JP3365130B2 - 超電導コイルの製作方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導コイルの製作方法
に係り、特に、超電導線が樹脂によりモールドされてい
る例えば磁気浮上列車，超電導加速器，核融合装置等に
用いられる超電導コイルの製作方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に採用されているこの種の超
電導コイルは、図３にその断面が示されているように、
超電導導体１が安定化金属２に収納されて形成される超
電導線４が複数巻回されてコイルを構成し、そして、超
電導線４間、及び／または超電導線４の表面を樹脂１０
でモールドした構成となっている。

【０００３】その製作方法は、図１に示す手順とほぼ同
じで、素線である超電導導体１を安定化金属２に収納
し、これを圧延機１２により冷間圧延３し、超電導線４
を所定形状に成形する。成型後の超電導線を焼鈍し、型
枠１１の周りに超電導線４を密着させ環状に巻線６し、
その後コイルに樹脂１０を含浸７し、高温槽１３で加熱
し合成樹脂１０を硬化８して超電導コイル９とするのが
普通である。

【０００４】通常、実際の装置に組み込まれた超電導コ
イル９は、装置運転時の極低温冷却下において、超電導
線４の収縮により超電導線４間に空隙ができてしまい、
超電導コイル９全体の剛性が低下すると共に超電導線４
間の面圧も低下する。この面圧が低下することにより超
電導線４同士の滑りが生じ、この滑りによる摩擦熱が発
生して、超電導状態が維持できなくなる。摩擦熱の発生
は超電導破壊の主因であり、また、剛性の低下に伴い超
電導コイル９が変形し、変形すると不均一な磁界が発生
してしまうので、超電導コイル９の所期の性能が発揮で
きない。

【０００５】この超電導破壊、及び／またはコイル剛性
の低下を回避するために、超電導線間、及び／または超
電導コイル全体を樹脂１０によりモールドし一体化が行
われており、このモールドすることにより、超電導線４
間の滑りを無くし超電導コイル９の剛性を上げている。

【０００６】なお、これに関連するものとしては、例え
ば特開昭57−133607号公報が挙げられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように樹脂１０に
よりモールドされた超電導コイル９であると、超電導コ
イル９全体が一体化される。

【０００８】しかしながら、この製作方法では含浸した
樹脂に多数の空隙が存在する可能性があり、この樹脂の
硬化だけでは超電導コイル９の全体剛性はあまり増加し
ない。これに加え超電導線４、及び／または硬化した樹
脂１０間の面圧は超電導コイル９製作時には殆ど与えら
れず、超電導装置運転時の低温冷却により僅かに超電導
線４間、及び／または超電導線４と樹脂１０間の面圧上
昇が生じ、この面圧上昇だけで運転時の超電導線４の動
き（ワイヤームーブメント）を止めることは困難であ
る。

【０００９】このような超電導コイル９を低温冷却状態
にして超電導装置を運転すると、超電導コイル９の剛性
不足による超電導器機全体での発熱や超電導線４間、及
び／または超電導線４と樹脂１０間の面圧不足により、
滑り摩擦による発熱が起こり超電導破壊（クエンチ）が
生じてしまう。

【００１０】このように従来の超電導コイル９の製作方
法では、超電導線４間、及び／または超電導線４と樹脂
１０間の面圧が不足し、超電導コイル９の剛性不足によ
る超電導器機全体の剛性不足が原因の熱発生による超電
導破壊や、超電導線４間、及び／または超電導線４と樹
脂１０間の滑り摩擦熱による超電導破壊を起こす嫌いが
あった。

【００１１】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、超電導磁石内で冷却して使用され
る超電導コイルであっても、超電導コイルの剛性を上昇
させ超電導器機全体の剛性を上昇させる事は勿論、超電
導線間及び／または超電導線と合成樹脂間の滑りによる
発熱が原因の超電導破壊を生じる可能性の少ない超電導
コイルを得ることができるその製作方法を提供するにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は超電導磁石内で
冷却して使用される超電導コイルにおいて、超電導導体
の周りに安定化金属を被覆した超電導線を、冷間圧延に
より所定形状に成形し、巻回して超電導コイルを製作す
る際に、前記超電導線を冷間圧延により所定形状に成形
した後に焼鈍しないまま型枠周りに該超電導線に張力を
与え密着させて環状にコイルを製作し、次いで超電導コ
イルを安定化金属がクリープする温度まで昇温し、その
後運転時の極低温まで冷却されて使用されることによ
り、所期の目的を達成するようにしたものである。

【００１３】

【作用】本発明では、冷間圧延された超電導線を焼鈍せ
ず、超電導線に張力を与えながら型枠周りに巻回し超電
導コイルとし、次いで超電導コイルを安定化金属がクリ
ープする温度まで昇温することにより、冷間圧延で発生
する安定化金属の圧縮ひずみを残留させ、この安定化金
属に残留した圧縮ひずみは昇温により解放され、見かけ
の上で超電導線が膨張し、超電導線に圧縮応力が発生す
る。運転時における超電導コイル極低温冷却時には、張
力を与えて巻回した超電導線に収縮による圧縮ひずみが
生じ、超電導線間の面圧が増加する。超電導コイルの超
電導線間の面圧増加により、低温冷却時（運転時）での
超電導器機全体の剛性不足による発熱や超電導線間、及
び／または超電導線と合成樹脂間の滑り摩擦による発熱
などを生じる恐れが少なくなるので、超電導破壊を起こ
りにくくする上記目的が達成される。

【００１４】

【実施例】以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳
細に説明する。

【００１５】図３に示すように、超電導コイル９は従来
と同様の構成であり、ＮｂＴｉ超電導導体１が安定化金
属２である銅に収納されて形成される超電導線４が複数
巻回された構造である。また、超電導線４間、及び／ま
たは超電導線４の表面を樹脂１０でモールドされた構成
のものもある。

【００１６】その製作方法は図１の工程図と図２のフロ
ー図に示すように、従来例と殆ど同じで、素線であるＮ
ｂＴｉ製の超電導導体１が安定化金属２である銅に収納
されており、圧延機１２で押出し、または引き抜きによ
り冷間圧延３の加工を行い所定形状に成形され超電導線
４とする。この状態において超電導線４表面の安定化金
属２である銅には圧縮応力が残留している。

【００１７】次に、図４に示したステンレス、または繊
維強化プラスチック製の型枠１１に超電導線４を巻線機
によって張力を与えながら環状に巻回してコイル状とす
る。型枠１１をコイル完成後外す場合には、型枠１１の
表面に離形剤が塗布される。仕様目的に応じて巻線後、
コイル間の隙間、及び／またはコイル表面に樹脂１０が
真空加圧含浸される。含浸した樹脂１０の硬化のため
に、加熱，冷却，温度保持等の制御が可能な高温槽１３
にコイルを入れ温度履歴（キュア）が与えられる。温度
履歴は使用する樹脂によって変化し、その温度及び時間
は、樹脂の化学反応が促進されて所定の性能が発揮され
るように決定されている。

【００１８】本製作方法では、超電導線４を冷間圧延３
により所定形状に成形した後に焼鈍しないままコイルを
製作することに特徴があり、この点が従来の製作方法と
は異なっている。

【００１９】超電導線４をクリープ温度以上に昇温する
ための温度履歴（キュア）の一例を図５に示す。この図
の横軸はキュア時間を示し、右側縦軸は温度を、左側縦
軸は導体ひずみを示す。

【００２０】該図のＡに示す如く、高温槽１３内の温度
を６０分で常温から１００℃へ昇温後３０分間保持し、
次いで６０分で１００℃から最高温度１５０℃へ昇温後
300分間保持し、最後に４８０分で１５０℃から常温ま
で降温するといった温度履歴が与えられた。

【００２１】該図のＢは、冷間圧延後焼鈍しないままの
超電導線４に対し、巻線時の張力を負荷し、該図のＡと
同じ温度履歴を与えた時の超電導線４のひずみの変化を
表す。未焼鈍の超電導線４は温度の上昇に伴って僅かに
熱膨張による引張りのひずみが生じ、その後、温度が安
定化金属２が短時間にクリープを起こす温度になるとひ
ずみは圧縮側へと変化する。一定時間保持後降温した状
態では、約１５００μの圧縮ひずみが残留する。運転時
の極低温冷却時には超電導コイル９の全体が径方向へ収
縮し、超電導コイル９の製作時に生じる圧縮応力と相ま
って、超電導線４間の面圧が上昇し、運転時の滑り摩擦
による発熱を減少させ、また、超電導コイル９の剛性も
向上し、超電導破壊が起こりにくくなる。

【００２２】巻線後、超電導コイル９間の隙間、及び／
またはコイル表面に樹脂１０が真空加圧含浸される場
合、含浸した樹脂１０が昇温硬化であるとき温度履歴
(キュア)が与えられる。安定化金属２のクリープ温度を
超える様な温度履歴が樹脂硬化に必要な樹脂を選択する
ことにより、上記同様の効果が期待できる。超電導線４
の残留応力により、超電導線４と樹脂１０間にひずみの
差を生じるため、超電導コイル９の完成時に超電導線４
と樹脂１０間の面圧が上昇し、運転時の滑り摩擦による
発熱を減少させ、超電導破壊を起こりにくくする。

【００２３】また、超電導線４を巻線機によって張力を
与えながら環状に巻回してコイル状としているので、低
温冷却時に超電導コイル９全体が径方向へ収縮し、樹脂
１０に引張応力が生じ、超電導コイル９の製作時に合成
樹脂に生じる引張応力と相まって、超電導線４と樹脂１
０間の面圧が上昇し、運転時の滑り摩擦による発熱を減
少させ、また、モールドした合成樹脂内部の空隙が減少
し超電導コイル９の剛性も向上し、超電導破壊が起こり
にくくなる。

【００２４】従って、超電導コイル９を製作する時は、
冷間圧延後焼鈍せずに圧縮の応力を残留させた超電導線
４を使用し、超電導線４に張力を与えながら型枠１１周
りに巻回し超電導コイル９とし、次いで超電導コイル９
を安定化金属２がクリープする温度まで昇温することに
より、超電導機器全体の剛性が向上し、剛性不足による
各要素間の熱発生を減少させ、超電導破壊を起こりにく
くする。

【００２５】本発明の他の実施例としては、前記超電導
コイル９の製造時に、樹脂１０の硬化後に樹脂１０が短
時間にクリープしない温度域で、超電導線４を巻回した
型枠１１を外す方法がある。型枠１１を外すことによ
り、張力を与えられ巻回した超電導線４が縮むことによ
り超電導コイル９全体が収縮し、超電導線４と樹脂１０
の面圧上昇、及び超電導コイル９全体の剛性が向上す
る。

【００２６】図６は超電導コイル９の製造時と、その後
の運転時に合成樹脂に発生するひずみを示したものであ
るが、キュア終了後そのまま運転温度まで冷却を行った
場合、超電導導体１，安定化金属２、及び合成樹脂の組
合せによっては、この図に示すように樹脂１０のひずみ
が樹脂破壊ひずみに達してしまうことがある。冷却時に
樹脂破壊に至らない場合でも運転時の励消磁によってひ
ずみが変化し、破壊に至る可能性が有る。型枠１１を外
すことにより、合成樹脂に発生した引張ひずみを減少さ
せ、その後冷却を行うことで合成樹脂のひずみを破壊領
域に達しさせない効果が現われる。

【００２７】型枠１１は図４に示す様な数個のブロック
１８とブロック間に置かれるコッタ１９から成る構造と
する。コッタ１９はコッタ同士の接触面に角度がつけて
あり、これを押し込むことにより、ブロック１８と超電
導線４の接触面に加圧することができる。表面に離形剤
を塗布した型枠１１を図のように配置し、その周りに超
電導線４を密着させて一回から数回巻回す。この時点で
コッタ１９を押し込みブロック１８と超電導線４間に面
圧をかけ形状を決定し、その後、所定の回数超電導線４
を巻回しコイル形状とする。そして樹脂含浸とキュア終
了後、含浸した樹脂１０が短時間でクリープしない温度
まで超電導コイル９が降温したところでコッタ１９を引
き抜き、順にブロック１８を外していく。

【００２８】尚、超電導導体１を包む安定化金属２は、
電気伝導性が良く、加工が容易で、低い温度でクリープ
を起こす高純度銅、またはアルミニウムである。

【００２９】さらに、含浸した樹脂１０を硬化させるた
めの温度履歴の最高温度は、安定化金属２に高純度銅を
選択した場合、銅が短時間でクリープを起こす温度であ
る１４０℃以上、かつ、樹脂１０が揮発しない温度にす
ることが好ましい。従って、含浸する樹脂１０はエポキ
シ樹脂、あるいはポリイミド樹脂等が好ましく、これら
樹脂は軟化温度が高いため、樹脂硬化の最高温度を上昇
させることが可能となり、高純度銅が容易にクリープを
起こす。これら樹脂の揮発温度は２４０℃以下であるた
め、樹脂硬化時の温度履歴の最高温度は１４０℃から２
４０℃とする。

【００３０】また、安定化金属２にアルミニウムを選択
した場合、アルミニウムはクリープし易いため、温度履
歴の最高温度は１００℃から１５０℃とし、含浸樹脂は
この温度で硬化するものとする。

【００３１】上記方法で製作された超電導コイル９は、
冷却用の液体ヘリウムが導入される低温槽１４の内側に
荷重支持体１５により固定される。この低温槽１４の外
側にも荷重支持体１５を設置し、低温槽１４の外側に設
けた外槽１６と接続する。低温槽１４と外槽１６の間に
は熱浸入防止の為の液体窒素が運転時には流され、超電
導磁石１７の運転時には超電導コイル９を極低温に冷却
して使用される。

【００３２】

【発明の効果】以上説明した本発明の超電導コイルの製
作方法によれば、超電導導体の周りに安定化金属を被覆
した超電導線を、冷間圧延により所定形状に成形し、成
形した超電導線を焼鈍せず、超電導線に張力を与えなが
ら型枠周りに密着させて環状に巻回してコイルとし、こ
のコイルを安定化金属のクリープ温度以上に昇温した後
に超電導磁石として組み立てられ、極低温冷却状態で使
用するものであるから、冷間圧延で発生する安定化金属
の圧縮ひずみを残留させ、この安定化金属に残留した圧
縮ひずみは昇温により解放され、見かけの上で超電導線
が膨張し、超電導線に圧縮応力が発生し、運転時におけ
る超電導コイル極低温冷却時には、張力を与えて巻回し
た超電導線に収縮による圧縮ひずみが生じ、超電導線間
の面圧が増加し、超電導線間の面圧はより増加し、超電
導コイルの剛性向上により、低温冷却時（運転時）での
超電導器機全体の剛性不足による発熱や超電導線間及び
／または超電導線間の滑り摩擦による発熱などを生じる
恐れが少なくなり、超電導破壊が生じる可能性の少ない
この種超電導コイルを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導コイルの製作方法の一実施例を
示す製作工程図である。

【図２】本発明の超電導コイルの製作の手順を示すフロ
ー図である。

【図３】超電導コイルの概略構成を示す断面斜視図であ
る。

【図４】超電導コイルと巻線用型枠を示す平面図であ
る。

【図５】本発明の超電導コイルに採用される超電導線の
温度履歴の一例と冷間圧延後未焼鈍の超電導線のひずみ
変化を表す特性図である。

【図６】本発明の超電導コイルの製作時における温度変
化と合成樹脂ひずみの関係を表す特性図である。

【符号の説明】

１…超電導導体、２…安定化金属、３…冷間圧延、４…
超電導線、５…張力、６…巻線、７…樹脂含浸、８…昇
温樹脂硬化（温度履歴）、９…超電導コイル、１０…樹
脂、１１…型枠、１２…圧延機、１３…高温槽、１４…
低温槽、１５…荷重支持体、１６…外槽、１７…超電導
磁石、１８…ブロック、１９…コッタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐伯 満 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 6/06 ZAA C21D 8/00 C21D 9/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導導体の周りに安定化金属を被覆した
   超電導線を冷間圧延により所定形状に成型して前記安定
   化金属に圧縮応力を残留させ、前記超電導導体に張力を
   与えながら型枠と密着させ環状に巻回して超電導コイル
   とし、前記安定化金属がクリープする温度まで昇温し、
   その後冷却することを特徴とする超電導コイルの製造方
   法。
2. 【請求項２】請求項１記載の超電導コイルの製造方法に
   おいて、環状に巻回して前記超電導コイルとした後、該
   超電導コイル全体に樹脂を含浸してモールドし、前記安
   定化金属のクリープ温度よりも高い温度で樹脂を昇温硬
   化させることを特徴とする超電導コイルの製造方法。
3. 【請求項３】前記超電導コイル製造時に、前記昇温，冷
   却過程終了後、前記型枠を外すことを特徴とする請求項
   １、又は２記載の超電導コイルの製造方法。
4. 【請求項４】前記型枠は、数個のブロックとブロック間
   に置かれるコッタからなることを特徴とする請求項１，
   ２、又は３記載の超電導コイルの製造方法。
5. 【請求項５】前記超電導導体を被覆する安定化金属は高
   純度銅、若しくはアルミニウムのいずれかが用いられて
   いることを特徴とする請求項１又は２記載の超電導コイ
   ルの製造方法。
6. 【請求項６】含浸した樹脂を硬化させるための温度履歴
   の最高温度が、銅のクリープ温度より高い１４０℃から
   ２４０℃であるエポキシ樹脂、若しくはポリイミド樹脂
   を含浸樹脂としたことを特徴とする請求項２、又は５記
   載の超電導コイルの製造方法。
7. 【請求項７】含浸した樹脂には、アルミニウムのクリー
   プ温度より高い、１００℃から150℃で硬化する樹脂が
   用いられている請求項２、又は５記載の超電導コイルの
   製作方法。
8. 【請求項８】超電導導体の周りに安定化金属を被覆した
   超電導線を冷間圧延により所定形状に成型し、これを巻
   回して超電導コイルを製作するに際し、 前記超電導線を冷間圧延により所定形状に成型した後に
   焼鈍ししないまま型枠周りに該超電導線に張力を与え密
   着させて環状にコイルを製作し、次いで、超電導コイル
   を前記安定化金属がクリープする温度まで昇温し、その
   後、運転時の極低温まで冷却されることを特徴とする超
   電導コイルの製造方法。