(57)【要約】【課題】断面矩形状のケーブルスペース部を有するコンジットを用いても導体内の素線に偏流が生じにくく、高い安定性を有するＣＩＣ型超電導導体を提供する。【解決手段】アルミニウム被覆超電導線材９をＳＵＳ線１０の周りに６本撚合わせて１次撚線１１とし、１次撚線１１をアルミニウム撚線１５又はスパイラル管の周りに６本撚合わせ、ＳＵＳテープ１７を巻付けて２次撚線２１とし、２次撚線２１を、ＳＵＳコンジット２３内に２次撚線２１の圧縮率Ｃが０％＜Ｃ≦５％の範囲となるように内挿した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超電導線からなる撚線を、断面矩形状の金属管内に前記撚線の圧縮率Ｃが０％＜Ｃ≦５％の範囲となるように内挿したことを特徴とするケーブル・イン・コンジット型超電導導体。
【請求項２】
アルミニウム被覆層が表面に形成された超電導線をＳＵＳ線の周りに６本撚合わせて１次撚線とし、該１次撚線をアルミニウム撚線又はスパイラル管の周りに６本撚合わせ、ＳＵＳテープを巻付けて２次撚線とし、該２次撚線を、断面矩形状の金属管内に前記撚線の圧縮率Ｃが０％＜Ｃ≦５％の範囲となるように内挿したことを特徴とするケーブル・イン・コンジット型超電導導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーブル・イン・コンジット（以下、ＣＩＣと記す）型超電導導体に関し、特に、電気的安定性を向上させ、超電導マグネットに適したＣＩＣ型超電導導体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＣＩＣ型超電導導体は、一般的に、図８に示すような工程で製造される。
まず、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シングル線を製造する。次いで伸線加工によって縮径後、さらに、Ｃｕ／Ｎｂ−Ｔｉシングル線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マルチビレットを形成する。さらに前述の工程と同様にして、超電導線マルチビレットを静水圧押出し後に伸線加工を行なう。以上の超電導線材製造工程により、超電導線材が製造される。
【０００３】
次に、撚線工程においては、複数ステージで超電導線材の撚線を行い、最終撚線工程においては撚線外周にステンレステープを巻く。
【０００４】
最終工程でジャケット加工が行われる。このジャケット加工においては、コンジットの形状に応じて２通りの方法がある。
まず、図９（ａ）のように、コンジット外形の断面形状が矩形でかつケーブルスペース部５３の断面形状も矩形の場合は、コンジット５１となるステンレス板材をロールフォーミングにより成形し、撚線を挿入後、付き合せ部をＴＩＧ溶接にて長手方向に連続溶接し、フォーミングロールとタークスヘッドにより、撚線を強制的に圧縮して矩形状に成形する（非特許文献１参照）。
一方、図９（ｂ）のように、コンジット外形の断面形状が矩形でかつケーブルスペース部５７の断面形状が円形の場合は、コンジット５５内の円形中空部に撚線を嵌挿し、コンジット材の突合せ溶接を行って長尺導体を製造する（非特許文献２参照）。
【０００５】
しかしながら、非特許文献１のような構造のＣＩＣ型超電導導体では、均一に撚線したものを矩形状に成形しているため、撚線内で乱れが生じてしまう。このような場合、導体内の個々の素線に流れる電流が異なって偏流が生じ、安定性が著しく低下してしまう（非特許文献３参照）。
また、交流損失の結合損失時定数が非常に長くなってしまう（長時定数となる）という不都合がある（非特許文献４）。
【０００６】
一方、非特許文献２のような構造のＣＩＣ型超電導導体では、定尺のコンジットを準備した後に、撚線を嵌挿しながらコンジットと接続しているため、撚線形状は維持される。
しかし、（１）矩形の断面形状のコンジットの内側に円形の断面形状のケーブルスペース部を加工して形成する必要があるので、コンジット材の単価が高くなる、（２）定尺コンジットを接続するためにライン長が数百ｍにも及ぶが、このため工業的に設備コストが高くなる等、のコスト面での問題が生じてしまう。
【非特許文献１】資源エネルギー庁受託事業「超電導電力貯蔵システム要素技術開発調査」  ＳＭＥＳプロジェクト成果発表会、平成１１年３月１７日、財団法人国際超電導産業技術研究センター、ｐ２６−２７
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ．  ＶＯＬ．３２．Ｎｏ．４．ＪＵＬＹ  １９９６  ｐ２３００−２３０３
【非特許文献３】小泉ら、「３０ｋＡ−ＮｂＴｉ実証ポロイダル・コイル（ＤＰＣ−Ｕ）の不安定現象と安定性実験結果」、低温工学、平成５年、第２８巻、第３号、ｐ１５０−１５９
【非特許文献４】ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ．  ＶＯＬ．１２．Ｎｏ．１．ＭＡＲＣＨ  ２００２  ｐ１６１６−１６１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、非特許文献１のような構造のＣＩＣ型超電導導体では、断面矩形状のケーブルスペース内で断面円形状の撚線が矩形状に圧縮されているので、撚線の形状が崩れたり、撚線の乱れを生じたりして、素線に偏流を生じ、特性が不安定なものとなってしまうという課題があった。
一方、非特許文献２のような構造のＣＩＣ型超電導導体では、コンジットの加工費や設備コストがかさみ、工業的なコスト面での問題が生じてしまうという課題があった。
【０００８】
さらには、従来の銅を安定化材として用いた超電導電線では、擾乱による常電導転移時の発熱により、特性が不安定になるという課題もあった。
【０００９】
従って、本発明の目的は、上記課題を解決し、工業的に安価な断面矩形状のケーブルスペース部を有するコンジットを用いても導体内の素線に偏流が生じにくく、高い安定性を有するＣＩＣ型超電導導体を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、擾乱による常電導転移時の発熱により、特性が不安定になることを防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明のケーブル・イン・コンジット型超電導導体は、複数の超電導線からなる撚線を、断面矩形状の金属管内に前記撚線の圧縮率Ｃが０％＜Ｃ≦５％の範囲となるように内挿したことを特徴とする。
【００１２】
また、上記課題を解決するため、本発明のケーブル・イン・コンジット型超電導導体は、アルミニウム被覆層が表面に形成された超電導線をＳＵＳ線の周りに６本撚合わせて１次撚線とし、該１次撚線をアルミニウム撚線又はスパイラル管の周りに６本撚合わせ、ＳＵＳテープを巻付けて２次撚線とし、該２次撚線を、断面矩形状の金属管内に前記撚線の圧縮率Ｃが０％＜Ｃ≦５％の範囲となるように内挿したことを特徴とする。
【００１３】
前記超電導線は、銅又は銅合金マトリックス中にＮｂ−Ｔｉ系材料からなる超電導フィラメントを埋設したものとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、工業的に安価な断面矩形状のケーブルスペース部を有するコンジットを用いても、個々の素線間で偏流が生じにくくなり、安定性に優れたものとなる。
【００１５】
また、極低温においては銅と比較して電気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、擾乱により常電導に転移しても発熱量が小さく超電導に回復し易くなり、銅を安定化材とした超電導導体と比較して、高い安定性が得られる。
【００１６】
これより、電気的安定性に優れ、超電導マグネットに適したＣＩＣ型超電導導体を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
（アルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の構造）
図１に、本実施形態に係るアルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の構造を示す。
このアルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体は、７本のアルミニウム線１３を撚合わせたアルミニウム撚線１５を中心とし、その周りに１次撚線１１（ＳＵＳ線１０を中心とし、その周りにアルミ被覆超電導線材９を６本撚合わせたもの）を６本撚合わせ、更にＳＵＳテープ１７を巻付け、外形及びケーブルスペース部共に断面矩形状のＳＵＳコンジット２３に内挿されたものである。
【００１８】
（アルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の製造方法）
次に、図２を参照して、このアルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の製造方法を、超電導線材の製造工程、撚線工程、ジャケット加工工程の３つに分けて説明する。
【００１９】
（超電導線材の製造工程）
まず、Ｃｕ−Ｎｉ合金パイプ、ＮｂＴｉインゴット、及び無酸素銅パイプを用意し、Ｃｕ−Ｎｉ合金パイプ内に、無酸素銅パイプを被覆したＮｂ−Ｔｉ合金インゴットを充填してシングルビレットを組立て、静水圧押出しによりシングル線とする。
これより、図３（ａ）に示すように、Ｎｂ−Ｔｉ合金インゴット２の外周に、順に、無酸素銅パイプ３、Ｃｕ−Ｎｉ合金パイプ１が被覆されたシングル線４が得られる。
【００２０】
次に、このシングル線４を伸線後、矯正・切断して六角形状線５とする（図３（ｂ））。
【００２１】
更に、Ｃｕ−Ｎｉ合金パイプ、銅バー、無酸素銅パイプを用意し、図３（ｃ）に示すようなマルチ線７を製造する。具体的には、銅バー６を充填したＣｕ−Ｎｉ合金パイプ１と無酸素銅パイプ３／Ｃｕ−Ｎｉ合金パイプ１との間に、３７００本の六角形状線５を充填した超電導フィラメント群５’を形成してマルチビレットを組立て、静水圧押出しにて押出した後に、複数回の時効熱処理と伸線加工によってφ１．２６ｍｍのマルチ線７とする。
【００２２】
次に、製造した素線をコンフォーム装置によって外径φ１．９３ｍｍとなるようにアルミニウム被覆層８を形成し、その後にφ１．８４ｍｍの伸線を施しアルミ被覆超電導線材９とする（図３（ｄ））。
【００２３】
（撚線工程）
次に、図１に示すように、中心にＳＵＳ線１０、その周りに超電導線材９を撚合わせた１次撚線１１を形成後、アルミニウム撚線１５（線径φ１．８４ｍｍのアルミニウム線１３を７本撚り）を中心に配しその外周に１次撚線１１を６本を撚線し、外周に厚さ２５μｍのＳＵＳ３０４のＳＵＳテープ１７をラップして２次撚線２１を製造する。このときの２次撚線２１の外径は、φ１６．５ｍｍである。
【００２４】
（ジャケット加工工程）
最後に、ＳＵＳ３１６Ｌ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２次撚線２１を挿入し、その後ＴＩＧ溶接によって板材突き合わせ部を溶接し、最後に矩形に成形加工を施し、撚線２１を圧縮しつつ固定する。
【００２５】
このようにして、図１に示すように、外形及びケーブルスペース部共に断面矩形状のＳＵＳコンジット２３に２次撚線２１を内挿したアルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体が得られる。
【００２６】
（撚線の圧縮率）
上記アルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体において、撚線２１の圧縮率Ｃは０％＜Ｃ≦５％の範囲に好ましく設定される。なお、撚線の圧縮率Ｃは、以下の式から算出できる。
撚線の圧縮率＝｛（勘合前の撚線の外径）−（コンジットの内径）｝／（勘合前の撚線の外径）×１００（％）・・・・・・・・・・・・・（１）
【００２７】
（撚線の圧縮率Ｃを０％＜Ｃ≦５％の範囲とした理由）
撚線の圧縮率Ｃとして５％以下が好ましいとしたのは、後述する「ＣＩＣ型導体の安定性評価」の欄で説明するように、サンプル導体に１００Ｈｚの交流定常波を印加した際にそのインピーダンスが２００μΩ以下であれば、電流偏流下でも変わらぬ安定性を確保できると評価できること、及び、後述する実施例１の結果より、撚線の圧縮率が５％以下のときにインピーダンスが２００μΩ以下となり、この安定性確保の条件を満たすことによる。
一方、撚線の圧縮率Ｃが０％を超えることとしたのは、撚線のコンジットへの内挿時は、圧縮しないと内挿後の撚線がルーズになり、ワイヤームーブメントを容易に引き起こす原因となりうることによる。
【００２８】
（ＣＩＣ型導体の安定性評価）
素線間の電流再配分を伴うＣＩＣ型導体の安定性は、対象導体の特性インピーダンスを測定することで評価できるとされている。即ち、超電導導線の常伝導転移時の発生抵抗に対し、超伝導から常伝導へ転移する速さ（周波数）に対応する導体全体としての特性インピーダンスが十分小さければ常伝導に転移する前に導体内素線間の電流分布が均一となる電流再配分が行われ、クエンチしなくなることになる。
一般に、常伝導転移の発生原因となる外乱は１０ｍｓ程度であり、これを周波数換算すると１００Ｈｚに相当する。また、７Ｔ／ｓ〜２０Ｔ／ｓの高速励磁試験が可能であったＵＳ−ＤＰＣコイルやＤＰＣ−ＥＸコイルは、その導体の１ｍ長さ当りのインピーダンスはおおよそ２００μΩであるとされている。
よって、サンプル導体に１００Ｈｚの交流定常波を印加して、そのインピーダンスが２００μΩ以下であれば、電流偏流下でも変わらぬ安定性を確保できると評価できる。
【００２９】
（アルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の効果）
本実施形態に係るアルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の効果を以下に示す。
（１）圧縮率を所定の範囲に調整しているので、従来の断面矩形状のケーブルスペース部を有するＳＵＳコンジット２３を用いても、２次撚線２１の形状が崩れたり、２次撚線２１に乱れを生じたりすることがない。このため、１次撚線１１内に偏流が生じにくく、特性が安定化したものとなる。
（２）従来の銅を安定化材として用いた超電導電線では、擾乱による常電導転移時の発熱により、特性が不安定になることがあったが、極低温においては銅と比較して電気抵抗の小さいアルミニウムを安定化材としたアルミ被覆超電導線材９を用いているので、擾乱による常電導転移時の発熱量を小さくし、超電導状態にいち早く回復させることができる。よって、銅を安定化材とした超電導導体と比較して、高い安定性が得られる。
（３）ＳＵＳコンジット２３の形成が容易であり、加工コストの上昇を抑えることができる。
【実施例１】
【００３０】
（インピーダンス測定試験）
図４に示すようなインピーダンス測定装置を用いて、サンプル導体３１中の任意の超電導線３０間に可変周波数電源３３により交流定常波（１００Ｈｚ）を印加して、その際の電圧と電流をそれぞれ電圧計３５及び電流計３７により測定し、インピーダンスを算出した。
【００３１】
サンプル導体は、図５に示すように、コンジット４１にケーブル（撚線）４３を内挿した構造で、表１に示すように、種々の撚線圧縮率を有するサンプル１〜４を用意した。表１における撚線圧縮率は上記（１）式により算出し、コンジット外寸、内寸はそれぞれ、図５に示したように、コンジット４１のＷ1、Ｗ2の寸法とした。
【００３２】
図４のインピーダンス測定装置により、種々の撚線の圧縮率（撚線の撚り乱れ）とインピーダンスの関係を測定した結果を表１に併せて記載する。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１の結果より、撚線の圧縮率が５％を超えるとインピーダンスが２００μΩ以上となることが分かる。「ＣＩＣ型導体の安定性評価」の欄で記述したようにインピーダンスが２００μΩ以上では偏流による安定性の低下を引き起こすと考えられるため、安定性確保の点から撚線の圧縮率は５％以下がよいといえる。
【実施例２】
【００３５】
（安定性マージン測定試験）
図６に、安定性マージンの測定試験回路を示す。この回路では、超電導導体サンプルに巻きつけられた誘導コイルＬ0を介して交流電流が流され、その際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。
交流電流は、直流電源３９によってコンデンサＣ1を充電し、ゲートＧ1〜Ｇ4のオン、オフによって発生させる。図６で試験回路の下にその交流波形の一例を示す。
なお、Ｃ0は誘導コイルＬ0と導体との間に発生する静電容量である。
【００３６】
測定に際しては、誘導コイルＬ0内に超電導サンプルを収納し、誘導コイルＬ0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で表す。この誘導電流は誘導コイルＬ0に電流を流したときの外乱を意味する。
測定の条件は、温度４．２Ｋ、外部磁界６Ｔとした。超電導導体サンプルが、クエンチする限界の投入エネルギーを最小クエンチエネルギーＭＱＥと称する。
【００３７】
超電導導体サンプルとしては、図３（ｄ）に示した線径φ１．８４ｍｍのアルミ被覆超電導線（サンプルＡ）と、図３（ｃ）に示したφ１．２６の超電導線（サンプルＢ：アルミ被覆無し）とした。
【００３８】
図７に超電導導体サンプルにおける通電電流とＭＱＥとの関係を示す。
この結果から、サンプルＡのようにアルミニウムを安定化材として用いることによって、サンプルＢのように安定化銅を安定化材とした場合と比較して、通電電流値２６７Ａにおいて約２０倍高いＭＱＥが得られることが分かる。
サンプルＡとサンプルＢの制限電流値に大きな差が生じた理由は、サンプルＡの安定化材であるアルミの比抵抗がサンプルＢの場合の安定化銅と比較して大きく異なることによると考えられる。即ち、部分的にクエンチした場合、アルミニウムの方が比抵抗が小さいため、銅線の場合と比較して撚線内に熱がこもりにくく、超電導状態にいち早く回復させることができるためと考えられる。
【００３９】
（制限電流の計算値）
ステックレーによる制限電流値の式を以下に示す。
Ｉlim＝(ρ・Ｉｏｐ2／（Ａ・Ｐ・（ＴC−Ｔb））1/2・・・・・・・・（２）
ここで、
ρ［Ωｍ］：極低温における安定化材の比抵抗
Ｉｏｐ[Ａ]：運転電流値
Ａ[ｍ2]：安定化材の断面積
Ｐ[ｍ]：冷却周長
ＴC[Ｋ]：臨界温度
Ｔｂ［Ｋ］：冷媒温度
【００４０】
表２に、サンプルＡおよびサンプルＢの各パラメータおよび上記（２）式による制限電流値（計算値）を示す。
【００４１】
【表２】
2006114448.tif 000004
【００４２】
表２の結果より、サンプルＡの制限電流値は４１０Ａとなるが、この値は、実施例２の結果により、図７のwell-coo1領域とil1-cool領域の境界値から算出した制限電流値の４５０Ａと良い一致を示した。計算値と実験値がほぼ一致していることにより、両者の値はほぼ正しい値と推定される。
【００４３】
（他の実施形態）
上記実施形態では、７本撚り１次撚線１１の中心線をＳＵＳ線１０としたが、この代わりにＣｕ又はＣｕ−Ｎｉ系合金線を用いても同様の効果を得ることができる。
【００４４】
また、上記実施形態では、２次撚線２１の中心線をアルミニウム撚線１５としたが、この代わりに、Ｃｕ合金線／アルミニウム線／アルミニウム合金線を撚線したものやスパイラル管を用いても同様の効果を得ることができる。
【００４５】
上記実施形態では、コンジット２３として使用する金属管の材質をＳＵＳ３１６Ｌとしたが、この代わりに、ＳＵＳ３１６Ｌ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。
【００４６】
上記実施形態では、超電導線材としてＮｂ−Ｔｉ系材料を用いたが、他の超電導材であるＮｂ3Ｓｎ系、（Ｎｂ3Ｓｎ）3Ｓｎ系、Ｎｂ3Ａｌ系超電導材に代えても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施形態に係るアルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態に係るアルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態に係るアルミ安定化ＣＩＣ型超電導導体の製造途中で得られる線材の断面図であり、（ａ）はシングル線、（ｂ）は六角形状線、（ｃ）はマルチ線、（ｄ）はアルミ被覆超電導線材である。
【図４】インピーダンス測定装置を示す概略図である。
【図５】実施例１で使用するサンプル導体の断面図である。
【図６】安定性マージンの測定試験回路を示す概略図である。
【図７】通電電流とＭＱＥとの関係を示すグラフである。
【図８】従来のＣＩＣ型超電導導体の製造工程を示すフローチャートである。
【図９】従来のコンジットの形状を示す断面図であり、（ａ）はケーブルスペース部が矩形なもの、（ｂ）はケーブルスペース部が円形なものである。
【符号の説明】
【００４８】
１  Ｃｕ−Ｎｉ合金パイプ
２  Ｎｂ−Ｔｉ合金インゴット
３  無酸素銅パイプ
４  シングル線
５  六角形状線
５’  超電導フィラメント群
６  銅バー
７  マルチ線
８  アルミニウム被覆層
９  アルミ被覆超電導線材
１０  ＳＵＳ線
１１  １次撚線
１３  アルミニウム撚線
１７  ＳＵＳテープ
２１  ２次撚線
２３  ＳＵＳコンジット
３０  超電導線
３１  サンプル導体
３３  可変周波数電源
３５  電圧計
３７  電流計
３９  直流電源
４１  コンジット
４３  ケーブル
５１  コンジット
５３  ケーブルスペース部
５５  コンジット
５７  ケーブルスペース部
【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】
2006114448.tif 000010
【図７】
2006114448.tif 000011
【図８】
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【図９】
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