WO2021156917A1

WO2021156917A1 - 超電導コイル

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Publication number: WO2021156917A1
Application number: PCT/JP2020/003960
Authority: WO
Inventors: 正義大屋
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-12
Also published as: JPWO2021156917A1; CN115004326A; JP7241930B2; US20230005648A1

Abstract

超電導コイルは、超電導線(３)と、絶縁シート(４)と、接着性樹脂(５)とを備える。絶縁シート(４)は、複数の樹脂シートと、２枚の半硬化樹脂繊維シート(７)とを含んでいる。複数の樹脂シートは、電気絶縁性を有し、少なくとも２層以上積層されている。２枚の半硬化樹脂繊維シート(７)は、複数の樹脂シートを互いの間に挟むように積層されている。複数の樹脂シートと２枚の半硬化樹脂繊維シート(７)とにおいて、互いに隣接する樹脂シートと半硬化樹脂繊維シート(７)とが互いに接合されている。

Description

超電導コイル

　本開示は、超電導コイルに関する。

　超電導コイルの構成を開示した先行文献として、特許第４６０７５４０号(特許文献１)がある。特許文献１に記載された超電導コイルは、超電導線と、絶縁シートと、接着性樹脂とを含む。絶縁シートは、その表面に易接着処理が施されている。

特許第４６０７５４０号

　超電導コイルの冷却時には、接着性樹脂および絶縁シートの熱収縮差により、冷却応力が発生する。超電導コイルの励磁時には、電磁応力が発生する。この冷却応力または電磁応力によって、接着性樹脂と絶縁シートとの界面において割れおよび剥離が発生して発熱した場合、熱が超電導線に伝わってクエンチが発生する可能性がある。

　本開示は、上記の課題を解決するためになされたもので、クエンチの発生を抑制できる超電導コイルを提供することを目的とする。

　本開示に基づく超電導コイルは、超電導線と、絶縁シートと、接着性樹脂とを備える。超電導線は、複数ターンと複数層にわたって巻回されている。絶縁シートは、超電導線の層間において超電導線の複数ターンにわたって配置されている。接着性樹脂は、超電導線と絶縁シートとの間に充填されている。絶縁シートは、複数の樹脂シートと、２枚の半硬化樹脂繊維シートとを含んでいる。複数の樹脂シートは、電気絶縁性を有し、少なくとも２層以上積層されている。２枚の半硬化樹脂繊維シートは、複数の樹脂シートを互いの間に挟むように積層されている。複数の樹脂シートと２枚の半硬化樹脂繊維シートとにおいて、互いに隣接する樹脂シートと半硬化樹脂繊維シートとが互いに接合されている。

　本開示によれば、絶縁シートにおいて、２枚の半硬化樹脂繊維シートが複数の樹脂シートを互いの間に挟むように積層され、互いに隣接する樹脂シートと半硬化樹脂繊維シートとが互いに接合されていることにより、接着性樹脂と絶縁シートとの界面における剥離および割れを抑制するとともに、超電導線に熱が伝わり難くして、クエンチの発生を抑制することができる。

実施の形態１に係る超電導コイルの構成を示す縦断面図である。実施の形態１に係る超電導コイルにおける超電導線の層間を拡大して絶縁シートの構成を示す縦断面図である。実施の形態２に係る超電導コイルにおける超電導線の層間を拡大して絶縁シートの構成を示す縦断面図である。実施の形態３に係る超電導コイルにおける超電導線の層間を拡大して絶縁シートの構成を示す縦断面図である。実施の形態４に係る超電導コイルにおける超電導線の層間を拡大して絶縁シートの構成を示す縦断面図である。

　以下、各実施の形態に係る超電導コイルについて図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

　各図中に示すＤＲ１方向は、超電導コイルの巻軸方向に対して平行な方向である。ＤＲ２方向は、超電導コイルの巻軸方向に対して垂直な方向である。

　実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る超電導コイルの構成を示す縦断面図である。図２は、実施の形態１に係る超電導コイルにおける超電導線の層間を拡大して絶縁シートの構成を示す縦断面図である。

　図１および図２に示すように、超電導コイル１は、巻枠２と、超電導線３と、絶縁シート４と、接着性樹脂５とを備えている。巻枠２は、両端にフランジ形状を有する円筒体である。巻枠２の材質は、ステンレス鋼などである。

　超電導線３は、巻枠２のフランジ部を除く円筒外周部に対して、ＤＲ１方向の複数ターンにわたって巻回されるとともにＤＲ２方向の複数層にわたって巻回されている。超電導線３の材質は、ＮｂＴｉまたはＮｂ₃Ｓｎなどである。超電導線３は、表面に絶縁被覆が施されている。

　絶縁シート４は、超電導線３の層間において超電導線３の複数ターンにわたって配置されている。絶縁シート４は、巻枠２と超電導線３との間において超電導線３の複数ターンにわたって配置されている。

　超電導線３と絶縁シート４との間に、たとえばエポキシ樹脂などの接着性樹脂５が充填されている。接着性樹脂５によって、超電導線３同士が互いに接着されるとともに、超電導線３と絶縁シート４とが互いに接着されている。

　絶縁シート４は、複数の樹脂シートと、２枚の半硬化樹脂繊維シート７とを含んでいる。複数の樹脂シートは、電気絶縁性を有し、少なくとも２層以上積層されている。２枚の半硬化樹脂繊維シート７は、複数の樹脂シートを互いの間に挟むように積層されている。

　本実施の形態においては、複数の樹脂シートは、２枚のプラスチックシート６である。すなわち、複数の樹脂シートは、プラスチックシート６を含んでいる。ただし、樹脂シートは、プラスチックシートに限られない。また、樹脂シートの枚数は、２枚に限られず、３枚以上であってもよい。

　上記のように、本実施の形態においては、絶縁シート４は、積層された２枚のプラスチックシート６と、２枚のプラスチックシート６を互いの間に挟むように積層された２枚の半硬化樹脂繊維シート７とを含んでいる。２枚の半硬化樹脂繊維シート７は、絶縁シート４の両方の外表層を構成する。

　プラスチックシート６の材質は、たとえば、ポリエステルまたはポリエチレンテレフタレートである。１枚のプラスチックシート６の厚みは、たとえば、数十μｍから数百μｍである。

　半硬化樹脂繊維シート７は、厚さが数十μｍから数百μｍ程度の、ガラスクロスまたはクラフト紙に含浸させたエポキシ樹脂を半硬化させることにより形成されている。

　２枚のプラスチックシート６と２枚の半硬化樹脂繊維シート７とにおいて、互いに隣接するプラスチックシート６と半硬化樹脂繊維シート７とは、公知の接合方法を用いて互いに接合されている。

　積層されて互いに隣接するプラスチックシート６同士は、超電導コイル１の巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部のみで接合されている。本実施の形態においては、互いに隣接するプラスチックシート６と半硬化樹脂繊維シート７とは、接着剤によって互いに接合されている。よって、図２に示すように、プラスチックシート６同士は、超電導コイル１の巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部に位置する接着剤部８によって互いに接合されている。

　積層されて互いに隣接するプラスチックシート６同士は、積層されて互いに接する部分にフッ素樹脂が塗布されている。フッ素樹脂は、たとえば、テフロン（登録商標）である。なお、フッ素樹脂は、接着剤が塗布される部分には塗布されていない。

　以下、実施の形態１に係る超電導コイル１の製造方法について説明する。巻枠２のフランジ部を除く円筒外周部に絶縁シート４が巻回される。絶縁シート４を構成する互いに積層されたプラスチックシート６同士は、超電導コイル１の巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部が接着剤部８によって接合されている。なお、巻枠２と接する絶縁シート４の内周側に位置する半硬化樹脂繊維シート７は、必ずしも設けられていなくてもよい。

　巻枠２に巻回された絶縁シート４の外周に対して、複数ターンと複数層にわたって超電導線３を巻き付ける。この際、超電導線３の各層間に絶縁シート４を配置する。その後、真空含浸法などによって、超電導線３と絶縁シート４との隙間に接着性樹脂５を充填して硬化させる。接着性樹脂５の硬化とともに、半硬化樹脂繊維シート７が本硬化して、半硬化樹脂繊維シート７と接着性樹脂５とが互いに接着される。その結果、絶縁シート４と接着性樹脂５とを互いに強固に接着することができる。

　本実施の形態１の超電導コイル１においては、絶縁シート４において、２枚の半硬化樹脂繊維シート７が２枚のプラスチックシート６を互いの間に挟むように積層されることで、絶縁シート４と接着性樹脂５とを強固に接着することができるため、絶縁シート４と接着性樹脂５との界面における剥離および割れを抑制することができる。仮に、プラスチックシート６同士の摩擦によって発熱した場合においても、超電導線３とプラスチックシート６との間に半硬化樹脂繊維シート７が介在しているため、超電導線３に熱が伝わり難くして、クエンチの発生を抑制することができる。

　積層されて互いに隣接するプラスチックシート６同士が、超電導コイル１の巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部のみで接合されていることにより、プラスチックシート６同士の間に接着性樹脂５が入り込むことを抑制することができる。その結果、プラスチックシート６同士が接着性樹脂５によって互いに接着されることを抑制して、プラスチックシート６同士の接着強度を低く維持することができる。これにより、超電導コイル１に冷却応力または電磁応力が作用して超電導コイル１内で歪みが発生した際に、プラスチックシート６同士が互いに容易に剥離して歪みを開放することができるため、超電導コイル１内に大きな歪みエネルギが蓄積されることを抑制することができる。ひいては、蓄積された歪みエネルギが熱として放出されてクエンチが発生することを抑制することができる。

　プラスチックシート６同士の積層されて互いに接する部分にフッ素樹脂が塗布されていることにより、仮に、プラスチックシート６同士の間に接着性樹脂５が入り込んだ場合においても、プラスチックシート６と接着性樹脂５との間にフッ素樹脂が存在するため、プラスチックシート６同士の接着強度を低く維持することができる。これにより、超電導コイル１に冷却応力または電磁応力が作用して超電導コイル１内で歪みが発生した際に、プラスチックシート６同士が互いに容易に剥離して歪みを開放することができるため、超電導コイル１内に大きな歪みエネルギが蓄積されることを抑制することができる。ひいては、蓄積された歪みエネルギが熱として放出されてクエンチが発生することを抑制することができる。

　本実施の形態１の超電導コイル１においては、プリプレグシートを貼り合わせた絶縁シート４を用いることにより、絶縁シート４と接着性樹脂５とを溶着するなどの複雑な工程を経ることなく超電導コイル１を製造可能であるため、超電導コイル１の製造コストを低減することができる。

　実施の形態２．
　以下、実施の形態２に係る超電導コイルについて説明する。実施の形態２に係る超電導コイルは、樹脂シートが硬化樹脂繊維シートで構成されている点のみ実施の形態１に係る超電導コイル１と異なるため、実施の形態１に係る超電導コイル１と同様である構成については説明を繰り返さない。

　図３は、実施の形態２に係る超電導コイルにおける超電導線の層間を拡大して絶縁シートの構成を示す縦断面図である。本実施の形態においては、複数の樹脂シートは、２枚の硬化樹脂繊維シート９である。すなわち、複数の樹脂シートは、硬化樹脂繊維シート９を含んでいる。ただし、樹脂シートは、硬化樹脂繊維シートに限られない。また、樹脂シートの枚数は、２枚に限られず、３枚以上であってもよい。

　上記のように、本実施の形態においては、絶縁シート４は、積層された２枚の硬化樹脂繊維シート９と、２枚の硬化樹脂繊維シート９を互いの間に挟むように積層された２枚の半硬化樹脂繊維シート７とを含んでいる。

　硬化樹脂繊維シート９は、厚さが数十μｍから数百μｍ程度の、ガラスクロスまたはクラフト紙に含浸させたエポキシ樹脂を完全硬化させることにより形成されている。

　２枚の硬化樹脂繊維シート９と２枚の半硬化樹脂繊維シート７とにおいて、互いに隣接する硬化樹脂繊維シート９と半硬化樹脂繊維シート７とは、公知の接合方法を用いて互いに接合されている。

　積層されて互いに隣接する硬化樹脂繊維シート９同士は、超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部のみで接合されている。本実施の形態においては、互いに隣接する硬化樹脂繊維シート９と半硬化樹脂繊維シート７とは、接着剤によって互いに接合されている。よって、図３に示すように、硬化樹脂繊維シート９同士は、超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部に位置する接着剤部８によって互いに接合されている。

　本実施の形態２の超電導コイルにおいては、絶縁シート４において、２枚の半硬化樹脂繊維シート７が２枚の硬化樹脂繊維シート９を互いの間に挟むように積層されることで、絶縁シート４と接着性樹脂５とを強固に接着することができるため、絶縁シート４と接着性樹脂５との界面における剥離および割れを抑制することができる。仮に、硬化樹脂繊維シート９同士の摩擦によって発熱した場合においても、超電導線３と硬化樹脂繊維シート９との間に半硬化樹脂繊維シート７が介在しているため、超電導線３に熱が伝わり難くして、クエンチの発生を抑制することができる。

　積層されて互いに隣接する硬化樹脂繊維シート９同士が、超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部のみで接合されていることにより、硬化樹脂繊維シート９同士の間に接着性樹脂５が入り込むことを抑制することができる。その結果、硬化樹脂繊維シート９同士が接着性樹脂５によって互いに接着されることを抑制して、硬化樹脂繊維シート９同士の接着強度を低く維持することができる。これにより、超電導コイルに冷却応力または電磁応力が作用して超電導コイル内で歪みが発生した際に、硬化樹脂繊維シート９同士が互いに容易に剥離して歪みを開放することができるため、超電導コイル内に大きな歪みエネルギが蓄積されることを抑制することができる。ひいては、蓄積された歪みエネルギが熱として放出されてクエンチが発生することを抑制することができる。

　硬化樹脂繊維シート９の樹脂が完全に硬化していることにより、仮に、硬化樹脂繊維シート９同士の間に接着性樹脂５が入り込んだ場合においても、硬化樹脂繊維シート９同士の接着強度を低く維持することができる。これにより、超電導コイルに冷却応力または電磁応力が作用して超電導コイル内で歪みが発生した際に、硬化樹脂繊維シート９同士が互いに容易に剥離して歪みを開放することができるため、超電導コイル内に大きな歪みエネルギが蓄積されることを抑制することができる。ひいては、蓄積された歪みエネルギが熱として放出されてクエンチが発生することを抑制することができる。

　実施の形態３．
　以下、実施の形態３に係る超電導コイルについて説明する。実施の形態３に係る超電導コイルは、複数の樹脂シートが離型シートをさらに含む点が実施の形態１に係る超電導コイル１と主に異なるため、実施の形態１に係る超電導コイル１と同様である構成については説明を繰り返さない。

　図４は、実施の形態３に係る超電導コイルにおける超電導線の層間を拡大して絶縁シートの構成を示す縦断面図である。本実施の形態においては、複数の樹脂シートは、離型シート１０をさらに含んでいる。具体的には、複数の樹脂シートは、１枚のプラスチックシート６と２枚の離型シート１０とで構成されている。ただし、離型シート１０の枚数は、２枚に限られず、１枚でもよい。

　上記のように、本実施の形態においては、絶縁シート４は、１枚のプラスチックシート６と、プラスチックシート６を互いの間に挟むように積層された２枚の離型シート１０と、２枚の離型シート１０を互いの間に挟むように積層された２枚の半硬化樹脂繊維シート７とを含んでいる。すなわち、２枚の離型シート１０の各々は、２枚の半硬化樹脂繊維シート７の内の対応する１枚の半硬化樹脂繊維シート７に隣接している。２枚の半硬化樹脂繊維シート７は、絶縁シート４の両方の外表層を構成する。

　離型シート１０の材質は、たとえば、フッ素樹脂である。フッ素樹脂は、たとえば、テフロン（登録商標）である。離型シート１０の厚みは、たとえば、数十μｍである。

　図４に示すように、超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）における離型シート１０の幅は、プラスチックシート６および２枚の半硬化樹脂繊維シート７の各々の幅よりも狭い。

　これにより、離型シート１０を互いに挟むように積層されたプラスチックシート６と半硬化樹脂繊維シート７とは、接着性樹脂５が硬化する際に、接着性樹脂５によって超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部のみで互いに接合される。

　本実施の形態３の超電導コイルにおいては、プラスチックシート６に隣接して離型シート１０が配置されているため、プラスチックシート６と離型シート１０との接着強度を低く維持することができる。これにより、超電導コイルに冷却応力または電磁応力が作用して超電導コイル内で歪みが発生した際に、プラスチックシート６と離型シート１０とが互いに容易に剥離して歪みを開放することができるため、超電導コイル内に大きな歪みエネルギが蓄積されることを抑制することができる。ひいては、蓄積された歪みエネルギが熱として放出されてクエンチが発生することを抑制することができる。

　超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）における離型シート１０の幅が、プラスチックシート６および２枚の半硬化樹脂繊維シート７の各々の幅よりも狭いことにより、接着性樹脂５によって、離型シート１０を互いに挟むように積層されたプラスチックシート６と半硬化樹脂繊維シート７とを超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部のみで互いに接合することができる。

　実施の形態４．
　以下、実施の形態４に係る超電導コイルについて説明する。実施の形態４に係る超電導コイルは、複数の樹脂シートが離型シートをさらに含む点が実施の形態２に係る超電導コイルと主に異なるため、実施の形態２に係る超電導コイルと同様である構成については説明を繰り返さない。

　図５は、実施の形態４に係る超電導コイルにおける超電導線の層間を拡大して絶縁シートの構成を示す縦断面図である。本実施の形態においては、複数の樹脂シートは、離型シート１０をさらに含んでいる。具体的には、複数の樹脂シートは、１枚の硬化樹脂繊維シート９と２枚の離型シート１０とで構成されている。ただし、離型シート１０の枚数は、２枚に限られず、１枚でもよい。

　上記のように、本実施の形態においては、絶縁シート４は、１枚の硬化樹脂繊維シート９と、硬化樹脂繊維シート９を互いの間に挟むように積層された２枚の離型シート１０と、２枚の離型シート１０を互いの間に挟むように積層された２枚の半硬化樹脂繊維シート７とを含んでいる。すなわち、２枚の離型シート１０の各々は、２枚の半硬化樹脂繊維シート７の内の対応する１枚の半硬化樹脂繊維シート７に隣接している。２枚の半硬化樹脂繊維シート７は、絶縁シート４の両方の外表層を構成する。

　図５に示すように、超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）における離型シート１０の幅は、硬化樹脂繊維シート９および２枚の半硬化樹脂繊維シート７の各々の幅よりも狭い。

　本実施の形態４の超電導コイルにおいては、硬化樹脂繊維シート９に隣接して離型シート１０が配置されているため、硬化樹脂繊維シート９と離型シート１０との接着強度を低く維持することができる。これにより、超電導コイルに冷却応力または電磁応力が作用して超電導コイル内で歪みが発生した際に、硬化樹脂繊維シート９と離型シート１０とが互いに容易に剥離して歪みを開放することができるため、超電導コイル内に大きな歪みエネルギが蓄積されることを抑制することができる。ひいては、蓄積された歪みエネルギが熱として放出されてクエンチが発生することを抑制することができる。

　超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）における離型シート１０の幅が、硬化樹脂繊維シート９および２枚の半硬化樹脂繊維シート７の各々の幅よりも狭いことにより、接着性樹脂５によって、離型シート１０を互いに挟むように積層された硬化樹脂繊維シート９と半硬化樹脂繊維シート７とを超電導コイルの巻軸方向（ＤＲ１方向）の端部のみで互いに接合することができる。

　なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本開示の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではない。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

　１　超電導コイル、２　巻枠、３　超電導線、４　絶縁シート、５　接着性樹脂、６　プラスチックシート、７　半硬化樹脂繊維シート、８　接着剤部、９　硬化樹脂繊維シート、１０　離型シート。

Claims

　複数ターンと複数層にわたって巻回された超電導線と、
　前記超電導線の層間において前記超電導線の複数ターンにわたって配置された絶縁シートと、
　前記超電導線と前記絶縁シートとの間に充填された接着性樹脂とを備え、
　前記絶縁シートは、
　少なくとも２層以上積層された電気絶縁性を有する複数の樹脂シートと、
　前記複数の樹脂シートを互いの間に挟むように積層された２枚の半硬化樹脂繊維シートとを含み、
　前記複数の樹脂シートと前記２枚の半硬化樹脂繊維シートとにおいて、互いに隣接する樹脂シートと半硬化樹脂繊維シートとが互いに接合されている、超電導コイル。
　前記複数の樹脂シートは、プラスチックシートを含んでいる、請求項１に記載の超電導コイル。
　前記複数の樹脂シートは、硬化樹脂繊維シートを含んでいる、請求項１に記載の超電導コイル。
　積層されて互いに隣接する前記樹脂シート同士は、前記超電導コイルの巻軸方向の端部のみで接合されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
　前記複数の樹脂シートは、離型シートをさらに含み、
　前記離型シートは、前記２枚の半硬化樹脂繊維シートの内の対応する１枚の半硬化樹脂繊維シートに隣接している、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
　前記離型シートを互いに挟むように積層された前記樹脂シートと前記半硬化樹脂繊維シートとは、前記超電導コイルの巻軸方向の端部のみで接合されている、請求項５に記載の超電導コイル。
　前記超電導コイルの巻軸方向における前記離型シートの幅は、前記端部のみが接合されている前記樹脂シートと前記半硬化樹脂繊維シートとの各々の幅よりも狭い、請求項６に記載の超電導コイル。
　前記複数の樹脂シートは、積層されて互いに隣接する複数の前記プラスチックシートを含み、
　複数の前記プラスチックシートにおいては、積層されて互いに接する部分にフッ素樹脂が塗布されている、請求項２に記載の超電導コイル。