JP2015153866A

JP2015153866A - 超電導コイルの製造方法および製造装置

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Publication number: JP2015153866A
Application number: JP2014025668A
Authority: JP
Inventors: 正志原口; Masashi Haraguchi; 雅載大保; Masanori Daibo
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-08-24
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: JP5732556B1

Abstract

【課題】超電導線材の厚さの公差が大きくても、超電導線材が均一に巻かれた超電導コイルを容易に製造することを可能にする。
【解決手段】テープ形状の超電導線材１２を巻いた超電導コイル１３の製造装置１０であって、超電導線材１２を巻き取る巻取部１５と、超電導線材１２を巻取部１５で巻き取る前に超電導線材１２の厚さを調整する厚さ調整部１９と、超電導線材１２を巻取部１５で巻き取りながら巻線時の超電導コイル１３の外周寸法を測定する光学透過式センサ２０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導線材を用いた超電導コイルの製造方法および製造装置に関する。

従来、超電導コイルは、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）といった様々な用途に使用されている。これまで、これらの用途には、超電導線材としてＮｂＴｉ等の金属系超電導体が広く用いられてきたが、近年、Ｂｉ２２１２（Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ）、Ｂｉ２２２３（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ）等のビスマス系超電導線材や、ＲＥ１２３（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥ：希土類元素、例えばイットリウム）等のイットリウム系超電導線材といった、酸化物高温超電導線材の開発が進められている。

酸化物高温超電導線材は、金属系超電導線材に比べ高温でも使用できることから、超電導コイル等への応用開発も進められている。現状で提供されているほとんどの酸化物超電導線材はテープ状である。このようなテープ状の酸化物超電導線材を用いた超電導コイルとして、パンケーキコイル、ダブルパンケーキコイル、あるいはこれらのコイルを複数積層して構成された酸化物超電導コイルが知られている（例えば特許文献１参照）。

酸化物高温超電導線材は、金属基板上に薄層を多層に積層する構造であり、超電導層の上には銀などの保護層や、銅（めっきやテープ）などの安定化層を有する多層複合構造となっている。従来の金属系超電導線材を用いた超電導コイルは、超電導転移温度が低いため、高価な液体ヘリウム等で冷却されることが多いのに対して、酸化物超電導線材は超電導転移温度が比較的高いため、安価な液体窒素で冷却し、運転することが可能である。

特開２０１３−５５３１１号公報

ＭＲＩやＮＭＲ等の用途では、より均一で、より高い磁場を有するマグネットを得るため、ボビン上に超電導線材が多重に巻かれた超電導コイルにおいて、線材の超電導層の間隔が均一になり、コイルとして電流密度を均一にすることが求められている。ＮｂＴｉ等の金属系超電導線材は、丸線や平角線など形状に自由度があり、かつ、伸線工程を経て製造することにより、線材の厚さの公差が数十μｍ程度のレベルで製造することが可能である。これに対し、イットリウム（Ｙ）系の酸化物高温超電導線材は、金属基板上に薄層を多層に積層する構造であり、ビスマス（Ｂｉ）系の酸化物高温超電導線材は、安定化材にフィラメント上の超電導体が多数埋め込まれた多芯構造であり、線材の厚さの公差が１００μｍを大きく上回る。このように、線材寸法を精度良く製作することが困難な高温超電導線材を用いて均一で高磁場を有するマグネットを製作する際には、巻線精度を管理することが課題である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、超電導線材の厚さの公差が大きくても、超電導線材が均一に巻かれた超電導コイルを容易に製造することが可能な超電導コイルの製造方法および製造装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、テープ形状の超電導線材を巻いた超電導コイルの製造方法であって、前記超電導線材を巻き取る前に前記超電導線材の厚さを調整する工程と、前記超電導線材を巻き取りながら巻線時の超電導コイルの外周寸法を光学透過式センサにより測定する工程と、を有することを特徴とする超電導コイルの製造方法を提供する。
前記光学透過式センサにより測定した巻線時の超電導コイルの外周寸法に関する情報に基づいて、前記巻取部で前記超電導線材の厚さを算出し、算出した前記厚さの変動を補正するように前記超電導線材の厚さを調整することが好ましい。
前記超電導線材が、イットリウム系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層を有することも可能である。

また、前記課題を解決するため、本発明は、テープ形状の超電導線材を巻いた超電導コイルの製造装置であって、前記超電導線材を巻き取る巻取部と、前記超電導線材を前記巻取部で巻き取る前に前記超電導線材の厚さを調整する厚さ調整部と、前記超電導線材を前記巻取部で巻き取りながら巻線時の超電導コイルの外周寸法を測定する光学透過式センサと、を有することを特徴とする超電導コイルの製造装置を提供する。
前記光学透過式センサにより測定した巻線時の超電導コイルの外周寸法に関する情報に基づいて、前記巻取部で前記超電導線材の厚さを算出し、算出した前記厚さの変動を補正するように前記厚さ調整部を制御する制御部をさらに有することが好ましい。
前記超電導線材が、イットリウム系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層を有することも可能である。

本発明によれば、光学透過式センサを用いて巻線時の超電導コイルの外周寸法を測定することにより、非接触で高精度に超電導コイルの外周寸法に基づき超電導線材の厚さの変動を求めることができる。また、超電導線材の厚さを調整することにより、超電導線材の厚さの変動を低減して、超電導線材が均一に巻かれた超電導コイルを製造することができる。

光学透過式センサを用いた製造装置の実施例を示す概略構成図である。コイル周方向の位置情報の一例を示す説明図である。光学反射式センサを用いた製造装置の対比例を示す概略構成図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、光学透過式センサを用いた製造装置の実施例を示す。この製造装置１０は、超電導線材１２を送り出す送出部１１、超電導線材１２を巻き取る巻取部１５、超電導線材１２の厚さを調整する厚さ調整部１９、巻線時の超電導コイル１３の外周寸法を測定する光学透過式センサ２０等を備える。

超電導線材１２は、金属基板、超電導層、保護層、安定化層等を有する多層複合構造となっている。一例として、金属基板の上に下地層、配向性中間層、キャップ層、酸化物超電導層、保護層、安定化層が順に積層された構造が挙げられる。金属基板は、例えばニッケル合金等の金属からなるテープ状の基材である。下地層は例えばＹ_２Ｏ_３からなり、耐熱性が高く、界面反応性を低減するため設けられる。

金属基板と下地層との間には、Ａｌ_２Ｏ_３等の拡散防止層を介在させてもよい。配向性中間層はＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３等の金属酸化物からなり、２軸配向する物質から選択される。キャップ層は、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等、結晶粒が面内方向に選択成長するものが好ましい。

超電導層は、ＲＥ１２３（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ）等の酸化物超電導体からなる。ＲＥ１２３のＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す。ＲＥ１２３として、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ）などが挙げられる。保護層はＡｇや貴金属等からなる。安定化層は銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）のような銅合金等、良導電性の金属材料からなることが好ましい。

超電導線材１２の別の例として、Ｂｉ２２１２（Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ）、Ｂｉ２２２３（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ）等のビスマス系超電導体を用いたビスマス系超電導線材が挙げられる。ビスマス系超電導線材は、Ａｇなどのテープ状の安定化材からなるシースの内部に酸化物超電導層を内包した構造が主体である。

テープ形状の超電導線材１２は、送出部１１から巻取部１５に向けて、巻きをほどいた状態で送出される。厚さ調整部１９では、超電導線材１２の厚さを増大させるか又は減少させることにより、超電導線材１２の厚さを調整する。超電導線材１２の厚さを増大させる場合、超電導コイル１３において超電導線材の間に介在させる絶縁部材の供給による手法が挙げられる。絶縁部材を供給する手法としては、ポリイミドテープやＦＲＰ（繊維強化プラスチック）テープ等のテープ状の絶縁材を重ねたり、エポキシ等の液状樹脂を塗布したりすることが挙げられる。超電導線材１２の厚さを減少させる場合、厚さ調整部１９の前で超電導線材１２上に樹脂等を積層した後、厚さ調整部１９において樹脂の一部を除去する手法が挙げられる。

厚さ調整部１９を経た超電導線材１２は、巻取部１５において、ボビン、リール等の巻枠１４に巻き取られ、超電導コイル１３となる。巻枠１４の構造は、特に限定されないが、例えば円筒状の胴部の両側に、胴部より径の大きい鍔部を有する構造でもよい、巻枠１４の材料は、特に限定されないが、例えばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）等が好ましい。巻取部１５は、巻枠１４を回転駆動するため、モーター（図示せず）等を備えてもよい。

本発明においては、超電導線材の厚さ調整の精度を管理するため、巻線時の超電導コイルの外周寸法を光学透過式センサにより測定する。光学透過式センサ２０としては、図１に示すように、測定光２３を発信する発信部２１と、測定光２３を受信する受信部２２を備える。測定光として、レーザーが用いられる。巻取部１５の巻枠１４は、発信部２１と受信部２２との間に配置される。巻取部１５では、超電導線材１２を巻枠１４に巻きつけることにより超電導コイル１３が形成される。発信部２１は、巻線中の超電導コイル１３に向けて測定光２３を発信する。受信部２２は、測定光２３が超電導コイル１３の周囲を透過した範囲と、測定光２３が超電導コイル１３に当たって遮断された範囲を認識し、透過した範囲と遮断された範囲との境界の位置から超電導コイル１３の外周寸法を検出する。ここで、コイルの外周寸法とは、寸法の少なくとも一端が超電導コイルの外周上にある区間の長さであって、コイルの外周寸法の変動情報を用いて超電導線材の厚さの変動を得ることができるのであれば、特に限定されない。超電導線材の厚さの変動を得る演算は、コイルの外周寸法の変動のみに基づく必要はなく、巻枠の寸法や位置など、他の情報を併せて用いることができる。前記外周寸法は、超電導コイル１３の外径（直径）であってもよく、巻枠１４の外周面から超電導コイル１３の外周までの厚さであってもよく、巻枠１４の中心から超電導コイル１３の外周までの距離（すなわちコイル半径）であってもよく、その他の寸法であってもよい。光学透過式センサ２０で認識可能な境界の位置としては、超電導コイル１３の外周と外部雰囲気（空気）の境界や、超電導コイル１３の内周と巻枠１４の外周との境界等が挙げられる。また、巻枠１４の特定の位置（例えば巻枠１４の中心軸）に、光学透過式センサ２０で認識可能な目印などの構造物を設けることも可能である。光学透過式センサを用いることにより、超電導コイル１３の外径が８０ｍｍを超える大型の超電導コイルであっても、±８μｍ以下の高精度で外周寸法の管理が可能になる。巻枠１４の外周面から超電導コイル１３の外周までの厚さを測定する場合、コイルの片側のみを光学透過式センサ２０の測定エリアに入れればよいので、より外径が大きいコイルへの適用が容易である。超電導コイル１３の外径（直径）を測定する場合、寸法の両端が超電導コイルの外周上にあるので、超電導コイルの外周と外部雰囲気（空気）の境界の認識のみで測定することも可能である。

対比例として、光学反射式センサを用いた製造装置の一例を図３に示す。この製造装置３０も、実施例の製造装置１０と同様に、超電導線材３２の送出部３１と巻取部３５を有する。対比例の製造装置３０では、巻線時に巻枠３４上の超電導コイル３３の外周寸法を光学反射式センサ３７により測定する。光学反射式センサ３７は、測定光３６が反射して戻ってくるまでの時間により対象物の位置や寸法を測定することが可能である。しかし、反射位置を調整するためにレーザー入射位置の調整作業が必要であり、コイル外径が８０μｍ以下での測定精度は±２０μｍ程度である。また、同じ製造装置で外径が大きいコイルと小さいコイルを製造する際に、光学反射式センサ３７から巻枠３４までの距離をコイル外径に応じて変える必要があることから、複数のセンサを途中で切り替える等の措置が必要になる。

しかし、実施例の製造装置の場合、光学透過式センサを用いることで、外径が８０ｍｍを超えるコイルの外周寸法の測定が可能であり、一つのセンサで種々のコイル外径に適用できる。また、測定値の精度も±８μｍ以下が可能になる。

コイルの外周寸法の変化を超電導線材の厚さに換算するには、外周寸法の変化を巻枠の回転数と連動させ、巻枠上の同じ位置での厚さの変化を１ターンごと、又は半ターンごとに演算する。このため、図１の製造装置１０では、情報を演算して厚さ調整部１９を制御する制御部１６と、制御部１６から必要に応じて情報を表示させる表示部１７と、巻枠１４の周方向の位置を測定する位置センサ部１８を有する。制御部１６として、例えばＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）やコンピューター等の制御装置が使用可能である。

位置センサ部１８は、コイルの周方向の位置情報を計測する。位置情報として、例えば巻取部１５における巻枠１４の周方向に、位置センサ部１８により位置を測定するポイントを設定する。図２では、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°と、４５°おきに８点設定した例を示したが、これに限定されるものではない。位置情報を制御部で演算することにより、巻枠の回転の振れや巻枠の形状のばらつきをキャンセルする役割や、巻き取った超電導線材の条長を測定するカウンタとしての役割を果たすことができる。

（１）巻線前、巻取部１５に空の巻枠１４をつけた状態で巻枠１４を回転させ、各ポイントにおける外周寸法Ａ_ｘ＝０（ｗ°）を測定し、制御部１６に記録させる。ｘは超電導線材のターン数を示し、ｘ＝０は超電導線材を巻いていないことを表す。例えば、外周寸法がコイルの外径（直径）を表す場合、Ａ_ｘ＝０（ｗ°）は巻枠の胴部の外径（直径）を意味する。

（２）巻線中、各ポイントにおける超電導コイル１３の外周寸法Ａｘ（ｗ°）を測定する。制御部１６で、Ａｘ（ｗ°）−Ａ_ｘ＝０（ｗ°）の演算を行うことにより、コイルに巻き取られた超電導線材の厚さの合計Ｂｘ（ｗ°）を計算する。また、コイル外周寸法とターン数から、巻き取られた線材の条長を計算する。

（３）ターン数×設計値（１ターン当たりの厚さ）＝Ｂｘ_{ｄｅｓｉｇｎ}に対して、上記Ｂｘ（ｗ°）の過不足分を制御部１６で演算処理し、厚さ調整部１９に情報を送る。制御部１６から表示部１７に情報を送って作業者向けに表示部１７で情報を表示させることもできる。

（４）厚さ調整部１９によりＢｘ_{ｄｅｓｉｇｎ}に合わせるように厚さの調整を行う。巻取部１５において厚さの増加が不足している場合は、厚さ調整部１９において超電導線材１２の厚さがより大きくなるように調整する。巻取部１５において厚さの増加が過剰している場合は、厚さ調整部１９において超電導線材１２の厚さの増加を抑制するように、あるいは厚さが減少するように、調整する。

厚さ調整部１９による超電導線材１２の厚さ調整は、光学透過式センサ２０によりコイル外周寸法を測定する位置とは異なる位置で行うことから、これらの位置関係に応じて厚さ調整の時間差を設定することが好ましい。超電導線材１２の長手方向に沿った厚さの変動が比較的緩やかである場合には、厚さ調整部１９から光学透過式センサ２０までの長手方向の距離をなるべく小さくすることが好ましい。

超電導線材１２の長手方向に沿った厚さの変動（増減）が比較的激しい場合、コイルの外周上で、厚さの薄い線材の上には厚さの厚い線材を、厚さの厚い線材の上には厚さの薄い線材を重ねるため、例えばコイル１周分の時間差が生じるように制御することが好ましい。

厚さ調整部１９において超電導線材１２の線材に付着させる絶縁物の厚さを加減する場合、絶縁物の付着部は、線材の表側（コイルの径方向外側）または裏側（コイルの径方向内側）の片面でもよく、線材の両面でもよい。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

図１では、巻取後のコイル外周寸法に基づき、超電導線材の厚さの変動を計算して超電導線材の厚さ調整にフィードバックする構成としたが、本発明はこの構成に限定されるものではない。あらかじめ超電導線材の長手方向にわたって厚さを測定しておき、この厚さ情報を制御部に記録させ、巻線中、厚さ情報に基づく信号を厚さ調整部に送信して超電導線材の厚さを調整することも可能である。この場合、光学透過式センサによるコイル外周寸法の測定は、コイル外周寸法の確認と巻き取った超電導線材の条長の計測をする役目を果たす。

光学透過式センサが測定する外周寸法Ａｘ（ｗ）がシングルパンケーキコイルの外径（直径）である場合、コイル外径がコイル最外周における超電導線材の直径に相当することから、１ターンごとに超電導線材の厚さが２本分増加する。そこで、あるポイントｗ（°）における最近巻かれた超電導線材１本分の厚さを求めるには、そのポイントでのコイル外径から半周前のコイル外径を差し引けばよい。０°≦ｗ＜１８０°の場合はＡｘ（ｗ）−Ａ_ｘ−１（ｗ＋１８０°）の値から、また、１８０°≦ｗ＜３６０°の場合はＡｘ（ｗ）−Ａｘ（ｗ−１８０°）の値から、超電導線材１本分の厚さを求めることができる。この場合、ポイント数は１周に対して等間隔に偶数個を設定することが好ましい。

本発明は、ダブルパンケーキコイルやソレノイドコイルにも適用可能である。ダブルパンケーキコイルに適用する場合、上下２段のコイルに対してそれぞれ光学透過式センサによるコイル外周寸法の測定を実施することも可能である。

巻き取ったコイルの後処理として、周囲を樹脂等の絶縁物で覆ったり、樹脂を含浸させたりしてもよい。また、複数のコイルを接続して軸方向に積層することも可能である。

１０，３０…製造装置、１１，３１…送出部、１２，３２…超電導線材、１３，３３…超電導コイル、１４，３４…巻枠、１５，３５…巻取部、１６…制御部、１７…表示部、１８…位置センサ部、１９…厚さ調整部、２０…光学透過式センサ、２１…発信部、２２…受信部、２３，３６…測定光、３７…光学反射式センサ。

前記課題を解決するため、本発明は、テープ形状の超電導線材を巻いた超電導コイルの製造方法であって、前記超電導線材を巻き取る前に前記超電導線材の厚さを調整する工程と、前記超電導線材を巻き取りながら巻線時の超電導コイルの外周寸法を光学透過式センサにより測定する工程と、を有し、前記光学透過式センサにより測定した巻線時の超電導コイルの外周寸法に関する情報に基づいて、前記超電導線材を巻き取る巻取部で前記超電導線材の厚さを算出し、算出した前記厚さの変動を補正するように前記超電導線材の厚さを調整することを特徴とする超電導コイルの製造方法を提供する。
前記超電導コイルの外周寸法は、前記超電導コイルの外径であることが好ましい。
前記超電導線材が、イットリウム系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層を有することも可能である。

また、前記課題を解決するため、本発明は、テープ形状の超電導線材を巻いた超電導コイルの製造装置であって、前記超電導線材を巻き取る巻取部と、前記超電導線材を前記巻取部で巻き取る前に前記超電導線材の厚さを調整する厚さ調整部と、前記超電導線材を前記巻取部で巻き取りながら巻線時の超電導コイルの外周寸法を測定する光学透過式センサと、前記光学透過式センサにより測定した巻線時の超電導コイルの外周寸法に関する情報に基づいて、前記巻取部で前記超電導線材の厚さを算出し、算出した前記厚さの変動を補正するように前記厚さ調整部を制御する制御部と、を有することを特徴とする超電導コイルの製造装置を提供する。
前記超電導コイルの外周寸法は、前記超電導コイルの外径であることが好ましい。
前記超電導線材が、イットリウム系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層を有することも可能である。

Claims

テープ形状の超電導線材を巻いた超電導コイルの製造方法であって、
前記超電導線材を巻き取る前に前記超電導線材の厚さを調整する工程と、
前記超電導線材を巻き取りながら巻線時の超電導コイルの外周寸法を光学透過式センサにより測定する工程と、
を有することを特徴とする超電導コイルの製造方法。
前記光学透過式センサにより測定した巻線時の超電導コイルの外周寸法に関する情報に基づいて、前記巻取部で前記超電導線材の厚さを算出し、算出した前記厚さの変動を補正するように前記超電導線材の厚さを調整することを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
前記超電導線材が、イットリウム系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層を有することを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイルの製造方法。
テープ形状の超電導線材を巻いた超電導コイルの製造装置であって、
前記超電導線材を巻き取る巻取部と、
前記超電導線材を前記巻取部で巻き取る前に前記超電導線材の厚さを調整する厚さ調整部と、
前記超電導線材を前記巻取部で巻き取りながら巻線時の超電導コイルの外周寸法を測定する光学透過式センサと、
を有することを特徴とする超電導コイルの製造装置。
前記光学透過式センサにより測定した巻線時の超電導コイルの外周寸法に関する情報に基づいて、前記巻取部で前記超電導線材の厚さを算出し、算出した前記厚さの変動を補正するように前記厚さ調整部を制御する制御部をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの製造装置。
前記超電導線材が、イットリウム系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層を有することを特徴とする請求項４または５に記載の超電導コイルの製造装置。