JP5525876B2 - 絶縁被覆酸化物超電導線材および樹脂含浸超電導コイル - Google Patents

Description

本発明は、例えば、離形材が配置された絶縁被覆されているＲＥ系酸化物超電導線材等の絶縁被覆酸化物超電導線材およびこれを用いた樹脂含浸超電導コイルに関する。

超電導技術の向上に伴い超電導コイルを用いた超電導応用機器、例えば、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や超電導エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、単結晶引き上げ装置などが実用化されるようになってきている。そして、これらの超電導応用機器に内蔵される超電導コイルについては、現在、高温・高磁場中での臨界電流特性に優れた高温超電導線材を使用したものの開発が進められており、高温超電導線材としては、例えば、フィラメント状のＢｉ系酸化物超電導材料を用いた多芯構造の銀シース線材が実用化の段階にあり、また、最近では、テープ状の金属基板上に中間層を間に設けて形成されたＹ（イットリウム）やＧｄ（ガドリニウム）といった希土類元素によるＲＥ系酸化物超電導層を有する多層構造の次世代高温超電導線材と称される高温超電導線材の開発が進められている。

一方、超電導コイルについては、巻き回した形状の保持や真空中での伝熱性を向上させるために、エポキシ樹脂等の合成樹脂の含浸を行うことが多い。しかし、このような樹脂含浸を行う多層構造のＲＥ系酸化物超電導層を有する高温超電導線材（以下、ＲＥ系酸化物超電導線材と記す）等は、積層方向の引張り応力、すなわち、剥離力に弱く、含浸した合成樹脂の硬化収縮時や、冷却時に、含浸された合成樹脂とＲＥ系酸化物超電導線材との熱収縮率の差に起因する熱応力で層間剥離を起こし、超電導コイルの超電導特性が劣化する虞があった。

これに対し、高温超電導コイルを、絶縁材で被覆されている高温超電導線材の全周囲に離形材を配置して構成し、コイル形成をすることにより、高温超電導コイルを冷却した際に、含浸されたエポキシ樹脂の含浸材が冷却により収縮しても、離形材が剥離し、高温超電導線材に剥離力が働かず、超電導特性を劣化させてしまうことがないとしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

こうした特許文献１に示された技術に基づいて、離形材層を全周囲に設けるようにした絶縁材層で被覆されているＲＥ系酸化物超電導線材（以下、離形材付き絶縁被覆酸化物超電導線材と記す）を構成すると、その断面図は、図７（ａ）、図７（ｂ）に示す通りの形態となる。

すなわち、図７（ａ）、図７（ｂ）において、離形材付き絶縁被覆酸化物超電導線材１００は、線材断面形状が略平角形状の平角線材であって、同じく略平角形状の平角線材であるＲＥ系酸化物超電導線素材１と、ＲＥ系酸化物超電導線素材１の全表面を被覆する絶縁材層２と、さらに、層間剥離を回避するために絶縁材層２の全表面を被覆する離形材層３で構成されている。

また、ＲＥ系酸化物超電導線素材１は、金属基板１１と、金属基板１１上に多結晶薄膜等でなる中間層１２を介して設けられたＲＥ系酸化物超電導層１３と、ＲＥ系酸化物超電導層１３上に設けられた保護金属層１４と、積層された金属基板１１から保護金属層１４までの層全体を被覆する安定化金属層１５とで構成されており、ＲＥ系酸化物超電導線素材１は、ＲＥ系酸化物超電導層１３の厚さが、例えば数μｍと非常に薄く、中間層１２との層間で剥離しやすいものとなっている。なお、安定化金属層１５は設けなくてもよい。

そして、このように構成した離形材付き絶縁被覆酸化物超電導線材１００を用い、不図示であるが巻き回し、成形してエポキシ樹脂等の熱硬化性合成樹脂を含浸させて形成した樹脂含浸超電導コイルは、冷却することによって離形材層３が剥離し、含浸された合成樹脂と離形材付き絶縁被覆酸化物超電導線材１００とが接触しなくなってしまう。こうした接触しない状態になってしまうとコイル径方向の伝熱経路の抵抗が大となり、離形材付き絶縁被覆酸化物超電導線材１００の冷却は、主として線材の長手方向（長さ方向）の伝熱に頼らざるを得なくなる。このため、万一、樹脂含浸超電導コイルが発熱した際には、熱を除去することが困難になり、樹脂含浸超電導コイルが焼損してしまう虞が生じる。

特開２００８−２４４２４９号公報

上記のように、離形材付き絶縁被覆ＲＥ系酸化物超電導線材を巻き回し、熱硬化性合成樹脂を含浸させて樹脂含浸超電導コイルを形成した際に、冷却によって層間剥離回避用の離形材層が剥離してＲＥ系酸化物超電導線素材には剥離力が働かず超電導特性が劣化し難いものとなるが、コイル径方向の伝熱経路の抵抗が大きくなり、発熱した際には線材の長手方向の伝熱によって熱を除去するだけでは焼損してしまう虞がある。

こうした状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは、絶縁被覆酸化物超電導線材で形成した樹脂含浸超電導コイルを冷却した際、冷却されることで離形材層が剥離する剥離力で超電導特性が劣化してしまうといった虞が少なく、また樹脂含浸超電導コイルが発熱した場合でも十分に熱を除去することができ、焼損に至る虞の少ない絶縁被覆酸化物超電導線材および樹脂含浸超電導コイルを提供することにある。

この発明は上記目的を達成するものであって、絶縁被覆酸化物超電導線材が、平角線材のＲＥ系酸化物超電導線素材を全周面に絶縁材層を略等厚に形成して被覆すると共に、前記絶縁材層の外表面に離形材層を形成した絶縁被覆酸化物超電導線材であって、前記離形材層が、前記絶縁材層の外表面の一部のみに形成されていることを特徴とするものである。

また、樹脂含浸超電導コイルが、前記絶縁被覆酸化物超電導線材を巻き回し、コイル成形した後に熱硬化性合成樹脂を含浸させて巻線部が形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、絶縁被覆酸化物超電導線材を巻き回し、熱硬化性合成樹脂を含浸させて樹脂含浸超電導コイルを形成した時、樹脂含浸超電導コイルを冷却する際の離形材層の剥離力によって超電導特性が劣化してしまう虞が少なくなり、また樹脂含浸超電導コイルのコイル径方向の伝熱抵抗を小さくできることで、樹脂含浸超電導コイルが異常発熱した場合でも熱除去を十分に行うことができ、焼損の虞を少なくすることができる

本発明の実施形態における絶縁被覆酸化物超電導線材を示す断面図で、図１（ａ）は絶縁被覆酸化物超電導線材の縦断面図、図１（ｂ）はＲＥ系酸化物超電導線素材の縦断面図である。 本発明の実施形態における樹脂含浸超電導コイルの巻線部の一部を切断して示す斜視図である。 図２においてＡで示す巻き始めの部分の縦断面図である。 図２においてＢで示す巻き終わりの部分の縦断面図である。 図２においてＣで示す中間部分の縦断面図である。 図２に示す樹脂含浸超電導コイルの巻線部体積と剥離力の関係を示す図である。 従来技術による絶縁被覆酸化物超電導線材を示す断面図で、図７（ａ）は絶縁被覆酸化物超電導線材の縦断面図、図７（ｂ）はＲＥ系酸化物超電導線素材の縦断面図である。

以下本発明の実施の形態を、図１乃至図６を参照して説明する。なお、従来と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、従来と異なる本発明の実施の形態の構成について説明する。

図１乃至図６に示すように、絶縁被覆酸化物超電導線材２１は、線素材断面形状が略平角形状となっている平角線材のＲＥ系酸化物超電導線素材１の全表面に絶縁材層２を略等厚に被覆し、被覆した絶縁材層２の片方の広幅面部外表面のみに離形材層２２を等幅に設けて構成されている。これによって、絶縁材層２の他方の広幅面部とその両側に続く狭幅面部の外表面は、直接露出した状態となっている。

また、ＲＥ系酸化物超電導線素材１は、一般的にＣｏａｔｅｄ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒと呼ばれる構成のもので、等幅に形成された複数のテープ状素線部材を積層した多層構造をなしている。この多層構造をなすＲＥ系酸化物超電導線素材１は、例えば、ニッケル基合金のハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ；登録商標）等で形成された金属基板１１の上に多結晶薄膜等の中間層１２が積層され、その上にＹ（イットリウム）やＧｄ（ガドリニウム）といった希土類元素による、例えば厚さが数μｍと非常に薄く、層間で剥離しやすいＲＥ系酸化物超電導層１３が積層され、さらに、Ａｕ（金）やＡｇ（銀）などで形成された保護金属層１４がその上に積層されたものとなっている。また積層された金属基板１１から保護金属層１４までの全層には、必要に応じて、Ｃｕ（銅）やステンレス鋼などで形成された安定化金属層１５が被覆されている。

また、ＲＥ系酸化物超電導線素材１の全表面を等厚に被覆している絶縁材層２は、例えば、ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドなどのうちの１つ、あるいは複数のものを組み合わせたものを絶縁材料としている。そして、略等厚に全表面を被覆する方法としては、例えば、絶縁材料を塗布または接着することによる方法、あるいは、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドなどのうちの１つ、あるいは複数のものを組み合わせたものを絶縁材料として形成された非粘着フィルムを、重なり部分を設けるようにして巻き付ける、所謂、ラップ巻きするなどの方法により被覆されている。

また、絶縁材層２の片方の広幅面部外表面に設ける離形材層２２は、例えば、パラフィン、シリコーンワックス等の各種ワックス類、若しくはシリコーンオイル、各種グリース、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂、メタアクリル系樹脂、シリコーン変性アクリル系樹脂、シリコーン変性メタアクリル系水溶性樹脂、セルロース誘導体樹脂、ウレタン系樹脂、酢酸系ビニル樹脂、アクリルビニルエーテル系樹脂、無水マレイン酸樹脂などの各種樹脂やこれらの混合物で形成されている。なお、フッ素形樹脂を用いる場合は、フッ素系樹脂テープを用いることが好ましい。

そして、上述のように構成された絶縁被覆酸化物超電導線材２１を、先ず、離形材層２２が形成されていない他方の広幅面部側を巻中心側となるようにして図２に示すように、同心円状に巻き重ね、所謂、シングルパンケーキ形状の所定形状となるよう巻き回し、コイル成形を行う。その後、熱硬化性合成樹脂、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂などのうちの１つ、あるいは複数の熱硬化性合成樹脂２３を含浸させて、樹脂含浸超電導コイル２４の巻線部２５を形成する。なお、樹脂含浸超電導コイル２４は、巻線部２５に図示しない端子等を設けて取り付けられることで、例えば、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や超電導エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、単結晶引き上げ装置などの超電導応用機器に用いられる。

さらに、巻線部２５については、層間剥離を生じる虞のないコイル最内周側の巻き始めの部分２５ａ及びコイル最外周側の巻き終わりの部分２５ｂの絶縁被覆酸化物超電導線材２１に、それぞれ所定長さ部分にわたり離形材層２２が形成されておらず、逆に層間剥離を生じる虞のある中間部分２５ｃの絶縁被覆酸化物超電導線材２１に離形材層２２が形成された構成となっている。そして、層間剥離を生じる虞のない離形材層２２が形成されていない絶縁被覆酸化物超電導線材２１によってコイル形成された部分の巻線部体積は、例えば、コイル最内周側の巻き始めの部分２５ａでは全巻線部体積の１５％以下となっており、コイル最外周側の巻き終わりの部分２５ｂでは全巻線部体積の４０％以下となっている。

この巻き始めの部分２５ａ、巻き終わりの部分２５ｂの巻線部体積は、次のようにして決定されている。

すなわち、離形材層が形成されていない線材を用いて、内径が３０ｍｍ、外径が６０ｍｍ、ターン数が８２、コイル形状がシングルパンケーキ形状のコイルを形成する。そして、形成したコイルについて構造解析を行い、構造解析によってコイルに働く剥離力と、コイル最内周を巻き始めとしコイル最外周を巻き終わりとしたときの巻線部体積との関係を得る。得られた結果は、横軸に巻き始め点（０％）から巻き終わり点（１００％）までの巻線部体積（％）、縦軸に剥離力（ＭＰａ）をとって示す図６の通りとなる。

一方、Ｄ Ｃ ｖａｎ ｄｅｒ Ｌａａｎらによれば（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２０（２００７）７６５−７７０）、ＭＯＤ−ＲＡＢｉＴＳ法により作成されたＹ系酸化物超電導線材の剥離強度は１０ＭＰａとなっている。従って、この１０ＭＰａの剥離強度が剥離限界値となるから、この剥離強度を図６に示す関係に適用すると、剥離強度が１０ＭＰａ以下の剥離限界値以下となっているのは、図６に示す斜線部分のコイル最内周側の巻線部体積が０％の位置（巻き始め点）から１５％の位置までの間の巻線部体積が全巻線部体積の１５％となっている巻き始めの部分２５ａと、コイル最外周側の巻線部体積が６０％の位置から１００％の位置（巻き終わり点）までの間の巻線部体積が全巻線部体積の４０％となる巻き終わりの部分２５ｂである。

このように剥離強度が１０ＭＰａ以下となっていて、離形材層２２が設けられていないコイル最内周側の巻き始めの部分２５ａとコイル最外周側の巻き終わりの部分２５ｂの絶縁被覆酸化物超電導線材２１は、直接、絶縁材層２全外表面と含浸した熱硬化性合成樹脂２３とが接触していても層間剥離が生じないことになる。なお、コイル最内周側の巻き始めの部分２５ａとコイル最外周側の巻き終わりの部分２５ｂを、離形材層２２が設けられていない絶縁被覆酸化物超電導線材２１によりコイル形成したが、巻き始めまたは巻き終わりの一方が他の部材で保持されている場合等、必要に応じて何れか一方だけとしてもよい。

そして、絶縁被覆酸化物超電導線材２１及び樹脂含浸超電導コイル２４を上述の通り構成することにより、絶縁被覆酸化物超電導線材２１は、熱硬化性合成樹脂２３の硬化収縮時や冷却時の熱収縮率差に起因する熱応力で層間剥離が生じても、絶縁材層２の一部外表面に形成した離形材層２２が剥離し、剥離力が絶縁被覆酸化物超電導線材２１に働かず、超電導特性を劣化させてしまうことがない。また、離形材層２２が形成されていない絶縁材層２の残りの外表面は含浸された熱硬化性合成樹脂２３と接触状態にあるため、絶縁材層２の外表面を通じての抵抗の小さいコイル径方向の伝熱経路が確保でき、伝熱性能が向上する。そのため、万一、樹脂含浸超電導コイル２４が異常発熱した際には、絶縁被覆酸化物超電導線材２１の線材長手方向の伝熱に頼ることなく、コイル径方向の伝熱によって熱を除去することができ、樹脂含浸超電導コイル２４が焼損してしまうといった虞がなくなる。

さらに、樹脂含浸超電導コイル２４のコイル最内周側の巻き始めの部分２５ａとコイル最外周側の巻き終わりの部分２５ｂの絶縁被覆酸化物超電導線材２１には離形材層２２が設けられておらず、直接、絶縁材層２全外表面と含浸した熱硬化性合成樹脂２３とが接触しているため、これらの部分では伝熱性能がより向上したものとなっており、またコイルの機械的強度も向上したものとなっていて、コイル形状がより強固に維持される。

なお、絶縁被覆酸化物超電導線材２１に設けられた離形材層２２は、絶縁材層２の片方の広幅面部外表面に等幅に設けたが、剥離力を緩和する効果が少なくなるものの伝熱性能が向上するので、離形材層２２を狭幅となるように設けてもよく、あるいは、絶縁材層２の両狭幅面部を露出させ、表裏両方の広幅面部外表面に離形材層２２を等幅に設けることで、剥離力を緩和する効果を増大させるようにしてもよい。

また、絶縁被覆酸化物超電導線材２１を同心円状に巻き回してシングルパンケーキ形状としたが、シングルパンケーキを複数積層するようにしてもよく、またダブルパンケーキ形状や単巻のソレノイド形状などの形状であってもよい。さらにまた、合成樹脂２３の含浸は、プリプレグテープ等の予め樹脂含浸された接着シートを、絶縁被覆酸化物超電導線材２１を巻き回す際に共巻するようにして行ってもよい。

１…ＲＥ系酸化物超電導線素材、２…絶縁材層、１１…金属基板、１２…中間層、１３…ＲＥ系酸化物超電導層、１４…保護金属層、１５…安定化金属層、２１…絶縁被覆酸化物超電導線材、２２…離形材層、２３…熱硬化性合成樹脂、２４…樹脂含浸超電導コイル、２５…巻線部、２５ａ…巻き始めの部分、２５ｂ…巻き終わりの部分、２５ｃ…中間部分

Claims (7)

1. 平角線材のＲＥ系酸化物超電導線素材を、全周面に絶縁材層を略等厚に形成して被覆すると共に、前記絶縁材層の外表面に離形材層を形成してなる絶縁被覆酸化物超電導線材であって、
   前記離形材層が、前記絶縁材層の外表面の一部のみに形成されていることを特徴とする絶縁被覆酸化物超電導線材。
2. 前記絶縁材層は、ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうちの少なくとも１つで形成されていることを特徴とする請求項１記載の絶縁被覆酸化物超電導線材。
3. 前記絶縁材層は、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドのうちの少なくとも１つで形成されたフィルムを巻き付けることによって形成したものであることを特徴とする請求項１記載の絶縁被覆酸化物超電導線材。
4. 前記離形材層が、前記絶縁材層の片方の広幅面部外表面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の絶縁被覆酸化物超電導線材。
5. 前記請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の絶縁被覆酸化物超電導線材を巻き回し、コイル成形した後に熱硬化性合成樹脂を含浸させて巻線部が形成されていることを特徴とする樹脂含浸超電導コイル。
6. 前記熱硬化性合成樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項５記載の樹脂含浸超電導コイル。
7. 前記巻線部のコイル最内周側の巻き始めの部分及びコイル最外周側の巻き終わりの部分の少なくとも一方の前記絶縁被覆酸化物超電導線材は、所定長さ部分に離形材層が形成されていないことを特徴とする請求項５または請求項６記載の樹脂含浸超電導コイル。

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