JP4899984B2 - 超電導コイルの製造方法および超電導コイル - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルの製造方法および超電導コイルに関し、詳しくは、巻枠を設けないことにより超電導線の占積率を上げて性能を向上させた超電導コイルに関するものである。

従来、超電導コイルは、超電導線をステンレス等の金属またはガラス繊維強化樹脂からなる巻枠に巻回して形成したものが一般的である。
しかしながら、前記巻枠は熱伝導率が悪いため、クエンチ発生時に超電導コイルの温度上昇を十分に抑制できない問題がある。

そこで、本出願人は、特開平６−１６３２４９号公報（特許文献１）において、図６に示す巻枠１を提供している。該巻枠１は巻枠本体２、蓄冷材３およびケース４を三層に重ねた構造とし、蓄冷材３を設けることにより熱容量を増加させ、クエンチ発生時の超電導コイルの温度上昇を抑制できるようにしている。

特開平６−１６３２４９号公報

しかしながら、特許文献１で提供している巻枠１では、巻枠の径（外径−内径）が大きくなるため、該巻枠１に超電導線を巻回して形成した超電導コイルは、超電導線の占積率（導体断面積／コイル断面積）が下がり、コイル性能が低下する問題がある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、超電導コイルに巻枠を設けていることにより発生する問題を解消し、かつ、超電導コイルにおける超電導線の占積率を上げて超電導コイルの性能を向上させることを課題としている。

前記課題を解決するため、第１の本発明として、
巻枠に超電導線を巻回してコイル部を形成する工程と、
前記コイル部に熱硬化性樹脂を含浸させると共に、該熱硬化性樹脂を加熱硬化させる工程と、
前記巻枠を溶解させて除去し、あるいは前記巻枠を軟化させて取り出す巻枠の取出工程とからなる超電導コイルの製造方法を提供している。

前記製造方法に用いる熱硬化性樹脂は、前記のようにエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が好適に用いられる。
前記熱硬化性樹脂の含浸は、エポキシ樹脂の溶液槽に巻枠に超電導線を巻き付けた状態で浸漬しても良いが、エポキシ樹脂を巻枠に巻き付けた超電導線の外周面および両側端面に塗布して含浸させ、巻枠に前記樹脂を含浸させないことが好ましい。これは、巻枠も超電導線と共に樹脂の溶液槽に浸漬して含浸させて超電導線と一体的に硬化させると、巻枠が取り出しにくくなることによる。

本発明の製造方法によれば、超電導線を巻回する工程では巻枠を使用し、超電導線を巻回後に樹脂により超電導線の巻回状態を保持してから巻枠を溶解して除去、あるいは軟化させて取り出しているため、超電導線の巻回作業は通常の巻枠を備えた超電導コイルの製造と同様の方法により行うことができる。

前記巻枠は紙製で、該巻枠を水で溶解または軟化させて取り出すことが好ましい。
前記巻枠は溶解させて除去するため、巻枠を円筒状とした場合には、厚さを自由に設定できる。よって、厚紙により巻枠を形成しても超電導線を巻回するのに十分な強度を付与することができる。また、さらに強度が必要な場合には、紙を渦巻き状に巻回して巻枠を形成し、中実の円柱状とすることもできる。
また、巻枠を紙製とすると、巻枠を溶解するのに特別な溶剤を用いる必要がなく、水で溶かしたり、軟化させて取り出すこともことができるため、製造コストを低減することができる。

また、前記巻枠は生分解性樹脂により成形し、巻枠を除去する段階で、生分解性樹脂からなる巻枠に所要の分解溶液を塗布して、分解除去してもよい。
さらに、超電導線を埋設するエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂よりも溶融温度が低い熱可塑性樹脂で巻枠を成形し、該巻枠の成形材の溶融温度で加熱して除去してもよい。

第２の発明として、前記製造方法で形成された超電導コイルを提供している。
該超電導コイルは、内周に巻枠がなく、前記巻回した超電導線の少なくとも外周面および両側端面が樹脂で被覆されて巻回状態が保持されていることを特徴とする。

前記構成の超電導コイルによれば、超電導線を巻回する巻枠を備えていないため、巻枠を備えた同一形状の超電導コイルと比較して、巻枠がない分だけ超電導線の占積率を上げることができる。これにより、超電導コイルの電流密度が高くなって、大きな磁場を発生できるようになり、超電導コイルの性能を向上させることができる。
また、超電導コイルの内周側は発生する磁場が高く発熱しやすいが、巻枠を設けていないため、内周側の超電導線を冷媒により冷却することができ、超電導コイルを効率良く冷却することができる。

前記巻回状態の超電導線を埋設する樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。
シングルパンケーキ型コイルであれば、リード線と接続する長さ方向両端の最外周ターンの外周面先端および最内周ターンの内周面先端は前記樹脂で被覆せず、超電導線を露出させている。

また、本発明の超電導コイルは、前記樹脂が最外周ターンの外周面および両端面に厚さ０．２〜２．０ｍｍで被覆され、最内周ターンの内周面には前記樹脂で被覆されておらず、あるいは前記最外周ターンの外周面より薄い厚さで前記樹脂により被覆されている。

本発明の超電導コイルは、前記した製造方法により製造しており、形成時には巻枠を設け、該巻枠の外周に超電導線を巻き付けていくが、樹脂を含浸・硬化させた後は巻枠を取り除くため、コイルの最内周ターンの内周面には樹脂被覆層が無いか、非常に薄い被覆層となる。
このように、コイルの最内周ターンの内周面に樹脂被覆層が無いため、内周側の超電導線を冷媒により効果的に冷却することができ、超電導コイルを効率良く冷却することができる。

前記超電導コイルは、モータ、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等からなる超電導機器に用いられることが好ましい。

前述したように、本発明の超電導コイルの製造方法によれば、巻枠の無い超電導コイルを簡単に形成することができる。
この超電導線を巻回する巻枠を備えていない超電導コイルでは、巻枠を備えた同一内径の超電導コイルと比較して、巻枠がない分だけ超電導線の占積率を上げることができる。これにより、超電導コイルの電流密度が高くなって、大きな磁場を発生できるようになり、超電導コイルの性能を向上させることができる。
また、超電導コイルの内周側に巻枠を設けていないため、巻枠を介在させずに内周側の超電導線を冷媒により冷却することができ、超電導コイルを効率良く冷却することができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３に、本発明の実施形態を示す。
本実施形態の超電導コイル１０は、超電導機器である超電導モータに用いられるものであり、幅４ｍｍの帯状のビスマス系超電導線１１とポリイミドからなる絶縁テープ１２を重ね合わせた状態で巻回して、シングルパンケーキ形状としている。

前記超電導線１１を巻回して形成したシングルパンケーキ形状のコイル部１３は、図２に示すように、エポキシ樹脂を含浸・硬化させた巻線保持部１４をコイル部１３の最外周ターン１３ａの外周面と両端面１３ｂ、１３ｃの全面に被覆した状態で設けている。該巻線保持部１４の厚さは０．２〜２．０ｍｍとしている。
一方、コイル１３の最内周ターン１３ｄの内周面には前記巻枠保持部１４は設けられていない。

前記コイル部１３の最外周ターンの先端には超電導線１１を露出させたリード線接続部１３ｅを設けている。同様に、最内周ターンの先端にもリード線接続部（図示せず）を設けている。

次に、前記超電導コイル１０の製造方法について説明する。
まず、厚紙からなる円筒状の巻枠２０を用意し、図３（Ａ）に示すように、巻枠２０の外周面に、重ね合わせた超電導コイル１１と絶縁テープ１２を、絶縁テープ１２が内周側となるように巻回し、シングルパンケーキ形状のコイル部１３を形成する。
次いで、図３（Ｂ）に示すように、前記巻枠２０の外周に形成したコイル部１３の最外周ターン１３ａの外周面及び両側端面１３ｂ、１３ｃの全面にエポキシ樹脂を塗布して、コイル部１３にエポキシ樹脂を含浸させる。なお、最外周ターン１３ａの先端面はリード線接続部１３ｅを形成するためエポキシ樹脂は塗布しない。
その後、８０℃で３時間、１６０℃で５時間加熱して、エポキシ樹脂を硬化させ、前記巻線保持部１４を成形する。
ついで、前記巻枠２０に水を含浸させて、巻枠２０を溶解し、コイル部１３の内周から巻枠２０を除去し、図１および図２に示す超電導コイル１０としている。

前記エポキシ樹脂を塗布する方法に代えて、図４に示すように、巻枠２０の内周面に密着する内周枠３０ａを備え、外周枠３０ｂと上下枠３０ｃ、３０ｄがコイル部１３の外周面１３ａと上下端面１３ｂ、１３ｃとの間に所要幅の隙間をあけた型面を備えた備えた金型３０を用い、該金型３０内に巻枠２０の外周にコイル部１３を巻き付けた状態で充填し、該金型３０のキャビテイＣ内にエポキシ樹脂を充填して、含浸させてもよい。

前記した製造方法により製造した超電導コイル１０は、超電導線１１を巻回したコイル部１３をエポキシ樹脂からなる巻線保持部１４で、少なくとも外周面および両側端面を被覆して一体化しているため、超電導線１１の巻回状態を保持することができ、超電導線１１を巻回して形状を保持するための巻枠を不要とすることができる。

また、超電導線１１と絶縁テープ１２を重ね合わせた状態では厚さが０．５ｍｍである場合、厚さ５ｍｍの円筒状の巻枠を備えた同一内径の超電導コイルと比較して、巻枠がない分、超電導線を内周側に１０ターン多く巻回することができる。
このように、超電導線１１の占積率を上げることができため、超電導コイル１０の電流密度が高くなって、大きな磁場を発生でき、超電導コイル１０の性能を向上させることができる。
また、超電導コイル１０の内周側は発生する磁場が高く発熱しやすいが、巻枠を設けていなと共に巻線保持部１４の樹脂で被覆されていないため、内周側の超電導線を冷媒により冷却することができ、超電導コイル１０を効率良く冷却することができる。
さらに、超電導コイル１０の製造工程において、紙からなる巻枠２０を水で溶解しているため、製造コストを低減することができる。

前記実施形態では、巻枠２０を紙製としているが、巻枠を生分解性樹脂で形成し、微生物を含む分解溶液を塗布して、分解除去してもよい。
また、前記実施形態では、シングルパンケーキ形状の超電導コイルとしているが、ダブルパンケーキ形状でもよいし、ソレノイド形状でもよい。

図５に、本発明の参考例を示す。
本参考例では、前記実施形態と超電導コイル１０の製造方法を相違させており、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなる巻枠２０を用いている。該巻枠２０を除去する工程において、巻枠２０を一方から軸線方向（図５に示す矢印方向）に加圧して押し出すことにより、超電導コイルから巻枠２０を取り外している。

前記方法によっても、巻枠を備えていない超電導コイル１０を容易に製造することができる。
なお、他の構成及び作用効果は前記実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の超電導コイルは、自動車等の駆動用モータや、その他発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）等の超電導機器に用いられるものである。

本発明の実施形態の超電導コイルを示す斜視図である。 超電導コイルの断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は超電導コイルの製造方法を示す図面である。 樹脂の含浸方法の変形例を示す図面である。 超電導コイルの製造方法の参考例を示す図面である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 超電導コイル
１１ 超電導線
１２ 絶縁テープ
１３ コイル部
１４ 巻線保持部
２０ 巻枠

Claims (5)

1. 巻枠に超電導線を巻回してコイル部を形成する工程と、
   前記コイル部に熱硬化性樹脂を含浸させると共に、該熱硬化性樹脂を加熱硬化させる工程と、
   前記巻枠を溶解させて除去し、あるいは前記巻枠を軟化させて取り出す巻枠の取出工程とからなる超電導コイルの製造方法。
2. 前記巻枠は紙製で、該巻枠を水で溶解または軟化させて取り出している請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
3. 前記巻枠は生分解性樹脂製とし、前記取出工程では前記巻枠に分解溶液を塗布して分解除去する請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
4. 前記巻枠は、前記超電導線からなるコイル部を埋設する熱硬化性樹脂よりも溶融温度が低い熱可塑性樹脂で成形し、該熱可塑性樹脂の溶融温度で加熱して巻枠を溶融除去する請求項１に記載の超電導コイルの製造方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の製造方法で製造された超電導コイル。

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