JP2001067949A

JP2001067949A - 超電導導体及び超電導磁石

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Publication number: JP2001067949A
Application number: JP23624999A
Authority: JP
Inventors: Takeo Nemoto; 武夫根本; Norihide Saho; 典英佐保; Katsumi Muroi; 克美室井; Katsuhiko Asano; 克彦浅野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】超電導導体と寒剤(液体ヘリウム)との温度差
が小さいときでも、超電導導体から寒剤への放熱量が大
きく、冷却性能に優れた超電導導体を提供する。【解決手段】超電導導体は、超電導線1と超電導線1の
周りに配置された安定化金属２と安定化金属２の表面に
形成された多孔質絶縁膜３とから構成され、多孔質絶縁
膜３中の孔４の径は、液体ヘリウムの沸騰核を形成する
に好適な３０μｍ以下としたものである。また多孔質の
代りに絶縁膜表面に微細な凹凸をもつ水酸化皮膜やさら
に撥水皮膜を設けても優れた冷却性能が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却性能に優れた
超電導導体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術として、実開平3-68317号公
報に記載されている「超電導線」は、超電導導体の外周
面に絶縁層を形成し、導体の全表面が絶縁被覆されてい
る。この絶縁層は、超電導導体をポリビニルホルマール
塗料液中に浸し、引き上げた後に、超電導導体表面に付
着した塗料を焼き付け、乾燥する塗装法によって得られ
る。この他の絶縁層成形法として、例えば、水分散性エ
ポキシ・アクリル樹脂ワニス、水溶性ポリイミド樹脂ワ
ニス、水分散性ポリウレタン樹脂ワニス、非水素ポリイ
ミド分散ワニス等の水性塗料液中に電極を挿入して直流
の電流を通電し、負電荷を持つ塗料粒子を陽極の方に移
動させ、超電導導体の表面上に沈着させた後、引き上げ
焼き付け乾燥する電着塗装法がある。これらの手法によ
って得られた絶縁層は、膜厚がほぼ均一である。この被
覆超電導導体は、温度が−２６０℃以下の寒剤である液
体ヘリウム中に浸され、該超電導導体が発熱した場合
に、液体ヘリウムの沸騰熱伝達により冷却されるもので
ある。電着塗装面は、電着塗装なしの超電導導体の表面
に比べて、液体ヘリウム沸騰時の熱流束が高くて、より
優れた冷却特性を有する。

【０００３】また、特許第2653451号の「超電導導体の
絶縁厚みの決定方法」では、超電導導体の表面に被覆さ
れるホルマールなどの絶縁材の厚みを決定する手法につ
いて述べられている。すなわち、超電導導体の冷却特性
は超電導線周りの安定化金属を被覆する絶縁材の厚さに
より異なり、特に安定化金属の温度と絶縁材回りの液体
ヘリウムの温度との温度差が小さい領域における冷却特
性が好ましい絶縁材の厚さがあることを示している。

【０００４】また、特開昭56-1411号の「大容量超電導
導体」では、超電導導体の安定化金属の表面に無機化合
物を被覆された超電導導体について述べられている。無
機酸化物は、安定化金属表面を酸化処理することにより
生成され、酸化膜の厚みを増すことによって絶縁塗装と
同様の結果を得ている。安定化金属が銅の場合は、酸化
膜は例えば酸化銅で形成され、安定化金属がアルミニウ
ムの場合は、酸化膜はアルマイトで形成される。このア
ルマイトの酸化膜形成過程では、耐食性の面で封孔処理
が行われている。この点は絶縁膜中に開孔を有する本発
明と異なる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記各公報に記載され
た発明の超電導導体は、安定化金属表面に絶縁膜が形成
されているので、絶縁膜のないものより熱流束が高く、
優れた冷却特性を有している。しかしながら、上記発明
では超電導導体と寒剤の温度差ΔＴが小さな温度領域に
おける熱伝達について充分な考慮されておらず、超電導
導体と寒剤との温度差ΔＴが１０Ｋと大きいときに単位
面積当たりの放熱量ｑが大きい一方、ΔＴが小さいとき
は放熱量ｑが小さいという欠点を持っていた。

【０００６】本発明の目的は、超電導導体と寒剤との温
度差が小さいときでも、超電導導体から寒剤への放熱量
が大きく、冷却性能に優れた超電導導体を提供すること
にある。

【０００７】また、本発明の別の目的は、冷却性能に優
れた超電導コイルを備えた超電導磁気浮上列車用の超電
導磁石を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超電導導体は、超電導線と該超電導線の周
りに配置された安定化金属と該安定化金属の表面に形成
された絶縁膜とからなる超電導導体において、絶縁膜は
多孔質絶縁膜からなるものである。

【０００９】上記多孔質絶縁膜を有する超電導導体を寒
剤中に浸漬し、この超電導導体から熱が発生したとき、
多数の孔が核沸騰の起点（沸騰核）となり気泡が発生
し、大きな熱移動（熱流束）が起きる。したがって超電
導導体と寒剤との間の温度差が小さいときでも、超電導
導体から寒剤への放熱量が大きくなる。

【００１０】この超電導導体において、多孔質絶縁膜の
孔径が安定化金属に近い側で小さく、絶縁膜表面側で大
きいことが好ましい。これは孔のうち安定化金属側で生
じた沸騰核から気泡が発生し、膜表面から放出される
際、膜表面側の孔径が大きいと放出され易くなるからで
ある。あるいは、多孔質絶縁膜内の孔はそれぞれが膜厚
方向に貫通して形成されていてもよい。

【００１１】また、本発明の別の超電導導体は、超電導
線と該超電導線の周りに配置された安定化金属と該の表
面に形成された絶縁膜とからなる超電導導体において、
絶縁膜は表面に凹凸または並列する溝を有するものであ
る。別の超電導導体において、絶縁膜表面の凹凸や溝の
エッジが上記の孔と同様に沸騰核を容易に形成して、熱
移動が起きるので、超電導導体から寒剤への放熱量が大
きくなる。

【００１２】また、本発明のさらに別の超電導導体は、
超電導線と該超電導線の周りに配置されたアルミニウム
の安定化金属とからなる超電導導体において、安定化金
属の表面をベーマイト処理することにより該表面を凹凸
形状にし、かつ該凹凸表面上に該凹凸より細かい凹凸形
状の水和酸化物皮膜を設けたものである。そしてこの水
和酸化物皮膜上に撥水性皮膜を設けることが好ましい。

【００１３】さらに別の超電導導体において、水酸化皮
膜の細かな凹凸のエッジが核沸騰の起点となり、気泡が
発生し、大きな熱移動（熱流束）が起きると共に、水酸
化皮膜の細かな凹凸により伝熱表面積が増大するので、
超電導導体と寒剤との間の温度差が小さいときでも、超
電導導体から寒剤への放熱量が大きくなる。また撥水性
皮膜により、伝熱表面積を拡大するとともに、沸騰核の
増加も期待できる。

【００１４】上記別の目的を達成するために、本発明の
超電導磁石は、超電導導体からなる超電導コイルと、超
電導コイルを寒剤中に浸漬する寒剤容器と、寒剤容器を
収納する真空容器とを備えた超電導磁石において、超電
導導体は、上記各超電導導体のいずれかからなるもので
ある。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図１から図１１を用いて本
発明の実施形態を説明する。＜実施の形態1＞図１は、本発明の実施の形態１となる
超電導導体の構造を示す図である。この超電導導体は、
超電導線１と、該超電導線１の周りに配置された高熱伝
導率の安定化金属２と、該安定化金属２の表面を覆って
形成された多孔質絶縁膜３とから構成されている。なお
図１で符合４は多孔質絶縁膜３中に形成された孔を示
す。超電導線１は、ＮｂＴｉ (ニオブ・チタン)等の線材
で、液体ヘリウム温度（−２６９℃）では電気抵抗がほ
とんどなくなる超電導特性を有する。また、ＮｂＴｉ線
材の代りに、液体ヘリウム温度より高い液体窒素温度
(−１９６℃)でも超電導特性を有するＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇
（イットリウム、バリウム、銅、酸素）等の高温超電導
体を超電導線１に利用してもよい。これらの超電導導体
は消費電力が少なくできるメリットがあるので、超電導
磁石に利用されている。

【００１６】超電導線１は、臨界電流を超えたとき、ま
た、臨界温度を超えたときにクエンチを起こす。このと
き、超電導線１が超電導から常伝導に転移するので、超
電導線１自身は大きな抵抗値を持つようになる。従っ
て、電流は、電気抵抗の小さな安定化金属２へ流れる。
安定化金属２の材質は、銅またはアルミニウムであり、
電流が安定化金属２に流れればジュール発熱が起こる。
このジュール発熱量より安定化金属２外周表面からの放
熱量が上回れば、超電導導体に同じ電流が安定して流せ
る。この放熱量は、超電導導体が寒剤（液体ヘリウムま
たは液体窒素等）中に浸されている場合、寒剤に接して
いる超電導導体表面の沸騰熱伝達特性に依存している。
図２は図１に示す多孔質絶縁膜３の拡大図で、絶縁膜３
の母材５中に孔径３０マイクロメートル（μｍ）以下の
孔４が形成されている。

【００１７】この孔径は、液体ヘリウムの沸騰核ができ
易いこと、また、その孔が無数にあることで、単位時
間、単位面積あたり絶縁膜３表面に生成されるバルブ発
生頻度を高くなる。従って、液体ヘリウムと超電導導体
との温度差が小さくても熱流束は高くなる。また、多孔
質絶縁膜３の孔数が無数にあるため、多孔質絶縁膜３の
実表面積が広くなる。なお、絶縁膜３表面から離脱する
バブルの径は約６０μｍである。

【００１８】次に、多孔質絶縁膜３の製法の一例につい
て述べる。平均分子量が１０００で１分子内に平均２個
のアクリル基を有するエポキシアクリレートオリゴマー
８０部、フェノキシエチルアクリレート２０部、イルガ
キュア１８４を２部、酢酸セルロース５０部、ジメチル
アセトアミド１５０部を混合し、２３℃における粘度４
０００cpsの重合性溶液Ａを得る。超電導導体の安定化
金属２表面上に、重合性溶液Ａを塗布し、メタルハライ
ドランプにより波長３６０ナノメートル、強度１００mW
/cm²の紫外線を１０秒間照射する。次に、該照射により
安定化金属上に形成された乳白色の膜をアセトンまたは
エタノールにて充分洗浄することにより図２のように架
橋構造を有する多孔質絶縁膜３が得られる。図２中の符
号５は高分子でできた母材であって、架橋として現れ
る。この多孔質絶縁膜３の厚みは、約３００μｍまで製
造可能である。

【００１９】図３は、多孔質絶縁膜３の孔４の大きさが
不均一な例を示したものである。次に、この不均一な多
孔質絶縁膜３の製法について説明する。ポリイミド等の
ポリマーと良溶媒及び貧溶媒を混合して均一溶液を作
り、超電導導体の安定化金属２の表面上に塗布する。乾
燥作業によりその塗布膜から良溶媒を選択的に除外し、
該塗布膜をあまり溶解しない非溶媒中に漬浸し、溶媒交
換によりポリマーのゲル化を行わせて多孔質絶縁膜３を
得る。この製膜過程で、絶縁膜３中で安定化金属面に近
い側にサイズの小さい孔４ｂが、膜表面側に大きなサイ
ズの孔４ａが形成される。

【００２０】図４は、繊維状のポリマーが３次元的に交
差することによって孔４が形成された多孔質絶縁膜３を
表したものである。この製膜方法は、結晶性ポリマーを
溶融押し出し、超電導導体の安定化金属２の表面上に製
膜後、延伸により多孔質化または線状化して膜中に孔４
を形成する。ポリマーの材料は、ポリテトラフルオロエ
チレン（PTFE）やポリエチレン等の熱可塑性高分子であ
る。

【００２１】図５は、高分子膜中の孔４ｃが、膜を直線
的に貫通するように、多数設けた高分子膜である。この
膜の製法は、高分子膜に高エネルギー重イオンを照射
し、その後エッチングすることにより直行性孔４ｃを有
する多孔質膜がえられる。孔径は２０ナノメートル(ｎ
ｍ)〜１０マイクロメートル(μｍ)で、孔密度は１cm²あ
たり１０⁷〜１０¹⁰個である。この直行性多孔質絶縁膜
の場合、仮に平均で、孔径が０．１μｍ、孔密度が１０
⁸乗／cm²個、膜厚が５０μｍとすると、絶縁膜の実表面
拡大率は約１６倍になる。従って、投影面積換算の単位
面積当たりの放熱量も従来より大きくなり、寒剤と超電
導導体との温度差が小さくても熱流束は高くなる。

【００２２】＜実施の形態２＞図６は、超電導導体の表
面を構成する絶縁膜として、直線状のマスクパターンに
より超電導導体の安定化金属２表面上の紫外線硬化樹脂
に紫外線を露光して得られた、多数の細かいＶ字形溝９
を有する高分子膜８である。Ｖ字形溝９の凹凸差は１０
〜３００μｍである。このように絶縁膜表面に凹凸を形
成することによっても、核沸騰を容易にして放熱量の増
加を図ることができ、寒剤と超電導導体との間の温度差
が小さ領域での熱流束を高くできる。

【００２３】＜実施の形態３＞図７は、超電導導体のア
ルミニウム製の安定化金属２の表面にベーマイト処理を
施したものである。このベーマイト処理法は、超電導導
体の安定化金属２（アルミニウム）をアルカリ脱脂し
て、９８℃に加熱した０．２ｗｔ％濃度のアンモニア水
溶液中に約１０分間漬浸して、アルミニウム表面上に水
和酸化物を得てできあがる。アルカリ脱脂過程で、安定
化金属２であるアルミニウムの表面がエッチングされて
凹凸形状が形成される。この凹凸の高低差はおよそ１０
μｍ以上で、この凹凸表面上にさらに高さ数ｎｍの細か
い凹凸を形成する水酸化皮膜１０が形成されている。

【００２４】図８は、図７のベーマイト処理後、撥水処
理をした超電導導体の表面形状を示す。撥水処理は次の
ように行なう。即ち、平均粒径８ｎｍのＴｉＯ₂粒子を
バインダとしてシリカゲル液に１０ｗｔ％分散した溶液
中に、図７に示す超電導導体を漬浸し、引き上げて１１
０℃に加熱する。さらに、ヘプタデカドリシルフルオロ
アルキル液が４ｗｔ％となるようにオクタデカフルオロ
オクタン液で希釈した溶液中に約３０分間漬浸し、取り
出した超電導導体を１５０℃で３０分間加熱する。かく
して微細な凹凸状の水酸化皮膜１０上に撥水皮膜１１が
得られる。この撥水皮膜１１の膜厚は、数ｎｍである。
図９は図８に示す撥水皮膜１１または図７に示す水酸化
皮膜１０が設けられたときの超電導導体の外観図であ
る。

【００２５】図８に示す皮膜の冷却効果について説明す
る。超電導線回りのアルミニウムの安定化金属２表面
は、ベーマイト処理により、数十μｍの凹凸が形成さ
れ、かつその凹凸面上にナノメートルオーダーの細かな
凹凸形状の水酸化皮膜１０が形成され、さらに水酸化皮
膜１０がナノメートルオーダーの撥水皮膜１１が形成さ
れているので、超電導導体表面に形成された無数のエッ
ジが寒剤である液体ヘリウムの核沸騰の起点となる。こ
のため、寒剤と超電導導体との温度差が小さくてもバブ
ルが無数のエッジに発生するので従来より熱流束が高く
なる。また、撥水皮膜１１の実表面積は平滑面に比べ
て、およそ８００倍に増大する。このため、投影面積を
基準にした熱流束値も従来より高くなる。

【００２６】＜実施の形態４＞図１０は、多孔質絶縁膜
３が超電導導体とは別に製造されていて、その多孔質絶
縁膜３を超電導導体の安定化金属２上に接着剤６を使っ
て固定した超電導導体の構造を示したものである。

【００２７】＜実施の形態５＞図１１は、図１〜図１０
により説明した超電導導体を、超電導磁気浮上列車の超
電導コイルに適用した一例を説明する図である。列車浮
上用超電導磁石は、レーストラック状に巻き成形された
超電導導体からなる超電導コイル２０と、超電導コイル
２０を低温の液体ヘリウム中に収納し、レーストラック
状に成形された管からなる液体ヘリウム容器２１と、液
体ヘリウム容器２１を真空断熱して収納する真空容器２
４と、該真空容器２４中で液体ヘリウム容器２１の管の
外周を囲うシールド板２２と、該シールド２２の外周を
取り巻く多層断熱材２３と、液体ヘリウム容器２１を真
空容器２４の所定位置に固定する荷重支持体２８とから
構成されている。

【００２８】シールド板２２は、液体窒素温度に冷却さ
れて、室温の真空容器２４からの輻射熱が直接液体ヘリ
ウム容器２１に入射することのないように輻射熱を遮蔽
する。また、多層断熱材２３は、輻射率の小さなアルミ
ニウム蒸着フィルムをシールド板２２に多重巻き付けし
たものであって、真空容器２４からシールド板２３に入
る輻射熱を小さくする。荷重支持体２８は、列車走行時
に超電導コイル２０が真空容器２４内で振れることのな
いよう超電導コイル２０を真空容器２４内に固定する。

【００２９】さらに超電導磁石は、液体ヘリウム容器２
１に供給する液体ヘリウム２５を溜める液体ヘリウムタ
ンク２６と、液体ヘリウムへの侵入熱で蒸発したヘリウ
ムガスを液化するヘリウム冷凍機２７とを備えている。
かくして超電導コイル２０は、液体ヘリウム２５に浸さ
れて、超電導状態を常に維持されている。

【００３０】上記の他、本発明の応用例として、癌を治
療するするための医療用加速器の超電導磁石や、夜中に
余った電力を超電導磁石に貯蔵し電力が足りなくなった
時に電力を供給するための超電導電力貯蔵システム（Ｓ
ＭＥＳ）用の超電導磁石がある。これらの超電導磁石の
基本構成は、磁気浮上用超電導磁石とまったく同じで、
超電導コイルからなる超電導磁石が寒剤容器中に収納さ
れ、寒剤容器周りに輻射熱を遮蔽するシールド板が設置
されている。また、寒剤容器とシールドは真空容器に収
められている。従って、超電導コイルを形成している超
電導導体が優れた放熱特性を有することは言うまでもな
い。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、超電導導体は、該超電
導導体の表面部を形成する絶縁膜を多孔質膜、あるいは
膜表面を細かい凹凸を有するものとしたので、超電導導
体を寒剤中に浸漬した際、孔や凹凸のエッジが核沸騰の
起点として気泡が発生し、超電導導体と寒剤との温度差
が小さいときでも、超電導導体から寒剤への放熱量が大
きく、冷却性能に優れた超電導導体が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態1となる超電導導体の構造
を示す図。

【図２】図１に示す超電導導体の表面部を形成する多孔
質絶縁膜中の孔の拡大図。

【図３】径が異なる各種孔を有する多孔質絶縁膜を示す
図。

【図４】繊維状ポリマーが３次元的に交差して溶融結合
したような構造の多孔質絶縁膜を示す図。

【図５】膜を貫通する直行性孔を有する多孔質絶縁膜を
示す図。

【図６】本発明の実施の形態２となる超電導導体の絶縁
膜の構造を示す図。

【図７】本発明の実施の形態３となる超電導導体で表面
部に水酸化被膜を形成された絶縁膜を示す図。

【図８】図７の超電導導体の水酸化被膜上に撥水性被膜
を形成した絶縁膜を示す図。

【図９】図８及び図９の超電導導体の全体構造図。

【図１０】本発明の実施の形態４である超電導導体の構
造図。

【図１１】本発明の超電導導体を適用する磁気浮上列車
用の超電導磁石を示す図。

【符号の説明】

１超電導線２安定化金属３多孔質絶縁膜４孔７繊維８高分子膜９Ｖ字型溝１０水酸化皮膜１１撥水皮膜２０超電導コイル２１液体ヘリウム容器２４真空容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者室井克美茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者浅野克彦茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内Ｆターム(参考） 5G321 AA04 AA12 BA03 CA42 CA48 CB07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導線と該超電導線の周りに配置され
た安定化金属と該安定化金属の表面に形成された絶縁膜
とからなる超電導導体において、前記絶縁膜は多孔質絶
縁膜からなることを特徴とする超電導導体。
【請求項２】前記多孔質絶縁膜の孔径が前記安定化金
属に近い側で小さく、該絶縁膜表面側で大きいことを特
徴とする請求項１記載の超電導導体。
【請求項３】超電導線と該超電導線の周りに配置され
た安定化金属と該安定化金属の表面に形成された絶縁膜
とからなる超電導導体において、前記絶縁膜は多孔質絶
縁膜からなり、該孔それぞれが膜厚方向に貫通して形成
されていることを特徴とする超電導導体。
【請求項４】超電導線と該超電導線の周りに配置され
た安定化金属と該の表面に形成された絶縁膜とからなる
超電導導体において、前記絶縁膜は表面に凹凸または並
列する溝を有することを特徴とする超電導導体。
【請求項５】超電導線と該超電導線の周りに配置され
たアルミニウムの安定化金属とからなる超電導導体にお
いて、前記安定化金属の表面をベーマイト処理すること
により、該表面を凹凸形状にしかつ該凹凸表面上に該凹
凸より細かい凹凸形状の水和酸化物皮膜を設けたことを
特徴とする超電導導体。
【請求項６】前記水和酸化物皮膜上に撥水性皮膜を設
けたことを特徴とする請求項５に超電導導体。
【請求項７】超電導導体からなる超電導コイルと、該
超電導コイルを寒剤中に浸漬して収納する寒剤容器と、
該寒剤容器を収納する真空容器とを備えた超電導磁石に
おいて、前記超電導コイルの超電導導体は、請求項１か
ら６のいずれかに記載の超電導導体からなることを特徴
とする超電導磁石。