JPS59130012A - 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
ットにおいては、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
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
ハ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
７−４５７９５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拐料あるい
はＮｂ３Ｓｎ、　Ｖ３　Ｇａ　、　Ｎｂｓ　Ｇｅ等の化
合物系超電導材料からなる複数本の超電導素線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、あるいはスリット状等の複数の連通路１５
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
示すハ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（ｂ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
の特性劣化が少なく、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の間にキュプロニッケル等の
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１ｉ１７Ａ、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１
５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チー７１８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。しかしながら本考案者等がさらに実用
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において安定化母材１０と外
被１３との間に冷却媒体流路１４を確保するためのセパ
レータ１２を設けるための手段としては、第６図に示す
ようにセパレータ１２として、線材状あるいは帯状のも
のを用い、これを安定化母材１０の外側に開放螺旋状に
巻付けることが考えられていた。しかしながらこのよう
にセパレータ１２を安定化母材１０の外側に巻付けてな
る超電導線は、これをコイル巻加工のために曲げる際に
セパレータ１２が締まる傾向を示し、そのため曲げづら
くなり、特に小径にコイル巻加工を行うことが困難とな
って、無理に曲げ加工しようとすれば曲げが不均一とな
ったり、安定化母材に割れや座屈が生ずるおそれもあっ
た。

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Ｈ！４電導線をさらに改良し
、コイル巻加工を容易にして、小径のコイルをも容易に
得られるようにした強制冷却型超電導線を提供づること
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ず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、 前記安定化母材の外面の各面と外被の内面との間に、そ
れぞれ安定化母材の外面各面の長手方向に連続するセパ
レータが配設され、かつそれらのセパレータのうち、少
なくともコイル巻加工の際において内側および外側とな
る側の安定化母材外面各面に対応するセパレータが、安
定化母材外面各面の幅方向に交互に位置変位するように
屈曲状に形成されて、セパレータがこのように屈曲して
いることにより有する余裕を生かして、コイル巻加工を
施す際に小径にもたやすく曲げられるようにしたことを
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およびスペーサ１
２に相当する部分以外の構成は前記提案のものと同様で
あれば良く、したがってそれ以外の部分についての説明
は省略する。

第７図に示されるように、この発明の超電導線に使用さ
れる全体としてほぼ断面矩形状をなす安定化母材１０の
外周の各面と外被の内面との間には長手方向にそってそ
れぞれ１条以上のセパレータ１２ａが配設され、このセ
パレータ１２ａにより前述した外被１３と安定化母材１
０との間の冷却媒体流路が確保される。なお、安定化母
材１０の壁面にその内外を連通する連通路１５が形成さ
れていることは前記提案の場合と同様である。

上記セパレータ１２ａは安定化母材１０の外面各面の幅
方向に交互に位置変位するように屈曲状に形成されて配
設される。すなわちこの実施例においては図示されるよ
うに、セパレータ１２ａは蛇行状に配設される。

このセパレータ１２ａを配設された安定化母材１０を用
いた超電導線をコイル巻加工のために曲げた場合には、
曲げ中心からみて外側のセパレータ１２ａは長手方向に
引張られて直線状に近くなり、内側のセパレータ１２ａ
は圧縮されて蛇行が強化される。そして、このようにセ
パレータ１２ａは蛇行して配設されるために長手方向に
余裕を有すことから引張力に対しては伸び、圧縮力に対
しては縮んで対応し、したがって、コイル巻加工を施す
際の困難性は緩和され、小径に巻回することも容易に行
える。

第８図はこの発明の他の実施例を示す。この実施例にお
いてはセパレータ１２ａはつづら折り状にすることによ
り安定化母材１０の外面各面の幅方向に交互に位置変位
するように形成されている。

この実施例においても上記実施例と同様にセパレータ１
２ａが引張力に対しては伸び、圧縮力に対しては縮んで
対応し、コイル巻加工を施す際の困難性は緩和される。

なお、以上の各実施例においては、所々点溶接を行いセ
パレータ１２ａを安定化母材１０に対して固定するよう
にしても良い。そうした場合、コイル巻加工を施しても
セパレータ１２ａと安定化母材１０との間には間隙が生
じず、超電導線全体の外径を若干小さくすることができ
、したがってコンパクトな超電導線を得ることができる
。

また上記各実施例では、安定化母材外面各面の幅方向に
交互に位置変位するように屈曲状に形成されたセパレー
タが安定化母材の外面の各面に配設されているが、この
種の超電導線は第９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ットとして使用するのが通常
であり、超電導線をコイル巻加工のために曲げる際に特
に問題となるのは、外径１３の面Ａ、Ｂと、この面Ａ、
Ｂに対向する安定化母材１０の面、すなわち、コイル巻
加工の際において内側および外側となる側の安定化母材
１０外面との間に配設されるセパレータの挙動である。

したがって、上記面Ａ、Ｂに対向する安定化母材１０の
外面と、上記面Ａ、Ｂとの間に配設されるセパレータが
屈曲状に形成されていればこの発明の目的は達成され、
上記面Ｃ，Ｄに対向する安定化母材１０の外面と、面Ｃ
，Ｄとの間には長手方向に直線的に連続するセパレータ
を配設するようにしてもよい。

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、かつまた曲げヤ外力に対する機械的強度も優
れる等の利点を有するほか、安定化母材と外被との間の
冷却媒体流路を確保するだめのセパレータが、安定化母
材の外面の幅方向に交互に位置変位するように屈曲状に
形成されて配設されているためコイル巻のための曲げ加
工時には、このセパレータ１２ａが、引張力に対しては
伸び、圧縮力に対しては縮んで対応し、したがって前記
提案の超電導線の如く安定化母材の外側にセパレータを
巻付けた場合と比較して格段にコイル巻加工が容易であ
り、またそれに伴って均一な曲げ径を得ることができる
とともに、小径のコイルに巻くことも可能となり、さら
には曲げ加工時の無理な力により安定化母材に割れや座
屈が生じるおそれもない等の種々の利点を有するもので
ある。

【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斜視図、第６図は第５
図の超電導線における安定化母材およびセパレータを示
す斜視図、第７図はこの発明の一実施例を示す斜視図、
第８図はこの発明の他の実施例を示す斜視図、第９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
斜視図である。 １０・・・安定化母材、　１１・・・超電導素線、　１
２．１２ａ・・・セパレータ、　１３・・・外被、　１
４・・・冷却媒体通路、　１５・・・連通路、　２０・
・・突条部。 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） 第１図　　　　　　第２図 第３図　　　　　　　第４し 第５図 第７図 １どｑ 第９図

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ずる連通
   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、 前記安定化母材の外面の各面と外被の内面との間に、そ
   れぞれ安定化母材の外面各面の長手方向に連続するセパ
   レータが配設され、かつそれらのセパレータのうち、少
   なくともコイル巻加工の際において内側および外側とな
   る側の安定化母材外面各面に対応するセパレータが、安
   定化母材外面各面の幅方向に交互に位置変位するように
   屈曲状に形成されていることを特徴とする強制冷却型超
   電導線。