(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物超電導材料または前駆体とそれを覆う銀又は銀合金からなる素線を撚線することにより素線に転位を施し、複数本の前記撚線を円筒形の芯材上に集合し、熱処理して酸化物超電導撚線を作製した後、円筒形の芯材上に所定のピッチで巻き付けられた形状を保持している前記酸化物超電導撚線を、酸化物超電導ケーブル用導体を構成するサブケーブルとすることを特徴とする酸化物超電導ケーブル用導体。
【請求項２】
酸化物超電導材料または前駆体とそれを覆う銀又は銀合金からなる素線を撚線することにより素線に転位を施し、複数本の前記撚線を円筒形の芯材上に所定のピッチで巻き付け、その後、熱処理して得られた酸化物超電導撚線を、熱処理に使用した芯材と同一の外径を有する可撓性のある芯材上に、熱処理前に前記撚線を円筒形の芯材上に巻き付けた同一のピッチで集合することを特徴とする酸化物超電導ケーブル用導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、酸化物超電導体または前駆体とそれを覆う金属からなる素線を用いた酸化物超電導撚線および酸化物超電導ケーブル用導体ならびにそれらを製造するための技術に関し、特に、高い臨界電流密度を有する酸化物超電導撚線および酸化物超電導ケーブル用導体を提供するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超電導線材は、液体窒素温度で超電導状態を示すことから、超電導マグネット、超電導ケーブルなどへの応用が期待され、その開発が進められている。特に、金属被覆したビスマス系酸化物超電導線材は高い臨界電流密度を得るため、研究開発が行われている。
【０００３】
酸化物超電導ケーブル用導体に関しては、テープ状の銀被覆したビスマス系超電導線を芯材上に多層で螺旋巻した構造が知られている。しかし、この構造では導体の内層と外層のインピーダンスの違いによって、偏流が生じるため通電時の交流損失が大きい問題点があった。また、大きな交流損失は、臨界電流を低下させる要因になる。
交流損失の小さな酸化物超電導ケーブル用導体としては、撚線構造のサブケーブルから構成される酸化物超電導ケーブル用導体が提案されている。サブケーブル中の素線数を多くし、多次撚線構造にすることにより交流損失を低減できるが、サブケーブルのサイズが大きくなる。この場合、歪みが加わると酸化物超電導線の臨界電流特性の劣化が生じやすく、このサブケーブルを集合して作製する超電導ケーブル用導体の臨界電流特性は低下し、酸化物超電導ケーブル用導体全体での臨界電流密度特性は低くなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の目的は、酸化物超電導線材を用いて臨界電流特性の優れた酸化物超電導撚線および酸化物超電導ケーブル用導体を製造するための技術を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明により、酸化物超電導材料または前駆体とそれを覆う銀または銀合金からなる素線を用いて、酸化物超電導撚線、酸化物超電導ケーブル用導体を製造する方法が提供される。この方法は、酸化物超電導材料または前駆体とそれを覆い銀または銀合金からなる素線を作製する工程と、素線に電気絶縁層を設ける工程と、素線を撚り合わせることにより、素線に転位を施す工程と、酸化物超電導材料の生成に必要な温度まで、この撚線を加熱し、熱処理する工程とを備える。
【０００６】
本願発明の製造方法における素線の電気絶縁層としては、ケイ素系有機金属ポリマーを主成分とする塗料、リン酸アルミニウムなどを主成分とする塗料などを電気絶縁層として用いることができる。また、本願発明による製造方法において、素線を撚り合せた後、得られた撚線を、例えばその断面が平角または扇形になるよう成形することができる。次いで、成形された撚線を酸化物超電導材料の生成に必要な温度まで加熱し、熱処理を行なう。このように撚線を成形した後に、熱処理を行なうことで撚線成形時における影響を低減し、高い臨界電流および臨界電流密度を示す超電導撚線が得られる。成形された超電導撚線は、コンパクトなケーブル用導体を構成するために有用である。
【０００７】
本願発明は、上述した製造方法によって得られた複数本の撚線を円筒形の芯材に巻き付ける工程を備える酸化物超電導ケーブル用導体の製造方法を提供する。
【０００８】
本願発明により、上述した複数本の撚線を円筒形の芯材に巻き付け、その後、酸化物超電導材料の生成に必要な温度まで加熱し、熱処理して得られた酸化物超電導撚線を、熱処理に使用した芯材と同一の外径を有する可撓性のある芯材上に、熱処理前の前記撚線を円筒形の芯材上に巻き付けた同一のピッチで集合することにより、複数本の酸化物超電導撚線を円筒形の芯材に巻き付けてなる酸化物超電導ケーブル用導体を提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
酸化物超電導体、例えばビスマス系２２２３相酸化物超電導体を銀または銀合金などの金属で被覆された酸化物超電導線材の製造の製造において、酸化物超電導材料を生成するため、例えば約８５０℃の高温において熱処理が行われる。熱処理により生成した酸化物超電導材料は、相対的に曲げに弱く、例えば０．３％を越えるような曲げ歪みにおいて臨界電流の劣化を生じやすい。したがって、熱処理工程を経て得られた複数本の酸化物超電導線材を撚り合わせると、曲げ歪みにより酸化物超電導材料の破壊が起こり、酸化物超電導線材において臨界電流等の特性が劣化する。本願発明者は素線を作製し、その素線を撚り合せる撚線工程の後に、酸化物超電導体生成のための熱処理を行なうことで、優れた超電導特性を示す酸化物超電導撚線および酸化物超電導ケーブ用導体が得られることを見出した。
【００１０】
酸化物超電導材料の原料を所定量、秤量し、仮焼して作製した酸化物超電導材料の前駆体の粉末１を銀または銀合金の金属管２に充填することにより、図１に示すような複合材が得られる。
【００１１】
この酸化物超電導体の前駆体の粉末と金属の複合材を圧延加工することにより図２のようなテープ状複合材が得られる。
【００１２】
銀または銀合金の芯線３の周囲に図２のテープ状複合材を配置し、これを銀または銀合金の金属管５に挿入し、伸線加工のような縮径加工を行なうことにより、図３に示すような、酸化物超電導体の前駆体の粉末からなる多層部４を設けた複合材６が得られる。テープ状複合材の巻き付ける量により、酸化物超電導体の前駆体の量を調整することができる。
【００１３】
図４に示すように、複数本の図３の複合材６を銀または銀合金の金属管７に挿入し、次に伸線加工のような縮径加工を行なうことにより、図５に示すような、複数本の図３の複合材６を銀または銀合金の母材８に多芯に埋め込んだ素線９が得られる。図３の複合材６の本数により、酸化物超電導体の前駆体の量を調整することができる。また、銀または銀合金の金属管５の厚さを調整することで、芯材間の間隔を調整することにより、熱処理により生成する酸化物超電導体の間隔を調整することができ、高い臨界電流値および低交流損失な酸化物超電導線材を得ることができる。
【００１４】
図５に示すように素線９の外周には電気絶縁層１０を形成する。この電気絶縁層として、熱処理に耐え、素線に対する密着性および強度という点から、ケイ素系有機金属ポリマー等の有機金属ポリマー、リン酸アルミニウム等の化合物、または窒化ホウ素が優れていることを見出した。これらの材料を用いれば、撚線時に剥離しにくく、かつ強度の優れたコーティング層を形成することができる。素線表面に電気絶縁層を施すことにより、素線間の結合電流を低減することができ、交流損失を低減することができる。
【００１５】
上述したように電気絶縁層１０が形成された複数の素線９は、撚線を形成するため撚り合わされる。撚り合わせの際、素線９に転位を施すことにより、素線内の酸化物超電導体間の偏流を低減することができる。
【００１６】
撚線工程を繰返すことにより２次以上の高次撚線を得ることができる。図６は銀または銀合金の芯線１１に６本の素線９を１次撚線し、さらに、この１次撚線を４本撚線した２次撚線の例である。撚線の本数、撚り次数により、電流容量の大きな撚線を得ることができる。また、撚り本数が増えるほど、転位の効果が大きくなり、撚線の外層および内層のインピーダンスを均一化することができ、撚線間の偏流を低減することができ、交流損失を少なくすることができる。
【００１７】
また、得られた撚線を平角、扇形などの形状に成形することで、パッキングファクタを大きくすることができ、よりコンパクトな撚線が得られ、電流密度を向上させることができる。図７は、図６を平角成形した例で、素線間および撚線間の空間の小さなコンパクトな成形撚線が得られる。
【００１８】
図８に示すように、このようにして作製した撚線をサブケーブル１３として、円筒形の焼結用芯材１２に所定のピッチで巻き付け、図９および図１０に示すように、複数本のサブケーブル１３を集合し、超電導ケーブル用導体を作製することができる。焼結用芯材１２は酸化物超電導材料の熱処理に必要な温度に耐える金属管を用いる。
【００１９】
酸化物超電導体生成のための熱処理は、例えば、８００〜９００℃の温度、好ましくは、８４０〜８５０℃の温度で行われる。このように円筒形の焼結用芯材に所定のピッチで巻き付け、撚線を集合した後、熱処理を行なうことで撚線時の歪みによる影響を低減し、高い臨界電流および臨界電流密度特性を示す撚線が得られる。
【００２０】
複数本の撚線からなるサブケーブルを円筒形の焼結用芯材１２上に所定のピッチで巻き付け、熱処理した後、サブケーブルの撚りを緩めるなどして巻き付け径を拡大して焼結用芯材１２を外す。この後、焼結用芯材１２と同一の外径を有する可撓性のある芯材と差し替え、熱処理前に円筒形の芯材に巻き付けた同一のピッチで集合することにより酸化物超電導ケーブル用導体を得ることができる。超電導ケーブル用導体の可撓性芯材としては、例えば、銅、アルミニウム、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等から形成でき、強度および可撓性の点からは銅製芯材を用いることが好ましい。
【００２１】
また、複数本の撚線からなるサブケーブルを円筒形の焼結用芯材１２上に所定のピッチで巻き付け、熱処理した後、導体の解体を行なう。この場合、サブケーブルは導体解体の後も、巻き付けられた形状を保つように解体し、導体解体後のサブケーブルを焼結用芯材と同径の可撓性のある芯材銅管に組み直し、この芯材上に集合することで、酸化物超電導ケーブル用導体を得ることができる。
この場合も、焼結用芯材と可撓性芯材の材料をそれぞれの耐熱性あるいは可撓性などの点から適した、芯材の材料を選択することができる。
【００２２】
このように撚線からなるサブケーブルを集合することにより、酸化物超電導ケーブル用導体を作製する際の歪みによる影響を低減することができ、単に素線を熱処理後、撚線を作製し、この撚線を巻き付けながら集合することにより作製した酸化物超電導ケーブル用導体、あるいは熱処理した撚線を巻き付けながら集合することにより作製した酸化物超電導ケーブル用導体に比べ、高い臨界電流特性を得ることができる。
以下、実施例により本願発明をより詳細に説明する。
【００２３】
【実施例】
実施例１
Ｂｉ2Ｏ3、ＰｂＯ、ＳｒＣＯ3、ＣａＣＯ3およびＣｕＯの粉末を用いて、Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝１．８：０．４：２：２：３の組成比の粉末を混合した。この粉末を７００℃で１２時間および８時間８００℃で８時間の仮焼を行なった後、さらに８５０℃で８時間の仮焼を行なった。
この仮焼した粉末をボールミルで粉砕した。この粉末を８００℃、１５分の加熱で脱気した後、銀パイプに図１のように充填した。この銀パイプを１．１５ｍｍφまで伸線した後、厚さ０．２ｍｍまで図２のように圧延した。図３に示すように、複数の圧延したテープ線材を銀棒を軸として同心円状に配置した酸化物超電導材料前駆体と銀の複合材を７本用い、銀パイプに図４のように嵌合し、その後、０．９ｍｍφまで伸線加工を行ない、図５のような丸形状の素線を作製した。この素線に８５０℃、５０時間の熱処理を行ない、さらにＳｉＯ2ベースの無機絶縁材料を用いて電気絶縁層１０を設けた後、撚線加工を行なった。１次撚線加工は、０．９ｍｍφの銀線５を中心線として、６本の素線を撚りピッチ４０ｍｍで撚り合せた。２次撚線加工はこの１次撚線４本を撚りピッチ８０ｍｍで図６のように撚り合わせ、幅８ｍｍ、厚さ３ｍｍに成形し、図７に示すような２次撚線のサブケーブルを作製した。
【００２４】
このサブケーブルを図８に示すように、外径１９ｍｍφ、内径１７ｍｍφのステンレス管の芯材に巻き付けピッチＰを２００ｍｍとして巻き付け、ガラステープでバインドした後、８５０℃、１００時間の熱処理を施した。熱処理後に巻き付けたままの状態で液体窒素中でＩｃを測定したところ、Ｉｃは４０Ａであった。
【００２５】
比較例１
実施例１で得られた熱処理前の直状の２次撚線に８５０℃、１００時間の熱処理を施した。熱処理後にサブケーブルの一部を切り出し、液体窒素中で臨界電流Ｉｃを測定したところ、Ｉｃは４０Ａであった。
一方、直状で熱処理した後のサブケーブルを、図８に示すように、外径１９ｍｍφ、内径１７ｍｍφのステンレス管の芯材１２を用い、巻き付けピッチＰを２００ｍｍとして巻き付け、巻き付けたままの状態で液体窒素中でＩｃを測定したところ、Ｉｃは１２Ａに低下した。
【００２６】
このことから、実施例１の本願発明の酸化物超電導撚線において、直状で熱処理した酸化物超電導撚線と同様なＩｃを得ることができ、熱処理後の撚線を芯材に巻き付けた酸化物超電導撚線に比べ、高い臨界電流特性を得ることができることが確認できた。
【００２７】
比較例２
図９および図１０に示すように、銅製直管を芯材とし、実施例１で得られたサブケーブル１３を熱処理し、この７本のサブケーブルを使用し、長さ５ｍの１層導体を作製した。このサブケーブルの芯材への巻き付けピッチは２００ｍｍとし、導体表面にはマイラーテープを巻き付けた。この導体を作製後、導体を胴径１．６ｍφのドラムに巻き付けた。
ドラムから導体を巻き戻し、この導体を解体して外観調査を行なったところ、芯材およびサブケーブルに座屈ならびに断裂は認められなかった。本試験により、銅製直管は導体用芯材として可撓性の点では問題ないことが確認できた。
一方、導体解体後のサブケーブルの一部を切り出して、Ｉｃ測定を行なったところ、Ｉｃは１０ＡにＩｃが低下した。これは、熱処理後のサブケーブル集合時の機械的歪みに加えて、ドラムに巻き付ける際の曲げによる機械的歪みがサブケーブルに新たに加わったことによる。
【００２８】
比較例３
また、ステンレス直管を芯材とし、実施例１で作製した熱処理前のサブケーブルを７本使用し、長さ５ｍの１層導体を製作した。このサブケーブルの芯材への巻き付けピッチは２００ｍｍとした。本導体に８５０℃、１００時間の２次熱処理を施した後に、導体を胴径１．６ｍφのドラムに巻き付けた。
その後、ドラムから巻き戻し、この導体を解体した。導体解体後のサブケーブルの一部を切り出して、Ｉｃ測定を行なったところ、Ｉｃは３０Ａと比較例２の場合よりも、Ｉｃが３倍高いことがわかった。
しかしながら、解体後、外観調査を行なったところ、ステンレス直管に座屈ならびに断裂が生じていることが分かり、使用したステンレス製直管は、導体用芯材として可撓性の点では不十分であることがわかった。
【００２９】
実施例２
ステンレス直管を芯材とし、実施例１で作製した熱処理前のサブケーブルを７本用い、長さ５ｍのを１層巻き導体を作製した。このサブケーブルの芯材への巻き付けピッチは２００ｍｍとした。本導体に８５０℃、１００時間の熱処理を施した後に、ステンレス直管を抜くと同時に銅パイプを挿入して、芯材が銅パイプの１層導体とした。導体表面には保護ならびに固定の目的でマイラーテープを巻き付けた。
さらに、導体を胴径１．６ｍφのドラムに巻き付けた後、導体を巻き戻し、解体後のサブケーブルの一部を切り出してＩｃ測定を行なったところ、Ｉｃは３０Ａと、比較例２の場合よりもＩｃが３倍高いことがわかった。
また、導体を解体して外観調査を行なったところ、芯材、ならびにサブケーブルの外観に座屈ならびに断裂は見られず、本導体が可撓性の点で問題ないことがわかった。
以上のように本手法で作製した導体は、可撓性と高臨界電流特性を有することがわかった。
【００３０】
実施例３
別な実施例として、ステンレス直管を芯材とし、実施例１で作製した熱処理前のサブケーブルを７本使用し、長さ１ｍの１層巻き導体を作製した。このサブケーブルの芯材への巻き付けピッチは２００ｍｍとした。本導体に８５０℃、１００時間の熱処理を施した後に、導体の解体を行なった。サブケーブルは導体解体の後も捻じられた形状を保っていた。
導体解体後のサブケーブル７本をステンレス管と同径（１９ｍｍφ）の銅管を芯材として組み直し、巻き付けピッチ２００ｍｍの１層巻き導体とした。導体表面には保護ならびに固定の目的でマイラーテープを巻き付けた。
この導体を胴径１．６ｍφのドラムに巻き付け、その後、ドラムから巻き戻した。解体後のサブケーブルの一部を切り出してＩｃ測定を行なったところ、Ｉｃは２８Ａと、比較例２の場合よりＩｃが約３倍高いことがわかった。
また、導体を解体して外観調査を行なったところ、芯材ならびにサブケーブルに座屈ならびに断裂は見られず、本導体が可撓性の点で問題ないことがわかった。
以上のように、熱処理後のサブケーブルを一旦、解体し、サブケーブルの形状を維持したまま、熱処理に用いた芯材を可撓性のある芯材に取り替えることが可能であり、この手法で作製した導体が可撓性と高臨界電流特性を有することがわかった。
【００３１】
比較例４
さらに、テープ状銀シース酸化物超電導線材（幅３．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）を用いて、酸化物超電導ケーブル用導体を作製した。
１４本のテープ状酸化物超電導線を用い、巻き付けピッチ２００ｍｍでステンレス直管上に巻き付け、長さは１ｍの導体を２本作製した。この導体に８５０℃、１００時間の２次熱処理を施した後、１本の導体を解体した。テープ状酸化物超電導線は変形しやすく、導体解体後の線材は芯材に巻き付けた形状を保つのが困難であった。
また、残りの１本の導体を用い、ステンレス管の抜き取りと銅管の挿入を同時に行なったところ、作業時時に酸化物超電導線の巻き乱れが生じた。以上のように、芯材を置き換える手法は、テープ状酸化物超電導線による導体には適用できず、本願発明のようにサブケーブルを用いる超電導酸化物ケーブル用導体の作製の場合に有効あることがわかった。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本願発明において、酸化物超電導材料または前駆体とそれを覆う銀又は銀合金からなる素線を用いて、撚線することにより素線に転位を施し、複数本の前記撚線を円筒形の芯材上に集合し、熱処理して酸化物超電導撚線を作製した後、円筒形の芯材上に所定のピッチで巻き付けられた形状を保持している前記酸化物超電導撚線を、酸化物超電導ケーブル用導体を構成するサブケーブルとすることにより、臨界電流特性の優れた酸化物超電導撚線および酸化物超電導ケーブル用導体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に用いる酸化物超電導体の前駆体粉末と金属からなる複合材の断面構造を示す模式図である。
【図２】本願発明に用いる酸化物超電導体の前駆体粉末と金属からなるテープ状複合材の断面構造を示す模式図である。
【図３】本願発明に用いる酸化物超電導体の前駆体からなる多層部を設けた複合材の断面構造を示す模式図である。
【図４】本願発明に用いる図３の複数本の複合材を金属管に挿入した複合材の断面を示す模式図である。
【図５】複数本の図３の複合材を銀または銀合金の母材中に埋め込んだ素線の断面構造の模式図である。
【図６】本願発明に用いる２次撚線の断面構造を示す模式図である。
【図７】本願発明に用いる成形された２次撚線の断面構造を示す模式図である。
【図８】巻き付けピッチＰで焼結用芯材に巻き付けられたサブケーブルの様子を示す斜視図である。
【図９】酸化物超電導ケーブルの作製において、芯材にサブケーブルを巻き付ける様子を示す斜視図である。
【図１０】本願発明に用いる酸化物超電導ケーブル用導体の断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１  酸化物超電導体の前駆体の粉末
２  銀または銀合金の金属管
３  銀または銀合金の芯線
４  酸化物超電導体の前駆体粉末からなる多層部
５  銀または銀合金の金属管
６  複合材
７  銀または銀合金の金属管
８  銀または銀合金による母材
９  素線
１０  電気絶縁層
１１  芯材
１２  芯材
１３  サブケーブル
【図１】
0004096406.tif 000002
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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