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JPS602726B2 - Superconducting wire and superconducting magnet using this wire - Google Patents
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JPS602726B2 - Superconducting wire and superconducting magnet using this wire - Google Patents

Superconducting wire and superconducting magnet using this wire

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Publication number
JPS602726B2
JPS602726B2 JP52064691A JP6469177A JPS602726B2 JP S602726 B2 JPS602726 B2 JP S602726B2 JP 52064691 A JP52064691 A JP 52064691A JP 6469177 A JP6469177 A JP 6469177A JP S602726 B2 JPS602726 B2 JP S602726B2
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superconducting
wire
coil
superconducting wire
substrate
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JP52064691A
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浩 木村
勝蔵 相原
邦茂 黒田
直文 多田
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超電導線材及び超電導マグネットに係り、特
に核融合炉やェネルギ蓄積装置などの大型の装置に用い
られる好適な超電導線材及び超電導マグネットに関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a superconducting wire and a superconducting magnet, and particularly to a superconducting wire and a superconducting magnet suitable for use in large-scale devices such as nuclear fusion reactors and energy storage devices.

従釆のこの種の超電導マグネットに使用される複合超電
導線材を第1図に示す。
A composite superconducting wire used in this type of superconducting magnet is shown in FIG.

第1図は複合超電導線材(以下単に糠材ということがあ
る。)1の切断端面を示し、線材1は複数本の超電導素
線(以下単に素線ということがある。)2を断面長方形
のサブストレート3中に埋込んで構成されている。この
線村1は、第1図中上下の中広の捲回面IAが湾曲する
ようにしてコイルに捲回され、この捲回面IAの一面に
は絶縁テープあるいは競付けた絶縁膜からなる絶縁体4
が設けられて捲回時の各線材1間の絶縁がなされている
。また、線材’をコイルに捲回して使用する場合トコィ
ル状の線材1は液体ヘリュウム(He)により冷却され
るが、この液体Heは、左右の狭中の冷却面IBに接触
されることとなる。この際、前記捲回面IAは両面とも
絶縁体4に覆われるため、液体Heに接触することはな
い。前述のような複合超電導線材1を用いて建設されて
きた大型超電導マグネットは、ほとんど全て完全安定化
法に基づいて設計され、各種実用に供されている。
Fig. 1 shows a cut end surface of a composite superconducting wire (hereinafter sometimes simply referred to as bran material) 1, and the wire 1 is a composite superconducting wire (hereinafter sometimes simply referred to as bran material) 1, which is made of a plurality of superconducting strands (hereinafter simply referred to as strands) 2 with a rectangular cross section. It is configured by being embedded in the substrate 3. This wire village 1 is wound into a coil so that the upper and lower medium-wide winding surfaces IA in FIG. Insulator 4
is provided to insulate each wire 1 during winding. Furthermore, when the wire 1 is wound into a coil, the coiled wire 1 is cooled by liquid helium (He), and this liquid He comes into contact with the cooling surfaces IB in the left and right spaces. . At this time, since both sides of the winding surface IA are covered with the insulator 4, it does not come into contact with the liquid He. Almost all large superconducting magnets that have been constructed using the composite superconducting wire 1 as described above are designed based on the complete stabilization method, and are used in various practical applications.

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4・さし、条件のもとで、超電導マグネットは安
定に運転されることが実証されている。ここにおいて、 p:サブストレートの比抵抗 ld:コイルの設計電流値 ASub:サブストレートの断面積 p:液体Heによって冷却される冷却面IBの周4長q
:冷却面IBから液体Heへの熱流東 である。
In the complete stabilization method, it has been demonstrated that the superconducting magnet can be operated stably under the conditions that the stabilization parameter Q shown by the following equation is 1 to 4. Here, p: Specific resistance of the substrate ld: Design current value of the coil ASub: Cross-sectional area of the substrate p: Circumferential length q of the cooling surface IB cooled by liquid He
: Heat flow east from cooling surface IB to liquid He.

この安定化法では、超電導素線2の超電導性が破れても
〜電流ldはサブストレート3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ようにされ
ている。
In this stabilization method, even if the superconductivity of the superconducting wire 2 is broken, the current ld flows through the substrate 3, during which time the superconductivity is restored and the original state can be restored.

すなわち、前記{1}式において、分子はサブストレー
ト3からの発熱量を意味し、分母はサブストレ−ト3の
冷却熱量を意味する。従って、Qが1より小さくなるよ
うに設計することは、冷却熱量が発熱量を上回わること
を意味し、超電導性に必要な冷却が常に満足されている
こととなる。なお、サブストレート3は、通常、高純度
の銅やアルミニウムのように極低温において電気抵抗の
低い金属が用いられている。第2図および第3図は、前
記第1図に示した従来の複合超電導線材1により○形の
超電導コイルを形成した構造を示し、第2図はその正面
図で、第3図は第2図の町−m線に沿った拡大断面図で
ある。
That is, in the above formula {1}, the numerator means the amount of heat generated from the substrate 3, and the denominator means the amount of heat generated by cooling the substrate 3. Therefore, designing so that Q is smaller than 1 means that the amount of cooling heat exceeds the amount of heat generated, and the cooling required for superconductivity is always satisfied. Note that the substrate 3 is usually made of a metal that has low electrical resistance at extremely low temperatures, such as high-purity copper or aluminum. 2 and 3 show a structure in which a circle-shaped superconducting coil is formed from the conventional composite superconducting wire 1 shown in FIG. 1, FIG. 2 is a front view thereof, and FIG. It is an enlarged sectional view along the town-m line of a figure.

これらの図において、D形コイル5は前記線村1をフラ
ットワィズすなわち中広の捲回面IAが絶縁体4を介し
て順次D形に捲回されたもの(以下単にコイルもしくは
捲線層という。)をスベーサ6を介して捲回面】Aの横
中方向に順次複数個配列して構成されている。この際、
スベーサ6は、電気的絶縁物または金属片に絶縁を施し
て形成され、かつ各コイル間に液体Heの流通する冷却
チャネル7を形成する為に、適宜の間隔を置いて配置さ
れている。すなわち、横方向に配列された各コイルの左
右の側面を形成する各線材1の対向する冷却面IBと各
スべ−サ6の対向する面間に囲まれた空間が冷却チャネ
ル7とされる。この冷却チャネル7は、液体Heの流通
が円滑でないと線材1の冷却面IBを十分冷却すること
ができず、延し、ては前記安定化法のQを1より大とす
る危険性があるため、液体Heの流通および超電導マグ
ネット励磁中の発熱によって発生した袷嫌気泡がなるべ
く速かに抜けるような構造にする必要がある。また、冷
却効果から言えば、各コイルの側面すなわち冷却面IB
の露出率{(スベーサ6に覆われていない冷却面IBの
面積)/(冷却面IBの全面積)}は大きい方が良い。
一方、各コイル間(層間)に働く電磁力を支持するため
には露出率は余り大きくできない。このような種々の条
件を満足させるためには、スべ−サ6の形状を工夫せね
ばならず、第2図に一例を示すように、複雑な形状とな
り、コイル捲線、組立時にこれを挿入、固定しなければ
ならないので非常に手数がかかり、かつ作業能率が悪く
なるという問題がある。さらに、従来構造のスベーサ6
にあっては、機械的に弱いという問題もある。
In these figures, the D-shaped coil 5 is obtained by winding the wire strip 1 flatwise, that is, with a medium-wide winding surface IA sequentially wound in a D shape via an insulator 4 (hereinafter simply referred to as a coil or a winding layer). A plurality of winding surfaces A are sequentially arranged in the lateral direction of the winding surface A with a spacer 6 interposed therebetween. On this occasion,
The spacers 6 are formed by applying insulation to an electrical insulator or a metal piece, and are arranged at appropriate intervals to form cooling channels 7 through which liquid He flows between each coil. That is, the space surrounded between the opposing cooling surfaces IB of each wire rod 1 forming the left and right side surfaces of each coil arranged in the horizontal direction and the opposing surfaces of each spacer 6 is defined as a cooling channel 7. . This cooling channel 7 cannot sufficiently cool the cooling surface IB of the wire rod 1 unless the liquid He flows smoothly, and there is a risk that the Q of the above-mentioned stabilization method becomes larger than 1. Therefore, it is necessary to create a structure in which the anaerobic bubbles generated by the flow of liquid He and the heat generated during excitation of the superconducting magnet can escape as quickly as possible. Also, in terms of cooling effect, the side surface of each coil, that is, the cooling surface IB
The larger the exposure ratio {(area of cooling surface IB not covered by surfacer 6)/(total area of cooling surface IB)}, the better.
On the other hand, in order to support the electromagnetic force acting between each coil (between layers), the exposure rate cannot be made too large. In order to satisfy these various conditions, the shape of the spacer 6 must be devised, resulting in a complicated shape, as shown in an example in Figure 2, which requires insertion during coil winding and assembly. , since it has to be fixed, it is very time consuming and there is a problem that work efficiency is reduced. In addition, the conventional structure
However, there is also the problem of mechanical weakness.

特に、核融合炉に使用される超電導トロイダルコィルは
、従来建設された最大の超電導マグネット(蓄積ェネル
ギ800MJ)の10〜1ぴ倍もの蓄積ェネルギを持つ
巨大な装置であり、従ってコイル捲線に働く電磁力も桁
違いに大きい。また、1の固以上の円形あるいはD形コ
イル5がプラズマを封入するためのト−ラス状の鉄製容
器の外周を捲回した状態でトーラス状に配置されるため
、電磁力は不均一であり、さらにポロィダルコィルから
のパルス磁界(第2,3図中矢印Pで示す方向に加わる
。)の影響を受けて曲げモーメントや回転トルクが働く
等のため、耐電磁力構造は従来の他の目的のためのコイ
ル構造では不十分である。本発明の目的は、複雑な配列
のスベーサを必要とすることなく、コイル冷却用液体H
eの流通を円滑に行なうことのできる超電導マグネット
及びこの超電導マグネットを容易に形成できる超電導線
材を提供するにある。
In particular, the superconducting toroidal coil used in a nuclear fusion reactor is a gigantic device with 10 to 1 times the stored energy of the largest conventionally constructed superconducting magnet (800 MJ of stored energy), and therefore acts on the coil winding. The electromagnetic force is also an order of magnitude larger. In addition, the electromagnetic force is non-uniform because the circular or D-shaped coil 5 is arranged in a torus shape by winding around the outer circumference of a torus-shaped iron container for enclosing plasma. Furthermore, the electromagnetic force-resistant structure is not suitable for other purposes than conventional structures because bending moment and rotational torque act under the influence of the pulsed magnetic field from the poloidal coil (applied in the direction indicated by arrow P in Figures 2 and 3). The coil structure for this purpose is insufficient. An object of the present invention is to provide coil cooling liquid H without requiring a complicated arrangement of spacers.
It is an object of the present invention to provide a superconducting magnet that allows smooth flow of e and a superconducting wire that allows the superconducting magnet to be easily formed.

上記目的を達成するために、本発明の第1は、超電導黍
線を包囲したサブストレートの断面がほぼ矩形をなし、
絶縁材を介して渦巻状に捲回されてコイルを形成する超
電導線村において、前記サブストレートは、前記渦巻状
に捲回されたコイルの軸に直交する面となる側面に、こ
の側面の中より狭い凸部が長手方向に沿って間歌的に複
数形成されている超電導線材である。
In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention is that the cross section of the substrate surrounding the superconducting millet wire is approximately rectangular;
In a superconducting wire village that is spirally wound through an insulating material to form a coil, the substrate has a side surface that is perpendicular to the axis of the spirally wound coil, and a layer inside this side surface. This is a superconducting wire in which a plurality of narrower convex portions are formed intermittently along the longitudinal direction.

また、本発明の第2は、超電導素線を包囲したサブスト
レートの断面がほぼ矩形をなす超電導秦線を、絶縁材を
介して渦巻状に捲回して盤状に形成したコイルが、スベ
ーサを介して鞄方向に複数個配列されて構成された超電
導マグネットにおいて、前記各コイルは、前記サブスト
レートの少なくとも一側面にこの側面の中より狭い凸部
が長手方向に沿って間歌的に複数形成された超電導素材
を、前記凸部が形成された側面に直交する面を轡曲ごせ
て前記絶縁体を介して渦巻状に捲回し、前記スベーサに
対向する面に周方向に沿った複数の溝と、これらの溝を
蓮通する半径方向の複数の溝とが設けられた超電導マグ
ネットである。
In addition, the second aspect of the present invention is that a superconducting wire having a substantially rectangular cross section surrounding a superconducting element wire is spirally wound through an insulating material to form a disk-like coil, which can be used as a substrate. In the superconducting magnet configured by a plurality of superconducting magnets arranged in the direction of the bag through the substrate, each of the coils has a plurality of convex portions formed on at least one side of the substrate, narrower than the inside of this side, intermittently along the longitudinal direction. The obtained superconducting material is wound in a spiral shape through the insulator by bending the surface perpendicular to the side surface on which the convex portion is formed, and winding the superconducting material in a spiral shape along the circumferential direction on the surface facing the smoother. This superconducting magnet is provided with grooves and a plurality of radial grooves that extend through these grooves.

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings.

ここにおいて、前記従来例と同一もしくは相当構成部分
は同一符号を用いる。第4図は、本発明に係る超電導線
村の実施例である複合超電導線村8の一部の斜視図で、
第5図および第6図は、それぞれ第4図のV−V線およ
びW−の線に沿った切断端面図である。
Here, the same reference numerals are used for the same or equivalent components as in the conventional example. FIG. 4 is a perspective view of a part of a composite superconducting wire village 8, which is an embodiment of the superconducting wire village according to the present invention.
5 and 6 are cut end views taken along lines VV and W- in FIG. 4, respectively.

これらの図において、線材8は竪長の長方形に形成され
たサブストレート3内に複数本の超電導素線2がほ0ぼ
楕円形に配置されて埋込まれている。この線材8は、前
記従来例と異なり、上下の狭中の捲回面8Aに沿って捲
回され、いわゆるエッジワィズに捲回されることとなる
。従って、この捲回面8Aの一方の面、図においては下
方の面に絶縁体4がタ密接されている。前記複合超電導
線材8の両側面の上下部には、線材8の長手方向に沿っ
て連続して溝10が形成されるとともに、線材8の両側
面の縦方向には前記上下部の溝10を運速させる溝1
1が複数個形0成されている。
In these figures, the wire rod 8 includes a plurality of superconducting strands 2 arranged in a substantially elliptical shape and embedded in a substrate 3 formed into a vertical rectangle. Unlike the conventional example, this wire rod 8 is wound along the upper and lower middle winding surfaces 8A, so-called edgewise winding. Therefore, the insulator 4 is in close contact with one surface of this winding surface 8A, which is the lower surface in the figure. Grooves 10 are continuously formed in the upper and lower portions of both sides of the composite superconducting wire 8 along the longitudinal direction of the wire 8, and grooves 10 in the upper and lower portions are formed in the longitudinal direction of both sides of the wire 8. Speeding groove 1
A plurality of 1's and 0's are formed.

この上下部の溝10は、線材8がエッジワィズにコイル
状に捲回されたとき円周方向の溝を形成し、縦方向の溝
11は半径方向の溝を形成することとなる。また、これ
らの溝10,11の底面は液体Heが接触する冷却面8
Bとミクれ、これらの溝10,11が形成されて側面に
残された凸部8Cは後述する平板状のスベーサ6に当接
される。このスベーサ6と前記溝10,11とにより冷
却チャネル7が形成されることとなる。この際、凸部8
Cの線材長手方向中はhとご0れ、これらの凸部8C間
に形成される凹部すなわち縦方向の溝11の藩中はiと
されている。ここにおいて、複合超電導線材8の材質に
ついて言及する。超電導素線2は、ニオブ(Nb)、チ
タン(Tj)、ジルコン(Zr)などを含む合金すな夕
わちNb−Ti、Nb−Ti−Zrなどの合金系超電導
体、あるいは、ニオブ(Nb)、すず(Sn)、バナジ
ウム(V)、ガリウム(Ga)などを含む化合物すなわ
ちN広Sn、V3Gaなどの化合物系超電導体から構成
されている。サブストレート3は、銅0(Cu)、アル
ミニウム(N)、Cu一Nj(ニッケル)、Cu−Sn
、Cu一〇a、Nb、Ta(タンタル)などの金属の1
種または2種以上から構成されている。次に、第7図な
いし第9図は、第4図の線材8を用いてエッジワィズに
捲回し「D形のコイルを形成した一実施例を示すもので
「第T図は正面図、第8図は第7図の肌一皿線に沿った
拡大断面図、第9図は第7図のスベーサを取除いた状態
の拡大正面図である。
The upper and lower grooves 10 form circumferential grooves when the wire 8 is wound edgewise into a coil, and the vertical grooves 11 form radial grooves. Furthermore, the bottom surfaces of these grooves 10 and 11 are cooling surfaces 8 that are in contact with liquid He.
The convex portion 8C, which is mixed with B and is left on the side surface with these grooves 10 and 11, is brought into contact with a flat plate-shaped smoother 6, which will be described later. A cooling channel 7 is formed by this spacer 6 and the grooves 10 and 11. At this time, the convex portion 8
The length of the wire C in the longitudinal direction is h, and the length of the recess formed between these convex portions 8C, that is, the longitudinal groove 11, is i. Here, the material of the composite superconducting wire 8 will be mentioned. The superconducting wire 2 is made of an alloy containing niobium (Nb), titanium (Tj), zircon (Zr), etc., such as alloy superconductor such as Nb-Ti, Nb-Ti-Zr, or niobium (Nb). ), tin (Sn), vanadium (V), gallium (Ga), etc., ie, a compound-based superconductor such as N-based Sn and V3Ga. Substrate 3 is copper 0 (Cu), aluminum (N), Cu-Nj (nickel), Cu-Sn.
, Cu10a, Nb, Ta (tantalum) and other metals
Consists of a species or two or more species. Next, FIGS. 7 to 9 show an example in which the wire rod 8 of FIG. 4 is wound edgewise to form a D-shaped coil. The figure is an enlarged sectional view taken along the skin line in Fig. 7, and Fig. 9 is an enlarged front view with the smoother of Fig. 7 removed.

これらの図において「線村8はエッジワィズに複数回捲
回され、単位コイル(捲線層)が形成され、これらの単
位コイルは、それぞれ平板状でかつ正面D形に形成され
たスベーサ6を介して複数横方向に配列されてD形コイ
ル9が構成されている。また、スベーサ6の第8図にお
ける上下端すなわちD形の内外周緑近傍の複数箇所は、
図示しない通しボルトにより締結されている。このスベ
ーサ6は、絶縁物板あるいは両面に絶縁処理を施したス
テンレス鋼板などにより構成される。このようにして構
成されたD形コイル9は、綾材8の溝10; 11およ
びスベーサ6により自動的に冷却チャネル7が形成され
、この冷却チャネル7も「第9図に示されるように、D
形コイル9の円周方向および半径方向で互いに蓮通され
ている。
In these figures, the wire layer 8 is wound edgewise multiple times to form a unit coil (winding layer), and each of these unit coils is wound through a flat plate-shaped spacer 6 formed in a D-shape in front. A plurality of D-shaped coils 9 are arranged in the horizontal direction.Furthermore, a plurality of locations near the upper and lower ends of the spacer 6 in FIG.
It is fastened with a through bolt (not shown). The spacer 6 is made of an insulating plate or a stainless steel plate with insulation treatment on both sides. In the D-shaped coil 9 constructed in this way, a cooling channel 7 is automatically formed by the grooves 10; D
The shaped coils 9 are threaded through each other in the circumferential direction and the radial direction.

従って、励磁中の発熱によって冷煤である液体He中に
発生した袷煤気泡は、第9図中矢印Qで示される経路を
通って上昇し、外部に円滑に逃がすことができ、気泡の
停滞により生ずるコイルの温度上昇、延し、ては超電導
現象の破壊を防止できる。なお、D形コイル9の第7図
中左右両側に位置する部分では、冷煤気泡は主に円周方
向の溝10中を上昇する。上述のように「本実施例によ
れば、線材8に溝10,11を形成してあるから「スべ
−サ6を一枚の大きな板状または環状にでき「従って、
スベーサ6の挿入と組立てを従来に比べて箸るしく簡単
にできる。
Therefore, soot bubbles generated in liquid He, which is cold soot, due to heat generation during excitation can rise through the path shown by arrow Q in FIG. 9 and escape smoothly to the outside, causing the bubbles to stagnate. It is possible to prevent the temperature increase in the coil caused by this, and further damage to the superconducting phenomenon. In addition, in the portions of the D-shaped coil 9 located on both the left and right sides in FIG. 7, the cold soot bubbles mainly rise in the grooves 10 in the circumferential direction. As mentioned above, "According to this embodiment, since the grooves 10 and 11 are formed in the wire 8," the spacer 6 can be made into one large plate shape or annular shape.
Insertion and assembly of the spacer 6 can be made much easier than in the past.

これと同時に「 スベーサ6を機械的にも丈夫なものに
できる。さらにスベーサ6の端部を捲線部より長く形成
し「 ここに通しボルト(図示せず)を挿通して締結し
、あるいは支持部材(図示せず)を熔接するなどしてコ
イル全体の機械的強度を高め、耐電磁力構造として従来
のコイルよりはるかに優れたものにすることができる。
この場合、後述する第16図に鎖線(想像線)で示され
るように、スベーサ6にその強度を損なわない範囲で貴
孔6Aを形成し、各単位コイル間の冷却チャネルTを相
互に蓮通させれば、冷媒あるし・は冷煤気泡の流通をさ
らに良好にできる。また本実施例のように、線材8をエ
ッジワィズに捲線すれば、第7図中矢印P方向すなわち
捲回面8Aに垂直な方向に印加されるポ。ィダルパルス
磁界による渦電流損失を、従来のフラットワィズの捲線
に比べ著しく軽減できる。この渦電流損失は、磁界に垂
直な線材中の2〜3乗に比例するものであり、エッジワ
イズに捲回することの効果は大きい。この渦電流損失が
減少できるということは、D形コイル9の全体の発熱量
を小さくで0さ、超電導現象を安定化させることができ
る。さらに、従来のように、冷却面IBが絶縁された捲
回面IAより狭い構造では、いたずらに線材寸法が大き
くなり「平均電流密度を必要以上に少さくし不経済であ
るが、エッジヮィズに捲線する本実タ施例ではこの点も
改善できる。次に、第10図ないし第15図は、線村に
形成する溝のそれぞれ異なる実施例を示すものである。
At the same time, it is possible to make the base plate 6 mechanically strong.Furthermore, the end of the base plate 6 is formed longer than the winding part, and a through bolt (not shown) can be inserted and fastened there, or a support member can be attached. (not shown) can be used to increase the mechanical strength of the entire coil, making it far superior to conventional coils in terms of electromagnetic force resistance.
In this case, as shown by chain lines (imaginary lines) in FIG. 16, which will be described later, holes 6A are formed in the baser 6 within a range that does not impair its strength, and the cooling channels T between the unit coils are interconnected. By doing so, the circulation of the refrigerant or cold soot bubbles can be further improved. Further, if the wire 8 is wound edgewise as in this embodiment, the power is applied in the direction of arrow P in FIG. 7, that is, in the direction perpendicular to the winding surface 8A. The eddy current loss caused by the magnetic pulsed magnetic field can be significantly reduced compared to conventional flat-width winding. This eddy current loss is proportional to the second to third power of the wire perpendicular to the magnetic field, and edgewise winding has a great effect. The fact that this eddy current loss can be reduced means that the overall heat generation amount of the D-shaped coil 9 can be reduced to zero, and the superconducting phenomenon can be stabilized. Furthermore, in the conventional structure where the cooling surface IB is narrower than the insulated winding surface IA, the wire size becomes unnecessarily large, which reduces the average current density more than necessary and is uneconomical. In this embodiment, this point can also be improved. Next, FIGS. 10 to 15 show different embodiments of the grooves formed in the line villages.

第10図は第4図の線村8の上側の捲回面8Aにも複数
個の溝12を形成したもので、このようにすればコイル
に貫通孔が形成され、冷媒気泡の流通をさらに容易にで
きる。第11図は、線村8の長手方向の溝10を線材8
の下部にのみ設けたもので、これによってもほぼ同等の
効果があり「また、図示しないが上部にのみ設けたもの
であってもよい。第12図は、線材8の左右側面の片面
(図にあっては左側面)にのみ溝10,i亀を設けたも
のである。第13図は、線材8の片面であって、かつ長
手方向(捲回時周方向)の溝1Q‘ま下部のみ設けられ
たもので、この下部の溝IQも線材8の下部を斜切する
ことにより形成されたものである。このように斜功すれ
ぱその製作が容易となる。第14図は、フラットワィズ
に捲回される線村8の一側面に溝10および11が形成
されたもので、長手方向の溝1川ま上部にのみ設けられ
、かつ斜切して形されている。これらの場合には、冷却
表面積が減少するので、同一仕様に対しては完全安定化
条件を満足させるために、合成比抵抗を下げるか、サブ
ストレート断面積を増大する等の対策が必要である。第
15図は、ほぼ方形の断面を有する線材8に、上下面、
左右面に連続され、環状とされた溝12,11を設ける
とともに、各角隈部に長手方向の溝10を設けたもので
ある。このように、あるいはさらに任意の形状に溝10
,貴1,12の形成方法を異ならしてもほぼ同等の効果
が得られる。次に、第16図は、本発明の超電導マグネ
ットに使用するに好適な線村の具体的な構造を示す一例
の断面図で、第17図は、第16図の線材の効果を確認
するための比較例の断面図である。第16図において、
複合超電導線材14は、狭中部の中すなわち横中がt、
広中部の中すなわち縦中がwのほぼ長方形の鋼製サブス
トレート15の両側面縦方向の深さmの縦溝11が形成
されるとともに、線材14の両側面上下部に長手方向す
Zなわち紙面直角方向の深さm、中1の溝10が形成さ
れ、この銅サブストレート15の縦方向すなわち捲線時
半径方向の中央部にほぼ銅サブストレート15の横中に
等しい断面略方形の極細多心線材16が埋込まれ、さら
にこの極細多心線材16 Zの上下に所定間隔を隔てて
断面略万形のアルミニウムサブストレート17がそれぞ
れ埋込まれて構成されている。
In FIG. 10, a plurality of grooves 12 are also formed in the winding surface 8A on the upper side of the line village 8 in FIG. It's easy to do. FIG. 11 shows the grooves 10 in the longitudinal direction of the wire rod 8
Although not shown, it may also be provided only at the upper part. Fig. 13 shows grooves 10 and i grooves provided only on the left side surface of the wire rod 8. Fig. 13 shows grooves 1Q' and lower part on one side of the wire rod 8 in the longitudinal direction (circumferential direction during winding). This lower groove IQ is also formed by diagonally cutting the lower part of the wire rod 8. This diagonal cutting makes it easy to manufacture the wire rod. Grooves 10 and 11 are formed on one side of the wire strip 8 that is wound around the wire.The grooves 10 and 11 are provided only at the top of the longitudinal groove 1, and are cut obliquely.In these cases, Since the cooling surface area decreases, it is necessary to take measures such as lowering the composite resistivity or increasing the substrate cross-sectional area in order to satisfy the complete stabilization condition for the same specifications. Fig. 15 is a wire rod 8 having a substantially rectangular cross section, with upper and lower surfaces,
Continuous annular grooves 12 and 11 are provided on the left and right sides, and a longitudinal groove 10 is provided in each corner. The groove 10 may be formed in this way or in any other shape.
, No. 1 and No. 12 may be formed using different methods, almost the same effect can be obtained. Next, FIG. 16 is a cross-sectional view of an example showing the specific structure of a wire rod suitable for use in the superconducting magnet of the present invention, and FIG. 17 is a cross-sectional view for confirming the effect of the wire shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a comparative example. In Figure 16,
The composite superconducting wire 14 has t in the narrow part, that is, in the lateral middle.
Vertical grooves 11 with a depth m in the longitudinal direction are formed on both sides of the steel substrate 15, which is approximately rectangular in the wide part, that is, the longitudinal center is w, and longitudinal grooves 11 are formed in the upper and lower parts of both sides of the wire rod 14 in the longitudinal direction. A groove 10 having a depth m in the direction perpendicular to the plane of the paper and having a substantially rectangular cross section is formed in the center of the copper substrate 15 in the longitudinal direction, that is, in the radial direction during winding. A multi-core wire 16 is embedded, and furthermore, aluminum substrates 17 having a substantially ten-round cross section are embedded at predetermined intervals above and below the ultra-fine multi-core wire 16Z.

この線材14の側面にはスベーサ6が当接され、捲回面
には絶縁体4が当援されている。この際、スベーサ7に
は、実際には貴孔6Aは形成されていない状態で実験し
た。なお、前記鋼サブストレート15は、抵抗比20鼠
茎度の高純度の銅を用い、アルミニウムサプストレ−ト
17は、抵抗比50疎星度の高純度のアルミニウムを用
いている。この銅の比抵抗は磁束密度7.5テスラ(T
)、温度4.をK‘こおいて、4.25×10‐80弧
、アルミニウムの比抵抗は同条件において1.0×10
‐80弧であり、本線材サブストレートの合成比抵抗は
2.0×10‐80伽である。銅部とアルミニウム部と
の断面燈比は2:1とし、冷却面の凸部長さ(h)と凸
部および凹部の長さを加えた長さ(h+i)との比、h
/(h+i)は0.7とした(第4図参照)。また、前
記極細多D線材16は多数本の超電導秦線と銅サブスト
レートとで構成され、銅断面積(Acu)と超電導素線
断面積(Asup)との比A肌/Asupは4程度とし
てある。その他の寸法は後記の表一1に記載されている
通りであるが、設計電流を10(kA)「設計最大磁界
を7.5(T)として前記■式から表−1の条件で算出
した安定化パラメータQの平均値は0.86(<1)で
十分安定化条件を満足している。タ 第17図は、第1
6図の構造の線材14から各溝10,11を省略し、か
つフラットワィズに捲線する構造の複合超電導線材18
の断面を示している。
A smoother 6 is brought into contact with the side surface of the wire 14, and an insulator 4 is brought into contact with the winding surface. At this time, the experiment was conducted with no noble hole 6A actually formed in the smoother 7. The steel substrate 15 is made of high-purity copper with a resistance ratio of 20, and the aluminum substrate 17 is made of high-purity aluminum with a resistance ratio of 50. The specific resistance of this copper is the magnetic flux density of 7.5 Tesla (T
), temperature 4. K' is 4.25×10-80 arc, and the specific resistance of aluminum is 1.0×10 under the same conditions.
-80 arc, and the composite resistivity of this wire substrate is 2.0×10-80. The cross-sectional lighting ratio between the copper part and the aluminum part is 2:1, and the ratio of the length of the convex part of the cooling surface (h) to the length of the convex part and the length of the concave part (h + i), h
/(h+i) was set to 0.7 (see Figure 4). Further, the ultra-fine multi-D wire 16 is composed of a large number of superconducting Qin wires and a copper substrate, and the ratio A skin/Asup of the copper cross-sectional area (Acu) to the superconducting wire cross-sectional area (Asup) is about 4. be. The other dimensions are as listed in Table 1 below, but they were calculated using the conditions in Table 1 from the above equation, assuming a design current of 10 (kA) and a design maximum magnetic field of 7.5 (T). The average value of the stabilization parameter Q is 0.86 (<1), which sufficiently satisfies the stabilization condition.
A composite superconducting wire 18 having a structure in which grooves 10 and 11 are omitted from the wire 14 having the structure shown in FIG. 6, and the wire is wound flatwise.
It shows a cross section of.

この線材18は外観上は従来の線材1と同等である。次
に、第16図の線材14と比較する0ために、第17図
の線材18を用いて、前記と同一仕様(10kA、7.
5T)に対して安定化パラメータQを同一にするように
設計した場合の各部の寸法が表一1の右欄に示されてい
る。なお、第17図において、wは線村18の中広の辺
の長さを示夕し、tは狭中の辺の長さを示し、gは各単
位コイル間のギャップすなわち冷却チャネル7の中を示
している。表−1前記表一1によれば、安定化パラメー
タQを同一値にするために、第17図の方式は、第16
図の方式に比較して線材断面積で2.3倍、冷却チャネ
ル中を含む平均電流密度で1/2になることが分る。
This wire rod 18 is equivalent to the conventional wire rod 1 in appearance. Next, in order to compare the wire rod 14 with the wire rod 14 of FIG. 16, the wire rod 18 of FIG.
The dimensions of each part are shown in the right column of Table 1 when the stabilization parameter Q is designed to be the same for 5T). In FIG. 17, w indicates the length of the wide side of the line 18, t indicates the length of the narrow side, and g indicates the gap between each unit coil, that is, the length of the cooling channel 7. Showing the inside. Table 1 According to Table 1 above, in order to make the stabilization parameter Q the same value, the method shown in FIG.
It can be seen that the cross-sectional area of the wire is 2.3 times that of the method shown in the figure, and the average current density including the cooling channel is 1/2.

すなわち「第16図すなわち溝10,11を設け、エッ
ジワィズに捲線した線材14にあっては、第17図の線
材181こ比べてはるかに4・さな断面積で同一仕様を
満足させることができる。
In other words, ``The wire rod 14 shown in Fig. 16, which is provided with grooves 10 and 11 and wound edgewise, can satisfy the same specifications with a much smaller cross-sectional area than the wire rod 181 shown in Fig. 17. .

特に、超大型マグネットでは、線村断面が大きいことは
、コイル全体が大型になることを意味し、コイルを冷却
するための冷凍機容量を含めて非常に不経済な設計にな
る。前述のように、第16図の実施例においては、超電
導素線を含む極細多心線村16を線材14の中央部に集
中して設けてあるから、エッジワイズの捲線時に極細多
心線材16に加わる変形量を少なくでき、極細の素線の
断線を防止できる。
In particular, in the case of a super-large magnet, a large wire cross-section means that the entire coil becomes large, resulting in a very uneconomical design including the capacity of the refrigerator for cooling the coil. As mentioned above, in the embodiment shown in FIG. 16, since the ultra-fine multi-filament wire village 16 containing superconducting wires is concentrated in the center of the wire 14, the ultra-fine multi-filament wire 16 is concentrated during edgewise winding. The amount of deformation applied to the wire can be reduced, and breakage of ultra-fine strands can be prevented.

すなわち、素綾が線材14の高さ方向(捲回の半径方向
)に分散していると「捲回時外周側に位置する秦線と内
周側に位置する素線では、その曲率半径が著しく異なり
、断線し易いからである。なお実施にあたり、第16図
の線材14において、高純度アルミニウムからなるアル
ミニウムサブストレート17を埋込む代りに、あるいは
これとは別にサブストレート15中に、ステンレス鋼線
または板、タングステン線などを埋込むことにより線材
14の引張り強度、曲げ強度等の機械的性質を著しく増
大させることができる。
In other words, if the plain twill is dispersed in the height direction of the wire 14 (radial direction of winding), the radius of curvature of the plain wire located on the outer circumferential side and the plain wire located on the inner circumferential side during winding is This is because the wire rod 14 in FIG. By embedding wires, plates, tungsten wires, etc., the mechanical properties such as tensile strength and bending strength of the wire 14 can be significantly increased.

これは、第4図の線材8‘こも適用できる。また、溝1
0を設けず、線材8をコイル状に捲回後、溝11を形成
するようにしてもよいが、この場合はこの溝11が従来
例のスベーサ6のように複雑な形となり実用的ではない
。上述のように、本発明によれば、溝を伝って冷蝶およ
び冷媒気泡を円滑に流動させることができ、構造の簡単
なスベーサを使用しても冷却を効果的に行なうことがで
きる超電導マグネットを提供できるとともに、このよう
な超電導マグネットを容易に形成できる超電導線材を提
供できる。
This can also be applied to the wire rod 8' in FIG. Also, groove 1
0 may be omitted, and the groove 11 may be formed after the wire 8 is wound into a coil, but in this case, the groove 11 will have a complicated shape like the conventional smoother 6, which is not practical. . As described above, according to the present invention, there is provided a superconducting magnet that allows cold butterflies and refrigerant bubbles to flow smoothly through the grooves, and that allows effective cooling even when using a spacer with a simple structure. In addition, it is possible to provide a superconducting wire that can easily form such a superconducting magnet.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の複合超電導線材の切断端面図、・第2図
は第1図の線材を用いて形成した従来の○形コイルの正
面図、第3図は第2図の山一皿線に沿った切断端面図、
第4図は本発明に係る超電導マグネットに用いられる複
合超電導線材の一実施例を示す一部の斜視図、第5図お
よび第6図はそれぞれ第4図のV−V線およびの−の線
に沿った拡大切断端面図、第7図は第4図の線材を用い
て形成した本発明のD形コイルの正面図、第8図は第了
図の畑一皿線に沿った拡大切断端面図、第9図は第7図
のスベーサを取除いた状態の要部拡大正面図、第10図
は本発明に用いられる複合超電導線村の他の実施例を示
す一部の斜視図、第11図ないし第15図は本発明に用
いられる複合超電導線材のそれぞれさらに異なる実施例
を示す切断端面図、第16図は本発明に用いられ複合超
電導線材のさらに異なる実施例を示す切断端面図、第I
T図は第16図との比較のための複合超電導線材の切断
端面図である。 2・・・・・・超電導素線、3・・…・サブストレート
、4…・・・絶縁体、5,9・・・・・・○形コイル、
6・・・…スベーサ、6A・・…・貴孔、7・・・・・
・冷却チャネル、8,14,18・・・・・・複合超電
導線材、10・・・・・・円周方向の溝、11・・・…
半径方向の溝、12・・・・・・ターン間の溝。 髪’図 第2図 第3図 弟4図 第5図 第6図 第7図 第8図 茅?図 弟 ノo 図 弟ノ′図 多ノ2図 髪ノ3図 弟仏図 弟 /S 図 弟 /る 図 弟/7図
Fig. 1 is a cut end view of a conventional composite superconducting wire, Fig. 2 is a front view of a conventional O-shaped coil formed using the wire shown in Fig. Cut end view along
FIG. 4 is a partial perspective view showing an example of a composite superconducting wire used in a superconducting magnet according to the present invention, and FIGS. 5 and 6 are lines V-V and - of FIG. 4, respectively. FIG. 7 is a front view of the D-shaped coil of the present invention formed using the wire shown in FIG. 4, and FIG. 8 is an enlarged cut end view along the field line of FIG. 9 is an enlarged front view of the main part of FIG. 7 with the smoother removed, FIG. 10 is a partial perspective view showing another embodiment of the composite superconducting wire village used in the present invention, and FIG. 11 to 15 are cut end views showing further different embodiments of the composite superconducting wire used in the present invention, and FIG. 16 is a cut end view showing further different embodiments of the composite superconducting wire used in the present invention. Chapter I
Figure T is a cut end view of the composite superconducting wire for comparison with Figure 16. 2... Superconducting wire, 3... Substrate, 4... Insulator, 5, 9... ○-shaped coil,
6...Subesa, 6A...Takako, 7...
・Cooling channel, 8, 14, 18... Composite superconducting wire, 10... Circumferential groove, 11...
Radial groove, 12...Groove between turns. Hair' figure 2 figure 3 figure younger brother 4 figure 5 figure 6 figure 7 figure 8 figure Kaya? Younger Brother Noo Younger Brother No' Drawing Tano 2 Drawing Younger Brother Buddha Drawing Younger Brother /S Younger Brother /ru Drawing Younger Brother / 7th Drawing

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 超電導素線を埋込んだサブストレートの断面がほぼ
矩形をなし、絶縁材を介して渦巻状に捲回されてコイル
を形成する超電導線材において、前記サブストレートは
、前記少なくとも渦巻状に捲回されたコイルの軸に直交
する面となる側面に、この側面の巾より狭い凸部が長手
方向に沿って間歇的に複数形成されていることを特徴と
する超電導線材。 2 前記側面に形成した凸部は、前記側面の幅方向中央
部に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の超電導線材。 3 前記サブストレートは、前記凸部を形成した側面に
直交した捲回面となる一対の面の内周面となる側に絶縁
体が設けられ、外周面となる側の前記凸部間に対応する
位置に溝部が形成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第1項または第2項記載の超電導線材。 4 前記サブストレートは、前記超電導素線より機械的
強度の大きい補強部材が配置されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項ないし第3項記載の超電導線材
。 5 超電導素線を埋込んだサブストレートの断面がほぼ
矩形をなす超電導線材を、絶縁体を介して渦巻状に捲回
して盤状に形成したコイルが、スペーサを介して軸方向
に複数個配列されて構成された超電導マグネツトにおい
て、前記各コイルは、前記サブストレートの少なくとも
一側面にこの側面の巾より狭い凸部が長手方向に沿って
間歇的に複数形成された超電導線材を、前記凸部が形成
された側面に直交する面を彎曲させて前記絶縁体を介し
て渦巻状に捲回し、少なくとも前記スペーサに対向する
面に、前記コイルの周方向に沿った複数の溝と、これら
の溝を連通する半径方向の複数の溝とが形成されている
ことを特徴とする超電導マグネツト。 6 前記スペーサは軸方向に複数の貫孔を有する平板に
て構成され、前記各コイルは前記超電導線材の彎曲させ
る面の長手方向に沿って設けた複数の溝部により複数の
貫通が形成され、前記各コイルに設けた溝は、前記スペ
ーサに形成した貫孔と前記コイルに形成した貫通孔とを
介して相互に連通していることを特徴とする特許請求の
範囲第5項記載の超電導マグネツト。
[Scope of Claims] 1. A superconducting wire material in which a substrate in which a superconducting element wire is embedded has a substantially rectangular cross section and is wound spirally through an insulating material to form a coil, wherein the substrate is A superconducting wire characterized in that, at least on a side surface that is perpendicular to the axis of a spirally wound coil, a plurality of protrusions narrower than the width of the side surface are formed intermittently along the longitudinal direction. 2. The superconducting wire according to claim 1, wherein the convex portion formed on the side surface is provided at a central portion in the width direction of the side surface. 3. In the substrate, an insulator is provided on the inner circumferential surface of a pair of winding surfaces perpendicular to the side surface on which the convex portion is formed, and an insulator is provided between the convex portions on the outer circumferential side. The superconducting wire according to claim 1 or 2, characterized in that a groove is formed at a position where the superconducting wire has a groove. 4. The superconducting wire according to claim 1, wherein the substrate is provided with a reinforcing member having a mechanical strength greater than that of the superconducting wire. 5 A plurality of coils are arranged in the axial direction via spacers, each of which is formed by winding a superconducting wire material having an almost rectangular cross section through a substrate in which superconducting wires are embedded into a disk shape by spirally winding the superconducting wire material through an insulator. In the superconducting magnet, each of the coils includes a superconducting wire having a plurality of protrusions narrower than the width of the side surface formed intermittently along the longitudinal direction on at least one side of the substrate, and the protrusions The coil is wound spirally through the insulator by curving a surface perpendicular to the side surface on which the coil is formed, and at least a surface facing the spacer has a plurality of grooves along the circumferential direction of the coil, and these grooves. A superconducting magnet characterized in that a plurality of radial grooves are formed that communicate with each other. 6. The spacer is composed of a flat plate having a plurality of through holes in the axial direction, and each of the coils has a plurality of through holes formed by a plurality of grooves provided along the longitudinal direction of the curved surface of the superconducting wire, and 6. The superconducting magnet according to claim 5, wherein the grooves provided in each coil communicate with each other via a through hole formed in the spacer and a through hole formed in the coil.
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