JPH0794317A

JPH0794317A - 超電導コイル装置

Info

Publication number: JPH0794317A
Application number: JP1333394A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tomeoku; 寛留奥; Tsukasa Taniguchi; 谷口　　司; Yasuo Suzuki; 保夫鈴木; Naoki Maki; 直樹牧; Ryukichi Takahashi; 龍吉高橋; Mitsugi Akita; 調秋田; Tomofumi Kasahara; 奉文笠原; Shinji Torii; 慎治鳥居
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Hitachi Ltd
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Hitachi Ltd
Priority date: 1993-05-18
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 1995-04-07

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、超電導線が動きにくく、しか
も電気絶縁耐力の高い超電導コイル装置を提供すること
にある。【構成】外周面に超電導線を巻回するための螺旋状溝を
有し、その内側に冷媒を通すクーリングチャンネルを設
けた円筒状の巻枠と、該螺旋溝内に巻回した超電導線と
からなり、該超電導線は該溝内に接着剤により固定され
ている超電導コイル装置。【効果】強固で、超電導線が動きにくく、しかも電気絶
縁耐力の高い超電導マグネット装置を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導コイル装置に係わ
り、特に超電導線が動きにくく、しかも電気絶縁耐力の
高い超電導マグネットに関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイルを小型化し安定に運転する
ためには、超電導線材が常電導転移（クエンチ）を起こ
さずに電流を通電する必要がある。そのためには、超電
導線材の冷却を良くするとともに、線材を動かないよう
に強固に巻回する必要がある。超電導線材の冷却用冷媒
は、通常液体ヘリウムで代表されるように、極低温度
（約−２６９℃）であり、さらに非常に蒸発しやすい冷
媒である。このような冷媒で冷却するためには、超電導
線材を冷媒にさらすとともに、蒸発したヘリウムガスを
速やかに取り去る隙間を設ける必要がある。また、超電
導線は動くことによっても発熱しクエンチを引き起こす
ため、動かないように機械的に強固な構造にする必要が
ある。このように超電導コイル装置は、冷却を良くする
ために隙間を多くすることと、強固な構造にするため
に、隙間は設けたくないという相反する条件を満たす必
要がある。

【０００３】そのような目的を達成するために、多くの
発明がなされている。従来例としては、特開昭63−2926
04号及び特開昭64−13706 号がある。

【０００４】特開昭63−292604号公報記載の発明では、
第１層コイル要素の外周面に冷媒通路溝を設け、さらに
その表面に螺旋状溝を設け、その溝の中に超電導線を巻
回してコイル要素とし、そのようなコイル要素を重ねて
超電導コイル装置を完成するような構成となっている。

【０００５】一方、特開昭64−13706 号公報記載の発明
には、外周面に螺旋状溝，内周面に冷媒を通すクーリン
グチャンネルを設けた円筒状の巻枠と、該螺旋溝内に巻
回した超電導線とからなる超電導コイルが開示されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構成で
は、超電導線は冷媒通路溝の部分では空中に浮いた状態
になっており固定されてないので、電磁力等で動きクエ
ンチを引き起こし易く、超電導線が液体状態に比べ電気
絶縁耐力の非常に劣る蒸発したヘリウムガスで囲まれ、
超電導線間あるいは層間で放電を起こしやすくなる。さ
らに、この部分では超電導線の曲率が小さくなり、線材
にかかる歪みが大きくなって超電導線材の超電導特性を
劣化させる要因にもなる。特に超電導コイルを交流励磁
したときにその影響が大きくなる。

【０００７】本発明の目的は、超電導線が動きにくく、
しかも電気絶縁耐力の高い超電導コイル装置を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、外周面に超
電導線を巻回するための螺旋状溝を有し、その内側に冷
媒を通すクーリングチャンネルを設けた円筒状の巻枠
と、該螺旋溝内に巻回した超電導線とからなり、該超電
導線は該溝内に接着剤により固定されている超電導コイ
ルにより達成される。

【０００９】

【作用】最内層の円筒巻枠の外表面に彫られた螺旋状溝
に熱硬化性樹脂を均一に塗布した後、超電導線を所定の
張力をかけて巻線する。巻線導体が螺旋状溝におさまる
ので、余分な樹脂が螺旋状溝からはみだしてくる。そこ
で、巻線作業と同時にこの樹脂を除去した。巻線作業は
螺旋溝があるために容易である。しかも、螺旋溝部には
螺旋溝以外の溝等はないため、全周にわたり同一曲率で
しっかりと巻き付けることができるので確実な固定がで
きる。

【００１０】最内層円筒の巻線が完了したら、その上に
重なる第２層目の巻線を行う。

【００１１】分割した円筒状巻枠を、巻線の終了した第
１層目の円筒状巻枠の外周面に当てがう作業を行うため
に、巻線機の回転を止め停止した状態にしてから第２層
目の分割した円筒状巻枠を当てがった。次に、巻線導体
を長手方向の切断面部から第２層に導いた。

【００１２】第２層目になる薄肉円筒には、内側表面に
へこんだ溝状のクーリングチヤンネルが設けてあり、外
表面には螺旋溝が彫ってある。さらに巻枠には少なくと
も１ヶ所に全長にわたる切断面が設けてあるため、巻線
することにより外側の円筒が内側の円筒に締め付けられ
るので、強固に固定できる。分割した円筒状巻枠の両端
（螺旋溝以外の部分）をステンレスのバインドで締め付
け、一旦固定してから巻線作業を行った。第１層と同様
に、第２層の円筒巻枠の外表面に彫られた螺旋状溝に熱
硬化性樹脂を均一に塗布した後、超電導線を所定の張力
をかけて巻線した。また、第２層巻線終了時にはバイン
ドをはずして、第２層の円筒状巻枠を当てがった。この
ように各層ごとに巻線しコイルを製作した。

【００１３】もし、切断面間に隙間がある場合には、そ
の隙間内に接着剤を充填，硬化し、かつ超電導線を固定
して移動を防ぐことが望ましい。

【００１４】最内層に第２層の薄肉円筒を重ねると、第
２層内側に設けてあるクーリングチャンネルの山部は最
内層の表面に接する。クーリングチャンネル部は、最内
層の超電導線の表面を冷却する液体ヘリウムの貯液部と
して働くとともに、発熱により蒸発したヘリウムガスを
速やかにコイルから取り除く働きをする。第２層の巻線
をすると薄肉円筒は最内層にしっかりと固定される。切
断面部の切り欠き寸法は内側の層にしっかりと巻き付け
たときに、隙間が無くなる様な寸法が望ましい。隙間が
できるようなときには接着剤たとえばエポキシ樹脂，不
飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂で接着するこ
とも出来る。

【００１５】

【実施例】以下、実施例に沿って本発明を具体的に説明
する。

【００１６】〔実施例１〕図１は本発明を適用した超電
導コイル装置を、第２層目の途中まで巻線した状態を示
す図である。ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等
で作られた円筒６の表面に、超電導線を巻き込むための
螺旋溝３′を必要長さに渡って設ける。最内層には超電
導線を最初のターンに巻き込むための、点線で示すよう
な案内溝５も設ける。この溝の中に超電導線４を必要と
するターン数巻線する。つぎに、第２層目の薄肉円筒巻
枠７を被せる。図２は、第２層目の薄肉円筒の部分断面
図である。第２層目の円筒はやはりＦＲＰ等で作られ、
外側表面には螺旋溝３が設けてある。ただし、螺旋溝の
巻回方向は最内層が右ネジ方向ならば、第２層目は左ネ
ジ方向である。内側表面にはクーリングチャンネル２が
円筒全長に渡って設けられ、さらに、１本の切断面８が
円筒全長に渡って設けてある。

【００１７】この切断面８は、図１で分かるようにクー
リングチャンネルの山の部分に設けるのが良い。超電導
線を巻線したときに巻枠がへこまず、力を下の層に伝え
られるので強固な巻線が出来るからである。

【００１８】巻線の終わった最内層円筒６に第２層目の
薄肉円筒巻枠７を被せる。第２層目には円筒全長に渡っ
て切断面８が設けてあるので、巻線途中の超電導線を避
けて所定の位置に設置することができる。さらに、その
切断面部を通して第２層目に超電導線を渡す層間渡り部
９としても用いる。ただし、層間渡り部の切断面部で
は、超電導線材に無理な曲率を与えて超電導特性の劣化
を招かないように斜めに加工する等の配慮が必要であ
る。

【００１９】第２層目の薄肉円筒巻枠７が最内層円筒６
の上にセットされたら超電導線を巻線する。さらに第３
層目以上の層も同じように巻線し必要とする層数積み重
ねる。完成時、最外層の外表面は、補強の必要のないと
きは、巻線したままの状態で良い。補強のバインド線巻
きを必要とする場合は、内表面にクーリングチャンネル
のみを設けた薄肉円筒を被せ、その上にバインド線やガ
ラステープ等で補強すればよい。

【００２０】超電導線の口出し部は、電磁力や振動等で
動かないようにしっかりと保持する構造にしなくてはな
らない。円筒表面の巻線溝３と超電導線４はエポキシ樹
脂で図５に示すように接着する。この場合でも、巻線溝
から樹脂がはみ出さないようにすれば、次の層の内側の
クーリングチャンネルを埋めてしまうようなことはな
く、簡単に超電導コイルを製作することが出来る。

【００２１】〔実施例２〕実施例１では、第２層目以外
の薄肉円筒巻枠は、図に示すような円筒状に加工したも
のを用いて説明したが、図３に示すように、片側にクー
リングチャンネル２を設け、反対側に巻線溝３を設けた
薄板を、クーリングチャンネル側が内側になるように丸
めて用いることもできる。その場合には、丸めたときに
巻線溝３がＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆというように連続
し、全体として螺旋溝を形成するようにする。薄板の材
料としてＦＲＰ樹脂、あるいは銅，ステンレス，アルミ
等の金属が良い。金属板の場合にはその表面の一部ある
いは全面をエポキシ等の熱硬化性樹脂で電気絶縁を施し
ても良い。

【００２２】〔実施例３〕コイルフランジが必要ならば
巻線完了後に取り付ければよい。コイルフランジを後で
取り付ける構造の場合は、薄肉円筒部の切断面８は１本
でも組立てられるが、コイルフランジが取り外せない構
造のコイル装置の場合には、切断面は２本以上となり、
薄肉円筒部をいくつかに分割する必要がある、その分コ
イル製作が煩雑になる。

【００２３】図４はコイルフランジ１３のある構造のコ
イル装置を製作するときの様子を示す。この図はコイル
フランジ１３の取り付けられた第２層目の薄肉円筒巻枠
７の巻線が完了し、第３層目の巻枠を取り付けようとし
ているところである。第３層目以降の巻枠が固い材料で
出来ている場合は、この図のように第３層目以降の巻枠
は２分割以上に分割したものを用いる必要がある。

【００２４】〔実施例４〕図６から図８は、分割した第
２層目以降の巻線の様子を示す。図が煩雑になるのでフ
ランジ部およびクーリングチャンネル部は図示していな
い。図６は最内層円筒６に超電導線４の巻線が完了した
状態を示す。最内層円筒６の上下端部には９０度の間隔
をおいて突起１０が設けてある。図７は第２層目の巻線
が完了した状態を示す。最内層部からの超電導線４は切
断面８にある渡り部９から第２層目の表面に出て巻線さ
れる。第２層目の薄肉円筒巻枠７には９０度の間隔をお
いて切欠き部１１が設けられている、この切欠き部１１
は最内層の突起１０と嵌合し、巻線時に巻枠が巻線張力
によってずれるのを防いでいる。第３層目以降の巻線部
は図示しないが第２層目と同様に巻線される。その場
合、切断面８が層ごとに同一場所に成らないようにする
ことは、均一な磁場発生のためには有効な方法である。
この例の場合には９０度ずつ層ごとにずらすようにして
いる。図８は巻線終了後、最外層に補強用のバインド線
１２を取り付けた様子を示す。この最外層にも図示はし
ないが内側にはクーリングチャンネル２が設けてあり、
内側の層の超電導線を冷却するようにしている。巻線溝
が無くても絶縁を施した超電導線を用いて同様に製作す
ることが出来る。この場合には、内側の層の線材の巻線
の外形寸法が次の層の内径になるようにし、上の層で超
電導線をしっかり押さえるような寸法に製作する。

【００２５】また、これらの実施例では直線状のクーリ
ングチャンネルで、その方向は巻線溝部に対しほぼ直角
（あるいは重力方向に対して並行）に配置することが望
ましいが、その角度は必ずしも直角である必要はなく、
斜めに配置しても良く、蒸発した冷媒ガスが抜けやすい
形状が好ましい。さらに、クーリングチャンネルは、薄
肉円筒の下端から上端まで１本で形成する必要はなく、
途中で連通していても、交差していても、枝分れしてい
ても良い。

【００２６】〔実施例５〕表１に超電導導体の仕様、表
２にコイル設計仕様を示す。本発明によるコイルをＡコ
イルとし、従来のコイルをＢコイルとする。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】撚線構造は、中心にＣｕ−Ｎｉ材質の芯線
を有し、外周に超電導素線を６本配置した１次撚線構造
である。また、安定化銅はどちらの導体も超電導素線の
中心に配置されている。

【００３０】コイル巻線時の巻線張力は０−５０kgｆ，
巻線速度は０−２５ｍ／min で、巻線時にコイル軸及び
径方向への加圧も可能である。

【００３１】使用した巻枠は、ＡコイルとＢコイルで同
一設計とした。巻枠の材質は交流励磁による渦電流を防
止するため、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）
を用いた。Ａコイルの場合のみ、巻線をエポキシ樹脂で
固定した。クーリングチャンネルの溝寸法は６mmに設定
した。

【００３２】巻線は、円筒状巻枠を前の巻枠の外表面に
あてがい、固定用ＳＵＳ（仮使用）バンドで締め付けた
後に、エポキシ樹脂を巻枠の螺旋状溝に塗布した後、超
電導線に所定の張力をかけて巻線を行った。本発明では
常温、２４時間で硬化する熱硬化性樹脂を使用した。隣
接する巻線用溝部の間には０.８mm の間隔を設けたの
で、ターン間の電気絶縁は十分である。このような巻線
方法は、わずかな導体の動きでもクエンチを引き起こす
Ｃｕ−Ｎｉマトリックスを有する超電導導体の動きを防
止するのに有効である。一方、エポキシ樹脂を多くする
と、冷却用溝を閉塞したり、導体の冷却が悪くなったり
して、交流励磁時において超電導状態を維持できなくな
るので、巻線導体が螺旋状溝におさまったとき、余分な
樹脂が螺旋状溝からはみだしてくるので、巻線作業と同
時に樹脂を除去した。接着に用いたエポキシ樹脂は熱伝
導特性の良好なものを使用した。巻線が終了すると、最
外層の円筒巻枠を外周部からあてがい、ガラステープで
コイルを固定し、剛性を高めた。

【００３３】図９にコイルの交流励磁特性を示す。Ａコ
イルは初回励磁でクエンチ電流が１７５Armsであり、繰
り返しても値はほぼ一定である。これに対して、Ｂコイ
ルでは初回励磁で７５Armsであり、繰り返しても値は変
動し、通電電流にかなりのバラツキがあった。

【００３４】表３にコイルの励磁試験結果を示す。

【００３５】

【表３】

【００３６】Ａコイルの最大通電電流は１８０Armsであ
り、この時のコイル容量は３８０ｋＶＡとなった。一
方、Ｂコイルのコイル容量は１２０ｋＶＡとＡコイルの
１／３であった。

【００３７】

【発明の効果】強固で、超電導線が動きにくく、しかも
電気絶縁耐力の高い超電導マグネット装置を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超電導コイル装置を示す構
成図。

【図２】本発明の一実施例の超電導コイルの薄肉円筒巻
枠の部分断面図。

【図３】本発明の一実施例の超電導コイルの薄肉円筒巻
枠の構造図。

【図４】本発明の他の実施例の超電導コイルの円筒溝部
の構造図。

【図５】本発明の一実施例の超電導コイルの外観図。

【図６】本発明の他の実施例の超電導コイルの外観図。

【図７】本発明の他の実施例の超電導コイルの外観図。

【図８】本発明の他の実施例の超電導コイルの外観図。

【図９】本発明の超電導コイルの交流励磁特性を示す特
性図。

【符号の説明】

１…最内層のコイル巻枠、２，２′…クーリングチャン
ネル、３，３′，３″…螺旋溝、４…超電導線、５…案
内溝、６…最内層円筒、７，７′…薄肉円筒巻枠、８…
切断面、９…層間渡り部、１０…突起、１１…切欠き
部、１２…バインド線、１３…コイルフランジ、１４…
エポキシ樹脂。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｆ 5/08 ＺＡＡＣ (72)発明者鈴木保夫茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者牧直樹茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者高橋龍吉茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者秋田調東京都狛江市岩戸北二丁目11番１号財団法人電力中央研究所狛江研究所内 (72)発明者笠原奉文東京都狛江市岩戸北二丁目11番１号財団法人電力中央研究所狛江研究所内 (72)発明者鳥居慎治東京都狛江市岩戸北二丁目11番１号財団法人電力中央研究所狛江研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周面に超電導線を巻回するための螺旋状
溝を有し、その内側に冷媒を通すクーリングチャンネル
を設けた円筒状の巻枠と、該螺旋溝内に巻回した超電導
線とからなり、該超電導線は該溝内に接着剤により固定
されていることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】請求項１において、該接着剤が熱硬化性樹
脂であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項３】外周面に超電導線を巻回するための螺旋状
溝を有し、その内側に冷媒を通すクーリングチャンネル
を設けた円筒状の巻枠と、該螺旋溝内に巻回した超電導
線とを同心円状に積層してなり、該超電導線は該溝内に
接着剤により固定されていることを特徴とする超電導コ
イル装置。
【請求項４】請求項３において、該接着剤がエポキシ樹
脂であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項５】請求項３の、円筒状の巻枠の外表面の巻線
溝の山頂部と、その上に重なる次の層の内側のクーリン
グチャンネルの山頂部が接するように構成したことを特
徴とする超電導コイル装置。
【請求項６】請求項３の、円筒状の巻枠の外表面の螺旋
状溝まで、巻枠端部から案内溝を設けたことを特徴とす
る超電導コイル装置。
【請求項７】請求項３の該円筒状の巻枠の外表面の螺旋
状溝の螺旋の方向が、右ネジ方向，左ネジ方向，右ネジ
方向と交互に成るように積層したことを特徴とする超電
導コイル装置。
【請求項８】外周面に超電導線を巻回するための螺旋状
溝を有し、その内側に冷媒を通すクーリングチャンネル
を設けた円筒状の巻枠と、該螺旋溝内に巻回した超電導
線とを同心円状に積層してなり、該超電導線は該溝内に
接着剤により固定され、該円筒状の巻枠は長手方向の切
断面を有することを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項９】請求項８において、該接着剤が熱硬化性樹
脂であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項１０】請求項８の、円筒状の巻枠の外表面の巻
線溝の山頂部と、その上に重なる次の層の内側のクーリ
ングチャンネルの山頂部が接するように構成したことを
特徴とする超電導コイル装置。
【請求項１１】請求項８の、円筒状の巻枠の外表面の螺
旋状溝まで、巻枠端部から案内溝を設けたことを特徴と
する超電導コイル装置。
【請求項１２】請求項８の該円筒状の巻枠の外表面の螺
旋状溝の螺旋の方向が、右ネジ方向，左ネジ方向，右ネ
ジ方向と交互に成るように積層したことを特徴とする超
電導コイル装置。
【請求項１３】請求項８の断面部を熱硬化性樹脂で接着
したことを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項１４】外周面に超電導線を巻回するための螺旋
状溝を有し、その内側に冷媒を通すクーリングチャンネ
ルを設けた円筒状の巻枠と、該螺旋溝内に巻回した超電
導線とを同心円状に積層してなり、該超電導線は該溝内
に接着剤により固定され、該円筒状の巻枠は長手方向に
複数の切断面を有することを特徴とする超電導コイル装
置。
【請求項１５】請求項１４において、該接着剤が熱硬化
性樹脂であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項１６】請求項１４の、円筒状の巻枠の外表面の
巻線溝の山頂部と、その上に重なる次の層の内側のクー
リングチャンネルの山頂部が接するように構成したこと
を特徴とする超電導コイル装置。
【請求項１７】請求項１４の、円筒状の巻枠の外表面の
螺旋状溝まで、巻枠端部から案内溝を設けたことを特徴
とする超電導コイル装置。
【請求項１８】請求項１４の該円筒状の巻枠の外表面の
螺旋状溝の螺旋の方向が、右ネジ方向，左ネジ方向，右
ネジ方向と交互に成るように積層したことを特徴とする
超電導コイル装置。
【請求項１９】請求項１４の断面部を熱硬化性樹脂で接
着したことを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２０】外周面に超電導線を巻回するための螺旋
状溝を有し、その内側に冷媒を通すクーリングチャンネ
ルを設けた円筒状の巻枠と、該螺旋溝内に巻回した超電
導線とを同心円状に複数積層してなり、該超電導線は該
溝内に接着剤により固定され、該円筒状の巻枠は長手方
向に複数の切断面を有することを特徴とする超電導コイ
ル装置。
【請求項２１】請求項２０において、該接着剤が熱硬化
性樹脂であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２２】請求項２０の、円筒状の巻枠の外表面の
巻線溝の山頂部と、その上に重なる次の層の内側のクー
リングチャンネルの山頂部が接するように構成したこと
を特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２３】請求項２０の、円筒状の巻枠の外表面の
螺旋状溝まで、巻枠端部から案内溝を設けたことを特徴
とする超電導コイル装置。
【請求項２４】請求項２０の該円筒状の巻枠の外表面の
螺旋状溝の螺旋の方向が、右ネジ方向，左ネジ方向，右
ネジ方向と交互に成るように積層したことを特徴とする
超電導コイル装置。
【請求項２５】請求項２０の断面部を熱硬化性樹脂で接
着したことを特徴とする超電導コイル装置。