JPH10321058A

JPH10321058A - 交流用超電導導体

Info

Publication number: JPH10321058A
Application number: JP9289578A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Yumura; 洋康湯村; Kenichi Takahashi; 謙一高橋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】直流臨界電流値に対する交流臨界電流値の低
下を抑制することができ、直流臨界電流値とほぼ同等の
高い交流臨界電流値を有し、交流損失を抑制することが
可能な交流用超電導導体を提供する。【解決手段】超電導素線１は、高抵抗層２と、安定化
銅配置領域３、４と、ＮｂＴｉフィラメント配置領域５
とを備える。ＮｂＴｉフィラメント配置領域５には、Ｎ
ｂＴｉフィラメントが銅合金のマトリックス中に埋込ま
れている。安定化銅配置領域は、ＮｂＴｉフィラメント
配置領域５と高抵抗層２の間に配置された外周部安定化
銅配置領域３と、素線の横断面中央部に配置された中央
部安定化銅配置領域４の２つの領域を含む。超電導素線
１において安定化銅３、４の体積含有率がＮｂＴｉ合金
の体積含有率に対して１以上２以下である。複数本の超
電導素線１を常電導線８の周囲に撚り合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、交流用超電導導
体に関し、特に、超電導変圧器、超電導発電機、超電導
限流器等の電力応用分野で使用される超電導線材に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】液体ヘリウム中で用いる合金系の交流用
超電導線材として、超電導フィラメントの直径を１μｍ
以下に細径化し、銅合金からなる常電導マトリックス中
に超電導フィラメントが複数本埋込まれた交流用ＮｂＴ
ｉ（ニオブチタン）超電導素線や交流用Ｎｂ₃ Ｓｎ超電
導素線が開発されつつある。

【０００３】一般に、超電導線材を商用周波数の５０／
６０Ｈｚで用いるためには、印加される交流磁界下での
交流損失を低減する必要がある。交流損失は、超電導フ
ィラメントに発生するヒステリシス損失と、フィラメン
ト間に誘起される結合電流による結合損失と、常電導マ
トリックスに発生する渦電流損失とに分けることができ
る。ヒステリシス損失は超電導フィラメントの径に比例
するため、超電導フィラメントを細径化することにより
低減することができる。一般に商用周波数にて使用する
場合には、超電導フィラメントをサブミクロンのオーダ
まで細径化する。結合損失は超電導フィラメントのツイ
ストピッチの２乗に比例するため、結合損失を低減する
ためにツイストピッチを短くする必要がある。ツイスト
ピッチは素線径に依存するため、素線の直径を小さくす
る必要がある。一般に商用周波数で使用することを目的
とした交流用超電導素線の直径は、０．３〜０．１ｍｍ
程度となっている。また、常電導マトリックスに高抵抗
の銅合金を使用することにより、結合損失と渦電流損失
の低減を図っている。

【０００４】このように商用周波数で用いるために交流
損失を低減した超電導素線では、その素線の直径が上記
のようにできるだけ小さくされているので、超電導素線
１本に流すことができる電流値は限られている。しか
し、交流電力用ではｋＡ級の電流容量の超電導導体が必
要とされており、交流電力用の大電流容量導体を得るた
めには、上述のように細径化された超電導素線を複数本
束ねて撚線化する方法が用いられている。

【０００５】たとえば、超電導分路リアクトルや超電導
変圧器等に用いられる１ｋＡ級の交流超電導導体では、
０．１〜０．３ｍｍの線径の超電導素線６本を常電導金
属の中心線の周りに撚り合わせて一次撚線を作製し、さ
らにこの一次撚線６本を常電導金属の中心線の周りに撚
り合わせた二次撚線導体の構造が採用されている。さら
に上記の二次撚線導体６本を常電導金属の中心線の周り
に撚り合わせた三次撚線導体の構造を採用することによ
り、電流容量が数ｋＡ級の大電流容量導体を作製するこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、大電流
容量の導体を得るために複数本の超電導素線を撚り合わ
せた構造を採用することによって、導体の交流臨界電流
値が、超電導素線自体の直流臨界電流値の撚線本数倍を
大きく下回るという問題が生じた。特に、電流容量が数
ｋＡ級の大容量導体を目指した二次撚線以上の高次の撚
線構造を採用すると、この傾向が顕著であった。

【０００７】たとえば、ＮｂＴｉ線材の場合、素線のマ
トリックスとして高抵抗銅合金を使用することにより、
フィラメント径の低減とともに交流損失は数十ｋＷ／ｍ
³ （±０．５Ｔ、５０Ｈｚ）のレベルまで低減できる
が、この素線を撚り合わせた撚線導体の交流臨界電流値
は、直流臨界電流値に比べて大きく低下する。特に、交
流損失を低減するために、素線の常電導マトリックスと
して高抵抗の銅合金を使用し、安定化銅のＮｂＴｉに対
する比率（以下、安定化銅比率と称する）が小さい、あ
るいは安定化銅を全く含んでいない超電導素線を用いた
導体では、撚線導体の交流臨界電流値が直流臨界電流値
に比べて大きく低下する傾向が顕著である。たとえば、
外部磁界が１Ｔ以下の低磁界では、交流臨界電流値は直
流臨界電流値の５０％以下に低下する。この原因は以下
のように考えられる。

【０００８】素線の常電導マトリックスとして熱電導の
良好な銅を使用すれば、交流損失によって生じた熱が銅
を介して冷媒である液体ヘリウムに拡散されるため、導
体内部の温度上昇を抑制することができ、交流通電電流
の低下を抑制することができる。これに対して、上述の
ように素線の常電導マトリックスとして高抵抗の銅合金
を用いた超電導導体では、一般に高抵抗の銅合金の熱電
導率が銅に比べて１／１０００と小さいため、交流損失
により生じた熱は超電導導体の外部に拡散される効果は
小さく、したがって冷却効率が悪く、温度が上昇し、臨
界電流値自体が低下するためと考えられる。

【０００９】一般に素線中において安定化銅は、その加
工性の容易さから素線の横断面の中央部に配置される。
また、上述の交流電流値の低下を抑制するために素線の
横断面の中央部に配置された安定化銅比率を増加させる
ことにより、超電導導体の交流臨界電流値を直流臨界電
流値の８０％程度まで向上させることができることは特
開平８−３１５６４９号公報に開示されている。

【００１０】しかしながら、上記の公報に開示された超
電導導体の構成によっても交流臨界電流値の低下を完全
に抑制することはできないという問題点があった。ま
た、安定化銅比率のみを増加させることは交流損失を増
大させる要因となるという問題があった。

【００１１】さらに、上記のような特性を備えた超電導
導体を用いて、超電導コイル等の素子を、ある一定の規
格電流値を有するように設計する場合に、それぞれの素
線に加わる負荷をより低く設定する必要が生じる。この
ために導体を構成する素線の本数が増加し、さらに撚線
の次数も増加する。このことは、導体の断面積を増加さ
せ、交流損失の増大を招き、超電導機器のコンパクト化
をも阻害することとなる。

【００１２】一方、交流用超電導導体を限流器や変圧器
等の電力機器に適用するために、ｋＡ級の電流容量を有
し、交流損失が１００ｋＷ／ｍ³ （±０．５Ｔ、５０Ｈ
ｚ）以下、好ましくは数十ｋＷ／ｍ³ （±０．５Ｔ、５
０Ｈｚ）のレベルに抑えられた交流用超電導導体を開発
することが必須となっている。このためには、超電導素
線中のフィラメントの直径を０．２μｍ以下にし、かつ
この素線を用いて交流臨界電流値の低下が小さい超電導
導体を構成することが望まれている。

【００１３】そこで、この発明の目的は、上述のような
問題点を解決し、直流臨界電流値に対する交流臨界電流
値の低下を抑制することができ、直流臨界電流値とほぼ
同等の高い交流臨界電流値を有し、交流損失が数十ｋＷ
／ｍ³ （±０．５Ｔ、５０Ｈｚ）のレベル以下に抑制さ
れた交流用超電導導体を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の１つの局面に
従った交流用超電導導体は、銅および銅合金からなる群
より選ばれた常電導体からなるマトリックス中に超電導
導体からなるフィラメントが複数本埋込まれ、外周部に
高抵抗層を有する極細多芯超電導素線を複数本撚り合わ
せた撚線を含む。その超電導素線の横断面の中央部とフ
ィラメントの配置領域の外周部との両方に安定化銅が配
置されている。

【００１５】この発明のもう１つの局面に従った交流用
超電導導体は、上述のように構成された極細多芯超電導
素線を複数本撚り合わせた撚線を含み、その超電導素線
の横断面においてフィラメントの配置領域が安定化銅に
より分割されている。

【００１６】さらに、この発明の別の局面に従った交流
用超電導導体は、上述のように構成された極細多芯超電
導素線を複数本撚り合わせた撚線を含み、その超電導素
線の横断面の中央部とフィラメントの配置領域の外周部
との両方に安定化銅が配置され、かつその超電導素線の
横断面においてフィラメントの配置領域が安定化銅によ
り分割されている。

【００１７】超電導素線の横断面においてフィラメント
の配置領域が１層以上の安定化銅にり分割されているの
が好ましい。また、超電導素線の横断面においてフィラ
メントの配置領域が層状に配置された安定化銅の領域に
より２以上に分割されているのが好ましい。

【００１８】超電導素線におけるフィラメントの配置領
域の外周部に安定化銅が高抵抗部分を介在して連続的に
配置されているのが好ましい。

【００１９】超電導素線におけるフィラメントの配置領
域を分割する安定化銅が高抵抗部分を介在して連続的に
配置されているのが好ましい。

【００２０】上記のように構成された本発明の交流用超
電導導体において、好ましくは超電導体としてニオブチ
タン合金が用いられる。

【００２１】また、本発明の超電導導体においてフィラ
メントの直径は０．２μｍ以下であるのが好ましい。

【００２２】本発明の超電導導体では、撚り合わせられ
る超電導素線において安定化銅の体積含有率が超電導体
の体積含有率に対して１以上２以下であるのが好まし
い。

【００２３】超電導素線中に配置される安定化銅は、高
抵抗部分によって１０μｍ以下の外径を有する複数本の
線部分に分割されているのが好ましい。

【００２４】超電導素線を複数本撚り合わせることによ
る素線間の結合損失を抑制するために、超電導素線の外
周部の高抵抗層が、Ｎｉ、Ｍｎ、ＳｉおよびＳｎからな
る群より選ばれた１種以上の元素を含み、かつ４．２Ｋ
の温度において２×１０^-7Ω・ｍ以上の抵抗値を有する
非磁性銅合金からなることが好ましい。

【００２５】さらに、本発明の超電導導体で用いられる
超電導素線の直径を０．３ｍｍ以下にし、超電導素線の
ツイストピッチを短尺化することによって結合損失の低
減を図ることができる。なお、超電導素線のツイストピ
ッチとしては、超電導素線の直径の１０倍以下、好まし
くは４〜８倍とすることができる。

【００２６】好ましくは、本発明の超電導導体は、上述
の超電導素線が常電導体からなる芯材の周囲に所定の本
数配置された撚線構造を備えている。

【００２７】また、本発明の超電導導体は、複数本の上
述した超電導素線と非超電導線とを撚り合わせてなる一
次撚線をさらに撚り合わせてなるｎ次撚線（ｎは２以上
の整数）であり、１本または複数本の非超電導線からな
る芯材の周りに（ｎ−１）次撚線が撚り合わされた撚線
構造を備えていてもよい。なお、非超電導線と超電導素
線のマトリックスとが同一の組成を有する銅合金からな
ることが好ましい。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明は、超電導素線を撚り合わ
せた交流用超電導導体において、超電導素線中の安定化
銅の配置場所およびその割合、配置方法を規定すること
により、従来問題となっていた導体の直流臨界電流値に
対する交流臨界電流値の大幅な低下を抑制することがで
き、超電導導体の交流臨界電流値が高くなり、ほぼ直流
臨界電流値と同等になるという本願発明者らの知見に基
づくものである。以下、本発明に従った超電導導体の好
ましい具体的な実施の形態について説明する。

【００２９】本発明者は、まず、撚線導体を構成する超
電導素線において、素線の横断面の中央部と超電導フィ
ラメントの配置領域の外周部との両方に安定化銅を配置
することにより、直流臨界電流値に対する交流臨界電流
値の低下を抑制することができ、大幅に高い交流臨界電
流値を得ることができることを見出した。これは、電流
通電時と変動磁界とにより生ずる交流損失による発熱が
安定化銅を介して拡散される効果によるものである。特
に、超電導素線の横断面の中央部に配置される安定化銅
は、超電導導体の長手方向への発熱の拡散に寄与する。
これに対して特に、フィラメントの配置領域の外周部に
配置される安定化銅は、冷媒である液体ヘリウムに発熱
を拡散し、また熱伝導の良好な安定化銅を通じて液体ヘ
リウムによりフィラメント配置領域が冷却されるという
効果をもたらす。

【００３０】また、本発明者は、撚線導体を構成する超
電導素線の横断面においてフィラメントの配置領域が安
定化銅により分割されることによって、直流臨界電流値
に対する交流臨界電流値の低下を抑制することができ、
高い交流臨界電流値を得ることができることを見出し
た。これは、電流通電時と変動磁界とにより生ずる交流
損失による発熱が、フィラメントの配置領域を分割する
安定化銅を介して拡散される効果によるものである。

【００３１】さらに、撚線導体を構成する超電導素線の
横断面の中央部と超電導フィラメントの配置領域の外周
部との両方に安定化銅を配置するとともに、素線の横断
面においてフィラメントの配置領域が安定化銅により分
割されることによって、上記の発熱が安定化銅を介して
より効果的に拡散される。これにより、さらに高い交流
臨界電流値を得ることができる。

【００３２】特に、超電導素線の横断面の中央部とフィ
ラメントの配置領域の外周部とに配置される安定化銅の
体積含有率、あるいは超電導素線の横断面の中央部とフ
ィラメントの配置領域の外周部とフィラメント間に配置
される安定化銅の体積含有率を超電導体であるニオブチ
タン合金の体積含有率に対して１以上２以下、好ましく
は１．５以上２．０以下とすることにより、直流臨界電
流値とほぼ同等の交流臨界電流値を有する超電導導体を
実現することができる。超電導体、たとえばニオブチタ
ン合金に対する安定化銅の比率を２より大きくすると、
超電導素線中の超電導体としてのニオブチタン合金の絶
対量が少なくなり、臨界電流値自体が低下するため好ま
しくない。

【００３３】さらに、この安定化銅が高抵抗部分によっ
て１０μｍ以下の外径を有する複数本の線部分に分割さ
れることにより、安定化銅の配置による結合損失と渦電
流損失の増大による超電導素線の交流損失の増大を抑制
することができ、交流損失が低減された交流用超電導導
体を実現することができる。

【００３４】なお、フィラメント配置領域の外周部に配
置される安定化銅が高抵抗部分を介在して連続的に配置
されることにより、あるいは超電導素線におけるフィラ
メントの配置領域を分割する安定化銅が高抵抗部分を介
在して連続的に配置されることにより、発熱の拡散と液
体ヘリウムからの冷却効果が大きく、超電導導体の交流
臨界電流値を向上させる効果が大きく、大電流容量導体
を得ることができる。

【００３５】本発明の超電導導体に用いられる超電導素
線を構成する常電導マトリックスは、結合損失と渦電流
損失を低減させる観点から、高抵抗銅合金から形成され
ることが好ましい。この高抵抗銅合金としては、銅−ニ
ッケル合金、銅−ニッケル−マンガン合金、銅−錫合
金、銅−マンガン合金、銅−シリコン合金等を用いるこ
とができる。

【００３６】超電導素線の外周部に配置される高抵抗層
が、Ｎｉ、Ｍｎ、ＳｉおよびＳｎからなる群より選ばれ
た１種以上の元素を含む合金、たとえば、銅−ニッケル
合金、銅−ニッケル−マンガン合金、銅−マンガン合
金、銅−シリコン合金等で、かつ４．２Ｋの温度におい
て２×１０^-7Ω・ｍ以上の抵抗値を有する非磁性銅合金
から形成されることにより、超電導素線を撚り合わせた
構造の超電導導体で生ずる各素線間の結合損失を低く抑
えることができ、超電導導体の交流損失を低く抑えるこ
とができる。

【００３７】また、本発明の超電導導体に用いられる超
電導素線では、交流損失を低く抑えるためにフィラメン
トの直径を０．２μｍ以下まで極細化するのが好まし
い。さらに、超電導素線の直径を好ましくは０．３ｍｍ
以下、さらに好ましくは０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下
とする。また、超電導素線のツイストピッチを好ましく
は素線の直径の１０倍以下、さらに好ましくは４倍以上
８倍以下とする。このように構成することにより、本質
的にヒステリシス損失と結合損失を低減することがで
き、交流損失が低減された超電導素線と超電導導体を提
供することが可能になる。

【００３８】交流電力機器に超電導導体を適用するため
には、導体には最低でも１ｋＡ級の電流を常時通電でき
ることが必要である。そのためには、適用される超電導
導体の交流臨界電流値としては２〜３ｋＡ級以上の電流
容量が必要である。本発明においては、超電導素線を常
電導体からなる芯材の周囲に多層または多数本配置した
撚線構造、さらにそれらの撚線構造を繰返した高次のｎ
次撚線構造（ｎは２以上の整数）とすることにより、２
ｋＡ以上の交流臨界電流値、すなわち交流クエンチ電流
値を有する交流用超電導導体を提供することができる。

【００３９】また、撚線導体を構成する非超電導線と超
電導素線のマトリックスとが同一の組成を有する銅合金
から形成されることにより、冷媒中での熱収縮率を同等
とすることができ、撚線中の素線の動きを抑制すること
が可能となる。この結果、素線の動きにより生ずる発熱
を抑制することができ、高い交流臨界電流値を有する交
流用超電導導体を提供することができる。

【００４０】以上のように、本発明によれば、交流損失
が数十ｋＷ／ｍ³ （±０．５Ｔ、５０Ｈｚの条件下）の
レベル以下で、直流臨界電流値に対する交流臨界電流値
の低下が小さく、2 ｋＡ級以上の交流臨界電流値を有す
るコンパクトな実際的な規模の交流用超電導導体を提供
することができる。したがって、本発明は、超電導トラ
ンス、超電導変圧器、超電導発電機、超電導限流器など
の電力用途において、コンパクトな構成で、臨界電流値
が高く、交流損失の低減された、より実用的な超電導導
体を提供するものである。

【００４１】

【実施例】

（実施例１）図１は実施例１にて作製した超電導導体の
構成を模式的に示す横断面図である。図１に示すよう
に、超電導素線１は、外周部にＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉか
らなる高抵抗層２と、その内側に安定化銅配置領域３，
４と、ＮｂＴｉフィラメント配置領域５とを備えてい
る。安定化銅配置領域は、ＮｂＴｉフィラメント配置領
域５と高抵抗層２との間に配置された外周部安定化銅配
置領域３と、素線の横断面中央部に配置された中央部安
定化銅配置領域４との２つの領域からなる。また、安定
化銅配置領域３，４には、Ｃｕ−３０ｗｔ％Ｎｉからな
る高抵抗部分７によって、ほぼ六角形状の横断面を有す
る複数本の線部分に分割された安定化銅６が配置されて
いる。なお、外周部安定化銅配置領域３では、この高抵
抗部分７により分割された安定化銅６がＮｂＴｉフィラ
メント配置領域５の周囲を取囲むように連続的に１層配
置されている。この分割されている安定化銅６の外径は
５．３μｍである。ＮｂＴｉフィラメント配置領域５に
は、ＮｂＴｉ（ニオブチタン）合金フィラメントがＣｕ
−３０ｗｔ％Ｎｉのマトリックス中に多数本埋込まれて
いる。なお、ＮｂＴｉフィラメントの外径は０．１１μ
ｍまで極細化されている。

【００４２】上述のように構成された超電導素線１をＣ
ｕ−３０ｗｔ％Ｎｉからなる常電導線８の周りに６本配
置し、撚り合わせることにより一次撚線導体１０を作製
した。さらに、７本の一次撚線導体１０をＣｕ−３０ｗ
ｔ％Ｎｉからなる常電導線９の周りに配置し、撚り合わ
せることにより交流用超電導二次撚線導体１１を作製し
た。

【００４３】以上のような構成を有し、超電導素線中に
おいて安定化銅のＮｂＴｉ合金に対する体積含有率の比
率を変えた３種類の素線を用いて、３種類の二次撚線導
体を作製した。この実施例１で作製した超電導素線と撚
線導体の詳細な構成を表１に示す。素線中の安定化銅の
ＮｂＴｉ合金に対する体積含有率の比率、すなわち安定
化銅比率が０．５となる素線を用いて作製した導体を導
体Ａ、安定化銅比率が１．０となる素線を用いて作製し
た導体を導体Ｂ、安定化銅比率が１．５となる素線を用
いて作製した導体を導体Ｃとした。なお、交流損失を低
減するためにＮｂＴｉフィラメントの直径は０．１１μ
ｍまで極細化されており、またツイストピッチも素線径
の５倍の１．０ｍｍまで短ピッチ化されている。また、
素線のツイスト方向、一次撚線および二次撚線の撚り方
向はすべて右方向であり、撚りピッチは一次撚線が５ｍ
ｍ、二次撚線が１８ｍｍであった。

【００４４】（比較例１）比較のため、従来、一般に大
容量化のために採用されてきた構成の超電導導体も作製
した。図２は、比較例１として作製した超電導導体の構
成を模式的に示す横断面図である。図２に示すように、
超電導素線２０は、外周部にＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉから
なる高抵抗層２１と、その内側にＮｂＴｉフィラメント
配置領域２２と安定化銅配置領域２３とを備えている。
安定化銅配置領域２３は、超電導素線の横断面の中央部
に配置されている。また、安定化銅配置領域２３には、
Ｃｕ−３０ｗｔ％Ｎｉからなる高抵抗部分２５によっ
て、ほぼ六角形状の横断面を有する複数本の線部分に分
割された安定化銅２４が配置されている。この分割され
ている安定化銅２４の外径は、実施例１と同様に５．３
μｍである。ＮｂＴｉフィラメント配置領域２２には、
実施例１と同様に、ＮｂＴｉ合金フィラメントがＣｕ−
３０ｗｔ％Ｎｉのマトリックス中に多数本埋込まれてい
る。なお、ＮｂＴｉフィラメントの外径は、０．１１μ
ｍまで極細化されている。

【００４５】また、実施例１で作製した超電導導体と同
様に、上述のように構成された超電導素線２０をＣｕ−
３０ｗｔ％Ｎｉからなる常電導線２６の周りに６本配置
し、撚り合わせることにより一次撚線導体２８を作製し
た。さらに、７本の一次撚線導体２８をＣｕ−３０ｗｔ
％Ｎｉからなる常電導線２７の周りに配置し、撚り合わ
せることにより交流用超電導二次撚線導体２９を作製し
た。このようにして、作製した超電導二次撚線導体を導
体Ｄとした。

【００４６】上記の比較例１で作製した超電導素線と撚
線導体の詳細な構成を表１に示す。超電導素線中の安定
化銅比率は１．５であり、その他の超電導素線および一
次撚線、二次撚線の諸元は、実施例１で作製した導体と
ほぼ同じである。

【００４７】

【表１】

【００４８】（実験）上記の実施例１と比較例１で作製
した超電導導体について、５０Ｈｚ交流クエンチ電流
（交流Ｉｑ（導体））を測定した。Ｉｑの測定は、張力
を加えて超電導導体のサンプルを測定用治具に取付け、
液体ヘリウム（温度４．２Ｋ）中で外部磁界が０〜２Ｔ
の条件下で、５０Ｈｚの交流電流を徐々に増加させ、常
電導抵抗が発生するまでに通電することができた最大電
流値を測定することによって行なわれた。また、交流損
失特性も測定した。交流損失は、短尺の超電導導体のサ
ンプルに周波数５０Ｈｚ、±０．５Ｔの交流横磁界を印
加し、ピックアップコイルを用いた磁化法により測定し
た。

【００４９】測定結果を表２と図３に示す。表２におい
ては、素線の直流Ｉｃは、磁界が０．５Ｔの条件下での
直流臨界電流値を示す。したがって、素線の直流Ｉｃ×
６×７とは、素線自身の臨界電流値の撚り本数倍の値を
示し、すなわち、超電導導体の直流Ｉｃを示している。
また、導体の交流Ｉｑは、自己磁界（Ｂｓｅｌｆ）と外
部磁界（Ｂｅｘ）の合計値が０．５Ｔ、交流周波数が５
０Ｈｚにおいて交流通電電流のピーク電流値、すなわち
撚線導体の交流クエンチ電流値を示している。

【００５０】表２から明らかなように、実施例１の２種
類の導体Ｂ、Ｃの交流Ｉｑは２ｋＡを超えており、また
直流Ｉｃに対して８０％以上の良好な値を示している。
特に、導体Ｃでは、その比率が９６％と大幅に向上し、
ほぼ直流Ｉｃと同等な交流Ｉｑを得ることができた。こ
れに対して、導体Ａでは、直流Ｉｃに対する交流Ｉｑの
比率は５０％と低く、その値も２ｋＡ以下に留まってい
る。また、比較例１の導体Ｄについても、交流Ｉｑは作
製した導体の中で最も低い値であり、直流Ｉｃに対する
交流Ｉｑの比率も７５％と実施例１の導体Ｂ、Ｃには及
ばないことがわかった。

【００５１】また、図３は、実施例１と比較例１で作製
した導体の交流Ｉｑと素線自身の直流Ｉｃの撚り本数倍
で表わした導体の直流Ｉｃとの比較を行なった結果を示
している。縦軸は電流値（直流はＡ、交流はＡｐｅａ
ｋ）を示し、横軸は磁束密度Ｂ（Ｔ）を示す。Ｂｅｘ＋
Ｂｓｅｌｆは外部磁界と自己磁界の合計値を示す。「Ｉ
ｑ−５０Ｈｚ（ｃａｂｌｅ）」の黒四角印は周波数が５
０Ｈｚの交流電流を通電したときの交流Ｉｑを示し、素
線自身の直流Ｉｃの撚り本数倍で表わした導体の直流Ｉ
ｃは「Ｉｃ（ｓｔｒａｎｄ）×６×７」の白四角印で示
されている。

【００５２】導体に電流が通電される場合には、自己磁
界が発生し、その自己磁界の平均値が導体電流値１００
０Ａ当り０．１Ｔが素線に印加されることから、図３で
は、この自己磁界を考慮して導体の交流Ｉｑと直流Ｉｃ
の比較を行なっている。

【００５３】図３から明らかなように、素線における安
定化銅が中央部とフィラメント配置領域の外周部との両
方に配置され、かつその安定化銅の体積含有率がＮｂＴ
ｉ合金の体積含有率に対して１．０、１．５の導体Ｂ、
導体Ｃの交流Ｉｑが直流Ｉｃから大きく低下せず、高い
交流Ｉｑを有することがわかった。

【００５４】上述の実験結果によれば、素線の横断面の
中央部とフィラメントの配置領域の外周部との両方に安
定化銅を配置したことによる熱的安定性の向上による効
果が確認され、中央部のみに安定化銅を配置した素線を
用いた比較例の超電導導体よりも、大幅に高い交流Ｉ
ｑ、さらには大幅に高い、直流Ｉｃに対する交流Ｉｑの
比率を得ることができることが明らかとなった。

【００５５】特に、素線の安定化銅比率を１以上とする
ことにより、直流Ｉｃに対する交流Ｉｑの比率を８０％
以上と非常に高くすることができ、特に安定化銅比率を
１．５近傍にすることにより、直流Ｉｃとほぼ同等の交
流Ｉｑを得ることができることが明らかとなった。

【００５６】また、交流損失の結果も、実施例１で作製
した導体はいずれも１０ｋＷ／ｍ³以下と非常に小さ
く、安定化銅をフィラメント配置領域の外周部に配置し
たことによる増大は見られないという結果が得られた。
これは、マトリックスに高抵抗のＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ
を用い、ＮｂＴｉフィラメントの外径を０．１１μｍま
で極細化し、かつツイストピッチを素線径の５倍の１．
０ｍｍまで短ピッチ化した効果によるものである。さら
には、上記の結果は、安定化銅を高抵抗部分によって分
割し、その分割された安定化銅の外径を５．３μｍまで
極細化したことによる、結合損失と渦電流損失の低減に
よってもたらされる効果である。

【００５７】

【表２】

【００５８】表２中において＊は自己磁界と外部磁界の
合計値を示す。

【００５９】なお、上記実施例１においては、超電導素
線の外周部の高抵抗層、高抵抗部分、常電導線のいずれ
もＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ合金で形成しているが、本発明
の超電導導体はこれらに限定されるものではない。

【００６０】（実施例２）図４は実施例２にて作製した
超電導導体の構成を模式的に示す横断面図である。図４
に示すように、超電導素線３０は、外周部にＣｕ−３０
ｗｔ％Ｎｉからなる高抵抗層３１と、その内側に安定化
銅配置領域３２，３３，３４と、ＮｂＴｉフィラメント
配置領域３５，３６とを備えている。安定化銅配置領域
は、ＮｂＴｉフィラメント配置領域３５と高抵抗層３１
との間に配置された外周部安定化銅配置領域３２と、Ｎ
ｂＴｉフィラメント配置領域３５と３６の間に配置され
たフィラメント領域間安定化銅配置領域３３と、素線の
横断面中央部に配置された中央部安定化銅配置領域３４
との３つの領域からなる。また、安定化銅配置領域３
２，３３，３４には、Ｃｕ−３０ｗｔ％Ｎｉからなる高
抵抗部分３８によって、ほぼ六角形状の横断面を有する
複数本の線部分に分割された安定化銅３７が配置されて
いる。なお、外周部安定化銅配置領域３２とフィラメン
ト領域間安定化銅配置領域３３では、この高抵抗部分３
８により分割された安定化銅３７がＮｂＴｉフィラメン
ト領域３５，３６の周囲を取囲むように連続的に１層配
置されている。この分割されている安定化銅３７の外径
は上述の実施例１および比較例１で製作した素線と同様
に５．３μｍである。また、ＮｂＴｉフィラメント領域
３５，３６には、ＮｂＴｉ合金フィラメントがＣｕ−３
０ｗｔ％Ｎｉマトリックス中に多数本埋込まれている。
なお、ＮｂＴｉフィラメント径の外径は上述の実施例１
および比較例１と同様に０．１１μｍまで細径化されて
いる。

【００６１】上述のように構成された超電導素線３０を
Ｃｕ−３０ｗｔ％Ｎｉからなる常電導線３９の周りに６
本配置し、撚り合わせることにより一次撚線導体４１を
作製した。さらに、１２本の一次撚線導体４１をＣｕ−
３０ｗｔ％Ｎｉからなる常電導線４０の周りに配置し、
撚り合わせることにより交流用超電導二次撚線導体４２
を作製した。

【００６２】表３に実施例２で作製した超電導素線およ
び撚線導体の詳細な構成を示す。超電導素線中の安定化
銅比率は１．５であり、交流損失を低減するため、Ｎｂ
Ｔｉフィラメントの直径は０．１１μｍまで細径化され
ており、またツイストピッチは素線径の５倍の１．０ｍ
ｍまで短ピッチ化されている。また、素線のツイスト方
向、一次撚線および二次撚線の撚り方向はすべて右方向
であり、撚りピッチは各々、一次撚線が５ｍｍ、二次撚
線が３６ｍｍである。このような構成の二次撚線導体を
導体Ｅとした。

【００６３】また、実施例１で最も交流Ｉｑが高かった
導体Ｃと同一の構成の超電導素線を用いて、導体Ｅと同
一の撚線構造の二次撚線導体Ｆを作製した。表３に詳細
な構成を示す。超電導素線中の安定化銅配置領域は、外
周部安定化銅配置領域と中央部安定化銅配置領域との２
つの領域からなる。また、安定化銅比率は、導体Ｅに使
用した超電導素線と同様に１．５であり、フィラメント
径、ツイストピッチなど、その他の諸元は同一である。
また、二次撚線の諸元も導体Ｅと全く同一である。

【００６４】（比較例２）比較のため、従来使用されて
きた構成の超電導素線を用いた二次撚線導体Ｇも作製し
た。表３にその詳細な構成を示す。使用した素線は、比
較例１で作製した導体Ｄと同一の素線であり、素線中に
は中央部安定化銅領域のみが配置され、安定化銅比率は
実施例２で作製した超電導素線と同様に１．５である。
また、フィラメント径など、その他の諸元についても同
一である。二次撚線の構成も実施例２で作製した導体と
全く同一である。

【００６５】

【表３】

【００６６】（実験）上記の実施例２と比較例２で作製
した二次撚線導体について、５０Ｈｚ交流クエンチ電流
（交流Ｉｑ）を測定した。測定の方法は実施例１で実施
した方法と同一である。測定結果を表４と図５に示す。
表４においては、交流Ｉｑは外部磁界が０Ｔと０．５Ｔ
の条件下での交流Ｉｑ値を示している。また、図５に
は、各撚線導体の外部磁場中での交流Ｉｑの測定結果を
グラフ化している。横軸は外部磁界の磁束密度Ｂｅｘ
（Ｔ）を示し、縦軸は５０Ｈｚの交流Ｉｑ値（Ａｐｅａ
ｋ）を示している。

【００６７】

【表４】

【００６８】表４および図５から明らかなように、交流
用超電導導体が使用される０．５Ｔ以下の低磁界領域で
は、導体Ｅは最も交流Ｉｑが高く、続いて導体Ｆであ
り、比較例２の導体Ｇは最も交流Ｉｑが低いという結果
が得られた。

【００６９】上述の実験結果によれば、従来構造である
断面中央部のみに安定化銅を配置した超電導素線を用い
た撚線導体に比べ、断面中央部と外周部の２つの部分に
安定化銅を配置した素線を用いた撚線導体の方が高いＩ
ｑを有することがわかる。さらには、素線断面の中央
部、フィラメント領域の間および外周部の３つの部分に
安定化銅を配置した素線を用いた実施例２の撚線導体は
さらに高い交流Ｉｑを有することがわかる。

【００７０】この結果は、安定化銅を中央部のみに配置
した素線よりも、中央部と外周部に配置した素線の方
が、外部変動磁場に起因する交流損失と導体に電流を通
電したときに生ずる交流損失とによる発熱を拡散する効
果が大きいためであると考えられる。

【００７１】特に、断面中央部と外周部の安定化銅配置
領域に加えて、さらにフィラメント領域の中に安定化銅
を配置することにより、さらに熱拡散の効果があること
がわかる。

【００７２】なお、実施例２で作製した素線では、フィ
ラメント領域の間に１層の安定化銅を配置しているが、
さらに２層以上の安定化銅を配置することにより、さら
に熱拡散の効果を得ることができ、高い交流Ｉｑを有す
る撚線導体を提供することができるものと考えられる。

【００７３】以上に開示された実施の形態および実施例
は、すべての点で例示であって制限的なものではないと
考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の
形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示さ
れ、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべ
ての修正や変形を含むものである。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直流臨界電流値に対して交流臨界電流値の低下が少な
く、高い交流臨界電流値を有する交流用超電導導体を提
供することができる。特に、本発明は、超電導トラン
ス、超電導変圧器、超電導限流器などの電力用途におい
て、数ｋＡ級の電流容量、低交流損失特性を有するコン
パクトな交流用超電導導体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で採用された超電導素線およ
び交流用超電導撚線導体の構造を概略的に示す横断面図
である。

【図２】本発明の比較例１で採用された超電導素線およ
び交流用超電導撚線導体の構造を概略的に示す横断面図
である。

【図３】本発明の実施例１と比較例１で得られた交流用
超電導撚線導体の交流クエンチ電流値Ｉｑを超電導素線
の臨界電流値Ｉｃの撚り本数倍の値と比較して示す図で
ある。

【図４】本発明の実施例２で採用された超電導素線およ
び交流用超電導撚線導体の構造を概略的に示す横断面図
である。

【図５】本発明の実施例２と比較例２で得られた交流用
超電導撚線導体の交流クエンチ電流値Ｉｑと外部磁界の
磁束密度Ｂｅｘ（Ｔ）との関係を測定結果として示す図
である。

【符号の説明】

１，３０超電導素線２，３１高抵抗層３，３２外周部安定化銅配置領域４，３４中央部安定化銅配置領域５，３５，３６ＮｂＴｉフィラメント配置領域６，３７安定化銅７，３８高抵抗部分８，３９常電導線９，４０常電導線１０，４１一次撚線導体１１，４２二次撚線導体３３フィラメント領域間安定化銅配置領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅および銅合金からなる群より選ばれた
常電導体からなるマトリックス中に超電導体からなるフ
ィラメントが複数本埋込まれ、外周部に高抵抗層を有す
る極細多芯超電導素線を複数本撚り合わせた撚線を含む
交流用超電導導体であって、前記素線の横断面の中央部と前記フィラメントの配置領
域の外周部との両方に安定化銅が配置されていることを
特徴とする、交流用超電導導体。
【請求項２】銅および銅合金からなる群より選ばれた
常電導体からなるマトリックス中に超電導体からなるフ
ィラメントが複数本埋込まれ、外周部に高抵抗層を有す
る極細多芯超電導素線を複数本撚り合わせた撚線を含む
交流用超電導導体であって、前記素線の横断面において前記フィラメントの配置領域
が安定化銅により分割されていることを特徴とする、交
流用超電導導体。
【請求項３】銅および銅合金からなる群より選ばれた
常電導体からなるマトリックス中に超電導体からなるフ
ィラメントが複数本埋込まれ、外周部に高抵抗層を有す
る極細多芯超電導素線を複数本撚り合わせた撚線を含む
交流用超電導導体であって、前記素線の横断面の中央部と前記フィラメントの配置領
域の外周部との両方に安定化銅が配置され、かつ前記素
線の横断面において前記フィラメントの配置領域が安定
化銅により分割されていることを特徴とする、交流用超
電導導体。
【請求項４】前記素線の横断面において前記フィラメ
ントの配置領域が１層以上の安定化銅により分割されて
いる、請求項２または３に記載の交流用超電導導体。
【請求項５】前記素線の横断面において前記フィラメ
ントの配置領域が層状に配置された安定化銅の領域によ
り２以上に分割されている、請求項２から４までのいず
れかに記載の交流用超電導導体。
【請求項６】前記超電導素線における前記フィラメン
トの配置領域の外周部に前記安定化銅が前記高抵抗部分
を介在して連続的に配置されている、請求項１または３
に記載の交流用超電導導体。
【請求項７】前記超電導素線における前記フィラメン
トの配置領域を分割する前記安定化銅が前記高抵抗部分
を介在して連続的に配置されている、請求項２または３
に記載の交流用超電導導体。
【請求項８】前記超電導体は、ニオブチタン合金であ
る、請求項１から７までのいずれかに記載の交流用超電
導導体。
【請求項９】前記フィラメントは、０．２μｍ以下の
直径を有する、請求項１から８までのいずれかに記載の
交流用超電導導体。
【請求項１０】前記超電導素線において前記安定化銅
の体積含有率が前記超電導体の体積含有率に対して１以
上２以下である、請求項１から９までのいずれかに記載
の交流用超電導導体。
【請求項１１】前記安定化銅は、高抵抗部分によって
１０μｍ以下の外径を有する複数本の線部分に分割され
ている、請求項１から１０までのいずれかに記載の交流
用超電導導体。
【請求項１２】前記超電導素線の外周部の前記高抵抗
層が、Ｎｉ、Ｍｎ、ＳｉおよびＳｎからなる群より選ば
れた１種以上の元素を含み、かつ４．２Ｋの温度におい
て２×１０^-7Ω・ｍ以上の抵抗値を有する非磁性銅合金
からなる、請求項１から１１までのいずれかに記載の交
流用超電導導体。
【請求項１３】前記超電導素線の直径が０．３ｍｍ以
下である、請求項１から１２までのいずれかに記載の交
流用超電導導体。
【請求項１４】前記超電導素線のツイストピッチが前
記超電導素線の直径の１０倍以下である、請求項１から
１３までのいずれかに記載の交流用超電導導体。
【請求項１５】常電導体からなる芯材の周囲に所定の
本数の前記超電導素線が配置された撚線構造を備えてい
る、請求項１から１４までのいずれかに記載の交流用超
電導導体。
【請求項１６】複数本の前記超電導素線と非超電導線
とを撚り合わせてなる一次撚線をさらに撚り合わせてな
るｎ次撚線（ｎは２以上の整数）であり、１本または複
数本の前記非超電導線からなる芯材の周りに（ｎ−１）
次撚線が撚り合わされた撚線構造を有する、請求項１５
に記載の交流用超電導導体。
【請求項１７】前記非超電導線と前記超電導素線のマ
トリックスとが同一の組成を有する銅合金からなる、請
求項１６に記載の交流用超電導導体。