(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線を巻回した極低温用超電導コイルにおいて、前記超電導線が有機材料からなる冷媒流路用壁により連続的に覆われており、該冷媒流路用壁が管状体であり、冷媒が充填された冷媒流路用管の内部に超電導線のみが少なくとも１本配されていることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
超電導線を巻回した極低温用超電導コイルにおいて、前記超電導線が有機材料からなる冷媒流路用壁により連続的に覆われており、冷媒流路用壁内に有機材料からなる冷媒流路用管の外表面に超伝導線を密接させた超伝導線束が多数本配置され、冷媒流路用壁内及び冷媒流路用管内に冷媒を充填させてなることを特徴とする超電導コイル。
【請求項３】
冷媒流路用壁及び冷媒流路用管が強化繊維及び樹脂を一体成形した繊維強化プラスチックよりなることを特徴とする請求項１または２記載の超電導コイル。
【請求項４】
冷媒流路用壁の内周の300Kより4Kまでの平均の熱膨張率が1.2 ×10-6(1/K) 以上であることを特徴とする請求項１記載の超電導コイル。
【請求項５】
冷媒流路用管の外周の300Kより4Kまでの平均の熱膨張率が2.5 ×10-6(1/K) 以下であることを特徴とする請求項２記載の超電導コイル。
【請求項６】
強化繊維が高強力ポリエチレン繊維であることを特徴とする請求項３記載の超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は極低温に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するか、巻回した後で巻枠を除去して形成される。
コイルを超電導状態で使用するためには、▲１▼コイルを液体He等の冷媒に浸漬する（浸漬型）か▲２▼冷媒の流れる流路（以下コンジットという）中に導体を通したまま巻回することによりコイル形状とする（強制冷却型）ことが必要である。そしてこのコンジット材料としては通常スチール、アルミなどの金属材料が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
超電導コイルの用途は多岐に亙るがいず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重要である。そしてこれは巻回した超電導線の安定性に大きく依存する。超電導コイルの応用分野としては直流及び交流の両分野があるが本特許は特に交流コイルに関するものである。
交流コイルの技術課題として耐絶縁性の問題がある。直流コイルと異なり交流コイルでは励、消磁に際してコイルのコンダコタンス及び通電電流値に比例して導体間には高電圧がかかる。又超電導である定常状態でも同様に高い電圧がかかるので巻線間の絶縁破壊が生じやすい。またHe等の冷媒中では真空中または空気中に比べて耐電圧が低いためコイル全体を液体He等の冷媒中に浸漬して用いることは好ましくない。従って各導体を一本ごとに冷媒とともにコンジット中に封入することにより各線間の高い絶縁性を保持することが重要となる。第二の問題としては交流コイルでは直流コイルと異なり導体のヒステリシス及びカップリングに由来する交流損失が生ずることである。これらはジュール熱を生ずるためコイルは低電流値でクエンチすることになるし、又超電導装置を定常状態で使用する際のHe蒸発量が増大し経済性が問題となる。この観点より、超電導交流コイルは液体He中で使用する浸漬型よりコンジット中に超臨界He等の冷媒を加圧流入させ強制的に冷媒を動かして、超電導線に発生する熱を除去する強制冷却型の方が高性能且つ経済効率の高い超電導交流コイルを得ることができる。以上のように超電導交流コイルにおいては直流超電導コイルに比べて電流容量の大小を問わず導体をコンジット中にいれて強制冷却型で超電導コイルとする技術が不可欠となる。これに対して直流コイルでは大電流容量で絶縁破壊が問題となる場合のみ強制冷却型で実施している。
【０００４】
これらのコンジット材料として従来までは金属材料が用いられてきた。この概要を図１に示す。コンジットは外筒及び内筒よりなり、伝導に起因する熱侵入を防ぐためこの間は真空層３により断熱されている。内筒内には導体４が絶縁テープで束にされコイル状に巻回されている。そして内筒内は液体He、超臨界Heなどの冷媒が加圧流入され、導体間を満たしながら循環する構造となっている。この様なコンジット材料としては従来まで、スチール、アルミなどの金属材料が用いられているがこれらは導電性であるので特に交流応用では過電流に伴うジュール発熱が生ずるため超電導コイルは不安定となる。この他にコンジット材料として要求される性能としては外部真空層に対する真空シール性、及びコイルとして巻回し得るための柔軟性、及び機械特性である。この観点よりみれば従来より用いられている金属製コンジットは真空シール性及び機械特性については問題ないと思われるが柔軟性が全くないためコイル状態に巻回して使用することができない。
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、高性能且つ安定な超電導コイルを得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は超電導線を巻回した極低温用超電導コイルにおいて、前記超電導線が有機材料からなる冷媒流路用壁により連続的に覆われていることを特徴とする超電導コイルである。
そして更に好ましくは冷媒流路用壁が管状体であり、冷媒が充填された前記管状体の内部に超電導線が少なくとも１本配されていることを特徴とする上記記載の超電導コイル（実施態様１）。
又は冷媒流路用壁内に有機材料からなる冷媒流路用管の外表面に超伝導線を巻回するか又は密接させた超伝導線束が多数本配置され、冷媒流路用壁内及び冷媒流路用管内に冷媒を充填させてなることを特徴とする上記記載の超電導コイル（実施態様２）。
そして冷媒流路用壁及び冷媒流路用管が強化繊維及び樹脂を一体成形した繊維強化プラスチックよりなり、また冷媒流路用壁及び冷媒流路用管の内周の300Kより4Kまでの平均の熱膨張率が 1.2×10-6(1/K) 以上であり、もしくは冷媒流路用管の外周の300Kより4Kまでの平均の熱膨張率が 2.5×10-6(1/K) 以下であり、更には強化繊維が高強力ポリエチレン繊維であることを特徴とする上記記載の超電導コイルである。
【０００６】
先ず、本発明の超電導コイルの実施態様１を図２に示す。ここに超電導コイルはコイルボビン６、有機材料からなるコンジットチューブ７、及びその内部に設置された導体４より構成されており、（ａ）の様な形に設置して使用される。コイルの外側は真空層３で形成されておりコンジットチューブ７、被覆導体４の両端は接合部８、９に連結されており、更に上端接合部８には超臨界He入り口１０及び出口１１が接続されている。また導体４は接合部８、９より外部に通じている。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｙ断面の拡大図である。６はコイルボビンであり表面にはＶ字型のラセン溝が形成されている。７はコンジットであり４は導体、また５は冷媒としての超臨界Heである。
【０００７】
次に、本発明の超電導コイルの実施態様２を図３に示す。コンジットの外壁７は上述と同様、有機材料よりなり、その中にチューブ又はパイプ等の中空の管状体１３の外周に超伝導線を巻回するか（態様２−ａ、図３の(a))、又は密接させて（態様２−ｂ、図３の(b))配置した導体束を配置し、更に管状体１３の中空部及びにコンジットの外壁７の内部を冷媒で充填させる。この際、管状体１３の外周の300Kより4Kまでの平均の熱膨張率が 2.5×10-6(1/K) 以下であることが望ましい。好ましくは 1.2×10-6(1/K) 〜−25×10-6(1/K) である。
【０００８】
本発明に用いられる有機材料としては繊維強化プラスチックを挙げることができる。ここに強化繊維としては高強力ポリエチレン繊維、ポリベンゾビスオキサゾール繊維、ポリベンゾビスイミダゾール繊維、アラミド繊維、ポリアリレート繊維等の有機繊維が挙げられる。これらの繊維の中でも高強力ポリエチレン繊維は分子量20万以上、強度10g/d 以上、弾性率400g/d以上であるため特に好ましい。高強力ポリエチレン繊維は例えば特開昭55-107506 号公報、特開昭56-15408号公報、特開昭58-5228 号公報等に記載の方法により製造される。また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、ウレタンアクリレート樹脂、等が使用できる。特に好ましいのはエポキシ樹脂であり、この場合の使い方としてはガラス繊維を用いたプリプレグを作成しこれを用いてチューブ又はパイプ等の管状体を成形する。このチューブ又はパイプは柔軟性に富むためこれに導体を通した後コイル形状に容易に巻回することができる。しかる後コイルを加熱しエポキシ樹脂を硬化させることにより所定の形状のコイルが得られる。これらもまた柔軟性に富み、固体固有抵抗率が高く真空シール性及び機械特性にも優れているのでコンジット材料として有用である。
これに対して従来の金属製コンジットは柔軟性がないので任意のコイル形状とすることができないし、また導電性を持つので交流特有の磁場変動に伴う渦電流が生じ、これによるジュール発熱が生ずるためコイルは不安定となり同時に液体Heの蒸発量が増加し経済性の点で問題となる。
【０００９】
更にコンジット材料として望ましい特性として冷媒流路用壁の内周方向の熱膨張率が 1.2×10-6（1/K ）以上であることが望ましい。コンジット中の導体４は低温で通電作動する際、内部で動くとコンジット／導体間又は導体同志で摩擦発熱が生じ局部的に温度上昇しコイルは不安定化して低電流値でクエンチするここととなる。従って温度の低下とともに周方向に収縮し線材の固定性を増すことが重要である。好ましくは 2.0×10-6(1/K) 〜75×10-6(1/K) である。
以上より、本発明よりなるコンジットを備えた交流用超電導コイルは耐絶縁性に優れ、渦電流に伴うジュール発熱がないので安定で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。また同時に稼働時のHe蒸発量が少ないので経済性の上でも優れたものとなる。
【００１０】
【実施例】
（実施例１、２）
本発明の有機材料又は繊維強化プラスチックよりなるコンジットを持つコイルは以下のように作成した。コンジットとなるチューブは以下の方法にて作成した。
また強化繊維としては高強力ポリエチレン繊維（東洋紡社製）（強度３２g/d)、ポリベンゾビスオキサゾール繊維（東洋紡社製）（強度４２g/d)、アラミド繊維（東レ−デュポン社製、ケブラー）（強度３０g/d)、ポリアリレート繊維（クラレ、ベクトラン）（強度２８g/d)のロービングをまたマトリックスとして以下に示すエポキシ樹脂を用いて連続的なシートを作成し８０Ｃで乾燥してＢ−ステージのプリプレグを作成した。
エピコート８２８  （油化シェル）  ３０部
エピコート１５４  （油化シェル）  ５０部
エピコート１００４（油化シェル）  ２０部
ＤＩＣＹ−７      （油化シェル）    ５部
ＥＭＩ−２４      （油化シェル）    １部
このプリプレグをテープ状にて所定の巻き角度（±θ）で２mmφの芯金に巻き付けた後これを除去する方法で内径２mmφ、外径５mmφの連続的なチューブ成形体を得た。これらの各チューブにマトリックスとしてCu30%Ni を用いた0.2mm φのストランドの36本撚線よりなるNbTi線導体を通した後、導体とチューブを一体にして外径100mm φ、長さ250mm の高強力ポリエチレン繊維を用いた繊維強化プラスチック製コイルボビンに導体の巻テンションが２０Ｋｇとなるように巻回しコイルを作成した。その後チューブ内に超臨界Heを圧入し、コイルを冷却した。
【００１１】
（実施例３，４）
本発明における実施態様２(a) の方法にてコイルを作成し、評価した。冷媒流路用外壁７及び内管１４の材料として表１に示すものを使用して実施例１，２と同法にてプリプレグを作成し、そのテープを所定の角度で巻いて各々30×50mm角の外壁管及び内／外径が２／５mmφの内管を作成した。この管の外周に同じ導体を巻テンションが２０Ｋｇにてラセン状に巻き導体束を作成した。この導体束の多数本を外壁管の中に封入しコイルの導体束間及び内管内に超臨界Heを圧入しコイルを冷却した。
【００１２】
（実施例５，６）
本発明における実施態様２(b) の方法にてコイルを作成し、評価した。冷媒流路用外壁７及び内管１４の材料として表１に示すものを使用して実施例１，２と同法にてプリプレグを作成した。外壁管及び内管の断面形状は各々30×50mm角、及び内／外径が８／１３mmφの円形とした。外壁管の中心部に１本の内管を配しその周囲に導体束を多数本封入した。このコンジットコイルの導体束間及び内管内に超臨界Heを圧入しコイルを冷却した。
【００１３】
（比較例１，２）
比較例としてコンジットが通常方法、即ち表面をポリイミドフィルムで被覆したステンレススチール及びアルミ合金を用いた場合（比較例１）、及びコンジットを用いないでコイルを液体Heに浸漬した系（比較例２）について特性を調べ比較した。
次にこれらのコイルの特性を評価した。コイルの設置は図２（ａ）及び（ｂ）に示す方法にて実施した。これらの評価結果を表１に示す。
【００１４】
【表１】
0004006607.tif 000002
【００１５】
材料及びコイルの特性は以下の方法により評価した。
（体積抵抗率）
各コンジット材料を用いた平板を作成しＡＳＴＭ  Ｄ２５７−９３の方法に従って各試料に電極を設け直流電圧を印加して各材料の体積抵抗率を２０Ｃにて測定した。
（絶縁破壊電圧）
各コイルを図２に示すように設置しコンジット内に冷媒入り口１０より超臨界Heを流しながらコイルに交流電圧を印加し4.2Ｋでの絶縁破壊電圧を測定した。
（He蒸発量）
各コイルを図２に示すように設置しコンジット内に冷媒入り口１０より超臨界Heを流しながらコイルに１ｋＡの電流を連続的に通電した。そのとき冷媒出口１１でのHe蒸発量を測定した。
（クエンチ電流）
各コイルを図２に示す様に設置しコンジット内に冷媒入り口１０より超臨界Heガスを流しながらコイルに電流を徐々に印加し超電導より常電導に転移するときのクエンチ電流値を測定した。結果は繰り返しのトレーニングにより到達した最大の電流密度とそのときのトレーニング回数により示す。このとき使用された導体の臨界電流値は1820A である。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば絶縁耐性が極めて高く、連続運転中の渦電流に伴うHe蒸発量が少なく、最大電流値が高く、安定且つ高性能なコイルを提供することを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は従来の強制冷却型超電導コイルの部分切断図である。
（ｂ）は導体と垂直方向の切断面である。
【図２】  （ａ）は本発明の実施例１，２に係わる超電導コイルの設置の概要であり、（ｂ）は（ａ）におけるｘ−ｙ断面の拡大図である。
【図３】   (c)本発明の実施例３，４に係わる超電導コイルの設置の概要であり、(d) 本発明の実施例５，６に係わる超電導コイルの設置の概要である。
【符号の説明】
１：クライオスタット外筒、２：クライオスタット内筒、３：真空層（冷媒充填層）、４：導体、５：冷媒（超臨界ヘリウム）、６：コイルボビン、７：冷媒流路用壁（コンジット）、８：上端接合部、９：下端接合部、１０：超臨界ヘリウム入口、１１：ヘリウムガス出口、１２支持台、１３：導体と垂直方向の断面、１４：冷媒流路用管
【図１】
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【図２】
0004006607.tif 000004
【図３】
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