにして配設される構成とされていた。
特開昭５５−１４６９１０号公報特開平０１−１００９０１号公報特開平０５−２２６１４２号公報

しかしながら、上記のようにマイカ４４，４５を巻き線枠４０に配設する構成では、Ｎｂ_３Ｓｎ巻き線を巻き線枠４０に巻回する処理が面倒であるという問題点があった。

また、巻き線枠４０が複雑な形状であったり、また精度が要求される形状であったりする場合には、これにマイカ４４，４５を配設するのが困難で、巻き線枠４０とＮｂ_３Ｓｎ巻き線との間で十分な絶縁をとることができないという問題点があった。

更に、マイカ４４を配設することにより、Ｎｂ_３Ｓｎ巻き線と巻き線枠４０との間に必然的に空間ができるため、超電導コイルとして使用する際に冷却効率が低くなり、十分な超電導特性を得ることができないおそれがあるという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、信頼性及びコイル特性の向上を図り得るコイル用巻き枠及びコイルを提供することを目的とする。

上記の課題は、本発明の第１の観点からは、
円筒状部とフランジ部とにより構成される巻き枠本体に、前記円筒状部を芯とし、前記フランジ部を側壁とする巻き線巻回部が形成されたコイル用巻き枠において、
前記円筒状部とフランジ部とを別部材としたことを特徴とするコイル用巻き枠により解決いることができる。

また上記の課題は、本発明の他の観点からは、
請求項１記載のコイル用巻き枠と、
該コイル用巻き枠の巻き線巻回部に巻回された巻き線とにより構成されたことを特徴とするコイルにより解決することができる。

また、上記発明において、前記巻き線を酸化物超電導線としてもよい。

本発明によれば、円筒状部とフランジ部とを別部材としたことにより、円筒状部材とフランジ部の材質を互いに異ならせることが可能となり、コイル用巻き枠の設計の自由度を向上させることができる。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の前提となる第１参考例である超電導コイル１Ａが設けられた冷却機冷却型超電導マグネット装置を示している。尚、以下の説明において、本発明を超電導コイルに適用した例について説明するが、本発明の適用は超電導コイルに限定さるものではなく、高温環境（例えば500〜900℃）で製造或いは使用されるコイルに広く適用できるものである。

図１に示す冷却機冷却型超電導マグネット装置は、真空容器３０内に２個の超電導コイル１Ａを上下に離間して配置した構成とされている。この超電導コイル１Ａは、２段式ＧＭ冷凍機３からの固体熱伝導のみで冷却する構成とされている。

真空容器３０内に設置される超電導コイル１Ａは、後に詳述するように巻き線２と巻き枠４Ａとにより構成されている。下部に位置する超電導コイル１Ａは、巻き線２の端部に巻始め電極５Ａと巻終り電極５Ｂとを有している。同様に、上部に位置する超電導コイル１Ａも、巻き線２の端部に巻始め電極６Ａと巻終り電極６Ｂとを有している。

そして、下部に位置する超電導コイル１Ａの巻終り電極５Ｂは、ブスバー（上下接続リード）７を介し、上部に位置する超電導コイル１Ａの巻始め電極６Ａと接続されている。これにより、上部に位置する超電導コイル１Ａと、下部に位置する超電導コイル１Ａは直列に接続された構成となっている。

また、下部に位置する超電導コイル１Ａの巻き枠４Ａは、図示していない支柱に連結された第２熱負荷フランジ８上に固定されている。この第２熱負荷フランジ８は、ＧＭ冷凍機３の第２段冷却ステージ３Ｂに伝熱体９で連結されている。従って、下部に位置する超電導コイル１Ａは、第２熱負荷フランジ８上に配設されている巻き枠４Ａからの伝熱で冷却される。

一方、上部に位置する超電導コイル１Ａの巻き枠４Ａは、下部に位置する超電導コイル１Ａの巻き枠４Ａと熱的に連結されている。このため、上部に位置する超電導コイル１Ａも、下部に位置する超電導コイル１Ａの巻き枠４Ａを介してＧＭ冷凍機３と接続された第２熱負荷フランジ８に熱的に接続されている。これにより、上部に位置する超電導コイル１Ａも冷却が行われる構成となっている。更に、上部に位置する超電導コイル１Ａの上部には放熱板２１が設けられており、この放熱板２１によっても放熱が行われるよう構成されている。

また、上部に位置する超電導コイル１Ａの巻終り電極６Ｂ、及び下部に位置する超電導コイル１Ａの巻始め電極５Ａは、酸化物超電導電流リード１０を介してそれぞれ電源に接続されている。この酸化物超電導電流リード１０は、上部に低温側電極１０Ａが設けられると共に、下部に高温側電極１０Ｂが設けられている。

低温側電極１０Ａは、前記した第２熱負荷フランジ８とは電気的に絶縁されているが、熱的には第２熱負荷フランジ８と接続され冷却される。この低温側電極１０Ａは、ブスバー７を介して上部に位置する超電導コイル１Ａの巻終り電極６Ｂに電気的に接続されている。

高温側電極１０Ｂは、第１熱負荷フランジ１１に銅網線１２，銅製電流リード１３，絶縁板１４を介して熱的に接続されている。しかしながら、高温側電極１０Ｂは、これらの各部材１２〜１４と電気的には絶縁された構成とされている。
一方、図中Ｔで示すのは冷凍機３の第１段冷却ステージ３Ａと第１熱負荷フランジ１１との伝熱体であり、また１６は真空シール電流導入端子である。また、図示していないが、下部に位置する超電導コイル１Ａの巻始め電極５Ａにも上記酸化物超電導電流リード１０を介して上記接続手段と同様な手段で電源に接続されている。更に、図中１７は熱シールド板、１８は真空容器主フランジ、１９は架台、２０は磁場空間である。

次に、超電導コイル１Ａの詳細について説明する。尚、上部に位置する超電導コイル１Ａと下部に位置する超電導コイル１Ａは同一構成であるため、上部に位置する超電導コイル１Ａについて説明するものとする。

図２は、上部に位置する超電導コイル１Ａを示す断面図である。前記したように、超電導コイル１Ａは大略すると巻き線２と巻き枠４Ａとにより構成されている。また、上部に位置する超電導コイル１Ａでは、巻き枠４Ａの上部に放熱板２１が配設されている。

巻き線２は、図３に断面を拡大して示すように、超電導材料であるＮｂ_３Ｓｎよりなる線材２６と、この線材２６を被服し絶縁する被覆材２７とにより構成されている。この被覆材２７としては、例えばガラス材を用いることができる。

巻き枠４Ａは、巻き枠本体１５Ａとセラミック層２５とにより構成されている。

巻き枠本体１５Ａは非磁性金属材よりなり、円筒状部２２とフランジ部２３とにより構成されている。本参考例では、巻き枠本体１５Ａの材質となる非磁性金属材として非磁性ステンレスを用いており、また円筒状部２２とフランジ部２３とを一体的に形成した構成とされている。

このように、巻き枠本体１５Ａを非磁性ステンレス等の非磁性金属材により形成したことにより、従来のようにセラミックにより巻く枠本体を形成する構成に比べ、加工性良く巻き枠本体１５Ａを形成することができる。従って、円筒状部２２とフランジ部２３とを一体化した形状であっても、巻き枠本体１５Ａを容易に形成することができる。

上記のように、巻き枠本体１５Ａは２２とフランジ部２３を有している。円筒状部２２は円筒形状を有しており、フランジ部２３は円盤形状とされている。そして、フランジ部２３は、円筒状部２２の両端部に配設される。これにより、巻き枠本体１５Ａには、円筒状部２２を芯とし、フランジ部２３を側壁とする巻き線巻回部２４が形成される。巻き線２は、この巻き線巻回部２４内に形成される。

一方、セラミック層２５は、上記構成とされたフランジ部２３と巻き線巻回部２４とにより構成される巻き枠本体１５Ａの表面全面に形成されている。本参考例では、このセラミック層２５としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いている。

また、セラミック層２５は、図４に示すように、溶射ノズル３１を用いて巻き枠本体１５Ａに向けセラミック材２５（アルミナ）をアセチレンガス溶射することにより形成する。この際、巻き枠本体１５Ａの表面を予めショットブラスト加工等の表面処理を施しておくことにより、セラミック層２５の巻き枠本体１５Ａへの密着性を向上させる構成としてもよい。

溶射は、溶射ノズル３１を用いてセラミック層２５をコーティングする構成であるため、溶射ノズル３１の向きを変化させることにより種々の形状のものに対しセラミック層２５のコーティングを行なうことができる。このため、巻き枠本体１５Ａが円筒状部２２とフランジ部２３とよりなる複雑な形状であっても、巻き枠本体１５Ａの全外周にセラミック層２５を形成することができる。また、溶射によればセラミック層２５を巻き枠本体１５Ａに均一に形成することができるため、セラミック層２５の形成むらに起因して、巻き枠本体１５Ａと巻き線２との間で短絡が発生することを防止できる。

また、本参考例では、上記のようにセラミック層２５の材質としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いている。しかしながら、この他にもセラミック層２５の材料としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、或いは炭化珪素（ＳｉＣ）を用いることができる。

セラミック層２５としてアルミナ，ジルコニア，マグネシアを用いた場合には、巻き線２として酸化物超電導材料を用いても、この酸化物超電導材料よりなる巻き線２とセラミック層２５との間で反応が発生することを防止できる。また、セラミック層２５としてアルミナ，窒化アルミ，窒化珪素，或いは炭化珪素を用いた場合には、超電導材料として汎用されているＮＢ_３Ｓｎを用いても、この超電導材料よりなる巻き線２とセラミック層２５との間で反応が発生することを防止できる。

また、セラミック層２５は、上記したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、及び炭化珪素（ＳｉＣ）からなる群から選ばれる１種類のみにより形成してもよく、また上記セラミック群か選ばれる２種類以上のセラミックを積層した構成とてもよい。

このようにセラミック層２５を２種類以上のセラミックを積層した構成とした場合には、セラミック層２５の膨張率を徐々に変えることができ、よって巻き枠４Ａの変形及びセラミック層２５の剥離を防止することができる。

また、セラミック層２５は、上記したセラミック群から選ばれる２種類以上のセラミックを混合溶射した構成としてもよい。このようにセラミック層２５を２種類以上のセラミックを混合溶射した場合には、セラミック層２５の性質、特に膨張率を調整することができ、巻き枠４Ａの変形及びセラミック層２５の剥離を防止することができる。

また、セラミック層２５の厚さは、0.1mm〜1.0mmの範囲となるよう形成されている。セラミック層２５の厚さは、溶射時間の管理を行なうことにより、容易に制御することができる。このように、セラミック層２５の厚さを0.1mm〜1.0mmと薄く形成することにより、巻き枠本体１５Ａに巻回する巻き線２のターン数（巻き線密度）を増大することができる。これにより、超電導コイル１Ａの小型化を図りつつ、かつ発生磁力の増大を図ることができる。

ここで、セラミック層２５の厚さの下限を0.1mmとしたのは、セラミック層２５の厚さが0.1mm未満となると、溶射によりセラミック層２５を均一の厚さで形成することが困難となり、巻き枠本体１５Ａに部分的に露出した部位が発生するおそれがあるからである。また、セラミック層２５の厚さの上限を1.0mmとしたのは、セラミック層２５の厚さが1.0mmを超えると、巻き線密度を上げられず（即ち、巻き線２の巻回ターン数が少なくなり）、コイル特性が低下してしまう。また、セラミック層２５が1.0mmを超える厚さであると、巻き枠本体１５Ａとの熱膨張差によりセラミック層２５に亀裂が生じたり、巻き枠本体１５Ａから剥離したりするおそれがあるからである。

上記のように巻き枠本体１５Ａにセラミック層２５を形成することにより、非磁性ステンレス（電導性を有する）は、絶縁性を有したセラミック層２５により電気的に絶縁される。また、セラミック（本参考例の場合は、アルミナ）は耐熱性が高いため、高温環境下に置かれたとしても剥離したり変質したりするようなことはない。よって、高温環境下においても、巻き枠本体１５Ａと巻回された巻き線２を確実に絶縁することができる。

本発明者は、非磁性ステンレスよりなる巻き枠本体１５Ａにアセチレンガス溶射によりアルミナを0.3mmの厚さで均一にコーティングし、その後に巻き線巻回部２４に酸化物超電導線材（Ｂｉ2212）を巻回し超電導コイル１Ａを形成し、これを約900℃の焼成温度で熱処理する実験を行った。

その結果、巻き枠本体１５Ａとセラミック層２５との間に剥離は発生しておらず、またセラミック層２５に亀裂等の欠陥も見つからなかった。更に、冷却時の亀裂，剥離等を確認するため、焼成処理した超電導コイル１Ａを液体窒素に浸漬したところ、変化は見られなかった。また、コイル特性としては、短尺線と略同等の臨海電流密度を得ることができ、セラミック層２５をコーティングした巻き枠４Ａは超電導特性に影響がないことが証明された。よって、本参考例に係る巻き枠４Ａを用いることにより、超電導コイル１Ａの信頼性を向上させることができる。
尚、参考のために、セラミック層２５を形成しない巻き枠本体１５Ａを上記と同温度で熱処理したところ、表面は酸化により真っ黒となった。また、セラミック層を形成する他の方法として、ディップ法により巻き枠本体１５Ａにアルミナ（セラミック層）をコーティングする実験を行った。そして、ディップ法によりアルミナをコーティングした超電導コイル１Ａを上記と同温度で熱処理したところ、溶射によりセラミック層２５を形成する場合に比べ、剥離，亀裂が発生する確率が高く、また液体窒素による冷却処理においても同様の結果がでた。よって、以上の結果より、セラミック層２５の形成方法としては、溶射を用いることが望ましい。

一方、本参考例に係る超電導コイル１Ａは、巻き枠４Ａの上部に放熱板２１を設けた構成としている。この放熱板２１は例えば銅板であり、熱伝導部材２８を用いて接合されている。この放熱板２１は巻き枠４Ａに対して熱膨張率が高いため、放熱板２１を巻き枠４Ａに強固に固定しても、この固定位置において応力や変形が発生してしまう。

そこで本参考例では、放熱板２１と巻き枠４Ａとを熱的に接続する熱伝導部材２８として、アピエゾングリース（低融点グリース）を用いている。これにより、放熱板２１と巻き枠４Ａとの間に熱膨張差があっても、変形や応力が発生することなく超電導コイル１Ａの熱を効率よく放熱板２１から放熱することが可能となる。

尚、この熱伝導部材２８は、上記したアピエゾングリース（低融点グリース）に限定するものではなく、液状或いは塑性変形しやすいもので、かつ熱伝導性の良好なものであれば、他のグリースを用いても、また金属シート（例えば、インジウムシート）を用いることも可能である。

次に、第２参考例について説明する。

図５は、第２参考例である超電導コイル１Ｂを示している。尚、図５において、図１乃至図４に示した構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。また、後述に図６及び図７を用いて説明する第３実施例においても同様とする。

前記した第１参考例では、セラミック層２５を巻き枠本体１５Ａの表面上に直接コーティングする構成としていた。これに対して本参考例に係る超電導コイル１Ｂでは、巻き枠本体１５Ａの外周表面に先ず中間層２９を形成し、この中間層２９の上部にセラミック層２５を形成したことを特徴とするものである。即ち、本参考例に係る超電導コイル１Ｂは、巻き枠本体１５Ａとセラミック層２５との間に中間層２９を配設したことを特徴とするものである。

この中間層２９は、巻き枠本体１５Ａとセラミック層２５との密着性を向上させる機能を奏するものであり、具体的にはコバール（Ｎｉ29%−Ｃｏ17%−Ｆｅ54%）を用いることができる。尚、この中間層２９の材質は、巻き枠本体１５Ａとなる金属と、セラミック層２５となるセラミック材の中間的な物理特性（熱膨張率，機械的強度等）を有するものであれば、他の材質を用いることも可能である。

本参考例のように、巻き枠本体１５Ａとセラミック層２５との間に両者の密着性を向上する中間層２９を形成したことにより、セラミック層２５が巻き枠本体１５Ａから剥離することを防止できる。これにより、巻き線２と巻き枠本体１５Ａとの間で短絡が発生することをより確実に防止でき、超電導コイル１Ｂの信頼性を更に向上させることができる。

次に、本発明の一実施例について説明する。

図６及び図７は、本実施例である超電導コイル１Ｃ及びこれに用いる巻き枠４Ｃを示している。前記した各参考例に係る超電導コイル１Ａ，１Ｂでは、円筒状部２２とフランジ部２３は一体的な構成とされていた。これに対して本実施例に係る超電導コイル１Ｃでは、巻き枠本体１５Ａを構成する円筒状部材３２（第１の部材）とフランジ部材３３（第２の部材）とを別部材としたことを特徴とするものである。

このように、巻き枠４Ｃを別部材とされた円筒状部材３２とフランジ部材３３とにより構成したことにより、巻き枠４Ｃの設計の自由度を向上させることができる。例えば、円筒状部材３２とフランジ部材３３の材質を互いに異ならせることが可能となり、またセラミック層２５の形成位置を円筒状部材３２とフランジ部材３３に選択的に形成することも可能となる。

また、本発明の適用は超電導コイルに限定されるものではなく、例えば高温環境下で使用されるコイルにも適用できるものである。具体的には、高炉の近傍で使用されるマグネットリフティング用のコイルに適用することが考えられる。

図１は、本発明の第１参考例であるコイルが設けられた冷却機冷却型超電導マグネット装置を示す構成図である。図２は、本発明の第１参考例であるコイルを示す断面図である。図３は、コイルに巻回される巻き線の断面図である。図４は、巻き枠にセラミック材を溶射する処理を示す図である。図５は、本発明の第２参考例であるコイルを示す断面図である。図６は、本発明の一実施例であるコイルを示す断面図である。図７は、本発明の一実施例であるコイルを構成する巻き枠の分解斜視図である。図８は、従来の一例であるコイルを構成する巻き枠の斜視図である。図９は、図８に示す巻き枠の断面図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｃ超電導コイル
２巻き線
３ＧＭ冷凍機
４Ａ〜４Ｃ巻き枠
１５Ａ巻き枠本体
２１放熱板
２２円筒状部
２３フランジ部
２４巻き線巻回部
２５セラミック層
２５ａセラミック材
２６線材
２７被覆材
２８熱伝導部材
２９中間層
３０真空容器
３１溶射ノズル
３２円筒状部材
３３フランジ部材

Claims

円筒状部とフランジ部とにより構成される巻き枠本体に、前記円筒状部を芯とし、前記フランジ部を側壁とする巻き線巻回部が形成されたコイル用巻き枠において、
前記円筒状部とフランジ部とを別部材としたことを特徴とするコイル用巻き枠。
請求項１記載のコイル用巻き枠と、
該コイル用巻き枠の巻き線巻回部に巻回された巻き線と、
により構成されたことを特徴とするコイル。
請求項２記載のコイルにおいて、
前記巻き線を酸化物超電導線としたことを特徴とするコイル。