JP3646059B2 - アルミ安定化超電導導体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流損失を低減させ電気的安定性に優れた超電導線、特に銅もしくは銅合金のマトリクス中に超電導フィラメントが埋設された超電導線に安定化材料を被覆したアルミ安定化超電導線材の複数本以上を集合化して構成するアルミ安定化超電導導体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、交流損失が少なく良好な電気的特性を目指した超電導導体の製造方法は、種々提案されている。
例えば、超電導素線の製造は、銅製の管の中にNb―Ti合金バーを挿入して複合ビレットとし、静水圧押出しでCu/Nb―Ti複合バーを製造し、次いで伸線加工によって縮径する。さらに、縮径して得られたCu/Nb―Tiバーを複数本束ねて、再度銅製もしくは銅合金の管の中に充填して前述の工程と同様にして、超電導線材を押出し伸線を行なって超電導素線を作製する。超電導素線の製造後は、交流損失低減のためにCrメッキを施こして(文献1.Ando et al.,AC Loss Results of the Nb3Sn Demo poloidal Coil(DPC−EX),IEEE Trans.On Mag.VOL28 No.1,1992)超電導素線とするか、あるいは素線表面にCu−Ni基合金を被覆して(文献2.SMES プロジェクト成果発表会資料)超電導素線とする。
【0003】
次に、超電導素線を撚線する場合は、複数ステージの撚り線が行われるが、撚線中の素線構成は全て超電導線とするか、もしくは1次撚りにおいて銅線1本と2本の超電導線を撚線し、最終撚線まで行う。
最終のジャケット加工は、丸状の撚線をロールフォーミングしながら撚線をフォーミング材に挿入した後にTIG溶接にて造管後に4方向ロールで矩形に成形する。このとき、撚線も同様に矩形に変形する。
また、パルス運転に用いられるような超電導線の場合、安定化材には銅を用い、表面処理としてCrメッキあるいはCu−Ni基合金が被覆される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の安定化超電導線によると、通電電流の大電流化に伴い、安定性を確保するために導体中の安定化銅の絶対量が増えて導体寸法が大型化する傾向がある。しかし、このことは超電導コイルの大型化を招き、結果的にコストが増大し、工業的なメリットが小さくなるという問題を残している。
【0005】
また、従来の超電導導体の構成によると、均一に撚線した集合体を矩形に成形することによって撚線内に乱れを生じさせている。このような場合、偏流に起因した長時定数現象が生ずる(前掲文献2、P−50)ために安定性が著しく低下するという課題があった。
【0006】
それ故、本発明の目的は、導体の軽量化が図れると共にパルス運転時の励磁速度が速い場合であっても、長時定数を生じさせることがなく、高安定性を有し、かつ低交流損失特性が得られるアルミ安定化超電導線材の複数本以上を集合化して構成するアルミ安定化超電導導体を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を実現するため、複数本のアルミ安定化超電導線材を撚り合せて形成された1次撚線が、アルミニウム線を撚り合せて形成されたアルミニウム撚線の周りに複数本撚り合せられ全体として断面円形状の2次撚線を構成し、前記2次撚線が断面矩形状のSUSコンジット内に収容されたアルミ安定化超電導導体であって、前記複数本のアルミ安定化超電導線材は、それぞれ、銅もしくは銅合金マトリクスの周りに形成された超電導フィラメント群と、前記超電導フィラメント群の周りに設けられたアルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆の表面に生成された酸化皮膜とを有していることを特徴とするアルミ安定化超電導導体を提供するものである。
【0008】
前記2次撚線と前記SUSコンジットの間には、円形に成形されたSUSテープを介在することができる。
【0009】
また、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆の表面に生成された酸化皮膜は、厚さを0.01〜1μmとすることが好ましい。
【0010】
前記超電導フィラメント群は、Nb−Ti、Nb 3 Sn系、(NbTi) 3 Sn系、Nb 3 Al系の何れか1つの超電導材で構成することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施の形態による超電導導体の構成を示し、(イ)はシングル線、(ロ)はそのシングル線を利用したマルチ線、(ハ)は超電導導体である。
図1(イ)のシングル線は、Nb−Ti合金2の周りに無酸素銅3とCu−Ni合金1を有する。
図1(ロ)のマルチ線は、銅15の周囲に、Cu−Ni合金1、超電導フィラメント群5((イ)のシングル線を6角形にしたもの)、無酸素銅30、Cu−Ni合金1を順次有し、さらにCu−Ni合金1の周りに、アルミニウム被覆4を有する。
【0012】
図1(ハ)の超電導導体は、中央にSUS線7が準備され、その周りに6条の超電導線6(マルチ線)が配置されて7子撚り群を成している。この7子撚り群の6条は、別に準備された線径0.6lmmのアルミニウム線8の7本を1つの単位とする7組のアルミニウム撚線(アルミニウム撚線の総数49本=7本×7組)1条を中心として、その周囲に配置され撚り合わせられている。1条のアルミニウム撚線と7子撚り群の6条の外周には、厚さ25μmのSUS304テープ9がラップ巻してある。
SUS304テープ9の上には、SUS316L(長尺)板材のロールフォーミングによるSUSコンジット10を有し、板材突き合わせ部(図示省略)はTIG溶接して21.2mm×21.2mmの正方形に形成されている。このときの板厚およびボイド率は、それぞれ約2.3mmおよび約52%である。
【0013】
図1に示した実施の形態による超電導線においては、無酸素銅製の管30に約3600本のCu/CuNiマトリクスNbTi超電導材の6角形のシングル線が充填され、静水圧押出機により押出した後に、時効熱処理と伸線加工によって直径1.2mmの超電導素線に製作されている。超電導素線の周りにはコンフォーム押し出しによって直径1.84mmのアルミニウム被覆4(厚さ0.32mm)が設けられており、アルミニウム被覆後の表面には、クロム酸アルマイト処理によって0.01〜1μmの酸化皮膜(図示省略)が生成されている。また、比較のために2,5μmの酸化皮膜が生成されている素線とクロム酸アルマイト処理無しの素線も試験材(後述の表1、表2参照)として製作した。
【0014】
図1に示した実施の形態の超電導線によると、超電導線にアルミニウムを被覆し、さらにアルミニウム表面に酸化皮膜を生成させているため、性能面において素線間接触抵抗の増大(即ち、撚線の等価抵抗率の増大)により大幅に交流損失の低減させることができると共に、高安定性を有する導体とすることができる。また、矩形のコンジット内に撚線を丸状のまま、金属管内に嵌合することで、撚線の乱れを解消し高安定性を有する導体にすることができる。その結果、導体の軽量化が図れると共にパルス運転時の励磁速度が速い場合(例えばdB/dt=5T/s)であっても、長時定数を生じさせることがなく、高安定性を有し、かつ低交流損失特性が得られるアルミ安定化超電導線材および超電導導体が実現される。
【0015】
図1に示した実施の形態の超電導線によると、極低温化において銅と比較して比抵抗の小さいアルミニウムを安定化材として用いることにより、安定化材の絶対量を低減すると同時に、銅(比重=8.94)と比較して比重も小さくなるため(Alの比重=2.7)に、超電導導体の軽量化を図ることができる。しかも超電導線にアルミニウムを被覆し、さらにアルミニウム表面に酸化皮膜を生成させることにより安定性マージンの向上を図っている。
【0016】
図2は、本発明の実施の形態による超電導導体の製造工程を示している。
最初、超電導素線の製造は、Cu−Ni合金パイプ、無酸素銅パイプにNbTiインゴットを挿入した状態で静水圧押出しにより複合バーを製造し、伸線加工する。この結果6角形のシングル線が得られる。縮径されたNbTi超電導導体は銅バー15、Cu-Ni合金1の外周に複数本束ねて無酸素銅およびCu-Ni合金の管30、1に充填され、再度静水圧押出しと伸線加工による縮径の工程を経て、図1(ロ)のCu/CuNiマトリクスNbTi超電導材(マルチ線)を得る。即ち、無酸素銅製の管30に約3600本のCu/CuNiマトリクスNbTi超電導材を充填して、静水圧押出機により押出した後に、4回の時効熱処理と伸線加工によって直径1.2mmの素線に製作した。
次に製造した素線をコンフォーム押し出しによって直径1.84mmのアルミニウム被覆超電導線を製造し、アルミニウム被覆後の表面には、クロム酸アルマイト処理によって0.01〜1μmの皮膜を生成させた。また、比較のために2,5μmの皮膜を生成させた素線とクロム酸アルマイト処理無しの素線も試験材として製作した。
【0017】
図2において、超電導素線の撚線工程は、1次撚り工程において中央にSUS線、その外周に超電導線を配置させた7子撚り13とした。2次撚り工程においては、同様に7子撚り14とした。その構成は外周部に1次撚り6本と中心に線径0.6lmmのアルミ線を配置して49本撚り(=7×7)にした。2次撚りにおいて、外周には厚さ25μmのSUS304テープをラップして撚線を製造した。
【0018】
図2の最後の工程は、SUS316L(長尺)板材をロールフォーミングにより円形に成形し、その過程にて撚線を挿入し、その後TIG溶接によって板材突き合わせ部(図示省略)を溶接した。このときの板厚およびボイド率は、それぞれ約2.3mmおよび約52%である。
【0019】
図3は、超電導線安定性マージンの測定原理を示す回路例である。
この回路は、直流電源によってコンデンサC1が充電されゲートG1〜G4のオン、オフによって交流とされる。回路図の下にその交流波形が示されている。導体に巻き付けられた誘導ヒータLoを介して交流電流が流され、その際に発生する交流磁界によって、超電導導体サンプルに外部エネルギーが投入される。Coは誘導ヒータと導体との間に発生する静電容量である。測定の条件は、温度4.2K、外部磁界6Tにおいて通電電流10kAとした。超電導導体サンプルが、クエンチしない限界の投入エネルギーを安定性マージンと呼び、通常、単位撚線体積当たりのエネルギー量(mJ/cc−cable)で表わされる。
【0020】
超電導コイルLo内にサンプルを収納し、超電導コイルLoに電流を流して電流を振幅させ、サンプル内に誘導電流を流す。この誘導電流を流す時間を「th」で表し、この誘導電流は超電導コイルLoに電流を流したときの外乱を意味したものである。
【0021】
表1は、クロム酸アルマイト処理による酸化皮膜厚と安定化材の等価抵抗率の関係を示している。
【0022】
【表1】
【0023】
表1の測定は、導体から任意の超電導線を抜き出して、4.2K、零磁界中で素線間の電気抵抗を測定し、その値から安定化材の等価抵抗率を算出した。
表1に示すように、クロム酸アルマイト処理によって生成させた皮膜厚さによって、安定化材の等価抵抗率が大きく依存することが分かる。処理皮膜無しの場合(試験例1)の安定化材の等価抵抗率は、アルミニウムの抵抗率(0.5×10−11 Ωm)とほぼ同じ1×10−10Ωmであることが分かる。
【0024】
一般に、交流損失は損失時定数τcに比例する。
τcは次式で表すことができる。
τc=μ0(L/2π)2/(4π・ρ)
ここで、L (m) :撚りピッチ
μ0(−) :真空の透磁率
ρ (Ωm):撚線の等価抵抗率
即ち、時定数は撚線の等価抵抗率に反比例するので安定化材の等価抵抗率がアルミニウムの抵抗率と同等に小さいならば、撚線としての等価抵抗率も小さくなり、結果的に交流損失(特に結合損失)が非常に大きな値となる。
【0025】
表1によると、さらに、クロム酸アルマイト処理皮膜の膜厚を0.01μm〜1μmの厚さに施こすと(試験例2〜試験例8)、安定化材の等価抵抗率が10−6〜10−5Ωmオーダーとなり、Cu10Niの抵抗率1.4×10−7Ωmより大きな値となり、交流損失低減に大きな効果を示すことが分かる。
但し、膜厚が1μmを超過すると安定化材の等価抵抗率が急激に増大して10−1 ,10 −3 Ωmオーダー(試験例9・試験例10)となり絶縁に近い状態となることが分かる。
【0026】
表2は、クロム酸アルマイト処理による酸化皮膜厚と安定性マージンの関係を示している。
【0027】
【表2】
【0028】
表2に示すように、酸化皮膜厚をパラメータとしたときの安定性マージンは、膜厚が1μm以下の場合(試験例2〜試験例8)、もしくはクロム酸アルマイト処理皮膜無しの場合(試験例1)は、安定性マージンがほぼ一定しているのに対して、膜厚が1μmを超過する(試験例9・試験例10)と安定性マージンが急激に低下していることが分かる。
これは、膜厚が1μm以下の場合(試験例2〜試験例8)の安定化材の等価抵抗率と比較して、膜厚が1μmを超過した場合(試験例9・試験例10)は素線間の電気抵抗が非常に大きく絶縁状態に近いため、局所的なクエンチのような僅かな偏流が生じた場合でも電流再配分による電流の均一化が行われなくなり安定性が低下したものと考えられる。
【0029】
本発明の実施の形態において、超電導材としてNb−Tiについて説明したが、他の超電導材であるNb3Sn系、(NbTi)3Sn系、Nb3Al系超電導材に代えても同様の効果が得られる。
【0030】
本発明の実施の形態において、超電導線の撚線を嵌合する金属管の材質としては、SUS304以外のSUS系材料、Ti、インコロイなど他の金属を用いても同様の効果が得られる。
【0031】
本発明の実施の形態において、超電導線材あるいは安定化線材に被覆されるアルミニウム被覆表面の酸化皮膜の厚さは0.01〜1μmが適切である。被覆するアルミニウムとしては、99.99%レベルの純度を有するアルミニウム、もしくは99.999%レベルの純度のアルミニウムが用いられる。アルミニウムはMg−Cuを含み、Al−Mg−Cu合金におけるアルミニウムはMgとCuの量が夫々10ppm以上を含むことが好ましい。また、アルミニウムは10〜100ppmのMg、和にして20〜100ppmのCuとMg又は和にして10〜120ppmのSiとCuを含むアルミニウム基合金が用いられる。
【0032】
本発明の実施の形態において、アルミニウム被覆表面の酸化皮膜の生成方法としては、クロム酸アルマイト処理以外に、硫酸アルマイト処理、化成皮膜処理、アジピン酸クロマイト処理などの他の方法を用いても同様の効果が得られる。
【0033】
本発明の実施の形態における超電導導体として、ケーブル・イン・コンジット導体の場合を示したが、この他にホロー型強制冷却導体、ラザフォード型成形撚線(キーストン型成形撚線も含む)、あるいはその他のコンジットを含まない集合撚線導体の場合においても同様の効果が得られる。
【0034】
【発明の効果】
本発明のアルミ安定化超電導導体によると、超電導線にアルミニウムを被覆し、そのアルミニウム被覆の表面に酸化皮膜を生成させて安定化材の等価抵抗率を増大させてアルミ安定化超電導線材を形成し、さらにその超電導線材の複数本以上を集合化して超電導導体を構成しているから、導体の軽量化が図れると共にパルス運転時の励磁速度が速い場合であっても、長時定数を生じさせることがなく、高安定性を有し、かつ低交流損失特性のアルミ安定化超電導導体が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態による超電導導体の断面を示す説明図であり、(イ)はシングル線、(ロ)はマルチ線、(ハ)は超電導導体である。
【図2】 本発明の実施の形態による超電導導体の製造工程を示す説明図である。
【図3】 本発明の実施の形態による安定性マージンを測定する回路例を示している。
【符号の説明】
1 Cu−Ni合金
2 Nb−Ti合金
3 無酸素銅
4 アルミニウム被覆
5 超電導フィラメント群
6 超電導線
7 SUS線
8 アルミニウム線
9 SUSテープ
10 SUSコンジット
12 超電導シングル線
13 1次撚り
14 2次撚り
15 銅
30 無酸素銅
Claims (3)
- 複数本のアルミ安定化超電導線材を撚り合せて形成された1次撚線が、アルミニウム線を撚り合せて形成されたアルミニウム撚線の周りに複数本撚り合せられ全体として断面円形状の2次撚線を構成し、前記2次撚線が断面矩形状のSUSコンジット内に収容されたアルミ安定化超電導導体であって、
前記複数本のアルミ安定化超電導線材は、それぞれ、銅もしくは銅合金マトリクスの周りに形成された超電導フィラメント群と、前記超電導フィラメント群の周りに設けられたアルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆の表面に生成された酸化皮膜とを有していることを特徴とするアルミ安定化超電導導体。 - 前記2次撚線と前記SUSコンジットの間には、円形に成形されたSUSテープが介在されていることを特徴とする請求項1に記載のアルミ安定化超電導導体。
- 前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金被覆の表面に生成された酸化皮膜は、厚さが0.01〜1μmであることを特徴とする請求項1に記載のアルミ安定化超電導導体。
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