JP5170897B2 - 平角超電導成形撚線及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、平角超電導成形撚線及びその製造方法に係り、特に、平角成形加工による寸法変動の小さい平角超電導成形撚線及びその製造方法に関する。

一般に、ＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎ等の金属超電導線材は、複数のＮｂ系フィラメントと、それを被覆する安定化銅とから構成されており、通電電流の大容量化、電流密度、機械的安定性、及び巻線作業性の向上のために成形撚線構造とされている。

一般に、経験磁界１〜２Ｔ以下で使用される交流用線材としては、安定化銅部分を一切なくし、マトリクス部分をすべてＣｕ合金とした構成のＮｂ系超電導線が用いられている。このような構成の交流用線材では、低磁界において臨界電流密度Ｊｃは極めて高く、磁界変化による損失が大きくなるので、安定性に欠ける。このため、交流用線材では、フィラメント径や線径を極力細くして、熱捌けを良好にしたり、線材の中央部にＣｕ合金バリア層で細かく仕切られた安定化銅を内蔵させたりして、低磁界における安定性を向上させている。しかしながら、このような交流用線材においては、履歴損失を低減し、安定性を向上させるためにＮｂ系フィラメント径を０．１〜０．５μｍまで細くしているので、磁界中でのＪｃが小さく、素線１本当たりの臨界電流容量が小さい。そのため、大電流線材に使用する場合には、これらの素線を多重に撚線化しなければならない。

一方、２Ｔ以上の高磁界側で使用されるパルス用Ｎｂ系線材は、例えば発電機用コイル、ＳＭＥＳ、素粒子加速器や核融合実験炉等で使用される理化学研究用マグネット等の機器に使用され、５Ｔ近傍の高磁界領域において数ｋＡから１０ｋＡを超える大電流容量が必要とされるので、撚線構造とされる。パルス用線材には、大電流容量だけでなく、高い機械的剛性、低い交流損失、高い安定性が要求されており、それらを用途に合わせてバランスさせる必要がある。

そこで、特許文献１に記載の発明では、パルス用ＮｂＴｉ超電導素線に関して、フィラメントが埋設されている銅合金の体積をＮｂＴｉフィラメントの体積に対して０．３〜０．６倍とし、更には、安定化材の総体積をＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５倍とすることで、通電安定性、低交流損失、高臨界電流密度を実現し、伸線加工において断線の抑制や表面品質を確保することを可能としている。

しかし、特許文献１に記載のパルス用ＮｂＴｉ超電導素線のみを撚線加工することは、高負荷率通電（臨界電流に対する通電電流の比率が１に近い通電条件）においてクエンチすると電流が安定化材に流れる際に、導体が発熱して特性低下や、ひいては、線材が溶断するという問題があり、好ましくない。

一方、特許文献２には、超電導線とＣｕ−１３％Ｓｎ合金からなる線材を交互に撚り合わせた超電導撚線の構造が開示されている。

しかし、特許文献１に記載のパルス用ＮｂＴｉ超電導素線と銅線を用いて、特許文献２に記載のある撚線を形成すると、超電導素線と銅線の変形強度が異なるため、成形加工時に銅の素線が選択的に圧延加工され長手方向に伸びてしまい、結果的に曲げた際に銅線の浮きが生じてしまう。

特開２００８−１４７１７５号公報 特開平２−１０３８１２号公報

本発明は、以上のような事情の下になされ、常電導素線の浮き出しが低減された平角超電導成形撚線及びその製造方法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、少なくとも安定化材からなる部分と金属系超電導フィラメントを含む超電導素線と、安定化材からなる常電導素線とを撚り合わせ、成形してなる平角超電導成形撚線であって、前記常電導素線の直径が前記超電導素線の直径よりも小さいことを特徴とする平角超電導成形撚線を提供する。

また、アスペクト比を１．５〜１０とすることが出来る。

更に、前記常電導素線の直径を前記超電導素線の直径の０．９０〜０．９９倍とすることが出来る。

更にまた、前記常電導素線として、残留抵抗比が３０以上の無酸素銅線を用いることが出来る。

また、前記常電導素線の本数を前記超電導素線の本数の０．２〜４倍の整数本数とすることが出来る。

更に、前記常電導素線と前記超電導素線を同一層内で周期的に配置することが出来る。

本発明の第２の態様は、以上の平角超電導成形撚線の製造方法であって、前記常電導素線を前記超電導素線の直径に対して、０．９０〜０．９９倍の直径に調整する工程と、前記超電導素線と前記常電導素線を同一層内に撚り合わせて平角形状に成形加工する工程とを具備することを特徴とする平角超電導撚線の製造方法を提供する。

このような平角超電導撚線の製造方法において、焼鈍工程を経た前記超電導素線と焼鈍工程を経ていない前記常電導素線を、前記撚り加工工程後に焼鈍する工程を更に具備することが出来る。

本発明によると、常電導素線の直径を超電導素線の直径よりも小さくすることにより、常電導素線の浮き出しを防止し、通電安定性の優れた平角超電導成形撚線を得ることが出来る。

本発明の一実施形態に係る平角超電導成形撚線に用いる超電導素線を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る平角超電導成形撚線の種々の構成を示す図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明における超電導線８本と常電導線４本を撚り合わせる際の配置例である。（ｃ）は、本発明における超電導線６本と常電導線６本を撚り合わせる配置例である。 本発明の一実施形態に係る平角超電導成形撚線の種々の構成を示す図である。（ｄ）は、本発明における超電導線６本と常電導線６本を撚り合わせる配置例である。（ｅ）は、本発明における超電導線１０本と常電導線２本を撚り合わせる際の配置例である。（ｆ）は、本発明における超電導線４本と常電導線８本を撚り合わせる際の配置例である。

以下、本発明の実施の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成形撚線を得るために使用される超電導素線の構成を示す断面図である。図１に示す超電導素線１０は、安定化材からなる断面略円形の芯部１６の外周にフィラメント集合体１５を設け、更にこのフィラメント集合体１５の外周に芯部１６と同じ材料の安定化材からなる安定化層１７を形成することにより構成されている。安定化層１７の外周には、被覆層１８が形成されている。

芯部１６とフィラメント集合体１５の境界部Ａは、図１の右側に拡大して示されている。即ち、芯部１６は、断面略六角形の棒状体１６ａがマトリクス状に複数配置されてなり、フィラメント集合体１５は、断面略六角形の１次素線１４がマトリクス状に複数配置されてなる。なお、１次素線１４は、外周に安定化材層１２を被覆した金属超電導フィラメント１３からなる。

金属超電導フィラメント１３を構成する金属超電導体としては、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ等を用いることが出来る。芯部１６、安定化材層１２、安定化層１７を構成する安定化材としては、銅、ＣｕＮｉ等の銅合金、無酸素銅（ＯＦＣ）等を用いることが出来る。被覆層１８としては、ＮｉやＣｒ等の金属メッキ層、樹脂層、及び酸化膜等を用いることが出来る。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び図３（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、本発明の一実施形態に係るＮｂＴｉ超電導成形撚線の様々な断面構成を示すものである。図２に示す構成では、図１に示す超電導素線（ＳＣ）１０と、安定化材からなる常導電素線（ＯＦＣ）２０とが、複数本ずつ、様々な配列で配置されており、これらを撚り合わせ、圧縮成形することにより、図２に示すような断面の平角超電導成形撚線が構成される。

図２（ａ）、（ｂ）に示す構成は、８本の超電導素線１０と４本の常導電素線２０を配置したもの、図２（ｃ）、図３（ｄ）に示す構成は、６本の超電導素線１０と６本の常導電素線２０を配置したもの、図３（ｅ）に示す構成は、１０本の超電導素線１０と２本の常導電素線２０を配置したもの、図３（ｆ）に示す構成は、４本の超電導素線１０と８本の常導電素線２０を配置したものである。

本発明の一実施形態に係る超電導成形撚線では、常電導素線２０の直径が超電導素線１０の直径よりも小さい。このように、常電導素線の直径を超電導素線の直径よりも小さくすることで、平角成形加工時の変形強度が異なる２種の素線の軸方向の変形度の違いを抑制することができる。これにより、変形強度が小さい常電導素線の浮き出しが防止され、寸法変動の小さい平角超電導成形撚線を得ることができる。寸法変動が小さい撚線は、巻き線性に優れているだけでなく、機械的な擾乱に対する通電不安定性が抑制されるという利点を有する。

また、本実施形態に係る超電導成形撚線では、常電導素線２０の直径は、超電導素線１０の直径の０．９０〜０．９９倍であることが望ましい。このような直径比とすることで、製作性に優れたものとなる。この直径比が０．９０未満の場合、超電導素線１０と常電導素線２０の寸法の違いが大きすぎて、ボイド率の増大により通電電流密度が低下し、成形性が劣り、線の動きが生じやすくなり、製作性や通電安定性が低くなる傾向となる。

一方、超電導素線１０と常電導素線２０の寸法が近すぎたり、超電導素線１０よりも常電導素線２０の直径が大きい場合には、平角成形加工時の変形強度が異なるため、これら２種の素線の軸方向の変形度の違いを抑制することが困難となったり、そのような変形度の違いを助長してしまう。その結果、変形強度が小さい常電導素線２０の浮き出しが発生し易くなり、寸法変動が大きくなり、実用的な平角超電導成形撚線を得にくい傾向となる。

また、本実施形態に係る超電導成形撚線では、常電導素線２０と超電導素線１０は層構造に形成されており、かつ、同一層内で周期的に配置されていることが望ましい。常電導素線２０と超電導素線１０を同一層内に配置することにより、平角成形加工時の本発明の効果が最大限に発揮される。また、均等に配置されることで、平角成形加工時に周方向に均等に変形が生じるため、常電導素線２０の浮き出しが抑制され、寸法変動が小さくなり、実用的な平角超電導成形撚線を得ることができる。

更にまた、本実施形態に係る超電導成形撚線では、常電導素線２０の本数は、超電導素線１０の本数の０．２〜４倍の整数本数であることが望ましい。このような本数の関係とすることにより、実用的な平角超電導成形撚線を得ることができる。常電導素線２０の本数が超電導素線１０の本数の０．２倍未満の場合には、撚線製造性がやや劣る。また、超電導素線の中の安定化材比を大きくする方が製造コスト上有利であり、４倍を越えると、撚線製造性がやや劣り、かつ、通電電流密度が小さくなり、磁場発生用の撚線としては好ましくない。

更に、本実施形態に係る超電導成形撚線では、常電導素線が、残留抵抗比が３０以上の無酸素銅線であることが望ましい。無酸素銅は、超電導線の安定化材として代表的なものであり、その超電導導体の要求特性を満足するために、残留抵抗比および機械的特性を調整することができる。

また、本実施形態に係る超電導成形撚線は、アスペクト比が１．５〜１０であることが望ましい。このような超電導成形撚線は、撚線製作性に優れているだけでなく、巻き線性に優れている。また、コイル運転時に電磁力を導体の面で受けられることで、通電安定性が高い。アスペクト比が１．５未満の場合には、巻き線性がやや劣り、１０を越える場合は、寸法変動が大きくなるなどの製作性がやや劣る傾向となる。なお、超電導素線１０と常電導素線２０で構成される最小撚り本数は、５本の超電導素線１０と１本の常電導素線２０等の６本である。

以上説明した平角超電導成形撚線は、常電導素線を超電導素線の直径に対して、０．９０〜０．９９倍の直径に調整する工程と、前記超電導素線と前記常電導素線を同一層内に撚り合わせて平角形状に成形加工する工程とを具備する方法により製造することができる。

さらに、応力除去焼鈍が施された超電導素線と応力除去焼鈍が施されていない常電導素線を、撚り合わせることができる。

この場合、撚線加工工程後に焼鈍することにより、導体全体の残留抵抗比や強度を用途に応じて調整することが可能である。

超電導素線１０は安定化材の強度を下げる目的で焼鈍を施し、安定化材からなる常電導素線２０には焼鈍を施さずに硬材としての強度を持たせることにより、２種類の素線の成形加工時の強度差を小さくすることができる。尚、撚り加工工程後に焼鈍工程を施すことにより、安定化材の強度を下げて導体としての巻線性を向上させるだけでなく、安定化材の残留抵抗比が大きくなり、導体としての安定性を向上させることもできる。

尚、本発明における成形撚線の通電容量および電流密度は、用途に応じて、超電導素線と共撚りする銅線の本数を適宜選択することにより、自由に決定することができる。 実施例
以下、本発明の実施例を示し、本発明についてより具体的に説明する。

実施例１
（ＮｂＴｉ超電導素線）
本実施例および比較例に係るＮｂＴｉ超電導平角成形撚線の製造には、線径０．９３ｍｍ、体積比Ｃｕ／ＣｕＮｉ／ＮｂＴｉ＝２／０．５／１、ツイストピッチ１０ｍｍ、残留抵抗比２５０、臨界電流５００Ａ（＠５Ｔ）の、図１に示す構造のＮｂＴｉ超電導素線１０を用いた。

（ＮｂＴｉ平角超電導成形撚線の製造）
２００℃×５ｈｒ相当の応力除去焼鈍を施したＮｂＴｉ超電導素線１０と、無酸素銅（ＯＦＣ）からなる常電導素線２０を撚り合わせ、更に圧縮成形を加えて、図２に示すような断面の、３４種の平角超電導成形撚線試料を製造した。このときのＮｂＴｉ超電導素線１０、無酸素銅（ＯＦＣ）、および製造時の条件は、下記表１に示す通りである。

即ち、常電導素線２０の線径を変化させ（実施例１−１〜１−６）、ＮｂＴｉ超電導素線１０と常電導素線２０の本数を変化させ（実施例１−７〜１−１９）、常電導素線２０の残留抵抗比を変化させ（実施例１−２０〜１−２５）、平角超電導成形撚線のアスペクト比を変化させ（実施例１−２６〜１−３２）た。

また、ＮｂＴｉ超電導素線１０と常電導素線２０の径が同一である試料（比較例１）、及びＮｂＴｉ超電導素線１０の径よりも常電導素線２０の径が大きい試料（比較例２）も作成した。

実施例２
（Ｎｂ_３Ｓｎ平角超電導成形撚線の製造）
ブロンズ法で作製したＮｂ_３Ｓｎ超電導素線（線径０．９３ｍｍ、フィラメント径４μｍ、銅比１、ツイストピッチ２０ｍｍ）表面にＣｒメッキ加工を施した超電導素線１０と、Ｎｂ_３Ｓｎ生成熱処理後の残留抵抗比が1５０の無酸素銅（ＯＦＣ）からなる常電導素線２０を撚り合わせ、更に圧縮成形を加えて、図２に示すような断面の、２８種の平角超電導成形撚線試料を製造した。このときのＮｂ_３Ｓｎ超電導素線１０、無酸素銅（ＯＦＣ）、および製造時の条件は、下記表２に示す通りである。

即ち、常電導素線２０の線径を変化させ（実施例２−１〜２−６）、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導素線１０と常電導素線２０の本数を変化させ（実施例２−７〜２−１９）、平角超電導成形撚線のアスペクト比を変化させ（実施例２−２０〜２−２６）た。

また、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導素線１０と常電導素線２０の径が同一である試料（比較例３）、及びＮｂ_３Ｓｎ超電導素線１０の径よりも常電導素線２０の径が大きい試料（比較例４）も作成した。

その後、６７０℃で９６ｈｒの熱処理を施し、６５０Ａ／ｍｍ^２（＠１３Ｔ、４．２Ｋ）の非銅部当たりの臨界電流密度Ｊｃを得た。

以上のようにして得た種々の平角超電導成形撚線について、線の浮き出し、撚線製造性、絶縁後巻線性について評価した。さらに、実施例１、比較例１、比較例２については、通電安定性についても評価を行った。それらの評価方法は、下記の通りである。

（評価方法）
１．線の浮き出し
撚線加工時の線の浮き出しの有無の外観検査により判断した。具体的には、１００ｍの加工において、浮き出しが無い場合を合格とした。

○：浮き出しゼロ（合格）
×：浮き出しあり（不合格）
２．撚線製造性
撚線製造性については、撚線加工時の線の撚り崩れ、撚りムラ、隙間発生の有無等の外観検査と、ポリイミドテープ絶縁加工時の長尺加工安定性により判断した。具体的には、１００ｍの加工において、外観不具合の有無と、厚み寸法の中心値に対する寸法変動を用い、以下の基準により撚線製造性評価を行った。

◎：外観不具合ゼロかつ寸法変動±０．０３ｍｍ以内
○：外観不具合ゼロかつ寸法変動が±０．０６ｍｍ未満
×：外観不具合あり、または／および寸法変動が±０．０６ｍｍ以上
３．絶縁後巻線性
絶縁後の巻き線性については、内径φ１５０ｍｍ×高さ１００ｍｍの巻き枠に、１００ｍ長の絶縁後の撚線をソレノイド巻きする際に発生する撚線の形状不良による巻き線異常の発生回数を用い、以下の基準により絶縁後巻線性評価を行った。

◎：巻線異常 ０回
○：巻線異常 １回または２回（但し、巻き線時に手直しできる軽微なものに限る）
×：巻線異常 ３回以上
４．通電安定性
ＮｂＴｉ平角超電導成形撚線の通電安定性については、平角超電導成形撚線に５Ｔの静磁界中で、通電した状態でヒータ加熱法により局所的に２Ｗの熱を与え、ヒータ加熱のない状態のＩｃに対して何％でクエンチするかどうかにより通電安定性を評価した。

◎：９８％以上
○：９６％以上９８％未満
×：９６％未満
以上の評価結果を下記表１及び表２に示す。表１は、ＮｂＴｉ超電導素線に適用した場合であり、表２はＮｂ_３Ｓｎ超電導素線に適用した場合である。アスペクト比は、撚線幅寸法÷撚線厚みの値であるが、ここでは、便宜上、撚線幅寸法は素線直径の撚本数倍÷２とし、撚線厚み寸法は素線直径×２×圧縮率（＝０．９５）で算出した。尚、Ｎｂ_３Ｓｎ素線においては、Ｎｂ_３Ｓｎ生成反応を生成させていない素線を撚り合わせ、代表的な構造に対して評価を行った。

上記表１についての下記の説明から、本発明の有効性が明らかである。即ち、超電導素線と常電導素線とを撚り合せ、成形してなり、常電導素線の直径が超電導素線の直径より小さい実施例１−１〜１−３２の平角超電導成形撚線試料は、いずれも常電導素線の浮き出しが無かった。

これに対し、常電導素線の直径と超電導素線の直径が同一の比較例１に係る平角超電導成形撚線、及び常電導素線の直径が超電導素線の直径よりも大きい比較例２に係る平角超電導成形撚線は、いずれも常電導素線の浮き出しが生じ、撚線製造性が劣悪であった。

また、常電導素線の直径が前記超電導素線の直径の０．９０〜０．９９倍である試料（実施例１−１〜１−４）は、撚線製造性、絶縁後巻線性、通電安定性がいずれも優れているが、常電導素線の直径が前記超電導素線の直径の０．９０未満の試料（実施例１−５及び１−６）は、いずれも撚線製造性、絶縁後巻線性、通電安定性が劣っていた。

常電導素線の本数が超電導素線の本数の０．２〜４倍の整数本数である（実施例１−８〜１−１６）は、常電導素線の本数が超電導素線の本数の４倍を越える試料（実施例１−１７、１−１８）に比べて撚線製造性が特に優れており、また、常電導素線の本数が超電導素線の本数の０．２倍未満の試料（実施例１−７、１−１９）に比べて、撚線製造性および通電安定性がより優れていた。

常電導素線が、残留抵抗比が３０以上の無酸素銅線からなる試料（実施例１−２０〜１−２３）は、常電導素線の残留抵抗比が３０未満の試料（実施例１−２４、１−２５）に比べて、特に通電安定性がより優れていた。

アスペクト比が１．５〜１０である試料（実施例１−２７〜１−３１）は、アスペクト比が１．５未満の試料（実施例１−２６）に比べて、絶縁後巻線性がより優れており、１０を越える試料（実施例１−３２）と比べて、撚線製造性がより優れていた。

以上、上記表１を用いて、ＮｂＴｉ超電導素線線を用いた本発明に関わる撚線の実施例について評価し、本発明の有効性を説明した。同様に、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導素線線を用いた本発明に関わる撚線の実施例についても、上記表２に示すとおり、その有効性を確認した。

１０…超電導素線、１２…安定化材層、１３…金属超電導フィラメント、１４…１次素線、１５…フィラメント集合体、１６…芯部、１７…安定化層、１８…被覆層、２０…
常導電素線。

Claims (6)

1. 少なくとも安定化材からなる部分と金属系超電導フィラメントを含む超電導素線と、安定化材からなる常電導素線と、を撚り合わせ、成形してなる平角超電導成形撚線であって、前記常電導素線の直径が前記超電導素線の直径の０．９０〜０．９９倍であり、前記常電導素線と前記超電導素線は層構造に形成されており、かつ、同―層内で周期的に配置されていることを特徴とする平角超電導成形撚線。
2. 前記常電導素線の本数は前記超電導素線の本数の０．２〜４倍の整数本数であることを特徴とする請求項１に記載の平角超電導成形撚線。
3. 前記常電導素線が、残留抵抗比が３０以上の無酸素銅線であることを特徴とする請求項１又は２に記載の平角超電導成形撚線。
4. アスペクト比が１．５〜１０であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の平角超電導成形撚線。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の平角超電導成形撚線の製造方法であって、
   前記常電導素線を前記超電導素線の直径に対して、０．９０〜０．９９倍の直径に調整する工程と、
   前記超電導素線と前記常電導素線を同一層内に撚り合わせ、それら素線が同―層内で周期的に配置される、平角形状に成形加工する工程と
   を具備することを特徴とする平角超電導撚線の製造方法。
6. 応力除去焼鈍が施された前記超電導素線と、応力除去焼鈍が施されていない前記常電導素線を、撚り合わせることを特徴とする請求項５に記載の平角超電導成形撚線の製造方法。

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