JPS6238843B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導巻線を巻回して成る超電導コイ
ルの製造方法に関するもので、特に、電磁機械力
による超電導巻線の破断、動き、くずれ等と防止
することを目的としている。

〔従来の技術〕

従来、円筒形の超電導コイルとしては、第１図
に示す構成を有していた。即ち、図において、１
は巻枠、２はこの巻枠１に巻回された超電導巻
線、３は高張力の金属線又はテープから成る補強
巻線で、超電導巻線２を巻枠１に固定するために
設けられたものである。

しかして、上記構成要素から成る超電導コイル
を励磁すると、コイルの超電導巻線２には、超電
導巻線２に流れる電流とコイルに発生する磁界と
の積に比例した電磁機械力が作用する。即ち、第
２図に示されるように、コイルを軸方向に圧縮す
る電磁機械力とコイルを径方向に拡長する電磁機
械力とが生じるもので、例えば、超電導巻線２の
直径、長さがともに20cm程度又はそれ以上とな
り、かつ、発生磁界が5T以上になると、累積さ
れる電磁機械力も強大なものとなり、特に、圧縮
方向に作用する電磁機械力は10トンを越える値と
なることもある。第１図における補強巻線３は、
これらの電磁機械力による超電導巻線２の破断、
動き、くずれ等を防止し、巻枠１に超電導巻線２
を固定するために施されたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、この補強巻線３は、径方向に拡
張する電磁機械力に対してはこれを一様に制御し
て超電導巻線２が巻枠１から離脱するのを防止す
る作用を行なうが、軸方向に圧縮する電磁機械力
に対してはその防止力は極めて弱い。例えば、第
３図に示すように、軸方向に圧縮する電磁機械力
の累積により超電導巻線２を点Ａ付近において径
方向外側へ押し出す力が働いた場合に補強巻線３
はこれを防止することができず、その両側に押し
やられて超電導巻線２のくずれをもたらすことに
なる。このような現象は、補強巻線３は巻線方向
に強い張力を持つているが、巻線２の軸方向の力
には極めて弱いことに起因するものである。

本発明は上記のような従来のものの欠点を除去
するためになされたもので、径方向に拡張する電
磁機械力に対しては勿論のこと、軸方向に圧縮す
る電磁機械力にもこれを抑制することができる超
電導コイルを提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、巻枠に超電導巻線を巻回し、巻回
された上記超電導巻線の外周面に生じる凹凸面に
整形層を充填して円滑な外周面を形成し、上記整
形層の外周に一体物からなる非磁性材の補強外筒
を焼きバメまたは冷しバメにより装着するもので
ある。

〔作 用〕

この発明においては、整形層を介して補強外筒
が超電導巻線を強固に締めつけており、径方向に
拡張する電磁機械力は勿論、軸方向に圧縮する電
磁機械力に対しても補強外筒が大きな張力を有し
て超電導巻線のくずれを防止する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図について説明す
る。第４図において、従来のものと同一部分は同
一符号を用いている。

先ず、従来と同様に巻枠１に超電導巻線２を所
定巻回数巻回する。次に、この超電導巻線２の外
周に整形層５を形成する。

ここで、整形層５は、超電導巻線２の外周には
不可避的に微小な凹凸が生じること、そして、こ
の凹凸により後述の補強外筒４の内面と超電導巻
線２の外周とが一様に接触し難いこと、及び超電
導巻線２と補強外筒４とが直接接触すると超電導
巻線２が損傷を受け易いこと等を考慮して設けら
れたもので、薄いエポキシ含浸ガラステープから
成り、その外周を機械加工により寸法出ししてあ
る。４は一体物からなる非磁性材の補強外筒であ
り、内面を機械加工して寸法出しを行なつた後、
焼きバメまたは冷しバメにより整形層５を介して
超電導巻線２の外周を締めつけるようにして装着
したものである。

この補強外筒の材質としてはステンレス鋼
（SUS−304，SUS−310，SUS−316等），チタニ
ウム，黄銅，リン青銅等があるが、極低温での機
械強度，高電気抵抗性，加工性，コストなどを考
慮すればステンレス鋼を用いるのが最も望まし
い。本発明の実施例ではSUS−304ステンレス鋼
を用いた。

また、非磁性材補強外筒の具体的な形状，寸法
としては、第６図ａ，ｂ及び第７図ａ，ｂに示す
ようなSUS−304ステンレス鋼の円筒である。寸
法は例えば実施例では外径238mm、内径227.9mmと
している。

焼きバメ及び冷しバメの具体的条件としては次
のようなものである。

(a) 焼きバメの場合 第６図の外筒を加熱炉等により200℃に加熱す
る。室温を25℃とすると、175℃の温度上昇があ
るのでSUS−304ステンレス鋼の熱膨張率（16.4
×10^-6）から、この時、外筒の内径は約0.7mm増え
て228.6mmになる。この状態で加熱炉からとり出
し図２に示す超電導コイルの外側に挿着するが、
コイルの外周に形成された整形層の外径が228.1
mmであるため約0.5mmの余裕（空隙）があるので
円滑に挿着することができる。外筒が自然冷却さ
れると、これにつれて収縮し、室温に戻つた時に
は極めて強固な緊縛力をコイルに与えることにな
る。（室温で、外筒内径より、整形層外径の方が
0.2mm大きくなるようにしているため） (b) 冷しバメの場合 図２の超電導コイルを液体窒素に浸漬し−190
℃に下げる。超電導コイルの熱収縮率（約15×
10^-6）から、この時、超電導コイル（整形層）の
外径は約0.8mm減少して227.3になるこの状態でコ
イルを液体窒素から取り出し第６図に示す補強外
筒の中に挿入するが、外筒の内径は227.9mmであ
るため約0.6mmの余裕（空隙）があるので円滑に
挿入できる。コイルが自然加熱され温度が上昇す
ると、これにつれて膨張し、室温に戻つた時には
外筒によつて極めて強固な緊縛力を与えられるこ
とになる（外筒内径と整形層外径の寸法差によ
り） さて、超電導コイルを励磁又は減磁する場合、
時間的変化する磁束によつてその周囲に起電力が
発生する。この時コイルの外周に沿つて電気的閉
開路が形成されていると電流が流れて、この電力
損失により発熱が生じる。超電導コイルは通常、
液体ヘリウムに浸漬して用いられるが、上記の発
熱により液体ヘリウムが蒸発する。液体ヘリウム
は高価な冷却材であるためその蒸発があまり大き
くなることは実用上大きな支障となる。このとき
の問題は液体ヘリウムの蒸発をどの程度まで許容
できるかということである。電気的閉回路を形成
したために超電導コイル特性が影響を受けると言
つた問題ではなく、できるだけ、コイル外周に沿
つて形成される電気的閉回路を作らないようにと
いう経済的問題である。

これをもつと具体的に説明する。

本願の場合、補強外筒は一体ものの円筒である
ため、確かに電気的閉回路を形成している。今、
この外筒に誘導電流が流れることによる発熱と、
これに伴う液体ヘリウムの蒸発量を試算して見
る。

外筒に発生する起電力Ｅは、 Ｅ＝ｄφ／ｄｔ＝ＳｄＢ／ｄｔ − φ：超電導コイルにより発生する磁束 Ｂ： 〃 〃 磁束密度 Ｓ：補強外筒で囲まれる面積 ｔ：時間 これにより閉回路に流れる電流は Ｉ＝Ｅ／Ｒ＝Ｓ／Ｒ ｄＢ／ｄｔ − Ｒ：補強外筒の周方向の電気抵抗 発熱量Ｗは Ｗ＝EIt₀＝ｔ_０Ｓ^２／Ｒ（ｄＢ／ｄｔ）^２ ＝ｔ_０Ｓ^２／Ｒ（Ｂｍａｘ／ｔ_０）^２＝Ｓ^２／Ｒｔ
_０Bma²x− Bmax：最大磁束密度 t₀ ：Bmaxまで励磁するのに要する時間 電気抵抗Ｒは Ｒ＝πＤ／ｄｈ − ρ：補強外筒の電気抵抗率 Ｄ： 〃 内径 ｄ： 〃 厚さ ｈ： 〃 高さ 補強外筒で囲まれる面積Ｓは Ｓ＝πＤ^２／４ − ，をへ入れて結局 Ｗ＝πｄｈＤ^３／１６ρｔ_０Bm²ax − となる。

式に実際の数値を代入して発熱量を計算す
る。今、超電導コイルの最高磁界を60キロエルス
テツド（６テスラ）とし、これを60秒で励磁する
場合を考えると Ｄ＝0.228（ｍ） ｄ＝５×10^-3（ｍ） ｈ＝0.2 （ｍ） ρ＝0.55×10^-6（Ωｍ）
…4.2KでのSUS304の抵抗率 Bmax＝６（Tesla） t₀＝60（sec） として Ｗ＝2.54（joule） となる。

液体ヘリウムの蒸発潜熱は20joule／ｇ
（2.5joule／cm³）であるので2.54jouleの発熱は液
体ヘリウム0.13ｇ（1.0cm³）を蒸発させるに過ぎ
ない。仮りにBmax＝10（Tesle），t₀＝10（sec）
としても、この値は2.2ｇ（17cm³）程度に増える
だけで、実用上何ら問題にはならない。したがつ
て本発明の超電導コイルでは巻線固定装置（補強
外筒）に電気的閉回路が形成されてはいるが実用
上何ら問題ないと言える。

上記方法により製造された本発明による超電導
コイルにおいては、径方向に拡張する電磁機械力
による超電導巻線２の破断や動きに対する防止効
果があることは勿論のこと、軸方向に圧縮する電
磁機械力に対しても、補強外筒４が軸方向にも大
きな張力を有しているため、従来のもののように
超電導巻線２のくずれが生じることはなく有効で
ある。また、本発明による超電導コイルは優れた
性能を発揮する。例えば、本発明による超電導コ
イルの仕様を第６図第７図に示すようにその有効
内径150mm、外径222mm、長さ200mm、巻数3550
回、超電導巻線の径を1.42mm、整形層５はエポキ
シ含浸ガラステープを巻回した後、表面機械加工
により外径228.1mmになるように寸法出しし、補
強外筒はSUS−304ステンレス鋼を用いた。又第
１図に示す構成において、従来のものの仕様をそ
の有効内径150mm、外径235mm、長さ200mm、巻数
3880回、超電導巻線の径を1.42mmとし、又補強巻
線３は1.5mm径のステンレス線を張力をかけつつ
133回巻回した。この両者の結果を比較すると、
第５図に示される特性が得られる。即ち、直線Ａ
は本発明による超電導コイルの励磁特性であり、
直線Ｂは従来のものの励磁特性である。（なお、
図において、それぞれ白丸は第１回目の励磁特
性、黒丸は数回の励磁の後に最終的に到達した励
磁特性である。）図から明らかなように、本発明
による超電導コイルには、超電導巻線の臨界電流
値の軌跡Ic付近まで電流が流れるのに対して、従
来のものにはその1/2程度しか流れないのが判
る。又、従来のものには励磁後に超電導巻線２に
かなりのくずれが見られたが、本発明のものには
全く確認されず、優れた性能を発揮することがで
きた。

また、補強外筒４は、一体のものを焼きバメま
たは冷しバメによつて装着するようにしているの
で、超電導巻線２に対して強固な緊縛力を付与す
ることができ、かつ接続部等の形成されないシン
プルな構成のものが得られ、その占有空間の増大
を抑えることができるとともに超電導巻線に径方
向の一様な圧縮力を附与することができ、外観上
も美しいものとなる。

なお、上記整形層を設ける場合、エポキシ等で
含浸したガラステープを巻回するものの他に、モ
ールド成形によつてこれを形成することもでき
る。

さらに、本発明は円筒形ソレノイドコイルの他
にレーストラツク形コイルやオーバルコイル等に
も拡く適用することは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、超電導巻線の外周面に
整形層を設けて円滑な外周面を形成し、その外周
に補強外筒を焼きバメまたは冷しバメにより装着
するようにしたので、超電導巻線に対して強固な
緊縛力を付与することができ、かつ装置全体の簡
素化が図れ、その占有空間の増大を抑えることが
できるとともに径方向に拡張する電磁機械力に対
しては勿論のこと、軸方向に圧縮する電磁機械力
にもこれを抑制し、優れた性能を発揮する超電導
コイルを得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超電導コイルを示す縦断面図、
第２図は第１図の超電導巻線に加わる電磁機械力
の方向を示す概念図、第３図は従来の超電導コイ
ルの欠点を示す概念図、第４図は本発明の一実施
例による超電導コイルを示す縦断面図、第５図は
本発明による超電導コイルの特性を従来の超電導
コイルと比較して示す特性図、第６図ａ，第６図
ｂはそれぞれ補強外筒の平面図，断面図、第７図
ａ，第７図ｂはそれぞれ超電導コイル及び整形層
の平面図、断面図である。 １……巻枠、２……超電導巻線、４……補強外
筒、５……整形層。尚、図中同一符号は同一或い
は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 巻枠に超電導巻線を巻回する工程と、巻回さ
   れた上記超電導巻線の外周面に生じる凹凸面に整
   形層を充填し円滑な外周面を形成する工程と、上
   記整形層の外周に一体物からなる非磁性材の補強
   外筒を焼きバメまたは冷しバメにより装着する工
   程とからなる超電導コイルの製造方法。 ２ 整形層はエポキシ含浸ガラステープからなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超
   電導コイルの製造方法。