JPH0119722B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は核融合炉等の超電導マグネツトの超
電導コイルに使用される超電導線に関し、特に冷
却媒体により強制循環冷却させる型式の超電導線
に関するものである。

最近に至り、断面中央に冷却媒体通路を形成し
たいわゆる中空超電導線を用い、冷却媒体通路に
超臨界圧ヘリウム等の冷却媒体を強制循環させて
超電導線をその内側から強制冷却するようにした
超電導コイルが種々提案されている。このような
超電導コイルに使用される中空超電導線として
は、例えば第１図に示すように、中央に冷却媒体
通路１を形成した断面矩形状の銅等の安定化母材
２の壁面内に超電導素線３Ａが埋め込まれた型式
のもの、あるいは第２図に示すように同じく断面
矩形状の銅等の安定化母材２の外面に極細多芯超
電導素線３Ｂが巻付けもしくは撚り合わされた型
式のもの、さらには第３図に示すように断面矩形
状の安定化母材２の外面に凹溝４が形成されると
ともに各凹溝４に成形超電導素線３Ｃが嵌合固定
された型式のもの等がある。

このような強制冷却型の超電導線を用いた超電
導マグネツトにおいては、導体内に冷却媒体が強
制循環されるため各部が均等に冷却され、またコ
イルがコンパクトでしかも機械的強度が高く、さ
らに冷却媒体の使用量が少なくて済む等の利点を
有するが、その反面、超電導素線に対する冷却が
銅等の安定化母材を介しての間接冷却となつてい
るため、冷却効率が低く、そのため何らかの原因
で超電導素線の一部にヒートスポツトが生じて超
電導特性が失われた場合に、その回復が遅れる問
題がある。

一方、第４図に示すように角型筒状体６の内側
に多数本の超電導素線３Ｂを収容し、その超電導
素線間の空隙７に液体ヘリウム等の冷却媒体を流
すようにしたいわゆるバンドルタイプの超電導線
も提案されており、この場合には超電導素線３Ｂ
の表面に直接冷却媒体が接して直接冷却が行われ
る。しかしながらこの型式の超電導線においては
冷却媒体をスムーズに流すことが相当に困難であ
り、局部的に冷却媒体の流れが滞つて温度上昇
し、ヒートスポツトが生じたり、またヒートスポ
ツトの回復がすみやかに行われなかつたりする欠
点がある。

そこで本発明者等は、前記中空超電導線の長所
と第４図に示す直接冷却型超電導線の長所とを取
入れて、全体的な冷却効率が高くしかも局部的な
安定性も良好で、かつ大きな電磁力に耐え得る構
造とした超電導線を特願昭57−45795号において
提案している。この提案の超電導線の一例を第５
図に示す。

第５図において、銅、銅合金、高純度アルミニ
ウム、アルミニウム合金等の良導電性材料からな
る断面矩形状の中空な安定化母材１０の内側に
は、Nb―Ti合金、Nb―Ti―Ta合金等の合金系
超電導材料あるいはNb₃ Sn、V₃ Ga、Nb₃ Ge
等の化合物系超電導材料からなる複数本の超電導
素線１１が収容されている。そして安定化母材１
０の外側は安定化母材１０と同様な材料あるいは
ステンレス鋼等からなる適当数のセパレータ１２
を介して銅、ステンレス鋼、チタン、チタン合金
等からなる断面矩形状の外被１３によつて取囲ま
れ、前記セパレータ１２により安定化母材１０の
外面と外被１３の内面との間に冷却媒体流路１４
が確保されている。さらに前記安定化母材１０に
は、その外側の冷却媒体流路１４と内側の空間と
を連通させる丸孔状、長孔状、あるいはスリツト
状等の複数の連通路１５が形成されている。した
がつて冷却媒体流路１４を流れる超臨界圧ヘリウ
ム等の冷却媒体は連通路１５を流通して安定化母
材１０の内側の超電導素線１１の線間の空隙１６
に流入し、超電導素線１１に直接冷却媒体が接す
ることになる。そしてこの安定化母材１０の内側
の超電導素線１１の線間空隙１６においても冷却
媒体の流れが生じることになる。

上記提案の超電導線においては、全体的な冷却
は安定化母材１０の外側の冷却媒体通路１４を流
れる冷却媒体の定常流によつてなされるため従来
の中空型超電導線の場合と同様に均等冷却が行わ
れ、しかも安定化母材１０内の超電導素線１１自
体にも直接冷却媒体が接して直接冷却がなされる
ため冷却効率が高く、なおかつ安定化母材１０の
外側の冷却媒体と内側の冷却媒体とが連通路１５
を介して流入、流出して交換されるため従来の第
４図に示すバンドルタイプの直接冷却超電導線の
場合のように内側の冷却媒体が局部的に温度上昇
してヒートスポツトが生じたりその回復が遅れた
りすることが極めて少なく、したがつてトータル
としての冷却効率が優れると同時に定常安定性お
よび過渡安定性も極めて優れている。また上記提
案の超電導線においては、じよう乱が生じて超電
導状態が破れ、磁束流状態となつた時に電流は安
定化母材に分流することになるため安定化母材の
部分でも発熱することになるが、この安定化母材
の発熱も外側の冷却媒体により冷却されるから、
第４図に示す従来のバンドルタイプの直接冷却方
式に比べ、超電導状態をすみやかに回復すること
ができ、さらに上述のように安定化母材の内外の
冷却媒体が連通路を介して流入、流出するため、
安定化母材内の超電導素線の集合構造が、その長
手方向に冷却媒体がスムーズに流れにくい構造例
えば編組構造や成形撚線構造となつていても特に
支障はなく、したがつて超電導素線の集合構造に
ついての制約がないためその設計の自由度が大き
く、そしてまた超電導素線が超電導線の中央部分
に配置されるため、マグネツト等のコイルに巻い
た場合の曲げ歪の影響による超電導素線の特性劣
化が少なく、しかも超電導素線は外側の安定化母
材によつて保護されるため外部からの電磁力によ
り超電導素線が損傷劣化することが有効に防止さ
れる等、従来の超電導線と比較して格段に優れた
特性を有する。

なお第５図の超電導線においては、複数の超電
導素線１１からなる超電導素線集合体１７Ａ，１
７Ｂを２層に重ね合せて安定化母材１０内に収容
し、かつ２層の超電導素線集合体１７Ａ，１７Ｂ
の間にキユプロニツケル等の高抵抗導電材料から
なる薄いテープ１８を介挿し、各層の超電導素線
集合体１７Ａ，１７Ｂが直接接触しない構成とさ
れている。このように構成することにより、各層
間に結合電流が流れて例えばパルス駆動のごとく
励磁速度が極めて速い場合等における超電導特性
の低下を防止することができる。さらに第５図の
超電導線においては各層の超電導素線集合体１７
Ａ，１７Ｂと安定化母材１０との間にも前記同様
な高抵抗導電材料からなる薄いテープ１９が介挿
されており、このテープ１９は、安定化母材１０
を介して両層間に結合電流が流れることを防止す
る役割を果たす。但し第５図においては図の簡単
化のため各層１７Ａ，１７Ｂの外面の全面にそれ
ぞれテープ１９を設けた状態を示しているが、実
際には連通路１５からの冷却媒体の流入を妨げな
いように、適宜空所を形成しておくのが通常であ
る。

以上のように前記提案の超電導線は、従来の超
電導線と比較して冷却効率が良好でしかも安定性
に優れ、かつまた曲げや外力等に対する機械的強
度も優れ、核融合のほか、各種電気機械、エネル
ギー貯蔵、各磁気共鳴吸収、磁気分離等の各種用
途、特に大型・高磁界マグネツト用超電導線に最
適なものであり、また特に超電導線を多層に収容
して高抵抗導電材料からなるテープ１８や１９を
介挿した場合には、各層間の結合電流が高抵抗導
電テープによつて防止されるため、大電流による
パルス的な用途に最適である。しかしながら本考
案者等がさらに実用化のための研究をすすめたと
ころ、上記提案の超電導線においては次のような
問題があることが判明した。

すなわちこの種の超電導線において安定化母材
１０と外被１３との間に冷却媒体通路１４を確保
するためのセパレータ１２を設けるための手段と
しては、第６図に示すようにセパレータ１２とし
て、線材状あるいは帯状のものを用い、これを安
定化母材１０の外側に開放螺旋状に巻付けること
が考えられていた。しかしながらこのようにセパ
レータ１２を安定化母材１０の外側に巻付けてな
る超電導線は、これをコイル巻加工のために曲げ
る際にセパレータ１２が締まる傾向を示し、その
ため曲げづらくなり、特に小径にコイル巻加工を
行うことが困難となつて、無理に曲げ加工しよう
とすれば曲げが不均一となつたり、安定化母材に
割れや座屈が生ずるおそれもあつた。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもの
で、特願昭57−45795号記載の超電導線をさらに
改良し、コイル巻加工を容易にして、小径のコイ
ルをも容易に得られるようにした強制冷却型超電
導線を提供することを目的とするものである。

すなわちこの発明の超電導線は、中空状をなす
断面矩形状の安定化母材の内側に複数本の超電導
素線が収容され、前記安定化母材とこれを取囲む
外被との間に長手方向に連続する冷却媒体流路が
形成され、かつ前記安定化母材にはその内外を連
通する連通路が形成されており、前記冷却媒体流
路を流れる冷却媒体が前記連通路を介し安定化母
材内の超電導素線間の空隙に流入して超電導素線
を直接冷却し得るように構成した強制冷却型超電
導線において、 前記安定化母材の外面に突条部が一体に形成さ
れて、その突条部により前記冷却媒体流路が確保
されていることを特徴とするものである。

以下この発明の超電導線をさらに具体的に説明
する。なお以下の説明において安定化母材１０お
よびスペーサ１２に相当する部分以外の構成は前
記提案のものと同様であれば良く、したがつてそ
れ以外の部分についての説明は省略する。

第７図はこの発明の超電導線に使用されている
安定化母材１０の一例を示すものであり、全体と
してほぼ断面矩形状をなす安定化母材１０の外周
の各面にはそれぞれ１条以上の突条部２０が長手
方向に沿つて一体に形成されている。なお安定化
母材１０の壁面にその内外を連通する連通路１５
が形成されていることは前記提案の場合と同様で
ある。

このような安定化母材１０を用いたこの発明の
超電導線の一例を第８図に示す。第８図におい
て、前記突条部２０の間の空間が冷却媒体流路１
４となり、その通路を超臨界圧ヘリウム等の冷却
媒体が流れることになる。したがつて前記突条部
２０が外部１３と安定化母材１０との間の冷却媒
体流路１４を確保するための前述のセパレータ１
２（第５図参照）の役割を果たす。

上述のようにセパレータの役割を果たす突条部
２０を一体に形成した安定化母材１０を用いた超
電導線をコイル巻加工のために曲げた場合には、
突条部２０の部分が安定化母材１０と一体となつ
て挙動し、したがつて別体のセパレータ１２を安
定化母材１０に巻付けた場合と比較して格段に容
易に曲げることができ、そのため均一な曲げ径が
得られ、また小径のコイルにも巻き易い。なお別
体のセパレータ１２を安定化母材１０を巻付けた
場合にはセパレータ１２と安定化母材１０との間
に若干の隙間が生じるから、その隙間の分だけ超
電導線の全体の外径が大きくなるが、上述のよう
にセパレータの役割を果たす突条部を安定化母材
に一体に形成すれば、その間に隙間がないため全
体の外径を若干小さくすることができ、したがつ
てコンパクトな超電導線を得ることができる。

次に前述の如き安定化母材を作成する方法の一
例を説明すると、第９図Ａに示すように無酸素銅
等の良導電導材料からなるテープ状の素材２１を
ロール圧延等により第９図Ｂに示すように加工し
て、その表面に複数の突条部２０を形成し、次い
でこれを第９図Ｃに示すようにコ型チヤンネル状
に折曲げ加工し、このようにして得られたコ型チ
ヤンネル状の素材２１の開口側に、前記同様にし
て突条部２０を形成した別のテープ状の素材２２
を第９図Ｄに示すようにかぶせて、全体の断面矩
形状になせば良い。なお第９図においては、連通
路１５が示されていないが、実際には適宜連通路
１５を形成することはもちろんである。

あるいはまた、第１０図Ａに示すように前記同
様にして突条部２０を形成して一対のコ型チヤン
ネル状の素材２３，２４を作成し、これらを第１
０図Ｂに示すように相互に対向するように嵌め合
せて、全体としての断面が矩形をなす突条部付き
の安定化母材１０を得ても良い。なお第１０図Ｂ
の安定化母材の場合、両チヤンネル状素材２３，
２４はスポツト溶接等により相互に固着せず、単
に嵌め合せただけとする。このようにすることに
よつて両素材２３，２４が互いに滑り得る状態と
なり、その結果コイル巻加工時において引張側の
伸びが素材２３，２４間の滑りによつて補われる
ため、コイル巻加工がより一層容易となる。

以下にこの発明の超電導線を製造した具体例を
記す。

幅50mm、厚さ2.7mm、の無酸素銅テープをロー
ル圧延加工した後プレス加工によつて中央部に穴
をあけ、第９図Ｂに示すように４条の突条部２０
を有しかつ第１０図Ａに示すような連通路１５を
有する形状とした。但し突条部２０の高さｈは
1.5mm、幅ｗは3.8mm、突条部２０の間隔ｂは3.8
mm、連通路１５の内径は2.5mm、突条部２０を形
成していない部分の厚みｔは1.2mmとした。その
両耳をスリツトして幅30mmとした後、中央部13mm
で両端を折曲げ、第１０図Ａの左側に示すような
コ型チヤンネル状素材２３を得た。同様に第１０
図Ａの右側に示すように２条の突条部２０を有し
かつ連通路１５を有するコ型チヤンネル状素材２
４を作つた。一方外径1.4mmの熱処理前のNb₃ Sn
線15本を撚り合せた後、成形し、これを２層に重
ねて一方のコ型チヤンネル状素材２４の中に収容
し、その素材２４に他方のコ型チヤンネル状素材
２３を嵌合させ、さらに外被用のテープをかぶせ
て溶接し、20mm×13mmの超電導線とした。絶縁
後、内径が150mm、外径が400mmのダブルパンケー
キに巻いたが、座屈や割れなどは全くみとめられ
ず、良好なコイル形状を示した。

以上の説明で明らかなようにこの発明の超電導
線は、前記提案の超電導線と同様に冷却効率が良
好でしかも安定性に優れ、かつまた曲げや外力に
対する機械的強度も優れる等の利点を有するほ
か、安定化母材と外被との間の冷却媒体流路を確
保するためのセパレータの役割を果たす突条部が
安定化母材の外面に一体に形成されているため、
コイル巻のための曲げ加工時には安定化母材と突
条部が一体に挙動し、したがつて前記提案の超電
導線の如く安定化母材の外側にセパレータを巻付
けた場合と比較して格段にコイル巻加工が容易で
あり、またそれに伴つて均一な曲げ径を得ること
ができるとともに、小径のコイルに巻くことも可
能となり、さらには曲げ加工時の無理な力により
安定化母材に割れや座屈が生じるおそれもない等
の種々の利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図まではそれぞれ従来の中空超
電導線の一例を示す断面図、第４図は従来の直接
冷却型超電導線の一例を示す断面図、第５図はこ
の発明に先行して提案されている超電導線の一例
を示す斜視図、第６図は第５図の超電導線におけ
る安定化母材およびセパレータを示す斜視図、第
７図はこの発明の超電導線に用いられる安定化母
材の一例を示す斜視図、第８図は第７図の安定化
母材を用いた超電導線の一例を示す斜視図、第９
図Ａ〜Ｄはこの発明の超電導線に用いられる安定
化母材の製造方法の一例を段階的に示す斜視図、
第１０図Ａ，Ｂはこの発明の超電導線に使用され
る安定化母材の他の例を示す斜視図である。 １０…安定化母材、１１…超電導素線、１３…
外被、１４…冷却媒体通路、１５…連通路、２０
…突条部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中空状をなす断面矩形状の安定化母材の内側
   に複数本の超電導素線が収容され、前記安定化母
   材とこれを取囲む外被との間には長手方向に連続
   する冷却媒体流路が形成され、かつ前記安定化母
   材にはその内外を連通する連通路が形成されてお
   り、前記冷却媒体流路を流れる冷却媒体が前記連
   通路を介し安定化母材内の超電導素線間の空隙に
   流入して超電導素線を直接冷却し得るように構成
   した強制冷却型超電導線において、 前記安定化母材の外面に突条部が一体に形成さ
   れて、その突条部により前記冷却媒体流路が確保
   されていることを特徴とする強制冷却型超電導
   線。