(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルまたは電磁石に冷却水を通水する導体パイプを両端に接続するために用いられる、セラミックパイプからなるセラミック絶縁端末であって、前記セラミックパイプの長さ（Ｌ）と内径（Ｄ）の比（Ｌ／Ｄ）が１.５以上であり、前記冷却水中の金属イオンが前記セラミックパイプの内壁へ付着することを防止する機能を備えたことを特徴とするセラミック絶縁端末。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミック絶縁端末において、前記セラミックパイプと導体パイプは、蝋付けもしくはキャップを介して蝋付けされてなることを特徴とするセラミック絶縁端末。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載のセラミック絶縁端末において、前記セラミックパイプの表面の内周側及び外周側の少なくとも一方は、釉薬により処理されてなることを特徴とするセラミック絶縁端末。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセラミック絶縁端末を有することを特徴とするコイル。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセラミック絶縁端末を有することを特徴とする電磁石。
【請求項６】
請求項４に記載のコイルにおいて、導体パイプの接続には、くい込み式管用継ぎ手が用いられてなることを特徴とするコイル。
【請求項７】
請求項５に記載の電磁石において、導体パイプの接続には、くい込み式管用継ぎ手が用いられてなることを特徴とする電磁石。
【請求項８】
請求項４もしくは請求項６のいずれかに記載のコイルにおいて、導体パイプの少なくとも１箇所に応用吸収用ベンドが形成されてなることを特徴とするコイル。
【請求項９】
請求項５もしくは請求項７のいずれかに記載の電磁石において、導体パイプの少なくとも１箇所に応用吸収用ベンドが形成されてなることを特徴とする電磁石。
【請求項１０】
請求項８に記載のコイルにおいて、前記応用吸収用ベンドは、タコベンドもしくはスパイラルベンドの少なくともいずれかであることを特徴とするコイル。
【請求項１１】
請求項９に記載の電磁石において、前記応用吸収用ベンドは、タコベンドもしくはスパイラルベンドの少なくともいずれかであることを特徴とする電磁石。
【請求項１２】
請求項４、請求項６、請求項８、請求項１０のいずれかに記載のコイルにおいて、導体パイプの支持具には、少なくとも導体パイプに接する面に、セラミック溶射による絶縁処理が施されてなることを特徴とするコイル。
【請求項１３】
請求項５、請求項７、請求項９、請求項１１のいずれかに記載の電磁石において、導体パイプの支持具には、少なくとも導体パイプに接する面に、セラミック溶射による絶縁処理が施されてなることを特徴とする電磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線に曝される場所に用いられるコイルもしくは電磁石に関し、特に、コイルに冷却水を通水するための、冷却水配管とコイルを電気的に絶縁し通水可能とする絶縁端末の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷を帯びた素粒子やイオンを高いエネルギー状態に加速し標的に衝突させて、原子核の構造などの研究を行なうために、各種の加速器が用いられている。この装置では、素粒子もしくはイオンの加速や、方向の制御にローレンツ力を用いるので、高磁場を発生させるための電磁石を多数設置する必要がある。そして、加速器においては、粒子の加速に伴う各種放射線の発生が不可避であり、用いる電磁石についても、放射線に対する対策が必要となる。
【０００３】
一般に、この種の電磁石では、通電に伴う発熱による障害を防止するために、巻線に中空の導体を用いたり、別途に通水用のパイプを導体に沿わせたりすることで、中空部に冷却水を通水しながら運転する。このため、冷却水の供給部からの配管と巻線の間には、絶縁材からなる中空部材を介在させ電気的に絶縁することが必要となる。
【０００４】
従来、この中空部材として、有機質の高分子材料であるゴムやナイロンのホースやチューブが多用されてきた。しかし、これらの材料は、元来無機材料に比較して、放射線に曝された場合の劣化が著しく、水漏れなどを事前に防ぐため、短期間での交換を余儀なくされていた。そして近年においては、加速器のエネルギーの上昇により、交換の頻度が増加したり、それに伴う、交換作業時の被爆量が増加したりするという問題に繋がっている。
【０００５】
この対策として、前記の絶縁材の中空部材に、有機質の高分子材料よりも放射線による劣化が少ないセラミック材料を用いることが検討され、実用化されつつある。しかし、この場合は、冷却水中に溶解した金属イオンが内壁に付着して導電性の被膜が生長し、絶縁破壊に繋がる懸念があった。また、セラミック材料は、有機質の高分子材料に比較すると、脆弱で可撓性が著しく劣るため、電磁石の組み立ての作業性を低下させ、運転中の温度変化などによる、配管の膨張収縮に追従できないという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の技術的な課題は、金属イオンの付着による絶縁破壊がない絶縁端末と、それを用いたコイルもしくは電磁石を提供し、併せて、コイルもしくは電磁石の組み立て作業性や、温度変化への追従性を向上する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の問題を解決するため、絶縁端末の構造と、コイルもしくは電磁石の組み立て方法を検討した結果なされたものである。
【０００８】
即ち、本発明は、コイルまたは電磁石に冷却水を通水する導体パイプを両端に接続するために用いられる、セラミックパイプからなるセラミック絶縁端末であって、前記セラミックパイプの長さ（Ｌ）と内径（Ｄ）の比（Ｌ／Ｄ）が１.５以上であり、前記冷却水中の金属イオンが前記セラミックパイプの内壁へ付着することを防止する機能を備えたことを特徴とするセラミック絶縁端末である。
【０００９】
また、本発明は、前記のセラミック絶縁端末において、前記セラミックパイプと導体パイプは、蝋付けもしくはキャップを介して蝋付けされてなることを特徴とするセラミック絶縁端末である。
【００１０】
また、本発明は、前記のセラミック絶縁端末において、前記セラミックパイプの表面の内周側及び外周側の少なくとも一方は、釉薬により処理されてなることを特徴とするセラミック絶縁端末である。
【００１１】
また、本発明は、前記のセラミック絶縁端末を有することを特徴とするコイルである。
【００１２】
また、本発明は、前記のセラミック絶縁端末を有することを特徴とする電磁石である。
【００１３】
また、本発明は、前記のコイルにおいて、導体パイプの接続には、くい込み式管用継ぎ手が用いられてなることを特徴とするコイルである。
【００１４】
また、本発明は、前記の電磁石において、導体パイプの接続には、くい込み式管用継ぎ手が用いられてなることを特徴とする電磁石である。
【００１５】
また、本発明は、前記のコイルにおいて、導体パイプの少なくとも１箇所に応用吸収用ベンドが形成されてなることを特徴とするコイルである。
【００１６】
また、本発明は、前記の電磁石において、導体パイプの少なくとも１箇所に応用吸収用ベンドが形成されてなることを特徴とする電磁石である。
【００１７】
また、本発明は、前記のコイルにおいて、前記応用吸収用ベンドは、タコベンドもしくはスパイラルベンドの少なくともいずれかであることを特徴とするコイルである。
【００１８】
また、本発明は、前記の電磁石において、前記応用吸収用ベンドは、タコベンドもしくはスパイラルベンドの少なくともいずれかであることを特徴とする電磁石である。
【００１９】
また、本発明は、前記のコイルにおいて、導体パイプの支持具には、少なくとも導体パイプに接する面に、セラミック溶射による絶縁処理が施されてなることを特徴とするコイルである。
【００２０】
また、本発明は、前記の電磁石において、導体パイプの支持具には、少なくとも導体パイプに接する面に、セラミック溶射による絶縁処理が施されてなることを特徴とする電磁石である。
【００２１】
【作用】
本発明に用いるセラミック絶縁端末は、長さ（Ｌ）と内径（Ｄ）の比を１.５以上としているので、長期間の使用によっても、金属イオンの付着による絶縁破壊が起こることがない。金属イオンの付着には、冷却水の純度などが影響するが、次のような理由も考えられる。
【００２２】
冷却水に溶出した金属イオンは、冷却水供給部の配管、セラミック絶縁端末や導体パイプの中空部に通水に伴って運搬される。一般に、管状の流路を粘性流体が流動する際には、層流の領域では、流速分布がハーゲン−ポアズイユの法則に従って、放物線形状を呈し、管壁の近傍では、流速が限りなく０に近づく。従って、初期状態で表面に金属イオンが存在しないセラミック絶縁端末の部分において、層流域では、金属イオンが管壁に到達するのが、金属イオンを伴った水分子の熱運動による拡散に支配されると推定される。
【００２３】
一方、乱流域では、管内における長手方向及び径方向への流体の移動が極めて速いため、金属イオンの管壁への付着が極めて起こり難くなると推定される。従って、セラミック絶縁端末の内壁への金属イオンの付着は、層流域における金属イオンを伴った水分子の熱運動による拡散に支配されると考えられる。この場合は、セラミック絶縁端末の長さ（Ｌ）を一定以上とすることが効果的であるが、冷却水の流量が同じ場合は内径（Ｄ）を小さくすることが乱流の形成し易さに繋がるので、長さ（Ｌ）と内径（Ｄ）の比（Ｌ／Ｄ）を大きくすることが、金属イオンの付着に伴う導電性被膜の生長による、電気的な短絡を防止するのに、極めて大きな効果を発現する。
【００２４】
そして、このようなセラミック絶縁端末に使用できるセラミックとしては、特に限定されるものではないが、機械的な強度などを考慮すると、いわゆるエンジニアリングセラミックが好適であり、具体的には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やジルコニア（ＺｒＯ２）が挙げられる。
【００２５】
また、このようなセラミック材料は、理論密度に近い状態まで高密度に焼結した状態でなければ、空孔の存在が避けられないが、これが表面に露出して表面粗さを増加する。セラミック表面の平滑度を向上するには、釉薬を塗付して焼結するのが有効であるが、セラミックパイプの表面を平滑にすると、メンテナンスの際に、外周側への、長期間使用時に絶縁破壊の原因となる付着物の除去が容易かつ確実に行える。そして、検討の結果、内周側への釉薬の処理が金属イオンの付着防止にも有効であることが分かった。
【００２６】
また、このようなセラミック絶縁端末を用いた場合、従来の有機質の高分子材料の接続部材に較べ、材料が可撓性に乏しく脆弱であるため、組み立て作業において、公差内の寸法のばらつきを吸収し難くなり、部材に対して従来に比較してより高い寸法精度が要求されることになる。
【００２７】
本発明においては、この対策として、前記のセラミック絶縁端末とくい込み式管用継ぎ手を併用する。くい込み式管用継ぎ手は、管の外周にスリーブと称する金属製の環状の部材を嵌合し、スリーブを管の長手方向の両側からネジを用いて潰し、スリーブの内径側と管の外径側、及びスリーブの外径側と継ぎ手の内周側との接合状態を得るというものである。スリーブを潰すためのネジ部を同一の継ぎ手に２箇所設け、２本のパイプの開口部を突き合わせた状態で、別個にスリーブを嵌合し、前記の操作を行なうことで、継ぎ手を介して２本のパイプの接合を行なえ、しかも一定の範囲内で、２本のパイプの開口部間距離が調製可能である。
【００２８】
従って、このようなくい込み式管用継ぎ手を用いることで、パイプの接合作業に際して、寸法のばらつきを一定範囲内で吸収でき、作業性を向上することができる。また、当然のことながら、スリーブに用いる材質は、継ぎ手本体よりも硬度が低く、パイプとの親和性が高いことが要求される。
【００２９】
さらに、前記のコイルもしくは電磁石においては、冷却水の通水などにより、巻線や冷却水供給部の配管の温度が一定の範囲で変化し、それに伴い膨張収縮が起こり、可撓性に乏しいセラミック絶縁端末に応力が集中することが想定される。また、コイルもしくは電磁石を交流で動作させる場合などには、機械的な振動が起こり、これによってもセラミック絶縁端末に応力が集中することもある。
【００３０】
本発明においては、この現象に起因する障害を未然に防止するために、導体パイプに応用吸収用ベンドを設ける。応用吸収用ベンドとしては、具体的にタコベンドやスパイラルベンドが挙げられ、これによって応力の集中を緩和し、セラミック絶縁端末の破壊を防止することができる。
【００３１】
また、コイルや電磁石においては、導体パイプなどを架台に固定するための支持具を用いる。この支持具が、通電される部分に用いられる場合には、絶縁材で表面を被覆する必要があるが、この際も無機材料を用いることが、コイルや電磁石の耐放射線特性向上に効果的であることは論を俟たない。本発明においては、このような支持具にセラミック溶射による絶縁処理を施す。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に実施の形態につき、図を参照して具体的に説明する。
【００３３】
図１は、本発明のセラミック絶縁端末の一例を示す図である。図１において、１０１はアルミナからなるセラミックパイプ、１０２は鉄−ニッケル−コバルト系合金からなるキャップ、１０３は無酸素銅（Ｃ１０２０）からなる導体パイプ、１０４は銀蝋を用いて蝋付けを施した部分を示す。また、図示しないが、セラミックパイプ１０１の蝋付け部を除く表面全体は、釉薬で処理されていて、表面が鏡面になっている。
【００３４】
図１のセラミック絶縁端末のセラミックパイプ１０１は、長さ（Ｌ）が３１ｍｍ、内径（Ｄ）が１２ｍｍであり、Ｌ／Ｄが、約２.６となっている。前記のように、長時間使用に伴う金属イオンの付着による絶縁破壊の防止には、Ｌ／Ｄを１.５以上にするのが効果的であるが、これを検証するために、Ｌ／Ｄを、０.８、１.０、１.５としたセラミック絶縁端末について、経過年数と絶縁抵抗の関係を調査した。この結果を図２に示す。
【００３５】
図２において、２０１がＬ／Ｄ＝１.５で釉薬処理を施したもの、２０２がＬ／Ｄ＝１.５で釉薬処理のないもの、２０３がＬ／Ｄ＝１.０で釉薬処理を施したもの、２０４がＬ／Ｄ＝１.０で釉薬処理のないもの、２０５がＬ／Ｄ＝０.８で釉薬処理を施したもの、２０６がＬ／Ｄ＝０.８で釉薬処理のないものについての結果である。これらの結果から明らかなように、Ｌ／Ｄが１.５以上であれば、少なくとも１０年間は、絶縁破壊が生じないことが分かる。これは、電磁石自体の耐用年数を考慮すると、実質的に電磁石使用中のセラミック絶縁端末の交換が不要であることを意味する。従って、図１に示したセラミックパイプ１０１がＬ／Ｄ＝２.６であることから、これを用いたセラミック絶縁端末は、１０年以上の耐用年数を有すると推定できる。また、これらの結果から、釉薬処理を施したセラミック絶縁端末の方が、絶縁抵抗の劣化が少ないことが明らかである。
【００３６】
また、図３は、本発明に用いるくい込み式管用継ぎ手を示す。図３（ａ）は、ステンレス製のアダプター３０１、図３（ｂ）は、やはりステンレス製のナット３０５を示す。図３の中で、３０２と３０６はスパナ掛け、３０３は雄ネジ、３０４はスリーブの押し潰し部、３０７は雌ネジである。そして、図４は、図３に示したくい込み式管用継ぎ手を用いて、導体パイプの接合を行なっている状態を示す図である。
【００３７】
図４に示したように、まず接合したい導体パイプ４０１を、アダプター３０１の適当な位置まで挿入する。次に真鍮製のスリーブ４０２を導体パイプ４０１に嵌合させ、アダプター３０１のスパナ掛け３０２をスパナで挟み、ナット３０５を締め付ける方向に回転させた際に、アダプター３０１が回転しないように固定する。
【００３８】
この状態でナット３０５を締め付けることにより、アダプター３０１及びナット３０５より硬度の低いスリーブ４０２は押し潰され、内周側及び外周側に膨らむように変形する。この結果、導体パイプ４０１と、アダプター３０１と、ナット３０５は強固に一体化され接合される。
【００３９】
この接合方法においては、導体パイプ４０１の挿入位置を、一定の範囲内であれば任意に設定できるので、導体パイプ４０１を接合する際に、寸法のばらつきを吸収できる。従って、本発明のセラミック絶縁端末のように、部材を構成する材料が可撓性に乏しい場合、組み立て作業性を向上する上で、非常に有用である。また、図４における左側から別個の導体パイプを挿入し、前記と同じ操作を行なえば、２本の導体パイプを接合できるのは勿論であり、アダプター３０１をＬ字型にすることで、２本の導体パイプを直角に接合することもできる。
【００４０】
また、前記のように本発明のセラミック絶縁端末は、可撓性の乏しい材料で構成され、機械的振動や温度の変化による膨張収縮に際して、応力の集中により破壊されることも考えられる。この対策には、配管の途中にタコベンドやスパイラルベンドのような、応用吸収用ベンドを設けることが有効である。図５（ａ）はタコベンドの例、図５（ｂ）はスパイラルベンドの例を示したもので、中央のパイプが湾曲した部分で、導体パイプの膨張収縮による寸法変化を吸収できる。
【００４１】
図６は、給水のためのヘッダー６０１とコイル６０８との間の接続状態の例を示す図である。この例では、タコベンド６０２、くい込み式管用継ぎ手６０３、セラミック絶縁端末６０４を接続した例を示す図である。また、６０５はブスバー、６０６は導体パイプを架台に取り付けるための支持具を示し、支持具６０６が導体パイプ６０７に接する部分には、アルミナ溶射による絶縁処理が施されている。そして、導体パイプの接続をこのような構成とすることにより、放射線に対して極めて劣化し難く、接続の作業性が良好で、しかも機械的な振動や温度変化に伴う膨張収縮にも十分耐えるコイルもしくは電磁石が得られる。
【００４２】
図７は本発明のセラミック絶縁端末を用いた電磁石の例を示したもので、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図である。図７の電磁石は、鞍型の形状を有するコイル７０３が、２個組み合わされて構成されている。そして、冷却水の配管とコイルの端末は、くい込み式管用継ぎ手７０７を併用した状態で、セラミック絶縁端末７０１により接続されている。また、コイルの導電部並びに冷却管路の支持部品の絶縁を確保するために、ステンレスの部材にアルミナの溶射を施す方法を採用した。
【００４３】
次に、図７の電磁石の電気的特性試験として、コイルからセラミック絶縁端末を介しての絶縁抵抗試験を行ったところ、直流１ｋＶで、２０００ＭΩ以上の数値が得られた。また、絶縁耐圧試験では、交流１ｋＶで、１分間耐えるという結果を得た。更に、３.０ＭＰａの水圧を１２時間負荷するという条件で、耐水圧試験を行なったところ、水漏れがないことを確認できた。表１は、本発明の電磁石を作製した際の、冷却水漏れが発生した件数を示したものである。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１から明らかなように、本発明のセラミック絶縁端末を用いた電磁石は、水漏れがまったく発生せず、従来に比較して格段に改善されていることが分かる。ここまでに説明した部材に用いている材料は、耐放射線特性については実績があり、冷却水漏れもないので、本発明のセラミック絶縁端末を用いたコイルや電磁石は、問題なく使用できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、長さ（Ｌ）と内径（Ｄ）の比（Ｌ／Ｄ）が１.５以上のセラミック絶縁端末をコイルの端末処理に用いることにより、長時間の使用に際し、冷却水中に溶解した金属イオンの内壁への付着と、それに伴う導電性被膜の成長による絶縁破壊を極めて起こり難くすることができる。これによって、従来多用されてきた有機質の高分子材料を用いる必要がなくなるので、コイルや電磁石の耐放射線特性を大幅に向上することが可能となる。
【００４７】
更に、くい込み式管用継ぎ手やタコベンドを併用することで、コイルや電磁石の組み立ての作業性を向上し得るとともに、機械的振動や温度変化などに対する信頼性が向上するので、メンテナンスフリーの耐放射線特性に優れたコイルや電磁石を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック絶縁端末の一例を示す図。
【図２】Ｌ／Ｄの異なるセラミック絶縁端末の経過年数と絶縁抵抗の関係を示す図。
【図３】くい込み式管用継ぎ手を示し、図３（ａ）はアダプター、図３（ｂ）はナットを示す図。
【図４】導体パイプの接合状態を示す図。
【図５】図５（ａ）はタコベンド、図５（ｂ）はスパイラルベンドの例を示す図。
【図６】給水のためのヘッダーとコイルとの間の接続状態の例を示す図。
【図７】本発明のセラミック絶縁端末を用いた電磁石の例を示す図、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図。
【符号の説明】
１０１    セラミックパイプ
１０２    キャップ
１０３，４０１    導体パイプ
１０４    蝋付けを施した部分
２０１    Ｌ／Ｄ＝１.５で釉薬処理を施したセラミック絶縁端末の結果
２０２    Ｌ／Ｄ＝１.５で釉薬処理のないセラミック絶縁端末の結果
２０３    Ｌ／Ｄ＝１.０で釉薬処理を施したセラミック絶縁端末の結果
２０４    Ｌ／Ｄ＝１.０で釉薬処理のないセラミック絶縁端末の結果
２０５    Ｌ／Ｄ＝０.８で釉薬処理を施したセラミック絶縁端末の結果
２０６    Ｌ／Ｄ＝０.８で釉薬処理のないセラミック絶縁端末の結果
３０１    アダプター
３０２，３０６    スパナ掛け
３０３    雄ネジ
３０４    スリーブの押し潰し部
３０５    ナット
３０７    雌ネジ
４０２    スリーブ
６０１    ヘッダー
６０２，７０９    タコベンド
６０３，７０７    くい込み式管用継ぎ手
６０４，７０１    セラミック絶縁端末
６０５，７０５    ブスバー
６０６，７０８    支持具
６０７，７０２    導体パイプ
６０８，７０３    コイル
７０４    鉄芯
７０６    ヘッダー
７１０    フィールドクランプ
７１１    架台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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