(57)【要約】【課題】熱処理後の超電導線材において、高い臨界電流密度Ｊｃを長さ方向に均一に保つことができると共に、長手方向の超電導特性を一定とすることができる超電導線材の熱処理装置及び超電導線材の熱処理方法を提供する。【解決手段】ヒーター加熱により内部温度を任意温度に保持可能な電気炉１０の内部に、絶縁被覆後の超電導線材を巻回したボビンを配置する。また、巻回された超電導線材に、この線材の温度を検出する熱電対を取り付け、線材全体をガラス繊維で覆う。そして、巻回された超電導線材に直流電源１２で通電を行う。この通電により加熱する超電導線材の温度が所定温度となるように、温度コントローラ１４で制御する。即ち、温度コントローラ１４で、熱電対で検出される超電導線材の温度に応じて、直流電源１２による超電導線材の通電電流を制御する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末充填法により作製された酸化物超電導線材を熱処理する超電導線材の熱処理方法において、
前記超電導線材を絶縁被覆して巻線状態とし、この巻線状態の超電導線材に通電を行い、この通電で加熱される超電導線材の温度が所定温度となるように前記通電を制御することを特徴とする超電導線材の熱処理方法。
【請求項２】
前記通電とその制御は、所定の温度範囲の雰囲気中でのみ行われることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材の熱処理方法。
【請求項３】
前記超電導線材はＢｉ−２２１２系超電導線材であることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材の熱処理方法。
【請求項４】
前記所定の温度範囲は、８００℃以上、９００℃以下であることを特徴とする請求項３に記載の超電導線材の熱処理装置。
【請求項５】
粉末充填法により作製された酸化物超電導線材を熱処理する超電導線材の熱処理装置において、
絶縁被覆後の超電導線材が巻回された巻取手段と、前記巻回された超電導線材の温度を検出する検出手段とが炉内に配置されると共に、炉内をヒーターで任意の温度に加熱して保持する電気炉と、
前記巻回された超電導線材に通電を行う電源手段と、
前記検出手段で検出された超電導線材の温度が所定温度となるように、前記電源手段による通電電流を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする超電導線材の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型マグネット等に用いられる酸化物超電導線材の熱処理装置及び超電導線材の熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ（ビスマス）系超電導体の臨界電流密度Ｊｃの特性は、結晶方向に大きく依存し、ｃ軸に垂直なａ−ｂ面方向のＪｃが高いため、結晶配向した線材を作製することが要求される。粉末充填法（ＰＩＴ：ＰｏｗｄｅｒＩｎ　Ｔｕｂｅ法）により作製されたＢｉ−２２１２系超電導線材は、最終的に行われる最終熱処理が部分溶融凝固法により行われている。部分溶融凝固法とは、電気炉に入れたＢｉ−２２１２系超電導粉末を、この粉末の融点直上の温度である８７０〜８９０℃で熱処理したのち徐冷し、凝固させる方法である。この方法により、線材内におけるＢｉ−２２１２系超電導体の結晶をマトリックスであるＡｇとの界面に沿って成長させ、配向させる事でＪｃを向上させている。また、熱処理時における温度コントロールは炉のヒーターで行われていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の超電導線材の熱処理方法においては、超電導電力貯蔵（ＳＭＥＳ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ）用等の大型マグネットに使用されるような一度に大量のＢｉ系超電導線材（又は導体）を熱処理する場合、次に記述するような問題があった。
【０００４】
（１）大量のＢｉ系超電導線材（又は導体）を熱処理するには大型の電気炉が必要となる。炉が大型化すればするほど、また線材量が多くなるほど、熱容量が大きくなるので、温度の追従性が低下する。Ｂｉ−２２１２系超電導線材の熱処理における重要ポイントは８７０〜８９０℃に保持したあとの徐冷速度である。すなわち徐冷の最中に、徐冷速度が異なると結晶配向性が落ちたり、異相が析出して臨界電流密度Ｊｃが極端に低下してしまう。例えば、大型炉の温度追従性が低下して徐冷速度が遅くなりすぎると、異相の析出が著しくなりＪｃが低下する。逆に温度を早く下げすぎると結晶成長が進まず、配向性が低下してＪｃが低下する。
【０００５】
（２）線材量が多くなると、金属製ボビン（巻枠）に巻いた線材の温度分布にムラが生じ易くなる。具体的には、金属製ボビンの巻線内側（内層側）と巻線外側（外層側）で、昇温又は降温時に温度差が発生したり、全体の温度が一定になるのに時間を要するようになる。この結果、線材長さ方向で、結晶配向性や異相の析出状態が異なり、長手方向に超電導特性がばらついてしまう。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、熱処理後の超電導線材において、高い臨界電流密度Ｊｃを長さ方向に均一に保つことができると共に、長手方向の超電導特性を一定とすることができる超電導線材の熱処理装置及び超電導線材の熱処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の超電導線材の熱処理方法は、粉末充填法により作製された酸化物超電導線材を熱処理する超電導線材の熱処理方法において、前記超電導線材を絶縁被覆して巻線状態とし、この巻線状態の超電導線材に通電を行い、この通電で加熱される超電導線材の温度が所定温度となるように前記通電を制御することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の方法は、前記通電とその制御が所定の温度範囲の雰囲気中でのみ行われること、前記超電導線材がＢｉ−２２１２系超電導線材であること、前記所定の温度範囲が８００℃以上、９００℃以下であることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の超電導線材の熱処理装置は、粉末充填法により作製された超電導線材を熱処理する超電導線材の熱処理装置において、絶縁被覆後の超電導線材が巻回された巻取手段と、前記巻回された超電導線材の温度を検出する検出手段とが炉内に配置されると共に、炉内をヒーターで任意の温度に加熱して保持する電気炉と、前記巻回された超電導線材に通電を行う電源手段と、前記検出手段で検出された超電導線材の温度が所定温度となるように、前記電源手段による通電電流を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る超電導線材の熱処理装置の全体概観図である。
【００１２】
この図１に示す熱処理装置は、直径１ｍ、高さ１．５ｍの筒状の電気炉１０と、２００Ｖ−１０Ａの直流電源１２と、温度コントローラ１４とを備えて構成され、大量のＢｉ−２２１２系超電導線材（又は導体）を電気炉１０で熱処理する際に、その温度制御と温度分布を温度コントローラ１４で正確にコントロールできるように構成されている。
【００１３】
電気炉１０は、その内部に図２に示すように、ステンレス製のボビン１８を載置する耐熱レンガによる試料台１６を有する。このボビン１８は、胴体部直径が３００ｍｍ、高さが３００ｍｍであり、その巻き取り面には、ガラス繊維のシートを重ね合わせた厚さ５ｍｍのガラス繊維層１９を介して超電導撚線２０が巻回されることにより超電導巻線部２２が形成されている。この超電導巻線部２２は、ガラス繊維のシートが厚さ５ｍｍにわたって巻き付けられることにより形成されたガラス繊維層１９で覆われている。
【００１４】
また、超電導撚線２０は、外径１ｍｍのステンレス線（ＳＵＳ３１６線）２０ａの周囲に、外径１ｍｍのＡｇ（銀）シース多芯Ｂｉ−２２１２系超電導線材（断面におけるＡｇ占積率：７０％）２０ｂを６本撚り合わせ、この周囲をアルミナ繊維２０ｃで絶縁した（６＋１）本タイプのものである。このような超電導撚線２０を７００ｍ作製して超電導巻線部とした。
【００１５】
超電導巻線部２２における超電導撚線２０の両端は、ボビン１８のフランジ（鍔）部から引き出され、内径３．２ｍｍ、外径５ｍｍの編組絶縁したＡｇパイプ（図示せず）内に挿入し、パイプをかしめて超電導線２０ｂとＡｇパイプとを電気的に接続した。
【００１６】
このように超電導撚線２０の両端に結線され、電気炉１０の外部へ取り出されたＡｇパイプ製の電流端子の端末は、図３に示すように、温度コントローラ１４の制御信号が入力されるように接続された直流電源１２の２００Ｖ−１０Ａ直流電源端子に接続されている。
【００１７】
この他、超電導撚線２０の実体温度を把握するため、図３に示すように、超電導巻線部２２の４ヶ所に熱電対▲１▼〜▲４▼を取り付けた。即ち、熱電対▲１▼は、ガラス繊維層１９を介してボビン１８の内壁と接する超電導巻線部２２の最内層部に取り付けられ、熱電対▲２▼は超電導巻線部２２の最外層部、熱電対▲３▼はガラス繊維層１９を介したボビン１８の下側のフランジ部と超電導巻線部２２との境界部分、熱電対▲４▼はガラス繊維層１９を介したボビン１８の上側のフランジ部と超電導巻線部２２との境界部分に取り付けられている。また、熱電対▲２▼は温度コントローラ１４に接続されている。
【００１８】
このような構成の超電導線材の熱処理装置において、電気炉１０の温度を図示せぬヒーターで８５０℃まで上昇させた状態で保持し、その後、直流電源１２による超電導撚線２０への通電加熱（通電によるジュール発熱での加熱）により超電導巻線部２２を８５０℃から８８２℃まで３２℃上昇させ、８８２℃で１０分間（６００秒）保持した。
【００１９】
ここで、通電加熱する温度は８００℃以上、９００℃以下とする。室温から約９００℃まで通電加熱を行おうとすると大容量の電源が必要となる。また、８００℃以下の温度では、超電導特性に及ぼす温度の影響が小さいので、８００℃までの温度上昇は電気炉のヒーターで行い、８００℃以上で超電導巻線部２２に通電を開始することで、低容量の直流電源１２で温度コントロールが可能となる。また、Ｂｉ−２２１２系超電導体を部分溶融させる温度は約９００℃以下のため、通電加熱する温度の上限は９００℃以下とする。さらに、超電導撚線２０を巻回した超電導巻線部２２を通電加熱するので、超電導撚線２０が電気絶縁されていないと線材長さ方向に均等に電流が流れず、温度ムラが発生する。従って、超電導撚線２０を絶縁被覆した。
【００２０】
ところで、上記のように通電加熱により温度上昇させて１０分間保持する間に超電導巻線部２２からガラス繊維層１９を伝って外に逃げる熱量は、熱伝導が等方的であると仮定すると、フーリエの熱伝導法則から次の１次元定常熱伝導式で表される。
【００２１】
Ｑ＝Ａ・λ・（ｄＴ／ｄｘ）・６００
但し、Ａ；超電導巻線部２２がガラス繊維層１９と接している外表面積＝０．６５ｍ２、λ；ガラス繊維層１９の熱伝導率＝０．３Ｗ／ｍ・Ｋ、ｄＴ／ｄｘ；ガラス繊維層１９の温度勾配＝（８８２−８５０）／０．００５＝６６００Ｋ／ｍである。
【００２２】
よって逃げる熱量はＱ＝０．７７×１０６Ｊとなる。
【００２３】
通電加熱によって、１０分（６００秒）の間、上記熱の逃げを補うために必要な電流値Ｉは、中心ステンレス線２０ａや、Ｂｉ−２２１２系超電導粉末の電気抵抗、熱伝導率、比熱等を無視したとして次の式から求められる。
【００２４】
Ｑ＝Ｒ・Ｉ２・６００
但し、Ｑ；発熱量＝０．７７×１０６、ＪＲ；撚線７００ｍの電気抵抗＝ρ（７００／Ｓ）＝１５．１Ω、ρ；８５０〜８８２℃におけるＡｇの平均電気抵抗率＝７．３×１０−８Ω・ｍである。
【００２５】
よって、電気炉１０の雰囲気温度が８５０℃で、超電導巻線部２２の温度を８８２℃に保持したい場合の通電電流は、概算でＩ＝６．５Ａとなり、電源容量的には２００Ｖ−１０Ａの直流電源１２で制御可能である。
【００２６】
次に、昇温および降温時の熱方程式は、時間変化が伴い、厳密には下記の自己発熱（ジュール発熱）を伴う非定常・３次元熱伝導方程式（１）を解く必要がある。
【００２７】
【数１】
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但し、λ１；ガラス繊維層の熱伝導率、λ２；編組絶縁を含んだ超電導撚線の複合熱伝導率、Ｃｐ１；ガラス繊維層の比熱、Ｃｐ２；編組絶縁を含んだ超電導撚線の複合比熱、ρ１；ガラス繊維層の重量密度、ρ２；編組絶縁を含んだ超電導撚線の複合重量密度、Ｒ（Ｔ）；超電導撚線の複合電気抵抗、Ｉ（ｔ）；通電電流である。
【００２８】
加えて、熱伝導率λや比熱Ｃｐの温度依存性も考慮すると非常に複雑となり、有限要素法（ＦＥＭ）による解析が必要となる。
【００２９】
実際の制御方法としては、温度コントローラ１４と直流電源１２との組み合わせで、温度コントローラ１４に、熱電対▲２▼で検出された超電導巻線部２２の昇温または降温速度を入力し、ＰＩＤ（比例・積分・微分）温度制御を行って、直流電源１２をコントロールするとともに、４ヶ所に取り付けた熱電対▲１▼〜▲４▼の温度変化をモニターした。
【００３０】
４ヶ所に取り付けた熱電対▲１▼〜▲４▼の温度は、最外層部の熱電対▲２▼の温度が８８２℃のときに、他の３ヶ所の熱電対▲１▼，▲３▼，▲４▼の温度が８８１〜８８３℃の範囲であった。その後、８８２℃で１０分保持したのち、８３０℃まで５±２℃／時間の速度で温度を下げていくように温度コントローラ１４で通電電流を制御し、さらに１時間保持した。
【００３１】
比較の熱処理として、超電導撚線２０と同じ撚線を同じ量だけ用意し、同様に同じボビンに巻線して同じ位置に４ヶ所の熱電対▲１▼〜▲４▼を取り付け、従来法と同様に電気炉の温度制御のみで熱処理を行った。この場合、４ヶ所の熱電対▲１▼〜▲４▼のうち巻線部最外周に付けた熱電対▲２▼の温度を参考に、通電加熱を行わずに電気炉の温度制御のみで８８２℃で１０分保持したのち、８３０℃まで５±２℃／時間の速度で温度を下げていき、さらに１時間保持するような熱処理を試みた。しかし、参考にしている熱電対▲２▼以外の３ヶ所に取り付けた熱電対▲１▼，▲３▼，▲４▼の温度表示は８８０〜８８５℃の範囲になってしまった。また、徐冷時においても、３ヶ所に取り付けた熱電対▲１▼，▲３▼，▲４▼の温度表示から４〜９℃／時間の範囲で徐冷速度にバラツキが生じた。
【００３２】
このような従来法による加熱処理を行った超電導撚線（以下、従来法加熱処理撚線という）と、上記実施の形態による通電加熱処理を行った超電導撚線（以下、通電加熱処理撚線という）との双方において、４ヶ所の熱電対▲１▼〜▲４▼近傍のサンプル−▲１▼〜▲４▼を１３０ｍｍ切り出した短尺撚線の液体ヘリウム中における１０Ｔでの臨界電流特性を測定した結果を下記表１に示す。
【００３３】
【表１】
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この表１に示すように、通電加熱処理撚線は、サンプル−▲１▼〜▲４▼の臨界電流Ｉｃが１８２０〜１９８０Ａの範囲であるのに対し、従来法加熱処理撚線は、巻線部最外周部の撚線サンプル−▲２▼を除いてＩｃが低く、最も低いサンプル−▲４▼はＩｃ＝１３５０Ａとなり、Ｉｃが撚線長さ方向に大きく変動していることがわかった。
【００３４】
このように、本実施の形態の超電導線材の熱処理方法により作製した長尺のＢｉ−２２１２系超電導線材（超電導撚線２０）は、正確な温度制御により高い臨界電流Ｉｃ（つまり高い臨界電流密度Ｊｃ）を長さ方向に均一に保つことが可能となる。また、超電導巻線部２２での内側、外側など各所の温度が従来のようにばらつかない、即ち全体を一定温度とすることができるので、線材長さ方向での結晶配向性や異相の析出状態の異なりがなくなり、長手方向の超電導特性を一定とすることができる。このような、本線材（又は導体）を用いて巻線したマグネットは高い磁界を発生することが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、粉末充填法により作製された超電導線材を絶縁被覆して巻線状態とし、この巻線状態の超電導線材に通電を行い、この通電で加熱される超電導線材の温度が所定温度となるように、先の通電を制御するようにしたので、熱処理後の超電導線材において、高い臨界電流密度Ｊｃを長さ方向に均一に保つことができると共に、長手方向の超電導特性を一定とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る超電導線材の熱処理装置の全体概観図である。
【図２】上記超電導線材の熱処理装置における電気炉の断面図である。
【図３】上記電気炉内の超電導巻線部に取り付けられた熱電対と、超電導巻線部に接続された直流電源及び温度コントローラを示す図である。
【符号の説明】
１０　電気炉
１２　直流電源
１４　温度コントローラ
１６　試料台
１８　ボビン
２０　超電導撚線
２０ａ　ステンレス線
２０ｂ　Ａｇシース多芯Ｂｉ−２２１２系超電導線材
２０ｃ　アルミナ繊維
２２　超電導巻線部
▲１▼〜▲４▼　熱電対
【図１】
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【図２】
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【図３】
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