JP3253526B2 - アルミニウム合金製シーズに支持されたアルミニウムで安定化した超伝導装置とその製造方法 - Google Patents

アルミニウム合金製シーズに支持されたアルミニウムで安定化した超伝導装置とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は軟らかい安定化材料
中に埋設される超伝導ケーブルを機械的に支持した超伝
導装置及びそれを製造する方法に関する。より詳しく
は、本発明はこのような軟らかい安定化材料を超伝導ケ
ーブルの効率的な冷却のために直接冷媒に露出すること
を可能にする新規な構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】軟らかい安定化材料中に埋め込まれる超
伝導ケーブルを機械的に支持するための多くの方法が存
在している。米国特許第３６１４３０１号、同第３６４
６２４９号にはこのような典型的な装置が記載されてい
る。これらの特許では超伝導ケーブルは管状の安定化部
材中に配置され、安定化部材は外側シーズ（さや）に収
容されている。冷媒は管状安定化部材の中心部を流れ、
それにより安定化部材並びに埋設されている超伝導ケー
ブルをも冷却する。いずれの場合にも、外側シーズは単
一の一体的な材料から製作され、安定化部材を完全に取
り囲んでいる。安定化部材を単一の外側シーズにより完
全に取り囲む方法は工程が面倒であるだけでなく、両者
を密着したい場合には製作が困難である。また、導体は
気密マニホールドを必要とするため、急冷の際に急激な
圧力上昇を招く。
【０００３】米国特許第３４３２７８３号には、基体に
一層の超伝導材料を接着することが記載されている。超
伝導材料は次に溝切りを受け、それにより基体に多数の
条帯を形成する。次に蒸着、めっきその他の方法により
常導体の層を超伝導材料と基体の周りに形成する。この
常導体は次に薄い絶縁性の酸化アルミニウム被覆内に収
容される。したがって、この型では、冷媒は酸化アルミ
ニウムの外側に沿って流れ、その結果、埋設されている
超伝導ケーブル材料の冷却は、その冷却作用が超伝導ケ
ーブルに達する前に多層絶縁層を通過する必要がある。
また、各層間の境界部は、超伝導材料の冷却を達成する
のに抑制しなければならない熱抵抗を増すことになる。
【０００４】他の関連装置は米国特許第４３３４１２３
号に記載されている。同特許には凹凸（ギザギザ）を有
する通路が貫通する安定化部材が記載されている。この
安定化部材は上下で一対の強化部材により包囲され、ま
た側面で一対の超伝導ワイヤに囲まれている。米国特許
第４４９０５７８号には複数の超伝導ワイヤを半田等の
材料に埋設し、それを純銅ハウジングに結合することが
記載されている。この半田はまた強化部材をも取り囲み
そして純アルミニウム部分と純銅部分とから構成された
蓋を被せられている。米国特許第４０７９１８７号には
安定化ワイヤ及び強化ワイヤの両者を納めた超伝導ケー
ブルが記載されている。この超伝導ケーブルは一つの安
定化部材の溝に収容され、他の安定化部材はその上に配
置されてこの溝を被覆している。被覆安定化部材には冷
媒通路が貫通している。これらの安定化部材はそれ自体
で一緒に半田付け又は蝋付けされ、その後に鋼鉄製のシ
ーズに完全に収納される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】米国特許第３６１４３
０１号、同第３６４６２４９号のように、安定化部材を
一体的な外側シーズにより完全に取り囲む方法は工程が
面倒であるだけでなく、両者を密着したい場合には製作
が困難である。また、導体は気密マニホールドを必要と
するため、急冷の際に急激な圧力上昇を招く。米国特許
第３４３２７８３号のように、基体に超伝導材料を接着
し、溝切りにより基体に多数の条帯を形成し、次に常導
体の層を超伝導材料と基体の周りに形成し、そして絶縁
性の酸化アルミニウム被覆内に収容される型において
は、冷媒は酸化アルミニウムの外側に沿って流れ、その
結果、埋設されている超伝導ケーブル材料の冷却は、そ
の冷却作用が超伝導ケーブルに達する前に多層絶縁層を
通過する必要がある。また、各層間の境界部は、超伝導
材料の冷却を達成するのに抑制しなければならない熱抵
抗を増すことになる。米国特許第４３３４１２３号等の
冷却通路が貫通する安定化部材では、冷却効率が低くな
る。
【０００６】本発明は、上記の従来の欠陥の少なくとも
いくつかを解決することを目的とする。本発明は、アル
ミニウム合金製のシーズにより支持されたアルミニウム
で安定化した新規な超伝導装置とその製造法を提供する
ことを目的とする。本発明の他の目的は、安定化部材の
ための支持手段を提供する、個々に又は一緒に固定され
た多数部片よりなるアルミニウム合金製シーズを具備し
た新規な超伝導装置とその製造法を提供することを目的
とする。本発明の他の目的は、安定化部材を完全には包
囲しないで一部を取り囲み、それにより安定化部材の片
側を直接冷媒に露出してより埋設された超伝導材料の一
層大きい冷却を達成することである。本発明の他の目的
は安定化部材の内部ではなくて外側に流すことである。
本発明の他の目的は包囲された安定化部材を、多部片よ
りなる外側シーズに対して物理的に固定することであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、超伝導ケーブ
ルを取り囲む高純度アルミニウム安定化部材と、前記安
定化部材の外面を部分的に取り囲み支持するシーズとよ
りなる。シーズは安定化部材の外面の少なくとも一部は
被覆しないで冷媒に対して露出して、好ましくは冷媒に
直接接触している。このシーズはアルミニウム合金から
製作され、多部片より構成される。より詳しくは、本発
明の第１の形態では、（ａ）超伝導ケーブルと、（ｂ）
前記超伝導ケーブルを取り囲む高純度アルミニウム安定
化部材と、（ｃ）アルミニウム合金より製作され、前記
安定化部材の外面を部分的に取り囲み且つ前記安定化部
材の外面の他の部分を被覆しないで前記安定化部材を冷
媒に対して露出している多部片構造のシーズとよりな
り、前記シーズは互いにキー／キー溝結合によ り結合さ
れた頂部部片及び両側部部片よりなり、さらに前記頂部
部片及び両側部部片から突出する歯が前記安定化部材の
表面に食い込んでいる、超伝導装置が提供される。 本発
明の第２の形態では、（ａ）超伝導ケーブルと、（ｂ）
前記超伝導ケーブルを取り囲む高純度アルミニウム安定
化部材と、（ｃ）アルミニウム合金より製作され、前記
安定化部材の外面を部分的に取り囲み且つ前記安定化部
材の外面の他の部分を被覆しないで前記安定化部材を冷
媒に対して露出している多部片構造のシーズとよりな
り、前記シーズは頂部部片及び両側部部片よりなり、前
記頂部部片は前記安定化部材に溶接され、前記頂部部片
の両端部は前記両側部片に溶接され、前記両側部部片は
前記安定化部材の露出面側に溶接されている、超伝導装
置が提供される。この場合、さらに前記頂部部片の内縁
部は前記安定化部材の外縁部と溶接され、前記頂部部片
の外縁部は前記両側部部片の上端内縁部に溶接され、前
記両側部部片の下端内縁部は前記安定化部材の露出側外
縁部に溶接されることが好ましい。 本発明の第３の形態
では、超伝導ケーブルの周りを高純度アルミニウム安定
化部材により取り囲み、アルミニウム合金より製作され
た多部片構造のシーズにより前記安定化部材の外面を部
分的に取り囲み且つ前記安定化部材の外面の他の部分を
被覆しないで前記安定化部材を冷媒に対して露出する方
法において、前記シーズによる被覆工程が、前記安定化
部材の頂部に前記シーズの頂部部片を溶接し、次に前記
シーズの側部部片を前記上側シーズ部片の両端部に溶接
し、ついで前記両側部部片を前記安定化部材の露出側外
縁部に溶接する工程よりなる、超伝導装置の製造方法が
提供される。この場合、好ましくは前記頂部部片の内縁
部は前記安定化部材の外縁部と溶接され、前記頂部部片
の外縁部は前記両側部部片の上端内縁部に溶接され、前
記両側部部片の下端内縁部は前記安定化部材の露出側外
縁部に溶接される。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明を図面を参照して詳しく説
明する。図１は参考例による超伝導装置１０の構造を示
し、この装置は超伝導ケーブル１２と、安定化部材１４
と、シーズ１６とから構成される。超伝導ケーブル１２
は超伝導材料の連続したリボンでも良いし、複数の個々
のワイヤを編成し又は撚ったものでも良いし、あるいは
一緒に保持したものでも良い。安定化部材１４は一般に
軟らかく、且つ低温度で極端に低い抵抗率を有する高純
度アルミニウムより製作される。このような低抵抗率は
超伝導体の安定化と保護に必要である。一般に超伝導ケ
ーブル１２は安定化部材１４と共押出されて両者間に良
好な金属結合を形成する。このような構造にすると、そ
れらの間の界面に起因する電気抵抗値が減少する。安定
化部材１４は超伝導ケーブル１２をその冷却中と使用中
に安定化する目的に資する。図１に示したように、安定
化部材１４の片側ないし表面１８はシーズ１６により取
り囲まれていない。その代わりに、この表面１８は超伝
導装置１０を冷却するために使用される冷媒（図示せ
ず）に対して直接露出されている。また、表面１８を粗
らしてあるいは凹凸（ギザギザ）を付けて冷却効率を上
げることが好ましい。安定化部材１４と超伝導ケーブル
１２は同時に冷却することが望ましい。シーズ１６の開
放構造により提供される安定化部材１４と冷媒の直接接
触により、超伝導装置１０は容易に冷却されて超伝導ケ
ーブル１２の所望の超伝導特性を発揮させることができ
る。
【０００９】シーズ１６は通常アルミニウムより構成さ
れ、軟らかい安定化部材１４に対する機械的な支持手段
となる。このような支持手段は超伝導装置１０の内部に
生じるローレンツ力に抵抗するために必要である。この
シーズ１６は安定化部材１４と共押出しても良いし、あ
るいは溶接（ＴＩＧ法、レーザビーム溶接、あるいは電
子ビーム溶接）による溶接部２２により安定化部材１４
に結合しても良い。他の方法を使用してシーズ１６を安
定化部材１４に固定又は結合することもできる。要する
に、良好な機械的な結合がシーズ１６と安定化部材１４
との間に形成されれば良い。
【００１０】次に図２を参照すると、本発明の第１の実
施例による超伝導装置が記載されている。この例ではシ
ーズ１６は３個の部片から構成され、安定化部材１４の
周りで互いに係止（ロック）されている。これらの部片
は、通常は連続的に押出成形され、典型的にはキー２４
とキー溝２６に組み込むことにより適正な整列配置と嵌
合を行うように相互結合（インターロック）されてい
る。このようにして、超伝導装置は共押出したこれらの
部片を安定化部材１４の周りに圧嵌めしながら連続的に
組み立てることができる。更に歯２８をこれらの部片に
形成することにより、それらを軟らかい高純度アルミニ
ウムに食い込ませることにより、安定化部材１４をシー
ズ１６に機械的に係止（ロック）させることができる。
【００１１】本発明の第２の実施例による多部片構造の
シーズの例が、図３に示される。これらの図は図１の一
体構造に対比することができる。この例では、シーズ１
６を安定化部材１４の周りを部分的に包囲して構成する
方法が示される。まず上側シーズ部片３０を安定化部材
１４の頂部に溶接する（図３のａ）。これに続いて、一
方の側部部片３２を、次いで反対側の側部部片３２をこ
の上側シーズ部片３０に固定する（図３のｂ，ｃ）。最
後に安定化部材１４の開放側の表面１８をシーズ１６の
各側部部片３２に固定する（図３のｄ）。このようにし
て安定化部材１４の４隅の各々は隣接したシーズ部片３
０、３２に固定される一方、安定化部材１４の被覆され
ない１つの側面ないし表面１８を残し、冷媒と直接接触
させるようにする。このようなシーズ部片３０、３２を
固定する通常の方法はＴＩＧ、レーザ又は電子ビーム溶
接又は蝋付けであるが、これらの部片を安定化部材１４
に固定する他の手段もまた許容される。
【００１２】
【発明の効果】上記の多部片構造のシーズを具備した超
伝導装置１０の構造は、通常大きな磁力、大きな変位、
及び潜在的な大きい熱擾乱を伴うので理想的である。従
って、超伝導装置１０は安定な超伝導ケーブル１２とそ
のための信頼性のある機械支持体を必要とする。現在使
用されているアルミニウムで安定化された超伝導装置
は、高強度のシーズにより完全に囲まれているものは熱
伝導性が低く、安定化部材とシーズの界面の熱抵抗が低
いために、安定性が低い。部分的に囲まれている場合で
はシーズが軟らかく高純度アルミニウムである安定化部
材に対する充分な機械的支持が行われない。本発明の新
規な多部片構造のシーズを有する超伝導装置１０は安定
性と機械的支持の両者を満足する。更に超伝導装置１０
の他の利点は、組立が容易なことであり、製造コストの
低減につながる。また、これらの装置にはアルミニウム
が使用されているため、銅を使用する他の装置に比して
軽い。これは大型の超伝導コイルに対する理想的な設計
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】シーズにより支持された安定化部材の内部に超
伝導体を収容した参考例の超伝導装置の実施例の断面図
である。
【図２】多部片によりシーズを構成する本発明の第１の
実施例の導体の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例のシーズの各要素とそれ
らの溶接又は蝋付けによる組立を示す図であり、（ａ）
〜（ｄ）はその順次工程を示す図である。
【符号の説明】
１０ 超伝導装置 １２ 超伝導ケーブル １４ 安定化部材 １６ シーズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユーリ・リボーフスキー アメリカ合衆国バージニア州リンチバー グ、ミモーサ・ドライブ2413 (72)発明者 ロナルド・グレン・ウッド アメリカ合衆国バージニア州フォレス ト、ヒッチング・ポスト・レイン221 (56)参考文献 特開 昭51−75982（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−87705（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01B 12/16 ZAA H01B 13/00 561

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）超伝導ケーブルと、（ｂ）前記超
    伝導ケーブルを取り囲む高純度アルミニウム安定化部材
    と、（ｃ）アルミニウム合金より製作され、前記安定化
    部材の外面を部分的に取り囲み且つ前記安定化部材の外
    面の他の部分を被覆しないで前記安定化部材を冷媒に対
    して露出している多部片構造のシーズとよりなり、前記
    シーズは互いにキー／キー溝結合により結合された頂部
    部片及び両側部部片よりなり、さらに前記頂部部片及び
    両側部部片から突出する歯が前記安定化部材の表面に食
    い込んでいる、超伝導装置。
  2. 【請求項２】 （ａ）超伝導ケーブルと、（ｂ）前記超
    伝導ケーブルを取り囲む高純度アルミニウム安定化部材
    と、（ｃ）アルミニウム合金より製作され、前記安定化
    部材の外面を部分的に取り囲み且つ前記安定化部材の外
    面の他の部分を被覆しないで前記安定化部材を冷媒に対
    して露出している多部片構造のシーズとよりなり、前記
    シーズは頂部部片及び両側部部片よりなり、前記頂部部
    片は前記安定化部材に溶接され、前記頂部部片の両端部
    は前記両側部片に溶接され、前記両側部部片は前記安定
    化部材の露出面側に溶接されている、超伝導装置。
  3. 【請求項３】 前記頂部部片の内縁部は前記安定化部材
    の外縁部と溶接され、前記頂部部片の外縁部は前記両側
    部部片の上端内縁部に溶接され、前記両側部部片の下端
    内縁部は前記安定化部材の露出側外縁部に溶接されてい
    る、請求項２の超伝導装置。
  4. 【請求項４】 超伝導ケーブルの周りを高純度アルミニ
    ウム安定化部材により取り囲み、アルミニウム合金より
    製作された多部片構造のシーズにより前記安定化部材の
    外面を部分的に取り囲み且つ前記安定化部材の外面の他
    の部分を被覆しないで前記安定化部材を冷媒に対して露
    出する方法において、前記シーズによる被覆工程が、前
    記安定化部材の頂部に前記シーズの頂部部片を溶接し、
    次に前記シーズの側部部片を前記上側シーズ部片の両端
    部に溶接し、ついで前記両側部部片を前記安定化部材の
    露出側外縁部に溶接する工程よりなる、超伝導装置の製
    造方法。
  5. 【請求項５】 前記頂部部片の内縁部は前記安定化部材
    の外縁部と溶接され、前記頂部部片の外縁部は前記両側
    部部片の上端内縁部に溶接され、前記両側部部片の下端
    内縁部は前記安定化部材の露出側外縁部に溶接されてい
    る請求項４の超伝導装置の製造方法。
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