JP3868216B2 - 化合物系超電導コイル及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化合物系超電導コイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、例えば特表平３−５０３１０３号公報に示された従来のNb3Sn超電導コイル３１における電極(ターミナル)を示す断面図である。図４において、１６はNb3Sn超電導コイル３１本体の上面１７に取り付けられたターミナル組立体、１８、２０及び２７は熱処理前のNb3Sn導体、１９はターミナル組立体１６におけるターミナル台、２１はターミナル台１９上に設けた支柱、２２は外部リード、２３はターミナル台１９の本コイル３１への接合面、２４はターミナル台１９内で導体が貫通する穴、２５はターミナル台１９を本コイル３１に接合させるために用いた接着剤、２６はターミナル台の下部周面箇所である。
【０００３】
次に、動作について説明する。熱処理済みのNb3Sn線材は脆くて曲げ歪や引っ張り歪により超電導特性、特に臨界電流(Ic)特性に劣化が起こるため、Nb3Sn超電導コイルの製造方法としては、Nb3Sn線を熱処理してから歪をコントロ−ルした状態で巻回するリアクト＆ワインド法(以下、R&W法)と、熱処理前のNb3Sn超電導線を予めコイル状に巻回してから熱処理するワインド＆リアクト法(以下W&R法)の２種類の何れかによって製造される。
【０００４】
この特表平３−５０３１０３号公報では、Nb3Sn超電導コイルの場合は後者の製造方法(W&R法)を採用したいる。コイル３１の本体に接着されたタ−ミナル台１９中の穴２４に熱処理前のNb3Sn超電導体２０を通し、その上部の支柱２１に導体２７を巻き付けて固定し、その後熱処理してNb3Snを生成した後に、電気的接続を行うというコイル構造、或いは電極構造にすることによって、脆いNb3Sn線材によるコイル端部のリード部分やターミナル部分等に有害な歪が加わるのを防いでいる。
【０００５】
一方、前者の製造方法(R&W法)により生成される一般的なNb3Sn超電導コイルにおいても、電極がコイル上面或いは下面に取り付けられているが、一般にはコイル本体と一体的にモールドされた樹脂含浸コイルの構造にはなっていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、何れの方法により製作されたコイルにおいても、電極とコイル本体とは一体的に形成されていないため、熱処理した脆い化合物系線材では、コイルを冷却する時に発生する熱収縮による歪に基づく劣化や、通電時に発生する電磁力による歪に基づく劣化、更には人為的な作業ミスによる劣化が特に電極部において起きやすく、最悪の場合、此処で断線が発生するとコイルとして使用できなくなるという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、万一、電極からコイル巻枠に設けた穴等を通ってコイル本体に至る渡りの化合物系線材の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生しても、対処可能な構造のコイルを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る化合物系超電導コイルにおいては、電極からコイル本体に至る渡りの化合物系線の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生しても対処可能なように、超電導コイルの端部において常電導のリード線、もしくは熱処理済み化合物系超電導線を電極とは別に接続し、コイルの上面、或いは下面にこのリード線、もしくは熱処理済み化合物系超電導線材を一体にモールドした構造の予備電極を採用したものである。
【０００９】
また、この発明に係るR&W法による化合物系コイルの製造方法は、予め巻枠のフランジ内部に電極を取り付けてから、この出張った電極と共に平面を形成するスペーサー材で巻枠を形成し、この巻枠に、熱処理及び絶縁処理済みの化合物系超電導線を巻線する時に、コイル端部において電極とは別に常電導金属によるリード線、もしくは熱処理済み化合物系超電導線を接続し、このリード線、もしくは熱処理済み化合物系超電導線をスペーサー材に設けた溝の中に埋設しつつ巻線し、このコイルを樹脂含浸したのち、このコイルと一体化した電極をフランジから脱着し、場合によっては巻枠及びスペーサー材も取り外す工程からなるものである。
【００１０】
更に、この別の発明に係わるW&R法による化合物系超電導コイルの製造方法は、予め巻枠のフランジ内部に電極を取り付けてから、この出張った電極と共に平面を形成するスペーサー材で巻枠を形成し、この巻枠に無機絶縁被覆した未熱処理の化合物系超電導線を巻回する時に、コイル端部において電極とは別に常電導金属によるリード線、もしくは未熱処理の化合物系超電導線を接続し、このリード線、もしくは未熱処理の化合物系超電導線をスペーサー材に設けた溝の中に埋設しつつ巻回し、このコイルを熱処理してから樹脂含浸したのち、このコイルと一体化した電極をフランジから脱着し、場合によっては巻枠及びスペーサー材も取り外す工程からなるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるR&W法によるNb3Sn超電導コイル１を説明するための図であり、より具体的には本コイルの両端近傍において銅線等の常電導金属によるリード線、もしくは熱処理済みNb3Sn超電導線による別の電極(以下予備電極５と記す)を設け、この予備電極５をコイル本体の上面に本来の電極３と共に一体にモールドした構造のコイルの斜視図である。
【００１２】
図１において、２はホルマール絶縁された熱処理済みのNb3Sn超電導線(線径０.８mm)による巻線部である。３は巻線部２の両端に接続される銅製の電極、４は電磁力を増強するために設けたステンレス線(SUS304製、線径１mm)の巻線部である。予備電極５はNb3Sn超電導コイル１の両端の近傍部にてハンダ付け等でそれぞれ接続され、樹脂含浸により当Nb3Sn超電導コイル１と一体化にされる。
【００１３】
予備電極５と電極３を図１に示すようなNb3Sn超電導コイル１本体の上面に一体にモールドさせた構造のコイルを得るには、例えば図２に示すような形状の巻枠Ｈを用いればよい。図２において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。６は電極３と超電導線の巻線部２との絶縁を確保するために挿入されたPET紙(厚さ０.１mm)、７および８は電極３と共に平面を形成するテフロン製のスペーサー材であり、９は巻枠Ｈの巻芯、１０は巻枠Ｈにおける上部のフランジである。
【００１４】
１１は予備電極５をスペーサー材８内に埋め込むために設けた断面がＵ字状の溝である。１２はコイル本体と巻枠Ｈのフランジ１０とを絶縁するためのPET紙による絶縁シート、１３ａは巻枠Ｈの巻芯９をコイル本体から後で離型するために用いたテフロン製の離型材である。
【００１５】
図に示されるように、先ず巻枠Ｈの巻芯９と巻枠Ｈのフランジ１０を嵌合したのち、電極３をテフロン製のスペーサー材８を介してフランジ１０内部にネジで固定しておき、この出張った電極３と平面を共に形成するテフロン製のスペーサー７で巻枠Ｈのフランジ面を構成することにより当巻枠Ｈを組み上げる。電極３をフランジ内部に固定するための前述のネジには、後の脱着のために離型材を塗布しておくのが好ましい。
【００１６】
次に、熱処理及び絶縁処理済みのNb3Sn超電導線２aを巻回する。巻線の巻き始めと巻き終わりにおいては、コイル端部のNb3Sn超電導線２aの絶縁皮膜を除去してから、そのNb3Sn超電導線２aを固定する時の曲げ歪が１％未満となる構造の電極３にネジ３ａ(図１)で固定し、はんだ付けによる電気的接続を施す。この電極３の構造としては、Nb3Sn超電導線２aをこの電極３に固定した時の曲げ歪が１％未満となる様に、徐々に深さを増す直線状で断面がＶ字状の溝を施してある。
【００１７】
次に、電極３から１ターン以内のコイル端近傍部分の線材に対し、絶縁皮膜を除去したのち、その部分に予備電極５として線径０.８mmの熱処理及び絶縁処理済みNb3Sn超電導線(接続部分の絶縁被覆は取り除き済み)をはんだ付けによって接続し、この接続部分の絶縁のために、カプトンテープＴを巻き付ける。なお、予備電極５を埋設するため、図２に示したようにテフロン製のスペーサー材７に対し、予備電極５を取り付ける部分に深さ２mmのＵ字状の溝を前もって設けておいた。この予備電極５はスペーサー材７に設けたＵ字状の溝１１の中になるべく真っ直ぐな形状で埋設しておくのが好ましい。
【００１８】
この予備電極５の取り付けを終えた後、Nb3Sn超電導線２aを巻回し、巻回終了時のコイル端部においても、本来の電極３以外に同様な予備電極５を取り付ける。更に、コイルの外側には電磁力を増強するためにステンレス線(SUS304製、線径１mm)による巻線部４を設ける。このようにして巻回されたコイルを樹脂含浸したのち、ネジを外すことでコイルおよびこれと一体化した電極３をフランジ１０から脱着し、更には、巻芯９及びフランジ１０とスペーサー材７および８を離型して取り外した後、最後に電気配線を施すことによって本Nb3Sn超電導コイル１が完成する。
【００１９】
本例ではコイルの支持方法としては、例えばコイル下面と上面をGFRP等の絶縁板で挟んでボルト等で固定して受ける方法を用いたが、コイルを支持するためにコイルの外側に銅製の部材等をモールドにより一体化して設け、この部材を介してボルト等によるネジ止め、或いは接着や溶接により支持する方法でもよい。
【００２０】
このようにして製作したコイル１に対し、図１の５で示される樹脂含浸されて盛り上がった予備電極５の箇所について、歪が加わらないように注意深く線材２aの表面が露出するまで樹脂を取り除いた後、この予備電極５の部分とクライオスタット側の銅製の電流リード線とを可とう導体を介してはんだ付けにより接続し、このコイルをクライオスタット中にセットしたのち、液体ヘリウム中で電極３からではなくこの予備電極５の部分から通電した。その結果、最初の励磁時において１６７Ａまで通電することができ、トレーニング無しにＢ＝１０Ｔ（ロードラインの１００％）の通電に成功した。
【００２１】
また、２０回にわたる室温と液体ヘリウム温度間の熱サイクル履歴や、３０回にわたる液体ヘリウム中での通電試験を実施したが、この予備電極５の部分に劣化は全く認められず、万一、その電極部や電極からコイル本体に至る渡りのNb3Sn線の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生した場合でも、予備電極５で代用できるため、そのような事故時にも容易に対処できる。
【００２２】
なお、上記実施の形態１では、化合物系超電導コイルとしてNb3Sn超電導コイルを例にとって説明したが、それ以外に、例えばNb3Al超電導コイルやBi系等の高温超電導コイルであっても上記実施の形態１と同様に製作すれば同じような効果を得ることができる。また、上記実施の形態１では、液体ヘリウム中に浸漬する直接冷却方式のNb3Sn超電導コイルについて説明したが、ＧＭ冷凍機等を用いた伝導冷却方式のコイルであってもよく、上記実施の形態１と同様の効果がある。
【００２３】
また、本実施例では樹脂含浸したコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外してコイルを仕上げたが、樹脂含浸後、コイルから巻枠及びスペーサー材を取り外さないでコイルを仕上げても良く、もし電極に不良が発生した場合に初めてコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外し、上記の救済処置を行なっても上記実施の形態１と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２４】
更に、上記実施の形態１では、予備電極５に熱処理済みのNb3Sn超電導線を用いた場合について説明したが、常電導の銅線等であってもよく、上記実施の形態１と同様の効果がある。
【００２５】
実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２におけるW&R法によるNb3Sn超電導コイル５１を説明するための図であり、より具体的には超電導コイルの端部において銅線等の常電導金属によるリード線、もしくは未熱処理Nb3Sn超電導線による予備電極５をコイル本体の上面に従前の電極３と共に一体にモールドした構造のコイルの断面図である。
【００２６】
図３において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当する。巻線部２は無機絶縁被覆された未熱処理のNb3Sn超電導線(線径０.８mm)２bによるものである。予備電極５はNb3Sn超電導コイル１の両端部近傍において、銅の細線を多重に巻き付けることで未熱処理の超電導線材２bと接続され、後の樹脂含浸によりコイル５１と一体化される。１４は電極３と超電導線の巻線部２との絶縁、及びコイル５１本体と巻枠Ｈの巻芯９との絶縁を確保するために挿入されたアルミナペーパー(厚さ０.１mm)、１５は電極と共に平面を形成する快削製セラミックス製のスペーサー材である。
【００２７】
なお、巻枠Ｈの巻芯９とアルミナ製の絶縁材１４との間には、後でコイルを巻枠等から離型する工程のための離型材１３ｂとして、窒化ほう素の粉末をアルコールで溶かして塗布している。予備電極５と電極３をコイル上面に一体にモールドさせる構造のコイルをW&R法により得るには、以下のように行えばよい。
【００２８】
先ず、図３に示されるように巻枠Ｈの巻芯９と巻枠Ｈのフランジ１０を嵌合したのち、電極３を快削製セラミックス製のスペーサー材１５ａを介して巻枠のフランジ１０内部にネジで固定しておき、この出張った電極３と平面を共に形成する快削製セラミックス製のスペーサー１５ｂで巻枠のフランジ面を構成することにより当巻枠Ｈを組み立てる。電極をフランジ内部に固定するためのネジには、後の脱着のために離型材を塗布しておくのが好ましい。
【００２９】
次に、無機絶縁を被覆した未熱処理のNb3Sn超電導線２bを巻芯９に巻回する。巻線の巻き始めと巻き終わりにおいては、コイル端部のNb3Sn超電導線２bの絶縁皮膜を除去してから、そのNb3Sn超電導線２bを電極３にネジで数個所を固定することにより電気的接続を施す。この電極３の構造としては、徐々に深さを増す直線状で断面がＶ形状の溝を施してある。次に、電極３から１ターン以内のコイル端近傍部分の線材の絶縁皮膜を除去したのち、この部分に予備電極５として線径０.８mmの無機絶縁被覆を施した未熱処理のNb3Sn超電導線(接続部分の絶縁被覆は取り除き済み)をあてがってから、銅の細線を多重に巻き付けることで未熱処理の超電導線材２ｂと接続し、この接続部分に袋編みされた無機絶縁材Ｑを被せることにより絶縁を施す。
【００３０】
なお、予備電極５を埋設するため、快削製セラミックス製のスペーサー材１５ｂに図３に示したような深さ２mmのＵ字状の溝を前もって設けておいた。この予備電極５はスペーサー材に設けたＵ字状の溝１１の中になるべく真っ直ぐな形状で埋設しておくことが好ましい。この予備電極５の取り付けを終えた後、このＵ字状の溝をアルミナ製のペーパーで塞いだ後、Nb3Sn超電導線２bを巻回する。巻線終了時のコイル端部においても同様な予備電極５を取り付ける。更に、コイルの外側には電磁力を補強するためにステンレス線(SUS304製、線径１mm)による巻線部４を設ける。なお、このステンレス線による補強は、本実施例では熱処理前に行ったが、コイル本体を熱処理し、含浸したのちステンレス線を巻回し、その後更に含浸する工程を採用しても良い。
【００３１】
このようにして巻回されたコイルをアルゴンガス等の不活性雰囲気下で熱処理したのち、樹脂含浸を行った。熱処理により、銅の細線が多重に巻き付けられた予備電極部分と超電導線材との接続部分は、完全にＣｕ同士が溶着することにより電気的接続が達成されていた。最後に、ネジを外すことでコイルと一体化した電極３を巻枠のフランジ１０から脱着し、巻枠９及び１０とスペーサー材１５ａ及びｂを離型してコイルから取り外した後、電気配線を施すことによって本Nb3Sn超電導コイル５１が完成する。
【００３２】
本例ではコイルの支持方法としては、巻枠を持たないため、例えばコイル下面と上面をGFRP等の絶縁板で挟んでボルト等で固定して受ける方法を用いるが、コイルを支持するためにコイルの外側に銅製の部材等をモールドにより一体化して設け、この部材を介してボルト等によるネジ止め、或いは接着や溶接により支持する方法でもよい。
【００３３】
このようにして製作したコイル５１に対し、図３の５で示される樹脂含浸されて盛り上がった予備電極の箇所について、歪が加わらないように注意深く線材５の表面が露出するまで樹脂を取り除いた後、この予備電極５の部分とクライオスタット側の銅製の電流リード線とを可とう導体を介してはんだ付けにより接続し、このコイルをクライオスタット中にセットしたのち、液体ヘリウム中で電極３からではなくこの予備電極５の部分から通電した。
【００３４】
その結果、最初の励磁時において１６７Ａまで通電することができ、トレーニング無しにＢ＝１０Ｔ(ロードラインの１００％)の通電に成功した。また、２０回にわたる室温と液体ヘリウム温度間の熱サイクル履歴や、３０回にわたる液体ヘリウム中での通電試験を実施したが、この予備電極５の部分に劣化は全く認められず、万一電極部、或いは電極からコイル本体に至る渡りのNb3Sn超電導線の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生しても、この予備電極５の部分を用いることで対処可能であることが判明した。
【００３５】
なお、上記実施の形態２では、液体ヘリウム中に浸漬する直接冷却方式の超電導Nb3Snコイル５１を説明したが、ＧＭ冷凍機等を用いた伝導冷却方式のコイルであってもよく、上記実施の形態２と同様の効果がある。
【００３６】
また、本実施例では樹脂含浸したコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外してコイルを仕上げたが、樹脂含浸後、コイルから巻枠及びスペーサー材を取り外さないでコイルを仕上げても良く、万一電極に不良が発生した場合に初めてコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外し、上記の救済処置を行なっても上記実施の形態２と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３７】
更に、上記実施の形態２では、予備電極として未熱処理のNb3Sn超電導線について説明したが、常電導の銅線等であってもよく、上記実施の形態２と同様の効果がある。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、超電導コイルの端部において電極とは別に接続された予備電極を、コイルの上面、或いは下面に一体にモールドしたので、電極からコイル本体に至る渡りの化合物系線材の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生しても、歪を加えないようにこのモールドされた予備電極の部分を削り出し、此処と電極、或いはクライオスタット側のパワーリードとを接続することによりコイルとして再利用できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１のR&W法によるNb3Sn超電導コイルを説明するための図である。
【図２】 実施の形態１のR&W法によるNb3Sn超電導コイルで用いた巻枠等を説明するための図である。
【図３】 実施の形態２のW&R法によるNb3Sn超電導コイルを説明するための図である。
【図４】 従来の形態のNb3Sn超電導コイルを説明するための図である。
【符号の説明】
１および５１ Nb3Sn超電導コイル、２a ホルマール絶縁された熱処理済みのNb3Sn超電導線、２ｂ 無機絶縁被覆された未熱処理のNb3Sn超電導線、３ 銅製の電極、４ ステンレス線の巻線部、５ 予備電極、６ PET紙、７及び８ テフロン製のスペーサー材、９ 巻枠の巻芯、１０ 巻枠の上部フランジ、１１ 予備電極を埋めるために設けたＵ字状の溝、１２ PET紙による絶縁シート、１３ａ テフロン製の離型材、１３ｂ 窒化ほう素の離型材１４ アルミナペーパーによる絶縁シート、１５ 快削製セラミックス製のスペーサー材、Ｔ カプトンテープ、Ｑ 無機絶縁材
【発明の属する技術分野】
この発明は、化合物系超電導コイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、例えば特表平３−５０３１０３号公報に示された従来のNb3Sn超電導コイル３１における電極(ターミナル)を示す断面図である。図４において、１６はNb3Sn超電導コイル３１本体の上面１７に取り付けられたターミナル組立体、１８、２０及び２７は熱処理前のNb3Sn導体、１９はターミナル組立体１６におけるターミナル台、２１はターミナル台１９上に設けた支柱、２２は外部リード、２３はターミナル台１９の本コイル３１への接合面、２４はターミナル台１９内で導体が貫通する穴、２５はターミナル台１９を本コイル３１に接合させるために用いた接着剤、２６はターミナル台の下部周面箇所である。
【０００３】
次に、動作について説明する。熱処理済みのNb3Sn線材は脆くて曲げ歪や引っ張り歪により超電導特性、特に臨界電流(Ic)特性に劣化が起こるため、Nb3Sn超電導コイルの製造方法としては、Nb3Sn線を熱処理してから歪をコントロ−ルした状態で巻回するリアクト＆ワインド法(以下、R&W法)と、熱処理前のNb3Sn超電導線を予めコイル状に巻回してから熱処理するワインド＆リアクト法(以下W&R法)の２種類の何れかによって製造される。
【０００４】
この特表平３−５０３１０３号公報では、Nb3Sn超電導コイルの場合は後者の製造方法(W&R法)を採用したいる。コイル３１の本体に接着されたタ−ミナル台１９中の穴２４に熱処理前のNb3Sn超電導体２０を通し、その上部の支柱２１に導体２７を巻き付けて固定し、その後熱処理してNb3Snを生成した後に、電気的接続を行うというコイル構造、或いは電極構造にすることによって、脆いNb3Sn線材によるコイル端部のリード部分やターミナル部分等に有害な歪が加わるのを防いでいる。
【０００５】
一方、前者の製造方法(R&W法)により生成される一般的なNb3Sn超電導コイルにおいても、電極がコイル上面或いは下面に取り付けられているが、一般にはコイル本体と一体的にモールドされた樹脂含浸コイルの構造にはなっていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、何れの方法により製作されたコイルにおいても、電極とコイル本体とは一体的に形成されていないため、熱処理した脆い化合物系線材では、コイルを冷却する時に発生する熱収縮による歪に基づく劣化や、通電時に発生する電磁力による歪に基づく劣化、更には人為的な作業ミスによる劣化が特に電極部において起きやすく、最悪の場合、此処で断線が発生するとコイルとして使用できなくなるという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、万一、電極からコイル巻枠に設けた穴等を通ってコイル本体に至る渡りの化合物系線材の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生しても、対処可能な構造のコイルを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る化合物系超電導コイルにおいては、電極からコイル本体に至る渡りの化合物系線の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生しても対処可能なように、超電導コイルの端部において常電導のリード線、もしくは熱処理済み化合物系超電導線を電極とは別に接続し、コイルの上面、或いは下面にこのリード線、もしくは熱処理済み化合物系超電導線材を一体にモールドした構造の予備電極を採用したものである。
【０００９】
また、この発明に係るR&W法による化合物系コイルの製造方法は、予め巻枠のフランジ内部に電極を取り付けてから、この出張った電極と共に平面を形成するスペーサー材で巻枠を形成し、この巻枠に、熱処理及び絶縁処理済みの化合物系超電導線を巻線する時に、コイル端部において電極とは別に常電導金属によるリード線、もしくは熱処理済み化合物系超電導線を接続し、このリード線、もしくは熱処理済み化合物系超電導線をスペーサー材に設けた溝の中に埋設しつつ巻線し、このコイルを樹脂含浸したのち、このコイルと一体化した電極をフランジから脱着し、場合によっては巻枠及びスペーサー材も取り外す工程からなるものである。
【００１０】
更に、この別の発明に係わるW&R法による化合物系超電導コイルの製造方法は、予め巻枠のフランジ内部に電極を取り付けてから、この出張った電極と共に平面を形成するスペーサー材で巻枠を形成し、この巻枠に無機絶縁被覆した未熱処理の化合物系超電導線を巻回する時に、コイル端部において電極とは別に常電導金属によるリード線、もしくは未熱処理の化合物系超電導線を接続し、このリード線、もしくは未熱処理の化合物系超電導線をスペーサー材に設けた溝の中に埋設しつつ巻回し、このコイルを熱処理してから樹脂含浸したのち、このコイルと一体化した電極をフランジから脱着し、場合によっては巻枠及びスペーサー材も取り外す工程からなるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるR&W法によるNb3Sn超電導コイル１を説明するための図であり、より具体的には本コイルの両端近傍において銅線等の常電導金属によるリード線、もしくは熱処理済みNb3Sn超電導線による別の電極(以下予備電極５と記す)を設け、この予備電極５をコイル本体の上面に本来の電極３と共に一体にモールドした構造のコイルの斜視図である。
【００１２】
図１において、２はホルマール絶縁された熱処理済みのNb3Sn超電導線(線径０.８mm)による巻線部である。３は巻線部２の両端に接続される銅製の電極、４は電磁力を増強するために設けたステンレス線(SUS304製、線径１mm)の巻線部である。予備電極５はNb3Sn超電導コイル１の両端の近傍部にてハンダ付け等でそれぞれ接続され、樹脂含浸により当Nb3Sn超電導コイル１と一体化にされる。
【００１３】
予備電極５と電極３を図１に示すようなNb3Sn超電導コイル１本体の上面に一体にモールドさせた構造のコイルを得るには、例えば図２に示すような形状の巻枠Ｈを用いればよい。図２において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。６は電極３と超電導線の巻線部２との絶縁を確保するために挿入されたPET紙(厚さ０.１mm)、７および８は電極３と共に平面を形成するテフロン製のスペーサー材であり、９は巻枠Ｈの巻芯、１０は巻枠Ｈにおける上部のフランジである。
【００１４】
１１は予備電極５をスペーサー材８内に埋め込むために設けた断面がＵ字状の溝である。１２はコイル本体と巻枠Ｈのフランジ１０とを絶縁するためのPET紙による絶縁シート、１３ａは巻枠Ｈの巻芯９をコイル本体から後で離型するために用いたテフロン製の離型材である。
【００１５】
図に示されるように、先ず巻枠Ｈの巻芯９と巻枠Ｈのフランジ１０を嵌合したのち、電極３をテフロン製のスペーサー材８を介してフランジ１０内部にネジで固定しておき、この出張った電極３と平面を共に形成するテフロン製のスペーサー７で巻枠Ｈのフランジ面を構成することにより当巻枠Ｈを組み上げる。電極３をフランジ内部に固定するための前述のネジには、後の脱着のために離型材を塗布しておくのが好ましい。
【００１６】
次に、熱処理及び絶縁処理済みのNb3Sn超電導線２aを巻回する。巻線の巻き始めと巻き終わりにおいては、コイル端部のNb3Sn超電導線２aの絶縁皮膜を除去してから、そのNb3Sn超電導線２aを固定する時の曲げ歪が１％未満となる構造の電極３にネジ３ａ(図１)で固定し、はんだ付けによる電気的接続を施す。この電極３の構造としては、Nb3Sn超電導線２aをこの電極３に固定した時の曲げ歪が１％未満となる様に、徐々に深さを増す直線状で断面がＶ字状の溝を施してある。
【００１７】
次に、電極３から１ターン以内のコイル端近傍部分の線材に対し、絶縁皮膜を除去したのち、その部分に予備電極５として線径０.８mmの熱処理及び絶縁処理済みNb3Sn超電導線(接続部分の絶縁被覆は取り除き済み)をはんだ付けによって接続し、この接続部分の絶縁のために、カプトンテープＴを巻き付ける。なお、予備電極５を埋設するため、図２に示したようにテフロン製のスペーサー材７に対し、予備電極５を取り付ける部分に深さ２mmのＵ字状の溝を前もって設けておいた。この予備電極５はスペーサー材７に設けたＵ字状の溝１１の中になるべく真っ直ぐな形状で埋設しておくのが好ましい。
【００１８】
この予備電極５の取り付けを終えた後、Nb3Sn超電導線２aを巻回し、巻回終了時のコイル端部においても、本来の電極３以外に同様な予備電極５を取り付ける。更に、コイルの外側には電磁力を増強するためにステンレス線(SUS304製、線径１mm)による巻線部４を設ける。このようにして巻回されたコイルを樹脂含浸したのち、ネジを外すことでコイルおよびこれと一体化した電極３をフランジ１０から脱着し、更には、巻芯９及びフランジ１０とスペーサー材７および８を離型して取り外した後、最後に電気配線を施すことによって本Nb3Sn超電導コイル１が完成する。
【００１９】
本例ではコイルの支持方法としては、例えばコイル下面と上面をGFRP等の絶縁板で挟んでボルト等で固定して受ける方法を用いたが、コイルを支持するためにコイルの外側に銅製の部材等をモールドにより一体化して設け、この部材を介してボルト等によるネジ止め、或いは接着や溶接により支持する方法でもよい。
【００２０】
このようにして製作したコイル１に対し、図１の５で示される樹脂含浸されて盛り上がった予備電極５の箇所について、歪が加わらないように注意深く線材２aの表面が露出するまで樹脂を取り除いた後、この予備電極５の部分とクライオスタット側の銅製の電流リード線とを可とう導体を介してはんだ付けにより接続し、このコイルをクライオスタット中にセットしたのち、液体ヘリウム中で電極３からではなくこの予備電極５の部分から通電した。その結果、最初の励磁時において１６７Ａまで通電することができ、トレーニング無しにＢ＝１０Ｔ（ロードラインの１００％）の通電に成功した。
【００２１】
また、２０回にわたる室温と液体ヘリウム温度間の熱サイクル履歴や、３０回にわたる液体ヘリウム中での通電試験を実施したが、この予備電極５の部分に劣化は全く認められず、万一、その電極部や電極からコイル本体に至る渡りのNb3Sn線の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生した場合でも、予備電極５で代用できるため、そのような事故時にも容易に対処できる。
【００２２】
なお、上記実施の形態１では、化合物系超電導コイルとしてNb3Sn超電導コイルを例にとって説明したが、それ以外に、例えばNb3Al超電導コイルやBi系等の高温超電導コイルであっても上記実施の形態１と同様に製作すれば同じような効果を得ることができる。また、上記実施の形態１では、液体ヘリウム中に浸漬する直接冷却方式のNb3Sn超電導コイルについて説明したが、ＧＭ冷凍機等を用いた伝導冷却方式のコイルであってもよく、上記実施の形態１と同様の効果がある。
【００２３】
また、本実施例では樹脂含浸したコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外してコイルを仕上げたが、樹脂含浸後、コイルから巻枠及びスペーサー材を取り外さないでコイルを仕上げても良く、もし電極に不良が発生した場合に初めてコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外し、上記の救済処置を行なっても上記実施の形態１と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２４】
更に、上記実施の形態１では、予備電極５に熱処理済みのNb3Sn超電導線を用いた場合について説明したが、常電導の銅線等であってもよく、上記実施の形態１と同様の効果がある。
【００２５】
実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２におけるW&R法によるNb3Sn超電導コイル５１を説明するための図であり、より具体的には超電導コイルの端部において銅線等の常電導金属によるリード線、もしくは未熱処理Nb3Sn超電導線による予備電極５をコイル本体の上面に従前の電極３と共に一体にモールドした構造のコイルの断面図である。
【００２６】
図３において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当する。巻線部２は無機絶縁被覆された未熱処理のNb3Sn超電導線(線径０.８mm)２bによるものである。予備電極５はNb3Sn超電導コイル１の両端部近傍において、銅の細線を多重に巻き付けることで未熱処理の超電導線材２bと接続され、後の樹脂含浸によりコイル５１と一体化される。１４は電極３と超電導線の巻線部２との絶縁、及びコイル５１本体と巻枠Ｈの巻芯９との絶縁を確保するために挿入されたアルミナペーパー(厚さ０.１mm)、１５は電極と共に平面を形成する快削製セラミックス製のスペーサー材である。
【００２７】
なお、巻枠Ｈの巻芯９とアルミナ製の絶縁材１４との間には、後でコイルを巻枠等から離型する工程のための離型材１３ｂとして、窒化ほう素の粉末をアルコールで溶かして塗布している。予備電極５と電極３をコイル上面に一体にモールドさせる構造のコイルをW&R法により得るには、以下のように行えばよい。
【００２８】
先ず、図３に示されるように巻枠Ｈの巻芯９と巻枠Ｈのフランジ１０を嵌合したのち、電極３を快削製セラミックス製のスペーサー材１５ａを介して巻枠のフランジ１０内部にネジで固定しておき、この出張った電極３と平面を共に形成する快削製セラミックス製のスペーサー１５ｂで巻枠のフランジ面を構成することにより当巻枠Ｈを組み立てる。電極をフランジ内部に固定するためのネジには、後の脱着のために離型材を塗布しておくのが好ましい。
【００２９】
次に、無機絶縁を被覆した未熱処理のNb3Sn超電導線２bを巻芯９に巻回する。巻線の巻き始めと巻き終わりにおいては、コイル端部のNb3Sn超電導線２bの絶縁皮膜を除去してから、そのNb3Sn超電導線２bを電極３にネジで数個所を固定することにより電気的接続を施す。この電極３の構造としては、徐々に深さを増す直線状で断面がＶ形状の溝を施してある。次に、電極３から１ターン以内のコイル端近傍部分の線材の絶縁皮膜を除去したのち、この部分に予備電極５として線径０.８mmの無機絶縁被覆を施した未熱処理のNb3Sn超電導線(接続部分の絶縁被覆は取り除き済み)をあてがってから、銅の細線を多重に巻き付けることで未熱処理の超電導線材２ｂと接続し、この接続部分に袋編みされた無機絶縁材Ｑを被せることにより絶縁を施す。
【００３０】
なお、予備電極５を埋設するため、快削製セラミックス製のスペーサー材１５ｂに図３に示したような深さ２mmのＵ字状の溝を前もって設けておいた。この予備電極５はスペーサー材に設けたＵ字状の溝１１の中になるべく真っ直ぐな形状で埋設しておくことが好ましい。この予備電極５の取り付けを終えた後、このＵ字状の溝をアルミナ製のペーパーで塞いだ後、Nb3Sn超電導線２bを巻回する。巻線終了時のコイル端部においても同様な予備電極５を取り付ける。更に、コイルの外側には電磁力を補強するためにステンレス線(SUS304製、線径１mm)による巻線部４を設ける。なお、このステンレス線による補強は、本実施例では熱処理前に行ったが、コイル本体を熱処理し、含浸したのちステンレス線を巻回し、その後更に含浸する工程を採用しても良い。
【００３１】
このようにして巻回されたコイルをアルゴンガス等の不活性雰囲気下で熱処理したのち、樹脂含浸を行った。熱処理により、銅の細線が多重に巻き付けられた予備電極部分と超電導線材との接続部分は、完全にＣｕ同士が溶着することにより電気的接続が達成されていた。最後に、ネジを外すことでコイルと一体化した電極３を巻枠のフランジ１０から脱着し、巻枠９及び１０とスペーサー材１５ａ及びｂを離型してコイルから取り外した後、電気配線を施すことによって本Nb3Sn超電導コイル５１が完成する。
【００３２】
本例ではコイルの支持方法としては、巻枠を持たないため、例えばコイル下面と上面をGFRP等の絶縁板で挟んでボルト等で固定して受ける方法を用いるが、コイルを支持するためにコイルの外側に銅製の部材等をモールドにより一体化して設け、この部材を介してボルト等によるネジ止め、或いは接着や溶接により支持する方法でもよい。
【００３３】
このようにして製作したコイル５１に対し、図３の５で示される樹脂含浸されて盛り上がった予備電極の箇所について、歪が加わらないように注意深く線材５の表面が露出するまで樹脂を取り除いた後、この予備電極５の部分とクライオスタット側の銅製の電流リード線とを可とう導体を介してはんだ付けにより接続し、このコイルをクライオスタット中にセットしたのち、液体ヘリウム中で電極３からではなくこの予備電極５の部分から通電した。
【００３４】
その結果、最初の励磁時において１６７Ａまで通電することができ、トレーニング無しにＢ＝１０Ｔ(ロードラインの１００％)の通電に成功した。また、２０回にわたる室温と液体ヘリウム温度間の熱サイクル履歴や、３０回にわたる液体ヘリウム中での通電試験を実施したが、この予備電極５の部分に劣化は全く認められず、万一電極部、或いは電極からコイル本体に至る渡りのNb3Sn超電導線の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生しても、この予備電極５の部分を用いることで対処可能であることが判明した。
【００３５】
なお、上記実施の形態２では、液体ヘリウム中に浸漬する直接冷却方式の超電導Nb3Snコイル５１を説明したが、ＧＭ冷凍機等を用いた伝導冷却方式のコイルであってもよく、上記実施の形態２と同様の効果がある。
【００３６】
また、本実施例では樹脂含浸したコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外してコイルを仕上げたが、樹脂含浸後、コイルから巻枠及びスペーサー材を取り外さないでコイルを仕上げても良く、万一電極に不良が発生した場合に初めてコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外し、上記の救済処置を行なっても上記実施の形態２と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３７】
更に、上記実施の形態２では、予備電極として未熱処理のNb3Sn超電導線について説明したが、常電導の銅線等であってもよく、上記実施の形態２と同様の効果がある。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、超電導コイルの端部において電極とは別に接続された予備電極を、コイルの上面、或いは下面に一体にモールドしたので、電極からコイル本体に至る渡りの化合物系線材の部分で、熱膨張や電磁力等による歪、更には人為的なミスにより断線等が発生しても、歪を加えないようにこのモールドされた予備電極の部分を削り出し、此処と電極、或いはクライオスタット側のパワーリードとを接続することによりコイルとして再利用できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１のR&W法によるNb3Sn超電導コイルを説明するための図である。
【図２】 実施の形態１のR&W法によるNb3Sn超電導コイルで用いた巻枠等を説明するための図である。
【図３】 実施の形態２のW&R法によるNb3Sn超電導コイルを説明するための図である。
【図４】 従来の形態のNb3Sn超電導コイルを説明するための図である。
【符号の説明】
１および５１ Nb3Sn超電導コイル、２a ホルマール絶縁された熱処理済みのNb3Sn超電導線、２ｂ 無機絶縁被覆された未熱処理のNb3Sn超電導線、３ 銅製の電極、４ ステンレス線の巻線部、５ 予備電極、６ PET紙、７及び８ テフロン製のスペーサー材、９ 巻枠の巻芯、１０ 巻枠の上部フランジ、１１ 予備電極を埋めるために設けたＵ字状の溝、１２ PET紙による絶縁シート、１３ａ テフロン製の離型材、１３ｂ 窒化ほう素の離型材１４ アルミナペーパーによる絶縁シート、１５ 快削製セラミックス製のスペーサー材、Ｔ カプトンテープ、Ｑ 無機絶縁材
Claims (6)
- 樹脂含浸された化合物系超電導コイルであって、コイル端部の電極とは別に、コイル端部に設けた電極から１ターン以内のコイル端近傍部分の線材に対し、絶縁被膜を除去したのち、その部分に、常電導のリード線もしくは熱処理済み化合物系超電導線による予備電極をあてがってから、前記超電導コイルと予備電極とを電気的に接続し、次いで、樹脂含浸により前記超電導コイルと一体化させた構造を持つことを特徴とする化合物系超電導コイル。
- 樹脂含浸されたコイルが巻枠を持たない構造であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の化合物系超電導コイル。
- (a)予め巻枠のフランジ内部に電極を取り付けてから、この電極と共に平面を形成するスペーサー材で巻枠を形成する工程、
(b)この巻枠に、熱処理及び絶縁処理済みの化合物系超電導線を巻回する工程、
(c)この化合物系超電導線によるコイルの端部を電極に固定して電気的接続を行うと共に、前記電極から１ターン以内のコイル端近傍部分の線材に対し、絶縁被膜を除去したのち、その部分に、常電導のリード線もしくは熱処理済み化合物系超電導線による予備電極をあてがってから、前記超電導コイルと予備電極とを電気的に接続し、この予備電極をスペーサー材に設けた溝の中に埋設する工程、
(d)このコイルを樹脂含浸する工程、及び、
(d)樹脂含浸してコイルと一体化した電極をフランジから脱着する工程からなるリアクト＆ワインド法による化合物系超電導コイルの製造方法。 - 樹脂含浸したコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外す工程を付加した特許請求の範囲第３項記載のリアクト＆ワインド法による化合物系超電導コイルの製造方法。
- (a)予め巻枠のフランジ内部に電極を取り付けてから、この電極と共に平面を形成するスペーサー材で巻枠を形成する工程、
(b)この巻枠に、無機絶縁被覆した未熱処理の化合物系超電導線を巻回する工程、
(c)この化合物系超電導線によるコイルの端部を電極に固定して電気的接続を行うと共に、前記電極から１ターン以内のコイル端近傍部分の線材に対し、絶縁被膜を除去したのち、その部分に、常電導のリード線もしくは熱処理済み化合物系超電導線による予備電極をあてがってから、前記超電導コイルと予備電極とを電気的に接続し、この予備電極をスペーサー材に設けた溝の中に埋設する工程、
(d)このコイルを熱処理する工程、
(e)このコイルを樹脂含浸する工程、及び、
(f) 樹脂含浸してコイルと一体化した電極をフランジから脱着する工程からなるワインド＆リアクト法による化合物系超電導コイルの製造方法。 - 樹脂含浸したコイルから巻枠及びスペーサー材を取り外す工程を付加した特許請求の範囲第５項記載のワインド＆リアクト法による化合物系超電導コイルの製造方法。
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