JPH0119721B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は核融合炉等の超電導マグネツトの超
電導コイルに使用される超電導線に関し、特に冷
却媒体により強制循環冷却させる型式の超電導線
に関するものである。

最近に至り、断面中央に冷却媒体通路を形成し
たいわゆる中空超電導線を用い、冷却媒体通路に
超臨界圧ヘリウム等の冷却媒体を強制循環させて
超電導線をその内側から強制冷却するようにした
超電導コイルが種々提案されている。このような
超電導コイルに使用される中空超電導線として
は、例えば第１図に示すように、中央に冷却媒体
通路１を形成した断面矩形状の銅等の安定化母材
２の壁面内に超電導素線３Ａが埋め込まれた型式
のもの、あるいは第２図に示すように同じく断面
矩形状の銅等の安定化母材２の外面に極細多芯超
電導素線３Ｂが巻付けもしくは撚り合わされた型
式のもの、さらには第３図に示すように断面矩形
状の安定化母材２の外面に凹溝４が形成されると
ともに各凹溝４に成形超電導素線３Ｃが嵌合固定
された型式のもの等がある。

このような強制冷却型の超電導線を用いた超電
導マグネツトにおいては、導体内に冷却媒体が強
制循環されるため各部が均等に冷却され、またコ
イルがコンパクトでしかも機械的強度が高く、さ
らに冷却媒体の使用量が少なくて済む等の利点を
有するが、その反面、超電導素線に対する冷却が
銅等の安定化母材を介しての間接冷却となつてい
るため、冷却効率が低く、そのため何らかの原因
で超電導素線の一部にヒートスポツトが生じて超
電導特性が失われた場合に、その回復が遅れる問
題がある。

一方、第４図に示すように角型筒状体６の内側
に多数本の超電導素線３Ｂを収容し、その超電導
素線間の空隙７に液体ヘリウム等の冷却媒体を流
すようにしたいわゆるバンドルタイプの超電導線
も提案されており、この場合には超電導素線３Ｂ
の表面に直接冷却媒体が接して直接冷却が行われ
る。しかしながらこの型式の超電導線においては
冷却媒体をスムーズに流すことが相当に困難であ
り、局部的に冷却媒体の流れが滞つて温度上昇
し、ヒートスポツトが生じたり、またヒートスポ
ツトの回復がすみやかに行われなかつたりする欠
点がある。

そこで本発明者等は、前記中空超電導線の長所
と第４図に示す直接冷却型超電導線の長所とを取
り入れて、全体的な冷却効率が高くしかも局部的
な安定性も良好で、かつ大きな電磁力に耐え得る
構造とした超電導線を特願昭57−45795号におい
て提案している。この提案の超電導線の一例を第
５図に示す。

第５図において、銅、銅合金、高純度アルミニ
ウム、アルミニウム合金等の良導電性材料からな
る断面矩形状の中空な安定化母材１０の内側に
は、Nb―Ti合金、Nb―Ti―Ta合金等の合金系
超電導材料あるいはNb₃Sn、V₃Ga、Nb₃Ge等の
化合物系超電導材料からなる複数本の超電導線１
１が収容されている。そして安定化母材１０の外
側は安定化母材１０と同様な材料あるいはステン
レス鋼等からなる適当数のセパレータ１２を介し
て銅、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等から
なる断面矩形状の外被１３によつて取囲まれ、前
記セパレータ１２により安定化母材１０の外面と
外被１３の内面との間に冷却媒体流路１４が確保
されている。さらに前記安定化母材１０には、そ
の外側の冷却媒体流路１４と内側の空間とを連通
させる丸孔状、長孔状、あるいはスリツト状等の
複数の連通路１５が形成されている。したがつて
冷却媒体流路１４を流れる超臨界圧ヘリウム等の
冷却媒体は連通路１５を流通して安定化母材１０
の内側の超電導素線１１の線間の空隙１６に流入
し、超電導素線１１に直接冷却媒体が接すること
になる。そしてこの安定化母材１０の内側の超電
導素線１１の線間空隙１６においても冷却媒体の
流れが生じることになる。

上記提案の超電導線においては、全体的な冷却
は安定化母材１０の外側の冷却媒体流路１４を流
れる冷却媒体の定常流によつてなされるため従来
の中空型超電導線の場合と同様に均等冷却が行わ
れ、しかも安定化母材１０内の超電導素線１１自
体にも直接冷却媒体が接して直接冷却がなされる
ため冷却効率が高く、なおかつ安定化母材１０の
外側の冷却媒体と内側の冷却媒体とが連通路１５
を介して流入、流出して交換されるため従来の第
４図に示すバンドルタイプの直接冷却超電導線の
場合のように内側の冷却媒体が局部的に温度上昇
してヒートスポツトが生じたりその回復が遅れた
りすることが極めて少なく、したがつてトータル
としての冷却効率が優れると同時に定常安定性お
よび過渡安定性も極めて優れている。また上記提
案の超電導線においては、じよう乱が生じて超電
導状態が破れ、磁束流状態となつた時に電流は安
定化母材に分流することになるため安定化母材の
部分でも発熱することになるが、この安定化母材
の発熱も外側の冷却媒体により冷却されるから、
第４図に示す従来のバンドルタイプの直接冷却方
式に比べ、超電導状態をすみやかに回復すること
ができ、さらに上述のように安定化母材の内外の
冷却媒体が連通路を介して流入、流出するため、
安定化母材内の超電導素線の集合構造が、その長
手方向に冷却媒体がスムーズに流れにくい構造例
えば編組構造や成形撚線構造となつていても特に
支障はなく、したがつて超電導素線の集合構造に
ついての制約がないためその設計の自由度が大き
く、そしてまた超電導素線が超電導線の中央部分
に配置されるため、マグネツト等のコイルに巻い
た場合の曲げ歪の影響による超電導素線の特性劣
化が少なく、しかも超電導素線は外側の安定化母
材によつて保護されるため外部からの電磁力によ
り超電導素線が損傷劣化することが有効に防止さ
れる等、従来の超電導線と比較して格段に優れた
特性を有する。

なお第５図の超電導線においては、複数の超電
導素線１１からなる超電導素線集合体１７Ａ，１
７Ｂを２層に重ね合せて安定化母材１０内に収容
し、かつ２層の超電導素線集合体１７Ａ，１７Ｂ
の間にキユプロニツケル等の高抵抗導電材料から
なる薄いテープ１８を介挿し、各層の超電導素線
集合体１７Ａ，１７Ｂが直接接触しない構成とさ
れている。このように構成することにより、各層
間に結合電流が流れて例えばパルス駆動のごとく
励磁速度が極めて速い場合等における超電導特性
の低下を防止することができる。さらに第５図の
超電導線においては各層の超電導素線集合体１７
Ａ，１７Ｂと安定化母材１０との間にも前記同様
な高抵抗導電材料からなる薄いテープ１９が介挿
されており、このテープ１９は、安定化母材１０
を介して両層間に結合電流が流れることを防止す
る役割を果たす。但し第５図においては図の簡単
化のため各層１７Ａ，１７Ｂの外面の全面にそれ
ぞれテープ１９を設けた状態を示しているが、実
際には連通路１５からの冷却媒体の流入を妨げな
いように、適宜空所を形成しておくのが通常であ
る。

以上のように前記提案の超電導線は、従来の超
電導線と比較して冷却効率が良好でしかも安定性
に優れ、かつまた曲げや外力等に対する機械的強
度も優れ、核融合のほか、各種電気機械、エネル
ギー貯蔵、各磁気共鳴吸収、磁気分離等の各種用
途、特に大型・高磁界マグネツト用超電導線に最
適なものであり、また特に超電導線を多層に収容
して高抵抗導電材料からなるテープ１８や１９を
介挿した場合には、各層間の結合電流が高抵抗導
電テープによつて防止されるため、大電流による
パルス的な用途に最適である。しかしながら本発
明者等がさらに実用化のための研究をすすめたと
ころ、上記提案の超電導線においては未だ次のよ
うな問題があることが判明した。

すなわち、この種の超電導線は第６図に示すよ
うに幅広な面Ａ，Ｂが巻き半径に対する内周側、
外周側に位置しかつ幅狭の面Ｃ，Ｄが巻き中心軸
に対し直角な面となるようにコイル状に巻込んで
超電導マグネツトとして使用するのが通常である
が、安定化母材１０はその肉厚が相当に厚いた
め、全体としての剛性が高く、コイル巻加工に相
当な困難を伴う問題があり、また無理に曲げよう
とすれば安定化母材１０に変形あるいは割れ等が
生じて内部の超電導線１１が損傷してしまうこと
がある。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもの
で、特願昭57−45795号記載の超電導線をさらに
改良し、コイル巻加工を容易に行い得るようにな
し、またこれに伴つてコイル巻き加工時に安定化
母材に変形や割れが生じないようにして内部の超
電導素線の損傷の発生を防止した強制冷却型超電
導線を提供することを目的とするものである。

すなわちこの発明の超電導線は、中空状をなす
断面矩形状の安定化母材の内側に複数本の超電導
素線が収容され、前記安定化母材とこれを取囲む
外被との間には長手方向に連続する冷却媒体流路
が形成され、かつ前記安定化母材にはその内外を
連通する連通路が形成されており、前記冷却媒体
流路を流れる冷却媒体が前記連通路を介し安定化
母材内の超電導素線間の空隙に流入して超電導素
線を直接冷却し得るように構成した強制冷却型超
電導線において、 前記安定化母材の両側壁部、すなわちコイル巻
き加工時における巻き中心軸線に対しほぼ直角と
なる側の側壁部に、安定化母材の長手方向に対し
ほぼ直交する複数のスリツトが間隔を置いて形成
されていることを特徴とするものである。

以下この発明の超電導線をさらに具体的に説明
する。なお以下の説明において安定化母材１０の
部分以外の構成は前記提案のものと同様であれば
良く、したがつて安定化母材１０以外についての
説明は省略する。

第７図はこの発明の超電導線に使用されている
安定化母材１０の第１の例を示すものであり、こ
の安定化母材１０は、全体として断面矩形状をな
すよう一体に作られたものであり、その幅狭な側
の面２０Ｃ，２０Ｄを構成する一対の側壁部２
１，２２、すなわちコイル巻き加工した場合のコ
イル巻き中心軸線に対しほぼ直角となる側壁部２
１，２２には、長手方向に対しほぼ直角に複数の
スリツト２３が所定間隔を置いて形成されてい
る。

第８図はこの発明の超電導線に使用されている
安定化母材１０の第２の例を示すものであり、こ
の場合の安定化母材１０は、断面コ状をなすチヤ
ンネル状素材１０Ａと平板状素材１０Ｂとを組合
せたものであり、チヤンネル状素材１０Ａの開口
側が平板状素材１０Ｂによつて覆われるように両
素材１０Ａ，１０Ｂをスポツト溶接等により相互
に固着することによつて全体として断面矩形状に
作られる。そしてこの場合も、チヤンネル状素材
１０Ａの側壁部２１，２２に前記同様に長手方向
に直交する複数のスリツト２３が間隔を置いて形
成されている。

第９図はこの発明の超電導線に使用される安定
化母材１０の第３の例を示し、また第１０図はそ
の安定化母材１０の分解した状態を示す。この安
定化母材１０は、断面コ状をなす一対のチヤンネ
ル状素材１０Ｃ，１０Ｄを相互に対向状に嵌め合
わせた構成とされている。すなわち、一方のチヤ
ンネル状素材１０Ｃはその両側の側壁部２１Ａ，
２２Ａの外表面間の幅が他方のチヤンネル状素材
１０Ｄの両側の側壁部２１Ｂ，２２Ｂの内表面間
の間隔よりも小さくなるように作られ、前記一方
の素材１０Ｃの側壁部２１Ａ，２２Ａが他方の素
材１０Ｄの側壁部２１Ｂ，２２Ｂの内側に位置す
るように嵌め合わされて、全体として矩形状をな
す安定化母材１０が形成されている。なお、両チ
ヤンネル状素材１０Ｃ，１０Ｄは、特にスポツト
溶接等により相互に固着することなく、単に嵌め
合わせただけの状態で使用されている。そして両
チヤンネル状素材１０Ｃ，１０Ｄの側壁部２１
Ａ，２２Ｂ；２１Ｂ，２２Ｂにはそれぞれ長手方
向に直交する複数のスリツト２３が間隔を置いて
形成されている。

なお上記各例の安定化母材１０のいずれにおい
ても、その内外を連通する丸孔状等の適宜の形状
の連通路１５を少なくとも幅広な側の面２０Ａ，
２０Ｂに適当な間隔を置いて形成しておくことは
前記提案の場合と同様である。

上記各例の安定化母材１０を用いた超電導線を
コイル巻加工する際には、幅広な側の面２０Ａ，
２０Ｂが内周側、外周側となり、それぞれ圧縮
力、引張力が作用する。そして幅狭な側の面２０
Ｃ，２０Ｄ、すなわち側壁部２１，２２，２１
Ａ，２１Ａ；２１Ｂ，２２Ｂはコイル巻中心軸線
に対しほぼ直角な面となるから、その側壁部の内
周側は圧縮力、外周側は引張力が作用する。した
がつてスリツト２３が形成されていない場合には
側壁部は不等変形しなければならず、このように
不等変形するためには極めて大きな力を必要とす
る。しかるに上記各例では各側壁部にそれぞれス
リツト２３が形成されているから、そのスリツト
２３の部分が楔状に変形することによつて上述の
ような不等変形を補うことができ、そのため曲げ
に要する力が少なくて済み、コイル巻加工が容易
となる。

特に第９図に示される例においては、安定化母
材１０を構成する一対のチヤンネル状素材１０
Ｃ，１０Ｄが相互に固着されておらず、単に嵌め
合わされただけであるから、相対的に長手方向に
滑ることができ、したがつてコイル巻加工時にお
いては両素材１０Ｃ，１０Ｄ間の滑りにより引張
側の延びを補うことができるから、前述のような
スリツト２３による効果と相俟つて、コイル巻加
工を極めて容易に行うことができる。

第９図に示される安定化母材１０のコイル巻加
工時の変形時の状況を第１１図Ａ，Ｂに示す。第
１１図から明らかなように内周側となるチヤンネ
ル状素材１０Ｃにおいてはそのスリツト２３の開
口端側が拡開して楔状空所となり、外周側のチヤ
ンネル状素材１０Ｄにおいてはスリツト２３の開
口端側が狭くなつて楔状空所となるから、内周側
となるチヤンネル状素材１０Ｃのスリツト２３は
その幅を狭くしておき、外周側となるチヤンネル
状素材１０Ｄのスリツト２３はその幅を広くして
おくことが望ましい。

なお第９図に示される安定化母材１０の場合、
側壁部分が２重となるため、スリツト２３が形成
されていても、側壁部分の強度は相当に高く、し
たがつて使用時においてコイルの径方向に加わる
電磁力に対しても相当に強い。しかしながら第７
図あるいは第８図に示される安定化母材１０の場
合にはスリツト２３を形成することによつて側壁
部２１，２２の強度が低下し、そのため使用時に
おいてコイルの径方向に加わる電磁力に対して弱
く、場合によつてはその電磁力により安定化母材
１０の側壁部２１，２２が圧潰もしくは変形して
内部の超電導線が損傷もしくは劣化するおそれが
ある。このような問題を解決するためには、例え
ば第１２図Ａ，Ｂに示すように、曲げにより開い
たスリツト２３の空間にその開いた形状に適合し
た楔状（三角形状）の補助片２４を差し込み、こ
の補助片２４をスポツト溶接等により固定するこ
とにより安定化母材１０の側壁２１，２２を補強
する方法がある。なおこの場合補助片２４は安定
化母材１０と同材料で作ることが望ましい。

第１３図は安定化母材１０を前記同様にコ型の
一対のチヤンネル状素材１０Ｃ，１０Ｄによつて
構成し、かつその外面に長手方向に沿つて複数の
突条部２５を一体に形成した例を示す。前記突条
部２５は、前述の特願昭57−45795号（第５図参
照）におけるセパレータ１２に相当するものであ
つて、安定化母材１０と外被１３との間に冷却媒
体流路１４を確保する役割を果たす。第１２図に
例においても、チヤンネル状素材１０Ｃ，１０Ｄ
の各側壁部２１Ａ，２２Ａ；２１Ｂ，２２Ｂに複
数のスリツト２３が形成されており、また各スリ
ツト２３は側壁部２１Ａ，２２Ａ；２１Ｂ，２２
Ｂに形成されている突条部２５を横断しているこ
とはもちろんである。

第１３図に示すようにセパレータ１２の役割を
果たす突条部２５が安定化母材１０の幅広な側の
面２０Ａ，２０Ｂ、すなわちコイル巻加工した場
合の内周側、外周側となる面にも一体に形成され
ている場合、その面の剛性が高くなつてコイル巻
加工が困難となることがある。そこで第１４図、
第１５図に示すように幅広な側の面２０Ａ，２０
Ｂの突条部２５にも長手方向に直交するスリツト
２６を間隔を置いて形成しておくことが望まし
い。このように幅広な面２０Ａ，２０Ｂの突条部
２５にスリツト２６を形成しておくことによつて
コイル巻加工を容易に行うことができる。但し安
定化母材１０の無用な強度低下を避けるため、幅
広な面２０Ａ，２０Ｂの母材自体にはスリツトを
形成しないことが望ましい。

またこの場合例えば第１６図、第１７図に示す
ように幅広な面２０Ａ，２０Ｂの突条部２５にお
けるスリツト２６を形成すると同時にその底部を
母材内側へ貫通させ、これによつてスリツト２６
と、安定化母材１０の内外を連通させる連通路１
５とを兼ねるようにすることができる。

なお第１４図、第１５図の例、および第１６
図、第１７図の例のいずれにおいても、各図に示
されているように、幅広な側の面２０Ａ，２０Ｂ
に形成されている突条部２３のスリツト２６の位
置と、幅狭な側の面２０Ｃ，２０Ｄの側の母材自
体のスリツト２５の位置とは異ならしめること
（すなわち安定化母材の長手方向にずれた位置に
形成しておくこと）が強度的に好ましい。同時に
幅広な側の各面２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ複数の
突条部２５が形成されている場合、各突条部２５
のスリツト２６の位置をずらすことが強度的に有
利である。

次にこの発明の強制冷却型超電導線を製造した
具体例を記す。

嵌合型安定化母材はロール圧延とプレス打抜き
加工により、下記(1)、(2)の２種の異型無酸素銅テ
ープを組合せたものとして製造した。

(1) 平坦部1.0mm厚さでかつ高さ1.5mmの４条の突
条部をもつ31mm幅のテープであり、中央の突条
部の２条については突条部の幅と同一の幅４
mm、長さ５mmの穴を20mm間隔でもつているも
の。

(2) 平坦部1.0mm厚さでかつ高さ1.5mmの２条の突
条部をもつ27mm幅のテープであり、その２条の
突条部については突条部の幅と同一の幅４mm、
長さ５mmの穴を20mm間隔でもつているもの。

(1)、(2)をそれぞれコ型に折曲げて嵌め合すこと
により、安定化母材を構成した。安定化母材中に
挿入される超電導線は、1.4mmφ極細多芯Nb₃Sn
素線を15本成形撚線したものを２層積み重ねたも
のとした。このように超電導線を挿入した複合安
定化母材を、外被としての連続管を無酸素銅テー
プからつくる連続溶接ラインに通したあと、ロー
ルあるいはダイスにより最後の平角成形を行い、
外径13mm×23mmのこの発明の強制冷却型超電導線
を製造した。

このような製法は原則的には数100ｍのもので
も製造可能であり、長尺大型強制冷却超電導線の
製造に適しているといえる。

また上述の実施例により得られた強制冷却超電
導線を300mm直径のフランジに巻き付けても表面
上何の欠陥も生じなかつた。この巻き付けに供し
たサンプルの短尺品をNb₃Sn生成熱処理の800℃
×50Hに供したあと、4.2Kの液体ヘリウム中で外
部より10Tの磁場をかけて臨界電流を測定したと
ころ26000Aの値を得た。これは直線サンプルの
値とほぼ同じであり、1.4mmφNb₃Sn素線の臨界電
流920A（4.2K、10T）の30本分の値27600Aから
余り劣化しておらず、コイル巻加工にも充分耐え
る構造であるといえる。

以上の説明で明らかなように、この発明の超電
導線は、前記提案の超電導線と同様に冷却効率が
良好でしかも安定性に優れ、かつまた曲げや外力
等に対する機械的強度も優れている等の利点を有
するほか、特に安定化母材１０の側壁部にスリツ
トを形成したものであるため、コイル巻加工が容
易となる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図まではそれぞれ従来の中空超
電導線の一例を示す断面図、第４図は従来の直接
冷却型超電導線の一例を示す断面図、第５図はこ
の発明に先行して提案されている超電導線の一例
を示す断面斜視図、第６図は第５図の超電導線を
コイルに巻いた状態を示す略解的な斜視図、第７
図はこの発明の超電導線に使用される安定化母材
の第１の例を示す斜視図、第８図は同上安定化母
材の第２の例を示す斜視図、第９図は同上安定化
母材の第３の例を示す斜視図、第１０図は第９図
に示される安定化母材の分解斜視図、第１１図
Ａ，Ｂはそれぞれ第９図に示される安定化母材の
側面図でＡはコイル巻加工前の状態、Ｂはコイル
巻加工後の状態をそれぞれ示し、第１２図Ａ，Ｂ
は第８図に示される安定化母材のスリツトに楔状
の補助片を差し込む前後の状況を示す側面図、第
１３図は突条部を一体に形成した安定化母材の第
１の例を示す斜視図、第１４図は突条部を一体に
形成した安定化母材の第２の例を示す斜視図、第
１５図は第１４図に示される安定化母材の側面
図、第１６図は突条部を一体に形成した安定化母
材の第３の例を示す斜視図、第１７図は第１６図
に示される安定化母材の側面図である。 １０…安定化母材、１１…超電導線、１２…セ
パレータ、１３…外被、１４…冷却媒体通路、１
５…連通路、２１，２２；２１Ａ，２１Ｂ；２２
Ａ，２２Ｂ…側壁部、２３…スリツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中空状をなす断面矩形状の安定化母材の内側
   に複数本の超電導素線が収容され、前記安定化母
   材とこれを取囲む外被との間には長手方向に連続
   する冷却媒体流路が形成され、かつ前記安定化母
   材にはその内外を連通する連通路が形成されてお
   り、前記冷却媒体流路を流れる冷却媒体が前記連
   通路を介し安定化母材内の超電導素線間の空隙に
   流入して超電導素線を直接冷却し得るように構成
   した強制冷却型超電導線において、 その超電導線のコイル巻加工時における巻き中
   心軸線に対しほぼ直角となる側の安定化母材の側
   壁部に、安定化母材の長手方向に対しほぼ直交す
   る複数のスリツトが間隔を置いて形成されている
   ことを特徴とする強制冷却型超電導線。