JP5718171B2 - 化合物超電導撚線の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、化合物超電導撚線の製造方法に関し、特に、超電導体内部のひずみが緩和または除去されて高い臨界電流等の優れた超電導特性を有する化合物超電導撚線の製造方法に関する。

従来、Ｎｂ_３Ｓｎ等の化合物超電導線を用いた超電導マグネットの製造には、一般にマグネット形成後に化合物生成熱処理を施すワインド・アンド・リアクト法を適用する。これは、熱処理されたＮｂ_３Ｓｎ等の化合物超電導線が歪みに対して非常に弱く、熱処理後に大きな歪みが作用する巻線工程などを実施できないことが原因である。

ワインド・アンド・リアクト法を用いて高磁界加速器用ダイポールマグネット、高磁界大口径マグネット等の大型マグネットを製造する場合、Ｎｂ_３Ｓｎ生成のための化合物生成熱処理を、６００℃以上の所定の温度で真空または不活性ガス雰囲気の炉内で行う必要があるが、大型の熱処理を用意しなければならず、マグネット寸法に制限を受けるという問題があった。

高磁界でコンパクトな超電導マグネットを製造するためには、超電導導体の電流密度を上げて、大電流を流す事が有効であるが、その手段の一つとして超電導素線の撚線化が上げられる。しかし、Ｎｂ_３Ｓｎ等の化合物超電導線を用いる場合は、大きな歪みを与えることはできず、上記で示した問題は解決されない。

Ｎｂ_３Ｓｎ等の化合物超電導線が歪みに弱い原因は、熱処理後の超電導体が脆いこと、複合材料であるため、冷却した場合にそれぞれの材料の熱収縮の違いによって発生する超電導体の圧縮残留歪みによるものだが、最近、ＣｕＮｂ、ＣｕＡｌ_２Ｏ_３などの強化材を内包した強化型Ｎｂ_３Ｓｎ線材が開発され、その強度向上により熱処理後に巻線工程を行うリアクト・アンド・ワインド法によりマグネットを製造できるようになった。しかし、リアクト・アンド・ワインド法においても、巻線工程における超電導線に作用する歪みは許容値を超えてはならず、また、冷却による超電導体の圧縮残留歪みによる電流特性が劣化する問題は残っている。

そこで、残留歪みの問題解決のために、特許文献１には、化合物超電導線内部に残留する歪みを緩和するため、化合物生成熱処理後に曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を行い、その後撚線加工を行うことでマグネット用の化合物超電導線を生成する方法が開示されている。

特開２００７−５９１３６号公報

しかしながら、超電導素線を撚線化して導体にする場合、熱処理によって形成された化合物超電導線を曲げ加工後に撚線加工を行う場合には、歪みが大きくかかる撚線の場合には取り扱いが困難という問題が生じてしまう。

そこで、本発明は、化合物超電導線内部に残留する歪みを緩和し、かつ、撚線加工の際に超電導特性の性能を低下させない製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る化合物超電導撚線の製造方法は、所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程と、 複数の前記線材を用いて撚線を形成する撚線加工工程と、前記撚線工程後の撚線に前記熱処理を施して前記化合物超電導原料を超電導体にし、前記撚線を化合物超電導撚線にする熱処理工程と、 前記熱処理工程において得られた化合物超電導撚線に、曲げ歪みを加える曲げ加工工程とを備えたことを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る化合物超電導撚線の製造方法は、前記曲げ加工工程において、前記化合物超電導撚線に曲げ歪みを０．５％以上１．０％以下の範囲内で加えることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る化合物超電導撚線の製造方法は、前記曲げ加工工程が正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工工程を有することを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る化合物超電導撚線の製造方法は、前記両振り曲げ加工工程において、正反両方向から１回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を、前記化合物超電導撚線に５回以上２０回以下の回数施すことを特徴とする。

本発明の第５の態様に係る化合物超電導撚線の製造方法は、前記化合物超電導体がＮｂ_３ＳｎまたはＮｂ_３Ａｌからなることを特徴とする。

本発明の第６の態様に係る化合物超電導撚線の製造方法は、前記線材形成工程において、前記線材にＣｕＮｂ、ＣｕＡｌ₂Ｏ₃、ＣｕＮｂＴｉ、およびＴａのうちの何れか１種類の導電性材料からなる強化材が形成されることを特徴とする。

本発明によると、撚線加工後に熱処理がなされた化合物超電導撚線に曲げ歪みを加える曲げ加工を施すことによって、撚線を構成する素線毎の歪みを制御することなく化合物超電導撚線の内部の歪みを緩和することができ、更に、臨界電流等の超電導特性の向上が図れる化合物超電導撚線の製造方法を実現することができた。

図１は、本発明の化合物超電導撚線の製造方法を説明するための工程図である。 図２は、本発明の化合物超電導撚線に用いる素線の断面形状の一例を表す図である。 図３は、本発明の化合物超電導撚線に用いる素線の他の断面形状の例を表す図である。 図４は、本発明の化合物超電導撚線の断面形状の一例を表す図である。 図５は、曲げ加工工程において両振り曲げ加工を施す装置の構成の一例を表す図である。 図６は、曲げ加工工程において片振り曲げ加工を施す装置の構成の一例を表す図である。

以下に、本発明の化合物超電導撚線の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の化合物超電導撚線の製造方法の１つの態様は、図１に示すように、所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程Ｓ１０１と、線材形成工程Ｓ１０１において形成された線材を複数用いて撚線を形成する撚線加工工程Ｓ１０２と、撚線加工工程Ｓ１０２において形成された撚線に熱処理を施して化合物超電導原料を超電導体にし、撚線を化合物超電導撚線にする熱処理工程Ｓ１０３と、熱処理工程Ｓ１０３において得られた化合物超電導撚線に、曲げ歪みを加える曲げ加工を施す曲げ加工工程Ｓ１０４とを備えたことを特徴とする化合物超電導撚線の製造方法である。

＜線材形成工程＞
線材形成工程Ｓ１０１において形成される線材１０の断面構造の一例を図２に示す。図２において、中央の領域１を超電導体の原料が占め、最も外側の領域３を安定化材が占め、中央の領域１と外側の領域３との間の領域２を強化材が占めている。

強化材および安定化材には金属または合金材料等の導電性を有する材料が用いられる。強化材には、例えば、ＣｕＮｂ、ＣｕＡｌ_２Ｏ_３ 、ＣｕＮｂＴｉ、Ｔａ等を用いてもよい。また、安定化材には、Ｃｕを用いてもよい。ただし、強化材および安定化材にその他の材料を用いてもよい。領域１を占めることになる化合物超電導体には、例えば、Ｎｂ_３Ｓｎ 、Ｎｂ_３Ａｌ等が用いられる。また、化合物超電導体が１μｍ以上の直径のフィラメントを複数組み合わせて得られる構成のものであってもよい。

なお、撚線加工に用いる線材１０の断面構造は、図２に示すものに限定されず、その他の断面構造を有するのでもよい。具体的には、図３に示す断面構造等を有するのでもよい。図３において、最も外側の層はＣｕからなる安定化材である。図３には、それぞれ、中央の化合物超電導体となる超電導原料部分と最外層の安定化材との間にＣｕＮｂ等からなる強化材が占めるＣｕＮｂ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材の断面図が（ａ）に、中央のＣｕＮｂＴｉ等からなる強化材と最外層の安定化材との間に化合物超電導体となる超電導原料が占めるＣｕＮｂＴｉ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材の断面図が（ｂ）に、Ｎｂ_３Ｓｎフィラメントの１本１本がＴａ芯を有するＴａ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材の断面図が（ｃ）に、Ｃｕからなる中央の芯線と最外層の安定化材との間に化合物超電導体の超電導原料が占める無補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材の断面図が（ｄ）に示されている。

表１は、各ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材の構成の例について説明するための表である。表１において、強化材の欄に（Ｔａ）と記載されたものは、フィラメントがＴａからなる芯線を有することを示し、強化材の欄に＜Ｃｕ＞と記載されたものは、強化材を設けていないが、線材断面の中央部をＣｕを占めることを表す。各ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材のブロンズ成分は、表１に示すように、Ｔａ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材を除き、重量組成でＳｎが１４％、Ｔｉが０．２％、Ｃｕが残りである。Ｔａ補強ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材については、重量組成でＳｎが１５％、Ｔｉが０．３％ 、Ｃｕが残りである。

なお、撚線加工工程及び熱処理工程を経た各ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材２０の線径はφ１ｍｍであり、フィラメント径はＴａ芯を有するもの（φ７．９μｍ）を除きφ３．５μｍである。各ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線材の断面積を占める安定化材、強化材および超電導体の面積の比は、表１中に「Ｃｕ／ＲＭ／ＳＣ」として記載されている。Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導体は、線材の断面積の４４〜５１．３％の面積を占める。

＜撚線加工工程＞
撚線加工工程Ｓ１０２においては、線材形成工程Ｓ１０１において形成された線材１０を撚り合わせる加工を行う。更に、線材を所定の形状等に成型する成型加工を行ってもよい。
本発明によって得られる化合物超電導撚線の形態としては、図４（ａ）に示すような丸型の化合物超電導撚線１００や図４（ｂ）に示すような平角型の化合物超電導撚線２００（一般的に、ラザフォードケーブルと呼ばれる）などがある。加工を行う際に用いる線材（素線）１０の数や、撚りピッチは生成しようとする化合物超電導撚線１００，２００の構成や寸法、共巻きする素材（図４（ａ）における共巻き材３０）等に応じて異なる。

＜熱処理工程＞
熱処理工程Ｓ１０３においては、所定の条件で化合物生成熱処理を施して線材形成工程Ｓ１０１において形成された線材１０を化合物超電導線材２０にする。この化合物生成熱処理は、例えばＮｂ_３Ｓｎの場合、６５０℃〜７００℃等の６００℃以上の所定の温度、真空中または不活性ガス雰囲気中、１００時間、行われるのでもよい。ただし、化合物生成熱処理の条件は、一般に、生成しようとする化合物超電導体、化合物超電導原料、線材の構成、寸法等に応じて異なる。

＜曲げ加工工程＞
曲げ加工工程Ｓ１０４においては、化合物生成熱処理を施して得られた化合物超電導撚線１００，２００に、曲げ加工を施す。曲げ加工工程において、化合物超電導撚線１００，２００を構成する化合物超電導撚線１００，２００に曲げ歪みを０．５％以上１．０％以下の範囲内で加えることが好ましい。０．５％未満の場合には、化合物超電導撚線１００，２００の十分な特性向上が得られず、１．０％を超えると素線２０が劣化してしまうという問題がある。

なお、曲げ加工工程には、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工が含まれていてもよい。両振り曲げ加工として、例えば、化合物超電導撚線１００，２００に正反両方向から曲げ歪みを１回ずつ加える単一両振り加工を１回以上施すのでもよい。両振り曲げ加工の場合には、化合物超電導撚線１００，２００を構成する素線２０に対して均一な曲げ歪みを加えることができるという点で好ましい。両振り曲げ加工として単一両振り加工を１回以上施す場合に、例えば、図５に示すようにプーリ１３を用いて曲げ歪みを加えるのでもよい。このとき、化合物超電導撚線１００，２００のピッチや素線の径が所望の値に決定しているため、用いるプーリ１３の径を選択することで、線材に与える曲げひずみを制御することができる。

図５において、化合物超電導撚線１００は、化合物生成熱処理用ボビン１１に巻かれて熱処理が施されたものである。化合物超電導撚線１００は、所定の張力で巻き取り用ボビン１４に引き寄せられ、化合物生成熱処理用ボビン１１から回転部材１２、プーリ１３を介して巻き取り用ボビン１４に巻き取られる。ただし、両振り曲げ加工として、加工対象の撚線を回転しながら、または、捻りながら両振り曲げを様々な方向から加える加工、引っ張りと圧縮とを繰り返し加える加工、その他の正反両方向から力を加える加工を施すのでもよい。

両振り曲げ加工以外には、片振り曲げ加工を用いてもよい。片振り曲げ加工は、化合物超電導撚線に一方向から曲げ歪みを加えた後、化合物超電導撚線１００，２００を一旦直線状にする加工方法である。片振り曲げ加工として単一片振り加工を１回以上施す場合に、例えば、図６に示すようにプーリ１３を用いて曲げ歪みを加えればよい。このとき、化合物超電導撚線１００，２００のピッチや素線２０の径が所望の値に決定しているため、用いるプーリ１３の径を選択することで、素線２０に与える曲げひずみを制御することができる。

図６において、化合物超電導撚線１００，２００は、化合物生成熱処理用ボビン１１に巻かれて熱処理が施されたものである。化合物超電導撚線１００，２００は、所定の張力で巻き取り用ボビン１４に引き寄せられ、化合物生成熱処理用ボビン１１からプーリ１３を介して巻き取り用ボビン１４に巻き取られる。ただし、片振り曲げ加工として、加工対象の化合物超電導撚線１００，２００を回転しながら、または、捻りながら片振り曲げを様々な方向から加える加工、引っ張りと圧縮とを繰り返し加える加工を施すのでもよい。
図６においては、化合物生成熱処理用ボビン１１に巻かれた化合物超電導撚線１００，２００は、化合物生成熱処理用ボビン１１のボビン径によって決定される曲げ歪みがすでに与えられているため、化合物生成熱処理用ボビン１１から化合物超電導撚線１００，２００を引き出して、一旦、直線状とし、その後、プーリ１３を通すことによって逆方向の曲げ歪みを印加することができる。

なお、図５，６のような方法で化合物超電導撚線１００，２００に曲げ加工を行う際に化合物超電導撚線１００，２００に絶縁処理を行う場合には、化合物超電導撚線１００，２００がプーリ１３を通過した後、巻き取り用ボビン１４に巻き取られる間に行えばよい。

本発明の化合物超電導撚線の製造方法を、図面を参照しながら、実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
図４（ａ）に示すような断面構造を有した化合物超電導撚線１００を作成した。本実施例では、素線２０となる線材１０には、外周に安定化銅を配置し、超電導体にＮｂ_３Ｓｎを用い、安定化銅と超電導体の間に拡散バリア材としてＴａを用いたＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導体となる線材１０（素線径φは１ｍｍ）を使用した。

すなわち、線材の横断面における中心部に、Ｎｂ_３Ｓｎからなる化合物超電導体の原料を配置し、超電導体の原料の外周にＴａを配置し、更に、その外周に安定化銅を配置した複合体からなる線材１０を構成した。この線材を３本と、ステンレス線を４本用いて図４（ａ）のような撚線とした。このときの撚りピッチは、４５ｍｍとした。
この撚線に対して熱処理を施して、複合体に化合物生成反応を起こさせてＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導体を形成し、化合物超電導撚線１００とした。

得られた化合物超電導撚線１００に対して、正反両方向から０．８％程度の曲げ歪みを加えるため、プーリ１３の径を１２５ｍｍとし、両振り曲げ加工を５回施して、Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導撚線を製造した。

（比較例）
実施例と同様に超電導体となる線材を作成し、線材に対して熱処理を施して、複合体に化合物生成反応を起こさせてＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導体を形成し、化合物超電導線とした。得られた化合物超電導線に対して、正反両方向から０．８％の曲げ歪みを加えるため、プーリ１３の径を１２５ｍｍとし、両振り曲げ加工を５回施して、Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導線を製造した。
得られたＮｂ_３Ｓｎ化合物超電導線を３本と、ステンレス線を４本用いて図４（ａ）のように撚った。このときの撚りピッチは、４５ｍｍとした。このときの、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線

（評価）
以上のようにして得られた、Ｎｂ_３Ｓｎ化合物超電導撚線に対して、外部磁界を１２Ｔ〜１６Ｔの範囲で印加して臨界電流（Ｉｃ）の測定を行った。その結果、本実施例のＩｃは、１２Ｔ〜１６Ｔで比較例に比べて約１．４〜１．６倍となった。

これは、比較例の素線が与えられた曲げ歪みは、撚線由来の曲げ歪みと曲げ加工による曲げ歪みの両方を有しているためである。

比較例の化合物超電導撚線を構成する素線は、その螺旋構造によって周期的に曲げが加わっていることによって、曲げ加工による曲げ歪みの他に、撚線由来の曲げ歪みを有している。

ここで、曲げ加工の際の曲げによる曲率は、撚線の中心位置から撚線の最外周に配置される素線の中心までの距離である半径と螺旋構造のピッチパラメータと曲げ加工のための曲げ半径によって決まる。また、撚線由来の曲率は、撚線の中心位置から撚線の最外周に配置される素線の中心までの距離である半径と螺旋構造のピッチパラメータで決まる。また、化合物超電導撚線に対して行われる曲げ加工工程での曲率は、螺旋構造による曲率と曲げ加工の際の曲げによる曲率の和となる。

結果、比較例においては撚線由来の曲げ歪みを更に有していることになるため、比較例における化合物超電導撚線を形成する素線の曲げ歪みは１．０％を超えることとなり、超電導特性が低下してしまったと考えられる。

以上のことから、本実施例においては、撚線由来の曲げ歪みを有していないため、曲げ加工工程において与える曲げ歪みを制御するだけで化合物超電導撚線を構成する各素線の曲げ歪みを制御することができる。よって、歪みが大きくかかる撚線（例えばピッチが小さいような撚線や平角型の撚線）の場合には、本発明の製造方法を用いることで容易に撚線を取り扱うことが可能となる。

１、２、３ 領域
１０ 線材
１１ 熱処理用ボビン
１２ 回転部材
１３ プーリ
１４ 巻き取り用ボビン
２０ 化合物超電導線材
３０ 共巻き材
１００、２００ 化合物超電導撚線

Claims (6)

1. 所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程と、
   複数の前記線材を用いて撚線を形成する撚線加工工程と、
   前記撚線工程後の撚線に前記熱処理を施して前記化合物超電導原料を超電導体にし、前記撚線を化合物超電導撚線にする熱処理工程と、
   前記熱処理工程において得られた化合物超電導撚線に、曲げ歪みを加える曲げ加工工程とを備えたことを特徴とする化合物超電導撚線の製造方法。
2. 前記曲げ加工工程において、前記化合物超電導撚線に曲げ歪みを０．５％以上１．０％以下の範囲内で加えることを特徴とする請求項１に記載の化合物超電導撚線の製造方法。
3. 前記曲げ加工工程が正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工工程を有することを特徴とする請求項１または２に記載の化合物超電導撚線の製造方法。
4. 前記両振り曲げ加工工程において、正反両方向から１回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を、前記化合物超電導撚線に５回以上２０回以下の回数施すことを特徴とする請求項３に記載の化合物超電導撚線の製造方法。
5. 前記化合物超電導体がＮｂ₃ＳｎまたはＮｂ₃Ａｌからなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の化合物超電導撚線の製造方法。
6. 前記線材形成工程において、前記線材にＣｕＮｂ、ＣｕＡｌ₂Ｏ₃、ＣｕＮｂＴｉ、およびＴａのうちの何れか１種類の導電性材料からなる強化材が形成されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の化合物超電導撚線の製造方法。

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