JP2005527939A - マルチフィラメント超伝導ケーブル用被覆の製造方法及び製造された被覆 - Google Patents
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Abstract
本発明は高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の被覆を製造する方法に関する。本発明によると、少なくとも２つの同心の円筒（52、54）を有する円筒状のビレット（50）を共押出しすることによって被覆が得られる。本発明は、前記方法を用いて製造された高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の被覆にも関する。本発明の被覆は、多層壁の管（10）であり、該多層壁は、純銀製の内層（12、16、22）と少なくとも１つの銀を基材とする合金の第二層（14、18、24、26）とを有する。
Description
本発明は、液体窒素温度（-196℃）で動作し、-273℃に近い温度で使用するものと区別して「高温」超伝導ケーブル及び「高温」超伝導テープと呼ばれる、超伝導ケーブル及び超伝導テープに関する。
この文献を読むのを容易にするために、「ケーブル」という語はケーブルそのものと、これらのケーブルを平らにして形成されたテープの両方を意味して使用される。
より詳細には、本発明は、マルチフィラメントケーブルの高温超伝導繊維用のマトリックスとして機能する被覆を製造する方法に関し、また、この方法によって得られた被覆に関する。
前記の型の超伝導ケーブルは、通常、マトリックスの内側に配された超伝導材料から作られたワイヤの束からなる。マトリックスによって前記ワイヤは相互に、また、外部から分かたれる。
超伝導材料は、通常、BSCCO 2223及び2212と称されるもののような酸化物である。他の酸化物の例は、例えば、米国特許第6,188,921号に記載されている。
より正確には、各超伝導ワイヤは相容性のある材料でできた被覆で覆われており、その最終的な寸法は、延伸によって約1.5 mmとなる。そして、このワイヤは他の全く同じワイヤと一緒に束にされて、外部被覆に入れられる。この外部被覆は、ケーブル、又は圧延の後にマルチフィラメントテープを形成するために、直径約1.55 mmにまで引き延ばされる。
複数の被覆が形成するマトリックスは、通常、金属でできている。銀とその合金とによって作られる材料は、延性があり、超伝導ワイヤを汚染せず、しかも、酸素に対して比較的透過性があるので、この分野の専門家によって好まれている。
残念ながら、銀は欠点を有している。銀が純粋であると、その性質故に高電界における高い電磁ストレスに対して超伝導体を強化することができず、また、ワイヤを破断から保護することができない。さらに、その高い電気伝導性が、交流電圧／電流を加えると、高い抵抗損を発生させる。
銀の機械的な弱さを改善するために、より強力な合金、特に、この分野ではよく知られている、内部酸化によって硬化する合金AgMgNiを使用するのが普通である。しかしながら、この合金が含有しているニッケルが超伝導材料にとって有害であり、また、酸化マグネシウムが、マルチフィラメントの製造中に繊維が結合するのを妨げるので、この合金も欠点がないわけではない。
銀の高い電気伝導性を低減するために、抵抗性のある合金、特にAgAu合金が使用されるが、これにも又、欠点がある。ある特定の条件下では、金が超伝導体の性質に影響を与えるからである。
これらの合金の組み合わせを使用するために、例えば、米国特許第5,017,553号は超伝導ワイヤ用の被覆を製造する方法を記載している。この被覆は２つの層が重ね合わされており、その内の一層はAg／Pd合金でできており、他層は銀でできている。この方法によると、これらの層は独立した管を形成しており、一方の管を他方の管に挿入した形状になっている。そして、超伝導セラミックはこの二重構造体の内側に配される。
この種の技術はいくつかの欠点を有している。第一に、異なる材料でできた複数の薄い管を重ね合わせるのは困難であり、また、多くの管を有する複雑な構造故に、行われる操作の数が多い。さらに、この技術では、使用される管の各々が予め入手することのできるものでなければならない。銀はその機械的強度が小さいので、薄い銀の管を扱うのは困難であり、それ故に、銀の薄層を有する被覆を得るのも困難である。
本発明の目的は、従来技術の方法によって得られる利点を保持しつつ、上記欠点のない技術を提供することである。
より正確には、本発明は高温超伝導ケーブル用の被覆を製造する方法に関する。この方法は、少なくとも２つの同心円筒から形成される円筒状のビレットを共押出しして多層壁管を得ることによって特徴付けられる。
本発明は、また、高温超伝導ケーブル用の被覆に関し、
−純銀製の内層と
−銀を基材とする合金製の少なくとも一層の第二層と
を有する多層壁の管からなっていることによって特徴付けられる。
−純銀製の内層と
−銀を基材とする合金製の少なくとも一層の第二層と
を有する多層壁の管からなっていることによって特徴付けられる。
管壁は二、三、又は四つの層で形成することができる。
使用される銀基材の合金は、機械的強度の大きい合金、電気抵抗性の高い合金、又は大きな機械的強度と高い電気抵抗性とを共に有する合金であると都合がよい。
本発明の他の特徴は、添付の図面を参照してなされる以下の記載から明らかになるであろう。
図１は、参照符号10で、内部被覆と呼ばれる、超伝導ワイヤの被覆を形成するための管を示している。この管は、通常、外径が20 mm、内径が17 mmである。その長さは１〜３ｍであればよい。このような管に超伝導材料を充填した後、直径約1.5 mm程度にまで延伸される。次いで、他の全く同じワイヤと一緒に外部被覆に入れて束にし、超伝導束を作る。この束も直径約1.5 mm程度に延伸してケーブルを形成するか、又は圧延してマルチフィラメントテープを形成する。この多層被覆プロセスは、少なくとも一層の中間被覆を用いることにより、任意に、より工程数の多い方法で行うこともできる。この場合、中間被覆の構造は内部被覆の構造と同じである。
本発明によると、図１のａ、図１のｂ、及び図１のｃにそれぞれ拡大して示されているように、管10の壁は二、三、又は四つの銀基材の層で形成することができる。
層を形成するのに４種の異なる材料が使用される。即ち、
−純銀
−硬銀（hard silver）と称される、機械的強度の大きい銀であって、例えば、以下に示す合金の内の１つである。AgMgNi（99.55−0.25−0.20）及びAgMn（99−１）
−抵抗性銀（resistive silver）と称される、電気抵抗の高い銀であって、例えば、以下に示す合金の内の１つである。AgAu（96-4）及びAgSb（99-1）
−硬抵抗性銀（hard-resistive silver）と称される、大きな機械的強度と電気抵抗とを有する銀であって、例えば、次のものを例示することができる。AgAuMgNi（99.55−4−0.25−0.20）。
−純銀
−硬銀（hard silver）と称される、機械的強度の大きい銀であって、例えば、以下に示す合金の内の１つである。AgMgNi（99.55−0.25−0.20）及びAgMn（99−１）
−抵抗性銀（resistive silver）と称される、電気抵抗の高い銀であって、例えば、以下に示す合金の内の１つである。AgAu（96-4）及びAgSb（99-1）
−硬抵抗性銀（hard-resistive silver）と称される、大きな機械的強度と電気抵抗とを有する銀であって、例えば、次のものを例示することができる。AgAuMgNi（99.55−4−0.25−0.20）。
図１のａに示される二層の態様においては、内層12が純銀、外層14が抵抗性銀でできている。
図１のｂに示される三層の態様においては、内層16が純銀、中間層18が硬銀又は硬抵抗性銀、外層20が純銀でできている。変形例として、内層16が純銀、中間層18が硬銀、外層20が抵抗性銀でできているものもある。
最後に、図１のｃに示される四層の態様においては、内層22が純銀、第一中間層24が硬銀、第二中間層26が抵抗性銀、そして外層が純銀でできている。変形例として、第一中間層24が抵抗性銀、第二中間層26が硬銀でできていてもよい。
図２を参照すると、超伝導ケーブルの前記外部被覆を形成する管が参照符号30で示されている。管30の寸法は、先に記載した未延伸の管10の寸法と相違しない。管10のように、その壁は、二、三、又は四つの銀基材の層で形成することができる。その各々は図２のａ、図２のｂ、及び図２のｃの拡大図に示されている。層の形成材料は同じであるが、様々な層の構成が相違している。
図２のａに示される二層の態様においては、内層32が純銀、外層34が硬銀又は抵抗性銀でできている。
図２のｂに示される三層の態様においては、内層36が純銀、中間層38が硬銀又は硬抵抗性銀、外層40が純銀でできている。第一の変形例として、内層36が純銀、中間層38が硬銀、外層40が抵抗性銀でできていてもよい。第二の変形例として、内層36が純銀、中間層38が抵抗性銀、外層40が硬銀でできていてもよい。
最後に、図２のｃに示される四層の態様においては、内層42が純銀、第一中間層44が硬銀、第二中間層46が抵抗性銀、そして外層が純銀でできている。変形例として、第一中間層44が抵抗性銀、第二中間層46が硬銀でできていてもよい。
管が内部被覆用であれ、外部被覆用であれ、様々な層の相対的な体積比は次の通りである。
−二層構造
・内層：10〜90％
・外層：90〜10％
−三層構造
・内層及び外層：10〜40％
・中間層：80〜20％
−四層構造
・内層及び外層：10〜40％
・中間層：70〜10％。
−二層構造
・内層：10〜90％
・外層：90〜10％
−三層構造
・内層及び外層：10〜40％
・中間層：80〜20％
−四層構造
・内層及び外層：10〜40％
・中間層：70〜10％。
このようにして、その多層構造故に、その望ましくない効果を隠蔽しつつ、純銀及びある種のその合金（硬度の大きい合金、又は抵抗性の高い合金）の性質を生かした、内部被覆又は中間被覆用の管、並びに外部被覆用の管が製造される。これらの被覆によって、優れた品質の超伝導テープを製造することができる。
本発明が提案する構造によると、特に、高抵抗性の銀合金の存在によって、ＡＣ電流／電圧印加に際する抵抗損を著しく低減させることができることが、特に注目される。さらに、AgMgNi、AgAuMgNi、又はAgMnなどのような酸化硬化合金を使用する管にあっては、AgAu又は純銀などの酸化されない金属を有する外層が、外気からMgやMnを保護することによって、最初の製造段階において該MgやMnを酸化から守り、使用されるダイの摩耗を大幅に低減することができる。
本発明による多層管は、三層構造の場合について図３に示されているように、３つの同心の円筒52、54及び56から形成される円筒状のビレット50を共押出しすることによって好適に得られる。このビレットの外径は、通常、約120 mmである。
ビレット50は、それぞれ所望の材料で作られ、適切な外径及び内径を有する３つの金属管を組み合わせることによって、又は適当な容器内での冷間静水圧プレス成形によりこれらの材料の粉末から３つの管を形成し、次いで、組み合わせた管全体を、通常850℃の温度で焼結操作に付すことによって製造することができる。
組み合わせ操作を単純化するために、任意に、内部管を固い円筒に置き換えることができ、次いで、該固い円筒を除去する。
そして、ビレット50は、該ビレットの最初の直径に比べてその外径が1/2〜1/10に縮小された管10又は30が最終的に得られるように、当業者に公知のあらゆる方法によって押し出される。
Claims (18)
- 高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の被覆を製造する方法であって、該被覆が、少なくとも２つの同心の円筒（52、54、56）から形成される円筒状のビレット（50）の共押出しによって得られることを特徴とする方法。
- 前記ビレット（50）が、それぞれ所望の材料でなっている少なくとも２つの金属管を組み合わせて製造されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記ビレット（50）が、容器内で冷間静水圧プレス成形を行って、それぞれ前記所望の材料の粉末から少なくとも２つの管を形成し、次いで、これらの管を焼結操作に付すことによって製造することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載される方法で製造される高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の被覆であって、該被覆が管（10、30）であり、その管壁が、密接に結合された
−純銀製の内層と
−銀を基材とする合金製の少なくとも一層の第二層と
を有してなることを特徴とする被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（12）と
−高電気抵抗性の銀合金でできた外層（14）と
の二層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の内部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（16）、
−高い機械的強度を有する銀合金でできた中間層（18）、及び
−純銀でできた外層（20）
の三層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の内部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（16）、
−高い機械的強度と高い電気抵抗性とを有する銀合金でできた中間層（18）、及び
−純銀でできた外層（20）
の三層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の内部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（16）、
−高い機械的強度を有する銀合金でできた中間層（18）、及び
−高い電気抵抗性を有する銀でできた外層（20）
の三層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の内部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（22）、
−高い機械的強度を有する銀合金でできた第一の中間層（24）、
−高い電気抵抗性を有する銀合金でできた第二の中間層（26）、及び
−純銀でできた外層（28）
の四層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の内部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（22）、
−高い電気抵抗性を有する銀合金でできた第一の中間層（24）、
−高い機械的強度を有する銀合金でできた第二の中間層（26）、及び
−純銀でできた外層（28）
の四層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の内部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（32）と
−高い機械的強度を有する銀合金でできた外層（34）と
の二層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の外部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（32）、及び
−高い機械的強度と高い電気抵抗性とを有する銀合金でできた外層（34）
の二層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の外部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（36）、
−高い機械的強度を有する銀合金でできた中間層（38）、及び
−純銀でできた外層（40）
の三層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の外部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（36）、
−高い機械的強度と高い電気抵抗性とを有する銀合金でできた中間層（38）、及び
−純銀でできた外層（40）
の三層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の外部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（36）、
−高い機械的強度を有する銀合金でできた中間層（38）、及び
−高い電気抵抗性を有する銀合金でできた外層（40）
の三層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の外部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（36）、
−高い電気抵抗性を有する銀合金でできた中間層（38）、及び
−高い機械的強度を有する銀合金でできた外層（40）
の三層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の外部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（42）、
−高い機械的強度を有する銀合金でできた第一の中間層（44）、
−高い電気抵抗性を有する銀合金でできた第二の中間層（46）、及び
−純銀でできた外層（48）
の四層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の外部被覆。 - 前記管壁が
−純銀でできた内層（42）、
−高い電気抵抗性を有する銀合金でできた第一の中間層（44）、
−高い機械的強度を有する銀合金でできた第二の中間層（46）、及び
−純銀でできた外層（48）
の四層で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の高温マルチフィラメント超伝導ケーブル用の外部被覆。
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