(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅及び金属系超電導体の複合体である超電導素線と、金属管とを束ねてアルミニウム製の安定化材中に埋設した超電導線。
【請求項２】
複数本の超電導素線を金属管の周りに撚り合わせたことを特徴とする請求項１記載の超電導線。
【請求項３】
金属管の超電導素線の直径の１／２以上の深さの溝を設け、その溝に上記超電導素線を埋設したことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の超電導線。
【請求項４】
金属管の内面に溝を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導線。
【請求項５】
金属管の材質は燐脱酸銅であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導線。
【請求項６】
金属管の材質はアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導線。
【請求項７】
金属管の材質は高電気抵抗材料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導線。
【請求項８】
高電気抵抗材料はオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項７に記載の超電導線。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超電導線を使用した超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、安定化材としてアルミニウムを用いた内部強制冷却型の超電導線、及びその超電導線を用いた超電導コイル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来金属系超電導体、例えばＮｂＴｉ合金、Ｎｂ3Ｓｎ化合物を用いた超電導線は、超電導状態を安定化するために、運転温度である約４．２Ｋ付近の極低温での電気抵抗率が小さい金属を安定化材として、その中に超電導体を埋設した構成とする必要があり、その安定化材として一般的には高純度アルミニウムや無酸素銅が使用されてきた。さらにこのような超電導線を内部強制冷却式で使用するために、安定化材の中に冷却用ヘリウムを流す通路を設けた構成の超電導線が先進技術として考えられている。
【０００３】
図８は例えば特願平１１−２０００４３号に示す上記先進技術としての内部強制冷却式のアルミニウム安定化超電導線を示す断面図であり、図において、１は超電導体を銅に埋設した構成の超電導素線、３はこの超電導素線１を埋設する高純度のアルミニウムでできた安定化材であり、１２はこの安定化材３に設けられた冷却用穴である。アルミニウムはその低電気抵抗から安定化材として利用するもので、４．２Ｋ付近での電気抵抗率は室温の約１／３００以下のものが必要である。
【０００４】
このような構成の超電導線を得るためには、予め製作された超電導素線１をアルミニウム複合押出し装置に連続的に供給し、冷却用穴１２を形成するためにニードルを位置決め設置し、押出し加工すると超電導素線１の周りにアルミニウム安定化材３が被覆され、安定化材には冷却用穴１２が形成された超電導線が連続的に製作される。
【０００５】
このように構成され、製作された超電導線を巻回して、超電導コイルとなし、冷却用穴に例えば約４．５Ｋ超臨界圧ヘリウムを流通させて極低温に冷却し、コイルを超電導状態となして通電して、目的の用に供するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超電導コイル装置は以上のように構成され、製作されるので、安定化材の中で超電導素線１と冷却用穴ニードルを断面内の所定の位置に保持することが必要であるが、それらの位置が不安定であり、甚だしくは、超電導素線が冷却用穴内に侵入してしまうなどの問題点があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、寸法的に安定して製造でき、かつ安価な超電導線を得ること、及び、この超電導線を使用した超電導コイル装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超電導線は、銅及び金属系超電導体の複合体である超電導素線と、金属管とをアルミニウム製の安定化材中に埋設したものである。
【０００９】
又、超電導素線と金属管は隣接しているものである。
【００１０】
又、複数本の超電導素線を金属管の周りに撚り合わせたものである。
【００１１】
又、金属管の外周に超電導素線の直径の１／２以上の深さの溝を設け、その溝に上記超電導素線を埋設したものである。
【００１２】
又、金属管の内面に溝を設けたものである。
【００１３】
又、金属管の材質はアルミニウムであるものである。
【００１４】
又、金属管の材質は高電気抵抗材料であるものである。
【００１５】
又、高電気抵抗材料はオーステナイト系ステンレス鋼であるものである。
【００１６】
この発明に係る超電導コイル装置は、上記超電導線を使用したものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１において、１は銅及び金属系超電導体の複合体である超電導素線、２はこの超電導素線１に平行に配置された金属管、３は超電導素線１および金属管２を被覆埋設するアルミニウム製の安定化材である。
【００１８】
このような構成の超電導線を得るためには、予め製作された超電導素線１と金属管２を束ねてアルミニウム複合押出し装置に連続的に供給し、押出し加工すると超電導素線１と金属管２の周りにアルミニウム安定化材３が被覆され、安定化材に超電導線１と金属管２が互いに密接した状態でアルミニウムに埋設された構造の超電導線が連続的に製作される。
【００１９】
本発明では、従来技術で必要であった冷却用穴を形成するためにニードルは不要であり、それらの相対的な位置が安定であり、超電導素線が冷却用穴内に侵入してしまうおそれは全く無い。
【００２０】
超電導素線１は金属管２と単に並列に束ねられたものでもよいし、束ねられたものを細い金属線、例えば銅線、アルミニウム線などで結束されていてもかまわない。更には図２に示すように、金属管２の周りに巻きつけられたものでもよい。金属管２は、その内部にヘリウムを流すために、当然気密でなければならない。
【００２１】
このように構成され、製作された超電導線を巻回して、超電導コイルとなし、冷却用穴に例えばに約４．５Ｋ超臨界圧ヘリウムを流通させて極低温に冷却し、コイルを超電導状態となして通電して、目的の用に供する。
【００２２】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、超電導素線１が１本の場合について述べたが、図３に示すように、金属管２の周囲に複数の超電導素線を撚り合せて金属管が芯となった撚線１ａを構成したので、より通電容量が大きい超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を得ることができる。
【００２３】
実施の形態３．
上記実施の形態１および２では、金属管の外周は平滑な円筒面である場合について図示したが、図４に示すように、金属管２ａの外周に少なくとも超電導素線１の直径の１／２以上の深さの溝を設け、その溝内に超電導素線１を埋設して束ね、押出し機に供給するようにしたので、超電導素線と金属管との相互位置が押出し時にさらに寸法的に安定し、歩留りが良く、安価でかつ長尺の超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を得ることができる。
【００２４】
実施の形態４．
上記実施の形態１乃至３では、金属管２ｂの内面が平滑である場合について図示したが、図５に示すように、金属管２ｂの内面に溝を設け、金属管内面の表面積を増やすようにしたので、更に冷却特性が良く小型で安価な超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を得ることができる。
【００２５】
実施の形態５．
上記実施の形態１乃至４では、金属管の材質について特に言及しなかったが、通常は、コイルとして端子部でのヘリウム配管を接合するのに、ろう付け等の信頼性があり施工が容易な無酸素銅管を使用すればよい。無酸素銅管はまた長尺管として製作しやすく安価でもあるので冷却管として好便である。ところが超電導コイル装置が使用される、磁場、コイルの通電電流、冷却管寸法が大きい場合には、アルミニウム製安定化材と銅製冷却管とが異なる金属であるので、超電導コイルに何らかの発熱があって超電導線が常電導化した場合に、式(１）で表されるホール電場が安定化材と金属管との間の超電導線断面内に発生する。
【００２６】
ＥH＝Ｂ×ＪT×Ｒ                ・・・(１）
【００２７】
式(１）で、Ｂ（Ｔ）は超電導線に印加される磁場、ＥH（Ｖ／ｍ）は超電導線断面内に発生する電位勾配、即ちホール電場、ＪT（Ａ／ｍ2）は超電導体が常電導化したために、安定化材、金属管に分流した、それぞれの内部の輸送電流の電流密度、Ｒ（ｍ3／Ｃ）は安定化材であるアルミニウム、金属管材質の銅に固有のホール係数である。このＥH、Ｂ、ＪTの関連状況は図６に示すとおりである。同図でＥH、ＪTについては、発生する材料を追加添字Ａｌ、Ｃｕとして付加してある。式(１）で示されるホール電場により式(２）で概略値が示されるホール電圧が発生する。
【００２８】
ＶH≒ＥH×ＬC                ・・・（２）
【００２９】
式(２）でＥH（Ｖ／ｍ）はホール電場、ＶH（Ｖ）はホール電圧、はＬC（ｍ）は金属管代表長さ、例えば管の直径（図中、符号ｄで示す）である。金属管寸法、材料の電気抵抗率に応じて、図６に示すホール電流ＪHが金属管とアルミニウム製安定化材中に流れる。極低温状態では、アルミニウムの場合で室温の１／３００以下、銅の場合で１／１００以下と電気抵抗が極めて小さいので、前記ホール電場により発生するホール電流が磁場と輸送電流の相乗効果で極めて大きくなることがある。ホール電流が輸送電流と同程度まで大きくなると、超電導素線から分流した輸送電流のみが安定化材を流れる場合に比べ、大きいジュール損失が安定化材中で発生し、ひいては、超電導安定性を大きく低下させる。これは安定に通電できる電流容量限界が大きく低下することを意味し、超電導線の性能を大きく損う。
【００３０】
したがって、本実施の形態においては、上記のようなホール電場による超電導線安定性の低下を防ぐため、金属管２ｃの材質を比較的抵抗が大きい銅である燐脱酸銅とした。極低温では、燐脱酸銅の電気抵抗は無酸素銅の１０倍程度であり、金属管が無酸素銅である場合よりホール電流が流れる回路の電気抵抗が増大し、ホール電流が減少する。従って超電導安定性を大きく損うことがない。しかも、燐脱酸銅はろう付け施工の容易さは無酸素銅と何ら変りなく、製造上の利点は保持される。
【００３１】
このようにすることで、必要な特性を持つ超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を安価に得ることができる。
【００３２】
実施の形態６．
本実施の形態では、純アルミニウムを金属管の材質として用いることを特徴とする。図７に、本実施の形態における、超電導コイル端子部の冷却管の配管接合部を示す。
【００３３】
安定化材３に埋設された金属管２は端部で冷却用配管と接続するために、安定化材から金属管部分を露出させ、配管継手５を介して、配管４に接続される。超電導線に埋設する金属管材質として通常の無酸素銅を採用する場合には、金属管２と配管継手５との接続部はろう付けで行うことになる。
【００３４】
一方、金属管材質がアルミニウムであれば、配管継手５材質もアルミニウムとし、金属管と配管継手との接続を信頼性が更に高い溶接とすることができる。金属管に耐圧力強度が必要な場合はアルミニウム合金を金属管材質として採用すればよい。
【００３５】
また、金属管材質をアルミニウムとすれば、安定化材と同材質であるので、実施の形態５で説明したホール電場は、安定化材部分と金属管部分とで同一となり相殺するため、ホール電流は流れず、超電導線の超電導安定性が低下することもなく、通電容量特性が低下しない。アルミニウム管は長尺管として製作しやすく安価でもあるので冷却管として好便である。
【００３６】
このようにすることで、必要な特性を持つ超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を安価に得ることができる。
【００３７】
実施の形態７．
本実施の形態では、オーステナイト系ステンレス鋼を金属管材質として用いている。このようにすることで、上記実施の形態６と同様に超電導コイル端子部で冷却管と配管との接合に信頼性ある溶接を採用できる。
【００３８】
また実施の形態５で説明したホール電場は発生するが、極低温での金属管の電気抵抗が無酸素銅にくらべ５０００倍大きいのでホール電流が殆ど流れず、超電導線の超電導安定性が損われず、超電導線の電流容量低下もない。
【００３９】
このようにすることで、必要な特性を持つ超電導線およびそれを使用した超電導コイル装置を安価に得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係る超電導線は、銅及び金属系超電導体の複合体である超電導素線と、金属管とをアルミニウム製の安定化材中に埋設したので、製造歩留りがよく、安価にできるという効果を有する。
【００４１】
又、超電導素線と金属管は隣接しているので、超電導素線と金属管との相対的な位置決めが容易となり、より製造歩留りがよくなり安価に製造できるという効果を有する。
【００４２】
又、複数本の超電導素線を金属管の周りに撚り合わせたので、通電容量を大きくすることができるという効果を有する。
【００４３】
又、金属管の外周に超電導素線の直径の１／２以上の深さの溝を設け、その溝に上記超電導素線を埋設したので、上記超電導素線と上記金属管との相対的な位置決めがさらに容易となるため、さらに製造歩留りがよくなるという効果を有する。
【００４４】
又、金属管の内面に溝を設けたので、冷却特性を向上できるという効果を有する。
【００４５】
又、金属管の材質はアルミニウムであるので、ホール電流による超電導安定性の低下を防止できるという効果を有する。
【００４６】
又、金属管の材質は高電気抵抗材料であるので、ホール電流による超電導安定性の低下を防止できるという効果を有する。
【００４７】
又、高電気抵抗材料はオーステナイト系ステンレス鋼であるので、ホール電流による超電導安定性の低下を防止できるという効果を有する。
【００４８】
この発明に係る超電導コイル装置は上記超電導線を使用したので、超電導線の歩留りが向上するため、装置を安価に製造することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１を示す断面図である。
【図２】  この発明の実施の形態１を示す斜視図である。
【図３】  この発明の実施の形態２を示す断面図である。
【図４】  この発明の実施の形態３を示す断面図である。
【図５】  この発明の実施の形態４を示す断面図である。
【図６】  ホール電場、磁場及びホール電流の関連状況を示す断面図である。
【図７】  この発明の実施の形態６を示す断面図である。
【図８】  従来の超電導コイル装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１  超電導素線、  １ａ  撚線、  ２、２ａ、２ｂ  金属管、
３  安定化材、  ４  配管、  ５  配管継手、  １２  冷却穴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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