JPS59130011A - 強制冷却型超電導線 - 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】 この発明は核融合炉等の超電導マグネットの超電導コイ
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図に示寸ように、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の壁面内に超電容素Ｆｉｔ３Ａ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
銅等の安定化母料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
１４が形成されるとともに各凹溝４に成形超電容素ＦＡ
３Ｇ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
ットにおいては、導体内に冷ｆＩＪ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
となっているため、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ットが生じて超電
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って温度上昇し、ヒー
トスポットが生じたり、またヒートスポットの回復がす
みやかに行われなかっ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５
７−４．５７９５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（こおいて、銅、銅合金、高純度アルミニウム、
アルミニウム、合金等の良尋電性材料からなる断面矩形
状の中空な安定化母弓１０の内側には、Ｎｂ　　Ｔｉ合
金、ｔｏｏ　　Ｔｉ　　Ｔａ合金等の合金系超電導材料
あるいはＮｂ３Ｓｎ、　Ｖ３　Ｇａ　ｚ　Ｎｂ３Ｇｅ等
の化合物系超電導材料からなる複数本の超電導線１１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
って取囲まれ、前記セパレータ１２により安定化母材１
０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、あるいはスリット状等の複数の連通路１
５が形成されている。したがって冷却媒体流路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１′０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
定常流によっ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ット
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
、したがっ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、磁束流状態となっ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っていても特に支障はなく、し
たがっ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、マグネット等の
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（、しかも超電導素線は外側の安定化母
材によっ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１
１からなる超電導素線集合体１７Ａ、１７Ｂを２層に重
ね合せて安定化母材１ｏ内に収容し、かつ２層の超電導
素線集合体１７Ａ、１７Ｂの間にキュプロニッケル等の
高抵抗導電材料からなる薄いチー１１８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１７Ａ、１７Ｂと安定化母材１
０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がも安定性に優れ、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・高磁界マグネット用
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Ｎ流が高抵抗導電テー
プによって防止されるため、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。

すなわち上記電導線において、安定化母材１０は電流を
安定化させる機能を有すると同時に、超電導マグネット
としての使用時において超電導素線１１の集合体１７Ａ
、１７Ｂを大電磁力から保護する機能を有し、これに対
し外被１３は、冷媒としての超臨界圧ヘリウム用の圧力
容器として機能すれば足り、したがって、上記提案の超
電導線においては、外被１３は安定化母材１０よりも薄
く形成して良いものと考えられていた。一方、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
径に対する円周側、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
き込んで超電導マグネットとして使用するのが通常であ
る。しかし、外被１３は安定化母材１０の外側に位置し
ているため、コイル巻き加工を施す際においては外被１
３の特に巻き半径内側および外側の・面には安定化母材
１Ｏの同じ側の面と比較して大きな歪が加わり、しかも
前述したように外被１３は安定化母材１０よりも薄肉に
形成されていることから、外被１３には座屈による破損
が生じて冷媒通路１４を通る超臨界圧ヘリウムの圧力容
器としての機能を果し得なくなるおそれがあった。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、特
願昭４５７９５＠記載の超電導線をざらに改良し、コイ
ル巻き加工時に外被に座屈による破損が生じないように
した強制冷却型ｍｉ電導線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、前記外被を前記安定化母材よりも厚肉に形成
したことを特徴とするｔ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外被１３及び安定化母材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、
したがって外被１３及び安定化母材１０以外についての
説明は省略する。

第７図に示すようにこの発明の超電導線に使用されてい
る外被１３は、安定化母材１０よりも厚肉に形成されて
いる。このようにすることにより、外被１３の方が安定
化母材１０よりも薄く形成された場合に比較して曲げた
時の歪をより高い程度まで許容することができ、外被の
座屈はより高い限度まで生じなくなる。

つぎに、この発明の実施例および外被１３の方を安定化
母材１０よりも薄くして形成した比較例を記す。

実施例 無酸素銅からなる厚さ０．８ｖｕの安定化母材内にＮｂ
３Ｓｎ成形撚線（線径１．４ＩｌｌＩ１１）を１５本づ
つ２層に配置し、同じく無酸素銅からなる厚さ１．２ｍ
ｍ。

外被によってセパレータを介して前記安定化母材を取囲
んで強制冷却型超電導線を形成した。この超電導線をコ
イル巻直径が１００１１１［Ｉｌとなる程度まで曲げて
も座屈現象によるシワの発生はみられなかった。

比較例 安定化母Ｈの厚みを１．２ＩＩＩＩＩｌとし、外被の厚
みを０．８１１ＩＩＩｌとする以外は前記実施例と同様
にして強制冷却型超電導線を形成した。この電導線の場
合コイル巻直径１３０１１１［ａで外被１３に良屈現象
によるシワが発生した。

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、外力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、外被１３の肉厚を安定化母材１０の
肉厚よりも大きくしたことによりコイル巻き加工により
外被１３に一定以上の曲げを加えても座屈現象によるシ
ワの発生等はみられず、したがってこの発明の超電導線
を用いる場合、コイル巻加工を施しても外被に座屈によ
る破損が生じるようなことはない。

【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図はこの発明の実施例の断面斜視図である
。 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、　１５・・・連通路、　１６・−・超電導
素線間の空隙。 出願人　　藤倉電線株式会社 代理人　　弁理士　豊田武久 （ほか１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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Ｂ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、 前記外被を前記安定化母材よりも厚肉に形成したことを
   特徴とする強制冷却型超電導線。