JP3199782B2 - 超電導コイルの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコイル内部の熱伝導を高
め得る超電導コイルの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高エネルギ物理分野での粒子計測用超電
導マグネット等においては、宇宙空間等無重力条件下で
使用されることを考慮して、超電導コイルを真空中に設
置し、別途に設置された冷媒容器、冷却管等から固体熱
伝導の作用により間接的にコイルを冷却する構造が採用
されている。これらの多くは直径および長さが１ｍ以上
と比較的大形のものが多い。

【０００３】ところで、真空外部からの輻射熱等により
上記冷媒容器、冷却管等（以下冷却体と呼ぶ）と超電導
コイルとの間に生じる温度差が著しく大きくなると超電
導コイルは、所要の性能を保つことができない。また、
超電導コイルに外部からのじょう乱を受け、クエンチ現
象が発生した場合には、コイルのエネルギの集中による
コイル焼損を防止しなければならないため、クエンチ発
生箇所からコイル全体へのクエンチ伝搬を速やかに行う
必要がある。これらは超電導コイルを運転する上におい
て、コイルの健全性を守るための基本的に必要な事項で
ある。

【０００４】一般に間接冷却を行う超電導コイルと冷却
体との間は、アルミニウム等の金属からなる冷却体およ
び超電導線材と、これらの間に介在する絶縁材料の相互
の接着により固体熱伝導が作用する構成が採られてい
る。そして、冷却体は通常超電導コイルに作用する強大
な電磁力に対してコイルを支持する構造体と一体になっ
ている。しかしながら、超電導コイルはしばしば過酷な
冷熱サイクルや電磁力、機械力を受け、コイルと冷却体
の間に局部的な剥離等が発生する恐れがある。

【０００５】このため、コイルの内面側に分割された金
属板からなるインナープレートを被着し、コイルの巻回
間方向に冷却体とは別体の熱伝導路を形成し、コイル全
体の温度が均一に保持されるように形成したものが知ら
れている。

【０００６】図５はインナープレートを備えた従来の内
巻超電導コイルの側面図である。図において、１は外巻
枠となる良熱伝導性金属円筒からなる冷却体、２は冷却
体１の内面側に被着された第１の対地絶縁層、３は絶縁
された超電導線を巻回して相互に固着したコイル、４は
コイル３の内面側に密接して形成された第２の対地絶縁
層、５は第２の対地絶縁層４の内周面に接着剤により被
着されたインナープレートである。

【０００７】このインナープレート５は、図示するよう
にコイル３と同一方向に鎖交する電気的周回路が形成さ
れ、誘導損失による発熱を防ぐため、円周方向に複数に
分割された長方形板で構成されている。また、インナー
プレート５は超電導コイルと共に極低温に冷却されてい
る状態において、熱伝導特性を最大限得るために、通常
９９．９９９％以上の高純度のアルミニウムが用いられ
る。さらに、インナープレートの目的の一つはあくまで
コイルに局所的な高温度部分を発生させず、速やかにコ
イル全体をクエンチさせることにあり、インナープレー
ト自体が過大な熱容量を有してはならない。これらの条
件からインナプレートは、通常１mm以下の薄板となり、
材料は非常に軟質な特性を持つ。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
成の超電導コイルを製造するには、前述したインナープ
レートを第２の対地絶縁層４に被着する工程において、
コイル曲率に対する曲げ加工、接着剤の塗布、インナー
プレートの固定、接着剤の硬化等の作業があるため、１
ｍ以上にも及ぶ長方形の板を変形させることなく、また
僅かの隙間も生じさせずに施工することは極めて困難で
ある。このため、作業時間が長くなり、不経済であるば
かりでなく、インナープレートに所要の伝熱効果が得ら
れなくなる恐れがある。本発明はコイル内部の熱伝導を
高めて温度上昇を低く抑制できる超電導コイルの製造方
法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、外巻枠となる筒状の冷却体の内面側に密接
して配設される第１の対地絶縁層、超電導線よりなるコ
イルおよび第２の対地絶縁層を一体的に固着し、且つ前
記第２の対地絶縁層側の表面を覆うようにインナープレ
ートを被着してなる超電導コイルの製造方法において、
前記コイルの巻装前に仮巻枠の外周にインナプレートを
配設して前記超電導線を前記第２の対地絶縁層を介して
外巻してコイルを形成し、次にこのコイルの外周側に前
記第１の対地絶縁層を介して冷却体を嵌込んだ後、これ
らインナプレート、コイル、第１および第２の対地絶縁
層を樹脂含浸してこれらを一体的に固着し、しかる後前
記仮巻枠を取外して超電導コイルを得る。

【００１０】

【００１１】

【作用】このような超電導コイルの製造方法によれば、
仮巻枠の外周にインナプレートを配設して超電導線を外
巻することにより、コイルの張力で仮巻枠の外周側に配
設されたインナプレートに対して一様な面圧をかけるこ
とが可能となり、この状態で樹脂含浸すればインナプレ
ートは樹脂で含浸される際に殆ど隙間なしにコイルに密
着する。従って、このような製造方法で得られた超電導
コイルにおいては、コイル、第２の対地絶縁層およびイ
ンナープレートが相互に良好な固体熱伝導が行われる状
態となし得る。

【００１２】

【００１３】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００１４】図１は本発明による超電導コイルの製造方
法を説明するための第１の実施例を示す側断面図であ
る。図において、外巻枠となる冷却体１はコイルの電磁
力に対する支持機能を有し、この冷却体１の内周側には
第１の対地絶縁層２、絶縁された超電導導体を巻回して
相互に固着したコイル３、第２の対地絶縁層４、さらに
インナープレート５を順に配して超電導コイルが構成さ
れることは従来と同様であるが、本実施例ではかかる構
成の超電導コイルを次のようにして製造する。

【００１５】すなわち、本実施例では、冷却体１より小
さな径の仮巻枠６を用いてその外周面上にインナープレ
ート５を仮固定し、その外周面に第２の対地絶縁層４を
形成した上で超電導線を適度な張力で巻回してコイル３
を形成し、さらにコイル３の外周面に第１の対地絶縁層
２を形成した後、冷却体１を焼嵌め等の手段により第１
の対地絶縁層２に密着させて組立てる。従って、仮巻枠
６を用いてインナープレート５の仮固定を行い、超電導
線をその外周側に外巻されることによってコイル全体に
均一な加圧力が作用することになる。

【００１６】次にこのように組立てられた各部材を一体
としてエポキシ樹脂を注入して真空含浸を行うと、これ
ら冷却体１、第１の対地絶縁層２、コイル３、第２の対
地絶縁層４および仮巻枠６の各部材相互間は隙間の非常
に小さい状態で固着される。その後、仮巻枠６を取外す
ことにより超電導コイルが得られる。この場合、仮巻枠
６は容易に取外し可能なように複数に分割され、これら
を組立てることで構成される強固なものが使用される。

【００１７】このような製造方法により得られる超電導
コイルにおいては、各部材の全てが一体に真空含浸され
て固体熱伝達が作用する。特にインナプレート５は高純
度のアルミ材料を用いた熱伝導を主たる目的とした部材
で、インナープレート５の接着が殆ど隙間なしで可能で
あり、接着作業そのものには取扱い上の不確実さ、すな
わちインナープレート５を曲げる、折る等によりコイル
表面に密着しない等の恐れが殆どなくなる。

【００１８】従って、コイル３の内周面におけるインナ
ープレート５の接着作業が極めて簡易になると共に、イ
ンナープレート５とコイル３との間の熱伝達が良好に行
われるので、コイル全体が常に均一に冷却され、クエン
チ防止の機能を良好に保つことができる。また、外的な
じょう乱によってコイルがクエンチしたときでも局所的
な高温部分を緩和して速やかにコイル全体にエネルギが
拡散されるので、コイルが損傷することなく、信頼性の
向上を図ることができる。

【００１９】図２は本発明方法が適用される超電導コイ
ルの第２の実施例を示す断面図であり、図１と同一部品
には同一記号を付して示してある。本実施例では超電導
コイルが単層巻きの場合であり、かかる構成の超電導コ
イルであっても仮巻枠６の外周側にインナープレート
５、第２の対地絶縁層４、超電導線を単層巻きしたコイ
ル３、第１の対地絶縁層２を順に配して組立て、これを
第１の実施例と同様の方法によってインナープレート５
をコイル３と密着させることにより、前記実施例と同様
の作用効果を得ることができる。

【００２０】このように第１および第２の実施例で述べ
た超電導コイルの製造方法によれば、インナプレート５
とコイル３の密着性が極めて良好になり、このことによ
ってインナープレート５の機能である定常運転時におけ
る冷却作用としては、間接冷却のコイルにおいて長さ、
直径とも１ｍを越えるような比較的大型のコイルでも温
度分布を高々０．５°Ｋ程度の温度差に抑え、またクエ
ンチ時に局所的に温度上昇が生じても速やかにコイル全
体を均熱化し、クエンチ伝搬を促進するイコライザ機能
についても、コイルが成形され固着された後からインナ
ープレートを張り付ける作業方法に比べて飛躍的に向上
する。従って、超電導コイルとしては、クエンチ防止性
能が高く、また万一クエンチした場合でもコイルの損傷
を防止できるので、信頼性の高い超電導コイルとなし得
る。

【００２１】以上はインナープレート５とコイル３との
密着性の観点からの解決手段であるが、冷却能力および
クエンチ保護能力が不十分となる他の要因として、特に
コイルが多層巻構成の場合、冷却板から最も離れた層の
超電導線にクエンチが発生すると、常電導抵抗部の拡散
は超電導線の長手方向に対しては比較的速く伝搬する
が、コイルの横方向および層間方向にはホルマールおよ
びエポキシ樹脂の比較的熱伝導率の小さい絶縁層が介在
するため、横方向のクエンチ伝搬は非常に遅く、実験に
よれば縦方向の1/100 〜1/1000程度になる。このため、
初めにクエンチの発生した部分の線材は局所的に発熱が
大きくなり、さらに冷却板から離れた位置のために冷却
されにくく、線材周囲の樹脂のクラック発生原因とな
る。さらに、コイルの蓄積エネルギが大きい場合には絶
縁層の損傷、あるいは線材の溶損に至る場合も考えられ
る。

【００２２】図３および図４はコイル内部の熱伝導を向
上させ得る本発明による超電導コイルの製造方法の実施
例を説明するための図であり、図３は超電導コイルの一
部を示す断面図、図４は同じく正面図である。図３にお
いて、超電導線１１はＮｂＴｉと銅のモノリス導体に純
アルミの安定化材が添付された平角導体で、表面をホル
マールにより絶縁処理されている。この超電導線１１を
ソレノイド巻きして多層コイルとする際、純アルミのス
トリップ１３を巻線方向と直角に配置し、次の層の巻線
を行う時に挟み入れる。このアルミストリップ１３は高
純度のアルミニウムを0.25mm程度の厚さに圧延したもの
で、幅はコイル１２の周長の1/50〜1/60程度とし、コイ
ルの周方向に上記ストリップの幅と同等以上の間隔を空
けて断続的に配置する。

【００２３】上記アルミストリップ１３は配置した上層
に２層分の巻線を介した上層に連続的に折返され、さら
に次の層の巻線との層間に挟み入れられる。この場合、
アルミストリップ１３は図４に示すように２層毎に互い
に連続して巻線の層間に挟み入れられ、位相をずせて順
次次の２層間が結ばれる配置となる。なお、１５はコイ
ル１３を外側から支持する冷却機能を有する冷却板であ
る。

【００２４】このようにして巻回された超電導コイル１
２は一体にエポキシ樹脂１６により含浸固着されて超電
導線１１とアルミストリップ１３および他の絶縁物スペ
ーサ１７相互の間は全て埋められ、接着されて多層超電
導コイルとなる。

【００２５】このような方法により得られた多層超電導
コイルにおいて、励磁中に発生する局所的な発熱ないし
クエンチ発生時の局所的なエネルギの集中による温度上
昇は、各層間に挟み入れられた熱伝導率の大なるアルミ
ストリップの作用により、線材と直角方向、特に層間で
の熱伝達が高速になり、局所的な温度上昇が抑制される
と共に、クエンチバック機能が増大する。

【００２６】また、局所的な発熱、例えばレジンクラッ
クによる発熱等も冷却能力が高いことから、クエンチに
至らず安定化され易くなる。また、ある層から１枚のア
ルミストリップは次の２層上方の導体へ熱伝達が行われ
るが、その熱は導体を線材方向（周方向）に高速で伝わ
るので、次の位相に配置されたアルミストリップに伝え
られ、さらに次の２層上方の導体へ熱伝達される。

【００２７】従って、かかる超電導コイルにおいては、
層間に挟み入れられたアルミストリップにコイル幅の約
２倍の寸法に切断された材料を用いているので、第１の
層を巻線した後、第２の層の巻線終了までアルミストリ
ップを仮固定しておくことが比較的容易に行うことがで
きる。さらに加えて、高純度のアルミストリップはその
目的とする熱伝導率が機械的歪みにより容易に低下する
性質があるので、曲げ戻しの回数が増えることにより、
上記クエンチバックの性能が低下する可能性が大とな
る。その点本構成の場合、曲げ戻しは１度のみで次の層
の巻線を行うことができる。

【００２８】他方、超電導線の長手方向に対しては非常
に熱伝搬が速いので、アルミストリップが周方向に断続
的に配置され、全ての層間のアルミストリップが連続し
ている場合より、純アルミの機能が向上し、巻線作業も
容易に行うことができる。さらに、多層コイルの内径、
外径差が大きければ、層によってアルミストリップの幅
を変えて熱伝導能力の増強を図ることもできる。また、
本構成の超電導コイルの励磁中に、万一クエンチが発生
した場合にコイル内部に発生する電圧は数ｋＶに達する
ことがあるが、コイル内に挟み入れたアルミストリップ
は対地電位と導体電位の間で浮遊した電位となる。しか
し、アルミストリップが上記実施例の如く２層毎に分割
されているので、導体との電位差が小さく抑えられ、絶
縁物の量の低減、ひいてはコイルの寸法、重量の低減を
行いながらコイルの局部的な温度上昇の少ない多層超電
導コイルが実現できる。

【００２９】なお、上記実施例では、アルミストリップ
の連続性を第１〜第３の層、第３〜第５の層の如く、２
層おきとしていたが、各層でも効果は同等以上と考えら
れ、またアルミストリップの連続性を３〜５層おきとし
ても、同様の効果が期待できる。さらに、上記実施例で
は純度の高いアルミストリップを用いたが、他の金属ス
トリップ、例えば銅の場合でも同様の効果が得られる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、超電
導内部の熱伝導を高めて温度上昇を低く抑制できる超電
導コイルの製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超電導コイルの製造方法を説明す
るための第１の実施例を示すコイル一部の断面図。

【図２】本発明の第２の実施例を示すコイル一部の断面
図。

【図３】本発明による多層超電導コイルの製造方法を説
明するための実施例を示すコイル一部の断面図。

【図４】同実施例を示すコイル一部の正面図。

【図５】従来の超電導コイルの製造方法を説明するため
の側断面図。

【符号の説明】

１……外枠を兼ねた冷却体、２……第１の対地絶縁層、
３……コイル、４……第２の対地絶縁層、５……インナ
ープレート、６……仮巻枠、１１……超電導線、１２…
…超電導コイル、１３……アルミストリップ、１５……
冷却板、１６……エポキシ樹脂、１７……絶縁スペー
サ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外巻枠となる筒状の冷却体の内面側に密
   接して配設される第１の対地絶縁層、超電導線よりなる
   コイルおよび第２の対地絶縁層を一体的に固着し、且つ
   前記第２の対地絶縁層側の表面を覆うようにインナープ
   レートを被着してなる超電導コイルの製造方法におい
   て、前記コイルの巻装前に仮巻枠の外周にインナープレ
   ートを配設して前記超電導線を前記第２の対地絶縁層を
   介して外巻してコイルを形成し、次にこのコイルの外周
   側に前記第１の対地絶縁層を介して冷却体を嵌込んだ
   後、これらインナープレート、コイル、第１及び第２の
   対地絶縁層を樹脂含浸してこれらを一体的に固着し、し
   かる後前記仮巻枠を取外して超電導コイルを得るように
   したことを特徴とする超電導コイルの製造方法。