JPH0250565B2 - - 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１
０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。しかしながら本発
明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未だ次のよ
うな問題があることが判明した。

前述したように、上記提案の超電導線において
は、安定化母材１０と外被１３との間にセパレー
タ１２が設けられ、このセパレータ１２により冷
却媒体流路１４が確保されているが、この冷却媒
体流路１４を確保するためのセパレータ１２は、
第６図に示されるように丸線または平角線（図に
おいては平角線）を安定化母材１０の外側に開放
螺旋状に巻付けて設けられる。しかし、安定化母
材１０は図示されるように平角状の断面を持つの
で、この安定化母材１０に上記丸線または平角線
を巻付けた場合にはこの安定化母材１０の各エツ
ジ部での浮上がりが避けられない。そしてこのよ
うにエツジ部におけるセパレータ１２の浮上がり
が存在する状態で安定化母材１０およびセパレー
タ１２を外被１３により被覆し、更に、マグネツ
トを形成するためにコイル状に巻回した場合、超
電導線全体にねじれが生じ、さらに安定化母材１
０内部の超電導素線に変形を生じることがある。
また、丸線または平角線を安定化母材１０の外側
に開放螺旋状に巻付けてセパレータ１２を設ける
場合、単に巻付けるのみでは丸線または平角線を
安定化母材１０に密着させるのは困難であり、外
被１３を被覆して成型した後においてマグネツト
等に使用するためコイルに巻き通電した際に発生
する電磁力により、安定化母材１０とセパレータ
１２との間の上記間隙が安定化母材１０及びその
内層材の動きを許容し、クエンチが発生する原因
となる。

したがつて、以上の不都合を無くすためには、
丸線または平角線を安定化母材１０の外側に巻付
けた後、巻付けられた丸線等を安定化母材１０の
外面に向けて押圧し、密着させる必要がある。し
かしながら、そのような丸線等を安定化母材１０
の外面に向けて押圧する場合、その押圧力により
安定化母材１０が変形し、安定化母材１０内部の
超電導素線が損傷を受けてしまうという不都合が
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、前述の特願昭57−45795号記載の超電導線
を製造するに際し、安定化母材と外被との間に設
けられるセパレータを、安定化母材内部を損傷す
ることなく安定化母材に密着させて成型すること
ができるようにした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セパレータ形成方法は、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、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確保され、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に超電導素線間の
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、上記セパレータの素材と
なる中空状のパイプを上記安定化母材に開放螺旋
状に巻付け、その巻付けられたパイプを上記安定
化母材に対して押圧することにより偏平状に成型
し、同時にその押圧力により、当該パイプを安定
化母材に対して密着させてセパレータを形成する
ようにしたことを特徴とするものである。

以下にこの発明のセパレータの形成方法をさら
に詳細に説明する。

第７図はこの発明のセパレータの形成方法の手
順を示す図である。第７図Ａに示されるように、
先ず、安定化母材１０の外面に、中空状のパイプ
２０を開放螺旋状に巻付ける。この実施例におい
ては、中空状のパイプ２０として内側に中空部２
１を有する断面円形のものが用いられている。次
に、以上のように安定化母材１０の外面に巻付け
られたパイプ２０を安定化母材１０の外面に対し
て、例えば圧延ロール等を用いて押圧する。パイ
プ２０は上述したように中空状とされていること
から、このように押圧されることにより容易に変
形し、偏平状に成型される。この場合、中空部２
１を形成するパイプ２０の内側面は、第７図Ｂに
示されるように安定化母材１０からみて内方と外
方が接合した状態とした方が、後に変形する余地
がなく望ましい。電磁力作用時（通電時）に変形
すると、その分だけ寸法的に余裕が生じワイヤム
ーブメントの原因となる。従つてパイプをつぶす
のは製造過程で成されるべきで電磁力の作用時に
は成されるべきでない。

そして、この過程においてパイプ２０は安定化
母材１０の外側面及びエツジ部に対して密着され
る。また、中空パイプ２０は中空部２１を有する
ため変形抵抗が小さく、通常の丸線の1/3〜1/20
の変形抵抗を持つに過ぎないので、この中空パイ
プ２０を安定化母材１０に対して押圧して成型し
ても、安定化母材１０は変形は生じない。したが
つて、安定化母材１０の内部の超電導素線１１が
損傷を受けるようなこともない。

以上説明したように、この発明によれば、強制
冷却型超電導線のセパレータを形成するにあたつ
て、セパレータの素材として中空状のパイプを用
い、その中空状パイプを安定化母材に対して巻付
けた後、安定化母材に対して押圧して成型すると
同時に、当該安定化母材に密着するようにしてセ
パレータを形成するようにしたことにより、セパ
レータの安定化母材からの浮上がりが無くなり、
したがつて、そのようにして製造した超電導線を
マグネツト等に使用するためにコイルに巻き、通
電しても、安定化母材及びその内部の超電導素線
が電磁力の作用により動きを生じてクエンチが発
生するというようなことはない。また、特にセパ
レータの素材として中空状のパイプを用いたの
で、その中空パイプが安定化母材の外面に密着す
るよう安定化母材に対して押圧しても、中空パイ
プ自体が変形しながら安定化母材に密着して、そ
の押圧力を吸収するので、安定化母材自体の変形
は生じず、安定化母材内部の超電導素線が損傷を
受けるようなことはない。

【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図はこの発明のセパレータ形成方法の一例を段
階的に示す斜視図である。 １０……安定化母材、１１……超電導素線、１
３……外被、１４……冷却媒体通路、１５……連
通路、２０……パイプ、２１……中空部。

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セパレータが配
   設され、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、 上記セパレータの素材となる中空状のパイプを
   上記安定化母材に開放螺旋状に巻付け、その巻付
   けられたパイプを上記安定化母材に対して押圧し
   て偏平状に成型し、同時にその押圧力により当該
   パイプを安定化母材に対して密着させてセパレー
   タを形成するようにした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。