JPH0917627A

JPH0917627A - 超電導コイル用巻枠

Info

Publication number: JPH0917627A
Application number: JP10226396A
Authority: JP
Inventors: Chikushi Hara; 築志原; Masahiko Nakade; 雅彦中出; Takeshi Okuma; 武大熊; Kenji Tazaki; 賢司田崎; Takashi Yazawa; 孝矢澤; Hideaki Maeda; 秀明前田; Eriko Yoneda; えり子米田; Shiyunji Nomura; 俊自野村; Toshihiro Kashima; 俊弘鹿島; Atsuhiko Yamanaka; 淳彦山中
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc; Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toyobo Co Ltd; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1995-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】極低温下で、かつ外力が加わる条件で使用され
た場合でも超電導コイルのクエンチ発生を抑制できる超
電導コイル用巻枠を提供する。【構成】超電導コイル用の巻枠２１が、高強度化処理さ
れたポリエチレン繊維と高弾性率を有するアルミナ繊維
とを混合したロービングストランドを軸心線に対して±
３５度から９０度の範囲に配向させた繊維強化プラスチ
ック材料で形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導コイル用巻
枠に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイル装置を構造的に分類する
と、幾つかのタイプに大別される。巻枠を備えたものも
１つのタイプとして分類できる。このタイプの超電導コ
イル装置は、大電流用のものが多く、巻枠の外周に超電
導体を直に巻き付けて超電導コイルを形成したものや、
巻枠の外周に超電導体を巻き付けて最内層のコイル要素
を形成するとともに、この最内層のコイル要素の外側に
スペーサを介して順次コイル要素を形成し、これらで複
数層構成の超電導コイルを形成したものなどが知られて
いる。そして、交流用やパルス用のものでは、巻枠に渦
電流を発生させないために、巻枠としてエポキシ樹脂を
マトリックスとしたガラス繊維強化プラスチック（以
後、ＧＦＲＰと略称する。）製のものが用いられてい
る。

【０００３】このような超電導コイル装置は、超電導コ
イルを形成している超電導体を超電導転移温度以下の温
度に保つために、全体を液体ヘリウムで代表される極低
温液体中に浸漬した状態で使用される。

【０００４】しかしながら、ＧＦＲＰ製の巻枠を備えた
従来の超電導コイル装置にあっては次のような問題があ
った。

【０００５】すなわち、図３(a) に示すように、ＧＦＲ
Ｐ製の巻枠１に超電導体２を巻き付けて超電導コイル３
を形成してなる超電導コイル装置４を極低温液体中に浸
漬すると、巻枠１を構成しているガラス繊維およびエポ
キシ樹脂が正の熱膨張係数を有しているため、巻枠１は
図中太矢印ＡおよびＢで示すように軸方向に収縮すると
ともに半径方向にも収縮する。

【０００６】一方、超電導コイル３を構成している超電
導体２も正の熱膨張係数を有する金属材で形成されてい
る。このため、超電導コイル３は、図３(a) 中太矢印Ｃ
およびＤで示すように、軸方向に収縮するとともに半径
方向に収縮する。

【０００７】このように、超電導コイル装置４を極低温
液体中に単に浸漬した状態では、巻枠１および超電導コ
イル３が同じ形態に熱収縮するので、両者間の結合状態
に緩みが生じるようなことはない。

【０００８】しかし、極低温に冷却している状態で、超
電導コイル３に電流を流すと、この電流による電磁力に
よって、超電導コイル３は図３(b) 中に太矢印Ｃ′およ
びＥで示すように、軸方向の収縮量が一層増し、半径方
向には逆に膨張する。このため、巻枠１に対する超電導
コイル３の固定状態に緩みが生じる。

【０００９】緩みが生じると、通電している間に超電導
コイル３の全体あるいは一部が動き易くなる。僅かでも
動くと、それに伴なって摩擦熱が発生する。液体ヘリウ
ムで代表される極低温液体は比熱が極めて小さいので、
摩擦熱を極低温液体で速やかに吸収することが困難とな
り、この結果として超電導体２が常電導転移（クエン
チ）してしまう問題があった。

【００１０】そこで、この問題を解決するために、最近
では高強度ポリエチレン繊維（以後、ＤＦと略称す
る。）で強化されたプラスチック（以後、ＤＦＲＰと略
称する。）で巻枠を形成することが試みられている。

【００１１】ＤＦは、通常のガラス繊維やセラミック繊
維とは異なり、低温になるにしたがって繊維方向に伸長
するという特異な性質を持っている。すなわち、このＤ
Ｆによって強化されたＤＦＲＰ系成形体は、図４中に一
重の丸印で示すように、繊維方向には負の熱膨張係数を
示す。

【００１２】このＤＦのロービングストランドを、たと
えばマトリックスとなるエポキシ樹脂を含ませながら回
転しているマンドレルに螺旋巻付け法で巻付け、図５
(a) に示すような筒状のＤＦＲＰ系成形体５を形成した
場合、このＤＦＲＰ系成形体５の周方向および軸方向の
温度による寸法変化は、図５(b) に示すように、マンド
レルの軸心線に対するロービングストランドの巻角度θ
によって左右される。

【００１３】ここで、螺旋巻付け法では、｜θ｜が 0゜
から90゜の範囲にあり、マンドレルの軸心線からロービ
ングストランドに対して時計方向に測定するか、あるい
は反時計方向に測定するかによってθの符号がプラスあ
るいはマイナスになる。

【００１４】螺旋巻付け法では、回転するマンドレルの
端から端に向けてたとえば巻角度θ＝+75 ゜でロービン
グストランドを螺旋巻きし、それから反対方向には巻角
度θ＝-75 ゜で螺旋巻きし、このようにして繰返し複数
回巻く。このような巻き方は、通常、“±75゜巻き”あ
るいは“±75゜の巻角度θで巻かれる”と呼ばれてい
る。

【００１５】図６には温度による寸法変化（熱膨脹係
数）と巻角度θとの関係が示されている。なお、これら
のデータは、図５(b) に示される螺旋巻付け法でロービ
ングストランドを図５(a) に示されるように筒状に巻い
て形成された複数の成形体から得たものである。

【００１６】図中、ＸａはＤＦＲＰ系成形体の軸方向の
熱膨張係数を示し、ＸｃはＤＦＲＰ系成形体の周方向の
熱膨張係数を示している。また、この図６には、ＧＦＲ
Ｐ系成形体の軸方向の熱膨張係数がＺａで、同じくＧＦ
ＲＰ系成形体の周方向の熱膨張係数がＺｃで示され、さ
らにＡＤＦＲＰ系成形体（ＡＦ：ＤＦが50：50の割合で
混合；なお、ＡＤＦＲＰ，ＡＦの定義は後述する。）の
軸方向の熱膨張係数がＹａで、同じくＡＤＦＲＰ系成形
体の周方向の熱膨張係数がＹｃで示されている。

【００１７】図６から判るように、ＤＦＲＰ系成形体の
場合は、使用するマトリックスが正の熱膨張係数を有し
ていても、ＤＦの特性により、巻角度θがほぼ４０度か
ら９０度の範囲では、周方向の熱膨張係数が小さな正の
値から大きな負の値となり、逆に軸方向の熱膨張係数が
小さな負の値から大きな正の値となる。したがって、巻
角度θが上記範囲に設定されたＤＦＲＰ系成形体では、
低温になるにしたがって周方向には大きく伸長（膨張）
し、軸方向には大きく収縮することになる。

【００１８】これに対して、ＧＦＲＰ系成形体の場合に
は、ＧＦ自身がどの方向に対しても正の熱膨張係数を有
しているため、巻角度θを如何なる値に設定しても、周
方向および軸方向の熱膨張係数が正となり、ＤＦＲＰ系
成形体のような特性は得られない。

【００１９】上述したＤＦＲＰ系成形体の特性を生か
し、このＤＦＲＰ系成形体で巻枠を形成すると、巻枠に
クエンチを防ぐための理想的な特性を発揮させることが
できる。

【００２０】すなわち、図７(a) に示すように、巻角度
θが前記範囲に設定されたＤＦＲＰ系の巻枠１１に超電
導体１２を巻き付けて超電導コイル１３を形成してなる
超電導コイル装置１４を極低温液体中に浸漬すると、巻
枠１１は図中太矢印ＪおよびＫで示すように軸方向に収
縮するとともに周方向に膨張する。一方、超電導コイル
１３は、図中太矢印ＣおよびＤで示すように、軸方向に
収縮するとともに周方向に収縮する。

【００２１】このように、巻枠１１と超電導コイル１３
とは周方向には逆関係に膨張、収縮する。このため、極
低温液体中に浸漬された状態下では、巻枠１１と超電導
コイル１３との結合強さが大幅に強化された状態とな
る。

【００２２】超電導コイル１３を極低温に冷却している
状態で、超電導コイル１３に電流を流すと、この電流に
よる電磁力によって、超電導コイル１３は図７(b) に太
矢印Ｃ′およびＥで示すように、軸方向の収縮量が一層
増し、周方向には逆に膨張する。

【００２３】しかし、極低温液体中に浸漬された段階で
巻枠１１と超電導コイル１３との結合強さが大幅に強化
されているので、超電導コイル１３が収縮、膨張して
も、巻枠１１と超電導コイル１３との結合強さは、製作
時と同程度の状態に戻るだけである。したがって、巻枠
１１と超電導コイル１３との結合状態に緩みが生じるよ
うなことはなく、超電導体１２の動きが原因で起こるク
エンチの発生を抑えることが可能となる。

【００２４】しかし、ＤＦＲＰ単独よりなる巻枠を備え
た超電導コイル装置にあっても次のような問題があっ
た。

【００２５】たとえば、超電導コイル装置の応用例とし
て特開平２−１６８５２５号公報に示されているような
超電導限流装置に適用した場合を例にとる。超電導限流
装置は、超電導体のクエンチを有効に利用するもので、
巻枠の外周に超電導体を無誘導巻に巻き付け、これを限
流素子としている。そして、限流素子を線路に直列に接
続し、この限流素子に流れる線路電流が超電導体の臨界
電流を越えたとき、限流素子を構成している超電導体を
クエンチさせ、このクエンチに伴う超電導体の急激な抵
抗値増加で限流装置としての機能を発揮させている。

【００２６】このように、超電導限流装置に適用した場
合、クエンチが発生した瞬間、超電導体が抵抗体となる
ので、その抵抗値と通電電流とによって決まる大きなジ
ュール熱が発生する。このジュール熱によって液体ヘリ
ウムで代表される極低温液体が急激に蒸発し、巻枠の周
辺に高圧力のガス領域が発生する。この領域の圧力は局
所的に 10kg/cm²にも達し、巻枠に対して大きな外力と
して作用する。

【００２７】ＤＦＲＰの弾性係数は、限流耐量性に見合
うに十分とはいえない。このため、上記のように大きな
外力を受けると、巻枠が弾性変形する。巻枠が弾性変形
すると、この変形時に超電導体がそれまでの安定位置か
ら位置ずれする。この結果、超電導体を超電導転移させ
た後に再び通電したときに超電導体が次の安定位置へと
動き易い。超電導体が動くと、前述のように摩擦熱が発
生し、この摩擦熱は超電導体をクエンチさせる原因とな
る。この現象が繰り返されるため、限流要素に通電可能
な電流値、つまり限流要素の定格電流値が必然的に小さ
い値に抑えられてしまうことになる。

【００２８】このように、ＤＦＲＰ単独よりなる巻枠を
備えた超電導コイル装置にあっては、超電導限流装置な
どのように、巻枠に大きな外力が加わる用途に適用した
場合には、ＤＦＲＰの弾性係数が小さいことが原因し、
ＤＦＲＰ製の巻枠が備えているクエンチ防止機能を有効
に活かすことができない問題があった。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、ＧＦＲＰ
製の巻枠やＤＦＲＰ製の巻枠をにあっては、本質的に超
電導コイルの不安定性を回避できない問題があった。

【００３０】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
きる超電導コイル用巻枠を提供することを目的としてい
る。

【００３１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、マトリックス樹脂と繊維方向に負の熱膨
張係数を示すポリエチレン繊維と該ポリエチレン繊維よ
り弾性係数の大きい強化材とを含む繊維強化プラスチッ
ク材料で形成された超電導コイル用巻枠であって、巻枠
の軸心線に対して前記ポリエチレン繊維が±35度〜90度
の範囲に配向されていることを特徴としている。

【００３２】なお、前記ポリエチレン繊維は、強度が少
なくとも1.32ＧＰａ以上で、弾性係数が少なくとも23.9
ＧＰａ以上の特性を備えていることが好ましい。

【００３３】また、前記強化材は、強度が少なくとも12
00ＭＰａ以上で、弾性係数が少なくとも120 ＧＰａ以上
の特性を備えたアルミナ繊維であることが好ましい。

【００３４】また、前記アルミナ繊維は、前記ポリエチ
レン繊維との混合比率が、 5：95〜75：25、好ましくは
10：90〜65：35の範囲で前記繊維強化プラスチック中に
含まれていることが好ましい。

【００３５】また、巻枠は、外周面部に超電導体を収容
固定するための螺旋溝を備えていることが好ましい。

【００３６】また、巻枠は、さらに外周面部に超電導体
を冷却する極低温液を案内するための通路を備えている
ことが好ましい。

【００３７】本発明で使用する繊維強化プラスチック材
料は、熱膨張率がマイナスのポリエチレン繊維のロービ
ングストランド、一方向強化繊維シートまたはファブリ
ックシート等とポリエチレン繊維よりも弾性係数が大き
い強化材（以下では“ＨＭＡ”と略称する）を含んでい
る。

【００３８】かかる繊維強化プラスチック材料において
は、ポリエチレン繊維と巻枠の軸心線との角度、つまり
巻角度θは後述する範囲に設定される。

【００３９】ＨＭＡの形態は、フィラメント、短繊維お
よび粒子からなるグループから選択することができる。
ＨＭＡの例としては、アルミナ、炭素、シリカ、ジルコ
ニア、炭化ケイ素、チタニアおよび窒化ケイ素を挙げる
ことができる。好ましくは高張力アルミナ繊維、より好
ましくは強度が少なくとも1200ＭＰａ以上、弾性係数が
少なくとも120 ＧＰａ以上のアルミナ繊維（ＡＦ）であ
る。

【００４０】アルミナ短繊維または粒子をＨＭＡとして
使用する場合は、ＤＦを一方向強化繊維シートまたはフ
ァブリックシートに成形し、アルミナ短繊維または粒子
を含むマトリックス樹脂を含浸させ、巻枠の軸心線の回
りに円筒形に巻き付ける。

【００４１】高張力アルミナ繊維、つまりＡＦをＨＭＡ
として使用する場合は、ＤＦおよびＡＦを、巻枠の軸心
線の回りに巻き付け、マトリックス樹脂を含浸させたロ
ービングストランドの形態にすることができる。ＤＦと
ＡＦとのコンビネーションは、どんな方法によっても、
たとえばフィラメントユニットまたはヤーンユニットに
混合されたＤＦおよびＡＦから事前に形成されたロービ
ングストランドを巻き付けることによって、あるいはＤ
ＦおよびＡＦの各ロービングストタンドを交互に巻き付
け、両ロービングストランドの層を交互に形成すること
によって実現することができる。

【００４２】ロービングストランド中でのＡＦとＤＦの
混合比は、ＡＦおよびＤＦの特性を最大限に発揮させる
ために、 5：95〜75：25、好ましくは10：90〜65：35の
範囲にする。

【００４３】図６から判るように、ＤＦおよびＡＦの、
またはは少なくともＤＦのロービングストランドを、±
35°〜90°、好ましくは±43°〜90°、より好ましくは
±80°〜90°の範囲の巻角度θで巻枠の軸心線回りに巻
き付けることが必要である。ロービングストランドを回
転マンドレルに（したがって巻枠の軸心線の回りに）巻
き付ける方法は特に限定されるわけではなく、巻角度θ
がマンドレルの両端を除いては±35°〜90°の範囲で一
定である従来の螺旋巻付け法によってロービングストラ
ンドを巻き付けることができる。

【００４４】ロービングストランドにはマンドレルへの
巻き付けの直前にマトリックス樹脂を含浸させることも
できるし（湿式巻き付け）、部分硬化マトリックス樹脂
を予備含浸させることもできる（乾式巻き付け）。ロー
ビングストランドの位置決めは、たとえば回転マンドレ
ルの前方に配置されたフィーダアームによって行うこと
ができる。フィーダアームは一定速度でマンドレルの全
長にわたってマンドレルの軸心線に対して平行に往復運
動させられる。

【００４５】巻き付け工程が終了すると、固定具全体を
炉の中で硬化させ、その後にマンドレルを除去する。こ
のようにして得られた円筒形成形体を機械加工し、両端
にフランジを形成し、その結果として超電導コイル用巻
枠が得られることになる。

【００４６】ＤＦの調製には特に制限があるわけではな
く、ＤＦは市販のものを購入することもできるし、たと
えば特開昭５６−１５４０８号公報や特開昭５８−５２
２８号公報に記述されているような、周知の方法によっ
て製造することもできる。たとえば、重量平均分子量が
少なくとも100,000 以上、好ましくは少なくとも1,000,
000 以上の塑性高分子量ポリエチレンをデカリンに溶解
させて紡糸液を形成し、その紡糸液を紡糸ノズルから空
気中または水中に押し出し、冷却してデカリン含有ゲル
繊維を形成する。次に、このゲル繊維を単段または多段
延伸によって総延伸率30〜40で延伸して希望のＤＦを得
る。このようにして得られたＤＦは、強度が少なくとも
1.32ＧＰａ以上、弾性係数が少なくとも23.9ＧＰａ以上
である。

【００４７】前述のように、ＤＦは温度低下とともに繊
維の長手方向に膨張するという独特の特性を有してお
り、通常のガラス繊維またはセラミック繊維の場合とは
異なっている。

【００４８】一方、たとえばＡＦはＧＦおよびＤＦに比
べて弾性係数が非常に大きい。ＡＦの材料は、高純度Ａ
ｌ₂Ｏ₃（純度99.5wt％以上、αタイプ結晶構造を有す
るアルミナ）、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂（純度80〜85wt
％、γまたはδタイプ結晶構造を有するアルミナ）およ
びＡｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃（純度80〜85wt％）のいずれで
もよい。

【００４９】特性の極めて優れた巻枠を得るためには、
αタイプ結晶構造を有する高純度Ａｌ₂Ｏ₃を採用する
のが望ましい。取り扱いの観点からは、γまたはδタイ
プ結晶構造を有するＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂が好ましい。
αタイプ結晶構造を有するアルミナ繊維は、強度が少な
くとも1500ＭＰａ以上、好ましくは少なくとも1800ＭＰ
ａ以上、弾性係数が少なくとも300 ＧＰａ以上、好まし
くは少なくとも330 ＧＰａ以上有していることが望まし
い。γタイプ結晶構造を有するアルミナ繊維は、強度が
少なくとも1500ＭＰａ以上、好ましくは少なくとも1800
ＭＰａ以上、弾性係数が少なくとも200 ＧＰａ以上、好
ましくは少なくとも210 ＧＰａ以上有していることが望
ましい。δタイプ結晶構造を有するアルミナ繊維は、強
度が少なくとも1300ＭＰａ以上、好ましくは少なくとも
1600ＭＰａ以上、弾性係数が少なくとも150 ＧＰａ以
上、好ましくは少なくとも160 ＧＰａ以上有しているこ
とが望ましい。

【００５０】好ましい巻枠は、上記のようなマトリック
ス中にＤＦおよびＡＦのロービングスタンドを含んだ繊
維強化プラスチック材料製である。したがって、かかる
巻枠は、弾性係数が大きいために外部応力による歪みを
起こし難いというＡＦＲＰの特性を有するとともに、極
低温まで冷却されたときに周方向に膨張するＤＦＲＰの
特性も兼ね備えている。したがって、この巻枠は、たと
え極低温において外部応力を受けた場合でも、クエンチ
の発生を防止するという機能を満足に発揮することがで
きる。

【００５１】マトリックス樹脂としては、エポキシ樹
脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエ
ステル樹脂およびウレタンアセテート樹脂を挙げること
ができる。最も好ましいのはエポキシ樹脂である。

【００５２】巻枠中のおける繊維の体積分率（Ｖｆ）は
好ましくは25％〜85％、より好ましくは35％〜75％であ
る。

【００５３】上記の条件下で得られた巻枠は、周方向弾
性係数が少なくとも20ＧＰａ以上、好ましくは少なくと
も30ＧＰａ以上備えている。これは、本発明によって、
超電導コイル用高弾性巻枠を得ることが可能になること
を意味している。

【００５４】巻枠は好ましくは外縁に、巻枠に超電導体
を巻き付けておくための螺旋形溝および／または超電導
体を冷却するために極低温液を案内する縦方向流路を備
えている。

【００５５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。

【００５６】図１には本発明の一実施形態に係る巻枠を
組込んだ超電導コイル装置が示されている。

【００５７】この超電導コイル装置は、大きく分けて、
巻枠２１と、この巻枠２１に超電導体２２を巻き付けて
形成された超電導コイル２３とで構成されている。

【００５８】巻枠２１は、ＡＦとＤＦとのロービングス
トランドをエポキシ樹脂をマトリックスとして巻回して
強化された筒状のプラスチック成形体（以後、ＡＤＦＲ
Ｐと略称する。）で形成されたもので、両端部にフラン
ジ２４ａ，２４ｂを有するとともに、フランジ２４ａ，
２４ｂ間に位置する部分の外面に螺旋溝２５を備えてい
る。また、フランジ２４ａ，２４ｂ間に位置する部分の
外面には、螺旋溝２５より深く、かつ軸方向に延びる流
路溝２６が周方向に複数形成されており、さらにフラン
ジ２４ａ，２４ｂには各流路溝２６の端部に通じる孔２
７が形成されている。

【００５９】超電導体２２は、一部が螺旋溝２５に嵌入
する形態で一定のテンションでソレノイド状に巻き付け
られている。

【００６０】ここで、具体的な例について説明する。

【００６１】［実施例１］まず、巻枠２１を構成してい
るＡＤＦＲＰのフイラメントとして、ＡＦとＤＦ（商品
名、ダイニーマ、ＳＫ−６０、東洋紡績株式会社製）を
用意するとともに、マトリックスとしてエポキシ樹脂を
用意し、図５(b) に示すように、ＡＦとＤＦとをＡＦ／
ＤＦ＝４０／６０（体積比）でヤーン混合し、このロー
ビングストランドにエポキシ樹脂を含浸させながら螺旋
巻付け法で巻角度θを±75度に設定してマンドレルに巻
き付け、円筒状体を形成した。

【００６２】この円筒状体を100 ℃で 2時間保持した後
に、130 ℃で 3 時間保持して硬化させ、図５(a) に示
すような円筒状のＡＤＦＲＰ成形体を得た。このときの
Ｖｆは 65 ％であった。

【００６３】このＡＤＦＲＰ成形体の室温から液体窒素
温度にわたる周方向熱歪みおよび周方向弾性係数を測定
したところ、それぞれ+700με、73ＧＰａであった。

【００６４】次に、このＡＤＦＲＰ成形体の両端部に機
械加工によってフランジ２４ａ，２４ｂを形成するとと
もにフランジ２４ａ，２４ｂ間に位置する部分の外面に
螺旋溝２５を形成し、続いて軸方向に延びる流路溝２６
を周方向に複数形成し、さらにフランジ２４ａ，２４ｂ
に各流路溝２６の端部に通じる孔２７を設けた。

【００６５】このようにして、内径 210ｍｍ，外径 220
ｍｍ，軸方向長さ 400ｍｍの巻枠２１を得た。この巻枠
２１の螺旋溝２５で固定されるように、線径2.5 ｍｍの
超電導体２２を一定のテンションで巻き付けて超電導コ
イル装置を完成させた。

【００６６】ここで、巻枠の室温から液体窒素温度の範
囲にわたっての周方向熱歪みおよび周方向弾性係数の測
定例を説明する。

【００６７】１．周方向熱歪み歪み計を巻枠の外縁に取り付け、ブリッジボックスまた
は記録器に接続する。この巻枠を液体窒素に浸漬し、平
衡状態にさせ、その状態で熱歪みの値を記録器から読み
取る。

【００６８】２．周方向弾性係数（または周方向ヤング
係数）単方向繊維強化プラスチック材（以下では“ＵＤ−ＦＰ
Ｐ”と略称する）製のプレートを、円筒形巻枠の製造の
場合と同じ条件（マトリックス樹脂、ＤＦおよびＨＭＡ
の種類、ＨＭＡとＤＦの混合比、ファイバ体積分率等）
のもとで製造し、引張試験機によって室温におけるプレ
ートの繊維縦方向ヤング係数（Ｅ_L）、繊維横方向ヤン
グ係数（Ｅ_T）、剛性係数Ｇ_LT）、繊維縦方向ポアソン
比（ｖ_L）、繊維横方向ポアソン比（ｖ_T）を調べる。
これらの測定値を以下の公式（植村、J,PPn.Aero Space
Sci.24,496(1976) 参照）に代入することによって、円
筒形巻枠の周方向弾性係数またはヤング係数（Ｅ_y）を
計算する。

【００６９】１／Ｅ_y＝１／Ｅ_y−Ψ²Ｇ_xy １／Ｅ_y＝ｍ⁴／Ｅ_L＋ｌ⁴／Ｅ_T＋（１／Ｇ_LT−２Ｖ_L／Ｅ_L）ｌ²ｍ² １／Ｇ_xy＝４［（１＋Ｖ_L）／Ｅ_L＋（１＋Ｖ_T）／Ｅ_T］ｌ²ｍ² ＋（ｌ²−ｍ²）／Ｇ_LT Ψ＝２［ｌ²／Ｅ_T−ｍ²／Ｅ_L＋（１／Ｇ_LT−２Ｖ_L／Ｅ_L）（ｌ²−ｍ² ）／２］ｌｍｌ＝cos θ ｍ＝sin θ ここに、Ｇ_xyは円筒形巻枠の剛性係数、θは巻角度であ
る。

【００７０】［実施例２］実施例１と同様な組成および
方法で、マンドレルの軸心線に対するロービングストラ
ンドの巻角度θを±85度に設定して円筒状体を形成し
た。この円筒状体を実施例１と同様に硬化させて円筒状
のＡＤＦＲＰ成形体を得た。

【００７１】このＡＤＦＲＰ成形体の室温から液体窒素
温度にわたる周方向熱歪みおよび周方向弾性係数を測定
したところ、それぞれ+400με、92ＧＰａであった。

【００７２】このＡＤＦＲＰ成形体の両端部に機械加工
によってフランジ２４ａ，２４ｂを形成するとともにフ
ランジ２４ａ，２４ｂ間に位置する部分の外面に螺旋溝
２５を形成し、続いて軸方向に延びる流路溝２６を周方
向に複数形成し、さらにフランジ２４ａ，２４ｂに各流
路溝２６の端部に通じる孔２７を設けた。

【００７３】このようにして、内径 210ｍｍ，外径 220
ｍｍ，軸方向長さ 400ｍｍの巻枠２１を得た。この巻枠
２１の螺旋溝２５内に収容固定されるように、線径2.5
ｍｍの超電導体２２を一定のテンションで巻き付けて超
電導コイル装置を完成させた。［比較例１］実施例
１，２で用いたＤＦと同じＤＦを用意するとともに、マ
トリックスとしてエポキシ樹脂を用意し、ＤＦのロービ
ングストランドにエポキシ樹脂を含浸させながら螺旋巻
付け法で巻角度θを±60度に設定してマンドレルに巻き
付け、円筒状体を形成した。この円筒状体を実施例１，
２と同様に硬化させて円筒状のＤＦＲＰ成形体を得た。

【００７４】このＤＦＲＰ成形体の室温から液体窒素温
度にわたる周方向熱歪みおよび周方向弾性係数を測定し
たところ、それぞれ+2000 με、11ＧＰａであった。

【００７５】このＤＦＲＰ成形体の両端部にフランジを
形成するとともにフランジ間に位置する部分の外面に螺
旋溝を形成し、また軸方向に延びる流路溝を周方向に複
数形成し、さらにフランジに各流路溝の端部に通じる孔
を設けた。

【００７６】このようにして、実施例１，２と同一寸
法、同一形状のＤＦＲＰ製の巻枠を得た。この巻枠の螺
旋溝で固定されるように、線径2.5 ｍｍの超電導体を一
定のテンションで巻き付けて超電導コイル装置を完成さ
せた。

【００７７】［比較例２］実施例１と同様な組成および
方法で、マンドレルの軸心線に対するロービングストラ
ンドの巻角度θを±30度に設定して円筒状体を形成し
た。この円筒状体を実施例１と同様に硬化させて円筒状
のＡＤＦＲＰ成形体を得た。

【００７８】このＡＤＦＲＰ成形体の室温から液体窒素
温度にわたる周方向熱歪みおよび周方向弾性係数を測定
したところ、それぞれ-5400 με、11ＧＰａであった。

【００７９】このＡＤＦＲＰ成形体の両端部にフランジ
を形成するとともにフランジ間に位置する部分の外面に
螺旋溝を形成し、また軸方向に延びる流路溝を周方向に
複数形成し、さらにフランジに各流路溝の端部に通じる
孔を設けた。

【００８０】このようにして、実施例１，２と同一寸
法、同一形状のＡＤＦＲＰ製の巻枠を得た。この巻枠の
螺旋溝で固定されるように、線径2.5 ｍｍの超電導体を
一定のテンションで巻き付けて超電導コイル装置を完成
させた。

【００８１】以上のようにして得られた４つの超電導コ
イル装置を液体ヘリウム中に浸漬し、トレーニング法に
よってそれぞれのクエンチ電流の変化を測定してみた。

【００８２】これらの測定結果を図２に示す。

【００８３】図２中、□印は上述した実施例１（θ＝±
75゜）の結果を示し、塗潰し□印は実施例２（θ＝±85
゜）の結果を示し、○印は比較例１の結果を示し、●印
は比較例２の結果を示している。

【００８４】ＤＦＲＰ製の巻枠を用いた比較例１では、
トレーニング回数を増やしても通電電流の上限を1800Ａ
以上に向上させることはできなかった。

【００８５】これに対して、ＡＤＦＲＰ製の巻枠を用い
た実施例１では約30回のトレーニングによって比較例１
より30％大きい2400Ａまで通電することが可能となっ
た。これは、ＡＦの添加によって巻枠の弾性率が向上
し、外力によるＡＤＦＲＰ巻枠の歪がＤＦＲＰ巻枠のそ
れに比べて1/2 程度に低下し、これによって超電導体が
動き難くなったことによる。したがって、超電導限流装
置などのように、巻枠に大きな外力が加わる用途に適用
した場合であっても、ＤＦＲＰが備えているクエンチ防
止機能を活用することが可能となる。

【００８６】また、実施例２では2600Ａとさらに高い値
まで通電することができた。これは、巻角度θを大きく
することにより、巻枠の剛性が向上し、ひいてはコイル
のより高度の安定化につながったものと考えられる。

【００８７】また、比較例２の場合には、巻角度θが小
さいために、ＤＦＲＰが備えているクエンチ防止機能を
活用することができず、比較例１で示したＤＦＲＰ巻枠
に近い特性しか得られなかった。

【００８８】図示されていないが、ロービングストラン
ドの巻角度θをほぼ±35度にしてＡＤＦＲＰ成形体を形
成した場合には、上述した実施例１，２に近い特性が得
られることを確認している。

【００８９】なお、本発明は上述した例に限定されるも
のではない。上述した例では、フランジを含めた巻枠全
体をＡＤＦＲＰで形成しているが、加工性の点を考慮に
入れて螺旋溝２５および流路溝２６の形成される部分を
ＡＦＲＰ層あるいはＧＦＲＰ層で形成し、これより内側
の、いわゆる巻枠本体となる部分をＡＤＦＲＰで形成す
るようにしてもよい。また、使用例も超電導限流装置に
限定されるものではない。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
極低温下で、かつ外力が加わる条件下において使用され
た場合でも巻枠の変形を最小限度に抑えることができの
で、超電導コイル本体を強固に固定でき、もってクエン
チの発生抑制に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は本発明の一実施形態例に係る巻枠を組込
んだ超電導コイル装置の縦断面図で、(b) は(a) におけ
るＡ−Ａ線切断矢視図

【図２】同超電導コイル装置のクエンチ特性を従来装置
の特性と比較して示す図

【図３】従来のＧＦＲＰ製の巻枠を用いた超電導コイル
装置の問題点を説明するための図

【図４】高強度化処理されたポリエチレン繊維および各
種繊維よりなる繊維強化プラスチック成形体の熱収縮量
（ただし、金属はそれ自体の特性）を示す図

【図５】(a) はＤＦＲＰ成形体あるいはＡＤＦＲＰ成形
体の一例を示す斜視図で、(b)は同成形体を製作すると
きに巻角度を説明するための図

【図６】ＡＤＦＲＰ成形体、ＤＦＲＰ成形体およびＧＦ
ＲＰ成形体の巻角度と熱膨張係数との関係を示す図

【図７】ＤＦＲＰ製の巻枠を用いた超電導コイル装置の
低温下における作用を説明するための図

【符号の説明】

２１…巻枠２２…超電導体２３…超電導コイル２５…螺旋溝２６…流路溝２７…孔

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリックス樹脂と繊維方向に負の熱膨張
係数を示すポリエチレン繊維と該ポリエチレン繊維より
弾性係数の大きい強化材とを含む繊維強化プラスチック
材料で形成された巻枠であって、巻枠の軸心線に対して
前記ポリエチレン繊維が±35度〜90度の範囲に配向され
ていることを特徴とする超電導コイル用巻枠。
【請求項２】前記ポリエチレン繊維は、強度が少なくと
も1.32ＧＰａ以上で、弾性係数が少なくとも23.9ＧＰａ
以上の特性を備えていることを特徴とする請求項１に記
載の超電導コイル用巻枠。
【請求項３】前記強化材は、強度が少なくとも1200ＭＰ
ａ以上で、弾性係数が少なくとも120 ＧＰａ以上の特性
を備えたアルミナ繊維であることを特徴とする請求項１
に記載の超電導コイル用巻枠。
【請求項４】前記アルミナ繊維は、前記ポリエチレン繊
維との混合比率が、 5：95〜75：25、好ましくは10：90
〜65：35の範囲で前記繊維強化プラスチック中に含まれ
ていることを特徴とする請求項３に記載の超電導コイル
用巻枠。
【請求項５】外周面部に超電導体を収容固定するための
螺旋溝を備えていることを特徴とする請求項１に記載の
超電導コイル用巻枠。
【請求項６】外周面部に超電導体を冷却する極低温液を
案内するための通路を備えていることを特徴とする請求
項１に記載の超電導コイル用巻枠。