JPH07153619A - 超電導コイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い磁界を生ずるＮｂ₃ＳｎやＮｂ₃Ｇｅ材の
Ａ−１５相の結晶構造の超電導線材を用いた超電導コイ
ルにおいて、超電導コイルを固着するのにＡ−１５相を
形成する６５０℃ないし８００℃で焼結するセラミック
ス粉末で覆い、Ａ−１５相を形成する熱処理と同時にセ
ラミックスを焼結し固化して、高い磁界を発生しても電
磁力により線が擾乱を受けることのない超電導コイルの
製造方法とする。 【構成】 セラミックス粉末に、アルミナ、ホルステナ
イト粉末が重量比でほぼ５０％ずつの混合粉末に、硼硅
酸ガラス粉末、又は鉛硅酸ガラスで６５０℃ないし８０
０℃範囲で軟化するガラス粉末を混合し、超電導線材４
の周囲及びコイルにセラミックス粉末の泥漿５を塗布
し、超電導線材の超電導性を付与する６５０℃ないし８
００℃の温度で熱処理を施しセラミックス粉末を焼結す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高い磁界を発生する超
電導コイルの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】容易に強い磁界が発生可能な超電導マグ
ネットは、各種工業製品を製作するための製造プロセス
や、物理化学実験設備、更には医療用等、種々の分野に
於て重要な役割を果たしている。従来これらの超電導マ
グネットを形成する超電導コイルの線材には、塩化ナト
リウム（ＮａＣｌ）型結晶構造を有する超電導材の代表
であるニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）合金を極細多芯化し
て使用したものが主流となっている。しかし、超電導マ
グネットの磁場発生能力は、液体ヘリウム（Ｈｅ）温度
の４．２Ｋにおいて、ＮｂＴｉ合金線を用いる限りおお
よそ１０テスラ（Ｔ）程度が限界であり、より高い磁界
を発生する超電導マグネットの要求を満足することは前
述したＮｂＴｉ線材のみで対応することは困難な場合も
生じている。

【０００３】一方、ＮｂＴｉ線材を使用した超電導マグ
ネット以上の高磁界が得られる優れた特性を有している
超電導材として、Ａ−１５型の結晶構造を有する材料が
注目されており、具体的には３ニオブ・錫（Ｎｂ₃Ｓ
ｎ）や３ニオブ・ゲルマニウム（Ｎｂ₃Ｇｅ）から構成
される線材が実際の使用に供され始めている。しかしこ
れらの材料は構造に脆弱であるという問題を有してお
り、巻線工程時に線材に生じる機械的な歪により、超電
導特性が大幅に劣化する問題点を有している。超電導特
性が大幅に劣化するのを防止する対策としてＮｂ₃Ｓｎ
相を生成する前に巻線を完了し、その後の熱処理により
Ｎｂ₃Ｓｎ相の生成を行うワインド・アンド・リアクト
法が多用されている。

【０００４】又、超電導コイルは高い磁界を発生する領
域で使用するが、高磁界ではソレノイド型コイルの場
合、励磁の際にコイル中心から外周方向と軸方向へと、
コイル端部から中心方向へ強大な電磁力が発生するので
線材に巻き乱れを生じ、クエンチを誘発する原因とな
る。その防止のため、線材を強制的に拘束することが重
要となり、例えばコイルを形成する線材の間隙に真空含
浸法により熱硬化性樹脂を強制的に充填し、その状態で
硬化処理を行い線材を固定する等の方策が実際に行われ
ているが、現存する樹脂では強大な電磁力には耐えられ
ず、超電導コイル内に高い磁界を形成した時、超電導線
材の巻き乱れを誘発しクエンチに至るという問題点を有
していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的とする所
は、ワインド・アンド・リアクト処理後、樹脂含浸硬化
処理により超電導線材の固定を行うことなく、超電導コ
イルを形成する超電導線に電流が流れた時に、超電導コ
イルに作用する電磁力に耐え得る強度に超電導線材を固
定するよう構成した超電導コイルの製造方法を提供する
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の最大の特長は、
超電導コイルを形成するのに、ワインド・アンド・リア
クト法によるＡ−１５相を形成するＮｂ₃ＳｎやＮｂ₃Ｇ
ｅの超電導線材を使用して超電導コイルとする際、超電
導コイルに超電導特性を付与するための熱処理温度、も
しくはそれ以下の温度で超電導コイルを形成する超電導
線材間に塗布したセラミックス粉末を焼結して超電導コ
イルを固化することである。すなわち、水もしくは有機
溶剤中に分散したセラミックス粉末の泥漿を準備し、巻
線工程で線材に塗布する方法と、ついで巻線後加圧及び
真空含浸する方法等により該セラミックス泥漿を超電導
線材間に充填し、乾燥後Ａ−１５相を生成する温度まで
真空中で加熱し、線材のＡ−１５相形成処理とセラミッ
クスの焼結とを同時に行う。この時セラミックス粉末は
焼結に伴い収縮緻密化が進行し線材が強固に拘束され、
一方セラミックスと超電導線材とは反応しないので、耐
クエンチ性に優れた超電導コイルの製作が可能となる。

【０００７】使用するセラミックス粉末としては、Ｎｂ
₃ＳｎやＮｂ₃Ｇｅ等に代表されるＡ−１５相が形成され
る６５０℃ないし８００℃の熱処理温度の範囲でセラミ
ックス粉末間の焼結を行うようにすることから、アルミ
ナとフォルステライトの混合粉末と、カリウムを含むほ
う珪酸ガラスとの混合粉末、又はアルミナとフォルステ
ライトの混合粉末と、鉛とほう珪酸ガラスとの混合粉末
等が適当である。又、Ａ−１５相を形成するための熱処
理を終了した後、該超電導コイルを熱硬化性樹脂を使用
して含浸、硬化せしめる方法や、セラミックス焼結層を
形成した外周面にかしめのリングをとり付けることによ
り、更に超電導線材の固定の強度を高め、本発明の効果
を更に向上させる上で有効となる。

【０００８】本発明は、１．巻線完了後に熱処理を施し
て超電導相を形成する超電導線材を巻回して成る超電導
コイルに於て、前記熱処理を施す温度で焼結するセラミ
ックス粉末を超電導コイルを形成する超電導線材の層間
及び外周部分に塗布して後、超電導線材の超電導相を形
成する温度で熱処理を施し、前記セラミックス粉末を超
電導線材の相形成の熱処理と同時に焼結させて、超電導
線材間を強固に固着することを特徴とする超電導コイル
の製造方法である。

【０００９】

【作用】３ニオブ・錫（Ｎｂ₃Ｓｎ）や３ニオブ・ゲル
マニウム（Ｎｂ₃Ｇｅ）等に代表されるＡ−１５相を形
成して高磁界を発生する超電導線材を用いた超電導コイ
ルを形成するのに、Ａ−１５相を形成する６５０℃ない
し８００℃で焼結し固化するセラミックス粉末を用い
て、予め超電導コイルを形成する時に超電導線材の周囲
に前記セラミックス粉末の泥漿を超電導線材に塗布して
巻き込み、セラミックスが固化し、かつ超電導線材がＡ
−１５相を形成する温度で焼結し超電導線材で巻回され
た超電導コイルをセラミックスで固化する。超電導コイ
ルを形成する超電導線材は従来は熱硬化性樹脂で固定し
ているのに対し、本発明ではガラス質のセラミックスで
固化するので高磁界を発生した時の電磁力により生じて
いた超電導コイルの超電導線材の機械的な乱れを防止す
る。

【００１０】超電導線材に塗布するセラミックスには、
アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ホルステライト（ＭｇＳｉ
Ｏ₂）等のセラミックスの平均粒径が１μｍ以下の微粉
末と、超電導線材がＡ−１５相を形成する６５０℃ない
し８００℃で軟化するガラス粉末とを攪拌したセラミッ
クス粉末を使用する。アルミナ、フォルステライト等の
セラミックスは８００℃に於いても軟化することがない
安定なセラミックスであるが、６５０℃ないし８５０℃
で軟化するガラス粉末を添加混合したものを超電導マグ
ネットの超電導線材間を固めるためのセラミックス固化
材とする。

【００１１】使用するガラスとしては、６５０℃ないし
８００℃の温度範囲で軟化する酸化カリウム（Ｋ
₂Ｏ）、硼酸（Ｂ₂Ｏ₃）、硅酸（ＳｉＯ₂）よりなる硼硅
酸ガラスを用いるもので、実施例では重量比でＫ₂Ｏが
８％、ＳｉＯ₂が６７％、Ｂ₂Ｏ₃が２５％で軟化温度が
７００℃〜７３０℃のガラス、及び酸化鉛（ＰｂＯ）が
６０％、硼酸（Ｂ₂Ｏ₃）が１５％、硅酸（ＳｉＯ₂）が
２５％で軟化温度が６５０℃ないし７００℃の粒径が１
μｍ以下にしたガラス粉末を使用しているが、硼硅酸ガ
ラスに酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）を添加したガラス、及び
酸化鉛（ＰｂＯ）を主成分にして硼硅酸ガラスの組成の
成分比を変え、又アルミナ（ＡｌＯ₃）、酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）、酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₃）、酸化カルシウム
（ＣａＯ）、酸化リチウム（ＬｉＯ）、酸化ナトリウム
（Ｎａ₂Ｏ）等を夫々適当量を添加し組合せたガラスと
することにより、軟化温度の異なるガラスとすることが
出来る。

【００１２】又ガラス粉末に添加するアルミナ、ホルス
テライト等のセラミックス粉末とガラス粉末との重量比
は、本実施例ではガラスの添加量を重量比で４０％とし
たが、ガラスの組成の組合せによる軟化温度と焼結温度
とにより、ガラス粉末に対するセラミックス粉末の混合
比を２０％ないし８０％の範囲で組み合わせの比率を変
えて超電導線材の熱処理温度に適合させればよい。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明による超電導コイル１であり、従来のＮ
ｂＴｉ超電導線材によって構成された外部コイル２と、
本発明の方法により製作した超電導線材にＮｂ₃Ｓｎを
使用した内部コイル３の組合せにより構成されている。
次に内部コイル３の詳細な製作方法を以下に示す。超電
導線材として銅錫（ＣｕＳｎ）ブロンズ合金中にニオブ
（Ｎｂ）ロッドが多数本配置されたＡ−１５相形成前の
線材を準備し、表面に熱処理温度に耐え得るガラステー
プ状の絶縁層が巻いた状態で使用している。

【００１４】一方、線材を強固に固定する第１の実施例
のセラミックスには、平均粒径が１μｍ以下に粉砕した
アルミナ粉末とホルステライト粉末とをほぼ１：１の重
量比で混合した粉末をセラミック粉末全体に対し重量比
で６０％に、平均粒径が１μｍ以下に粉砕した酸化カリ
ウム（Ｋ₂Ｏ）が８％、硅酸（ＳｉＯ₂）が６７％、酸化
硼素（Ｂ₂Ｏ₃）２５％の硼珪酸ガラスを重量比で４０％
を混合して使用し、アルコール中に分散しセラミックス
粉末の泥漿５を作製した。図２は内部コイル３の巻線を
行う方法を示しており、線径が０．８０ｍｍの超電導線
材４にセラミックス粉末の泥漿５を塗布し乾燥しながら
巻線を行い、内部コイル３の巻線を終了後、図３に示す
様な内部コイル３の外周面にセラミックス粉末の泥漿５
を約１０ｍｍの厚さに塗布し、さらに約４０℃で５時間
の乾燥処理を行った。次に、７５０℃で４８時間のＮｂ
₃Ｓｎ相形成処理とセラミックス焼結処理を兼用した真
空中での熱処理を行い本発明による超電導コイルを完成
した。

【００１５】次に、第２の実施例のセラミックスには、
平均粒径が１μｍ以下に粉砕したアルミナ粉末とホルス
テライトとをほぼ１：１の重量比で混合した粉末をセラ
ミック粉末全体に対し重量比で６０％に、平均粒径が１
μｍ以下に粉砕した硅酸（ＳｉＯ₂）が２５％、酸化硼
素（Ｂ₂Ｏ₃）が１５％、酸化鉛（ＰｂＯ）が６０％の鉛
入り硼硅酸ガラスを１μ以下に粉砕した硼硅酸ガラス粉
末を重量比で４０％添加し、７００℃で４８時間のＮｂ
₃Ｓｎ相形成処理とセラミックス焼結処理を行い完成し
た。

【００１６】比較例としては、従来のワインド・アンド
・リアクト処理後、樹脂含浸、硬化を行った超電導コイ
ルを使用した。表１には、実施例１、実施例２に示す超
電導コイル１を液体ヘリウム温度まで冷却後電流を印加
した際の結果を示しており、図４には実施例１により作
られた超電導コイルと従来例による超電導コイルのトレ
ーニング回数と発生磁場との関係を示す。本発明によっ
て超電導コイルにした時のコイルに対する通電回数と超
電導電流を流すトレーニング効果が小さく、しかも到達
磁界が大きく向上しており、明かに本発明の超電導線材
を強固に固定する目的が達成できていることが確認出来
た。

【表１】

【００１７】

【発明の効果】以上述べたごとく本発明によれば、従来
のワインド・アンド・リアクト法により樹脂含浸硬化し
て製作される超電導コイルに比較して、超電導線材はガ
ラス状のセラミックスで固定されるので超電導線材の固
定が強固となり、安定して高磁場を発生する超電導コイ
ルを提供する事が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の効果を実証する為に製作された超電導
コイルの断面図。

【図２】本発明からなる超電導コイルを製作する際の巻
線状況を示す概略図。

【図３】本発明による超電導コイルの透視図。

【図４】本発明による超電導コイルと比較例による超電
導コイルの励磁結果を示す特性図。

【符号の説明】

１ 超電導コイル ２ 外部コイル ３ 内部コイル ４ 超電導線材 ５ セラミックス粉末の泥漿 ６ 泥漿を付着した線材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 巻線完了後に熱処理を施して超電導相を
   形成する超電導線材を巻回して成る超電導コイルに於
   て、前記熱処理を施す温度で焼結するセラミックス粉末
   を超電導コイルを形成する超電導線材の層間及び外周部
   分に塗布した後、超電導線材の超電導相を形成する温度
   で熱処理を施し、前記セラミックス粉末を超電導線材の
   相形成の熱処理と同時に焼結させて、超電導線材間を強
   固に固着することを特徴とする超電導コイルの製造方
   法。