JP3881158B2 - 酸化物超電導大容量導体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸化物超電導導体に係り、特に送電ケーブル、変圧器、限流器を始めとする電力機器及び高エネルギー物理、核融合用のコイル等に使用される酸化物超電導大容量導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超電導線材は、一般的に銀又は銀合金からなるチューブに超電導体の構成元素の酸化物又は炭酸化物粉末を充填し、これに縮径加工を施すか、更に圧延加工を施して丸線又はテープ状に加工した後、熱処理を施すことにより製造されている。
【０００３】
このような超電導線材の臨界電流値を向上させるために、チューブ内の酸化物粉末の充填密度を増加させて熱処理後の超電導体組織を緻密化することにより、線材内部の超電導電流の電流経路が寸断されないように加工条件を最適化することが行われる。
【０００４】
しかしながら、超電導線材一本当たりの断面積は加工限界など種々の要因により限界が存在し、現状では、線材一本当たりの超電導電流は数十〜数百アンペア程度に限定されている。大型電力機器にこのような超電導線材を応用した設計を行った場合、線材に要求される超電導電流は数キロ〜数十キロアンペアに達し、このため、線材を集合化して撚線加工を施し超電導導体を製造する必要がある。
【０００５】
また、酸化物超電導線材を使用した送電ケーブルにおいては、線材の形状がテープ状であるためにテープを保持するためのフォーマが必要となり、このフォーマの周囲に線材をスパイラル状に巻きつけることにより送電ケーブルが製造されている。このために導体断面積に対する超電導線材の断面積は小さな値となり、その結果、通電容量は１〜３キロアンペア程度に止まっている。
【０００６】
この導体をコイルに利用する場合、導体全体の電流密度が低いこと及び導体自体の可撓性に劣るために現実的であるとは言えない。
【０００７】
集約すれば、電力機器にＢｉ系超電導導体を使用をする際に問題となる点は、導体１本当たりの通電容量が不足していること及び導体の機械的強度不足の２点である。
【０００８】
上記の問題を解決するために、筆者等のグループはコイルの作製に適した、酸化物超電導線材を使用した大電流導体の発明を出願している（特願平１０−１２８９００号）。この大電流導体は、耐熱性及び耐酸化腐食性を有する高強度補強材の外周にセラミックスバリア層を設け、その周囲に酸化物超電導線材を撚線加工により集合化した後、圧縮成形を施した形状の圧縮成形導体である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の大電流導体においては、高強度補強材の採用により、導体の強度は著しく向上し、６００ＭＰａ程度の破断強度と３キロアンペア級の通電容量の導体が得られている。
【００１０】
しかしながら、この導体は中心に補強材を配置し、補強材の断面積が導体断面積の５０％以上を占めるために、コイルの電流密度を低下させ、また線材の臨界電流値で導体の通電容量が規定されるために、より以上の大きな通電容量の導体を製造することは困難であり、より大きな通電容量の導体を得るためには導体形状が大きくなるため、電力機器の大型コイルの容積を更に増加させるという欠点がある。またコイルの設計次第では、構造材料による補強が必要となる場合があり、この場合は導体の電流密度を更に低下させるという問題があり、更に大きな通電容量の達成が困難である。
【００１１】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたもので、機械的強度に優れ、かつ大容量化が可能なラザフォード型圧縮成形導体、即ち、酸化物超電導大容量導体を提供することをその目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明の酸化物超電導大容量導体は、補強線の周囲に，銀又は銀マトリックス中に多数本の酸化物超電導フィラメントを配置した多芯構造の超電導素線の複数本を撚り合わせた一次ケーブルの複数本を、再度撚り合わせて圧縮成形したものである。
【００１３】
上記の再度の撚り合わせに際し、一次ケーブルの複数本が、セラミックスシートの外周に撚り合わせられた後、圧縮成形される。
【００１４】
以上の酸化物超電導大容量導体においては、一次ケーブルの超電導素線の一部を補強線に置換することもでき、この場合、任意の超電導素線を補強線に置換することにより、不連続的ではあるが任意の通電容量と機械的強度を選択する自由度が得られる。この際、置換する補強線が対称性を有するように配置することが電磁気学的及び構造力学的理由により好ましい。
【００１５】
また、補強線としては、Ａｇ−Ｍｇ−Ｓｂ合金からなるものを用いることが好ましく、特に０．２５ｗｔ％≦（Ｍｇ＋Ｓｂ）≦０．５５ｗｔ％の範囲のＭｇ及びＳｂを添加した銀合金を用いることが好ましい。
【００１６】
さらに、上記のセラミックスシートとしては、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ ，ＭｇＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ から選択された１種以上の粒状又は繊維状の粉末を有機バインダーと混合してシート状に成形したものを用いることができる。
【００１７】
このセラミックスシートとして、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ ，ＭｇＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ のいずれか１種の繊維状の粉末を布状に織ったものも使用することができる。
【００１８】
このセラミックスシートは、焼成後に絶縁層を構成して一次ケーブル間を横断する電流を遮蔽する機能を有するため、交流通電の際は結合損失を低減する役割を果たす。
【００１９】
【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。
【００２０】
図２は、本発明の酸化物超電導大容量導体に使用される１次ケーブルの断面図を示したもので、１次ケーブル１は補強線２の周囲に，銀又は銀マトリックス中に多数本の酸化物超電導フィラメントを配置した多芯構造の超電導素線３の複数本を撚り合わせた構造を有する。
【００２１】
図１は、本発明の酸化物超電導大容量導体１０の断面図を示したもので、上記の１次ケーブル１の複数本を、再度撚り合わせて圧縮成形した構造を有する。尚、セラミックスシートは上述のように焼成後に薄い絶縁層を構成するため、特に図示していない。
【００２２】
［実施例］
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２３】
（イ）超電導素線の製造
外径φ１５ｍｍ、内径φ１３ｍｍの純銀パイプ中に、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＳｒＣＯ₃ 、ＣａＣＯ₃ 及びＣｕＯの各粉末を、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：１：２の元素数比で配合した混合粉末を充填し、これに縮径加工を施して対辺間距離１．４３ｍｍの断面六角形のシングル線を製造した。
【００２４】
このシングル線の６１本を、その側面を当接して再度銀パイプ中に収容して縮径加工を施し、外径φ３．９ｍｍとした丸線の７本を束ね、銀合金パイプ中に収容した後、縮径加工を施して外径φ０．８１ｍｍの超電導素線を製造した。
【００２５】
（ロ）一次ケーブルの製造
上記の超電導素線の６本を外径φ０．８１ｍｍの補強線の周囲に撚り合わせて一次ケーブルを製造した。
【００２６】
補強線は、Ａｇ−０．１Ｍｇ−０．２Ｓｂ（ｗｔ％）合金を用いた。
【００２７】
また、超電導素線の撚り合わせ方向はＳ字撚りとし、撚りピッチは３５ｍｍとした。
【００２８】
（ハ）酸化物超電導大容量導体の製造
上記の一次ケーブルの１０本を再度撚り合わせた後、圧縮成形加工を施すことにより、幅１４．２５ｍｍ×厚さ４．２４ｍｍの圧縮成形導体を製造した後、酸素雰囲気中にて最高温度８５０℃で１２0 時間焼成することにより、１×６×１０二次撚りラザフォード圧縮成形導体を製造した。
【００２９】
この場合の撚り合わせ方向はＺ字撚りとし、撚りピッチは８７ｍｍとした。
【００３０】
（ニ）通電試験結果
以上のようにして製造した圧縮成形導体を、液体ヘリウムに浸漬して冷却した４．２Ｋの温度において通電試験を行った結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
尚、比較例として示したものは、外径φ１５ｍｍ、内φ１３ｍｍの純銀パイプ中に、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＳｒＣＯ₃ 、ＣａＣＯ₃ およびＣｕＯの各粉末を、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：１：２の元素数比で配合した混合粉末を充填し、これに縮径加工を施して外径φ０．８ｍｍに成形した超電導素線の１９本を撚り合わせ、圧縮成形加工を施して幅７．０ｍｍ×厚さ２．２ｍｍの圧縮成形導体を製造した後、実施例と同様の方法で焼成したものである。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の酸化物超電導大容量導体は、以上の実施例で明らかなように、超電導素線を補強材の周囲に撚り合わせたサブケーブルを再度撚り合わせて圧縮成形したことによって、超電導材の占積率を向上させ大容量化及び機械的強度の向上を図ることができる。また、機械的強度の選択の自由度も増加するという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物超電導大容量導体の断面図である。
【図２】本発明の酸化物超電導大容量導体に使用される１次ケーブルの断面図である。
【符号の説明】
１…１次ケーブル
２…補強線
３…超電導素線
１０…酸化物超電導大容量導体

Claims (7)

1. 補強線の周囲に，銀又は銀マトリックス中に多数本の酸化物超電導フィラメントを配置した多芯構造の超電導素線の複数本を撚り合わせた一次ケーブルの複数本を、セラミックスシートの外周に再度撚り合わせて圧縮成形したことを特徴とする酸化物超電導大容量導体。
2. 一次ケーブルの超電導素線の一部を補強線に置換したことを特徴とする請求項１記載の酸化物超電導大容量導体。
3. 一次ケーブルの対称位置の超電導素線を補強線に置換したことを特徴とする請求項２記載の酸化物超電導大容量導体。
4. 補強線は、Ａｇ−Ｍｇ−Ｓｂ合金からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の酸化物超電導大容量導体。
5. Ａｇ−Ｍｇ−Ｓｂ合金は、０．２５ｗｔ％≦（Ｍｇ＋Ｓｂ）≦０．５５ｗｔ％の範囲のＭｇ及びＳｂを添加した銀合金であることを特徴とする請求項４記載の酸化物超電導大容量導体。
6. セラミックスシートは、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ ，ＭｇＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ から選択された１種以上の粒状又は繊維状の粉末を有機バインダーと混合してシート状に成形したものからなることを特徴とする請求項１記載の酸化物超電導大容量導体。
7. セラミックスシートは、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ ，ＭｇＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ のいずれか１種の繊維状の粉末を布状に織ったものからなることを特徴とする請求項１記載の酸化物超電導大容量導体。

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