JPH06224026A - 超電導コイル装置 - Google Patents
超電導コイル装置Info
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- JPH06224026A JPH06224026A JP1277593A JP1277593A JPH06224026A JP H06224026 A JPH06224026 A JP H06224026A JP 1277593 A JP1277593 A JP 1277593A JP 1277593 A JP1277593 A JP 1277593A JP H06224026 A JPH06224026 A JP H06224026A
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- JP
- Japan
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- fiber
- fibers
- superconducting coil
- coil device
- superconducting
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 トレーニング回数が少く、最大電流値が高
い安定且つ高性能の超電導コイルを提供する。 【構成】 筒又は柱状の巻枠にタテ糸に融点が１６０
℃以上の負膨張繊維を、ヨコ糸に正膨張繊維を配した構
造体をタテ糸が軸に対して±４０〜９０度になる様に巻
き樹脂と一体成形してなる超電導コイル装置。
い安定且つ高性能の超電導コイルを提供する。 【構成】 筒又は柱状の巻枠にタテ糸に融点が１６０
℃以上の負膨張繊維を、ヨコ糸に正膨張繊維を配した構
造体をタテ糸が軸に対して±４０〜９０度になる様に巻
き樹脂と一体成形してなる超電導コイル装置。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は極低温に冷却して用いら
れる超電導コイルに関する。
れる超電導コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導コイル装置は超電導導体を巻枠に
巻回し、層間にスペーサを介して形成されるか外周面に
彫られたラセン溝に沿って超電導導体を巻回した層コイ
ル要素を順次同心的に複数層重ねて構成される。従来こ
の巻枠としてはアルミニウム等の金属又はガラス繊維強
化プラスチックが用いられる。
巻回し、層間にスペーサを介して形成されるか外周面に
彫られたラセン溝に沿って超電導導体を巻回した層コイ
ル要素を順次同心的に複数層重ねて構成される。従来こ
の巻枠としてはアルミニウム等の金属又はガラス繊維強
化プラスチックが用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】超電導コイルの用途は
多岐に亙るが、いずれも超電導線の電流密度を高くする
ことが、コイル自体の性能を上げるためには極めて重要
である。そして、これは巻枠に巻回した超電導線の安定
性に大きく依存する。超電導線を巻枠に巻回した状態で
の物理的安定性は超電導コイル自体の電気的な安定性と
深く関わっている。通常巻枠としてはアルミニウム等の
金属又はガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）が用
いられるが、これらは室温で巻回して液体窒素（ＬＮ
Ｔ）又は液体ヘリウム温度（ＬＨｅＴ）迄冷却した時、
いずれも巻枠の周方向に大きく収縮し、軸方向に小さく
収縮する。一方超電導線は、極低温で励磁した時、周方
向には、ローレンツ力に由来する反発力により膨張し、
巻線は、巻枠から離れる方向に動くことになる。また軸
方向には極低温になると超電導線の垂直方向の正膨張に
由来する大きな収縮のため巻枠軸方向の小さな収縮以上
に寸法変化することになる。この両者の動きが相まって
超電導線間にミクロな相互の動きが生じ、表面の摩擦発
熱に伴う擾乱が生じ超電導コイルはクエンチに至る。こ
のためコイルは不安定でありコイルを励磁する時のトレ
ーニング時、最大電流値が得られるまでの作業回数が多
く、能率が悪い。加えてコイルの性能を左右する最大電
流値が低くなるという問題が生じる。またアルミ枠の場
合は導電性であるため、特に交流では渦電流に伴うジュ
ール発熱が生ずるため不安定となる。この発明は以上の
問題点を解消するためになされたものであり、高性能且
つ安定な超電導コイルを得ることを目的とする。
多岐に亙るが、いずれも超電導線の電流密度を高くする
ことが、コイル自体の性能を上げるためには極めて重要
である。そして、これは巻枠に巻回した超電導線の安定
性に大きく依存する。超電導線を巻枠に巻回した状態で
の物理的安定性は超電導コイル自体の電気的な安定性と
深く関わっている。通常巻枠としてはアルミニウム等の
金属又はガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）が用
いられるが、これらは室温で巻回して液体窒素（ＬＮ
Ｔ）又は液体ヘリウム温度（ＬＨｅＴ）迄冷却した時、
いずれも巻枠の周方向に大きく収縮し、軸方向に小さく
収縮する。一方超電導線は、極低温で励磁した時、周方
向には、ローレンツ力に由来する反発力により膨張し、
巻線は、巻枠から離れる方向に動くことになる。また軸
方向には極低温になると超電導線の垂直方向の正膨張に
由来する大きな収縮のため巻枠軸方向の小さな収縮以上
に寸法変化することになる。この両者の動きが相まって
超電導線間にミクロな相互の動きが生じ、表面の摩擦発
熱に伴う擾乱が生じ超電導コイルはクエンチに至る。こ
のためコイルは不安定でありコイルを励磁する時のトレ
ーニング時、最大電流値が得られるまでの作業回数が多
く、能率が悪い。加えてコイルの性能を左右する最大電
流値が低くなるという問題が生じる。またアルミ枠の場
合は導電性であるため、特に交流では渦電流に伴うジュ
ール発熱が生ずるため不安定となる。この発明は以上の
問題点を解消するためになされたものであり、高性能且
つ安定な超電導コイルを得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために筒又は柱状の巻枠に超電導線を巻回して
極低温で使用する超電導コイル装置において、前記巻枠
が繊維材料としてタテ糸に負膨張繊維をヨコ糸に正膨張
繊維を配した繊維構造体をタテ糸が軸に対して±４０度
から９０度の角度となる様に巻き、樹脂と一体成形して
なる繊維強化プラスチックよりなることを特徴とする超
電導コイル装置。
達成するために筒又は柱状の巻枠に超電導線を巻回して
極低温で使用する超電導コイル装置において、前記巻枠
が繊維材料としてタテ糸に負膨張繊維をヨコ糸に正膨張
繊維を配した繊維構造体をタテ糸が軸に対して±４０度
から９０度の角度となる様に巻き、樹脂と一体成形して
なる繊維強化プラスチックよりなることを特徴とする超
電導コイル装置。
【０００５】
【作用】本発明において用いられる、負膨張（低温にな
るにつれて膨張する）繊維としては融点が１６０℃以上
の高強力、高弾性率繊維であり、アラミド、ポリアリレ
ート（全芳香族ポリエステル）、ＰＢＺポリマー（ポリ
ベンツビスオキサゾール、ポリベンツビスチアゾールな
ど）及びカーボン等の繊維が挙げられる。これらの繊維
はいずれも低温になるにつれて、膨張するという特異な
性質を持つとともにガラス繊維に比べてはるかに低比重
であるため、高比強度、高比弾性率であり且つ軽い補強
繊維を得ることができる。ここで融点が１６０℃以下の
例えばポリエチレン繊維などはマトリックスである指摘
の成形条件に成形条件に制限があり、負膨張の程度が大
きく且つ耐クラック性に優れた成形体を得ることができ
ない。これに対して、正膨張繊維としてはポリエステ
ル、ナイロン、ビニロン、低次配向ポリエチレン、ポリ
プロピレン、アクリル、塩化ビニル、フッ化ビニル、ポ
リフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケト
ン、ポリエーテルケトンチトン、ポリアミドイミド、ポ
リイミドなどの有機繊維、ガラス、アルミナ、シリカ、
ジルコニア、チタニア、シリコンカーバイド、シリコン
ナイトライドなどのセラミクス繊維及びアルミ、銅、ス
テンレス等の金属繊維を挙げることができる。これら負
膨張及び正膨張繊維の熱膨張特性を図１に示す。
るにつれて膨張する）繊維としては融点が１６０℃以上
の高強力、高弾性率繊維であり、アラミド、ポリアリレ
ート（全芳香族ポリエステル）、ＰＢＺポリマー（ポリ
ベンツビスオキサゾール、ポリベンツビスチアゾールな
ど）及びカーボン等の繊維が挙げられる。これらの繊維
はいずれも低温になるにつれて、膨張するという特異な
性質を持つとともにガラス繊維に比べてはるかに低比重
であるため、高比強度、高比弾性率であり且つ軽い補強
繊維を得ることができる。ここで融点が１６０℃以下の
例えばポリエチレン繊維などはマトリックスである指摘
の成形条件に成形条件に制限があり、負膨張の程度が大
きく且つ耐クラック性に優れた成形体を得ることができ
ない。これに対して、正膨張繊維としてはポリエステ
ル、ナイロン、ビニロン、低次配向ポリエチレン、ポリ
プロピレン、アクリル、塩化ビニル、フッ化ビニル、ポ
リフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケト
ン、ポリエーテルケトンチトン、ポリアミドイミド、ポ
リイミドなどの有機繊維、ガラス、アルミナ、シリカ、
ジルコニア、チタニア、シリコンカーバイド、シリコン
ナイトライドなどのセラミクス繊維及びアルミ、銅、ス
テンレス等の金属繊維を挙げることができる。これら負
膨張及び正膨張繊維の熱膨張特性を図１に示す。
【０００６】上記繊維の形態としては縒糸、紡績糸等の
各種の糸で、平織、縒織、朱子織、袋織、バスケット等
の公知の形態の織物が繊維構造体として利用できる。ま
たタテ糸及びヨコ糸の各々に直交する方向に第３の糸を
配した三次元織物を利用することもできる。第３の糸と
しては負膨張繊維を使用することが望ましい。また多く
の特性をすべて満足させるためには、２種以上の負膨張
繊維又は正膨張繊維を混合して使用することもできる。
また負膨張繊維と、正膨張繊維を成形体中でタテ糸、ヨ
コ糸に配する方法として各々の糸を用いてエポキシ樹脂
などをマトリクスとし、一方向強化のプリプレグを作成
しておき、これをマンドレル上に例えば交互に巻回しな
がら積層することによっても繊維構造体を得ることがで
きる。
各種の糸で、平織、縒織、朱子織、袋織、バスケット等
の公知の形態の織物が繊維構造体として利用できる。ま
たタテ糸及びヨコ糸の各々に直交する方向に第３の糸を
配した三次元織物を利用することもできる。第３の糸と
しては負膨張繊維を使用することが望ましい。また多く
の特性をすべて満足させるためには、２種以上の負膨張
繊維又は正膨張繊維を混合して使用することもできる。
また負膨張繊維と、正膨張繊維を成形体中でタテ糸、ヨ
コ糸に配する方法として各々の糸を用いてエポキシ樹脂
などをマトリクスとし、一方向強化のプリプレグを作成
しておき、これをマンドレル上に例えば交互に巻回しな
がら積層することによっても繊維構造体を得ることがで
きる。
【０００７】ここで使用されるマトリックスとしては、
エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステ
ル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタンアクリレート樹脂など
が使用できるが特に好ましいのは、エポキシ樹脂であ
る。これらのマトリクス樹脂はいずれも正膨張を示す
が、負膨張及び正膨張繊維よりなる織物又はプリプレグ
を巻回することにより成形した筒又は柱状の繊維強化プ
ラスチックは周方向に大きな負膨張率を軸方向には正膨
張率を持つことができる。従ってこれよりなる巻枠を用
いた超伝導コイルは安定で、耐クエンチ性が高く電流密
度の大きな高性能コイルとすることができる。
エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステ
ル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタンアクリレート樹脂など
が使用できるが特に好ましいのは、エポキシ樹脂であ
る。これらのマトリクス樹脂はいずれも正膨張を示す
が、負膨張及び正膨張繊維よりなる織物又はプリプレグ
を巻回することにより成形した筒又は柱状の繊維強化プ
ラスチックは周方向に大きな負膨張率を軸方向には正膨
張率を持つことができる。従ってこれよりなる巻枠を用
いた超伝導コイルは安定で、耐クエンチ性が高く電流密
度の大きな高性能コイルとすることができる。
【０００８】ＧＦＲＰを超電導コイルの巻枠として使用
する場合、最大の問題点は周方向の大きな収縮に伴う超
電導線のゆるみによりコイルが容易にクエンチすること
である。このためコイルを励磁する時のトレーニング回
数を多く必要とし最大電流値も高い値を得ることはでき
ない。本発明では、ポリエチレン、アラミド、ポリアリ
レート、カーボンなどの高強力、高弾性率で且つ負膨張
率を有する有機繊組をタテ糸に、正膨張繊維をヨコ糸に
した織物又はプリプレグを用いて、筒又は柱状の強化プ
ラスチックを作成することにより、極低温下で耐クエン
チ性の高い超電導コイル用巻枠を提供しようとするもの
である。ここで通常使用されるマトリクス樹脂はいずれ
も正膨張を示すが、負膨張及び正膨張繊維をタテ及びヨ
コ糸にした繊維材料うち負膨張を示す繊維の巻き角度を
適当に選んで、巻回して成形した筒又は柱状の繊維強化
プラスチックは周方向に対して大きな負膨張率を示す、
そしてその値は繊維自身の持つ負膨張率よりはるかに高
い値となる。配向角は成形体の軸方向に対して±４０度
から９０度が適当であるが望ましくは±４５度と９０度
の間である。角度が４０度未満では周方向の正膨張（低
温になるに従い収縮する）が大きくなる。一方、ＧＦＲ
Ｐの場合はガラス繊維及びマトリクス樹脂とも正膨張で
あるので巻き角度に無関係に、周方向には正膨張という
通常の材料に見られる特性しか得られない。これにより
超電導コイルの巻枠として耐クエンチ牲に優れたものを
得ることができる。
する場合、最大の問題点は周方向の大きな収縮に伴う超
電導線のゆるみによりコイルが容易にクエンチすること
である。このためコイルを励磁する時のトレーニング回
数を多く必要とし最大電流値も高い値を得ることはでき
ない。本発明では、ポリエチレン、アラミド、ポリアリ
レート、カーボンなどの高強力、高弾性率で且つ負膨張
率を有する有機繊組をタテ糸に、正膨張繊維をヨコ糸に
した織物又はプリプレグを用いて、筒又は柱状の強化プ
ラスチックを作成することにより、極低温下で耐クエン
チ性の高い超電導コイル用巻枠を提供しようとするもの
である。ここで通常使用されるマトリクス樹脂はいずれ
も正膨張を示すが、負膨張及び正膨張繊維をタテ及びヨ
コ糸にした繊維材料うち負膨張を示す繊維の巻き角度を
適当に選んで、巻回して成形した筒又は柱状の繊維強化
プラスチックは周方向に対して大きな負膨張率を示す、
そしてその値は繊維自身の持つ負膨張率よりはるかに高
い値となる。配向角は成形体の軸方向に対して±４０度
から９０度が適当であるが望ましくは±４５度と９０度
の間である。角度が４０度未満では周方向の正膨張（低
温になるに従い収縮する）が大きくなる。一方、ＧＦＲ
Ｐの場合はガラス繊維及びマトリクス樹脂とも正膨張で
あるので巻き角度に無関係に、周方向には正膨張という
通常の材料に見られる特性しか得られない。これにより
超電導コイルの巻枠として耐クエンチ牲に優れたものを
得ることができる。
【０００９】成形法としては、織物にマトリクス樹脂を
含浸しながらマンドレル上に巻き付けるシートワインデ
ィング法、織物又はフイラメントであらかじめプリプレ
グを作成した後巻きつけるシート又はテープワインディ
ング法などが挙げられる。上記複合材中の繊維とマトリ
ックス樹脂の混合比率は、繊維の体積分率（Ｖｆ）とし
て３５〜８５％が好ましく、より好ましいのは４０〜７
０％である。繊維のＶｆが３５％より少ないと繊維の補
強効果が発現せず、８５％を超えるとマトリックス樹脂
と含浸しにくくなり複合材料としての機械的特性が悪化
するため好ましくない。
含浸しながらマンドレル上に巻き付けるシートワインデ
ィング法、織物又はフイラメントであらかじめプリプレ
グを作成した後巻きつけるシート又はテープワインディ
ング法などが挙げられる。上記複合材中の繊維とマトリ
ックス樹脂の混合比率は、繊維の体積分率（Ｖｆ）とし
て３５〜８５％が好ましく、より好ましいのは４０〜７
０％である。繊維のＶｆが３５％より少ないと繊維の補
強効果が発現せず、８５％を超えるとマトリックス樹脂
と含浸しにくくなり複合材料としての機械的特性が悪化
するため好ましくない。
【００１０】
【実施例】本発明の負及び正膨張繊維よりなる筒状繊維
強化プラスチツクは以下の様に作成した。負膨張繊維と
しては、アラミド繊維（日本アラミド繊維、トワロンＨ
Ｍ、１５５０ｄ）、ポリアリレート繊維（クラレ、ベク
トラン、１５００ｄ）を正膨張としてはガラス繊維（日
東紡）、２８０ｔｅｘ）を用いて、各々負膨張繊維と正
膨張繊維をタテ及びヨコ糸とし、その打込み本数割合が
体積で６／４となる様にした平織物を作成した。また、
比較としてタテ糸／ヨコ糸が両者ともアラミド繊維及び
ガラス繊維の織物及びタテ糸／ヨコ糸がガラス繊維／ア
ラミド繊維など各種織物を作成した。目付量はいずれも
１８０ｇ／ｍ2 となる様に調製した。これを用いて実施
例１〜５、比較例６〜１０の合計１０種類の円筒状繊維
強化プラスチックをシートワインディング法により作成
した。マトリックスとしてはエポキシ樹脂を使用し以下
の配合により、均一混合し樹脂ドープを作成した。 エピコート−８２７（油化シエル） １００ エピキュアーＹＨ−３００（油化シエル） ８０ ＥＭＩ−２４（油化シエル） １ 次に各種繊維にエポキシ樹脂を含浸させながらマンドレ
ルに巻き付け、円筒状とした。この時負膨張繊維は、円
筒の軸に対して９０度で巻いた。これに対して負膨張繊
維を４０度以上９０度未満の角度をつけて巻く試料はあ
らかじめ、以下のエポキシ配合によりプリプレグを作成
し所定の角度に切り出したシートを作成してマンドレル
に巻いて円筒状とした。 次にこれをマンドレル上に保持したまま１００℃×２ｈ
ｒ、その後１３０℃×３ｈｒにて硬化成形し繊維体積含
有率６５％、外径１００ｍｍ×長さ５００ｍｍ、肉厚５
ｍｍの成形体を得た。この様にして得られた各円筒に、
ＧＦＲＰよりなるフランジを接着し、コイル用巻枠を得
た。これに１．２ｍｍφの超電導導体をテンション１０
ｋｇにて、５層巻回した後、前述シートワインデング用
エポキシ樹脂を含浸し、１００℃×４ｈｒ、更に１３０
℃×３ｈｒ加熱硬化し超電導コイルを完成させた。これ
らの評価結果を表１に示す。
強化プラスチツクは以下の様に作成した。負膨張繊維と
しては、アラミド繊維（日本アラミド繊維、トワロンＨ
Ｍ、１５５０ｄ）、ポリアリレート繊維（クラレ、ベク
トラン、１５００ｄ）を正膨張としてはガラス繊維（日
東紡）、２８０ｔｅｘ）を用いて、各々負膨張繊維と正
膨張繊維をタテ及びヨコ糸とし、その打込み本数割合が
体積で６／４となる様にした平織物を作成した。また、
比較としてタテ糸／ヨコ糸が両者ともアラミド繊維及び
ガラス繊維の織物及びタテ糸／ヨコ糸がガラス繊維／ア
ラミド繊維など各種織物を作成した。目付量はいずれも
１８０ｇ／ｍ2 となる様に調製した。これを用いて実施
例１〜５、比較例６〜１０の合計１０種類の円筒状繊維
強化プラスチックをシートワインディング法により作成
した。マトリックスとしてはエポキシ樹脂を使用し以下
の配合により、均一混合し樹脂ドープを作成した。 エピコート−８２７（油化シエル） １００ エピキュアーＹＨ−３００（油化シエル） ８０ ＥＭＩ−２４（油化シエル） １ 次に各種繊維にエポキシ樹脂を含浸させながらマンドレ
ルに巻き付け、円筒状とした。この時負膨張繊維は、円
筒の軸に対して９０度で巻いた。これに対して負膨張繊
維を４０度以上９０度未満の角度をつけて巻く試料はあ
らかじめ、以下のエポキシ配合によりプリプレグを作成
し所定の角度に切り出したシートを作成してマンドレル
に巻いて円筒状とした。 次にこれをマンドレル上に保持したまま１００℃×２ｈ
ｒ、その後１３０℃×３ｈｒにて硬化成形し繊維体積含
有率６５％、外径１００ｍｍ×長さ５００ｍｍ、肉厚５
ｍｍの成形体を得た。この様にして得られた各円筒に、
ＧＦＲＰよりなるフランジを接着し、コイル用巻枠を得
た。これに１．２ｍｍφの超電導導体をテンション１０
ｋｇにて、５層巻回した後、前述シートワインデング用
エポキシ樹脂を含浸し、１００℃×４ｈｒ、更に１３０
℃×３ｈｒ加熱硬化し超電導コイルを完成させた。これ
らの評価結果を表１に示す。
【００１１】
【表１】
【００１２】（熱膨張率）巻枠の外周面にストレインゲ
ージをはり付け後、液体Ｎ2 中に浸積し円周方向及び軸
方向の寸法変化を測定した。 （クエンチ電流）超電導コイル装置を液体Ｈｅ中に浸漬
し、クエンチ電流を測定した。結果は繰返しのトレーニ
ングにより到達した最大電流密度とその時のトレーニン
グ回数により示す。
ージをはり付け後、液体Ｎ2 中に浸積し円周方向及び軸
方向の寸法変化を測定した。 （クエンチ電流）超電導コイル装置を液体Ｈｅ中に浸漬
し、クエンチ電流を測定した。結果は繰返しのトレーニ
ングにより到達した最大電流密度とその時のトレーニン
グ回数により示す。
【００１３】
【発明の効果】本発明によるとトレーニング回数が少
く、最大電流値が高い、安定且つ高性能な超電導コイル
を提供することを可能にした。
く、最大電流値が高い、安定且つ高性能な超電導コイル
を提供することを可能にした。
【図１】各種繊維の熱膨張特性を示す図。
Claims (1)
- 【請求項１】 筒又は粒状の巻枠に超電導線を巻回して
極低温で使用する超電導コイル装置において、前記巻枠
が繊維材料としてタテ糸に融点が１６０℃以上の負膨張
繊維を、ヨコ糸に正膨張繊維を配した繊維構造体をタテ
糸が軸に対して±４０度から９０度の角度となる様に巻
き樹脂と一体成形してなる繊維強化プラスチックよりな
ることを特徴とする超電導コイル装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1277593A JPH06224026A (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 超電導コイル装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1277593A JPH06224026A (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 超電導コイル装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06224026A true JPH06224026A (ja) | 1994-08-12 |
Family
ID=11814787
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1277593A Pending JPH06224026A (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 超電導コイル装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06224026A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015141988A (ja) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | 公益財団法人鉄道総合技術研究所 | 超電導コイル用巻軸及びその製造方法 |
-
1993
- 1993-01-28 JP JP1277593A patent/JPH06224026A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015141988A (ja) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | 公益財団法人鉄道総合技術研究所 | 超電導コイル用巻軸及びその製造方法 |
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