JPH11144535A - 超伝導導体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超伝導コイルの交流損失を低減するするため
に、超伝導コイルにおいて生ずる偏流を緩和する。 【解決手段】 多数の超伝導素線を撚り合わせた撚線構
造を有する多層構造の超伝導導体において、層間で撚り
のピッチが異なることを特徴とする超伝導導体。また、
多数の超伝導素線を撚り合わせた複数次（１次〜ｎ次）
の撚線構造を有する超伝導導体において、各次（１次〜
ｎ次）の撚りのピッチが異なることを特徴とする超伝導
導体。中心部に形成された超伝導材料層とその外側に形
成された外被層を有する超伝導素線であって、前記外被
層の導電率が前記超伝導材料層のマトリックス材の導電
率より小さいことを特徴とする超伝導素線。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超伝導導体に関
するもので、特に、超伝導コイルに使用される超伝導導
体の交流損失を低減する構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、超伝導コイルを作る超伝導導体
は、複数の素線を強く撚って作っていた。このため、素
線間の結合係数が増大して、偏流が生ずる原因となって
いた。

【０００３】超伝導コイルは、低温での発熱を最小限に
する必要がある。それは、低温で発熱があると、超伝導
コイルの安定な運転に傷害が発生しやすいほかに、冷却
を行うための冷凍機の消費電力が増大するからである。
特に、交流運転を行うときには、直流通電時の発熱の他
に交流損失が発生するので、その低減が超伝導技術の重
要な課題である。交流の周波数が高くなり、通常の商用
周波数程度になると交流損失の中で渦電流損が支配的に
なることが今までの研究結果から知られている。例え
ば、ＮｂＴｉの成形撚線であるラザフォードケーブルの
場合では、解析によると交流損失の９９％以上が渦電流
損であり、これが低減できると極めて高性能な超伝導コ
イルを制作することができる。渦電流損を減少する一般
的な方法は古くから知られてきた。それは、導体を構成
する素線の断面積を小さくし、それらを互いに電気絶縁
することである。事実、上記のラザフォードケーブルの
場合には、素線を電気絶縁すると９９％程度もの発熱が
防止できるという測定結果がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超伝導
素線を互いに電気絶縁すると偏流と言われる問題が新た
に生じる。これは、超伝導導体を構成している複数の素
線に流れる電流が各素線間で同じとはならないで、素線
によってはその電流値が数倍以上も異なる電流が流れる
現象である。これは、超伝導線には電気抵抗が存在しな
いため、素線の僅かな自己インダクタンスの変化、及び
複数の素線が強く結合し、その相互インダクタンスが僅
かに変化するために生じる現象である。このため、大き
な電流が流れている素線の電流値がその素線の臨界電流
値を超すと常伝導に転移して、超伝導導体としての機能
を失い他の素線に電流負荷がかかるようになり、最終的
にはコイル全体が常伝導に転移しクエンチ状態になる。
さらに、素線に異なった電流が流れると、発熱は電流の
２乗に比例するので、クエンチが生じる程の大きな偏流
でなくても、偏流によってすべての素線が同じ電流の時
よりも発熱が増大する。このため、設計上期待される大
電流により超伝導コイルを励磁できないという問題点が
あった。

【０００５】従って、素線を電気絶縁する場合には、偏
流が最も重要な課題であり、この問題の解決をなくして
大電流超伝導コイルの交流利用は困難となる。本発明
は、超伝導コイルの交流損失を低減するするために、超
伝導コイルにおいて生ずる偏流を緩和することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、多数の超伝導
素線を撚り合わせた撚線構造を有する多層構造の超伝導
導体において、層間で撚りのピッチが異なることを特徴
とする超伝導導体である。さらに、撚線構造を有する多
層構造の超伝導導体において、外側層の撚線よりも内側
層の撚線の撚りのピッチを大きくしたことを特徴とする
超伝導導体である。または、撚線構造を有する多層構造
の超伝導導体において、内側層の撚線よりも外側層の撚
線の撚りのピッチを大きくしたことを特徴とする超伝導
導体である。

【０００７】さらに本発明は、多数の超伝導素線を撚り
合わせた複数次（１次〜ｎ次）の撚線構造を有する超伝
導導体において、各次（１次〜ｎ次）の撚りのピッチが
異なることを特徴とする超伝導導体である。さらに、撚
りのピッチは、次数の低い撚りの方が次数の高い撚りよ
りも大きいことを特徴とする超伝導導体である。また
は、撚りのピッチは、次数の高い撚りの方が次数の低い
撚りよりも大きいことを特徴とする超伝導導体である。
さらに上記撚線構造は、超伝導導体の軸の近傍に形成さ
れた非超伝導部材からなる中心部材の外側に形成され、
さらに超伝導素線層の外側に外被層を有することを特徴
とする超伝導導体である。また、中心部材には冷却材の
通路が設けられていることを特徴とする超伝導導体であ
る。

【０００８】さらに本発明は、中心部に形成された超伝
導材料層とその外側に形成された外被層を有する超伝導
素線であって、外被層の導電率が超伝導材料層のマトリ
ックス材の導電率より小さいことを特徴とする超伝導素
線である。さらに、超伝導材料層の径を外被層の径の４
／５以下にしたことを特徴とする超伝導素線である。

【０００９】さらに本発明は、中心層と、中心層の外側
に形成された超伝導材料層と、その外側に形成された外
被層を有する超伝導素線であって、外被層の導電率が超
伝導材料層のマトリックス材の導電率より小さいことを
特徴とする超伝導素線である。さらに、超伝導材料層の
径を外被層の径の４／５以下にしたことを特徴とする超
伝導素線である。

【００１０】さらに本発明は、中心部に形成された超伝
導材料層と、その外側に形成された第１の外被層と、さ
らにその外側に形成された第２の外被層とを有する超伝
導素線であって、超伝導材料層のマトリックス材の導電
率が第２外被層の導電率より小さいことを特徴とする超
伝導素線である。さらに、第２の外被層がクロムメッキ
層であることを特徴とする超伝導素線である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下の詳細な説明および図面の記
載において、同様の要素は同様の参照番号により表され
る。

【００１２】図１および図２に、本発明によるコイルの
偏流を低減する超伝導素線の断面構造を示す。図１は中
心層２と、中心層２の外側に形成された超伝導フィラメ
ント５よりなる超伝導材料層３と、該超伝導材料層３の
外側に形成された外被層４を有する超伝導素線である。
そして本発明においては外被層を高抵抗材料で形成する
ものである。

【００１３】さらに本発明では、コイルの偏流を低減す
るため、超伝導素線の外被層４の厚さを十分厚くするよ
うに、該超伝導材料層の径ｂを前記外被層の径ａの４／
５以下、さらに望ましくは１／２以下とする。

【００１４】本実施の態様の超伝導素線は、例えば機械
的な補強層としてＣｕ、ステンレス又はキプロニッケル
（ＣｕＮｉ）などからなる中心層２の外側に、例えば金
属マトリクス中に超伝導フィラメント５が埋め込まれた
超伝導材料層３が形成され、その外側に補強材として例
えばＣｕ層またはキプロニッケル層などからなる外被層
４が例えば押出法により形成されている。なお、超伝導
材料層３において、超伝導フィラメントであるＮｂＴｉ
フィラメントは、通常、常伝導金属マトリックス例えば
Ｃｕ中に埋め込まれている。超伝導材料層は多数の細い
超伝導フィラメントの集合により形成され、フィラメン
トの直径は数μｍ〜数１０μｍ程度である。フィラメン
トは通常軸中心に整列して配置されており、マトリック
スとなるＣｕとＮｂＴｉ線材を交互に積層しこれを引伸
ばして作成される。また、フィラメントが軸中心にツイ
ストするようにして加工される場合もある。外被層とし
て用いられるキプロニッケルはマトリクスを構成するＣ
ｕよりも高抵抗であり，電流を遮蔽する効果を有する。
このため，コイルの偏流の緩和および電流損の低減によ
り効果がある。外被層４の直径は通常１ｍｍ以下であ
る。

【００１５】また、図２に示す実施態様は、図１の中心
層を有せず、中心部に形成された超伝導材料層３とその
外側に形成された外被層４を有する超伝導素線である。
図１の構造と同様に、該超伝導材料層３の径を外被層の
径の４／５以下、さらに望ましくは１／２以下にするこ
とにより偏流が緩和できる。

【００１６】このように、外被層４の径を超伝導材料層
３の径よりも大きくし外被層の厚さを十分厚くするとと
もに外被層をマトリックス材より高抵抗材料で形成する
ことにより、この超伝導導体を用いて作成したコイルの
各超伝導導体間の結合係数を小さくし偏流を低減するこ
とが可能となる。結合係数を小さくすることによりコイ
ルの偏流が大巾に緩和できる。

【００１７】以下，超伝導導体の構造と結合係数との関
係についての検討結果を示す。超伝導素線の偏流は、そ
れぞれの自己および相互インダクタンスのわずかなバラ
ツキと強い結合係数の結果生じる。

【００１８】まず、撚線を構成する素線の自己インダク
タンスＬ及び相互インダクタンスＭについて考察し、続
いて結合係数ｋについて検討する。この場合、超伝導コ
イルを形成するそれぞれの素線は、互いに２本ずつ電流
比を比較すれば、全体の素線の電流比が分かるので、２
本の撚線について解析すれば良い。

【００１９】素線間の結合係数をｋ、自己および相互イ
ンダクタンスをそれぞれＬ₁ ，Ｌ₂，Ｍとし，２本の素
線の自己インダクタンスの差をｘとすれば、 ｋ² ＝Ｍ² ／Ｌ₁ Ｌ₂ （１） Ｌ₁ ＝Ｌ₂ （１＋ｘ） （２） となる。

【００２０】ここで、本解析で対象とする超伝導素線の
断面を図１に示す。このときの超伝導素線１の自己イン
ダクタンスＬは、 Ｌ＝μ₀ ・Ｒ₁ （ｌｎ（８Ｒ₁ ／ｂ）−２） （３） で表される。

【００２１】ここで、Ｒ₁ は超伝導コイル（図示せず）
の半径であり、μ₀ は透磁率である。なお、式（３）
は、超伝導材料層３の厚さが十分に薄いとした場合であ
る。

【００２２】図２に示すように、もし、中心部までフィ
ラメントからなる超伝導材料層３が充填されている構造
における自己インダクタンスＬは、 Ｌ＝μ₀ ・Ｒ₁ （ｌｎ（８Ｒ₁ ／ｂ）−７／４） （４） となり、式（３）と少し異なる。

【００２３】通常、超伝導ケーブルは超伝導素線１を撚
って形成される。素線を撚って超伝導ケーブルを形成す
る理由は、超伝導ケーブルを曲げて使用する場合の構造
上の安定性に必要なためであるが、この解析では近似的
に、撚りがない場合の相互インダクタンスＭを求める。
図３は、ｚ軸を中心軸とする２つのループからなるコイ
ルの断面を模式的に示したものである。

【００２４】この場合の相互インダクタンスＭは、 Ｍ＝μ₀ （Ｒ₁ Ｒ₂ ）^1/2 ｛（２／ｋ−ｋ）・Ｋ（ｋ）−２／ｋ・Ｅ（ｋ）｝ （５） となる。

【００２５】ここでｋは、 ｋ² ＝４Ｒ₁ Ｒ₂ ／（（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）² ＋ｃ² ） （６） である。ここでＫ（ｋ）は第１種の完全楕円積分であ
り、Ｅ（ｋ）は第２種の完全楕円積分である。ｃはルー
プ１と２のｚ軸方向における差である。ｃは概略２ａで
あり撚線と同じオーダーである。通常ｃはほぼ１ｍｍ程
度である。

【００２６】コイルの半径Ｒ₁ およびＲ₂ は、通常０．
５ｍ程度であり、超伝導素線の半径ａは１ｍｍ程度であ
るから、Ｒ₁ 、Ｒ₂ ＞＞ｃである。

【００２７】図３から明らかなように、 ｄ² ＝（Ｒ₁ −Ｒ₂ ）² ＋ｃ² （７） であり、 ｋ´² ＝１−ｋ² ＝｛（Ｒ₁ −Ｒ₂ ）² ＋ｃ² ）｝／｛（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）² ＋ｃ² ）｝ 〜＝ｄ² ／（２ａ）² （８） より、Ｋ（ｋ）〜＝ｌｎ［（８Ｒ₁ ）／ｄ］ （９） となる。（ここで、上記式（８）、（９）の「〜＝」
は、ほぼ等しいを意味する。以下同じ。） 従って、Ｍ＝μ₀ Ｒ₁ ｛ｌｎ［（８Ｒ₁ ）／ｄ］−２｝ （10） を得る。

【００２８】ここで、２つのループが接しているｄ＝２
ａの場合を考える。Ｌ₁ 〜＝Ｌ₂ として、式（１）よ
り、 ｋ＝Ｍ₁₂／（Ｌ₁ ・Ｌ₂ ）^1/2 〜＝ Ｍ₁₂／Ｌ₁ （11） ＝｛μ₀ Ｒ₁ ｛［ｌｎ［（８Ｒ₁ ）／２ａ］−２｝｝／｛μ₀ Ｒ₁ ｛［ｌｎ ［（８Ｒ₁ ）／ｂ］−２｝｝ （12） ＝｛［ｌｎ［（４Ｒ₁ ）／ａ］−２｝／｛［ｌｎ［（８Ｒ₁ ）／ｂ］−２｝ （13） となる。式（13）に基づき、図４に、外被層４の半径ａ
が１．２ｍｍで環状の超伝導材料層３の半径ｂが１．０
ｍｍの場合，および、外被層４の半径ａが０．６ｍｍで
環状の超伝導材料層３の半径ｂが０．５ｍｍの場合につ
いて、コイル半径Ｒと結合係数ｋとの関係を示す。図４
に示すように、超伝導素線１の半径が大きくなるほど結
合係数ｋは小さくなる。

【００２９】図５に、外被層４の半径ａが１．２ｍｍで
環状の超伝導材料層３の半径ｂが０．６ｍｍの場合，お
よび、外被層４の半径ａが０．６ｍｍで環状の超伝導材
料層３の半径ｂが０．３ｍｍの場合について、コイル半
径Ｒと結合係数ｋとの関係を示す。図５に示すように、
超伝導材料層３の半径ｂを外被層４の半径ａの１／２に
すると、結合係数ｋは、外被層４の半径が同じであって
も劇的に低下することがわかる。（図４の、超伝導材料
層３の半径ｂを外被層４の半径ａの５／６にした場合と
の比較。）結合係数が図４の程度になれば、結合による
偏流は生じなくなることがわかった。即ち、超伝導材料
層の配置をできるだけ内側にずらすことにより、結合に
よる偏流をより防止できることがわかった。なお、ｂ／
ａ＝４／５程度であっても結合による偏流の防止は可能
である。

【００３０】従って、むしろ、図２に示す構造のよう
に、超伝導材料層を内側にすべて詰めてしまう構造が、
結合係数ｋを低下させるためには望ましい。さらに、図
６に示すように、超伝導素線１の最外層に抵抗の高い材
料層を配置するのがより効果的である。図６は、内側に
超伝導材料層３を配し、中間層の安定化材として例えば
純Ｃｕ層６を配し、最外層に抵抗の高い材料層７である
例えばＣｒ層を配置した超伝導素線である。上記Ｃｒ層
はＣｒメッキにより形成することができる。なお、中間
の安定化材としては他にアルミニウムを用いることもで
きる。このような構造を有することにより、偏流の発生
が抑制され、交流においても超伝導材料層３に同一の超
伝導電流が流れやすくなる。

【００３１】図６の超伝導素線を用いたコイルの結合係
数は、上記式（13）と同等の近似で以下のように示され
る。

【００３２】 ｋ＝｛μ₀ Ｒ₁ ｛［ｌｎ［（８Ｒ₁ ）／２ａ］−２｝｝／｛μ₀ Ｒ₁ ｛［ｌｎ ［（８Ｒ₁ ）／ｂ］−７／４｝｝ （14） ＝｛［ｌｎ［（４Ｒ₁ ）／ａ］−２｝／｛［ｌｎ［（８Ｒ₁ ）／ｂ］−７／ ４｝ （15） 図７および図８に式（15）の計算結果を示す。図４およ
び図５と比較することにより、中心部まで超伝導素線を
充填し、かつ高抵抗の外被層７を有する構造の方が、同
じ素線径に対して、結合係数（ｋ）が大きく低下（約
０．０２）しているのがわかる。この程度に結合係数
（ｋ）が低下すると、もはや素線同志の結合に起因する
偏流は生じないことがわかった。例えば、高抵抗層であ
る外被層７の導電率を超伝導材料層３のマトリックス材
の導電率より小さくすることにより、結合係数を低減す
ることができる。

【００３３】次に、コイルの偏流を緩和する本発明にお
ける撚線構造の超伝導導体についての実施の態様につい
て述べる。撚線構造の超伝導導体において、偏流の主要
な原因である各素線間の結合係数を減少させるには、以
下の検討において述べるように、素線の撚りをできる限
り小さくすることである。しかし、構造上の問題から、
撚りを全くなくしてしまうことは不可能なので、以下の
構造により偏流の低下が達成された。

【００３４】超伝導導体において撚り線構造を必要とす
るのは、ケーブルを曲げたときに内側部分と外側部分の
長さが異なり一本のケーブルに束ねることが困難になる
からである。しかし、上記検討結果からも明らかなよう
に、撚り線の撚りはできるだけ小さいことが好ましい。
そこで、撚り線の撚りを各層で変化させることにより、
素線間の幾何学的接触部分を減少させ、かつ撚りの小さ
い部分を増加させることのより結合係数を低減すること
が可能となる。

【００３５】図１３において、超伝導素線層９を中心に
その外側にＣｕ、アルミニウムまたはステンレスなどか
らなる外被層４が形成されている。このうち超伝導素線
層９は複数の超伝導素線１を多層に巻いたものであり、
中心の１番目の層から最外層のｎ番目の層までｎ層の超
伝導素線により形成されている。この構造において中心
に近い層ほど撚りを少なくし、外側に近い層ほど撚りを
多くする。または、中心に近い層は撚りを全くなくし、
外側に近い層のみに撚りを行う構造とすることも可能で
ある。さらに、上記とは逆に、内側の撚線よりも外側の
撚線の撚りを小さくして、全体的に撚りの小さい構造と
することによって結合係数を小さくすることも可能であ
る。理論的には内側の撚りを弱くして、外側の撚りを強
くする方がより効果が大きくなる。

【００３６】また、図１９に示すように、多数の超伝導
素線を撚り合わせた複数次（１次〜ｎ次、図１９では１
次〜３次）の撚線構造を有する超伝導導体において、各
次（１次〜３次）の撚りのピッチを異なるように形成す
る。例えば、該撚りのピッチは、次数の低い撚りの方が
次数の高い撚りよりも大きいことを特徴とするか、また
は、撚りのピッチを、次数の高い撚りの方が次数の低い
撚りよりも大きくするものである。例えば、表面が絶縁
された素線２７本を３×３×３で３次の撚り線化をした
超伝導導体を用いて作成し、１次の撚りのピッチが１５
ｍｍ、２次の撚りのピッチが３０ｍｍ、３次の撚りのピ
ッチが４５ｍｍと次数が増えるに従って撚りのピッチを
増加させたものである。

【００３７】また例えば、同様に、表面が絶縁された素
線２７本を３×３×３で３次の撚り線化をした超伝導導
体作成し、１次の撚りのピッチが４５ｍｍ、２次の撚り
のピッチが３０ｍｍ、３次の撚りのピッチが１５ｍｍと
次数が増えるに従って撚りのピッチを減少せたものであ
る。

【００３８】上記撚り合わせ構造は、超伝導導体の軸近
傍に配置された非超伝導部材からなる中心部材の外側に
形成することも可能である。また、この撚り合わせた超
伝導素線層の外側に外被層を形成することも可能であ
る。さらに、該中心部材には冷却材の通路を設けること
も可能である。

【００３９】超伝導コイルを形成する素線間の自己イン
ダクタンスのばらつきの検討結果を以下に述べる。

【００４０】２本の超伝導素線１が図９のように配置さ
れている場合について考察する。一方の超伝導素線１
（図９の左下側の素線）の自己インダクタンスをＬ₇ 、
他方の超伝導素線１（図９の右上側の素線）の自己イン
ダクタンスをＬ₈ とすると、式（３）と同様に、 Ｌ₇ ＝μ₀ ・Ｒ₇ （ｌｎ（８Ｒ₇ ／ｂ）−２） （16） Ｌ₈ ＝μ₀ ・（Ｒ₇ ＋δ）（ｌｎ（８（Ｒ₇ ＋δ）／ｂ）−２） （17） となる。ここで、Ｒ₈ ＝（Ｒ₇ ＋δ）であり、 δ＝２ａ・ｓｉｎθ （18） である。δはＲ₇ のループをＲ₈ のループが接しながら
一回りすることを意味する。θは一方の超伝導素線１を
中心とする他方の超伝導素線１の回転角である。

【００４１】双方の超伝導素線１の自己インダクタンス
の比は（Ｌ₈ ／Ｌ₇ ）であり、Ｌ₈をδについて展開し
て一次まで取り、計算した結果を図１０に示す。超伝導
素線の半径ａが１ｍｍφ，超伝導材料層の半径ｂを０．
８ｍｍφとし、コイルの半径を１．０ｍ，２．０ｍ，
３．０ｍとした場合である。

【００４２】図１０に示すように、コイルの半径を１．
０ｍ，２．０ｍ，３．０ｍとした場合の自己インダクタ
ンスの比は±０．１％のずれしかなく極めて小さいこと
がわかる。

【００４３】次に、コイルの半径を７．５ｃｍ，５ｃ
ｍ，２．５ｃｍとした場合の計算結果を図１１に示す。
超伝導素線の半径ａは６０μｍφとした。半径７．５ｃ
ｍのコイルに対して、素線間の自己インダクタンスのば
らつきは０．２％のオーダであり、大口径のコイルと同
様に極めて小さい。

【００４４】この計算結果を、コイルの半径が７．５ｃ
ｍのコイルを用いて自己インダクタンスの比を実測した
結果と比較した。上記コイルの自己インダクタンスの実
測結果では、自己インダクタンス５．４３５ｍＨのコイ
ルの該ばらつきは±１μＨであった。一方計算による自
己インダクタンスのばらつきは５．４３５ｍＨのコイル
に対して±１０μＨであり、実測の結果と比較し１桁大
きい。実測では撚線構造のコイルを用いており、撚線の
結果自己インダクタンスのばらつきが計算結果より１桁
小さくなったものと考えられる。

【００４５】同様に、結合係数についても上記コイルに
ついて計算値と実測値の比較を行った。図１２に実測に
使用したループコイルに対応する結合係数の計算結果を
図示する。計算結果によると、実験に使用した半径７．
５ｃｍのコイルの結合係数（ｋ）は０．８８０から０．
８８２程度である。これに対し、実測された相互インダ
クタンス（Ｍ）は、５．４２５ｍＨ〜５．３９１ｍＨで
あり、この値と実測された自己インダクタンスとに基づ
き結合係数を計算すると、ｋ〜＝０．９９８１６〜０．
９９３７３となる。この結合係数の値は上記計算結果に
比較し大きな値となっている。かかる結合係数の増加の
原因は、自己インダクタンスに関する比較と同様、実測
が撚線構造のコイルを使用しているためであると考えら
れる。撚り線を行うと、２つの回路が幾何学的に重なり
合っている部分が増大するために結合係数を増大するも
のと考えられる以上、計算結果および実測との相違か
ら、超伝導導体は素線について撚り線を行うことによ
り、自己インダクタンスのばらつきを１桁程度低減でき
るものの、結合係数は大巾に増大し、偏流は主に結合係
数の増加により生ずるものと考えられる。従って、偏流
防止の観点のみからは、撚り線をやめるか、近くの素線
同志はできるだけ撚らないことが望ましい。

【００４６】しかし、超伝導導体を用いてコイル等を形
成する場合の超伝導導体構造の実装上および作業上の機
械的安定性を考慮すると、撚り線構造は不可欠である。
また、変動横磁界による影響を低減するためには、少な
くとも超伝導導体の外周部は撚り線構造とするのが好ま
しい。

【００４７】かかる観点から、超伝導導体の内側の組は
撚りを行わないか又は撚りを少なくし、外側になるに従
って、撚りを増加する構造を採用する。かかる構造によ
り、互いに接している素線間の撚りは緩くなり結合係数
を低減できる。かかる構造の例を図１３に示す。図１３
においては超伝導素線層９を中心にその外側にＣｕ、ア
ルミニウムまたはステンレスなどからなる外被層４が形
成されている。このうち超伝導素線層９は複数の超伝導
素線１を多層に巻いたものであり、中心の１番目の層か
ら最外層のｎ番目の層までｎ層の超伝導素線により形成
されている。この構造において超伝導導体全体としての
撚りを少なくするため、中心に近い層ほど撚りを少なく
し、外側に近い層ほど撚りを多くする。または、中心に
近い層は撚りを全くなくし、外側に近い層のみに撚りを
行う構造とする。または、上記とは逆に、内側の撚線よ
りも外側の撚線の撚りを小さくして、全体的にみて撚り
の小さい構造とすることによって結合係数を小さくする
ことが可能である。

【００４８】また図１４に示すように、中心部には超伝
素線層９を形成しない構造を採用することも可能であ
る。図１４においては、例えばＣｕＮｉなどの非超伝導
芯からなる中心部材１０の外側に超伝素線層９が、その
外側にＣｕまたはステンレスなどからなる外被層４が形
成され、超伝導素線層９は超伝導素線１による多層構造
を有し、超伝導素線層９は外側に比較し内側の撚りを小
さくして、または内側に比較し外側の撚りを小さくして
巻かれている。また、中心部材１０には液体ヘリウムな
どの冷却材の通路を形成することも可能である。

【００４９】偏流の生じない結合係数と自己インダクタ
ンスの関係の検討上記検討においては、結合係数を小さ
くしてコイルの偏流を防止し得る構造について検討し
た。しかし機械的構造上撚りを小さくするには限界があ
り、また使用の態様によってはどうしても撚りを小さく
できない場合がある。結合係数が比較的大きい場合であ
っても偏流の生じない条件について検討する。

【００５０】以下計算を簡単にするため２本のより線に
ついて検討する。複数本の撚り線は２本のより線の複合
体として考えれば良い。２本のより線の電流比γについ
て検討する。２本のより線の電流比γは、 γ＝Ｉ₁ ／Ｉ₂ （19） ＝（Ｒ＋ｉω（Ｌ₂ −Ｍ））／（Ｒ＋ｉω（Ｌ₁ −Ｍ）） （20） 超伝導状態ではＲ＝０であるから ＝（Ｌ₂ −Ｍ）／（Ｌ₁ −Ｍ） ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁ ・Ｌ₂ ）^1/2 であるから ＝［（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）^1/2 −ｋ］／［（Ｌ₁ ／Ｌ₂ ）^1/2 −ｋ］ （21） Ｌ₂ ＝Ｌ₁ （１＋ｘ） ｘ＜＜１とすると γ＝［１＋（１／２）・ｘ−ｋ］／［１−（１／２）・ｘ−ｋ］（22） 偏流が問題となるγ＞＝２の領域について検討する。γ
が２以上の場合について検討するのは、γが２以上にな
ると偏流による臨界電流の低下が顕著になり、実質的に
設計値との相違が問題となるからである。

【００５１】式（21）より １＋（１／２）・ｘ−ｋ＞＝２−ｘ−２ｋ （23） なお式（22）において「＞＝」は、左辺が右辺より大ま
たは等しいことを表す。以下同じ。

【００５２】従って、１＞＝ｋであるから １＞＝ｋ＞＝１−（３／２）・ｘ （24） 式（24）の範囲を図示すると図１５となる。

【００５３】２本のより線間の電流比（式（22））が２
以上になる領域は、超伝導状態における回路の電気抵抗
を無視することにより、式（24）より図１５のように表
される。

【００５４】超伝導導体を構成する素線のうち２線間の
結合係数ｋと自己インダクタンスのバラツキｘを、ｋ＞
＝１−（３／２）・ｘの範囲におさめれば、クエンチに
つながるような大きい偏流の発生を阻止することが可能
となる。例えば、撚り線などの場合において、結合係数
が０．９８５と極めて大きい値であっても、自己インダ
クタンスのばらつきを０．０１より小さくできれば偏流
の影響は低減できる。なお、上記検討は２本のより線間
について検討したものであるが、複数の超伝導素線を有
する超伝導導体を設計する場合の目安となるものである
ことはいうまでもない。

【００５５】超伝導素線の偏流は、それぞれの自己およ
び相互インダクタンスのわずかなバラツキと、強い結合
係数の結果生じる。偏流低減のためには、コイルパラメ
ータと、コイルを構成する各素線に生ずる偏流との関係
を明らかにすることが重要である。このため、超伝導コ
イルを形成するボビンの直径および高さを変えた下記６
種類のコイルを作成し、偏流の影響について測定した結
果を以下に示す。

【００５６】ボビンの形状は、直径が５０ｍｍ，１００
ｍｍ，１５０ｍｍ，高さが３３．３ｍｍ，６６．６ｍ
ｍ，１００ｍｍの３種類である。コイルは図１９に示す
ように表面が絶縁された導線２７本を３×３×３で３次
の撚り線化をしたものを用いて作成した。ピッチは１次
から３次の撚り線について、それぞれが１５ｍｍ一定の
撚りが強くかつ各次数で撚りが一定の従来構造のもの
と、１５ｍｍ×３０ｍｍ×４５ｍｍと次数が増えるに従
って撚りのピッチが増加するものとを作成した。また導
線の外径の効果についても明らかにするため、線径１２
０μｍφと線径２６０μｍφとの比較が可能な試料を作
成した。以下にコイル１〜６のコイルパラメータを示
す。

【００５７】 ボビン 撚りのピッチ 線径 直径 高さ ｍｍ μｍφ ｍｍ ｍｍ １次 ２次 ３次 コイル１ ５０ ３３．３ １５ ３０ ４５ ２６０ コイル２ ５０ ３３．３ １５ ３０ ４５ １２０ コイル３ ５０ ３３．３ １５ １５ １５ １２０ コイル４ １００ ６６．６ １５ ３０ ４５ １２０ コイル５ １００ ６６．６ １５ １５ １５ １２０ コイル６ １５０ １００ １５ １５ １５ １２０ 図１６に、上記コイル１〜６を構成する各導線の結合係
数の測定結果を示す。導線の径が大きく、撚りのピッチ
も長く、かつコイルの形状が小さい、コイル１の結合係
数が最も小さい。導線径の等しいコイル２〜６では、コ
イルの形状が大きくなるに従い結合係数は増加し、コイ
ルの撚りのピッチが長い方が結合係数は小さくなる。

【００５８】図１７に上記コイル１〜６を構成する各導
線に流れる電流値の標準電流を示す。標準電流は各導線
を流れる電流の平均値を１として各導線の電流を表した
ものである。電流測定は、各コイルを液体窒素に浸し、
高精度のＬＣＲメータを用いて周波数１ｋＨｚで各導線
に流れる電流を測定した。さらに、別途各コイルのイン
ダクタンスを測定し、超伝導状態での電流値を得るた
め、抵抗分をゼロとしたときの電流値を計算し、正規化
して標準電流としたものである。１次から３次の撚り線
について、１５ｍｍ、３０ｍｍ、４５ｍｍと次数が増え
るに従って撚りのピッチを増加させたコイル１、２、４
は、１次から３次の撚り線がそれぞれが１５ｍｍ一定の
従来構造の撚りのピッチを有するコイル３、５、６と比
較し、標準電流のばらつきが小さい。特にコイル６はば
らつきが大きく、大きな偏流を示している。

【００５９】図１８は上記コイル１〜６を構成する各素
線の結合係数の標準偏差を示している。標準偏差は２７
本の平均値に対するばらつきである。図１８において大
きな偏流を示すコイル６の標準偏差が最も小さく、標準
電流にばらつきの小さいコイル１の標準偏差が最も大き
いことから、偏流の原因は、結合係数の素線間のばらつ
きよりもむしろ結合係数の大きさそのものに依存するこ
とが明らかである。従って、超伝導コイルにおいて生ず
る偏流を緩和するには、コイル１、２、４のように、各
次の撚りピッチを変化させ、コイルを形成する各素線間
の結合係数を低下する構造が重要となる。上記測定結果
によると、特に、次数が高くなるほど撚りのピッチを長
くした構造は超伝導コイルの偏流緩和に好結果をもたら
す。

【００６０】ここに記載された本発明の実施の形態は単
なる一例であり、本発明の技術的範囲を逸脱せずに、種
々の変形が可能可能であることは明らかである。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来の撚線形超伝導コイルに比較して、素線間の結合係
数の低下により偏流が生じ難くなる。このため、大電流
超伝導コイルにおける素線間の電流配分の不平衡が防止
され、超伝導コイル全体としての臨界電流が増大すると
ともに安定な超伝導コイルを制作できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超伝導素線の断面構造を示す図。

【図２】本発明の超伝導素線の断面構造を示す図。

【図３】超伝導コイルを構成する２つのループの位置関
係を示す図。

【図４】結合係数とコイル半径および超伝導素線の外径
との関係を示す図。

【図５】結合係数とコイル半径および超伝導素線の外径
との関係を示す図。

【図６】高抵抗外被層を有する超伝導素線の断面構造を
示す図。

【図７】結合係数とコイル半径および超伝導素線の外径
との関係を示す図。

【図８】結合係数とコイル半径および超伝導素線の外径
との関係を示す図。

【図９】超伝導コイルを構成する２つのループの位置関
係を示す図。

【図１０】超伝導コイルを構成する２つのループの回転
角と自己インダクタンス比の関係を示す図。

【図１１】超伝導コイルを構成する２つのループの回転
角と自己インダクタンス比の関係を示す図。

【図１２】結合係数とコイル半径および超伝導素線の外
径との関係を示す図。

【図１３】本発明の超伝導導体の断面構造を示す図。

【図１４】本発明の超伝導導体の断面構造を示す図。

【図１５】結合係数と自己インダクタンスのばらつきと
偏流領域の関係を示す図。

【図１６】コイルパラメータの変化と結合係数の関係を
示す図。

【図１７】コイルパラメータの変化と標準化電流の関係
を示す図。

【図１８】コイルパラメータの変化と結合係数の標準偏
差の関係を示す図。

【図１９】本発明の撚線構造の実施例を示す断面図。

【符号の説明】

１ … 超伝導素線 ２ … 中心層 ３ … 超伝導材料層 ４ … 外被層 ５ … 超伝導フィラメント ６ … 純銅層 ７ … 高抵抗層 ８ … 超伝導導体 ９ … 超伝導素線層 10 … 中心部材 11 … 超伝導素線 12 … １次撚線 13 … ２次撚線 14 … ３次撚線

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の超伝導素線を撚り合わせた撚線構
   造を有する多層構造の超伝導導体において、層間で撚り
   のピッチが異なることを特徴とする超伝導導体。
2. 【請求項２】 撚線構造を有する多層構造の超伝導導体
   において、外側層の撚線よりも内側層の撚線の撚りのピ
   ッチを大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の超
   伝導導体。
3. 【請求項３】 撚線構造を有する多層構造の超伝導導体
   において、内側層の撚線よりも外側層の撚線の撚りのピ
   ッチを大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の超
   伝導導体。
4. 【請求項４】 多数の超伝導素線を撚り合わせた複数次
   （１次〜ｎ次）の撚線構造を有する超伝導導体におい
   て、各次（１次〜ｎ次）の撚りのピッチが異なることを
   特徴とする超伝導導体。
5. 【請求項５】 前記撚りのピッチは、次数の低い撚りの
   方が次数の高い撚りよりも大きいことを特徴とする請求
   項４に記載の超伝導導体。
6. 【請求項６】 前記撚りのピッチは、次数の高い撚りの
   方が次数の低い撚りよりも大きいことを特徴とする請求
   項４に記載の超伝導導体。
7. 【請求項７】 前記撚線構造は、前記超伝導導体の軸の
   近傍に形成された非超伝導部材からなる中心部材の外側
   に形成され、さらに超伝導素線層の外側に外被層を有す
   ることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記
   載の超伝導導体。
8. 【請求項８】 前記中心部材には冷却材の通路が設けら
   れていることを特徴とする請求項７に記載の超伝導導
   体。
9. 【請求項９】 中心部に形成された超伝導材料層とその
   外側に形成された外被層を有する超伝導素線であって、
   前記外被層の導電率が前記超伝導材料層のマトリックス
   材の導電率より小さいことを特徴とする超伝導素線。
10. 【請求項１０】 前記超伝導材料層の径を前記外被層の
    径の４／５以下にしたことを特徴とする請求項９に記載
    の超伝導素線。
11. 【請求項１１】 中心層と、中心層の外側に形成された
    超伝導材料層と、その外側に形成された外被層を有する
    超伝導素線であって、前記外被層の導電率が前記超伝導
    材料層のマトリックス材の導電率より小さいことを特徴
    とする超伝導素線。
12. 【請求項１２】 前記超伝導材料層の径を前記外被層の
    径の４／５以下にしたことを特徴とする請求項１１に記
    載の超伝導素線。
13. 【請求項１３】 中心部に形成された超伝導材料層と、
    その外側に形成された第１の外被層と、さらにその外側
    に形成された第２の外被層とを有する超伝導素線であっ
    て、前記超伝導材料層のマトリックス材の導電率が前記
    第２外被層の導電率より小さいことを特徴とする超伝導
    素線。
14. 【請求項１４】 前記第２の外被層がクロムメッキ層で
    あることを特徴とする請求項１３に記載の超伝導素線。