JP2003288816A - 超伝導コイルの交流損失を低減する方法 - Google Patents
超伝導コイルの交流損失を低減する方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 変動磁場が印加された際に超伝導素線間に発
生する誘導電流により生ずる交流損失を低減するための
ケーブル・イン・コンジット型超伝導体のコイル製作方
法に関わるものである。 【解決手段】 クロム被覆した化合物超伝導素線からな
るケーブル・イン・コンジット型超伝導導体において、
ワインド・アンド・リアクト法によるコイル製作を行う
場合に、化合物生成のための熱処理後の導体ケーブル部
に、曲げ又は捩れひずみを０．１５−０．３％印加し、
その後、曲げ又は捩れひずみを０．１％以下に戻すこと
により、熱処理時にクロム被覆が燒結した素線を分離す
ることを特徴とする超伝導コイルの交流損失を低減す
る。
生する誘導電流により生ずる交流損失を低減するための
ケーブル・イン・コンジット型超伝導体のコイル製作方
法に関わるものである。 【解決手段】 クロム被覆した化合物超伝導素線からな
るケーブル・イン・コンジット型超伝導導体において、
ワインド・アンド・リアクト法によるコイル製作を行う
場合に、化合物生成のための熱処理後の導体ケーブル部
に、曲げ又は捩れひずみを０．１５−０．３％印加し、
その後、曲げ又は捩れひずみを０．１％以下に戻すこと
により、熱処理時にクロム被覆が燒結した素線を分離す
ることを特徴とする超伝導コイルの交流損失を低減す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、変動磁場が印加さ
れた際に超伝導素線間に発生する誘導電流により生ずる
交流損失を低減するためのケーブル・イン・コンジット
型超伝導体のコイル製作方法に関わるものである。
れた際に超伝導素線間に発生する誘導電流により生ずる
交流損失を低減するためのケーブル・イン・コンジット
型超伝導体のコイル製作方法に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の熱処理を要するケーブル・イン・
コンジット型超伝導導体を用いたコイルの製作方法の一
つであるワインド・アンド・リアクト法においては、熱
処理後の超伝導性（臨界電流値等）の劣化を防ぐため、
導体に印加されるひずみを可能な限り小さく（一般的に
は、ひずみ量０．１％以内）するものであった。
コンジット型超伝導導体を用いたコイルの製作方法の一
つであるワインド・アンド・リアクト法においては、熱
処理後の超伝導性（臨界電流値等）の劣化を防ぐため、
導体に印加されるひずみを可能な限り小さく（一般的に
は、ひずみ量０．１％以内）するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ケーブル・イン・コン
ジット型超伝導導体の構造の一例を図１に示す。超伝導
導体は、基本的に、コンジットと呼ばれる管と、その内
部に挿入される超伝導素線（或いは超伝導素線と銅線）
を撚り合わせたケーブルによって構成される。
ジット型超伝導導体の構造の一例を図１に示す。超伝導
導体は、基本的に、コンジットと呼ばれる管と、その内
部に挿入される超伝導素線（或いは超伝導素線と銅線）
を撚り合わせたケーブルによって構成される。
【０００４】超伝導導体に変動磁場が印加されると、撚
線された素線間に結合電流と呼ばれる誘導電流が流れ
る。この結合電流は常伝導部（素線の安定化銅部、めっ
き部）を通じて流れるため、ジュール発熱による損失
（交流損失）が発生する。この交流損失を減少するため
には、素線間の抵抗を大きくし、結合電流を小さく抑え
ればよい。即ち、一般に交流損失Ｑｃと素線間抵抗ρの
間には以下の関係があり、ρを大きくすればよい。
線された素線間に結合電流と呼ばれる誘導電流が流れ
る。この結合電流は常伝導部（素線の安定化銅部、めっ
き部）を通じて流れるため、ジュール発熱による損失
（交流損失）が発生する。この交流損失を減少するため
には、素線間の抵抗を大きくし、結合電流を小さく抑え
ればよい。即ち、一般に交流損失Ｑｃと素線間抵抗ρの
間には以下の関係があり、ρを大きくすればよい。
【０００５】Ｑｃ∝１／ρ （１）
一方、素線間に電流が均等に分流するためには、ある程
度の伝導度を素線間に確保する必要がある。こうした観
点から、適度な素線間抵抗を確保するために、素線にク
ロムやニッケル等を用いためっきを施す手法がとられて
いる。特に、超伝導化合物生成のため熱処理を必要とす
る超伝導素線（ニオブ、スズ、ニオブ・アルミ等）に
は、耐熱性が高いめっき材としてクロムが多く用いられ
ている。しかし、このクロムのめっき部が導体熱処理時
に燒結してしまい、素線間抵抗が著しく低下すると考え
られている。
度の伝導度を素線間に確保する必要がある。こうした観
点から、適度な素線間抵抗を確保するために、素線にク
ロムやニッケル等を用いためっきを施す手法がとられて
いる。特に、超伝導化合物生成のため熱処理を必要とす
る超伝導素線（ニオブ、スズ、ニオブ・アルミ等）に
は、耐熱性が高いめっき材としてクロムが多く用いられ
ている。しかし、このクロムのめっき部が導体熱処理時
に燒結してしまい、素線間抵抗が著しく低下すると考え
られている。
【０００６】一般的に、超伝導素線にひずみを印加する
とその臨界電流特性が劣化することがわかっている。し
たがって、従来のコイル作製では、超伝導導体の臨界電
流特性の劣化を防ぐため、熱処理後には可能な限り導体
に印加されるひずみを小さくする手法（通常、ひずみ量
０．１％以下）がとられてきた。このため、導体には、
素線に施されためっき部の燒結した部分が多く残存し、
そのため素線間抵抗は低下し、導体の交流損失が増大す
るという問題点があった。
とその臨界電流特性が劣化することがわかっている。し
たがって、従来のコイル作製では、超伝導導体の臨界電
流特性の劣化を防ぐため、熱処理後には可能な限り導体
に印加されるひずみを小さくする手法（通常、ひずみ量
０．１％以下）がとられてきた。このため、導体には、
素線に施されためっき部の燒結した部分が多く残存し、
そのため素線間抵抗は低下し、導体の交流損失が増大す
るという問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、クロムめっき
された超伝導素線を熱処理することによって素線間に形
成された燒結物を分離する目的で、熱処理後に超伝導特
性が劣化しない範囲（ひずみ量：０．１５−０．３％）
で導体ケーブル部に曲げ或いは捩れひずみを印加し、そ
の後、ひずみを０．１％以下に戻すようにすることによ
りコイルを製作するものである。
された超伝導素線を熱処理することによって素線間に形
成された燒結物を分離する目的で、熱処理後に超伝導特
性が劣化しない範囲（ひずみ量：０．１５−０．３％）
で導体ケーブル部に曲げ或いは捩れひずみを印加し、そ
の後、ひずみを０．１％以下に戻すようにすることによ
りコイルを製作するものである。
【０００８】図２に、印加するひずみ量と超伝導素線の
臨界電流値（臨界電流密度）および交流損失（素線間抵
抗）との関係を示す。印加するひずみが大きいほど素線
間の焼結物が分離されるので、交流損失低減の効果は大
きいが、ひずみが印加された状態では臨界電流特性は劣
化する。印加したひずみを戻せば臨界電流特性は回復す
るが、あるひずみ量を越えて印加した場合には、臨界電
流特性は回復するが、あるひずみ量を越えて印加した場
合には、臨界電流特性は回復せず劣化したままとなる。
臨界電流値（臨界電流密度）および交流損失（素線間抵
抗）との関係を示す。印加するひずみが大きいほど素線
間の焼結物が分離されるので、交流損失低減の効果は大
きいが、ひずみが印加された状態では臨界電流特性は劣
化する。印加したひずみを戻せば臨界電流特性は回復す
るが、あるひずみ量を越えて印加した場合には、臨界電
流特性は回復するが、あるひずみ量を越えて印加した場
合には、臨界電流特性は回復せず劣化したままとなる。
【０００９】したがって、図２に示されるように、ある
適切な印加すべきひずみ量が存在することになる。これ
らのことを考慮して、０．１５〜０．３％の範囲のひず
み量が印加し、その後０．１％以下に戻すものとする。
適切な印加すべきひずみ量が存在することになる。これ
らのことを考慮して、０．１５〜０．３％の範囲のひず
み量が印加し、その後０．１％以下に戻すものとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】一般に、ワインド・アンド・リア
クト法によるコイル製作では、超伝導導体はコイル状に
成形された状態で熱処理される。本発明は、熱処理後に
導体に０．１５〜０．３％のひずみを印加して、その
後、ひずみが０．１％以下になるよう戻し、超伝導コイ
ルを製作する方法である。
クト法によるコイル製作では、超伝導導体はコイル状に
成形された状態で熱処理される。本発明は、熱処理後に
導体に０．１５〜０．３％のひずみを印加して、その
後、ひずみが０．１％以下になるよう戻し、超伝導コイ
ルを製作する方法である。
【００１１】上記ワインド・アンド・リアクト法とは、
例えば、Ｎｂ3Ｓｎ等の超伝導線を用いた場合、Ｎｂと
Ｓｎとが反応していない状態の超伝導線を巻線してコイ
ルを形成した後、コイルの状態で反応熱処理することに
よって超伝導体を生成させる超伝導マグネットの製造方
法である。
例えば、Ｎｂ3Ｓｎ等の超伝導線を用いた場合、Ｎｂと
Ｓｎとが反応していない状態の超伝導線を巻線してコイ
ルを形成した後、コイルの状態で反応熱処理することに
よって超伝導体を生成させる超伝導マグネットの製造方
法である。
【００１２】即ち、一例を挙れば、図３に示されるよう
に、ケーブル・イン・コンジット超伝導導体をコイル状
に巻くことによりダブルパンケーキが形成される。この
ダブルパンケーキが約６５０℃で約２００時間熱処理さ
れる。熱処理後、コイルの上方パンケーキをその下方パ
ンケーキからＷの距離において一旦離すことにより、そ
の超伝導導体内の超伝導素線に０．１５〜０．３％のひ
ずみを印加する。ひずみ印加後、両コイルを、再度、元
の形状のダブルパンケーキ状に戻すことにより、印加さ
れたひずみが０．１％以下に戻される。
に、ケーブル・イン・コンジット超伝導導体をコイル状
に巻くことによりダブルパンケーキが形成される。この
ダブルパンケーキが約６５０℃で約２００時間熱処理さ
れる。熱処理後、コイルの上方パンケーキをその下方パ
ンケーキからＷの距離において一旦離すことにより、そ
の超伝導導体内の超伝導素線に０．１５〜０．３％のひ
ずみを印加する。ひずみ印加後、両コイルを、再度、元
の形状のダブルパンケーキ状に戻すことにより、印加さ
れたひずみが０．１％以下に戻される。
【００１３】上記処理を行うことにより、図４に示され
るように、超伝導導体内の超伝導素線外表面にはクロム
等のめっき処理が施されており、それが熱処理により焼
結されて素線間に焼結物として残る。この焼結物が上記
ひずみの印加により素線間から剥がされてなくなるの
で、素線間に流れる結合電流（誘導電流）を減少させる
ことができ、その結果そこに生ずる交流損失を減少させ
ることができる。
るように、超伝導導体内の超伝導素線外表面にはクロム
等のめっき処理が施されており、それが熱処理により焼
結されて素線間に焼結物として残る。この焼結物が上記
ひずみの印加により素線間から剥がされてなくなるの
で、素線間に流れる結合電流（誘導電流）を減少させる
ことができ、その結果そこに生ずる交流損失を減少させ
ることができる。
【００１４】その結果、そこに生ずる交流損失を減少さ
せることができる。また、ひずみを０．１％以下に戻す
ことによって臨界電流特性を回復することができる。
せることができる。また、ひずみを０．１％以下に戻す
ことによって臨界電流特性を回復することができる。
【００１５】
【実施例】（実施例１）以下、本発明をその一実施例を
図３に基づいて説明する。ここでは、ワインド・アンド
・リアクト法で製作した、パンケーキ巻法を用いた熱処
理後の熱処理後のダブルパンケーキの導体にひずみを印
加する方法を示す。半径Ｄ、超伝導導体撚線の外径ｄで
あるダブルパンケーキを熱処理後コイル形状にあらため
て成形する場合に、パンケーキ間に距離Ｗを設けること
によって、導体に εt＝Ｗｄ／πＤ2 （２） なるεtを印加しようとするものである。
図３に基づいて説明する。ここでは、ワインド・アンド
・リアクト法で製作した、パンケーキ巻法を用いた熱処
理後の熱処理後のダブルパンケーキの導体にひずみを印
加する方法を示す。半径Ｄ、超伝導導体撚線の外径ｄで
あるダブルパンケーキを熱処理後コイル形状にあらため
て成形する場合に、パンケーキ間に距離Ｗを設けること
によって、導体に εt＝Ｗｄ／πＤ2 （２） なるεtを印加しようとするものである。
【００１６】パンケーキ巻法ではなく、ソレノイド巻法
（導線を同一軸に沿って均一に何回も細長く巻いてコイ
ルを作製する）によるコイル製作においても、同様に導
体間に距離を設けることによって、導体にひずみを印加
することが容易に理解される。
（導線を同一軸に沿って均一に何回も細長く巻いてコイ
ルを作製する）によるコイル製作においても、同様に導
体間に距離を設けることによって、導体にひずみを印加
することが容易に理解される。
【００１７】（実施例２）クロムめっきを施したケーブ
ル・イン・コンジット型のニオブ・スズ（Ｎｂ3ＳＮ）
導体において、熱処理後に０．１〜０．３％のひずみを
印加する実験を行っており、その結果を図５に示す。図
中の結合時定数ｎτは、交流損失Ｑｃの大きさの指標で
あり、Ｑｃに比例した量である。すなわち Ｑｃ∝ｎτ （３） ｎτ∝１／ρ（ρは素線間抵抗） （４） 図５は、熱処理後のクロムめっきされたニオブ・スズ導
体に印加されるひずみによる交流損失の低減効果を示し
ている。０．１５〜０．３％のひずみを印加することに
よって、十分な交流損失の低減効果が得られることがわ
かる。
ル・イン・コンジット型のニオブ・スズ（Ｎｂ3ＳＮ）
導体において、熱処理後に０．１〜０．３％のひずみを
印加する実験を行っており、その結果を図５に示す。図
中の結合時定数ｎτは、交流損失Ｑｃの大きさの指標で
あり、Ｑｃに比例した量である。すなわち Ｑｃ∝ｎτ （３） ｎτ∝１／ρ（ρは素線間抵抗） （４） 図５は、熱処理後のクロムめっきされたニオブ・スズ導
体に印加されるひずみによる交流損失の低減効果を示し
ている。０．１５〜０．３％のひずみを印加することに
よって、十分な交流損失の低減効果が得られることがわ
かる。
【００１８】
【発明の効果】熱処理後、導体にひずみを印加し、クロ
ムめっきによって熱処理時に焼結した素線を分離するこ
とによって素線間抵抗を増大させ、結合電流を低減し、
その結果、交流損失を低減することができる。
ムめっきによって熱処理時に焼結した素線を分離するこ
とによって素線間抵抗を増大させ、結合電流を低減し、
その結果、交流損失を低減することができる。
【００１９】即ち、本発明により、クロムめっきを施し
たニオブ・スズ超伝導素線から成る超伝導導体に０．１
５〜０．３％の曲げ歪みを加えることで素線間結合損失
を低減でき、又超伝導コイルの作製時に熱処理済導体に
曲げ歪みを加えることで初期通電時から素線間結合損失
を低減することができる、という本発明に特有な顕著な
効果が生ずる。
たニオブ・スズ超伝導素線から成る超伝導導体に０．１
５〜０．３％の曲げ歪みを加えることで素線間結合損失
を低減でき、又超伝導コイルの作製時に熱処理済導体に
曲げ歪みを加えることで初期通電時から素線間結合損失
を低減することができる、という本発明に特有な顕著な
効果が生ずる。
【図１】 ケーブル・イン・コンジット型超伝導導体の
構造の一例を示す図である。
構造の一例を示す図である。
【図２】 印加するひずみ量と素線の臨界電流密度、交
流損失の関係を示すづである。
流損失の関係を示すづである。
【図３】 ダブルパンケーブル巻におけるひずみの印加
方法の一例を示す図である。
方法の一例を示す図である。
【図４】 ひずみの印加により素線間から焼結物が剥が
れることを示す図である。
れることを示す図である。
【図５】 熱処理後のクロムめっきされたＮｂ3ＳＮ導
体に印加されるひずみによる交流損失の低減効果を示す
図である。
体に印加されるひずみによる交流損失の低減効果を示す
図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 土屋 勝彦
茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１
日本原子力研究所那珂研究所内
(72)発明者 松井 邦浩
茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１
日本原子力研究所那珂研究所内
(72)発明者 安藤 俊就
茨城県ひたちなか市東石川1181の57
Ｆターム(参考） 5G321 AA99 BA01 CA09 CA44 CA48
CA55
Claims (2)
- 【請求項１】 クロム被覆した化合物超伝導素線からな
るケーブル・イン・コンジット型超伝導導体において、
ワインド・アンド・リアクト法によるコイル製作を行う
場合に、化合物生成のための熱処理後の導体ケーブル部
に、曲げ又は捩れひずみを０．１５〜０．３％印加する
ころによって、熱処理時にクロム被覆が燒結した素線を
分離し、その後、曲げ又は捩れひずみを０．１％以下に
戻すことにより、臨界電流特性を回復させることを特徴
とする超伝導コイルの交流損失を低減する方法。 - 【請求項２】 化合物生成のための熱処理後のダブルパ
ンケーキ巻方式で製作される超伝導コイルに捩れひずみ
を印加することを特徴とする請求項１記載の方法。
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