JP2006318979A

JP2006318979A - 超伝導コイルの加熱処理装置および加熱処理方法

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Publication number: JP2006318979A
Application number: JP2005137470A
Authority: JP
Inventors: Masanao Shibui; 正直澁井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2006-11-24
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: JP4664731B2

Abstract

【課題】巻線形態により従来の加熱処理体系では加熱処理できない超伝導コイル、あるいは従来の直接通電方式では加熱処理できない安定化材で複合化された超伝導コイル形態にも適用できる超伝導コイルの加熱処理装置および加熱処理方法を提供する。
【解決手段】超伝導素材金属を特定の温度で特定の時間加熱して前記素材金属に付着した潤滑材を除去するための環境温度を作り出す環境温度加熱構造体と、前記環境温度加熱構造体の内部に設けられ、鋼製コンジット内に収納され、巻線ユニット間導体接続部で分割された前記超伝導素材金属を収納する熱遮蔽構造体と、前記超伝導素材金属および前記鋼製コンジットに前記巻線ユニット間導体接続部から通電を行い、前記超伝導素材金属を前記環境温度以上の超伝導体を創生するのに必要な温度範囲で加熱する電源とから構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばNb₃SnやNb₃Al超伝導体のように加熱処理によって超伝導体を創生する超伝導コイルの加熱処理装置および加熱処理方法に関し、特にバンドル型超伝導体をコイル状に形成し、線材に付着した潤滑材（油）の飛ばしの工程を有する超伝導コイルの加熱処理装置および加熱処理方法に関する。

近年、核融合動力炉などのように強磁場発生可能な超伝導線材を用いた大型の超伝導コイルが適用されるようになってきた。

中でも、特に強磁場を発生させるNb₃SnやNb₃Alなどの超伝導線材は特定の温度に一定時間保持して加熱処理を施すことによって線材内に超伝導層を形成し、初めて超伝導線材あるいは超伝導コイルとして完成する。
バンドル型の超伝導コイルの加熱処理は従来一般に次のような工程で行われる。

（１）バンドルの撚り線作業を行い、撚り線をコンジット内へ収納する作業の過程において線材を５００℃で２０時間加熱して、線材に付着した潤滑材（油）を蒸発させる飛ばし工程を行う。
（２）その後、決められた昇温速度で昇温させ、６５０℃で２００時間、７５０℃で５０時間の加熱処理を施し、超伝導層を形成する。

ここで上記ステップ（１）の潤滑材（油）の飛ばし工程は油を電気抵抗の小さな炭にしないために重要な作業である。

一方、従来超伝導コイルの加熱処理において、良い超伝導特性を得るためには超伝導コイルの全領域に渡って温度の均一性を確保することが最も重要である。
また、加熱処理時、超伝導線材が例えば酸化し、不純物元素が混入し、あるいは腐食することは絶対に許されない。

従来、大型の超伝導コイルの加熱処理では次の２種類の加熱処理方法が採用されてきた。
（１）ガス輻射による加熱
大型のガス輻射熱処理炉に超伝導コイル全体を入れて加熱処理する。ガス輻射熱処理炉を用いた超伝導コイルの典型的な加熱処理体系を図４に示す。

図４において、ガス輻射熱処理炉３は、都市ガスなどを燃焼させて燃焼生成物であるＨ_２０、ＣＯ_２、ＣＯなどの腐食性燃焼生成ガスを発生さて、この腐食性燃焼生成ガスからのガス輻射によって加熱する。

この際、超伝導コイル１を腐食性燃焼生成ガスから隔離するためにガス輻射熱処理炉３内において、超伝導コイル１を内、外の間接加熱容器２で形成された空間４に収納してガス輻射熱処理炉３によって加熱処理する。

この場合、間接加熱容器２は超伝導コイル１の全体を囲むように構成され、その間接加熱容器２で形成された内側空間４には熱通過率を改善するためにＡｒガスのような不活性ガスが満たされている。

この加熱処理方法において、熱の流れは次の通りである。即ち、間接加熱容器２はガス輻射によって加熱され、超伝導コイル１は、間接加熱容器２からの固体輻射、あるいは不活性ガスを介した熱伝達により加熱される。

この加熱処理方法では、ガス輻射で間接加熱容器２を加熱するものであるからガス輻射加熱に必要なガスの厚さを確保するためにはガス輻射熱処理炉３と間接加熱容器２の間隔を十分広くとることが必要であり、ガス輻射熱処理炉１全体が大型化する（例えば、特許文献１参照）。

（２）固体輻射による加熱
ヒータを用いた大型の輻射真空熱処理炉に超伝導コイル全体を入れ、ヒータに通電することにより発生する熱で加熱処理する。

この場合、温度によって変化する輻射率を超伝導コイル全域に渡って制御する必要があるが、炉内環境が真空にされているため燃焼ガスによる腐食の問題はなく、間接加熱容器は不必要となるため、輻射真空熱処理炉としては比較的小型化できる。

しかし、ヒータは、超伝導コイルの加熱と加熱処理炉からの熱損失の両方を賄うものであるから、大型の超伝導コイルへ適用するためには膨大なヒータ容量が必要になる。
これら２種類の加熱手段の特徴は、加熱源に面した超伝導コイルの表面のみが加熱されることである。

したがって、このような加熱処理方法は、超伝導コイルの少なくとも１面が加熱源に直接面することが可能なコイル巻線形態、例えば巻線形態で言えば、パンケーキ巻きコイルにおいては２層からなるダブルパンケーキ、あるいはソレノイド巻きコイルにおいては２層コイルに限られる（例えば、特許文献２参照）。

このように、従来の加熱処理方法では超伝導コイル全体を熱処理炉内に入れて熱処理するため、大規模な熱処理設備が必要であった。

一方、Nb₃Al超伝導体において、一本の線材を連続的に送り出す製造ラインを作り、この製造ラインのある特定のライン領域で区分的に線材に直接通電加熱して超伝導体を加熱処理する区分的通電加熱方法が提案されている。
しかし、その目的は超伝導特性を高めるための急加熱・急冷却である。

大型・大電流の超伝導コイルでは、熱的に安定な超伝導体特性を得るために熱伝導率が小さい超伝導と熱伝導に優れた銅やアルミ等の材料とを二重円筒状に押出し加工して複合化することは必須である。

ところが、電気伝導度が小さい銅等の安定化材は通電加熱によるジュール損失が小さいため、これまでの直接通電方式による超伝導体創生のための熱処理は、安定化材で複合化されていない直線状の超伝導単線の連続熱処理に限られていた。

したがって、従来の直接通電による熱処理方法を採用した場合には、安定化材は熱処理の後で、例えばメッキ等の手段で施されていた。

したがって、当然ながら従来の区分的通電加熱方法は、バンドル型超伝導導体を巻回して構成される超伝導コイルの熱処理に適用することは不可能であった。
特開平１１−２６０６２６号公報特開昭６２−１３９２１５号公報

ある形状の超伝導コイルを作るためには当然ながら超伝導導体を巻線形態に加工することが必須である。
巻線形態には大きく分けてソレノイド巻きとパンケーキ巻きとがある。
超伝導コイルはこのような巻線形態を複数個の巻線ユニットに分割し、この巻線ユニットを複数層積層して構成される。

この場合、積層後に巻線ユニット間を電気的に接続する必要がある。巻線ユニット間の電気的接続は拡散接合やはんだ付け等の手段で実施されるが、この電気的接続部は超伝導コイル一般部に比べてジュール損失や交流損失が大きく、しかも機械的に弱い。

更に、接続作業に多大な時間を要する。このため、大型で大電流の超伝導コイルでは電気的接続個所が少ない巻線形態、即ちパンケーキコイルでは４層からなるクォードパンケーキ巻きや６層からなるヘキサパンケーキ巻き、また、ソレノイド巻きにおいては多層ソレノイド巻きへの適用が提案されている。

ところが、このような巻線形態であると、外部加熱源に全く面しない導体領域ができるため、少なくとも導体の一面が加熱源に直接面することが必須な従来の外部熱源による加熱処理では超伝導コイルの全領域に渡って均一な加熱を行うことは不可能であった。

また、前記した直接通電の手段による超伝導体創生のための熱処理方法は、安定化材で複合化されていない直線状の一本の線材への適用に限られるので、安定化材で複合化され、しかも巻線形態に加工された複数の超伝導線材からなるコイル状の形態に適用することは極めて困難であった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、巻線形態により従来の加熱処理体系では加熱処理できない超伝導コイル、あるいは従来の直接通電方式では加熱処理できない安定化材で複合化された超伝導コイル形態にも適用できる超伝導コイルの加熱処理装置および加熱処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る超伝導コイルの加熱処理装置は、超伝導素材金属を特定の温度で特定の時間加熱して素材金属に付着した潤滑材を除去するための環境温度を作り出す環境温度加熱構造体と、前記環境温度加熱構造体の内部に設けられ、鋼製コンジット内に収納され、巻線ユニット間導体接続部で分割された前記超伝導素材金属を収納する熱遮蔽構造体と、前記超伝導素材金属および鋼製コンジットに巻線ユニット間導体接続部から通電を行い、超伝導素材金属を前記環境温度以上の超伝導体を創生するのに必要な温度範囲で加熱する電源とから成ることを特徴とする。

また、本発明に係る超伝導コイルの加熱処理方法は、超伝導素材金属を複数本撚り合わせて構成された撚り線を鋼製コンジット内に収納してなるバンドル型超伝導コイルを複数個の巻線ユニットに分割し、この巻線ユニットを所定の温度で所定の時間加熱して素材金属に付着した潤滑材を除去する工程と、前記鋼製コンジット内に不活性ガスを通しながら前記撚り線と鋼製コンジットに通電加熱し超伝導体を創生する工程と、前記超伝導体が創生された複数の巻線ユニット間を電気的に接続する工程とから成ることを特徴とする。

本発明によれば、従来の加熱処理体系では加熱処理できない超伝導コイル、あるいは従来の直接通電方式では熱処理できない安定化材で複合化された超伝導コイル形態にも加熱処理を適用することができる

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態を示す部分断面図で、図２は図1をII-II線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図である。

図１、図２において、１０は超伝導コイルを加熱処理する時の加熱容器も兼ねた熱処理構造体で、外側の環境温度加熱構造体１１と、内側の熱遮蔽構造体１２と、環境温度加熱構造体１１の外周に巻回され、環境温度加熱構造体１１を加熱するためのヒータ１３と、更にヒータ１３の外側に配置され、環境温度加熱構造体１１からの熱損失を低減するための保温材１４とから構成されている。

１５は４パンケーキ巻きからなるＤ型形状のバンドル型超伝導コイルで、Nb₃SnやNb₃Alなどの超伝導素材金属で製造されており、前記熱遮蔽構造体１２の内側に収納されている。
１６は超伝導コイル１５の口出し部、１７は超伝導コイル１５を熱遮蔽構造体１２内に支持固定する支持台である。

１８は環境温度加熱構造体１１と熱遮蔽構造体１２との間の第一の空間、１９は熱遮蔽構造体１１と超伝導コイル１５との間の第二の空間であり、これら第一および第二の空間１８，１９は、超伝導コイル１５の加熱処理中は真空排気される。

環境温度加熱構造体１１と熱遮蔽構造体１２とはバンドル型超伝導コイル１５のＤ型形状に概略合わせてユニット化されており、更に環境温度加熱構造体１１と熱遮蔽構造体１２とは超伝導コイル１５の導体軸方向にもユニット化されている。

各ユニットは上下に２分割構造であり、バンドル型超伝導コイル１５を収納した後で２分割部はリップ溶接される。
通常、大型の超伝導コイルは、分割して製作される。この場合、導体は分割された巻線ユニット間で電気的に接続される。
この巻線ユニット間導体接続構造は、熱処理に先立って概略構成されるので、本発明ではこの巻線ユニット間導体接続構造を利用して超伝導コイルを通電加熱する。

図３は、超伝導コイル１５の口出し部１６に設けられた電流導入部の拡大図である。図３において、２０は鋼製コンジット、２１は前記鋼製コンジット２０内に収納された撚り線、２２は撚り線２１端部の裸部に被せられた銅製スリーブ、２３は半割円筒形を重ね合わせた電気コネクタ、２４は前記半割円筒形の電気コネクタ２３を締結し、銅製スリーブ２２を介して電気コネクタ２３と撚り線２１とを適度な圧力をもって電気的に接続する締結ボルト、２５は前記電気コネクタ２３、鋼製スリーブ２２を介して撚り線２１や鋼製コンジット２０に電流を流すための電源である。

本実施の形態において、超伝導コイル１５の加熱処理は、鋼製コンジット２０の内部にＡｒガス等の不活性ガスを通し、かつ、第一の空間１８と第二の空間１９を真空排気して実施する。

この場合、潤滑材が蒸発する飛ばし温度である５００℃までは、環境温度加熱構造体１２においてはヒータ１３に通電を行うと共に超伝導コイル１５の撚り線２１にも通電して熱処理系全体を加熱し、５００℃にある一定時間保持して潤滑材飛ばし工程を行う。

つぎに、潤滑材飛ばし工程が終了した後の超伝導体を創生するための加熱処理工程では、環境温度加熱構造体１２の温度は５００℃、即ち、超伝導体の創生に必要な温度（例えばNb₃Alにおいては７５０℃）よりも低い温度に保持した状態で、主に撚り線２１等の超伝導素材金属に、銅製スリーブ２２や電気コネクタ２３を介して外部の電源から電流を流し、その電流の値を増やして超伝導導体を加熱処理温度まで昇温し、加熱処理温度に到達した後は一定時間温度保持する。
このような超伝導コイル１５の温度制御は、超伝導素材金属の電気抵抗の温度依存性を利用して行う。

通常、巻線ユニット間導体接続構造は、撚り線２１を銅製スリーブ２２に収納し、これら全体を縮径して構成されるが、本発明では、この巻線ユニット間導体接続構造を利用して、これに電気コネクタ２３を直接設置して撚り線２１に通電し、鋼製コンジット２０には通電のためのターミナルは設けない。

以上述べたように、本実施の形態では、撚り線等の超伝導素材金属に直接通電加熱して超伝導コイルを加熱処理する方式なので、超伝導導体の少なくとも一面が加熱源に直接面することができない巻線形態のコイル、例えば、パンケーキ巻きコイルにおいては４パンケーキ巻きコイルや６パンケーキ巻きコイル、ソレノイド巻きコイルにおいては３層以上の多層巻きコイルを均一に、しかも効率よく加熱処理することができる。

また、超伝導コイル１５の外周側には熱遮蔽構造体１２を設け、超伝導素材金属から環境温度に放出される熱損失を制限しているので、超伝導素材金属に流す加熱のための電流を十分低減させることができる。

環境温度加熱構造体１１は、単に環境温度を作るための構造体であり、しかも超伝導素材金属の熱処理温度よりもかなり低い供用温度に設定できるため、保温材で熱損失を十分低減でき、したがって環境温度加熱構造体１１には通常の熱処理炉で用いられているような特別な炉壁を省略することができる。

更に、本発明による直接通電加熱による超伝導コイルの加熱処理では、環境温度加熱構造体１１と熱遮蔽構造体１２はＤ型形状の超伝導コイルの形状に概略合わせ、かつ導体軸方向にユニット化して構成することができるので、加熱処理設備規模をかなり縮小することができる。

加熱処理のための温度制御は、撚り線等超伝導導体構成要素の電気抵抗の温度依存性を利用して行うので、熱電対等の設置を省略することができる。

また、本発明では、巻線ユニット間導体接続構造を利用して通電加熱を行うため、通電のための専用のターミナルを構成する必要はなく、簡単な電気コネクタを設置するだけで通電加熱を行うことができる。

本発明の実施形態の一例を示す部分断面図。図１をII−II線に沿って切断し矢印方向に見た断面図。電流導入部の構造を拡大して示す断面図。従来のガス輻射熱処理炉を用いた超伝導コイルの熱処理体系を示す断面図。

符号の説明

１０…熱処理構造体、１１…環境温度加熱構造体、１２…熱遮蔽構造体、１３…ヒータ、１４…保温材、１５…超伝導コイル、１６…口出し部、１７…支持台、１８…第一の空間、１９…第二の空間、２０…鋼製コンジット、２１…撚り線、２２…銅製スリーブ、２３…電気コネクタ、２４…締結ボルト、２５…電源。

Claims

超伝導素材金属を特定の温度で特定の時間加熱して前記素材金属に付着した潤滑材を除去するための環境温度を作り出す環境温度加熱構造体と、前記環境温度加熱構造体の内部に設けられ、鋼製コンジット内に収納され、巻線ユニット間導体接続部で分割された前記超伝導素材金属を収納する熱遮蔽構造体と、前記超伝導素材金属および前記鋼製コンジットに前記巻線ユニット間導体接続部から通電を行い、前記超伝導素材金属を前記環境温度以上の超伝導体を創生するのに必要な温度範囲で加熱する電源とから成ることを特徴とする超伝導コイルの加熱処理装置。
前記環境温度加熱構造体と前記熱遮蔽構造体が前記超伝導コイルの形状に概略合わせ、かつ、前記超伝導コイルの導体軸方向にユニット化したことを特徴とする請求項１記載の超伝導コイルの加熱処理装置。
前記超伝導素材金属の熱処理のための通電は、前記撚り線に対しては前記コイル間導体接続部を利用して行い、前記鋼製コンジットに対しては前記撚り線との抵抗比で分流させて行うことを特徴とする請求項１記載の超伝導コイルの加熱処理装置。
超伝導素材金属を複数本撚り合わせて構成された撚り線を鋼製コンジット内に収納してなるバンドル型超伝導コイルを複数個の巻線ユニットに分割し、この巻線ユニットを特定の温度で特定の時間加熱して前記素材金属に付着した潤滑材を除去する工程と、前記鋼製コンジット内に不活性ガスを通しながら前記撚り線と前記鋼製コンジットに通電加熱し超伝導体を創生する工程と、前記超伝導体が創生された複数の巻線ユニット間を電気的に接続する工程とから成ることを特徴とする超伝導コイルの加熱処理方法。
環境温度を作るための前記環境温度加熱構造体は、前記超伝導体を創生するために必要な熱処理温度よりも低い温度に設定したことを特徴とする請求項４記載の超伝導コイルの加熱処理方法。
前記超伝導素材金属の電気抵抗の温度依存性を利用して前記超伝導コイルの熱処理中の温度制御を行うことを特徴とする請求項４記載の超伝導コイルの加熱処理方法。