JP4174890B2

JP4174890B2 - 酸化物多芯超電導線材の製造方法

Info

Publication number: JP4174890B2
Application number: JP02585299A
Authority: JP
Inventors: 直樹綾井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2019-02-03
Also published as: JP2000222956A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物多芯超電導線材の製造方法に関するものであり、特に、Ｂｉ系酸化物多芯超電導線材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の酸化物多芯超電導線材の製造方法としては、たとえば、M. N. Wilson, Superconducting Magnets, Oxford University Press, Oxford, 1983（先行技術１）に開示された技術がある。
【０００３】
この先行技術１によれば、超電導体のヒステリシス損失を低減するには、超電導体の寸法を小さくして、母材に埋込んだ極細多芯フィラメント構造とする。さらに、ツイストを行なうことによって、フィラメント間の遮蔽電流ループが小さくなり、遮蔽電流が速やかに減衰するので、ヒステリシス損失は極細フィラメントのサイズに見合った小さなレベルに低減される。
【０００４】
また、酸化物多芯超電導線材の製造方法の他の例としては、特開平７−１０５７５３号公報（先行技術２）に開示された技術がある。
【０００５】
この先行技術２は、酸化物超電導材料を主成分とする粉末を熱処理した後金属シースにて被覆し、伸線加工を施した後嵌合して多芯線とし、伸線加工および圧延加工を施した後、さらに熱処理する、酸化物超電導線材の製造方法であって、嵌合して多芯線とした後の伸線加工および圧延加工の工程において、伸線加工後、丸線の状態において、線材に捩じり加工を施した後圧延することを特徴としている。
【０００６】
また、酸化物超電導線材では、Ｂｉ系酸化物超電導体を銀または銀基合金を補強安定化材として用いた、多芯銀シース線材が実用化されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の酸化物多芯超電導線材の製造方法においては、交流磁界に曝されたとき、非常に大きなヒステリシス損失が発生する。ヒステリシス損失を低減するには、超電導体の寸法を小さくして、母材に埋込んだ極細多芯フィラメント構造としてツイストを行なえばよいが、多芯銀シース線材では、フィラメントサイズに見合っただけの損失レベルにまで低減されていない。
【０００８】
また、フィラメント同士の間隔が十分でないため、伸線加工によって、ブリッジングが起こる。伸線加工後、焼結前の線材で、フィラメント同士が接触している部分（ブリッジング）があると、ツイスト加工時に捩じりがある箇所で集中する現象が生じて、臨界電流の低下や断線が起こる。不均一なツイストが起こる手前の緩いツイスト加工では、ツイストピッチが長いため、交流損失が十分に低減できない。
【０００９】
さらに、伸線加工後、焼結前の線材でブリッジングがなく、均一なツイスト加工ができても、ツイスト後の矩形断面成型や、焼結時の反応によって、ブリッジングが発生する場合がある。
【００１０】
このようにブリッジングが発生すると、その部分で超電導状態で電流が流れると、ツイストを行なったり、母材の比抵抗を大きくしても線材全体を還流する遮蔽電流が減衰せず、多芯フィラメントが埋込まれた領域全体が１つの大きな超電導体のような電磁的振る舞いを示し、大きなヒステリシス損失が発生するという問題があった。
【００１１】
この発明の目的は、上述の問題点を解決し、伸線加工、成型加工、焼結の際に、ブリッジングの起こらない酸化物多芯超電導線材の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、酸化物超電導体の原料粉末を銀または銀合金からなる第１のパイプに充填したものを伸線するステップと、第１のパイプに充填して伸線した線材を複数本束ねて、銀または銀合金からなる第２のパイプに挿入して伸線するステップと、第２のパイプに挿入して伸線した線材に捩じりを加えるステップと、捩じりを加えた線材について熱処理によって酸化物超電導体フィラメントを形成するステップとを備え、捩じりを加える前の伸線後の線材において、第１のパイプによって形成された母材領域のフィラメント領域に対する断面積比率が、２〜３であることを特徴としている。
【００１３】
断面積比率を２以上としたのは、伸線加工後、焼結前の線材でブリッジングが起こらず、均一なツイスト加工を行なうことができ、焼結後もブリッジングが起こらないために、２以上の断面積比率が必要だからである。一方、断面積比率を３以下としたのは、３より大きくなると、超電導体の断面積比率が小さく、臨界電流が低くなるためである。
【００１４】
請求項２の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項１の発明の構成において、線材に捩じりを加えるステップにおいて、捩じり１周期当りの線材の長さ方向ピッチが、３０ｍｍ以下である。
【００１５】
３０ｍｍ以下としたのは、３０ｍｍより大きいピッチでは、十分な交流損失の低減効果が得られないためである。
【００１６】
請求項３の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項１の発明の構成において、線材に捩じりを加えるステップにおいて、捩じり１周期当りの線材の長さ方向ピッチが、１５ｍｍ以下である。
【００１７】
１５ｍｍ以下としたのは、より高い磁界変化率に曝される使用条件で、交流損失の低減効果を得るためである。
【００１８】
請求項４の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項１の発明の構成において、銀または銀合金からなる第１のパイプは、銀または、０．５ｗｔ．％以下のＳｂを含む銀合金からなる。
【００１９】
このような組成であれば、不純物の混入によって超電導体の組成が変化し、臨界電流密度等の特性が低下することはないからである。
【００２０】
請求項５の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項１の発明の構成において、酸化物超電導体は、Ｂｉ系酸化物超電導体である。
【００２１】
なお、Ｂｉ系酸化物超電導体は、酸化物多芯超電導線材の超電導体として、最も有力なものの１つである。
【００２２】
請求項６の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項１の発明の構成において、伸線後の線材に捩じりを加えるステップの後であって熱処理によって酸化物超電導体を形成するステップの前に、矩形断面形状に成型するステップをさらに備えている。
【００２３】
矩形断面形状に成型することによって、異方性の強い酸化物超電導体を、線材中で配向させて、高い臨界電流密度を得ることができる。
【００２４】
請求項７の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項６の発明の構成において、矩形断面形状に成型した後の線材の断面において、超電導体の占有率が１２％以上である。
【００２５】
占有率を１２％以上としたのは、矩形断面成型線材において、全断面積当たりの臨界電流密度を、実用的に意味のある値とするためである。
【００２６】
請求項８の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項６の発明の構成において、矩形断面形状に成型後のフィラメントの短径が、３０μｍ以下である。
【００２７】
フィラメントの短径を３０μｍ以下としたのは、短径方向に垂直な変動磁界成分に対して、ヒステリシス損失（超電導体内のピンニング損失）が実用上使用し得る小さな値になるためである。
【００２８】
請求項９の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項６の発明の構成において、矩形断面形状に成型後のフィラメントの長径が、５００μｍ以下である。
【００２９】
フィラメントの長径を５００μｍ以下としたのは、長径方向に垂直な変動磁界成分に対して、ヒステリシス損失（超電導体内のピンニング損失）が実用上使用し得る小さな値になるためである。
【００３０】
請求項１０の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項１の発明の構成において、フィラメントの短径が、１５μｍ以下である。
【００３１】
フィラメントの短径を１５μｍ以下としたのは、短径方向に垂直な変動磁界成分に対して、ヒステリシス損失（超電導体内のピンニング損失）がより低い交流損失を求められる機器に適用し得る小さな値になるためである。
【００３２】
請求項１１の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項６の発明の構成において、矩形断面形状への成型において、１パス当たりの短径の縮径率が６０％以下である。
【００３３】
縮径率を６０％以下としたのは、矩形断面形状への成型過程で、フィラメントに過度な不均一変形が生じて、成型過程自体やその後に行なう熱処理で、フィラメント間のブリッジングが起こらないようにするためである。
【００３４】
請求項１２の発明による酸化物多芯超電導線材の製造方法は、請求項９の発明の構成において、矩形断面形状に成型した線材に熱処理を行なった後に、さらに短径の縮径率が２０％以下の成型加工と熱処理とを行なうステップをさらに備えている。
【００３５】
このような処理を行なうのは、異方性の強い酸化物超電導体を、線材中で配向させるとともに、ブリッジングの発生を抑制し、高臨界電流密度と低交流損失とを両立させるためである。
【００３６】
【実施例】
（テープ状多芯線材の作製）
Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＰｂＯ、ＳｒＣＯ₃ 、ＣａＣＯ₃ 、ＣｕＯを混合して、組成比（原子比）がＢｉ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝１．８：０．４：２．０：２．０：３．０の混合粉末を作製した。この混合粉末に対して、７００〜８５０℃の熱処理と、粉砕とを数回繰返し行ない、得られた粉末を第１の銀パイプに充填した。粉末を充填した銀パイプを、伸線加工して適当な長さに切断し、所定の本数を束ねて、第２の銀パイプに挿入した。この線材を１．２９ｍｍφまで伸線加工し、ツイスト加工を行なった後、再度１．２２ｍｍφに伸線し、多芯線材を得た。得られた多芯線材を、各パス当りの短径の縮径率が６０％以下である２段階の成型加工により、線材の断面を矩形形状とし、８４５℃で５０時間焼結を行なった。さらに、短径の縮径率が２０％の成型加工を行ない、８４０℃で１００時間の焼結を行なうことにより、図３に示すような実施例１および比較例１のテープ状酸化物多芯超電導線材を得た。ただし、比較例１の線材では、ツイスト加工中にツイストピッチが不均一になり、捩じれが集中する部分で断線が発生したため、ツイストピッチが１０ｍｍ以下の線材は得られなかった。
【００３７】
以下の表１に、実施例１と比較例１のテープ状酸化物多芯超電導線材の諸元をまとめる。
【００３８】
なお、表１において、「ツイスト前内部銀比」とは、ツイスト加工前の多芯線材における第１のパイプによって形成された母材領域のフィラメント領域に対する断面積比率を指す。また、図４に示すように、「フィラメント短径」および「フィラメント長径」は、それぞれ線材短径方向および線材長径方向の値を指し、「フィラメント間隔」は、フィラメント短径に平行な方向の値を指す。また、「ツイストピッチ」は、捻回１周期分の長さで、ツイスト加工時の値ではなく、焼結後の最終形状での値として示す。
【００３９】
【表１】

【００４０】
（実験１）
上述のようにして得られた実施例１および比較例１のテープ状酸化物多芯超電導線材について、液体窒素中で、外部から磁場を印加しないで、臨界電流を測定した。測定方法は４端子法で、臨界電流値は線材１ｃｍ当りの発生電界が１μＶとなる電流値をもって決定した。得られた臨界電流を超電導体の断面積で割って臨界電流密度とした。実施例１および比較例１の酸化物多芯超電導線材で、未ツイスト線材の臨界電流密度は、いずれも２０ｋＡ／ｃｍ² であった。
【００４１】
図１に、未ツイスト線材の臨界電流密度Ｊｃで規格化した、各ツイストピッチのツイスト線材の臨界電流密度Ｊｃと、ツイストピッチとの関係を示す。
【００４２】
図１では、未ツイスト線材（ツイストピッチ無限大）の線材を一緒に表わすために、ツイストピッチをその逆数（Ｋ）で示している。未ツイスト線材のＫは０である。ツイストピッチが３０ｍｍ（Ｋ＝０．０３３）より小さくなると、臨界電流密度は徐々に低下する。比較例１の線材は、ツイストピッチ１０ｍｍ以下では断線が発生したため、臨界電流密度は得られていない。
【００４３】
（実験２）
次に、実施例１および比較例１のテープ状酸化物多芯超電導線材について、液体窒素中で、５０Ｈｚ、磁場振幅２０ｍＴまたは１００ｍＴの磁場を、線材の幅広面に平行な方向に印加して交流損失密度を測定した。本実験において、交流損失値は、ツイストによる臨界電流値の低下を考慮するため、単位長さ当りの交流損失を臨界電流値で割った値（単位：Ｊ／Ａ・ｍ／ｃｙｃｌｅ）を基準として比較した。さらに、未ツイスト線材の交流損失値（Ｗ₀ ）でツイスト線材の交流損失（Ｗ_K）を規格化した（Ｗ_K／Ｗ₀ ）。
【００４４】
図２に、交流損失（Ｗ_K／Ｗ₀ ）とツイストピッチ（Ｌｐ）との関係を示す。図１と同様に、未ツイスト線材を一緒に表わすために、ツイストピッチをその逆数（Ｋ）で示している。未ツイスト線材の交流損失は、前述の先行技術１等に示されているように、フィラメントが存在する領域全体が電磁的に結合し、１つの大きな超電導体であるとみなした場合と同等の大きなヒステリシス損失が発生する。図２では、ツイストピッチを短くするに従って、交流損失が低減していく現象が示されている。
【００４５】
たとえば、送電ケーブルに酸化物超電導線材を適用する場合には、２０ｍＴ程度の交流磁界が発生するが、この条件下で、実施例１の線材で臨界電流密度が低下しない３０ｍｍのツイストピッチ（Ｋ＝０．０３３）で、交流損失を未ツイスト線材の５０％以下に低減できる。一方、比較例１の交流損失は、未ツイスト線材の７０％である。さらに、実施例１では、ツイストピッチを１０ｍｍ以下（Ｋ＞０．１）にまで加工でき、このとき実施例１の交流損失は約２５％にまで低減された。これに対して、比較例１の線材では、ツイストピッチを１０ｍｍ以下にしようとすると、捩じりが不均一になり断線が発生した。断線が発生しない限界のツイストピッチでは、交流損失は最小でも５５％にまでしか低減されなかった。
【００４６】
変圧器等では、さらに大きな１００ｍＴ程度の磁界が発生するが、このような条件下で比較例１の線材は、加工限界のツイストピッチでも、交流損失は８０％までしか低減しなかった。一方、実施例１の線材では、交流損失は５０％に低減された。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、伸線加工、成型加工、焼結の際にブリッジングの起こらない、酸化物多芯超電導線材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ツイストピッチ（Ｌｐ）と臨界電流密度（Ｊｃ／Ｊｃ０）との関係を示す図である。
【図２】ツイストピッチ（Ｌｐ）と交流損失（Ｗ_K／Ｗ₀ ）との関係を示す図である。
【図３】ツイストピッチを７ｍｍとした場合の最終焼結後の実施例１の酸化物多芯超電導線材を示す断面図である。
【図４】酸化物多芯超電導線材における「フィラメント間隔」、「フィラメント短径」および「フィラメント長径」を説明するための図である。

Claims

酸化物超電導体の原料粉末を銀または銀合金からなる第１のパイプに充填したものを伸線するステップと、
前記第１のパイプに充填して伸線した線材を複数本束ねて、銀または銀合金からなる第２のパイプに挿入して伸線するステップと、
前記第２のパイプに挿入して伸線した線材に捩じりを加えるステップと、
前記捩じりを加えた線材について熱処理によって酸化物超電導体フィラメントを形成するステップとを備え、
前記捩じりを加える前の伸線後の線材において、前記第１のパイプによって形成された母材領域のフィラメント領域に対する断面積比率が、２〜３である、酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記線材に捩じりを加えるステップにおいて、捩じり１周期当りの線材の長さ方向ピッチが、３０ｍｍ以下である、請求項１記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記線材に捩じりを加えるステップにおいて、捩じり１周期当りの線材の長さ方向ピッチが、１５ｍｍ以下である、請求項１記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記銀または銀合金からなる第１のパイプは、銀または、０．５ｗｔ．％以下のＳｂを含む銀合金からなる、請求項１記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記酸化物超電導体は、Ｂｉ系酸化物超電導体である、請求項１記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記伸線後の線材に捩じりを加えるステップの後であって熱処理によって酸化物超電導体を形成するステップの前に、矩形断面形状に成型するステップをさらに備えた、請求項１記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記矩形断面形状に成型した後の線材の断面において、前記超電導体の占有率が１２％以上である、請求項６記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記矩形断面形状に成型後のフィラメントの短径が、３０μｍ以下である、請求項６記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記矩形断面形状に成型後のフィラメントの長径が、５００μｍ以下である、請求項６記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記フィラメントの短径が、１５μｍ以下である、請求項１記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記矩形断面形状への成型において、１パス当たりの短径の縮径率が６０％以下である、請求項６記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。
前記矩形断面形状に成型した線材に熱処理を行なった後に、さらに短径の縮径率が２０％以下の成型加工と熱処理とを行なうステップをさらに備えた、請求項９記載の酸化物多芯超電導線材の製造方法。