JPS6356648B2 - - Google Patents

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ツトコイ
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流路を形成し
たいわゆる中空超電導線を用い、冷却媒体流路に
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
流路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
導マグネツトにおいては、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つてい
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ツトが生じて超
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つて温度上昇
し、ヒートスポツトが生じたり、またヒートスポ
ツトの回復がすみやかに行われなかつたりする欠
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57−45795号（特開昭
58−162008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
超電導材料あるいはNb₃Sn、V₃Ga、Nb₃Ge等の
化合物系超電導材料からなる複数本の超電導線１
１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によつて取囲まれ、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、あるいはスリツト状等の
複数の連通路１５が形成されている。したがつて
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つ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
してヒートスポツ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、したがつてトータル
としての冷却効果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、磁束流状態となつた時に電流は安
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つていても特に
支障はなく、したがつ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、マグネツ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
材によつ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１１からなる超電導素線集合体１７Ａ，１
７Ｂ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
の間にキユプロニツ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１７
Ａ，１７Ｂと安定化母材１０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・高磁界マグネツト用超電導線に最
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
電テープによつて防止されるため、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
で超電導マグネツ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つて断面矩形状の
安定化母材１０を作成する際には、第７図に示す
ようにコ型チヤンネル状の素材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、コ型
チヤンネル状素材２１が他の３面１０Ｂ，１０
Ｃ，１０Ｄとなるように合せてその合せ目をスポ
ツト溶接することが考えられており、ここでスポ
ツト溶接を行うのは、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、このスポツト溶接の手間が相当に繁雑で生
産性が悪く、またスポツ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、超電導素線を損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をコ型チヤンネル状素材２
１の両端に嵌め込むことも考えられているが、こ
の場合でもスポツト溶接が必要なのは前記同様で
ある。

なお第５図に示される提案の超電導線と若干類
似するものとして、特開昭55−88206号公報で提
案されている超電導線がある。この公報記載の超
電導線は、超電導素線３を複数本撚合せてなる撚
線を、断面矩形状の金属帯で包括し、その金属帯
に連通孔を設けておいて金属帯の外側からその連
通孔を介して冷却媒体が内側に侵入するようにし
たものであり、この場合も撚線を包括している金
属帯が第５図の安定化母材１０と同様に断面矩形
状でかつ肉厚であるため、コイル巻加工が困難と
なる問題があつた。

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ツト溶接を不要と
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
なす一対のチヤンネル状素材を相互に非固着状態
で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おり、またその安定
化母材を構成するチヤンネル状素材には、安定化
母材の外面側へ突出する複数の突条部が長手方向
に沿つて一体に設けられており、さらに各チヤン
ネル状素材の側壁部には、長手方向に直交するス
リツ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、したがつて安定化母材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ヤンネ
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、一方のチヤンネル
状素材２３はその両側の側壁部２３Ａ，２３Ｂの
外表面間の幅が他方のチヤンネル状素材２４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，２４Ｂ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。さらに前記安定化母材１０を
構成する一対のコ型チヤンネル状素材２３，２４
の外面には、安定化母材１０の外面側に突出する
ように、長手方向に沿つた複数条の突条部２５が
一体に形成されている。また各チヤンネル状素材
２３，２４の側壁部２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２
４Ｂには、長手方向に直交する複数のスリツト２
６が間隔を置いて形成されている。なお、両チヤ
ンネル状素材２３，２４は、特にスポツト溶接等
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。また両チヤンネル
状素材２３，２４からなる安定化母材１０に、そ
の内外を連通する丸孔状あるいはスリツト状等の
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
チヤンネル状素材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。したがつて
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２３，２４が相対的に
滑つ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２２がずれて内側へ落ち込むようなことがな
く、したがつ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、さらにはスポツ
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、一方のチヤンネル状素
材２３の側壁部２３Ａ，２４Ｂと、他方のチヤン
ネル状素材２４の側壁部２４Ａ，２４Ｂとが相互
に重なり合つて、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図に概略
的に示すように前述の２重になつた側壁部分が巻
き中心軸Ｏに対して直角となつて半径方向に沿つ
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電磁力により安定化母
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。

さらに第９図の例において、コ型チヤンネル状
素材２３，２４の外面にその長手方向に沿つて一
体に形成された複数条の突条部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つて、安定化
母材１０と外被１３との間に冷却媒体流路１４を
確保する役割を果たす。したがつて超電導線を組
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。また各チヤンネル状素材２３，２４の側壁
部２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂにその長手方
向に直交する方向にスリツト２６を間隔を置いて
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
の超電導線マグネツトが容易に得られる。

以下にこの発明の強制冷却型超電導線を製造し
た具体例を記す。

フイラメント数7735本でNb拡散障壁を形成し
たCu／非Cu＝0.83のNb₃Sn素線をツイスト加工
を終了してから1.4mmφまで伸線し、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。この時の撚線ピツチは100mm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3.0mm厚さ×31.0mm幅の無酸素
銅テープをロール圧延により、突条部1.5mm高さ、
平坦部1.0mm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オーミング
した。なお１，２にはプレス打抜きにより予め10
mm間隔で幅２mmのスリツトがコ型の側面に当る部
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
適当な孔をもつた0.1mm厚さ、20mm幅キユプロニ
ツケルテープにより巻かれ、これを２層重ねて合
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13mm×23mmであり、100ｍ
以上の長尺導体を製造できた。

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300mm、外径600mm、高さ約50mm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
超電導マグネツトとした。

上述のようにして得られたマグネツトを、発生
磁界5Tの外部マグネツ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
内部に流して行つた。その結果5.5K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（4.2K、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
マグネツトとなつていることを示す。

以上の説明で明らかなように、この発明の超電
導線は、前記提案の超電導線と同様に冷却効果が
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が一対のコ型チヤ
ンネル状素材２３，２４を相互に非固着状態で対
向状に嵌め合せたものであり、しかもそのチヤン
ネル状素材の側壁部には長手方向に直交するスリ
ツトが間隔を置いて形成されているため、コイル
巻き加工が容易であり、しかもスポツト溶接が不
要であるに加え、チヤンネル状素材の外面に突出
する複数の突条部が外被との間の冷却媒体通路を
確保する役割を果たすから、別にセパレータを用
意する必要がなく、したがつて超電導線組立て工
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。

【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である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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ヤ
   ンネル状素材を相互に非固着状態で対向状に嵌め
   合せることにより全体として断面矩形状をなすよ
   うに作られており、また安定化母材を構成するチ
   ヤンネル状素材には、安定化母材の外面側へ突出
   する複数の突条部が長手方向に沿つて一体に設け
   られており、さらに各チヤンネル状素材の側壁部
   には、長手方向に直交するスリツトが間隔を置い
   て形成されていることを特徴とする強制冷却型超
   電導線。