JPH0917627A - Bobbin for superconducting coil - Google Patents

Bobbin for superconducting coil

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Publication number
JPH0917627A
JPH0917627A JP10226396A JP10226396A JPH0917627A JP H0917627 A JPH0917627 A JP H0917627A JP 10226396 A JP10226396 A JP 10226396A JP 10226396 A JP10226396 A JP 10226396A JP H0917627 A JPH0917627 A JP H0917627A
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JP
Japan
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superconducting coil
fiber
bobbin
winding
reel
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Application number
JP10226396A
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Japanese (ja)
Inventor
Chikushi Hara
築志 原
Masahiko Nakade
雅彦 中出
Takeshi Okuma
武 大熊
Kenji Tazaki
賢司 田崎
Takashi Yazawa
孝 矢澤
Hideaki Maeda
秀明 前田
Eriko Yoneda
えり子 米田
Shiyunji Nomura
俊自 野村
Toshihiro Kashima
俊弘 鹿島
Atsuhiko Yamanaka
淳彦 山中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toyobo Co Ltd
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Original Assignee
Toshiba Corp
Tokyo Electric Power Co Inc
Toyobo Co Ltd
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Publication date
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain generation of quench by constituting a bobbin of fiber reinforced plastic which contains polyethylene fiber exhibiting a negative thermal expansion coefficient and reinforced material whose modulus of elasticity is larger than that of the polyethylene fiber, and orientating the polyethylene fibers in a specific angle range, with respect to the shaft axis line of the bobbin. SOLUTION: This bobbin for a superconducting coil is constituted of matrix resin, polyethylene fiber exhibiting a negative thermal expansion coefficient in the fiber direction, and reinforced material whose modulus of elasticity is larger than that of the polyethylene fiber. The polyethylene fiber is orientated in the range of ±35-90 degrees with respect to the shaft axis line of the bobbin, and has characteristics that the strength is at least 1.32GPa and the modulus of elasticity is at least 23.9GPa. The reinforced material is alumina fiber and has characteristics that the strength is at least 1200Mpa, and the modulus of elasticity is at least 120GPa.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導コイル用巻
枠に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bobbin for a superconducting coil.

【0002】[0002]

【従来の技術】超電導コイル装置を構造的に分類する
と、幾つかのタイプに大別される。巻枠を備えたものも
1つのタイプとして分類できる。このタイプの超電導コ
イル装置は、大電流用のものが多く、巻枠の外周に超電
導体を直に巻き付けて超電導コイルを形成したものや、
巻枠の外周に超電導体を巻き付けて最内層のコイル要素
を形成するとともに、この最内層のコイル要素の外側に
スペーサを介して順次コイル要素を形成し、これらで複
数層構成の超電導コイルを形成したものなどが知られて
いる。そして、交流用やパルス用のものでは、巻枠に渦
電流を発生させないために、巻枠としてエポキシ樹脂を
マトリックスとしたガラス繊維強化プラスチック(以
後、GFRPと略称する。)製のものが用いられてい
る。
2. Description of the Related Art Structural classification of superconducting coil devices is roughly classified into several types. Those with reels can also be classified as one type. Many of these types of superconducting coil devices are for large currents, such as those in which a superconducting coil is formed by directly winding a superconductor around the outer periphery of a winding frame,
A superconductor is wound around the outer circumference of the winding frame to form a coil element of the innermost layer, and coil elements are sequentially formed on the outer side of the coil element of the innermost layer through a spacer to form a superconducting coil having a multi-layer structure. Something that has been done is known. In addition, for alternating current or pulse use, a glass fiber reinforced plastic (hereinafter abbreviated as GFRP) having an epoxy resin matrix as the winding frame is used to prevent generation of eddy currents in the winding frame. ing.

【0003】このような超電導コイル装置は、超電導コ
イルを形成している超電導体を超電導転移温度以下の温
度に保つために、全体を液体ヘリウムで代表される極低
温液体中に浸漬した状態で使用される。
Such a superconducting coil device is used while being immersed in a cryogenic liquid typified by liquid helium in order to keep the superconductor forming the superconducting coil at a temperature below the superconducting transition temperature. To be done.

【0004】しかしながら、GFRP製の巻枠を備えた
従来の超電導コイル装置にあっては次のような問題があ
った。
However, the conventional superconducting coil device having the winding frame made of GFRP has the following problems.

【0005】すなわち、図3(a) に示すように、GFR
P製の巻枠1に超電導体2を巻き付けて超電導コイル3
を形成してなる超電導コイル装置4を極低温液体中に浸
漬すると、巻枠1を構成しているガラス繊維およびエポ
キシ樹脂が正の熱膨張係数を有しているため、巻枠1は
図中太矢印AおよびBで示すように軸方向に収縮すると
ともに半径方向にも収縮する。
That is, as shown in FIG. 3 (a), GFR
The superconducting coil 2 is formed by winding the superconducting wire 2 around the winding frame 1 made of P.
When the superconducting coil device 4 formed by forming is formed in a cryogenic liquid, the glass fiber and the epoxy resin forming the reel 1 have a positive coefficient of thermal expansion. It contracts in the axial direction as well as in the radial direction as indicated by thick arrows A and B.

【0006】一方、超電導コイル3を構成している超電
導体2も正の熱膨張係数を有する金属材で形成されてい
る。このため、超電導コイル3は、図3(a) 中太矢印C
およびDで示すように、軸方向に収縮するとともに半径
方向に収縮する。
On the other hand, the superconductor 2 forming the superconducting coil 3 is also made of a metal material having a positive coefficient of thermal expansion. Therefore, the superconducting coil 3 is indicated by the thick arrow C in FIG.
And D, it contracts axially as well as radially.

【0007】このように、超電導コイル装置4を極低温
液体中に単に浸漬した状態では、巻枠1および超電導コ
イル3が同じ形態に熱収縮するので、両者間の結合状態
に緩みが生じるようなことはない。
As described above, when the superconducting coil device 4 is simply immersed in the cryogenic liquid, the reel 1 and the superconducting coil 3 are heat-contracted into the same form, so that the loosened state is caused in the connection between the two. There is no such thing.

【0008】しかし、極低温に冷却している状態で、超
電導コイル3に電流を流すと、この電流による電磁力に
よって、超電導コイル3は図3(b) 中に太矢印C′およ
びEで示すように、軸方向の収縮量が一層増し、半径方
向には逆に膨張する。このため、巻枠1に対する超電導
コイル3の固定状態に緩みが生じる。
However, when a current is passed through the superconducting coil 3 while it is being cooled to an extremely low temperature, the electromagnetic force of this current causes the superconducting coil 3 to be indicated by thick arrows C'and E in FIG. 3 (b). Thus, the amount of contraction in the axial direction further increases, and the expansion in the radial direction reversely occurs. Therefore, looseness occurs in the fixed state of the superconducting coil 3 with respect to the winding frame 1.

【0009】緩みが生じると、通電している間に超電導
コイル3の全体あるいは一部が動き易くなる。僅かでも
動くと、それに伴なって摩擦熱が発生する。液体ヘリウ
ムで代表される極低温液体は比熱が極めて小さいので、
摩擦熱を極低温液体で速やかに吸収することが困難とな
り、この結果として超電導体2が常電導転移(クエン
チ)してしまう問題があった。
When the loosening occurs, the whole or a part of the superconducting coil 3 becomes easy to move while energized. Even if it moves a little, frictional heat is generated. Since the cryogenic liquid typified by liquid helium has a very small specific heat,
It becomes difficult to quickly absorb frictional heat with a cryogenic liquid, and as a result, there is a problem that the superconductor 2 undergoes normal conduction transition (quenching).

【0010】そこで、この問題を解決するために、最近
では高強度ポリエチレン繊維(以後、DFと略称す
る。)で強化されたプラスチック(以後、DFRPと略
称する。)で巻枠を形成することが試みられている。
Therefore, in order to solve this problem, recently, a reel is formed of a plastic (hereinafter abbreviated as DFRP) reinforced with high strength polyethylene fibers (hereinafter abbreviated as DF). Being tried.

【0011】DFは、通常のガラス繊維やセラミック繊
維とは異なり、低温になるにしたがって繊維方向に伸長
するという特異な性質を持っている。すなわち、このD
Fによって強化されたDFRP系成形体は、図4中に一
重の丸印で示すように、繊維方向には負の熱膨張係数を
示す。
Unlike ordinary glass fibers and ceramic fibers, DF has a peculiar property that it expands in the fiber direction at low temperatures. That is, this D
The DFRP-based molded product reinforced by F exhibits a negative coefficient of thermal expansion in the fiber direction, as indicated by a single circle in FIG.

【0012】このDFのロービングストランドを、たと
えばマトリックスとなるエポキシ樹脂を含ませながら回
転しているマンドレルに螺旋巻付け法で巻付け、図5
(a) に示すような筒状のDFRP系成形体5を形成した
場合、このDFRP系成形体5の周方向および軸方向の
温度による寸法変化は、図5(b) に示すように、マンド
レルの軸心線に対するロービングストランドの巻角度θ
によって左右される。
The roving strands of this DF are wound around a mandrel which is rotating while containing an epoxy resin serving as a matrix, for example, by a spiral winding method.
When the tubular DFRP molded body 5 as shown in (a) is formed, the dimensional changes of the DFRP molded body 5 due to the temperature in the circumferential direction and the axial direction are as shown in FIG. 5 (b). Winding angle θ of the roving strand with respect to the axis of
Depends on

【0013】ここで、螺旋巻付け法では、|θ|が 0゜
から90゜の範囲にあり、マンドレルの軸心線からロービ
ングストランドに対して時計方向に測定するか、あるい
は反時計方向に測定するかによってθの符号がプラスあ
るいはマイナスになる。
Here, in the spiral winding method, | θ | is in the range of 0 ° to 90 °, and it is measured from the axis of the mandrel to the roving strand in the clockwise direction or in the counterclockwise direction. The sign of θ becomes plus or minus depending on whether it is done or not.

【0014】螺旋巻付け法では、回転するマンドレルの
端から端に向けてたとえば巻角度θ=+75 ゜でロービン
グストランドを螺旋巻きし、それから反対方向には巻角
度θ=-75 ゜で螺旋巻きし、このようにして繰返し複数
回巻く。このような巻き方は、通常、“±75゜巻き”あ
るいは“±75゜の巻角度θで巻かれる”と呼ばれてい
る。
In the spiral winding method, a roving strand is spirally wound from end to end of a rotating mandrel, for example, at a winding angle θ = + 75 °, and then in the opposite direction at a winding angle θ = −75 °. Then, in this way, it is repeatedly wound several times. Such a winding method is usually called “± 75 ° winding” or “winding at a winding angle θ of ± 75 °”.

【0015】図6には温度による寸法変化(熱膨脹係
数)と巻角度θとの関係が示されている。なお、これら
のデータは、図5(b) に示される螺旋巻付け法でロービ
ングストランドを図5(a) に示されるように筒状に巻い
て形成された複数の成形体から得たものである。
FIG. 6 shows the relationship between the dimensional change (thermal expansion coefficient) with temperature and the winding angle θ. These data are obtained from a plurality of molded products formed by winding roving strands into a tubular shape as shown in FIG. 5 (a) by the spiral winding method shown in FIG. 5 (b). is there.

【0016】図中、XaはDFRP系成形体の軸方向の
熱膨張係数を示し、XcはDFRP系成形体の周方向の
熱膨張係数を示している。また、この図6には、GFR
P系成形体の軸方向の熱膨張係数がZaで、同じくGF
RP系成形体の周方向の熱膨張係数がZcで示され、さ
らにADFRP系成形体(AF:DFが50:50の割合で
混合;なお、ADFRP,AFの定義は後述する。)の
軸方向の熱膨張係数がYaで、同じくADFRP系成形
体の周方向の熱膨張係数がYcで示されている。
In the figure, Xa represents the coefficient of thermal expansion of the DFRP molded body in the axial direction, and Xc represents the coefficient of thermal expansion of the DFRP molded body in the circumferential direction. In addition, in this FIG.
The thermal expansion coefficient of the P type molded body in the axial direction is Za, and it is also GF
The coefficient of thermal expansion in the circumferential direction of the RP-based molded product is indicated by Zc, and the axial direction of the ADFRP-based molded product (AF: DF is mixed at a ratio of 50:50; ADFRP and AF will be defined later). The coefficient of thermal expansion of is indicated by Ya, and the coefficient of thermal expansion of the ADFRP-based molded article in the circumferential direction is indicated by Yc.

【0017】図6から判るように、DFRP系成形体の
場合は、使用するマトリックスが正の熱膨張係数を有し
ていても、DFの特性により、巻角度θがほぼ40度か
ら90度の範囲では、周方向の熱膨張係数が小さな正の
値から大きな負の値となり、逆に軸方向の熱膨張係数が
小さな負の値から大きな正の値となる。したがって、巻
角度θが上記範囲に設定されたDFRP系成形体では、
低温になるにしたがって周方向には大きく伸長(膨張)
し、軸方向には大きく収縮することになる。
As can be seen from FIG. 6, in the case of the DFRP type molded body, even if the matrix used has a positive coefficient of thermal expansion, the winding angle θ is about 40 to 90 degrees due to the characteristics of DF. In the range, the coefficient of thermal expansion in the circumferential direction changes from a small positive value to a large negative value, and conversely, the coefficient of thermal expansion in the axial direction changes from a small negative value to a large positive value. Therefore, in the DFRP-based molded body in which the winding angle θ is set in the above range,
Greatly expands (expands) in the circumferential direction as the temperature decreases
However, it will contract greatly in the axial direction.

【0018】これに対して、GFRP系成形体の場合に
は、GF自身がどの方向に対しても正の熱膨張係数を有
しているため、巻角度θを如何なる値に設定しても、周
方向および軸方向の熱膨張係数が正となり、DFRP系
成形体のような特性は得られない。
On the other hand, in the case of the GFRP type molded body, since GF itself has a positive coefficient of thermal expansion in any direction, no matter what value the winding angle θ is set to, The coefficients of thermal expansion in the circumferential direction and the axial direction are positive, and the characteristics of the DFRP-based molded product cannot be obtained.

【0019】上述したDFRP系成形体の特性を生か
し、このDFRP系成形体で巻枠を形成すると、巻枠に
クエンチを防ぐための理想的な特性を発揮させることが
できる。
By making use of the above-mentioned characteristics of the DFRP-based molded product and forming a reel with this DFRP-based molded product, ideal characteristics for preventing quenching can be exhibited in the reel.

【0020】すなわち、図7(a) に示すように、巻角度
θが前記範囲に設定されたDFRP系の巻枠11に超電
導体12を巻き付けて超電導コイル13を形成してなる
超電導コイル装置14を極低温液体中に浸漬すると、巻
枠11は図中太矢印JおよびKで示すように軸方向に収
縮するとともに周方向に膨張する。一方、超電導コイル
13は、図中太矢印CおよびDで示すように、軸方向に
収縮するとともに周方向に収縮する。
That is, as shown in FIG. 7 (a), a superconducting coil device 14 in which a superconducting coil 12 is wound around a DFRP winding frame 11 in which the winding angle θ is set in the above range to form a superconducting coil 13. When is immersed in a cryogenic liquid, the reel 11 contracts in the axial direction and expands in the circumferential direction as indicated by thick arrows J and K in the figure. On the other hand, the superconducting coil 13 contracts in the axial direction and in the circumferential direction, as indicated by thick arrows C and D in the figure.

【0021】このように、巻枠11と超電導コイル13
とは周方向には逆関係に膨張、収縮する。このため、極
低温液体中に浸漬された状態下では、巻枠11と超電導
コイル13との結合強さが大幅に強化された状態とな
る。
Thus, the winding frame 11 and the superconducting coil 13
And expand and contract in the opposite direction in the circumferential direction. Therefore, in the state of being immersed in the cryogenic liquid, the coupling strength between the bobbin 11 and the superconducting coil 13 is significantly strengthened.

【0022】超電導コイル13を極低温に冷却している
状態で、超電導コイル13に電流を流すと、この電流に
よる電磁力によって、超電導コイル13は図7(b) に太
矢印C′およびEで示すように、軸方向の収縮量が一層
増し、周方向には逆に膨張する。
When a current is passed through the superconducting coil 13 while the superconducting coil 13 is cooled to a cryogenic temperature, the electromagnetic force generated by this current causes the superconducting coil 13 to be indicated by thick arrows C'and E in FIG. 7 (b). As shown, the amount of contraction in the axial direction is further increased, and it is expanded in the opposite direction in the circumferential direction.

【0023】しかし、極低温液体中に浸漬された段階で
巻枠11と超電導コイル13との結合強さが大幅に強化
されているので、超電導コイル13が収縮、膨張して
も、巻枠11と超電導コイル13との結合強さは、製作
時と同程度の状態に戻るだけである。したがって、巻枠
11と超電導コイル13との結合状態に緩みが生じるよ
うなことはなく、超電導体12の動きが原因で起こるク
エンチの発生を抑えることが可能となる。
However, since the coupling strength between the bobbin 11 and the superconducting coil 13 is greatly strengthened at the stage of being immersed in the cryogenic liquid, even if the superconducting coil 13 contracts or expands, the bobbin 11 does not expand. The coupling strength between the superconducting coil 13 and the superconducting coil 13 only returns to a state similar to that at the time of manufacturing. Therefore, the coupling state between the winding frame 11 and the superconducting coil 13 is not loosened, and it is possible to suppress the occurrence of quench caused by the movement of the superconductor 12.

【0024】しかし、DFRP単独よりなる巻枠を備え
た超電導コイル装置にあっても次のような問題があっ
た。
However, even the superconducting coil device having the winding frame made of DFRP alone has the following problems.

【0025】たとえば、超電導コイル装置の応用例とし
て特開平2−168525号公報に示されているような
超電導限流装置に適用した場合を例にとる。超電導限流
装置は、超電導体のクエンチを有効に利用するもので、
巻枠の外周に超電導体を無誘導巻に巻き付け、これを限
流素子としている。そして、限流素子を線路に直列に接
続し、この限流素子に流れる線路電流が超電導体の臨界
電流を越えたとき、限流素子を構成している超電導体を
クエンチさせ、このクエンチに伴う超電導体の急激な抵
抗値増加で限流装置としての機能を発揮させている。
For example, as an application example of the superconducting coil device, a case of applying it to a superconducting current limiting device as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 168525/1990 will be taken as an example. The superconducting current limiter effectively utilizes the quench of the superconductor.
A superconductor is wound around the outer circumference of the winding frame in a non-inductive winding, and this is used as a current limiting element. Then, a current limiting element is connected in series to the line, and when the line current flowing through this current limiting element exceeds the critical current of the superconductor, the superconductor forming the current limiting element is quenched, and with this quench It functions as a current limiting device due to the rapid increase in resistance of the superconductor.

【0026】このように、超電導限流装置に適用した場
合、クエンチが発生した瞬間、超電導体が抵抗体となる
ので、その抵抗値と通電電流とによって決まる大きなジ
ュール熱が発生する。このジュール熱によって液体ヘリ
ウムで代表される極低温液体が急激に蒸発し、巻枠の周
辺に高圧力のガス領域が発生する。この領域の圧力は局
所的に 10kg/cm2 にも達し、巻枠に対して大きな外力と
して作用する。
As described above, when applied to the superconducting current limiting device, since the superconductor becomes a resistor at the moment when the quench occurs, a large Joule heat is generated which is determined by the resistance value and the energizing current. Due to this Joule heat, the cryogenic liquid typified by liquid helium evaporates rapidly, and a high-pressure gas region is generated around the winding frame. The pressure in this area reaches 10 kg / cm 2 locally, and acts as a large external force on the bobbin.

【0027】DFRPの弾性係数は、限流耐量性に見合
うに十分とはいえない。このため、上記のように大きな
外力を受けると、巻枠が弾性変形する。巻枠が弾性変形
すると、この変形時に超電導体がそれまでの安定位置か
ら位置ずれする。この結果、超電導体を超電導転移させ
た後に再び通電したときに超電導体が次の安定位置へと
動き易い。超電導体が動くと、前述のように摩擦熱が発
生し、この摩擦熱は超電導体をクエンチさせる原因とな
る。この現象が繰り返されるため、限流要素に通電可能
な電流値、つまり限流要素の定格電流値が必然的に小さ
い値に抑えられてしまうことになる。
The elastic modulus of DFRP is not sufficient to meet the current limiting withstand capability. Therefore, when a large external force is applied as described above, the reel is elastically deformed. When the reel is elastically deformed, the superconductor is displaced from the stable position up to that point during this deformation. As a result, the superconductor is likely to move to the next stable position when the superconductor is turned on again after the superconducting transition. When the superconductor moves, frictional heat is generated as described above, and this frictional heat causes quenching of the superconductor. Since this phenomenon is repeated, the current value at which the current limiting element can be energized, that is, the rated current value of the current limiting element is necessarily suppressed to a small value.

【0028】このように、DFRP単独よりなる巻枠を
備えた超電導コイル装置にあっては、超電導限流装置な
どのように、巻枠に大きな外力が加わる用途に適用した
場合には、DFRPの弾性係数が小さいことが原因し、
DFRP製の巻枠が備えているクエンチ防止機能を有効
に活かすことができない問題があった。
As described above, when the superconducting coil device having the winding frame made of DFRP alone is applied to the application of a large external force to the winding frame such as the superconducting current limiting device, the DFRP Due to the small elastic modulus,
There is a problem that the quenching prevention function of the DFRP reel cannot be effectively utilized.

【0029】[0029]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、GFRP
製の巻枠やDFRP製の巻枠をにあっては、本質的に超
電導コイルの不安定性を回避できない問題があった。
As mentioned above, the GFRP
In the case of the reel made of DFRP or the reel made of DFRP, there is a problem that the instability of the superconducting coil cannot be avoided.

【0030】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
きる超電導コイル用巻枠を提供することを目的としてい
る。
Therefore, an object of the present invention is to provide a bobbin for a superconducting coil which can solve the above-mentioned problems.

【0031】[0031]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、マトリックス樹脂と繊維方向に負の熱膨
張係数を示すポリエチレン繊維と該ポリエチレン繊維よ
り弾性係数の大きい強化材とを含む繊維強化プラスチッ
ク材料で形成された超電導コイル用巻枠であって、巻枠
の軸心線に対して前記ポリエチレン繊維が±35度〜90度
の範囲に配向されていることを特徴としている。
To achieve the above object, the present invention comprises a matrix resin, a polyethylene fiber having a negative coefficient of thermal expansion in the fiber direction, and a reinforcing material having a larger elastic coefficient than the polyethylene fiber. A winding frame for a superconducting coil made of a fiber-reinforced plastic material, characterized in that the polyethylene fibers are oriented within a range of ± 35 ° to 90 ° with respect to the axis of the winding frame.

【0032】なお、前記ポリエチレン繊維は、強度が少
なくとも1.32GPa以上で、弾性係数が少なくとも23.9
GPa以上の特性を備えていることが好ましい。
The polyethylene fiber has a strength of at least 1.32 GPa or more and an elastic modulus of at least 23.9 GPa.
It is preferable to have characteristics of GPa or more.

【0033】また、前記強化材は、強度が少なくとも12
00MPa以上で、弾性係数が少なくとも120 GPa以上
の特性を備えたアルミナ繊維であることが好ましい。
The reinforcing material has a strength of at least 12
Alumina fibers having a characteristic of an elastic modulus of 00 MPa or more and at least 120 GPa or more are preferable.

【0034】また、前記アルミナ繊維は、前記ポリエチ
レン繊維との混合比率が、 5:95〜75:25、好ましくは
10:90〜65:35の範囲で前記繊維強化プラスチック中に
含まれていることが好ましい。
The mixing ratio of the alumina fibers to the polyethylene fibers is 5:95 to 75:25, preferably
It is preferably contained in the fiber-reinforced plastic in the range of 10:90 to 65:35.

【0035】また、巻枠は、外周面部に超電導体を収容
固定するための螺旋溝を備えていることが好ましい。
Further, it is preferable that the winding frame is provided with a spiral groove for accommodating and fixing the superconductor on the outer peripheral surface portion.

【0036】また、巻枠は、さらに外周面部に超電導体
を冷却する極低温液を案内するための通路を備えている
ことが好ましい。
Further, it is preferable that the reel be provided with a passage on the outer peripheral surface for guiding the cryogenic liquid for cooling the superconductor.

【0037】本発明で使用する繊維強化プラスチック材
料は、熱膨張率がマイナスのポリエチレン繊維のロービ
ングストランド、一方向強化繊維シートまたはファブリ
ックシート等とポリエチレン繊維よりも弾性係数が大き
い強化材(以下では“HMA”と略称する)を含んでい
る。
The fiber-reinforced plastic material used in the present invention includes a roving strand of polyethylene fiber having a negative coefficient of thermal expansion, a unidirectional reinforcing fiber sheet or a fabric sheet, and a reinforcing material having a larger elastic coefficient than polyethylene fiber (hereinafter referred to as " HMA ").

【0038】かかる繊維強化プラスチック材料において
は、ポリエチレン繊維と巻枠の軸心線との角度、つまり
巻角度θは後述する範囲に設定される。
In such a fiber-reinforced plastic material, the angle between the polyethylene fiber and the axis of the winding frame, that is, the winding angle θ is set within the range described later.

【0039】HMAの形態は、フィラメント、短繊維お
よび粒子からなるグループから選択することができる。
HMAの例としては、アルミナ、炭素、シリカ、ジルコ
ニア、炭化ケイ素、チタニアおよび窒化ケイ素を挙げる
ことができる。好ましくは高張力アルミナ繊維、より好
ましくは強度が少なくとも1200MPa以上、弾性係数が
少なくとも120 GPa以上のアルミナ繊維(AF)であ
る。
The HMA morphology can be selected from the group consisting of filaments, staple fibers and particles.
Examples of HMA can include alumina, carbon, silica, zirconia, silicon carbide, titania and silicon nitride. A high-strength alumina fiber is preferable, and an alumina fiber (AF) having a strength of at least 1200 MPa or more and an elastic modulus of at least 120 GPa or more is preferable.

【0040】アルミナ短繊維または粒子をHMAとして
使用する場合は、DFを一方向強化繊維シートまたはフ
ァブリックシートに成形し、アルミナ短繊維または粒子
を含むマトリックス樹脂を含浸させ、巻枠の軸心線の回
りに円筒形に巻き付ける。
When alumina short fibers or particles are used as the HMA, DF is molded into a unidirectional reinforcing fiber sheet or fabric sheet, impregnated with a matrix resin containing alumina short fibers or particles, and Wrap it around in a cylindrical shape.

【0041】高張力アルミナ繊維、つまりAFをHMA
として使用する場合は、DFおよびAFを、巻枠の軸心
線の回りに巻き付け、マトリックス樹脂を含浸させたロ
ービングストランドの形態にすることができる。DFと
AFとのコンビネーションは、どんな方法によっても、
たとえばフィラメントユニットまたはヤーンユニットに
混合されたDFおよびAFから事前に形成されたロービ
ングストランドを巻き付けることによって、あるいはD
FおよびAFの各ロービングストタンドを交互に巻き付
け、両ロービングストランドの層を交互に形成すること
によって実現することができる。
High tensile alumina fiber, ie AF
When used as, the DF and AF can be wound around the axis of the reel to form a roving strand impregnated with the matrix resin. The combination of DF and AF is
For example, by winding a preformed roving strand from DF and AF mixed in a filament unit or yarn unit, or D
This can be achieved by alternately winding the roving stands of F and AF and forming layers of both roving strands alternately.

【0042】ロービングストランド中でのAFとDFの
混合比は、AFおよびDFの特性を最大限に発揮させる
ために、 5:95〜75:25、好ましくは10:90〜65:35の
範囲にする。
The mixing ratio of AF and DF in the roving strand is in the range of 5:95 to 75:25, preferably 10:90 to 65:35 in order to maximize the characteristics of AF and DF. To do.

【0043】図6から判るように、DFおよびAFの、
またはは少なくともDFのロービングストランドを、±
35°〜90°、好ましくは±43°〜90°、より好ましくは
±80°〜90°の範囲の巻角度θで巻枠の軸心線回りに巻
き付けることが必要である。ロービングストランドを回
転マンドレルに(したがって巻枠の軸心線の回りに)巻
き付ける方法は特に限定されるわけではなく、巻角度θ
がマンドレルの両端を除いては±35°〜90°の範囲で一
定である従来の螺旋巻付け法によってロービングストラ
ンドを巻き付けることができる。
As can be seen from FIG. 6, for DF and AF,
Or at least DF roving strand, ±
It is necessary to wind around the axis of the reel at a winding angle θ in the range of 35 ° to 90 °, preferably ± 43 ° to 90 °, and more preferably ± 80 ° to 90 °. The method of winding the roving strand around the rotating mandrel (and thus around the axis of the reel) is not particularly limited, and the winding angle θ
The roving strands can be wound by a conventional spiral winding method, which is constant within the range of ± 35 ° to 90 ° except at both ends of the mandrel.

【0044】ロービングストランドにはマンドレルへの
巻き付けの直前にマトリックス樹脂を含浸させることも
できるし(湿式巻き付け)、部分硬化マトリックス樹脂
を予備含浸させることもできる(乾式巻き付け)。ロー
ビングストランドの位置決めは、たとえば回転マンドレ
ルの前方に配置されたフィーダアームによって行うこと
ができる。フィーダアームは一定速度でマンドレルの全
長にわたってマンドレルの軸心線に対して平行に往復運
動させられる。
The roving strands can be impregnated with a matrix resin immediately before winding on a mandrel (wet winding) or pre-impregnated with a partially cured matrix resin (dry winding). The roving strands can be positioned, for example, by means of a feeder arm arranged in front of the rotating mandrel. The feeder arm is reciprocated at a constant speed over the entire length of the mandrel parallel to the axis of the mandrel.

【0045】巻き付け工程が終了すると、固定具全体を
炉の中で硬化させ、その後にマンドレルを除去する。こ
のようにして得られた円筒形成形体を機械加工し、両端
にフランジを形成し、その結果として超電導コイル用巻
枠が得られることになる。
At the end of the winding process, the entire fixture is cured in an oven, after which the mandrel is removed. The cylindrical molded body thus obtained is machined to form flanges at both ends, and as a result, a superconducting coil bobbin is obtained.

【0046】DFの調製には特に制限があるわけではな
く、DFは市販のものを購入することもできるし、たと
えば特開昭56−15408号公報や特開昭58−52
28号公報に記述されているような、周知の方法によっ
て製造することもできる。たとえば、重量平均分子量が
少なくとも100,000 以上、好ましくは少なくとも1,000,
000 以上の塑性高分子量ポリエチレンをデカリンに溶解
させて紡糸液を形成し、その紡糸液を紡糸ノズルから空
気中または水中に押し出し、冷却してデカリン含有ゲル
繊維を形成する。次に、このゲル繊維を単段または多段
延伸によって総延伸率30〜40で延伸して希望のDFを得
る。このようにして得られたDFは、強度が少なくとも
1.32GPa以上、弾性係数が少なくとも23.9GPa以上
である。
The preparation of DF is not particularly limited, and commercially available DF can be purchased, and for example, JP-A-56-15408 and JP-A-58-52.
It can also be produced by a well-known method as described in Japanese Patent Publication No. 28. For example, a weight average molecular weight of at least 100,000 or more, preferably at least 1,000,
000 or more plastic high molecular weight polyethylene is dissolved in decalin to form a spinning solution, and the spinning solution is extruded into the air or water through a spinning nozzle and cooled to form a decalin-containing gel fiber. Next, this gel fiber is drawn by single-step or multi-step drawing at a total draw ratio of 30 to 40 to obtain a desired DF. The DF thus obtained has at least strength.
It is 1.32 GPa or more and the elastic modulus is at least 23.9 GPa or more.

【0047】前述のように、DFは温度低下とともに繊
維の長手方向に膨張するという独特の特性を有してお
り、通常のガラス繊維またはセラミック繊維の場合とは
異なっている。
As described above, DF has a unique property that it expands in the longitudinal direction of the fiber with a decrease in temperature, which is different from ordinary glass fiber or ceramic fiber.

【0048】一方、たとえばAFはGFおよびDFに比
べて弾性係数が非常に大きい。AFの材料は、高純度A
2 3 (純度99.5wt%以上、αタイプ結晶構造を有す
るアルミナ)、Al2 3 −SiO2 (純度80〜85wt
%、γまたはδタイプ結晶構造を有するアルミナ)およ
びAl2 3 −B2 3 (純度80〜85wt%)のいずれで
もよい。
On the other hand, for example, AF has a very large elastic coefficient as compared with GF and DF. AF material is high purity A
l 2 O 3 (purity 99.5 wt% or more, alumina having α-type crystal structure), Al 2 O 3 —SiO 2 (purity 80 to 85 wt
%, Alumina having a γ or δ type crystal structure) and Al 2 O 3 —B 2 O 3 (purity 80 to 85 wt%).

【0049】特性の極めて優れた巻枠を得るためには、
αタイプ結晶構造を有する高純度Al2 3 を採用する
のが望ましい。取り扱いの観点からは、γまたはδタイ
プ結晶構造を有するAl2 3 −SiO2 が好ましい。
αタイプ結晶構造を有するアルミナ繊維は、強度が少な
くとも1500MPa以上、好ましくは少なくとも1800MP
a以上、弾性係数が少なくとも300 GPa以上、好まし
くは少なくとも330 GPa以上有していることが望まし
い。γタイプ結晶構造を有するアルミナ繊維は、強度が
少なくとも1500MPa以上、好ましくは少なくとも1800
MPa以上、弾性係数が少なくとも200 GPa以上、好
ましくは少なくとも210 GPa以上有していることが望
ましい。δタイプ結晶構造を有するアルミナ繊維は、強
度が少なくとも1300MPa以上、好ましくは少なくとも
1600MPa以上、弾性係数が少なくとも150 GPa以
上、好ましくは少なくとも160 GPa以上有しているこ
とが望ましい。
In order to obtain a reel having extremely excellent characteristics,
It is desirable to use high-purity Al 2 O 3 having an α-type crystal structure. From the viewpoint of handling, Al 2 O 3 —SiO 2 having a γ or δ type crystal structure is preferable.
Alumina fibers having an α-type crystal structure have a strength of at least 1500 MPa, preferably at least 1800 MP.
It is desirable that it has a or more and an elastic modulus of at least 300 GPa or more, preferably at least 330 GPa or more. Alumina fibers having a γ-type crystal structure have a strength of at least 1500 MPa or more, and preferably at least 1800.
It is desirable that the material has a MPa or more and an elastic modulus of at least 200 GPa or more, preferably at least 210 GPa or more. Alumina fibers having a δ type crystal structure have a strength of at least 1300 MPa or more, and preferably at least
It is desirable that the elastic modulus is 1600 MPa or more and the elastic modulus is at least 150 GPa or more, preferably at least 160 GPa or more.

【0050】好ましい巻枠は、上記のようなマトリック
ス中にDFおよびAFのロービングスタンドを含んだ繊
維強化プラスチック材料製である。したがって、かかる
巻枠は、弾性係数が大きいために外部応力による歪みを
起こし難いというAFRPの特性を有するとともに、極
低温まで冷却されたときに周方向に膨張するDFRPの
特性も兼ね備えている。したがって、この巻枠は、たと
え極低温において外部応力を受けた場合でも、クエンチ
の発生を防止するという機能を満足に発揮することがで
きる。
The preferred reel is made of fiber reinforced plastic material containing DF and AF roving stands in a matrix as described above. Therefore, such a bobbin has the characteristics of AFRP that it is difficult to cause distortion due to external stress due to its large elastic coefficient, and also has the characteristics of DFRP that expands in the circumferential direction when cooled to an extremely low temperature. Therefore, this reel can satisfactorily exhibit the function of preventing the occurrence of quenching even when subjected to external stress at extremely low temperatures.

【0051】マトリックス樹脂としては、エポキシ樹
脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエ
ステル樹脂およびウレタンアセテート樹脂を挙げること
ができる。最も好ましいのはエポキシ樹脂である。
Examples of the matrix resin include epoxy resin, urethane resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin and urethane acetate resin. Most preferred is an epoxy resin.

【0052】巻枠中のおける繊維の体積分率(Vf)は
好ましくは25%〜85%、より好ましくは35%〜75%であ
る。
The volume fraction (Vf) of the fibers in the reel is preferably 25% to 85%, more preferably 35% to 75%.

【0053】上記の条件下で得られた巻枠は、周方向弾
性係数が少なくとも20GPa以上、好ましくは少なくと
も30GPa以上備えている。これは、本発明によって、
超電導コイル用高弾性巻枠を得ることが可能になること
を意味している。
The reel obtained under the above conditions has a circumferential elastic modulus of at least 20 GPa or more, preferably at least 30 GPa or more. This is according to the invention
This means that it is possible to obtain a highly elastic winding frame for superconducting coils.

【0054】巻枠は好ましくは外縁に、巻枠に超電導体
を巻き付けておくための螺旋形溝および/または超電導
体を冷却するために極低温液を案内する縦方向流路を備
えている。
The bobbin is preferably provided on its outer edge with a spiral groove for keeping the superconductor wound around the bobbin and / or a longitudinal channel for guiding the cryogenic liquid to cool the superconductor.

【0055】[0055]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0056】図1には本発明の一実施形態に係る巻枠を
組込んだ超電導コイル装置が示されている。
FIG. 1 shows a superconducting coil device incorporating a winding frame according to an embodiment of the present invention.

【0057】この超電導コイル装置は、大きく分けて、
巻枠21と、この巻枠21に超電導体22を巻き付けて
形成された超電導コイル23とで構成されている。
This superconducting coil device is roughly divided into
It comprises a winding frame 21 and a superconducting coil 23 formed by winding a superconductor 22 around the winding frame 21.

【0058】巻枠21は、AFとDFとのロービングス
トランドをエポキシ樹脂をマトリックスとして巻回して
強化された筒状のプラスチック成形体(以後、ADFR
Pと略称する。)で形成されたもので、両端部にフラン
ジ24a,24bを有するとともに、フランジ24a,
24b間に位置する部分の外面に螺旋溝25を備えてい
る。また、フランジ24a,24b間に位置する部分の
外面には、螺旋溝25より深く、かつ軸方向に延びる流
路溝26が周方向に複数形成されており、さらにフラン
ジ24a,24bには各流路溝26の端部に通じる孔2
7が形成されている。
The reel 21 is a tubular plastic molded body (hereinafter referred to as ADFR) reinforced by winding a roving strand of AF and DF with an epoxy resin as a matrix.
It is abbreviated as P. ), The flanges 24a and 24b are provided at both ends, and the flanges 24a and 24b are
A spiral groove 25 is provided on the outer surface of the portion located between 24b. Further, a plurality of flow channel grooves 26, which are deeper than the spiral groove 25 and extend in the axial direction, are circumferentially formed on the outer surface of the portion located between the flanges 24a and 24b. Hole 2 communicating with the end of the groove 26
7 are formed.

【0059】超電導体22は、一部が螺旋溝25に嵌入
する形態で一定のテンションでソレノイド状に巻き付け
られている。
The superconductor 22 is partially wound into the spiral groove 25, and is wound like a solenoid with a constant tension.

【0060】ここで、具体的な例について説明する。Here, a specific example will be described.

【0061】[実施例1]まず、巻枠21を構成してい
るADFRPのフイラメントとして、AFとDF(商品
名、ダイニーマ、SK−60、東洋紡績株式会社製)を
用意するとともに、マトリックスとしてエポキシ樹脂を
用意し、図5(b) に示すように、AFとDFとをAF/
DF=40/60(体積比)でヤーン混合し、このロー
ビングストランドにエポキシ樹脂を含浸させながら螺旋
巻付け法で巻角度θを±75度に設定してマンドレルに巻
き付け、円筒状体を形成した。
[Example 1] First, AF and DF (trade name, Dyneema, SK-60, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) were prepared as filaments of ADFRP constituting the reel 21, and epoxy was used as a matrix. Prepare a resin and set the AF and DF to AF /
The yarn was mixed at DF = 40/60 (volume ratio), and while the roving strand was impregnated with epoxy resin, the winding angle was set to ± 75 degrees by a spiral winding method and the winding was wound around a mandrel to form a cylindrical body. .

【0062】この円筒状体を100 ℃で 2時間保持した後
に、130 ℃で 3 時間保持して硬化させ、図5(a) に示
すような円筒状のADFRP成形体を得た。このときの
Vfは 65 %であった。
The cylindrical body was kept at 100 ° C. for 2 hours and then kept at 130 ° C. for 3 hours to be cured to obtain a cylindrical ADFRP molded body as shown in FIG. 5 (a). At this time, Vf was 65%.

【0063】このADFRP成形体の室温から液体窒素
温度にわたる周方向熱歪みおよび周方向弾性係数を測定
したところ、それぞれ+700με、73GPaであった。
When the circumferential thermal strain and the circumferential elastic modulus of this ADFRP molded product from room temperature to liquid nitrogen temperature were measured, they were +700 με and 73 GPa, respectively.

【0064】次に、このADFRP成形体の両端部に機
械加工によってフランジ24a,24bを形成するとと
もにフランジ24a,24b間に位置する部分の外面に
螺旋溝25を形成し、続いて軸方向に延びる流路溝26
を周方向に複数形成し、さらにフランジ24a,24b
に各流路溝26の端部に通じる孔27を設けた。
Next, the flanges 24a and 24b are formed on both ends of the ADFRP molded body by machining, and the spiral groove 25 is formed on the outer surface of the portion located between the flanges 24a and 24b, and subsequently extends in the axial direction. Channel groove 26
Are formed in the circumferential direction, and the flanges 24a and 24b are further formed.
A hole 27 communicating with the end of each channel groove 26 is provided.

【0065】このようにして、内径 210mm,外径 220
mm,軸方向長さ 400mmの巻枠21を得た。この巻枠
21の螺旋溝25で固定されるように、線径2.5 mmの
超電導体22を一定のテンションで巻き付けて超電導コ
イル装置を完成させた。
In this way, the inner diameter is 210 mm and the outer diameter is 220 mm.
A reel 21 having a length of 400 mm and an axial length of 400 mm was obtained. A superconducting coil device was completed by winding a superconductor 22 having a wire diameter of 2.5 mm with a constant tension so as to be fixed by the spiral groove 25 of the winding frame 21.

【0066】ここで、巻枠の室温から液体窒素温度の範
囲にわたっての周方向熱歪みおよび周方向弾性係数の測
定例を説明する。
Here, an example of measuring the circumferential thermal strain and the circumferential elastic coefficient over the range of room temperature to liquid nitrogen temperature of the reel will be described.

【0067】1.周方向熱歪み 歪み計を巻枠の外縁に取り付け、ブリッジボックスまた
は記録器に接続する。この巻枠を液体窒素に浸漬し、平
衡状態にさせ、その状態で熱歪みの値を記録器から読み
取る。
1. Circumferential thermal strain A strain gauge is attached to the outer edge of the reel and connected to the bridge box or recorder. The reel is immersed in liquid nitrogen to equilibrate, and the value of thermal strain is read from the recorder in this state.

【0068】2.周方向弾性係数(または周方向ヤング
係数) 単方向繊維強化プラスチック材(以下では“UD−FP
P”と略称する)製のプレートを、円筒形巻枠の製造の
場合と同じ条件(マトリックス樹脂、DFおよびHMA
の種類、HMAとDFの混合比、ファイバ体積分率等)
のもとで製造し、引張試験機によって室温におけるプレ
ートの繊維縦方向ヤング係数(EL )、繊維横方向ヤン
グ係数(ET )、剛性係数GLT)、繊維縦方向ポアソン
比(vL)、繊維横方向ポアソン比(vT )を調べる。
これらの測定値を以下の公式(植村、J,PPn.Aero Space
Sci.24,496(1976) 参照)に代入することによって、円
筒形巻枠の周方向弾性係数またはヤング係数(Ey )を
計算する。
2. Circumferential direction elastic modulus (or circumferential direction Young's modulus) Unidirectional fiber reinforced plastic material (hereinafter "UD-FP
The plate made of P ″ is used under the same conditions (matrix resin, DF and HMA) as those used for manufacturing the cylindrical bobbin.
Type, mixing ratio of HMA and DF, fiber volume fraction, etc.)
Of prepared under a tensile tester fiber longitudinal Young's modulus of the plate at room temperature by (E L), the fiber transverse Young's modulus (E T), stiffness coefficient G LT), the fiber longitudinal Poisson's ratio (v L) , Fiber transverse Poisson's ratio (v T ) is examined.
These measured values are calculated using the following formula (Uemura, J, PPn.Aero Space
Sci. 24, 496 (1976)) to calculate the circumferential elastic modulus or Young's modulus (E y ) of the cylindrical bobbin.

【0069】 1/Ey =1/Ey −Ψ2 xy 1/Ey =m4 /EL +l4 /ET +(1/GLT−2VL /EL )l2 2 1/Gxy=4[(1+VL )/EL +(1+VT )/ET ]l2 2 +(l2 −m2 )/GLT Ψ=2[l2 /ET −m2 /EL +(1/GLT−2VL /EL )(l2 −m2 ) /2]lm l=cos θ m=sin θ ここに、Gxyは円筒形巻枠の剛性係数、θは巻角度であ
る。
[0069] 1 / E y = 1 / E y -Ψ 2 G xy 1 / E y = m 4 / E L + l 4 / E T + (1 / G LT -2V L / E L) l 2 m 2 1 / G xy = 4 [(1 + V L) / E L + (1 + V T) / E T] l 2 m 2 + (l 2 -m 2) / G LT Ψ = 2 [l 2 / E T -m 2 / E L + (1 / G LT -2V L / E L) (l 2 -m 2) / 2] lm l = cos θ m = sin θ here, the stiffness coefficients of G xy is cylindrical bobbin, theta is It is the winding angle.

【0070】[実施例2]実施例1と同様な組成および
方法で、マンドレルの軸心線に対するロービングストラ
ンドの巻角度θを±85度に設定して円筒状体を形成し
た。この円筒状体を実施例1と同様に硬化させて円筒状
のADFRP成形体を得た。
Example 2 Using the same composition and method as in Example 1, the winding angle θ of the roving strand with respect to the axis of the mandrel was set to ± 85 ° to form a cylindrical body. This cylindrical body was cured in the same manner as in Example 1 to obtain a cylindrical ADFRP molded body.

【0071】このADFRP成形体の室温から液体窒素
温度にわたる周方向熱歪みおよび周方向弾性係数を測定
したところ、それぞれ+400με、92GPaであった。
When the circumferential thermal strain and the circumferential elastic modulus of this ADFRP molded product from room temperature to liquid nitrogen temperature were measured, they were +400 με and 92 GPa, respectively.

【0072】このADFRP成形体の両端部に機械加工
によってフランジ24a,24bを形成するとともにフ
ランジ24a,24b間に位置する部分の外面に螺旋溝
25を形成し、続いて軸方向に延びる流路溝26を周方
向に複数形成し、さらにフランジ24a,24bに各流
路溝26の端部に通じる孔27を設けた。
The flanges 24a and 24b are formed on both ends of the ADFRP molded body by machining, and the spiral groove 25 is formed on the outer surface of the portion located between the flanges 24a and 24b, and then the channel groove extending in the axial direction is formed. A plurality of holes 26 are formed in the circumferential direction, and the flanges 24a and 24b are further provided with holes 27 communicating with the ends of the flow channel grooves 26.

【0073】このようにして、内径 210mm,外径 220
mm,軸方向長さ 400mmの巻枠21を得た。この巻枠
21の螺旋溝25内に収容固定されるように、線径2.5
mmの超電導体22を一定のテンションで巻き付けて超
電導コイル装置を完成させた。 [比較例1]実施例
1,2で用いたDFと同じDFを用意するとともに、マ
トリックスとしてエポキシ樹脂を用意し、DFのロービ
ングストランドにエポキシ樹脂を含浸させながら螺旋巻
付け法で巻角度θを±60度に設定してマンドレルに巻き
付け、円筒状体を形成した。この円筒状体を実施例1,
2と同様に硬化させて円筒状のDFRP成形体を得た。
In this way, the inner diameter is 210 mm and the outer diameter is 220
A reel 21 having a length of 400 mm and an axial length of 400 mm was obtained. The wire diameter is 2.5 so that it can be housed and fixed in the spiral groove 25 of the reel 21.
The superconducting coil device was completed by winding the superconductor 22 of mm with a constant tension. [Comparative Example 1] The same DF as that used in Examples 1 and 2 was prepared, an epoxy resin was prepared as a matrix, and the winding angle θ was determined by a spiral winding method while impregnating the DF roving strand with the epoxy resin. It was wound around a mandrel set to ± 60 degrees to form a cylindrical body. This cylindrical body was used in Example 1,
It was cured in the same manner as in 2 to obtain a cylindrical DFRP molded body.

【0074】このDFRP成形体の室温から液体窒素温
度にわたる周方向熱歪みおよび周方向弾性係数を測定し
たところ、それぞれ+2000 με、11GPaであった。
When the circumferential thermal strain and the circumferential elastic modulus of this DFRP molded product from room temperature to liquid nitrogen temperature were measured, they were +2000 με and 11 GPa, respectively.

【0075】このDFRP成形体の両端部にフランジを
形成するとともにフランジ間に位置する部分の外面に螺
旋溝を形成し、また軸方向に延びる流路溝を周方向に複
数形成し、さらにフランジに各流路溝の端部に通じる孔
を設けた。
Flanges are formed at both ends of this DFRP molded body, spiral grooves are formed on the outer surface of the portion located between the flanges, and a plurality of axially extending flow passage grooves are formed in the circumferential direction. A hole communicating with the end of each flow channel was provided.

【0076】このようにして、実施例1,2と同一寸
法、同一形状のDFRP製の巻枠を得た。この巻枠の螺
旋溝で固定されるように、線径2.5 mmの超電導体を一
定のテンションで巻き付けて超電導コイル装置を完成さ
せた。
In this way, DFRP reels having the same dimensions and shapes as those of Examples 1 and 2 were obtained. A superconducting coil device was completed by winding a superconductor having a wire diameter of 2.5 mm with a constant tension so as to be fixed in the spiral groove of the winding frame.

【0077】[比較例2]実施例1と同様な組成および
方法で、マンドレルの軸心線に対するロービングストラ
ンドの巻角度θを±30度に設定して円筒状体を形成し
た。この円筒状体を実施例1と同様に硬化させて円筒状
のADFRP成形体を得た。
Comparative Example 2 Using the same composition and method as in Example 1, the winding angle θ of the roving strand with respect to the axis of the mandrel was set to ± 30 ° to form a cylindrical body. This cylindrical body was cured in the same manner as in Example 1 to obtain a cylindrical ADFRP molded body.

【0078】このADFRP成形体の室温から液体窒素
温度にわたる周方向熱歪みおよび周方向弾性係数を測定
したところ、それぞれ-5400 με、11GPaであった。
When the circumferential thermal strain and circumferential elastic modulus of this ADFRP molded product were measured from room temperature to liquid nitrogen temperature, they were -5400 με and 11 GPa, respectively.

【0079】このADFRP成形体の両端部にフランジ
を形成するとともにフランジ間に位置する部分の外面に
螺旋溝を形成し、また軸方向に延びる流路溝を周方向に
複数形成し、さらにフランジに各流路溝の端部に通じる
孔を設けた。
Flange is formed at both ends of this ADFRP molded product, spiral grooves are formed on the outer surface of the portion located between the flanges, and a plurality of axially extending flow passage grooves are formed in the circumferential direction. A hole communicating with the end of each flow channel was provided.

【0080】このようにして、実施例1,2と同一寸
法、同一形状のADFRP製の巻枠を得た。この巻枠の
螺旋溝で固定されるように、線径2.5 mmの超電導体を
一定のテンションで巻き付けて超電導コイル装置を完成
させた。
In this way, ADFRP reels having the same dimensions and shapes as those of Examples 1 and 2 were obtained. A superconducting coil device was completed by winding a superconductor having a wire diameter of 2.5 mm with a constant tension so as to be fixed in the spiral groove of the winding frame.

【0081】以上のようにして得られた4つの超電導コ
イル装置を液体ヘリウム中に浸漬し、トレーニング法に
よってそれぞれのクエンチ電流の変化を測定してみた。
The four superconducting coil devices obtained as described above were dipped in liquid helium, and the changes in quench current were measured by the training method.

【0082】これらの測定結果を図2に示す。The results of these measurements are shown in FIG.

【0083】図2中、□印は上述した実施例1(θ=±
75゜)の結果を示し、塗潰し□印は実施例2(θ=±85
゜)の結果を示し、○印は比較例1の結果を示し、●印
は比較例2の結果を示している。
In FIG. 2, □ indicates the above-mentioned embodiment 1 (θ = ±
75 °) is shown, and the filled □ mark indicates that in Example 2 (θ = ± 85
The results are shown in FIG. 8), the mark ◯ indicates the result of Comparative Example 1, and the mark ● indicates the result of Comparative Example 2.

【0084】DFRP製の巻枠を用いた比較例1では、
トレーニング回数を増やしても通電電流の上限を1800A
以上に向上させることはできなかった。
In Comparative Example 1 using the reel made of DFRP,
Even if the number of training is increased, the upper limit of energizing current is 1800A
It could not be improved further.

【0085】これに対して、ADFRP製の巻枠を用い
た実施例1では約30回のトレーニングによって比較例1
より30%大きい2400Aまで通電することが可能となっ
た。これは、AFの添加によって巻枠の弾性率が向上
し、外力によるADFRP巻枠の歪がDFRP巻枠のそ
れに比べて1/2 程度に低下し、これによって超電導体が
動き難くなったことによる。したがって、超電導限流装
置などのように、巻枠に大きな外力が加わる用途に適用
した場合であっても、DFRPが備えているクエンチ防
止機能を活用することが可能となる。
On the other hand, in Example 1 using the ADFRP reel, Comparative Example 1 was performed by training about 30 times.
It has become possible to energize up to 2400A, which is 30% larger. This is because the addition of AF improved the elastic modulus of the reel, and the distortion of the ADFRP reel due to external force was reduced to about 1/2 of that of the DFRP reel, which made it difficult for the superconductor to move. . Therefore, even when applied to applications such as a superconducting current limiting device in which a large external force is applied to the bobbin, it is possible to utilize the quench prevention function provided in the DFRP.

【0086】また、実施例2では2600Aとさらに高い値
まで通電することができた。これは、巻角度θを大きく
することにより、巻枠の剛性が向上し、ひいてはコイル
のより高度の安定化につながったものと考えられる。
Further, in Example 2, it was possible to energize to a higher value of 2600A. It is considered that this is because, by increasing the winding angle θ, the rigidity of the winding frame is improved, which in turn leads to higher stabilization of the coil.

【0087】また、比較例2の場合には、巻角度θが小
さいために、DFRPが備えているクエンチ防止機能を
活用することができず、比較例1で示したDFRP巻枠
に近い特性しか得られなかった。
Further, in the case of Comparative Example 2, since the winding angle θ is small, the quench prevention function provided in the DFRP cannot be utilized, and the characteristics are similar to those of the DFRP reel shown in Comparative Example 1. I couldn't get it.

【0088】図示されていないが、ロービングストラン
ドの巻角度θをほぼ±35度にしてADFRP成形体を形
成した場合には、上述した実施例1,2に近い特性が得
られることを確認している。
Although not shown, it was confirmed that when the winding angle θ of the roving strand was set to approximately ± 35 degrees to form an ADFRP molded body, the characteristics close to those in Examples 1 and 2 were obtained. There is.

【0089】なお、本発明は上述した例に限定されるも
のではない。上述した例では、フランジを含めた巻枠全
体をADFRPで形成しているが、加工性の点を考慮に
入れて螺旋溝25および流路溝26の形成される部分を
AFRP層あるいはGFRP層で形成し、これより内側
の、いわゆる巻枠本体となる部分をADFRPで形成す
るようにしてもよい。また、使用例も超電導限流装置に
限定されるものではない。
The present invention is not limited to the above example. In the above-described example, the entire winding frame including the flange is formed of ADFRP, but in consideration of workability, the portion where the spiral groove 25 and the flow channel groove 26 are formed is formed of an AFRP layer or a GFRP layer. It may be formed, and the inner part, which is a so-called reel body, may be formed by ADFRP. Further, the usage example is not limited to the superconducting current limiting device.

【0090】[0090]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
極低温下で、かつ外力が加わる条件下において使用され
た場合でも巻枠の変形を最小限度に抑えることができの
で、超電導コイル本体を強固に固定でき、もってクエン
チの発生抑制に寄与できる。
As described above, according to the present invention,
Even when used under extremely low temperature and under the condition that an external force is applied, the deformation of the bobbin can be suppressed to a minimum, so that the superconducting coil body can be firmly fixed, which contributes to the suppression of quenching.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a) は本発明の一実施形態例に係る巻枠を組込
んだ超電導コイル装置の縦断面図で、(b) は(a) におけ
るA−A線切断矢視図
FIG. 1A is a vertical sectional view of a superconducting coil device incorporating a winding frame according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along the line AA in FIG.

【図2】同超電導コイル装置のクエンチ特性を従来装置
の特性と比較して示す図
FIG. 2 is a diagram showing a quench characteristic of the superconducting coil device in comparison with a characteristic of a conventional device.

【図3】従来のGFRP製の巻枠を用いた超電導コイル
装置の問題点を説明するための図
FIG. 3 is a diagram for explaining a problem of a conventional superconducting coil device using a winding frame made of GFRP.

【図4】高強度化処理されたポリエチレン繊維および各
種繊維よりなる繊維強化プラスチック成形体の熱収縮量
(ただし、金属はそれ自体の特性)を示す図
FIG. 4 is a diagram showing a heat shrinkage amount (however, a metal is a characteristic of itself) of a fiber-reinforced plastic molded product made of a polyethylene fiber and various fibers that have been strengthened.

【図5】(a) はDFRP成形体あるいはADFRP成形
体の一例を示す斜視図で、(b)は同成形体を製作すると
きに巻角度を説明するための図
5A is a perspective view showing an example of a DFRP molded body or an ADFRP molded body, and FIG. 5B is a view for explaining a winding angle when the molded body is manufactured.

【図6】ADFRP成形体、DFRP成形体およびGF
RP成形体の巻角度と熱膨張係数との関係を示す図
FIG. 6 ADFRP molded product, DFRP molded product and GF
The figure which shows the relationship between the winding angle of RP molded object, and a thermal expansion coefficient.

【図7】DFRP製の巻枠を用いた超電導コイル装置の
低温下における作用を説明するための図
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of a superconducting coil device using a winding frame made of DFRP at low temperature.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21…巻枠 22…超電導体 23…超電導コイル 25…螺旋溝 26…流路溝 27…孔 21 ... Reel 22 ... Superconductor 23 ... Superconducting coil 25 ... Spiral groove 26 ... Flow channel 27 ... Hole

フロントページの続き (72)発明者 中出 雅彦 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町4番1号 東京電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者 大熊 武 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町4番1号 東京電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者 田崎 賢司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 矢澤 孝 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 前田 秀明 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 米田 えり子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 野村 俊自 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 鹿島 俊弘 滋賀県大津市堅田二丁目1番1号 東洋紡 績株式会社総合研究所内 (72)発明者 山中 淳彦 滋賀県大津市堅田二丁目1番1号 東洋紡 績株式会社総合研究所内Front page continuation (72) Inventor Masahiko Nakade 4-1, Egasaki-cho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Tokyo Electric Power Co., Inc. Electric Power Technology Laboratory (72) Inventor Takeshi Okuma 4-1-1, Egasaki-cho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa No. 1 Electric Power Technology Research Institute, Tokyo Electric Power Co., Inc. (72) Kenji Tazaki, 1 Komukai Toshiba Town, Sachi-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Research & Development Center, Toshiba Corp. (72) Inventor, Takashi Yazawa Ko, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Muko Toshiba Town No. 1 Incorporated company Toshiba Research & Development Center (72) Inventor Hideaki Maeda Komukai-shi, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Komu Toshiba No. 1 Ltd. Corporate Research & Development Center (72) Inventor Eriko Yoneda Kawasaki Kanagawa Komukai-Toshiba-cho, Koichi-shi, Toshiba Corporation R & D Center, Inc. (72) Inventor Shunji Nomura 1-Komikai-Toshiba, Saiwai-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Toshihiro Kashima 2-1-1 Katata, Otsu City, Shiga Prefecture Toyobo Co., Ltd. achievements overall in the Institute (72) inventor Atsuhiko Yamanaka Otsu, Shiga Prefecture Katata chome No. 1 No. 1, manufactured by Toyobo Co., Ltd. achievements Research Institute in

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】マトリックス樹脂と繊維方向に負の熱膨張
係数を示すポリエチレン繊維と該ポリエチレン繊維より
弾性係数の大きい強化材とを含む繊維強化プラスチック
材料で形成された巻枠であって、巻枠の軸心線に対して
前記ポリエチレン繊維が±35度〜90度の範囲に配向され
ていることを特徴とする超電導コイル用巻枠。
1. A reel formed of a fiber-reinforced plastic material containing a matrix resin, polyethylene fibers having a negative coefficient of thermal expansion in the fiber direction, and a reinforcing material having a larger elastic coefficient than the polyethylene fibers. A bobbin for a superconducting coil, wherein the polyethylene fibers are oriented within a range of ± 35 ° to 90 ° with respect to the axis of the.
【請求項2】前記ポリエチレン繊維は、強度が少なくと
も1.32GPa以上で、弾性係数が少なくとも23.9GPa
以上の特性を備えていることを特徴とする請求項1に記
載の超電導コイル用巻枠。
2. The polyethylene fiber has a strength of at least 1.32 GPa and an elastic modulus of at least 23.9 GPa.
The superconducting coil bobbin according to claim 1, having the above-mentioned characteristics.
【請求項3】前記強化材は、強度が少なくとも1200MP
a以上で、弾性係数が少なくとも120 GPa以上の特性
を備えたアルミナ繊維であることを特徴とする請求項1
に記載の超電導コイル用巻枠。
3. The reinforcing material has a strength of at least 1200 MP.
An alumina fiber having a characteristic of a or more and an elastic modulus of at least 120 GPa or more.
The bobbin for the superconducting coil described in.
【請求項4】前記アルミナ繊維は、前記ポリエチレン繊
維との混合比率が、 5:95〜75:25、好ましくは10:90
〜65:35の範囲で前記繊維強化プラスチック中に含まれ
ていることを特徴とする請求項3に記載の超電導コイル
用巻枠。
4. The mixing ratio of the alumina fiber with the polyethylene fiber is 5:95 to 75:25, preferably 10:90.
The reel for a superconducting coil according to claim 3, wherein the fiber-reinforced plastic is contained in the range of up to 65:35.
【請求項5】外周面部に超電導体を収容固定するための
螺旋溝を備えていることを特徴とする請求項1に記載の
超電導コイル用巻枠。
5. The winding frame for a superconducting coil according to claim 1, further comprising a spiral groove for accommodating and fixing the superconductor on the outer peripheral surface portion.
【請求項6】外周面部に超電導体を冷却する極低温液を
案内するための通路を備えていることを特徴とする請求
項1に記載の超電導コイル用巻枠。
6. The winding frame for a superconducting coil according to claim 1, wherein a passage for guiding a cryogenic liquid for cooling the superconductor is provided on the outer peripheral surface portion.
JP10226396A 1995-04-24 1996-04-24 Bobbin for superconducting coil Pending JPH0917627A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130138231A (en) * 2010-09-06 2013-12-18 지멘스 악티엔게젤샤프트 High-temperature superconductor (hts) coil
CN108109835A (en) * 2017-12-26 2018-06-01 合肥博微田村电气有限公司 Air core coil coiling device and method

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Effective date: 20040316