JPS5936438B2 - 化合物系中空超電導線の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は液体ヘリウム等の低温冷却媒体により冷却し
て使用する中空超電導線、特にＮｂ３Ｓｎ等の金属間化
合物系の中空超電導線の製造方法に関するものである。

従来この種の超電導線としてはＮｂＴｌ合金を用いたも
のが主流を占めている。

これは、ＮｂＴｉ合金は比較的加工性が良好であるから
、冷却に適した形状、すなわち中空部に直接成形したり
良導電材よりなる中空導体の外周に巻回したりすること
が比較的容易であることに起因する。し力化ながらＮｂ
Ｔｉ合金は第１図および第２図に示されるようにＮｂ３
Ｓｈ、、Ｖ３Ｇａ、、Ｎｂ３Ｇａ等の金属間化合物系の
超電導材料に比較して超電導特性が劣るから、実用的に
は上述のような金属間化合物系超電導材料を使用するこ
とが望ましいとされている。ところが金属間化合物系超
電導材料は一般に極めて脆く、加工性特に展性や延性が
悪いため、従来一般の塑性加工技術では金属間化合物系
超電導材料を冷却に適した形状に直接成形したり良導電
材よりなる中空導体の外周に巻回したりすることが困難
であり、このため超電導線として工業的に実用化するこ
とが遅れている。一方金属間化合物系超電導材料により
単純な素線伏の超電導線を製造する方法としては、金属
間化合物を組成する少くとも２種の元素の一方と銅との
合金で作つたパイプ中に他方の元素の金属粉又は金属棒
を挿入して後、前記両元素が金属間化合物を生成する条
件の熱処理を施して超電導線を得る方法や、金属間化合
物を組成する少くとも２種の元素の内、一方の金属元素
をベースとして、このベース上に他方の金属元素による
メツキを施し、この後上述と同様な熱処理を施す方法な
どが知られているが、このようにして作られた超電導素
線は単体では容量が少なくかつ冷却にも適していないか
ら、実用的には複数の超電導素線を集合すると共にこれ
を冷却に適した形伏にする必要がある。

このための方法としては例えば中空導体の外周面に多数
の超電導素線を巻付けたり撚り合わせたりすることが考
えられ、実際にＮｂＴｉ合金等の合金系超電導線の場合
には実施されているが、既述したように化合物系超電導
材料は極めて脆く、展性や延性が低いため化合物系超電
導材料からなる線材を中空導体表面に巻付けたり撚合わ
せたりすることはきわめて困難であり、しかもそのよう
にして得られた中空超電導線を磁石等のコイルとして巻
込んた場合、化合物系超電導線では巻込み時の張力によ
る線同士の接触圧あるいはコイルとしての通電時に発生
する電磁力による線同士の押し付け力によつて超電導素
線が劣化または破断してしまうおそれが強く、そのため
化合物系超電導材料については適用困難であつた。例え
ば従来、特開昭４９−１１４９０号公報に示されるよう
に、極細多芯ツイスト平角線または極細多芯編組平角線
（超電導素線からなるもの）を中空導体上に撚り合せた
ものが提案されており、この公報中に記載されているよ
うなＮｂ−Ｔｉ合金やＮｂ−Ｚｒ合金などの合金系超電
導材料ではその素線をツイストまたは編組して平角線と
した後、中空導体上に撚り合わせることが可能であるが
、Ｎｂ３Ｓｎ等の化合物系超電導材料ではその素線をツ
イスト、編組、撚り合せ加工することは困難である。ま
た前記提案の超電導線は、外周面に補強層を設けてはい
るものの、超電導磁石等に使用するためコイル伏に巻込
む際には補強層を介して平角線の超電導素線に巻込時の
張力による線同士の接触圧が加わるから、合金系超電導
材料と比較して著しく脆い化合物系超電導材料に前記提
案を適用した場合には前記接触圧によつて超電導素線が
破断するおそれが強く、またそのコイルに通電した際に
は、大電磁力がコイル内の隣り合う超電導線間に押し付
け力として作用することになるが、前記提案の超電導線
ではその押し付け力が補強層を介し平角線に加わるから
、前記同様に化合物系超電導材料に適用した場合には超
電導素線が破断するおそれが強い。これらの理由により
前記提案を金属間化合物系の超電導線に適用することは
実際上困難であつた。この発明は以上の事情に鑑みてな
されたもので、超電導特性が良好な金属間化合物系の超
電導材料を用いて、大容量かつ冷却に適した形伏の超電
導線を実際的に製造することができ、しかも得られた超
電導線が超電導マグネツト等のコイルとして使用するに
適した構造のものとなるようにした、新規な超電導線の
製造方法を提供することを目的とする。以下本発明の方
法を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の第１工程においては、金属間化合物系超電導材
料、例えばＮｂ３Ｓｎ，．Ｖ，Ｇａ，．Ｎｂ３Ｇａなど
を生成する２組以上の金属を含む複合素線１を作る。

この工程は例えば第３図に示すように超電導金属間化合
物を生成する少くとも２種の元素の内、一方の元素と銅
との合金により作られた中空管２内に、前記超電導金属
間化合物を生成する少くとも２種の元素の他方の元素か
らなる棒又は粉末３を充填し、これに適宜スウエージン
グ加工又は伸線加工等の縮径加工を施して所望の径とし
、さらにこれ等素線を集合して前記中空管２と同様な中
空管に挿入し、縮径加工を繰返して所望の複合素線１を
作れば良い。あるいはまた、良導電性の材料例えば銅等
の材料からなる中空管内に金属間化合物を生成する一方
の元素からなる棒ま．たは粉末を充填し、前述の縮径加
工、集合を繰返して所望の径とした後、この複合線の外
周面に、金属間化合物を生成する他方の元素からなる被
膜を溶融メツキその他の手段により形成し、これにより
複合素線を作れば良い。もちろんこの他の公知の方法を
組合せて複合素線を作ることが可能である。上記工程終
了後、第４図に示すように複数本の複合組線１を編組し
て編素ユニツト４を作る。すなわち複数本の複合素線の
全てが同一方向に揃つてしまわないよう、複合素線を互
いに編み込んで編組ユニツト４を作る。次いでこの編組
ユニツト４を後述する中空導体の溝に嵌め込むに適した
形伏、例えば第５図のような平角伏に成形して成形ユニ
ツト５を作る。

この成形手段は任意であるが、例えばローラダイスを用
いれば良い。上述のような成形工程終了後、この成形ユ
ニツト５に熱処理を施して少くとも２種の元素からなる
超電導金属間化合物を生成する。

この工程により成形ユニツト５内の各複合素線はそれぞ
れ超電導素線となる。この熱処理丁程では、前記の少く
とも２種の元素が相互に拡散して金属間化合物を生成す
るような温度、圧力、時間、雰囲気等の熱処理条件を、
金属間化合物の種類や、各複合素線における各元素の存
在伏態等に応じて設定すれば良い。一方前述の各工程に
併行して、またはこれらの工程に先立つて銅等の良導電
材からなる中空導体６を成形しておく。

この中空導体６は、液体ヘリウム等の低温冷却媒体を流
通させる中空部７を持つように作られると共に、前記熱
処理済みの成形ユニツト５を嵌め込むための凹溝８を長
手方向に沿つて形成したものであれば良く、例えば第７
図に示す如く横断面矩形伏となるよう中空平角状に作る
とともに、外周の各平面にそれぞれ前記凹溝８を長手方
向に沿つて形成したもの等が考えられる。上述の如き中
空導体６の外面には、前記熱処理済みの成形ユニツト５
を長手方向に沿つて固定する。

この工程においては、中空導体６の各凹溝８に熱処理済
みの成形ユニツト５を第６図に示すように中空導体６か
ら突出しないように嵌め込むとともに、成形ユニツト５
内の隙間および凹溝８の内面と成形ユニツト５の外面と
の間を低融点金属９で充填固着すれば良い。この低融点
金属９としては、通常は低融点半田、あるいは錫等が用
いられる。なお図示の例では中空導体６の外側の４平面
の全てに凹溝８を形成して、中空導体６の４面の凹溝８
にそれぞれ熱処理済みの成形ユニツト５を嵌め込んでい
るが、場合によつては２面のみに凹溝８を形成してこれ
らの凹溝に熱処理済みの成形ユニツトを嵌め込んでも良
く、この場合には中空導体６の幅広な２面、すなわち図
の上下の２面に凹溝８を形成して成形ユニツトを嵌め込
むことが望ましい。上述のように、複合素線１を編組し
て成形した後これを熱処理することにより超電導金属間
化合物が生成された成形ユニツト５を、中空導体外面の
凹溝８に固着することによつて、本発明方法の最終製品
である中空超電導線が完成する。

次に本発明方法の実施例および比較例を記す。

実施例 １外径１４ｍｍφのニオブの棒を、内径が１４
７！Ｔｍφ強で肉厚３ｍｍの銅管に挿入した後、これに
縮径加工を施して０．２ｍ７ｎφとし、銅被ニオブ素線
を得た。

次いでこの銅被ニオブ素線を複数本集合して前記銅管と
同様な銅管に挿入し、一本の素線の径が２０１ｔｍ以下
となるまで縮径加工を施し、次いでこれに錫メツキを施
し、これにより複合素線１を得た。この後複数本の複合
素線１を編組して編組ユニツト４を得た。更に編組ユニ
ツト４を平角伏に圧縮成形して第５図に示す成形ユニツ
ト５を得、次いでこの成形ユニツト５に真空中で７００
℃×５０時間の熱処理を施した。そして予め４面に凹溝
８が形成されている中空導体６と前記熱処理済みの４本
の成形ユニツト５とを同一の低融点半田浴中に通しなが
ら前記成形ユニツト５をそれぞれ凹溝８に嵌め込み、低
融点半田を１凝固させることにより成形ユニツト５を中
空導体６に固定した。実施例 ２ 外径１０ｍｍφのバナジウム棒を外径２０ｍｕφ、内径
１１ｍｍφのＣｕ−１５％Ｇａの合金製パイプ内に挿入
した後、これに縮径加工を施して０．９ｍｍφの素線を
得た。

次いでこの素線を前記合金製パイプと同様のパイプ中に
複数本挿入した後、１本の素線径が５０μｍ以下となる
まで縮径加工を施し、全体として０．５ｍｍφの線条体
を得た。更にこの複数本の線条体を外径１２諸φ、内径
９ｍｍφの無酸素銅管内に集束して後、一本の前記線条
体の径が１０μｍ以下となるまで縮径加工を施して複合
素線１を得た。このようにして得られた複数本の複合素
線１を編組して管伏の編組ユニツト４を得た後、この編
組ユニツト４を平角伏に圧縮成形して成形ユニツト５を
得、次いでこの成形ユニツト５に真空中で６５０℃×１
００時間の熱処理を施した。続いて４本の熱処理済みの
成形ユニツト５を第７図に示す中空導体６の凹溝８に嵌
め込むと共に、これら成形ユニツト５を低融点半田によ
り中空導体６に固定した。実施例 ３ 外径１０ｍｍ１内径６ｍｍ（７）Ｃｕ−６重量％Ｓｎ合
金の中空管中に外径５．５ｍｍのＮｂ線を挿入し、これ
を外径１．６ｍｍまで縮径した後、１９本集合して外径
１０ｎ）内径９前麗の前記合金のパイプに挿入し、外径
０．９ｕとなるまで縮径し、さらにこれを６１本集合し
て外径１０前１、内径９ｎの前記合金のパイプに挿入し
、最終的に外径が０．１ｕとなるまで縮径した。

ここでＮｂ芯材の総数は１１５９本である。続いて表面
に１．５μｍ厚のＳｎメツキ層を電気メツキにより形成
じて複合素線１を得た。この後、複数本の複合素線１を
３×２４打の編組構成および３×１２打の編組構成で編
組して２種の編組ユニツト４を得た。さらに前記編組ユ
ニツト４をそれぞれ厚さ０．５冨麗×幅２．３ｎ）厚さ
０．５１麗×幅１．５ｎの２種の成形ユニツト５に加工
し、次いでそれらの成形ユニツト５をアルゴンガス雰囲
気中で７４０℃×１００時間の熱処理を施した。そして
予め４面に深さ０．８ｎ×幅２．８ｎ，深さ０．８ｎ×
幅１．８罵麗の凹溝８が形成されている外径５肩麗×６
ｎの断面矩形伏の中空導体６に前記成形ユニツト５と低
融点合金テープとを嵌め込み、その上から絶縁テープを
巻きながら巻込み張力１０〜２０ｋ９でダブルパンケー
キコイル形伏に巻込んた。その後真空中で熱処理を施し
、中空導体６と成形ユニツト５とを固定し、中空超電導
コイルを完成した。このコイルを８枚積み重ね、冷却通
電実験を行つたところ、５．０Ｋの導体温度、１８００
Ａ通電で最大発生磁界３２ＫＧでもクエンチが起らず、
良好な超電導特性を示した。比較例 中空導体上に溝がなく、単に外周面に前記編組ユニツト
を配したたけの中空導体を実施例３と同様にしてコイル
形伏に巻込み、４パンケーキ積み重ねにて前記実験と同
様の冷却通電実験を行つたところ、５００Ａ通電時にす
でに発熱現象を生じ、以後の実験を中止せざるを得なか
つた。

試験後導体を分解して調査したところ、中空導体外周の
長辺側に配した編組ユニツトがいたるところで破断され
ていることが確認された。上述のような比較例におけを
編組ユニツトの破断は、中空導体の長辺側で生じていた
ことから、コイル巻込時の張力による接触圧が編組ユニ
ツトに加わつたことに起因するものであることが明らか
である。

これに対し実施例３ではコイル巻込時の張力による接触
圧が溝内の成形ユニツトに直接的に加わらないため破断
が生ぜず、良好な超電導特性を示したものと思われる。
本発明方法は以上の説明で明きらかなように金属間化合
物を生成する以前の金属元素を複合素線とした伏態にお
いて編組加工し続いて成形加工を行うもので、金属間化
合物生成後はこの金属間化合物には加工を施さないよう
にしたものである。

したがつて本発明方法に依れば金属間化合物の加工の困
難さに全く無関係に最終製品の超電導線を得ることがで
きるから、超電導特性が良好な金属間化合物系の超電導
材料を用いて冷却に適した中空伏の超電導線を製造する
方法として実際的に工業化し得る効果が得られる。また
本発明方法は金属間化合物を生成する少くとも２種の元
素よりなる複数本の複合素線を編組してあるので交流あ
るいはパルス的な使用に対してもいかなる方向の磁界の
変化の影響をも除去して特性の劣化をなくすことができ
る。さらに、編組ピツチを変えることにより交流の周波
数やパルス幅に適した超電導線を自在に製造することが
できる。また、この発明の製造方法により得られた中空
超電導線は、成形ユニツトが断面矩形状をなす中空導体
の外面の溝にその中空導体から突出しないように嵌め込
まれているから、超電導マグネツト等のコイルに巻込む
際に、その巻込み張力による線同士の接触圧は中空導体
によつて負担され、またそのコイルの通電時に発生する
電磁力による線同士の押し付け力も中空導体によつて負
担され、したがつて脆い金属間化合物系超電導材料を使
用しているにもかかわらず、その成形ユニツト内の素線
が前記接触圧や押し付け力により破断してしまうような
事態の発生を防止することができる。

なお本発明方法に類似する方法として、前記複合素線を
中空導体に巻付けたりまたは編組した複合素線を中空導
体に沿わせたりして、低融点半田等により複合素線を中
空導体に固定し、この後熱処理を施す方法も考えられな
いことはないが、この場合は複合素線を中空導体ごと熱
処理しなければならないから、熱処理時の長時間の高温
により良導電材よりなる中空導体が著しく軟化してしま
うこと、固定に用いた半田等が融解して固定部分が剥離
してしまうこと等の問題があり、これに対し本発明方法
ではこのような問題が生じない。以上のように本発明方
法によれば臨界温度Ｔｃや臨界磁場Ｈｃ）臨界電流密度
Ｊｃの高い金属間化合物系の超電導材料からなる大容量
かつ冷却に適した実用的な超電導線を実際に製造するこ
とが可能であるばかりでなく、この超電導線を巻き込ん
でマグネツトとして用いる場合には、超電導線の巻込み
時の張力による超電導線同士の接触圧や通電時の電磁力
による超電導線同士の押し付け力により脆い超電導金属
間化合物の素線が破断して超電導特性を損うことなく、
かつ磁界変化に対し安定でパルス的な使用に適しており
、核融合用やエネルギ畜積用のパルスマグネツト等にも
適用でき、したがつて適用範囲を広くすることが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は合金系超電導材料のＮｂＴｌと金属間化合物系
超電導材料のＮｂ３Ｓｎ及びＶ３Ｇａの磁場一臨界電流
密度特性を示す図、第２図は同じくＮｂＴｉ．．Ｎｂ３
Ｓｎの温度一臨界磁場特性を示す図、第３図は本発明方
法の第１工程により複合素線を製造するｌ例を示す説明
図、第４図は本発明方法の中間製品である編組ユニツト
の１例を示す斜視図、第５図は同じく中間製品の成形ユ
ニツトを示す斜視図、第６図は本発明方法による最終製
品の中空超電導線のｌ例を示す断面図、第７図は本発明
方法に用いる中空導体のｌ例を示す断面図である。 図において、１は複合素線、４は編組ユニツト、５は成
形ユニツト、６は中空導体である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超電導金属間化合物を生成する少くとも２種の金属
   元素を含む複合素線を作り、次いで複数本の前記複合素
   線を編組した後、これを所定形状に成形して成形ユニッ
   トを作り、続いて前記少くとも２種の金属元素が前記金
   属間化合物を生成する条件で成形ユニットに熱処理を施
   し、次いで予め中空部が形成されかつ外面に前記成形ユ
   ニットを嵌め込むための溝が長手方向に沿つて形成され
   た良導電材からなる断面矩形状の中空導体の前記溝に、
   前記熱処理済みの成形ユニットを中空導体から突出しな
   いように嵌め込むと共にこれを低融点金属で溝内に固着
   することを特徴とする化合物系中空超電導線の製造方法
   。