JPH03278509A - ヘリカルコイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は強磁界を発生させるための常電導用ヘルカリコ
イルの製造方法に係り、特に高強度で高導電率を有し、
製造工程を簡素化することができるヘルカリコイルの製
造方法に関する。

（従来の技術） 核融合装置において、発生したプラズマを閉じ込めるた
めに必要とされる磁界強度は、１０〜２０テスラ以上に
なると予想されており、そのような強磁界に耐える電導
導体製コイルの開発が急がれている。これまでの各種核
融合実験装置では、常電導導体（銅線）のコイルを用い
ているために膨大な電力を消費している。このため電力
の消費のない超電導線材によるコイルの開発が不可欠で
ある。

ところで強磁界に耐える高性能な超電導導体の開発のた
めには、各種導体を開発して、強磁界発生装置の中に入
れ、臨界電流密度（Ｊ　ｃ）　、上部臨界磁界、交流損
等を調べる必要がある。

上記強磁界発生装置は、一般に第３図に示すように、水
冷マグネットコイル１の外側に超電導マグネットコイル
２を同心状に配置して構成される。

水冷マグネットコイル１の磁界の中心部３において、両
マグネットコイル１．２によって発生する磁界の和が最
大になり、例えば３０テスラ以との強磁界を発生させる
ことができる。

この水冷マグネットコイルには、ポリへリツクス型とビ
ッタ−型及びモノへりツクス型の３つの型があるが、本
発明はポリヘリックスコイルの製造方法に関するもので
ある。

ポリへリックス型コイルは、平角線で形成した複数個の
単層ヘルカリコイルを同心環状に組合わせ、各単層コイ
ルを相互に電気的に並・直列に接続した多層ヘルカリコ
イルである。そして隣接する各層の間隙に冷却水を流し
て冷却する構造が一般に採用されている。この多層ヘル
カリコイルが独立に支持されているとすれば、それぞれ
のコイルに生ずる円周方向の引張り応力は、電流密度、
コイルの半径及び磁界の積に比例する。従って、ヘルカ
リコイルの導体としては、できるだけ円周方向の強度、
特に耐力が高く導電率の大きな導体が要求され、例えば
ＣｕまたはＣｕ合金などが使用される。

すなわちハイブリッドマグネットにおいて強磁界、例え
ば４０〜５０テスラを得ようとすると水冷マグネットに
作用する円周方向応力は、非常に高くなるため、ヘルカ
リコイル導体の耐力として４５ｋｇ／ｌｌｌｌ１１２以
上を満足しなければならない。さらにコンパクト化する
には９０％（ＴＡＣＳ）以上の導電率が要求される。

従来このようなヘルカリコイル導体は、例えば第４図（
Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示す工程に従って製造
されていた。すなわち、純銅製の円筒素材４の周壁を１
対の内側ローラ５ａおよび外側ローラ５ｂで挟み込み、
いわゆるリングローリング鍛造法によって所定寸法まで
鍛造して、硬化された中空円筒４ａを調製し、しかる後
に得られた中空円筒４ａの外周に沿って、螺旋状のスリ
ット６を形成して切断し、最終的に螺旋状のヘルカリコ
イル導体７が形成される。この鍛造圧延操作によって純
銅の耐力および引張強さの向上が図られ、高強度のヘル
カリコイル導体７としている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら従来のリングローリング鍛造法によって純
銅製の円筒素材を加工してヘルカリコイル導体を形成し
ても、その０．２％耐力は３０ｋｇ／１ＩＩＩＩ２、引
張強さは４０ｋｇ／ｍｍ２程度が限界値となっている。

この他に析出硬化型銅合金であるＣｒ−Ｃｕ、Ｃｒ−Ｚ
ｒ−Ｃｕ合金等を用いる場合もあるがいずれも強度的に
は不十分である。またアルミナ分散強化型銅合金は強度
、電気特性共に十分な特性を有しているが、均一な組成
を有する大型の同簡素材を調製することが困難であるた
め、大型で高品質のヘルカリコイルを製造することが難
しいという問題点がある。

また従来のリングローリング鍛造法によると中空円筒の
両端部の形状や厚さについて十分な寸法精度を得ること
が困難であり、ヘルカリコイルの強度特性のばらつきが
大きくなる欠点があった。

また寸法精度が低くなる両端部を切り取って廃棄するた
めに材料の歩留りが低下するとともに加工工数が増大し
てしまう問題点もあった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、より高強度で高い導電率を有し、かつ高い寸法精
度を備えるヘルカリコイルを容易に製造することができ
るヘルカリコイルの製造方法を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明に係るヘルカリコイル
の製造方法は、所定寸法に成形した複数の導体板を積層
して多層円筒体を形成し、隣接する各導体板の接触面を
押圧した状態で加熱することにより各導体板を相互に拡
散接合して一体の中空円筒体を形成した後に、中空円筒
体の外周に沿って螺旋状の切断溝を形成することを特徴
とする。

（作用） 上記構成に係るヘルカリコイルの製造方法によれば、予
め所定寸法に成形した導体板を積層して、ヘルカリコイ
ルを形成しているため、コイルの両端部における寸法精
度の低下が少なく、高強度で高品質のヘルカリコイルを
製造することができる。

特にコイル素材として使用する導体板は、小さなインゴ
ットを圧延して得られる薄板を打ち抜き加工等によって
容易に形成でき、得られる導体板の厚さを均一にするこ
とができるとともに、形状精度を高めることができる。

従って大型のヘルカリコイルも高精度で形成することが
可能であり、製造効率および材料の歩留りも大幅に改善
することができる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図（Ａ）〜（Ｇ）は、本発明に係るヘルカリ
コイルの製造方法の各工程を順に示す図である。

すなわち本実施例に係るヘルカリコイルの製造方法にお
いては、第１図（Ａ）に示すように銅基材中に強化材と
してのアルミナ粒子８を分散させたアルミナ粒子分散強
化鋼を棒状に成形した棒状伸銅９を用意し、次にこの棒
状伸銅９を冷間圧延加工することによって第１図（Ｂ）
に示す長尺の薄板１０を形成する。ここで強化材として
はセラミックスや金属の微粒子、短繊維、ウィスカ等の
強化繊維を用いることもできる。

次に、得られた薄板１０を打ち抜き加工することによっ
て、第１図（Ｃ）に示すような、環状導体板１１を多数
製造する。打ち抜き加工によって生じた環状導体板１１
の内外周部に生じたぼりゃ変形を除去した後に、さらに
各環状導体板１１０表面を酸洗や研摩等によって処理し
、表面に付着している不純物を脱脂浄化しておく。

次に、形成した多数の環状導体板１１を、円柱状の内金
型１２の軸方向外周に多段に積層して多層円筒体１３を
形成する。ここで内金型１２を構成する材料としては、
後述するホットプレス処理時の加熱冷却に伴う膨張、収
縮の影響を緩和するために環状導体板１１と同等または
それ以下の線膨張係数を有する材料を用いることが望ま
しい。

次に、得られた多層円筒体１３を第１図（Ｅ）で示すよ
うにホットプレス装置１４内に配設された押し治具１５
と受は台１６との間に装着する。

そして積層して形成された多層円筒体１３の上方から荷
重を掛けて軸方向に加圧する。しかる後、ホットプレス
装置１ｌｆ１４内を高真空または不活性ガス雰囲気に調
整した後に、装置１４内壁に装備したヒータ１７を起動
して多層円筒体１３を７００〜８５０℃の温度で２〜４
時間加熱する。すると軸方向に隣接した環状導体板１１
の接合面において、構成元素が相互に拡散移動すること
によって、各環状導体板１１．１１・・・は相互に拡散
接合されて、第１図（Ｆ）に示すような一体の中空円筒
体１８が形成される。

また薄板１０の打ち抜き加工によって環状導体板１１の
内外周部に生じた残留応力は、このホットプレス工程に
おける高温度保持によってほぼ完全に消失される。

ここで各環状導体板１１の軸方向に作用させる面圧力は
、通常の拡散接合時の面圧力よりも、若干高めに設定す
る方が隣接する環状導体板１１の接合状態が良好になる
。

このようにホットプレス処理によって一体に形成された
中空円筒体１８に対し、次に第１図（Ｇ）に示すように
、その外周に沿って螺旋状の切断溝１９が形成されて、
最終的にヘルカリコイル導体２０が完成する。ここで切
断溝１９は、例えば、機械加工、ワイヤカットあるいは
設電加工等によってスリット状に形成される。

上記実施例に係る製造方法によれば、薄板１０より切り
出した薄肉の環状導体板１１を多段に積層して円筒状の
ヘルカリコイル導体２０の導体を形成しているため、ヘ
ルカリコイルの製造が極めて容易である。また各環状導
体板１１の上下面が一様で仕上げ状態が良好であるため
、拡散接合部に不良部分が発生することが少なく、高強
度のヘルカリコイルを形成することができる。

さらにヘルカリコイル導体２０の高さは、環状導体板１
１の積層枚数を適宜増減することにより、任意に設定す
ることが可能であり、大型のヘルカリコイルも容易に製
造できる。

また薄板１０の打ち抜き加工によって、内外径が異なる
環状導体板１１を同時に打ち抜くことが可能であるため
、薄板１０からの材料歩留りが良くなるという利点もあ
る。

上記実施例において、アルミナ粒子分散強化銅を用いて
ヘルカリコイルを製造する際に、各工程における部材の
強度特性値を測定したところ、下記第１表に示す結果を
得た。

第１表 第１表の結果から明らかなように、銅粒子とアルミナ粒
子との混合体を熱間押出成形した後の素材、すなわち冷
間圧延加工前の棒状伸銅９の０゜２％耐力は２７〜３２
ｋｇ／ｍ−と小さい。しかし、この棒状伸銅９を厚さ０
．８〜Ｉｍの薄板１０に冷間圧延することにより、０．
２％耐力は５５〜６０ｋｇ／ｍｍ２に向上する。さらに
高温度条件（７５０〜８５０℃）でホットプレス処理す
ることにより、焼純効果が発揮され冷間加工ひずみが消
失するため、中空円筒体１８の０．２％耐力は４５〜５
０ｋｇ／ｍｍ２程度にやや低下するが、素材の耐力（２
７〜３２ｋｇ／ａ＋ｍ２）よりも１．５〜１．７倍の強
度を維持している。すなわち高温度によるホットプレス
処理を実施しても、冷間圧延による強度の改善効果が十
分に活かされている。

ところで通常のヘルカリコイル導体では、電磁力により
円周方向に大きな引張り応力が作用し、軸方向には圧縮
応力が生じる。しかし圧縮応力の値は前者の１１５〜１
／１０程度である。従って高強度のヘルカリコイル導体
を形成するためには、円周方向に低強度の接合部が介在
することを避ける必要がある。

しかるに本実施例に係るヘルカリコイルによればヘリカ
ルフィルの中心軸に対して直角方向に接合面を設け、円
周方向の高応力が接合部に作用しない構造としたため、
冷間加工による強度向上の特性を十分に活用することが
可能であり、高強度のヘルカリコイルが得られる。

このようにして仕上げたヘルカリコイル導体２０のマト
リックスは高温度のホットプレス処理により軟化されて
いるため第１表に示すようにヘルカリコイル導体の耐力
が４５〜５０ｋｇ／ｍｌ１１２と低くなる。この耐力で
は不足であるとする場合には切断溝１９を形成してヘル
カリコイル導体２ｏとする前に、第４図（Ｂ）に示すリ
ングローリング鍛造を行うことによりマトリックスの強
度及び強化繊維の強度の向上を計ることも可能である。

また棒状伸銅９を冷間圧延して薄板１ｏを形成する際に
、薄板１０の強度特性に方向性を生じた場合には、薄板
１０を打ち抜いて形成した環状導体板１１を積層する際
に、隣接する環状導体板１１．１１の圧延方向が９０°
ずつ変化するように重ねて接合することにより、全体と
して各方位について強度特性に異方性がない均一なヘル
カリコイルを形成することができる。

次に本発明の他の実施例について第２図（Ａ）。

（Ｂ）を参照して説明する。本実施例方法においては所
定寸法に調整した帯状の薄銅板２１を直接円筒状に曲げ
たものを半径方向に同心状に複数積層して多層円筒体１
３ｂを形成している。すなわち第２図（Ａ）に示す薄銅
板２１を図示しない。

円柱状の内金型に２層巻き付けてそれぞれ中空円筒体１
８ａ、１８ｂを形成し、これらの中空円筒体１８ａ、１
８ｂを同心状に配置して多層円筒体１３ｂを形成してい
る。隣接する中空円筒体１８ａ、１８ｂには半径方向の
接合面２２と円周方向の接合面２３とが形成される。そ
して各接合面２２．２３は押圧された状態で接合温度ま
で加熱されることにより、一体に接合される。そして形
成された多層円筒体１３ｂに第１図に示す実施例と同様
に螺旋状の切断溝が形成されてヘルカリコイルとされる
。

本実施例方法では、第１図に示す方法で形成したような
環状導電板を形成することなく直接、薄銅板２１から中
空円筒体１８ａ、１８ｂを形成しているため、第１図に
示す実施例と比較して製造工数を低減することができる
。

しかしながら本実施例の場合、多層円筒体１３ｂの円周
方向および半径方向にそれぞれ接合面２３．２２が形成
されるため、ヘルカリコイルとして使用した場合に大き
な電磁界力が円周方向の接合面２３に垂直に作用する。

この電磁界力に充分耐え、コイルの電気的特性を変化さ
せないためには、接合面２３の機械的強度および電気的
特性が共に母材と同等であることが必要とされる。

しかるに接合面２３におけるそれらの特性は、第１表に
示すように母材の８０〜９０％程度までしか得られない
ことが実験によって判明しているため、コイル全体とし
ての特性は、第１図に示すように母材よりも特性が劣る
接合面をヘルカリコイルの円周方向に形成しない前述の
実施例の方が優れる。

特にコイル素材として繊維強化銅素材を用いた際には、
強化材間の相互拡散による接合は殆んど進行しないため
、前記した第１図の実施例による製造方法がより有効に
なることが判る。

なお前記した策１図及び第２図の実施例では、コイル素
材としてアルミナ分散強化銅または純銅を用いた例で示
しているが、他のコイル材料として、短繊維、ウィスカ
、粒子等を混入した合金や調合金製の銅帯を用いてもよ
い。また強化繊維として炭化珪素、炭素、ボロン、有機
物系、金属系を用いても同様の効果を得ることができる
。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係るヘルカリコイルの製造方法
によれば、予め所定寸法に成形した導体板を積層して、
ヘルカリコイルを形成しているため、コイルの両端部に
おける寸法精度の低下が少なく、高強度で高品質のヘル
カリコイルを製造することができる。特にコイル素材と
して使用する導体板は、小さなインゴットを圧延して得
られる薄板を打ち抜き加工等によって容易に形成でき、
得られる導体板の厚さを均一にすることができるととも
に、形状精度を高めることができる。従って大型のヘル
カリコイルも高精度で形成することが可能であり、製造
効率および材料の歩留りも大幅に改善することができる
。

特に環状導体板を軸方向に多段に積層して相互に拡散接
合して中空円筒体を形成し、さらに螺旋状の切断溝を形
成して製造したヘルカリコイルは、母材よりも機械的お
よび電気的な特性が劣る接合面がコイルの円周方向に存
在しないため、母材の冷間加工特性を損うことなく、高
強度でかつ高い導電率を有する高品質のヘルカリコイル
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｇ）は本発明に係るヘルカリコイル製
造方法の各工程を順に示す図であり、第１図（Ａ）は棒
状伸銅の形状を示す斜視図、第１図（Ｂ）は棒状伸銅を
冷間圧延加工して得た薄板の形状を示す斜視図、第１図
（Ｃ）は薄板を打ち抜いて形成した環状導体板の形状を
示す斜視図、第１図（Ｄ）は環状導体板を積層して形成
した多層円筒体の形状を示す正面図、第１図（Ｅ）は多
層円筒体をホットプレス処理する状態を示す断面図、第
１図（Ｆ）は、中空円筒体を示す正面図、第１図（Ｇ）
はヘルカリコイル導体を示す正面図。 第２図（Ａ）、　　（Ｂ）は本発明の他の実施例を示す
図であり、第２図（Ａ）は薄銅板の形状を示す斜視図、
第２図（Ｂ）は薄銅板を筒状に折り曲げて形成した多層
円筒体の形状を示す斜視図、第３図は強磁界発生装置の
構成を示す断面図、第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（
Ｄ）はそれぞれ従来のヘルカリコイルの製造方法の工程
を順に示す斜視図であり、第４図（Ａ）は円筒素材の外
形を示す斜視図、第４図（Ｂ）はリングローリング法に
よる鍛造操作を示す斜視図、第４図（、Ｃ）は硬化され
た中空円筒の形状を示す斜視図、第４図（Ｄ）はヘルカ
リコイル導体の外形を示す斜視図である。 １・・・水冷マグネットコイル、２・・・超電導マグネ
ットコイル、３・・・磁界の中心部、４・・・円筒素材
、４ａ・・・中空円筒、５ａ・・・内側ローラ、５ｂ・
・・外側ローラ、６・・・スリット、７・・・ヘルカリ
コイル導体、８・・・アルミナ粒子、９・・・棒状伸銅
、１０・・・薄板、１１・・・環状導体板、１２・・・
内金型、１３．１３ｂ・・・多層円筒体、１４・・・ホ
ットプレス装置、１５・・・押し治具、１６・・・受は
台、１７・・・ヒータ、１８゜１８ａ、１８ｂ・・・中
空円筒体、１９・・・切断溝、２０・・・ヘルカリコイ
ル導体、２１・・・薄銅板、２２・・・接合面、２３・
・・接合面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定寸法に成形した複数の導体板を積層して多層円筒体
   を形成し、隣接する各導体板の接触面を押圧した状態で
   加熱することにより各導体板を相互に拡散接合して一体
   の中空円筒体を形成した後に、中空円筒体の外周に沿っ
   て螺旋状の切断溝を形成することを特徴とするヘルカリ
   コイルの製造方法。