JP2016046380A - Superconducting electromagnet - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超伝導電磁石に関する。 The present invention relates to a superconducting electromagnet.
従来、超伝導層等を積層したテープ線材を巻回して超伝導コイルを形成し、このテープ線材を樹脂等の含浸材によって保形する超伝導電磁石が知られている。テープ線材は、含浸材が硬化することによって含浸材と強固に接着される。 2. Description of the Related Art Conventionally, a superconducting electromagnet is known in which a superconducting coil is formed by winding a tape wire having a superconducting layer laminated thereon, and the tape wire is shaped by an impregnating material such as resin. The tape wire is firmly bonded to the impregnating material when the impregnating material is cured.
このような超伝導電磁石を冷却すると、テープ線材と含浸材との熱収縮率の差によって、テープ線材に対して力が作用する。この力によるテープ線材の剥離を抑制する技術として、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1には、超伝導テープ線と、樹脂を塗布した絶縁テープと、を重ね合わせて複合テープとし、この複合テープを巻芯に巻回して、内外径比が所定の大きさに近づいたときに、隣り合う複合テープ間の接着力を弱くする超伝導電磁石が記載されている。 When such a superconducting electromagnet is cooled, a force acts on the tape wire due to the difference in thermal shrinkage between the tape wire and the impregnating material. As a technique for suppressing the peeling of the tape wire due to this force, for example, a technique described in Patent Document 1 is known. In Patent Document 1, a superconducting tape wire and an insulating tape coated with a resin are superposed to form a composite tape, and the composite tape is wound around a winding core so that the inner / outer diameter ratio approaches a predetermined size. Sometimes a superconducting electromagnet is described that weakens the adhesion between adjacent composite tapes.
しかしながら、上述したような超伝導電磁石では、接着力を弱くした複合テープ間においてテープ線材が剥離することを抑制しようとする一方、接着力を弱くしていない部分については、テープ線材の剥離を別途の方法で抑制する必要がある。 However, in the superconducting electromagnet as described above, it is intended to suppress the tape wire from peeling between the composite tapes with weakened adhesive force. On the other hand, for the part where the adhesive force is not weakened, the tape wire is separated separately. It is necessary to suppress by this method.
そこで、本発明は、巻回されるテープ線材の剥離を抑制できる超伝導電磁石を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the superconducting electromagnet which can suppress peeling of the tape wire wound.
上記課題を解決するため、本発明に係る超伝導電磁石は、環状の巻枠と、巻枠に巻回され、少なくとも基板及び超伝導層を積層したテープ線材と、テープ線材を埋め込むように巻枠に設けられる含浸材と、を備え、テープ線材には、巻枠に巻回される各周において、テープ線材と含浸材とが固着することを抑制する潤滑剤が塗布されている。 In order to solve the above-described problems, a superconducting electromagnet according to the present invention includes an annular winding frame, a tape wire wound around the winding frame and at least a substrate and a superconducting layer laminated, and a winding frame embedded with the tape wire The tape wire is coated with a lubricant that suppresses the tape wire and the impregnating material from sticking to each other around the winding frame.
本発明に係る超伝導電磁石によれば、テープ線材と含浸材との間には潤滑剤が介在しているため、テープ線材と含浸材との固着が抑制される。このため、超伝導電磁石を冷却した際にテープ線材と含浸材とが異なる熱収縮率によって収縮しても、テープ線材に対して力が作用することを抑制できる。更に、テープ線材は、巻枠に巻回される各周において潤滑剤が塗布されているため、テープ線材に対して力が作用することをテープ線材の各周において満遍なく抑制できる。従って、巻回されるテープ線材の剥離を抑制できる。 According to the superconducting electromagnet according to the present invention, since the lubricant is interposed between the tape wire and the impregnation material, adhesion between the tape wire and the impregnation material is suppressed. For this reason, even when the superconducting electromagnet is cooled and the tape wire and the impregnating material shrink due to different heat shrinkage rates, it is possible to suppress the force from acting on the tape wire. Furthermore, since the lubricant is applied to each circumference of the tape wire wound around the winding frame, it is possible to uniformly suppress the force acting on the tape wire around each circumference of the tape wire. Therefore, peeling of the wound tape wire can be suppressed.
また、本発明に係る超伝導電磁石において、テープ線材には、テープ線材の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたって潤滑剤が塗布されていてもよい。これにより、テープ線材の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたってテープ線材の剥離を抑制できると共に、テープ線材に潤滑剤を容易に塗布できる。 In the superconducting electromagnet according to the present invention, the tape wire may be coated with a lubricant over the entire circumference of a cross section perpendicular to the winding direction of the tape wire. Thereby, peeling of a tape wire can be suppressed over the perimeter of a cross section perpendicular | vertical with respect to the winding direction of a tape wire, and a lubricant can be easily apply | coated to a tape wire.
また、本発明に係る超伝導電磁石において、潤滑剤の熱伝導率は、含浸材の熱伝導率より高くてもよい。これにより、テープ線材と含浸材との間に潤滑剤が介在していても、テープ線材と含浸材との間の伝熱効率を維持することができる。 In the superconducting electromagnet according to the present invention, the thermal conductivity of the lubricant may be higher than the thermal conductivity of the impregnating material. Thereby, even if the lubricant is interposed between the tape wire and the impregnating material, the heat transfer efficiency between the tape wire and the impregnating material can be maintained.
本発明によれば、巻回されるテープ線材の剥離を抑制できる。 According to the present invention, peeling of the wound tape wire can be suppressed.
以下、図面を参照しながら本発明に係る超伝導電磁石の一実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of a superconducting electromagnet according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の実施形態に係る超伝導電磁石を示す平面図である。図2は、図1のII−II線に沿った部分断面図であり、超伝導電磁石の巻枠に巻回されたテープ線材を模式的に示す。図3は、テープ線材の積層構造を示す図である。図1〜図3に示すように、超伝導電磁石1は、巻枠2と、潤滑剤3が塗布されたテープ線材4と、含浸材5と、を備える。超伝導電磁石1は、例えば超伝導サイクロトロン、荷電粒子線治療装置における偏向電磁石、シリコン単結晶引き上げ装置(MCZ)、磁気共鳴画像診断装置(MRI装置)、核磁気共鳴装置(NMR装置)等、超伝導電磁石1を使用する種々の装置に適用できる。
FIG. 1 is a plan view showing a superconducting electromagnet according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1 and schematically shows a tape wire wound around a winding frame of a superconducting electromagnet. FIG. 3 is a view showing a laminated structure of tape wires. As shown in FIGS. 1 to 3, the superconducting electromagnet 1 includes a
巻枠2は、テープ線材4を巻回してコイル状に保持するためのものである。巻枠2は、環状をなし、外周側には、テープ線材4が巻回されながら収容される凹部が巻枠2の全周にわたって設けられている。具体的に、巻枠2は、巻枠2の周方向に対して垂直な断面を見た場合(図2に示す状態)、内周側に配置される背板2aと、背板2aの両端からそれぞれ外周側に向かって広がる側板2b,2cと、によって構成されている。
The winding
テープ線材4は、巻枠2に巻回されて環状の超伝導コイルを形成する。テープ線材4は、基板8を含む第1の部分6と、基板8上に成膜される層を含む第2の部分7と、が積層されて構成される。第2の部分7は、基板8の面から剥離が生じ易い部分である。テープ線材4は、積層方向の厚みが0.1mm〜0.2mm程度、幅が4mm〜12mm程度となるように形成されている。なお、テープ線材4は、外面に潤滑剤3が塗布されている。潤滑剤3については後述する。
The
第1の部分6は、基板8に基板部金属層9を積層した構成となっており、基板部金属層9は、基板8に接する銀層10と、銀層10に接する銅層11と、からなる。基板8の厚みは50μm程度、銀層10の厚みは1.8μm程度、銅層11の厚みは20μm程度となるように形成されている。
The
第2の部分7は、基板8に接して、基板部金属層9とは反対側にバッファ12〜16を積層し、バッファ16に接するように超伝導層17を積層し、超伝導層17に接するように成膜部金属層18を積層した構成となっている。成膜部金属層18は、超伝導層17に接する銀層19と、銀層19に接する銅層20と、からなる。バッファ12〜16及び超伝導層17は、例えば蒸着、スパッタ等の成膜プロセスによって形成される。バッファ12〜16の厚みは0.2μm程度、超伝導層17の厚みは1μm程度、銀層19の厚みは2μm程度、銅層20の厚みは20μm程度となるように形成されている。
The
超伝導層17は、RE123系超伝導層によって構成される。RE123系超伝導層とは、ガドリニウム、イットリウム等の希土類元素(RE)と、バリウムと、銅と、を1:2:3の比率で含有する酸化物超伝導層をいう。超伝導層17は、テープ線材4の一部として環状に巻回されて超伝導コイルを形成し、冷凍機(不図示)によって所定温度以下まで冷却されることで超伝導状態となる。超伝導コイルを形成した超伝導層17は、断面矩形状の円環状をなしており、電源(不図示)によって給電されることで強磁場を発生する。
The
含浸材5は、テープ線材4を埋め込むように巻枠2に設けられ、超伝導コイルを形成したテープ線材4と冷凍機との熱伝導性を確保する共に、超伝導コイルを形成したテープ線材4を保形する。含浸材5は、ゲル状、液体状等の流動する状態から硬化する材質からなり、例えばエポキシ樹脂、ワックス、シアノアクリレート(瞬間接着剤)、蝋燭のろう材等からなる。なお、含浸材5は上記の材質を適用しなくてもよく、超伝導コイルとの熱伝導性が確保できると共に、超伝導コイルを保形できれば、他の材質を適用してもよい。含浸材5が流動する状態のときに、巻枠2内においてテープ線材4を含浸させることで、テープ線材4を巻回した際に生じる隙間に含浸材5が入り込み、良好な熱伝導性を確保することができる。また、含浸材5は、テープ線材4を巻回した際に生じる隙間に入り込んだ後に硬化するため、超伝導コイルを形成したテープ線材4を保形することができる。
The impregnating
続いて、潤滑剤3について説明する。
Subsequently, the
潤滑剤3は、テープ線材4に塗布されることで、テープ線材4と含浸材5とが潤滑され、テープ線材4と含浸材5とが固着することを抑制する。特に、潤滑剤3は、巻枠2に巻回される各周においてテープ線材4に塗布される。これにより、テープ線材4を複数回にわたって巻回した後に潤滑剤3を塗布した場合とは異なって、テープ線材4と含浸材5との間には常に潤滑剤3が介在していることとなる。
The
ここで、潤滑剤3が、巻回される各周においてテープ線材4に塗布されるとは、例えば、図2において最も内周側に示すテープ線材4を1周目とし、1周目の隣に示すテープ線材4を2周目とし、同様に、図示しない3周目以降が続くものとする場合、テープ線材4の各周回部分に潤滑剤3が塗布されることを意味する。あるいは、製造時においては、巻回するテープ線材4の全長にわたって潤滑剤3が塗布された状態を意味する。
Here, the
潤滑剤3としては、熱伝導率が高く、含浸材5を構成する材質(例えばエポキシ樹脂)に対して接着しにくい材質を用いることができ、例えば熱伝導グリースを用いることができる。特に、潤滑剤3の熱伝導率が、含浸材5の熱伝導率より高い熱伝導グリースを用いることが好ましい。具体的に、アピエゾン(登録商標)Nグリース等の潤滑剤3を適用することができる。これにより、テープ線材4と含浸材5との間に潤滑剤3が介在することで、テープ線材4と含浸材5とが直接接触しなくても良好な熱伝導性を確保することができる。
As the
なお、潤滑剤3とは、必ずしも潤滑のための使用を目的として流通しているものに限定されず、テープ線材4と含浸材5とが固着することを抑制することができるものを広く含む。例えば、潤滑剤3とは、離型剤として流通しているものでもよく、ワックス、蝋燭のろう材として流通しているものでもよい。
Note that the
続いて、超伝導電磁石1の製造方法について説明する。まず、環状の巻枠2の外周側に全周にわたって設けられている凹部に、硬化前の流動する状態の含浸材5を注入する。次に、全長にわたって表面に潤滑剤3を塗布したテープ線材4を、含浸材5が注入された巻枠2に巻回する。このとき、巻回されたテープ線材4に隙間が生じたとしても、含浸材5は流動する状態であるため当該隙間に入り込む。次に、含浸材5を経時的に、又は加熱等の所定の方法により硬化させる。従って、含浸材5はテープ線材4を巻回した際に生じる隙間に入り込んだ後に硬化するため、超伝導コイルを形成したテープ線材4を保形することができる。また、テープ線材4は全長にわたって表面に潤滑剤3が塗布された状態で含浸材5に含浸されているため、テープ線材4と含浸材5とは、テープ線材4が巻枠2に巻回される各周において潤滑剤3が介在した状態となる。
Then, the manufacturing method of the superconducting electromagnet 1 is demonstrated. First, the impregnating
なお、上記の製造方法の他、超伝導電磁石1は、まず、全長にわたって表面に潤滑剤3を塗布したテープ線材4に、更に含浸材5を付着させた状態で巻枠2に巻回する方法によって製造してもよい。この場合、巻回後に、巻枠2に含浸材5を追加注入してもよい。この方法でも、含浸材5が、テープ線材4を巻回した際に生じる隙間に入り込んで硬化するため、超伝導コイルを形成したテープ線材4を保形することができる。また、テープ線材4と含浸材5とは、テープ線材4が巻枠2に巻回される各周において潤滑剤3が介在した状態となる。
In addition to the manufacturing method described above, the superconducting electromagnet 1 is first wound around the winding
続いて、超伝導電磁石1の構成による作用について説明する。 Then, the effect | action by the structure of the superconducting electromagnet 1 is demonstrated.
上述したように、テープ線材4は主に金属等によって構成されるのに対し、含浸材5はエポキシ樹脂等によって構成されるため、テープ線材4と含浸材5とでは熱収縮率が異なる。このため、図2に示すように、超伝導電磁石1を冷却した場合のテープ線材4の熱収縮(矢印A1)と、含浸材5の熱収縮(矢印A2)には差があり、超伝導電磁石1の冷却に伴って熱応力が発生する。これにより、特に第2の部分7と含浸材5との間で、第2の部分7を第1の部分6から剥離させる方向の力が作用する。
As described above, the
ここで、超伝導電磁石1では、テープ線材4と含浸材5との間に潤滑剤3が介在しているため、超伝導電磁石1を冷却した場合であっても、潤滑剤3が流動することによって熱応力の発生を抑制することができる。従って、巻回されたテープ線材4の各周において剥離を抑制できる。
Here, in the superconducting electromagnet 1, since the
続いて、比較例に係る超伝導電磁石100について説明する。図4は、比較例に係る超伝導電磁石の、巻枠に巻回されたテープ線材を模式的に示す図である。
Next, the
図4に示すように、比較例に係る超伝導電磁石100では、テープ線材4と含浸材5との間に潤滑剤3が介在していない。このため、含浸材5が硬化すると、含浸材5がテープ線材4と強固に接着される。ここで、超伝導電磁石100を冷却した場合のテープ線材4の熱収縮(矢印A1)と、含浸材5の熱収縮(矢印A2)の差によって発生する熱応力により、特に第2の部分7と含浸材5との間で、第2の部分7を第1の部分6から剥離させる方向の力が作用する。比較例に係る超伝導電磁石100では、テープ線材4と含浸材5との間に潤滑剤3が介在していないため、第2の部分7が第1の部分6から剥離されて、超伝導コイルがダメージを受けるおそれがある。
As shown in FIG. 4, in the
以上説明したように、本実施形態に係る超伝導電磁石1によれば、テープ線材4と含浸材5との間には潤滑剤3が介在しているため、テープ線材4と含浸材5との固着が抑制される。このため、超伝導電磁石1を冷却した際にテープ線材4と含浸材5とが異なる熱収縮率によって収縮しても、テープ線材4に対して力が作用することを抑制できる。更に、テープ線材4は、巻枠2に巻回される各周において潤滑剤3が塗布されているため、テープ線材4に対して力が作用することをテープ線材4の各周において満遍なく抑制できる。従って、巻回されるテープ線材4の各周において剥離を抑制できる。
As described above, according to the superconducting electromagnet 1 according to the present embodiment, since the
また、本発明に係る超伝導電磁石1は、テープ線材4には、テープ線材4の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたって潤滑剤3が塗布されている。これにより、テープ線材4が延びる方向に対して垂直な断面の全周にわたってテープ線材4の剥離を抑制できると共に、テープ線材4に潤滑剤3を容易に塗布できる。
In the superconducting electromagnet 1 according to the present invention, the
また、本発明に係る超伝導電磁石1は、潤滑剤3の熱伝導率は、含浸材5の熱伝導率より高い。これにより、テープ線材4と含浸材5との間に潤滑剤3が介在していても、テープ線材4と含浸材5との間の伝熱効率を維持することができる。
In the superconducting electromagnet 1 according to the present invention, the thermal conductivity of the
本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、テープ線材4は、基板部金属層9及び成膜部金属層18の両方を設けているが、成膜部金属層18のみ設けられていてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, although the
また、テープ線材4を巻回する周数は、複数回であれば特に限定されず、超伝導電磁石1の使用目的やテープ線材4の太さ等の条件によって自由に変更できる。また、テープ線材4は、図2では、径方向に並ぶように巻回されているが、軸方向に並んで巻回されてもよく、軸方向又は径方向にずらして巻回されてもよい。
Further, the number of turns around which the
また、環状の巻枠2は、巻枠2の周方向に対して垂直な断面形状が、背板2aと、背板2aの両端からそれぞれ外周側に向かって立設された側板2b,2cと、によって構成されているが、巻枠2の断面形状は、テープ線材4を巻回し、且つ、テープ線材4を埋め込むように含浸材5を設けることができれば、異なる形状であってもよい。
The annular winding
また、テープ線材4には、テープ線材4の巻回方向に対して垂直な断面の全周にわたって潤滑剤3が塗布されていなくてもよく、図2に示すように、少なくとも、巻回されたテープ線材4の第2の部分7の外周面から、上面及び下面に回り込み、上面及び下面を過ぎた位置までの範囲(領域R)に潤滑剤3が塗布されていればよい。この場合でも、第2の部分7と含浸材5との間に潤滑剤3が介在することで、巻回されるテープ線材4の各周において剥離を抑制できる。なお、テープ線材4に潤滑剤3が塗布されておらずテープ線材4と含浸材5とが固着している場合、第2の部分7の上面及び下面のうち第2の部分7と基板8との境界の位置では、テープ線材4と含浸材5との熱収縮率の差による応力集中が発生し易い。これに対し、第2の部分7の上面及び下面を過ぎた位置まで潤滑剤3が塗布されていることで、応力集中によってテープ線材4に対して過大な力が作用することを抑制できる。以上により、巻回されるテープ線材4の各周において剥離を抑制できる。
Further, the
1…超伝導電磁石、2…巻枠、3…潤滑剤、4…テープ線材、5…含浸材、8…基板、17…超伝導層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Superconducting electromagnet, 2 ... Winding frame, 3 ... Lubricant, 4 ... Tape wire material, 5 ... Impregnation material, 8 ... Substrate, 17 ... Superconducting layer.
Claims (3)
前記巻枠に巻回され、少なくとも基板及び超伝導層を積層したテープ線材と、
前記テープ線材を埋め込むように前記巻枠に設けられる含浸材と、を備え、
前記テープ線材には、前記巻枠に巻回される各周において、前記テープ線材と前記含浸材とが固着することを抑制する潤滑剤が塗布されている超伝導電磁石。 An annular reel,
A tape wire wound around the winding frame and laminating at least a substrate and a superconducting layer;
An impregnating material provided on the reel so as to embed the tape wire,
A superconducting electromagnet in which the tape wire is coated with a lubricant that prevents the tape wire and the impregnating material from adhering to each other around the winding frame.
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