JP4775231B2

JP4775231B2 - 超電導コイルの製造方法

Info

Publication number: JP4775231B2
Application number: JP2006301347A
Authority: JP
Inventors: 章富岡; 雅行今野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: JP2008118006A

Description

この発明は、超電導線材と金属線材とを導電性樹脂により接合したテープ状の超電導導体を、ソレノイド状に巻枠に巻回してなる超電導コイルの製造方法に関する。

超電導線材としては、特許文献１または２に開示されたように、テープ状の基板と、この基板上に形成された中間層と、この中間層上に形成された超電導層と、この超電導層上に形成された金属層とからなる超電導線材が知られている。一般的に、前記中間層は電気絶縁体であるので、テープ状の基板と超電導層は絶縁されている。

これらの超電導線材において金属層を設ける目的は、超電導層の一部が常電導状態に転移したときに、電流を金属層に転流させることによって通電を安定に行うことにある。

上記技術をさらに発展させた超電導線材が、特許文献３または４に開示されている。特許文献３では、前記構成の超電導線材に関わり、銅などの金属基板上に、酸化物超電導層をスパッタで蒸着により形成し、電流を銅板にも流れるように構成することで安定性を向上させている。特許文献４では、超電導線の金属層を拡張して、基板まで覆うように構成することで、超電導層と基板とを電気的に接続し、電流の転流を可能にして、さらに安定性を向上させている。

上記のような超電導線材の実施形態の具体例に関し、特許文献４において実施例１として開示された構成を引用して下記に示す。即ち、「下から順に、第一基板、中間層、超電導層が積層され、この積層体の上面および側面に安定化層が被覆されている。ここでは、第一基板にハステロイC-276を、中間層にYSZを、超電導層にYBaCuO系超電導膜を、安定化層に銀を用いており、積層体の側面を覆う安定化層を介して第一基板と超電導層とは導通されることになる。従って、超電導層が部分的に超電導から常電導に転移しても、安定化層を介して電流を第一基板にバイパスすることができる。つまり、第一基板を安定化層としても機能させることができ、一層安定して電流を流すことができる超電導線材を構成することができる。」また、特許文献４は、「上記中間層（YSZ）および超電導層（Y₁Ba₂Cu₃O_7-x膜）は、ISD法（Inclined Substrate Deposition）により形成される。また、安定化層（銀）は、レーザーアブレーション法により形成される。」旨を開示する。

上記した先行技術では、他の製法も開示されているが、長手方向に渡って安定化層や金属層を超電導層に密着させることが共通的な技術である。

上記先行技術以外に、主として電気機械の短絡事故などの瞬間的大電流通電対策用の超電導線材として、特許文献５に示される技術が知られている。特許文献５の超電導線材においては、超電導線と金属線とを電気的に並列配置することで、通常は超電導線に電流が流れているが、事故時には金属線に電流が転流でき、超電導線の溶断を避けることができるようにしている。

超電導層の特性安定化用の安定化層の形成に関しては、上記のような諸技術が知られているが、上記の安定化層の厚さは約10μm程度が一般的である。しかし、超電導コイルの安定化用としては、用途によっては不十分な厚さであり、超電導層が常電導転移した場合に、超電導層が焼損してしまう問題がある。

これを回避するには、安定化層をより厚くすることが望ましいが、従来の安定化層や金属層の形成は蒸着などで行うため、蒸着などを繰り返すことが必要であり、製作速度が遅くなるという問題がある。さらに、超電導層の特性を損なわずに線材化するために様々な工夫がされており（特許文献２参照）、安定化の金属層の形成法に関しても、温度や周囲ガス雰囲気などに工夫を必要とする。

上記のように、安定化層の施工はかならずしも容易ではなく、また、所望の厚さのものを施工する場合には製作速度が遅くなり、結果として高価になる問題があった。

また、上記の製造方法において、長尺な超電導線材にわたって均一にすることは極めて困難であり、金属層の厚さが不均一になり、一部に安定化できない部分が存在してしまうので、結果として長尺の超電導線材を供給することが困難であるという問題もあった。

一方、超電導線とは別の金属線を並列配置する方法が考えられ、特許文献６に示される技術が知られている。特許文献６の発明は、銀シース超電導線材を並列配置する際の電流分流均一化を目的としてなされたもので、銀シース線材と金属線を導電性接着剤で接着した構成を採用している。このような構成により、電流を金属線に転流させることで、通電容量を増大させ高安定なコイルが得られるようにしている。しかしながら、特許文献６には、前記構成の製造方法に関する開示はない。

なお、超電導線材に樹脂を塗布する製造方法に関しては、特許文献７に開示されている。特許文献７に開示された方法は、特殊な巻線機を使用し、樹脂を超電導線材にローラを使用して塗布する方法であり、この方法を前記特許文献６の超電導線材の製造方法に適用することも可能ではある。

しかし、前記特許文献６および７の技術は、超電導線を周方向に重ねて巻くパンケーキコイルには適用可能であるが、軸方向にずらして巻線するソレノイドコイルに適用する場合には、下の層から上の層に巻き上がるときに、軸方向にずらす方向が逆転するので、巻線機をこれに対応した適切な位置に動かす必要があり、このような大型な装置を適切な位置に移動させるのは困難である。

また、特許文献７の発明のように、樹脂を超電導線材にローラを使用して塗布する場合には、超電導線材に負荷がかかる問題がある。特許文献７では線材の負荷を小さくできる旨記載しているが、小さくとも負荷がかかるので、超電導線材にダメージを与えてしまう可能性がある。特に、薄膜状超電導線材では、基板の厚さが0.1mm程度に対し、片側に0.001mm程度の超電導層や中間層などが形成されるため、長手方向の引っ張りのような力は基板で受けることができるので強いが、ねじりのような力は超電導層にも影響するので比較的弱い性質があり問題となる。ソレノイドコイルの場合には巻き上がりの部分においてこのねじりがあるため、上記した技術では対応できず、超電導線の性能が低下してしまう問題がある。
特開平７−３７４４４号公報特開平７−７３７５９号公報特開昭６３−２８１３１７号公報特開２００５−４４６３６号公報特開２０００−６７６６３号公報特開２０００−２９４４２０号公報特開２００１−２５７１１３号公報

この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、テープ状の超電導導体をソレノイド状に巻回してなり高安定化層を備えた超電導コイルが、容易かつ安価に製造可能な超電導コイルの製造方法を提供することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、超電導線材と金属線材とを導電性樹脂により接合したテープ状の超電導導体を、ソレノイド状に巻枠に巻回してなる超電導コイルの製造方法において、前記超電導線材の供給リールおよび金属線材の供給リールから、前記各線材をそれぞれ個別に前記巻枠に対して供給して巻枠上で重ね合わせ、その際、超電導線材と金属線材との間に導電性樹脂を前記巻枠の直前で塗布し、前記超電導線材と金属線材とを接合して巻回することを特徴とする（請求項１の発明）。

また、前記請求項１に記載の製造方法において、前記超電導線材は、テープ状の基板の上に、電気絶縁性の中間層、超電導層および金属層を、順次形成したものとする（請求項２の発明）。

さらに、前記請求項１または２に記載の製造方法において、テープ状の超電導導体を複数層巻回し、層変更に応じて巻線方向を変える場合に、前記超電導線材の供給リールおよび金属線材の供給リールは、前記巻線方向の変更に応じて前記各線材の巻枠への供給方向を変更可能とする（請求項３の発明）。

この発明によれば、テープ状の超電導導体をソレノイド状に巻回してなり高安定化層を備えた超電導コイルが、容易かつ安価に製造できる。

図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。

図１は本発明の実施の形態に係る超電導コイルの製造方法の概略を示す模式的説明図であり、図２は図１の巻枠部分の拡大図である。図１および図２において、１は巻枠、２は超電導線供給リール、３は金属線供給リール、４は樹脂塗布部、５は薄膜状超電導線、６は金属線、７は導電性樹脂である。ここで上記薄膜状超電導線５は、テープ状の基板の上に中間層と超電導層と金属層を備えた超電導線が好ましい。

図１において、超電導線供給リール２には、薄膜状超電導線５が巻きつけてあり、その下には、安定化用の金属線を巻きつけた金属線供給リール３が設けられる。前記超電導線の供給リール２および金属線の供給リール３から、前記各線材をそれぞれ個別に巻枠１に対して供給して巻枠上で重ね合わせ、かつ、超電導線と金属線との間に、重なる直前である樹脂塗布部４にて、導電性樹脂７を塗布する。図２は、この樹脂を塗布した後の巻枠上部を拡大して示したものである。

図１の超電導線供給リール２から巻枠１の直前までの範囲では、超電導線は直線状になっているのに対し、図２の巻枠１上でコイル状に巻かれる部分では、超電導線は巻枠に沿って曲げられる。従って、薄膜状超電導線５には曲げの力が作用する。同様に、金属線６にも曲げの力が作用する。巻枠１の直前で、導電性樹脂７を塗布すると、導電性樹脂７は硬化していない溶液状態にあるので、薄膜状超電導線５及び金属線６には余計な力は作用せず、巻いたことによる曲げの力のみが作用する。また、薄膜状超電導線５及び金属線６は、重ねて巻線するので巻半径の差により長さに相違を生じ、いわゆる滑りの力が作用するが、導電性樹脂７が溶液状態にあるので、この力を緩和でき、薄膜状超電導線５には余計な力は作用しない。結果として、薄膜状超電導線５には巻線作業による曲げの力のみで余計な力は作用せず、特性劣化しない巻線が実施可能となる。

次に、図３および図４について述べる。図３は、図１を上から俯瞰してみた場合において、巻線が２層に巻かれた状態を示す。ソレノイド巻線の場合、まず左下の超電導導体９ａから巻枠１に巻きつけ、左から右方向へ超電導導体が巻かれる。図３では、上から見ているので超電導線と金属線は重なって見えるので、一体の超電導導体として示している。所定のターン数を巻いた後は、巻線方向転換部８で下の層から上の層へ巻き上がる。その後、右から左に巻きつけることになるので、巻線方向を変える必要がある。巻線は超電導導体９ｂの向きに行う。

この場合、超電導線及び金属線の供給方向が変わるので、図４に示すように、超電導線供給リールおよび金属線供給リールを一括して示す供給リールの取り付け位置を変更する必要ある。図４では、下の層では供給リール１０ａのようにし、上の層では、供給リール１０ｂのように変更する例を示した。本発明では、これらの供給リールと巻枠からなる製造装置で構成されるので、前記取り付け位置の変更はリール取り付け治具の方向転換のみでよく、容易に行うことが可能である。

上記本発明の実施形態によれば、テープ状の基板の上に中間層と超電導層と金属層とを備えた超電導線と、常電導金属の金属線から構成される超電導導体を用いて、この超電導線と金属線を巻線時に重ね合わせ、かつ、この超電導線と金属線の間に導電性樹脂を巻枠直前で塗布して巻回するので、従来より、比較的低コストで製造できる。

また、超電導線と金属線の間に導電性樹脂を巻枠直前で塗布するので、供給リールおよび巻枠の間に、特段のローラは不要であり、超電導線に負荷がかることがなくなり、超電導線の性能低下の恐れをなくすことができる。

さらに、前記特許文献７に開示されたような特殊な巻線機は不要であり、超電導線を供給するリールは容易に移動が可能であって、ソレノイドコイルの巻き上がりの部分の軸方向移動（巻線方向転換）に容易に対応することができる。

上記総合的結果として、低コストで、特性劣化のない超電導コイルの製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る超電導コイルの製造方法の概略模式的説明図。図１の巻枠部分の拡大図。図１の巻枠部分を俯瞰した図で２層に巻回された超電導導体巻線の拡大図。供給リールの線材供給方向の変更に関して説明する模式的説明図。

符号の説明

１：巻枠、２：超電導線供給リール、３：金属線供給リール、４：樹脂塗布部、５：薄膜状超電導線、６：金属線、７：導電性樹脂、８：巻線方向転換部、９ａ，９ｂ：超電導導体、１０ａ，１０ｂ：供給リール。

Claims

超電導線材と金属線材とを導電性樹脂により接合したテープ状の超電導導体を、ソレノイド状に巻枠に巻回してなる超電導コイルの製造方法において、
前記超電導線材の供給リールおよび金属線材の供給リールから、前記各線材をそれぞれ個別に前記巻枠に対して供給して巻枠上で重ね合わせ、その際、超電導線材と金属線材との間に導電性樹脂を前記巻枠の直前で塗布し、前記超電導線材と金属線材とを接合して巻回することを特徴とする超電導コイルの製造方法。
請求項１に記載の製造方法において、前記超電導線材は、テープ状の基板の上に、電気絶縁性の中間層、超電導層および金属層を、順次形成したものであることを特徴とする超電導コイルの製造方法。
請求項１または２に記載の製造方法において、テープ状の超電導導体を複数層巻回し、層変更に応じて巻線方向を変える場合に、前記超電導線材の供給リールおよび金属線材の供給リールは、前記巻線方向の変更に応じて前記各線材の巻枠への供給方向を変更可能にしたことを特徴とする超電導コイルの製造方法。