JP3120986B2 - 超電導性ケーブルの製造方法 - Google Patents
超電導性ケーブルの製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は少くとも１本の超電導性セラミック材料のス
トリングより成るコアを備え、そのコアは金属製のカプ
セルに収容されている超電導性導体あるいはケーブルに
関する。さらに本発明はこの様な導体あるいはケーブル
の製造方法に関する。
トリングより成るコアを備え、そのコアは金属製のカプ
セルに収容されている超電導性導体あるいはケーブルに
関する。さらに本発明はこの様な導体あるいはケーブル
の製造方法に関する。
この型のセラミック化合物はしばしばＹ−Ba−Cu−Ｏ
なる式で記され、同化合物中の金属は酸化物として存在
しており、在来の超電導性材料において知られている温
度より実質的な高温において、超電導特性を持ってい
る。超電導特性の限界温度が比較的高い為に、この型の
化合物は広く一般的な工業的環境において一層興味が持
たれるに至った。これらのセラミック化合物は、銅と酸
素のみがその必須成分でとして存在し、イットリウム及
びバリウムに加えてあるいはそのかわりに、例えばスカ
ンジウム、種々のランタニッド及びカルシウムあるいは
ストロンチウムも用いている一群の材料を形成してい
る。その他の材料、例えばビスマス及び／又はタリウム
より成る超電導性導体も又知られており、これ等の材料
は上記の金属を完全あるいは部分的に置換できる。さら
に、超電導特性は場合によっては酸素の一部分をフッ素
で置換することによって改良できることが知られてい
る。
なる式で記され、同化合物中の金属は酸化物として存在
しており、在来の超電導性材料において知られている温
度より実質的な高温において、超電導特性を持ってい
る。超電導特性の限界温度が比較的高い為に、この型の
化合物は広く一般的な工業的環境において一層興味が持
たれるに至った。これらのセラミック化合物は、銅と酸
素のみがその必須成分でとして存在し、イットリウム及
びバリウムに加えてあるいはそのかわりに、例えばスカ
ンジウム、種々のランタニッド及びカルシウムあるいは
ストロンチウムも用いている一群の材料を形成してい
る。その他の材料、例えばビスマス及び／又はタリウム
より成る超電導性導体も又知られており、これ等の材料
は上記の金属を完全あるいは部分的に置換できる。さら
に、超電導特性は場合によっては酸素の一部分をフッ素
で置換することによって改良できることが知られてい
る。
これ等の導体におけるケーブルの工業的利用に十分な
長さ及び十分な均一構造のものの製造が困難で高価につ
くため、その超電導性材料の利用は制限されている。こ
の点に関する本質的問題は、製造過程において例えば酸
化物、炭酸塩あるいはシュウ酸塩間の固体反応が起らな
ければならないこと、反応が一連の制御温度下で行なわ
なけらばならないこと、及び周囲の雰囲気の組成が相当
に重要なことである。とくに酸素の分圧の高いことが必
要になることがある。さらにこの様にしてつくられた反
応生成物が不安定で、例えば酸素を分離すると言う大き
なな危険がある。従って超電導性コアを、その後の操作
においても、制御された雰囲気でかこむことが必要であ
ると考えられる。
長さ及び十分な均一構造のものの製造が困難で高価につ
くため、その超電導性材料の利用は制限されている。こ
の点に関する本質的問題は、製造過程において例えば酸
化物、炭酸塩あるいはシュウ酸塩間の固体反応が起らな
ければならないこと、反応が一連の制御温度下で行なわ
なけらばならないこと、及び周囲の雰囲気の組成が相当
に重要なことである。とくに酸素の分圧の高いことが必
要になることがある。さらにこの様にしてつくられた反
応生成物が不安定で、例えば酸素を分離すると言う大き
なな危険がある。従って超電導性コアを、その後の操作
においても、制御された雰囲気でかこむことが必要であ
ると考えられる。
本発明の目的は、製造過程及びその後の適用において
超電導性コアの周囲を制御された雰囲気に保持すること
が可能なカプセル内収納を伴った導体あるいはケーブル
を提供するにある。
超電導性コアの周囲を制御された雰囲気に保持すること
が可能なカプセル内収納を伴った導体あるいはケーブル
を提供するにある。
この目的は上記の種類の導体あるいはケーブルによっ
て達成され、そのケーブルの特徴は特許請求の範囲第１
項における特徴部分に記載の通りである。
て達成され、そのケーブルの特徴は特許請求の範囲第１
項における特徴部分に記載の通りである。
セラミック超電導性コアが部分的に燒結したセラミッ
ク材料で囲まれているので、このような材料に存在する
気孔部分を通ってガスの流れ及び拡散が起り得る。周辺
材料の燒結温度が高いことにもとづいて、ケーブル製造
の種々の過程において該材料は多孔性のまま残存し、従
って周辺材料がガスの通過性を保持することが保証され
る。
ク材料で囲まれているので、このような材料に存在する
気孔部分を通ってガスの流れ及び拡散が起り得る。周辺
材料の燒結温度が高いことにもとづいて、ケーブル製造
の種々の過程において該材料は多孔性のまま残存し、従
って周辺材料がガスの通過性を保持することが保証され
る。
本発明においては周辺傍が高温で安定であることが望
ましく、発明の好ましい実施態様としては高温にも低温
にも安定な酸化物、特にMgO,Al2O3あるいはZrO2等の酸
化物セラミック製品の使用をあげることができる。
ましく、発明の好ましい実施態様としては高温にも低温
にも安定な酸化物、特にMgO,Al2O3あるいはZrO2等の酸
化物セラミック製品の使用をあげることができる。
超電導性コアの周囲を調整された雰囲気に保持し得る
ように、本発明においてはケーブルが保護あるいは再生
ガス、例えばO2を非焼結材料中に導入できる元素群より
成ることが望ましい。
ように、本発明においてはケーブルが保護あるいは再生
ガス、例えばO2を非焼結材料中に導入できる元素群より
成ることが望ましい。
本発明はさらに電気的超電導性導体あるいはケーブル
の製造方法に関し、この方法は特定の環境で超電導性に
なし得る１つあるいは２つ以上の材料を少くとも１つの
連続的なストリングとして金属性の管状閉鎖キャップに
入れ、これをその後スエージ加工、ハンマー加工あるい
は爆発による鍛造によって変形し、該キャップによって
その断面積の縮小中これに囲まれた材料を固くしめつけ
るにある。
の製造方法に関し、この方法は特定の環境で超電導性に
なし得る１つあるいは２つ以上の材料を少くとも１つの
連続的なストリングとして金属性の管状閉鎖キャップに
入れ、これをその後スエージ加工、ハンマー加工あるい
は爆発による鍛造によって変形し、該キャップによって
その断面積の縮小中これに囲まれた材料を固くしめつけ
るにある。
1986年６月24日付の日本特許公報第61−13663号によ
って、外装スレッドを備えた超電導性スレッドの束を、
該スレッドの束に周囲に巻きつけるべき金属バンドとと
もに円筒形に成型するために連続的に移送するに当っ
て、空調を除去する方法が公知である。管をつくるため
の金属バンドのシーム溶接に続いて、管の断面をスエー
ジ加工によって少くとも80％減少させ、最後にこれを断
面円形に巻きとる。超電導性スレッドは適当な化合物の
熱処理によって製造される。金属バンドはCu又はAlによ
ってつくられ、補強スレッドは不銹鋼、MoあるいはＷよ
り成る。
って、外装スレッドを備えた超電導性スレッドの束を、
該スレッドの束に周囲に巻きつけるべき金属バンドとと
もに円筒形に成型するために連続的に移送するに当っ
て、空調を除去する方法が公知である。管をつくるため
の金属バンドのシーム溶接に続いて、管の断面をスエー
ジ加工によって少くとも80％減少させ、最後にこれを断
面円形に巻きとる。超電導性スレッドは適当な化合物の
熱処理によって製造される。金属バンドはCu又はAlによ
ってつくられ、補強スレッドは不銹鋼、MoあるいはＷよ
り成る。
本発明の方法の特徴は特許請求の範囲第５項の特徴部
分における主題の通りである。
分における主題の通りである。
外周材料の燒結温度が超電導性固体物質の反応温度よ
り高いという事実に基いて、超電導性コアの周囲に透過
性の層が存在し、この層を通してコアを囲んで保護雰囲
気が導入できることが確実である。
り高いという事実に基いて、超電導性コアの周囲に透過
性の層が存在し、この層を通してコアを囲んで保護雰囲
気が導入できることが確実である。
本発明方法の特に有利な実施態様の特徴は特許請求の
範囲第６項における主題の通りである。
範囲第６項における主題の通りである。
驚くべきことに、一般には高圧下で且つ周辺空気の組
成を制御のもとにおける長期間の加熱を必要とする固体
物質の反応が、鍛造が管の直径の減少と同時に粒子の圧
縮をともなうような強さで行なわれるキャップの鍛造に
よって達成できることがことが明らかにされた。鍛造は
実際にはスエージ加工、即ち圧延機によって行うことが
特に望ましく、希望する反応が速やかに進行し、管が毎
分数メーターの速さで機械を通っても希望する特性が得
られるように超電導体の燒結が行なわれることが明らか
となった。
成を制御のもとにおける長期間の加熱を必要とする固体
物質の反応が、鍛造が管の直径の減少と同時に粒子の圧
縮をともなうような強さで行なわれるキャップの鍛造に
よって達成できることがことが明らかにされた。鍛造は
実際にはスエージ加工、即ち圧延機によって行うことが
特に望ましく、希望する反応が速やかに進行し、管が毎
分数メーターの速さで機械を通っても希望する特性が得
られるように超電導体の燒結が行なわれることが明らか
となった。
本発明においては、管は硬くて延性で、従って鍛造に
比較的抵抗の高い金属、例えば耐腐食性鋼で造ることが
望ましい。特に管材は超電導性材料から発生することの
ある酸素を吸収する性質の全く無いことが重要である。
比較的抵抗の高い金属、例えば耐腐食性鋼で造ることが
望ましい。特に管材は超電導性材料から発生することの
ある酸素を吸収する性質の全く無いことが重要である。
この様にして、従来問題の多かった燒結過程が速やか
で効果的に行うことができ、従来存在した燒結ストリン
グの長さの制限が除去されるに至った。
で効果的に行うことができ、従来存在した燒結ストリン
グの長さの制限が除去されるに至った。
これに関連して、米国特許No.4717627によって微粒子
の超電導性導体あるいは磁性体を次の処方によって製造
することが知られている事に触れるべきである。固体材
料から成る第１層の上に粉末の第２層及び固体材料の第
３層を置き、この集合体を丈夫な容器に入れる。次いで
上記の第１、第２及び第３層を通じて超音波を送ると、
第２層は50kBarより高い衝撃波の圧力によってその材料
の融点以上に加熱される。熔融し圧縮されたこの層は他
の２つの層への熱の移動によって急速に冷却される。
の超電導性導体あるいは磁性体を次の処方によって製造
することが知られている事に触れるべきである。固体材
料から成る第１層の上に粉末の第２層及び固体材料の第
３層を置き、この集合体を丈夫な容器に入れる。次いで
上記の第１、第２及び第３層を通じて超音波を送ると、
第２層は50kBarより高い衝撃波の圧力によってその材料
の融点以上に加熱される。熔融し圧縮されたこの層は他
の２つの層への熱の移動によって急速に冷却される。
本発明を１つの実施例により、又本発明の超電導性ケ
ーブルの断面図を参照して、詳細に説明する。
ーブルの断面図を参照して、詳細に説明する。
図面に示したように、本発明の超電導性導体あるいは
ケーブルは外部金属キャップ１とその内部に設けられた
超電導性セラミック材料より成るコア２によって構成さ
れる。コア２とキャップ１の間の空間には拡散性セラミ
ック材料３が入れられ、このものは超電導性コア２より
燒結温度が高い。該拡散性材料は、超電導性材料の燒結
前、途中及び／又は以後において、コア周辺の雰囲気を
最適にし、これによってコアを保護あるいは再生するこ
とを可能ならしめる。多くの場合問題は酸素含量を調整
するにあり、超電導性コアはしばしばＹ−Ba−Cu−Ｏで
表される種類のセラミック材料であることが望ましい
が、これには又液体窒素の沸点あるいはこれより少し高
い温度において超電導性になる多くの超電導性セラミッ
ク材料も又用い得る。これ等の材料は上記のY,Ba,Cu及
びＯ以外の元素を含むことができる。
ケーブルは外部金属キャップ１とその内部に設けられた
超電導性セラミック材料より成るコア２によって構成さ
れる。コア２とキャップ１の間の空間には拡散性セラミ
ック材料３が入れられ、このものは超電導性コア２より
燒結温度が高い。該拡散性材料は、超電導性材料の燒結
前、途中及び／又は以後において、コア周辺の雰囲気を
最適にし、これによってコアを保護あるいは再生するこ
とを可能ならしめる。多くの場合問題は酸素含量を調整
するにあり、超電導性コアはしばしばＹ−Ba−Cu−Ｏで
表される種類のセラミック材料であることが望ましい
が、これには又液体窒素の沸点あるいはこれより少し高
い温度において超電導性になる多くの超電導性セラミッ
ク材料も又用い得る。これ等の材料は上記のY,Ba,Cu及
びＯ以外の元素を含むことができる。
ケーブルは例えば溶接スタブ（weld stub）の形の材
料３の内部を所定の雰囲気に保持する手段を用いてつく
ることができる。材料３は超電導性コア２より燒結温度
が高いセラミック粉末である。望ましくは例えばMgO,Al
2O3あるいはZrO2等の耐熱性セラミック酸化物が用いら
れる。
料３の内部を所定の雰囲気に保持する手段を用いてつく
ることができる。材料３は超電導性コア２より燒結温度
が高いセラミック粉末である。望ましくは例えばMgO,Al
2O3あるいはZrO2等の耐熱性セラミック酸化物が用いら
れる。
ケーブルの製造に当っては、キャップがコア及び粉末
状層を緊密に囲むように注意しなければならない。これ
は本発明の方法に従うことによって達成できる。本発明
における特定な見地からすると、超電導性粉末を超電導
性燒結ストリングに変換するに必要な固体物質の反応が
達成できる。
状層を緊密に囲むように注意しなければならない。これ
は本発明の方法に従うことによって達成できる。本発明
における特定な見地からすると、超電導性粉末を超電導
性燒結ストリングに変換するに必要な固体物質の反応が
達成できる。
さらにケーブルのコアはコアの機械的強化、その冷却
あるいはこれを多数の平行な導体に分割するための元素
を含み得る。
あるいはこれを多数の平行な導体に分割するための元素
を含み得る。
本発明における一定の長さの超電導性ケーブルは次の
方法で製造される。温度抵抗及び腐食抵抗があり、Ni含
量が大で、外径14mm、内径11mmのインコネル管は、金属
壁に隣接する絶縁性のあるセラミック粉末Al2O3の中間
層と、超電導性コアを形成する粉末のコアとにより以下
の方法で充填される。即ちインコネル管の内側に例えば
ガラス製で外径と内径がそれぞれ8mmと6mmの管を置き、
この管の内側に外径と内径がそれぞれ4mmと3mmの管を置
く。内管の内側に厚さ2mmの金属棒を置く。漏斗を用い
て２種類の粉末を加える。第１の漏斗によってインコネ
ル管とガラス管の間のすき間にAl2O3を添加し、第２の
漏斗ではYBa2Cu3OXなる、組成で粉末の粒径が０〜60μ
ｍである粉末を内管と金属棒との間の空間に加える。こ
の粉末は内管と金属棒との間の空間に超電導性ストリン
グをつくるものである。最初に、内管の外側であって、
インコネル管と内管との間に形成される環状空間にAl2O
3粉末を高さ約5cmまで満たし、インコネル管と内管との
間に置かれたガラス管を使ってこのAl2O3粉末をスタン
プする。次いで内管を１〜2cm引き上げ、内管内側に超
電導性粉末を加え、これを金属棒でスタンプする。続い
て内管を再び引き上げ、補充後高さが４〜4.5cmになる
まで、超電導性粉末を内管内側に加え金属棒でスタンプ
することを繰り返す。再び、Al2O3粉末を前記管状空間
に充填し、これをスタンプすること等によって管を粉末
で満たす。次いで溶接によって管を閉じ、所定の直径に
なるまで鍛造する。この場合管はスエージ機によって加
工され、直径は14mmから9mmに縮小される。同時にこれ
に対応してセラミック粉末が加圧される。又スエージ機
による直径の縮小は１〜2m/分の速度で行なわれる。
方法で製造される。温度抵抗及び腐食抵抗があり、Ni含
量が大で、外径14mm、内径11mmのインコネル管は、金属
壁に隣接する絶縁性のあるセラミック粉末Al2O3の中間
層と、超電導性コアを形成する粉末のコアとにより以下
の方法で充填される。即ちインコネル管の内側に例えば
ガラス製で外径と内径がそれぞれ8mmと6mmの管を置き、
この管の内側に外径と内径がそれぞれ4mmと3mmの管を置
く。内管の内側に厚さ2mmの金属棒を置く。漏斗を用い
て２種類の粉末を加える。第１の漏斗によってインコネ
ル管とガラス管の間のすき間にAl2O3を添加し、第２の
漏斗ではYBa2Cu3OXなる、組成で粉末の粒径が０〜60μ
ｍである粉末を内管と金属棒との間の空間に加える。こ
の粉末は内管と金属棒との間の空間に超電導性ストリン
グをつくるものである。最初に、内管の外側であって、
インコネル管と内管との間に形成される環状空間にAl2O
3粉末を高さ約5cmまで満たし、インコネル管と内管との
間に置かれたガラス管を使ってこのAl2O3粉末をスタン
プする。次いで内管を１〜2cm引き上げ、内管内側に超
電導性粉末を加え、これを金属棒でスタンプする。続い
て内管を再び引き上げ、補充後高さが４〜4.5cmになる
まで、超電導性粉末を内管内側に加え金属棒でスタンプ
することを繰り返す。再び、Al2O3粉末を前記管状空間
に充填し、これをスタンプすること等によって管を粉末
で満たす。次いで溶接によって管を閉じ、所定の直径に
なるまで鍛造する。この場合管はスエージ機によって加
工され、直径は14mmから9mmに縮小される。同時にこれ
に対応してセラミック粉末が加圧される。又スエージ機
による直径の縮小は１〜2m/分の速度で行なわれる。
この様にして製造された超電導性ケーブルを試験し
た。YBa2Cu3OXなる式の超電導性ストリングについて得
られた結果は次の通りである。
た。YBa2Cu3OXなる式の超電導性ストリングについて得
られた結果は次の通りである。
クリスタリットの大きさ（Ｘ線回折によって測定） ：約1300Å 気孔率（水銀気孔率測定法による）：約1.5vol％ スケルトン密度（水銀気孔率測定法による） ：約5.55g/ml 77゜Kにおけるマイスナー効果：正 ケーブルを930℃で２時間内での熱処理後超電導性ス
トリングの収縮をしらべて、そのストリングが周囲の材
料中にしっかりと埋め込まれていることを知った。熱処
理前にはAl2O3層は規則正しく燒結してはいないが、引
きしまった粉末であることを知った。
トリングの収縮をしらべて、そのストリングが周囲の材
料中にしっかりと埋め込まれていることを知った。熱処
理前にはAl2O3層は規則正しく燒結してはいないが、引
きしまった粉末であることを知った。
超電導性ストリングの製造に用いられる粉末はＹ−Ba
−Cu−Ｏ型の超電導性導体をつくるのに正規な組成であ
った。しかし同じ方法は他の組成の超電導性セラミック
導体にも適用できる。さらに900℃以下の温度に加熱す
ることによる鍛造過程における超電導性導体の燒結を支
持することが可能であり、この温度は加熱のみで燒結を
達成するために普通の温度である。この様な900℃以下
の温度では、周辺のセラミック絶縁体はその透過性を保
持し、この際鍛造中コア周囲の雰囲気を調整することも
可能であろう。
−Cu−Ｏ型の超電導性導体をつくるのに正規な組成であ
った。しかし同じ方法は他の組成の超電導性セラミック
導体にも適用できる。さらに900℃以下の温度に加熱す
ることによる鍛造過程における超電導性導体の燒結を支
持することが可能であり、この温度は加熱のみで燒結を
達成するために普通の温度である。この様な900℃以下
の温度では、周辺のセラミック絶縁体はその透過性を保
持し、この際鍛造中コア周囲の雰囲気を調整することも
可能であろう。
この実施例において用いられたスエージ加工の他に、
鍛造はハンマー加工あるいは爆発変形によっても行ない
得る。さらに鍛造は管が普通に用いられる円形以外の形
になるようにも行ない得る。のみならず、コアに強化あ
るいは冷却用元素及びコアを多数の平行なストリングに
分割させる元素を埋め込むことも可能である。
鍛造はハンマー加工あるいは爆発変形によっても行ない
得る。さらに鍛造は管が普通に用いられる円形以外の形
になるようにも行ない得る。のみならず、コアに強化あ
るいは冷却用元素及びコアを多数の平行なストリングに
分割させる元素を埋め込むことも可能である。
長さの一層長い超電導性ケーブルの製造は連続充填管
状パッキングの製造から知られる技術の変形を適用する
ことによって行い得る。種々の粉末ストリングをキャッ
プを作る管の中に入れて適当にスタンプする時は、特に
スエージ加工によってコアの燒結が行なわれ、これは特
に非常に長い材料の処理をも可能ならしめる。
状パッキングの製造から知られる技術の変形を適用する
ことによって行い得る。種々の粉末ストリングをキャッ
プを作る管の中に入れて適当にスタンプする時は、特に
スエージ加工によってコアの燒結が行なわれ、これは特
に非常に長い材料の処理をも可能ならしめる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01B 12/00 - 13/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (8)
- 【請求項１】コアからなる超電導性ケーブルに関し、該
コアは超電導性セラミック材料の少なくとも１本のスト
リングからなり、該超電導性ケーブル内に該コアを金属
性キャップによってカプセル内収納する超電導性ケーブ
ルの製造方法において、 該超電導性のコアを形成する該超電導性セラミック材料
組成物と該金属キャップとの間に上記超電導性セラミッ
ク材料とは異なるセラミック材料からなるセラミック粉
末材料を入れ、該キャップにスエージング、ハンマリン
グ或は爆発変形により鍛造工程を施し、 該キャップの断面を縮小し、該キャップ内に上記セラミ
ック粉末材料を緊密に取り囲む製造方法であって、 上記超電導性セラミック材料は加熱下における固体物質
反応によってその超電導性性質に達成し得る種類のもの
であり、且つ上記セラミック粉末材料の燒結温度は上記
コアを形成する上記超電導性セラミック組成物の燒結温
度より高く、更に上記コアを形成する超電導性セラミッ
ク組成物は粉末状態で該キャップに導入され、鍛造工程
による上記コアの形成は該キャップの断面が縮小され、
その形成中に該コアがプレスされ燒結されるような強度
で行われることを特徴とする超電導性ケーブルの製造方
法。 - 【請求項２】鍛造工程の効果を増大する為に、キャップ
は硬質で延性のある金属から作られることを特徴とする
請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項３】鍛造前、鍛造中及び／又は鍛造後、保護あ
るいは再生雰囲気がコア周囲の粉末状セラミック材料中
に導入されることを特徴とする請求の範囲第２項に記載
の方法。 - 【請求項４】上記雰囲気が酸素であることを特徴とする
請求の範囲第３項に記載の方法。 - 【請求項５】キャップは、コアを形成する組成物の燒結
が行われる温度より低い温度に加熱されることを特徴と
する請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項６】鍛造前、鍛造中及び／又は鍛造後、保護あ
るいは再生雰囲気がコア周囲の粉末状セラミック材料中
に導入されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載
の方法。 - 【請求項７】上記雰囲気が酸素であることを特徴とする
請求の範囲第６項に記載の方法。 - 【請求項８】鍛造工程の効果を増大するために、キャッ
プが耐腐食性鋼から作られることを特徴とする請求の範
囲第１項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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