JPS6243525B2 - - 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、超電導マグ
ネツト装置に用いるに最適な超電導導体に関す
る。

超電導マグネツト装置に用いる超電導導体の各
種の特性測定（臨界温度、最大電流等）や超電導
導体中に残存する永久電流を超電導導体の臨界温
度Tc以上に昇温して消滅させる目的で、数千Ａ
以上の電流容量を持つ大型の超電導導体で捲線し
たコイルにヒータを取付けることは従来より行な
れていた。つまり、導体の温度が導体電流に逆比
例することを利用するもので、臨界温度点で電流
が零になることに着目して永久電流を消滅させる
ものである。

第１図および第２図に従来より行なわれている
超電導導体にヒータを取付ける方法を示す。

第１図は、超電導導体の捲線ターン間にリボン
状のヒータを挾み込む方式のものである。１は安
定化材で、無酸素銅やアルミニウム等でできてい
る。２は超電導素線で、Nb―Ti等の合金や
Nb₃Sn等の化合物の細線を、モノリスやストラン
ド構造に構成したものである。安定化材１の中に
超電導素線２を半田等で組込み一体化したものが
超電導導体である。３は薄手絶縁板、４はヒータ
リボンで金属抵抗体ででできている。５は厚手絶
縁板、６はターン間絶縁板でターン間の電気絶
縁、電磁力サポートおよび超電導導体冷却のため
にクーリングチヤンネル７が設けてあり、チヤン
ネル７の中の液体Heによつて超電導体は冷却さ
れる。８は層間絶縁板で超電導導体層間の電気絶
縁を受持つている。ヒータリボン４は、超電導素
線の各々に設ける必要はなく、複数の素線に対し
１個を設ければよい。ヒータリボン４は層間に設
けられる一対のクーリングチヤンネルのうち片方
のチヤンネルを除去し、片側に薄手絶縁板３を設
けると共に反対側に厚手絶縁板５を設けて層間に
装置される。

第２図は超電導導体の安定化材の内部に電気絶
縁を施したヒータ線材を半田により埋込む方式の
ものである。第２図においては、第１図に示した
と同一部材であるものには同一符号を用いてい
る。１０は抵抗線ヒータ、１１は耐熱電気絶縁体
で１０の抵抗線ヒータを覆つている。１２は半田
で、安定化材１と超電導素線２を結合すると同時
に、ヒータを安定化材に掘つたミゾ９の中に固定
している。組込みに際しては、超電導素線２を安
定化材１へ半田１２で埋込むときに前もつて安定
化材１に掘つたミゾ９の中に、耐熱電気絶縁１１
を施した抵抗線ヒータ１０を入れておく。その上
から超電導素線２を蓋をするように乗せ、最後に
全体を半田１２の溶融温度約250℃まで昇温し、
フラツクスで各部の表面を清浄にしながら半田１
２を流し込んで固定する。

このような従来のヒータ取付構造には以下のよ
うな欠点がある。

第１図の構造の欠点は、第１に、ヒータを取付
けた超電導導体の冷却面積が少なくなることであ
る。超電導導体にはその使用している材料によつ
て決まる臨界温度Tcがあり、この温度を越える
と超電導から常電導への転移（クエンチ）が生じ
超電導マグネツトとして動作しなくなる。そのた
め超電導導体は十分に冷却しなくてはならないが
導体間に生じる強大な電磁力をサポートするため
に必要最低限の冷却チヤンネルしか設けることが
できない。第１図からも明らかなように、ヒータ
を取付けた超電導導体の冷却面積は他の導体の半
分程になつてしまい、冷却条件が悪くクエンチし
やすくなつてしまう。

第２に、ヒータを取付けた場所のターン間の間
隙が大きくなり、超電導導体を整列して巻けなく
なることである。すなわち、通常ヒータリボン４
は裸の抵抗リボン材を用いる。安定化材１とヒー
タリボン４の間の電気絶縁は通常数百Ｖから千Ｖ
位要求されるので、それに耐える薄手絶縁板３の
厚みは自ずから決まつてくる。またヒータリボン
４で発生させた熱は被加熱導体の方へ伝えなくて
はならないが、熱は絶縁板の厚さに反比例して伝
わるので厚手絶縁板５の厚みは薄手絶縁板３の数
倍の厚みが必要となる。そのためヒータを取付け
たターン間の間隙は、他のターン間より大きくな
りその部分の捲線作業がむずかしくなる。また、
超電導導体の層間での中心位置が狂い、層間に加
わる電磁力の処理がむずかしくなる。また捲線し
た導体の配置が不均一になるため、発生磁界の磁
界分布も乱されることになる。

第３に、ヒータと被加熱導体間の密着が悪いた
めヒータの熱効率が悪く断線しやすいことであ
る。

ヒータリボン４と薄手絶縁板３、厚手絶縁板５
は超電導導体のターン間で押し付けただけなので
どうしても隙間ができ冷媒液体Heが侵入してし
まう。そのような状態でヒータ電力を投入する
と、先ず隙間に入つた液体Heが蒸発し、それか
ら被加熱導体に熱が伝わるためヒータの電力損失
が大きく、またヒータ電力投入から導体が加熱さ
れるまでの時間遅れも大きくなる。またその時間
遅れもヒータの場所により隙間の大きさが違つて
いるため不揃いになり実験計測上不都合である。
さらにまた、液体Ｈ^eが蒸発したあとはＨ^eガス雰
囲気につつまれるためヒータの温度が局部的に上
昇し、ヒータが焼損断線してしまうことが多かつ
た。

第２図の構造のヒータの欠点は、ヒータの超電
導導体への組込みが困難で、超電導導体とヒータ
間の電気絶縁が不良になりやすく、またヒータと
安定化材との密着が悪くヒータが断線しやすいこ
と、またさらに耐熱絶縁体を用いているためにヒ
ータの断面積が大きくなりヒータ埋込みミゾを大
きくせねばならず、そのため安定化材の削り代が
増し超電導体の安定化に悪影響を与えてしまうこ
とである。また、ヒータの電気絶縁に耐熱性の絶
縁材を用いても、埋込作業中に生じたキズや昇温
による軟化、あるいはフラツクスの染め込み等に
より電気絶縁の劣化を招きやすかつた。また半田
付けのきかない電気絶縁体１１を半田で押込むよ
うな構造のために、空隙（ボイド）ができやす
く、ヒータ通電時に局部的にヒータの温度が上昇
し、電気絶縁の劣化や焼損断線してしまうことも
多かつた。

本発明の目的は、熱効率が良好で工作の容易な
超電導導体を提供するにある。

本発明は、ヒータが導体近傍になくとも充分に
機能を発揮させられることを実験的に確認し、ヒ
ータを任意の位置の安定化材内に埋込み、その埋
込部をエポキシ樹脂等の合成樹脂で固めたもので
ある。

第３図は本発明の実施例を示す断面図である。
第３図においては第２図で示したと同一部材であ
るものには同一符号を付している。

安定化材１の表面部にミゾ１３を設け、ヒータ
１０を嵌入する。このミゾ１３は線間に限らず層
間部であつてもよい。ヒータ１０は絶縁体１１に
よつて被覆されている。この被覆されたヒータ１
０を適量のエポキシ樹脂等の接着剤１４を用い、
かつ上面から絶縁板１５を当接しながらミゾ１３
に接着する。接着剤はエポキシ樹脂に限らず熱に
強く接着性の良好なものなら、どのような種類の
ものでもよい。エポキシ樹脂系は室温から4.2K
の範囲で安定化材１との接着性も良い。絶縁板１
５はヒータ１０で発生した熱を被加熱導体の方に
伝熱を図り、層間絶縁板８側に熱が逃げるのを防
止する熱絶縁体として機能する。ヒータ１０の接
着に際し、接着後の絶縁板１５の上部面が安定化
材１の表面より盛り上がるようにし、完全に接着
したのちに表面が安定化材１の表面（肩部１６）
と同一になるように削ればよい。この絶縁板１５
の材質としてはガラス繊維強化ガラスエポキシ板
などが最適である。

発明者らが実施した超電導導体の一例を示せ
ば、断面寸法は幅13mm、高さ30mmで、安定化材１
に設けたミゾ９の寸法は深さ1.5mm、幅２mmであ
る。ミゾ９の加工は安定化材１を引抜き加工する
ときに一体成形しても良いし、機械加工で切削し
ても良い。抵抗線ヒータ１０の太さは0.5mm〓、
絶縁体１３で全周を覆つてあり、仕上り外径は約
１mm〓である。絶縁体１３としてカプトンを用
い、耐電圧は1000Vである。

このヒータ線を必要本数ミゾ９の中にエポキシ
樹脂等の接着材１４で接着する。その上から絶縁
板１５をミゾ内に納める。絶縁板の寸法は幅２
mm、厚さ0.5mmである。ミゾ９と絶縁体１３と絶
縁板１５との隙間には接着材１４をしつかり充填
し、隙間に液体Ｈ^eが浸入しないようにする。

次に、具体的に本発明の実施例による効果を列
挙する。

１ 抵抗線ヒータ１０と安定化材１の間に液体Ｈ
^e等の冷媒が入る隙間あるいはボイドがないた
め著しく熱効率の向上することが認められた。
例えば、従来では導体体積１cm³を10度上昇させ
るために２ジユールの電力が、また第２図の方
式では１ジユール以上が必要だつたものが0.5
ジユール以下ですむよになつた。このことは、
高価な液体Ｈ^eの無駄な消費が減り経済的にな
つたことを意味する。また従来構造では定格の
1.5倍程度の電力量で焼損してしまつたが本発
明では定格の４倍でも焼損断線することはなく
なつた。このことは、より細いヒータ線材を用
いても良いことを意味し、安定化材１の削り代
も少なくてすむ。

２ ヒータ取付部を層間にしたので、第１図の従
来構造でヒータの取付けられていた面は本来の
冷却面として利用でき、超電導導体の冷却が他
のターンと同一条件になり超電導導体の安定性
が向上した。また、ターン間の機械的な強度や
寸法も他のターン間と同一になり、設計や捲線
加工が容易になつた。更に寸法精度が良くなつ
たため発生磁界の均一度も良くなつた。

３ 本発明によるヒータ取付けのための安定化材
の削除は、全断面積の0.8％程度なので安定化
にはほとんど影響しないが、削除したぶん安定
化材を大きくしても導体寸法の増加は極くわず
かである。第２図の従来例では絶縁体の断面を
大きくしなくてはならないので、1.5〜５％削
除せねばならず安定化への影響は無視できな
い。

４ ヒータ挿入加工後、安定化材１の肩部１６と
の平面性を出すために機械加工を加えても、絶
縁板１５があるためにヒータをキズ付けること
がない。また肩部１６と面一にすることによ
り、層間に加わる電磁力はほとんど安定化材の
肩部１６で受けるため、ヒータに無理な力が加
わらない。

５ 第２図と比較し、本発明では、接着剤１４と
して常温硬化型のエポキシ樹脂を用いれば、ヒ
ータの絶縁体１３の温度を上げる必要がないの
で昇温による電気絶縁の劣化がなく、また導体
の温度を上げる必要がないので大巾な工数の低
減ができる。

６ ヒータを超電導マグネツトの曲率の大きな部
分の超電導体に取付ける場合、従来の第２図の
ヒータ挿入構造では曲げのため絶縁体１１が割
れ電気絶縁の劣化や短絡を生じることが多かつ
たが本発明では、超電導導体の曲げ加工を施し
たのちヒータを取付けることができるために、
絶縁体１３や接着材１４に無理な力が加わらず
割れるようなことがない。

以上、一実施例で説明したように、本発明を適
用することにより、超電導導体の冷却条件を劣化
することなく、熱効率の良い、機械的強度も大き
い、過負荷に対しても強いヒータ付き超電導導体
を得ることができる。

以上より明らかなように本発明によれば、熱効
率を向上しかつ工作の容易な超電導導体が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超電導導体を示す断面図、第２
図は従来の他の超電導導体を示す断面図、第３図
は本発明の実施例を示す断面図である。 １…安定化材、２…超電導素線、６…ターン間
絶縁板、７…クーリングチヤンネル、８…層間絶
縁板、１０…抵抗線ヒータ、１１…絶縁体、１４
…接着剤、１５…絶縁板、１６…肩部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも一部を安定化材によつて覆うと共
   に、その安定化材の表面の一部に絶縁被覆したヒ
   ータ線材を装着してなる超電導導体において、前
   記ヒータを嵌装すべく前記安定化材の表面に設け
   られた溝と、該溝内に収容された前記ヒータ線材
   の周囲の空隙に充填される接着剤と、該接着剤お
   よび前記ヒータ線材に当接する如く該ヒータ線材
   の上部に配置される熱絶縁特性を有する熱絶縁板
   とを具備する超電導導体。