(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の超電導フィラメントを金属基地の内部に複合してなる超電導フィラメント集合体が、複数本、外被の内部に補強材とともに分散圧密されてなる超電導導体であり、
前記補強材が直径の異なる複数種類の補強材からなり、前記複数の補強材のうち、少なくとも１つが、前記外被の内部に収納されている複数本の超電導フィラメント集合体のうち、隣接する複数本の超電導フィラメント集合体間に挿入されて前記超電導フィラメント集合体よりも直径の小さなものであり、
前記複数の補強材のうち、他の少なくとも１つが、隣接する複数本の超電導線の外部側で外被の内側に配置されたものであることを特徴とする超電導導体。
【請求項２】
前記補強材が４種類以上の径の異なるものからなり、前記補強材の中でも径の小さな小径補強材が外被の内側で相互に隣接する超電導フィラメント集合体間に配置されるとともに、外被の内側で相互に隣接する超電導フィラメント集合体の外側に径が異なり前記小径補強材よりも径の大きな複数の補強材が配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の超電導導体。
【請求項３】
熱処理することで超電導金属間化合物を生成可能なフィラメント集合体を複数本と、補強線材を複数本、外被パイプの内部に集合して所望の線径まで縮径加工を施し、縮径加工後に超電導金属間化合物を生成させる拡散熱処理を施す超電導導体の製造方法において、
径の異なる複数種類の補強線を用い、このうち、フィラメント集合体の径よりも小さな径の補強線を複数のフィラメント集合体の間に配置して超電導素線を集合するとともにフィラメント集合体の外側に前記径の異なる補強線を複数種類配置し、全体を外被パイプの内部に挿入し、この後に全体に縮径加工を施して目的の線径の超電導素線を得た後、
前記超電導金属間化合物を生成させるための拡散熱処理を施すことを特徴とする超電導導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直径の異なる複数種類の補強線材を内部補強用として用いた構造の超電導ケーブルとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、金属系超電導線材は磁界発生用の超電導コイルとして種々実用化されている。この種の超電導コイルは、金属系超電導線材を巻胴に巻回して構成され、全体を液体ヘリウムにより極低温に冷却した状態において金属系超電導線材に通電して主に磁界発生用として使用されるものである。この超電導コイルに通電すると、超電導コイルを構成する金属系超電導線材には自身が発生させた強大な電磁力が作用することになる。
【０００３】
ここで、この強大な電磁力を受けた超電導線材が巻胴に巻回された状態で動くようなことが生じると、超電導線材が超電導状態から常電導状態へと転移するクエンチを引き起こし、超電導コイルとしての超電導特性を低下させてしまう問題がある。
【０００４】
また、電磁力によって超電導線材が延びるようなことが生じると、超電導線材としての線材特性も劣化することになる問題があった。
【０００５】
そこでこれらの背景から、超電導線材においてはできる限り構造強度を高めることが要求されており、従来、このような超電導線材の構造強度を高める手段として以下に説明する方法が実施されている。
▲１▼外部補強法：超電導コイルを構成する超電導線材をその外側から何らかの補強部材で補強して固定する方法。
▲２▼内部補強法：超電導線材の内部に補強部材を複合し、超電導線材そのものの強度を高める構造を採用する方法。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の外部補強法にあっては、超電導線材を補強するための部材を別途設ける関係から、超電導コイルが巨大化、高重量化し易い問題があった。また、前述の内部補強法にあっては、超電導線材の内部に複合する超電導導体自身の断面積が少なくなるために、超電導線材自体の臨界電流密度が低下するおそれが高い問題を有していた。
更に、超電導線材の内部には、補強材の外に、超電導線材のクエンチを防止するための電流のバイパス通路としての安定化部材も複合されており、最近ではこの安定化材自体を高強度材料から形成して補強材兼用とした構造も現れてきている。ところが、この種の構造においても以下に説明する問題を有していた。
【０００７】
図４は、超電導導体となり得る多数の超電導フィラメント１をＣｕなどの安定化母材２の内部に複合してなる超電導フィラメント集合線３を中心部に備え、その外周部に超電導フィラメント集合線３よりも径の小さな複数の補強線５を備え、これらの全体を管体６の内部に複合してなる補強材外部配置型の超電導素線７を示している。図４に示す超電導素線７を所望の線径まで縮径加工して圧密し、超電導金属間化合物を生成させるための拡散熱処理を施すと超電導導体を得ることができる。
図５は、超電導導体となり得る多数の超電導フィラメント１１をＣｕなどの安定化母材１２の内部に複合してなる超電導フィラメント集合線１３を内径の大きな補強線１５の周囲に複数備え、これらの全体を管体６の内部に複合してなる補強材内部配置型の超電導素線１７を示している。図５に示す超電導素線１７を所望の線径まで縮径加工して圧密し、超電導金属間化合物を生成させるための拡散熱処理を施すと超電導導体を得ることができる。
【０００８】
これら図４と図５に示す超電導素線７、１７を製造するには、まず、超電導フィラメント集合線３、１３を製造する。超電導フィラメント集合線３、１３を製造するには、例えば、超電導金属間化合物を構成する２種の金属元素のうち、１種を含む線材を用意し、これを超電導金属間化合物を構成する残り１種を含む管体に挿入して複合線を得、この複合線を所望の線径まで縮径加工して得ることができる。また、超電導線材を得る場合に、超電導金属間化合物を構成する２種の金属元素のうち、１種の金属元素の基地の内部に残り１種の金属の樹枝状晶を含むインサイチュ線材を用い、これを所望の線径まで縮径加工して得る方法など、種々の方法が知られている。
【０００９】
以上のように得られた超電導フィラメント集合線３を図４に示す補強線５・・・とともに管体の内部に集合して縮径し、拡散熱処理するか、超電導フィラメント集合線１３・・・を補強線１５とともに管体の内部に集合して縮径し、拡散熱処理することで、所望の線径の超電導素線を得ることができ、この超電導素線に拡散熱処理を施すことで超電導導体を得ることができる。
【００１０】
しかしながら、前述の方法で得られる超電導導体は、異種金属の集合と縮径を多数回繰り返し施されて得られるものであるので、縮径加工の際に、径方向に強加工されることになるが、異種金属複合体の強加工を行うと、断面方向で線材強度の不均一性が現れ易い問題があった。特に、図４または図５に示す断面構造の超電導素線７、１７は、線材中心部あるいは線材外周部に補強材を集中配置した構造であるので、線材強度の断面方向における不均一性が一層増加する傾向がある。この強度不均一性は、線材を縮径加工する場合に断線を引き起こしたり、フィラメントのいびつな変形を引き起こす不均一加工となり易い傾向があった。
【００１１】
本発明は前記の背景に基づき、超電導線材の内部に補強材を複合する構造において断面方向での補強材の不均一性を解消して線材加工性を向上させて加工中の断線を防止するとともに、超電導フィラメントの異常変形を抑制し、線材強度も向上させることができる超電導線とその製造方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、多数の超電導フィラメントを金属基地の内部に複合してなる超電導フィラメント集合体が、複数本、外被の内部に補強材とともに分散圧密されてなる超電導線であり、前記補強材が直径の異なる複数種類の補強材からなり、前記複数の補強材のうち、少なくとも１つが、前記外被の内部に収納されている複数本の超電導フィラメント集合体のうち、隣接する複数本の超電導フィラメント集合体間に挿入されて前記超電導フィラメント集合体よりも直径の小さなものであり、前記複数の補強材のうち、他の少なくとも１つが、隣接する複数本の超電導線の外部側で外被の内側に配置されたものであることを特徴とする。
【００１３】
本発明は前記課題を解決するために、前記補強材が４種類以上の径の異なるものからなり、前記補強材の中でも径の小さなものが隣接する超電導フィラメント集合体間に配置されるとともに、隣接する超電導フィラメント集合体の外側に径の異なる複数の補強材が配置されてなることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、熱処理することで超電導金属間化合物を生成可能なフィラメント集合体を複数本と、補強線材を複数本、外被パイプの内部に集合して所望の線径まで縮径加工を施し、縮径加工後に超電導金属間化合物を生成させる拡散熱処理を施す超電導導体の製造方法において、径の異なる複数種類の補強線を用い、このうち、フィラメント集合体の径よりも小さな径の補強線を複数のフィラメント集合体の間に配置して超電導素線を集合するとともにフィラメント集合体の外側に前記径の異なる補強線を複数種類配置し、全体を外被パイプの内部に挿入し、この後に全体に縮径加工を施して目的の線径の超電導素線を得た後、前記超電導金属間化合物を生成させるための拡散熱処理を施すことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明に係る超電導導体の第１実施形態を示すもので、この実施形態の超電導導体Ａは、外被２１の内部中央側に配置された７本の超電導フィラメント集合体２２とその外部側で外被２１の内側に配置された４種類の外径の補強材２３、２５、２６、２７とを主体として構成されている。
【００１６】
前記超電導フィラメント集合体２２は中心部に１本、その周囲部に周回りに等間隔で６本配置されるとともに、中心のフィラメント集合体２２とその外周部に位置するフィラメント集合体２２・・・との境界部分には各々最も径の小さな補強材２３が中心部のフィラメント集合体２２の周回りに等間隔で合計６本配置されている。これらの最小径の補強材２３は、前記中心に位置するフィラメント集合体２２と、その外側の一対のフィラメント集合体２２、２２との境界部分にそれぞれ配置されている。
【００１７】
次に、中心部のフィラメント集合体２２の外周側に位置する６本のフィラメント集合体２２のうち、互いに隣接する２本のフィラメント集合体２２、２２の間の部分の外周側には最も径の小さな補強材２３が更に配置され、これら各補強材２３の外側に最も径の大きな補強材２７が配置されている。即ち、これらの補強材２７は互いに隣接するフィラメント集合体２２の境界部分の外側に位置されている。次に、周回りに配置されている６本のフィラメント集合体２２の各々の外側であって、フィラメント集合体２２・・・の外周側に配置されている最大径の補強材２７、２７の間の部分には、補強材２７に近い位置に第２番目の直径の補強材２６がそれぞれ配置され、これら補強材２６、２６の間の部分に補強材２６、２６に挟まれるように第３番目の直径の補強材２５が配置されている。
【００１８】
更に、前記６本のフィラメント集合体２２の各々の外側に位置する最大径の補強材２７とそれに隣接する第２番目の径の補強材２６との間の部分の外周側に最小径の補強材２３が配置され、前記補強材２６とそれに隣接する補強材２５との境界部分の外周側に最小径の補強材２３が配置されている。従って、前記６本のフィラメント集合体２２の外周部であって外被２１の内側には、外被２１の内周回りに補強材２７、２３、２６、２３、２５、２３、２６、２３の順で補強材が繰り返し配置されていて、これらを覆って外被２１が設けられている。
【００１９】
前記外被２１は高純度銅などの電気抵抗の低い良導電性金属材料から構成されている。
前記フィラメント集合体２２は図２（Ｂ）に拡大して示す２次複合体２９を縮径加工して構成される。この２次複合体２９は、図２（Ａ）に示すＮｂなどの芯材３０の外部をＣｕＳｎ合金などの被覆層３１で覆った構成の１次複合体３２を多数本集合し、これらをＣｕＳｎ合金などからなる内部パイプ３３の内部に挿入し、更に内部パイプ３３をＴａなどの高融点金属材料からなる外部パイプ３４で図２（Ｂ）に示すように覆って構成されている。
【００２０】
ここで用いられる芯材３０を構成する材料は、目的とする超電導金属間化合物を構成する２つ以上の元素のうち、少なくとも１つの元素を含むものから選定されるので、目的とする超電導金属間化合物がＮｂ３Ｓｎである場合は、芯材３０をＮｂから構成する。
【００２１】
超電導金属間化合物として前記Ｎｂ３Ｓｎの外に、Ｎｂ３Ｇｅ、Ｎｂ３Ａｌ、Ｖ３Ｇａ等のＡ−１５型化合物など種々のものが知られているので、それらの超電導金属間化合物を構成する元素のうちの適宜なものを選択することができる。また、芯材３０を覆う被覆層３１の構成元素は、芯材３０に含有させた超電導金属間化合物構成元素を除いた残りの超電導金属間化合物構成元素を含むものを選択して用いることができる。従ってこの実施形態においては、Ｎｂ３Ｓｎ超電導金属間化合物を製造することを目的とするので被覆層３１の構成元素はＣｕ−Ｓｎ合金が選択される。
【００２２】
なお、１次複合線として本実施形態ではＮｂの芯材３０とＣｕＳｎ合金の被覆層３１からなる構造のものを用いたが、ＣｕＳｎ合金の金属基地の内部にＮｂの樹枝状晶が分散された構造のインサイチュ線材を１次複合線の代わりに用いても良い。
【００２３】
次に、前記補強材２３、２５、２６、２７はＣｕ−２０％Ｎｂ合金、アルミナ分散銅、Ｔａ等のＣｕ−Ｓｎ合金よりも強度の高い合金材料からなる。
【００２４】
図１に示す構造の超電導導体を製造するには、図２（Ｂ）に示す２次複合体２９を縮径加工して図２（Ｃ）に示すフィラメント集合体４２とした後、このフィラメント集合体４２を７本用意し、更に先の補強材と同等の構成材料からなる４種類の直径の補強線４３、４５、４６、４７を複数本用意する。ここで補強線４３、４４、４６、４７はこの順に直径が大きくなるものとする。一例としてフィラメント集合体４２の直径を４．２６ｍｍとした場合に、補強線４３の直径を０．６ｍｍ、補強線４５の直径を１．０８ｍｍ、補強線４６の直径を１．６ｍｍ、補強線４７の直径を２．７７ｍｍと設定することができる。
【００２５】
これらの補強線４３、４５、４６、４７を図２（Ｃ）に示すように配置して外被パイプ５１の内部に収納し、３次複合体を形成し、この３次複合体を所望の線径まで縮径加工することで超電導素線を得ることができ、この超電導素線に超電導金属間化合物生成用の拡散熱処理を施すことで図１に示す断面構造の超電導導体Ａを得ることができる。
これらの補強線４３、４５、４６、４７をフィラメント集合体４２の周囲に配置する場合、いずれの線径の補強線も線材横断面全体に出来る限り均一に分布するように配置することが好ましい。このような背景から本実施形態にあっては、中心に配置するフィラメント集合体４２の周囲に等間隔で６本の最小径の補強線４３を配置し、それらを囲むように６本のフィラメント集合体４２を配置し、更に６本のフィラメント集合体４２のうち、隣接するフィラメント集合体４２の間の外側に最小径の補強線４３を配置し、更にそれらの補強線４３の外側に最大径の補強線４７を配置し、最大径の補強線４７、４７間に第２番目の径の補強線４６、４６と第３番目の径の補強線４５と最小径の補強線４３を配置して外被５１との間の隙間を補強線４３〜４７で出来る限り埋め込むように配置する。
ここで例えば、中心部のフィラメント集合体４２のまわりにフィラメント集合体４２を７本以上設置する場合は、各フィラメント集合体４２の間にそれぞれ最小径の補強線４３を配置することが好ましく、各フィラメント集合体４２の外側にできる限り均一に直径の異なる複数本の補強線４３、４５、４６、４７を配置することが好ましい。
【００２６】
図１に示す超電導導体Ａにあっては、１次複合体３２に複合されているＮｂの芯材３０が微細なフィラメント状に加工された状態とされていて、この周囲にＣｕ−Ｓｎ合金のＳｎが存在しているので、このＳｎが拡散してＮｂと反応する結果、ＮｂフィラメントがＮｂ３Ｓｎ超電導フィラメントとなり、超電導導体Ａを得ることができる。
【００２７】
以上のように構成された超電導導体Ａは、内部に多数のＮｂ３Ｓｎ超電導フィラメントを有するので、液体ヘリウム等の冷媒で冷却して超電導フィラメントを超電導状態に遷移させることで超電導導体として使用することができる。
前記超電導導体Ａは、内部に４種類の径の異なる補強材２３、２５、２６、２７が複合され、しかも各補強材は線材横断面において均一に分散されている。即ち、中心部に配置したフィラメント集合体２２の周囲に対称性を有するように他のフィラメント集合体２２を配置し、更に補強材２３〜２７も良好な対称性で配置しているので、超電導導体Ａの横断面を見た場合に良好な対称性でもって補強材２３〜２７を配置したことになる。
従って、本実施形態の超電導導体Ａにあっては、線材強度の不均一性を解消することができ、縮径加工時のＮｂフィラメントの不均一変形や断線のおそれを少なくすることができる。また、縮径された状態において補強材２３〜２７はいずれも細径に加工されるので、補強材２３〜２７の繊維補強効果により超電導導体の線材強度が向上される。
【００２８】
【実施例】
外径２５．４ｍｍ、内径１５．４ｍｍのＣｕ−１３ｗｔ％Ｓｎ合金のパイプの内部に外径１４．９ｍｍのＮｂ−１．２％Ｔｉ合金からなる芯材を挿入して１次複合線を作成し、この１次複合線を直径０．７ｍｍまで縮径加工し、縮径加工後の１次複合線を３３１本集合した。次に、これら３３１本の１次複合線を外径１６ｍｍ、内径１５ｍｍのＣｕ−８ｗｔ％Ｓｎ合金のパイプの内部に挿入し、全体を更に外径１８ｍｍ、内径１６ｍｍのＴａパイプの内部に挿入し、これら全体を外径４．２６ｍｍになるまで縮径加工してフィラメント集合体を得た。
【００２９】
このフィラメント集合体を７本作成し、１本のフィラメント集合体の周囲に他の６本のフィラメント集合体を配置し、中心部のフィラメント集合体と外周部のフィラメント集合体との間の部分に直径０．６ｍｍのＣｕ−２０ｗｔ％Ｎｂ合金の補強線を６本介在させた。続いて外周側の６本のフィラメント集合体の間の部分の外周側に直径０．６ｍｍのＣｕ−２０ｗｔ％Ｎｂ合金の補強線を６本介在させ、更にそれらの補強線の外側に直径２．７７ｍｍの最大径の補強線を配置した。
続いて外周部側に存在する最大径の補強線の間に、最大径の補強線に近い部分から順に第２番目の大きさの直径１．６ｍｍの補強線と第３番目の大きさの直径１．０８ｍｍの補強線を介在させ、更にこれらの第２番目と第３番目の直径の補強線の境界部分の外側に直径０．６ｍｍのＣｕ−２０ｗｔ％Ｎｂ合金の補強線を配し、これら全体を外径１７．３ｍｍ、内径１６．５ｍｍの純銅製のパイプの内部に挿入し、全体を直径１ｍｍになるまで縮径加工して超電導素線を得た。ここまでの縮径加工において断線等のトラブルは全く生じなかった。更にここで用いた４種類の直径の補強線の合計本数は５８本である。
【００３０】
次に前記直径１ｍｍの超電導素線を６７０℃に２４０時間加熱するＮｂ３Ｓｎ生成用拡散熱処理を施し、内部補強型のＮｂ３Ｓｎ超電導線を得た。
このＮｂ３Ｓｎ超電導線の強度を測定した結果、同様の補強材断面積を有する超電導線材の約１．１倍の強度を有していることが判明した。更に、得られた超電導線材の断面観察を行なったところ、拡散熱処理によって内部に生成されている超電導フィラメントに異常な変形は見られなかった。
【００３１】
次に、以上のように製造された超電導導体と比較例の超電導導体について室温において引張試験を行なった結果を図３に示す。
比較例の超電導導体は以下のように製造した。、外径２５．４ｍｍ、内径１５．４ｍｍのＣｕ−１３ｗｔ％Ｓｎパイプに直径１４．１ｍｍのＮｂ−１．２ｗｔ％Ｔｉ線材を挿入して、全体を縮径して直径１ｍｍの１次複合線を得、更にこの１次複合線を８５本集合し、直径０．６ｍｍの６本のＣｕ−１３ｗｔ％Ｓｎ線材とともにＣｕ−８ｗｔ％Ｓｎパイプ中に挿入し、縮径加工を施して直径１．１４ｍｍの１次集合線を得た。
【００３２】
次にこの１次集合線を８５本集合し、直径０．６４ｍｍの６本のＣｕ−１３ｗｔ％Ｓｎ線とともに、外径１３ｍｍ、内径１２ｍｍのＣｕ−８ｗｔ％Ｓｎパイプの内部に挿入して縮径加工を施し、外径１１ｍｍの２次集合線を得た。
次にこの２次集合線の外部に外径１４ｍｍ、内径１１．５ｍｍのＴａパイプを被せ、外径１５．５ｍｍ、内径１４．５ｍｍのＣｕパイプを被せ、更に全体を縮径して直径１１．６ｍｍの２次複合線を得た。
【００３３】
次に、２次複合線の周囲に直径２．４５ｍｍのＣｕ−２０ｗｔ％Ｎｂ線材を１８本配置し、更にその外側に、外径１８．５ｍｍ、内径１７．５ｍｍのＣｕパイプを被せてから最終縮径加工を施し、直径１．０ｍｍの超電導素線を得た。続いてこの超電導素線に対して先の例と同等の熱処理条件で熱処理を施して超電導導体を得た。
【００３４】
図３に示す試験結果から明らかなように、本実施例の超電導導体は同一径の比較例の超電導導体に対し、同一歪量において１０％程度高い引張応力を示すことが判明した。従って、直径の異なる４種類の補強材を用いて構成した超電導導体が優れた線材強度を示すことが判明した。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明方法によれば、直径の異なる複数種類の補強材が複数のフィラメント集合体とともに外被の内側に複合圧密されてなり、複数本のフィラメント集合体の間に複数本の補強材が挿入されてなり、フィラメント集合体と外被との間に複数種類の径の異なる補強材が配置されているので、線材横断面において均一に補強材を配置できる結果として強度の高い、線材断面において強度の不均一性を有しない超電導導体を提供することができる。
【００３６】
本発明は、フィラメント集合体が外被の中に複数集合されてなる構造においてフィラメント集合体の内側と周囲にいずれも補強材を配置することで縮径加工時のフィラメント集合体の異常変形が抑制される結果、形の揃った超電導フィラメントを有する超電導導体が得られる。
フィラメント集合体の周囲にフィラメント集合体よりも小径の補強材が配置されるので、フィラメント集合体が繊維強化された構造となり、線材強度の高いものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超電導導体の第１実施形態を示す断面図。
【図２】図２は図１に示す第１実施形態の超電導導体を製造するために用いる１次複合体と２次複合体と３次複合体を示すもので、図２（Ａ）は図１に示す第１実施形態の超電導導体を製造するために用いる１次複合体の断面図、図２（Ｂ）は同超電導導体を製造するために用いる２次複合体の断面図、図２（Ｃ）は同超電導導体を製造するために用いる３次複合体の断面図。
【図３】図３は超電導導体と比較例の超電導導体について室温において引張試験を行なった結果を示す図。
【図４】従来の補強材外部配置型の超電導導体の一例を示す図。
【図５】従来の補強材内部配置型の超電導導体の一例を示す図。
【符号の説明】
Ａ・・・超電導導体、２１・・・外被、２２、４２・・・フィラメント集合体、２３、２５、２６、２７・・・補強材、３０・・・芯材、３１・・・被覆層、２９・・・２次複合体、３２・・・１次複合体、４３、４５、４６、４７・・・補強線、５１・・・外被パイプ。
【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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