JPS5948487B2 - 複合超電導線 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は超電導コイル等に巻回され得る複合超電導線
に係り、特に現在広く使用されている銅基材極細多芯ツ
イスト複合超導線に関し、巻回される複合超電導線の表
面が周囲と熱的に絶縁され、外部からのじよう乱による
影響を受けやすいような熱はけのわるい超電導コイル（
例えば樹脂含浸超電導コイル）等においてもこれら外部
じよう乱に起因する局所的、過渡的な温度上昇による影
響が少なくなるような配置構成を有する複合超電導線を
提供するものである。

超電導コイルは一般に液体ヘリウム（４．２に）などに
より絶対零度付近まで冷却されて用いられるのが常であ
り、このコイル冷却に関しコイルに巻回される複合超電
導線の表面が冷却媒体である液体ヘリウムと直接接触し
て冷却を受ける直接冷却方式コイル、表面が絶縁処理さ
れた複合超電導線を巻回して成る絶縁付ソレノイド巻ま
たはパンケーキ巻超電導コイル等の間接冷却方式コイル
、さらには絶縁付複合超電導線をソレノイド状に巻回し
、有機系樹脂等（例えばエポキシ樹脂）を含浸する伝導
冷却方式の超電導コイル等がある。

そして直接冷却方式から間接冷却方式、さらに伝導冷却
方式になるにつれて以下に述べるような長所が生ずるこ
とが期待される。すなわち、（ａ）工作しやすくなる、
（ｂ）層間短絡事故が少なくなる、（ｃ）コイルをコン
パクトにつくれる、（ｄ）コイル平均電流密度を大きく
とれる、（ｅ）特に伝導冷却方式のコイルではコイル構
造そのものを強固にでき、回転・振動にも十分耐えるよ
うな構造にできる、などである。しかし、直接冷却方式
から伝導冷却方式になるにつれて生じる唯一のしかも非
常に重大な欠点はデグラデイシヨン（電流劣化）現象、
トレーニング現象などのコイル不安定性が著しくなつて
くるということである。

即ち、本質的に安定であるとして開発された極細多芯ツ
イスト複合超電導線を巻回して成る超電導コイルにおい
ても、定格値まで電流を流すことのできないデグラデイ
シヨン現象や定格電流値到達までに多数回のクエンチ（
超電導破壊）を必要とするトレーニング現象等のコイル
不安定性が生じる。そして、このコイル不安定化の原因
として超電導線の動き （ワイヤ・ムーブメント）によ
るまさつ熱や含浸剤、接着固定剤のひび割れ（クラツキ
ング）に伴なう発熱等の外部じよう乱に起因する局所的
・過渡的な温度上昇が指摘されている。特に、第１図に
示すような絶縁処理された丸型の複合超電導線１を巻回
したのち、有機系樹脂２で含浸される樹脂含浸超電導コ
イルや、第２図に示すような絶縁処理された角型の複合
超電導線１間に液体ヘリウムが流通できるように間隙ス
ペーサ３（例えば有機系樹脂より成る）が設けられるソ
レノイド巻またはパンケーキ巻超電導コイルのように、
複合超電導線１の線方向全部またはある一定区画にわた
る部分の複合超電導線表面が周囲と熱的に絶縁されるよ
うな超電導コイルにおいては上記コイル不安定性が著し
い。

このため前に述べたようないくつものすぐれた長所があ
りながら、伝導冷却方式や間接冷却方式など熱はけのわ
るい構造をもつ超電導コイルの広く一般的な使用が危ぶ
まれている。しかし、ここではこの現在使用されている
銅基材極細多芯ツイスト複合超電導線に十分な配慮を加
え、前記いくつかのすぐれた１長所がありながら熱はけ
が悪いという欠点を有する超電導コイル（例えば樹脂含
浸コイル）に巻回されても、多少のじよう乱にかかわら
ず比較的安定で信頼性に富むコイル特性が得られる複合
超電導線を提供しようとするものである。第３図及び第
４図は現在の超電導コイルに一般に広く用いられている
従来の複合超電導線の実施例の断面図で、４は超電導フ
イラメント、５は常電導金属基材、６は電気絶縁物であ
る。

この第３図及び第４図に示すような従来の複合超電導線
１を第１図及び第２図に示した熱はけのわるい構造の超
電導コイルに巻回すると、ワイヤ・ムーブメントやクラ
ツキングなどの外部じよう乱によつて発生するわずか数
度といつた微少の、しかも局所的、過渡的な温度上昇に
よりコイルはクエンチ（超電導破壊）する。

この局所的・過渡的な温度上昇ΔＴ度（液体ヘリウム温
度４．２Ｋを基準にして）とクエンチせずに流しうる最
大電流値１Ｍ（４．２＋ΔＴ，Ｂ）アンペアとの関係は
で与えられる。

但し、この式は現在一般に使用されているＮｂ−Ｔｉ超
電導体に関する式であり、Ｂは磁界（テスラ）、ＩＯ（
４．２，Ｂ）はじよう乱による温度上昇がないときに流
しうる電流値（アンペア）である。この（１）式による
と、例えばＢ＝４テスラのときΔＴ＝２．０度の局所的
・過渡的な温度上昇があつただけでＩ。

（４．２，Ｂ）の４０％の電流値でクエンチ（超電導破
壊）するが、ΔＴ＝１．０度の上昇温度では７０％の電
流値まで流し得ることがわかる。このように超電導コイ
ルにおいては、わずか数度の温度上昇のちがいがいかに
重要な意味をもつているかが理解されよう。それで以下
においてはワイヤ・ムーブメントやクラツキング等の外
部じよう乱によつて発生した熱が複合超電導線１の表面
温度を上昇させた後の複合超電導線内部における過渡温
度上昇分布の様子を断熱条件の下で解き、超電導フイラ
メント４を常電導金属基材５中にどのように配置すれば
外部からの局所的・過渡的な温度上昇の影響を少なくす
ることができるかを調べることにする。

即ち液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）にある超電導コイル
に何らかの原因によるじよう乱が生じ、このじよう乱に
最も隣接した丸型複合超電導線１の一部にの巾をＤｃｍ
とする）の表面全周の温度が時間ｔ秒にわたりΔＴＯ度
だけ矩形的に上昇したとき、複合超電導線１の表面が周
囲と熱絶縁されているという条件の下で、複合超電導線
内部の線方向（Ｚ方向）と径方向（ｒ方向）の温度分布
の様子を調べる。但し、ここで複合超電導線は常電導金
属基材（高熱伝導銅例えば０ＦＨＣ−Ｃｕ）だけから成
るとし、また初期表面温度上昇の中心点をＺ＝Ｏ、複合
超電導線１の半径をＲｃｍとする。この条件のもとで複
合超電導線内部の温度上昇ＴＫの様子をみるには次の方
程式を解けばよい。ここで、ＤＨは４．２Ｋにおける銅
の比熱Ｃ（Ｊ／Ｇｒ−Ｋ）、熱伝導率λ （Ｗ／Ｃｍ−
Ｋ）、密度ρ （Ｇｒ／―）により次式で与えられる熱
拡散係数（Ｃｍ＝／Ｓｅｃ）である。

この解はＩＯ＜ｔくレのとき ＩｉｔＯ＜ｔのとき 但し となる。

ここで、ＪＯ，Ｊ，はそれぞれ０次、１次のベツセ；ル
関数、βｎは０次ベツセル関数の零点である。

以上（３）〜（７）式を用いて、ＤＨ＝７．３×１０゜
ｃｍ３／ＳｅＣのときＲ＝１ｍｍなる丸型複合超電導線
１にΔＴ。＝１ｋ，ｄ＝０．４ｍｍとΔＴＯ＝１ｋ，ｄ
＝０．２ｍｍとの２種類の温度じよう乱が加わつた場合
、温度上昇の；度合が最もはげしいＺ＝０の点でのｏ＜
ｔ ′−レにおける温度上昇の様子を計算すると、第５
図及び第６図のようになる。即ち、第５図はΔＴ。＝Ｉ
Ｋ，ｄ＝０．２ｍｍのとき、第６図はΔＴ。＝ＩＫ，ｄ
＝０．４ｍｍのときのＺ＝０の点での径方向過渡温度，
上昇分布の様子を表わしている。なお、継続時間Ｔ。秒
をすぎると複合超電導線内の温度は急激に減少するので
安定性に関する議論をするときには０＜ｔ≦ＴＯでの温
度特性のみ調べれば十分である。これら計算例にみる通
り、（３）〜（７）式をつかうと、外部温度じよう乱が
あるときの個々の複合超電導線内での過渡温度上昇分布
の様子がわかり、コイル不安定性に関し、温度上昇値と
クエンチ電流値との関係を示す（１）式と合わせて複合
超電導線の立場からの定量的議論及び検討が可能となる
が、一般には次のようなことが言えよう。すなわち、田
継続時間がμＳｅｃ程度のじよう乱があるだけで複合超
電導線中心まで温度上昇する。（２）外部からの温度上
昇じよう乱に対しては線方向熱拡散による冷却効果が期
待できる。このような一般的な考察に基づけば、コイル
不安定性に関し次に述べる重要な情報を得ることができ
よう。

すなわち、第３図及び第４図に示したような従来の極細
多芯複合超電導線１は、超電導フイラメント４が常電導
金属基材全体に均一に、または線材周辺部基材中にのみ
配置されているため、これら極細多芯複合超電導線１に
外部からの局所的・過渡的な温度上昇じよう乱が加わる
と、このじはう乱の影響を非常に受けやすいという特徴
があり、その結果として、樹脂含浸コイルなど熱はけの
わるい超電導コイルに従来の複合超電導線が巻回される
と、トレーニング現象やデグラデイシヨン現象等のコイ
ル不安定性が起こりやすいという欠点を有していた。こ
の発明は上記従来の複合超電導線の欠点の解消を目的と
するもので、超電導フイラメント４を複合超電導線１の
直径の６０％以内の中央部に配置することにより、外部
から多少の温度上昇じよう乱があつても線方向熱拡散に
よる冷却効果によつてこのじよう乱の影響を緩和でき比
較的安定で信頼性に富むコイル特性が得られるような複
合超電導線にしたもので、第７図にこの発明から成る配
置構成を有する複合超電導線の断面図を示しておく。

この第７図に示したような配置構成をもち、その線材半
径がＲ＝１ｍｍの丸型複合超電導線１内の温度上昇特性
は、例えばΔＴＯ＝１Ｋ，ｄ＝０．２ｎ］Ｉｎなる温度
上昇の外部じよう乱に関して言えば、第５図から明らか
なようにこの温度が２．０×１０−８秒間続いても、０
．６ｍｍ（即ち直径の６０％）以内の中央部では温度上
昇は全く起きないが、０．９ｍｍ（即ち直径の９０％）
のところでは０．４Ｋ即ち、４０％もの温度上昇が発生
する。またさらにΔＴＯ＝１Ｋ，ｄ＝０．２ｍｍで継続
時間が１．０×１０−６秒間以上続くようなきびしい外
部じよう乱に対しても、０．６ｍｍのところでは０．２
Ｋ即ち２０％程度の温度上昇しか生じないが、０．９ｍ
ｍのところでは０．５Ｋ即ち、５０％以上もの温度上昇
があることがわかる。そして、わずかコンマ数度といつ
た微少温度上昇差ではあるが、前にも述べたようにこの
温度差がコイル安定性に与える影響を考えると、超電導
フイラメント４を、外部からの温度上昇じよう乱に対す
る線方向熱拡散による冷却効果が著しい複合超電導線１
の直径の６０％以内の中央部にのみ配置することはコイ
ル安定性の立場から重要な意味をもつている。また第６
図からはじよう乱巾が大きい、より，きびしい外乱に対
しても以上のことが成り立つていることがわかる。なお
、ここでは丸型の超電導線についてのみ説明したが、こ
れは角型の超電導線についても同様で、この実施例を第
８図に示す。

すなわち、角線２の場合には、断面の縦・横それぞれの
長さの６０％以内の中央部常電導金属基材５中に超電導
フイラメント４が配されるような複合超電導線１であれ
ばよい。以上の説明において、超電導フイラメント４に
５関してはＮｂ−Ｔｉ超電導体についてのみ述べたが、
これはＮｂ３Ｓｎ超電導体やＶ３Ｇａ超電導体であつて
もよく、また常電導金属基材５に関してもここではＣｕ
より成るとしたがＡ１でもよい。

そしてさらに、複合超電導線１において超電導フイラメ
ント４は十分に細線化され、かつまたツイスト（場合に
よつてはトランスポーズ）されておリブラックスジャン
プ等の複合超電導線自身の内的原因による不安定性は生
じないといわれている。いわゆる本質的安定化方式を採
用する方がこの発明の効果はより生かされる。これまで
詳述してきたように、この発明は複数本の超電導フイラ
メント４が常電導金属基材５中に配置される複合超電導
線において、上記複合超電導線が丸線の場合、上記超電
導フイラメント４が上記複合超電導線の直径の６０％以
内の中央部に、角線の場合には上記複合超電導線の各辺
の６０％以内の中央部に配置されるようにしたもので、
この発明を備えた複合線を巻回して成る超電導コイルで
は、多少の熱はけの悪さにかかわらず安定したコイル特
性が得られその実用上の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は有機系樹脂含浸超電導コイルの一部破断斜視図
、第２図は間隙スペーサにより液体ヘリウム流通路を有
するソレノイド巻またはパンケーキ巻超電導コイルの一
部破断斜視図、第３図及び第４図は従来の複合超電導線
の断面図、第５図及び第６図はそれぞれΔＴＯ＝１Ｋ，
ｄ＝０．０２ｃｍ及びΔＴＯ＝１Ｋ，ｄ＝０．０４ｃｍ
なる温度上昇外乱に対する径方向過渡温度分布特性図、
第７図及び第８図はこの発明より成る配置構成を有する
複合超電導線の実施例の断面図である。 図において、１は複合超電導線、２は有機系樹脂等の含
浸剤、３は間隙スペーサ、４は超電導フイラメント、５
は常電導金属基材、６は電気絶縁物である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数本の超電導フィラメントが常電導金属基材中に
   配置された複合超電導線において、上記複合超電導線が
   円形断面を有し、上記超電導フィラメントが上記複合超
   電導線の直径の６０％以内の中央部に配置されたことを
   特徴とする複合超電導線。 ２ 複数本の超電導フィラメントが常電導金属基材中に
   配置された複合超電導線において、上記複合超電導線が
   角形断面を有し、上記超電導フィラメントが上記複合超
   電導線の各辺長の６０％以内の中央部に配置されたこと
   を特徴とする複合超電導線。