JPH04137315A - 超電導体の製造方法および超電導コイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超電導体ならびにその強化方法、および、超
電導コイルならびにその製造方法に関し、特に、液体Ｈ
ｅ中で超電導現象を示す超電導線の機械的擾乱の原因の
１つである塑性ひずみ発熱を低減させる技術に関する。

［従来の技術］ 液体Ｈｅにより冷却することで超電導現象を示す超電導
材料（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ線）は、一般に、熱伝導の高
いＣｕ又はＡＱ、（これらを、安定化機材という。）の
中に、極細線として多数理め込まれることによって、多
芯複合材の超電導体として使用される。

この超電導体は、従来では、「超電導工学の基礎」第６
１巻第４号、核融合研究Ｐ３１７（１９８９）に記載さ
れている方法で製造されている。

上記従来技術について、第８図を用いて説明する。

まず、−本のＮｂ−Ｔｉ８１などの超電導材料を安定化
機材の中に埋め込み、つぎに、この超電導材料と安定化
機材とを集合化（８０）して多芯複合化超電導体とする
。

次に、この多芯複合化超電導体の芯線を安定化機材の中
で撚り（ツイスト８２）、その後、目的の形状に整形（
８３）する。

次に、上記多芯複合化超電導体を熱処理（８５）した後
、伸線加工を行ない、その後、エナメル被覆などの表面
を＃！縁焙処理８６）する。

上記のようにして製造された超電導体の長さ方向の拡大
断面図を第９図に示す。

この断面図に示される超電導体は、実際には、約２　ａ
ｎ　Ｘ　１　ｍｍ程度の大きさであり、超電導材料の極
細線が約２０００本以上埋込まれている。

同図において、白抜きの部分がＮｂ−Ｔｉ線でり、白く
見える部分がＣｕであり、その体積比は１対１である。

次に、上記多芯複合化超電導体を多層巻した超電導コイ
ルについて説明する。

従来では、この超電導コイルは、例えば、約２ｗＸ１■
の超電導体１を、型枠に１０００回以上巻き、約１００
〜１５０℃中でエポキシ含浸し、レーストラック状に成
形することによって製作している。

第４図は、この超電導コイルを多層巻した方向と直角方
向に切断したときの断面を示す部分拡大断面図である。

同図に示すように、この超電導コイルは、超電導体１を
積層し、各層間には絶縁材としてガラスクロス（ＧＦＲ
Ｐ）　２を配置している。また、エポキシ含浸した結果
、超電導体１コーナ部外側にはエポキシ３が充填されて
いる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術において、超電導材料として一般に用いら
れるＮｂ−Ｔｉ線の降伏応力は高いが、安定化機材であ
るＣｕ　（純網）およびＡＩ　（純アルミニウム）の降
伏応力は低い。

さらに、上記従来技術における超電導体製造方法におい
ては、線引成形後に、約３００〜３５０℃でエナメル被
覆などの表面を絶縁処理を行なうので、Ｃｕなどの降伏
応力は低下する。このため、超電導体としては、繰返し
負荷状態においてヒステリシスを描く。

第３図を用いて、このヒステリシスについて説明する。

第３図は、繰返し負荷下における超電導体内部の応力・
ひずみ状態を示すグラフである。

縦軸は応力、横軸はひずみをしめす。

同図に示すように、Ｎｂ−Ｔｉ線と銅との複合体である
超電導体は、破線で示すように、低い応力の繰返し負荷
においてもヒステリシスを描く特性を持つ。

従来技術においては、このヒステリシスの面積で示され
る部分のエネルギーが熱に変換され、高価な冷却剤であ
るＨｅ消費量を増加させることになり、さらには、超電
導状態から常電導状態に移行するクエンチが起こるとい
う問題がある。

次に、上記従来技術の超電導体を用いて製造した超電導
コイルについて説明する。

この超電導コイルを構成する材料の熱収縮量を第５図に
示す。

同図の縦軸は熱収縮量を百分率で示し、横軸は温度を示
す。

また、第６図はコイルのエポキシ部に発生する拘束ひず
みを示すグラフである。

同図の縦軸はエポキシ部拘束ひずみを百分率で示し、横
軸は温度を示す。

第５図に示すように、エポキシの熱収縮量は、他の構成
材に化してきわめて大きい。したがって、第６図の破線
に示すように、従来技術では、エポキシモールドし、超
電導コイルとして機能する液体Ｈｅ温度４．２Ｋまでに
冷却する間で、エポキシには、約１．２５％の引張ひず
みが負荷されることになる。その他に励磁した時の電磁
力、走行時の振動等を考えると約１．３５％の引張ひず
みが繰返し負荷されると考えられる。

一方、エポキシの４．２にでの引張強度σＢが約１３０
ＭＰａ、縦弾性係数Ｅが約６　ＧＰａであるので、脆性
破壊すると、そのひずみσＩＩ／Ｅは約２．２％となり
、従って、２〜２．５％が許容ひずみと考えられる。こ
のため、現状のコイルでは、エポキシ割れの観点から見
ると、安全率はあまり高くないという問題がある。

次に、第７図には、超電導コイル構成材料の熱伝導率の
温度依存性を示す。

同図の縦軸は熱伝導率を示し、横軸は温度を示す。

超電導体の熱伝導率に比べ、エポキシの熱伝導率は約１
／１０００と小さく、エポキシ割れや他の要因で熱が発
生した場合には、熱の拡散をさまたげる原因になるとい
う問題がある。

本発明の目的は、Ｃｕ等の安定化機材の降伏応力を上げ
、繰返し負荷における超電導体のヒステリシスを小さく
して、発熱要因を小さくしクエンチを防止する方法、お
よび、超電導体のコーナ部の極率半径（Ｒ）を小さくし
て、多層巻きにしてコイルを製造する時に、超電導体ど
うしの密着度を上げ、横方向の熱の流れが良好である超
電導コイルならびにその製造方法を提供することにある
。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、表面を絶縁処理した多芯複合化超電導体の
長さ方向と垂直な断面における形状が略四角形になるよ
うに加工する工程を含んで構成される超電導体の製造方
法により達成できる。

また、超電導体に張力を加えながら、型枠に多層巻きす
る超電導コイルの製造方法により達成できる。

［作　用］ 表面を絶縁処理した超電導体は、その安定化機材の降伏
強度が低下しているので、絶縁処理後に、減面圧延加工
することにより、加工硬化し降伏応力が高くなる。その
結果、超電導体としての降伏応力も高くなり、塑性変形
による発熱を防止し。

クエンチ防止となる。

また、超電導体の長さ方向の断面形状を略四角形にする
ことによって、隅部の大きい空間が発生することを防止
しできる。このため、超電導コイルを製造するために、
多層巻きとした場合において、熱伝導率の良くない接着
剤の量を減らすことができ、また、超電導体どうしの密
着度が良くなり冷却効果が改善される。その結果、クエ
ンチ防止となる。

［実施例］ 次に１本発明の実施例を図を用いて説明する。

本発明の第１実施例を、第１図および第２図を用いて説
明する。

第１図は、本実施例に係る超電導体の製造方法の一部を
説明するための説明図である。

また、第２図は、本実施例に係る方法で製造した超電導
体の長さ方向の拡大断面図である。

本実施例に係る超電導体の製造方法は、第８図に示した
従来方法の製造方法に、第１図に示すような、加工ロー
ル５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂによる圧延成形工程を追加し
たものである。

すなわち、上下方向の端部の平坦な加工ロール５ａ、５
ｂと、これと９０°ずつずらせて配置した端部の平坦な
左右方向加工ロール６ａ、６ｂとを、被加工材となる表
面絶縁処理が終了した超電導体の加工面が、同一平面上
になるように配置する。

これら４つの加工ロール５ａなどの間隔を調整し、表面
絶縁処理が終了した超電導体の上下・左右方向を一所定
の加工度に、同時に成形加工する。

なお、加工ロールは無能動で超電導体１の移動により摩
擦で回転する方式で行っておりエナメル層をキズつける
ことがない。加工度１５％まで圧延したものでもエナメ
ル４の絶縁ハクリはなかった。

第２図は、第９図に示した従来方法で製造した超電導体
を本実施例に係る方法によって、１０％圧延成形加工し
たときの長さ方向の拡大断面図を示す。

同図において、白抜きの部分がＮｂ−Ｔｉ線、白く見え
る所がＣｕである。なお、外表面にはエナメル絶縁被覆
４が施しである。

同図に示すように２本実施例に係る超電導体は、その長
さ方向に垂直な断面における形状の直線部分の長さは、
第９図に示す従来技術に係る超電導体の同じ部分の長さ
に比べ、上下・左右面とも改善されている。

この直線部分の割合は高いほどよい。本実施例では、約
９０％である。

この結果、上記断面コーナ部の曲率半径は、従来技術で
は約０．４　ｍｎあるが、これを約０．１８ｍｎとする
ことができ、後述する超電導コイルを製造するために、
多層巻きとしたときの超電導体どうしの密着度が良くな
り、冷却効果の改善が図れ、クエンチを防止する効果も
ある。

次に、第１０図を用いて、本実施例に係る超電導体の引
張試験結果を示す。

この引張試験は周知の試験方法であり、同図の縦軸は応
力を示し、横軸はひずみを示す。

また、同図（ａ）は従来の超電導体、同図（ｂ）は１ｏ
％加工した本実施例に係る超電導体の応力−ひずみの関
係を０印で示す。

超電導体としての０．２％降降伏応力ケア、従来技術で
は２９０ＭＰａであるのに対し、本実施例の技術でハ４
６０ＭＰａになり、約１．６倍となる。このことがら、
圧延加工による降伏応力の改善効果が大きいことがわか
る。

同図に示すように、Ｎｂ−Ｔｉ線は降伏応力が高い（１
４００ＭＰａ）ので、超導電体の降伏応力が向上した原
因は、・印で示すＣｕの降伏応力が約１００ＭＰａから
２５０ＭＰａに上昇したからであると考えられる。

なお、加工度５％、１５％のものについて引張試験を行
った結果、０．２％降伏応力はそれぞれ４２０ＭＰａ、
４９０ＭＰａになり、加工度が５％以上であれば約１．
５倍以上に降伏応力が上昇し、十分圧延加工の効果があ
ることがわかる。

次に、本発明の第２実施例について第１１図を用いて説
明する。

第１１図は、本実施例に係る超電導コイル製造方法を示
す工程図である。

本実施例に係る超電導コイル製造方法は、まず、従来方
法により製造された超電導体１を、加工ロール５，６を
用いて圧延加工した後、超電導体１の降伏応力σアより
若干高い約３００ＭＰａの張力をかけながら、レースト
ラック状の型枠７に、各層間の絶縁材としてガラスクロ
ス２（第４図参照）を介して、多層に巻き付ける。ここ
で、各層間にガラスクロス２を介するのは、超電導体１
を引っ張りながら巻くので、型枠７のコーナ部等で超電
導体１表面に処理したエナメル層４にキズが生じるのを
防止するためである。

所定の巻数（寸法）になったら型枠７に固定した状態で
、有機系接着剤、例えばエポキシ４槽に入れ、コイル全
体にエポキシ３含浸させる。

次に、所定の時間が経過したら室温にもどし、型枠７を
外し、これにより、超電導コイル８が完成される。

本実施例で示すように、型枠に超電導体を巻くときに、
超電導体に３００ＭＰａの張力を作用させて巻き、エポ
キシモールド後に室温に冷却して型枠を外すと、上記し
た第６図に示すように、エポキシ３には約０．４％の圧
縮ひずみが与えられる。

また、エポキシ３と超電導体との熱収縮量の差が約０．
４％あるので、エポキシモールド温度から室温まで冷却
した時、熱収縮量差で発生した熱ひずみを打消すことに
なる。その後、液体Ｈｅ温度４．２Ｋまで冷却すること
によって、エポキシ３には、約０．８５％の引張ひずみ
が負荷されることになる。

従来技術の超電導製造方法では、エポキシのひずみ量は
約１．２５％であるので１本実施例に係る方法では、約
０．４％の引張ひずみ量が軽減できる。

エポキシ３の許容ひずみ量２％と、励磁による電磁力及
び運転時の振動応力とを考慮しても、本実施例に係る超
電導製造方法によれば約２倍の安全率が確保できる効果
がある。

なお、エポキシ３に圧縮残留応力のみを発生させるので
あれば圧延成形加工工程は必要ない。

次に、第１２図を用いて、本実施例に係る超電導コイル
に繰返し負荷したときの塑性ひずみ挙動を示す。

この図において、超電導体の圧延加工は１０％である。

また、同図において、縦軸は負荷応力σを示し、横軸は
塑性ひずみε、を示す。

Ｏ印で示す圧延加工のまま、および、Δ印で示す圧延加
工後エポキシ含浸処理を考慮したものの塑性ひずみは、
・印及びム印で示す２回目の繰返しでの塑性ひずみε、
に比べ、非常に大きな値となっており、従来方法で製造
した超電導体コイルの挙動と大差ないことがわかる。

しかし、１０％圧延加工後、３００Ｐａで張力を加え、
エポキシ３含浸処理を考慮する本実施例の超電導体１で
は、１回目■と２回目１印では塑性ひずみは大差なく、
塑性ひずみε、の減少に効果があることがわかる。

したがって、従来のコイル製造方法に圧延加工及び３０
０ＭＰａで強巻きすることによって、繰返し負荷により
超電導体自身が発熱する熱量を抑制する効果が大きく、
クエンチを防止する効果がある。

なお、無加工材を降伏応力以上で引張ることは、圧延加
工硬化させるのと同じ効果が得られると思ったが、第１
３図に示すように、引張後、エポキシ含浸処理と同様な
熱処理を施すことで軟化するためか、無加工材とほぼ同
じ挙動を示し効果がないことがわかった。

次に、超電導体の断面形状を略四角形にした効果につい
て説明する。

上記したように、第２図は、圧延加工した後の超電導体
１の断面を示す。

前述したように第８図の従来法での断面に比べ、コーナ
部曲率半径が、０．４　ｘｍあったものが０．１８ｍｎ
になっていること、および、上下・左右両面の平坦度も
改善されているので、第４図に示すように多層巻きにし
た時に、超電導体１どうしのすき間に充填されるエポキ
シ３量が減少し、エポキシ割れに伴う発熱量が減少し、
クエンチを防止する効果がある。

また、３００ＭＰａで強巻きすることで、超電導体１の
各層間に配置したガラスクロス３が、より密着して固定
されるので、超電導コイル８とした時の形状が安定する
。

さらに、超電導コイル８内で何らかの要因で発熱しても
、熱伝導率の大きな超電導体１（第７図参照）を伝わっ
て液体Ｈｅで冷却され、発熱を抑制する効果も大きくな
る。

上記超電導コイルを磁気浮上手段に用いれば。

クエンチを防止でき、効率のよい磁気浮上装置が得られ
る。

なお、従来方法で製造された超電導体を多層巻きして超
電導コイルを製作したあと、圧延加工すれば、同様な効
果が得られる。

第９図の超電導体製造方法においては、ＡＣロスを減少
させるためツイストし、その後、成形加工を行い形状を
整えている。しかし、その後、圧延加工を行うとツイス
トが戻り、超電導体１にねじれを発生することが懸念さ
れる。そのためにも超電導コイル８を裏作する場合には
、第１１図に示すように超電導体１に張力を加えながら
強巻きする一連の工程の中に圧延加工を行なうことで超
電導体のツイストの戻り現象を防止できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、超電導体製造の最終工程として、超電
導体に塑性加工を加えるので、降伏強度が上昇し、クエ
ンチを防止できる効果がある。また、超電導体の長さ方
向の断面を略四角形にするので、この断面の上下・左右
両面の平坦度が改善され、かつ、コーナ部の曲率半径が
小さくなるので、多層巻きにして、超電導コイルとした
ときに、超電導体どうしの密着度が改善され熱の流れが
良くなり冷却効果が上がる。その結果、クエンチを防止
できる。

また、型枠に張力を加えた状態で、超電導体を多層巻き
エポキシ含浸し、室温で型枠を外す方法によって超電導
コイルを製作すると、エポキシに圧縮残留応力を発生さ
せることができ、液体Ｈｅ温度まで冷却した時にエポキ
シに発生する引張ひずみの発生を抑制することができる
。また、多層巻きする場合において、超電導体を圧延加
工し、その後、張力を加えて強巻きすることで、繰返し
負荷により塑性ひずみが減少でき、超電導体自身が発熱
する熱量を抑制する効果がある。さらに、張力を加えな
がら強巻きする一連の工程の中に圧延加工工程を持って
くることで超電導体のツイストの戻り現象を防止する効
果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例に係る超電導体の製造方法の一部を
説明するための説明図、第２図は第１実施例に係る方法
で製造した超電導体の長さ方向の拡大断面図、第３図は
繰返し負荷における導体内部の応力・ひずみ状態を説明
するグラフ、第４図は従来法で製造した超電導体を多層
巻きとした超電導コイルの拡大断面図、第６図は超電導
コイル内のエポキシに発生する拘束ひずみ挙動を示すグ
ラフ、第５図、第７図は超電導コイル構成材料の熱収縮
量及び熱伝導率の温度特性を示すグラフ、第８図は従来
の超電導体製造方法を説明する説明図、第９図は従来法
で製造した超電導体の拡大断面図、第１ｏ図は超電導体
の引張経験における応力−ひすみ線図、第１１図は第２
実施例に係る超電導コイル製造方法を示す工程図、第１
２図は超電導コイルに繰返し負荷したときの塑性ひずみ
挙動を示すグラフ、第１３図は従来途方法で製造された
超電導体で製作された超電導コイルに繰返し負荷した時
の塑性ひずみ挙動を示すグラフである。 １・・・超電導体、５　ａ　、　５　ｂ　、　６　ａ　
、　６　ｂ　−圧延加工ロール、２・・・ガラスクロス
、３・・・エポキシ、４・・・エナメル被覆層、７・・
・型枠、８・・・超電導コイル。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．長さ方向と垂直な断面における形状が、略四角形で
   あることを特徴とする多芯複合化超電導体。
2. ２．ほぼ平行な２組の辺を持ち、それらの直線部分の長
   さの合計は、断面周囲の長さの合計の９０％以上である
   ことを特徴とする多芯複合化超電導体。
3. ３．多芯複合化超電導体を、長さ方向と垂直な断面にお
   ける形状が略四角形になるように加工することを特徴と
   する多芯複合化超電導体の強化方法。
4. ４．同一平面上において、加工面が互いに平行な２組の
   ロールを用いて、多芯複合化超電導体を加工することを
   特徴とする多芯複合化超電導体の強化方法。
5. ５．多芯複合化超電導体を製造する方法において、表面
   を絶縁処理した上記多芯複合化超電導体の長さ方向と垂
   直な断面における形状が略四角形になるように加工する
   工程を含んで構成されることを特徴とする超電導体の製
   造方法。
6. ６．上記多芯複合化超電導体の長さ方向と垂直な断面に
   おける形状が略四角形になるように加工する工程は、同
   一平面上において、加工面が互いに平行な２組のロール
   を用いて、多芯複合化超電導体を加工する工程であるこ
   とを特徴とする請求項５記載の超電導体の製造方法。
7. ７．請求項１または２記載の多芯複合化超電導体を、多
   層巻きして製造することを特徴とする超電導コイル。
8. ８．超電導体を型枠に多層巻きし、接着剤を含浸して製
   造される超電導コイルの製造方法において、 超電導体に張力を加えながら、型枠に多層巻きすること
   を特徴とする超電導コイルの製造方法。
9. ９．多芯複合化超電導体を、型枠に多層巻きし、接着剤
   を含浸して製造される超電導コイルの製造方法において
   、 表面を絶縁処理した上記多芯複合化超電導体の長さ方向
   と垂直な断面における形状が略四角形になるように加工
   する工程と、 超電導体に張力を加えながら、型枠に多層巻きする工程
   と、 を含んで構成されることを特徴とする超電導コイルの製
   造方法。
10. １０．請求項７記載の超電導コイルを、磁気浮上手段に
    用いることを特徴とする磁気浮上装置。