JPWO2020066908A1 - 化合物超電導撚線およびその巻替え方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)化合物超電導相を含む複数本の化合物超電導フィラメント、および該複数本の化合物超電導フィラメントを埋設し、第一安定化材を含む第一マトリックスで構成されるコア状の化合物超電導体部と、該化合物超電導体部の外周側に配置され、複数本の強化フィラメント、および該複数本の強化フィラメントを埋設し、第二安定化材を含む第二マトリックスで構成される筒状の強化材部と、該強化材部の内周側および外周側の少なくとも一方に配置され、第三安定化材からなる筒状の安定化材部とを備える複数本の化合物超電導素線を撚り合わされた撚り構造体として構成され、前記化合物超電導素線に占める、前記強化材部の体積比率は、前記化合物超電導体部の体積比率よりも大きいことを特徴とする化合物超電導撚線。
(2)前記化合物超電導素線に占める、前記強化材部の体積比率は、40%以上65%以下であり、前記化合物超電導体部の体積比率が20%以上40%以下である、上記(1)に記載の化合物超電導撚線。
(3)前記複数本の化合物超電導素線のうちの一部または全部の化合物超電導素線は、他の化合物超電導素線の表面に粘着した状態から分離した際に生じた表面痕を有する、上記(1)または(2)に記載の化合物超電導撚線。
(4)化合物超電導相を含む複数本の化合物超電導フィラメント、および該複数本の化合物超電導フィラメントを埋設し、第一安定化材を含む第一マトリックスで構成されるコア状の化合物超電導体部と、該化合物超電導体部の外周側に配置され、複数本の強化フィラメント、および該複数本の強化フィラメントを埋設し、第二安定化材を含む第二マトリックスで構成される筒状の強化材部と、該強化材部の内周側および外周側の少なくとも一方に配置され、第三安定化材からなる筒状の安定化材部とを備える複数本の化合物超電導素線を撚り合わされた撚り構造体として構成され、前記化合物超電導素線の表面に、前記化合物超電導素線同士の熱融着を防止する、厚さが2μm以下の金属層を有することを特徴とする化合物超電導撚線。
(5)金属層の厚さが1μm以下である、上記(4)に記載の化合物超電導撚線。
(6)前記化合物超電導体部と前記強化材部との間に、Sn拡散防止部をさらに有する、上記(1)から(5)までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線。
(7)前記化合物超電導相がNb3Snであり、前記第一安定化材が銅または銅合金であり、前記Sn拡散防止部が、NbもしくはTaまたはそれらの合金もしくは複合材からなり、前記強化フィラメントが、Nb、Ta、V、W、Mo、Fe、Ti、AgおよびHfの群から選択される1種の金属または2種以上の合金からなり、前記第二安定化材が銅または銅合金であり、前記第三安定化材が銅または銅合金である、上記(6)に記載の化合物超電導撚線。
(8)前記化合物超電導素線に占める、前記第二安定化材の体積比率および前記第三安定化材の体積比率の合計が、50%以上である、上記(1)から(7)までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線。
(9)前記化合物超電導素線に占める、前記強化フィラメントの体積比率および前記Sn拡散防止部の体積比率の合計が、15%以上である、上記(6)に記載の化合物超電導撚線。
(10)前記化合物超電導素線に占める、前記強化材部を構成する前記強化フィラメントの体積比率が、11%以上15%以下である、上記(1)から(9)までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線。
(11)前記撚り構造体は、略平角断面形状を有する、上記(1)から(10)までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線。
(12)前記化合物超電導撚線を構成する前記化合物超電導素線間に介挿された、前記化合物超電導素線同士の熱融着を防止する、金属テープをさらに有する、上記(11)に記載の化合物超電導撚線。
(13)前記撚り構造体は、断面圧縮率が5%以上20%以下である、上記(11)または(12)に記載の化合物超電導撚線。
(14)上記(1)から(13)までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線の巻替え方法であって、前記化合物超電導撚線を、第1巻付部材から第2巻付部材に巻き替えるとき、前記第1巻付部材から、前記化合物超電導撚線を前記第1巻付部材の接線方向に延出させ、前記第1巻付部材に巻き付けられていたときと同じ曲げ方向に前記化合物超電導撚線を曲げながら第2巻付部材に巻き取ることを特徴とする前記化合物超電導撚線の巻替え方法。
図1は、本発明の一の実施形態に係る化合物超電導撚線を構成する複数本の化合物超電導素線のうち、1本の化合物超電導素線10を圧縮前の状態で抜き出して示す概略断面図であり、また、図4(a)および図4(b)は、本発明の一の実施形態に係る化合物超電導撚線の概略断面図であって、図4(a)が、圧縮前の化合物超電導撚線1の断面状態、図4(b)が、断面圧縮率6%で圧縮した後の化合物超電導撚線1Aの断面状態を示したものである。
化合物超電導素線10は、化合物超電導体部11と、強化材部12と、安定化材部13とで主に構成されている。
化合物超電導体部11は、化合物超電導相を含む複数本の化合物超電導フィラメント15と、複数本の化合物超電導フィラメント15を埋設し、第一安定化材を含む第一マトリックス16とで構成され、全体としてコア状をなしている。
強化材部12は、複数本の強化フィラメント18と、第二安定化材を含む第二マトリックス19とで構成され、化合物超電導体部11の外周側に配置され、全体として筒状をなしている。また、強化材部12は、複数本の強化フィラメント18を第二マトリックス19に埋設したものである。
安定化材部13は、強化材部12の内周側および外周側の少なくとも一方、図1では、強化材部12の内周側および外周側の双方に配置され、第三安定化材からなり、全体として筒状をなしている。安定化材部13を配設することによって、強化材12の加工中の異常変形を抑制し、安定化機能を具備するという効果を奏することができる。
また、図2は、別の実施形態の化合物超電導撚線(図示せず)を構成するのに用いた化合物超電導素線10Aを示したものである。この実施形態の化合物超電導撚線は、化合物超電導素線10の代わりに、図2に示す化合物超電導素線10Aを用いて形成したものである。そして、この実施形態の化合物超電導撚線は、化合物超電導素線10Aでは、表面に、前記化合物超電導素線同士の熱融着を防止する、厚さが2μm以下の金属層20を有している。素線の表面に金属層を形成することによって、撚線に熱処理を施しても、撚線を構成する素線同士で熱融着することを防止し、撚線に曲げを付与した際も素線同士が分離している結果、各素線はその曲げの中立軸で曲がるようになり、素線の破損を防止することができる。これにより、撚線の曲げ性を向上させることが可能である。
本発明の化合物超電導撚線1を構成する化合物超電導素線10では、化合物超電導体部11と、特定の体積比率の強化材部12と、安定化材部13とを必須の構成部分とし、あるいは、化合物超電導体部11と、強化材部12と、安定化材部13と、金属層20とを必須の構成部分としているが、更に他の構成部分を有していてもよい。
その他の実施形態としては、化合物超電導撚線1が、図4(b)に示すように、略平角断面形状を有し、いわゆる平角型ラザフォード撚線(ケーブル)として形成した場合だけではなく、丸型の化合物超電導撚線であってもよい。
P(%)=1−{t/(n×d)}×100
P(%)=1−{t1/(2×d)}×100
次に、本実施形態の化合物超電導撚線1の製造方法について、以下で説明する。
図7は、本実施形態の化合物超電導撚線の製造方法の各工程を示したフロー図である。図7に示す実施形態における化合物超電導撚線の製造方法は、線材形成工程S1、金属層形成工程S2、撚線工程S3、化合物超電導相形成のための熱処理工程S4、および曲げ歪印加工程S5とで主に構成されている。
線材形成工程S1は、複数本のNbフィラメントと、これらのNbフィラメントを埋設したCu−Sn基合金からなるマトリックスとで構成された化合物超電導体前駆体部と、この外周側に、Sn拡散防止部14と、強化材部12と、安定化材部13とを順次配設して形成したビレットに対して押出加工を行なった後に、伸線加工を行なうことによって、化合物超電導相を生成するための熱処理工程S4を行なう前の化合物超電導前駆体素線である線材を形成する工程である。
線材形成工程S1としては、例えば化合物超電導相がNb3Snの場合には、ブロンズ法や内部スズ(Sn)拡散法、パウダインチューブ(PIT)法などの既知のNb3Sn線材を作製するための線材形成工程を適用することができる。
金属層形成工程S2は、化合物超電導前駆体素線の表面に、前記化合物超電導前駆体素線同士の熱融着を防止する、厚さが2μm以下の金属層を形成する工程であって、化合物超電導素線に占める、強化材部の体積比率を、化合物超電導体部の体積比率よりも大きくする場合には、省略することができる。例えば、化合物超電導前駆体素線を、クロムめっき液中に浸漬させた状態で、カソード電流を流す電気めっき法によって、化合物超電導前駆体素線の表面にCrめっき層を金属層として形成することができる。
撚線工程S3は、複数本の化合物超電導前駆体素線を撚り合わせて、化合物超電導前駆体撚線を作製するための工程である。撚線工程S3は、具体的には、撚り合わせた後、ラザフォードケーブルなどの所定の形状に、成型ロール装置などを用いた圧延等の成型加工を施すことよって行なえばよい。
熱処理工程S4は、化合物超電導相を形成するための熱処理工程である。
熱処理工程S4で熱処理を行なった後に、熱処理温度(例えば、670℃、96時間)から室温(例えば、25℃)まで冷却したとき、線材を構成する各々の部材の熱膨張係数の違いにより、化合物超電導体部11を構成するNb3Snフィラメントと、TaやNbなどで構成されるSn拡散防止部14には、圧縮応力(圧縮歪)が残留した状態となり、また、化合物超電導体部11を構成する第一マトリックスの第一安定化材(Cu−Sn基合金材)と、強化材部12を構成する第二安定化材および安定化材部13を構成する第三安定化材には、引張応力(引張り歪)が残留した状態となる。このような状態にある撚線を、室温で引っ張ったり曲げたりすると、線材の断面内で、強化材部12が、張力を受け持つことができるので、Nb3Snフィラメントがダメージを受けにくくなる。さらに、化合物超電導線の断面構造に応じて、繰り返し曲げ歪の大きさを選ぶことにより、強化材部12における強度を増加させ、かつ、Nb3Snフィラメント群の圧縮応力を緩和することにより、マグネットの使用環境下での超電導性能を向上させることができる。熱処理において、化合物超電導前駆体撚線を熱処理用ボビン等の巻付け部材に巻き付けた状態で行うと、その巻き直径Dhを基準とした形状でNb3Snフィラメントが形成される。
曲げ歪印加工程S5は、熱処理工程S4において得られた超電導撚線Wに曲げ加工を施して、所定の曲げ歪みを加える工程である。
曲げ歪印加装置(図示せず)は、熱処理用ボビンに巻き付けられた超電導撚線を、軸方向に回転させることなく、直線状に巻き出した後に、超電導撚線Wに対して適当な曲げ歪みを加えながら、超電導撚線Wを通過させるように複数個のプーリーを適当に配置したものである。
本発明の化合物超電導撚線の巻替え方法は、図8に示すように、化合物超電導撚線Wを、第1巻付部材、例えば熱処理用ボビン21から、正方向曲げプーリー22と逆方向曲げプーリー23とを経由して、第2巻付部材、例えば超伝導コイルを形成するための巻取ボビン24に巻き替えるとき、熱処理用ボビン21から化合物超電導撚線Wを熱処理用ボビン21の接線方向に延出させ(巻き出し)、熱処理用ボビン21に巻き付けられていたときと同じ曲げ方向に化合物超電導撚線Wを曲げながら巻取ボビン24に巻き取ることが好ましい。
なお、上述した実施形態は、この発明の具体的態様の理解を容易にするため例示したものであって、この発明は、かかる実施形態だけには限定されず、特許請求の範囲に記載された発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈される。
上記の説明は、化合物超電導撚線を構成する化合物超電導素線が、直径d、化合物超電導体部(超電導フィラメント群)の直径dfbの丸断面の素線構造に着目したものであるが、本発明の効果は、化合物超電導素線の断面が、矩形状等であっても、同様な効果が得られる。断面が厚さdt、幅dwの矩形状の場合、超電導フィラメント群の厚さ寸法dfb t、幅寸法dfb wとして、丸線の場合のdとdfbの値を、フラットワイズ方向に曲げるときはdtとdfb tに置き換え、エッジワイズ方向に曲げるときはdwとdfb wに置き換える。
本発明の化合物超電導撚線1は、高磁場発生用マグネット、半導体製造装置、医療用粒子加速器、研究用理化学マグネットなどに使用するのが好適である。
化合物超電導フィラメントの熱処理前の前駆体であるNbフィラメントを、第一マトリックスの熱処理前の前駆体であるCu−14質量%Sn-0.2質量%Tiからなる第一マトリックス前駆体内に埋設し、複数本束ねられてツイストされた化合物超電導前駆体部を形成するとともに、その化合物超電導前駆体部の外周に、TaからなるSn拡散防止部を配置し、その外周に、Cu−20体積%Nbからなる強化材部を配置し、さらにその外周に、無酸素銅からなる安定化材部を有し、図1に示す素線の断面構造をもち、直径0.80mmのNb3Sn超電導前駆体素線を準備した。Nb3Sn超電導前駆体素線を構成する、化合物超電導前駆体部、Sn拡散防止部、強化材部および安定化材部の体積比率は、それぞれ21%、4%、60%、15%であった。強化フィラメント(Nb)の強化材部に対する体積比率は20%とした。その後、16本のNb3Sn超電導前駆体素線を撚り合わせた後、6%の断面圧縮率で厚さ方向に圧縮して、平角断面形状のNb3Sn超電導前駆体撚線を作製した。このとき、撚線は、導体幅を6.45mmとし、撚りピッチを65mmとした。次に、670℃×96時間の化合物超電導相の形成熱処理を行なった後、曲げ歪みを印加して、化合物超電導撚線を作製した。曲げ歪み印加条件は下記に示す。
<曲げ歪み印加条件>
熱処理ボビン21の直径Dh :500mm
正方向曲げプーリー22の直径D1 :125mm
逆方向曲げプーリー23の直径D2 :250mm
化合物超電導体部11の正方向曲げ歪みεfb-positive :0.22%
化合物超電導体部11の逆方向曲げ歪みεfb-negative :−0.22%
曲げ歪み印加工程での曲げ回数 :10回以上
図2に示す素線の断面構造をもち、Nb3Sn超電導前駆体素線を構成する、化合物超電導前駆体部、Sn拡散防止部、強化材部および安定化材部の体積比率は、それぞれ41%、4%、35%、20%であり、そして、素線を構成する安定化材部13の表面に、厚さが0.5μmのCrめっき層を有すること以外は、実施例1Aと同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
図3に示す素線の断面構造をもち、Nb3Sn超電導前駆体素線を構成する、化合物超電導前駆体部、Sn拡散防止部、強化材部および安定化材部の体積比率は、それぞれ22%、8%、50%、20%であり、そして、Sn拡散防止部がTa層とNb層の2層で構成されていることと強化フィラメント(Nb)の強化材部に対する体積比率が30%であること以外は、実施例1Aと同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
Nb3Sn超電導前駆体素線を構成する、化合物超電導前駆体部、Sn拡散防止部、強化材部および安定化材部の体積比率は、それぞれ41%、4%、35%、20%であること以外は、実施例1Aと同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
撚り合わせた後の断面圧縮率が12%であること以外は、実施例1Aと同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
撚り合わせた後の断面圧縮率が12%であること以外は、実施例1Bと同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
撚り合わせた後の断面圧縮率が12%であること以外は、実施例1Cと同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
(比較例2)
撚り合わせた後の断面圧縮率が12%であること以外は、比較例1と同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
化合物超電導素線間に、SUS316Lからなる厚さ0.08mmの金属テープを介挿したこと以外は、実施例2Aと同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
(比較例3A)
Nb3Sn超電導前駆体素線を構成する、化合物超電導前駆体部、Sn拡散防止部、強化材部および安定化材部の体積比率は、それぞれ41%、4%、35%、20%であること以外は、実施例3と同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
(比較例3B)
Nb3Sn超電導前駆体素線を構成する、化合物超電導前駆体部、Sn拡散防止部、強化材部および安定化材部の体積比率は、それぞれ41%、4%、35%、20%であり、曲げ歪み印加工程を行なわなかったこと以外は、実施例3と同様の構成を有する化合物超電導撚線を作製した。
以下に各試験および評価の方法について詳述する。
化合物超伝導素線の0.2%耐力は、670℃×96hrのNb3Sn超電導生成熱処理後に、JIS H 7303に準拠して行い、引張試験装置(島津製作所 オートグラフAG−10TD)を用いて室温(25℃)で測定した。その測定結果を表1に示す。なお、本実施例では、素線の引っ張り時の強度(0.2%耐力)が250MPa以上であれば、実用上問題のないレベルであると評価した。
670℃×96hrのNb3Sn超電導生成熱処理工程後の化合物超電導撚線を構成する素線の非粘着性(または粘着後の分離容易性)は、撚ピッチの3倍の長さで切断したサンプル撚線に対し、素線表面に±0.5%の往復曲げ歪を1回印加した後、素線間が粘着しているか、あるいは分離(剥離)しているかを目視で検査する方法によって4段階で評価した。すなわち、曲げ歪を印加する前に素線同士の粘着が認められずに分離していた場合を「1」、素線間の粘着は認められるものの、曲げ歪印加時に悪影響が無い場合を「2」、素線間の粘着は認められ、曲げ歪印加時に悪影響を及ぼす恐れのある粘着がある場合を「3」、そして、明らかに曲げ歪印加時に悪影響を及ぼす粘着がある場合を「4」とした。本実施例では、非粘着性の評価結果が「1」および「2」であれば、実用上問題のないレベルとした。
これに対し、比較例1〜3はいずれも、化合物超電導撚線に占める強化材部の体積比率が化合物超電導体部の体積比率よりも小さく、また、金属層も配設していないため、撚線を構成する素線の非粘着性の評価結果が「3」または「4」であり、実用上問題が生じるレベルであった。
1´ (圧縮前の)化合物超電導撚線(または平角型ラザフォード撚線)
10、10A、10B (圧縮前の)化合物超電導素線
10´−1、10´−2、10´−3 (圧縮後の)化合物超電導素線
11 化合物超電導体部
12 強化材部
13 安定化材部
14、14a、14b Sn拡散防止層
15 化合物超電導フィラメント
16 第一マトリックス
17 未反応Nbの芯部分
18 強化フィラメント
19 第二マトリックス
20 金属層
21 熱処理用ボビン
22 正方向曲げプーリー
23 逆方向曲げプーリー
24 巻取部材(または巻取ボビン)
30 金属テープ
Claims (14)
- 化合物超電導相を含む複数本の化合物超電導フィラメント、および該複数本の化合物超電導フィラメントを埋設し、第一安定化材を含む第一マトリックスで構成されるコア状の化合物超電導体部と、
該化合物超電導体部の外周側に配置され、複数本の強化フィラメント、および該複数本の強化フィラメントを埋設し、第二安定化材を含む第二マトリックスで構成される筒状の強化材部と、
該強化材部の内周側および外周側の少なくとも一方に配置され、第三安定化材からなる筒状の安定化材部と
を備える複数本の化合物超電導素線を撚り合わされた撚り構造体として構成され、
前記化合物超電導素線に占める、前記強化材部の体積比率は、前記化合物超電導体部の体積比率よりも大きいことを特徴とする化合物超電導撚線。 - 前記化合物超電導素線に占める、前記強化材部の体積比率は、40%以上65%以下であり、前記化合物超電導体部の体積比率が20%以上40%以下である、請求項1に記載の化合物超電導撚線。
- 前記複数本の化合物超電導素線のうちの一部または全部の化合物超電導素線は、他の化合物超電導素線の表面に粘着した状態から分離した際に生じた表面痕を有する、請求項1または2に記載の化合物超電導撚線。
- 化合物超電導相を含む複数本の化合物超電導フィラメント、および該複数本の化合物超電導フィラメントを埋設し、第一安定化材を含む第一マトリックスで構成されるコア状の化合物超電導体部と、
該化合物超電導体部の外周側に配置され、複数本の強化フィラメント、および該複数本の強化フィラメントを埋設し、第二安定化材を含む第二マトリックスで構成される筒状の強化材部と、
該強化材部の内周側および外周側の少なくとも一方に配置され、第三安定化材からなる筒状の安定化材部と
を備える複数本の化合物超電導素線を撚り合わされた撚り構造体として構成され、
前記化合物超電導素線の表面に、前記化合物超電導素線同士の熱融着を防止する、厚さが2μm以下の金属層を有することを特徴とする化合物超電導撚線。 - 前記金属層の厚さが1μm以下である、請求項4に記載の化合物超電導撚線。
- 前記化合物超電導体部と前記強化材部との間に、Sn拡散防止部をさらに有する、請求項1から5までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線。
- 前記化合物超電導相がNb3Snであり、
前記第一安定化材が銅または銅合金であり、
前記Sn拡散防止部が、NbもしくはTaまたはそれらの合金もしくは複合材からなり、
前記強化フィラメントが、Nb、Ta、V、W、Mo、Fe、Ti、AgおよびHfの群から選択される1種の金属または2種以上の合金からなり、
前記第二安定化材が銅または銅合金であり、
前記第三安定化材が銅または銅合金である、
請求項6に記載の化合物超電導撚線。 - 前記化合物超電導素線に占める、前記第二安定化材の体積比率および前記第三安定化材の体積比率の合計が、50%以上である、請求項1から7までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線。
- 前記化合物超電導素線に占める、前記強化フィラメントの体積比率および前記Sn拡散防止部の体積比率の合計が、15%以上である、請求項6に記載の化合物超電導撚線。
- 前記化合物超電導素線に占める、前記強化フィラメントの体積比率が、11%以上15%以下である、請求項1から9までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線。
- 前記撚り構造体は、略平角断面形状を有する、請求項1から10までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線。
- 前記化合物超電導撚線を構成する前記化合物超電導素線間に介挿された、前記化合物超電導素線同士の熱融着を防止する、金属テープをさらに有する、請求項11に記載の化合物超電導撚線。
- 前記撚り構造体は、断面圧縮率が5%以上20%以下である、請求項11または12に記載の化合物超電導撚線。
- 請求項1から13までのいずれか1項に記載の化合物超電導撚線の巻替え方法であって、
前記化合物超電導撚線を、第1巻付部材から第2巻付部材に巻き替えるとき、
前記第1巻付部材から、前記化合物超電導撚線を前記第1巻付部材の接線方向に延出させ、前記第1巻付部材に巻き付けられていたときと同じ曲げ方向に前記化合物超電導撚線を曲げながら第2巻付部材に巻き取ることを特徴とする前記化合物超電導撚線の巻替え方法。
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