JP2008506221A - 超電導ケーブル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、超電導中空ケーブル及びその製造方法に関する。超電導中空ケーブル（１）は、円形の内側断面と円筒形の内壁（３）を有する外管（２）を持つ。更に、超電導中空ケーブル（１）は、外管（２）の内側断面よりは小さい多角形又は円形の断面の中央冷却路（４）を持つ。外管（２）と冷却路（４）の間には、成形された超電導線（５）が配置される。成形された超電導線（５）は、ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石に相当する断面形状を持つ。この目的のため、断面形状は、曲率を持つ少なくとも一の外側領域（７）と内側領域（８）を持ち、曲率を持つ外側領域（７）は外管（２）の内径に合わせられ、内側領域（８）は冷却路（４）に合わせられる。側辺（１２、１３）も、冷却路（４）の中心点（１１）に向けて直線的に、又はその直線性由来のオフセットによって、成形することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、円形の内側断面と、従って、円筒形の内壁を有する外管を持つ超電導中空ケーブルに関する。更に、超電導中空ケーブルは、外管の内側断面より小さい円形断面の、中央冷却路を持つ。外管の内壁と冷却路の間には、成形された超電導線が配置される。この様な成形された超電導線は、少なくとも一の超電導体（超電導フィラメント）を含み、かつ、ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の形状の断面を持つ。

かなめ石の形状の断面を持つ成形された超電導ケーブルは、米国特許第６，６７５，６２３号により既知である。更なる従来技術は米国特許公開公報第２００３／００２４７３０号である。既知のかなめ石形状の超電導ケーブルは、互いに撚り合わされた、丸い断面の超電導線から成り、かつ、撚り合わされた後、成形ローラーを用いて、台形にされる。

丸い（標準的な変形、図１６）、又は成形された（改良されたヌクロトロン（Nuclotron）ケーブル、図１７）超電導線を持つヌクロトロン型の超電導中空ケーブルの構造は、「高速傾斜シンクロトロン磁石用の新規な中空高電流ＮｂＴｉケーブルの設計と試験（Design and test of new hollow high current NbTi cable for fast ramped synchrotron magnets）」Ｐｒｏｃ．ＥＵＣＡＳ ２００３、Ｓｏｒｒｅｎｔｏ、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００３、Ｈ．Ｋｈｏｄｚｈｉｂａｇｉｙａｎ等から既知である。既知の中空ケーブルの場合、先ず、ＣｕＮｉの小型の金属製内管を提供することにより、冷却路を形成する。縦方向に形作られ、かつかなめ石形状の断面を持つ超電導線は、内管の外壁上に設置されるか巻き付けられる。小型の内管上に超電導線を固定するために、超電導線の外側の周りに、半径方向に、又は螺旋状の配置で、ＮｉＣｒ線が巻き付けられる。ＮｉＣｒ線を覆って巻き付けられるカプトン（Kapton）テープは、保護用の外側ジャケットを形成する。外側ジャケットの周りに巻き付けられる繊維ガラステープは、超電導中空ケーブルが電気的に絶縁されることを確実にする。

この様な構造の超電導中空ケーブルは、とりわけ、高速パルス化磁石及び高磁場におけるローレンツ力の結果生じる高い動荷重を補償することができるという、利点を持つ。渦電流、ヒステリシスサイクル、機械的応力場、及び他の外部の影響（例えば、イオンビーム）によるそれらの脈動性の場により引き起こされる熱源は、連続運転において、小型の内管のお蔭で、内部の冷却路により、非常に効率的に冷却できる。小型の内管の比較的大きな断面は、滑らかな表面を持ち、低い摩擦抵抗を伴う冷媒の高いスループットと、それによる、二相のヘリウム流における少ない圧力低下を可能にする。更に、全ての超電導線は絶対的に対称的に配置され、従って、同じ運転条件下で、結果的に、電磁荷重の増大に伴うケーブルの臨界電流の劣化が、非常に大きな程度に回避される。

超電導線のこの配置は、更に、低いケーブル誘導性と、従って（とりわけ）、蓄積されるエネルギーの減少をももたらす。

一般的に、製造されるコイルシステムが、極端に高速のパルス化の形態で運転されることを意図されるのではなく、むしろ、持続時間が短い高加熱パルスの形で配送されるべき、大量の誘導エネルギーを蓄える必要のある時は、他のケーブルタイプが好ましい。その場合、連続的な高い冷却性能は二次的であるが、一方、超電導線を冷却しているヘリウムの熱容量への、ミリ秒の範囲で、可能な限り速い熱移動が第一に追求される。この職務のために、図１４に示した既知のＣＩＣＣ型中空ケーブルが開発された。

しかしながら、これらのケーブルも、ますます、実用における機械的及び熱的荷重の増大を克服する必要があり、それらの更なる開発は、添加の構成要素により、外部冷却回路中における超臨界ヘリウムと、中央冷却路における二相のヘリウムとを有する、２つの基本的に異なる冷却回路による複雑な冷却を行う、ＣＩＣＣ型の高電流ケーブルに帰着した。

この複雑な構造は、技術的な、それ故、コストに影響する不利な点を持つだけではなく、中空ケーブルの平均電流密度の減少も、自動的に引き起こす。本従来技術に対応するこの種のケーブルは図１５に示され、ポロ（POLO）ケーブルとして知られる（例えば、「ＣＨＡＴＳ」、ＦｚＫ、Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００２、Ｌ． Ｂｏｔｔｕｒａ等参照）。これは、以下に説明する本発明の出発点を表している。
米国特許第６，６７５，６２３Ｂ２号 米国特許公開公報第２００３／００２４７３０号 「高速傾斜シンクロトロン磁石用の新規な中空高電流ＮｂＴｉケーブルの設計と試験（Design and test of new hollow high current NbTi cable for fast ramped synchrotron magnets）」Ｐｒｏｃ．ＥＵＣＡＳ ２００３、Ｓｏｒｒｅｎｔｏ、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００３、Ｈ．Ｋｈｏｄｚｈｉｂａｇｉｙａｎ等 「ＣＨＡＴＳ」、ＦｚＫ、Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００２、Ｌ． Ｂｏｔｔｕｒａ等

本発明の課題は、従来技術における不利な点を克服すること、及び、超電導構成部品の強力な冷却を可能にし、更には、その中空ケーブルに対して小型で機械的に安定な構造を有するＣＩＣＣ型の中空ケーブルに対して高い電流密度が得られるようにする、超電導中空ケーブルを提供することである。如何にして、ヌクロトロン型のケーブルに対する、ＣＩＣＣケーブルの不利な点を、非常に大きな範囲まで克服することができるか、及び、如何にして、新しい超電導中空ケーブルにおいて、可能な限り、両方の中空ケーブル型の利点が存在できるか、に関して解が提供されるであろう。

この課題は、独立請求項の主題により解決される。有利な展開は、従属請求項から生じ得る。

本発明に対応して、円形の内側断面と円筒形の内壁を有する外管を持つ中空ケーブルが提供される。この超電導中空ケーブルの中央には、外管の内側断面より小さい多角形又は円形の断面の、中央冷却路が配置される。内壁と冷却路の間には、成形された超電導線が配置される。これらの成形された超電導線は、少なくとも一の超電導フィラメントを持つ（通常、Ｃｕマトリクス形状）。更に、超電導線は、かなめ石の断面形状を持つ。

成形された超電導線の断面形状は、外管の円形の内側断面に適合する曲率の外側領域を持つ。更に、成形された超電導線の断面は、今度は、冷却路の円形の断面に適合する曲率の内側領域を持つ。最後に、断面形状は、冷却路の中心点に向けて成形された側辺を持つ。従って、成形された超電導線は、外管の内壁上に配置され、その内側領域は超電導中空ケーブルの冷却路を形成する。

要約すると、超電導ケーブルは３つの主な要素を持ち、これらは以下の利点を持つ。第一に、超電導フィラメントが最小化され、この結果として、マイスナー効果及び交流損失が最小化される。第二に、可能な限りの数のフィラメントが、フィラメントを機械的に安定化させ、かつ高度の熱伝導を確実にする、金属製マトリクス中に埋め込まれる。第三に、超電導ケーブル中で多数の超電導線が一体化され、及び機械的に安定化され、並びに冷媒との接触がもたらされる。本発明に係る超電導線は、抵抗障壁によって互いに電気的に絶縁されており、実際のコイル要素を生産するための基礎材料を形成する。線は互いに融着していないので、コイル及び／又はケーブルは大きな可撓性を有する。

本発明に係るこの様な超電導中空ケーブルは、とりわけ、以下の利点を持つ。
成形された超電導線は、従来技術から既知の内管は無しで、形状に基づく、及び力に基づく噛み合いにより、自身を適所に維持できる様に、並びにそれらが円筒形の本体をもたらして、その中の空間が冷却路を形成する様に、互いに堅く配置され、かつ外管の内壁に合わせられている。これは、超電導線を適所に機械的に固定するために、最早、内側の構造要素を必要としないと言うべきである。構成部品を省くことによる材料の節約に加え、この超電導中空ケーブルは、冷却路断面がより大きいので冷媒の流れに対する抵抗が減少するという更なる利点を持つ。この結果、より大きな効果が達成される。あるいは、追加の自由体積はより大きな超電導線のために、ひいては、より高い平均電流密度のためにも利用できる。最後に、冷媒又は冷却路は、成形された超電導線に直接接触している。この接触は上述のＣＩＣＣケーブルでも存在するにしても、その中の冷却撚り構造中の流れに対する抵抗は相当なものであり、かつ、少量の超臨界ヘリウムの熱容量は限られており、本発明に係る中空ケーブルで達成できる冷却効果は、全ての時間間隔（短い熱パルス及び連続荷重）において、遙かに大きい。全ての超電導線の対称的な配置は、上でヌクロトロンケーブルに関して説明した通り、熱パルスに対して、ケーブル全体として更なる安定性を持つことを確実にする。冷却技術の観点から、出発点と比較して、今や劇的に単純化された冷却は、決定的な利点を構成する。何故なら、これは、２つの冷却回路、そして実際に２つの質的に異なる冷却回路が、最早必要でないこと、及び全ての時間尺度（パルス運転から定常的な連続運転まで）において、冷却性能が桁の大きさで改良されることを意味する。

成形された超電導線は、それらの曲率を持つ外側領域により、及びそれらの互いに隣接する半径方向の側辺により、超電導中空ケーブルの外管の内壁上に非常に堅く配置されているので、超電導中空ケーブルの全ての運転温度において、曲率を持つ内側領域を有する中央冷却路を維持する。この様な超電導中空ケーブルは、運転中に、室温から数度Ｋ（ケルビン）の極端な温度変化を受けるので、かなめ石形状に成形された超電導線の堅い構造は、異なる運転温度にも拘わらず、中央冷却路が維持されることを意味する。この目的のために、超電導中空ケーブルの全ての運転温度において、運転中に、成形された超電導体の間に形成される可能性がある隙間の合計幅は、個々の成形された曲率を持つ超電導体の外側領域及び内側領域の間の差長ｌより小さい。この流れにおいて、

(数１)ｌ＝２（ｒ_ａ−ｒ_ｉ）／ｎ

ｎは外管の内壁上に分布した、成形された超電導体の数であり、ｒａは外管の内径であり、及びｒ_ｉは流路の内径である。成形された超電導体の、外側の曲率半径の長さｌ_ａｋは

(数２)ｌ_ａｋ＝２ｒ_ａ／ｎ

であり、曲率を持つ内側領域の長さｌ_ｉｋは

(数３)ｌ_ｉｋ＝２ｒ_ｉ

なので、超電導中空ケーブルの全ての運転温度において、以下の条件が満足されなければならない：

(数４)ｎ・ｓ＜ｌ または ｎ・ｓ＜ｌ_ａｋ−ｌ_ｉｋ
従って、この条件は、中央冷却路が維持される様に

(数５)ｓ＜２（ｒ_ａ−ｒ_ｉ）／ｎ^２

を満たすべきである。従って、成形された超電導線の数は製作公差に依存し、そして、必要に応じ、大きい公差の場合に、もたらされる間隙幅ｓが許容され得る様に、可能な限り小さく保たれなければならない。一般的に、渦電流の影響を減らすため、成形された超電導線の断面の２つの主な寸法は、互いにあまり大きく異なるべきではない。機械的応力及び変形場に起因する、同様に望ましくない熱の産生は、形状に基づき適切に付勢された噛み合いを伴う製作により、最小化できる。

本発明の更なる態様において、成形された超電導線は、互いに噛み合う成形された側辺を持つ。上記の観察は、成形された超電導体の断面の直線的な側辺を持つ成形された超電導体から、中央冷却路が形成されることを提供し、また推測させるが、これらの側辺は中空ケーブルの中心方向を指し、側辺もまた形作られ、かつ中心点に直線で延びてはいない、本発明のこの更なる態様により、特に、全間隙幅ｓの合計ｓ?ｎに対する長さｌの上記の差に加えて、成形された側辺に起因するオフセットも働き始めるとき、中央冷却路を維持するための安全域が増える更なる可能性が提供される。許容できる間隙幅ｓに対する条件として、大きさがｖの、このオフセットは、値

(数６)ｓ＜（ｌ＋ｖ）／ｎ

をもたらす。

添付の図２及び４は、成形された側辺と、それぞれ大きさｖのオフセットを持つ成形された超電導体の、２つの態様を示す。

本発明の更なる態様において、外管は、２層である。第一の層は、超電導の成形された線の束の周りに螺旋状に巻き付けられた一以上の張力線を含む。第二の層は、電気的絶縁性で密封性の外層を含む。この張力線の解は、任意の所望長の超電導中空ケーブルを連続的に生産できるという利点を持つ。

本発明の更なる態様において、成形された超電導線は、撚られた、あるいは捻られた超電導フィラメントを含む。この様な成形された超電導線の態様の例は、更なる図６、７及び８に示され、後で説明する。超電導フィラメントには、超電導線を成形しやすい様に、延性のある金属製コアと、延性のある金属製ジャケットが備えられている。この目的のために、成形された超電導線は、金属製のマトリクス（通常、Ｃｕの金属製のコア又は中心を持つ）と、渦電流を減らすために、随意に、例えばＣｕＮｉ合金の、追加の高抵抗中間層を含む。超電導フィラメントは、例えば、ＮｂＴｉ線から成り、これは、互いに捻られるか、又は撚られている。ジャケットも同様に、好ましくはＣｕＮｉ合金を含む。

本発明の更なる態様において、成形された超電導線は、セラミック又は高温超電導体である。この様なＨＴＳＣは、それらの臨界温度が金属製超電導体より実質的に高い利点を持つ。臨界温度は、金属製超電導体の場合２０Ｋより低い。ＨＴＳＣについては、臨界温度が８０Ｋを超える場合があり、これは、実質的により安価な冷媒を使用できる、又はより低い温度でより高い磁場を達成できるという利点を伴う。ＨＴＳＣの、成形された超電導線への加工がより困難であるとしても、それにも拘わらず、Ｙ_３Ｏ_３、ＢａＣＯ_３及びＣｕＯと酸化銀、酸化白金、又は酸化セリウムとの混合物に基づく、所謂ＹＢＣＯ系セラミック超電導体は、適切な溶融と焼鈍工程により、確かに、成形された超電導線へと加工できることが予見される。酸化ビスマス、酸化ストロンチウム、酸化カルシウム、及び酸化銅から成る、並びに酸化鉛の追加物を含んでもよい、所謂ＢＳＣＣＯ超電導体ですら、９０％までの超電導の斜方晶系材料を含み、これは成形された超電導線へと加工できる。

超電導中空ケーブルの外管は、ＣｕＮｉ合金、ステンレススチール、ＧＦＲＰ又は有機材料の様な、金属又は非金属の材料で造られ、円形、四角、又は台形の外形、又は必要とされる他の任意の形状を持つことができる。問題としている外管は、絶縁用に、適切なカプトンテープ及び／又は繊維ガラステープ中に巻くことができる。四角い外形は、成形されたかなめ石形状の超電導線が、超電導体に直接接触している中央冷却路によって冷却されるだけではなく、さらに、これらが、外管、又は縦方向に外管を通り抜けている冷却路によっても冷却される様に、外管中に、縦方向に冷却路を組み込むことができる利点を持つ。同じことが、台形の外形にも当てはまる。なぜなら、この場合も、直接外管材料中に、例えば、４本の追加の冷却路を備えることができるからである。外側の冷却路は、有限の幅 〜ｌ_ａｋにわたって、外管の内壁に沿って開いていることができる。

捻られた、成形された超電導線は、鋭過ぎない角度でこれらの冷却路を横切り、従って、螺旋状の変位の各４分の１巻き後に、冷媒と直接接触している外側から、更に冷却される。従って、この変形においても、全ての線は同一の電磁的、機械的及び熱的条件に晒される。

製造技術（機械的付勢を伴う、又は伴わない）及び使用条件に依存し、外管用の材料として、熱膨張係数が成形された超電導線より高い、又は低い材料を提供することができる。適切な場合には、外管の材料の特性を、中央冷却路の形状及び品位が保持されることを保証するために、超電導材料の特性と合わせる。更に重要な外管用材料選択の基準は、十分に高い機械的強度を持ちながら、渦電流に対する高い電気抵抗である。

超電導中空ケーブルの製造方法は、順序が異なる数多くの段階を含むことができる。更に、本発明に係る超電導中空ケーブルの製造方法は、成形された超電導線を製造するための可能性にも依存する。

本発明に係る超電導中空ケーブルの製造方法の一つは、以下の段階を含む。先ず、円形の内側断面と、可能な限り滑らかな円筒形の内壁を持つ小型の外管を製造する。それとは別に、ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ、成形された超電導線を製造する。この目的のため、成形された超電導線の断面形状は、外管の円形の内側断面に適合する曲率の外側領域を持つ。更に、断面形状は、冷却路の円形の断面に適合する曲率の内側領域を持つ。最後に、断面形状は、形成される冷却路の中心点に向けて成形された側辺を持つ。

本発明に係る中空ケーブルの、これら２つの主構成部品が製造された後、成形された超電導線は、先ず、一体にされて、中央冷却路の周りに縦方向に延びた円形の束を形成する。この一体にする過程で、成形された超電導線間の、材料系の結合を確実にするために、接着物質の様な補助剤も用いることができる。この成形された超電導線を含む円形の束は、次いで、超電導中空ケーブルの小型の外管中に引き込まれる。この方法は、中空ケーブルを、互いに独立に製造できる２つの構成部品から組み立てることができる利点を持つ。

本方法の更なる変形において、外管は、小型の構成部品の形で製造されるのではなく、むしろ、２つの半外殻に作られる。超電導中空ケーブルの組立の際に、製造された成形された超電導線は、次いで、半外殻の内側に載置される。半外殻は、内部に存在する成形された超電導体と実質的に一体にされ、溶接される。この方法は、溶接工程の後に、外管の収縮が生じ得て、これは同時に、内側に位置する成形された超電導線の圧縮性の締め固めを引き起こす利点を持つ。

更なる変形方法において、張力線は、成形された超電導線の束の周りに、好ましくは超電導線の捻りの反対方向に、螺旋状に巻かれる。電気的に絶縁性で、かつ密封する外層が、続いて張力線を覆って適用される。この変形方法は、成形された超電導線を含む無限に長い超電導中空ケーブルを連続的に製造できる利点を持つ。

更なる変形方法は、小型構成部品の形状の外管を加熱し、中央冷却路を持つ一束の成形された超電導線を冷却する可能性を提供する。２つの構成部品は、次いで、一方を他方の中に押し込む。その後、外管が、縦方向に延びた成形された超電導線の円形の束の上へと収縮し、また、中央冷却路を形成しながら、超電導線を、互いに押しつけさせる。この方法は、中央冷却路を持つ超電導線の円形の束を小型の外管中に引き込むことをより容易にさせる利点を持つ。この流れにおいて、堅固に構築された外管だけを加熱する、又は成形された超電導線の束だけを冷却することも可能である。

成形された超電導線を製造する好ましい方法は、以下の段階を含む。先ず、標準的方法において、断面が丸い超電導の多フィラメント線が製造され、これは、意図する使用条件に従って、必要に応じて更なる抵抗障壁を有する最適の微細構造を持つ。引き続き、丸い超電導線は、成形された超電導線を形成する様に成形される。この成形は非常に多様な方法で行うことができる。

一方、側表面のかなめ石形状と共に、曲率を持つ内側領域及び曲率を持つ外側領域を製造する適切な成形ローラーを使用することができる。更に、成形された超電導線が、組立の際、大幅に、中央冷却路を持つ束へと互いに噛み合う様に、側辺にオフセットを提供するため、側辺用の成形ローラーを使用することもできる。成形ローラーに代えて、適切な成形ブロックを介する成形引き抜きを提供することもできる。これを介して調製された線は引き抜かれ、これにより、加工において、断面形状が修正される。更なる可能性は、所謂再形成鍛造にあり、この場合、所望の外形は適切な鍛造手法により製造される。

堅固に構築された外管の代わりに、成形された超電導線に被覆物をつけることも、例えば、図１３の、ＮｉＣｒ製の螺旋状に巻いた張力線を用いて達成できる。引き続き、電気的絶縁性の、密封性の堅い外層が、例えば重合により製造される。

従って一の態様によると、本発明は以下の特徴を持つ超電導中空ケーブルに関する：
−円形の内側断面と円筒形の内壁（３）を持つ外管（２）；
−外管（２）の内側断面より小さい多角形又は円形の断面を持つ中央の冷却路（４）、内壁（３）と冷却路（４）の間には成形された超電導線（５）が配置されている；
−少なくとも一の超電導フィラメント（６）を含み、かつ、ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ成形された超電導線（５）、
であって、
成形された超電導線（５）の断面形状は、外管（２）の多角形又は円形の内側断面に適合する曲率の外側領域（７）、及び冷却路（４）の円形の断面に適合する曲率の内側領域（８）を持ち、断面形状は冷却路（４）の中心点（１１）に向けて成形された側辺（９、１０）を持ち、成形された超電導線（５）は外管（２）の内壁（３）上に配置され、成形された超電導線（５）の内側領域（８）は超電導中空ケーブル（１）の冷却路（４）を形成する
ことを特徴とする。

超電導中空ケーブルは、成形された超電導線（５）が、超電導中空ケーブル（１）の外管（２）の内壁（３）に、それらの曲率を持つ外側領域（７）により、及びそれらの互いに隣接した半径方向を向いた側辺（９、１０）を伴って、非常に緊密に配置され、超電導中空ケーブル（１）の全ての運転温度において、それらが曲率持つ内側領域（８）を伴う中央冷却路（４）を維持する、ことを特徴とできる。

この超電導中空ケーブルは、成形された超電導線（５）の間の、起こり得る半径方向の間隙形成の間隙（ｓ）の合計が、超電導中空ケーブル（１）の全ての運転温度において、個々の成形された超電導線の曲率を持つ領域の外側（７）及び内側（８）の間の長さの差（ｌ）より小さいことを特徴とできる。

更に、超電導中空ケーブルは、成形された超電導線（５）が互いに噛み合う成形された側辺（１２、１３）を持つことを特徴とできる。

更に、超電導中空ケーブルは、成形された超電導線（５）が渦電流効果及び熱損失を減少させるための特別な表面被覆物又は部分的な高抵抗被覆付け手段を持つことを特徴とできる。

更に、超電導中空ケーブルは、成形された超電導線（５）が中央の冷却路の周りに捻られていることを特徴とできる。

更に、超電導中空ケーブルは、成形された超電導線（５）がセラミック超電導体又は高温超電導体を持つことを特徴とできる。

更に、超電導中空ケーブルは、外管（２）が円形、四角形、又は台形の外形（１７）を持つことを特徴とできる。

更に、超電導中空ケーブルは、外管（２）がその縦方向に冷却路（１８）を含むことを特徴とできる。

更に、超電導中空ケーブルは、小型の外管（２）の材料の熱膨張係数が、成形された超電導線（５）の熱膨張係数より大きいことを特徴とできる。

更なる態様に対応して、本発明は、以下の段階を含む、超電導中空ケーブル（１）の製造方法にも関する：
−円形の内側断面と円筒形の内壁（３）を持つ外管（２）を製造すること；
−ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ成形された超電導線（５）を製造すること、成形された超電導線（５）の断面形状は外管（２）の円形の内側断面に合わせた曲率の外側領域（７）を持ち、及び中央冷却路（４）の多角形又は円形の断面に合わせた内側領域（８）を持ち、並びに断面形状は成形すべき冷却路（４）の中心点（１１）に向けて成形された側辺（９、１０）を持つこと；
−成形された超電導線（５）を一体にして、中央冷却路（４）の周りに、縦方向に延びた円形の束（２８）を形成すること；
−中央冷却路（４）を持つ円形の束（２８）を外管（２）の中に引き込むこと。

更なる態様によると、本発明は、以下の段階を含む、超電導中空ケーブル（１）の製造方法にも関する：
−ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ成形された超電導線（５）を製造すること、前記成形された超電導線（５）の断面形状は外管（２）の円形の内側断面に適合する曲率の外側領域（７）を持ち、及び中央の冷却路（４）の多角形又は円形の断面に適合する内側領域（８）を持ち、並びに断面形状は成形される冷却路（４）の中心点（１１）に向けて成形された側辺（９、１０）を持つこと；
−成形された超電導線（５）を一体にして、中央冷却路（４）の周りに、縦方向に延びた円形の束（２８）を形成すること；
−束の周りに、少なくとも一の張力線を螺旋状に巻くこと；
−巻かれた張力線を、超電導中空ケーブルの電気的絶縁性及び密封性外層で覆うこと。

更なる態様によると、本発明は、以下の段階を含む、超電導中空ケーブル（１）の製造方法にも関する：
−円形の内側断面と円筒形の内壁（３）を持つ小型の外管（２）の２つの半外殻を製造すること；
−ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ成形された超電導線（５）を製造すること、成形された超電導線（５）の断面形状は外管（２）の円形の内側断面に適合する曲率の外側領域（７）を持ち、及び中央の冷却路（４）の多角形又は円形の断面に適合する内側領域（８）を持ち、並びに断面形状は成形される冷却路（４）の中心点（１１）に向けて成形された側辺（９、１０）を持つこと；
−成形された超電導線（５）を一体にして、中央冷却路（４）の周りに、縦方向に延びた円形の束（２８）を形成すること；
−半外殻を、その内側に位置する束と共に、一体にして、超電導中空ケーブルの小型の外管を形成すること。

これらの、超電導中空ケーブル用の成形された超電導線の製造方法は、以下の段階を含むことができる：
−超電導線（５）の、丸い標準的形状を成形すること。

線の成形は、成形ローラーで達成できる。

更に、線の成形は、成形ブロックで達成できる。

更に、線の成形は、再形成鍛造で達成できる。

更に、金属被膜により、成形された超電導線の追加の部分的被覆を施すことができる。

本発明を、これから、添付の図面を参照して、更に詳細に説明する。

図１は、本発明の第一の態様に係る超電導中空ケーブル１の、模式的断面を示す。この中空ケーブル１は中央冷却路４を持ち、これは成形された超電導線５によって囲まれ、これは、通常、捻られた多フィラメント線である。ここに示された断面において、これらの成形された超電導線５は、これらの成形された超電導線を冷媒流により強烈に冷却できる様に、中央冷却路４を直接囲む輪を形成する。成形された超電導線５は、堅固に構築された外管２により纏めて保持され、これは内壁３を持ち、成形された超電導線５はこれに対して密接に当接する。成形された超電導線５はローマ様式の橋及び／又はゴシックボールトのかなめ石に相当する断面を持つ。

この外形は、外管２の内壁３の曲率に適合する曲率の外側領域７を持つ。更に、成形された超電導線５の断面は、中央冷却路４の曲率に適合する曲率の内側領域８を持つ。本発明の第一の態様において、成形された超電導線５は、中央冷却路４の中心点１１に向けられた、滑らかな側辺９及び１０を持つ。隣接する超電導線５の側辺間の間隙幅ｓは、望ましい限り大きくあってはならない。何故なら、さもなければ、成形された超電導線５、及び結果として、運転中の冷却路４の環状構造が破壊されるからである。間隙幅ｓの全合計ｎ・ｓは、それ故、曲率を持つ外側領域７の曲率長ｌ_ａｋから、成形された超電導線５の外形の曲率を持つ内側領域８の曲率長ｌ_ｉｋを引いた、差長ｌより小さくなくてはならない。

本発明の、この第一の態様において、２０本の成形された超電導線５が用意されているので、隣接する超電導線５の側辺の間に許容できる間隙幅ｓは極度に限定される。また、この限定は、先に式で説明した通り、外管２の内径ｒ_ａと冷却路４の内径ｒ_ｉの間の差に、とりわけ依存する。この様な種類の超電導中空ケーブル１は、冷却路４中の流れに対する抵抗が極度に低く、結果として、高い冷却速度及び高い機械的安定性が達成できる利点を持つ。これは、更に、冷媒が成形された超電導線５に直接接触し、従って、短い熱パルスに対してすら、強度の冷却が保証される利点を持つ。最後に、この中空ケーブルは、それが実質的に２つだけの層又は構成部品、即ち、かなめ石形状に成形された超電導線５の同心の束と堅固に構築された外管２で作り上げられる利点を持つ。更に加えて、（追加の）電気的絶縁の目的のため、本発明に係るこの超電導中空ケーブル１は、外管２の外形１７の周りに巻かれたカプトンテープ、及び、必要なら、例えば繊維ガラステープの更なる電気的絶縁層を持つことができる。これは、図１、２、４、９、１０、１１及び１２に対応する全ての変形品に適用される。

第二の態様の中空ケーブル１は、第一の態様の中空ケーブル１とは、成形された超電導線５の外形が異なる。かなめ石形状に加えて、これらの成形された超電導線５は、大きさｖのオフセットを持ち、これは、成形された超電導線５の相互の噛み合いを更に改良し、また、これら成形された超電導線５の、隣接する成形された側辺１２及び１３の間の、より大きい間隙幅ｓを可能にする。起こり得る間隙幅ｓと、曲率の外側及び内側領域の長さの差ｌと、並びにオフセットの大きさｖとの間の関係は、既に上で詳細に論じている。

図３は、図２に係る超電導中空ケーブル１の詳細の、模式的な断面を示す。先行する図におけるのと同じ機能を持つ構成部品には同じ参照符号を付して特定し、かつ独立には論じない。図３は、拡大した尺度で、隣接する成形された側辺１２及び１３のオフセット１９による、成形された超電導線５の相互の噛み合いを示す。

図４は、本発明の第三の態様に係る超電導中空ケーブル１の、模式的断面を示す。本発明のこの第三の態様は、先の態様とは、成形された超電導線５の数が図１及び２の２０から図４の１０に減らされている点で、異なる。成形された超電導線５の相互の噛み合いは、超電導線５が、それらの成形された側辺１２及び１３上に、尖った外形２０を持つという事実により高められている。これら尖った外形２０は、大きさｖのオフセットを形成し、これは、成形された超電導線５の断面の曲率の外側及び内側領域７及び８の間の長さの差ｌと協働して、間隙幅ｓに対する許容範囲を増大させ、形成される間隙幅ｓに関するより高い許容範囲を、外管２の内側に配置された超電導線５の構造を破壊せずに、許容することができる。

図５は、標準配置の超電導の多フィラメント線の、模式的断面を示す。この様な線は円形の断面を持ち、また、上に説明した通り、多かれ少なかれ複雑なＣｕマトリクス中に、捻られた超電導フィラメントを含む。

図６は、図１に係る本発明の第一の態様の超電導中空ケーブル１用の成形された形状が付与された後の成形された超電導線５の、模式的断面を示す。この形状が付与される過程で、図５に係る線は、異なるローラー外形を用いて巻き取られ、一方では、曲率を持つ外側領域７が、他方では曲率を持つ内側領域８が形成される。更に、側辺９と１０は、互いに適切な角度で設定されたローラーにより巻き取られる。ローラーで延ばす機構の代わりに、適切な形状を提供する引き抜きダイを介して引き抜くことも使用できる。この方法の場合、図５に示した丸い線は、引き抜きダイによって支配される断面を持つ成形された超電導線５へと再形成される。

図７は、図２に係る本発明の第二の態様の超電導体ケーブル１用の成形された形状が付与された後の成形された超電導線５の、模式的断面を示す。図６になお示されている滑らかな側辺の代わりに、この外形の場合、成形された側辺１２及び１３は、引き抜きブロックを介して成形され、又は引き抜かれる。この工程において、段のついた肩１９が形成され、これは、中空ケーブルが組み立てられたとき、成形された超電導線５の相互の噛み合いを可能にする。

図８は、図４に係る本発明の第三の態様の超電導中空ケーブル１用の成形された形状が付与された後の成形された超電導線５の、模式的断面を示す。この外形も、側辺１２上に尖った外形２０を持ち、図５に示した当初の円形断面の適切な形状化により得ることができる。この目的のため、成形された超電導線５の断面の４つの成形辺を製造するために、４つを別々に形成する成形ローラーか、又は適切な形状の引き抜きオリフィスを用いることができる。図８のこれらの成形された超電導線５の図７に対する利点は、図７の段が付いた肩１９を持つ外形の製造よりも、成形された側辺１２の外側に膨れた尖った外形２０の製造が、成形ローラーによってより容易であること、及びこれらの形状の相互の噛み合いが、成形された超電導線が自ら冷却路の周りに配向することに寄与することである。

図９は、本発明の第四の態様に係る超電導中空導体ケーブル１の、模式的断面を示す。先行する図におけるのと同じ機能を持つ構成部品には同じ参照符号を付して特定し、かつ独立には論じない。先行する態様との違いは、堅固に構築された外管２として、円筒形の内壁３を持つが、四角形の外形１７を持つ外管を選んだ点にある。この結果として、一方では、外管２の強度が増大し、及び、他方では、小型のコイルの製造を実質的に簡易化できる。

図１０は、本発明の第五の態様に係る超電導中空導体ケーブル１の、２つの変形の、模式的断面を示す。先行する図におけるのと同じ機能を持つ構成部品には同じ参照符号を付して特定し、かつ独立には論じない。この本発明の第五の態様の先行する態様との違いは、四角い外形１７を持つ外管２が、四角い外管２の隅に、中空ケーブル１の縦方向に、追加の冷却路１８を持つ点にある。この結果、上に既に説明した通り、この中空ケーブル１に対して冷却作用が更に強化され得る。

図１１は、本発明の第六の態様に係る超電導の中空導体ケーブル１の、模式的断面を示し、参照数字５は成形された超電導線を指し、参照数字２は外管を指し、参照数字１８は、外管２中、後者の縦方向の冷却路を指す。これら外管の内壁に沿って延び、かつ、成形された超電導線の束に対する開口を持つ外側冷却路１８のお蔭で、捻られた成形された超電導線は、従って、螺旋状移動の各４分の１回後に、冷媒との直接接触状態で、外側から更に冷却される。この変形においてもまた、全部の線が、完全に同じ電磁的、機械的及び熱的条件に晒される。

図１２は、本発明の第七の態様に係る超電導の中空導体ケーブル１の、模式的断面を示す。第六の態様は、先行する態様とは、外管２が台形の外形１７を持つ点で異なる。この台形の外形１７は、多数のこれら超電導中空ケーブル１を円形のコイルに組み立てるとき、又は特別なコイル配列を、機械的に小型のやり方で、かつできるだけ安定なやり方で製造すべきときに有利であり得る。

図１３は、本発明の第八の態様に係る超電導中空ケーブル１の、模式的断面を示す。先行する図におけるのと同じ機能を持つ構成部品には同じ参照符号を付して特定し、かつ独立には論じない。この場合の外管は２層で形成され、第一層は、螺旋状に巻かれた、例えばＮｉＣｒの張力線３３、及び、例えば重合により製造された電気的絶縁性で密封性の外層３４を持つ。既に上で説明した通り、この本発明の第八の態様は、成形された超電導線の外被が、堅固に構築された外管の代わりに、螺旋状に巻かれた張力線により達成され、引き続き、それに対して電気的絶縁性で密封性の堅い外層が適用される点で、先行する態様と異なる。

図１４は、標準配置のＣＩＣＣ型の超電導中空ケーブルの、図１４ａとして写真を、図１４ｂとして、模式図を示す。先行する図におけるのと同じ機能を持つ構成部品には同じ参照符号を付して特定し、かつ独立には論じない。図１４は、密封性の堅い管３２の内側を走る、捻られた超電導線３０の束を示す。

図１５は、従来技術に係るＣＩＣＣ型の超電導中空ケーブル（ポロケーブル）の、図１５ａとして写真を、図１５ｂとして模式的な断面を、示す。先行する図におけるのと同じ機能を持つ構成部品には同じ参照符号を付して特定し、かつ独立には論じない。この場合、超電導線３０は、内部支持管としての、堅固に構築された内管２１上に配置され、超電導線３０の間に、二相のヘリウム流と、流れに対して高抵抗であることが可能な超臨界ヘリウムの直接通路に対して、内部冷却路が提供される。

図１６は、標準配置のヌクロトロン型の超電導ケーブルの、図１６ａとして写真を、図１６ｂとして模式図を、示す。先行する図におけるのと同じ機能を持つ構成部品には同じ参照符号を付して特定し、かつ独立には論じない。図１６は、ＣｕＮｉの小型の内管２１により形成される中央冷却路の中を通り抜ける二相のヘリウム３５を示す。内管２１上には、超電導線３０が巻かれ、これらはＮｉＣｒの張力線３３により、一体として保持される。カプトンテープ２４は電気的絶縁を形成し、繊維ガラステープ２５は超電導中空ケーブルの断熱に寄与する。

図１７は、改良された配置のヌクロトロン型の超電導中空ケーブル１の、模式的断面を示す。先行する図におけるのと同じ機能を持つ構成部品には同じ参照符号を付して特定し、かつ独立には論じない。図１６は、ＣｕＮｉの小型の内管２１により形成された中央冷却路４を示す。内管２１上には、成形された超電導線５が巻かれ、これらはＮｉＣｒの張力線により、一体に保持される。電気的絶縁性で密封性の堅い外層３４が張力線３３の上に配置される。

本発明の第一の態様に係る超電導中空ケーブルの、模式的断面を示す。 本発明の第二の態様に係る超電導中空ケーブルの、模式的断面を示す。 図２に係る超電導中空ケーブルの詳細の断面を示す。 本発明の第三の態様に係る超電導中空ケーブルの、断面を示す。 成形される前の超電導線の、初期の形状の、模式的断面を示す。 図１に係る、本発明の第一の態様の超電導中空ケーブル用の成形された形状が付与された後の成形された超電導線の、模式的断面を示す。 図２に係る、本発明の第二の態様の超電導体ケーブル用の成形された形状が付与された後の成形された超電導線の、模式的断面を示す。 本発明の第三の態様の超電導体中空導体ケーブル用の成形された形状が付与された後の、成形された超電導体の、模式的断面を示す。 本発明の第四の態様に係る超電導中空ケーブルの、模式的断面を示す。 本発明の第五の態様に係る超電導中空ケーブルの二つの変形例の、模式的断面を示す。 本発明の第六の態様に係る超電導中空ケーブルの、模式的断面を示す。 本発明の第七の態様に係る超電導中空ケーブルの、模式的断面を示す。 本発明の第八の態様に係る超電導中空ケーブルの、模式的断面を示す。 標準配置のＣＩＣＣ型超電導中空ケーブルの、図１４ａとして写真を、図１４ｂとして模式的図を、示す。 標準配置のＣＩＣＣ型超電導中空ケーブルの、図１４ａとして写真を、図１４ｂとして模式的図を、示す。 従来技術に係るＣＩＣＣ型の超電導中空ケーブル（ポロケーブル）の、図１５ａとして写真を、図１５ｂとして模式的断面を、示す。 従来技術に係るＣＩＣＣ型の超電導中空ケーブル（ポロケーブル）の、図１５ａとして写真を、図１５ｂとして模式的断面を、示す。 標準配置のヌクロトロン型超電導中空ケーブルの、図１６ａとして写真を、図１６ｂとして模式的図を、示す。 標準配置のヌクロトロン型超電導中空ケーブルの、図１６ａとして写真を、図１６ｂとして模式的図を、示す。 改良された配置のヌクロトロン型超電導中空ケーブルの、模式的断面を示す。

符号の説明

１ 超電導中空ケーブル
２ 外管
３ 外管の内壁
４ 中央冷却路
５ 成形された超電導線
６ 超電導フィラメント
７ 曲率を持つ外側領域
８ 曲率を持つ内側領域
９ 滑らかな側辺
１０ 滑らかな側辺
１１ 冷却路の中心点
１２ 成形された側辺
１３ 成形された側辺
１４ 超電導フィラメント
１５ 超電導多フィラメント導体の安定化マトリクスの金属製コア又は中心
１６ 成形された線を持つ超電導多フィラメント導体の安定化マトリクスのジャケット
１７ 外管の外形
１８ 縦方向の外管の冷却路 １９ 段の付いた肩（段の付いた外形）
２０ 側辺の尖った外形
２１ 小型の内管
２４ カプトンテープ
２５ 繊維ガラステープ
２６ 内管の外側ジャケット
２７ 内管の内壁
２８ 超電導フィラメントを含む束
２９ 超電導フィラメント及び安定化マトリクスを含む束による線
３０ 超電導線
３１ 捻られた超電導線の束
３２ 密封管
３３ 螺旋状に巻かれた張力線
３４ 電気的絶縁性の密封性外層
３５ 二相のヘリウム
ｌ_ａｋ 曲率を持つ外側領域の長さ
ｌ_ｉｋ 曲率を持つ内側領域の長さ
ｌ 長さの差
ｓ 間隙幅
ｖ オフセットの大きさ
ｎ 超電導中空ケーブル当たりの成形された超電導線の数
ｒ_ａ 外管の内径
ｒ_ｉ 中央冷却路の半径

Claims (18)

1. −円形の内側断面及び円筒形の内壁（３）を持つ外管（２）と、
   −前記外管（２）の内側断面より小さい多角形又は円形の断面を持つ中央冷却路（４）であって、前記内壁（３）と前記冷却路（４）の間には成形された超電導線（５）が配置される中央冷却路（４）と、
   −少なくとも一の超電導フィラメント（６）を含み、かつ、ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ成形された超電導線（５）と、
   を含む超電導中空ケーブルであって、
   前記成形された超電導線（５）の断面形状は、前記外管（２）の多角形又は円形の内側断面に適合する曲率の外側領域（７）及び前記冷却路（４）の円形の断面に適合する曲率の内側領域（８）を有し、かつ前記断面形状は、前記冷却路（４）の中心点（１１）に向けて成形された側辺（９、１０）を有し、前記成形された超電導線（５）は前記外管（２）の前記内壁（３）上に配置され、前記成形された超電導線（５）の内側領域（８）は前記超電導中空ケーブル（１）の前記冷却路（４）を形成することを特徴とする超電導中空ケーブル。
2. 前記成形された超電導線（５）が、曲率を持つそれらの外側領域（７）により、及び互いに隣接する半径方向を向いた側辺（９、１０）を伴って、前記超電導中空ケーブル（１）の外管（２）の内壁（３）に堅く配置され、前記超電導中空ケーブル（１）の全ての運転温度において、前記曲率を持つ内側領域（８）を伴う中央冷却路（４）を維持することを特徴とする請求項１に記載の超電導中空ケーブル。
3. 前記成形された超電導線（５）の間の、起こり得る半径方向の間隙形成の間隙幅（ｓ）の合計が、前記超電導中空ケーブル（１）の全ての運転温度において、個々の成形された超電導線の曲率を持つ外側（７）及び内側（８）領域の間の長さの差（ ｌ）より小さいことを特徴とする請求項２に記載の超電導中空ケーブル。
4. 前記成形された超電導線（５）が互いに噛み合う成形された側辺（１２、１３）を持つことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導中空ケーブル。
5. 前記成形された超電導線（５）が、渦電流効果及び熱損失を低減するための特別な表面被覆物又は部分的な高抵抗被覆付け手段を持つことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導中空ケーブル。
6. 前記成形された超電導線（５）が前記中央の冷却路の周りに捻られていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導中空ケーブル。
7. 前記成形された超電導線（５）がセラミック超電導体又は高温超電導体を持つことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の超電導中空ケーブル。
8. 前記外管（２）が円形、四角形又は台形の外形（１７）を持つことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の超電導中空ケーブル。
9. 前記外管（２）が、その縦方向に冷却路（１８）を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の超電導中空ケーブル。
10. 小型の外管（２）の材料の熱膨張係数が前記成形された超電導体（５）の熱膨張係数よりことを特徴とする大きい請求項１〜９のいずれか一項に記載の超電導中空ケーブル。
11. −円形の内側断面と円筒形の内壁（３）を持つ外管（２）を製造する段階と、
    −ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ成形された超電導線（５）であって、前記成形された超電導線（５）の断面形状は外管（２）の円形の内側断面に適合する曲率の外側領域（７）を有し、かつ中央冷却路（４）の多角形又は円形の断面に適合する内側領域（８）を有し、前記断面の形状は形成される冷却路（４）の中心点（１１）に向けて成形された側辺（９、１０）を有する超電導線（５）を製造する段階と、
    −前記成形された超電導線（５）を一体として、中央冷却路（４）の周りに、縦方向に延びた円形の束（２８）を形成する段階と、
    −中央冷却路（４）を有する前記円形の束（２８）を前記外管（２）の中に引き込む段階と、
    を含む超電導中空ケーブル（１）の製造方法。
12. −ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ成形された超電導線（５）であって、前記成形された超電導線（５）の断面形状は外管（２）の円形の内側断面に適合する曲率の外側領域（７）を有し、かつ中央冷却路（４）の多角形又は円形の断面に適合する内側領域（８）を有し、前記断面の形状は成形される冷却路（４）の中心点（１１）に向けて成形された側辺（９、１０）を有する超電導線（５）を製造する段階と、
    −前記成形された超電導線（５）を一体にして、中央冷却路（４）の周りに、縦方向に延びた円形の束（２８）を形成する段階と、
    −前記束の周りに、少なくとも一の張力線を螺旋状に巻く段階と、
    −前記巻かれた張力線を、電気的絶縁性及び密封性を有する前記超電導中空ケーブルの外層により覆う段階と、
    を含む超電導中空ケーブル（１）の製造方法。
13. −円形の内側断面と円筒形の内壁（３）を持つ小型の外管（２）の２つの半外殻を製造する段階と、
    −ローマ様式石橋又は交差ヴォールトで知られるかなめ石の断面形状を持つ成形された超電導線（５）であって、前記成形された超電導線（５）の断面形状は外管（２）の円形の内側断面に適合する曲率の外側領域（７）を有し、かつ中央冷却路（４）の多角形又は円形の断面に適合する内側領域（８）を有し、前記断面の形状は形成される冷却路（４）の中心点（１１）に向けて成形された側辺（９、１０）を有する超電導線（５）を製造する段階と、
    −前記成形された超電導線（５）を一体にして、中央冷却路（４）の周りに、縦方向に延びた円形の束（２８）を形成する段階と、
    −前記２つの半外殻を、その内側に位置する前記束と共に、一体にして、前記超電導中空ケーブルの小型の外管を形成する段階と、
    を含む、超電導中空ケーブル（１）の製造方法。
14. 超電導線（５）の、丸い標準的形状を成形する段階を含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に対応する超電導中空ケーブル用の成形された超電導線の製造方法。
15. 線の成形を成形ローラーにより達成することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 線の成形を成形ブロックにより達成することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 線の成形を再形成鍛造により達成することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 成形された超電導線の追加の部分的被覆を金属被膜により供給することを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の方法。