(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にテーパーを設け、互いに回転軸を平行とする一対のロールと、これらのテーパーロールの回転軸に垂直な方向の回転軸を有し、互いに回転軸を平行とするもう一対のフラットロールとで超電導撚線をキーストン型にロール成形する方法であり、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線の側面をもう一方の側面よりも先に前記フラットロールに接触させることを特徴とするキーストン型超電導成形撚線の製造方法。
【請求項２】
前記一対のフラットロールのうち、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線に接するロール径をもう一方のフラットロールよりも大きくすることによって、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線の側面をもう一方の側面よりも先にフラットロールに接触させることを特徴とする請求項１に記載のキーストン型超電導成形撚線の製造方法である。
【請求項３】
前記一対のフラットロールのうち、成形後の厚さが厚くなる方の超電導撚線に接するロールをもう一方のフラットロールよりも後方に位置させることによって、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線の側面をもう一方の側面よりも先にフラットロールに接触させることを特徴とする請求項１又は２に記載のキーストン型超電導成形撚線の製造方法である。
【請求項４】
外周にテーパーを設け、互いに回転軸を平行とする一対のロールと、これらのテーパーロールの回転軸に垂直な方向の回転軸を有し、互いに回転軸を平行とするもう一対のフラットロールからなる成形ロール郡を有し、前記フラットロールのうち、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線の側面に接するフラットロールの径をもう一方のフラットロールよりも大きくしたことを特徴とするキーストン型超電導成形撚線製造用のロール成形装置。
【請求項５】
外周にテーパーを設け、互いに回転軸を平行とする一対のロールと、これらのテーパーロールの回転軸に垂直な方向の回転軸を有し、互いに回転軸を平行とするもう一対のフラットロールからなる成形ロール群を有し、前記フラットロールのうち、成形後の厚さが厚くなる方の超電導撚線の側面に接するフラットロールの回転軸をもう一方のフラットロールの回転軸よりも前記超電導撚線の移動方向において前方に配置したことを特徴とする請求項４に記載のキーストン型超電導成形撚線製造のロール成形装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、キーストン角度付き超電導成形撚線の製造方法および製造装置に関する。
背景技術
円形粒子加速器の加速リング上に配置されるダイポールマグネットには、強力な磁場を発生することと、長距離に亘って双極磁場を発生することが要求される。これらの要求を満たすため、加速器用ダイポールマグネットでは、鞍形コイルが多用されている。鞍形コイルとは、成形撚線をコイル両端でターンさせながらアーチ状に積み上げた構造のコイルであり、直線部の横断面は扇型となっている。ところで、鞍形コイル内部の超電導部分の充填率を高くして、コイルの電流密度を上げるためには、キーストン型横断面形状の超電導撚線を用いることが好ましい。キーストン型超電導成形撚線は、第１図（ａ）に示すように超電導線２からなる撚線を成形したもので、第１図（ｂ）に示すように、一方の側面３がもう一方の側面４に比べて短い台形状の断面に形成されている。第１図（ｂ）に示した角度１２をキーストン角度と呼ぶ。なお、充填率とは、線材の超電導線部の占める面積をキーストン型超電導成形撚線の台形外接線で囲まれた部分の面積で割って求められる値であり、約９０％である。
一般にキーストン型成形撚線は以下に説明する手段で成形される。複数の超電導線を撚り合わせたもの（以下、超電導撚線と言う）を第５図（ａ）、（ｂ）に示すように互いに平行な回転軸を有し、外周にテーパーが設けられたロール（以下テーパーロールと言う）５、６とこれに直交する方向の回転軸を有する円筒状のロール（以下フラットロールと言う）７、８の４つのロールを用いて４方向から成形圧縮することによって、断面が台形状に成形された成形撚線を得る。
コイルの電流密度を上げるために、成形撚線内の充填率は高く設定される。そのため、超電導線は、撚線時に高い局所的圧縮力と張力を受ける。特に、成形撚線のエッジ部は、圧縮力と張力に加えて屈曲が加わるため、超電導線は原型をとどめないほどに変形する。
成形撚線にキーストン角度をつけると、成形撚線の両端部のうち厚みの薄い側の端部は断面の中で最も厳しい圧縮を受けるため、電流の輸送経路となる超電導フィラメントの断線や、ロール成形の際に各ロールと隣の超電導線とに囲まれた閉鎖空間の中で行き場を失った超電導線が長手方向に過度に伸びて超電導フィラメントの局所的断面減少が生じる場合がある。或いは行き場を失った超電導線がバリ発生の原因となる。このように、超電導特性と形状の両面で不具合が生じ易くなる。
キーストン型成形撚線を工業的な規模で製作する場合、キーストン角度は１度以下として製作され、成形撚線の厚さが薄い側のエッジ部に発生したバリは、研削により除去される。ところが、エッジ部に発生したバリを研削によって除去する場合、安定化のために設けてある常電導マトリクスを部分的に除去することになるため、除去された部分の超電導安定性が局所的に低下するという問題があった。また、研削によって除去される部分が超電導フィラメント部にまで達すると、輸送電流が大幅に低下するという問題もあった。
本発明の目的は、撚線の成形加工条件を改善することで、健全な超電導成形撚線の製造方法および製造装置を提供することにある。
発明の開示
本発明に係るキーストン型成形撚線を製造方法は、互いに回転軸を平行とする一対のテーパーロールと、これらのテーパーロールの回転軸に垂直な方向の回転軸を有し、互いに回転軸を平行とする一対のフラットロールとで超電導線をキーストン型にロール成形する方法であって、
成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線の側面をもう一方の側面よりも先にフラットロールに接触させることを特徴とする製造方法である。
本発明に係るキーストン型成形撚線の製造装置は、互いに回転軸を平行とする一対のテーパーロールと、これらのテーパーロールの回転軸に垂直な方向の回転軸を有し、互いに回転軸を平行とする一対のフラットロールとからなる成形ロール郡を有し、前記フラットロールのうちの１つがもう１つのフラットロールよりも先に超電導線に接触するように配置されたことを特徴とする製造装置である。
なお、本発明で成形される超電導撚線としては、必要に応じて予備成形されているものも含まれる。
発明の詳細な説明
本発明の第１の態様は、外周にテーパーを設け、互いに回転軸を平行とする一対のロールと、これらのテーパーロールの回転軸に垂直な方向の回転軸を有し、互いに回転軸を平行とするもう一対のフラットロールとで超電導撚線をキーストン型にロール成形する方法であって、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線の側面をもう一方の側面よりも先に前記フラットロールに接触させることを特徴とするキーストン型超電導成形撚線の製造方法である。
本発明の第２の態様は、前記一対のフラットロールのうち、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線に接するロール径をもう一方のフラットロールよりも大きくすることによって、成形後の厚さが薄くなる方の超電導線の側面をもう一方の側面よりも先にフラットロールに接触させることを特徴とするキーストン型超電導成形撚線の製造方法である。
本発明の第３の態様は、前記一対のフラットロールのうち、成形後の厚さが厚くなる方の超電導撚線に接するロールをもう一方のフラットロールよりも後方に位置させることによって、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線の側面をもう一方の側面よりも先にフラットロールに接触させることを特徴とするキーストン型超電導成形撚線の製造方法である。
本発明の第４の態様は、外周にテーパーを設け、互いに回転軸を平行とする一対のロールと、これらのテーパーロールの回転軸に垂直な方向の回転軸を有し、互いに回転軸を平行とするもう一対のフラットロールからなる成形ロール郡を有し、前記フラットロールのうち、成形後の厚さが薄くなる方の超電導撚線の側面に接するフラットロールの径をもう一方のフラットロールよりも大きくしたことを特徴とするキーストン型超電導成形撚線製造用のロール成形装置である。
本発明の第５の態様は、外周にテーパーを設け、互いに回転軸を平行とする一対のロールと、これらのテーパーロールの回転軸に垂直な方向の回転軸を有し、互いに回転軸を平行とするもう一対のフラットロールからなる成形ロール郡を有し、前記フラットロールのうち、成形後の厚さが厚くなる方の超電導撚線の側面に接するフラットロールの回転軸をもう一方のフラットロールの回転軸よりも後方になるように配置したことを特徴とするキーストン型超電導成形撚線製造用のロール成形装置である。
以下図面を参照して具体的に説明する。しかし、以下の説明はあくまで限定された実施態様であり、本発明を限定するものでなく、当業者が以下の実施例から容易に想着できる範囲を含むものである。
第１図に示した態様のキーストン型成形撚線１は、超電導線を複数本撚って形成した線材を、ロールで４方から圧縮成形を行い製作する。従来は、所定のキーストン角度を有するように、第５図に示した態様のテーパーが付けられた一対のテーパーロール５、６と、側面を押さえるための一対のフラットロール７、８とを用い、挟むようにして４方から圧縮成形して製作する。
ここで、第１図に示した態様のキーストン型成形撚線１について、左側３の厚さが薄い方の側面をｘと呼び、右側４の厚さが厚い方の側面をｙと以降呼ぶことにする。また、第２図〜第５図に示した態様のテーパーが付けられた一対のロールのロール５をロールＡと呼び、ロール６をロールＢと呼び、側面を押さえるための一対のフラットロールのキーストン成形撚線側面ｘに接するロール７をロールＸと呼び、側面ｙに接するロール８をロールＹと以降呼ぶことにする。なお、第２図〜第５図においては、撚線は矢印９の方向、即ち図の下から上方向に移動してロールＡとロールＢ、およびロールＸとロールＹに挟まれて成形されることを示している。
本発明について、まず第２図を用いて説明する。撚線のロール成形を始めると、まず最初は厚さが薄くなる側の端部から圧縮される。この理由は、ロールＡとロールＢにテーパーがついているため、ロールＡとロールＢ間の隙間が小さい方のロール面と撚線が先に接するためである。ロールＡとロールＢにより圧縮された超電導線は厚さが減少して幅方向に広がるが、撚線の側面ｘはロールＸで拘束されるため、圧縮変形した超電導線は、側面ｘと反対側の隣の超電導線を成形撚線の厚さが厚い側面ｙの方向に押しやる。次に、押しやられた線がロールＡ，ロールＢにより圧縮されて、さらに隣の超電導線を側面ｙの方向に押しやる。これらが順次行われて、最後に、成形撚線の厚さが大きい側の端部に充填率が低い部分が成形される。
即ち、最も充填率が高く加工条件が厳しい部分は一番最初に圧縮成形されるので、隣の超電導線を充填率が低い方である側面ｙの方向に押しやることによって、強加工条件を緩和することができる。
ところが、第５図で示したように、ロールＸ、ロールＹのロール径が同一であると、撚線の両側面がロールＸ、ロールＹに同時に接触するため、左右からの圧縮が同時に始まることになる。そうすると、厚さが厚い側からの水平方向圧縮力により、前記の「隣の超電導線を側面ｙ方向に押しやることによる強加工条件の緩和」が著しく阻害される。そのため、最も充填率が高い部分（成形撚線の厚さが薄い側の部分）の超電導線は、ロールＡ、ロールＢ、ロールＸ、および隣の線で囲まれた閉鎖空間の中で、横方向への行き場が無くなり、過度の圧縮による超電導フィラメントの断線や、長手方向に過度に伸びることによる局所的な断面減少、或いはロールＡ、ＢとロールＸの接触面（成形撚線のエッジ部分）に逃げることによるバリ（角部の張り出し）発生が生じ易くなる。
一方、第２図で示したように成形撚線の側面ｙに接するロールＹの直径をロールＸの直径よりも小さくすると、撚線側面のロールＹへの接触がロールＸへの接触よりも遅れることになる。成形撚線の側面ｘの近傍部分（最も充填率が高い部分）がロールＡ、ロールＢ、およびロールＸから圧縮を受け始める際、側面ｙ側はまだ圧縮を受けておらず、超電導線の押しやり移動が容易となる。従って、最も充填率が高い部分の圧縮成形条件が緩和され、上記のような不具合を生じ難くなる。
また、第３図および第４図の本発明の態様で示したように、ロールＹへの接触をロールＸへの接触よりも遅らせる方法として、ロールＹの軸位置をロールＸの軸位置よりも後方に配置することも効果的である。本方法では軸位置の後方配置量（以降オフセット長さと表わす）がそのままロール接触の遅延距離となるため、上記のロールＸとロールＹの直径を変える方法よりも大きな遅延距離を置くことができる。ただし、ロール径を変える方法では、ロールＸとロールＹからの圧縮が同時に終了するのに対し、本方法はロールＹからの圧縮加工中にロールＸからの圧縮が終了するため、中心位置のオフセット長さを過大に採り過ぎると、撚線の蛇行やキーストン角度の変動等、成形撚線の形状が不安定になることに注意する必要がある。
実施例
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
直径が０．８２５ｍｍ、Ｃｕ／ＮｂＴｉの面積比が１．９５、フィラメント数が６４２６本、およびフィラメント径が６μｍのＣｕ／ＮｂＴｉ複合多芯超電導線を、くさび形状のマンドレルに３６本撚り合わせ、ロールで圧縮成形し、厚さが１．３６ｍｍ（薄い側）／１．６０ｍｍ（厚い側）、幅が１５．０ｍｍ、キーストン角度が０．９度の成形撚線を作製した。
ロール圧縮成形には、ロールＡとロールＢに外径が１３６ｍｍ、テーパー角度が０．５度のテーパーロールを用い、ロールＸには外径が１３６ｍｍのフラットロールを、ロールＹには外径が１２５ｍｍのフラットロールを用いた。またロールＡ、ロールＢ、ロールＸ及びロールＹの軸は、全て同一平面内に配置した。
（実施例２）
ロールＹに外径が１１５ｍｍのフラットロールを用い、それ以外の条件は実施例１と同じにして、実施例１と同じ外接寸法の成形撚線を作製した。
（実施例３）
ロールＹに外径が１０５ｍｍのフラットロールを用い、それ以外の条件は実施例１と同じにして、実施例１と同じ外接寸法の成形撚線を作製した。
（実施例４）
ロールＹに外径がロールＸと同じ１３６ｍｍのフラットロールを用い、かつロールＹの軸位置をロールＸの軸位置よりも１ｍｍ後方に配置した。それ以外の条件は実施例１と同じにして、実施例１と同じ外接寸法の成形撚線を作製した。
（実施例５）
ロールＹに外径が１０５ｍｍのフラットロールを用い、かつロールＹの軸位置をロールＸの軸位置よりも１ｍｍ後方に配置した。それ以外の条件は実施例１と同じにして、実施例１と同じ外接寸法の成形撚線を作製した。
（比較例１）
ロールＹに外径がロールＸと同じ１３６ｍｍのフラットロールを用い、それ以外の条件は実施例１と同じにして、実施例１と同じ外接寸法の成形撚線を作製した。
実施例１〜５および比較例１で作製した成形撚線について、厚さが薄い側のエッジを直角方向から顕微鏡で観察し、遷移長さを測定した。これらの結果を表１に示した。なお、第６図に示したように、遷移長さ１０とは、成形撚線時に撚線のエッジがいずれのロールにも接触せず、超電導線の曲面がそのまま保たれている部分の長さを示す。
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実施例１〜５および比較例１で作製した成形撚線を撚り解して超電導線を取出し、液体ヘリウム中で４端子法による臨界電流測定を行った。なお、いずれの撚り解し線サンプルも、臨界電流測定は、成形撚線の厚さが薄い側のエッジ（屈曲部）に位置していた個所を電圧タップ間の中央に配置して行った。
これと同時に、各撚り解しサンプルの近傍で、まだ成形加工されていない個所から線材サンプルを採り、液体ヘリウム中で４端子法による臨界電流測定を行った。これらの臨界電流を比較することにより、成形撚線時の臨界電流低下率を算出した。これらの結果を表２に示す。
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表１から明らかなように、フラットロールＹの直径をフラットロールＸの直径より小さくした実施例１〜３、フラットロールＹをフラットロールＸより後方に設置した実施例４、および、フラットロールＹをフラットロールＸより小径にすると共に後方に設置した実施例５では、成形撚線の厚さが薄い方のエッジ部に遷移部分が存在している。
一方、ロールＸとロールＹの直径が同じで、ロールＡ、ロールＢ、ロールＸ、ロールＹの軸を同一平面内に配置した比較例１では、第７図で示したように、成形撚線エッジ部にバリ１１が発生しており、最も充填率の高い部分の超電導線が成形撚線の断面内部方向に逃げる場所がなかったことが判る。
また、表２から明らかなように、実施例１〜５では成形撚線時の臨界電流低下率が約１％であるのに対し、比較例１では充填率が最も高い場所で超電導線の逃げ場がなく、長手方向に過度に伸びてしまったため、低下率が約８％まで悪化していることが判る。
従って、本発明によれば、超電導特性と形状に優れたキーストン型超電導成形撚線を得ることが出来る。
産業上の利用性
テーパーが付けられた一対のロールと、側面を押さえるための一対のフラットロールとを用いて、超電導撚線を成形圧縮する際、フラットロールの直径を変えるか、また、フラットロールを前後にずらして配置して成形すると、成形撚線の厚さが薄い方のエッジ部に遷移部分が存在し、成形撚線エッジ部にバリが発生しなくなる。また、成形撚線時の臨界電流低下率が約１％となる。従って、本発明の超電導成形撚線の製造方法によれば、超電導特性と形状に優れたキーストン型成形撚線を得ることができる。そのため、工業上の貢献は著しいものである。
【図面の簡単な説明】
第１図について、第１図（ａ）は、キーストン型成形撚線の断面例を示した斜視図である。第１図（ｂ）は、キーストン角度を説明するためにキーストン成形撚線の断面を台形として表わした模式図である。
第２図について、第２図（ａ）は、本発明の実施形態例の１つである成形撚線ロール群の正面図である。第２図（ｂ）は本発明の実施形態例の１つである成形撚線ロール群の平面図である。
第３図について、第３図（ａ）は本発明の別の実施形態例の１つである成形撚線ロール群の正面図である。第３図（ｂ）は本発明の別の実施形態例の１つである成形撚線ロール群の平面図である。
第４図について、第４図（ａ）は本発明の更に別の実施形態例の１つである成形撚線ロール群の正面図である。第４図（ｂ）は本発明の更に別の実施形態例の１つである成形撚線ロール群の平面図である。
第５図について、第５図（ａ）は、従来例である成形撚線ロール群の正面図である。第５図（ｂ）は、従来例である成形撚線ロール群の平面図である。
第６図は、本発明の実施形態例の成形撚線の断面図である。
第７図は、従来の製造方法による成形撚線の断面図である。
【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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