KR20120101283A

KR20120101283A - 초전도 코일 기기, 초전도 기기, 및 초전도 코일 기기의 제조 방법

Info

Publication number: KR20120101283A
Application number: KR1020117026491A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 신자토; 히토시 오먀마
Original assignee: 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-09-13
Also published as: DE112010005104T5; CN102422514A; US20120053060A1; WO2011083592A1; JP2011142773A; US8787998B2; JP5062263B2

Abstract

초전도 코일(10)과, 초전도 코일(10)을 내부에 보지하는 내조 용기(50) 및 외조 용기(60)를 구비하는 초전도 코일 기기에 있어서, 내조 용기(50) 및 외조 용기(60)는 FRP로 이루어지고, 내조 용기(50) 및 외조 용기(60)의 코너부(71)에 있어서는, 코너부(71)를 따라서, 수지로 이루어지는 밀봉 보강부(2)가 형성되며, 내조 용기(50) 및 외조 용기(60)의 측면에는 개구부(53, 63)가 형성되어 있고, 밀봉 보강부(2)는 개구부(53, 63)의 코너부(71)에 배치되어 있는 것에 의해, 밀폐성을 향상하는 것이 가능한 용기를 구비하는 초전도 코일 기기, 및 해당 초전도 코일 기기를 이용한 초전도 기기를 제공한다.

Description

초전도 코일 기기, 초전도 기기, 및 초전도 코일 기기의 제조 방법{SUPERCONDUCTIVE COIL DEVICE, SUPERCONDUCTIVE APPARATUS, AND METHOD OF MANUFACTURING SUPERCONDUCTIVE COIL DEVICE}

본 발명은 초전도 코일 기기 및 초전도 기기에 관한 것이며, 보다 특정적으로는, 초전도 코일을 내부에 보지하는 용기를 구비하는 초전도 코일 기기, 및 해당 초전도 코일을 이용한 초전도 기기에 관한 것이다. 또한, 상기 초전도 코일 기기의 제조 방법에 관한 것이다.

초전도 선재를 권회한 초전도 코일은 극저온의 온도 하에서 이용된다. 이 때문에, 예를 들어 초전도 코일을 이용한 모터 등의 초전도 기기에 있어서는, 초전도 코일은 용기의 내부에 보지된 상태로 이용된다. 해당 용기의 내부에 액체 질소 등의 냉매를 공급함으로써, 초전도 코일이 냉각된 상태로 사용된다.

상술한 용기와 같이, 극저온의 냉매를 내부에 저장한 다음 초전도 코일을 보지하는 크라이오스탯(cryostat)의 내조(內槽)의 제조 방법으로서, 예를 들어 종래부터 일본 특허 공개 제 2007-35835 호 공보(특허문헌 1)에 개시되어 있는 바와 같은 방법이 이용되고 있다.

일본 특허 공개 제 2007-35835 호 공보

일본 특허 공개 제 2007-35835 호 공보에 개시되는 크라이오스탯의 제조 방법은 이하와 같다. 우선 유리 섬유나 카본 섬유 등의 보강 섬유에 열경화성 수지를 함침한 재질을 열경화함으로써, 강도를 높인 FRP(Fiber Reinforced Plastics)라 불리는 섬유 강화 플라스틱으로 이루어지는 프레임체를 준비한다. 이 프레임체에, FRP와 동일한 재질로 이루어지는 프리프레그(prepreg)라 불리는 미경화의 물질을 부착한다. 그리고 이 프리프레그를 부착한 프레임체를 열경화시키는 것에 의해, 프리프레그가 용기의 측면으로서 형성된다. 이와 같이 하여, 크라이오스탯의 내조가 형성된다.

크라이오스탯과 같이 극저온의 냉매를 보지하는 용기는, 실온과 극저온의 온도 사이클에 의해 생기는 열팽창이나 열수축에 견딜 수 있는 재질로 하는 것이 요구된다. 보강 섬유를 포함하지 않는 수지는 이와 같은 온도 사이클에 견딜 수 있는 강도를 갖지 않는다. 이 때문에, 해당 용기는 FRP와 같은 수지가 섬유 재료에 의해 보강된 재료를 이용하여 형성되는 것이 바람직하다. 또한, FRP와 같은 부도체를 용기의 재료로 이용함으로써, 해당 용기에 전류가 흘러 줄열이 발생하여 용기의 내부의 냉매를 가열하는 현상의 발생을 억제할 수 있다.

그러나, 일본 특허 공개 제 2007-35835 호 공보에 개시되는 제조 방법과 같이, 프리프레그를 프레임체의 외측에 복수층 부착하는 방법을 이용했을 경우, 특히 프레임체의 구조가 단차로 이루어진 영역에 있어서, 부착하는 프리프레그가 부착되는 프레임체의 단차의 형상에 추종하지 못하고, 특히 프레임체의 단차가 이루는 코너부의 근방에 있어서, 프리프레그가 프레임체와 접촉되지 않아서 프리프레그와 프레임체 사이에 간극이 형성된다. 해당 간극에는 공기 등이 저류되기 쉽기 때문에, 간극이 존재하는 용기에 대해서 온도 사이클을 부가하면, 저류된 공기가 주위의 하우징에 열응력을 부여한다. 그 결과, 용기에는 해당 코너부를 기점으로 하여 크랙 등의 파손이 발생할 가능성이 있다.

본 발명은, 이상의 문제를 감안하여 이루어진 것이다. 그 목적은, 초전도 코일의 용기를 구성하는 프레임체와 측면을 구성하는 수지 재료 사이의 충전 정밀도를 향상함으로써, 밀폐성을 향상하는 것이 가능한 용기를 구비하는 초전도 코일 기기 및 해당 초전도 코일 기기를 이용한 초전도 기기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 초전도 코일 기기는 초전도 코일과, 초전도 코일을 내부에 보지하는 용기를 구비하는 초전도 코일 기기이다. 용기는 FRP로 이루어지고, 용기의 코너부에 있어서는, 코너부를 따라서, 수지로 이루어지는 밀봉 보강부가 형성되어 있다.

본 발명에 따른 초전도 코일 기기는, 초전도 코일을 내부에 보지하는 용기의 코너부[수지를 함침하는 측에서 보아 산 형상으로 굴곡된 「모서리」나, 수지를 함침하는 측에서 보아 골짜기 형상으로 굴곡된 「코너」]가 수지로 이루어지는 밀봉 보강부에 의해 충전된다. 이 때문에, 코너부 등의, 용기를 구성하기 위해서 조립된 복수의 프레임체의 부재의 접속 부분에서 간극이 형성되는 것이 억제된다. 따라서, 해당 용기의 밀봉 성능을 향상할 수 있다. 또한, 해당 용기에 온도 사이클을 부여했을 경우에 있어서도, 코너부의 간극에 큰 열응력이 발생하는 것에 의한 용기의 파손을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 초전도 기기의 외관 상태를 도시하는 개략 모식도,
도 2는 도 1의 선분 Ⅱ-Ⅱ에 있어서의 개략 단면도,
도 3은 도 1 및 도 2의 로터의 개략 사시도,
도 4는 도 1 및 도 2의 스테이터의 개략 사시도,
도 5는 초전도 코일이 내부에 보지되는 내조 용기의 구성을 도시하는 개략 사시도,
도 6은 도 5의 내조 용기를 둘러싸는 외조 용기의 구성을 도시하는 개략 사시도,
도 7은 도 5의 선분 Ⅶ-Ⅶ에 있어서의 개략 단면도,
도 8은 도 2가 도시하는, 내조 용기와 외조 용기의 내부를 도시하는 부분의 형태를 보다 상세하게 도시하는 확대도,
도 9는 도 8 중의 둥근 점선「IX」로 둘러싸인 영역의 개략 확대도,
도 10은 도 7중의 둥근 점선 「X」로 둘러싸인 영역의 개략 확대도,
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 초전도 코일 용기의 제조 공정을 설명하기 위한 흐름도.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 각 실시형태에 있어서, 동일한 기능을 수행하는 요소에는 동일한 참조부호를 부여하고, 그 설명은 특별히 필요가 없으면 반복하지 않는다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명하는 것과 반드시 일치하고 있지 않다.

본 실시형태에 따른 초전도 기기로서는, 예를 들어 도 1에 도시하는 초전도 모터(100)를 들 수 있다. 초전도 모터(100)는, 회전자로서 이용하는 로터(30)와, 고정자로서 이용하는 스테이터(20)로 이루어진다. 도 1의 초전도 모터(100)는, 개략의 구조를 도시하는 모식도이지만, 도면을 보기 쉽게 하기 위해 로터(30)를 구성하는 부재의 일부만을 도시하고, 스테이터(20)를 구성하는 부재에 대해서는 도시를 생략하고 있다. 그리고 로터(30) 및 스테이터(20)를 구성하는 각 부재에 대해서는 도 2의 단면도 및 도 3 내지 도 6에 의해 구체적으로 도시하고 있다. 이하에 있어서는, 도 1 내지 도 6을 적절히 참조하여 초전도 모터(100)에 대해 설명한다.

초전도 모터(100)의 로터(30)는, 로터 코어(13)의 주위에 초전도 선재를 초전도 코일(10)로 하여 권회시킨 것에 외부로부터 전류를 흘려서, 해당 전류의 방향을 따라 로터 코어(13)에 자성을 발생시킨다. 초전도 코일(10)은, 예를 들어 도 1, 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이 레이스 트랙형 코일의 형태로 하는 것이 바람직하다. 스테이터(20)에 대해서도 스테이터 코어(23)의 주위의 초전도 코일(10)에 흐르는 전류의 방향을 따라 스테이터 코어(23)에 자성을 발생시킨다. 로터 코어(13)와 스테이터 코어(23)의 자성에 의한 양자 사이의 끌어당김이나 반발을 이용하여 로터(30)를 로터축(16)의 주위를 따른 방향으로 회전시킨다. 로터(30)의 회전은 로터(30)의 회전을 출력하는 부하에 접속된 출력축(18)으로부터 외부로 전파된다. 출력축(18)의 회전은 베어링(35)에 의해 지지된다.

여기서, 초전도 코일(10)은 초전도 선재에 의해 구성되기 때문에, 이것을 작동하기 위해서 액체 질소 등의 냉매(17)로 냉각시킬 필요가 있다. 그 때문에, 초전도 코일(10)은 용기의 내부에 보지되어 있다. 해당 용기의 내부에 냉매(17)를 공급함으로써, 초전도 코일(10)을 냉각하여 사용 가능한 상태로 한다.

여기서 말하는 용기란, 초전도 코일(10)을 수납하는 초전도 코일용 용기이다. 초전도 코일용 용기는, 도 2에 도시하는 바와 같이 초전도 코일(10)을 내부에 직접 보지하는 내조 용기(50)와, 내조 용기(50)의 외주부를 둘러싸도록 배치된 외조 용기(60)로 이루어진다. 초전도 코일(10)이 내조 용기(50)의 내부에 보지되며, 내조 용기(50)의 외주부를 둘러싸도록 외조 용기(60)가 배치된 구성에 의해, 초전도 코일 기기가 형성된다. 내조 용기(50) 및 외조 용기(60)는 로터(30), 스테이터(20)의 각각의 초전도 코일(10)에 구비되어 있다. 또한, 내조 용기(50) 및 외조 용기(60)는 도 1, 도 3, 및 도 4에서는 도시되어 있지 않다.

해당 용기가 내조 용기(50)를 구비하는 것에 의해, 초전도 코일(10)을 냉각하여 안정적으로 작동시킬 수 있다. 또한, 해당 용기가 외조 용기(60)를 구비함으로써, 냉매를 보지하는 내조 용기(50)가 실온인 외기와 접촉하는 것을 억제하는 단열 용기로서의 작용을 갖는다.

따라서, 내조 용기(50) 및 외조 용기(60)는 단열성이 우수한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 일례로서, 이들은 FRP(섬유강화 플라스틱)에 의해 형성되는 것이 바람직하다. FRP는 강도나 단열성이 매우 높기 때문에, 용기의 내부와 외부의 온도차나, 해당 초전도 모터(100)의 사용시와 미사용시의 용기 내부의 온도차에 의한 열응력에 의한 파손이나, 냉매에 의한 초전도 코일(10)의 냉각 효율의 열화를 억제할 수 있다. 다만, FRP 대신에, 내조 용기(50) 및 외조 용기(60)로서 예를 들어, 필러 함유 플라스틱이나 세라믹스 등을 이용해도 좋다.

도 5와 도 6에는, 각각 일례로서 스테이터(20)에 이용되는 내조 용기 및 외조 용기를 도시하고 있다. 내조 용기(50)는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 원통 형상을 갖는 FRP의 하우징으로 이루어진다. 내조 용기(50)의 원통부는, 내조 용기 외측 하우징(51)과 내조 용기 내측 하우징(52)의 2대의 원통 형상의 하우징이, 이들 원통 형상의 저면으로서의 원형의 중심이 거의 일치하여 동심원을 이루도록 배치된다. 내조 용기 외측 하우징(51)과 내조 용기 내측 하우징(52) 사이에 있는 영역이, 초전도 코일(10)이 탑재되는 영역이다. 초전도 코일(10)의 중공의 영역을 스테이터 코어(23)나 로터 코어(13)가 관통하기 때문에, 내조 용기 외측 하우징(51)과 내조 용기 내측 하우징(52)의 측면(원통 형상을 이루는 측부)에는 개구부(53)가 형성되어 있다. 즉, 복수의 개구부(53)의 각각에 초전도 코일(10)의 중공의 부분이나 스테이터 코어(23), 로터 코어(13)가 배치되고, 인접하는 개구부(53) 사이에 있는 영역에, 인접하는 초전도 코일(10)의 초전도 선재가 배치되는 구성이 된다.

또한, 개구부(53)는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 내조 용기 외측 하우징(51)과 내조 용기 내측 하우징(52)의 측면의 양쪽에 예를 들어 직사각형의 구멍이 형성되는 것에 의해, 내조 용기 외측 하우징(51)으로부터 내조 용기 내측 하우징(52)까지, 측면에 교차하는 방향으로 관통하도록 형성된 것이라도 좋다. 그러나, 예를 들어 내조 용기 외측 하우징(51)과 내조 용기 내측 하우징(52)의 어느 한쪽에만 직사각형의 구멍이 형성되는 것에 의해, 예를 들어 내조 용기(50)의 측면의 외측(내측)에서 보았을 때, 개구부(53)가 오목부를 이루는 형상으로 되어 있어도 좋다.

개구부(53)의 가장자리부는 개구부 측면(54)으로서 FRP에 의해 막힌다. 또한, 내조 용기 외측 하우징(51)과 내조 용기 내측 하우징(52)의 저면 근방(원통 형상의 단부)에 있어서도 플랜지 형상을 갖는 FRP로 이루어지는 단부 하우징(55, 56)을 배치한다. 이상에 의해, 내조 용기 외측 하우징(51)과 내조 용기 내측 하우징(52) 사이에 있는 영역이 밀폐 공간이 되고, 내조 용기(50)로서의 형태를 이룬다. 여기에 예를 들어 액체 질소 등의 냉매(17)(도 2 참조)를 급배(給俳)하기 위한 냉매 공급관과 냉매 배출관이 접속된다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 단부 하우징(55)으로부터 냉매를 유통시키는 관형상 부재가 2개 돌출되어 있다. 이들 중 1개[관형상 부재(57)]는 내조 용기(50)의 내부에 냉매(17)를 공급하기 위한 냉매 공급관이며, 다른 1개[관형상 부재(58)]는 내조 용기(50)의 내부로부터 냉매(17)를 배출하기 위한 냉매 배출관이다. 그러나, 양자는 동일한 구조를 구비하고 있기 때문에, 여기에서는 양자를 합쳐서 냉매 공급관이라고 부르기로 한다.

한편, 단열 용기로서의 외조 용기(60)는 상술한 바와 같이 내조 용기(50)의 외측을 둘러싸도록 배치된다. 구체적으로는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 내조 용기(50)의 내조 용기 외측 하우징(51)의 외측에, 내조 용기 외측 하우징(51)에 대향하도록 외조 용기 외측 하우징(61)이 탑재되고, 내조 용기 내측 하우징(52)의 내측에, 내조 용기 내측 하우징(52)에 대향하도록 외조 용기 내측 하우징(62)이 탑재된다. 외조 용기 외측 하우징(61) 및 외조 용기 내측 하우징(62) 사이에 있는 영역[즉, 외조 용기(60)의 내부]에 내조 용기(50)가 탑재된다. 또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 외조 용기 외측 하우징(61) 및 외조 용기 내측 하우징(62)에도 복수의 개구부(63)가 형성되어 있고, 개구부(53)와 중첩되도록 배치된다. 이와 같이 하여, 개구부(63)와 개구부(53)가 중첩된 영역에 초전도 코일(10)의 중공의 영역이나 스테이터 코어(23), 로터 코어(13)가 배치되는 구성이 된다(도 2 참조). 개구부(63)의 가장자리부에도 개구부 측면(64)이 존재하고, 또한, 단부 하우징(65, 66)이 배치되는 것에 의해, 외조 용기(60)의 내부가 밀폐 공간을 이루는 형태로 되어 있다.

즉, 각 용기의 저면이 이루는 원형의 직경은, 큰 순서부터 외조 용기 외측 하우징(61), 내조 용기 외측 하우징(51), 내조 용기 내측 하우징(52), 외조 용기 내측 하우징(62)이며, 개구부(63)는 개구부(53)보다 작다.

내조 용기(50)와 외조 용기(60)는, 각각의 저면이 이루는 원형의 직경방향에 관하여 서로 접촉하지 않도록 배치되어 있다. 즉, 도 2에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 내조 용기(50)의 내조 용기 외측 하우징(51)과 외조 용기(60)의 외조 용기 외측 하우징(61) 사이에는 직경방향으로 일정한 간극이 존재한다. 내조 용기(50)의 내조 용기 내측 하우징(52)과 외조 용기(60)의 외조 용기 내측 하우징(62)에 대해서도 동일하다. 즉, 해당 간극은 예를 들어 도 2에 도시하는 간극(21)으로서 존재하고, 내조 용기(50)의 외주를 둘러싸도록 존재한다. 이 간극(21)의 존재에 의해, 내조 용기(50)의 내부가 냉매(17)에 의해 냉각되는 효율을 높이고, 내조 용기(50)의 내부의 온도가 예를 들어 외조 용기(60)의 외측의 실온의 영향을 받는 것을 억제하고 있다. 이 때문에, 외조 용기(60)가 내조 용기(50)의 내부의 온도 제어를 용이하게 하는 단열재로서 작용하는 것이라고 말할 수 있다.

그리고 관형상 부재(57)의 외측을 덮도록, 외조 용기(60)에는 도 6에 도시하는 외관이 배치되어 있다. 또한, 관형상 부재(58)의 외측을 덮도록, 외조 용기(60)에는 도 6에 도시하는 외관 부재(68)가 배치되어 있다. 이들도 관형상 부재(57, 58)와 마찬가지로, 단부 하우징(65)으로부터 2개 돌출되어 있고, 2개 중 하나는 내조 용기(50)의 내부에 냉매(17)를 공급하는 관형상 부재(57)의 외측을 둘러싸는 것이며, 다른 하나는 내조 용기(50)의 내부로부터 냉매(17)를 배출하는 관형상 부재(58)의 외측을 둘러싸는 것이다. 여기에서는, 관형상 부재(57)의 외측을 둘러싸는 것을 외관 부재(67), 관형상 부재(58)의 외측을 둘러싸는 것을 외관 부재(68)라고 하지만, 여기에서는, 양자 모두 외관이라고 부르는 것으로 한다.

또한, 도 6에 도시하는 개구부(63)는, 개구부(53)와 마찬가지로, 외조 용기 외측 하우징(61)과 외조 용기 내측 하우징(62)의 측면의 양쪽에 예를 들어 직사각형의 구멍이 형성되는 것에 의해, 외조 용기 외측 하우징(61)으로부터 외조 용기 내측 하우징(62)까지 측면에 교차하는 방향으로 관통하도록 형성된 것이라도 좋다. 그러나, 예를 들어 외조 용기 외측 하우징(61)과 외조 용기 내측 하우징(62)의 어느 한쪽에만 직사각형의 구멍이 형성되는 것에 의해, 예를 들어 외조 용기(60)의 측면의 외측(내측)에서 보았을 때, 개구부(63)가 오목부를 이루는 것과 같은 형상으로 되어 있어도 좋다.

상술한 바와 같이, 도 2나 도 5의 내조 용기(50)의 내부에는 초전도 코일(10)이 탑재되어 있다. 그 형태는, 도 7의 단면도에 도시하는 그대로이다. 그리고 해당 초전도 코일(10)에는, 이것을 구성하는 초전도 선재에 전류를 공급하기 위한 단자가 접속되어 있다. 그 형태는, 도 7에 도시하는 그대로이며, 단자(41)는 하우징 고정 단자(43)와 단자 구성 부재(45)와 선재 고정용 단자(47)로 구성된다. 또한, 도 7에서는, 형성을 용이하게 하기 위해서 단자(41)가 하우징 고정 단자(43)와 단자 구성 부재(45)와 선재 고정용 단자(47)의 3개의 부재로 구성되어 있지만, 단자(41)는 단독의 부재로 구성되어 있어도 좋다.

내조 용기(50)를 이루는 내조 용기 외측 하우징(51)과 내조 용기 내측 하우징(52)은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 베이스체(1)와, 베이스체(1)의 외주부를 둘러싸도록 배치된 보강 섬유(3)로 구성된다. 외조 용기(60)를 이루는 외조 용기 외측 하우징(61)과 외조 용기 내측 하우징(62)에 대해서도 동일하다.

베이스체(1)는 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 골격을 이루는 프레임체이기 때문에, 상술한 바와 같이 내조 용기(50)나 외조 용기(60)를 구성하는 FRP나, 또는 필러 함유 플라스틱이나 세라믹스 등에 의해 구성되는 것이 바람직하다.

용기 형상의 베이스체(1)를 구성하기 위해 조립되는 복수의 부재끼리의 접속을 보다 강고하게 하기 위해서, 베이스체(1)의 표면 전체를 덮도록[베이스체(1)의 표면 전체에 감도록] 보강 섬유(3)가 배치된다. 보강 섬유(3)는 예를 들어 에폭시 수지나 불포화 폴리에스테르 수지 등의 열경화성 수지가, 글래스 클로스(glass cloth) 등의 유리 섬유 재료나, 카본 섬유 등의 보강 재료 중에 함침된 재료로 이루어진다. 즉, 보강 섬유(3)는 베이스체(1)와 마찬가지로 예를 들어 FRP로 이루어진다.

그리고, 베이스체(1)의 모서리(71)에는 밀봉 보강부(2)가 형성되어 있다. 도 8이나 도 5에 도시하는 모서리(71)와, 도 5에 도시하는 코너(72)를 합쳐서 여기서는 코너부라고 부르기로 한다.

모서리(71)란, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 외측에서 보았을 때, 베이스체(1)를 구성하기 위해서 조립된 복수의 부재끼리의 접속 부분이 산 형상으로(볼록 형상을 이루도록) 굴곡된 것과 같이 되어 있는 장소이다. 코너(72)란, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 외측에서 보았을 때, 베이스체(1)를 구성하기 위해서 조립된 복수의 부재끼리의 접속 부분이 골짜기 형상으로(오목 형상을 이루도록) 굴곡된 것과 같이 되어 있는 장소이다.

밀봉 보강부(2)는 보강 섬유(3) 중에 포함되는 열경화성 수지와 동일한 수지 재료로 이루어진다. 밀봉 보강부(2)는, 베이스체(1)에 있어서 복수 형성되는 모서리(71)나 코너(72)(코너부)가 연장되는 방향(도 8에 있어서의 지면에 수직인 방향)을 따라서 연장되도록 배치된다. 즉, 밀봉 보강부(2)는, 연장되는 모서리(71)나 코너(72)를 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 외측으로부터 덮도록 배치된다.

도 9에 도시하는 내조 용기(50)의 베이스체(1)의 외주 부분을 덮도록 보강 섬유(3)가 배치된다. 이 보강 섬유(3)는, 시트 형상의 부재가 베이스체(1)의 표면상에 밀착하도록 배치된다. 이 때문에, 보강 섬유(3)와 베이스체(1)가 일체로 되고, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 표면에는, 특히 실온과 극저온의 온도 사이클에 의한 열응력에 견딜 수 있는 강도를 갖게 할 수 있다. 이것은, 보강 섬유(3)를 구성하는 유리 섬유 재료나 카본 섬유 등의 보강 재료에 의한다.

그런데, 예를 들어 도 9의 상하 방향으로 연장되는 부재와 도 9의 좌우 방향으로 연장되는 부재의 접속 부분이 이루는 모서리(71)의 근방에 있어서는, 베이스체(1)의 표면상에 밀착하도록 보강 섬유(3)가 배치되지 않고, 베이스체(1)와 보강 섬유(3) 사이에 간극이 형성되는 경향이 있다. 이것은, 보강 섬유(3)를 베이스체(1)의 표면상을 따르도록 감을 때, 모서리(71)에서 보강 섬유(3)가 베이스체(1)의 표면의 형상(직각에 가까운 각도로 교차되는 형상)에 추종하도록 변형하는 것이 곤란하기 때문이다. 즉, 모서리(71)의 근방에서 보강 섬유(3)는 도 9에 도시하는 바와 같이 베이스체(1)의 모서리(71)에 있어서의 형상에 비하여 둥글게 되도록 만곡한다. 이 때문에, 보강 섬유(3)의 만곡부와 베이스체(1)의 모서리(71) 사이에 간극이 형성되기 쉽다.

모서리(71) 등의 코너부는 복수의 부재의 접속 부분이기 때문에, 코너부에는, 부재끼리가 완전하게 접합되지 않고, 일부 공극을 형성하도록 접합되는 일이 있다. 이와 같은 공극은, 특히 상기의 접속 부분에 있어서의 복수의 부재끼리의 접합 강도가 부족한 경우에 발생하기 쉽다. 만일 모서리(71)가 공극을 형성하고 있는 상태에서, 더욱 해당 공극에 밀착시키지 않고 보강 섬유(3)가 배치되면, 해당 공극의 부분에 있어서, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 내부와 외부를 관통하는 구멍이 형성되게 된다.

이와 같은 구멍이 형성되면, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의, 내부에 대한 밀봉 성능이 저하한다. 구체적으로는, 예를 들어 내조 용기(50)의 내부에 보지하는 초전도 코일(10)을 냉각하기 위한 냉매(17)(도 2 참조)가 내조 용기(50)의 외부로 누출될 가능성이 있다. 또한, 구멍에 의해 외조 용기(60)의 내부와 외부 사이에 공기 등의 가스의 미소한 누출이 발생하면, 외조 용기(60)의 내부에 있어서의 진공 상태를 보지하는 것이 곤란하게 된다. 즉, 외조 용기(60)의 내조 용기(50)에 대한 단열성이 저하하여, 내조 용기(50)의 내부를 냉매(17)로 냉각하는 효율이 저하할 가능성이 있다.

밀봉 보강부(2)는 코너부에 상술한 구멍이 형성되었다고 해도 해당 구멍을 덮도록 배치된다. 즉, 밀봉 보강부(2)는 코너부의 구멍을 막음으로써, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 밀봉 성능을 향상시킨다. 밀봉 보강부(2)에 의해 구멍이 막히면, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 내외를 통한 가스나 냉매 등의 누설이 억제되어, 초전도 코일(10)의 기능을 향상시킬 수 있다.

또한, 수지로 이루어지는 밀봉 보강부(2)에 의해 베이스체(1)와 보강 섬유(3)의 간극이 매립되면, 베이스체(1)와 보강 섬유(3) 사이에 있는 영역에 공기 등의 가스가 체류할 가능성을 저감할 수 있다. 베이스체(1)와 보강 섬유(3) 사이에 공기가 체류하여, 예를 들어 해당 공기가 모서리(71)의 연장되는 방향을 따라서 연장되도록 존재하는 경우, 베이스체(1)를 구성하는 부재의 접속 부분에, 열응력 등에 기인하여 발생하는 균열이 확대되어, 베이스체(1)가 파손될 가능성이 높아진다. 그러나, 베이스체(1)와 보강 섬유(3) 사이에 있는 영역이 수지 재료[밀봉 보강부(2)]로 충전되어 있는 경우에는, 예를 들어 베이스체(1)를 구성하는 부재의 접속 부분에 균열이 형성되어도, 해당 균열이 밀봉 보강부(2)에 의해 용이하게 덮이기[균열의 내부가 밀봉 보강부(2)에 의해 충전되기] 때문에, 해당 균열이 진전되어 베이스체(1)가 파손될 가능성이 낮아진다.

이상에서 설명한 바와 같이 밀봉 보강부(2)는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 내조 용기(50)의 측면의 개구부(53)[외조 용기(60)의 측면의 개구부(63)]의 코너부[모서리(71)]에 형성되어 있다. 개구부(53, 63)는, 베이스체(1)를 구성하는 복수의 부재가 접속되어 용기 형상의 프레임체가 형성된 결과, 해당 부재가 배치되지 않는 공간 영역으로서 형성된다. 이 때문에, 개구부(53, 63)에는 베이스체(1)를 구성하는 부재의 접속 부분이 복수 존재하게 된다. 따라서, 개구부(53, 63)가 이루는 모서리(71)(코너부)에 밀봉 보강부(2)가 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 개구부(53, 63)에 있어서의 초전도 코일 기기의 진공 누출의 발생이나 밀봉 기능의 저하를 보다 확실히 억제할 수 있다.

도 10은, 초전도 코일(10)에 외부로부터 전원을 공급하거나 초전도 코일(10)의 전력을 외부로 출력하기 위한 단자가, 내조 용기(50)의 단부 하우징(55)을 관통하도록 배치된 영역의 형태를 도시하는 확대 단면도이다. 도 10에 있어서는 단부 하우징(55)의 좌측이 내조 용기(50)의 내측이며, 단부 하우징(55)의 우측이 내조 용기(50)의 외측이다. 단부 하우징(55)은 내조 용기(50)의 일부분이기 때문에, 이것은 도 8에 도시하는 내조 용기 외측 하우징(51) 등과 마찬가지로 베이스체(1)라고 생각할 수 있다.

베이스체(1)를 관통하는 단자(41)를 구성하는 부재 중에서, 내조 용기(50)의 외측 중 가장 베이스체(1)에 가까운 영역에 배치되는 부재는, 예를 들어 베이스체(1)와 단자(41)의 고정을 유지하는 역할을 갖는 부재로서의 단자 구성 부재(45)이다.

도 10에 도시하는 바와 같이 단부 하우징(55)[베이스체(1)]의 표면을 덮도록, 바꾸어 말하면 단부 하우징(55)[베이스체(1)]의 표면에 밀착하도록, 보강 섬유(3)가 배치된다. 그러나, 베이스체(1)와 단자 구성 부재(45)가 교차하는 코너부인 코너(72)에 있어서, 보강 섬유(3)가 코너(72)에 밀착하도록 배치되지 않고, 도 10에 도시하는 바와 같이 베이스체(1)와 단자 구성 부재(45) 사이에 간극이 형성되는 경향이 있다. 이것은, 상술한 바와 같이 보강 섬유(3)가, 코너(72)가 이루는 직각에 가까운 각도에 추종하도록 변형하는 것이 곤란하기 때문이다. 즉, 코너(72)의 근방에 있어서 보강 섬유(3)는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 베이스체(1)의 모서리(71)에 있어서의 형상에 비해 둥글게 되도록 만곡한다. 이 때문에, 보강 섬유(3)의 만곡부와 베이스체(1)의 코너(72) 사이에 간극이 형성되기 쉽다.

이 간극을 매립하도록 밀봉 보강부(2)가 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 상술한 도 8이나 도 9의 경우와 마찬가지로, 밀봉 보강부(2)가 단부 하우징(55)과 단자(41)의 교차되는 영역[코너(72)]에 발생하는 구멍을 덮거나 충전하거나 함으로써, 내조 용기(50)의 내부의 밀봉 기능을 향상시킬 수 있다. 또한, 해당 구멍의 근방에 있어서 예를 들어 베이스체(1)에 균열이 발생했다고 해도, 밀봉 보강부(2)가 균열을 막음으로써, 균열이 진전되어 내조 용기(50)가 파손을 일으킬 가능성을 저감할 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이 밀봉 보강부(2)는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 내조 용기(50)의 측면[벽부인 예를 들어 단부 하우징(55)]과, 해당 측면을 관통하도록 배치된 단자(41)의 접속 부분에 있어서의 코너부[코너(72)]에 형성되어 있다. 이 영역은 베이스체(1)와 단자(41)의 접속 부분을 갖기 때문에, 접속 부분이 이루는 코너(72)(코너부)에 밀봉 보강부(2)가 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 코너(72)에 있어서의 초전도 코일 기기의 진공 누락의 발생이나 밀봉 기능의 저하를 보다 확실히 억제할 수 있다.

또한, 단자(41)나 관형상 부재(57, 58), 외관 부재(67, 68)는, 도 5, 도 6 및 도 7에 있어서는, 단부 하우징(55)을 관통하도록 배치되어 있다. 그러나, 이들은, 예를 들어 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 측면을 관통하도록[개구부(53, 63)와 동일한, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 측면을 관통하는 공동을 관통하도록] 배치되어 있어도 좋다.

다음에, 이상에서 설명한 초전도 코일 기기의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 11의 흐름도에 도시하는 바와 같이, 우선 초전도 코일을 준비하는 공정(S10)이 실시된다. 이것은, 상술한 초전도 코일(10)을 형성하는 공정이다.

초전도 코일(10)을 구성하는 초전도 선재는 테이프 형상이며, 비스무트(Bi)계의 초전도 선재를 이용해도 좋고, 박막 초전도 선재를 이용해도 좋다. 또한, 초전도 선재를 예를 들어 안장 형상의 레이스 트랙형 코일의 형상을 이루도록 권회하는 것이 바람직하다.

다음에, 용기 베이스체를 준비하는 공정(S20)이 실시된다. 이것은, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)를 구성하는 프레임체로서의 베이스체(1)를 형성하는 공정이다. 여기서 내조 용기(50)의 베이스체(1)를 형성할 때는 공정(S10)에서 준비한 초전도 코일(10)이 베이스체(1)의 내부에 보지되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 외조 용기(60)의 베이스체(1)를 형성할 때는 내조 용기(50)의 외표면을 덮도록 외조 용기(60)가 형성되는 것이 바람직하다.

내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 베이스체(1)는, 강도가 강하고, 단열성이 우수한 예를 들어 FRP로 이루어지는 부재에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)는 복잡한 형상을 이루기 때문에, 예를 들어 금형을 이용해서 일체 성형하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 베이스체(1)를 형성하기 위해서 필요한 부재를 복수 준비하고, 이들을 접합함으로써 베이스체(1)의 형태를 이루도록 형성하는 것이 바람직하다.

다음에, 섬유를 배치하는 공정(S30)이 실시된다. 이것은, 구체적으로는 베이스체(1)의 외주(외측의 표면)를 덮도록, 섬유 부재인 보강 섬유(3)를 형성하기 위한 시트 형상의 부재를 배치하는 공정이다.

시트 형상의 부재로서는, 예를 들어 보강 섬유(3) 중에 포함되는 글래스 클로스 등의 유리 섬유 재료나 카본 섬유 등의 보강 재료로 이루어지는 섬유 부재를 준비하는 것이 바람직하다. 이들은 수지를 함침함으로써, 해당 수지의 강도가 향상되는 보강재로서의 역할을 갖는 재료이다. 시트 형상의 부재를 베이스체(1)의 외주의 표면에 밀착하도록 배치하면, 형성되는 보강 섬유(3)의 강도가 향상된다.

여기서, 시트 형상의 부재는 베이스체(1)의 표면에 밀착하도록 배치되고, 예를 들어 베이스체의 코너부에 있어서도 가능한 한 해당 코너부와 밀착하도록 배치되는 것이 바람직하다.

다음에, 도 11에 도시하는 금형(金型)으로 세팅하는 공정(S40)이 실시된다. 이것은, 구체적으로는, 공정(S30)에서 베이스체(1)에 배치한 시트 형상의 부재의 내부에 수지를 함침시키는 처리를 실행하기 위한 금형의 내부에, 베이스체(1)를 세팅하는 공정이다.

그리고 수지를 함침하는 공정(S50)이 실시된다. 여기서 상기의 금형의 내부에, 예를 들어 에폭시 수지나 불포화 폴리에스테르 수지 등의 열경화성 수지를 투입한다. 이와 같이 하면, 금형의 내부에 탑재되어 있는 베이스체(1)의 외주를 덮는 시트 형상의 부재(섬유 부재)의 내부에 해당 열경화성 수지가 함침된다.

다만, 여기서, 예를 들어 베이스체(1)와 시트 형상 부재 사이에 간극이 형성되어 있으면, 해당 수지는 베이스체(1)와 시트 형상 부재의 간극을 충전한다. 이 상태에서 경화 처리를 실행하는 공정(S60)을 실행한다. 여기서는, 구체적으로, 베이스체(1)를 상기 금형 내에서 50℃ 이상 200℃ 이하의 온도로 2시간 이상 48시간 이하의 시간 가열하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 수지가 함침된 시트 형상 부재는 열경화를 일으켜 FRP재로 이루어지는 보강 섬유(3)가 되고, 보강 섬유(3)는 베이스체(1)와 일체를 이루도록 배치되어, 초전도 코일 기기를 구성하는 용기가 형성된다. 따라서, 형성되는 내조 용기(50)나 외조 용기(60)의 강도나 단열성을 더욱 높일 수 있다.

이때, 공정(S50)에 있어서 베이스체(1)와 시트 형상 부재의 간극을 충전하도록 배치된 수지 재료가 공정(S60)의 열처리에 의해, 도 9나 도 10에 도시하는 바와 같이, 베이스체(1)와 시트 형상 부재[보강 섬유(3)] 사이를 충전하는 밀봉 보강부(2)로서 형성된다.

이상에서 나타내는, 본 발명에 따른 초전도 코일 기기의 제조 방법에 있어서는, 내조 용기(50)나 외조 용기(60)를 구성하는 베이스체(1)의 외측의 보강 섬유(3)를 형성할 때, 보강 섬유(3)를 구성하는 섬유 부재로 이루어지는 시트 형상 부재를 먼저 배치하고, 그 후에 보강 섬유(3)에 포함되는 수지 재료를 공급하고 있다. 이와 같이 하면, 예를 들어 시트 형상 부재를 베이스체의 표면상에 배치할 때, 베이스체와 시트 형상 부재 사이에 간극이 형성되었다고 해도, 다음에 공급되는 수지 재료가 베이스체와 시트 형상 부재 사이의 간극을 충전한다. 이 때문에, 열경화에 의해 최종적으로 형성되는 보강 섬유(3)와 베이스체(1)의 간극부는, 수지가 경화된 밀봉 보강부(2)에 의해 충전된다. 즉, 시트 형상 부재를 공급한 후에 공급(함침)되는 수지에 의해, 베이스체(1)를 구성하는 부재의 접속 부분으로서의 코너부나, 베이스체(1)와 단자(41)의 접속부로서의 코너부에 공극이 형성되어 있었다고 해도, 해당 공극을 막는 밀봉 보강부(2)가 형성되기 때문에, 형성되는 초전도 코일 기기를 구성하는 각 용기의 밀봉 기능을 향상시킬 수 있다.

만일 보강 섬유(3)를 형성할 때, 예를 들어 보강 섬유(3)를 구성하는 재료인 섬유 재료와 수지 재료의 양쪽 모두를 포함하는 시트 형상의 부재를 베이스체(1)의 표면에 배치한 후에 열경화를 실행하면, 베이스체(1)와 시트 형상의 부재 사이에 형성된 간극이 그대로 남는다. 시트 형상의 부재 중에 포함되는 수지 재료가 베이스체(1)와 시트 형상의 부재 사이의 간극을 매립하도록 침출한다고 하는 효과는 일어나기 어렵기 때문에, 베이스체(1)와 시트 형상의 부재의 밀착이 불충분한 영역에는 간극이 형성되게 된다. 따라서, 해당 간극이 형성된 영역이, 예를 들어 베이스체(1)의 코너부이고, 또한 부재의 접속이 불충분한 공극이 존재하면, 해당 공극을 기점으로 하여 해당 용기의 밀봉 기능의 저하나 용기의 파손을 초래할 가능성이 커진다.

금회 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 여겨져야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시형태가 아니고, 특허청구의 범위에 의해서 나타나며, 특허청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

본 발명은, 초전도 기기에 있어서의 초전도 코일을 보지하는 용기의 밀봉 기능을 향상하는 기술로서 특히 뛰어나다.

1 : 베이스체 2 : 밀봉 보강부
3 : 보강 섬유 10 : 초전도 코일
13 : 로터 코어 16 : 로터축
17 : 냉매 18 : 출력축
20 : 스테이터 21 : 간극
23 : 스테이터 코어 30 : 로터
35 : 베어링 41 : 단자
43 : 하우징 고정 단자 45 : 단자 구성 부재
47 : 선재 고정용 단자 50 : 내조 용기
51 : 내조 용기 외측 하우징 52 : 내조 용기 내측 하우징
53, 63 : 개구부 54, 64 : 개구부 측면
55, 56, 65, 66 : 단부 하우징 57, 58 : 관형상 부재
60 : 외조 용기 61 : 외조 용기 외측 하우징
62 : 외조 용기 내측 하우징 67, 68 : 외관 부재
71 : 모서리 72 : 코너
100 : 초전도 모터

Claims

초전도 코일과, 상기 초전도 코일을 내부에 보지하는 용기를 구비하는 초전도 코일 기기에 있어서,
상기 용기는 FRP로 이루어지고,
상기 용기의 코너부에 있어서는, 상기 코너부를 따라서, 수지로 이루어지는 밀봉 보강부가 형성되어 있는
초전도 코일 기기.
제 1 항에 있어서,
상기 용기의 코너부에 있어서는, 밀봉 보강부의 외측에, 보강 섬유층을 더 갖는
초전도 코일 기기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 용기의 측면에는 개구부가 형성되어 있고,
상기 밀봉 보강부는 상기 개구부의 상기 코너부에 배치되어 있는
초전도 코일 기기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기의 벽부를 관통하도록 배치된 단자를 더 구비하고, 상기 용기의 상기 벽부와 상기 단자와의 접속부의 상기 코너부에 상기 밀봉 보강부가 배치되어 있는
초전도 코일 기기.
제 1 항에 기재된 초전도 코일 기기를 이용한 초전도 기기.
제 1 항에 기재된 초전도 코일 기기를 제조하는 방법에 있어서,
상기 초전도 코일을 준비하는 공정과,
상기 초전도 코일을 내부에 보지하는, 상기 용기의 베이스체를 준비하는 공정과,
상기 베이스체의 외주를 덮도록 섬유 부재를 배치하는 공정과,
상기 베이스체의 외주에 배치한 상기 섬유 부재에 수지를 함침하는 공정과,
상기 섬유 부재를 경화함으로써 용기를 형성하는 공정을 구비하는
초전도 코일 기기의 제조 방법.