(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストランド導体に、ガラス繊維テープにポリイミド樹脂を含浸した第１のプリプレグを横巻して絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層を形成したストランド導体を巻き回して巻線とする工程と、前記巻線の空隙にフィラーを混合したポリイミド樹脂を充填する工程と、前記ポリイミド樹脂を充填した巻線に対してガラス繊維テープにポリイミド樹脂を含浸した第２のプリプレグを横巻する工程と、前記第２のプリプレグを前記巻線に横巻きした後に前記ポリイミド樹脂を硬化する工程と、前記ポリイミド樹脂を硬化した巻線に端末処理を施す工程とを備えた電磁コイルの製造方法において、前記フィラーは平均粒径が１.５μｍ以下のシリカ粉末であり、混合率が前記ポリイミド樹脂に対して、５〜１５重量％である、電磁コイルの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁コイルの製造方法において、前記ポリイミド樹脂を充填する工程は、硬化前のポリイミド樹脂を満たした容器に、前記巻線を所要時間浸漬して空隙にポリイミド樹脂を含浸させるものである、電磁コイルの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電磁コイルの製造方法において、前記ストランド導体として、銅及びアルミニウムの少なくともいずれかからなるものを選択する、電磁コイルの製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電磁コイルの製造方法において、前記ストランド導体として、冷却水を通水するためのパイプを有するものを選択する、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、耐放射線電磁石などに用いる電磁コイルに関わり、特に電磁コイルを構成する導体間の絶縁の構成と、それを実現する方法に関わるものである。
【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】
このために、絶縁体の放射線による劣化を考慮して、ＭＩＣ（Mineral Insulated Cable）と称される無機物絶縁金属被覆ケーブルを用いて電磁コイルを構成する技術が開示されている。ところで、前記の電磁石の中には、パルス磁界を発生するために、交流を用いることがあり、有機高分子化合物による絶縁が必要となる場合がある。
【０００４】
つまり、交流を通電することに伴う渦電流損失を低減するために、ストランド導体を用いる必要があるが、この場合、巻線におけるストランド導体の間の絶縁を確保する必要があるのは当然のこととして、ストランド導体を構成する素線の間も絶縁することが、損失低減に寄与することとなる。
【０００５】
しかも、交流を通電することから、コイルが振動するので、絶縁体に一定以上の可撓性が要求される。また、導体の間に空隙があると、その空隙が絶縁体のクラック発生などの原因となる。つまり、導体間に円滑に充填できる流動性と、無機物にはない可撓性を有する材料を用いた絶縁が必要となる。このような特性の材料としては、硬化前は一定の流動性を発現し、硬化後も一定の可撓性を具備する熱硬化性の高分子材料を挙げることができる。
【０００６】
このような熱硬化性の高分子材料を用いて、絶縁を施すためのコイルの製造工程は、次のようになっている。まず、ストランド導体間の絶縁を確保するために、ストランド導体に、ガラス繊維からなるテープに、硬化前のポリイミド樹脂を含浸させたプリプレグ（以下、プリプレグと記す）の横巻を施す。即ち、プリプレグを連続的にスパイラルにストランド導体に巻き回し、巻き回した後は、加熱によりポリイミド樹脂を硬化させる。この際、プリプレグの幅の１／２が重なるように巻きつけ、絶縁の厚さがプリプレグ２層分となるようにする。
【０００７】
次に、前記のように絶縁処理を施したストランド導体を、所要の形状及びターン数に巻き回し、巻線とする。次いで、硬化前のポリイミド樹脂が満たされた容器に巻線を一定時間浸漬し、ストランド導体の間、及びストランド導体を構成する素線の間に、ポリイミド樹脂を充填させる。
【０００８】
次に、巻線を容器から引き上げ、さらにプリプレグを横巻し、ポリイミド樹脂の硬化処理を行なう。ここで、絶縁材料として、ポリイミド樹脂を用いるのは、高分子材料の中では、ポリイミド樹脂が、放射線に曝露された場合の劣化が最も少ないからである。
【０００９】
しかしながら、前記のような製造工程においては、ポリイミド樹脂の流出が問題となる。ここで用いられるポリイミド樹脂は、硬化反応が進行する前の段階では、熱可塑性を維持しているので、加熱により粘性係数が低下する。具体的には硬化のために、巻線を８０℃前後まで加熱するので、ポリイミド樹脂は、１０ｃＰ程度まで粘性係数が低下し、実質的に水とあまり変わらない物性となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このため、硬化処理の段階でポリイミド樹脂が流れ落ちてしまい、導体間に残らず十分に絶縁を確保できないばかりか、導体間に生じる空隙により種々の障害が発生する虞がある。従って、本発明の技術的な課題は、前記の問題を解決し、ストランド導体を用いた交流用の電磁石の信頼性を向上することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の問題解決のため、前記ポリイミド樹脂の見掛け上の粘性係数を調整することを検討した結果なされたものである。
【００１２】
即ち、本発明は、ホウ素を除去してなるガラス繊維テープにポリイミド樹脂を含浸したプリプレグの横巻による絶縁が施されたストランド導体からなる巻線に、さらにプリプレグの横巻を施してなる電磁コイルにおいて、ストランド導体を構成する素線間の空隙及び巻線を構成するストランド導体間の空隙に、フィラーを混合したポリイミド樹脂を充填してなることを特徴とする電磁コイルである。
【００１３】
また、本発明は、前記の電磁コイルにおいて、前記フィラーは平均粒径が１.５μｍ以下のシリカであり、混合率がポリイミド樹脂に対して、５〜１５重量％であることを特徴とする電磁コイルである。
【００１４】
また、本発明は、前記の電磁コイルにおいて、前記ストランド導体は、銅及びアルミニウムの少なくともいずれかからなることを特徴とする電磁コイルである。
【００１５】
また、本発明は、前記の電磁コイルにおいて、前記ストランド導体は、冷却水を通水するためのパイプを有することを特徴とする電磁コイルである。
【００１６】
また、本発明は、銅及びアルミニウムの少なくともいずれかからなるストランド導体に、ガラス繊維テープにポリイミド樹脂を含浸したプリプレグを横巻して絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層を形成したストランド導体を巻き回して巻線とする工程と、前記巻線の空隙にフィラーを混合したポリイミド樹脂を充填する工程と、前記ポリイミド樹脂を硬化する工程と、前記ポリイミド樹脂を硬化した巻線に前記プリプレグを横巻する工程と、前記巻線に横巻したプリプレグを硬化する工程と、前記プリプレグを硬化した巻線に端末処理を施す工程の少なくともいずれかを含むことを特徴とする前記の電磁コイルの製造方法である。
【００１７】
また、本発明は、前記の電磁コイルの製造方法において、前記ポリイミド樹脂を充填する工程は、硬化前のポリイミド樹脂を満たした容器に、巻線を所要時間浸漬して巻線の空隙にポリイミド樹脂を含浸させることを特徴とする電磁コイルの製造方法である。
【００１８】
また、本発明は、前記の電磁コイルの製造方法において、前記ポリイミド樹脂を充填する工程は、巻線とほぼ同じ形状の容器に、巻線を収納して硬化前のポリイミド樹脂を流し込み、巻線の空隙にポリイミド樹脂を含浸させた後、巻線を容器に収納した状態でポリイミド樹脂を硬化することを特徴とする電磁コイルの製造方法である。
【００１９】
【作用】
本発明においては、絶縁のために導体間に充填するポリイミド樹脂に、平均粒径が１.５μｍ以下のシリカ粉末を５〜１５重量％の比率で混合してあるので、見掛け上の粘性係数が増加する。このため、ポリイミド樹脂の含浸処理後における流れ落ちが殆ど生じず、巻線の導体間に空隙が発生することがない。
【００２０】
また、一般に無機材料もしくは有機材料からなる繊維や粉末を充填することで、高分子材料の機械的な強度などを増加することが可能であることが知られており、シリカ粉末の混合は、硬化後のポリイミド樹脂の信頼性向上に繋がり、クラック発生などを防止することができる。
【００２１】
本発明でフィラーとしてシリカ粉末を選択したのは、入手が容易で安価であり、放射線による物性変化が少ないからである。平均粒径を１.５μｍ以下に限定したのは、これ以上の粒径では、ポリイミド樹脂に分散させた際に、自重で沈降し分離してしまうことによる。
【００２２】
一般に、流体中における粒子の沈降速度は、重力及び粒子表面と流体との摩擦によって決定される。つまり、粒子の径が小さくなる従い、粒子の比表面積が大きくなるから、粒子の径が一定以下の領域では、重力と摩擦力がほぼ均衡し、実質的に粒子の沈降速度が０になる。ここでは、実際に用いるポリイミド樹脂とシリカの平均粒径を検討したところ、シリカ粉末の平均粒径の適正値は１.５μｍ以下であるという結果となった。
【００２３】
また、シリカ粉末のポリイミド樹脂への混合率を５〜１５重量％に限定したのは、５重量％以下の領域では、シリカ粉末を混合した効果が殆ど認められず、１５重量％以上の領域では、ポリイミド樹脂の粘性係数の増加が著しく、導体間への充填が困難になるからである。
【００２４】
また、プリプレグに用いるガラス繊維テープとして、ホウ素を含まないものを用いるのは、ホウ素が熱中性子を吸収することで、周囲のガラス繊維やポリイミド樹脂に損傷を与えるからである。即ち、ホウ素には原子量が１０のもの（１０Ｂ）と１１のもの（１１Ｂ）が１９.９／８０.１の比率で存在するが、１０Ｂが熱中性子を吸収すると、反跳粒子としてα線と７Ｌｉが生成し、それぞれの飛程が、５μｍ、２μｍであることから、周囲の物質に作用を及ぼすからである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図を参照しながら、具体的に説明する。
【００２６】
ここでは、まず中心部に冷却水通水用のアルミニウムパイプを配したアルミニウムのストランド導体を準備した。冷却水通水用パイプの外径は１０ｍｍであり、ストランド導体全体の形状は、１辺が２０ｍｍのほぼ正方形である。ホウ素を含まないガラス繊維からなる幅２０ｍｍのテープに、ポリイミド樹脂を含浸したプリプレグを、前記ストランド導体に横巻した。
【００２７】
図１は、ストランド導体へプリプレグを横巻している状態の概略図である。図１において、１００はアルミニウムからなるストランド導体、１０１はストランド導体を構成する素線、１０２は冷却水の通水パイプ、１０３はプリプレグである。プリプレグ１０３はその幅の半分が重なるように巻き付けられている。
【００２８】
次に、このストランド導体を、所要のターン数と形状に巻き回し、巻線とした。図２は、巻線の外観を示す概略図である。この巻線を、ポリイミド樹脂を満たした容器に浸漬し、３時間保持した。ここで用いたポリイミド樹脂は、平均粒径が１.５μｍのシリカ粉末を１０重量％混合したものである。また、この際、導体の空隙へのポリイミド樹脂の充填を促進するため、容器内を真空ポンプを用いて減圧するとともに、温度を８０±５℃に保持してポリイミド樹脂の粘性係数を低下させた。
【００２９】
そして、この状態で２時間保持して、十分に導体の空隙にポリイミド樹脂を充填した後、巻線を容器から引き上げ、プリプレグの横巻を２回、次いで、ポリフッ化ビニリデンのテープとポリエステルのテープを用いて、それぞれ１回ずつ横巻を施した。なお、いずれの横巻においても、テープ幅の１／２が重なるようにして、テープの隙間が生じないようにした。図３は、巻線にプリプレグを横巻している状態を示す概略図である。図３において、３０１は、ストランド導体、３０２はプリプレグを示す。
【００３０】
その後、加熱炉に前記巻線を挿入し、８０℃×２時間、１５０℃×３時間という条件で、ポリイミド樹脂の硬化を行い、導体の端末へのブスバーの取り付けなど、端末処理を行なって、電磁コイルとした。この電磁コイルの任意の位置を切断して、断面を観察し、導体間にポリイミド樹脂が充填されていない空隙の面積比率を調べたところ、２.４％であった。
【００３１】
なお、前記のように、本発明では、導体の空隙に充填するポリイミド樹脂に、粘性係数調整のため、平均粒径が、１.５μｍ以下のシリカ粉末を、ポリイミド樹脂に対して５〜１５重量％混合するが、シリカ粉末の平均粒径と混合量の適正値を検証するために、平均粒径が１.５〜１２μｍのシリカ粉末を準備して比較テストを行なった。
【００３２】
まず、シリカ粉末の平均粒径と沈降の程度を調べるため、平均粒径が、１.５μｍ、５μｍ、８μｍ、１２μｍのシリカ粉末を準備し、ポリイミド樹脂にそれぞれ１０重量％混合して、ポリイミド樹脂硬化物を調製した。硬化物は、直径が２０ｍｍで高さ１２０ｍｍの円筒形状の型に、前記ポリイミド樹脂を流し込み、８０℃×２時間次いで１５０℃×２時間の硬化処理を行なって調製した。
【００３３】
次に、前記硬化物を高さ方向に２０ｍｍ間隔で切断し、６個の試料として、それぞれ密度を測定した。図４は、前記ポリイミド樹脂硬化物試料の密度の測定結果を示した図である。図１において、４０１は、平均粒径が１.５μｍのシリカ粉末を混合したポリイミド樹脂の試料、４０２は、平均粒径が５μｍのシリカの粉末を混合したポリイミド樹脂の試料、４０３は、平均粒径が８μｍのシリカの粉末を混合したポリイミド樹脂の試料、４０４は、平均粒径が１２μｍのシリカの粉末を混合したポリイミド樹脂の試料の結果である。また、図１の横軸に記した試料番号は、前記硬化物を切断した試料に上から順に、便宜的に付与したものである。
【００３４】
ここで使用したシリカ粉末の密度は、２.２６ｇ／ｃｍ3であり、ポリイミド樹脂の密度は１.２４ｇ／ｃｍ3なので、混合物の密度の計算値は１.３ｇ／ｃｍ3となる。図１を見ると、平均粒径が１.５μｍの試料においては、硬化物の場所による密度の相違がほとんど認められず、シリカ粉末の沈降速度が実質的に０であったことがわかる。
【００３５】
これに対して、シリカ粉末の平均粒径が５μｍ以上の硬化物では、上の方が小さく、下の方が大きいという密度勾配が生じていて、シリカ粉末の沈降が起こっていることが明らかである。以上の結果から、本発明に用いるシリカ粉末の平均粒径は、１.５μｍが適正であることが検証できた。
【００３６】
次に、ポリイミド樹脂へのシリカ粉末の混合量が、ポリイミド樹脂の導体空隙への充填の程度や、硬化処理に際しての流出の程度に及ぼす影響を調べ、シリカ粉末の混合量の適正値を検証するために、シリカ粉末の混合量を、０〜１８重量％としたポリイミド樹脂を調製し、巻線への充填や流出の状態を調査した。なお、用いたシリカ粉末の平均粒径は１.５μｍである。
【００３７】
導体空隙への樹脂の充填については、ストランド導体にプリプレグを横巻して巻き回した巻線を、８０℃に保持したポリイミド樹脂の容器に浸漬し、容器内を真空ポンプを用いて減圧して３時間保持した後、巻線を引き上げ、直ちに重量を測定するという方法で調べた。ここでは、巻線の重量をＭ１、ポリイミド樹脂の容器から引き上げた直後の巻線の重量をＭ２として結果を解析した。
【００３８】
その結果、シリカ粉末の混合量を１０重量％としたポリイミド樹脂の場合が、Ｍ2の最大値を示した。つまり、シリカ粉末混合量が１０重量％のポリイミド樹脂が、導体の空隙への浸透の度合いが最も大きく、かつ、容器からの巻線引き上げの際の流出が少ないことが推定される。
【００３９】
図５は、（Ｍ2−Ｍ1）をその最大値で除した数値を樹脂含浸率として、シリカ粉末混合量と樹脂含浸率との関係を示した図である。この図から、シリカ粉末の混合量が少ない場合は、ポリイミド樹脂の粘性係数が低すぎて、巻線の容器からの引き上げに際して流出してしまい、シリカ粉末の混合量が多い場合は、ポリイミド樹脂の粘性係数が高過ぎて、導体の空隙に浸透し難いことがわかる。即ち、シリカ粉末の混合量の適正値は、５〜１５重量％の範囲である。
【００４０】
次に、前記ポリイミド樹脂を含浸した巻線について、加熱によるポリイミド樹脂の硬化処理を行なった際の巻線の重量変化を測定し、硬化工程でのポリイミド樹脂の流出の程度を調べた。ここでは、硬化処理後の巻線の重量をＭ3として、
［（Ｍ3−Ｍ1）／（Ｍ2−Ｍ1）］×１００
という式で算出される数値を樹脂残存率とした。
【００４１】
図６は、シリカ粉末混合量と樹脂残率との関係を示した図である。図６から明らかなように、シリカ粉末混合量が５重量％以上の領域では、樹脂残存率が９７％以上の数値を示し、硬化工程におけるポリイミド樹脂の流出が極めて少ないことがわかる。従って、この結果からも、シリカ粉末の混合量の適正値が、５〜１５重量％の範囲となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ストランド導体を巻線してなる電磁コイルにおいて、導体の空隙にポリイミド樹脂が十分に充填され、優れた絶縁特性、ひいては交流での使用に際しての損失が非常に少ないものが得られる。また、本発明の電磁コイルは、プリプレグにホウ素を除去したガラス繊維を用い、ポリイミド樹脂を用いることから、放射線に曝露されても、絶縁の劣化が極めて少ないのも大きな特徴である。
【００４３】
また、前記発明の実施の形態においては、巻線をポリイミド樹脂に浸漬する例を示したが、巻線全体を型に挿入し、ポリイミド樹脂を流し込んで硬化処理を行なう場合においても、ポリイミド樹脂の粘性係数を適度に保ち、作業性を向上するなどの効果が得られる。なお、この場合は、巻線から端末を引き出す部分に、ガラス繊維やガラス繊維のテープを充填しておくことで、この部分が補強され、信頼性の向上に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ストランド導体にプリプレグを横巻している状態の概略図。
【図２】巻線の外観を示す概略図。
【図３】巻線にプリプレグを横巻している状態を示す概略図。
【図４】ポリイミド樹脂硬化物試料の密度の測定結果を示した図。
【図５】シリカ粉末混合量と樹脂含浸率との関係を示した図。
【図６】シリカ粉末混合量と樹脂残率との関係を示した図。
【符号の説明】
１００    アルミニウムからなるストランド導体
１０１    ストランド導体を構成する素線
１０２    冷却水の通水パイプ
１０３    プリプレグ
３０１    ストランド導体
３０２    プリプレグ
４０１    平均粒径が１.５μｍのシリカ粉末を混合したポリイミド樹脂の試料
４０２    平均粒径が５μｍのシリカの粉末を混合したポリイミド樹脂の試料
４０３    平均粒径が８μｍのシリカの粉末を混合したポリイミド樹脂の試料
４０４    平均粒径が１２μｍのシリカの粉末を混合したポリイミド樹脂の試料
【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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