JPH0250564B2 - - 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（特公平
１−31244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、V₃Ga、Nb₃Ge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１０
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
ることにある。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の外側の冷却媒体流路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
体にも直線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低抗導電材料から
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。

前述した如く上記安定化母材１０の外面と外被
１３の内面との間にはセパレータ１２が配設さ
れ、このセパレータ１２により冷却媒体流路１４
が確保される。このセパレータ１２を設けるため
の手段としては、第６図に示されるように平角状
のセパレータ１２が安定化母材１０の外側に開放
螺旋状に巻付けられている状態にすることが考え
られる。ここでセパレータ１２を平角状とするの
は、以下の理由による。すなわち、第７図ａに示
されるようにセパレータ１２を丸線とした超電導
線によりダブルパンケーキコイル２０を形成し、
そのダブルバンケーキコイル２０に電磁力Ｇが作
用すると、その電磁力Ｇによりセパレータ１２が
つぶされて楕円状になる可能性がある。そして、
このようにセパレータ１２がつぶされて楕円状に
なつた場合、ダブルパンケーキコイルの各超電導
線間にはコイルの径方向に間隙２１，２１が生
じ、この間隙２１，２１がマグネツトにとつては
致命的な欠陥があるワイヤ・ムーブメントを生じ
させる原因になる。したがつて、このような事態
を防止するためには、前述した如く、セパレータ
１２を予め平角状にしておく必要があるのであ
る。

しかし、以上の事情から予め平角状のセパレー
タ１２を配設するとしても、それについては更に
以下のような困難な問題がある、。すなわち、第
１に、上記安定化母材に最初から平角線をケーブ
リングする手段を採る場合、安定化母材に平角線
をぴつたり巻付けることは非常に困難である。第
２に、安定化母材に対して最初丸線をケーブリン
グして、その後圧下して平角線化する手段を採る
場合、圧下時に安定化母材に内装された超電導素
線に損傷を与えるという不都合がある。

この発明は、上記事情に鑑み、強制冷却型超電
導線を製造するにあたつて電磁力に対して強度の
高い平角線を安定化母材に緊密に巻付けてセパレ
ータを形成することができるセパレータの形成方
法を提供することを目的とする。

すなわちこの発明は、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
にはセパレータが配設されて、このセパレータに
より安定化母材の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楼通路を介し安定
化母材内の超電導素線間の隙間に流入して超電導
素線を直接冷却し得るように構成した強制冷却型
超電導線の上記セパレータを形成するにあたつ
て、上記安定化母材と同寸法の芯体に前記セパレ
ータの素材となる丸線を開放螺旋状に嘉付け、そ
の芯体に巻付けられた丸線を芯体ごと圧延して平
角線化するとともに芯体の外面に密着させ、次い
でその圧延された平角線をピツチが狭くなるよう
に芯体の長手方向に圧縮することにより上記芯体
から浮き上がらせてその芯体から取外し、その取
外された平角線を上記安定化母材にはめ込んだ
後、上記芯体上で圧延されたときのピツチに引き
伸ばすことにより上記安定化母材に上記平角線を
密着させて前記セパレータを形成することを特徴
とするものであつて、安定化母材を損傷すること
なく安定化母材に平角線を緊密に巻付けてセパレ
ータを形成することができるようにしたものであ
る。

以下この発明の超電導線セパレータの形成方法
を更に詳細に説明する。

第８図はこの発明のセパレータの形成方法の各
工程を示す図である。

先ず第８図ａに示されるように前記超電導線の
安定化母材と同一の寸法の芯体２２に丸線２３を
所定のピツチで開放螺旋状に巻付ける。上記芯体
２２としては、巻付けられた丸線２３に後述の圧
延加工を施しても、その圧力によつては潰れない
ように硬質の材料を用いる。つぎに、第８図ｂに
示されるように、上記芯体２２に巻付けられた丸
線２３を芯体ごとロールで圧延し、所定の寸法の
平角線２４に仕上げると共に上記芯体２２に密着
させる。この圧延は、芯体２２に丸線２３を巻付
けながら行つてもよい。ついで、第８図ｃに示さ
れるように芯体２２上で圧延された平角線２４を
ピツチが狭くなるように芯体２２の長手方向に圧
縮する。このようにすることにより、芯体２２に
密着して巻付いていた平角線２４は芯体２２から
浮き上がり、芯体２２から挿脱自在となる。そし
て、最後に、芯体２２から外した平角線２４を内
部に超電導素線を備えた安定化母材にはめ込み、
そのはめ込まれた平角線２４を、前述したよう
に、芯体２２上で圧延され平角線化されたときの
ピツチに引き伸ばす。それにより、安定化母材と
芯体２２とは、前述の如く同一寸法にされている
ので、平角線２４は安定化母材の外面に密着し
て、その安定化母材に緊密に巻付けられた状態と
なる。その後、外被の取付け等の所定の作業を行
い、前記提案に係る超電導線の製造が完了する。

以上の説明で明らかなように、この発明のセパ
レータの形成方法によれば、安定化母材と同一寸
法に硬質材料で形成された芯体に丸線を巻付け、
その芯体に巻付けられた丸線を圧延して所定寸法
に平角線化すると共に芯体に密着させ、その平角
線を芯体の長手方向に圧縮し、圧縮されて芯体か
ら浮き上がつた平角線を安定化母材にはめ込み上
記芯体上で平角線化されたときのピツチに引き伸
ばして、超電導線の安定化母材外面と外被内面と
の間に配設するセパレータを形成するようにした
ことにより、電磁力の作用に対して強い平角線
を、安定化母材に緊密に巻回された状態でセパレ
ータとして配設することができる。そして、その
平角線化に際しては、丸線をそのまま安定化母材
に巻回し、圧下して平角線化する場合のように、
安定化母材内部の超電導素線に損傷を与えるよう
なことはない。また、セパレータが平角線化され
ることにより、ダブルパンケーキコイルを形成
し、マグネツトとして使用する場合の電磁力によ
るセパレータの変形を防止し、超電導線間に隙間
が生じることに起因するワイヤ・ムーブメントを
防ぎ、ひいては、超電導線のクエンチを防止する
ことができる。

【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図はダブルパンケーキコイルの部分断面図であ
り、第７図ａはセパレータ変形前を示し、第７図
ｂはセパレータの変形によりワイヤ・ムーブメン
トが生じた状態を示す。第８図はこの発明の各工
程の説明図であり、第８図ａは芯体に丸線を巻付
けた状態を示す図、第８図ｂは芯体に巻付けられ
た丸線を平角線化した状態を示す図、第８図ｃは
平角線を芯体上で芯体の長手方向に圧縮した状態
を示す図である。 １０……安定化母材、１１……超電導素線、１
２……セパレータ、１３……外被、１４……冷却
媒体通路、１５……連通路、２０……ダブルパン
ケーキコイル、２２……芯体、２３……丸線、２
４……平角線。

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セパレータが配
   設されて、このセパレータにより安定化母材の長
   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の上記セパ
   レータを形成するにあたつて、 上記安定化母材と同寸法の芯体に前記セパレー
   タの素材となる丸線を開放螺旋状に巻付け、その
   芯体に巻付けられた丸線を芯体ごと圧延して平角
   線化するとともに芯体の外面に密着させ、次いで
   その圧延された平角線をピツチが狭くなるように
   芯体の長手方向に圧縮することにより上記芯体か
   ら浮き上がらせて芯体から取外し、その取外され
   た平角線を上記安定化母材にはめ込んだ後、上記
   芯体上で圧延されたときのピツチに引き伸ばすこ
   とにより上記安定化母材に上記平角線を密着させ
   て前記セパレータを形成することを特徴とする強
   制冷却型超電導線におけるセパレータの形成方
   法。