JP2007073623A - 超電導コイル製造用巻枠および超電導ソレノイド巻コイル - Google Patents

Abstract

【課題】 超電導線材が金属系か酸化物系かを問わず、また巻回法がＲ＆Ｗ法かＷ＆Ｒ法かを問わず、特に帯状線材を多層に螺旋巻きしてソレノイド巻コイルを得る際に、巻胴端部で、ある巻層から次の巻層へ巻き返していく際に、帯状線材に生じる歪を可及的に少なく抑えつつ、巻き返しを簡単かつ円滑に行うことのできる巻枠を提供すること。
【解決手段】 円筒状巻胴部の外周に帯状の超電導線材またはその前駆体が螺旋状に多層巻きされる超電導コイル製造用の巻枠であって、当該巻枠の巻胴部両端側には、巻胴端縁から延長方向に任意の角度で傾斜する縮径テーパ部が設けられている超電導コイル製造用巻枠と、該巻枠に超電導帯状線材がソレノイド巻きされた超電導コイルを開示する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、帯状の超電導線材が螺旋状に多層巻きされる超電導コイル製造用の巻枠と、該巻枠に帯状の超電導線材を多層巻きしてなるソレノイド巻コイルに関し、特に、円筒状の巻胴部を有する巻枠に帯状の超電導線材を螺旋状に多層巻きしてソレノイド巻コイルとする際に、巻胴部両端における帯状線材の巻き返しを、簡単な巻回操作でしかも帯状線材に与える変形歪を可及的に抑えた状態で行なえる様に工夫された巻枠と、当該巻枠を用いたソレノイド巻コイルに関するものである。

超電導線材には、ＮｂＴｉやＮｂ₃Ｓｎなどの金属系超電導線材と、Ｂｉ系酸化物やＹ系酸化物などの酸化物系超電導線材が知られている。前者の金属系超電導線材は、丸型や平角形（長方形）の横断面形状を有し、ある程度の厚みを有する帯状のものである。後者の酸化物系超電導線材は、圧延などで酸化物結晶の方向性を調整する必要があるため、薄いテープ状のものが主流となっている。

他方、超電導コイルを得るための超電導線材の巻回法にはパンケーキ法とソレノイド法があり、従来は主としてパンケーキ法が採用されてきた（特許文献１など）。しかし最近では、特にＮＭＲやＭＲＩなどの分析用途や医療用途などに用いられる超電導コイルを主体として、優れた磁場均一性が得られ易いソレノイド巻コイルの採用例が増大している（特許文献２など）。

これら超電導線材からなるソレノイド巻コイルの製法には、Ｗ＆Ｒ法（Ｗｉｎｄ ａｎｄ Ｒｅａｃｔ法：線材を巻枠に巻き付けてから超電導特性を与える方法）とＲ＆Ｗ法（Ｒｅａｃｔ ＆ Ｗｉｎｄ法：線材に超電導特性を与えてから巻枠に巻き付ける方法）がある。酸化物超電導コイルの場合、Ｗ＆Ｒ法は、コイル状に巻回した後に加熱酸化して超電導特性を与える方法であるから、超電導線材に加わる歪による劣化が抑えられる反面、コイル状に蜜に巻回した後に外部から酸素を供給しながら加熱処理するため、コイル巻きの内部で酸素不足になる傾向がある。しかも、巻回後に高温で加熱処理するためコイル巻きの絶縁が難しいという問題も指摘される。そのため、例えば上記特許文献２に記載されている如く、巻枠の胴部に通気孔を設け、コイル巻き後の加熱酸化工程で内部側からも酸化性ガスを供給できる様にする方法も提案されている。

他方、Ｒ＆Ｗ法では、超電導付与のための酸素供給を十分に行なえるという利点がある反面、螺旋巻き（ソレノイド巻き）したときの巻き返し部分（巻胴部外周の第１層から第２層、第２層から第３層、更には第３層から第４層……へと順次巻き返して次の層へ巻回していく際の巻き返し部）で大きな歪が生じ、超電導特性を劣化させるという問題がある。そのため、文献に具体的な手法として示されている訳ではないが、該巻き返し部で帯状線材にかかる歪を極力低減するための手法も種々工夫されているようである。しかし本発明者らが知る限り、巻き返し部の歪低減と巻き返し操作の簡便性については満足し得る様な手法は提案されていない。
特開２００１−３３２４１５号公報 特開平１０−２８９８１７号公報

本発明は上記の様な状況の下で、超電導線材が金属系か酸化物系かを問わず、また巻回法がＲ＆Ｗ法かＷ＆Ｒ法かを問わず、特に帯状線材を多層に螺旋巻きしてソレノイド巻コイルを製造する際に、巻胴端部で、ある巻層から次の巻層へ巻き返していく際に、帯状線材に生じる歪を可及的に少なく抑えつつ、巻き返しを簡単かつ円滑に行うことのできる巻枠を提供し、更には、該巻枠を用いたコンパクトで超電導特性の劣化が可及的に抑えられたソレノイド巻コイルを提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る巻枠は、円筒状巻胴部の外周に帯状の超電導線材またはその前駆体が螺旋状に多層巻きされる超電導コイル製造用の巻枠であって、当該巻枠の巻胴部両端側には、巻胴端部から延長方向に任意の角度で傾斜する縮径テーパ部が設けられているところに特徴を有している。

本発明の巻枠における上記縮径テーパ部は、単一傾斜角度の傾斜面で構成されていてもよいし、或いは、傾斜角度が段階的に大きくなる２以上の傾斜面で構成されていてもよい。更には、傾斜角度が無限段階的に変化することで傾斜角度が連続的に大きくなる曲面で構成されていてもよい。

また本発明の超電導ソレノイド巻コイルは、上記構成の超電導コイル用巻枠における巻胴部外周に、帯状の超電導線材が螺旋状に多層巻きされた超電導ソレノイド巻コイルであって、前記巻枠の縮径テーパ部をガイドとして帯状線材が該テーパ面に接して周回しつつ巻き返されており、該巻き返しの前後で巻胴部に巻回される帯状線材の螺旋巻き角度が（α）から（−α）に変わっているところに特徴を有している。

本発明の巻枠によれば、巻胴両端縁の延長部に任意の傾斜角度の縮径テーパ部を設けるという極めて簡単な構成で、該テーパ部をガイドとして帯状の超電導線材またはその前駆体を該テーパ面に接して周回しつつ巻き返すだけで、線材に与える歪を最小限に抑えつつ次層への螺旋巻きを極めて簡単かつスムーズに行うことができる。

しかも、上記の様に巻き返し部に生じる歪が最小限に抑えられることから、Ｒ＆Ｗ法、Ｗ＆Ｒ法の如何を問わず、優れた超電導特性のソレノイド巻コイルを生産性よく安価に提供できる。

本発明の巻枠は、円筒状の巻胴部を有し、該巻胴部の外周に帯状の超電導線材またはその前駆体が螺旋状に多層巻きされるソレノイドタイプの超電導コイル製造用巻枠であって、該巻枠における巻胴部の両端側には、該巻胴の先端縁から延長方向に任意の角度で傾斜する縮径テーパ部が設けられている。

例えば図１は、本発明に係る巻枠の代表例を示す正面図であり、円筒状の巻胴部１の両端側に、該巻胴部１の端縁から延長方向に任意の角度（θ）で傾斜する縮径テーパ部２，２が設けられている。そしてこの巻枠に帯状の線材を螺旋状に巻回する際には、図２に示す如く巻胴部１の一方端側から任意の螺旋角度（γ）で、帯状線材３を密に巻回していく。この際、隣り合って巻回される帯状線材３が重なり合うと、当該線材３が局部的に浮いた状態となって電磁波に乱れが生じ、コイル特性に悪影響を及ぼすので、帯状線材３は重なり合わない様に注意する。

このとき、巻胴部１の外径を（Ｄ）、帯状線材３の幅を（Ｗ）、螺旋ピッチを（Ｐ）、螺旋角を（α）とすると、下記式の関係が成立し、密巻きのための好ましい条件は［α＝ａｒｃｃｏｓ（Ｗ／πＤ）］となる。
Ｐ＝Ｗ／ｓｉｎα
πＤ＝Ｐｔａｎα＝（Ｗ／ｓｉｎα）×（ｓｉｎα／ｃｏｓα）＝Ｗ／ｃｏｓα
∴ｃｏｓα＝Ｗ／πＤ、即ちα＝ａｒｃｃｏｓ（Ｗ／πＤ）。

尚、隣り合う帯状線材３同士を絶縁するため線材３間にスペーサーを配置する場合は、上記式の幅（Ｗ）を線材幅＋スペーサー幅とすればよい。

上記の様な螺旋巻き構成とすることで、巻胴部１へ帯状線材３を円滑に螺旋巻きすることができる。

しかし、従来技術でも指摘した様に従来のソレノイド巻コイルでは、巻胴部の先端側に図１に示す様な縮径テーパ部２が形成されていないため、帯状線材３の螺旋巻きを巻胴部１の他方端まで進めていった後、帯状線材３を巻き返して当該螺旋巻き層の上に重ね巻きする際に、巻き返した後の螺旋角度の調整が極めて煩雑かつ困難であるばかりでなく、該螺旋角度を調整するため帯状線材３を３次元的に複雑に歪曲しなければならず、この部分で少なからず超電導特性が低下していた。しかも、この巻き返しに相当の線材長さが必要となるため、巻き返し毎に生じる帯状線材３の無駄も軽視できない。

ところが本発明の巻枠では、以下に説明する如く、巻胴部１の両端部から延長して縮径テーパ部２を設けることによって、上記巻き返し作業を円滑かつ簡単に行うことができる。即ち図２は、巻胴部１から縮径テーパ部２にかけて行われる巻き返しの状況を示す概念図であり、それぞれ重要箇所を部分的に拡大して示しており、同図の右側に示したのは、帯状線材３を縮径テーパ部２に沿って巻き返している状況を示す展開説明図である。

この図からも明らかな様に、巻胴部１に螺旋巻きされた帯状線材３が巻胴部１の先端部から縮径テーパ部（傾斜面）２へ至った後、引き続いて該帯状線材３を該縮径テーパ部２に密着して巻回していくと、帯状線材３は該縮径テーパ部２の傾斜角度に応じて巻回方向を変えながら該テーパ部２に密着して周回しつつ巻回される。

このとき該縮径テーパ部２は、図２右側の展開説明図に示す如く巻枠の中心線Ｏに対し線対称に形成されているので、巻胴部１から縮径テーパ部２へ巻き出されるときの帯状線材３の螺旋角度（α）に対して、該縮径テーパ部２から巻胴部１の次層へ巻き込まれる際の螺旋角度は、上記（α）の丁度反対方向の角度、即ち（−α）となり、螺旋角度を（−α）値に変えた状態で巻胴部１の次層へ螺旋巻きされることになる。

そして、同様にして次層の螺旋巻きを進め、該螺旋巻きが巻胴部１の左端へ至った後、該左端から縮径テーパ面２へ密着して周回しつつ巻回されるときには、上記と同様に該縮径テーパ部２で螺旋巻き方向（角度）が（−α）から（α）へ自然に変更される。

この様に縮径テーパ部２を利用した巻き返しを巻胴部１の両端部側で繰り返すことによって、巻き返し部で帯状線材３が不規則に浮き上がった状態になることなく、整然とした密着状態で且つ最小限度の巻き返し線材長さで次層への巻き返しを円滑に行うことができる。しかも、該巻き返し工程で帯状線材が受ける歪は、巻胴部と縮径テーパ部の境界部にできる僅かな傾斜角によって生じるだけであるから、歪自体も最小限に抑えられる。また、この傾斜角をより小さく設計すれば、縮径テーパ面２への帯状線材３の巻回長さは若干長くなるものの、巻き返し部に生じる歪は更に低減される。

なお、本発明の巻枠は、上記の様に巻胴部の両端部側に縮径テーパ部を設けたところに特徴を有するもので、巻胴部の径や長さ、縮径テーパ部の傾斜角度や長さなどには一切制限がなく、所望に応じて任意に変更できる。また、それらの構成素材にも格別の制限はなく、適度な構造強度を有し、且つ超電導特性に悪影響を与えないものであれば全て使用可能である。

この巻枠を酸化熱処理前の酸化物超電導線材前駆体の巻回用として使用し、Ｗ＆Ｒ法によって酸化物系超電導線材コイルを製造する場合は、巻回後に酸化熱処理を行う必要があるので、該酸化熱処理条件に耐える耐熱・耐酸化性の素材（例えばセラミックなど）を使用すると共に、巻胴部には内部側から加熱酸化を効率よく進めるためのスリットや通風孔などを開口し、あるいは巻胴を網目状物などで構成しておくのがよい。

しかも本発明の巻枠を使用すれば、巻き返し時の帯状線材に与える歪が最小限に抑えられるので、たとえ酸化物系の超電導線材であっても比較的薄肉のものであれば、折損や割れなどを起こすことなく、巻き返しによる連続ソレノイド多層巻きを行なうことができる。

また上記では、縮径テーパ部２を単一角度の傾斜面で構成した例を示したが、例えば図３に示す如く縮径テーパ部２を傾斜角度が順次大きくなる２段以上（図では２段）の傾斜面２ａ，２ｂで構成すれば、傾斜面へ巻き付ける際の帯状線材に生じる歪を一層小さくできるので好ましい。更に、上記縮径テーパ部２を、例えば図４に示す如く傾斜角度が無限段階的に変化する曲面２ｚとすれば、該傾斜面に巻き付ける際の歪を一段と小さくできるので好ましい。更に加えて図５，６に示す如く、縮径テーパ面の両端縁にフランジ部４，４を設けることも可能である。

本発明の巻枠は上記図示例の様に構成されるが、要は、任意寸法（直径と長さ）の巻胴部の両端縁から延長方向に、任意の角度で傾斜する縮径テーパ部を設けるという単純な構成で、巻胴部に螺旋巻きされた帯状線材を該縮径テーパ部に接して巻き返すという簡単な操作により、巻き返し部で生じる帯状線材の歪を可及的に抑えつつ、次層への巻き返しを円滑に実施できる。

該巻枠にソレノイド巻きされる超電導線材（またはその前駆体）の種類には特に制限がなく、酸化物系超電導線材や金属系超電導線材の全てを適用できる。酸化物系超電導線材の具体例としては、Ｂｉ−２２１２（即ち、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_ｙ）やＢｉ−２２２３（即ち、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_ｙ）などのビスマス系酸化物超電導線材、ＹＢＣＯ（即ち、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_ｘ）などを始めとして、例えば特開２００３−１１５２２５号公報などに記載されているような様々な酸化物系超電導線材；或いはＮｂ₃Ｓｎ，ＮｂＴｉ，Ｎｂ_３Ａｌ，ＮｂＺｒ，ＭｇＢ_２，Ｖ_３Ｇａなど、各種の金属系超電導線材がその対象となる。

金属系超電導線材の場合、それ自身が適度の柔軟性を有しているので、本発明の巻枠に対して何らの支障もなくソレノイド方式で連続多層巻きを行うことができ、また酸化物系超電導線材前駆体の場合も、変形可能な前駆体の状態で本発明の巻枠にソレノイド巻きすることができる。また、変形能の低い酸化物超電導線材であっても、巻き返し時に生じる歪が最小限に抑えられることから、Ｗ＆Ｒ方式、Ｒ＆Ｗ方式のいずれにも支障なく適用できることは先に説明した通りである。

かくして本発明の巻枠に超電導線材がソレノイド巻きされたコイルは、巻胴部に多層積層状態で密着巻きされた帯状超電導線材によって、巻胴の軸心方向にある程度の長さ領域で優れた均一性の磁場を形成することができ、ＮＭＲやＭＲＩなどの分析用途や医療用途などに用いられる超電導コイルとして優れた性能を発揮する。

以下、実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実施例１
図７に示す如く、円筒部外径（Ｄ）が８０ｍｍ、長さ（Ｌ）が５００ｍｍ、テーパ角（θ）が３０度の巻枠に、図８に示す如く幅（Ｗ）が１０ｍｍ、厚さ（ｔ）が０．２ｍｍのテープ状線材を、線材が重なり合わない様に螺旋角（α）８８度で密にソレノイド巻きした。そして、第１層目の円筒部端縁からテーパ面へ巻き付けたときの巻取り角度は８８度であった。このテーパ面に線材を密着して巻き付け、円筒部の第２層目に巻き返した時の線材の巻き付け角度は、第１層目とは逆方向の８８度であり、巻き返しから次層への巻回を密着状態で円滑に行うことができた。

実施例２
図９に示す如く、円筒部外径（Ｄ）が８０ｍｍ、長さ（Ｌ）が５００ｍｍ、テーパ角（θ_１）が１０度、（θ_２）が３０度の巻枠に、図１０に示す如く幅（Ｗ）が１０ｍｍ、厚さ（ｔ）が０．２ｍｍのテープ状線材を、線材が重なり合わない様に螺旋角（α）８８度で密にソレノイド巻きした。そして、第１層目の円筒部端縁から第１のテーパ面へ巻き付けたときの巻取り角度は８８度であった。このテーパ面から第２のテーパ面を経て線材を密着して巻き付け、円筒部の第２層目に巻き返した時の線材の巻き付け角度は、第１層目とは逆方向の８８度となり、巻き返しから次層への巻回を密着状態で円滑に行うことができた。

尚、多層にソレノイド巻きしていくことで巻回径は徐々に大きくなり、テーパ部へかかるときの巻取り角度は若干変化していくが、テーパ部の機能自体は変わらないため、支障なく多層巻きすることができる。

上記実施例１，２に示したのと同じソレノイド巻き構成で、ステンレス製の巻枠にＢｉ２２２３（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃａ_３Ｏ_ｙ製の帯状超電導線材を下記の諸元でソレノイド巻きした。

ソレノイド巻き諸元：
内径；８０ｍｍ、外径；８０．８ｍｍ、長さ；５００ｍｍ、ターン／層；４９、層数；２、ターン数；９８
次いでエポキシ樹脂を含浸して巻き線部が動かない様に固定した後、４．２Ｋの液体ヘリウム中で励磁試験を行った。その結果、電流１０００Ａまで通電することができ、発生磁場は０．２４Ｔであった。

次に、１７Ｔの磁場を直径１００ｍｍの円筒空間に発生することのできる金属系超電導マグネットの内層に上記ソレノイド巻コイルを挿入し、１７Ｔのバックグラウンド磁場中で励磁試験を行った。このときの運転温度も４．２Ｋとした。その結果、電流４００Ａまで通電することができ、そのときの発生磁場は０．０９７Ｔであり、バックグラウンド磁場を合計すると１７．０９７Ｔになる。

本発明に係る巻枠を例示する正面図である。 図１の巻枠に帯状線材を螺旋巻きする際の状況を例示する概念図である。 本発明に係る巻枠の他の例を示す正面図である。 本発明に係る巻枠の更に他の例を示す正面図である。 本発明に係る巻枠の更に他の例を示す正面図である。 本発明に係る巻枠の更に他の例を示す正面図である。 実施例で用いた巻枠を示す正面図である。 実施例で用いた帯状線材を示す説明図である。 実施例で用いた他の巻枠を示す正面図である。 実施例で用いた帯状線材を示す説明図である。

Claims (5)

1. 円筒状巻胴部の外周に帯状の超電導線材またはその前駆体が螺旋状に多層巻きされる超電導コイル製造用の巻枠であって、当該巻枠の巻胴部両端側には、巻胴端縁から延長方向に任意の角度で傾斜する縮径テーパ部が設けられていることを特徴とする超電導コイル製造用巻枠。
2. 前記縮径テーパ部は、単一傾斜角度の傾斜面で構成されている請求項１に記載の巻枠。
3. 前記縮径テーパ部は、傾斜角度が段階的に大きくなる複数の傾斜面で構成されている請求項１に記載の巻枠。
4. 前記縮径テーパ部は、連続的に傾斜角度が大きくなる曲面で構成されている請求項１に記載の巻枠。
5. 前記請求項１〜４のいずれかに記載された超電導コイル製造用巻枠の巻胴部外周に、帯状の超電導線材が螺旋状に多層巻きされた超電導ソレノイド巻コイルであって、前記巻枠の縮径テーパ部をガイドとして帯状線材が該テーパ面に接して周回しつつ巻き返されており、該巻き返しの前後で巻胴部に巻回される帯状線材の螺旋巻き角度が（α）から（−α）に変わっていることを特徴とする超電導ソレノイド巻コイル。

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