JPH10177913A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超電導コイルの巻枠として低収縮、低応力緩
和、且つ低摩擦係数の材料を使うことにより安定で、長
期耐久性に優れた超電導コイルを提供する。 【構成】熱膨張率が３．８×１０^−６（１／℃）以下の
低熱変化がラス自体又は、その繊維よりなる繊維強化プ
ラスチックを用い、且つその表面低摩擦係数の材料をコ
ーティングした巻枠よりなる超電導コイル。 【効果】初期及び長期連続使用後の耐クエンチ性が高
く、且つトレーニング回数が少ない安定な超電導コイル
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極低温にて冷却して用い
られる超電導コイルに関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイル装置は超電導導体を巻枠に
巻回し、層間にスペーサーを介して形成されるか、外周
面に彫られたラセン溝に沿って超電導導体を巻回した層
コイル要素を順次同心的に複数層重ねて構成される。従
来この巻枠としてはステンレス、アルミニウム等の金属
又はガラス繊維強化プラスチックが、またこれらの特性
を改善したものとして負の熱膨張率を有する有機繊維又
はこれと無機繊維の組み合わせより成る繊維強化プラス
チックが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しょうとする課題】超電導コイルの用途は
多岐に亙るが、何れも超電導線の電流密度を高くするこ
とがコイル自体の性能を上げるためには極めて重要であ
る。そしてこれは巻枠に巻回した超電導線の安定性に大
きく依存する。超電導線を巻枠に巻回した状態での物理
的安定性は超電導コイル自体の電気的な安定性と深く関
わっている。通常、巻枠としてはステンレス、アルミニ
ウム等の金属又は通常のＥ−ガラスを用いたガラス繊維
強化プラスチック（ＧＦＲＰ）が用いられているが、ま
ず第一にこれらは室温で巻回して液体窒素（ＬＮＴ）又
は液体ヘリウム温度（ＬＨｅＴ）迄冷却した時、何れも
巻枠の周方向に大きく収縮し、軸方向に小さく収縮す
る。一方、超電導線は極低温で励磁したとき周方向には
ローレンツ力に由来する反発力により膨張し、巻線は巻
枠から離れる方向に動くことになる。また軸方向には極
低温になると超電導線の垂直方向の正膨張に由来する大
きな収縮のため巻枠軸方向の小さな収縮以上に寸法変化
することになる。この両者の動きが相まって超電導線間
にはミクロな動きが生じ、表面の摩擦発熱に伴う擾乱が
生じ超電導コイルはクエンチに至る。

【０００４】大きな収縮を改善した巻枠として高強力ポ
リエチレンなどの負膨張の有機繊維を用いた繊維強化プ
ラスチックが提案されているが耐熱性に問題がある。則
ち超電導コイルは超電導線の巻枠への固定性を向上させ
るため巻線後エポキシ等の樹脂含浸をするが、その硬化
温度が有機繊維の耐熱性を上回るため超電導線の巻テン
ションで圧縮変形したり、高強度又は負膨張の特性を損
ない、結果として収縮の大きな強度及び弾性率の低い巻
枠となりこれを用いた超電導コイルの特性は低いものと
なる。さらには超電導コイルボビンに金属電極を取り付
ける。この時、超電導線は電極に半田付けされるが巻枠
に熱が印可され、有機繊維の耐熱温度以上になるためそ
の性能は損なわれることになる。またこれら有機繊維を
用いた繊維強化プラスチックの巻枠は圧縮又は曲げ強度
が低く経時的に圧縮クリープを生ずるという欠点を持
つ。超電導コイルボビンは線材の動きを抑制するため大
きなテンションを加えて超電導線が巻回されている。こ
れら有機繊維強化プラスチックを用いたコイルボビンの
場合、圧縮クリープのために加えた巻テンションが経時
的に低下し超電導線は動きやすい状態となるので超電導
コイルは不安定となり低電流値でクエンチすることにな
る。また多層コイルでは大きなテンションを加えて超電
導線を多層に巻回するがその大きな圧縮又は曲げ応力に
より変形しコイル特性は低いものとなる。

【０００５】この様にコイルのクエンチの要因として線
材の動きを中心とした機械的要因があり、それには巻枠
と超電導線の熱収縮特性の差が挙げられるが、第２に巻
枠の摩擦係数が挙げられる。超電導線はテンションをか
けて巻枠に巻かれており摩擦力Ｆは Ｆ＝μＮ また摩擦発熱Ｗは Ｗ＝μＮｓ ここにμは摩擦係数、Ｎはテンションの法線成分、即ち
垂直抗力、ｓは超電導線の移動距離である。ここに従来
まで巻枠として使用されているＧＦＲＰ及びステンレ
ス、アルミニウムなどの金属は摩擦係数が高く、超電導
線が動いたとき高い摩擦発熱を生ずるのでコイルは低い
電流値でクエンチすることになる。この他にステンレ
ス、アルミニウムなどの金属の巻枠の場合は導電性であ
るため特に交流では渦電流に伴うジュール発熱を生ずる
ため不安定となる。この発明は以上の問題点を解消する
ためになされたものであり高性能かつ安定な超電導コイ
ルを得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は筒又は柱状の巻
枠に超電導線を巻回した極低温用超電導コイルにおいて
前記巻枠が低熱変化ガラス又はセラミックス、又はこれ
ら低熱変化ガラスの繊維やセラミックスの繊維と樹脂と
を一体成形してなる繊維強化プラスチックより成るか又
はこれらの表面に低い摩擦係数を有する材料の層を形成
したことを特徴とする超電導コイルである。

【０００７】本発明に用いられる低熱変化ガラス又はセ
ラミックスとしては３００Ｋより４．２Ｋでの平均の熱
膨張率が３．８×１０^−６（１／℃）以下のものなら広
範囲のものが使用できるが例えば高珪酸ガラス、硼珪酸
低アルカリガラス、高強度ガラス及び低熱変化セラミッ
クスなどが特に好ましい。その例としては石英ガラス、
バイコールガラス、パイレックガラス、Ｓ−ガラス、Ｔ
−ガラス、Ｒ−ガラス等が挙げられる。

【０００８】これら低変化ガラス又はセラミックスは溶
融法、ホットプレス法、又はラバー成形法などによりパ
イプ成形しコイルボビンとして用いることが出来る。こ
れらのボビンは低収縮又は低膨張のガラス又はセラミッ
クスのみよりなるため室温から極低温に冷却した際も極
めて寸法変化が小さいという優れた特徴を持つ。またこ
の低変化ガラス繊維又はセラミックス繊維を補強繊維と
する繊維強化プラスチックを使用することも可能であ
る。成形法としては本繊維のロービング、織物にマトリ
ックス樹脂を含浸させながらマンドレルに巻き付けるフ
ィラメントワインディング法、シートワインデイング
法、また本繊維の一方向又は織物のテープ状プリプレグ
をマンドレルに巻き付けるテープワインディング法、オ
ートクレーブ法、等が挙げられる。又使用する低変化ガ
ラス又はセラミックスの使用形態としては、上記長繊維
の他に短繊維又は粒子状のものでもよい。その場合には
ＳＭＣ法、ＢＭＣ法、インジェクション法、レジンイン
ジェクション法等、各種の方法を採用することが出来
る。

【０００９】これらの方法により得られる繊維強化プラ
スチックはいずれも低熱変化ガラス繊維又はセラミック
ス繊維とマトリックス樹脂の組み合わせよりなる。ここ
で使用されるマトリックスとしてはエポキシ樹脂、不飽
和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹
脂、アクリレート樹脂などの熱硬化性樹脂やポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリビニルアルコー
ル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミ
ド、アラミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチ
レンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ
アリレート、ポリフエニレンスルフィド、ポリサルフォ
ン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン
ケトン等の熱可塑性樹脂を使用することが出来る。この
ときマトリックス樹脂は低温になるにつれ大きく収縮す
る正膨張特性を示すが、各成形法での加工条件を最適化
することにより熱歪みを低熱変化ガラス又はセラミック
ス自体に近い特性とすることが可能である。

【００１０】これをフィラメントワインディング法につ
いて以下述べる。低熱変化ガラスを補強繊維とし巻角度
を変えてロービングを巻回して成形した円柱又は円筒の
温度に伴う寸法変化は図１に示すように巻き角度に依存
しこれを適当に選ぶことにより周方向は低収縮に、軸方
向は高収縮とすることが出来る。配向角は軸方向に対し
て±３５〜９０度とするのが適当である。この様にして
得られた低熱変化ガラスを用いた超電導コイルボビンの
室温から極低温にしたときの外周熱歪みはほぼ０に近
い。一方超電導線自体の収縮は非常に大きいため極低温
度では超電導線自体の巻テンションは大幅に増すことに
なる。又この超電導コイルに通電した時、超電導線には
ローレンツ力が働き径方向に拡がり線材に加わったテン
ションは減少するがその割合は相対的に少なく超電導線
には大きな巻テンションが保持されることになる。上記
複合材料中の繊維とマトリックス樹脂の混合比率は繊維
の体積分率（Ｖｆ）として３５〜８５％が好ましく、よ
り好ましくは４０〜７０％である。Ｖｆが３５％より少
ないと繊維の補強効果が発現せず８５％を越えると機械
的特性が悪化するため好ましくない。一方通常のＥガラ
スを用いたＧＦＲＰの場合はガラス繊維及びマトリック
ス樹脂とも大きな収縮を持つので巻き角度に無関係に周
方向には大きな収縮となる。またステンレス、アルミニ
ウムなどの金属を用いたコイルボビンはこのＧＦＲＰよ
り更に大きな収縮となる。

【００１１】一方、周方向熱歪みについては負膨張の有
機繊維を用いたＦＲＰのコイルボビンが提案されてい
る。この場合は極低温でボビンの周方向が膨張するので
超電導線の巻テンションを高く保持できるというもので
ある。しかしながら無機繊維にはなく有機繊維に共通の
欠点として圧縮クリープが生じ、巻きテンションが経
時的に低下する。多層巻などで超電導線に過大な巻テ
ンションをかけたとき圧縮又は曲げ変形が生ずるという
問題がある。この点では無機材料である本低熱変化ガラ
ス又はセラミックス自体より成るコイルボビンはもとよ
り該ガラス繊維又はセラミックス繊維を用いた繊維強化
プラスチックは圧縮クリープが実質上極めて小さく、圧
縮及び曲げ応力に対する耐性も著しく高い。以上よりＧ
ＦＲＰや金属を超電導コイルの巻枠として使用する場
合、最大の問題点は周方向の大きな収縮に伴う超電導線
の緩みによりコイルが容易にクエンチすることである。
また負膨張の有機繊維を用いた繊維強化プラスチックを
用いた場合は経時的にテンションが緩み、又た過大なテ
ンションによりコイルボビンが変形して線材が動き易く
なり、結果としてコイルが容易にクエンチする方向に変
化することである。本発明よりなる巻枠を用いた超電導
コイルは極低温での周方向での熱歪みが実質上殆どない
ため初期の巻テンションが高く保持され且つ経時的にも
安定に保たれるのでコイル特性も耐クエンチ性が高く電
流密度の大きな高性能コイルとすることができる。

【００１２】次にコイルボビン材料の摩擦係数について
述べる。コイルボビンに巻回された超電導線は接触する
コイルボビンや含浸エポキシとの熱膨張率の差に起因す
る熱応力と初期の巻テンション及びローレンツ力のバラ
ンスにより安定な位置に移動する。今コイルボビンと超
電導線の関係に着目すると超電動線の動きに伴い両者の
間には摩擦係数に比例した摩擦発熱が生ずる。本発明よ
りなる低熱変形ガラス、セラミックス又はこれらの繊維
を用いた繊維強化プラスチックよりなるコイルボビンに
低摩擦係数の材料層を形成することにより、更に安定な
コイルボビンを作成することが可能となる。低摩擦係数
材料としては１〜４個のフッ素置換記を有するα−オレ
フィンのポリマー又はその共重合体よりなるフッ素系高
分子、パラフィン、ワックス、エチレン、又はプロピレ
ンを単量体とするポリマー又は共重合体よりなるオレフ
ィン系の高分子、二硫化モリブデンなどのモリブデン化
合物などが挙げられる。これらの内特に好ましいのはポ
リテトラフルオロエチレン（テフロン）、高分子量ポリ
エチレン、これらの材料の積層方法としては溶液コーテ
ィング法、溶融コーティング法、溶射法、蒸着法、スパ
ッタリング法、プラズマ重法等各種の方法を採用するこ
とが可能である。

【００１３】

【実施例】本発明の低熱変化ガラス又はセラミックス自
体を用いたコイルボビンは以下のように行った。ガラス
及びセラミックスとしてはパイレックス、窒化珪素を各
々溶融法、ホットプレス法にて外径１００×長さ５００
ｍｍ、肉厚１３ｍｍの成形体を得た。またＦＲＰについ
ては補強繊維としてＴガラス（日東紡）、及びクオルツ
ェル（サンゴバン）を、マトリックスとしてはエポキシ
樹脂を使用し、以下の割合で均一混合しドープを作成し
た。 エピコート ８２７（油化シェル） １００ エピキュアー ＹＨ−３００（油化シェル） ８０ ＥＭＩ−２４（油化シェル） １ 次に各種繊維にエポキシ樹脂を含浸させながらマンドレ
ルに巻き付け、円筒状とした。次にこれをマンドレル上
に保持したまま１００°Ｃ×２ｈｒ、その後１３０°Ｃ
×３ｈｒにて硬化成形し繊維体積含有率６５％の成形体
を得た。またこの内、低熱変化セラミックス及びＴガラ
ス繊維強化プラスチックの円筒については表面の摩擦係
数を下げるため各々テフロン及び二硫化モリブデン（Ｍ
ｏＳ_２）の膜を表面に形成した。その方法としては、前
者は溶剤ゾルスプレー法により塗布、乾燥及び焼き付け
た後、１５μｍのまた後者はスパッタリング法により１
μｍの皮膜を作成した。この様にして得られた各円筒は
これと同じ素材よりなるフランジを接合しコイルボビン
用巻枠を得た。これに１．２ｍｍφの超電導導体をテン
ション１０Ｋｇｆにて巻回した。その後、前記エポキシ
樹脂をコイルに含浸させ同じ条件で硬化させて超電導コ
イルを完成した。

【００１４】

【比較例】比較例として以下のものを作成し比べた。ガ
ラスとしては通常のＥ−ガラスまたＦＲＰとしては、補
強繊維としてＥ−ガラス繊維（日東紡）、高強力ポリエ
チレン繊維（東洋紡、ＳＫ−６０）及び高強力ポリエチ
レン繊維／アルミナ繊維（住友化学、アルテックス）＝
５０／５０（体積比）を用い上記エポキシをマトリック
スとしてフィラメントワインディング法により実施例と
同一形状のパイプを作成した。また金属としてアルミニ
ウムパイプについても検討した。この様にして得られた
各円筒にこれと同一素材よりなるフランジを接合し同一
条件で超電導コイルを作成し特性を調べた。これらの結
果を表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】（熱膨張率）巻枠の外表面にストレインゲ
ージを張り付けた後、液体Ｈｅ中に浸漬し円周方向の寸
法変化を測定した。測定位置は両端部を１０ｃｍ開け等
間隔（７．５ｃｍ）に５点測定し平均値を求めた。ガラ
ス、金属自体で巻枠を作成するときはこれらの平板より
５ｍｍ立方体のテストピースを切り出した。またＦＲＰ
の場合は補強繊維であるがラス繊維自体を試料とした。
これらについてＴＭＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｅｃｈａｎ
ｉｃａｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ）法にて室温より液体Ｈｅ
中に浸漬し円周方向の寸法変化を測定した。 （摩擦係数）各コイルボビンより１０×１０×５ｍｍの
試料を切り出し超電導線材のマトリックスである５ｍｍ
φのＣｕＮｉを１０Ｎの力を印可しながら押しつけて液
体Ｈｅ中で摩擦係数を測定した。 （応力緩和）各コイルボビンより１０×１０×５ｍｍの
試料を切り出し、液体Ｈｅ中にてクロスヘッド間隔を５
ｍｍ一定とし３０ＭＰａの圧縮応力を加え１００ｍｉｎ
後の応力を測定した。以下により応力緩和率（Ｘ）を測
定した。 Ｘ＝σ／σ_０×１００％ σ_０： 初期応力 ３０ＭＰａ σ ： １００ｍｉｎ後の応力 （圧縮応力）各パイプからｘ（パイプ断面から見て接線
方向）、ｙ（パイプ長手方向）、ｚ（ｘ，ｙ軸に対して
９０゜方向）の長さが５、１０、５ｍｍの直方体を切り
出しｘ方向に１ｍｍ／ｍｉｎの速度で室温にて圧縮特性
を測定した。これより圧縮強度、圧縮弾性率を算出し
た。 （初期コイル特性）超電導コイル装置を液体Ｈｅ中に浸
漬してトレーニング特性を調べた。コイル装置を５０Ｈ
ｚ電源に接続し電流を０より徐々に増加させ電圧が発生
するときの電流値をクエンチ電流値（Ｉｑ）とした。こ
の操作を繰り返し最大となる回の電流値（Ｉｑ）を求め
た。 （コイル耐久性）２万時間運転した後のコイル特性を前
述の方法で調べた。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば初期のコイル特性のみな
らず長期間使用した後もトレーニング回数が少なく最大
電流値が高く安定且つ高性能な超電導コイル提供するこ
とを可能にした。

【表２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ２９Ｋ 263:00 309:08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒又は柱状の巻枠に超電導線を巻回した
   極低温用超電導コイルにおいて前記巻枠として３００Ｋ
   より４．２Ｋまでの平均の熱膨張率が３．８×１０^−６
   （１／℃）以下の低熱変化ガラスまたはセラミックスよ
   り成ることを特徴とする超電導コイル。
2. 【請求項２】 ３００Ｋより４．２Ｋまでの平均の熱膨
   張率が３．８×１０^−６（１／℃）以下の低熱変化ガラ
   ス繊維又はセラミックス繊維とマトリックス樹脂を一体
   成形した繊維強化プラスチックよりなる巻枠を用いるこ
   とを特徴とする超電導コイル。
3. 【請求項３】 巻枠が該低熱変形ガラス又はセラミック
   ス繊維のロービングをコイルの軸方向に対して±３５〜
   ９０度の角度で巻回しマトリックス樹脂と一体成形した
   繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項２
   記載の超電導コイル。
4. 【請求項４】 巻枠の表面にモリブデン化合物層を形成
   したことを特徴とする請求項１，２，３のいずれか１項
   記載の超電導コイル。
5. 【請求項５】 巻枠の表面にフッ素化合物層を形成した
   ことを特徴とする請求項１，２，３のいずれか１項記載
   の超電導コイル。
6. 【請求項６】 巻枠の表面にパラフィン、又はオレフィ
   ン化合物層を形成したことを特徴とする請求項１，２，
   ３のいずれか１項記載の超電導コイル。
7. 【請求項７】 巻枠の表面にポリオレフン又はその共重
   合体層を形成したことを特徴とする請求項１，２，３の
   いずれか１項記載の超電導コイル。
8. 【請求項８】 巻枠の表面に珪素化合物層を形成したこ
   とを特徴とする請求項１，２，３のいずれか１項記載の
   超電導コイル。