JP3667028B2 - 交流用酸化物超電導線およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は交流用電力機器に用いる酸化物超電導線およびその製造方法に係り、特に交流電力を低損失で輸送することが可能な、銀シース法による交流用酸化物超電導線およびその製造方法の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
Bi系の酸化物超電導体は、80〜110Kの臨界温度(Tc)を有し、Tcが液体窒素温度(77.3K)を越えることから、エレクトロニクス、電力輸送、強磁界発生等の分野での実用化が期待されており、現在ではその臨界電流密度
(Jc)も実用レベルに達しつつある。
【0003】
酸化物超電導体の本格的な実用化のためには、線材化技術を確立することが不可欠であり、長尺でJcの高い線材を製造し得る有力な方法の一つとして銀シース法が知られている。
【0004】
シース材として銀を使用するのは、加工性に優れる上、熱処理中に内部の酸化物と反応せず、また銀が実質的に酸素透過機能を有することによる。
【0005】
この方法は、酸化物超電導体の構成元素を所定のモル比で配合した混合粉末や仮焼粉末を銀パイプ中に充填し、これを伸線加工等により線状に加工した後、この複数本を銀または銀基合金パイプ中に収容して更に伸線加工や圧延加工等の塑性加工を施して所定形状に成形し、次いで熱処理を施すことにより酸化物超電導体の複合多心線を製造するものである。
【0006】
上記の方法において、熱処理は複数回施され、この熱処理の間に圧延加工を施して酸化物超電導体の結晶粒のa−b面を線材の軸方向に強く配向(結晶のc軸が板面に垂直に配向)させることにより、Jcの向上を図ることが行われている。 また、電磁力よるストレスによってJcが不可逆的に低下することを防止するため、最外層に配置するパイプに、Ag−Cu、Ag−Mg−Ni、Ag−Mg−Zr、Ag−Cu−Ti、Ag−Cu−Hf等の銀基合金を用いて機械的強度を向上させることが検討されている。
【0007】
この方法により、現在液体窒素温度で104 A/cm2 オーダーの高いJcを有するテープ状線材が得られている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた銀シース法により製造された酸化物超電導線においては、最外層に上記の銀基合金パイプを使用する場合も含め、酸化物超電導フィラメント間に銀が配置されるため、マトリックスが銀で構成されることになる。
【0009】
このような線材に交流電流を通電すると、内部の酸化物超電導フィラメントに交流電流による外部変動磁場が印加されるが、銀自体の抵抗率は室温でも1.47μΩcm程度と非常に小さな値を示すため、各酸化物超電導フィラメントは電磁気学的には多心線であるにも拘らず、あたかも単心線にように振る舞う。
【0010】
即ち、全ての酸化物超電導フィラメントが電磁気的に結合することによって、交流電流による外部変動磁場の磁束線は、線材内部において結合した全ての酸化物超電導フィラメントの遮蔽電流の和により、線材の表面で最大となり線材の中心部で最低を示すような分布となる。
【0011】
このような磁束分布においては、線材に大きなヒステリシス損が発生するという難点があった。
【0012】
本発明は、以上の銀シース法による酸化物超電導線の難点を解決するためになされたもので、交流電流を通電した時のヒステリシス損を低減し、機械的強度に優れた交流用酸化物超電導線およびその製造方法を提供することをその目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願請求項1の交流用酸化物超電導線は、銀または銀基合金マトリックスの外側にAg−Y系の高強度銀基合金を配置するとともに、このマトリックスをAg−Au系またはAg−Pd系の高抵抗率銀基合金により複数の領域に分割したものである。
【0014】
以上の発明において、高抵抗率を有する銀基合金により分割されている複数の領域の内部には、銀または銀基合金マトリックス中に複数本の酸化物超電導フィラメントが配置される。銀または銀基合金マトリックス中に所定本数の酸化物超電導フィラメントを配置することにより、容易に多心構造の交流用酸化物超電導線を構成することができる。
【0015】
以上の発明におけるAg−Au系またはAg−Pd系の高抵抗率銀基合金のAuまたはP dは0.01〜20at%の範囲内で添加され、特に液体窒素温度における抵抗率を所定以上の値とするためには、0.3〜10at%の範囲が好適する。更に、Ag−Y系の高強度銀基合金は、YがMg、Ni、Cu、Mnから選択されたいずれか1種または2種以上の添加元素からなり、添加元素Yは0.01〜10at%の範囲内で添加され、特にその加工性を考慮して0.02〜2at%の範囲が好適である。
【0016】
上記構成の交流用酸化物超電導線は、本願請求項4の交流用酸化物超電導線の製造方法により容易に製造することができる。
【0017】
即ち、本願請求項4の発明は、
(イ)銀または銀基合金パイプ中に、熱処理により酸化物超電導体を構成する原料粉末を充填し、断面六角形状に成形して複合線(A)を製造する工程と、
(ロ)この複合線(A)の複数本を、Au または P d の添加量が0.01〜20at%のAg−Au系またはAg−Pd系の高抵抗率銀基合金パイプ中に収容した後、断面六角形状に成形して複合線(B)を製造する工程と、
(ハ)この複合線(B)の複数本を、添加元素 Y の添加量が0.01〜10at%のAg−Y系合金からなる高強度銀基合金(ここで、YはMg、Ni、Cu、Mnから選択されたいずれか1種以上の添加元素を示す。)パイプ中に収容した後、断面円形に成形して複合線(C)を製造する工程と、
(ニ)この複合線(C)に断面減少加工および圧延加工を施してテープ状線材を製造する工程と、
(ホ)このテープ状線材に、一次熱処理、圧延加工および二次熱処理を順次施す工程とにより交流用酸化物超電導線を製造するものである。
【0018】
以上の発明におけるAg−Au系またはAg−Pd系の高抵抗率銀基合金のAu または P d の添加量は、特に液体窒素温度における抵抗率を所定以上の値とするためには、0.3〜10at%の範囲が好適する。
【0019】
更に、Ag−Y系の高強度銀基合金の添加元素 Y の添加量は、特にその加工性を考慮して0.02〜2at%の範囲が好適である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0021】
まず、図1に示すように、共沈法により作成した粉末を仮焼成して得られた原料粉末(酸化物超電導前駆体粉末)を銀パイプ中に充填する。この原料粉末は、例えば、Bi系(2223)相(Bi:Sr:Ca:Cu=2:2:2:3のモル比を示す。以下同じ。)の場合、ほぼ(Bi+Pb):Sr:Ca:Cu=2:2:2:3のモル組成比を有し、所定の粒度に調整されたものである。
【0022】
この銀パイプ中に充填される原料粉末は、酸化物超電導体の生成反応のための熱処理終了後Bi系(2223)相の単相を形成する組成であれば、その材料物質の相や化学組成は限定されるものではない。
【0023】
次いで、伸線加工を施して断面六角形状の複合線(A)を製造する。
【0024】
この複合線(A)の複数本を、Ag−Au系またはAg−Pd系合金からなる高抵抗率銀基合金パイプ中に収容した後、同様に伸線加工を施して断面六角形状の複合線(B)を製造する。
【0025】
この複合線(B)の複数本を、Ag−Y系合金からなる高強度銀基合金パイプを用いて同様の方法により複合線(C)を製造する。
【0026】
次に、この複合線(C)に伸線加工および圧延加工を施してテープ状線材を製造した後、このテープ状線材に、一次熱処理、中間圧延加工および二次熱処理を順次施す工程とにより交流用酸化物超電導線を製造する。
【0027】
上記の一次熱処理過程において、予め低温領域でAg合金中のMgを酸化して安定な状態とし、MgOを銀合金中に微細に分散するような熱処理を施すとともに、Bi系(2212)相(Bi:Sr:Ca:Cu=2:2:1:2のモル比を示す。)を経てBi系(2223)相を生成する。一方、高抵抗率銀基合金中のAuまたはPdはAgに固溶しているので、銀と比較して抵抗率を大きくすることが可能となる。
【0028】
MgOの酸化処理は昇温過程で行い、大気中で500〜700℃で1〜10時間程度保持した後、酸化物超電導前駆体粉末の部分溶融温度以上で酸化物の分解温度以下の温度領域で焼成処理を行う。
【0029】
また、二次熱処理により酸化物超電導結晶の粒界の性質を改善する。
【0030】
一次および二次熱処理の条件は、810〜860℃で合計熱処理時間は90〜160時間で施すことが好ましい。
【0031】
【実施例1】
以下本発明の一実施例について説明する。
【0032】
銀パイプ中にBi:Pb:Sr:Ca:Cu=1.85:0.25:1.90:2.05:3.05のモル組成比で仮焼成された平均粒径3μm以下の酸化物超電導前駆体粉末を充填し、これに伸線加工を施して断面六角形状の複合線(A)を製造した。
【0033】
この複合線(A)の7本を、その側面を当接してAg−10at%Au合金からなる高抵抗率銀基合金パイプ中に収容した後、伸線加工を施して断面六角形状の複合線(B)を製造した。
【0034】
この複合線(B)の7本を、上記と同様の方法により、Ag−0.44at%Mg合金からなる高強度銀基合金パイプに収容した後、伸線加工を施して断面六角形状の複合線(C)を製造した。
【0035】
次に、この複合線(C)に伸線加工を施して最終線径φ2.0mmの丸線を製造した後、6.7mmピッチでツィスト加工を施し、次いで圧延加工を施して厚さ0.25mmのテープ状線材を製造した。
【0036】
このテープ状線材に、850℃で一次熱処理を施した後、中間圧延加工を施して幅3mm,最終厚さ0.2mmのテープ状線材を製造し、さらに850℃で二次熱処理を施して交流用酸化物超電導線を製造した。一次および二次の熱処理時間は計150時間であった。
【0037】
以上の方法で製造した交流用酸化物超電導線の直流電流における臨界電流密度は、液体窒素温度(77.3K)で10,000A/cm2 であった。
【0038】
【実施例2】
実施例1の複合線(B)の高抵抗率銀基合金パイプの代わりにAg−5at%Au合金を用いて、他は同一の方法により交流用酸化物超電導線を製造した。
【0039】
この方法で製造した交流用酸化物超電導線の直流電流における臨界電流密度は、液体窒素温度(77.3K)で10,000A/cm2 であった。
【0040】
【比較例】
実施例における複合線(B)の高抵抗率銀基合金パイプおよび高強度銀基合金パイプの代わりにAgパイプを用いて、他は同一の方法により交流用酸化物超電導線を製造した。
【0041】
この方法で製造した交流用酸化物超電導線の直流電流における臨界電流密度は、液体窒素温度で実施例と同程度であった。
以上の実施例および比較例で用いたAg−10at%Au合金およびAg−5at%Au合金の抵抗率(850℃×10時間の熱処理後)をAgの抵抗率と比較した結果を表1に示した。尚、この抵抗率は850℃×10時間の熱処理後の値を示す。この熱処理条件で酸化はほぼ完了するので、これ以上の熱処理時間でもその抵抗率はほとんど変化しない。
【0042】
【表1】
また、以上の実施例および比較例の方法で製造した酸化物超電導線の室温における抵抗率と77Kにおける、50Hz10A通電時の交流損失の値を表2に示した。
【0043】
【表2】
従来の銀シース法のマトリックス材に使用される銀は前述のように、その抵抗率は室温で1.47μΩcm程度であり、77Kまで冷却すると、0.34μΩcm(850℃×10時間の熱処理後)まで低下する。AgにMgを0.44at%添加したAg−0.44at%Mg合金でも室温で.1.97μΩcm、77Kにおいて0.58μΩcm(850℃×10時間の熱処理後)に過ぎない。以上の実施例から明らかなように、AgにAuまたはPdを添加することにより熱処理後の抵抗率を大きくすることができるとともに線材の交流損失を著しく小さくすることができる。
【0044】
【発明の効果】
上記構成により、本発明の交流用酸化物超電導線によれば、銀または銀基合金マトリックスが高抵抗率を有する銀基合金により複数の領域に分割されているため、酸化物超電導フィラメントが電磁気的に結合することが低減され、その結果交流電流通電時の外部変動磁場による磁束分布が平均化されることにより交流損失を低減することができる。即ち、外部変動磁場によって生ずる遮蔽電流の減衰が、高抵抗率合金層により遮蔽電流の結合が遮断されるために、従来構造の酸化物超電導線よりも容易となるので、交流損失が低減される。
【0045】
また、超電導線の外層に高強度銀基合金が配置されていることにより、線材の強度が向上するため、マグネット形成時の電磁力よるストレスによりJcが不可逆的に低下することを更に防止することができる。
【0046】
以上の交流用酸化物超電導線は、本発明による交流用酸化物超電導線の製造方法によって容易に製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の交流用酸化物超電導線の製造方法を示す工程図である。
Claims (4)
- 銀または銀基合金マトリックス中に複数本の酸化物超電導フィラメントを配置してなる酸化物超電導線において、前記マトリックスの外側にAg− ( 0.01〜10 ) at%Y系の高強度銀基合金(ここで、YはMg、Ni、Cu、Mnから選択されたいずれか1種または2種以上の添加元素を示す。)を配置するとともに、前記マトリックスをAg−(0.01〜20)at%Au系またはAg−(0.01〜20)at%Pd系の高抵抗率銀基合金により複数の領域に分割し、この高抵抗率銀基合金により分割した複数の領域の内部に複数本の酸化物超電導フィラメントを配置したことを特徴とする交流用酸化物超電導線。
- 高抵抗率銀基合金は、AuまたはP dの添加量が0.3〜10at%であることを特徴とする請求項1記載の交流用酸化物超電導線。
- 高強度銀基合金は、添加元素Yの添加量が0.02〜2at%であることを特徴とする請求項1または2記載の交流用酸化物超電導線。
- (イ)銀または銀基合金パイプ中に、熱処理により酸化物超電導体を構成する原料粉末を充填し、断面六角形状に成形して複合線(A)を製造する工程と、
(ロ)この複合線(A)の複数本を、AuまたはP dの添加量が0.01〜20at%のAg−Au系またはAg−Pd系の高抵抗率銀基合金パイプ中に収容した後、断面六角形状に成形して複合線(B)を製造する工程と、
(ハ)この複合線(B)の複数本を、添加元素Yの添加量が0.01〜10at%のAg−Y系合金からなる高強度銀基合金(ここで、YはMg、Ni、Cu、Mnから選択されたいずれか1種以上の添加元素を示す。)パイプ中に収容した後、断面円形に成形して複合線(C)を製造する工程と、
(ニ)この複合線(C)に断面減少加工および圧延加工を施してテープ状線材を製造する工程と、
(ホ)このテープ状線材に、一次熱処理、圧延加工および二次熱処理を順次施す工程と、
からなることを特徴とする交流用酸化物超電導線の製造方法。
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JP07110297A JP3667028B2 (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 交流用酸化物超電導線およびその製造方法 |
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JPH10269866A JPH10269866A (ja) | 1998-10-09 |
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