JPS602726B2 - 超電導線材及びこの線材を用いた超電導マグネット - Google Patents

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (1)

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。