JPH0491408A - 超伝導コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、核融合などに用いる超伝導磁石に係り、特に
、クエンチの起こりにくい超伝導コイルに関する。

〔従来の技術〕

超伝導線は、例えば、日立電線（Ｎ１１３　、１９８３
）に述べられているように、銅線の中にニオブチタン合
金やニオブスズ合金などの超伝導材料からなる細線を蜂
の巣状に埋め込んだワイヤ状のものである。超伝導コイ
ルは、例えば、日立電線（Ｎα４゜１９８４）に記載さ
れているように、このワイヤをコイル状に積層して巻い
たものである。これらのワイヤはエポキシ等の絶縁性樹
脂で固められている。本来、超伝導コイル内部で擾乱が
発生しなければ、このコイルはきわめて安定に超伝導磁
石として動作する。しかし、第２図に示すような大型の
レーストラック型の構造では、超伝導磁石は外部の強い
電磁力を受けた場合、超伝導コイルは変形し、ワイヤ間
のすべりやワイヤ間を埋めるエポキシの割れなどの機械
的擾乱が起こり易い。この擾乱は最終的に、超伝導線の
温度上昇を招き、超伝導線の温度が臨界温度を越えれば
超伝導状態が破れるクエンチを引き起こす。第３図は従
来の一般的な超伝導コイルの断面構造として、例えば、
第２図の■−■断面を部分的に示したものである。

超伝導磁石の本体となるコイルの導体は、超伝導線材を
蜂の巣状に束ねたワインを積層しエポキシ等の絶縁材料
で固めたものを使用する。固められたワイヤは、前述の
ように、機械的擾乱によりワイヤ間がすべり、摩擦によ
り発熱する。従来はこの摩擦を小さくするため、ブロッ
ク間にすべり易い樹脂を使用して摩擦を低減し、発熱を
小さくする方法がとられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来例では、超伝導コイル内部での発生熱を積極的
に冷却する手段まではこうじていない。

よって摩擦熱を減少しても発生熱による超伝導線のわず
かの温度上昇は避けられず、クエンチを生じることにな
る。本発明の目的は、擾乱による超伝導コイルの温度上
昇を防ぎ、クエンチ防止効果の高い超伝導コイルを提供
することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明では、超伝導コイルを
構成するワイヤの巻き線間にワイヤと交互、あるいは、
数段ごとに熱拡散効果を持たせたシート状材料を挿入し
た超伝導コイルとする。このシート状材料は、高熱伝導
性材料、あるいは、シートに冷却媒体の進入できる溝を
設けた材料が＝３− ら成る。

〔作用〕

超伝導磁石は、超伝導コイルを包み込むような構造の冷
却媒体容器の中に浸漬されている。通常、コイルはこの
冷却媒体により冷却され、超伝導状態を維持している。

よって、擾乱により超伝導コイルの内部に発生した熱は
、コイル内部では伝導により、コイル表面では対流によ
り伝達され、最終的にこイル周囲の冷却媒体に伝えられ
る。本発明では、超伝導コイルを形成するワイヤ間に高
熱伝導性シートを挟んで用いるため、ワイヤ間で発生し
た熱を本シートを介して迅速に拡散し、さらに、コイル
の周辺部ではシートの端面から、直接、冷却媒体に熱を
伝えることが出来る。また、冷却媒体が進入できるよう
な溝付シートを用いた場合には、擾乱によりコイル内部
で発生した熱は、溝に進入している冷却媒体の気化に使
われ、気化熱による吸収という形で除かれる。この気化
した冷却媒体は新たに溝に進入してくる液状の冷却媒体
と置き変わりコイルの外へ排出される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。これ
は超伝導コイルの構成を部分断面図で示したものである
。このコイルは、直径数十μｍの細い超伝導線２を多数
合わせ、外形ｌｌｌｌ１１ないし２Ｉ程度の超伝導ワイ
ヤ３を巻き線として用いたものである。これらワイヤは
エポキシ樹脂などの絶縁材料からなるコイル固定用樹脂
５で固められている。各層のワイヤ間には本発明による
熱伝導シート４が挟みこまれている。例えば、本シート
はテフロン樹脂の中に熱伝導率２６０Ｗ／ｍｋ以上の高
熱伝導セラミックスの微粒子を混合し、普通の絶縁シー
トに比較して、熱伝導率を数倍高めたものを用いる。こ
のようにして積層したワイヤ３の周囲は絶縁用樹脂６で
絶縁がたもたれ、さらに、外周にはコイル保護用樹脂７
、例えば、繊維強化プラスチックで覆われている。これ
ら超伝導コイルは、コイルを囲むように作られた冷却媒
体容器１に満たされた冷却媒体８に浸漬されている。極
低温超伝導を行うニオブチタン合金を超伝導線として用
いる場合は、冷却電体として液体ヘリウムを用い浸漬さ
れた超伝導コイルは４．２に以下に保たれ、超伝導磁石
として作用する。本発明による超伝導コイルは、コイル
を構成するワイヤが各々熱伝導シートと接触して構成さ
れているため、擾乱によりワイヤ周辺に発生した熱はワ
イヤのどの部分で発生しても隣接する熱伝導シートを介
して拡散させる。さらに、本シートはコイル外周の保護
樹脂７を突き抜け、端部が周囲の冷却媒体と、直接、接
するようになっているため、発熱部から冷却媒体までの
熱抵抗が小さく、冷却媒体への熱の放出が低い温度差で
おこなわれる。このため、発熱部の温度上昇を極めて小
さく抑えることができ、擾乱による発熱が原因となるク
エンチの抑制に有効である。

また、本実施例における熱伝導シート４は樹脂系の材料
であるが、熱伝導率の大きい金属材料、例えば、銅やア
ルミニュウムの薄板や箔を絶縁材料でコーティング処理
したものを用いてもよい。

第４図は本発明による他の実施例を示したものである。

本実施例は、熱伝導シート４のコイルの両端に位置する
部分に図示のような鍔１３を設けた例である。熱伝導シ
ートをこのような形状で用いることにより、シート端部
の伝熱面積を大きくでき、第１図に示す実施例と比較し
て、冷却媒体への放熱量をさらに大きくすることができ
る。また、本構造では、シートの鍔１３がコイルを両端
から挟み込み、コイルの水平方向への拡がりを抑える構
造になっている。そのため、擾乱が生じたときのコイル
のずれを小さくでき、発熱も小さく抑えられ、大きな擾
乱に対しても有効にクエンチを抑えることができる。

第５図は熱伝導シート４の鍔１３をコイル保護用の樹脂
７に埋め、端部でシートに拡がりを持たせるようにした
実施例を示したものである。本実施例では、コイルの積
層に影響しない周辺の樹脂部で、熱伝導シートの端部を
徐々に拡大し冷却媒体と接する部分で放熱面積を大きく
なるようにしたものである。この結果、第４図に示す実
施例のようにシートの断面積を急激に大きくする場合と
比較し、伝熱面積の拡大による熱抵抗を小さくできる。

このように発熱部から冷却媒体までの熱抵抗を小さくす
ることは、前述のように発熱部の温度上昇をより小さく
抑えることができ、クエンチ発生までの擾乱に対する許
容度が大きくなる。

第６図、第７図および第８図は冷却媒体を超伝導コイル
の内部に進入させる構造に使用する熱伝導性シート形状
の例を示したものである。これら熱伝導シートの材質は
先に述べたものを用いてよい。第６図は、シートの片面
に矩形状の溝１５を平行に設けたもので、これらの溝は
毛管現象により冷却媒体を引き込む寸法に作られる。第
７図は、第６図に示す溝を熱伝導シートの両面に設けた
例である。このような溝付のシートはワイヤとの接触面
積も小さくなるので冷却効果と共に擾乱による摩擦も小
さくなり、超伝導コイルの耐クエンチ性が高まる。第８
図は熱伝導シートの各溝１５を溝の長手方向に断面積を
変え、気化した冷却媒体を溝から逃し易い構造としたも
のである。気化した冷却媒体は体積の増加に伴って断面
積の大きい方向に移動する。この結果、対する端面であ
る断面の小さい方の端面から新たな冷却媒体が進入し、
コイルの温度上昇により冷却媒体の気化した部分は直ち
に新しい冷却媒体で満たされる。このため。

コイルの温度は冷却媒体の温度とほとんど等しくなり、
温度変化を小さく抑えることができる。

第９図の実施例は、本発明である熱伝導シートの端部か
ら冷却媒体へ熱伝達を促進させるため、熱伝導シート端
部と接触する冷却媒体を電気流体力学的効果を利用して
撹拌し、大きい熱伝達効果を得る構造としたものである
。このため、熱伝導シートの端部近傍の冷却媒体８中に
電気伝導性の金属板を電極として用いられるように配置
した。

この電気流体力学的効果を引き出すため、熱伝導性シー
ト性の電極を接地電極１７とし、これに対向する位置に
も対向電極１８を設け、これらの間に電界を生じるよう
に直流電源１９を接続する。

ただし、接地電極側はアース２０に接続している。

本構造により付加する電界の強度に応じて電極付近の冷
却媒体が撹拌される。この作用により熱伝導シートを伝
する熱は効率よく冷却媒体に吸収され、擾乱に対して超
伝導コイルを安定に動作させることができる。

第１０図は、第９図に示した接地電極を熱伝導シートの
端部と接合一体化し、電極を、直接、伝熱面として利用
できるようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によると、機械的擾乱により超伝導コイル内部に
発生する局所的発熱に対して、コイルの温度上昇を小さ
く抑えることが出来、擾乱により生じる超伝導コイルの
クエンチを抑制する効果がある。この効果により、さら
に超伝導状態を安定に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の部分断面図、第２図は超伝
導コイル全体を示す断面図、第３図は従来のコイルの部
分断面図、第４図は本発明の一例を示す断面図、第５図
は本発明の他の実施例を示す断面図、第６図は本発明に
よるシートの断面図、第７図は本発明によるシートの断
面図、第８図は本発明によるシートの他の例を示す平面
図（ａ）および断面図、第９図は本発明の他の実施例を
示す断面図、第１０図は本発明の他の一実施例を示す断
面図である。 １・・・冷却媒体容器、２・・・超伝導線、３・・・超
伝導ワイヤ、４・・・熱伝導シート、５・・・コイル固
定用樹脂、６・・・コイル絶縁用樹脂、７・・・コイル
保護用樹脂、８・・・冷却媒体、９・・・超伝導コイル
、１０・・・断熱材。 １１・・・超伝導磁石外槽、１２・・・冷却媒体入口、
１３・・・鍔、１４・・・摩擦低減用絶縁樹脂、１５・
・・冷却媒体進入用溝、１７・・・接地電極、１８・・
・対向電第８図 （−８ン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．超伝導線を積層したコイルを液体窒素や液体ヘリウ
   ム等の冷却媒体に浸漬し、超伝導磁石にする超伝導コイ
   ルにおいて、 前記伝導線の間に電気的絶縁性と高熱伝導性の両特性を
   備えた熱伝導シートをコイル巻き線の層間に端部が前記
   冷却媒体に接触するように挿入したことを特徴とする超
   伝導コイル。
2. ２．請求項１において、高熱伝導セラミツクスの微粒子
   を混入した樹脂で作られた熱伝導性シートを用いる超伝
   導コイル。
3. ３．請求項１において、金属シートをコーテイングによ
   り絶縁処理した熱伝導シートを用いた超伝導コイル。
4. ４．請求項１ないし３において、熱伝導シートに複数の
   溝を付け、溝付熱伝導シートとした超伝導コイル。
5. ５．請求項１ないし４において、熱伝導シートの端部に
   鍔状の突起を設けた超伝導コイル。
6. ６．請求項１ないし５において、熱伝導シート端部の近
   くの前記冷却媒体中に接地電極と対向電極とを設け、前
   記電極間に電界を付加して周囲の媒体を電気流体力学的
   に撹拌する超伝導コイル。
7. ７．請求項６において、熱伝導シートの前記冷却媒体と
   接する端面に金属箔を貼付けるなどの導電化処理をし、
   接地電極として用いる超伝導コイル。