(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、絶縁体を被覆する銅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、前記通水用パイプがニッケルを含むステンレスからなり、前記無機物絶縁金属被覆ケーブルと前記冷却水通水用パイプが、スズ１００重量部に対し、０．３〜１．９５重量部の銅、０．０５〜０.１５重量部のニッケルを、合計で２.０重量部以下加えた合金からなる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、前記非磁性低融点金属は、融点が３００℃以下であることを特徴とする電磁コイル。
【請求項３】
請求項１又は２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４】
請求項１又は２に記載の電磁コイルにおいて、前記無機物の絶縁体は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする電磁コイル。
【請求項５】
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請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の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】
この対策のため、導体を被覆する無機物の絶縁体として、無機物の中では熱伝導率が比較的大きい酸化マグネシウムを用い、ＭＩＣと通水用パイプの間に非磁性低融点金属を介在させて両者を固着させる技術が開示されている。この構成を具備した電磁コイルは、通水パイプとＭＩＣの間に熱伝導率が大きい金属が充填されているので、導体への通電に伴って生じる熱を極めて速やかに除くことができる。
【０００７】
図４は、ＭＩＣの一例の断面を示す図であり、４０１は無酸素銅からなる導体、４０２は酸化マグネシウムからなる絶縁体、４０３は銅からなるシースを示す。また、図５は、ＭＩＣと通水用パイプを非磁性低融点金属で固着した電磁コイルの一例の断面を示した図であり、５０１はＭＩＣ、５０２はステンレスからなる通水用パイプ、５０３はスズを主成分とする非磁性低融点金属、５０４はステンレスからなるケースを示す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＩＣを用いた電磁コイルでは、図５に示したような構造の採用により、前記のように冷却効率を大きくすることができるが、ここで問題となるのは、電磁コイルの製造工程における非磁性低融点金属を充填する際の、ＭＩＣのシースや通水用パイプなどの非磁性低融点金属への溶出による肉厚の減少である。この現象は、相平衡の関係からある程度は避けられないものであり、特にＭＩＣを屈曲させる際に、内側のシース部に生じる皺の部分への影響が大きく、電磁コイルの信頼性低下に繋がるものである。
【０００９】
従って、本発明の技術的な課題は、ＭＩＣの巻線と通水用パイプの間に非磁性低融点金属を充填した構造を採用することで冷却効率を改善し、かつ１０８Ｇｙ以上のレベルの放射線に耐える電磁コイルにおいて、ＭＩＣのシースや通水用パイプを構成する材料の非磁性低融点金属への溶出を防止した電磁コイルと、その製造方法を提供することにある。
【００１０】
【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と通水用パイプの間に介在させる、非磁性低融点金属の組成を検討した結果なされたものである。
【００１２】
即ち、本発明は、導体、導体を被覆する無機物の絶縁体、絶縁体を被覆する銅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ニッケルを含むステンレスからなる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、スズ１００重量部に対し、０．３〜１．９５重量部の銅、０．０５〜０.１５重量部のニッケルを、合計で２.０重量部以下加えた合金からなる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
【００１３】
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３００℃以下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である。
【００１５】
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は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする電磁コイルである。
【００１６】
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、前記の電磁コイルの製造方法である。
【００１７】
【作用】
前記のように、ＭＩＣと通水用パイプの間隙に充填して用いられる非磁性低融点金属としては、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。
【００１８】
しかし、これらの溶湯を他の金属と接触させると、溶湯の温度における飽和濃度まで、接触している金属が、溶湯に溶出するのは避けられない。図１は、スズと銅からなる２成分系の状態図の一部を示したものである。この図によれば、スズを溶解してＭＩＣと通水用パイプの間隙に充填するのに必要な温度である３００℃近傍では、銅が３重量％程度溶解することが分かる。
【００１９】
このことから、銅を前記の範囲でスズに加えておくことで、溶湯を充填する際に、ＭＩＣの銅シースの溶出を防止し得ることが期待できる。また、通水用のパイプにはステンレスを用いることがあり、この場合もニッケルの溶出を、同様の方法で防止し得ることが期待できる。図２は、スズとニッケルからなる２成分系の状態図の一部を示したものであり、ニッケルを０.２重量％以内の範囲で、スズに加えることが前記の問題解決に寄与し得ることを示唆している。
【００２０】
このような観点から、スズに加える金属の濃度を検討した結果、銅の溶出を防止するのに加える銅の濃度は、スズ１００重量部に対して、２重量部以下であることが最適であった。また、さらに望ましい適正範囲は、銅の溶出を防止するのに加える銅の濃度が、０.３〜１.２重量部である。また、ニッケルの溶出を防止するのに加えるニッケルの濃度は、スズ１００重量部に対して、０.１重量部以下であることが最適であった。また、さらに望ましい適正範囲は、銅の溶出を防止するのに加えるニッケルの濃度が、０.０５〜０.１５重量部である。
【００２１】
また、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、酸化マグネシウムや窒化アルミニウムを使用する。無機物を酸化マグネシウムに限定した理由は、酸化マグネシウムや窒化アルミニウムが絶縁体と使用できる酸化物の中で、酸化ベリリウムと同等、または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。
【００２２】
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。また、窒化アルミニウムも、７０〜２７０という高い熱伝導率を具備しているが、価格や供給性の面で、酸化マグネシウムの方が優れている。
【００２３】
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。
【００２４】
【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。
【００２５】
ここでは、まず、銅及びニッケルの濃度を変えたスズの溶湯への、銅の溶解速度を検討した一例を示す。図３は、前記溶湯への銅の溶解速度の検討結果を示したものである。検討方法は、１辺が２５ｍｍで厚さ１.５ｍｍの銅板を所要温度に保持した溶湯に、所要時間浸漬した後、銅板の厚さを測定するというものである。
【００２６】
図３において、３０１は、スズが９９.３重量％、銅が０.６重量％、ニッケルが０.１重量％という組成の非磁性低融点金属を、２４０±５℃に保持した状態で、前記銅板を浸漬した結果を示す。３０２は、スズが１００％という組成の非磁性低融点金属の溶湯を、２３５±５℃に保持して、前記銅板を浸漬した結果、３０２は、同じくスズが１００％という組成の非磁性低融点金属の溶湯を２４０±５℃に保持して、前記銅板を浸漬した結果を示す。
【００２７】
この結果から、明らかなように、銅とニッケルを含む非磁性低融点金属を用いることで、ＭＩＣのシースを構成する銅、及び通水用パイプなどを構成するステンレスの、溶湯への溶出を抑制し得ることが推定できる。従って、ＭＩＣのシースの厚さや通水用パイプの厚さの減少を極めて少なくすることができ、ＭＩＣを巻き回した電磁コイルの信頼性を向上することができる。そして、このような組成の非磁性低融点金属は、図５に示した電磁コイルにも適用できる。
【００２８】
また、図６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である。図６の例では、ＭＩＣ６０１の、図における上下の部分に、ステンレスからなる通水用パイプ６０２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６０２も曲げ加工とロー付けを施され、コイル形状となる。
【００２９】
そして、ＭＩＣ６０１と通水用パイプ６０２との間隙には、スズが９９.３重量％、銅が０.６重量％、ニッケルが０.１重量％なる組成の非磁性低融点金属が充填してあり、ＭＩＣ６０１と通水用パイプ６０２を固着している。このように、ＭＩＣ６０１と通水用パイプ６０２の間には、熱伝導率の高い金属が介在しているので、ＭＩＣ６０１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、６０４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。
【００３０】
図７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である。図７の例でも、ＭＩＣ７０１に曲げ加工を施して巻き回し、隣接するＭＩＣ７０１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、スズが９９.３重量％、銅が０.６重量％、ニッケルが０.１重量％なる組成の非磁性低融点金属７０３で覆ってから、ステンレスのケース７０４を設ける。通水用パイプ７０２は、ケース７０４の外側に、ロー付けにより固着される。
【００３１】
この場合は、図６に示した第１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７０４と通水用パイプ７０２の間に、十分な量の非磁性低融点金属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６示した第１の例よりも、取り扱いに注意が必要となる。
【００３２】
図８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図である。図８の例でも、ＭＩＣ８０１に曲げ加工を施して巻き回し。隣接するＭＩＣ８０１のそれぞれの間をロー付けし、コイルとする。そして図８における上下のＭＩＣの間には、銅プレート８０５を介在させ、銅プレート８０５の両端には、通水パイプ８０２を取り付ける。
【００３３】
なお、ＭＩＣ８０１及び通水用パイプ８０２と、銅プレート８０５との接合はハンダ８０６を用いている。ハンダは銅に対する濡れが良好であり、ＭＩＣ８０１、銅プレート８０５、通水パイプ８０２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、非磁性低融点金属を必ずしも充填する必要がない。
【００３４】
図８の例では、全体の固着を、スズが９９.３重量％、銅が０.６重量％、ニッケルが０.１重量％なる組成の低融点金属８０３を用いて行なっているが、これまで説明した例に示した非磁性低融点金属の他にアルミナセメントを用いることもできる。
【００３５】
また、図９は、これまでに説明した電磁コイルの外観を示す斜視図である。図９において、９０１はＭＩＣ、９０２は通水用パイプ、９０３は非磁性低融点金属、９０４はステンレス製のケース、９０５はブスバーを示す。また、９０６は絶縁端末であり、ＭＩＣのシース、ハンダ９０３、ケース９０４への電流の漏洩を防止する機能を有する。
【００３６】
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６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６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。
【００３７】
図１０は、これらの電磁コイルの冷却性能の評価結果をまとめて示したものである。図１０の中で、１００１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、１００２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、１００３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、１００４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、１００５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。
【００３８】
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。
【００３９】
【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、十分な冷却効率を発現し得る構造を付与するために、ＭＩＣと通水用パイプとの間隙に、非磁性低融点金属を充填する工程において、非磁性低融点金属への溶出による障害を未然に防止することが可能となる。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、大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スズと銅からなる２成分系の状態図の一部を示す図。
【図２】スズとニッケルからなる２成分系の状態図の一部を示す図。
【図３】溶湯への溶解速度の検討結果を示す図。
【図４】ＭＩＣの一例の断面を示す図。
【図５】ＭＩＣと通水用パイプを非磁性低融点金属で固着した電磁コイルの一例の断面を示す図。
【図６】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を示す図。
【図７】本発明に係る電磁コイルの第２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を示す図。
【図８】本発明に係る電磁コイルの第３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を示す。
【図９】本発明の電磁コイルの外観を示す斜視図。
【図１０】電磁コイルの冷却性能の評価結果を示す図。
【符号の説明】
３０１    スズが９９.３重量％，銅が０.６重量％，ニッケルが０.１重量％の組成での結果
ＭＩＣ３０２    スズが１００％の組成，温度が２３５±５℃での結果
３０３    スズが１００％の組成，温度が２４０±５℃での結果
４００，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１    ＭＩＣ
４０１    導体
４０２    絶縁体
４０３    シース
５０２，６０２，７０２，８０２，９０２    通水用パイプ
５０３，６０３，７０３，８０３，９０３    非磁性低融点金属
５０４，６０４，７０４，８０４，９０４    ケース
８０５    銅プレート
８０６，９０３    ハンダ
９０５    ブスバー
９０６    絶縁端末
１００１    通水用パイプをＭＩＣの片側のみに配置した電磁コイル
１００２    通水用パイプをＭＩＣの上下に配置した電磁コイル
１００３    通水用パイプをＭＩＣの片側のみに配置した電磁コイル
１００４    通水用パイプをＭＩＣの上下に配置した電磁コイル
１００５    中空導体を用いた電磁コイル
【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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