WO2007081005A1 - 複合超電導体 - Google Patents

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WO2007081005A1
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superconducting
composite
aluminum
groove
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Toshiyuki Mito
Kazuya Takahata
Toshiya Okada
Toshio Ushiyama
Masahiro Sugimoto
Hirokazu Tsubouchi
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Inter-University Research Institute Corporation National Institutes Of Natural Sciences
Furukawa-Sky Aluminum Corp.
The Furukawa Electric Co., Ltd.
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    • Y10T428/31678—Of metal

Definitions

  • the present invention relates to a compound superconducting material (NbSn, NbAl, Bi-based superconducting material, Y-based superconducting material, MgB-based superconducting material that is susceptible to mechanical strain that is not limited to conventional alloy superconducting materials (such as NbTi)
  • the present invention relates to a composite superconductor in which a superconductor and a metal material such as aluminum are combined.
  • aluminum in this specification refers to standard pure aluminum and aluminum alloys.
  • the compound superconducting material with excellent superconducting properties such as critical current density, critical magnetic field, and ambient temperature is used as the superconductor. It is necessary to use a composite superconductor with controlled thermal, mechanical, and electrical contact between the conductor and a metal member such as aluminum.
  • a compound superconductor is a compound superconductor that functions as a superconductor after processing the raw material into a predetermined size by repeatedly performing intermediate heat treatment such as wire drawing and rolling.
  • intermediate heat treatment such as wire drawing and rolling.
  • a compound superconductor that has been heat-treated to produce a compound superconductor (hereinafter referred to as a compound superconductor is a material that has been heat-treated to produce a compound superconductor! ⁇ ⁇ ) combined with a metal member.
  • Non-patent Document 1 There is a superconductor placed and the copper part is joined with a copper joint (Non-patent Document 1), but aluminum has a high thermal conductivity and high specific heat, so it must be able to give a large amount of heat rapidly. It is easy to oxidize just by having to solder, and it is difficult to solder or mouth unless the acid film is removed.
  • Non-patent Document 2 JP 2000-164053 A
  • Non-Patent Document 1 Cryogenic Engineering 39 ⁇ 9 2004 pp. 383-390, Toshiaki Ando
  • Non-Patent Document 2 Cryogenic Engineering 38 ⁇ 8 2003 391-398, Noriyoshi Koizumi et al.
  • the present invention relates to a compound superconducting material (NbSn, NbAl, Bi-based superconducting material, Y-based superconducting material, MgB-based superconducting material that is weak against mechanical strains only with conventional alloy superconducting materials (such as NbTi).
  • the purpose is to provide a composite superconductor in which a superconductor made of a material such as aluminum is covered with a metal material such as aluminum.
  • the first aspect of the composite superconductor of the present invention comprises a superconductor and one or more members. It is a composite superconductor which is joined so as to cover the superconductor, and at least one of the members has a metal member having aluminum or aluminum alloy force.
  • the metal member includes a first member having a groove portion and a second member fitted to the upper portion of the groove portion.
  • the composite superconductor is characterized in that a superconductor is disposed in a hollow portion formed by joining the second members.
  • the superconductor is disposed alone or together with a heat transfer member that conducts heat between the superconductor and the metal member in a hollow portion of the metal member.
  • the total cross-sectional area of the superconductor and the heat transfer member is a ratio to the cross-sectional area of the hollow part (hereinafter, this ratio is referred to as a filling rate) of 70% or more.
  • the filling rate is less than 70%, it is not preferable because the control of the thermal, mechanical, and electrical contact state between the superconductor and the metal member becomes extremely difficult.
  • the filling rate is appropriately selected depending on the pressure applied to the superconductor.
  • a fourth aspect of the composite superconductor of the present invention is a composite superconductor characterized in that the metal member has a substantially circular cross section.
  • a fifth aspect of the composite superconductor of the present invention is a composite superconductor characterized in that the superconductor is made of a compound superconducting material.
  • examples of compound superconducting materials include intermetallic compound superconducting materials Nb Sn, Nb Al,
  • MgB etc.
  • Bi-based superconducting materials such as oxide superconducting materials
  • Y-based superconducting materials Y-based superconducting materials
  • a sixth aspect of the composite superconductor of the present invention is a composite superconductor characterized in that the joining is performed by a friction stir welding (FSW) method.
  • FSW friction stir welding
  • a seventh aspect of the composite superconductor of the present invention is a composite superconductor characterized in that the friction stir welding method is performed while pressurizing the superconductor.
  • An eighth aspect of the composite superconductor of the present invention is a composite superconductor characterized in that the joining is performed by a laser beam joining method.
  • thermo, mechanical, and electrical contact between a superconductor and a metal member such as aluminum is performed.
  • a composite superconductor that enables control of the touch state, but it is possible to obtain a composite superconductor with characteristics according to the application.
  • since it is possible to control the mechanical strain applied to the superconductor it is only possible to suppress the deterioration of the superconducting properties of the superconductor made of a compound superconducting material including a critical current.
  • superconducting properties can also be improved when a compound superconductor is made using a compound superconductor that can increase the critical current by applying a certain amount of mechanical strain.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a form of a composite superconductor of the present invention.
  • A Composite superconductor with two joints with a rectangular cross section and two joints joined by two FSW processes
  • b A circular cross section with two flat joints and two joints
  • c Circular cross section with flat part, one joint joined by one FSW process, Composite superconductor with one joint
  • d Composite superconductor with two joints with a circular cross section and two joints joined by two FSW processes
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the form of a superconductor.
  • A Round stranded wire in which 19 round superconducting strands are twisted together
  • b Molded stranded wire in which 8 round superconducting strands are twisted together and compression molded
  • c Superconducting shaped strands in metal
  • D Laminated conductor consisting of 4 tape-shaped superconducting strands laminated
  • e Dislocation conductor with 9 superconducting strands transposed (impregnated with ⁇ superconducting strand with solder)
  • Conductor g) Conductor with tape attached around a dislocation conductor with 9 superconducting molded twisted wires
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a form of a long conductor.
  • the grooved metal member is shorter in the longitudinal direction than the superconductor! In this case, it is a manufacturing form in which grooved metal members are joined while being joined by FSW in the longitudinal direction.
  • B After forming the groove-shaped metal member in a predetermined coil shape in advance, applying a strain within the range of the strain that does not deteriorate the characteristics of the superconductor and placing the superconductor in the groove, Manufacturing form that fits and joins with FSW.
  • FIG. 1 (a) is a diagram illustrating a composite superconductor having a rectangular cross section.
  • the groove-shaped aluminum (first member) 1 having a rectangular cross section is an aluminum material having a rectangular cross section having a groove in two steps, which is composed of an upper wide groove 6 and a lower narrow groove 5 narrower than the wide groove 6. It is a member.
  • a superconducting stranded wire 4 is placed in the narrow groove 5, and a fitting shape member (second member) 2 made of aluminum that fits in the wide groove 6 is fitted, and two seams 8a and 8b appearing on the upper surface are connected.
  • FSW and ⁇ ⁇ friction stir welding
  • FIG. 1 (b) is a diagram illustrating a composite superconductor having a flat portion and a circular cross section.
  • a flat aluminum member with a circular cross section (first member) 9 A superconductor-formed stranded wire 4 is placed in the groove 10 of the groove 9 and a fitting member (second member) 2 made of a metal material is placed on it.
  • FSW rotary tool 7a between two joints 8a and 8b, and two joints by one FSW 8a and 8b are joined at once.
  • the groove 10 may be a two-stage groove such as the narrow groove 5 and the wide groove 6 in FIG.
  • the material of the fitting member 2 that can be a metal member may be the same as the groove-type aluminum member 9 having a circular cross section, or may be a different metal member! /.
  • FIG. 1 (c) is a diagram illustrating a composite superconductor having a flat portion and an opening, and having a circular cross section.
  • a groove-shaped aluminum member 11 with a flat section having a flat portion having an opening has a groove 13 below the opening in which the laminated superconductor 12 is disposed, and one surface is open as the opening, and the laminated superconductor 12 After the opening is closed and the opening is closed, the joint 14 is joined by FSW, and the laminated superconductor 12 is placed inside the grooved aluminum member 11 having a circular cross section. is there.
  • the opening is deformed in the elastic region of the grooved aluminum part 11 having a circular cross section before the laminated superconductor 12 is arranged, and the laminated superconductor 12 is moved to the groove 13.
  • a method of closing using the elastic force of the groove-shaped aluminum part 11 having a circular cross section, or the opening of the groove-shaped aluminum part 11 having a circular cross section from the initial state is arranged in the groove part 13. It is possible to use a method that uses a sufficiently open surface and mechanically closes it with a side roll or a fastening die.
  • FIG. 1 (d) illustrates a circular composite superconductor having a flat portion with a superconductor disposed inside a groove-shaped aluminum section divided into two, and having a half-shaped cross section. It is a figure to do.
  • Laminated superconductor 12 is placed in half-grooved aluminum members 15a, 15b of halved circular section with flat part 15a, 15b, and the halved part is closed, then the laminated superconductor 12 is pressurized
  • the joints 17a and 17b are joined by FSW, and the laminated superconductor 12 is arranged inside.
  • the aluminum member that is combined with the superconductor such as the laminated superconductor 12 may have any shape as long as the superconductor can be placed inside. However, when joining, the superconductor placed inside is pressed against the bottom of the groove from the outside. It is desirable to have a structure.
  • FIGS. 2 (a) to 2 (g) examples of the form of the superconductor used for the composite superconductor are shown in FIGS. 2 (a) to 2 (g).
  • FIG. 2 (a) shows a superconducting round stranded wire 18 in which a plurality of round wire-shaped superconducting wires 3 are twisted.
  • superconducting round stranded wire 18 in which 19 superconducting strands 3 are twisted is shown.
  • FIG. 2 (b) shows a superconducting stranded wire 4 (flat-shaped stranded wire) in which a plurality of round wire-shaped superconducting wires 3 are twisted to form a rectangular shape.
  • FIG. 2 (c) shows a composite superconducting stranded wire 20 bundled with aluminum plates 19a and 19b using the superconducting stranded wire 4 above and below the heat transfer member.
  • the force using the superconducting stranded wire 4 in which eight superconducting wires 3 are formed into a flat rectangular shape is not limited to this.
  • the force material using the aluminum plates 19a and 19b as the heat transfer member is not limited to this! /.
  • FIG. 2 (d) shows a superconducting laminated conductor 22 in which a plurality of tape-shaped superconducting wires 21 are laminated.
  • a force indicating a stack of four tape-shaped superconducting wires 21 is not particularly limited.
  • Fig. 2 (e) shows a superconducting dislocation conductor 23 that is flat-shaped and assembled while odd-numbered superconducting stranded wires 4 are dislocated.
  • the force that displaces nine superconducting molded strands 4 is not limited to this.
  • FIG. 2 (1) shows a case in which solder 24 is impregnated with a superconducting molded stranded wire 4 formed into a rectangular shape as a medium of a heat transfer member.
  • a superconducting stranded wire 4 in which eight superconducting wires 3 are formed into a flat rectangular shape is used, but the present invention is not limited to this.
  • the solder 24 is used as the medium of the heat transfer member, but the material is not particularly limited to this.
  • Figure 2 (g) shows a conductor in which a tape 25 with aluminum force is wound around the superconducting dislocation conductor 23.
  • a superconducting dislocation conductor 23 in which nine superconducting stranded wires 4 are dislocated is used, but the present invention is not limited to this.
  • the tape 25 is made of aluminum and the force material is not limited to this.
  • the superconductor used for the composite superconductor may be in the above-mentioned! /, Misalignment form. It may be a monolithic wire.
  • a composite superconductor that is indirectly cooled may have a shape in which superconductors are densely arranged inside a groove-type aluminum member and are in close contact with the outer aluminum member. This is because the superconductor is sufficiently cooled by the outer aluminum member.
  • the depth d of the groove in which the superconductor is arranged is the thickness t of the superconductor (superconducting stranded wire 4 in FIG. 1 (a)).
  • the total force of the cross-sectional area of the superconductor and the heat transfer member is the ratio of the cross-sectional area of the hollow portion (hereinafter referred to as the filling rate) to 70%. That's it.
  • filling rate is less than 70%, it is not preferable because it is extremely difficult to control the thermal, mechanical, and electrical contact state between the superconductor and the metal member.
  • This filling rate can be appropriately selected depending on the cross-sectional design of the members constituting the composite superconductor and the pressure applied to the superconductor.
  • FIG. 3 shows an example of the form of a long superconducting composite.
  • Fig. 3 (a) shows a composite superconductor in which a groove-shaped aluminum member 1 having a rectangular cross section is connected to a groove-shaped aluminum member 1 having a rectangular cross section shorter than the superconducting stranded wire 4.
  • the fitting shape 2 is fitted into the wide groove 6, and the two seams 8a and 8b appearing on the upper surface are joined by FSW.
  • the joint (circumferential direction) 26 may use FSW or laser beam welding, or other joining methods may be applied. Further, not only in FIG. 1 (a), but also in FIGS. 1 (b) to (d), a plurality of aluminum members may be joined together.
  • Fig. 3 (b) shows that after the aluminum member is made into a predetermined coil shape, a strain within the range of the strain is applied without degrading the characteristics of the superconductor, and the superconductor is placed in the groove and joined by FSW. A long composite superconductor is shown.
  • a groove-shaped aluminum member 9 'having a circular section with a flat portion that has been bent into a predetermined coil shape in advance is bent by applying a strain within a range of distortion that does not deteriorate the characteristics of the groove-shaped groove 10'.
  • Superconducting molded stranded wire 4 ' is placed, and bent shape fitting 2' is fitted into bent shape groove 10 ', and FSW is formed between two seams 8a and 8b appearing on the upper surface. Apply the rotary tool 7a and join with FSW.
  • a long composite superconductor may be formed in a predetermined coil shape in advance.
  • the fitting section 2 is fitted into the wide groove 6 having a width of 7 mm and a depth of 5 mm, and the two joints 8b and 8c of the groove-shaped aluminum member 1 and the fitting section 2 having a rectangular cross section are respectively provided.
  • Joined by FSW Joined by FSW.
  • the FSW rotary tool 7a is pressed against the fitting 2 to apply a surface pressure perpendicular to the wide surface of the Nb Sn flat superconducting stranded wire 4 that has been indirectly heat treated.
  • a composite superconductor having a width of 17 mm and a thickness of 11 mm was obtained.
  • a steel rotating tool was used, and the conditions were adopted in which the tool was moved horizontally at a rotational speed of 2500 rpm and a welding speed of 200 mm / min.
  • Nb Sn superconducting wire 3 before reaction heat treatment with diameter 0.82mm, copper ratio 1, bronze ratio 2.3, filament diameter 3.5mm, twist pitch 25mm was fabricated by bronze method, and Cr metallized on the surface of the wire
  • Superconducting molded stranded wire 4 with a mm and twist pitch of 35 mm was manufactured. After that, 9 superconducting shaped stranded wires 4 were dislocated at 55mm pitch to form dislocation conductors of width 7.0mm x thickness 8.0mm, and Nb Sn reaction heat treatment at 650 ° C x 96 hrs was performed in an argon atmosphere, Nb after reaction heat treatment
  • a superconducting dislocation conductor 23 of Sn was obtained.
  • a fitting shape 2 of lmm X thickness 4.5mm was manufactured.
  • Nb Sn superconducting dislocation conductor 23 that has been subjected to reactive heat treatment has
  • the fitting section 2 After inserting into the groove 10, the fitting section 2 is fitted into the groove 10, and the two joints 8a and 8b of the rectangular aluminum section 1 and the fitting section 2 are joined by FSW. .
  • the FSW rotary tool 7a is pressed against the fitting shape 2 to indirectly widen the NbSn superconducting twisted strand 4 in the NbSn superconducting dislocation conductor 23 that has been subjected to reactive heat treatment.
  • a composite superconductor having a width of 17 mm and a thickness of 17 mm was obtained so that the surface pressure was applied vertically.
  • a steel rotating tool 7a was used in the same manner as in Example 1, and the conditions were adopted in which the tool was moved horizontally at a rotational speed of 2500 rpm and a joining speed of 200 mm / min.
  • a comparative superconductor was fabricated using a conventional extrusion coating method (conform method) and composited with an aluminum 3004 alloy so as to have the same external dimensions as in Example 1.
  • Table 1 shows the results of comparing the performance of the composite superconductors of Examples 1 and 2 according to the present invention and the composite superconductor of the comparative example.
  • the critical current did not decrease, but in the composite superconductor of the comparative example using the conventional technology, the critical current decreased to less than half.
  • the composite superconductor of Example 2 there is almost no decrease in the critical current as in Example 1, and a current of 10 kA or more can be applied under an external magnetic field of 10 T, and the critical current is the conductor current per total cross-sectional area.
  • the current density was at least 5 times that of the composite superconductor of Example 1.
  • the composite superconductor according to the present invention has been confirmed to have an effect of suppressing a decrease in critical current characteristics, and further, its usefulness when applied to a large-capacity conductor is clear. Can be evaluated as excellent.
  • Linear motor cars, transformers, generators, etc. that can only be applied to fusion generators, indirect-cooled large superconductors such as large SMES, and conduction-cooled small and medium-sized superconductors such as pulsed SMES Wide application to superconductors used in superconducting applications.
  • indirect-cooled large superconductors such as large SMES
  • conduction-cooled small and medium-sized superconductors such as pulsed SMES Wide application to superconductors used in superconducting applications.

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Abstract

超電導体と、１つ又は２つ以上の部材が前記超電導体を被覆するように接合され、かつ前記部材の少なくとも１つがアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材とを有する複合超電導体。

Description

明 細 書
複合超電導体
技術分野
[0001] 本発明は、従来の合金超電導材料 (NbTi等)だけでなぐ機械的歪みに弱い化合 物超電導材料 (Nb Sn、 Nb Al、 Bi系超電導材料、 Y系超電導材料、 MgB系超電導材
3 3 2
料)等からなる超電導体にも適用可能な、超電導体とアルミニウム等の金属材料とを 複合ィ匕した複合超電導体に関するものである。以下、本明細書でアルミニウムとは規 格上の純アルミニウム及びアルミニウム合金をいうものとする。
背景技術
[0002] 超電導体は、その超電導特性を維持するため、液化ヘリウム等の冷媒に浸漬したり 、冷凍機等と組み合わせたりして、強制的な方法や間接的な方法により、冷却して使 用するのが一般的である。具体的には、アルミニウムの高い比熱、高い熱伝導度、調 整しやすい電気伝導度、小さい比重、低い放射性等の特徴を生かし、該アルミニウム と NbTi等の合金超電導材料からなる超電導体と複合化した複合超電導体が実用化 されている（特許文献 1)。
[0003] し力しながら、さらに高性能な超電導体を得るには、臨界電流密度、臨界磁場、臨 界温度と!/ヽつた超電導特性が優れた化合物超電導材料等を超電導体とし、その超 電導体とアルミニウム等の金属部材との熱的、機械的、電気的な接触状態が制御さ れた複合超電導体とする必要がある。
[0004] しカゝしながら、化合物超電導材料は、原材料を伸線加工や圧延加工等の中間熱処 理を繰り返して所定の寸法に加工した後、超電導体として機能させるための化合物 超電導体を生成させる熱処理を施すと、機械的歪みに弱くなり、その後の塑性加工 は超電導特性を低下させないために、大きな制約を受ける。すなわち、化合物超電 導体生成熱処理を施した化合物超電導体 (以下、化合物超電導体というときは、化 合物超電導体を生成させる熱処理を施したものを!ヽぅ）を金属部材と複合化した複合 超電導体の場合、従来の合金系超電導材料の超電導体に適用されてきた被覆押し 出しや複合伸線等の製造方法を適用すると、塑性加工が加わることにより、部分的に その臨界電流特性が低下することがあり、実用化までには至っていない。
[0005] また、複合超電導体の押し出し被覆法や複合伸線法以外の方法として、 2つの銅 製の部材を組み合わせた金属部材により形成された中空部に Nb Snからなる化合物
3
超電導体を配置し、前記銅製部材の接合部をノ、ンダ付けしたもの (非特許文献 1)が あるが、アルミニウムは、熱伝導度が大きぐ比熱が高いため大きな熱量を急速に与 えなければならないだけでなぐ酸ィ匕し易く酸ィ匕被膜を除去しないとハンダ付けや口 ゥ付けが困難である。
[0006] 従って、前記銅製部材に代えてアルミニウム製部材を金属部材とし、その接合をノ、 ンダ付けやロウ付けで行うことは、実用的では無い。一方、アーク溶接 (ティグ溶接や ミグ溶接）は、溶接時に金属部材に与える熱量の調節が難しぐ接合部の寸法精度 を損なったり、溶接時の熱歪によって超電導体が変形し、臨界電流特性が部分的に 低下したりする危険があるので、実用的では無い。
[0007] さらに別の方法として、 Nb A1力 なる化合物超電導体と管状のステンレス合金から
3
なる金属部材を複合化した複合超電導体の例 (非特許文献 2)はあるが、この複合超 電導体は金属部材の隙間部に液体ヘリウムを流すことにより超電導体を強制的に冷 却することを目的としたものであり、超電導体と複合ィ匕されるアルミニウム力 なる金 属部材との接触状態を制御しょうとする本発明の目的を達成することはできない。 特許文献 1：特開 2000-164053号公報
非特許文献 1 :低温工学 39卷 9号 2004年 383〜390頁、 安藤俊就
非特許文献 2 :低温工学 38卷 8号 2003年 391〜398頁、 小泉徳潔ら
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 本発明は、従来の合金超電導材料 (NbTi等)だけでなぐ機械的歪みに弱い化合 物超電導材料 (Nb Sn、 Nb Al、 Bi系超電導材料、 Y系超電導材料、 MgB系超電導材
3 3 2 料)等カゝらなる超電導体をアルミニウム等の金属材料で被覆した複合超電導体を提 供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明の複合超電導体の第 1の態様は、超電導体と、 1つ又は 2つ以上の部材が 前記超電導体を被覆するように接合され、かつ前記部材の少なくとも 1つがアルミ二 ゥムまたはアルミニウム合金力もなる金属部材とを有する複合超電導体である。
[0010] 本発明の複合超電導体の第 2の態様は、前記金属部材は、溝部を有する第一部 材と、該溝部上部に嵌合される第二部材からなり、前記第一部材と前記第二部材が 接合されて形成される中空部に超電導体が配置されていることを特徴とする複合超 電導体である。
[0011] 本発明の複合超電導体の第 3の態様は、前記超電導体は前記金属部材の中空部 に単独または前記超電導体と前記金属部材間の熱伝導を行う伝熱部材と共に配置 されており、前記複合超電導体の垂直断面において、前記超電導体と前記伝熱部 材の断面積の合計が、前記中空部の断面積に対する割合 (以下、この割合を充填率 という) 70%以上であることを特徴とする複合超電導体である。
前記充填率が 70%より小さくなると、超電導体と金属部材との熱的、機械的、電気的 な接触状態の制御が著しく困難になるので好ましくない。なお、前記充填率は、前記 超電導体に与える圧力によって適宜選択するものとする。
[0012] 本発明の複合超電導体の第 4の態様は、前記金属部材は、断面が略円形であるこ とを特徴とする複合超電導体である。
[0013] 本発明の複合超電導体の第 5の態様は、前記超電導体は化合物超電導材料から なることを特徴とする複合超電導体である。
ここで、化合物超電導材料の例としては、金属間化合物超電導材の Nb Sn、 Nb Al、
3 3
MgB等や、酸化物超電導材料の Bi系超電導材料、 Y系超電導材料等がある。
2
[0014] 本発明の複合超電導体の第 6の態様は、前記接合は摩擦撹拌接合法 (FSW: Fric tion Stir Welding)により行われることを特徴とする複合超電導体である。
[0015] 本発明の複合超電導体の第 7の態様は、前記摩擦攪拌接合法が前記超電導体を 加圧しながら行われることを特徴とする複合超電導体である。
[0016] 本発明の複合超電導体の第 8の態様は、前記接合はレーザビーム接合法で行われ ることを特徴とする複合超電導体である。
発明の効果
[0017] 本発明により、超電導体とアルミニウム等の金属部材との熱的、機械的、電気的接 触状態を制御可能とする複合超電導体の構造を見!、だし、用途に応じた特性の複 合超電導体を得ることができる。特に、超電導体に印加される機械的歪みを制御す ることが可能になったことにより、臨界電流等を含む化合物超電導材料からなる超電 導体の超電導特性の低下を抑制することができるだけでなぐさらに、ある程度の大 きさの機械的歪みをかけることにより臨界電流を増大させることができる化合物超電 導材料を用いて複合超電導体とした場合には、超電導特性を向上させることもできる 図面の簡単な説明
[0018] [図 1]図 1は、本発明の複合超電導体の形態の例を示す図である。 （a)断面が矩形 状で、 2箇所の継ぎ目を 2回の FSW加工により接合した、 2箇所の接合部を有する複 合超電導体 （b)断面がフラット部を有する円形状で、 2箇所の継ぎ目を 1回の FSW加 ェにより接合した、 2箇所の接合部を有する複合超電導体 （c)断面がフラット部を有 する円形状で、 1箇所の継ぎ目を 1回の FSW加工により接合した、 1箇所の接合部を 有する複合超電導体 （d)断面がフラット部を有する円形状で、 2箇所の継ぎ目を 2回 の FSW加工により接合した、 2箇所の接合部を有する複合超電導体
[図 2]図 2は、超電導体の形態の例を示す図である。 （a)丸形状の超電導素線を 19 本撚り合わせた丸撚線 （b)丸形状の超電導素線を 8本撚り合わせて圧縮成形した成 形撚線 （c)超電導成形撚線を金属部材で上下挟んだ複合成形撚線 （d)テープ形 状の超電導素線を 4枚積層した積層導体 （e)超電導成形撚線を 9本転位させた転位 導体 （β超電導成形撚線をハンダで含浸した導体 （g)超電導成形撚線を 9本転位さ せた転位導体の周囲にテープを卷きつけた導体
[図 3]長尺導体の形態の例を示す図である。（a)嵌合形材ゃ超電導体よりも溝型金属 部材が長手方向に短！ヽ場合に、溝型金属部材を長手方向に FSWで接合しながらつ なぐ製造形態。（b)溝型金属部材を予め所定のコイル形状にした後、超電導体の特 性を劣化させない歪の範囲内の歪みを印加して、超電導体を溝部に配置した後、嵌 合形材を嵌合し、 FSWによって接合する製造形態。
符号の説明
[0019] 1 矩形断面の溝型アルミニウム部材 (第一部材） 嵌合形材 (第二部材）
'曲げた形状の嵌合形材
超電導素線
超電導成形撚線 (t=厚さ）
'曲げた形状の超電導成形撚線
下部の狭幅溝 (d:溝深さ）
上部の広幅溝
a FSWの回転工具
b FSW接合部
c FSW接合部
d FSW接合咅
a 継ぎ目
b 継ぎ目
フラット部付の円形断面の溝型アルミニウム部材
'曲げた形状のフラット部付の円形断面の溝型アルミニウム部材0 溝
0'曲げた形状の溝
1 開口部を有するフラット部付の円形断面の溝型アルミニウム部材2 積層超電導体
3 開口部の下の溝部
4 継ぎ目
5a フラット部付の半割型円形断面の溝型アルミニウム部材5b フラット部付の半割型円形断面の溝型アルミニウム部材6a 半割溝
6b 半割溝
7a 継ぎ目
7b 継ぎ目
8 超電導丸撚線 19a ァノレミ-ゥム板
19b アルミニウム板
20 複合超電導成形撚線
21 テープ形状の超電導線
22 超電導積層導体
23 超電導転位導体
24 ハンダ
25 テープ
26 継ぎ目（周方向）
発明を実施するための最良の形態
[0020] 以下、図 1〜3を参照し、本発明の複合超電導体を説明する。図 1(a)は、断面が矩 形状の複合超電導体を説明する図である。矩形断面の溝型アルミニウム (第一部材） 1は、上部の広幅溝 6と広幅溝 6よりも狭幅の下部の狭幅溝 5からなる 2段に溝を有する 断面矩形のアルミニウム材カもなる部材である。狭幅溝 5に超電導成形撚線 4を配置 し、広幅溝 6に嵌合するアルミニウムからなる嵌合形材 (第二部材) 2を嵌合させ、上面 に現れる 2箇所の継ぎ目 8aと 8bを摩擦攪拌接合 (以下、 FSWと ヽぅ）で接合する。
[0021] FSWで接合する際には、図面で上方力 FSWの回転工具 7aで押さえつけて接合を 行うことは、部材内に配置された超電導体（図 1 (a)においては、超電導成形撚線 4) の幅広面に対して垂直方法に圧力が加わるとともに溝内の空隙を少なくすることがで きる点で望ましい。また、前記接合にはレーザビーム溶接による接合を適用することも 出来る。この場合には、溶接部位の直近を押さえロールで押さえつけると FSWと同様 な効果を得ることができる。狭幅溝 5と広幅溝 6は 1段の溝でも良い。また、金属材から なる嵌合形材 (第二部材) 2の材質は矩形断面の溝型アルミニウム (第一部材) 1と同 じでもよいし、異種の金属材でもよい。
[0022] 図 1(b)は、フラット部を有し、断面が円形状である複合超電導体を説明する図である 。フラット部材の円形断面の溝型アルミニウム部材 (第一部材) 9の溝 10に超電導体成 形撚線 4を配置し、その上に金属材カゝらなる嵌合形材 (第二部材) 2を嵌合させ、 2箇 所の継ぎ目 8aと 8bの間に FSWの回転工具 7aを当て、 1回の FSWにより 2箇所の継ぎ目 8aと 8bを 1度に接合したものである。この溝 10は図 1 (a)の狭幅溝 5と広幅溝 6のように 2 段の溝でも良い。また、金属材カもなる嵌合形材 2の材質は円形断面の溝型アルミ- ゥム部材 9と同じでもよ 、し、異種の金属材でもよ!/、。
[0023] 図 1(c)は、フラット部と開口部を有し、断面が円形状である複合超電導体を説明す る図である。開口部を有するフラット部付の円形断面の溝型アルミニウム部材 11は、 積層超電導体 12を配置する開口部の下の溝部 13を有し、開口部として 1面が開いて おり、積層超電導体 12を前記開いた面から内部に配置し、前記開口部を閉じた後、 その継ぎ目 14を FSWで接合して、円形断面の溝型アルミニウム部材 11の内部に積 層超電導体 12を配置したものである。なお、前記開口部を閉じる方法としては、前記 開口部を積層超電導体 12を配置する前に円形断面の溝型アルミニウム部 11の弾性 領域内で変形させておき、積層超電導体 12を溝部 13へ配置した後、円形断面の溝 型アルミニウム部 11の弾性力を利用して閉じる方法や、円形断面の溝型アルミニウム 部 11が初期状態から前記開口部が積層超電導体 12を溝部 13に配置するのに十分 に開いているものを用いて、サイドロールや締めダイスなどによって、機械的に閉じる 方法を用いることができる。
[0024] 図 1(d)は 2分割された溝型アルミニウムの形材の内部に超電導体が配置されたフラ ット部を有し、断面が半割型の円形状の複合超電導体を説明する図である。フラット 部付の半割型円形断面の溝型アルミニウム部材 15a、 15bの半割溝 16a、 16bに、積層 超電導体 12を配置し、半割部を閉じた後、積層超電導体 12を加圧しながら継ぎ目 17 a、 17bを FSWで接合して、内部に積層超電導体 12を配置したものである。
積層超電導体 12などの超電導体と複合ィ匕するアルミニウム部材は、その内部に超 電導体を配置できる形状であれば良いが、接合時に、内部に配置した超電導体を溝 の底辺に外部より押し付けられる構造とすることが望ましい。
[0025] 次に、複合超電導体に用いる超電導体の形態の例を図 2(a)から (g)に示す。図 2(a) は複数本の丸線形状の超電導素線 3を丸撚りした超電導丸撚線 18である。ここでは、 超電導素線 3を 19本丸撚りした超電導丸撚線 18を示しているが、特にこれに限られる ものではない。図 2(b)は複数本の丸線形状の超電導素線 3を撚り合わせ平角状に成 形した超電導成形撚線 4(平角成形撚線)である。ここでは、超電導素線 3を 8本平角 状に成形した超電導成形撚線 4を示して ヽるが、特にこれに限られるものではな ヽ。 図 2(c)は超電導成形撚線 4の上下を伝熱部材としてアルミニウム板 19a、 19bで束ねた 複合超電導成形撚線 20である。ここでは、超電導素線 3を 8本平角状に成形した超電 導成形撚線 4を用いている力 特にこれに限られるものではない。また、ここでは伝熱 部材としてアルミニウム板 19a, 19bを用いている力 材質は特にこれに限られるもの ではな!/、。図 2(d)は複数本のテープ形状の超電導素線 21を積層した超電導積層導 体 22である。ここでは、テープ形状の超電導素線 21を 4枚積層したものを示している 力 特にこれに限られるものではない。図 2(e)は,平角成形され超電導成形撚線 4を奇 数本転位させながら集合させた超電導転位導体 23である。ここでは、超電導成形撚 線 4を 9本転位させている力 特にこれに限られるものではない。図 2(1)は平角成形さ れた超電導成形撚線 4を伝熱部材の媒体としてハンダ 24に含浸したものである。ここ では、超電導素線 3を 8本平角状に成形した超電導成形撚線 4を用いているが、特に これに限られるものではない。また、ここでは伝熱部材の媒体としてハンダ 24を用い ているが、材質は特にこれに限られるものではない。図 2(g)は，超電導転位導体 23の 周囲にアルミニウム力もなるテープ 25を卷きつけた導体である。ここでは、超電導成 形撚線 4を 9本転位させた超電導転位導体 23を用いて ヽるが、特にこれに限られるも のではない。また、ここではテープ 25はアルミニウムを用いている力 材質は特にこ れに限られるものではな 、。
[0026] 複合超電導体に用いる超電導体は上記!/、ずれの形態でも良 、。モノリス線であつ てもよい。特に間接冷却される複合超電導体は、溝型アルミニウム部材の内部に超 電導体を密に配置して、外側のアルミニウム部材と十分に密着される形状であればよ い。超電導体を外側のアルミニウム部材で十分に冷却するためである。そのためには 、超電導体が配置される溝 (図 1 (a)では、狭幅溝 5)の深さ dは、超電導体 (図 1 (a)で は、超電導成形撚線 4)の厚み tよりも小さく上部から圧縮した場合に、溝型アルミ-ゥ ム部材の底辺に押し付けられることが、電気的接触状態、機械的安定性、熱伝導性 等を保持する点で望ましい。
[0027] 複合超電導体に用いる超電導体を外周の金属からなる部材で臨界温度以下に冷 却するためには、超電導体と金属部材とを十分に接触させる必要がある。その手段と して、超電導体をハンダ金属に含浸させ、又はアルミニウム等力 なるテープを巻き つけて熱伝導体とし、超電導体と外側の金属部材との熱伝導を促進する。そこで、複 合超電導体の垂直断面にお!、て、前記超電導体と前記伝熱部材の断面積の合計 力 前記中空部の断面積に対する割合 (以下、この割合を充填率という)を 70%以上 とする。この充填率が 70%より小さくなると、超電導体と金属部材との熱的、機械的、電 気的接触状態の制御が著しく困難になるので好ましくない。なお、この充填率は、前 記複合超電導を構成する部材の断面設計と超電導体に与える圧力によって適宜選 択することができる。
[0028] 図 3に長尺の超電導複合体の形態の例を示す。図 3 (a)は矩形断面の溝型アルミ二 ゥム部材 1が超電導成形撚線 4よりも短ぐ矩形断面の溝型アルミニウム部材 1をつな ぎ合わせた複合超電導体を示す。複数の矩形断面の溝型アルミニウム部材 1を隙間 無く配置し、図 1 (a)などと同様に複数の矩形断面の溝型アルミニウム部材 1の連続し た狭幅溝 5に超電導成形撚線 4を配置し、更に嵌合形材 2を広幅溝 6に嵌合させ、上 面に現れる 2箇所の継ぎ目 8aと 8bを FSWで接合する。複数の矩形断面の溝型アルミ ユウム部材 1同士を接合する際、継ぎ目（周方向） 26は FSWやレーザビーム溶接法を 用いても良いし、他の接合方法を適用してもよい。また、図 1(a)〖こ限らず、図 1(b)から（ d)に関しても同様に、複数のアルミニウム部材をつなぎ合わせてもよい。図 3 (b)はァ ルミニゥム部材を予め所定のコイル形状にした後、超電導体の特性を劣化させな 、 歪の範囲内の歪みを印加して、超電導体を溝部に配置させて FSWで接合した長尺 複合超電導体を示す。予め所定のコイル形状にした曲げた形状のフラット部付の円 形断面の溝型アルミニウム部材 9'の曲げた形状の溝 10'に、特性を劣化させない歪 の範囲内の歪みを印加した曲げた形状の超電導成形撚線 4'を配置させ、更に曲げ た形状の嵌合形材 2'を曲げた形状の溝 10'に嵌合し、上面に現れる 2箇所の継ぎ目 8aと 8bの間に FSWの回転工具 7aを当て、 FSWで接合する。また、図 1(b)に限らず、図 1(a), (c)、（d)に関しても同様に、予め所定のコイル形状にして長尺複合超電導体を 形成してちょい。
実施例 1
[0029] 直径 0.82mm、銅比 1、ブロンズ比 2.3、フィラメント径 3.5mm、ツイストピッチ 25mmの反 応熱処理前の Nb Sn超電導素線 3をブロンズ法により製作し、素線表面に Crメツキカロ
3
ェを施した後、該 Crメツキ Nb Sn超電導素線 3を 8本撚り合わせて平角成形加工を施
3
し、その後、 650。C X 96hrsの Nb Sn反応熱処理をアルゴン雰囲気中で行って、幅 3.4
3
mm X厚さ 1.57mm、燃りピッチ 35mmの反応熱処理済みの Nb Sn平角の超電導成形燃
3
線 4を得た。
[0030] 一方、幅 17mm X厚さ 11mmのアルミニウム 3004 (調質 H112)合金の中央に、幅 7mm
X深さ 5mmの広幅溝 6と幅 3.5mm X深さ 1.55mmの狭幅溝 5の 2段の溝力卩ェを施した断 面が矩形の矩形断面の溝型アルミニウム部材 1と、幅 7mm X深さ 5mmの幅広溝に嵌 合するアルミニウム 3004 (調質 HI 12)合金からなる嵌合形材 2を製作した。反応熱処 理済みの Nb Sn平角の超電導成形撚線 4を幅 3.5mm X深さ 1.55mmの狭幅溝 5に挿入
3
した後、嵌合形材 2を幅 7mm X深さ 5mmの広幅溝 6に嵌合させ、矩形断面の溝型アル ミニゥム部材 1と嵌合形材 2の 2箇所の継ぎ目 8b,8cを、それぞれ FSWによって接合した 。接合の際、 FSWの回転工具 7aを嵌合形材 2に押し当てることにより、間接的に反応 熱処理済みの Nb Sn平角の超電導成形撚線 4の幅広面に対して垂直に面圧がかか
3
るようにして、幅 17mm X厚さ 11mmの複合超電導体を得た。なお、接合に際しては鋼 製の回転工具を使用し、回転数: 2500rpm、接合速度 200mm/分で、工具を水平移 動させる条件を採用した。
実施例 2
[0031] 直径 0.82mm、銅比 1、ブロンズ比 2.3、フィラメント径 3.5mm、ツイストピッチ 25mmの反 応熱処理前の Nb Sn超電導素線 3をブロンズ法により製作し、素線表面に Crメツキカロ
3
ェを施した後、該 Crメツキ Nb Sn超電導素線 3を 8本機り合わせて幅 3.4mm X厚さ 1.57
3
mm、撚りピッチ 35mmの超電導成形撚線 4を製作した。その後、この超電導成形撚線 4を 9本 55mmピッチで転位させて、幅 7.0mm X厚さ 8.0mmの転位導体とし、 650°C X 96 hrsの Nb Sn反応熱処理をアルゴン雰囲気中で行うことにより、反応熱処理済みの Nb
3 3
Snの超電導転位導体 23を得た。
[0032] 一方、幅 17mm X厚さ 17mmのアルミニウム 3004 (調質 H112)合金の中央に、幅 7.2m m X深さ 12.5mmの溝力卩ェを施した矩形断面の溝型アルミニウム部材と、この溝に反 応熱処理済みの Nb Snの超電導転位導体 23を挿入した状態で、嵌合するアルミ-ゥ ム 3004 (調質 HI 12)合金力らなる幅 7. lmm X厚さ 4.5mmの嵌合形材 2を製作した。反 応熱処理済みの Nb Snの超電導転位導体 23を矩形断面の溝型アルミニウム部材 1の
3
溝 10に挿入した後、嵌合形材 2を溝 10に嵌合させ、矩形断面の溝型アルミニウム部 材 1と嵌合形材 2の 2箇所の継ぎ目 8a,8bを、それぞれ FSWによって接合した。接合の 際、 FSWの回転工具 7aを嵌合形材 2に押し当てることにより、間接的に反応熱処理済 みの Nb Snの超電導転位導体 23中の Nb Sn平角の超電導成形撚線 4の幅広面に対し
3 3
て垂直に面圧が力かるようにして、幅 17mm X厚さ 17mmの複合超電導体を得た。な お、接合に際しては実施例 1と同様に鋼製の回転工具 7aを使用し、回転数: 2500rp m、接合速度 200mm/分で、工具を水平移動させる条件を採用した。
比較例
[0033] 実施例 1で作製した反応熱処理済みの Nb Sn平角の超電導成形撚線 4と同じものを
3
製作し、従来技術の押し出し被覆法 (コンフォーム法)を用いて、実施例 1と同じ外形 寸法となるようにアルミニウム 3004合金と複合化した複合超電導体を作製し比較例と した。
[0034] 本発明による実施例 1、 2の複合超電導体と比較例の複合超電導体の性能を比較し た結果を表 1に示す。実施例 1の複合超電導では、臨界電流の低下は見られなかつ たが、従来技術を用いた比較例の複合超電導体では、臨界電流が半分以下に低下 した。実施例 2の複合超電導体においては、実施例 1と同様に臨界電流の低下は殆 ど無ぐ 10Tの外部磁場下において 10kA以上の通電が可能であり、全断面積当たり の導体電流である臨界電流密度としては、実施例 1の複合超電導体の 5倍以上であ つた o
[0035] これは、超電導体が大きくなつても接合部位は同等の大きさなので、相対的に複合 した金属部材の割合を小さくできるためである。尚、複合ィ匕したアルミニウム部材の強 度については、実施例 1および実施例 2の複合超電導体では、低下しなかったが、比 較例の複合超電導体では強度が低下した。これは、押し出し時に加わる熱のためで ある。一方、熱伝導性については、実施例 1および実施例 2の複合超電導体の熱伝 導性は、超電導体とアルミニウム部材の金属的な結合が生じる比較例の複合超電導 体には及ばな ヽものの、実用レベルは十分満たして!/ヽた。 以上より、本発明による複合超電導体は、臨界電流特性の低下を抑制する効果が 確認され、さらに、大容量導体に適用した場合の有用性も明らかであることから、総 合的に従来技術よりも優れていると評価できる。
[¾1]
Figure imgf000014_0001
説明 ο:良 ◎:最良 X：劣る △:やや劣る
産業上の利用可能性
核融合発電機、大型 SMES等の間接冷却型の大型超電導体や、パルス型 SMES 等の伝導冷却型の小'中型超電導体等への適用だけでなぐリニアモーターカー、 変圧器、発電機などの幅広 、超電導応用機器で使用される超電導体への適用が出 来る。

Claims

請求の範囲
[1] 超電導体と、
1つ又は 2つ以上の部材が前記超電導体を被覆するように接合され、かつ前記部材 の少なくとも 1つがアルミニウムまたはアルミニウム合金力もなる金属部材と を有する複合超電導体。
[2] 前記金属部材は、溝部を有する第一部材と、該溝部上部に嵌合される第二部材力 なり、前記第一部材と前記第二部材が接合されて形成される中空部に超電導体が配 置されて!、ることを特徴とする請求項 1に記載の複合超電導体。
[3] 前記超電導体は、前記金属部材の中空部に単独または前記超電導体と前記金属部 材間の熱伝導を行う伝熱部材と共に配置されており、前記複合超電導体の垂直断 面において、前記超電導体と前記伝熱部材の断面積の合計が、前記中空部の断面 積に対して 70%以上であることを特徴とする請求項 1に記載の複合超電導体。
[4] 前記金属部材は断面が略円形であることを特徴とする請求項 1に記載の複合超電導 体。
[5] 前記超電導体は化合物超電導材料からなることを特徴とする請求項 1乃至 4の ヽず れか 1項に記載の複合超電導体。
[6] 前記接合は摩擦撹拌接合法 (FSW)により行われることを特徴とする請求項 1乃至 5の
V、ずれか 1項に記載の複合超電導体。
[7] 前記摩擦撹拌接合法 (FSW)は、前記超電導体を加圧しながら行われることを特徴と する請求項 6に記載の複合超電導体。
[8] 前記接合はレーザビーム接合法で行われることを特徴とする請求項 1乃至 5の ヽず れか 1項に記載の複合超電導体。
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