JP5924836B2 - 高温超伝導被覆線及びそれを有する高温超伝導コイル - Google Patents
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上記超伝導線材は、断面矩形状であり、
上記絶縁層は、ポリイミドの主鎖中にシロキサン結合を含有し、分子中にアニオン性基を有するブロック共重合ポリイミドの電着被膜である。
上記絶縁層は、ポリイミドの主鎖中にシロキサン結合を含有し、分子中にアニオン性基を有するブロック共重合ポリイミドの電着被膜である。
上記高温超伝導線材は、ReBCO線材である。
上記絶縁層は、上記高温超伝導線材の角部分を含む外周の一部又は全体を略均一に覆っている。
上記高温超伝導線材は、テープ状金属基板上に中間層を介して酸化物高温超伝導層が形成され、該酸化物高温超伝導層表面に形成された安定化層を有する多層構造体である。
上記テープ状金属基板は、ニッケル又はニッケル合金からなる。
上記安定化層は、銀層である。
上記安定化層は、銀層である。
上記高温超伝導被覆線は、任意の形状の巻枠の内側、外側又は溝に巻き付けられている。
上記高温超伝導被覆線は、円筒形状の巻枠の内側、外側又は溝に巻き付けられている。
上記高温超伝導被覆線は、非円筒形状の巻枠の内側、外側又は溝に巻き付けられている。
上記高温超伝導被覆線は、少なくとも断面円弧状外周面を一部に含む巻枠の内側、外側又は溝に巻き付けられている。
上記巻枠の一部又はすべてが除去された構成とする。
含浸剤で含浸して硬化されている。
上記含浸剤が、上記絶縁層を覆うと共に上記高温超伝導線材に対して該絶縁層により完全に遮断されている。
上記高温超伝導線材の間に、支持体に樹脂を含浸し半硬化状態に処理したテープを挟み込み硬化させた構成とする。
上記高温超伝導線材に、絶縁、熱伝導又は剥離のためにテープを取り付けた構成とする。
上記高温超伝導線材に絶縁、熱伝導又は剥離のための素材を塗布した構成とする。
上記高温超伝導線材同士を接着させた構成とする。
上記高温超伝導線材と巻枠又はテープの素材を接着させた構成とする。
次に、図3に示す上記実施形態のイットリウム系超伝導線材2を巻いた高温超伝導コイル8におけるエポキシ樹脂7の含浸後の絶縁層6の効果を確認するために、以下の実験を行なった。
(実験方法)
実施例1として、安定化層5である銅メッキを施されたイットリウム系超伝導線材2(SuperPower社製SCS4050)を上記実施形態の図2に示す方法により、被覆した。この高温超伝導被覆線1を用いて非含浸でダブルパンケーキ型のコイル(巻線内径:30mm、巻線外径:37.5mm、巻線高さ:9.4mm)を製作した。巻枠9には厚み3mmの強化繊維プラスチックの円筒を用いた。このコイルを比較例1として液体窒素中で通電し、電圧−電流(V−I)特性を測定した。ちなみに非含浸の場合にはコイルの特性は劣化しないことは事前に報告されている。その後、コイル8を代表的な含浸剤であるエポキシ樹脂7(Emerson&Cuming, Stycast1266:登録商標)で含浸させて硬化させた後、高温超伝導コイル8を作成して実施例1とし、液体窒素中で通電した。
図1に示すような実施例1のイットリウム系超伝導線材2の場合、実施例1では、イットリウム系超伝導線材2の角部分に電界集中が起きるため、角の部分も含め十分な被覆が施されている。しかし、従来のようなデイッピングと焼付けを繰り返す手法では、角の部分の被覆が十分に行えないことがわかった。
通常、エポキシ含浸したコイル8においては、イットリウム系超伝導線材2に径方向引っ張り応力や劈開力が印加されることで、層間剥離が起き、通電特性が劣化する。しかし、イットリウム系超伝導線材2とエポキシ樹脂7が直接接着せず、これらの応力が抑制されるコイル構成であれば、エポキシ含浸による劣化を防ぐことが可能である。
図1に示す高温超伝導被覆線1において、厚さ0.1mm、幅4mmのイットリウム系超伝導線材2(SuperPower社製SCS4050)に20μmの絶縁層6を施し、電気絶縁性能を確認した。
イットリウム系超伝導線材2については、平面部分には20μm、角部分には30μmの絶縁層6が形成された。
図8に示すように、本実施例は、テープ状基板3と保護層とが接合された高温超伝導被覆線1である。具体的には、ハステロイなどのテープ状基板3とその上に中間層103を介して形成されたイットリウム系超伝導層4とそれを覆う銀等の保護層からなるものの上下及び/又は左右に銅などの安定化材よりなる安定化層5を半田付けする(ハンダ104)。この高温超伝導被覆線1の場合、製造上の問題から、テープ状基板3と安定化層5の幅や位置や半田付けが不均一となり、側面部分105に凹凸が発生することがある。
側面部分105は、70μm程度の段差と直径20μmから100μm程度の半球上の染み出たハンダ104が付着していたが、このような角部分に電着の特性を利用してそれぞれの箇所に対し30μmの絶縁層6が形成された。また、良好な電気絶縁性能が確認された。この結果から、凹凸部分にも本発明の絶縁層6によって十分な厚さを持つ密着性の高い被膜を形成し、超伝導性も全く損なわれないことがわかった。
図1に示す高温超伝導被覆線1において、厚さ0.1mm、幅4mmのイットリウム系超伝導線材2(SuperPower社製SCS4050)に対し、5μm、10μm、20μmの厚さを目標にそれぞれ電着を行った。
イットリウム系超伝導線材2については5μm目標に対して平面部5μmで角部分10μm、10μm目標に対して平面部8μmで角部分16μm、20μm目標に対して平面部19μmで角部分28μmの絶縁層6を形成することができた。
図9に示すように、2本以上の高温超伝導被覆線1をエポキシ樹脂7などの含浸剤で固める。図9では、高温超伝導被覆線1は2本しか描いてないが、これが縦方向もしくは横方向もしくはその両方に多数積層された状態でもよい。エポキシ樹脂7などの含浸剤は高温超伝導被覆線1の隙間の一部もしくは高温超伝導被覆線1に挟まれた空間だけもしくは高温超伝導被覆線1を覆うように存在していてもよい。またエポキシ樹脂7などの含浸剤は各々の高温超伝導被覆線1の角部分を覆っていてもよい。縦方向もしくは横方向もしくはその両方に多数積層された高温超伝導被覆線1同士の隙間にもエポキシ樹脂7などの含浸剤が存在していてもよい。高温超伝導被覆線1の断面形状はこのような矩形状である必要はなく丸線、楕円断面、多角形断面、窪みや凹みがある断面などでもよい。これらの積層構造物が金属や樹脂やセラミックや紙などの別の素材とエポキシ樹脂7などの含浸剤によって接着されていてもよい。
イットリウム系超伝導線材2について、シロキサン結合を含有するポリイミド電着を行ったものは劣化が発生しなかった。しかし、何も絶縁被覆をしなかったものはIcが含浸前の64%、n値が含浸前の35%にまで低下した。また、シロキサン結合を含有しないポリイミド電着被膜も性能が劣化した。ビスマス系超伝導線材2’についても、シロキサン結合を含有するポリイミド電着を行ったものは劣化が発生しなかった。しかし、何も絶縁被覆をしなかったものとシロキサン結合を含有しないポリイミド電着被膜は性能が劣化した。 したがって劈開力F1によって超伝導線材2,2’間の接合が破壊されるまで試験を行ったにも関わらず、シロキサン結合を含有するポリイミド電着を行うことによって超伝導線材2,2’の性能は劣化しなかった。
図13及び図14は、実施例6の超伝導線材2,2’の断面を表しており、これを使って本発明の別の実施形態を示す。この図は1本以上の超伝導線材2,2’を金属や樹脂やセラミックや紙などの別の素材でできた固定台40もしくは超伝導線材2,2’にエポキシ樹脂7などの含浸剤を使って固定したものを表している。図13と図14では超伝導線材2,2’は1本しか描いてないが、超伝導線材2,2’がさらに縦方向もしくは横方向もしくはその両方に多数積層された状態でもよい。エポキシ樹脂7などの含浸剤は超伝導線材2,2’や固定台40の一部もしくはすべてを覆っている。線材の断面形状はこのような矩形状である必要はなく丸線、楕円断面、多角形断面、窪みや凹みのある断面などでもよい。超伝導コイルの巻枠や超伝導ケーブルのフォーマなども固定台40の一種と見ることができる。いずれにせよ、このような断面構造は超伝導コイルや超伝導ケーブルや超伝導電流リードや超伝導限流器などにおいて普遍的に見ることができる。一方、エポキシ樹脂7などの含浸剤が硬化するときの収縮や膨張などによる応力、低温へ冷却したときの素材間の熱収縮率の違いなどによる熱応力、フープ応力などの電磁応力、超伝導ケーブルなどを作製するときや湾曲させたときに発生する応力などにより、線材引っ張り応力F2が発生する。本発明では、これらの力による超伝導線材2,2’の劣化を防ぐために、絶縁層6で超伝導線を覆い保護している。
イットリウム系超伝導線材2について、シロキサン結合を含有するポリイミド電着を行ったものは、試験前後でIcやn値などの通電特性は変化せず、劣化が発生しなかった。ビスマス系超伝導線材2‘についても、シロキサン結合を含有するポリイミド電着を行ったものは劣化が発生しなかった。
実施例7として、厚さ0.36mm、幅4.5mmのビスマス系超伝導線材2’(住友電気工業社製DI-BSCCO Type HT (CA50))に20μmのポリイミド電着被膜を行ったものを用いてダブルパンケーキ型のコイル(巻線内径:80mm、巻線外径:101.6mm、巻線高さ:10.8mm)を製作した。巻枠9には強化繊維プラスチックの円筒を用いた。このコイルを含浸前に液体窒素中で通電し超伝導特性が劣化していないことを確認した。
イットリウム系超伝導線材2を図2に示す方法により被覆した。この高温超伝導被覆線1を用いて非含浸でレーストラック形状のコイル(直線部長さ:80mm、コイルエンド部巻線内径:80mm、コイルエンド部巻線外径:87.5mm、巻線高さ:4.8mm)を製作した。このコイルを比較例5として液体窒素中で通電し、電圧−電流(V−I)特性を測定し劣化していないことを確認した。
厚さ0.1mm、幅4mmのイットリウム系超伝導線材2(SuperPower社製SCS4050)を18m用意した。このイットリウム系超伝導線材2の前後に巻き始めと巻き終わりをガイドするテープ線を取り付け、図2に示す装置を用いて20μmを目標にポリイミド電着被膜を行った。
本発明は、発明の実施形態について、以下のような構成としてもよい。
2 イットリウム系超伝導線材(高温超伝導線材)
2’ ビスマス系超伝導線材(高温超伝導線材)
3 テープ状基板(テープ状金属基板)
4 イットリウム系超伝導体
5 安定化層
6 絶縁層
7 エポキシ樹脂(含浸剤)
8 エポキシ含浸コイル
9 巻枠
10 第1ロール
12 電着バス
13 ワニス(電着液)
14 陰極管
15 乾燥装置
16 炉
20 第2ロール
Claims (17)
- 高温超伝導線材を絶縁層で被覆した高温超伝導被覆線において、
上記高温超伝導線材は、無磁場中で約25K以上の臨界温度を持つ断面矩形状の超伝導線材料からなり、
上記絶縁層は、ポリイミドの主鎖中にシロキサン結合を含有し、分子中にアニオン基を有するブロック共重合ポリイミドの電着被膜である
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項1に記載の高温超伝導被覆線において、
上記高温超伝導線材は、アスペクト比が10以上の断面矩形状の超伝導線材料からなる
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項1に記載の高温超伝導被覆線において、
上記高温超伝導線材は、厚さが0.05〜1.5mmの断面矩形状の超伝導線材料からなる
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項3に記載の高温超伝導被覆線において、
上記高温超伝導線材は、幅が2〜40mmの超伝導線材料からなる
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項1乃至4のいずれか1つに記載の高温超伝導被覆線において、
上記高温超伝導線材は、ReBCO線材である
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項1乃至5のいずれか1つに記載の高温超伝導被覆線において、
上記絶縁層は、上記高温超伝導線材の角部分を含む外周の一部又は全体を略均一に覆っている
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項1乃至6のいずれか1つに記載の高温超伝導被覆線において、
上記高温超伝導線材は、テープ状金属基板上に中間層を介して高温超伝導層が形成され、該高温超伝導層表面に形成された安定化層を有する多層構造体である
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項7に記載の高温超伝導被覆線において、
上記テープ状金属基板は、ニッケル又はニッケル合金からなる
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項7又は8に記載の高温超伝導被覆線において、
上記安定化層は、銀層である
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項7又は8に記載の高温超伝導被覆線において、
上記安定化層は、銀層上に銅層が積層されたものである
ことを特徴とする高温超伝導被覆線。 - 請求項1乃至10のいずれか1つに記載の高温超伝導被覆線を用いた
ことを特徴とする高温超伝導コイル。 - 請求項11に記載の高温超伝導コイルにおいて、
上記高温超伝導被覆線は、任意の形状の巻枠の内側、外側又は溝に巻き付けられている
ことを特徴とする高温超伝導コイル。 - 請求項12に記載の高温超伝導コイルにおいて、
上記高温超伝導被覆線は、少なくとも断面円弧状外周面を一部に含む巻枠の内側、外側又は溝に巻き付けられている。
ことを特徴とする高温超伝導コイル。 - 請求項12又は13に記載の高温超伝導コイルにおいて、
上記巻枠の一部又はすべてが除去された
ことを特徴とする高温超伝導コイル。 - 請求項11乃至13のいずれか1つに記載の高温超伝導コイルにおいて、
含浸剤で含浸して硬化されている
ことを特徴とする高温超伝導コイル。 - 請求項15に記載の高温超伝導コイルにおいて、
上記含浸剤が、上記絶縁層を覆うと共に上記高温超伝導線材に対して該絶縁層により完全に遮断されている
ことを特徴とする高温超伝導コイル。 - 請求項11乃至16のいずれか1つに記載の高温超伝導コイルにおいて、
上記高温超伝導線材の間に
支持体に樹脂を含浸し半硬化状態に処理したテープを挟み込み硬化させた
ことを特徴とする高温超伝導コイル。
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