JPH10321060A

JPH10321060A - アルミニウム安定化超電導線

Info

Publication number: JPH10321060A
Application number: JP9133466A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Wada; 克則和田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】熱的および電気的安定性に優れ、かつマグネ
ットに使用したときに発生する電磁力に耐える機械的強
度を有するＡｌ安定化超電導線を提供する。【解決手段】銅マトリクス中に超電導フィラメントが
埋設された超電導線材の外周にＡｌ安定化材が被覆され
たＡｌ安定化超電導線において、前記Ａｌ安定化材の極
低温における0.2%耐力が７０ＭＰａ以上、残留抵抗比が
２５０以上であり、前記Ａｌ安定化材が０．３〜３．０
wt％のＣｅを含有し、減面率５〜３０％の冷間加工が施
された、または前記加工に相当する加工歪みが付加され
たＡｌ合金からなる。【効果】Ａｌ安定化材が、導電性を低下させずに機械
的強度を向上させるＣｅを適量含有し、所定の加工歪み
が付加され、極低温における0.2%耐力および残留抵抗比
を所定値以上に規定したものなので、マグネット用導体
などに用いたとき電磁力による変形が少なく高い発生磁
界が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱的および電気的
安定性に優れ、かつマグネットなどに使用したときに発
生する電磁力に対する充分な機械的強度を有するアルミ
ニウム安定化超電導線に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超電導マグネットなどの導体に
は、銅マトリックス中にＮｂ−Ｔｉなどの超電導フィラ
メントを埋込んだ超電導線が用いられている。このよう
な超電導線は、例えば、銅パイプ内にＮｂ−Ｔｉ合金棒
材を挿入して複合ビレットとし、この複合ビレットを熱
間押出しして、銅パイプとＮｂ−Ｔｉ合金棒材とを一体
化し、次いで圧延、伸線などの伸延加工を施し、その多
数本を銅または銅合金パイプ内に充填して複合ビレット
とし、これを前述と同様に加工して多芯超電導線とした
り、さらに多芯超電導線の多数本を撚合わせて多芯超電
導撚線としたりして用いられる。

【０００３】ところで、アルミニウム安定化超電導線
は、前述の超電導線または多芯超電導撚線などに、残留
抵抗比（３００Ｋにおける電気抵抗値と１０Ｋにおける
電気抵抗値との比）が銅より遥かに大きい高純度アルミ
ニウムを安定化材として被覆したものである。アルミニ
ウム安定化超電導線は、銅のみを安定化材として被覆し
た従来の銅安定化超電導線などに較べて熱的および電気
的安定性に優れている。しかも、アルミニウムの比重は
銅の比重の１／３であるため、この超電導線をマグネッ
トに用いた場合にマグネットの軽量化が可能になる。さ
らにアルミニウムは銅より素粒子透過性に優れるため、
高エネルギー物理学分野で多用されている素粒子検出用
マグネットに有利に用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アルミ
ニウム安定化超電導線は、安定化材となる高純度アルミ
ニウムの機械的強度が低いため、大型マグネット用導体
として使用した場合に電磁力により変形してしまうとい
う問題がある。このようなことから、本発明者等は鋭意
研究を重ね、アルミニウムの導電性を低下させずに機械
的強度を向上させる合金元素としてＣｅを見いだし、さ
らに研究を進めて本発明を完成させるに至った。本発明
は、熱的および電気的安定性に優れ、かつマグネットな
どに使用したときに発生する電磁力に対して充分な機械
的強度を有するアルミニウム安定化超電導線の提供を目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、銅マトリクス
中に超電導フィラメントが埋設された超電導線材の外周
にアルミニウム安定化材が被覆されたアルミニウム安定
化超電導線において、前記アルミニウム安定化材の極低
温における0.2%耐力が７０ＭＰａ以上、残留抵抗比が２
５０以上であり、前記アルミニウム安定化材が０．３〜
３．０wt％のＣｅを含有し、減面率５〜３０％の冷間加
工が施された、または前記加工に相当する加工歪みが付
加されたアルミニウム合金からなることを特徴とするア
ルミニウム安定化超電導線である。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明において、安定化材となる
アルミニウム合金の極低温における0.2%耐力を７０ＭＰ
ａ以上に限定した理由は、７０ＭＰａ未満では得られる
アルミニウム安定化超電導線を大型マグネット用導体と
して使用する場合、アルミニウム安定化超電導線が電磁
力により変形するためである。また極低温における残留
抵抗比を２５０以上に限定した理由は、２５０未満では
熱的および電気的に充分な安定性が得られないためであ
る。

【０００７】本発明のアルミニウム安定化超電導線は、
アルミニウム安定化材として極低温における0.2%耐力が
７０ＭＰａ以上の高強度のアルミニウム合金を用いるの
で、大型マグネット用導体として使用しても電磁力によ
る変形が抑制される。また前記アルミニウム合金の極低
温における残留抵抗比を従来の銅安定化材に相当する２
５０かそれ以上に限定しているので熱的および電気的に
充分安定する。なお、従来の銅安定化材の残留抵抗比は
通常１５０程度（１０Ｋにおける比抵抗値が１．１×１
０^-10 Ωｍ）になるように設計されている。アルミニウ
ムの場合１０Ｋにおける比抵抗値１．１×１０^-10 Ωｍ
に相当する残留抵抗比は２５０である。従って、本発明
のアルミニウム安定化超電導線の熱的および電気的安定
性は従来の銅安定化超電導線に較べて同等以上のものと
なる。

【０００８】本発明において、前記の0.2%耐力および残
留抵抗比を満足するアルミニウム合金は、Ｃｅを０．３
〜３．０wt％含有し減面率５〜３０％の冷間加工を施
し、または前記加工に相当する加工歪みを付加したＡｌ
−Ｃｅ系合金である。前記Ｃｅの含有量と減面率（加工
歪量）の限定理由は、合金組成と減面率（加工歪量）の
いずれが下限値未満でも７０ＭＰａ以上の0.2%耐力が得
られず、いずれが上限値を超えても２５０以上の残留抵
抗比が得られないためである。

【０００９】本発明では、前記Ｃｅの他に、結晶粒径の
調整、電位の調整、成形加工性の向上などを目的とし
て、Ａｌに対する比抵抗増加率が小さいＡｇ、Ａｓ、Ｂ
ｉ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐ
ｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｚｎの中から選ばれる１〜数元素を、
残留抵抗比を大きく低減させない範囲で微量添加しても
良い。この際、添加量は機械的強度と残留抵抗比のバラ
ンスが良好に保持されるよう制御する必要がある。本発
明において、超電導線または多芯超電導撚線などにアル
ミニウム合金を複合する場合、アルミニウム合金に加え
て銅もしくは銅合金を複合しても良い。

【００１０】ところで、超電導マグネットでは、使用中
の電磁力で線材が動かないようにマグネットにエポキシ
樹脂などを含浸させたり、線材に絶縁材として半硬化さ
せたエポキシ樹脂を巻いたりし、その後１００〜１５０
℃で１０〜３０時間熱処理して樹脂を硬化させて用いる
場合がある。通常の高純度アルミニウム安定化材はこの
熱処理で軟化して機械的強度が急激に低下するが、本発
明のアルミニウム安定化材はＣｅを適量含有するアルミ
ニウム合金なので軟化温度が高く、前記熱処理による機
械的強度の低下が抑えられる。

【００１１】本発明のアルミニウム安定化超電導線の製
造は、たとえば、次のようにして行われる。超電導線
または超電導撚線にアルミニウム合金を一体に被覆した
熱間押出材に減面率５〜３０％の冷間加工を施す。超
電導線または超電導撚線にアルミニウム合金を一体に被
覆した熱間押出材を所定形状に伸延加工し、これを焼鈍
して安定化材を再結晶させたのち、減面率５〜３０％の
冷間加工を施す。超電導線または多芯超電導撚線など
にアルミニウム合金を一体に熱間押出しただけでも製造
できるが、この際、アルミニウム合金被覆材に減面率５
〜３０％の冷間加工に相当する歪みが残留するように押
出す。この他減面率５〜３０％の冷間加工を付加した
アルミニウム合金材や減面率５〜３０％に相当する加工
歪みを付加したアルミニウム合金材を超電導線または多
芯超電導撚線などに複合する方法も適用できる。前記冷
間加工には圧延、引抜き、スエジャーなどの常法が適用
できる。

【００１２】前記の加工歪を付加したアルミニウム合
金材を複合するには、軟ロウ付けや機械的接合などの任
意の複合法が適用できる。例えば図１（Ａ）に示すアル
ミニウム安定化超電導線は、多芯のＣｕ／ＮｂＴｉ超電
導線11にアルミニウム安定化材12を半田付けして複合し
たものである。図１（Ｂ）に示すアルミニウム安定化超
電導線は、Ｃｕ／ＮｂＴｉ超電導線の撚線13にアルミニ
ウム安定化材12を半田付けして複合し、さらにこれを断
面が略コの字状の銅安定化材14内に配置して半田付け
し、露出したアルミニウム安定化材12上に板状の銅安定
化材15を半田付けして取付けたものである。図１（Ｃ)
に示すアルミニウム安定化超電導線は、断面円形のＣｕ
／ＮｂＴｉ超電導線の撚線16に断面半円形状の溝を有す
る２つのアルミニウム安定化材17を前記溝に撚線をはめ
込むようにして半田付けし、さらにこれに断面略コの字
状の２つの銅安定化材14を被せて半田付けしたものであ
る。図１（Ｄ) に示すアルミニウム安定化超電導線は、
銅安定化材18で外周を被覆したＣｕ／Ｎｂ₃Ｓｎ超電導
線19を溝を有するアルミニウム安定化材20の溝に入れて
半田付けしたものである。図１（Ｅ) に示すアルミニウ
ム安定化超電導線は、断面矩形の多芯のＣｕ／ＮｂＴｉ
超電導線11に断面矩形の溝を有する２つのアルミニウム
安定化材12を前記超電導線11が溝に嵌まるように配置し
て全体を圧延圧着したものである。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明を実施例により詳細に説明す
る。（実施例１）外径２２０ｍｍ、内径２００ｍｍの無酸素
銅製パイプ内に、銅マトリクス中にＮｂＴｉ合金線材を
埋め込んだ単芯超電導線を１２１本充填して複合ビレッ
トとし、次いでこの複合ビレットに熱間押出加工を施し
て複合押出材を作製し、更にこの複合押出材に伸線およ
び中間熱処理を施して外径０. ６ｍｍのＣｕ／ＮｂＴｉ
多芯超電導線材を作製した。これに純度９９. ９９９％
のアルミニウムにＣｅを含有させたアルミニウム合金を
安定化材としてそれぞれ熱間押出しにより被覆して外径
１. ０ｍｍのアルミニウム被覆棒材とし、次いでこれら
各々の棒材を伸線加工して外径０. ５５ｍｍの伸線材と
した。次にこの伸線材を３００℃で１時間焼鈍してアル
ミニウム安定化材のアルミニウム合金を再結晶させて焼
鈍線材とし、次いでこれを伸線加工して外径０. ５ｍｍ
のアルミニウム安定化超電導線 (No.1〜3)を製造した。
なお、Ｃｅの含有量は０．３〜３．０wt％の範囲内で種
々に変化させた。

【００１４】（比較例１）安定化材（Ａｌ−Ｃｅ合金）
のＣｅの含有量を本発明の規定値外とした他は、実施例
１と同じ方法によりアルミニウム安定化超電導線 (No.4
〜6)を製造した。

【００１５】このようにして得られた各々のアルミニウ
ム安定化超電導線 (No.1〜6)について、臨界電流値（以
下Ｉｃと略記する）、マグネット特性としてクエンチ電
流および最大発生磁界、４. ２Ｋにおける0.2%耐力並び
に残留抵抗比を調べた。比較のため、安定化材に９９．
９９９wt％純度のアルミニウムを用いたアルミニウム安
定化超電導線についても同様の測定を行った。結果を表
１に示す。なお、Ｉｃは得られたアルミニウム安定化超
電導線を長さ１ｍの短尺線とし、これに液体Ｈｅ中（4.
2 Ｋ）にて５Ｔの磁場をかけた状態で電流を流し、電流
を除々に増加させて抵抗が１０^-13Ωｍに達した時の電
流値をもって表した。またクエンチ電流および最大発生
磁界は、得られたアルミニウム安定化超電導線を内径２
５ｍｍ、外径５２ｍｍのコイルに巻いてマグネットを作
製し、クエンチ電流はマグネットの超電導状態が破れた
時の電流とし、最大発生磁界は中心に置いたホール素子
により測定した。ただし、マグネットは１０６Ａ通電し
た時に５Ｔの磁界が発生するように設計した。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１より明らかなように、本発明のアルミ
ニウム安定化超電導線 (No.1〜3)は、マグネット特性で
最大発生磁界が５Ｔを超え、またクエンチ電流も１０６
Ａ以上の高い値を示した。これに対し、比較例品のNo.4
は高純度アルミニウムのため、比較例品のNo.5はアルミ
ニウム安定化材のＣｅの含有量が少ないため、いずれも
機械的強度が低く、その結果マグネットの発生磁場が
３. ８〜４. ５Ｔのところで変形し、その際の発熱によ
り所定の電流値に達する前にクエンチしてしまった。ま
た比較例品のNo.6はアルミニウム安定化材のＣｅの含有
量が多すぎたため、残留抵抗比が低い値となり、導体と
しての熱的および電気的安定性が低下してマグネット特
性が低いものとなった。

【００１８】（実施例２）外径０. ３０ｍｍのＣｕ／Ｎ
ｂ−Ｔｉ超電導線（Ｎｂ−Ｔｉフィラメント径２０μ
ｍ、フィラメント数１２１本、Ｃｕ／Ｎｂ−Ｔｉ比０．
９）１０本を撚り合わせると同時に圧縮成形して成形撚
線とし、これに安定化材としてＡｌ−Ｃｅ合金を熱間で
押出被覆して断面１. ５ｍｍ×３．５ｍｍの焼鈍線材と
し、次いでこれを半角３度のダイスを通して冷間で伸線
加工して、図２に示す超電導撚線２１の外周にアルミニ
ウム安定化材２２を被覆した構造のアルミニウム安定化
超電導線２３を製造した。Ａｌ−Ｃｅ合金には９９. ９
９９％の高純度アルミニウムにＣｅを１．０wt％添加し
たアルミニウム合金を用いた。また、伸線加工での減面
率は本発明の規定値内で種々に変化させた。

【００１９】（比較例２）伸線加工での減面率を本発明
の規定値外とした他は、実施例１と同じ方法により、ア
ルミニウム安定化超電導線を製造した。

【００２０】このようにして製造した各々のアルミニウ
ム安定化超電導線について、アルミニウム安定化材の
４. ２Ｋにおける0.2%耐力および残留抵抗比を実施例１
と同様にして測定した。結果を表２に示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】表２より明らかなように、本発明のアルミ
ニウム安定化超電導線 (No.7〜9)はアルミニウム安定化
材の極低温における0.2%耐力が７０ＭＰａ以上、残留抵
抗比が２５０以上であった。このアルミニウム安定化超
電導線を用いてマグネットを組立てたところ、設計通り
の発生磁界が得られたことが確認された。これに対し、
比較例品のNo.10 はアルミニウム安定化材の減面加工率
が低すぎて0.2%耐力が低下し強度的に劣り、またNo.11
はアルミニウム安定化材の減面加工率が高すぎて残留抵
抗比が低下して熱的および電気的安定性に劣り、いずれ
もマグネットとして不適当なものであった。

【００２３】（実施例３）断面寸法０．３ｍｍ×０．４
ｍｍのＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ超電導平角線（Ｎｂ−Ｔｉフィ
ラメント径２０μｍ、フィラメント数１９９本、Ｃｕ／
Ｎｂ−Ｔｉ比０．８）に断面寸法０．４ｍｍ×１．０ｍ
ｍのアルミニウム安定化材を半田付けして図１（Ａ）に
示す形状のアルミニウム安定化超電導線(No.12〜16) を
製造した。前記アルミニウム安定化材の組成および冷間
加工での減面率は本発明の規定値内で種々に変化させ
た。

【００２４】（比較例３）前記アルミニウム安定化材の
組成および冷間加工での減面率は本発明の規定値外とし
た他は、実施例３と同じ方法によりアルミニウム安定化
超電導線(No.17〜20) を製造した。

【００２５】このようにして製造した各々のアルミニウ
ム安定化超電導線について、アルミニウム安定化材の
４. ２Ｋにおける0.2%耐力および残留抵抗比、並びにマ
グネットの最大発生磁界を実施例１と同様にして測定し
た。結果を表３に示す。表３には合金組成および減面加
工率を併記した。

【００２６】

【表３】

【００２７】表３より明らかなように、本発明のアルミ
ニウム安定化超電導線(No.12〜16)はいずれも最大発生
磁界が設計値の５Ｔを超えるものであった。これに対
し、比較例品のNo.17 は減面加工率が低いため、No.19
はアルミニウム安定化材のＣｅの含有量が少ないため、
いずれも機械的強度が低く、マグネットに使用した場合
に電磁力により変形し、その際の発熱により所定の電流
値に達する前にクエンチが起きた。また、比較例品のN
o.18 は減面加工率が大きすぎたため、No.20 はアルミ
ニウム安定化材のＣｅの含有量が多いために、いずれも
残留抵抗比が低い値となり、導体の熱的・電気的安定性
が低下してクエンチを起こし、マグネット特性が低下し
た。

【００２８】（実施例４）実施例１で製造した外径０．
５５ｍｍのアルミニウム安定化超電導線 (No.1〜6)の一
部を用い、それぞれに１３０℃で１５時間の加熱処理を
施してアルミニウム安定化超電導線(No.21〜26) とした
他は実施例１と同じ方法により、アルミニウム安定化材
の４. ２Ｋにおける0.2%耐力および残留抵抗比、並びに
マグネットの最大発生磁界を実施例１と同様にして測定
した。結果を表４に示す。

【００２９】

【表４】

【００３０】表４より明らかなように、本発明のアルミ
ニウム安定化超電導線(No.21〜23)はいずれも最大発生
磁界が設計値の５Ｔを超えるものであった。これによ
り、本発明のアルミニウム安定化超電導線は、マグネッ
トにエポキシ樹脂などで固定しても樹脂硬化のために必
要な熱履歴による性能低下がないことが確認された。他
方、比較例品のNo.24 は安定化材が高純度アルミニウム
のため、比較例品のNo.25 はアルミニウム安定化材のＣ
ｅの含有量が少ないため、いずれも機械的強度が弱く、
マグネットに使用した場合に電磁力により変形し、その
際の発熱により所定の電流値に達する前にクエンチが起
きた。また比較例品のNo.26 はアルミニウム安定化材の
Ｃｅの含有量が多いため、残留抵抗比が低い値となり、
導体の熱的および電気的安定性が低下してクエンチを起
こし、マグネット特性が低くなった。

【００３１】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明のアルミニ
ウム安定化超電導線は、アルミニウム安定化材が、導電
性を低下させずに機械的強度を向上させるＣｅを適量含
有し、所定の加工歪みが付加され、極低温における0.2%
耐力および残留抵抗比を所定値以上に規定したものなの
で、マグネット用導体などに用いたとき電磁力による変
形が少なく高い発生磁界が得られる。依って、工業上顕
著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｅ）は本発明のアルミニウム安定化
超電導線の第１〜第５の態様を示す横断面図である。

【図２】本発明のアルミニウム安定化超電導線の第６の
態様を示す横断面図である。

【図３】本発明のアルミニウム安定化超電導線の第７の
態様を示す横断面図である。

【符号の説明】

11…………………Ｃｕ／ＮｂＴｉ超電導線 12,17,20,22,32…アルミニウム安定化材 13,16 ……………Ｃｕ／ＮｂＴｉ超電導撚線 14,15,18…………銅安定化材 19…………………Ｃｕ／Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線 21…………………超電導撚線 23,33 ……………アルミニウム安定化超電導線 31…………………超電導線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅マトリクス中に超電導フィラメントが
埋設された超電導線材の外周にアルミニウム安定化材が
被覆されたアルミニウム安定化超電導線において、前記
アルミニウム安定化材の極低温における0.2%耐力が７０
ＭＰａ以上、残留抵抗比が２５０以上であり、前記アル
ミニウム安定化材が０．３〜３．０wt％のＣｅを含有
し、減面率５〜３０％の冷間加工が施された、または前
記加工に相当する加工歪みが付加されたアルミニウム合
金からなることを特徴とするアルミニウム安定化超電導
線。