JP5041414B2

JP5041414B2 - 超電導ワイヤーおよび超電導導体

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Publication number: JP5041414B2
Application number: JP2007278357A
Authority: JP
Inventors: 正史八木; 光男鈴木
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: JP2009110668A

Description

本発明は、超電導ワイヤーおよび超電導導体に係り、特に、交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体に関する。

高温超電導ケーブルの線材として、ＹＢＣＯ（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｄ）等のＹ系線材や、ＢＳＣＣＯ（ＢｉＳｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０）等のＢｉ系線材に代表される薄膜超電導線材が知られている。いずれの線材も、図１５に示すように、テープ状の形状を有している。即ち、（ａ）はテープ状ＢＳＣＣＯ線材を示し、ＢＳＣＣＯフィラメント４１が銀合金からなるシース４２内に充填された構造を有する。その厚さは、約０．２ｍｍ程度である。（ｂ）は、テープ状ＹＢＣＯ線材を示し、基体５１上に、中間層５２を介して厚さ約１μｍのＹＢＣＯ層５３が形成され、その上に厚さ約１０μｍの銀層５４が被覆された構造を有する。

これらのテープ状線材のうち、ＢＳＣＣＯ線材は、外部磁界が印加されると臨界電流密度が急激に低下するという問題がある。一方、ＹＢＣＯ線材は、外部磁界に対して強く、強磁界内でも高い電流密度を維持することができるため、超電導ケーブル等の交流電力機器への応用が期待されている。

また、Ｙ系線材は、金属基板にＹＢＣＯの薄膜を蒸着させた構造を有しており、薄膜であるため高い電流密度を有することから、薄膜の面に平行な磁場による交流損失はＢｉ系線材と比較して非常に小さい。一方で、薄膜の面に垂直な交流損失はBi系線材よりも交流損失は大きくなる。

図１６に、Ｂｉ系線材及びＹ系線材の様々な線材の形式を示す。図５に、これらの線材形式の交流外部磁場下で通電したときの交流損失を示す（例えば、非特許文献１参照）。なお、図５の交流損失は、外部磁場は５０ｍＴで、通電電流のピークがＩｔ＝９０Ａ、各線材の臨界電流が１５０Ａとした場合の結果である。横軸は磁場の方向であり、０度が面に平行であり、９０度は面に垂直である。図５から、ＹＢＣＯストリップは、超電導面に平行な磁場の時は交流損失が小さいが、１５度では、ＹＢＣＯスタック(ＹＢＣＯを重ねた形状)、ＢＳＣＣＯテープ、ＢＳＣＣＯワイヤーよりも交流損失が大きくなってしまうことがわかる。また、ＹＢＣＯスタックでは、ＢＳＣＣＯと比較して、優位性が無い。

そこで、図１７に示すように、Y系線材を超電導円筒にした場合、外部から磁場を与えても、全て面に平行な磁場となるため、理想的な形となる（この形状をモノブロック型という）。しかし、このような理想的なＹ系超電導線材の製作は非常に難しく、出来たとしても、機械特性が非常に悪いと予想される。それは、この形状は曲げに対して逃げが無いので、実際の電力機器応用を考えると適用は難しい。

そこで、モノブロック形状に近づける方法として、図１８（ａ）に示すように、有限の幅をもつ線材をより細線化し、図１８（ｂ）に示すように、この細線を多角形、例えば4角形に配置する方法が提案され、交流損失の低減に効果を上げている。しかし、細線化をすることに伴い超電導特性の劣化が生じ、これらを考慮した最適化はこれまで行われていない。
Stravrey, Supercond. Sci. Technol. 18(2005) 1300-1312

本発明は、このような状況に鑑みてなされ、超電導特性を劣化させることなく交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、外径１．３〜５ｍｍの心線の周囲に、８本以上のＢｉ系又はＲＥ系からなるテープ状超電導線材を相互に重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導ワイヤーを提供する。

このように構成される超電導ワイヤーは、周囲に銅、ステンレス、ハステロイ（登録商標）、エナメル、ホルマル、ポリイミド樹脂、及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれた１種からなる保護層を設けたものとすることが出来る。

前記テープ状超電導線材の幅は、０．４８〜１．８ｍｍとすることができる。また、隣接する薄膜系超電導線材の間のギャップは、前記テープ状超電導線材の幅の１／２以下とすることができる。

前記テープ状超電導線材として、ＲＥ系線材を用いることができる。ＲＥ系はＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで示され、ＲＥはＬａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ及びＹから選択される。また、前記テープ状超電導線材は、ＩＢＡＤ又はＰＬＤにより形成された線材を、レーザ又はスリッターにより均等に分割して得たものとすることができる。

本発明の第２の態様は、以上の超電導ワイヤーの複数本を、１００mm以下のピッチで撚ってなることを特徴とする撚り線状超電導ワイヤーを提供する。

本発明の第３の態様は、心線の周囲に、第２の態様に係る撚り線状超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。

本発明の第４の態様は、心線の周囲に、第１の態様に係る超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。

本発明の第５の態様は、心線の周囲に、第４の態様に係る超電導導体の複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。

本発明によると、超電導特性を劣化させることなく交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る超電導ワイヤーを示す斜視図である。図１において、超電導ワイヤー１は、外径１．３〜５ｍｍの心線２の周囲に、８本以上（図では８本）の薄膜系（テープ状）超電導線材３を相互に重ならないようにスパイラル状に配置してなることを特徴とする。このとき、隣接する薄膜超電導線材同士はギャップを有した状態で並行配置されている。

心線２の材料としては、超電導ワイヤーの機械特性を考慮して、使い分けることが出来る。電気特性を主とするならば、電気伝導性の良好な銅や銅合金を用い、機械特性を重視するならば、ステンレス鋼や銅合金などを使用することが出来る。

心線２の外径は、１．３〜５ｍｍである必要がある。機械的な強度の点から、及び心線２の周囲に８本以上の薄膜系超電導線材３を重ならないように配置することを可能とするためには、心線２の外径は１．３ｍｍ以上である必要があり、ワイヤーを巻き付け、撚り合わせる２次加工を施す場合、径が大き過ぎると2次加工が困難となるため、５ｍｍ以下である必要がある。

薄膜系超電導線材としては、ＹＢＣＯ（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｄ）等のＹ系線材や、ＢＳＣＯ（ＢｉＳｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０）等のＢｉ系線材があるが、本発明では、ＹＢＣＯ（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｄ）等のＹ系線材を好ましく用いることが出来る。

薄膜系超電導線材は、所定の幅の超電導線材、例えばＩＢＡＤ（Ion Beam Assist Deposition）により形成された１０ｍｍ幅のＹ系線材を、レーザやスリッター等により均等に分割したものである。分割された細線の幅は、0.48〜1.8ｍｍ程度が好ましく、例えば０．４８ｍｍである。

細線の幅について、本発明者らは、ＩＢＡＤやＰＬＤ（Ion Beam Deposition）により製作した１０ｍｍの幅のＹ系線材について、分割された細線の幅と臨界電流比（分割後の臨界電流Ｉｃと分割前の臨界電流Ｉｃｏとの比）との関係についての実験を行い、図２に示す結果を得た。即ち、図２に示すグラフから、分割により臨界電流は低下するが、２０分割し、幅０．４８ｍｍとしても（残りの０．０２ｍｍはレーザ加工中に失われたもの）臨界電流比は０．９７であり、大きな劣化が無い事が確認された。

細線の幅は、Y系線材の材料と製造法に大きく依存すると考えられており、結晶のグレインサイズ（結晶粒径）の関係から説明される。Goyalらの論文（Goyal, Physica C 426-431(2005) 1083-1090）によると、グレインサイズに対して十分な線材幅を持たないと、グレインサイズの一つが欠陥となった場合、臨界電流の低下の可能性が大きくなる。

低下の可能性が小さい細線の幅はグレインサイズの１００倍である。

グレインサイズはY系線材の材料と製造法によって変わり、ＩＢＡＤ−ＰＬＤ法では、０．１〜数μmである。グレインサイズが数μｍであれば、その１００倍である数１００μｍが適正な線材幅であり、２０分割による細線の幅０．４８ｍｍは、それほど劣化しない細線の幅の下限に近い値と考えることが出来る。

心線２の周囲に配置する薄膜系超電導線材３の数は８本以上であり、８本未満では、交流損失の低減効果が不十分である。

８本以上の薄膜系超電導線材３は、心線２の周囲に相互に重ならないように沿わせて配置され、スパイラルに巻き付けられる。その上には、保護材４が形成されている。また更に、保護材４上に被覆を施してもよい。

保護材４としては、良導体としての銅、またはステンレスやハステロイ（登録商標）などの高抵抗金属合金、被覆としてはエナメルやホルマルやポリイミド樹脂やテフロン（登録商標）など液体窒素中で性能を維持する物を使用用途に分けて使い分けることが出来る。

このように、超電導ワイヤーを保護材４により被覆することにより、液体窒素の浸漬や薬品との接触等の外部環境の変化に非常に強い構造が得られる。

細線化した線材同士のギャップ（隙間）は小さいほど望ましいが、スパイラルに巻き付ける場合、ある程度のギャップは必要である。目安として、ギャップは、線材幅の１／２以下にすることが望ましい。

図３は、細線化した線材を心線に巻き付ける本数と交流損失との関係を示すグラフである。図３から、７本までは急激に交流損失の低下が確認できるが、８本以上になると、低下もやや飽和気味の傾向を見せる。そのため、８本以上の細線化した線材を心線に巻き付ける必要がある。なお、細線化した線材の本数が多すぎる場合には、細線の幅が小さくなりすぎて、臨界電流が低下するため、好ましい線材の本数は、１０〜３０本である。更に好ましくは、１８〜２４本である。

以上のように構成されるＹ系超電導ワイヤーの交流損失をBi線材(テープ状)、Biワイヤー（ワイヤー状）、Y系線材（テープ状）、Y系スタック（Y系線材を重ねた）と比較した場合、それらに対し、低い交流損失を示す。特に、交流損失の内、通電損失と磁化損失の両方において、低い特性を示すので、高電流・低磁場のケーブルにも、高磁場のマグネットにもどちらにも有用である。

本発明者らは、このことを示す試験を以下のように行なった。

即ち、まず、ＩＢＡＤ法で作製された１０ｍｍの幅のY系線材をレーザにより２０分割した。このときの線材の幅は０．４８ｍｍである。

このようにして得たY系線材を１０本、１．６mmφの径の心材に、スパイラルに巻き付け、図４（ａ）に示す断面形状のY系ワイヤー1を得た。スパイラルピッチは３００ｍｍであり、線材間のギャップ（隙間）は０．０２３ｍｍであった。

次に、幅０．４８ｍｍのY系線材を１８本を、同様にして、２．９mmφの径の心材に、スパイラル状に巻き付け、図４（ｂ）に示す断面形状のY系ワイヤー２を得た。スパイラルピッチは３００ｍｍであり、線材間のギャップ（隙間）は０．０２６ｍｍであった。

これらのY系ワイヤー１,２について、磁場角度と交流損失との関係を求めたところ、図５に示す結果を得た。なお、図５には、図１６に示す従来のＢＳＣＣＯテープ、ＢＳＣＣＯワイヤー、ＹＢＣＯスタック、ＹＢＣＯストリップの磁場角度と交流損失との関係も示している。

図５に示す結果から、Y系ワイヤー１は、ＢＳＣＣＯテープ、ＢＳＣＣＯワイヤー、ＹＢＣＯスタックよりも全ての磁場角度において交流損失が小さくなっていることがわかる。また、Y系ワイヤー２は、ＢＳＣＣＯテープ、ＢＳＣＣＯワイヤー、ＹＢＣＯスタック、ＹＢＣＯストリップ、及びY系ワイヤー１よりも、１／１０に交流損失が小さくなっていることがわかる。

次に、本発明者らは、１０ｍｍ幅のＹ系超電導線材（ａ）と、Ｙ系超電導線材（ａ）を１８分割して得たストリップ（ｂ）と、上記で作製したＹ系ワイヤー２（ｃ）について、通電損失および磁化損失を比較する試験を行なった。なお、（ｂ）と（ｃ）では、構成材料はおなじであるが、（ｃ）はワイヤー化している点で異なっている。その結果を図６に示す。
図６に示す結果から、（ａ）から（ｂ）への細線化により、超電導の臨界電流が１０％低下していることがわかる。これに対し、（ｂ）から（ｃ）へのワイヤー化では、臨界電流の低下は無かった。なお、図６のグラフでは、これらの臨界電流の違いを統一するため、横軸をＩｔ／Ｉｃ（通電電流のピークＩｔ／臨界電流Ｉｃ）とし、縦軸の交流損失はＩｃ^２に比例する事から、交流損失をＩｃ^２で除したものとした。

図６から、（ｃ）の交流損失が最も小さいことがわかる。（ａ）と比較すると、（ｃ）の交流損失は、（ａ）の１／３以下にまで低下している。また、（ａ）と（ｂ）はテープ状であるため、ねじりや折れや曲がりに弱く、ハンドリングが悪いという問題があるが、（ｃ）はワイヤー状であるので、ハンドリングは良好である。

図７は、テープ面に垂直の磁場をかけたときの磁化損失を示すグラフである。図９のグラフから、上記で作製したＹ系ワイヤー２は、ＢＳＣＣＯテープ、ＢＳＣＣＯワイヤー、ＹＢＣＯスタック、ＹＢＣＯストリップ、及びＹＢＣＯを１８分割した１８本の細線よりも磁化損失は低く、最も損失の低いＢＳＣＣＯワイヤーと比較しても、その１／１０であることがわかる。

以上説明した図１に示すＹ系超電導ワイヤーは、径が小さいので、複数本を撚り合わせたり、集合化して、図８〜１３に示すような様々な超電導導体を作製することが出来る。以下、それらの作製例について説明する。

図８に示す例は、図１に示すＹ系超電導ワイヤー１を３本撚って得た撚り線状超電導ワイヤー１０である。図９に示す例は、図１に示すＹ系超電導ワイヤー１を２本撚って得た撚り線状超電導ワイヤー２０である。図１０に示す例は、心線１２の周囲に、図１に示すＹ系超電導ワイヤー１を６本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体３０である。

このように、図１に示すＹ系超電導ワイヤー１を複数本、撚り合わせたり、集合化することにより、長手方向の平行磁場から生じる結合損失を減少させる事が出来る。

図１１に示す例は、心線２２の周囲に、図９に示す撚り線状超電導ワイヤー２０を６本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。図１２に示す例は、心線２２の周囲に、図８に示す撚り線状超電導ワイヤー１０を６本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。図１３に示す例は、心線２２の周囲に、図１０に示す超電導導体３０を６本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。

このように図８、図９、図１０に示す撚り線状超電導ワイヤー１０,２０及び超電導導体３０を更に集合化することにより、大容量かつ交流損失の小さい超電導導体を作製することができる。なお、撚り線状超電導ワイヤー１０,２０及び超電導導体３０は、いずれも周囲を被覆層により覆われている。

このように製作した超電導導体は、超電導ワイヤー間のギャップが取りやすく、動きの自由度も大きいため、曲げに対する機械的強度を大きく上げることが出来る。

通常、テープ状の超電導体を作製する場合には、図１４（ａ）に示すように、フォーマとなる芯３１に超電導線材３２をスパイラル状に巻き付けており、電流容量が少ない場合には、図１４（ｂ）、（１４ｃ）に示すように、更に超電導線材３３,３４をスパイラル状に巻き付け、多層にしている。

図１４（ａ）に示すような形状の超電導体の場合、曲げた時に、線材の逃げは、超電導線間ギャップｇのみで行われる。さらに、図１４（ｂ）、（１４ｃ）に示すように、多層導体になった場合、層毎の電流を等しくするために、スパイラルピッチを変える必要がある。多層になると、そのスパイラルピッチは大きく変わり、スパイラルピッチが短いと、巻き付け時に劣化を起こし、スパイラルピッチが長いと、機械曲げをしたときに劣化を起こしやすい。従って、超電導線材間のギャップが、ある程度必要となる。

ギャップが十分あれば、１ｍＲ曲げでも劣化は少ないが、０．９ｍＲだと１０％の劣化が見られる。一方、図１２や図１３に示す導体形状では、０．５ｍＲでも劣化を示さない図１２に示す導体を例に取ると、導体を曲げると、超電導線材に直接ひずみがかかるまで構成材である図８に示す導体がスライドし、曲げを吸収し、さらに、曲げても、構成材導体の更に構成材である図１に示す超電導ワイヤーがスライドし、曲げを吸収するため、優れた曲げ特性を示す。

また、交流損失の点でも図１２に示す導体と図１４（ｃ）に示す３層導体を比較したところ、図１２に示す導体の交流損失の大きさは、図１４（ｃ）に示す導体の１０％以下と非常に小さい。

本発明の一実施形態に係る超電導ワイヤーを示す斜視図。分割された細線の幅と臨界電流比との関係を示す特性図。細線化した線材を心線に巻き付ける本数と交流損失との関係を示す特性図。１０本及び１８本のY系線材を心材にスパイラルに巻き付けて得たY系ワイヤー１，２を示す図。、Y系ワイヤー１,２についての磁場角度と交流損失との関係を示す特性図。Ｙ系超電導線材、ストリップ、及びＹ系ワイヤー２についての通電損失失を示す特性図。Ｙ系超電導線材、ストリップ、及びＹ系ワイヤー２について、テープ面に垂直の磁場をかけたときの磁化損失を示す特性図。図１に示すＹ系超電導ワイヤーを３本撚って得た導体を示す図。図１に示すＹ系超電導ワイヤーを２本撚って得た導体を示す図。心線の周囲に、図１に示すＹ系超電導ワイヤーを６本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。心線の周-囲に、図８に示す導体を６本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。心線の周囲に、図９に示す導体を６本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。心線の周囲に、図１０に示す導体を６本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。従来の芯に超電導線材をスパイラル状に巻き付けてなる導体を示す図。従来のテープ状ＢＳＣＣＯ線材及びテープ状ＹＢＣＯ線材を示す図。従来のＢｉ系線材及びＹ系線材の様々な線材の形式を示す図。超電導円筒を示す図。交流損失の低減のため、細線化された線材及び4角形に配置された線材を示す図。

符号の説明

１…超電導ワイヤー、２,１２,２２…心線、３…薄膜系超電導線材、１０,２０撚り線状超電導ワイヤー、３０・・・超電導導体、３１…芯、３２,３３,３４…超電導線材。

Claims

外径１．３〜５ｍｍの心線の周囲に、８本以上のＢｉ系又はＲＥ系からなるテープ状超電導線材を相互に重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導ワイヤー。
周囲に銅、ステンレス、ハステロイ（登録商標）、エナメル、ホルマル、ポリイミド樹脂、及びテフロン（登録商標）からなる群から選ばれた１種からなる保護層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の超電導ワイヤー。
前記テープ状超電導線材の幅は、０．４８〜１．８ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導ワイヤー。
隣接するテープ状超電導線材の間のギャップは、前記テープ状超電導線材の幅の１／２以下であることを特徴とする請求項３に記載の超電導ワイヤー。
前記テープ状超電導線材は、ＩＢＡＤ又はＰＬＤにより形成された線材を、レーザ又はスリッターにより均等に分割して得たものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超電導ワイヤー。
請求項１〜５のいずれかに記載の超電導ワイヤーの複数本を、１００mm以下のピッチで撚ってなることを特徴とする撚り線状超電導ワイヤー。
心線の周囲に、請求項６に記載の撚り線状超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
心線の周囲に、請求項１〜５のいずれかに記載の超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
心線の周囲に、請求項８に記載の超電導導体の複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。