(57)【要約】【課題】長尺の特性に優れたＢｉ系酸化物超電導酸化物超電導線材あるいは撚線導体を歪を付加することなく、低コストで連続して製造する。【解決手段】送出し装置３に巻回された成型加工後の線材または撚線導体９は、搬送装置５上に載置されて予備加熱室６、熱処理炉２のヒーターゾーン２ａ、２ｂ、２ｃおよび徐冷室７を通過し、巻取り装置４に巻取られる。線材または撚線導体９は、酸化性雰囲気中で、部分溶解点から５０℃低い温度から２０℃高い温度未満まで、続く徐冷過程を凝固温度以下１０℃まで確保するように温度および搬送速度が制御される。線材または撚線導体９への付加歪が０．１％以下で、かつ曲げ歪量が０．１％以下となるように、送出し装置３の送出し速度、巻取り装置４の巻取り速度および搬送装置５の搬送速度が制御装置８により制御される。【選択図】図１
2007200562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂｉ系酸化物超電導材料を構成する原料粉末を銀または銀合金シース内に充填して成型加工した線材またはこれらの複数本を撚り合わせた導体に熱処理を施して酸化物超電導線または酸化物超電導体を製造するための連続熱処理装置であって、前記熱処理装置は、送出し装置および巻取り装置と、前記送出し装置および前記巻取り装置との間に配設された熱処理炉と、前記熱処理炉内に配設された前記線材または前記導体の搬送装置とを備え、前記熱処理炉は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体を生成するための部分溶融温度領域を含む熱処理温度に制御可能な熱処理ゾーンを含み、前記熱処理炉内に配設された前記線材または前記導体の搬送装置上に載置された前記線材または前記導体を酸化性雰囲気中で熱処理可能な雰囲気制御手段を備えたことを特徴とするＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置。
【請求項２】
熱処理炉は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体を生成するための部分溶融温度領域を含む熱処理温度に制御可能な熱処理ゾーンを含む所定の熱処理パターンで温度制御可能な複数のヒーターゾーンからなることを特徴とする請求項１記載のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置。
【請求項３】
熱処理パターンは、酸素濃度は５０％以上で、熱処理温度がＢｉ（２２１２）系酸化物超電導体の融点以上で、この融点を超える２０℃未満の温度で加熱する加熱領域を含むことを特徴とする請求項２記載のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置。
【請求項４】
熱処理装置は、熱処理炉内を搬送される線材または導体の搬送路の入口側に予備加熱室および出口側に徐冷室を備えていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置。
【請求項５】
予備加熱室は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体の融点以下数十度の温度まで加熱する手段を備え、かつ徐冷室は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体の凝固温度以下１０℃まで冷却する手段を備えたことを特徴とする請求項４記載のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置。
【請求項６】
搬送装置は、一対の同期回転する駆動ローラと、これらの駆動ローラ間に掛け渡された耐熱性金属材料の線材により形成した網状体からなる無端ベルトにより構成されていることを特徴とする請求項１記載のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置。
【請求項７】
送出し装置、巻取り装置および搬送装置は、線材または導体を構成する線材への引張歪が０．１％以下で、かつ曲げ歪量が０．１％以下となるように、送出し速度、巻取り速度および搬送速度を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１記載のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸化物超電導体の熱処理装置に係り、特に超電導マグネットや電力機器等に使用されるＢｉ（２２１２）系酸化物超電導線材の連続熱処理装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸化物超電導体として、Bi系（２２１２）酸化物超電導体（Ｂｉ：Sr：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：１：２のモル比）及びＢｉ系（２２２３）酸化物超電導体（Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：２：３のモル比）が線材化に成功しており、これらの線材は所謂銀シース法（Powder in Tube Method)によって製造されている。この方法は、銀又は銀合金パイプ内に超電導物質の原料粉末を充填し、これに縮径加工を施すか、あるいは更に圧延加工を施して断面丸形又はテープ状に成形した後、熱処理を施して原料粉末を超電導化するものである。
【０００３】
シース材に用いる材料としては、超電導粉末との反応性がないこと、高温で酸化しないこと及び酸素の拡散速度が速い等の観点から、銀あるいは銀合金が選択されている。このようにして、銀あるいは銀合金の中に多数本の細い酸化物超電導体フィラメントを配置した酸化物超電導線材が製造され、大容量化のために、この酸化物超電導線材を多数本撚り合わせて集合導体が製造されている。
【０００４】
このプロセスで超電導体を生成させるためには、冷間加工後、熱処理を施すことが必須である。この熱処理は、耐熱スペーサーと共巻き又は互いに接触しないようにギャップ巻きし、同心円状にパンケーキ状に成型するか、円筒状の焼成ドラム状にソレノイド巻きし、熱処理用電気炉を用いて熱処理が施されている。
【０００５】
上記のバッチ式電気炉による抵抗加熱方式においては、抵抗発熱体で発生した熱によって炉体を加熱し、炉対周囲の断熱材によって保温するものであり、始めに熱容量の大きな炉体を加熱する必要があり、更に熱処理の終了後は炉体の冷却速度によって試料の冷却速度も律速されるため、冷却速度の制御も困難となる。
【０００６】
従って、この場合には、線材が長尺化するにつれて電気炉が大型化しコストが上昇する上、製造効率が低くなるという難点がある。また、上記の銀シース法によりＢｉ（２２１２）系酸化物超電導線材を製造する場合、冷間加工後の酸化物超電導体を生成させるための熱処理における合成温度は適正温度範囲が狭く、例えば温度範囲を±１〜２℃に制御する必要がある。電気炉が大型化するに従って温度制御が困難になるという問題がある。
【０００７】
以上の厳しい温度管理は、線材の長尺化に伴い電気炉が大型化するに従って、その困難さが著しく増大する。これに加えて、長尺の線材の重量を高温中で支えるためには、大型の線材支持具が必要となり、耐熱性の観点からこの線材支持具は耐熱ステンレス鋼、セラミックス成型体等により形成されている。
【０００８】
上記の線材支持具は熱容量が大きいため、例えば、この線材支持具を円筒状に形成し、この外周に長尺の酸化物超電導体を構成する元素を含む線材をソレノイド状に巻回して熱処理を施すと、線材の熱挙動は線材支持具の熱挙動や熱容量に大きく影響され、熱処理すべき線材の温度制御が困難になり所望の熱処理パターンを得ることが困難になるという欠点があり、特に、冷却条件を厳密に制御しなければならないＢｉ（２２１２）系酸化物超電導線材の製造においては、特性の優れた超電導線材を得ることは極めて困難となる。
また、線材支持具として耐熱ステンレス鋼を用いた場合には、線材支持具上に巻回した線材の酸化物超電導体との熱膨張率の差により、熱処理時に歪が加わり超電導特性の劣化やシース材に割れが生ずるという問題がある上、線材支持具を構成する元素の線材への拡散により超電導体を汚染し、超電導特性が劣化するという問題がある。
【０００９】
以上の問題を解決する手段として、耐熱性金属材料からなる円筒状部材の表面にセラミックス層を設けた巻枠の外側に、長尺の酸化物超電導体を構成する元素を所定のモル比で含む原料粉末を収容した線材をソレノイド状に巻回した後、熱処理を施すことにより、線材支持具からの熱流入を防止し、所定の熱処理パターンで熱処理制御を可能にするとともに、線材支持具からの線材支持具を構成する元素の線材への拡散を防止して、超電導特性の優れた長尺の酸化物超電導線材を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
一方、バッチ式加熱方式に対して、長尺の線材を連続して加熱する方式も検討されている。例えば、加熱手段と、該加熱手段の温度を制御する制御機構とを有し、加熱手段の内部に、熱処理によって酸化物超電導体となる超電導体形成部を有する長尺の線材の一条以上を走行させることにより、線材を加熱して長尺の酸化物超電導線とする熱処理ユニットが、長尺の線材の走行方向に２台以上備えられてなる酸化物超電導線材の連続熱処理装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２０００９８号公報
【特許文献２】特開平９−１４７６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記のバッチ式電気炉による抵抗加熱方式においては、線材支持具からの熱流入の防止および線材支持具からの線材支持具を構成する元素の線材への拡散を防止することはある程度は可能であるが、線材が長尺化するにつれて電気炉が大型化しコストが上昇する上、製造効率が低くなる上、電気炉が大型化するに従って温度制御が困難になるという問題は依然として残存するという問題があった。
【００１３】
また、上記の連続熱処理装置においては、熱処理ユニットが水平方向に並べられている場合には、水平方向に送り出す際、酸化物超電導線材が加熱手段に接触しないように張力をかけるため（同公報段落００２９参照）、送出装置と巻取装置との間で走行する長尺の酸化物超電導線には歪を付加せざるを得ず、Ｂｉ系酸化物超電導線材の特性を劣化させるおそれがあった。
【００１４】
本発明は、以上の問題を解決するためになされたもので、長尺の酸化物超電導線材あるいは導体を歪を付加することなく、厳密な温度制御を可能とし、低コストで超電導特性に優れたＢｉ系酸化物超電導線材を連続して製造することができるＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以上の問題を解決するために、本発明のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置は、Ｂｉ系酸化物超電導材料を構成する原料粉末を銀または銀合金シース内に充填して成型加工した線材またはこれらの複数本を撚り合わせた導体に熱処理を施して酸化物超電導線または酸化物超電導体を製造するための連続熱処理装置であって、熱処理装置は、送出し装置および巻取り装置と、送出し装置および巻取り装置との間に配設された熱処理炉と、熱処理炉内に配設された線材または導体の搬送装置とを備え、熱処理炉は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体を生成するための部分溶融温度領域を含む熱処理温度に制御可能な熱処理ゾーンを含み、熱処理炉内に配設された線材または導体の搬送装置上に載置された線材または導体を酸化性雰囲気中で熱処理可能な雰囲気制御手段を備えるようにしたものである。
【００１６】
銀合金シース内に原料粉末を充填して成型加工した線材の場合、４Ｎ以上の銀に対してＭｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｌのうち１種あるいは複数を０．０１〜１ａｔ％添加した銀合金が用いられ、これらの元素の殆どは、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体を生成する熱処理中に酸化し、銀中に分散することによって銀の機械強度を上げる効果を果たす。線材の形状は、丸線、平角線、テープ線のいずれでもよく、この中の超電導フィラメント配置構造、フィラメント数は問わない。複数本の線材を撚り合わせた導体の場合、１次撚り及び高次撚り導体、集合化導体、ラザフォード型導体、コンジット型導体、安定層を付けた安定化導体のいずれであっても適用される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、長尺の銀シース線材または導体を熱処理の適正温度を厳密に制御して連続的に熱処理することができるため、大型の電気炉を必要とせず低コストで、線材あるいは導体を歪を付加することなく優れた超電導特性を有する線材あるいは導体を製造することが可能となり、実用的価値は大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、上記のように、成型加工後の線材または撚線導体を熱処理炉内に配設された搬送装置上に載置して、部分溶融温度領域を含む熱処理温度に制御された熱処理ゾーンを通過させ、酸化性雰囲気中で熱処理を施すことを可能とするものであるが、この熱処理炉は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体を生成するための部分溶融温度領域を含む熱処理温度に制御可能な熱処理ゾーンを含む所定の熱処理パターンで温度制御可能な複数のヒーターゾーンから構成することが好ましい。
【００１９】
上記の熱処理炉は、例えば管状炉により形成され、線材あるいは集合化導体の通過する炉心部分の形状は、丸型、角型および他の形状であってもよい。
【００２０】
上記の熱処理パターンは、酸素濃度は５０％以上で、熱処理温度がＢｉ（２２１２）系酸化物超電導体の融点以上で、この融点を超える２０℃未満の温度で加熱する加熱領域を含むように構成することが好ましい。
【００２１】
炉内の雰囲気制御は、炉全体を筐体で覆い、密封状態にした上で全体を同一雰囲気にする方法を採用することもできる。あるいは、ガスを直接炉内に吹き込み、流量によって炉内の酸素濃度を制御してもよい。この後者の場合、導入する酸素によって炉内の温度が変化しないようにする措置が必要である。この措置の例として、予備室を設けてガスの加熱を行なう方法や熱処理炉内に輻射板を入れて対流を防ぐ方法等を挙げることができる。
【００２２】
また、熱処理装置は、熱処理炉内を搬送される線材または導体の搬送路の入口側に予備加熱室および出口側に徐冷室を備えることが好ましく、この場合、予備加熱室は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体の融点以下数十度の温度まで加熱する手段を備え、かつ徐冷室は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体の凝固温度以下１０℃まで冷却する手段を備えるようにする。
【００２３】
以上の予備加熱室および徐冷室を備えた場合には、予備加熱室、熱処理ゾーンおよび徐冷室のそれぞれの長さは、線材あるいは導体が十分に加熱する時間、部分溶解点から５０℃低い温度から２０℃高い温度未満までを望ましくは１０〜３０℃／ｈで上昇させる時間、続く徐冷過程を凝固温度以下１０℃まで０．１℃〜１０℃／ｈで冷却する時間を確保するように設計される。
【００２４】
線材あるいは導体の搬送は、線材あるいは導体に機械的応力を極力かけない構造であることが望ましい。必要に応じて、送り出し機構には、張力を制御する機構を設置する。搬送用支持具は、熱処理の酸化雰囲気、温度において形状、機械強度を保つものであればよく、例えば、搬送装置は、一対の同期回転する駆動ローラと、これらの駆動ローラ間に掛け渡された耐熱性金属材料の線材により形成した網状体からなる無端ベルトにより構成することが好ましく、送出し装置、巻取り装置および搬送装置は、線材または導体を構成する線材への引張歪が０．１％以下で、かつ曲げ歪量が０．１％以下となるように、送出し速度、巻取り速度および搬送速度を制御する制御装置を備えることが好ましい。
【００２５】
上記の無端ベルトは、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネルその他の耐熱金属材料からなる線状体を編むことによって作成することができ、この線状体の表面に拡散防止層としてＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等のセラミックスをコーティングしたのものを用いることができる。
【００２６】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【実施例】
【００２７】
図１は、本発明のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置の一実施例を示す概略断面図である。
【００２８】
同図において、Ｂｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置１は、管状炉からなる熱処理炉２、送出し装置３、巻取り装置４、搬送装置５、予備加熱室６、徐冷室７および制御装置８から主として構成されている。
【００２９】
熱処理炉２は、送出し装置３と巻取り装置４との間に配設されており、被熱処理材であるＢｉ系酸化物超電導材料を構成する原料粉末を銀または銀合金シース内に充填して成型加工した線材またはこれらの複数本を撚り合わせた導体９の走行方向の熱処理炉２の入口側に予備加熱室６が配設され、また出口側に徐冷室７が配設されている。予備加熱室６は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体の融点以下数十度の温度、例えば、融点以下５０℃低い温度まで加熱する手段（図示せず）を備え、かつ徐冷室７は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体の凝固温度以下１０℃まで冷却する手段（図示せず）を備えている。
【００３０】
予備加熱室６には、ガス供給装置１０から雰囲気ガスが供給され、熱処理炉２内を酸化性雰囲気に制御する。この炉内雰囲気は、熱処理炉２全体を筐体１１で覆い、その内部を同一雰囲気にするようにしてもよく、この場合には、予備加熱室６を省略することもできる。
【００３１】
上記の熱処理炉２は、Ｂｉ（２２１２）系酸化物超電導体を生成するための部分溶融温度領域を含む熱処理温度に制御可能な熱処理ゾーンを含む所定の熱処理パターンで温度制御可能な複数ヒーターゾーン２ａ、２ｂおよび２ｃとから構成されており、例えば、酸素濃度は５０％以上で、熱処理温度がＢｉ（２２１２）系酸化物超電導体の融点以上で、この融点を超える２０℃未満の温度で加熱する加熱領域を含む熱処理パターンで制御される。
【００３２】
搬送装置５は、熱処理炉２内に配設されており、予備加熱室６から熱処理炉２および徐冷室７内を通って巻取り装置４の巻取りドラム直前まで配設されている。
上記の搬送装置５は、一対の同期回転する駆動ローラ（図示せず）と、これらの駆動ローラ間に掛け渡された網状体からなる無端ベルトにより構成され、この無端ベルトは、表面にＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等のセラミックスを拡散防止層としてコーティングしたステンレス鋼、ハステロイ、インコネルその他の耐熱金属材料からなる線状体を編むことによって作成される。
【００３３】
以上のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置１において、送出し装置３のドラム上に巻回された成型加工後の線材または撚線導体９は、搬送装置５上に載置されて予備加熱室６、熱処理炉２のヒーターゾーン２ａ、２ｂ、２ｃおよび徐冷室７を通過し、巻取り装置４のドラム上に巻取られる。線材または撚線導体９は、予備加熱室６、熱処理炉２および徐冷室７を通過する間に酸化性雰囲気中で、例えば、部分溶解点から５０℃低い温度から２０℃高い温度未満までを１０〜３０℃／ｈで上昇させる時間、続く徐冷過程を、例えば、凝固温度以下１０℃まで０．１℃〜１０℃／ｈで冷却する時間を確保するように温度および搬送速度が制御される。
【００３４】
また、送出し装置３、巻取り装置４および搬送装置５は、線材または撚線導体９への付加歪が０．１％以下で、かつ曲げ歪量が０．１％以下となるように、送出し装置３の送出し速度、巻取り装置４の巻取り速度および搬送装置５の搬送速度が制御装置８により制御される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置によれば、超電導マグネットや電力機器等に使用される優れた超電導特性を有する長尺のＢｉ（２２１２）系酸化物超電導線材を、低コストで連続的に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のＢｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置の一実施例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  Ｂｉ系酸化物超電導線材の連続熱処理装置
２  熱処理炉
２ａ、２ｂ、２ｃ  ヒーターゾーン
３  送出し装置
４  巻取り装置
５  搬送装置
６  予備加熱室
７  徐冷室
８  制御装置
９  線材または撚線導体
１０  ガス供給装置
１１  筐体
【図１】
2007200562.tif 000003