JP3674415B2 - 化合物超電導線、その製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導マグネットなどに用いられる絶縁被覆を施した超電導線に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は、例えば特開平10−162664号公報に示された従来の化合物超電導線の製造方法を示す図である。図において1は化合物超電導裸線でありこの化合物超電導裸線1は直線状のままでその表面に絶縁テープ2a,2bが施され化合物超電導線10を得ている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来のように、化合物超電導裸線1は絶縁テープ2a,2bにより絶縁されているため絶縁テープ2a,2bの側端部が線長方向に存在し、絶縁テープ側端面に隙間ができやすくこの隙間により絶縁耐電圧が低下するという課題があった。
【0004】
また、上記絶縁テープ2a,2bの隙間を無くするために側端面を重ね合わせる必要があり、この重ね合わせにより化合物超電導線10の外径が大きくなり断面形状もいびつになるという課題もあった。
【0005】
また、一般的に絶縁テープ2a,2bは50μm以上と比較的厚いため化合物超電導裸線1の外径が例えば0.5mmなどの細い線に適用すると線材の占積率が55%程度となりコイルに巻線した場合の平均電流密度を向上させることができないという課題もあった。
【0006】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、化合物超電導裸線に良好な絶縁被覆を施した化合物超電導線を得ることを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る化合物超電導線は、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であって、エナメルは、化合物超電導裸線に対して、該化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、被覆されたものである。
【0009】
又、化合物超電導相はNb3Sn超電導相である。
【0010】
又、化合物超電導裸線は、化合物超電導細線の集合体部とその周囲に形成された金属もしくは合金からなる周辺部とからなり、化合物超電導細線の径は1μm以上である。
【0011】
又、化合物超電導裸線は、化合物超電導細線の集合体部とその周囲に形成された金属もしくは合金からなる周辺部とからなり、上記集合体部の外径は、上記化合物超電導裸線の外径の3分の2以下である。
【0012】
本発明に係る化合物超電導線の製造方法は、熱処理により化合物超電導相が生成された化合物超電導裸線に、上記化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、エナメルを被覆するものである。
【0013】
本発明に係る化合物超電導線の製造装置は、化合物超電導相が形成された化合物超電導裸線に、該化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、エナメルを被覆可能なものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1による化合物超電導線について説明する。
化合物超電導線は例えばNb3Sn線やNb3Al線などが市販されており、同じく一般的に市販されているNbTi合金線に比べ臨界温度、臨界電流密度、上部臨界磁界が高い特性を有する。
【0015】
また、近年ではBi2Sr2Ca1Cu2OyやBi2Sr2Ca2Cu3Oy、Y1Ba2Cu3Oyなどの銀被覆高温超電導線材が試作されている。しかし、化合物超電導線はNbTi合金線に比べ化合物超電導体が硬く脆いため、線材形状に成形後熱処理をし超電導相を生成もしくは超電導粒間の結合を行わなければならない。従って、化合物超電導線の製造方法においては、線引きからコイル完成の間に800℃以上の高温での熱処理工程が必ず存在する。
【0016】
例えば特開平11−25785号公報に示された従来の化合物超電導線の製造方法は、図1に示すように、線引きした後にガラス繊維などの耐高温性の絶縁材で被覆を施し、所定のコイル形状に巻線した後、例えばNb3Sn超電導線の場合850℃で熱処理した後にエポキシ等で含浸して超電導線が動かないよう固定し完成するものである。
【0017】
一方、本実施の形態における化合物超電導線の製造方法は、図1に示すように、線引き後所定の熱処理を行い、その線材をエナメル被覆した後、所定のコイル形状に巻線し、必要があればエポキシ含浸を施し完成するものである。
【0018】
本実施の形態におけるエナメル被覆は、図2に示すような装置により実施される。以下に、この装置を用いたエナメル被覆の方法について説明する。まず、巻出しドラム53から引き出された超電導線51は、洗浄器55を通過し、エナメルの被覆器57を3から5回通過し、エナメルを焼き付けられ、巻取りドラム59に巻取られる。このエナメル被覆の工程で、超電導線51は少なくとも5回はプリー61により繰り返し曲げを経験する。
【0019】
このように何度も曲げを行う場合、Nb3Sn超電導線のような化合物超電導線は歪みに弱いことから、断面内の応力を均等にし、応力がある部位に集中しないようにしなければならない。従って、超電導線材の断面形状が丸であることが最も望ましく、角線であっても縦横比がほぼ2以下にすることにより極端な応力集中が避けられる。尚、これらの断面形状に限らず、断面の最少幅に対する最大幅の比がほぼ2以下となる断面形状で有れば良く、楕円、5個以上の角を有する多角形、及びそれらを組み合わせた形状であってもかまわない。
【0020】
特開平11−25785号公報に記載の従来の化合物超電導線は、上述のように高温で耐える絶縁材料としてガラス繊維で被覆されており、このガラス繊維の被覆厚さは少なくとも0.1mmと厚く、図3のグラフに示すように、例えば0.5mm直径の超電導丸線に0.1mmの被覆を付けると、単線だけでも約55%の占積率、コイルに巻線した場合で約40%の占積率となってしまう。このことは、コイル断面積が大きくなるのみならず、発生できるコイル中心磁場が低くなることを意味する。一方、本実施の形態におけるエナメル被覆の化合物超電導線の被覆厚さは、0.03mm程度にすることが一般的であり、この場合、数kVの耐電圧を有しコイル絶縁としては十分である。
【0021】
図3に示すように、0.03mm絶縁厚さの線材の占積率はコイル化しても60%以上と従来のガラス絶縁に比べ1.5倍以上であり、同じ巻数のコイルであれば、コイル断面積は従来の化合物超電導線に比し66%と小さくできる。また、従来例で示した化合物超電導線のように絶縁テープの厚さが0.05mmの場合、図3に示されるようにコイル化した占積率は55%であり、実際にはテープの隙間が生じるため絶縁耐電圧を取るためにはテープの一部を重ねるか隙間部に再度テープを貼るため先のガラス絶縁と同様に0.1mmの絶縁厚さとなり線材の占積率は40%程度に低下してしまう。
【0022】
実施の形態2.
次に本発明の実施の形態2による化合物超電導線について図に基づき説明する。図4は化合物超電導線にエナメル被覆を施したものの断面図であり、101の化合物超電導細線の集合体の周りには、当該集合体101を保護し超電導安定性を確保するための銅部材(周辺部)103が覆っている。化合物超電導細線の集合体101と銅部材103の間には熱処理時に超電導体の元素が拡散しないようにTaなどのバリア材が施されていても良い。そして、この銅部材103の周囲にエナメル被覆105が施されている。
【0023】
このように構成された化合物超電導線において化合物超電導細線集合体部101の直径d1が銅部材103を加えた外直径d2の3分の2以下にすることにより、エナメル被覆時やコイル巻線時の曲げにおける化合物超電導細線集合体に加わる最大曲げ歪みは、銅部材103を形成せず集合体部101のみで形成されている場合に比べて、3分の2以下に軽減できた。
【0024】
実施の形態1にて説明したようなエナメル被覆の工程では、化合物超電導線に対し0.5%程度の曲げ歪みが加わる箇所がある。Nb3Sn超電導線の場合0.4%以上の曲げ歪みが加わると超電導特性が大きく劣化するので、上記のように集合体部101の直径d1が銅部材103を加えた外直径d2の3分の2以下となるようにしたことにより、エナメル被覆の工程において集合体部101に加わる最大曲げ歪みは0.3%程度になり、大きな超電導特性の低下は生じなかった。
【0025】
実施の形態3.
次に本発明の実施の形態3による化合物超電導線について説明する。熱処理後の裸線での直径0.65mmのNb3Sn線材を直径75mmの巻枠に20Nの張力で数回巻き付けたものの超電導特性の測定を行った結果、臨界電流は曲げおよび張力を加えない場合の85%以上が得られた。直径60mm以下で20N以上の張力を掛けたものの臨界電流は50%以下と顕著な低下を示した。
【0026】
そこで、本実施の形態では、本発明の実施の形態1の手法において、さらに、線材直径の50倍以上の曲げ半径と70MPa以下の張力を加え、エナメル絶縁処理を行った。ここで繰り返し曲げの回数はおよそ12回であった。
【0027】
上記手法により得られた線材を用いて、直径120mmの巻枠に張力をほとんど掛けずに巻き付け臨界電流を測定したところ、上記測定結果とほぼ同じ特性が得られた。これらの結果から、実施の形態1の手法において、線材直径の50倍以上の曲げ半径と70MPa以下の張力を加えエナメル被覆処理を行うことにより、特性を著しく低下させることなく被覆された化合物超電導線を得ることができた。
【0028】
尚、実施の形態3では、エナメル被覆加工時の条件について述べたが、エナメル絶縁後の化合物超電導線をコイルに巻線する場合においても、線材直径の50倍以上の曲げ半径と70MPa以下の張力の条件で、コイル巻線を実施することにより、超電導特性を低下させることなくコイル化できることは言うまでもない。
【0029】
実施の形態4.
次に本発明の実施の形態4による化合物超電導線について説明する。超電導線は通電時の損失に伴う超電導安定性(常電導状態に転移することなく、超電導状態を維持する特性)を向上するために、超電導体を例えば数μmという細い線にして銅などの金属に埋め込んでいる。さらにこの線を捻ることで、より安定性を向上させている。
【0030】
これまで述べた実施の形態のように化合物超電導体は脆いため超電導細線の直径が1μm以下のものではエナメル被覆を施す場合に細線が切れやすくなり超電導特性が低下した。例えば、実施の形態1乃至3で述べた化合物超電導線は超電導細線の直径が2μm程度であった。以上の結果から、熱処理した化合物超電導線をエナメル被覆する場合は、超電導細線の直径が1μm以上であることが望ましい。
【0031】
【発明の効果】
本発明に係る化合物超電導線は、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であるので、絶縁被覆に隙間が無く、コイル化した場合に超電導線の占積率が大きく低下しないという効果がある。又、エナメルは、化合物超電導裸線に対して、該化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、被覆されたので、被覆処理時に超電導特性が顕著に劣化することがないという効果を有する。
【0033】
又、化合物超電導相はNb3Sn超電導相であるので、エナメル被覆処理を行う場合に引っ張り応力が加わっても超電導細線が切れにくく超電導特性が顕著に劣化することがないという効果がある。
【0034】
又、化合物超電導裸線は、化合物超電導細線の集合体部とその周囲に形成された金属もしくは合金からなる周辺部とからなり、化合物超電導細線の径は1μm以上であるので、エナメル被覆処理を行う場合に引っ張り応力が加わっても超電導細線が切れにくく超電導特性が顕著に劣化することがないという効果がある。
【0035】
又、化合物超電導裸線は、化合物超電導細線の集合体部とその周囲に形成された金属もしくは合金からなる周辺部とからなり、上記集合体部の外径は、上記化合物超電導裸線の外径の3分の2以下であるので、エナメル被覆時の複数回の曲げによる超電導特性の低下を防ぐことができるという効果がある。
【0036】
本発明に係る化合物超電導線の製造方法は、熱処理により化合物超電導相が生成された化合物超電導裸線に、上記化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、エナメルを被覆するので、被覆処理時に超電導特性を顕著に劣化させることがないという効果を有する。
【0037】
本発明に係る化合物超電導線の製造装置は、化合物超電導相が形成された化合物超電導裸線に、該化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、エナメルを被覆可能なので、被覆処理時に超電導特性を顕著に劣化させることがないという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1による化合物超電導線の加工工程と、従来の工程を比較した図である。
【図2】 本発明の実施の形態1による化合物超電導線のエナメル被覆処理装置を示す図である。
【図3】 絶縁厚さと超電導線の占積率の関係を示すグラフである。
【図4】 本発明の実施の形態2による化合物超電導線を示す断面図である。
【図5】 従来の化合物超電導線の被覆処理方法を示す図である。
【符号の説明】
1,51 化合物超電導裸線、
2a,2b 絶縁テープ、
10 化合物超電導線、
53 巻出しドラム、
55 洗浄器、
57 エナメル被覆器、
59 巻取りドラム、
61 プリー、
101 化合物超電導細線集合体部、
103 銅部材(周辺部)、
105 エナメル。
Claims (6)
- 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であって、エナメルは、化合物超電導裸線に対して、該化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、被覆されたものであることを特徴とする化合物超電導線。
- 化合物超電導相はNb3Sn超電導相であることを特徴とする請求項1に記載の化合物超電導線。
- 化合物超電導裸線は、化合物超電導細線の集合体部とその周囲に形成された金属もしくは合金からなる周辺部とからなり、化合物超電導細線の径は1μm以上であることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の化合物超電導線。
- 化合物超電導裸線は、化合物超電導細線の集合体部とその周囲に形成された金属もしくは合金からなる周辺部とからなり、上記集合体部の外径は、上記化合物超電導裸線の外径の3分の2以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の化合物超電導線。
- 熱処理により化合物超電導相が生成された化合物超電導裸線に、該化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、エナメルを被覆することを特徴とする化合物超電導線の製造方法。
- 化合物超電導相が形成された化合物超電導裸線に、該化合物超電導裸線の断面の最小幅に対し50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施しかつ70MPa以下の張力をかけた条件下において、エナメルを被覆可能な化合物超電導線の製造装置。
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