(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体、導体を被覆する無機物の絶縁体、絶縁体を被覆する金属のシースからなる無機物絶縁金属被覆ケーブル、及び前記無機物絶縁金属被覆ケーブルに近接した冷却水の通水用パイプを巻き回してなる電磁コイルにおいて、前記無機物絶縁金属被覆ケーブルと冷却水通水用パイプが非磁性低融点金属で固着されてなることを特徴とする電磁コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁コイルにおいて、前記無機物の絶縁体は、酸化マグネシウムを含むことを特徴とする電磁コイル。
【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電磁コイルにおいて、前記非磁性低融点金属は、融点が６００℃以下であることを特徴とする電磁コイル。
【請求項４】
導体、導体を被覆する無機質の絶縁体、絶縁体を被覆するシースからなる無機物絶縁金属被覆ケーブルを巻き回してコイルを形成し、前記コイルの形状に合わせて冷却水の通水用パイプを成形し、前記コイルと前記成形された通水用パイプを、非磁性低融点金属で固着することを特徴とする電磁コイルの製造方法。
【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などに用いられる、無機物絶縁金属被覆ケーブル（Ｍｉｎｅｒａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｃａｂｌｅ：以下、ＭＩＣと称する）を用いた電磁コイルに関し、特に冷却水を通水するための水路と、ＭＩＣを巻き回したコイルを固着する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避けられず、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】
従来、加速器に用いる電磁石の電磁コイルは、放射線量が１０６Ｇｙ（グレイ）ないし１０８Ｇｙの環境で使用され、放射線による電磁コイルの絶縁劣化の対策として、放射線量が１０８Ｇｙ以下のレベルでは、耐放射線特性の高い有機物の絶縁体が用いられ、放射線量が１０８Ｇｙ以上のレベルでは、無機物の絶縁体が用いられている。放射線量が１０８Ｇｙ以上で、特に高いレベルでは、絶縁体を無機物だけで構成することが必要となる。
【０００４】
また、一般に、このような電磁コイルにおいては、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必要がある。
【０００５】
この場合、前記のＭＩＣに中空形状の導体を用いると、中空導体の内周などに絶縁を施す必要が生じ、冷却水の漏れによる事故やコイルの絶縁劣化を防止するために、構造が複雑になり、高価となる。また、通水用パイプをＭＩＣに沿わせる構造では、導体を無機物の絶縁体で被覆していることから、冷却効率の低下が避けられないなどの問題が生じる。
【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、ＭＩＣを用い、１０８Ｇｙ以上のレベルの放射線に耐え、比較的構造が簡単で製作も容易な、高信頼性を有する電磁コイル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に、ＭＩＣに通水用パイプを沿わせた間接水冷型で、構造の簡略化を図り、併せて冷却効率を向上する構造を検討した結果、なされたものである。
【０００８】
即ち、本発明は、導体、導体を被覆する無機物の絶縁体、絶縁体を被覆する金属のシースからなる無機物絶縁金属被覆ケーブル、及び前記無機物絶縁金属被覆ケーブルに近接した冷却水通水用パイプを巻き回してなる電磁コイルにおいて、前記無機物絶縁金属被覆ケーブルと冷却水の通水用パイプが非磁性低融点金属で固着されてなることを特徴とする電磁コイルである。
【０００９】
また、本発明は、前記の電磁コイルにおいて、前記無機物の絶縁体が、酸化マグネシウムを含むことを特徴とする電磁コイルである。
【００１０】
また、本発明は、前記の電磁コイルにおいて、前記非磁性低融点金属は、融点が６００℃以下であることを特徴とする電磁コイルである。
【００１１】
また、本発明は、導体、導体を被覆する無機質の絶縁体、絶縁体を被覆するシースからなる無機物絶縁金属被覆ケーブルを巻き回してコイルを形成し、前記コイルの形状に合わせて冷却水の通水用パイプを成形し、前記コイルと前記成形された通水用パイプを、非磁性低融点金属で固着することを特徴とする電磁コイルの製造方法である。
【００１２】
【作用】
本発明に用いるＭＩＣは、導体を被覆する無機物の絶縁体として、酸化マグネシウムを使用する。無機物を酸化マグネシウムに限定した理由は、酸化マグネシウムが絶縁体と使用できる酸化物の中で、酸化ベリリウムに次いで高い熱伝導率を有し、導体への通電に伴って発生する熱を、速やかに移動することができるからである。
【００１３】
ちなみに、２００°Ｋ及び３００°Ｋにおける熱伝導率の数値（単位；Ｗｍ−１Ｋ−１）を示すと、石英ガラスが１．１４、１．３８、多結晶アルミナが５５、３６であるの対し、酸化マグネシウムは、９４、６０である。なお、酸化ベリリウムの熱伝導率は、２００°Ｋで４２４、３００°Ｋで２７２と前記無機物に比較して、非常に大きいが、毒性などの取り扱い性を考慮すると用途が限定され、酸化マグネシウムの方が優れている。
【００１４】
また、酸化マグネシウムは、空気中に放置すると水蒸気や炭酸ガスと化学反応を起こし、特性が変化する。また、絶縁体として一般的な高分子化合物などに比較すると、機械的な強度が不十分で、巻線などの作業で支障が生じる可能性がある。しかし、本発明では、絶縁体を金属のシースで保護しているので、このような現象が生じない。従って本発明に用いるＭＩＣは、高い絶縁性と熱伝導性を兼備している。
【００１５】
そして、本発明では、冷却水の通水用パイプを、ＭＩＣのコイルに固着するのに、非磁性低融点金属を用いる。固着作業には、有機質の高分子材料からなる接着剤を用いるのが最も簡便であるが、一般に有機質の高分子材料は、放射線に曝されることにより分解反応を起こすので、十分な信頼性を確保できない。また、セメントなどの無機物を用いた場合は、熱伝導率の問題で効率的な冷却ができなくなる。
【００１６】
これらの問題に対処するため、本発明では、非磁性低融点金属を用いることで、対放射線特性を確保するとともに、効率的な冷却を行なうことができる。また、非磁性金属を使用するのは、磁性金属を用いると、所要の磁界を得るためのコイルの設計を、磁性金属への磁束の流れを加味して行なう必要を生じ、コイルの設計や構造が複雑になり、場合によっては設計不可能となるからである。
【００１７】
従って、本発明に用いることができる金属は、非磁性で融点が低く、しかも常温で一定の硬度や機械的強度を具備し、化学的に安定で、しかも低価格であることが要求される。そして、融点を６００℃以下としたのは、融点が高い金属では、充填作業の際にコイルのロー付け部分を損傷するなどの障害が起こる可能性があるからである。
【００１８】
このような要求に適合する金属としては、インジウム（融点：１５７℃）、スズ（融点；２３１℃）、鉛（３２７℃）、亜鉛（融点；４２０℃）、スズと鉛の合金であるハンダなどが挙げられる。これらの中では、毒性、価格などを考慮すると、スズが好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、具体的な例を挙げ、図を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る電磁コイルの第１の例における、ＭＩＣと通水用パイプを巻き回した部分の断面図である。図１の例では、ＭＩＣ１０１の、図における上下の部分に、銅からなる通水用パイプ１０２を沿わせた形で配置してある。曲げ加工によって巻き回されたＭＩＣは、隣接するＭＩＣのそれぞれの間をロー付けし、コイルとする。同様に通水用パイプも曲げ加工ロー付けを施され、コイル形状となる。
【００２１】
そして、ＭＩＣ１０１と通水用パイプ１０２との間隙には、非磁性低融点合金であるスズが充填してあり、ＭＩＣ１０１と通水用パイプ１０２を固着している。このように、ＭＩＣ１０１と通水用パイプ１０２の間には、熱伝導率の高い金属が介在しているので、ＭＩＣ１０１で発生したジュール熱を、速やかに外部に移動することができる。また、ケース１０４は、ステンレスで構成されるケースで電磁コイル全体を保護している。
【００２２】
図２は、本発明に係る電磁コイルの第２の例における、ＭＩＣと銅からなる通水用パイプを巻き回した部分の断面図である。図２の例でも、ＭＩＣ２０１に曲げ加工を施して巻き回し、隣接するＭＩＣ２０１のそれぞれの間をロー付けし、コイルとする。ここでは、通水用パイプ２０２をＭＩＣ２０１のコイルの外側に１層だけ配置する。このような構造とすることで、図１に示した第１の例より、冷却効率は低下するが、製造工程を簡略化することができる。また、ＭＩＣ２０１と通水用パイプ２０２の間隙に、スズを充填してそれらを固着し、更にステンレスのケース２０４で電磁コイル全体を保護するのは、図１に示した第１の例と同様である。
【００２３】
図３は、本発明に係る電磁コイルの第３の例における、ＭＩＣと銅からなる通水用パイプを巻き回した部分の断面図である。図３の例でも、ＭＩＣ３０１に曲げ加工を施して巻き回し、隣接するＭＩＣ３０１のそれぞれの間をロー付けし、コイルとする、ここでは、コイルをスズ３０３で覆ってから、ステンレスのケース３０４を設ける。通水用パイプ３０２は、ケース３０４の外側に、ロー付けにより固着される。
【００２４】
この場合は、図２に示した第２の例よりも、製造工程を更に簡略化するのが可能で、ロー付けしたケース３０４と通水用パイプ３０２の間に、十分な量のスズを介在させることにより、冷却効率を低下させることがない。ただし、通水パイプ３０２がケースの外側に露出しているので、図２示した第２の例よりも、取り扱いに注意が必要となる。
【００２５】
図４は、本発明に係る電磁コイルの第４の例における、ＭＩＣと銅からなる通水用パイプを巻き回した部分の断面図である。図４の例でも、ＭＩＣ４０１に曲げ加工を施して巻き回し。隣接するＭＩＣ４０１のそれぞれの間をロー付けし、コイルとする。そして図４における上下のＭＩＣの間には、銅プレート４０５を介在させ、銅プレート４０５の両端には、通水用パイプ４０２を取り付ける。
【００２６】
その後に、スズ４０３を用いて全体を固着するのは、これまで説明した例と同様であるが、図４の例では、ＭＩＣ４０１と通水用パイプ４０２の間に熱伝導率の高い銅プレート４０５を介在させているので、冷却効率を向上することができる。
【００２７】
図５は、本発明に係る電磁コイルの第５の例における、ＭＩＣと銅からなる通水用パイプを巻き回した部分の断面図である。図５の例でも、ＭＩＣ５０１に曲げ加工を施して巻き回し、隣接するＭＩＣ５０１のそれぞれの間をロー付けし、コイルとする。図５の例では、図４の例と同様に、図５における上下のＭＩＣの間に銅プレート５０５を介在させるが、ＭＩＣ５０１と銅プレート５０５の間、銅プレート５０５と通水用パイプ５０２の間は、ハンダ５０６により接合する。
【００２８】
ハンダは銅に対する濡れが良好であり、ＭＩＣ５０１、銅プレート５０５、通水用パイプ５０２が熱の流路として一体化されるので、これまでに説明した例のように、磁性低融点金属を必ずしも充填する必要がない。図５の例では、全体の固着をアルミナセメント５０３を用いて行なっているが、これまで説明した例のように、非磁性低融点金属を用いることもできるのは勿論である。
【００２９】
図６は、図１に示した本発明の電磁コイルの外観を示す図である。図６において、６０１はＭＩＣ、６０２は通水用パイプ、６０３はスズ、６０４はステンレス製のケース、６０５はブスバーを示す。また、６０６は絶縁端末であり、ＭＩＣのシース、スズ６０３、ケース６０４への電流の漏洩を防止する機能を有する。
【００３０】
図７は、図１、図２、図３、図４、図５に示した例に用いた、ＭＩＣ及び通水用パイプの詳細を示した図である。図７（ａ）はＭＩＣ７００の断面図、図７（ｂ）はＭＩＣ７００に断面が扁平な通水用パイプ７０４を沿わせた例の断面図、図７（ｃ）はＭＩＣ７００に断面が扁平で変形防止の支柱を設けた通水用パイプ７０５を沿わせた例の断面図である。また、７０１は無酸素銅からなる導体、７０２は酸化マグネシウムからなる無機物絶縁体、７０３は銅からなるシース、７０６はスズからなる固着材である。
【００３１】
このように、構造を図７（ａ）のようにすることで、十分な絶縁特性及び熱伝導率を具備したＭＩＣを得ることができる。また、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示したように、通水用パイプを沿わせて一体化することで、これに曲げ加工を施し、コイルとすることも可能である。
【００３２】
次に、本発明に係る電磁コイルの冷却性能を評価するために、図１に示した構造で、通水用パイプをＭＩＣの上下両側に配置した電磁コイルと、ＭＩＣの片側だけに通水用パイプを配置した電磁コイルに通電し、冷却水を通水した際の温度上昇を測定した。その際に比較として、中空の導体で構成した電磁コイル、図１に示した構造で、ハンダの替わりにアルミナセメントを用いて、ＭＩＣと通水用パイプを固着した電磁コイルについても、同一条件で温度上昇を測定した。なお、アルミナセメントを用いた場合も、通水用パイプの配置は、ＭＩＣの両側及び片側の２種類とした。
【００３３】
図８は、本発明及び比較例の電磁コイルの温度上昇の測定結果を示す図である。図８の中で、８０１はアルミナセメントを用い通水用パイプをＭＩＣの片側のみに配置した電磁コイル、８０２はアルミナセメントを用い通水用パイプをＭＩＣの上下に配置した電磁コイル、８０３は本発明の電磁コイルで通水用パイプをＭＩＣの片側のみに配置した場合、８０４は本発明の電磁コイルで通水用パイプをＭＩＣの上下に配置した場合、８０５は中空導体を用いた電磁コイルで、導体の中空部に通水した場合である。
【００３４】
これらの結果から、中空導体を用いた直接冷却による電磁コイルの温度上昇が最も少ないが、通水用パイプをＭＩＣ導体に沿わせた間接冷却であっても、本発明の電磁コイルは高い冷却効率を発現し、温度上昇による支障が生じない状態で運転することが可能であることが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ＭＩＣを用いた電磁コイルにおいて、十分な冷却効率を発現し得る構造と、その製造方法を提供することができる。これによって、放射線に曝される環境で用いる電磁コイルの信頼性を向上し、メンテナンスの頻度を大幅に少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電磁コイルの第１の例の断面図。
【図２】本発明に係る電磁コイルの第２の例の断面図。
【図３】本発明に係る電磁コイルの第３の例の断面図。
【図４】本発明に係る電磁コイルの第４の例の断面図。
【図５】本発明に係る電磁コイルの第５の例の断面図。
【図６】本発明の電磁コイルの外観を示す図。
【図７】本発明に用いるＭＩＣの断面図で、図７（ａ）はＭＩＣの断面図、図７（ｂ）はＭＩＣに断面が扁平な通水用パイプを沿わせた例の断面図、図７（ｃ）はＭＩＣに断面が扁平で変形防止の支柱を設けた通水用パイプを沿わせた例の断面図。
【図８】本発明及び比較例の電磁コイルの温度上昇の測定結果を示す図。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７００    ＭＩＣ
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０４，７０５    通水用パイプ
１０３，２０３，３０３，４０３，６０３    スズ
１０４，２０４，３０４，４０４，５０４，６０４    ケース
４０５，５０５    銅プレート
５０３    アルミナセメント
５０６    ハンダ
６０５    ブスバー
６０６    絶縁端末
７０１    導体
７０２    無機物絶縁体
７０３    シース
７０６    スズからなる固着材
８０１    アルミナセメントを用い通水用パイプをＭＩＣの片側のみに配置した電磁コイルの温度上昇
８０２    アルミナセメントを用い通水用パイプをＭＩＣの上下に配置した電磁コイルの温度上昇
８０３    本発明の電磁コイルで通水用パイプをＭＩＣの片側のみに配置した場合の温度上昇
８０４    中空導体を用いた電磁コイルの温度上昇
【図１】
0003553031.tif 000002
【図２】
0003553031.tif 000003
【図３】
0003553031.tif 000004
【図４】
0003553031.tif 000005
【図５】
0003553031.tif 000006
【図６】
0003553031.tif 000007
【図７】
0003553031.tif 000008
【図８】
0003553031.tif 000009