(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本のアルミ安定化超電導線材を撚り合せて形成された１次撚線が、アルミニウム線を撚り合せて形成されたアルミニウム撚線の周りに複数本撚り合せられ全体として断面円形状の２次撚線を構成し、前記２次撚線が断面矩形状のＳＵＳコンジット内に収容されたアルミ安定化超電導導体であって、
前記複数本のアルミ安定化超電導線材は、それぞれ、銅もしくは銅合金マトリクスの周りに形成された超電導フィラメント群と、前記超電導フィラメント群の周りに設けられたアルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆の表面に生成された酸化皮膜とを有していることを特徴とするアルミ安定化超電導導体。
【請求項２】
前記２次撚線と前記ＳＵＳコンジットの間には、円形に成形されたＳＵＳテープが介在されていることを特徴とする請求項１に記載のアルミ安定化超電導導体。
【請求項３】
前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆の表面に生成された酸化皮膜は、厚さが０．０１〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載のアルミ安定化超電導導体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流損失を低減させ電気的安定性に優れた超電導線、特に銅もしくは銅合金のマトリクス中に超電導フィラメントが埋設された超電導線に安定化材料を被覆したアルミ安定化超電導線材の複数本以上を集合化して構成するアルミ安定化超電導導体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、交流損失が少なく良好な電気的特性を目指した超電導導体の製造方法は、種々提案されている。
例えば、超電導素線の製造は、銅製の管の中にＮｂ―Ｔｉ合金バーを挿入して複合ビレットとし、静水圧押出しでＣｕ／Ｎｂ―Ｔｉ複合バーを製造し、次いで伸線加工によって縮径する。さらに、縮径して得られたＣｕ／Ｎｂ―Ｔｉバーを複数本束ねて、再度銅製もしくは銅合金の管の中に充填して前述の工程と同様にして、超電導線材を押出し伸線を行なって超電導素線を作製する。超電導素線の製造後は、交流損失低減のためにＣｒメッキを施こして（文献１．Ａｎｄｏ ｅｔ ａｌ．，ＡＣ Ｌｏｓｓ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｂ３Ｓｎ Ｄｅｍｏ ｐｏｌｏｉｄａｌ Ｃｏｉｌ（ＤＰＣ−ＥＸ），ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｍａｇ．ＶＯＬ２８ Ｎｏ．１，１９９２）超電導素線とするか、あるいは素線表面にＣｕ−Ｎｉ基合金を被覆して（文献２．ＳＭＥＳ プロジェクト成果発表会資料）超電導素線とする。
【０００３】
次に、超電導素線を撚線する場合は、複数ステージの撚り線が行われるが、撚線中の素線構成は全て超電導線とするか、もしくは１次撚りにおいて銅線１本と２本の超電導線を撚線し、最終撚線まで行う。
最終のジャケット加工は、丸状の撚線をロールフォーミングしながら撚線をフォーミング材に挿入した後にＴＩＧ溶接にて造管後に４方向ロールで矩形に成形する。このとき、撚線も同様に矩形に変形する。
また、パルス運転に用いられるような超電導線の場合、安定化材には銅を用い、表面処理としてＣｒメッキあるいはＣｕ−Ｎｉ基合金が被覆される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の安定化超電導線によると、通電電流の大電流化に伴い、安定性を確保するために導体中の安定化銅の絶対量が増えて導体寸法が大型化する傾向がある。しかし、このことは超電導コイルの大型化を招き、結果的にコストが増大し、工業的なメリットが小さくなるという問題を残している。
【０００５】
また、従来の超電導導体の構成によると、均一に撚線した集合体を矩形に成形することによって撚線内に乱れを生じさせている。このような場合、偏流に起因した長時定数現象が生ずる（前掲文献２、Ｐ−５０）ために安定性が著しく低下するという課題があった。
【０００６】
それ故、本発明の目的は、導体の軽量化が図れると共にパルス運転時の励磁速度が速い場合であっても、長時定数を生じさせることがなく、高安定性を有し、かつ低交流損失特性が得られるアルミ安定化超電導線材の複数本以上を集合化して構成するアルミ安定化超電導導体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を実現するため、複数本のアルミ安定化超電導線材を撚り合せて形成された１次撚線が、アルミニウム線を撚り合せて形成されたアルミニウム撚線の周りに複数本撚り合せられ全体として断面円形状の２次撚線を構成し、前記２次撚線が断面矩形状のＳＵＳコンジット内に収容されたアルミ安定化超電導導体であって、前記複数本のアルミ安定化超電導線材は、それぞれ、銅もしくは銅合金マトリクスの周りに形成された超電導フィラメント群と、前記超電導フィラメント群の周りに設けられたアルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆の表面に生成された酸化皮膜とを有していることを特徴とするアルミ安定化超電導導体を提供するものである。
【０００８】
前記２次撚線と前記ＳＵＳコンジットの間には、円形に成形されたＳＵＳテープを介在することができる。
【０００９】
また、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆の表面に生成された酸化皮膜は、厚さを０．０１〜１μｍとすることが好ましい。
【００１０】
前記超電導フィラメント群は、Ｎｂ−Ｔｉ、Ｎｂ３Ｓｎ系、（ＮｂＴｉ）３Ｓｎ系、Ｎｂ３Ａｌ系の何れか１つの超電導材で構成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態による超電導導体の構成を示し、（イ）はシングル線、（ロ）はそのシングル線を利用したマルチ線、（ハ）は超電導導体である。
図１（イ）のシングル線は、Ｎｂ−Ｔｉ合金２の周りに無酸素銅３とＣｕ−Ｎｉ合金１を有する。
図１（ロ）のマルチ線は、銅１５の周囲に、Ｃｕ−Ｎｉ合金１、超電導フィラメント群５（（イ）のシングル線を６角形にしたもの）、無酸素銅３０、Ｃｕ−Ｎｉ合金１を順次有し、さらにＣｕ−Ｎｉ合金１の周りに、アルミニウム被覆４を有する。
【００１２】
図１（ハ）の超電導導体は、中央にＳＵＳ線７が準備され、その周りに６条の超電導線６（マルチ線）が配置されて７子撚り群を成している。この７子撚り群の６条は、別に準備された線径０．６ｌｍｍのアルミニウム線８の７本を１つの単位とする７組のアルミニウム撚線（アルミニウム撚線の総数４９本＝７本×７組）１条を中心として、その周囲に配置され撚り合わせられている。１条のアルミニウム撚線と７子撚り群の６条の外周には、厚さ２５μｍのＳＵＳ３０４テープ９がラップ巻してある。
ＳＵＳ３０４テープ９の上には、ＳＵＳ３１６Ｌ（長尺）板材のロールフォーミングによるＳＵＳコンジット１０を有し、板材突き合わせ部（図示省略）はＴＩＧ溶接して２１．２ｍｍ×２１．２ｍｍの正方形に形成されている。このときの板厚およびボイド率は、それぞれ約２．３ｍｍおよび約５２％である。
【００１３】
図１に示した実施の形態による超電導線においては、無酸素銅製の管３０に約３６００本のＣｕ／ＣｕＮｉマトリクスＮｂＴｉ超電導材の６角形のシングル線が充填され、静水圧押出機により押出した後に、時効熱処理と伸線加工によって直径１．２ｍｍの超電導素線に製作されている。超電導素線の周りにはコンフォーム押し出しによって直径１．８４ｍｍのアルミニウム被覆４（厚さ０．３２ｍｍ）が設けられており、アルミニウム被覆後の表面には、クロム酸アルマイト処理によって０．０１〜１μｍの酸化皮膜（図示省略）が生成されている。また、比較のために２，５μｍの酸化皮膜が生成されている素線とクロム酸アルマイト処理無しの素線も試験材（後述の表１、表２参照）として製作した。
【００１４】
図１に示した実施の形態の超電導線によると、超電導線にアルミニウムを被覆し、さらにアルミニウム表面に酸化皮膜を生成させているため、性能面において素線間接触抵抗の増大（即ち、撚線の等価抵抗率の増大）により大幅に交流損失の低減させることができると共に、高安定性を有する導体とすることができる。また、矩形のコンジット内に撚線を丸状のまま、金属管内に嵌合することで、撚線の乱れを解消し高安定性を有する導体にすることができる。その結果、導体の軽量化が図れると共にパルス運転時の励磁速度が速い場合（例えばｄＢ／ｄｔ＝５Ｔ／ｓ）であっても、長時定数を生じさせることがなく、高安定性を有し、かつ低交流損失特性が得られるアルミ安定化超電導線材および超電導導体が実現される。
【００１５】
図１に示した実施の形態の超電導線によると、極低温化において銅と比較して比抵抗の小さいアルミニウムを安定化材として用いることにより、安定化材の絶対量を低減すると同時に、銅（比重＝８．９４）と比較して比重も小さくなるため（Ａｌの比重＝２．７）に、超電導導体の軽量化を図ることができる。しかも超電導線にアルミニウムを被覆し、さらにアルミニウム表面に酸化皮膜を生成させることにより安定性マージンの向上を図っている。
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態による超電導導体の製造工程を示している。
最初、超電導素線の製造は、Ｃｕ−Ｎｉ合金パイプ、無酸素銅パイプにＮｂＴｉインゴットを挿入した状態で静水圧押出しにより複合バーを製造し、伸線加工する。この結果６角形のシングル線が得られる。縮径されたＮｂＴｉ超電導導体は銅バー１５、Ｃｕ-Ｎｉ合金１の外周に複数本束ねて無酸素銅およびＣｕ-Ｎｉ合金の管３０、１に充填され、再度静水圧押出しと伸線加工による縮径の工程を経て、図１（ロ）のＣｕ／ＣｕＮｉマトリクスＮｂＴｉ超電導材（マルチ線）を得る。即ち、無酸素銅製の管３０に約３６００本のＣｕ／ＣｕＮｉマトリクスＮｂＴｉ超電導材を充填して、静水圧押出機により押出した後に、４回の時効熱処理と伸線加工によって直径１．２ｍｍの素線に製作した。
次に製造した素線をコンフォーム押し出しによって直径１．８４ｍｍのアルミニウム被覆超電導線を製造し、アルミニウム被覆後の表面には、クロム酸アルマイト処理によって０．０１〜１μｍの皮膜を生成させた。また、比較のために２，５μｍの皮膜を生成させた素線とクロム酸アルマイト処理無しの素線も試験材として製作した。
【００１７】
図２において、超電導素線の撚線工程は、１次撚り工程において中央にＳＵＳ線、その外周に超電導線を配置させた７子撚り１３とした。２次撚り工程においては、同様に７子撚り１４とした。その構成は外周部に１次撚り６本と中心に線径０．６ｌｍｍのアルミ線を配置して４９本撚り（＝７×７）にした。２次撚りにおいて、外周には厚さ２５μｍのＳＵＳ３０４テープをラップして撚線を製造した。
【００１８】
図２の最後の工程は、ＳＵＳ３１６Ｌ（長尺）板材をロールフォーミングにより円形に成形し、その過程にて撚線を挿入し、その後ＴＩＧ溶接によって板材突き合わせ部（図示省略）を溶接した。このときの板厚およびボイド率は、それぞれ約２．３ｍｍおよび約５２％である。
【００１９】
図３は、超電導線安定性マージンの測定原理を示す回路例である。
この回路は、直流電源によってコンデンサＣ１が充電されゲートＧ１〜Ｇ４のオン、オフによって交流とされる。回路図の下にその交流波形が示されている。導体に巻き付けられた誘導ヒータＬｏを介して交流電流が流され、その際に発生する交流磁界によって、超電導導体サンプルに外部エネルギーが投入される。Ｃｏは誘導ヒータと導体との間に発生する静電容量である。測定の条件は、温度４．２Ｋ、外部磁界６Ｔにおいて通電電流１０ｋＡとした。超電導導体サンプルが、クエンチしない限界の投入エネルギーを安定性マージンと呼び、通常、単位撚線体積当たりのエネルギー量（ｍＪ／ｃｃ−ｃａｂｌｅ）で表わされる。
【００２０】
超電導コイルＬｏ内にサンプルを収納し、超電導コイルＬｏに電流を流して電流を振幅させ、サンプル内に誘導電流を流す。この誘導電流を流す時間を「ｔｈ」で表し、この誘導電流は超電導コイルＬｏに電流を流したときの外乱を意味したものである。
【００２１】
表１は、クロム酸アルマイト処理による酸化皮膜厚と安定化材の等価抵抗率の関係を示している。
【００２２】
【表１】
0003646059.tif 000002
【００２３】
表１の測定は、導体から任意の超電導線を抜き出して、４．２Ｋ、零磁界中で素線間の電気抵抗を測定し、その値から安定化材の等価抵抗率を算出した。
表１に示すように、クロム酸アルマイト処理によって生成させた皮膜厚さによって、安定化材の等価抵抗率が大きく依存することが分かる。処理皮膜無しの場合（試験例１）の安定化材の等価抵抗率は、アルミニウムの抵抗率（０．５×１０−１１Ωｍ）とほぼ同じ１×１０−１０Ωｍであることが分かる。
【００２４】
一般に、交流損失は損失時定数τｃに比例する。
τｃは次式で表すことができる。
τｃ＝μ０（Ｌ／２π）２／（４π・ρ）
ここで、Ｌ （ｍ） ：撚りピッチ
μ０（−） ：真空の透磁率
ρ （Ωｍ）：撚線の等価抵抗率
即ち、時定数は撚線の等価抵抗率に反比例するので安定化材の等価抵抗率がアルミニウムの抵抗率と同等に小さいならば、撚線としての等価抵抗率も小さくなり、結果的に交流損失（特に結合損失）が非常に大きな値となる。
【００２５】
表１によると、さらに、クロム酸アルマイト処理皮膜の膜厚を０．０１μｍ〜１μｍの厚さに施こすと（試験例２〜試験例８）、安定化材の等価抵抗率が１０−６〜１０−５Ωｍオーダーとなり、Ｃｕ１０Ｎｉの抵抗率１．４×１０−７Ωｍより大きな値となり、交流損失低減に大きな効果を示すことが分かる。
但し、膜厚が１μｍを超過すると安定化材の等価抵抗率が急激に増大して１０−１，１０−３Ωｍオーダー（試験例９・試験例１０）となり絶縁に近い状態となることが分かる。
【００２６】
表２は、クロム酸アルマイト処理による酸化皮膜厚と安定性マージンの関係を示している。
【００２７】
【表２】
0003646059.tif 000003
【００２８】
表２に示すように、酸化皮膜厚をパラメータとしたときの安定性マージンは、膜厚が１μｍ以下の場合（試験例２〜試験例８）、もしくはクロム酸アルマイト処理皮膜無しの場合（試験例１）は、安定性マージンがほぼ一定しているのに対して、膜厚が１μｍを超過する（試験例９・試験例１０）と安定性マージンが急激に低下していることが分かる。
これは、膜厚が１μｍ以下の場合（試験例２〜試験例８）の安定化材の等価抵抗率と比較して、膜厚が１μｍを超過した場合（試験例９・試験例１０）は素線間の電気抵抗が非常に大きく絶縁状態に近いため、局所的なクエンチのような僅かな偏流が生じた場合でも電流再配分による電流の均一化が行われなくなり安定性が低下したものと考えられる。
【００２９】
本発明の実施の形態において、超電導材としてＮｂ−Ｔｉについて説明したが、他の超電導材であるＮｂ３Ｓｎ系、（ＮｂＴｉ）３Ｓｎ系、Ｎｂ３Ａｌ系超電導材に代えても同様の効果が得られる。
【００３０】
本発明の実施の形態において、超電導線の撚線を嵌合する金属管の材質としては、ＳＵＳ３０４以外のＳＵＳ系材料、Ｔｉ、インコロイなど他の金属を用いても同様の効果が得られる。
【００３１】
本発明の実施の形態において、超電導線材あるいは安定化線材に被覆されるアルミニウム被覆表面の酸化皮膜の厚さは０．０１〜１μｍが適切である。被覆するアルミニウムとしては、９９．９９％レベルの純度を有するアルミニウム、もしくは９９．９９９％レベルの純度のアルミニウムが用いられる。アルミニウムはＭｇ−Ｃｕを含み、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ合金におけるアルミニウムはＭｇとＣｕの量が夫々１０ｐｐｍ以上を含むことが好ましい。また、アルミニウムは１０〜１００ｐｐｍのＭｇ、和にして２０〜１００ｐｐｍのＣｕとＭｇ又は和にして１０〜１２０ｐｐｍのＳｉとＣｕを含むアルミニウム基合金が用いられる。
【００３２】
本発明の実施の形態において、アルミニウム被覆表面の酸化皮膜の生成方法としては、クロム酸アルマイト処理以外に、硫酸アルマイト処理、化成皮膜処理、アジピン酸クロマイト処理などの他の方法を用いても同様の効果が得られる。
【００３３】
本発明の実施の形態における超電導導体として、ケーブル・イン・コンジット導体の場合を示したが、この他にホロー型強制冷却導体、ラザフォード型成形撚線（キーストン型成形撚線も含む）、あるいはその他のコンジットを含まない集合撚線導体の場合においても同様の効果が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のアルミ安定化超電導導体によると、超電導線にアルミニウムを被覆し、そのアルミニウム被覆の表面に酸化皮膜を生成させて安定化材の等価抵抗率を増大させてアルミ安定化超電導線材を形成し、さらにその超電導線材の複数本以上を集合化して超電導導体を構成しているから、導体の軽量化が図れると共にパルス運転時の励磁速度が速い場合であっても、長時定数を生じさせることがなく、高安定性を有し、かつ低交流損失特性のアルミ安定化超電導導体が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態による超電導導体の断面を示す説明図であり、（イ）はシングル線、（ロ）はマルチ線、（ハ）は超電導導体である。
【図２】  本発明の実施の形態による超電導導体の製造工程を示す説明図である。
【図３】  本発明の実施の形態による安定性マージンを測定する回路例を示している。
【符号の説明】
１  Ｃｕ−Ｎｉ合金
２  Ｎｂ−Ｔｉ合金
３  無酸素銅
４  アルミニウム被覆
５  超電導フィラメント群
６  超電導線
７  ＳＵＳ線
８  アルミニウム線
９  ＳＵＳテープ
１０  ＳＵＳコンジット
１２  超電導シングル線
１３  １次撚り
１４  ２次撚り
１５  銅
３０  無酸素銅
【図１】
0003646059.tif 000004
【図２】
0003646059.tif 000005
【図３】
0003646059.tif 000006