(57)【要約】【課題】超電導コイルの振動による摩擦を直接低減することができる超電導コイルの摩擦発熱抑制方法及び装置を提供する。【解決手段】超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、樹脂含浸超電導コイル上に静的すべりを許容するためのフィルム及びスペーサを介して超電導コイル締め付け金具を配置して内槽容器内に固定される超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記樹脂含浸超電導コイルの、前記超電導コイル締め付け金具の取り付け位置に高硬度層を設け、前記スペーサが締め付けられることによる接触時の真実接触面積を低減させ、接触面圧を上げることにより、微小変位摩擦（フレッティング）を抑制し、超電導コイルの摩擦発熱を抑える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂含浸超電導コイル上に静的すべりを許容するためのフィルム及びスペーサを介して超電導コイル締め付け金具を配置して内槽容器内に固定される超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記樹脂含浸超電導コイルの、前記超電導コイル締め付け金具の取り付け位置に高硬度層を設け、前記スペーサが締め付けられることによる接触時の真実接触面積を低減させ、接触面圧を上げることにより、微小変位摩擦（フレッティング）を抑制し、超電導コイルの摩擦発熱を抑えることを特徴とする超電導コイルの摩擦発熱抑制方法。
【請求項２】
請求項１記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記高硬度層が金属薄板であることを特徴とする超電導コイルの摩擦発熱抑制方法。
【請求項３】
請求項１記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記高硬度層が金属箔であることを特徴とする超電導コイルの摩擦発熱抑制方法。
【請求項４】
請求項１記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記高硬度層が金属箔テープであることを特徴とする超電導コイルの摩擦発熱抑制方法。
【請求項５】
請求項２、３又は４記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記金属が銅であることを特徴とする超電導コイルの摩擦発熱抑制方法。
【請求項６】
請求項１記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記スペーサの前記フィルムとの接触面に、凹凸を形成することを特徴とする超電導コイルの摩擦発熱抑制方法。
【請求項７】
（ａ）エポキシ樹脂含浸超電導コイルと、
（ｂ）該エポキシ樹脂含浸超電導コイル上であって、スペーサに対応する位置に配置される高硬度層と、
（ｃ）該高硬度層を覆うように配置される静的すべりを許容するためのフィルムと、
（ｄ）前記高硬度層とフィルムとに対応した位置に配置されるスペーサと、
（ｅ）前記エポキシ樹脂含浸超電導コイルと高硬度層とフィルムとスペーサとを締め付けるコイル締付金具と、
（ｆ）該コイル締付金具に固定される内槽容器とを具備することを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項８】
請求項７記載の超電導コイル装置において、前記高硬度層が金属薄板であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項９】
請求項８記載の超電導コイル装置において、前記金属薄板が銅板であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項１０】
請求項７記載の超電導コイル装置において、前記高硬度層が金属箔であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の超電導コイル装置において、前記金属箔が銅箔であることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項１２】
請求項７記載の超電導コイル装置において、前記スペーサの前記フィルムとの接触面に、凹凸を形成することを特徴とする超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁気浮上式鉄道の車両などに搭載される超電導コイルの摩擦発熱抑制方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁気浮上式鉄道では、車両はガイドウェイに配置された地上コイルと車上に搭載された超電導磁石の間に働く電磁力によって浮上して推進、案内される。その際、超電導磁石は地上コイルを通過することで生じる電磁気的な外乱によって加振され、超電導コイルを冷却している液体ヘリウムの蒸発量が増加する現象が生じる（下記非特許文献１参照）。車両には冷凍システムが組み込まれているが、ヘリウムを再液化するには蒸発に要した熱量の１０００倍程度の電力が必要となることから、超電導磁石設計において、超電導磁石内部の熱負荷低減対策は重要なテーマの一つとなっている。
【０００３】
熱負荷増分はうず電流によって誘起される電気的なものと、振動によって生じる機械的なものに大別され（下記非特許文献１参照）、振動によって生じる発熱の一要因としては、数十μｍオーダの超電導コイル構成部材間の微小変位摩擦（下記非特許文献２参照）が挙げられる。
【０００４】
従来の技術では、特に、固有弾性振動モードの周波数で振動による発熱が大きくなるため、超電導コイルの支持方法を工夫して、固有弾性振動モードの変形量を抑えることで対応してきた。
【非特許文献１】鈴木栄司，浮上式鉄道用超電導磁石の電磁加振に伴う発熱現象，低温工学，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１０，ｐｐ．４９５−５０３，１９９４
【非特許文献２】鈴木栄司  他，機械的加振を受ける超電導コイルの発熱特性，低温工学，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１０，ｐｐ．５２４−５２９，１９９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、機械的振動によって超電導コイル内部で発熱しているのは確かであるが、今までは超電導コイル内部のどこで、どのようにして発熱しているかは明確ではなかった。
【０００６】
超電導コイルの表面には、冷却の際に生じる熱収縮あるいは励磁の際に生じるフープ力によるコイル変形などの、いわば静的な荷重に対するすべり許容部分を作る目的でポリイミドフィルムを貼り付けている。そこで、従来からこの部分が振動によって発熱しているのではないかと推定されていた。
【０００７】
図７は従来の磁気浮上式鉄道用超電導コイルの斜視図である。
【０００８】
この図において、１０１は荷重支持部、１０２は超電導巻線コイル（エポキシ樹脂含浸超電導コイル）、１０３はコイル締付金具、１０４は超電導巻線コイル１０２及びコイル締付金具１０３を覆う内槽容器、１０５は内槽容器１０４内の冷却ガスの通路となる空間部である。
【０００９】
図８はその超電導巻線コイル（エポキシ樹脂含浸超電導コイル）の分解斜視図、図９はその組み立てられた超電導巻線コイル（エポキシ樹脂含浸超電導コイル）の一部破断斜視図、図１０はその超電導巻線コイル（エポキシ樹脂含浸超電導コイル）の断面図である。
【００１０】
これらの図に示すように、超電導巻線コイル２００は、エポキシ樹脂含浸超電導コイル２０１と、静的すべりを許容するためのテープ（ポリイミドフィルム）２０２、このテープ（ポリイミドフィルム）２０２に当てられるスペーサ２０３、コイル締付金具２０４から構成され、内槽容器２０５の内部に配置される。
【００１１】
エポキシ樹脂含浸超電導コイル２０１は、銅シースのＮｂ−Ｔｉ合金超電導極細多芯線を多層巻きにしてエポキシ樹脂に真空含浸したもので、スペーサ２０３の当たり面にはポリイミドテープ２０２を貼り付けている。このエポキシ樹脂含浸超電導コイル２０１上にスペーサ２０３を介してコイル締付金具２０４を配置し、強固に締め付けた後に、圧着で強固に内槽容器２０５で覆って成形している。この過程で摩擦損失が発生しうる箇所は、（１）エポキシ樹脂含浸超電導コイル２０１とスペーサ２０３間、（２）スペーサ２０３とコイル締付金具２０４間、（３）コイル締付金具２０４と内槽容器２０５間のいずれかになる。
【００１２】
そこで、本願発明者は要素試験を行い、超電導コイルの内部摩擦はエポキシ樹脂含浸した超電導巻線コイルとそれを締め付けるコイル締付金具の界面のスペーサ間〔上記（１）〕で発生していることを突き止めた。
【００１３】
また、エポキシ樹脂含浸超電導コイル表面のポリイミドフィルム層の厚さと発熱量に相関関係があることを、同じく要素試験によって確認した。すなわち、銅の上に貼り付けたポリイミドフィルムの枚数を変化させる実験を行い、フィルム厚さが増えることで発熱量が増えることを確認した。
【００１４】
これらの試験結果から、ポリイミドフィルム層と、その下地のエポキシ樹脂は金属に比べて硬度が低いため、真実接触面積が大きくなり、最大接触面圧が低くなり、摩擦して発熱しているという知見を得た。フィルムの枚数を増やすことで発熱量が増えるという現象も、積層枚数の増加によって最大接触面圧が低くなり、すべり領域が大きくなることにより発生したものと考えられる。
【００１５】
本発明は、上記状況に鑑みて、超電導コイルの振動による摩擦を直接低減することができる超電導コイルの摩擦発熱抑制方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕樹脂含浸超電導コイル上に静的すべりを許容するためのフィルム及びスペーサを介して超電導コイル締め付け金具を配置して内槽容器内に固定される超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記樹脂含浸超電導コイルの、前記超電導コイル締め付け金具の取り付け位置に高硬度層を設け、前記スペーサが締め付けられることによる接触時の真実接触面積を低減させ、接触面圧を上げることにより、微小変位摩擦（フレッティング）を抑制し、超電導コイルの摩擦発熱を抑えることを特徴とする。
【００１７】
〔２〕上記〔１〕記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記高硬度層が金属薄板であることを特徴とする。
【００１８】
〔３〕上記〔１〕記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記高硬度層が金属箔であることを特徴とする。
【００１９】
〔４〕上記〔１〕記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記高硬度層が金属箔テープであることを特徴とする。
【００２０】
〔５〕上記〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記金属が銅であることを特徴とする。
【００２１】
〔６〕上記〔１〕記載の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法において、前記スペーサの前記フィルムとの接触面に、凹凸を形成することを特徴とする。
【００２２】
〔７〕超電導コイル装置において、エポキシ樹脂含浸超電導コイルと、このエポキシ樹脂含浸超電導コイル上であって、スペーサに対応する位置に配置される高硬度層と、この高硬度層を覆うように配置される静的すべりを許容するためのフィルムと、前記高硬度層とフィルムとに対応した位置に配置されるスペーサと、前記エポキシ樹脂含浸超電導コイルと高硬度層とフィルムとスペーサとを締め付けるコイル締付金具と、このコイル締付金具に固定される内槽容器とを具備することを特徴とする。
【００２３】
〔８〕上記〔７〕記載の超電導コイル装置において、前記高硬度層が金属薄板であることを特徴とする。
【００２４】
〔９〕上記〔８〕記載の超電導コイル装置において、前記金属薄板が銅板であることを特徴とする。
【００２５】
〔１０〕上記〔７〕記載の超電導コイル装置において、前記高硬度層が金属箔であることを特徴とする。
【００２６】
〔１１〕上記〔１０〕記載の超電導コイル装置において、前記金属箔が銅箔であることを特徴とする。
【００２７】
〔１２〕上記〔７〕記載の超電導コイル装置において、前記スペーサの前記フィルムとの接触面に、凹凸を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、樹脂（エポキシ）含浸超電導コイルの周りにフィルム（ポリイミドフィルム）やエポキシ樹脂に対するヤング率が２５〜５０の金属による高硬度層を形成することで接触面圧を大きくすることができ、このことにより、超電導コイルの機械的振動による摩擦発熱を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法は、超電導コイルを内槽容器に固定する超電導コイル締め付け金具の締め付け面に高硬度層を設け、スペーサが締め付けられることによる接触時の真実接触面積を低減させ、接触面圧を上げることにより、微小変位摩擦（フレッティング）を抑制し、超電導コイルの摩擦発熱を抑えることを特徴とする。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の超電導コイルの製造工程図、図２はその超電導コイルの断面図である。
【００３２】
これらの図において、１はエポキシ樹脂含浸超電導コイル、２は金属薄板、金属箔や金属テープなどからなる高硬度層、３は静的すべりを許容するためのフィルム（例えば、ポリイミドフィルム）、４はスペーサ（銅やアルミニウム）、５はコイル締付金具、５Ａ，５Ｂは冷却ガスが流通する穴、６は内槽容器（ステンレス）である。
【００３３】
まず、図１（ａ）に示すように、エポキシ樹脂含浸超電導コイル１上のスペーサ（後述）の当たり位置に、金属薄板、金属箔や金属テープなどからなる高硬度層２を貼り付ける。
【００３４】
次に、図１（ｂ）に示すように、静的すべりを許容するためのフィルム３で高硬度層２を覆う。
【００３５】
次に、図１（ｃ）に示すように、高硬度層２と静的すべりを許容するためのフィルム３上にスペーサ（銅やアルミニウム）４を当てて、コイル締付金具（ステンレスやアルミニウム）５を固定する。なお、コイル締付金具５は溶接等で強固に締め付ける。
【００３６】
次に、図１（ｄ）に示すように、内槽容器（ステンレス）６で覆う。コイル締付金具５と内槽容器６は圧着で強固に固定する。
【００３７】
このようにして、図２に示す断面を有する超電導コイルを製造することができる。
【００３８】
本発明によれば、エポキシ樹脂含浸超電導コイル１上のスペーサ４が位置する箇所に金属薄板、金属箔や金属テープなどからなる高硬度層２を設けることで、エポキシ樹脂含浸超電導コイル１と高硬度層２、及びフィルム（ポリイミド）３と高硬度層２の真実接触面積を減少させて、接触面圧が上昇するようにする。このため超電導コイルの機械的振動によるエポキシ樹脂含浸超電導コイルとスペーサの摩擦時の相対変位が抑制され、結果的に摩擦発熱が低減される。
【００３９】
図３は本発明の他の実施例を示す凹凸面からなるスペーサを有する超電導コイルの模式図である。
【００４０】
この図において、１１はエポキシ樹脂含浸超電導コイル、１２は高硬度層、１３は静的すべりを許容するためのフィルム（ポリイミド）、１４は凹凸面１５を有するスペーサである。
【００４１】
このように、凹凸面１５を有するスペーサ１４が締め付けられることにより、接触面積を減らした状態でポリイミドフィルム１３に接触することになる。
【００４２】
したがって、静的すべりを許容するとともに、その接触面積は低減され、振動による摩擦を減らすことができ、結果的に摩擦発熱が低減される。
【００４３】
このように、
（Ａ）エポキシ樹脂含浸超電導コイルのコイル締付金具の取り付け位置に金属薄板、金属箔を接着するか、金属箔テープを貼り付ける。
【００４４】
（Ｂ）また、スペーサに凹凸面を設けることによって、微小変位摩擦（フレッティング）を抑制し、超電導コイルの摩擦発熱を低減することができる。
【００４５】
図４は本発明の効果に関する説明図（その１）であり、ポリイミドフィルム層数と発生熱（Ｗ）との関係を示す図であり、図５はその試験装置の模式図である。
【００４６】
図４は、図５に示す厚さ５０μｍのポリイミドフィルム２２を銅２１に貼り付けて、銅２３と摩擦させた時の発熱量の測定結果を示している。
【００４７】
この図４から、ポリイミドフィルム２２の枚数を増やす、つまりポリイミドフィルム２２の厚さが増すと発熱量が増えていることが分かる。これはポリイミドフィルム２２の厚さの増加によって銅２１，２３との最大接触面圧が低くなり、すべり域が大きくなることにより発熱量が増加したものと考えられる。従って、ポリイミドフィルムの最大接触面圧を上昇させれば、発熱量を抑制させることが可能になる。そこで、本発明では、エポキシやポリイミドより硬く、接触面が変形しにくい高硬度層をエポキシ樹脂含浸超電導コイルとポリイミドフィルム間に配置する、及びスペーサに凹凸面を設けることでポリイミドフィルムとそれを貼り付けたエポキシ樹脂間の影響、及びポリイミドフィルム上に設けたスペーサの影響を減らし、発熱量を低減させる。
【００４８】
図６は本発明の効果に関する説明図（その２）であり、最大接触圧力に及ぼす薄膜の影響を示す図（Ｅp ／Ｅf をパラメータとしている）である。横軸はｔ／ｂH 、縦軸はｐmax ／ｐH で薄膜を付けた平面にその下地と同種材料の円筒を押し付けた場合の最大接触圧力ｐmax と膜厚ｔとの関係を示している。ここで、ｔは膜の厚さ、ｐH は膜が存在しないときの最大接触圧力、ｂH はそのときの接触半幅、Ｅp は膜のヤング率、Ｅf は下地および相手材のヤング率を示している（出典：志摩政幸・佐藤準一・古口日出男，機論（Ａ編），５１，１９８３（１９８５）。
【００４９】
この図より、下地および相手材のヤング率Ｅf に対して膜のヤング率Ｅp が高くなるほど最大接触面圧ｐmax が大きくなることが分かる。そこで、本発明では、ポリイミドフィルムやエポキシ樹脂に対するヤング率比がおよそ２５〜５０となる金属を高硬度層として用いる。
【００５０】
このことにより、超電導コイルの機械的振動による摩擦発熱を抑制することができることが分かる。
【００５１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の超電導コイルの摩擦発熱抑制方法は、磁気浮上式鉄道車両などに搭載される超電導コイルに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の超電導コイルの製造工程図である。
【図２】本発明の超電導コイルの断面図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す凹凸面からなるスペーサを有する超電導コイルの模式図である。
【図４】本発明の効果に関する説明図（その１）である。
【図５】本発明の効果に関する試験装置の模式図である。
【図６】本発明の効果に関する説明図（その２）である。
【図７】従来の磁気浮上式鉄道用超電導コイルの斜視図である。
【図８】超電導巻線コイル（エポキシ樹脂含浸超電導コイル）の分解斜視図である。
【図９】組み立てられた超電導巻線コイル（エポキシ樹脂含浸超電導コイル）の一部破断斜視図である。
【図１０】超電導巻線コイル（エポキシ樹脂含浸超電導コイル）の断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，１１    エポキシ樹脂含浸超電導コイル
２，１２    高硬度層
３，１３    静的すべりを許容するためのフィルム
４    スペーサ
５    コイル締付金具
５Ａ，５Ｂ    冷却ガスが流通する穴
６    内槽容器
１４    凹凸面を有するスペーサ
１５    凹凸面
２１，２３    銅
２２    ポリイミドフィルム
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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