JPS60177606A - 超電導電磁石コイル - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は高エネルギー物理の粒子検出用等に用いられる
間接冷却方式の超電導電磁石コイルの製造方法に関する
。

〔従来技術とその問題点′〕

この種の超電導電磁石コイルは直径および長さがそれぞ
れ数メートルにおよぶ゛ものがあり、一般に外周側に液
化ヘリウム等の冷却媒体を通す冷却管を固着した筒状の
冷却体と、この冷却体の内周面に密接して巻回された単
層の内巻き超電導コイルとからなる間接冷却方式の電磁
石コイルが用いられており、冷却体とコイルとを電気的
に絶縁するとともに大電流を導くコイルを機械的に強化
するために、コイルと冷却体との間に接着樹脂を含んだ
絶縁層を介在させて両者を固着し一体化するよう構成さ
れる。したがってコイルの冷却は前記絶縁層を介して行
われることになるので、絶縁層には高度な絶縁性能と接
着強度がめられると同時に、良好な熱伝導性と厳しい冷
却サイクルに対しても前記性能が低下しない耐極低温性
および耐ヒートサイクル性とがめられる。

第１図は内巻き超電導電磁コイルの概略断面図である。

図において、２はアルミニウム、銅等の熱良導体からな
る円筒状の冷却体で、外周面側には冷却管５が溶接され
ている。３は冷却体２の内周面に被着された接着樹脂を
含んだ絶縁層、４は内巻き超電導コイルで、アルミニウ
ム、銅等の係蹄導体によって方形断面に形成され絶縁被
覆された超電導線を円筒の接線方向に力を加えつつ絶縁
層３に密接巻回されている。このように形成された超電
導電磁コイル１には、図示しない軸方向加圧装置および
半径方向加圧装置によって、図に矢印で示す分布荷重が
加えられた状態で所定温度の加熱硬化炉に搬入され、絶
縁層に被着された接着樹脂が加熱硬化されることにより
、冷却体２と内巻き超電導コイル４とが絶縁層３を介し
て強固に接着されて一体化せしめられる。

上述のように形成された超電導電磁石コイルにおいて、
コイルの直径および長さがそれぞれ数メートルにも及ぶ
大形コイルである場合、コイルζζ大電流を流すに必要
な電圧は数千ボルト番どなるため、超電導コイル４々冷
却体２との間の絶縁は上記電圧に耐えることがめられる
。また絶縁物の破壊電圧は、弱点理論に基づき、絶縁物
の面積の増大に逆比例して低下するので、上述のような
大形コイルにおいては材料として一般に測定される破壊
電圧は致方ボルトであることがめられる。

そこで従来このような電圧に耐える絶縁材料としてガラ
ス強化プラスチック積層板が用いられていたが、前記電
圧に耐える絶縁層の厚さとしてほぼ１ミリメートルを必
要とするため、たとえば０．５ミリメートルの厚さの積
層板を２層粘り合わせて用いられていた。ところが、積
層板の剛性が高いためｉこ、筒状の冷却体の内周面に隙
き間なく貼り着けることが困難であり、かつ粘度の高い
接着剤ｌこよって封じ込められた気泡はコイルを介して
押圧力を加えても追い出すことが困難で、このようにし
て形成された絶縁層の熱伝導特性は、厚い絶縁層の熱抵
抗と空隙の熱抵抗とが直列に介在することによって悪く
なり、超電導コイル４を絶対温度の零度近くの所定温度
まで間接冷却することが困難になるという問題があった
。また積層板相互の突き合わせ部分に空隙が残り、この
部分の絶縁強度が低いために、異なる層の突き合わせ部
を相互にずらせて積層したとしても、耐電圧値がほぼ手
分に低下してしまうという欠点があった。

一方ポリイミドフイルム等の絶縁フィルムを用いて絶縁
層を形成したものも知られている。ポリイミドフィルム
は電気絶縁性にすぐれ、またすぐれた耐熱性、耐寒性を
もち、ガラス強化プラスチλソ゛り積層板に比べて薄く
柔らかいので、筒状の冷却体の内周面に密着した絶縁層
を比較的容易をこ形成することができ、絶縁層の厚さも
前記積層板方式の数分の−でよいために、すぐれた冷却
性能が得られる利点がある。しかしながらポリイミドフ
ィルムはエポキシ樹脂などの接着剤との接着性が悪く、
かつ機械的に傷つきやすいので、超電導線のコイル巻回
作業時において絶縁層を損傷したり、コイルに作用する
電磁機械力によって絶縁層にはく離を生ずるなどの欠点
があった。

〔発明の目的〕

本発明は前述の状況に鑑みてなされたもので、絶縁層の
厚さが薄く、接着層中に空隙やボイドが少なく、絶縁性
能ならびに熱伝導性がすぐれ、接する。

〔発明の要点〕

本発明は、冷却体面上化、絶縁層を介して超電導コイル
を固着せしめた超電導電磁石コイルの製造方法に詔いて
、前記冷却体面上に、粗面加工したポリイミドフィルム
とガラス強化プラスチ・ンクシートとの積層体の少なく
とも一方の両に気泡等を含まない感熱性接着剤層（以下
感熱接着膜という）を被着した複合シートを貼り重ねて
複合絶縁層を形成し、さらに前記複合絶縁層と超電導コ
イルとを、複合絶縁層または超電導コイルの表面に塗布
した接着樹脂層を介して固着することにより、前記の目
的を達成するものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。

第２図は本発明ｌこおいて用いた複１合シートの構造断
面図である。図において、複合シー）１１は、サンドブ
ラスト法等により粗面加工されたポリイミドフィルム６
とガラス強化プラスチックシ一ト７とをたとえばエポキ
シ樹脂接着層８によって強固ｉこ接着して複合絶縁シー
トを形成し、少なくともその一方の表面に感熱接着膜９
をたとえば転写法等により被着したもので、感熱接着１
ｘ９の表面には複合シート使用時ｌこは除去される粘着
防止シート１０が貼着されている。このように構成され
た複合シート１１の耐電圧を主に保持するポリイミドフ
ィルムの厚さは０．０１〜０．５　ミリメートルの範囲
で選択が可能であり、該ポリイミドフィルムの機械的な
保護と絶縁シートの接着性の向上を主な目的とするガラ
ス強化プラスチ１ツクシートとしては、薄いガラス布に
たとえばエポキシワニスを含浸し硬化したものが用いら
れ、その厚さは、ポリイミドフィルムよりやや薄いもの
が適している。

このよう化構成した複合シートは適度な柔軟性と高い耐
電圧強度ならびに機械的強度を有する。感熱接着膜は絶
縁層を構成する上で特に重要な機能を有する。すなわち
、感熱接着Ｈ９は、たとえば半硬化エポキシ樹脂からな
りこの半硬化の程度は、常温では適度の粘着力があって
たとえば筒状の冷却体に貼り着けたときその状態を保持
して容易にはがれない機能を持ち、かつ適度の軟らかさ
があってコイルを介して接着剤層ｉこ押圧力を加えたと
き、被接着面との間こと残存空気を逃がす通路を形成す
る機能を持つよう半硬化の状態が決められる。

しかも所定温度番ζ加熱された状態では融解して流動可
能となり、気泡を包含した余分な接着樹脂が絶縁層の外
ｉこ流れ出すことにより、加熱硬化した時点では空隙や
気泡を含まない接着層が形成されるような融解温度特性
と硬化温度特性を具備するものが用いられる。

第３図は本発明の製造方法を説明するための内巻き超電
導電磁石コイルの概略断面図で、第４図は該超電導電磁
石コイルの一部分拡大図である。

図Ｉこおいてまず、筒状冷却体２の内周面上に、第２図
のように構成された複合シー）１１を２層貼り重ねて複
合絶縁層３ｏを形成し、しかる後肢複合絶縁層３０と超
電導コイル４とを、複合絶縁層３０または超電導コイル
４の表面に塗布した接着樹脂層１２を介して固着する。

骸接着樹脂層１２は加熱硬化樹脂または室温硬化樹脂の
いずれでもよく、さらに前記複合シート１１における感
熱接着膜９の加熱硬化温度は感熱性接着剤の種類により
適宜選択し得るもので、感熱接着膜９と接着樹脂層１２
の硬化方法は、同時ξこ加熱硬化させる方法、あるいは
感熱接着膜９をあらかじめ加熱硬化させておきその後に
接着樹脂層１２を加熱硬化または室温硬化させる方法の
いずれでもよい。

前記複合絶縁層３０は、第４図に示すように、たとえば
幅が０．５メートルの複合シート複数枚を隣接するシー
トの両端部が互いに重ならないよう相互の端部を突き合
わせ、第１層の突き合わせ部１１Ａと第２層の突き合わ
せ部１１Ｂとが重ならないようにコイル円筒周方向番と
位置をずらせてコイル円筒軸方向に伸びるよう貼着され
る。複合絶縁層３０は前述の２層構成に限定されるもの
ではなく、前記突き合わせ部を設けずに、シートを円周
方向複数個所で軸方向に沿って重ね合わせるようにする
こともできるし、さらに複合シートを周方向に螺線状に
重ね巻きすることもできる。

いま複合絶縁層３０の表面に適当な粘度の接着剤を塗布
して接着樹脂層１２を形成したのち、超電導線に円筒の
接線方向に力を加えて複合絶縁層３０に押圧力が作用す
るように巻回してコイル４を形成する場合であって、さ
らに感熱接着膜９と接着樹脂層１２は同時に加熱硬化さ
せる場合を一例として、さらに詳細に説明すると、接着
樹脂層１２が潤滑剤の役割をはたして超電導線を複合絶
縁層３０に、より密着するよう巻回することができ、つ
ぎにコイル４に軸方向の分布荷重を加えた場合にも同様
に、潤滑作用により複合絶縁層３０を傷つけることなく
コイル４の各巻回間に所定の面圧を均等に加えることが
できる。つぎにコイル４を介して絶縁層に放射状の押圧
力を加えた場合、接着樹脂層１２の接着剤はコイルの隙
き間を埋めコイルの強固な固着が可能となる。

半硬化状態の感熱接着層９（第２図参照）は押圧力によ
って被接着面に徐々に密着し、その際感熱接着層９と被
接着面との間ζこ介在する残存空気が追い出される。こ
の際シートの突き合わせ部１１ＡおよびＩＩＢに介在し
コイルの軸方向にのびる僅かな空隙は残存空気の通路と
なり、残存空気を追い出しやすくする利点がある。つぎ
に全体を加熱硬化炉に収納して徐々に所定温度に加熱し
た場合、感熱接着剤の融解温度に達した時点で感熱接着
膜９が流動し、残存空気を巻き込んだ余分な感熱性接着
剤が突き合わせ部１１Ａ、ＩＩＢ等を介して外部化流出
するとともに、突き合わせ部の隙赤間は流動した感熱性
接着剤によって充填される。したがって接着樹脂が加熱
硬化した時点では、得られる絶縁層中に空隙やボイドな
どが少なく、したがって絶縁性能や伝熱性能が高く、か
つ強固ｌこ一体化した超電導電磁石コイルを得ることが
できる。

発明者等の実験的検討によれば、第４図のような構成お
よび前述の製造方法により厚さ０．５ミリメートルの絶
縁模型を作り、その破壊電圧をめた結果７０ＫＶという
値が得られた。この値はガラス強化プラスチック積層板
を用いた従来方法の厚さ１ミリメートルの絶縁模型につ
いてめた破壊電圧の２倍を超える値であり、絶縁層の厚
みを従来方法に比べ大幅に縮小できることが明らかにな
った。なお両者の接着せん断強度についても比較したが
両者の値はほぼ同等でほぼ３　ｋｇ　／　ｘｉ　（常温
）であった。

なお第２図のように構成した複合シートの熱膨張係数は
広い温度範囲に右いてアルミニウムの熱膨張係数とほぼ
等し′いので、吸熱体２および超電導線の保護導体をア
ルミニウムで構成した場合には、冷熱サイクルｌこよっ
て生ずる熱応力が少なく、とくに極低温に冷却されても
絶縁層の接着強度を安定に維持することができる。

なお前述の説明は、内巻き超電導電磁石コイルについて
のみ行ったが、外巻き超電導電磁石コイルにも適用可能
なことは前述の説明から明らかである。さらζこ本−明
の適用対象は、筒状冷却体の周面上に超電導コイルを絶
縁層を介して固着せし導電磁石コイルなどにも適用可能
である。第５図はパンケーキ形超電導電磁石コイルの断
面図を示すもので、第３図および第４図と同一部分には
同一記号を符して説明を省略する。パンケーキ形や鞍形
の場合、コイルの巻回作業は若干具なるものの、前述の
説明から本発明の適用により同様の作用効果が得られる
ことは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明は、冷却体面上に、絶縁層を介して超電導コイル
を固着せしめた超電導電磁石コイルの製造方法ｌこおい
て、冷却体面上ｌこ、粗面加工したポリイミドフィルム
とガラス強化プラスチックシートとの積層体の少なくと
も一方の面に気泡等を含まない感熱接着膜を被着した複
合シートを貼り重ねて複合絶縁層を形成し、さらに前記
複合絶縁層と超電導コイルとを、複合絶縁層または超電
導コイルの表面に塗布した接着樹脂層を介して固着する
ようＩこした。

その結果、まず複合絶縁層の絶縁強度が高いこ＾により
ガラス強化プラスチック積層板を用いた選択することに
より、冷却体への貼着作業が容易になって作業を省力化
できるきともに、残存空気の排、出をほぼ完全に行える
ことにより、従来のように接着剤を塗布しつつ絶縁層を
形成する方法では得られない空隙や気泡の少ない接着層
が形成さ°　れ、冷却性能および接着強度の高い絶縁層
を得ることができる。さらに複合シートの構成として傷
つきやすいポリイミドフィルムを機械的強度の高いガラ
ス強化プラスチックシートで保護するよう構成するとと
もに、複合絶縁層と超電導コイルとの間には接着樹脂層
を介在させて巻線時および加圧締付時に両者間の滑りを
よくするようにしたことにより、複合絶縁層の損傷を防
止することができ、かつコイルの締付力を有効に作用さ
せることができる。さらにまた、絶縁層の耐電圧を主に
ポリイミドフィルムに期待する構成であるにも拘らず、
ガラス強化プラスチック層が骨材として機能するために
、熱膨張係数がアルミニウムのそれに近く、極低温にお
いても熱応力の発生が少なく、絶縁層の接着強度を安定
して維持することができる。

上述の効果を総合して、絶縁性能、冷却性能。

接着強度、耐極低温性能および耐ヒートサイクル性能が
すぐれ、絶縁スペースが少なくてすむ超電導電磁石コイ
ルの製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は内巻き超電導電磁石コイルの概略断面図、第２
図は本発明において用いられる複合シートの断面図、第
３図は本発明の製造方法を説明する超電導電磁石コイル
の平面図、第４図は第３図の一部分拡大断面図、第５図
は本発明の異なる適用対象であるパンケーキ形超電導電
磁石コイルの断面図である。 ｌ・・・超電導電磁石コイル、２・・・冷却体、３・・
・絶縁層、４・・・超電導コイル、５・・・冷却管、６
・・・ボ“リイミドフイルム層、７・・・ガラス強化プ
ラスチシゾク層、８・・接着層、９・・・感熱接着膜、
１１・・・複合シート、１２・・、接着樹脂層、ＩＩＡ
、ＩＩＢ　・・・突き合わせ部、３０・・・複合絶縁層
。 才１　図 才Ｚ図 第１頁の続き ０発　明　者　池　１）　云 ＠発明者　工　藤　誠 ＠発明者　時光　富士雄 ＠発明者小野　春雄 ［相］発　明　者　山　１）　充 東京部品用区二葉２丁目９番１５号　古河電気工業株式
会社中央研究所内 東京部品用区二葉２丁目９番１５号　古河電気工業株式
会社所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）冷却体面上に、絶縁層を介して超電導コイルを固着
   せしめた超電導電磁石コイルの製造方法において、前記
   冷却体面上に、ポリイミドフィルムとガラス強化プラス
   チックシートとの積層体の少なくとも一方の表面に感熱
   接着膜を被着した複合シートを貼り重ねて複合絶縁層を
   形成し、該複合絶縁層と前記超電導コイルとを該複合絶
   縁層または該超電導コイルの表面に塗布した接着樹脂層
   を介して固着することを特徴とする超電導電磁石コイル
   の製造方法。