JPH0131244B2

JPH0131244B2 -

Info

Publication number: JPH0131244B2
Application number: JP57045795A
Authority: JP
Inventors: Ko Azuma; Katsuyuki Kaiho; Kenichi Koyama; Tsukasa Kono; Yoshimitsu Ikeno; Nobuyuki Sadakata
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Priority date: 1982-03-23
Filing date: 1982-03-23
Publication date: 1989-06-23
Also published as: JPS58162008A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は核融合炉の超電導マグネツト等の超
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。

従来、超電導マグネツト等の超電導コイルにお
ける冷却方式としては、コイル状に巻かれた超電
導線の各層間や各ターン間に冷却媒体流路を形成
しておき、超電導線をその外面側から液体ヘリウ
ム等の冷却媒体の自然対流により冷却する方式が
一般的であつた。しかしながらこの従来方式では
冷却効率やコイルの機械的強度、経済性等の点か
ら問題があり、特に最近の大型超電導コイルには
種々の不都合が生じていた。

そこで最近では超電導線として中央に冷却媒体
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。これらの中空超電
導線においては、いずれも冷却媒体に直接接する
のは銅等の安定化母材２であり、したがつて超電
導素線３Ａ，３Ｂ，３Ｃを構成している超電導材
料は銅等の安定化母材２を介して間接的に冷却さ
れることになる。

上述のような中空超電導線を用いた超電導マグ
ネツトにおいては、自然対流による従来の外部冷
却方式のマグネツトと比較して次のような特徴が
ある。すなわち、導体内に冷却媒体が強制循環さ
れるから、自然対流冷却の場合よりも各部が均等
に冷却される。また、コイルの層間、ターン間の
冷却媒体通路が不要となるためコンパクトでしか
も機械的強度が高いコイルを得ることができ、ま
たそのためコイルの形状の自由度が大きくなる。
さらに、冷却のために直接外部に露出する導体部
分がないから、製作途上においてターン間や層間
の短絡の心配がなく、絶縁耐力が大きくなり、ま
た絶縁物を介して冷却することがないため、大き
な絶縁物を使用することができる。そしてまた、
液体ヘリウムを貯えておく必要がなく、ヘリウム
デユワーが全く不要となるから、従来問題とされ
ていたデユワーの形状および強度に対する問題が
軽減される。また、中空超電導線中に含まれるヘ
リウムの量は従来方式におけるデユワーの中に含
まれるヘリウム量よりも格段に少なく、経済性が
高い。さらに、従来の方式では液体ヘリウムをト
ランスフアチユーブで汲み出す際の効率が悪く、
外部に相当量のヘリウムが逃げる問題があり、か
つ大量のヘリウムを使用する場合にはその汲み出
しに相当な長時間を要する問題があるが、中空超
電導線を用いて冷却媒体を閉回路にて循環させる
場合にはこのような手間が不要となり、また外部
にヘリウムを逃がすこともない。

上述のように中空超電導線を用いた超電導コイ
ルにおいては従来の自然対流外部冷却方式のコイ
ルと比較して極めて優れた種々の長所を有する
が、その反面次のような欠点もある。すなわち、
前述のように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るため、直接
冷却の場合と比較すれば冷却効率が劣り、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
回復が若干遅れる問題がある。

また一方、最近では第４図に示すように中空な
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
て直接冷却が行なわれる。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な
われなかつたりする欠点がある。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもので
あり、基本的に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、全体的に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、さらに複数本の超電導素線を大電流に適した
２層以上の多層構造とするとともに、パルス駆動
のような励磁速度が極めて速い場合でもその多層
構造の各層間に結合電流が生じることを有効に防
止した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強制冷却型超電導線は、中
空な安定化母材内に複数本の超電導素線を収容す
るとともに安定化母材をセパレータを介して外被
により取囲んでそのセパレータにより外被と安定
化母材との間に冷却媒体流路を確保し、かつ安定
化母材にはその外側の冷却媒体流路と内側の超電
導素線側とを連通させる連通路を形成しておき、
これにより安定化母材の外側の冷却媒体流路を流
れる冷却媒体が連通路を介して安定化母材の内側
の超電導素線間の空隙に流入して超電導素線を直
接冷却するとともに、全体的に外側の冷却媒体流
路の冷却媒体の流れによつて冷却するようにし、
かつ超電導素線が最も内側（中央部）に位置する
ように配置することによつてその超電導素線が大
きな電磁力による損傷を受けにくくしかも曲げ歪
による影響が軽減されるような構造とし、さらに
上述のような構成に加えて、特に安定化母材内の
超電導素線を大電流に適した２層以上の多層構造
とし、かつ各層間に高抵抗導電材料からなる薄い
テープを介在させ、このテープにより各層間の結
合電流を抑制するようにしたものである。

以下この発明の超電導線について第５図以降を
参照して詳細に説明する。

第５図はこの発明の超電導線の一例を示すもの
であつて、断面矩形状をなす中空な安定化母材１
０の内側には、複数本の超電導素線１１を集合し
てなる超電導素線集合体１７Ａ，１７Ｂが２層以
上に重ね合されて収容されている。これらの各超
電導素線集合体１７Ａ，１７Ｂは、例えば撚合せ
後に平角状等に圧縮成形した成形撚線構造、ある
いは編組構造あるいは編組した後に圧縮成形した
成形編組構造などとされていて、そして各層の超
電導素線集合体１７Ａ，１７Ｂの間には、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が介在されて、各層の超電導素線集合体１
７Ａ，１７Ｂが相互に直接接触しないように構成
されている。そして安定化母材１０の外側は適当
数のスペーサ１２を介して断面矩形状をなす中空
筒状の外被１３によつて取囲まれ、前記スペーサ
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。

上述の構成において、超電導素線１１に対する
定常的な冷却は安定化母材１０の外側の冷却媒体
流路１４を流れる冷却媒体により安定化母材１０
を介してなされ、遷移的なステージにおける冷
却、すなわちヒートスポツトが生じた場合の回復
のための冷却等は安定化母材１０内の線間空隙１
６の冷却媒体によつて直接的になされる。そして
安定化母材１０に形成されている連通路１５を介
して内側の冷却媒体と外側の冷却媒体とが適当に
交換されることになる。

前記超電導素線１１としては、Nb−Ti合金、
Nb−Ti−Ta合金等の合金系超電導素線、あるい
はNb₃Sn、V₃Ga、Nb₃Ge等の化合物系超電導素
線のいずれを用いても良い。またその超電導素線
１１の線径は0.1〜2.0mm程度まで任意であるが、
この発明の場合には線径1.0mm以上の太径の超電
導素線を用いた場合に特に有効である。さらに超
電導素線を構成するNb₃Sn等の超電導材料を生成
させるための熱処理については、最終的にマグネ
ツトとするためにコイル状に巻いてから行う方法
と、コイル巻き以前の段階で予め行つておく方法
とがあり、この発明の構造は基本的には前者に適
したものであるが、後者にももちろん適用可能で
ある。

さらに第５図の構造においては、各層の超電導
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テープ１８を介在させている
から、各層間に結合電流が流れることを防止で
き、したがつ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。また場合によつては第
６図に示すように各層の超電導素線集合体１７
Ａ，１７Ｂの外面と安定化母材との間にも同じく
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１９を介挿させても良い。すなわち、こ
のようなテープ１９が介挿されていない場合に
は、一方の層の超電導素線集合体１７Ａの外面側
から安定化母材１０を介して他方の層の超電導素
線集合体１７Ｂに結合電流が流れることがある
が、高抵抗導電材テープ１９を介在させておくこ
とによつてこのような安定化母材１０を介しての
結合電流を防ぐことができる。但し第６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、後述する如く適宜空所を
形成しておくことが望ましい。

上述のような高抵抗導電材テープ１８，１９の
厚みは、例えばキユプロニツケルを用いる場合
0.05〜0.5mm程度とすることが望ましい。またテ
ープ１８，１９を介在させるための具体的手段は
任意であるが、例えば各層間のテープ１８の場合
は超電導素線集合体１７Ａ，１７Ｂの間にその長
さ方向に沿つて所謂縦沿え状態で介挿させれば良
い。また各超電導素線集合体１７Ａ，１７Ｂの周
囲にそれぞれ開放螺旋状に巻付けても良く、この
場合には同一のテープが層間のテープ１８と外側
のテープ１９とを兼ねることになる。また外側の
テープ１９については、両超電導素線集合体１７
Ａ，１７Ｂの全体の外側に開放螺旋状に巻付けて
も良い。このように開放螺旋状に巻付けておけ
ば、螺旋間の空所を冷却媒体が流通し得る状態と
なる。

前記安定化母材１０は、何らかのシヨツクで超
電導素線の一部が常伝導に遷移した時に電流をバ
イパスさせて超電導線の全体が常伝導に移行する
ことを防止させるべく安定化させるためのもので
あるが、この発明の場合にはそれに加えて、補強
用構造材の作用も果たす。すなわち安定化母材１
０は、内部の超電導素線を強大な電磁力による損
傷から保護する役割を果たす。この安定化母材１
０の材質は、高磁界側で抵抗が低くしかもある程
度の強度を有するものであれば良く、通常は無酸
素銅を用いることが多いが、このほか銅合金や高
純度アルミあるいは各種アルミ合金等も使用でき
る。また安定化母材１０に形成される連通路１５
の形状は任意であり、例えば第７図に示すように
丸孔状であつても良く、あるいは第８図に示すよ
うにスリツト状であつても良い。

安定化母材１０の周囲に冷却媒体流路１４を確
保するためのスペーサ１２は、長手方向に平行に
配置しても良く、あるいは螺旋状に巻いた構成と
しても良い。またそのスペーサ１２の形状は第５
図に示すように平角状でも、あるいは第９図に示
すように丸棒状でも良く、さらには第１０図に示
すように中空パイプ状であつても良い。但し第１
０図に示すようにパイプ状のセパレータ１２を用
いる場合には、各セパレータ１２間のみならず、
セパレータ（パイプ）１２の内側の空間も冷却媒
体通路とすることが望ましい。またセパレータ１
２の材質は、安定化母材１０と同じものでも、あ
るいは強度確保のためステンレス鋼等を用いても
良い。なおセパレータ１２は、これをスポツト溶
接等により安定化母材１０に固定させておくこと
が望ましい。

最外周側の外被１３は、冷却媒体圧力に耐える
こと、また電磁力により損傷を受けないことなど
の要求を満足する必要があり、鋼、ステンレス
鋼、チタン、チタン合金等の各種金属材料を使用
することが望ましい。また外被１３としては溶接
パイプ、継目無管のいずれも使用可能である。

冷却媒体としては、中空超電導線の場合と同様
に超臨界圧ヘリウムが適しているが、通常の液体
ヘリウムや超流動ヘリウムも勿論使用可能であ
る。

以下にこの発明の超電導線を用いて超電導マグ
ネツトを作成し、その超電導特性を調べた実施例
を記す。

使用した超電導素線は外径1.4mmの極細多芯
Nb₃Sn線であり、その詳細な断面構造を第１１図
に示す。すなわち、この超電導素線はCu−Sn合
金（ブロンズ）基地２０中に7μｍ径のNb₃Snフ
イラメント２１が合計7735本埋込まれかつその
Cu−Sn合金基地２０の外周がNbからなる拡散バ
リヤ層２２で覆われ、さらにその拡散バリヤ層２
２の外側に無酸素銅からなる安定化銅層２３が設
けられ、全体としてCuと非Cuとの比が0.8となる
ように作られたものである。この超電導素線自体
の超電導特性は、4.2K、10Tにおける臨界電流I_c
が最大550Aであつた。このような超電導素線の
15本を撚合せて平角状に成形し、その平角状の成
形撚線（すなわち超電導素線集合体１７Ａ，１７
Ｂ）を２層に重ね合わせ、かつ第６図に示すよう
にキユプロニツケルからなる厚さ0.1mmのテープ
１８を両層間に縦沿え状に介在させるとともに同
じく厚さ0.1mmのキユプロニツケルテープ１９を
重ね合わせた２層の成形撚線１７Ａ，１７Ｂの外
側に開放螺旋状に巻付けた。そして安定化母材１
０として厚さ1.2mmの無酸素銅矩形溶接パイプ、
セパレータ１２として厚さ1.5mmの無酸素銅平角
線、外被１３として厚さ0.8mmのステンレス矩形
パイプを用いて全体として第６図に示すような中
空超電導線を作成した。但しこの中空超電導線の
全体の断面寸法は、長辺側が20mm、短辺側が13mm
である。このような中空超電導線（但しNb₃Snフ
イラメントを生成させるための熱処理を行う前の
ブロンズ−Nbフイラメント複合体の状態のもの）
の長さ35ｍを外径60cmのダブルパンケーキコイル
状に巻き、Nb₃Sn生成熱処理を施してNb₃Sn系強
制冷却型超電導マグネツトを作成した。そしして
バツクアツプコイルを用いて7Tの磁界を発生さ
せ、中央のNb₃Sn系強制冷却型マグネツトの超電
導線内（冷却媒体流路内）に超臨界圧ヘリウムを
流したところ、通電電流7000Aにて中心の最大磁
場12Tの磁界を発生させることができた。この結
果から、この発明の超電導線を用いれば超電導特
性に優れた極めて強力な超電導マグネツトを作成
し得ることが明らかである。

以上の説明で明らかなようにこの発明の超電導
線においては、全体的な冷却は安定化母材の外側
の冷却媒体流路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
様の均等冷却が行なわれ、しかも安定化母材内の
超電導素線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
化母材の外側の冷却媒体と内側の冷却媒体とが連
通路を介して流入、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数が遅
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局部的な
安定性にも極めて優れている。また、この発明の
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
きる。そしてまた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
大きい。さらに、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側からの電磁力に
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。そして、超電導素線として上述のように
編組線や成形撚線を用いることができしかもこれ
が中央に配置されるから、交流用に用いても低損
失で良好な特性を有する線材を提供でき、さらに
各超電導素線集合体の各層間における高抵抗導電
材テープによる結合電流防止の効果が相乗され
て、交流用に用いて低損失で充分な特性を得るこ
とができる。

以上のようにこの発明の超電導線は冷却効率が
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たものであるから、
核融合の他、各種電気機械、エネルギー貯蔵、核
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、さらにこの発明の超電導線では、大電流用に
多層に超電導素線集合体を収容してしかも各層間
の結合電流を高抵抗導電材料用からなるテープに
よつて防止しているから、大電流によるパルス的
な用途に最適である。

【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
の発明の超電導線の第１の例を示す断面斜視図、
第６図はこの発明の超電導線の第２の例を示す断
面斜視図、第７図および第８図はそれぞれこの発
明の超電導線に使用される安定化母材の一例を示
す断面斜視図、第９図はこの発明の超電導線の第
３の例を示す断面図、第１０図はこの発明の超電
導線の第４の例を示す断面図、第１１図はこの発
明の超電導線に使用される超電導素線の一例を示
す断面図である。１０……安定化母材、１１……超電導素線、１
２……スペーサ、１３……外被、１４……冷却媒
体通路、１５……連絡路、１６……超電導素線間
の空隙、１７Ａ，１７Ｂ……超電導素線集合体、
１８……高抵抗導電材テープ。

Claims

【特許請求の範囲】

１中空状をなす安定化母材の内側には複数本の
超電導素線が複数層をなすように収容され、かつ
各層間に高抵抗導電材料からなる薄いテープが介
挿されており、さらに前記安定化母材がセパレー
タを介して筒状の外被によつて取囲まれ、その安
定化母材と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
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ことを特徴とする強制
冷却型超電導線。