JP2008016659A - Permanent current switch, its manufacturing apparatus, and method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、永久電流を流して高磁場を形成する超伝導コイルに関連する技術分野において、特に、この永久電流の入切を行う永久電流スイッチ(Persistent Current Switch)に関するものである。 The present invention relates to a technical field related to a superconducting coil that forms a high magnetic field by flowing a permanent current, and more particularly to a persistent current switch for turning on and off the permanent current.
近年、医療機器であるMRI(Magnetic Resonance Imaging)装置において、高精度化を目的として高磁場型の製品の開発が進められている。このような高磁場型のMRI装置にあっては、磁場発生部に超伝導コイルが採用され、高磁場を発生させるために超伝導コイルに大電流を流せるようにすることが命題となっている。 In recent years, high magnetic field type products have been developed for the purpose of high accuracy in MRI (Magnetic Resonance Imaging) apparatuses, which are medical devices. In such a high magnetic field type MRI apparatus, a superconducting coil is employed in the magnetic field generator, and it is a proposition to allow a large current to flow through the superconducting coil in order to generate a high magnetic field. .
ここで、永久電流スイッチとは、そのような超伝導コイルに接続され、コイル内を流れる電流の入切を行うものである。この永久電流スイッチは、コイル状に巻回され超伝導コイルと同じ大電流が流れる超伝導素線と、同じようにコイル状に巻回されたヒータ線と、を構成に含むものである。そして、永久電流スイッチは、超伝導コイルと直列に接続した回路を形成し、共に極低温(4K)の液体ヘリウム内に没するように構成されている。 Here, the permanent current switch is connected to such a superconducting coil and turns on and off the current flowing in the coil. This permanent current switch includes a superconducting element wire wound in a coil shape and carrying the same large current as that of the superconducting coil, and a heater wire similarly wound in a coil shape. The permanent current switch forms a circuit connected in series with the superconducting coil, and both are configured to be immersed in cryogenic (4K) liquid helium.
このように構成される状態で、前記ヒータ線を発熱させなければ、永久電流スイッチは超伝導状態にあり、永久に電流は超伝導コイルに流れることとなる。一方、前記ヒータ線を発熱させれば、永久電流スイッチは常伝導状態に切り替わり、超伝導コイルに流れる電流は遮断されることになる。 In such a state, if the heater wire is not heated, the permanent current switch is in the superconducting state, and the current flows through the superconducting coil permanently. On the other hand, if the heater wire generates heat, the permanent current switch is switched to the normal state, and the current flowing through the superconducting coil is cut off.
ところで、高磁場型のMRIでは、前記したように超伝導コイルのみならず永久電流スイッチにも大電流が流れるため、永久電流スイッチに巻回されている前記超伝導素線は、誘導磁場の影響を受けて移動しないよう強固に固定される必要がある。
そのように永久電流スイッチの超伝導素線を固定する方法として、コイル状に巻回した素線間に樹脂を含浸させる方法がある。この樹脂含浸法によれば、コイル状に巻回した素線間の絶縁も確保することができる。
By the way, in the high magnetic field type MRI, since a large current flows not only in the superconducting coil but also in the permanent current switch as described above, the superconducting wire wound around the permanent current switch is affected by the induced magnetic field. It is necessary to be firmly fixed so as not to move.
As a method for fixing the superconducting wires of the permanent current switch as described above, there is a method of impregnating a resin between the wires wound in a coil shape. According to this resin impregnation method, insulation between the strands wound in a coil shape can be ensured.
ところで、この樹脂含浸法を採用した永久電流スイッチにおいて、含浸させた樹脂内に空間(ボイド)が存在すると、そこから樹脂割れを起こしその破壊エネルギーにより局部的に温度が上昇し、クエンチ(予期しない超伝導から常電導への移行)するきっかけになることが指摘されている。このクエンチが発生すると、液体ヘリウムを瞬時に蒸発させ、MRI装置の内部構造物の損傷を引き起こす原因になる。このため、永久電流スイッチは、超伝導素線を固定する樹脂内に空間(ボイド)が存在し無い構造にする必要がある。 By the way, in the permanent current switch adopting this resin impregnation method, if there is a space (void) in the impregnated resin, the resin cracks from it and the temperature rises locally due to its fracture energy, quenching (unexpected It has been pointed out that this will trigger the transition from superconducting to normal conducting). When this quench occurs, liquid helium is instantly evaporated, causing damage to the internal structure of the MRI apparatus. For this reason, the permanent current switch needs to have a structure in which no space (void) exists in the resin for fixing the superconducting wire.
このように、空間(ボイド)が存在し無いような構造を有する永久電流スイッチ構造を得るための次のような技術が公知となっている。
すなわち、永久電流スイッチの製造方法として、大気圧中で液状樹脂中に永久電流スイッチを没し、0.1mmHg(13Pa)以下に減圧した後、超高圧(300〜600kg/cm2)をかけて液状樹脂を含浸させ、その後で液状樹脂を加熱硬化させる工程を含む技術。そして、永久電流スイッチ構造として、ボビン内側にコイル状のヒータ線を配置し、その上に多層の超伝導素線をコイル状に配置し、各層間に無機繊維(ガラス繊維など)を設け、コイルを上下から挟み込むFRP円筒に液状樹脂が含浸し易いように複数の縦溝を設ける技術、等が公知になっている(例えば、特許文献1)。
That is, as a manufacturing method of the permanent current switch, the permanent current switch is immersed in a liquid resin at atmospheric pressure, depressurized to 0.1 mmHg (13 Pa) or less, and then subjected to ultra high pressure (300 to 600 kg / cm 2 ) to form a liquid. A technique that includes a step of impregnating a resin and then heat-curing the liquid resin. And, as a permanent current switch structure, a coiled heater wire is arranged inside the bobbin, a multilayer superconducting element wire is arranged in a coil shape on it, and inorganic fibers (glass fiber etc.) are provided between each layer, and the coil A technique of providing a plurality of vertical grooves so that a liquid resin can be easily impregnated in an FRP cylinder that sandwiches the resin from above and below is known (for example, Patent Document 1).
しかし、前記した公知技術によれば、液状樹脂を減圧して含浸させる工程において、液状樹脂に溶存する気体がボイドとして新たに大量に発生することとなる。このようにボイドが混合した状態で液状樹脂がコイル間及び無機繊維内に含浸されることとなれば、次に超高圧で圧縮されて体積を減じたとしてもボイドはそのまま永久電流スイッチ内に残留することになる。 However, according to the above-described known technique, in the step of impregnating and impregnating the liquid resin, a large amount of gas dissolved in the liquid resin is newly generated as voids. If the liquid resin is impregnated between the coils and the inorganic fibers in the state where the voids are mixed in this way, the voids remain in the permanent current switch as they are even if the volume is reduced by subsequent compression at an ultrahigh pressure. Will do.
このように樹脂内に残留したボイドは、集合して肥大化すればなおさら、クエンチするリスクが高まることが問題である。さらに、超高圧を付与する設備(第1種圧力容器の法規制有り)が不可欠となれば、設備コストが高くなり、減圧工程から超高圧を付与する工程を、永久電流スイッチの移動を伴うこと無く、連続的に行えない等、製造コストも高くなる問題がある。 If the voids remaining in the resin in this way are aggregated and enlarged, the risk of quenching increases. Furthermore, if facilities that provide ultra-high pressure (there are legal restrictions on type 1 pressure vessels), the equipment cost will increase, and the process of applying ultra-high pressure from the decompression process will involve the movement of a permanent current switch. There is a problem that the manufacturing cost is high, such as being unable to be performed continuously.
さらに、永久電流スイッチの構造にあっては、多層に巻回された超伝導素線の層間に設けられた無機繊維は、液状樹脂を隅々まで行きわたらせるには流動抵抗が非常に大きいため、前記したような超高圧を付与する工程が不可欠である。また、前記したようにして発生したボイドが、この無機繊維を取っ掛かりにして残留し集合すれば、強度低下を引き起こし、前記した樹脂割れの発生が容易になる問題がある。 Furthermore, in the structure of the permanent current switch, the inorganic fibers provided between the layers of the superconducting wires wound in multiple layers have a very high flow resistance to spread the liquid resin to every corner. The step of applying an ultrahigh pressure as described above is indispensable. Further, if the voids generated as described above remain and collect using this inorganic fiber as a handle, there is a problem that the strength is lowered and the above-described resin cracks are easily generated.
本発明は、永久電流スイッチにおいて、ボイドが残留しにくい構造をとるとともに、超高圧を付与する工程を経なくても、樹脂を含浸させることができる技術を提供するものである。 The present invention provides a technique that allows a permanent current switch to have a structure in which voids are unlikely to remain and can be impregnated with a resin without going through a process of applying ultrahigh pressure.
前記した課題を解決するために本発明は、超伝導体に流れる永久電流を制御する永久電流スイッチにおいて、前記超伝導体に接続するとともにボビン本体に巻回する超伝導素線と、前記超伝導素線を加熱して超伝導状態/常伝導状態を切り替えるヒータ線と、前記ボビン本体に巻回する前記超伝導素線又は前記ヒータ線の層間に設けられ複数の細孔を有する仕切壁と、前記細孔並びに前記超伝導素線及びヒータ線の間隙に含浸しこれらを固定する固定層と、を備えることを特徴とする。
発明がこのような構成を有することにより、液体樹脂の含浸時の圧力損失が小さくなる構造を永久電流スイッチが備えることになる。
In order to solve the above problems, the present invention provides a permanent current switch for controlling a permanent current flowing in a superconductor, wherein the superconductor is connected to the superconductor and wound around a bobbin body, and the superconductor A heater wire that heats the strand to switch the superconducting state / normal conducting state; a partition wall that is provided between the superconducting strand wound around the bobbin body or between the heater wires and has a plurality of pores; And a fixing layer that impregnates and fixes the pores and the gap between the superconducting element wire and the heater wire.
When the invention has such a configuration, the permanent current switch has a structure in which the pressure loss at the time of impregnation with the liquid resin is reduced.
本発明によれば、永久電流スイッチ内のボイド残留を回避し、超伝導素線が強固に固定され、クエンチレスな永久電流スイッチが提供される。 According to the present invention, a void remaining in a permanent current switch is avoided, a superconducting element wire is firmly fixed, and a quenchless permanent current switch is provided.
以下、図面を参照して、本発明の永久電流スイッチの実施形態について説明を行う。
図1に示すように、本実施形態に係る永久電流スイッチ10は、フランジ11,11と、ボビン本体20と、コイル部30と、ナット12,12と、スペーサ13,13と、を含んで構成される。なお、図1に示される永久電流スイッチ10は、後記する固定層38が含浸される前状態の永久電流スイッチ10の構成を示し、中心線から右半分はその断面を示している。なお、以下においてこのような「固定層が含浸される前状態の永久電流スイッチ10」のことを「含浸前スイッチ10」のように記載する場合がある。
Hereinafter, embodiments of a permanent current switch of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the permanent
このように構成される永久電流スイッチ10は、コイル部30から引き出される超伝導素線31が、図示しない超伝導コイル(超伝導体)に接続し永久電流を制御するものである。
すなわち、液体ヘリウム等の冷媒に永久電流スイッチ10及び超伝導コイルを共に浸漬した状態とすれば超伝導状態が維持されて永久電流は減衰しないが、ヒータ線32に通電して加熱すれば永久電流スイッチ10のコイル部30のみが常伝導状態に切り替わり永久電流が減衰するわけである。
In the permanent
That is, if the permanent
ボビン本体20は、巻線部21と終端部22,22とを有し、ステンレス素材から構成されるものである。
巻線部21は、その表面に被覆された電気絶縁材23(図2参照)の上に、コイル部30が設けられる部位である。そして、終端部22,22は、フランジ11,11が固定される部位である。
The bobbin
The
このフランジ11,11は、ボビン本体20の両側から挿入されて終端部22,22に螺合するナット12,12で固定されている。このように構成されるフランジ11,11は、コイル部30の両端を挟みこんで、これを支持するものである。なお、このフランジ11及びコイル部30の接触面には、後記するスペーサ13,13が配置されている。ここで、フランジ11,11は、繊維強化樹脂(FRP)などの材質で構成され、ナット12はボビン本体20と同じステンレス素材から構成されている。
The
コイル部30は、図1のA断面視部を拡大した図2に示すように、超伝導素線31(31L,31R)と、ヒータ線32と、仕切壁33,34と、熱絶縁膜35と、多孔質層36と、外枠37と、固定層38と、を含んで構成される。このように構成されるコイル部30は、超伝導コイルに接続して永久電流を制御する永久電流スイッチ10の要部をなしている。
ここで、固定層38は、仕切壁34,33の細孔33h(図3参照)並びに超伝導素線31及びヒータ線32の間隙に樹脂等が含浸しこれらを固定するようにして最終的に構成される部位である。しかし、含浸前スイッチ10は、これらの間隙にまだ何も含浸されていない状態となっている。
As shown in FIG. 2 in which the section A in FIG. 1 is enlarged, the
Here, the fixing layer 38 is finally fixed by impregnating resin or the like in the gaps between the pores 33h (see FIG. 3) of the
超伝導素線31(31L,31R)は、超伝導コイル(超伝導体)に接続するとともにボビン本体20の巻線部21に巻回されるものである。ここで、ボビン本体20に接する第1層の超伝導素線31Lと、その外周に巻回される第2層の超伝導素線31Rとは、互いに巻方向が逆となるように無誘導巻きとなっている。このように、超伝導素線31が無誘導巻きされているために、発生したそれぞれの誘導磁場が互いに打ち消うこととなり、永久電流スイッチ10に永久電流が流れても、外部に磁場が漏洩しないことになる。
本実施形態において超伝導素線31は、第1層及び第2層からなる二層構造のものを例示したが、これに限定されるものでなく、一般化されて第n層(nは自然数)からなる場合もある。
The superconducting strand 31 (31L, 31R) is connected to a superconducting coil (superconductor) and wound around the winding
In the present embodiment, the
ヒータ線32は、超伝導素線31の層のさらに外周に巻回されるものであって、図示しない外部電源から通電されることにより発熱し、超伝導素線31を加熱して超伝導状態から常伝導状態に切り替えるものである。
本実施形態においてヒータ線32は、二層構造のものを例示しているが、これに限定されるものでなく、また無誘導巻きにする必要も特に無い。
The
In the present embodiment, the
仕切壁33,34は、ボビン本体20に巻回する超伝導素線31又はヒータ線32の層間に設けられるものである。さらに仕切壁33,34は、表面を貫通する複数の細孔33hが設けられている。
この仕切壁33(33a,33b)は、電気絶縁材として機能するとともに、図3(a)(b)に示すように、超伝導素線31(31L,31R)が断面視で正方配列するように巻回し易くするものである。
The
The partition walls 33 (33a, 33b) function as an electrical insulating material, and as shown in FIGS. 3A and 3B, the superconducting strands 31 (31L, 31R) are arranged in a square shape in a sectional view. It makes it easy to wind around.
さらに、細孔33hは、この正方配列の単位領域の略中心に位置するよう仕切壁(33a,33b)に設けられている。表現を変えれば、細孔33hは、超伝導素線31の巻きピッチの中間位置、又は、超伝導素線31の谷の部分に設けられているともいえる。
ここで、図3(a)では超伝導素線31の各列毎に細孔33hを設けるものを例示し、図3(b)では、1列置きに細孔33hを設けるものを例示している。これら細孔33hの穴数については、後記する液状樹脂の含浸時間を調整するために適宜設定される。
Furthermore, the pore 33h is provided in the partition walls (33a, 33b) so as to be located at the approximate center of the unit region of the square arrangement. In other words, it can be said that the pores 33 h are provided at an intermediate position of the winding pitch of the
Here, FIG. 3A illustrates an example in which the pores 33h are provided for each column of the
このように仕切壁33が配置されることにより、前記した無誘導巻きが行い易くなる。さらに超伝導素線31を断面視で正方配列させて巻回することも容易とし、このように正方配列した場合は、コイル部30(図2参照)の端部で打ち消されずに漏洩する誘導磁場の発生が防止される。
そして、この仕切壁33に細孔33hが設けられていることにより、後記する固定層38の硬化前の液状体(以下、「硬化前液状体」という)の流動抵抗を減少させその含浸が促進される。これにより、液状体を含浸させるのに必要な圧力を低く抑えることが可能となり、例えば、一般的なエアコンプレッサで達成しうる0.93MPa以下で短時間に含浸させることが可能になる。
さらに、この液状体が硬化した後は、細孔33hを介して、仕切壁33,34、超伝導素線31、ヒータ線32が一体化し、より強固な構造となる。また、硬化後の固定層38と、仕切壁33,34、超伝導素線31、ヒータ線32との間で発生する剥離も抑制できる。
By arranging the
By providing the pores 33h in the
Further, after the liquid is cured, the
なお仕切壁33の説明において、超伝導素線31が巻回される層間に配置されるものを代表して説明したが、ヒータ線32が巻回される層間に配置する仕切壁34の場合であっても同様であり、超伝導素線31とヒータ線32との層間に配置するものであっても同様である。また、超伝導素線31の断面視における配列が正方配列であることを、例示して説明したが、これに限定されるものではなく、千鳥配列である場合も取り得る。
In the description of the
図2に戻って説明を続ける。
熱絶縁膜35は、ヒータ線32の層の外周に設けられているものであって、ヒータ線32の発熱が外側に伝達するのを抑制し、熱伝達を超伝導素線31の側に集中させるものである。この熱絶縁膜35にも、前記したような多数の細孔が設けられているが、その配置位置はランダムで良い。この熱絶縁膜35に設けられている多数の細孔は、前記同様の、硬化前液状体の含浸を向上させる効果がある。そして、この熱絶縁膜35に挟まれて配置する多孔質層36における硬化前液状体の含浸を向上させると共に、熱絶縁膜35と多孔質層36との一体性を向上させより強固な構造にする。
Returning to FIG. 2, the description will be continued.
The thermal insulating film 35 is provided on the outer periphery of the layer of the
多孔質層36は、最終的に形成される永久電流スイッチ10のコイル部30の最外層部を成すものであって、超伝導素線31やヒータ線32をボビン本体20に対し抑え込むように機能するものである。この多孔質層36は、ガラス繊維テープ等の多孔質シートを多層に巻き付けて構成される。さらに熱絶縁膜35との関係においては、この熱絶縁膜35と多孔質シートとを交互に巻くことにより固定層38の一部を形成させる。
The porous layer 36 forms the outermost layer portion of the
外枠37は、固定層38となる部分の外周に設けるものであって、硬化前液状体が含浸する際に機能するものであって、含浸した液状体が硬化して固定層38が形成された後に除去されるものである。この外枠37は、テフロン(登録商標)シートのような部材により構成されるものである。
この外枠37の両端面には(図2では片端面のみ記載)、注入間隙37Gが設けられ、ここから硬化前液状体が注入される。
つまり、注入間隙37Gは、外枠37の寸法をコイル部30の全長より若干短くし、フランジ11との間に隙間を有するように構成する。このように構成されることにより、コイル部30の上下端の全周から固定層38となる部分に硬化前液状体が流入して、超伝導素線31、ヒータ線32、仕切壁33,34、多孔質層36の隙間部分にこの液状体が含浸し易くなる。
The outer frame 37 is provided on the outer periphery of the portion to become the fixed layer 38 and functions when the liquid material before curing is impregnated. The impregnated liquid material is cured to form the fixed layer 38. It will be removed after. The outer frame 37 is made of a member such as a Teflon (registered trademark) sheet.
An injection gap 37G is provided on both end faces of the outer frame 37 (only one end face is shown in FIG. 2), from which the pre-curing liquid material is injected.
That is, the injection gap 37 </ b> G is configured such that the outer frame 37 is slightly shorter than the entire length of the
スペーサ13は、ボビン本体20に巻回する超伝導素線31及びヒータ線32の両端面に接するように配置されるものである。このスペーサ13には、図4(a)に上面視するように、中心に向かって刻設された複数の注入溝13Gが設けられている。
この注入溝13Gに沿って、硬化前液状体が固定層38となる部分に注入されることになる。つまり、コイル部30を上下から挟み込むフランジ11,12の接触面に、注入溝13Gが設けられているので、超伝導素線31、ヒータ線32、多孔質層36の間隙への硬化前液状体の注入が促進されることになる。なお、この注入溝13Gの本数や断面形状等を適宜調節することにより、含浸時間を調整することが可能となる。
The
Along the
以上、図1から図4を参照して説明したような構造を永久電流スイッチ10が有することにより、内部の圧力損失が小さくなり、含浸圧力が低くても、充填性を高くすることが可能になる。さらに、この充填性が高い状態で液状体が硬化することにより、超伝導素線31、ヒータ線32、仕切壁33,34、熱絶縁膜35、多孔質層36が一体化し、より強固な構造となることで、クエンチの発生しにくい永久電流スイッチ10が得られる。
As described above, the permanent
次に、図5を参照して、本発明に係る永久電流スイッチの製造装置の実施形態について説明する。
電流スイッチの製造装置90は、脱気室40と、含浸室50と、輸送管60と、空気圧回路70と、静電容量計測器80と、を含んで構成されるものである。
このように構成される電流スイッチの製造装置90は、含浸前スイッチ10(適宜、図1参照)に熱硬化性樹脂を含浸させて永久電流スイッチを製造するものである。
Next, with reference to FIG. 5, an embodiment of a manufacturing apparatus for a permanent current switch according to the present invention will be described.
The current switch manufacturing apparatus 90 includes a
The current switch manufacturing apparatus 90 configured as described above is to manufacture a permanent current switch by impregnating the pre-impregnation switch 10 (see FIG. 1 as appropriate) with a thermosetting resin.
脱気室40は、撹拌器41と、のぞき窓42と、真空容器43と、樹脂溜容器44と、温調器45とを含んで構成されるものである。このように構成される脱気室40は、後記する含浸室50の上部に位置し、固定層38(適宜図2参照)を形成する硬化前液状体を減圧してこれに溶存する気体を脱気するものである。なお以下において、「硬化前液状体」は、主剤と硬化剤の二液が混合された液状樹脂であって、これを加熱すると硬化する熱硬化性樹脂であるとする。
The
樹脂溜容器44は、主剤と硬化剤の二液を混合した液状樹脂を保持する容器であり、この液状樹脂の温度を計測する温度計T1が設けられている。
撹拌器41は、樹脂溜容器44に保持されている液状樹脂に回転翼を浸漬して撹拌し、液状樹脂に溶存する気体の脱気を促進させるものである。
のぞき窓42は、樹脂溜容器44に保持されている液状樹脂の脱気状況を監視するためのものである。
真空容器43は、その内部に樹脂溜容器44を載置して、雰囲気を真空に保つ容器であって、後記する空気圧回路70に接続されている。
温調器45は、樹脂溜容器44に保持されている液状樹脂を、脱気が最適に行われる温度に調節するものである。この温度調節は、前記した温度計T1の計測値に基づいて制御がなされるものである。
The
The
The
The
The
含浸室50は、圧力容器51と、樹脂受樋52と、含浸容器53と、加熱器54とを含んで構成されるものである。このように構成される含浸室50は、脱気室40のの下部に位置し、含浸前スイッチ10を配置して減圧し、液状樹脂を含浸させたのち硬化させるものである。
The
含浸容器53は、その内部に予め、含浸前スイッチ10を配置して、脱気室40から輸送管60を通じて輸送される液状樹脂を注入して、液没させる容器である。この含浸容器53には、各部の温度を計測する温度計T2〜T4が設置さてれいる。
The
樹脂受樋52は、含浸容器53の内壁に取り付けられているものであって、輸送管60の先端から滴下する液状樹脂をその内壁を経由して底部又は液面に誘導するためのもので
The
加熱器54は、含浸容器53の一部に接するように設けられ(図では底面に接している)、含浸容器53に注入された液状樹脂を永久電流スイッチ10とともに加熱してこれらを硬化させるものである。なお、加熱器54による加熱は温度計T2〜T4の計測値に基づいて制御がなされるものである。
The
圧力容器51は、その内部空間を大気圧よりも減圧・加圧した状態に保持することができるものであって、この内部空間に含浸容器53を載置するものである。そして、圧力容器51には、その内部空間と連通するように後記する空気圧回路70、含浸容器53に注入された液状樹脂の液面の高さを計測する液面計Lが接続されている。
さらに、圧力容器51には、後記する静電容量計測器80に接続させる超伝導素線31からの引出線の取出口、ボビン本体20に一端が蝋接された引出線24の取出口が設けられている。
The
Furthermore, the
ここで、圧力容器51は、好ましくは、6Pa以下の真空力と0.93MPa以上の加圧力に耐えられるものとする。なお、圧力容器51の容積は、「ボイラー及び圧力容器安全規則」の小型圧力容器で規制される次式(1)で導出した容積V(m3)以下であるとする。
Here, the
容積V(m3)=0.2/使用圧力(kg/cm2G) (1) Volume V (m 3 ) = 0.2 / Operating pressure (kg / cm 2 G) (1)
輸送管60は、脱気室40と含浸室50とを連通し液状樹脂(液状体)を輸送するものである。そして、輸送管60は、脱気した液状樹脂を大気に触れさせずに、そのまま減圧状態で脱気室40から含浸室50へ直接注入できるように構成されている。
The
空気圧回路70は、減圧弁71と、昇圧弁72と、第1配管73と、第2配管74とを含んで構成されるものである。このように構成される空気圧回路70は、脱気室40の内部空間を減圧させたり、含浸室50の内部空間を減圧/昇圧させたりするものである。
The
第1配管73は、一端が真空容器43に連通し、他端が減圧弁71に接続し、その途中経路に第1開閉弁73B及び圧力計P1が設けられている。このように構成される第1配管73は、脱気室40の内部空間を減圧するものであり、その圧力値が圧力計P1で常時計測されるとともに、第1開閉弁73Bにより適宜その圧力値が調節されるものである。
One end of the
第2配管74は、一端が圧力容器51に連通し、他端が減圧弁71及び昇圧弁72に接続し、その途中経路に第2開閉弁74B及び圧力計P2が設けられている。このように構成される第2配管74は、含浸室50の内部空間を減圧/大気開放/加圧するものであり、その圧力値が圧力計P2で常時計測されるとともに、第2開閉弁74B、減圧弁71及び昇圧弁72が適宜動作してその圧力値が調節されるものである。
The
なお空気圧回路70は、脱気室40から含浸室50へ液状樹脂を輸送する際は、両者の内部空間の真空度が同一になるように調節される。これは、液状樹脂の上から下への移動が重力の作用のみでスムーズに進行させるためと、含浸容器53に注入した液状樹脂から溶存気体が析出しないようにするためである。
When the liquid resin is transported from the
静電容量計測器80は、ボビン本体20に導通する引出線23と、超伝導素線31(図2適宜参照)からの引出線とを接続して静電容量を計測するものである。このように構成される静電容量計測器80は、永久電流スイッチ10に液状樹脂が含浸する度合に対応して変化する静電容量値を計測することにより、その含浸状態を把握するものである(適宜図7、静電容量C参照)。
The electrostatic
以上述べたように、製造装置90が構成されることにより、次のような効果が導き出される。すなわち、脱気室40と含浸室50は、輸送管60を介して一体化している。さらに、空気圧回路70により、脱気室40と含浸室50の内部空間を同一値の減圧状態に保つことができる。これにより、液状樹脂の注入を重力の作用のみで行うことが可能になり、液状樹脂を空気に触れさせることなく注入を実行することが可能になる。
よって、液状樹脂中への空気の溶け込みを防止するとともに、永久電流スイッチ10に液状樹脂を含浸させる際に、溶存気体が析出することが無いので永久電流スイッチ中へのボイドの混入が抑制される。
As described above, the following effects are derived by configuring the manufacturing apparatus 90. That is, the
Therefore, the air is prevented from being dissolved into the liquid resin, and when the permanent
しかし、液状樹脂の溶存気体を全て完全に取り除くことは不可能であり、含浸室50に注入された液状樹脂を減圧下で長時間放置すると、溶存気体の析出の発生が避けられない。ここに、永久電流スイッチ10が液状樹脂が含浸し易い構造をとり、短時間で含浸が飽和状態に達することの利点が得られることになる。さらに、静電容量計測器80により、液状樹脂の含浸状況をリアルタイムで計測することを可能にした。
これにより、液状樹脂の含浸速度が低下する時点を認識することができ、この時点で昇圧させれば、短時間で含浸を完了させることができる。
However, it is impossible to completely remove all the dissolved gas of the liquid resin, and if the liquid resin injected into the
As a result, it is possible to recognize the time point at which the impregnation speed of the liquid resin decreases, and if the pressure is increased at this time, the impregnation can be completed in a short time.
次に、図5,図6を参照して、本実施形態に係る永久電流スイッチの製造装置の動作説明を説明し、これを本発明に係る永久電流スイッチの製造方法の実施形態の説明として援用する。 Next, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, an explanation of the operation of the manufacturing apparatus of the permanent current switch according to the present embodiment will be described, and this will be used as an explanation of the embodiment of the manufacturing method of the permanent current switch according to the present invention. To do.
脱気室40におけるプロセスAと含浸室50におけるプロセスBに分けて説明する。
まず脱気室40おけるプロセスAでは、液状樹脂を構成する主剤と硬化剤を混合した樹脂溜容器44を真空容器43に搬入する(ステップS11、以下「S11」と表記する)。搬入後、第1配管73の第1開閉弁73B、減圧弁71を開いて真空容器43を6Pa以下まで減圧する(S12)。それと同時に温調器45を動作させて液状樹脂の温度調節を行い(S13)、撹拌器41を動作させて液状樹脂の撹拌を開始する(S14)。これら(S12)から(S14)の工程は、順不同であるがこれにより液状樹脂を脱気して溶存気体の排出を十分に行う。そのための最適条件(温度、真空度)は適宜設定される。
のぞき窓42から液状樹脂の脱気状態を監視しボイド発生が観測されないことを確認したところで脱気終了とする(S15)。
The process A will be described separately for the process A in the
First, in the process A in the
The deaeration state of the liquid resin is monitored from the
次に、含浸室50おけるプロセスBでは、含浸前スイッチ10を含浸容器53にセットし圧力容器51の内部に搬入する(S21)。次にボビン本体20からの引出線23と超伝導素線31とを静電容量計測器80に接続する(S22)。そして、第2配管74の第2開閉弁74B、減圧弁71を開いて減圧を開始する(S23)。この状態で、加熱器54を動作させて硬化時の最大温度まで加熱し、含浸前スイッチ10を真空加熱乾燥する(S24)。以上が、樹脂を含浸前スイッチ10に含浸させる前準備となる。
Next, in the process B in the
次に、含浸前スイッチ10を含む含浸容器53の温度を、樹脂含浸温度、すなわち脱気室40で液状樹脂が設定されている温度にまで低下させ、それとともに変動する圧力容器51の圧力も脱気室40と同じになるように温度・圧力の調節を行う(S25,S26:No)。そして、脱気室40と含浸室50とにおける温度・圧力の条件が一致したところで(S26:Yes)、脱気室40から、脱気した液状樹脂を含浸室50に注入するために輸送管60を開いて輸送開始となる(S27)。またこれと同時に、静電容量計測器80による静電容量の計測が開始される(S28)。
Next, the temperature of the
以降は、図7も参照しつつ説明を続ける。
注入される液状樹脂は含浸容器53の樹脂受樋52を経由いて内壁を伝わり滴下してその液面が上昇するが、その液面高さが液面計Lにより計測されている。そして、含浸前スイッチ10の液没が確認されるまで液状樹脂が注入される(S29、図7の液位L参照)。なお、液状樹脂の注入速度は、可能な限り速いことが好ましく、短時間で含浸前スイッチ10が液没する規定の液位に到達するようにする。これは、減圧下で液状樹脂の溶存気体が析出するリスクを回避するためである。そして、含浸前スイッチ10の液没が確認後、直ちに圧力容器51内を大気圧開放する(S30、図7の含浸圧力P2参照)。
Hereinafter, the description will be continued with reference to FIG.
The liquid resin to be injected travels along the inner wall via the
この状態では、含浸前スイッチ内部の含浸領域の圧力と樹脂圧とでは、約1気圧の差圧が生じており、この含浸領域へ液状樹脂が流入し、含浸が進行することになる(図7の静電容量CのS30以降の立ち上がりを参照)。なお、この含浸領域の圧力損失が小さい構造を有する含浸前スイッチでは、この1気圧の圧力差でも早く樹脂含浸が完了することになる(すなわち、図7の静電容量CのS30以降の立ち上がりの傾斜が大きく、S32以降のような平坦領域に早く到達できる。) In this state, a pressure difference of about 1 atm is generated between the pressure in the impregnation region inside the pre-impregnation switch and the resin pressure, and the liquid resin flows into this impregnation region and the impregnation proceeds (FIG. 7). (See the rise of the capacitance C after S30). In addition, in the pre-impregnation switch having a structure in which the pressure loss in the impregnation region is small, the resin impregnation is completed quickly even with the pressure difference of 1 atm (that is, the rise of the capacitance C in FIG. 7 after S30). (The slope is large, and a flat region such as S32 and later can be reached quickly.)
さらに樹脂含浸を早く完了させるために、空気圧回路70の昇圧弁72を開いて含浸室50の圧力容器51内の加圧を開始する(S31、図7の含浸圧力P2参照)。すると、含浸前スイッチ内部の含浸領域への液状樹脂の含浸がさらに加速される(図7の静電容量CのS31以降の傾斜が大きくなっている)。
ここで、S32のサブルーチンについて説明する。このように加圧開始(S31)しても、図7の静電容量Cの傾斜が小さいときは(すなわち、含浸速度が所定値以下の場合(S42:No))、さらに加圧力を増大させて(S42)、この含浸速度を所定値より早くする(S42:Yes)。そして、図7の静電容量CのS43以降に示すように変化が停止(すなわち、含浸速度が0)したところで(S43)、液状樹脂の含浸終了が確認される(リターン、S32)。これによって、含浸前スイッチ内部の含浸領域にいる液状樹脂が減圧状態にさらされる時間を短縮でき、溶存気体の析出が防止される。なお、このような加圧を行わなくても充分に早く樹脂含浸が完了するのであれば、S31工程を省略して破線のようにS30からS32に直接ジャンプしてもよい。
Further, in order to complete the resin impregnation quickly, the
Here, the subroutine of S32 will be described. Even when the pressurization is started (S31), when the slope of the capacitance C in FIG. 7 is small (that is, when the impregnation speed is a predetermined value or less (S42: No)), the applied pressure is further increased. (S42), the impregnation rate is made faster than a predetermined value (S42: Yes). Then, as shown after S43 of capacitance C in FIG. 7, when the change is stopped (that is, the impregnation speed is 0) (S43), the completion of the impregnation of the liquid resin is confirmed (return, S32). As a result, the time during which the liquid resin in the impregnation region inside the pre-impregnation switch is exposed to a reduced pressure state can be shortened, and precipitation of dissolved gas can be prevented. Note that if the resin impregnation is completed sufficiently quickly without performing such pressurization, the step S31 may be omitted and the jump may be directly made from S30 to S32 as indicated by a broken line.
このように、液状樹脂の含浸の終了が確認されたら、加熱器54を動作させて液状樹脂の温度を上昇させて硬化温度に設定する(S33)。そして、含浸室50の内部を大気圧開放して温度を常温に戻した後(S34)、含浸容器53を含浸室50から搬出し、周囲の余分な硬化樹脂を剥し、永久電流スイッチ10を取り出して(S35)一連の動作が終了する(エンド)。
Thus, when the completion of impregnation of the liquid resin is confirmed, the
ところで、構造が同じである永久電流スイッチ10を量産する場合は、最初に生産される永久電流スイッチ10に対してだけ、静電容量計測器80による計測を適用し(S22,S28)、含浸に要する時間を確定する。そして、2番目以降に生産される永久電流スイッチ10に対しては静電容量の計測を実施せず(S22,S28排除)、最初の生産で確立された含浸時間に従って樹脂含浸を行うことができる。
By the way, when the permanent
つまり、永久電流スイッチの量産化の前に、試作品により含浸圧力をパラメータとして含浸試験を実施し、樹脂含浸の最適条件を探り出し、量産化に適した製造プロセスを策定する。このような量産用の製造プロセスにおいては、静電容量計測は不要である。よって、本装置を多数設置する場合は、1つの装置のみに静電容量計測器80を設置すればよく、その他のものに設置する必要はない。
In other words, before mass production of permanent current switches, an impregnation test is performed using a prototype with the impregnation pressure as a parameter to find the optimum conditions for resin impregnation, and a manufacturing process suitable for mass production is formulated. In such a production process for mass production, capacitance measurement is unnecessary. Therefore, when many devices are installed, the
図8は、そのような樹脂含浸の最適条件を探り出すための樹脂含浸圧力と含浸時間との関係を導出した結果である。ここに示す樹脂含浸時間は、粘性が23mPa・sの樹脂を用いた場合の結果である。これから、樹脂含浸圧力が10MPaでは26(s)程度で含浸し、大気圧の0.1MPaでは220(s)程度で含浸し、一般的なエアコンプレッサの最大圧力である0.93MPaでは70(s)程度で含浸することが分かる。
通常、樹脂含浸・硬化工程は時間単位の工程であり、それからすればこの含浸時間は、分、秒単位の短時間であることが分かる。
FIG. 8 shows the result of deriving the relationship between the resin impregnation pressure and the impregnation time for finding the optimum conditions for such resin impregnation. The resin impregnation time shown here is the result when a resin having a viscosity of 23 mPa · s is used. From this point, impregnation with resin impregnation pressure of 10MPa is about 26 (s), impregnation with atmospheric pressure of 0.1MPa is about 220 (s), and the maximum pressure of general air compressor is 0.93MPa, about 70 (s) It turns out that it impregnates.
Usually, the resin impregnation / curing step is a unit of time, and it can be seen that the impregnation time is a short time in units of minutes and seconds.
以上の結果より、本発明に係る永久電流スイッチが実施形態に示すような構造を有することにより、高圧な含浸圧力を必要とせず、大気圧レベルの加圧でも樹脂含浸が可能であることが分かる。ただし、永久電流スイッチの構造(コイルのターン数、層数等)および液状樹脂の変更で流動抵抗が増す場合にも配慮して、本実施形態に係る製造装置90では加圧力を付与する機構も備える構成とした。なお、本発明において、付与される加圧力は、一般的なエアーコンプレッサーの最大圧力である0.93MPaを上限とする大気圧〜0.93MPaを含浸圧力の制御範囲とする。 From the above results, it can be seen that the permanent current switch according to the present invention has the structure as shown in the embodiment, so that high impregnation pressure is not required and resin impregnation is possible even at atmospheric pressure. . However, in consideration of the structure of the permanent current switch (the number of turns of the coil, the number of layers, etc.) and the case where the flow resistance is increased by changing the liquid resin, the manufacturing apparatus 90 according to this embodiment also has a mechanism for applying pressure. It was set as the structure provided. In the present invention, the applied pressure is controlled from the atmospheric pressure to 0.93 MPa, the upper limit of which is 0.93 MPa, which is the maximum pressure of a general air compressor, as the control range of the impregnation pressure.
10 永久電流スイッチ(含浸前スイッチ)
11 フランジ
12 ナット
13 スペーサ
13G 注入溝
20 ボビン本体
23 電気絶縁材
30 コイル部
31(31L,31R) 超伝導素線
32 ヒータ線
33,34 仕切壁
33h 細孔
36 多孔質層
37 外枠
37G 注入間隙
38 固定層
40 脱気室
50 含浸室
60 輸送管
70 空気圧回路
71 減圧弁
72 昇圧弁
80 静電容量計測器
90 永久電流スイッチの製造装置
10 Permanent current switch (switch before impregnation)
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記超伝導体に接続するとともにボビン本体に巻回する超伝導素線と、
前記超伝導素線を加熱して超伝導状態/常伝導状態を切り替えるヒータ線と、
前記ボビン本体に巻回する前記超伝導素線又は前記ヒータ線の層間に設けられ複数の細孔を有する仕切壁と、
前記細孔並びに前記超伝導素線及びヒータ線の間隙に含浸しこれらを固定する固定層と、を備えることを特徴とする永久電流スイッチ。 In the permanent current switch for controlling the permanent current flowing in the superconductor,
A superconducting wire connected to the superconductor and wound around a bobbin body;
A heater wire that switches the superconducting state / normal state by heating the superconducting wire;
A partition wall provided between layers of the superconducting element wire or the heater wire wound around the bobbin body, and having a plurality of pores;
A permanent current switch comprising: a fixed layer that impregnates and fixes the pores and a gap between the superconducting element wire and the heater wire.
前記超伝導素線又は前記ヒータ線はその断面視で正方配列するように前記ボビン本体に巻回され、
前記細孔は前記正方配列の単位領域の略中心に位置するよう仕切壁に設けられていることを特徴とする永久電流スイッチ。 The permanent current switch according to claim 1,
The superconducting element wire or the heater wire is wound around the bobbin main body so as to be squarely arranged in a cross-sectional view,
The permanent current switch according to claim 1, wherein the pore is provided in the partition wall so as to be positioned substantially at the center of the unit region of the square arrangement.
前記ボビン本体に巻回する前記超伝導素線及び前記ヒータ線の両端面に接するように配置され前記固定層の硬化前の液状体が注入される注入溝をさらに設けることを特徴とする永久電流スイッチ。 The permanent current switch according to claim 1 or 2,
A permanent current further comprising an injection groove arranged to be in contact with both end faces of the superconducting wire wound around the bobbin main body and the heater wire and into which the liquid material before hardening of the fixed layer is injected. switch.
前記固定層となる部分の外周に設けた外枠の両端面に前記固定層の硬化前の液状体が注入される注入間隙が設けられいることを特徴とする永久電流スイッチ。 The permanent current switch according to any one of claims 1 to 3,
A permanent current switch, characterized in that injection gaps for injecting a liquid before curing of the fixed layer are provided on both end faces of an outer frame provided on the outer periphery of the portion to be the fixed layer.
前記固定層の硬化前の液状体を減圧して脱気する脱気室と、
前記固定層が含浸される前状態の前記永久電流スイッチを配置して減圧する含浸室と、
前記脱気室と前記含浸室とを連通し前記液状体を輸送する輸送管と、を備えることを特徴とする永久電流スイッチの製造装置。 In the manufacturing apparatus which manufactures the permanent current switch of any one of Claims 1-4,
A degassing chamber for degassing the liquid before curing the fixed layer by depressurizing;
An impregnation chamber for arranging and depressurizing the permanent current switch in a state before the fixed layer is impregnated;
An apparatus for manufacturing a permanent current switch, comprising: a transport pipe that communicates the deaeration chamber and the impregnation chamber and transports the liquid material.
前記ボビン本体に導通する引出線と、前記超伝導素線からの引出線とを接続して静電容量を計測する静電容量計測器を備えることを特徴とする永久電流スイッチの製造装置。 In the manufacturing apparatus of the permanent current switch according to claim 5,
An apparatus for manufacturing a permanent current switch, comprising: a capacitance measuring device that connects a lead wire conducted to the bobbin main body and a lead wire from the superconducting element wire to measure a capacitance.
前記輸送管で前記液状体を輸送させるとき、前記脱気室及び前記含浸室を6Pa以下の同一圧力に設定すること特徴とする永久電流スイッチの製造装置。 In the manufacturing apparatus of the permanent current switch according to claim 5 or 6,
An apparatus for manufacturing a permanent current switch, wherein when the liquid material is transported by the transport pipe, the deaeration chamber and the impregnation chamber are set to the same pressure of 6 Pa or less.
前記含浸室はさらに昇圧させることが可能であるとし、その圧力を0.93MPa以下に設定することを特徴とする永久電流スイッチの製造装置。 In the manufacturing apparatus of the permanent current switch according to any one of claims 5 to 7,
The impregnation chamber can be further increased in pressure, and the pressure is set to 0.93 MPa or less.
前記含浸室(を構成する圧力容器は、使用圧力を0.93MPa以下として、次式で導出される容積V(m3)以下に設定することを特徴とする永久電流スイッチの製造装置。
容積V(m3)=0.2/使用圧力(kg/cm2G) In the manufacturing apparatus of the permanent current switch according to claim 8,
An apparatus for manufacturing a permanent current switch, wherein the pressure vessel constituting the impregnation chamber is set to a working pressure of 0.93 MPa or less and a volume V (m 3 ) or less derived by the following equation.
Volume V (m 3 ) = 0.2 / Operating pressure (kg / cm 2 G)
前記固定層が含浸される前状態の永久電流スイッチを配置して減圧する工程と、
前記固定層の硬化前の液状体を減圧した状態で前記永久電流スイッチに輸送する工程と、
前記永久電流スイッチにかかる圧力を上昇させつつ、前記ボビン本体と前記超伝導素線と間の静電容量を計測する工程と、を含むことを特徴とする永久電流スイッチの製造方法。 In the manufacturing method of the permanent current switch according to any one of claims 1 to 4,
Disposing and depressurizing a permanent current switch in a state before the fixed layer is impregnated;
Transporting the liquid material before curing of the fixed layer to the permanent current switch in a decompressed state;
Measuring the capacitance between the bobbin body and the superconducting element wire while increasing the pressure applied to the permanent current switch.
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