JPS6020855B2 - 超電導導体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導導体に係り、特に核融合炉やエネルギー
蓄積装置等に用いられる大型超電導マグネットに好適な
超電導導体に関する。

現在実用に供されている超電導導体は、高純度のＣｕま
たは山のように極低温において電気抵抗の低い金属で形
成された安定イ○材中に、直径が数山肌乃至数十仏のの
超電導秦線を多数本埋設してなる複合超電導線の構成を
とっている。

そして、従来から建設されてきた大型超電導マグネット
は、ほとんどすべて完全安定化法に基づいて設計され各
鰹実用に供されている。完全安定化法は次式で示される
安定化パラメータＱが１より小さい条件の下で、超電導
マグネットは完全に運転されることが実証されている。
Ｑ＝樹母ｑ ‐‐‐‐‐‐‐‐‐【１’前記第１
式において、ｐは安定化材の亀気抵ひ抗、ｌｄは超電導
導体の設計電流値、兆ｕｂは安定イり材の断面積、Ｐは
液体ヘリウムによって冷却される冷却面の周長、ｑは冷
却面から液体ヘリウムへの熱流東をそれぞれ示す。

この安定化法では、超電導素線の超電導性が局タ部的に
破れても、その間電流ｌｄは安定化材を流れその間に超
電導性が回復して元の状態に復することができる。

前記第１式からわかるように、ｌｄを大きくするとそれ
に伴なし、安定性を保証するには、ｐを小さひくするか
、Ａｓ血を大きくするか、またはＰを大きくする必要が
ある。

しかしながらｐ、Ｐの調整には限界があり、最終的には
偽ｕｂを大きくしなければならない。このため大型マグ
ネット用大電流導体では〜超電導素線の断面積に対する
安定化材の断面比をｍとすれば、ｍは十数乃至数十以上
の値となり、ために超電導導体の寸法は非常に大きなも
のとなる。従来、複合超電導線は、超電導素材と安定化
金属素材とを複合加工により一体化させて長尺線を得る
。

この場合、超電導素線の断線ないこ一体化長尺線として
製作容易なｍの範囲は１乃至５程度で、ｍが１０程度以
上になると製造は困難となる。したがって、ｍを十数乃
至数十以上必要とする大軍流容量超電導導体においては
、複合超電導線とは別に多量の安定化部村を付加する必
要がある。しかしながら、核融合炉用超電導マグネット
を例にとると、超電導マグネットの径方向に平行にポロ
ィダルパルス磁界が外部から印加されることになり、こ
の変化磁界により超電導導体での渦函流損失は超電導導
体の寸法に比例して急激に増大し、液体ヘリウムの蒸発
量が増加するばかりでなく、超電導マグネットがこのた
めに不安定になる原因ともなる。この渦電流損失は変化
磁界に対して直角な面の寸法の３案、平行な面の寸法の
１乗に比例する。したがって、渦電流損失を少なくする
ために、超電導導体の平角断面形状とし、幅広面が超電
導マグネットの径方向に平行となるように、いわゆるエ
ッジワイズ捲線方式が採用されることがあるが、この場
合には、超電導導体が捲線時に塑性変形を受けて破損し
易い欠点がある。また、従来より安定化部材に電気抵抗
の高い層で蟹気的な隔離壁を施し渦電流損失の低減を図
ろうとすることも良く知られている。この例を第１図、
及び第２図に示す。該図は複合超電導線５に応用された
例であり、複数本の超電導素線２が埋込まれた電気抵抗
の低い安定化金属母材３中に電気抵抗の高い金属層によ
る電気的な隔離壁４を放射状に配薄すると共に、この安
定化金属母材３の周囲にも隔離壁４が配置されて形成す
るものである。しかしながら、これらはいずれも比較的
電流容量が４・さく、複合加工により一体化長尺線の製
作が容易な複合超電導線の例であり、このような構造の
大鰭流容量超露導導体の製作は困難である。

第３図に示すものは「大電流容量超電導導体に適用され
得ると考えられる一例であり、安定化金属母材３中に超
電導泰線２が埋込まれた構造のほぼ矩形断面形状を持つ
複合超電導線５と、これに接して設けられた、電気抵抗
の高い金属層による電気的な隔離壁４により安定化金属
母村３が分割されたほぼ矩形断面形状を持つ安定化部材
６とから構成されたものである。このように構成される
超電導導体は、複合超電導線５と安定化部材６とは別々
に製作され、電気抵抗の低い半田等により接続して製作
することができるので長尺線の製造は容易であり、また
電気的な隔離壁４が安定化部材６中に配置されているこ
とから、少なくとも安定化部材６で発生する渦電流損失
は大幅に低減させ得る。

ところが、電気的な隔離壁４としての電気抵抗の高い金
属は熱伝導率が悪いため、局部的な超電導性の破壊にと
もなう安定化金属母村３への電流のバイパス効果が悪い
うえに、温度上昇に対する冷却性が悪化し、超電導導体
の安定性が悪くなる欠点がある。本発明は上述の点に鑑
み成されたもので、その目的とするところは、隔離壁を
設けて安定化部材中で発生する渦電流損失を少なくした
ものであっても、局部的な超電導性の破壊をともなう安
定化母材への電流バイパス効果が良好で、かつ、冷却性
に優れ安定した超電導特性が得られる超電導導体を提供
するにある。本発明は第１の安定化金属母材内に複数本
の超鰭導素線を埋設した複合超電導線と、この複合超電
導線に金属性接着物を介して接合された矩形断面の安定
化部材とからなり、該安定化材は、第２の安定化金属母
材と、この第２の安定化金属母材内に設けられた電気抵
抗の高い隔離壁により隔離される第２の安定化金属母材
の相互の熱伝導、電流バイパス流路を分断することがな
いよう第２の安定化金属母村より幅狭に形成されること
により上記目的は達成される。

そして、この超電導導体は以下に述べる方法で製造され
る。例えば、電気抵抗の低い金属からなる板状体と電気
抵抗の高い金属からなる板状体を相互に積層させ、機械
的な圧着、圧延、伸縮加工により、所望の寸法形状に仕
上げ、電気抵抗を低くするための熱処理を施して、隔離
壁を有する安定化部材を製造する。

これとは別に「超電導素材と安定化金属素材とを複合加
工により一体化伸縮を行なった後、超電導特性を向上さ
せるための熱処理を施して複合超電導線を製造する。

次いで、前記安定化部材と複合超電導線とを電気抵抗の
低いＰｂ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｔ半田等の金属性接着物によ
り接続して超電導導体を製作する。

なお、隔離壁を有する安定化部材は、電気抵抗の低い金
属からなる棒状体の長手方向に溝を設け、この溝の内に
電気抵抗の高い金属からなる板状体を挿入し、機械加工
により圧着、圧延、伸線して製造することもできる。本
発明において用いる電気抵抗の低い金属は、高純度のＣ
リＡＩであることが好ましい。

一方、電気抵抗の高い金属は電気抵抗の低い金属に比較
して、抵抗値が１０Ｍ音以上あることが好ましく、また
冷間において充分加工できるものであればさらに好まし
く、ステンレス鋼あるいは黄鋼、青銅等の鋼合金はこれ
に技通である。

なお、安定化部材の機械加工に際しては、各要素間の密
着性を確保するために熱間で行なうこともある。

さらに、ここで用いる複合超電導線は、合金系超電導材
料または化合物超電導材料の中から目的に従って任意に
選択することができる。

つぎに実施例により具体的に説明する。

実施例 １ 幅ＩＱ肋、厚さ４側、長さｌｏｗの鋼板４枚と、幅８肋
、厚さ０．５肋、長さ１０凧のステンレス鋼板３枚とを
相互に積層させ、圧延ロールにより庄着した後、幅１仇
舷、厚さ１仇肌こなるまで角ダイスを用いて伸線加工を
行ない、５００００で１０時間の熱処理を施して安定化
部村６を形成する。

一方、銅パイプと超電導素材とから複合加工により、幅
１０肋、厚さ８側まで一体化伸線し、３５０℃、１０餌
時間の熱処理を施して複合超電導線５を形成する。

次いで、複合超電導線５の幅広面に安定化。

６をＳｎ−３．５％、Ａｇ半田によって接続し、第４図
に示す断面形状を有する超電導導体１を構成する。

本超電導導体１において、前記複合超電導線５は、Ｎｂ
−６２．５％、Ｔｉ−２．５％、Ｚｒ超電導合金の５０
仏机直径の極細線８１４９本がＣｕ中に埋め込まれて構
成されており、７．５Ｔの磁界中、４．狐の液体へＩＪ
ゥムで１０００Ｍの通電電流容量を有している。

また、前記安定化部材６は、厚さ０．３肌のステンレス
鋼板からなる電気的な隔離壁４が、１仇舷幅中８伽の幅
で配置され、２柳の幅で相互の安定化金属母村３が連続
した断面構造を有しているので「相互間の熱伝導が良好
であり、電流のバイパス効果も良好である。第４図に示
す超電導導体１を液体ヘリウム中に浸嶺し、超電導導体
１の幅広面に直角に外部から周波数ＩＨＺ、ピーク磁界
強度ＩＫ戊の交流磁界を印加して、液体ヘリウムの蒸発
量から渦電流損失を測定したところ、１の長さ当り２．
８肌Ｖの蒸発損失を示した。

比較のために、第３図に示す断面構造および同ター寸法
で電気的な隔離壁４を有しない構造の従来の超電導導体
１についても測定したところ、それぞれ２．４ｍＷおよ
び４．７ｍＷの蒸発損失を示した。

また「冷却性を調べるために、４．狐のへりゥム中、７
．５Ｔの磁界中で電流−電圧特性を測定した。第５図は
その結果である。第５図に示す通り、第４図に示す本発
明の超電導導体１の電流−電圧特性７では、電流を増大
させていくと「 １１０００Ａを越えると徐々に電圧が
発生し、臨界電流を越えた電流が安定化部材６に分流し
、安定化部材６の抵抗に相当する電圧が発生する。

この場合、１３０００Ａまでの範囲で繰返し電流を増減
させたが、安定な特性を示した。これに対して、同一寸
法で第３図に示す従来の超電導導体１の電流−電圧特性
８では、電流が０８２００Ａを越えると急激な電圧発生
が生じ、電流の増加を停止しても電圧は一定状態になら
ず、超電導状態が完全に破壊するいわゆるクェンチ状態
がみられた。

この現象は、超電導導体１の安定化部材６が不足し、バ
イパス効果および冷却性が悪いタ場合にみられる現象で
ある。このように本実施例によれば、渦電流損失が少な
く「かつ、冷却性、電流バイパス効果に優れ、安定した
超電導特性が得られる超電導導体を提供することができ
る。

また本実施例において製造し０た超電導導体の長さは約
７肌であったが、複合超電導線と安定化部材は、それぞ
れ別々に製造するので通電電流容量の大きな数百肌の最
尺の超電導導体も容易に製造することができる。実施例
２ まず、幅ＩＱ舷、厚さ４肋の鋼板、幅ＩＱ岬、厚さ０．
５柵の長手方向に２５側間隔で直径６肌の打抜穴を持つ
ステンレス鋼板とを相互に積層させ、圧延ロールによっ
て圧着した後、幅１仇収、厚さ１仇岬こなるまで角ダイ
スを用いて伸線加工を行ない、５００午０、岬時間の熱
処理を行なって安定化部材６を作製する。

次いで、実施例１と同機の複合超電導線５に、Ｓｎ−３
．５％Ａｇ半田によって接続し、幅広面に平行な縦断面
が第６図に示す構造を有する超電導導体１を製造する。

第６図に示す超電導導体１において、安定化部材６は、
長手方向に対して約４仇舷間隔で一部分不連続な電気的
な隔離壁４が配設された構造となる。そして、この超電
導導体１を用いて実施例１に示す実験と同様の実験を行
なったところ、同様の結果および効果が得られた。変形
例、応用例 第７図乃至第９図は本発明による超電導導体の変形例あ
るいは応用例であり、いずれも長手方向に直交する平面
で切断した横断面構造を示す。

第７図は、平角断面形状の複合超電導線５の幅広面の片
面に安定化部村６を配置して超電導導体１を構成したも
のである。このように構成すれば、超電導導体１の超電
導マグネット（図示せず）に捲回する際に、複合超電導
線５の幅広面が超電導マグネットの蓬方向に直角な、い
わゆるフラットワイズ捲線がなされ得るので、捲線時に
塑性変形による破損が少なくなる。

第８図は、平角断面形状を有する安定化部材６の周面に
、円形断面の多数本の複合超電導線５を長手方向に対し
て所要の角度を持たせて捲き付け、この複合超電導線５
を半田によって安定化部材６に接続して超電導導体１を
構成したものである。

このように構成すれば、各々の複合超電導線５は比較的
寸法の小さいものを使用することができるので、特に長
尺超電導導体を製作する場合に、その製造が容易になる
。

第９図は、複合超電導線５と、安定化部材６との交互に
複数積層して超電導導体１を構成したものである。

このように構成すれば、各々の複合超電導線５および安
定化部材６は、比較的寸法の４・さし、状態で製造でき
るので、特に長尺の超電導導体の製造に適する。

以上説明して本発明の超電導導体によれば、安定化部材
中に電気的な隔離壁が、隔離された安定化部材相互の熱
伝導、電流バイパス流路が分断することなく配設されて
いるので、外部から印加される変化磁界によって発生す
る渦電流損失が少なく、電流バイパス効果が良好で冷却
性に優れた安定な超電導導体を提供することができる。

図面の簡単な説明第１図乃至第３図はそれぞれ従来例を
示す断面図、第４図は本発明の実施例１の超電導導体を
示す断面図、第５図は第４図に示す超電導導体の電流−
電圧特性曲線グラフ、第６図は本発明の実施例２の超電
導導体を示す断面図、第７図乃至第９図は本発明の変形
例または応用例をそれぞれ示す断面図である。

１・・・・・・超電導導体、２・・・・・・超電導秦線
、３・・・・・・安定化金属母材、４・・・・・・隔離
壁、５・・・・・・複合超電導線、６・・・・・・安定
化部材。

発ー図 柔Ｚ図 第３図 茅４図 柔ｓ図 第５図 多７図 多２図 弟午図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の安定化金属母材内に複数本の超電導素線を埋
   設した複合超電導線と、この複合超電導線に金属性接着
   物を介して接合された矩形断面の安定化部材とからなり
   、該安定化部材は、第２の安定化金属母材と、この第２
   の安定化金属母材内に設けられた電気抵抗の高い隔離壁
   とから形成され、該隔離壁は、その隔離壁により隔離さ
   れる前記第２の安定化金属母材の相互の熱伝導、電流バ
   イパス通路を分断することがないよう該第２の安定化金
   属母材より幅狭に形成されていることを特徴とする超電
   導導体。