JP2007059136A - 化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】化合物超電導線材内部に残留する歪みを緩和して、従来よりも耐歪み特性および臨界電流等の超電導特性の向上が図れる化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程Ｓ１０１と、線材形成工程Ｓ１０１で形成された線材に熱処理を施して化合物超電導原料を超電導体にし、線材を化合物超電導線材にする熱処理工程Ｓ１０２と、熱処理工程Ｓ１０２で得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程Ｓ１０３とを備え、両振り曲げ加工工程Ｓ１０３で、化合物超電導線材に曲げ歪みを０．５％以上１．０％以下の範囲内で加え、両振り曲げ加工工程Ｓ１０３で、単一両振り加工を、化合物超電導線材に５回以上２０回以下の回数施こす化合物超電導線材の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物超電導線材、化合物超電導ケーブルおよびその製造方法に関し、特に、超電導体内部のひずみが緩和または除去されて高い臨界電流等の優れた超電導特性を有する化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法に関する。

従来、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導ケーブル等の化合物超電導ケーブルを製造する方法として、化合物超電導原料を内部に含む線材に化合物生成のための熱処理を施して化合物超電導線材を形成し、得られた化合物超電導線材を撚り合わせる、いわゆる、リアクト・アンド・ワインド(React and Wind)法と、上述の熱処理前の線材を撚り合わせてから熱処理を施す、いわゆるワインド・アンド・リアクト（Wind and React）法とがある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、非特許文献１参照。）。以下、化合物生成のための熱処理、すなわち、上述の化合物超電導原料を内部に含む線材を化合物超電導線材にする熱処理を、単に化合物生成熱処理という。

ここで、高磁界加速器用ダイポールマグネット、高磁界大口径マグネット等の大型マグネットは、一般にリアクト・アンド・ワインド法を用いて製造されたＮｂ_３Ｓｎ超電導ケーブルを用いている。この理由は、Ｎｂ_３Ｓｎ生成のための化合物生成熱処理を、６００℃以上の所定の温度で真空または不活性ガス雰囲気の炉内で行う必要があるが、上述の大型マグネットには炉の寸法上の制約から、マグネット形成後に化合物生成熱処理を施すワインド・アンド・リアクト法を適用することができないからである。

このワインド・アンド・リアクト法は、化合物超電導線材形成後に化合物超電導線材に加工を施さないことによって、この加工に伴う歪みを回避し、臨界電流等の超電導特性の低下を防止するためにとられる製造方法である。ワインド・アンド・リアクト法を用いる場合、巻線加工等の加工に伴う歪みが化合物超電導線材に導入されることを回避するために、予め未反応状態の超電導化合物原料をコイル状に巻き、この状態で化合物生成熱処理を施してＮｂとＳｎとを反応させることにより、コイル形状のＮｂ_３Ｓｎを生成するものである。なお、リアクト・アンド・ワインド法を用いて製造した化合物超電導線材に内在する残留歪みを除去して臨界電流の向上を図ろうとする試みもある（例えば、非特許文献１参照。）。
特開２０００−１６４４１９公開公報 特開２００１−１２６５５４公開公報 特開２００４−０６３１２８公開公報 Improvement of Ic by Loading and Unloading Bending Strain for High Strength Nb3Sn Wires (IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, Vol. 14, No.2, June 2004)

しかし、上述したリアクト・アンド・ワインド法を用いて製造したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材およびＮｂ_３Ｓｎ超電導ケーブルでは、中心部に配置されたＮｂ_３Ｓｎ超電導体とその外周に配置された強化材および／または安定化材との間の熱膨張係数の違いによりＮｂ_３Ｓｎ超電導体内に発生した圧縮歪み、化合物生成熱処理済みのＮｂ_３Ｓｎ超電導ケーブルの巻線時に生じる曲げ歪みと巻張力による歪み等の歪みによって、臨界電流Ｉｃ等が大幅に低下するという問題があった。図９は、従来技術を用いて製造したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材について得られた臨界電流の曲げ歪み依存特性を表すグラフである。図９において、縦軸は規格化された臨界電流Ｉｃ／Ｉｃｍ（％）、横軸は曲げ歪み（％）をそれぞれ示す。また、印加された磁界の強度は、規格化された臨界電流の高い方からそれぞれ１２Ｔ、１４Ｔ、１６Ｔである。図９に示すように、従来技術を用いて製造したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材では、曲げ歪み０．２％〜０．４％程度を超えると臨界電流が急激に減少することが知られている。

このため、リアクト・アンド・ワインド法を用いて製造されたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材およびＮｂ_３Ｓｎ超電導ケーブルを用いる高磁界加速器用マグネット、高磁界大口径マグネット等の大型マグネットでは、上述のように臨界電流が低下するため、運転電流を低くせざるを得なくなっていた。そして、高い磁界を発生させるためには、超電導マグネットのインダクタンスを大きくせざるを得ず、高速励磁やパルス励磁などができないという問題点があった。上述の問題点を解決するために、Ｎｂ_３Ｓｎ等を用いて製造される化合物超電線材に曲げ歪みを加えることによって超電導線材の特性劣化改善が試みられている。

例えば、特許文献１には、歪みに弱い化合物超電導線を補強安定化材で覆った補強安定化超電導線材が開示されている。特許文献１には、使用する線材に補強安定化超電導線材を用いることによって、リアクト・アンド・ワインド法を用いて超電導マグネットを製造することができこと、および、化合物超電導線材の耐歪み特性が向上したことが記載されている。具体的には、温度約７００℃で１０日間程度にわたる化合物生成熱処理を施して得られた、超電導体がＮｂ_３Ｓｎの補強安定化超電導線材では、０．３ｍｍから２ｍｍの直径の細線の降伏応力が２５０から３００Ｍｐａまで上昇し、０．５％までの曲げ歪みでは臨界電流の劣化がない。

特許文献２においては、化合物超電導相が形成された化合物超電導裸線にエナメルが被覆された化合物超電導線において、化合物超電導裸線に対して、該化合物超電導裸線の断面最小幅の５０倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施し、且つ７０ＭＰａ以下の張力をかけた条件下にエナメルを被覆することによって、超電導特性を顕著に劣化させることを回避できることが開示されている。

また、特許文献３においても、リアクト処理した歪み依存性を示す化合物超電導線に曲げ歪みを付加した後、該曲げ歪みを徐荷することより、機械的特性及び臨界電流値の応力特性とともに向上させたことが開示されている。
上述したさまざまな試みでは、化合物超電導の歪み応力による臨界電流特性劣化と耐歪み特性の改善がある程度見られたが、満足できる超電導特性を得ることができなかった。

このような状況下で、非特許文献１には、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材に正反対方向の曲げ歪みを繰り返し与えることにより、従来を大きく上回る超電導特性が得られることが開示されている。具体的には、０．３％〜０．５％の曲げ歪みを正反両方向から５回ずつ加えることにより、曲げ歪みを加えない場合の臨界電流を上回る高い臨界電流特性を得ることができるとされている。超電導特性向上の理由として、化合物生成熱処理時にＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の内部に生じた残留応力が一部緩和されたことが指摘されている。

しかしながら、超電導ケーブルにとって重要な特性である耐歪み特性については、検討されず不明である。例えば、臨界電流Ｉｃが高くなっても耐歪み特性が優れなければ、ケーブル化の際の撚線加工等で線材内に生ずる歪みによって臨海電流Ｉｃが急激に減少してしまい、実用化が困難となるが、この点については言及されていない。また、非特許文献１に開示された技術を用いたとしても、高い臨界電流Ｉｃを維持したまま実用化することは困難である。

本発明は、化合物超電導線材内部に残留する歪みを緩和して、従来よりも耐歪み特性および臨界電流等の超電導特性の向上が図れる化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、所定の熱処理を施して得られる化合物超電導体が少なくとも断面内の一部を占める化合物超電導線材であって、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工が施されることによって前記化合物超電導線材の内部のひずみが緩和していることを特徴とする化合物超電導線材である。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記両振り曲げ加工が、正反両方向から１回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を１回以上施す加工であり、前記単一両振り加工において、０．５％以上１．０％以下の範囲内で正反両方向から曲げ歪みを加えることを特徴とする化合物超電導線材である。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記両振り曲げ加工が、前記単一両振り曲げ加工を５回〜２０回の回数施して曲げ歪みを加えることをことを特徴とする化合物超電導線材である。

本発明の第４の態様は、第１乃至第３の態様の何れかにおいて、前記化合物超電導体の外周に安定化材を備えていることを特徴とする化合物超電導線材である。

本発明の第５の態様は、第１乃至第４の態様の何れかにおいて、前記化合物超電導体がＮｂ_３ＳｎまたはＮｂ_３Ａｌからなることを特徴とする化合物超電導線材である。

本発明の第６の態様は、第１乃至第５の態様の何れかにおいて、ＣｕＮｂ、ＣｕＡｌ_２Ｏ_３、ＣｕＮｂＴｉ、およびＴａのうちの何れか１種類の導電性材料からなる強化材を備えたことを特徴とする化合物超電導線材である。

本発明の第７の態様は、第１乃至第６の態様の何れかに記載された化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に成形加工を施して形成されたことを特徴とする化合物超電導ケーブルである。

本発明の第８の態様は、所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程と、前記線材形成工程において形成された線材に前記熱処理を施して前記化合物超電導原料を超電導体にし、前記線材を化合物超電導線材にする熱処理工程と、前記熱処理工程において得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程とを備えたことを特徴とする化合物超電導線材の製造方法である。

本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記両振り曲げ加工工程において、前記化合物超電導線材に曲げ歪みを０．５％以上１．０％以下の範囲内で加えることを特徴とする化合物超電導線材の製造方法である。

本発明の第１０の態様は、第８または第９の態様において、前記両振り曲げ加工工程において、正反両方向から１回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を、前記化合物超電導線材に５回以上２０回以下の回数施こすことを特徴とする化合物超電導線材の製造方法である。

本発明の第１１の態様は、第８乃至第１０の態様の何れかに記載された化合物超電導線材の製造方法を用いて製造された前記化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に成形加工を施してケーブルを形成するケーブル化工程を備えたことを特徴とする化合物超電導ケーブルの製造方法である。

本発明によると、化合物超電導線材に正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施すことによって、化合物超電導線材の内部のひずみが緩和できているため、従来よりも耐歪み特性および臨界電流等の超電導特性の向上が図れる化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を実現できる。

また、０．５％以上１．０％以下の範囲内の曲げ歪みを正反両方向から加えるように、両振り曲げ加工の条件の適正化を図ったため、化合物超電導線材の性能をさらに引き出すことが可能な化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を実現できる。

また、５回以上２０回以下の単一両振り加工を加えるように、両振り曲げ加工の条件の適正化を図ったため、化合物超電導線材の性能をさらに引き出すことが可能な化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を実現できる。

また、耐歪み特性を向上することができたため、従来ケーブル化が困難とされていた化合物超電導線材を、リアクト・アンド・ワインド法を適用することが可能となり、ケーブル化が容易でかつ低コスト化が図れ、経済効果が高い。

また、耐歪み特性を向上することができたため、素線間のピッチの短いコイルを作成でき、素線間緩みが生じ難く品質の優れた超電導コイルを実現できる。

以下に、本発明の化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の化合物超電導線材の製造方法の１つの態様は、図１（ａ）に示すように、所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程Ｓ１０１と、線材形成工程Ｓ１０１において形成された線材に熱処理を施して化合物超電導原料を超電導体にし、線材を化合物超電導線材にする熱処理工程Ｓ１０２と、熱処理工程Ｓ１０２において得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程Ｓ１０３とを備えたことを特徴とする化合物超電導線材の製造方法である。

線材形成工程Ｓ１０１において形成される線材の断面構造の一例を図２に示す。図２において、中央の領域１を超電導体の原料が占め、最も外側の領域３を安定化材が占め、中央の領域１と外側の領域３との間の領域２を強化材が占めている。ただし、線材形成工程Ｓ１０１において形成される線材の断面構造は上述のものに限られず、その他の断面構造でもよい。

強化材および安定化材には金属または合金材料等の導電性を有する材料が用いられる。強化材には、例えば、ＣｕＮｂ、ＣｕＡｌ_２Ｏ_３、ＣｕＮｂＴｉ、Ｔａ等を用いるのでもよい。また、安定化材には、Ｃｕを用いるのでもよい。ただし、強化材および安定化材にその他の材料を用いるのでもよい。領域１を占めることになる化合物超電導体には、例えば、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ａｌ等が用いられる。また、化合物超電導体が１μｍ以上の直径のフィラメントを複数組み合わせて得られる構成のものであってもよい。

なお、本発明の化合物超電導線材の断面構造は、図２に示すものに限定されず、その他の断面構造を有するのでもよい。具体的には、図３に示す断面構造等を有するのでもよい。図３において、最も外側の層はＣｕからなる安定化材である。図３には、それぞれ、中央の化合物超電導体と最外層の安定化材との間にＣｕＮｂ等からなる強化材が占めるＣｕＮｂ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材の断面図が（ａ）に、中央のＣｕＮｂＴｉ等からなる強化材と最外層の安定化材との間に化合物超電導体が占めるＣｕＮｂＴｉ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材の断面図が（ｂ）に、Ｎｂ_３Ｓｎフィラメントの１本１本がＴａ芯を有するＴａ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材の断面図が（ｃ）に、Ｃｕからなる中央の芯線と最外層の安定化材との間に化合物超電導体が占める無補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材の断面図が（ｄ）に示されている。

表１は、各ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材の構成について説明するための表である。表１において、強化材の欄に（Ｔａ）と記載されたものは、フィラメントがＴａからなる芯線を有することを示し、強化材の欄に＜Ｃｕ＞と記載されたものは、強化材を設けていないが、線材断面の中央部をＣｕを占めることを表す。各ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材のブロンズ成分は、表１に示すように、Ｔａ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材を除き、重量組成でＳｎが１４％、Ｔｉが０．２％、Ｃｕが残りである。Ｔａ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材については、重量組成でＳｎが１５％、Ｔｉが０．３％、Ｃｕが残りである。

各ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材の線径はφ１ｍｍであり、フィラメント径はＴａ芯を有するもの（φ７．９μｍ）を除きφ３．５μｍである。各ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材の断面積を占める安定化材、強化材および超電導体の面積の比は、表１中に「Ｃｕ／ＲＭ／ＳＣ」として記載されている。Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体は、線材の断面積の４４〜５１．３％の面積を占める。

熱処理工程Ｓ１０２においては、所定の条件で化合物生成熱処理を施して線材形成工程Ｓ１０１において形成された線材を化合物超電導線材にする。この化合物生成熱処理は、例えばＮｂ_３Ｓｎの場合、例えば６５０℃〜７００℃等の６００℃以上の所定の温度、真空中または不活性ガス雰囲気中、１００時間、行われるのでもよい。ただし、化合物生成熱処理の条件は、一般に、生成しようとする化合物超電導体、化合物超電導原料、線材の構成、寸法等に応じて異なる。

両振り曲げ加工工程Ｓ１０３においては、化合物生成熱処理を施して得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す。両振り曲げ加工として、例えば、超電導線材に正反両方向から曲げ歪みを１回ずつ加える単一両振り加工を１回以上施すのでもよい。両振り曲げ加工として単一両振り加工を１回以上施す場合に、例えば、図４に示すようにプーリを用いて曲げ歪みを加えるのでもよい。

図４において、化合物超電導線材１０は、化合物生成熱処理用ボビン１１に巻かれて熱処理が施されたものである。化合物超電導線材１０は、所定の張力で撚線ボビン１４に引き寄せられ、化合物生成熱処理用ボビン１１から回転部材１２、プーリ１３を介して撚線ボビン１４に巻き取られる。ただし、両振り曲げ加工として、加工対象の線材を回転しながら、または、捻りながら両振り曲げを様々な方向から加える加工、引っ張りと圧縮とを繰り返し加える加工、その他の正反両方向から力を加える加工を施すのでもよい。

化合物超電導線材に加える両振り曲げ歪みの範囲を０〜１．５％としたときの臨界電流の変化を図５に示す。図５では、縦軸に規格化された臨界電流Ｉｃ／Ｉｃｍをとり、横軸に両振り曲げ歪みεｐｂ（％）をとり、温度４．２Kにおいて、１４Ｔの磁界を印加したときの両振り曲げ歪み特性を示す。図５に表す臨界電流の両振り曲げ歪み特性から、ＣｕＮｂ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材（ａ）については、０〜１．２％超の範囲まで両振り曲げ歪みを加えたことによる臨界電流の向上が見られる。ＣｕＮｂＴｉ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材（ｂ）については、０〜１．０％の範囲まで両振り曲げ歪みを加えたことによる臨界電流の向上または維持が見られる。無補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材（ｄ）およびＴａ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材（ｃ）については、０〜０．８％超の範囲まで両振り曲げ歪みを加えたことによる臨界電流の向上が見られる。

また、図５から、化合物超電導線材に加える両振り曲げ歪みとして、０．５〜０．８％とすることが好ましいことがわかる。さらには、０．８％程度がより好ましい。なお、臨界電流の向上の最大値は、図５に示すものの他に図６に示すように２倍程度のものもある。また、回数単一両振り加工を施す回数としては、１回以上２０回以下が好ましい。

表２は、両振り曲げ加工を施したＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材と両振り曲げ加工を施していないＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材についての、臨界電流の磁界依存特性を示す表であり、図６は、この臨界電流の磁界依存特性をグラフにしたものである。

このＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材は、ＣｕＮｂからなる強化材とＣｕからなる安定化材とを備えるものである。細い実線、破線および太い実線を用いて表す曲線は、それぞれ、両振り曲げ加工を施していない従来のＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材、０．３％の曲げ歪みを加えたＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材、および０．８％の曲げ歪みを加えたＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材についての臨界電流の磁界依存特性を表す。

表２および図６から明らかなように、両振り曲げ加工を施さない従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の臨界電流特性と比較して、両振り曲げ加工を施したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の臨界電流特性は、印加される磁界１０Ｔから１７Ｔの何れにおいても顕著に優れている。すなわち、上述したＣｕＮｂによって高強度化したＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材に対して、複数回の両振り曲げ加工を施すことにより、両振り曲げ加工を施さない従来のＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材に比べて、その臨界電流特性が著しく高くなることが示される。また、加えた曲げ歪みが０．８％のものの方が、曲げ歪みが０．３％のものよりもさらに臨界電流が高くなっている。

具体的には、破線を用いて示す従来の両振り曲げ加工を施さないＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の臨界電流特性に比べて、本発明に係る両振り曲げ加工を施したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の臨界電流特性は、加えた曲げ歪みが０．８％のものが約２倍、０．３％のものが約１．３倍になっている。更に、上述したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を超電導素線として撚り合わせて作製した化合物超電導ケーブルにおいては、撚り合わせたときに生じた歪みによって、臨界電流の低下がほとんど生じなかった。このようにして超電導特性に優れた熱処理済み化合物超電導ケーブルが得られた。上述のことは、両振り曲げ加工が、撚線加工、巻線加工等に伴う歪みの臨界電流に及ぼす影響を緩和する効果以上の効果、すなわち、臨界電流特性を上昇させる効果を有することを示す。

超電導マグネットの起磁力は巻線数に運転電流を乗じたものとして表されるため、臨界電流特性の向上によって運転電流の上限を高くすることができ、超電導マグネットを小型化できる。上述のように臨界電流特性の向上が向上することによって、１／２程度まで巻線数の削減が期待される。

図７は、上述したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材についての耐歪み特性を表す図である。図７において、縦軸は規格化された臨界電流Ｉｃ／Ｉｃｍであり、横軸は撚線、巻線加工等によって生じた曲げ歪みε（％）である。また、破線を用いて示す曲線は、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材についての耐歪み特性を表し、実線を用いて示す曲線は、本発明のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材についての耐歪み特性を表す。図７に示すように、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材では、撚線加工、巻線加工等で加えられる歪みが０．４％程度から規格化された臨界電流Ｉｃ／Ｉｃｍの低下が生ずる。これに対して、本発明の両振り曲げ加工を施したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材では、加えられる歪みが１．５％程度まで規格化された臨界電流Ｉｃ／Ｉｃｍの低下は生じず、耐歪み特性が従来の４倍程度向上している。

本発明の化合物超電導ケーブルの製造方法の１つの態様は、図１（ｂ）に示すように、所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程Ｓ１０１と、線材形成工程Ｓ１０１において形成された線材に熱処理を施して化合物超電導原料を超電導体にし、線材を化合物超電導線材にする熱処理工程Ｓ１０２と、熱処理工程Ｓ１０２において得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程Ｓ１０３と、両振り曲げ加工を施した化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に圧延等の成形加工を施してケーブルを形成するケーブル化工程Ｓ１０４を備えたことを特徴とする化合物超電導ケーブルの製造方法である。

ここで、上述の撚線加工は、化合物超電導線材を撚り合わせる加工をいい、成形加工は、化合物超電導線材を所定の形状等に成型する加工をいう。上述のように、本発明の化合物超電導ケーブルは、本発明の化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に圧延等の成形加工を施して製造されるものである。

上述のように、ケーブル化工程Ｓ１０４における加工を施す化合物超電導線材は、耐歪み特性が従来の４倍程度向上しているものであるため、撚線加工の際の曲げ歪みの許容範囲を０．４％程度から１．５％程度まで大幅に広げることができる。その結果、撚線加工を行う際の螺旋曲率半径を大幅に短縮することができ、化合物超電導ケーブルの製造を簡易に行うことが可能となった。

具体的には、素線径がφ１ｍｍの化合物超電導線材を螺旋状に撚り合わせる場合、以下に示す式（１）に基づいて、許容曲げ歪みεが０．４％の化合物超電導線材については１２５ｍｍ以上の曲率半径ρが必要であるが、本発明の化合物超電導ケーブルでは、化合物超電導線材の許容曲げ歪みεが１．５％であるため、３３ｍｍ以上の曲率半径ρであればよい。
ε＝ｔ／（２ρ） （１）
ここで、ｔは素線径である。

また、素線径がφ１ｍｍの化合物超電導線材をφ１ｍｍの芯線に６本、所定のピッチで巻きつける場合、以下に示す式（２）に基づいて、許容曲げ歪みεが０．４％の化合物超電導線材については６４ｍｍ以上のピッチｈが必要であるが、本発明の化合物超電導ケーブルでは、化合物超電導線材の許容曲げ歪みεが１．５％であるため、３０ｍｍ以上のピッチｈであればよい。
ρ＝［ａ^２＋（ｈ／２π）^２］／ａ （２）
ここで、ａは芯線の中心から化合物超電導線材の中心までの距離である。撚線コイルの観点からは、素線間のピッチの短い撚線コイルでは素線間緩みが生じ難く、製品の品質の向上が図れる。

本発明の化合物超電導線材および化合物超電導ケーブルを、図面を参照しながら、実施例によって更に詳細に説明する。図８に断面構造を表した本発明のＣｕＮｂ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材を素線として使用して化合物超電導ケーブルを作製した。すなわち、線材の横断面における中心部に、Ｎｂ_３Ｓｎからなる化合物超電導体の原料を配置し、強化材の周りにＣｕＮｂからなる強化材となる複合体を配設して線材を構成し、この線材に化合物生成熱処理を施して複合体に化合物生成反応を起こさせてＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導体を形成し、化合物生成熱処理後に超電導線材に正反両方向から０．３％または０．８％の曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を５回施して、ＣｕＮｂ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材を製造した。

図８は、このように製造した本発明の化合物超電導ケーブルの１つの態様の部分斜視図である。図８に示すように、この化合物超電導ケーブル１００は、直径φ１ｍｍのＣｕＮｂ強化型Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材を素線２０として使用し、この素線２０を３６本撚り合わせて形成したものである。この素線２０の諸元は、以下の通りであり、この素線２０を長さ１２Ｋｍ用意した。すなわち、素線２０の外径はφ１．０ｍｍ、素線２０の断面積を占めるＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導体とそれ以外のＣｕＮｂおよびＣｕ等とが占める面積の比は１対２、ツイストピッチは８ｍｍ、４．２Ｋの温度で１２Ｔの磁界を印加したとき臨界電流値は、両振り曲げ加工を施していないものが１９８Ａであり、両振り曲げ加工を施したものが４４０Ａである。このように、上述の条件で測定した臨界電流値は、両振り曲げ加工を施したもの値が施していないもの値の２倍以上となった。

以下、具体的な例によって説明する。まず、素線に対して化合物生成熱処理、および、両振り曲げ加工を施して直径φ１ｍｍのＣｕＮｂ強化型Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材を製造した。ここで、上記の化合物生成熱処理を次のようにして行った。図３に示す、直径５００ｍｍで巻幅２００ｍｍのステンレス製の化合物生成熱処理用ボビン１１に巻き付けて、アルゴンガス雰囲気中で６７０℃の温度で９６時間の熱処理を施して化合物超電体を形成した。

次に、このように化合物生成熱処理を施した化合物超電導線材に、次のように両振り曲げ加工を施した。すなわち、図４に示すように、上述したように化合物生成熱処理を施した素線２０を、直径φ１００ｍｍのプーリ１３を１０個直列に並べたパスラインに通して、単一両振り加工を繰り返し行い、両振り曲げ加工を施した。すなわち、素線２０に対して、０．８％の曲げ歪み加える単一両振り加工を１０回繰り返した。このとき素線２０に、約５０Ｍｐａの張力を印加した。

次に、このように両振り曲げ加工を施した素線２０を３００ｍずつの長さで３６条に切り分けて、胴径８０ｍｍの撚線ボビン１４に巻き取った。両振り曲げ加工を施す前と、両振り曲げ加工を施した後に、液体ヘリウム中で磁界を印加して臨界電流を測定した。その結果は、図６に示すものと同様の臨界電流特性が得られた。この場合においても、繰り返し歪みを印加した素線２０の臨界電流は、印加していない素線よりも約２倍大きかった。

次に、この３６本の撚線ボビン１４を撚線機にセットして、ピッチ５０ｍｍで撚り合わせて図８に示すような化合物超電導ケーブル１００を５ｍ製作した。この化合物超電導ケーブル１００を直径３００ｍｍのボビンに巻き付けてコイルとし、素線２０の諸元に示した条件と同一の条件、すなわち、液体ヘリウム中で１２Ｔの磁界中で臨界電流を測定したところ、臨界電流は１２．２ＫＡであった。

従来は、臨界電流は、歪み依存性が大きく、熱処理したＮｂ_３Ｓｎ線を撚り線すると、臨界電流は半分以下に劣化すると考えられていたが、本発明によると、化合物生成熱処理したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に繰り返し歪みを印加することによって超電導線材の内部に存在する残留応力を無くすることができ、ケーブル化しても臨界電流が劣化するどころか、むしろ高くすることができ、優れた超電導特性が得られる。

図１は、本発明の化合物超電導線材および化合物超電導ケーブルの製造方法の１つの態様を説明するための工程図である。 図２は、本発明の化合物超電導線材の断面形状の一例を表す図である。 図３は、本発明の化合物超電導線材の他の断面形状の例を表す図である。 図４は、両振り曲げ加工工程において両振り曲げ加工を施す装置の構成の一例を表す図である。 図５は、図３に示す化合物超電導線材についての両振り曲げ歪特性の一例を表す図である。 図６は、本発明のＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材と従来のＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材についての、臨界電流の磁界依存特性の一例を表す図である。 図７は、本発明のＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材と従来のＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材についての、耐歪み特性の一例を表す図である。 図８は、本発明の化合物超電導ケーブルの斜視図である。 図９は、従来技術を用いて製造したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材について得られた臨界電流の曲げ歪み依存特性を表すグラフである。

符号の説明

１、２、３ 領域
１０ 化合物超電導線材
１１ 化合物生成熱処理用ボビン
１２ 回転部材
１３ プーリ
１４ 撚線ボビン
２０ ブロンズ法Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線材
１００ 化合物超電導ケーブル

Claims (11)

1. 所定の熱処理を施して得られる化合物超電導体が少なくとも断面内の一部を占める化合物超電導線材であって、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工が施されることによって前記化合物超電導線材の内部のひずみが緩和していることを特徴とする化合物超電導線材。
2. 前記両振り曲げ加工が、正反両方向から１回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を１回以上施す加工であり、前記単一両振り加工において、０．５％以上１．０％以下の範囲内で正反両方向から曲げ歪みを加えることを特徴とする請求項１に記載の化合物超電導線材。
3. 前記両振り曲げ加工が、前記単一両振り曲げ加工を５回〜２０回の回数施して曲げ歪みを加えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化合物超電導線材。
4. 前記化合物超電導体の外周に安定化材を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の化合物超電導線材。
5. 前記化合物超電導体がＮｂ_３ＳｎまたはＮｂ_３Ａｌからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の化合物超電導線材。
6. ＣｕＮｂ、ＣｕＡｌ_２Ｏ_３、ＣｕＮｂＴｉ、およびＴａのうちの何れか１種類の導電性材料からなる強化材を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の化合物超電導線材。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の前記化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に成形加工を施して形成されたことを特徴とする化合物超電導ケーブル。
8. 所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程と、
   前記線材形成工程において形成された線材に前記熱処理を施して前記化合物超電導原料を超電導体にし、前記線材を化合物超電導線材にする熱処理工程と、
   前記熱処理工程において得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程とを備えたことを特徴とする化合物超電導線材の製造方法。
9. 前記両振り曲げ加工工程において、前記化合物超電導線材に曲げ歪みを０．５％以上１．０％以下の範囲内で加えることを特徴とする請求項８に記載の化合物超電導線材の製造方法。
10. 前記両振り曲げ加工工程において、正反両方向から１回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を、前記化合物超電導線材に５回以上２０回以下の回数施こすことを特徴とする請求項８または９に記載の化合物超電導線材の製造方法。
11. 請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載の前記化合物超電導線材の製造方法を用いて製造された前記化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に成形加工を施してケーブルを形成するケーブル化工程を備えたことを特徴とする化合物超電導ケーブルの製造方法。

Images