JP2013048125A - 超電導コイル及び超電導コイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】テープ状の超電導線材を用いた超電導コイルにおいて、製造に必要な設備を簡素化し、製造を容易化しつつ、十分な絶縁性を確保して臨界電流値の低減を防止する。
【解決手段】超電導線材１０には、巻線の際に、半硬化状態の熱硬化性樹脂が含浸されたガラステープ６が巻線張力をかけながら隙間なく巻き付けられており、巻線の後に、熱硬化性樹脂が硬化されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、テープ状の構造を有する超電導線材を用いて構成された超電導コイル及び超電導コイルの製造方法に関する。

超電導コイルは、通電したときに生ずる電磁力により破壊される可能性がある。そのため、超電導コイルの製造においては、十分な強度を確保するため、超電導線材を巻線した後、超電導線材の間にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させ、熱硬化性樹脂を加熱して硬化させることにより、コイル全体を固着させている。

熱硬化性樹脂をコイルに含浸させる方法としては、熱硬化性樹脂を減圧下で含浸させ、さらに、常圧、または、加圧状態として、樹脂を含浸させる方法が用いられている。この製造方法においては、熱硬化性樹脂を収納する容器、超電導コイルの含浸層及び真空引きを行うための特殊な設備が必要となり、煩雑である。

特許文献１には、熱硬化性樹脂をコイルに含浸させる工程を省略できる製造方法として、熱硬化性樹脂を半硬化状態で含浸させたガラステープを、巻線張力をかけながらテープ状の超電導線材に重ね合わせ、超電導線材とともに巻線する製造方法が記載されている。

特許第４１８７２９３号公報

ところで、特許文献１に記載された製造方法により製造された超電導コイルは、ガラステープが超電導線材同士の間に介在しているため、超電導線材同士は十分に固着されているが、コイルの上端面及び下端面にはガラステープも熱硬化性樹脂も存在せず、絶縁が不十分となるという問題がある。

また、この超電導コイルにおいて、超電導線材に重ね合わせるガラステープの厚さが薄い場合には、超電導線材同士の間の絶縁も不十分となり、通電した際の臨界電流値が低減することが実験により確認されている。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、テープ状の超電導線材を用いた超電導コイルにおいて、製造に必要な設備を簡素化し、製造を容易化することができ、また、十分な絶縁性が確保されて臨界電流値の低減を防止することができる超電導コイル及び超電導コイルの製造方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る超電導コイル及び超電導コイルの製造方法は、以下の構成を有するものである。

〔構成１〕
本発明に係る超電導コイルは、テープ状の超電導線材を巻枠に巻線して構成された超電導コイルであって、超電導線材は、基板及び超電導層及び安定化保護層を含む超電導線材本体と、超電導線材本体に隙間なく巻かれたガラステープとを備え、ガラステープは、熱硬化性樹脂が含浸されたものである。

〔構成２〕
構成１を有する超電導コイルにおいて、超電導線材本体は、イットリウム系酸化物の超電導材料からなるものである。

〔構成３〕
構成１、または、構成２を有する超電導コイルにおいて、超電導線材本体の厚さをｔ１、ガラステープの厚さをｔ２としたとき、ガラステープの厚さｔ２は、超電導線材本体の厚さｔ１以下であることを特徴とするものである。

〔構成４〕
構成１乃至構成３のいずれか一にを有する超電導コイルにおいて、ガラステープの幅をｄ、ガラステープ同士が重なる幅をｗとしたとき、以下の条件が成立していることを特徴とするものである。
０≦ｗ≦ｄ

〔構成５〕
本発明に係る超電導コイルの製造方法は、テープ状の超電導線材を巻枠に巻線して超電導コイルを構成する超電導コイルの製造方法であって、半硬化状態の熱硬化性樹脂を含浸させたガラステープを巻線張力をかけながら超電導線材本体に隙間なく巻き付けて超電導線材とし、超電導線材を巻線し、超電導線材の巻線の後に熱硬化性樹脂を硬化させることを特徴とするものである。

〔構成６〕
構成５を有する超電導コイルの製造方法において、超電導線材本体として、イットリウム系酸化物の超電導材料からなる超電導線材本体を用いることを特徴とするものである。

〔構成７〕
構成５、または、構成６を有する超電導コイルの製造方法において、超電導線材本体の厚さをｔ１、ガラステープの厚さをｔ２としたとき、ガラステープの厚さｔ２は、超電導線材の厚さｔ１以下であることを特徴とするものである。

〔構成８〕
構成５乃至構成７のいずれか一にを有する超電導コイルの製造方法において、ガラステープの幅をｄ、ガラステープ同士が重なる幅をｗとしたとき、以下の条件が成立していることを特徴とするものである。
０≦ｗ≦ｄ

本発明に係る超電導コイル及び超電導コイルの製造方法においては、超電導線材本体には、巻線の際に、半硬化状態の熱硬化性樹脂が含浸されたガラステープが巻線張力をかけながら隙間なく巻き付けられて超電導線材とされ、この超電導線材の巻線の後に、熱硬化性樹脂が硬化されるので、超電導線材本体の表面及び裏面のみならず、側面にも、熱硬化性樹脂及びガラステープの層が十分な厚さを有して形成され、複数の超電導コイルを多段に重ねて接続して一体化する場合においても、各超電導コイルの間の絶縁（層間絶縁）を行う必要がない。また、超電導線材を巻線するときには、熱硬化性樹脂及びガラステープの層同士が接することにより、超電導線材同士の固着力の向上が図られる。

すなわち、本発明は、テープ状の超電導線材を用いた超電導コイルにおいて、製造に必要な設備を簡素化し、製造を容易化することができ、また、十分な絶縁性が確保されて臨界電流値の低減を防止することができる超電導コイル及び超電導コイルの製造方法を提供することができるものである。

本発明の実施の形態に係る超電導コイルを構成する超電導線材の構造を示す側面図である。 図１に示した超電導線材を用いた本発明の実施の形態に係る超電導コイルの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る超電導コイルの製造方法を説明する側面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る超電導コイルを構成する超電導線材の構造を示す側面図である。

本発明に係る超電導コイルを構成する超電導線材１０は、図１に示すように、基板１及び安定化保護層２により、超電導層３を挟んだテープ状の超電導線材本体２０を有する。また、基板１及び超電導層３の間には、超電導層３とともに、中間層４が挟まれているようにしてもよい。この場合には、この超電導線材本体は、基板１、中間層４、超電導層３及び安定化保護層２が順次積層された構造を有している。

ここに、超電導層３は、例えば、イットリウム系（Ｙ系）の超電導材料により形成されている。また、基板１は、機械的強度の良好なニッケル（Ｎｉ）基合金などの金属材料からなり、中間層４はセリウム（Ｃｅ）などの金属酸化物材料からなる。安定化保護層２は、超電導層の保護及び過電流での傷損防止のためのものであり、例えば、銀（Ａｇ）などの金属材料からなり、さらに銅（Ｃｕ）などの金属材料が複合されていてもよい。

この超電導線材本体２０には、半硬化状態の熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ樹脂が含浸されたガラステープ６が、超電導線材本体上に隙間なく巻き付けられている。隙間なく巻き付けるには、超電導線材本体の回りに、ガラステープを螺旋状に巻き付けるいわゆるラップ巻きを行うとよい。したがって、この超電導線材１０においては、超電導線材本体２０の表面及び裏面のみならず、側面にも、エポキシ樹脂及びガラステープ６の層が形成されている。

図２は、前記超電導線材１０を用いた、本発明の実施の形態に係る超電導コイル３０の構造を示す断面図である。

図２に示すように、本発明の実施の形態に係る超電導コイル３０は、軸線ｏを有する巻枠７の周囲に、図１に示した構造を有する超電導線材１０を多重に巻いたものである。したがって、この超電導コイル３０においては、各超電導線材本体２０の上端面３ａ、下端面３ｂ、側面３ｃ、及び、超電導線材本体２０同士の間３ｄに、エポキシ樹脂及びガラステープ６からなる絶縁層が十分な厚さを有して形成されている。

したがって、この超電導コイルにおいては、超電導コイルの上端面３ａ及び下端面３ｂに絶縁層が形成されることにより、複数の超電導コイルを多段に重ねて接続して一体化する場合においても、各超電導コイルの間の絶縁（層間絶縁）を行う必要がない。

また、超電導線材１０を巻線するときには、エポキシ樹脂及びガラステープ６の層同士が接することにより、超電導線材１０同士の固着力の向上が図られる。

図３は、本発明の実施の形態に係る超電導コイルの製造方法を説明する側面図である。

半硬化状態のエポキシ樹脂を含浸させたガラステープ６を超電導線材にラップ巻きするには、例えば、図３に示すように、超電導線材本体２０の送出し巻枠８と、巻取り巻枠７との間に、超電導線材本体２０にガラステープ６をラップ巻きする装置を配置するとよい。この場合には、巻取り巻枠７として、超電導コイル用巻枠７を用いることにより、超電導線材本体２０にガラステープ６がラップ巻きされた超電導線材１０を有する超電導コイル３０を製造することができる。

このように、ガラステープ６の超電導線材本体２０に対するラップ巻きを、超電導線材本体２０の送出し巻枠８からの送出しと巻取り巻枠７への巻取りとの間において行うことにより、ガラステープ６が有する粘着性によって超電導線材本体２０の送出しがしにくくなることがない。

また、超電導線材本体２０にガラステープ６をラップ巻きするときには、超電導線材本体２０にも、適度の張力をかけることが望ましい。巻かれた状態から送り出された超電導線材本体２０は、曲げ癖が残って反っていることがあるため、この反りを張力をかけることにより矯正した状態で、ガラステープ６をラップ巻きすることが望ましい。

このように、ガラステープ６を超電導線材本体２０に巻付けるにあたっては、図１に示すように、ガラステープ６の幅をｄ、ガラステープ同士が重なる幅（ラップ幅）をｗとしたとき、〔０≦ｗ≦ｄ〕が成立するように巻付けることにより、超電導線材本体２０上にガラステープ６が隙間なく巻付けられ、超電導線材本体２０上に少なくとも１枚以上のガラステープ６が存在することとなり、コイルの固着性、絶縁性の向上を図ることができる。

また、超電導線材本体２０にラップ巻きされるガラステープ６は、超電導線材本体２０に対して密着して巻付ける必要がある。そのため、超電導線材本体２０の厚さをｔ１、ガラステープ６の厚さをｔ２としたとき、ガラステープ６の厚さｔ２は、超電導線材本体２０の厚さｔ１以下であること（ｔ２≦ｔ１）が望ましい。ガラステープ６の厚さｔ２が超電導線材本体２０の厚さｔ１よりも厚い（ｔ２＞ｔ１）と、ガラステープ６の可撓性が低下し、ガラステープ６を超電導線材本体２０に密着させて巻付けることが困難となる。

例えば、超電導線材本体２０の厚さが０．２１ｍｍであるとき、ガラステープ６の厚さが０．２５ｍｍでは、密着してラップ巻きすることが困難であり、ガラステープ６の厚さが０．１５ｍｍ程度であれば、密着してラップ巻きすることができる。

前述したように、半硬化状態のエポキシ樹脂が含浸されたガラステープ６は、超電導線材１０同士の固着のみならず、超電導線材本体２０同士の絶縁を確保する効果がある。ガラステープ６を超電導線材本体２０に隙間なく巻付けることにより、超電導線材本体２０同士間の絶縁性を向上させることができる。

なお、このガラステープ６は、適度の巻線張力をかけながら超電導線材本体２０に巻き付けるので、超電導線材本体２０としては、基板１を含む積層構造を有するイットリウム系（Ｙ系）酸化物の超電導線材本体が好適である。

また、このガラステープ６は、ガラスクロス中にポリエステル系合成繊維（「テトロンクロス」（商標名））が混紡され、伸縮性が付加されたものでもよい。

本発明の実施例として、超電導線材本体２０として、幅５ｍｍ、厚さ０．２１ｍｍのイットリウム系酸化物超電導線材本体を用いて、超電導コイルを作製した。超電導線材本体２０は、基板１上に、中間層４、超電導層３及び安定化保護層２からなる積層構造を有して構成されている。基板１は、厚さ０．１ｍｍのニッケル（Ｎｉ）基合金、安定化保護層２は銀（Ａｇ）からなり、厚さ０．１ｍｍの銅（Ｃｕ）が複合されている。半硬化状態のエポキシ樹脂を含浸させた幅５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのガラステープ６を、超電導線材本体２０に隙間なくラップ巻きして、超電導線材１０とした（図３）。次に、この超電導線材１０を巻枠７に巻線して、超電導コイルを作製した。超電導線材１０の巻線は、超電導線材１０に所定の張力をかけながら、直径６５ｍｍ、高さ１０ｍｍのＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）製の巻枠７に巻線することによって行った。巻枠７への巻線を行った後、所定の条件で加熱することにより、エポキシ樹脂を硬化させ、超電導線材１０を固着させて、超電導コイル３０とした。

表１は、本発明の各実施例を示している。比較例では、ガラステープ６をラップ巻きせずに、超電導線材本体２０に重ね合わせて巻線を行い、エポキシ樹脂の硬化を行った。実施例１乃至実施例４では、ガラステープ６を超電導線材本体２０にラップ巻きし、巻線を行い、エポキシ樹脂の硬化を行った。

実施例１及び実施例３では、ガラステープ６同士の重なりを０とし、実施例１では、１枚のガラステープ６が超電導線材上に存在することとし、実施例３では、２枚のガラステープ６が超電導線材上に存在することとした。

実施例２及び実施例４では、ガラステープ６同士の重なりを、ガラステープ６の幅ｄの１／２とし、実施例２では、ガラステープ６同士の重なりのない箇所で、１枚のガラステープ６が超電導線材上に存在することとし、実施例４では、ガラステープ６同士の重なりのない箇所で、２枚のガラステープ６が超電導線材上に存在することとした。

半硬化状態のエポキシ樹脂を含浸させたガラステープ６が超電導線材本体２０上に隙間なくラップ巻きされている各実施例においては、所定時間の通電を行った後において、超電導線材本体２０同士の絶縁性が十分に確保されており、臨界電流値の低減が防止されていた。

本発明は、テープ状の構造を有する超電導線材を用いて構成された超電導コイル及び超電導コイルの製造方法に適用される。

１ 基板
２ 安定化保護層
３ 超電導層
４ 中間層
６ ガラステープ
７ 巻枠
１０ 超電導線材
２０ 超電導線材本体
３０ 超電導コイル

Claims (8)

1. テープ状の超電導線材を巻枠に巻線して構成された超電導コイルであって、
   前記超電導線材は、基板及び超電導層及び安定化保護層を含む超電導線材本体と、前記超電導線材本体に隙間なく巻かれたガラステープとを備え、
   前記ガラステープは熱硬化性樹脂が含浸されたものである
   超電導コイル。
2. 前記超電導線材本体は、イットリウム系酸化物の超電導材料からなる
   請求項１記載の超電導コイル。
3. 前記超電導線材本体の厚さをｔ１、前記ガラステープの厚さをｔ２としたとき、ガラステープの厚さｔ２は、超電導線材の厚さｔ１以下である
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の超電導コイル。
4. 前記ガラステープの幅をｄ、前記ガラステープ同士が重なる幅をｗとしたとき、以下の条件が成立している
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の超電導コイル。
   ０≦ｗ≦ｄ
5. テープ状の超電導線材を巻枠に巻線して超電導コイルを構成する超電導コイルの製造方法であって、
   半硬化状態の熱硬化性樹脂を含浸させたガラステープを巻線張力をかけながら超電導線材本体に隙間なく巻き付けて、前記超電導線材とし、
   前記超電導線材を巻線し、
   前記超電導線材の巻線の後に、前記熱硬化性樹脂を硬化させる
   ことを特徴とする超電導コイルの製造方法。
6. 前記超電導線材本体として、イットリウム系酸化物の超電導材料からなる超電導線材本体を用いる
   ことを特徴とする請求項５記載の超電導コイルの製造方法。
7. 前記超電導線材本体の厚さをｔ１、前記ガラステープの厚さをｔ２としたとき、ガラステープの厚さｔ２は、超電導線材の厚さｔ１以下である
   ことを特徴とする請求項５、または、請求項６記載の超電導コイルの製造方法。
8. 前記ガラステープの幅をｄ、前記ガラステープ同士が重なる幅をｗとしたとき、以下の条件が成立している
   ことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一に記載の超電導コイルの製造方法。
   ０≦ｗ≦ｄ

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