JP2001155562A - 超電導線及びそれを用いた超電導コイル装置 - Google Patents

超電導線及びそれを用いた超電導コイル装置

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JP2001155562A JP33255499A JP33255499A JP2001155562A JP 2001155562 A JP2001155562 A JP 2001155562A JP 33255499 A JP33255499 A JP 33255499A JP 33255499 A JP33255499 A JP 33255499A JP 2001155562 A JP2001155562 A JP 2001155562A
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

(57)【要約】 【課題】 寸法的に安定して製造でき、かつ安価な超電
導線を得る。 【解決手段】 超電導線は、銅及び金属系超電導体の複
合体である超電導素線1と、金属管2とをアルミニウム
製の安定化材3中に埋設したもので、予め製作された超
電導素線1と金属管2を束ねてアルミニウム複合押出し
装置に連続的に供給し、押出し加工することで製作され
る。

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、安定化材として
アルミニウムを用いた内部強制冷却型の超電導線、及び
その超電導線を用いた超電導コイル装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来金属系超電導体、例えばNbTi合
金、Nb3Sn化合物を用いた超電導線は、超電導状態
を安定化するために、運転温度である約4.2K付近の
極低温での電気抵抗率が小さい金属を安定化材として、
その中に超電導体を埋設した構成とする必要があり、そ
の安定化材として一般的には高純度アルミニウムや無酸
素銅が使用されてきた。さらにこのような超電導線を内
部強制冷却式で使用するために、安定化材の中に冷却用
ヘリウムを流す通路を設けた構成の超電導線が先進技術
として考えられている。
【0003】図8は例えば特願平11−200043号
に示す上記先進技術としての内部強制冷却式のアルミニ
ウム安定化超電導線を示す断面図であり、図において、
1は超電導体を銅に埋設した構成の超電導素線、3はこ
の超電導素線1を埋設する高純度のアルミニウムででき
た安定化材であり、12はこの安定化材3に設けられた
冷却用穴である。アルミニウムはその低電気抵抗から安
定化材として利用するもので、4.2K付近での電気抵
抗率は室温の約1/300以下のものが必要である。
【0004】このような構成の超電導線を得るために
は、予め製作された超電導素線1をアルミニウム複合押
出し装置に連続的に供給し、冷却用穴12を形成するた
めにニードルを位置決め設置し、押出し加工すると超電
導素線1の周りにアルミニウム安定化材3が被覆され、
安定化材には冷却用穴12が形成された超電導線が連続
的に製作される。
【0005】このように構成され、製作された超電導線
を巻回して、超電導コイルとなし、冷却用穴に例えば約
4.5K超臨界圧ヘリウムを流通させて極低温に冷却
し、コイルを超電導状態となして通電して、目的の用に
供するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の超電導コイル装
置は以上のように構成され、製作されるので、安定化材
の中で超電導素線1と冷却用穴ニードルを断面内の所定
の位置に保持することが必要であるが、それらの位置が
不安定であり、甚だしくは、超電導素線が冷却用穴内に
侵入してしまうなどの問題点があった。
【0007】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、寸法的に安定して製造でき、
かつ安価な超電導線を得ること、及び、この超電導線を
使用した超電導コイル装置を得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る超電導線
は、銅及び金属系超電導体の複合体である超電導素線
と、金属管とをアルミニウム製の安定化材中に埋設した
ものである。
【0009】又、超電導素線と金属管は隣接しているも
のである。
【0010】又、複数本の超電導素線を金属管の周りに
撚り合わせたものである。
【0011】又、金属管の外周に超電導素線の直径の1
/2以上の深さの溝を設け、その溝に上記超電導素線を
埋設したものである。
【0012】又、金属管の内面に溝を設けたものであ
る。
【0013】又、金属管の材質はアルミニウムであるも
のである。
【0014】又、金属管の材質は高電気抵抗材料である
ものである。
【0015】又、高電気抵抗材料はオーステナイト系ス
テンレス鋼であるものである。
【0016】この発明に係る超電導コイル装置は、上記
超電導線を使用したものである。
【0017】
【発明の実施の形態】実施の形態1.以下、この発明の
実施の形態1を図に基づいて説明する。図1において、
1は銅及び金属系超電導体の複合体である超電導素線、
2はこの超電導素線1に平行に配置された金属管、3は
超電導素線1および金属管2を被覆埋設するアルミニウ
ム製の安定化材である。
【0018】このような構成の超電導線を得るために
は、予め製作された超電導素線1と金属管2を束ねてア
ルミニウム複合押出し装置に連続的に供給し、押出し加
工すると超電導素線1と金属管2の周りにアルミニウム
安定化材3が被覆され、安定化材に超電導線1と金属管
2が互いに密接した状態でアルミニウムに埋設された構
造の超電導線が連続的に製作される。
【0019】本発明では、従来技術で必要であった冷却
用穴を形成するためにニードルは不要であり、それらの
相対的な位置が安定であり、超電導素線が冷却用穴内に
侵入してしまうおそれは全く無い。
【0020】超電導素線1は金属管2と単に並列に束ね
られたものでもよいし、束ねられたものを細い金属線、
例えば銅線、アルミニウム線などで結束されていてもか
まわない。更には図2に示すように、金属管2の周りに
巻きつけられたものでもよい。金属管2は、その内部に
ヘリウムを流すために、当然気密でなければならない。
【0021】このように構成され、製作された超電導線
を巻回して、超電導コイルとなし、冷却用穴に例えばに
約4.5K超臨界圧ヘリウムを流通させて極低温に冷却
し、コイルを超電導状態となして通電して、目的の用に
供する。
【0022】実施の形態2.なお、上記実施の形態1で
は、超電導素線1が1本の場合について述べたが、図3
に示すように、金属管2の周囲に複数の超電導素線を撚
り合せて金属管が芯となった撚線1aを構成したので、
より通電容量が大きい超電導線およびそれを使用した超
電導コイル装置を得ることができる。
【0023】実施の形態3.上記実施の形態1および2
では、金属管の外周は平滑な円筒面である場合について
図示したが、図4に示すように、金属管2aの外周に少
なくとも超電導素線1の直径の1/2以上の深さの溝を
設け、その溝内に超電導素線1を埋設して束ね、押出し
機に供給するようにしたので、超電導素線と金属管との
相互位置が押出し時にさらに寸法的に安定し、歩留りが
良く、安価でかつ長尺の超電導線およびそれを使用した
超電導コイル装置を得ることができる。
【0024】実施の形態4.上記実施の形態1乃至3で
は、金属管2bの内面が平滑である場合について図示し
たが、図5に示すように、金属管2bの内面に溝を設
け、金属管内面の表面積を増やすようにしたので、更に
冷却特性が良く小型で安価な超電導線およびそれを使用
した超電導コイル装置を得ることができる。
【0025】実施の形態5.上記実施の形態1乃至4で
は、金属管の材質について特に言及しなかったが、通常
は、コイルとして端子部でのヘリウム配管を接合するの
に、ろう付け等の信頼性があり施工が容易な無酸素銅管
を使用すればよい。無酸素銅管はまた長尺管として製作
しやすく安価でもあるので冷却管として好便である。と
ころが超電導コイル装置が使用される、磁場、コイルの
通電電流、冷却管寸法が大きい場合には、アルミニウム
製安定化材と銅製冷却管とが異なる金属であるので、超
電導コイルに何らかの発熱があって超電導線が常電導化
した場合に、式(1)で表されるホール電場が安定化材
と金属管との間の超電導線断面内に発生する。
【0026】 EH=B×JT×R ・・・(1)
【0027】式(1)で、B(T)は超電導線に印加さ
れる磁場、EH(V/m)は超電導線断面内に発生する
電位勾配、即ちホール電場、JT(A/m2)は超電導体
が常電導化したために、安定化材、金属管に分流した、
それぞれの内部の輸送電流の電流密度、R(m3/C)
は安定化材であるアルミニウム、金属管材質の銅に固有
のホール係数である。このEH、B、JTの関連状況は図
6に示すとおりである。同図でEH、JTについては、発
生する材料を追加添字Al、Cuとして付加してある。
式(1)で示されるホール電場により式(2)で概略値が
示されるホール電圧が発生する。
【0028】 VH≒EH×LC ・・・(2)
【0029】式(2)でEH(V/m)はホール電場、V
H(V)はホール電圧、はLC(m)は金属管代表長さ、
例えば管の直径(図中、符号dで示す)である。金属管
寸法、材料の電気抵抗率に応じて、図6に示すホール電
流JHが金属管とアルミニウム製安定化材中に流れる。
極低温状態では、アルミニウムの場合で室温の1/30
0以下、銅の場合で1/100以下と電気抵抗が極めて
小さいので、前記ホール電場により発生するホール電流
が磁場と輸送電流の相乗効果で極めて大きくなることが
ある。ホール電流が輸送電流と同程度まで大きくなる
と、超電導素線から分流した輸送電流のみが安定化材を
流れる場合に比べ、大きいジュール損失が安定化材中で
発生し、ひいては、超電導安定性を大きく低下させる。
これは安定に通電できる電流容量限界が大きく低下する
ことを意味し、超電導線の性能を大きく損う。
【0030】したがって、本実施の形態においては、上
記のようなホール電場による超電導線安定性の低下を防
ぐため、金属管2cの材質を比較的抵抗が大きい銅であ
る燐脱酸銅とした。極低温では、燐脱酸銅の電気抵抗は
無酸素銅の10倍程度であり、金属管が無酸素銅である
場合よりホール電流が流れる回路の電気抵抗が増大し、
ホール電流が減少する。従って超電導安定性を大きく損
うことがない。しかも、燐脱酸銅はろう付け施工の容易
さは無酸素銅と何ら変りなく、製造上の利点は保持され
る。
【0031】このようにすることで、必要な特性を持つ
超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を安価
に得ることができる。
【0032】実施の形態6.本実施の形態では、純アル
ミニウムを金属管の材質として用いることを特徴とす
る。図7に、本実施の形態における、超電導コイル端子
部の冷却管の配管接合部を示す。
【0033】安定化材3に埋設された金属管2は端部で
冷却用配管と接続するために、安定化材から金属管部分
を露出させ、配管継手5を介して、配管4に接続され
る。超電導線に埋設する金属管材質として通常の無酸素
銅を採用する場合には、金属管2と配管継手5との接続
部はろう付けで行うことになる。
【0034】一方、金属管材質がアルミニウムであれ
ば、配管継手5材質もアルミニウムとし、金属管と配管
継手との接続を信頼性が更に高い溶接とすることができ
る。金属管に耐圧力強度が必要な場合はアルミニウム合
金を金属管材質として採用すればよい。
【0035】また、金属管材質をアルミニウムとすれ
ば、安定化材と同材質であるので、実施の形態5で説明
したホール電場は、安定化材部分と金属管部分とで同一
となり相殺するため、ホール電流は流れず、超電導線の
超電導安定性が低下することもなく、通電容量特性が低
下しない。アルミニウム管は長尺管として製作しやすく
安価でもあるので冷却管として好便である。
【0036】このようにすることで、必要な特性を持つ
超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を安価
に得ることができる。
【0037】実施の形態7.本実施の形態では、オース
テナイト系ステンレス鋼を金属管材質として用いてい
る。このようにすることで、上記実施の形態6と同様に
超電導コイル端子部で冷却管と配管との接合に信頼性あ
る溶接を採用できる。
【0038】また実施の形態5で説明したホール電場は
発生するが、極低温での金属管の電気抵抗が無酸素銅に
くらべ5000倍大きいのでホール電流が殆ど流れず、
超電導線の超電導安定性が損われず、超電導線の電流容
量低下もない。
【0039】このようにすることで、必要な特性を持つ
超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を安価
に得ることができる。
【0040】
【発明の効果】本発明に係る超電導線は、銅及び金属系
超電導体の複合体である超電導素線と、金属管とをアル
ミニウム製の安定化材中に埋設したので、製造歩留りが
よく、安価にできるという効果を有する。
【0041】又、超電導素線と金属管は隣接しているの
で、超電導素線と金属管との相対的な位置決めが容易と
なり、より製造歩留りがよくなり安価に製造できるとい
う効果を有する。
【0042】又、複数本の超電導素線を金属管の周りに
撚り合わせたので、通電容量を大きくすることができる
という効果を有する。
【0043】又、金属管の外周に超電導素線の直径の1
/2以上の深さの溝を設け、その溝に上記超電導素線を
埋設したので、上記超電導素線と上記金属管との相対的
な位置決めがさらに容易となるため、さらに製造歩留り
がよくなるという効果を有する。
【0044】又、金属管の内面に溝を設けたので、冷却
特性を向上できるという効果を有する。
【0045】又、金属管の材質はアルミニウムであるの
で、ホール電流による超電導安定性の低下を防止できる
という効果を有する。
【0046】又、金属管の材質は高電気抵抗材料である
ので、ホール電流による超電導安定性の低下を防止でき
るという効果を有する。
【0047】又、高電気抵抗材料はオーステナイト系ス
テンレス鋼であるので、ホール電流による超電導安定性
の低下を防止できるという効果を有する。
【0048】この発明に係る超電導コイル装置は上記超
電導線を使用したので、超電導線の歩留りが向上するた
め、装置を安価に製造することができるという効果を有
する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1を示す断面図であ
る。
【図2】 この発明の実施の形態1を示す斜視図であ
る。
【図3】 この発明の実施の形態2を示す断面図であ
る。
【図4】 この発明の実施の形態3を示す断面図であ
る。
【図5】 この発明の実施の形態4を示す断面図であ
る。
【図6】 ホール電場、磁場及びホール電流の関連状況
を示す断面図である。
【図7】 この発明の実施の形態6を示す断面図であ
る。
【図8】 従来の超電導コイル装置を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
1 超電導素線、 1a 撚線、 2、2a、2b 金
属管、3 安定化材、 4 配管、 5 配管継手、
12 冷却穴。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅及び金属系超電導体の複合体である超
    電導素線と、金属管とをアルミニウム製の安定化材中に
    埋設した超電導線。
  2. 【請求項2】 超電導素線と金属管は隣接していること
    を特徴とする請求項1記載の超電導線。
  3. 【請求項3】 複数本の超電導素線を金属管の周りに撚
    り合わせたことを特徴とする請求項1又は2記載の超電
    導線。
  4. 【請求項4】 金属管の外周に超電導素線の直径の1/
    2以上の深さの溝を設け、その溝に上記超電導素線を埋
    設したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項
    に記載の超電導線。
  5. 【請求項5】 金属管の内面に溝を設けたことを特徴と
    する請求項1乃至4のいずれか1項に記載の超電導線。
  6. 【請求項6】 金属管の材質はアルミニウムであること
    を特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超
    電導線。
  7. 【請求項7】 金属管の材質は高電気抵抗材料であるこ
    とを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の
    超電導線。
  8. 【請求項8】 高電気抵抗材料はオーステナイト系ステ
    ンレス鋼であることを特徴とする請求項7の超電導線。
  9. 【請求項9】 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の
    超電導線を使用した超電導コイル装置。
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