JPS5990305A - 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ｉ柵多芯超電導素線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でき、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何であ
り、局部的に冷却媒体の流れが浦って濃度上昇し、ヒー
トスボッ１〜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　　ＴｌＴａ合金等の合金系超電導材料あるいはＮ
ｂ３Ｓｎ、　Ｖ３　Ｇａ　、　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　Ｊ　− 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１
５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４− 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図に示す従来のハ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スに流れ
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１〜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Ｎ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Ｉ
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果合体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Ｓ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チ
ー７１つが介挿されており、このテープ１９は、安定化
母材１゜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Ｈ１７Ａ、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。、しかしながら本琵明者等がさらに実
用化のための研究をすずめたところ、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Ｏ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る。また、前記提案の超
電導線を実際に製造するにあたって断面矩形状の安定化
母材１０を作成する際には、第７図に示すようにコ型チ
ャンネル状の素材２１と平板状の素材２２とを用意して
おき、平板状素材２２が安定化母材１０の一方の幅広な
面１０Ａとなり、口型チャンネル状素材２１が他の３面
１０Ｂ、１０Ｃ１１０Ｄとなるように合せてその合せ目
をスポット溶接することが考えられており、ここでスポ
ット溶接を行うのは、コイル巻加工時において安定化母
材１０の蓋の役割を果たす平板状素材２２がずれて内側
へ落ち込み、内部の超電導素線に損傷を与えてしまう事
態の発生を防止するためであるが、このスポット溶接の
手間が相当に繁雑で生産性が悪く、またスポット溶接を
施しておいてもコイル巻加工時に無理に曲げようとすれ
ばその溶接部が剥離して、前述の如く平板状素材２２が
落ち込み、超電導素線を１傷させることがある等の問題
がある。一方、第７図の安定化母材と類似しているが、
第８図に示すように平板状素材２２に嵌め合い部２２Ａ
、２２Ｂを形成して、この嵌め合い部２２Ａ、２２Ｂを
口型チャンネル状素材２１の両端に嵌め込むことも考え
られているが、この場合でもスポット溶接が必要なのは
前記同様である。

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するとともに、安定化母材の
作成時におけるスポット溶接を不要とし、かつまた安定
化母材の一部の落ち込みによる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ｍ７４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ｆＪ］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１ノ安定化母（オ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、前記安定化は材が、断面コ状をな
す一対のチャンネル状素材を相互に対向状に嵌め合せる
ことにより全体として断面矩形状をなすように作られて
いることを特徴とするものである。

またこの発明の超電導線は、さらに前記安定化母材に、
その長手方向に沿って複数の突条部が形成され、かつそ
の安定化母材の側壁部に長手方向に直交するスリットが
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１ｏ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、したがって安定
化母材１０以外についての説明は省略する。

第９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の一例を示すものであり、この安定化母材１０は
、断面コ状をなす一対のチャンネル状素材２３．２４を
相互に対向状に嵌め合せた構成とされている。すなわち
、一方のチャンネル状素材２３はその両側の側壁部２３
Ａ、２３Ｂの外表面間の幅が他方のチャンネル状素材２
４の両側の側壁部２４Ａ、２４Ｂ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２３の側壁
部２３Ａ、２３Ｂが他方の素材２４の側壁部２４Ａ、２
４Ｂの内側に位置するように嵌め合されて、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、
両チャンネル状素材２３．２４は、特にスポット溶接等
により相互に固着することなく、単に嵌め合せただけの
状態で使用されている。ｔた両チャンネル状素材２３．
２４かうなる安定化母材１０に、その内外を連通ずる丸
孔状あるいはスリット状等の適宜の形状の複数の連通孔
１５を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。

上述のような安定化母材１０を構成する一対のチャンネ
ル状素材２３．２４は相互に固着されておらず、単に嵌
め込まれただけであるから、互いに長手方向に摺動する
ことができる。したがってこのような安定化母材１０を
用いた超電導線をコイル巻加工した場合、素材２３．２
４が相対的に滑って引張側の延びを補うことができ、そ
のため曲げ加工を容易に行うことができる。また前記提
案の第７図に示す安定化母材の場合の如く平板状素材２
２がずれて内側へ落ち込むようなことがなく、したがっ
て内部の超電導素線１１が安定化母材１０を構成する素
材の落ち込みにより損傷される事態の発生を有効に防止
でき、さらにはスポット溶接を要しないため超電導線の
組立て工程も簡略化される。そしてまた、一方のチャン
ネル状素材２３の側壁部２３Ａ、２４Ｂと、他方のチャ
ンネル状素材２４の側壁部２４Ａ、２４Ｂとが相互に重
なり合って、安定化母材１０としての側壁部分が２重と
なり、このような安定化母材１０をパンケーキコイルに
巻き込む場合、第１０図に示すように前述の２重になっ
た側壁部分が巻き中心軸Ｏに対して直角となって半径方
向に沿った面となるから、使用時においてコイルの径方
向に加わる大きな電磁力Ｆに対し著しく強くなり、その
結果使用時の径方向のｔｍ力により安定化母材が圧潰あ
るいは変形して内部の超電導線が損傷されることも有効
に防止できる。

第１１図はこの発明の超電導線に使用される安定化母材
１０のざらに改良した例を示すものであリ、この場合に
は安定化母材１０を構成する一対の口型チャンネル状素
材２３．２４の外面にその長手方向に沿った複数状の突
条部２５が一体に形成されている。これらの突条部２５
は、前述の特願昭５７−４５７９５号の提案（第５図参
照〉におけるセパレータ１２に相当するものであって、
安定化母材１０と外被１３との間に冷却媒体通路１４を
確保する役割を果たす。したがって第１１図の安定化母
材１０を用いて超電導線を組立てる場合には、別にセパ
レータ１２を用意してこれを組込む必要がなく、組立て
作業が簡略化される。

また第１１図の安定化母材１０においては、各チャンネ
ル状素材２３．２４の側壁部２３Ａ１２３Ｂ、２４Ａ１
２３Ｂに長手方向に直交する方向にスリット２６が間隔
を置いて形成されている。このようにスリット２６を形
成しておくことにより、コイル巻き加工時において安定
化母材１０がより一層曲がり易くなり、そのためコイル
巻き加工がより一層容易となる。またこれらにより、大
型でしかも強磁界（１０〜１２Ｔ）の超電導線マグネッ
トが容易に１ｑられる。

以下にこの発明の強制冷部型超電導線を製造した具体例
を記す。

フィラメント数７７３５本でＮｂ拡散障壁を形成したＣ
ｕ／非Ｃｕ＝　０．８３のＮｂ３Ｓｎ素線をツイスト加
工を終了してから　１．４ｍｍφまで伸縮し、第１次導
体とした。この第１次導体を１５本成形撚線し、第２次
導体とした。この時の撚線ピッチは１００＋＋＋ｍであ
る。

別工程として嵌合型安定化母材を次のように製作した。

すなわち３．Ｏｎｍ厚さＸ　３１．０ｌｌｆｆ１幅の無
酸素銅テープをロール圧延により、突条部１．５ｍｌ１
ｌ高さ、平坦部１　、０ｗ＋ｍ厚さの突条部を７ケ所も
つ異型テープ（１）を製作した。また同様にして突条部
を中央に３ケ所もつ２７ｍｍ幅の異型無酸素銅テープ（
２）も製作し、（１）（２）を嵌合できるようコ型にフ
ォーミングした。なお（１）（２）にはプレス打抜きに
より予め１０＋ｕ＋間隔で幅２１ＩＩｌのスリットが］
型の側面に当る部分にあけられる。

前述の第２次導体は連通路を妨害しないように適当な孔
をもった０、１■厚さ、２０ｍｍ幅キュプロニッケルテ
ープにより巻かれ、これを２層重ね、合計３０本の第１
次導体を前述のコ型に成型した鋳型テープ（１）、（２
）からなる嵌合ケースに連続的に挿入し、第３次導体と
した。次いで外被としての無酸素銅の連続溶接管製造ラ
インに第３次導体を流し、外被を溶接により製造し、こ
れをロールおよびダイスにより縮径し、平角状の第４次
導体を製造した。

第４次導体の寸法は１３＋１＋１Ｘ　２３１１１！ｌで
あり、１００ｍ以上の長尺導採を製造できた。

さらにこの第４次導体に石英ガラステープで絶縁を施し
たあとコイルに巻込んだ。コイル寸法は内径３００１１
１１．外径６００１ｍ、高さ約５０＋ｕである。このコ
イルを窒素ガス雰囲気で８００℃×５０ＨのＮｂ３Ｓｎ
生成熱処理を施し、８コイル積み上げて強制冷却超電導
マグネットとした。

上述のようにして得られたマグネットを、発生磁界５Ｔ
の外部マグネットと組み合わせて冷却通電実験した。但
し冷却は超臨界圧ヘリウムを導体−１７−、。

内部に流して行った。その結果５．５にで１８０００Ａ
通電で中心磁界１０Ｔを計測した。このような計測結果
は、１．４ｍｍφ素線（第１次導体）の臨界電流特性が
９２０Ａ　（４，２に、　１０Ｔ）であることからみて
、コイリングによる劣化等がなく良好な特性を有するマ
グネットとなっていることを示す。

以上の説明で明らかなように、この発明の超電導線は、
前＆！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が一対の口型チャンネル状素材２３．２４を相互に
対向状に嵌め合せたものであるため、コイル巻き加工が
容易であり、しかもスポット溶接が不要なため超電導線
組立て工程も簡略化され、さらにパンケーキコイルに巻
いた場合の半径方向の電磁力に対して強く、安定化母材
の変形、圧潰により内部の超電導線が損傷、劣化するお
それが少ない等の種々の利点を有するものである。

１８−

【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図および第８図はそれぞれ第５図に示され
る超電導線に使用される安定化母材の組み立て方法の一
例を示す断面斜視図、第９図はこの発明の超電導線に使
用される安定化母材の一例を示す断面斜視図、第１０図
は第９図の安定化母材をコイルに巻いた状況を示す略解
的な斜視図、第１１図はこの発明の超電導線に使用され
る安定化母材の他の例を示す断面斜？！図である。 出願人　　工業技術院長 藤倉電線株式会社 復代理人　弁理士　費田武久 （ばか１名） １９− 第９図 第１０図 第１１図 第１頁の続き ■出　願　人　藤倉電線株式会社 東京都江東区木場１丁目５番１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、 前記安定化母材が、断面コ状をなす一対のチャンネル状
   素材を相互に対向状に嵌め合せることにより全体として
   断面矩形状をなすように作られていることを特徴とする
   強制冷却型超電導線。
2. （２）前記安定化母材には、複数の突条部が長手方向に
   沿って一体に設けられており、またその安定化母材の側
   壁部には長手方向に直交するスリットが間隔を置いて形
   成されている特許請求の範囲第１項記載の強制冷却型超
   電導線。