WO2022075127A1 - ＮｂＴｉ超電導多芯線 - Google Patents

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WO2022075127A1
WO2022075127A1 PCT/JP2021/035746 JP2021035746W WO2022075127A1 WO 2022075127 A1 WO2022075127 A1 WO 2022075127A1 JP 2021035746 W JP2021035746 W JP 2021035746W WO 2022075127 A1 WO2022075127 A1 WO 2022075127A1
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nbti
filament
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barrier layer
filaments
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PCT/JP2021/035746
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昌弘 杉本
功多 片山
秀樹 伊井
智也 加藤
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古河電気工業株式会社
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • This disclosure relates to NbTi superconducting multi-core wire.
  • the NbTi superconducting wire is composed of a plurality of NbTi filaments and a stabilized metal in which a plurality of NbTi filaments are embedded.
  • the NbTi superconducting wire may have a stranded wire structure in order to increase the energizing current capacity, improve the current density, mechanical stability, and improve winding workability.
  • AC loss occurs and the cooling efficiency is lowered.
  • the history loss in the NbTi filament portion can be reduced by reducing the filament diameter, but the smaller the filament diameter, the higher the manufacturing cost. Therefore, it is customary to design the filament diameter to a value as large as possible within a range that can satisfy the required characteristics as a device.
  • the bond loss at the stabilized metal portion can be reduced by arranging a copper alloy having a large electric resistance such as a CuNi alloy on the outer periphery of each filament, between the filaments, or on the outer periphery of the wire. In particular, by arranging a copper alloy such as a CuNi alloy on the outer periphery of the filament, between the filaments, and the outer periphery of the wire, the bond loss can be further reduced. Further, by shortening the twist pitch of the filament, the coupling loss can be reduced.
  • NbTi superconducting wire with a structure in which the stabilized metal part is completely eliminated and the matrix part is entirely made of CuNi alloy is used as the AC wire that is generally used at commercial frequencies with an empirical magnetic field of 1 to 2 T or less.
  • the critical current density Jc in a low magnetic field is extremely high, and the loss due to the change in the magnetic field becomes large, so that the stability is lacking.
  • the wire diameter is made as small as possible to improve heat dissipation, and stabilized copper finely partitioned by a CuNi alloy barrier layer is built in the center of the wire rod to stabilize it in a low magnetic field. It is improving the sex.
  • the NbTi filament diameter is reduced to about 0.1 to 0.5 ⁇ m in order to reduce the history loss and improve the stability, so that Jc in a magnetic field is reduced. It is small and the critical current capacity per wire is small. Therefore, when the AC wire is used as a large current wire, the strands of the AC wire must be stranded in multiple layers.
  • the NbTi wire rod for pulse used on the high magnetic field side of 2T or more is, for example, a coil for a generator, a superconducting power storage device (SMES), a magnet for physics and chemistry research used in an elementary particle accelerator, a nuclear fusion experimental furnace, and the like. Used for equipment such as.
  • SMES superconducting power storage device
  • Such a NbTi wire for pulse has a stranded wire structure because a large current capacity of several kA to more than 10 kA is required in a high magnetic field region near 5T. In addition, it is desirable that the number of stranded wires is small.
  • the pulse wire needs to have a high critical current capacity per wire, and the outer diameter of the wire naturally increases.
  • the larger the outer diameter of the wire the worse the heat handling.
  • the pulse wire has a smaller magnetic field change rate than the AC wire, it is essential to reduce the AC loss in order to suppress the decrease in cooling efficiency and improve the instability caused by the generation of heat due to the AC loss. Is.
  • NbTi filament As a conventional superconducting wire for pulse, for the purpose of ensuring stability and reducing AC loss, NbTi filament is coated with a stabilizing material made of copper and CuNi alloy, and this is embedded in a copper matrix in three layers. Structural wire is used.
  • the deformation state differs between NbTi or CuNi and copper during hot extrusion and wire drawing. , It causes deformation of filament shape and, in some cases, disconnection of filament.
  • the heat treatment in the wire rod manufacturing process diffuses Ni in CuNi into Cu, increasing the electrical resistance of the copper around the filament.
  • Such an increase in electrical resistance suppresses the phenomenon that the filaments are electromagnetically coupled by an externally fluctuating magnetic field, but its function as a stabilizing material is reduced.
  • an AC loss consisting of a history loss that does not depend on the magnetic field change rate and a coupling loss (including eddy current loss) that increases depending on the magnetic field change rate is generated. Occur. In order to reduce the history loss, it is effective to reduce the NbTi filament diameter, and in order to reduce the coupling loss, it is necessary to shorten the twist pitch of the filament, increase the electrical resistance between the filaments, and the like. It is valid.
  • the filament diameter is made too small, abnormal deformation of the filament will occur and the practical energization characteristics near 5T will deteriorate (current density per NbTi will decrease). Therefore, design the filament diameter to about 3 to 10 ⁇ m. Is common. Further, if the twist pitch of the filament is made too small with respect to the wire diameter, the energization characteristics are similarly deteriorated and disconnection is likely to occur. Therefore, the twist pitch length is set to about 10 times the wire diameter. Often. Further, in order to increase the electric resistance between the filaments, it is possible to combine a copper alloy (Cu—Ni—Mn alloy or Cu—Si—Mn alloy) to which elements such as Ni, Mn and Si are added and an NbTi filament. It is valid.
  • Cu—Ni—Mn alloy or Cu—Si—Mn alloy Cu—Si—Mn alloy
  • the diameter of the superconducting multi-core wire is appropriately selected in order to secure an efficient critical current value according to the superconducting device.
  • the diameter of the superconducting wire is close to 1 mm due to coil manufacturability, but in order to manufacture a filament diameter of 6 ⁇ m or less by the single stack method billet (a method of manufacturing a multi-core wire by one billet stacking), stacking is performed. Since the number of strands is too large, not only the work man-hours increase, but also the bondability caused by the increase in the bonding area between the stacked primary strands and the mixing of foreign matter cause disconnection (strand wire) during wire drawing. The problem that the whole is broken) is likely to occur frequently. Therefore, when a filament diameter in the vicinity of 3 ⁇ m is required, the double stack method is generally used.
  • Patent Document 1 in a superconducting composite billet in which a plurality of vertical holes are formed in a billet having a circular cross section made of copper or a copper alloy and the vertical holes are filled with a superconducting material, one vertical hole is provided in the center of the billet.
  • Multiple, equidistant holes on each of the two concentric circles concentric with the center of the billet, and any centerline passing through the center of the billet has a length of a vertical hole of 3 across it.
  • a superconducting composite billet of .4 p (where p is the inner diameter of the vertical hole) or less is described.
  • Patent Document 1 since only the improvement of superconducting characteristics can be obtained by improving the shape of the superconducting filament, it is possible to obtain NbTi superconducting multi-core wire which is required to have low AC loss characteristics with excellent manufacturability. Can not.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 describe the structure of the NbTi wire rod for pulse developed for a generator.
  • a single stack type three-layer structural line is applied.
  • the wire diameter is reduced to about 0.5 to 0.6 mm in order to obtain a filament diameter in the vicinity of 3 ⁇ m, the current value per wire becomes too small, and the double-molded stranded wire is used.
  • Non-Patent Document 3 an NbTi filament of about 3 ⁇ m is obtained by a double stack method using Cu-0.5 wt% Mn as a matrix.
  • some superconducting filaments have a remarkable shape abnormality, and there is a concern about manufacturing problems such as disconnection during wire drawing.
  • An object of the present disclosure is to provide an NbTi superconducting multi-core wire that has a low manufacturing cost, a low AC loss, and a high critical current.
  • a core portion a first barrier layer made of a first copper alloy which is arranged on the outer periphery of the core portion and contains at least one element of Ni and Mn, and a first barrier layer which is arranged on the outer periphery of the first barrier layer and is Ni.
  • a filament aggregate comprising a plurality of NbTi filament aggregates in which seven or more NbTi filaments are embedded in a matrix made of a second copper alloy containing at least one element of Mn and the filament aggregate.
  • a second barrier layer arranged on the outer periphery and made of the first copper alloy and a stabilizing layer arranged on the outer periphery of the second barrier layer and made of metal are provided, and in a cross section perpendicular to the longitudinal direction, the said.
  • the plurality of NbTi filaments in each NbTi filament aggregate are arranged in a circle having different diameters around one NbTi filament, and the plurality of NbTi filaments arranged in a circle on the outermost periphery thereof.
  • An NbTi superconducting multi-core wire characterized in that it is arranged at substantially equal intervals in the circumferential direction.
  • the total ratio A (X Ni A + X Mn A) of Ni content ratio X Ni A and Mn content ratio X Mn A contained in the second copper alloy constituting the matrix of the filament aggregate is From the total ratio B (X Ni B + X Mn B) of Ni content ratio X Ni B and Mn content ratio X Mn B contained in the first barrier layer and the first copper alloy constituting the second barrier layer.
  • the NbTi superconducting multi-core wire according to the above [1], which is also small.
  • the plurality of NbTi filaments in each NbTi filament aggregate are arranged in two or more circles having different diameters around one NbTi filament, and are circular on the outermost periphery.
  • the plurality of NbTi filaments arranged in the circle are adjacent to the inside of the plurality of NbTi filaments arranged in a circle on the outermost periphery and the center of one of the plurality of NbTi filaments arranged in a circle.
  • the above-mentioned [ The NbTi superconducting multi-core wire according to 1] or [2]. [4] The NbTi superconducting multi-core wire according to any one of the above [1] to [3], wherein the core portion contains a matrix made of the first copper alloy.
  • the content ratio of Ni contained in the first barrier layer and the first copper alloy constituting the second barrier layer X Ni B is 5.0% by mass or more and 30.0% by mass or less, and the above.
  • the Ni content ratio X Ni A contained in the second copper alloy constituting the matrix of the filament aggregate is 0.1 X Ni B or more and 0.9 X Ni B or less, according to the above [1] to [4].
  • the NbTi superconducting multi-core wire according to any one.
  • the Mn content ratio X Mn B contained in the first barrier layer and the first copper alloy constituting the second barrier layer is 0.1% by mass or more and 2.0% by mass or less, and the above.
  • the content ratio of Mn contained in the second copper alloy constituting the matrix of the filament aggregate X Mn A is 0.3 X Mn B or more and 0.9 X Mn B or less, according to the above [1] to [5].
  • the NbTi superconducting multi-core wire according to any one. [7] In the cross section, the ratio of the cross-sectional area of the matrix in the filament aggregate to the total cross-sectional area of the plurality of NbTi filaments (cross-sectional area of the matrix / total cross-sectional area of the plurality of NbTi filaments) is.
  • the cross-sectional area of the matrix in the filament aggregate 0.2 or more and 2.0 or less, the cross-sectional area of the matrix in the filament aggregate, the cross-sectional area of the first barrier layer, and the cross-sectional area of the second barrier layer with respect to the total cross-sectional area of the plurality of NbTi filaments.
  • the cross-sectional area of the matrix in the core portion + the cross-sectional area of the stabilizing layer) / the total cross-sectional area of the plurality of NbTi filaments ⁇ is 2.0 or more and 6.0 or less, according to the above [1] to [6].
  • the NbTi superconducting multi-core wire according to any one.
  • NbTi superconducting multi-core wire having a low manufacturing cost, a low AC loss and a high critical current.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an NbTi superconducting multi-core wire according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing an example of a filament aggregate constituting the NbTi superconducting multi-core wire of the embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing an example of the NbTi filament aggregate constituting the filament aggregate of FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing another example of the filament aggregate constituting the NbTi superconducting multi-core wire of the embodiment.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing an example of the NbTi filament aggregate constituting the filament aggregate of FIG.
  • the NbTi superconducting multi-core wire of the embodiment is arranged on the core portion and the outer periphery of the core portion, and is composed of a first barrier layer made of a first copper alloy containing at least one element of Ni and Mn, and the first barrier layer.
  • the plurality of NbTi filaments in each NbTi filament assembly are arranged in a circle having one or more different diameters around one NbTi filament, and are arranged in a circle on the outermost periphery.
  • the plurality of NbTi filaments are arranged at substantially equal intervals in the circumferential direction.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the NbTi superconducting multi-core wire of the embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing an example of a filament aggregate constituting the NbTi superconducting multi-core wire.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing an example of the NbTi filament aggregate constituting the filament aggregate of FIG.
  • a virtual circle connecting a plurality of NbTi filaments 33 arranged in a circle on each layer of the NbTi filament aggregate 31 is shown by a two-dot chain line.
  • the NbTi superconducting multi-core wire 1 of the embodiment is arranged on the outer periphery of the core portion 10, the first barrier layer 20 arranged on the outer periphery of the core portion 10, and the first barrier layer 20.
  • the filament aggregate 30 is provided with a second barrier layer 40 arranged on the outer periphery of the filament aggregate 30, and a stabilizing layer 50 arranged on the outer periphery of the second barrier layer 40.
  • the first barrier layer 20 is annular and covers the entire outer circumference of the core portion 10.
  • the first barrier layer 20 is made of a first copper alloy containing at least one element of Ni and Mn.
  • the first copper alloy constituting the first barrier layer 20 may contain Si.
  • the filament aggregate 30 is annular in the cross section of the NbTi superconducting multi-core wire 1 and covers the entire outer circumference of the first barrier layer 20. As shown in FIG. 2, the filament aggregate 30 includes a plurality of NbTi filament aggregates 31.
  • each NbTi filament aggregate 31 includes a matrix 32 and a plurality of NbTi filaments 33 of 7 or more.
  • the matrix 32 of the NbTi filament assembly 31 is made of a second copper alloy containing at least one element of Ni and Mn.
  • the second copper alloy constituting the matrix 32 may contain Si.
  • the plurality of NbTi filaments 33 are embedded in the matrix 32.
  • the plurality of NbTi filaments 33 embedded in the matrix 32 are arranged apart from each other without contacting each other.
  • the second barrier layer 40 is annular in the cross section of the NbTi superconducting multi-core wire 1 and covers the entire outer circumference of the filament aggregate 30.
  • the second barrier layer 40 is made of a first copper alloy containing at least one element of Ni and Mn.
  • the first copper alloy constituting the second barrier layer 40 may contain Si.
  • the alloy composition of the first copper alloy constituting the first barrier layer 20 and the second barrier layer 40 is different from that of the second copper alloy constituting the matrix 32 of the filament aggregate 30.
  • the stabilizing layer 50 is annular in the cross section of the NbTi superconducting multi-core wire 1 and covers the entire outer circumference of the second barrier layer 40.
  • the stabilizing layer 50 is made of metal.
  • the stabilizing layer 50 and the core 10 are made of the same copper alloy.
  • the plurality of NbTi filaments 33 embedded in the matrix 32 of each NbTi filament aggregate 31 have one NbTi filament 33 (center filament 33c).
  • a plurality of NbTi filaments 33 arranged in a circle having different diameters at the center and arranged in a circle on the outermost periphery are arranged at substantially equal intervals in the circumferential direction.
  • NbTi filament 33 embedded in the NbTi filament aggregate 31
  • six NbTi filaments 33m are circular around the NbTi filament 33c as the first layer, as shown in FIG.
  • 12 NbTi filaments 33o outermost layer filaments
  • the NbTi filament 33c center filament
  • the NbTi filament 33m inner filament
  • NbTi filament 33 is a plurality of filaments arranged in a circle in the layer from the first layer to the inside of the outermost layer, and the NbTi filament 33 Reserve (outermost layer filament) is the most of the plurality of NbTi filaments 33.
  • the center of the virtual circle connecting the 6 NbTi filaments 33m constituting the first layer and the center of the virtual circle connecting the 12 NbTi filaments 33o constituting the second layer are both NbTi filaments 33c. Further, the diameter of the virtual circle connecting the six NbTi filaments 33m constituting the first layer is smaller than the diameter of the virtual circle connecting the 12 NbTi filaments 33o constituting the second layer. That is, the 6 NbTi filaments 33m constituting the first layer and the 12 NbTi filaments 33o constituting the second layer are arranged concentrically around the NbTi filament 33c.
  • the plurality of NbTi filaments 33 constituting the outermost circumference, here, the 12 NbTi filaments 33m constituting the second layer, are abbreviated along the circumferential direction of the virtual circle connecting the 12 NbTi filaments 33m constituting the second layer. Arranged at equal intervals.
  • the NbTi filament assembly 31 includes only one layer of NbTi filaments 33, for example, if the six NbTi filaments 33o constituting one layer are arranged in a circle around the NbTi filaments 33c, the outermost circumference is 1
  • the six NbTi filaments 33schreibs constituting the layer are arranged at substantially equal intervals along the circumferential direction of the virtual circle connecting the six NbTi filaments 33schreibs constituting one layer. That is, when the NbTi filament aggregate 31 includes the NbTi filament 33 having only one layer, the configuration of the NbTi filament 33m (inner filament 33m) is excluded from the plurality of NbTi filaments 33.
  • a plurality of NbTi filaments 33 in each NbTi filament aggregate 31 are arranged in a circle around the NbTi filament 33c, and a plurality of NbTi filaments 33 East are arranged in a circle on the outermost periphery.
  • the filaments are arranged at substantially equal intervals in the circumferential direction, the filament processability is good.
  • the manufacturing cost is reduced, and low AC loss such as low history loss and low coupling loss and high critical current are realized.
  • the difference in the intervals between the plurality of NbTi filaments adjacent in the circumferential direction is ⁇ 10%.
  • the range preferably within the range of ⁇ 5%, more preferably within the range of ⁇ 3%, most preferably 0%, i.e. all of the spacing of adjacent NbTi filaments is the same.
  • the characteristics of the NbTi filaments improve, further improving low AC loss and high critical current, as well as NbTi superconducting multi-conductivity due to NbTi filament disconnection. Since the disconnection of the core wire is suppressed, the manufacturing cost is further reduced.
  • a plurality of NbTi filaments 33 are arranged in a circle around the NbTi filament 33c means that the circle connecting the centers of the plurality of NbTi filaments 33 arranged in each layer.
  • the flatness of the circle connecting the centers of the plurality of NbTi filaments 33 arranged in each layer is 0.3 or less, the abnormality of the outermost peripheral filament that occurs during the processing of the final wire in which the plurality of NbTi filaments 33 are assembled is abnormal. Since deformation can be suppressed, the AC loss of the NbTi superconducting multi-core wire 1 is reduced, and high energization stability and high critical current density are further improved.
  • the total ratio A (X Ni A + X Mn A) of the Ni content ratio X Ni A and the Mn content ratio X Mn A contained in the second copper alloy constituting the matrix 32 of the filament aggregate 30 is the first. It should be smaller than the total ratio B (X Ni B + X Mn B) of Ni content ratio X Ni B and Mn content ratio X Mn B contained in the first copper alloy constituting the barrier layer 20 and the second barrier layer 40. Is preferable.
  • the Ni and Mn of the second copper alloy constituting the matrix 32 and the Ni and Mn of the first copper alloy constituting the first barrier layer 20 and the second barrier layer 40 seep into the matrix 32 between the plurality of NbTi filaments 33. It works to suppress the increase in history loss due to the increase in the equivalent filament diameter of the NbTi filament 33 due to the interfilament coupling (proximity effect) by the superconducting conductor, and increases the equivalent lateral resistance to reduce the coupling loss between the filaments. There is a work to do. Further, the larger the content of Ni and Mn in the matrix 32, the lower the good filament processability.
  • Ni and Mn in the first barrier layer 20 and the second barrier layer 40 have little influence on the processability of the NbTi filament 33. Therefore, by increasing the content of Ni and Mn in the first barrier layer 20 and the second barrier layer 40 more than the second copper alloy constituting the matrix 32, the equivalent lateral resistance is increased and the NbTi superconducting multi-core wire is used. The AC loss of 1 can be positively reduced.
  • the filament aggregate 30 is excellent in processability, and the first barrier layer 20 and the second barrier layer 40 have higher resistance than the matrix 32 of the filament aggregate 30, and the equivalent lateral resistance increases.
  • the coupling current between the filaments excited by the externally fluctuating magnetic field can be attenuated more quickly. As a result, the low AC loss of the NbTi superconducting multi-core wire 1 can be further improved.
  • the plurality of NbTi filaments 33 in each NbTi filament assembly 31 are arranged in two or more circles having different diameters around one NbTi filament 33c, and are the most.
  • the plurality of NbTi filaments 33o arranged in a circle on the outer periphery are one of a plurality of NbTi filaments 33m adjacent to the inside of the plurality of NbTi filaments 33 Wheel arranged in a circle on the outermost periphery and arranged in a circle.
  • n is the number of NbTi filaments 33o arranged in the outermost layer, 6 in the case of 1-layer arrangement, 12 in the case of 2-layer arrangement, 18 in the case of 3 layers and 4 layers arrangement, and 5 layers. Is preferably 24.
  • a plurality of NbTi filaments 33 are provided in two or more layers, and the outermost layer is a circle with respect to the reference line L defined by the plurality of NbTi filaments 33m adjacent to the inside and the NbTi filaments 33c arranged in the center.
  • a plurality of NbTi filaments 33o arranged in a shape are rotated by approximately (180 / n) ° around the NbTi filament 33c (line L1 rotated by approximately (180 / n) ° from the reference line L)
  • a plurality of NbTi filaments are arranged. It is possible to suppress abnormal deformation of the outermost filament that occurs during processing of the final wire in which the filaments 33 are assembled. In particular, the effect is great for the NbTi filament 33o arranged in the outermost layer. As a result, the high energization stability and high critical current density of the NbTi superconducting multi-core wire 1 are further improved.
  • the NbTi filaments 33o are preferably rotated within the range of (180 / n) ° ⁇ 24 / n °.
  • the arrangement is more preferably a rotational arrangement within the range of (180 / n) ° ⁇ 12 / n °, and most preferably a rotational arrangement of (180 / n) °.
  • the core portion 10 contains a matrix 11 (core portion matrix) made of a first copper alloy.
  • the copper alloy constituting the matrix 11 of the core portion 10 is the same as the copper alloy constituting the first barrier layer 20 and the copper alloy constituting the second barrier layer 40. In such a configuration, since the lateral resistance of the core portion 10 increases, the coupling loss generated in the core portion 10 can be reduced.
  • the core portion 10 may include a matrix 11 made of a first copper alloy and a plurality of core portion stabilizing layers 12 embedded in the matrix 11.
  • a plurality of core stabilizing layers 12 are arranged in a circle around one core stabilizing layer 12.
  • the content ratio of Ni contained in the first copper alloy constituting the first barrier layer 20 and the second barrier layer 40 X Ni B is 5.0% by mass or more and 30.0% by mass or less, and the filament.
  • the content ratio of Ni contained in the second copper alloy constituting the matrix 32 of the aggregate 30 X Ni A is preferably 0.1 X Ni B or more and 0.9 X Ni B or less.
  • Ni content ratio within the above range, it is possible to further suppress an increase in history loss due to the proximity effect between NbTi filaments 33 and an increase in bond loss due to a decrease in lateral resistance of the NbTi filament aggregate 31.
  • the content ratio X Mn B of Mn contained in the first copper alloy constituting the first barrier layer 20 and the second barrier layer 40 is 0.1% by mass or more and 2.0% by mass or less, and the filament.
  • the content ratio of Mn contained in the second copper alloy constituting the matrix 32 of the aggregate 30 X Mn A is preferably 0.3 X Mn B or more and 0.9 X Mn B or less.
  • the ratio of the cross-sectional area of the matrix 32 in the filament aggregate 30 to the total cross-sectional area of the plurality of NbTi filaments 33 in the filament aggregate 30 (cross-sectional area of the matrix 32 / plurality).
  • the total cross-sectional area of the NbTi filament 33) is 0.2 or more and 2.0 or less, and the cross-sectional area of the matrix 32 in the filament aggregate 30 and the first barrier layer 20 with respect to the total cross-sectional area of the plurality of NbTi filaments 33.
  • the ratio of the cross-sectional area of the matrix 32 to the total cross-sectional area of the plurality of NbTi filaments 33 is 0.2 or more, it is possible to suppress the current instability due to the critical current density in the NbTi filament aggregate 31 being too large. Further, when the ratio is 2.0 or less, the disorder of the shape of the NbTi filament 33 can be suppressed.
  • the ratio of the total cross-sectional area to the area is 2.0 or more, it is possible to suppress an increase in AC loss and a decrease in energization stability. Further, when the ratio is 6.0 or less, the decrease in the critical current density of the NbTi superconducting multi-core wire 1 can be suppressed, so that efficient application equipment design becomes easy.
  • NbTi filaments 33m are arranged in a circle around the NbTi filament 33c
  • 12 NbTi filaments 33o are six NbTi filaments.
  • the NbTi filament aggregate 31 arranged in a circle around the virtual circle formed by 33 m is shown, but the arrangement configuration such as the arrangement number and the arrangement state of the plurality of NbTi filament 33 constituting the NbTi filament aggregate 31 is shown.
  • the configuration is not limited to that shown in FIG.
  • the NbTi filament assembly 31 includes a plurality of NbTi filaments 33 having one or more layers and five or less layers centered on the NbTi filament 33c. It is preferable to prepare. When a plurality of NbTi filaments 33 are composed of one layer, it is preferable that six NbTi filaments 33 1958 are arranged in a circle on the outermost first layer.
  • the first layer has the same number of NbTi filaments 33m as above, that is, six NbTi filaments 33m are arranged in a circle, and the outermost second layer has 12 NbTi filaments. It is preferable that the filaments 33o are arranged in a circular shape.
  • the same number of NbTi filaments 33m as described above are arranged in a circle in the first and second layers, and the outermost third layer or In the fourth layer, 18 NbTi filaments 33 Ohio are preferably arranged in a circle.
  • NbTi filaments 33 When a plurality of NbTi filaments 33 are composed of five layers, the same number of NbTi filaments 33m as described above are arranged in a circle in the first to fourth layers, and 24 NbTi filaments 33 Reserve are circular in the outermost fifth layer. It is preferable that they are arranged in a shape.
  • the equivalent diameter of the NbTi superconducting multi-core wire 1 is 0.7 mm or more and 2.0 mm or less and the equivalent diameter of the NbTi filament 33 is 2.0 ⁇ m or more and 6.0 ⁇ m or less, low AC loss, high critical current and manufacturing Cost reduction is further improved.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing another example of the filament aggregate 30 constituting the NbTi superconducting multi-core wire 1.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing an example of the NbTi filament aggregate 31 constituting the filament aggregate 30 of FIG.
  • the NbTi superconducting multi-core wire 1 may further include a stabilized Cu layer 34 arranged on the outer periphery of each NbTi filament 33.
  • the stabilized Cu layer 34 is annular in the cross section of the NbTi superconducting multi-core wire 1 and covers the entire outer circumference of the NbTi filament 33.
  • the NbTi superconducting multi-core wire 1 includes a stabilized Cu layer 34
  • an NbTi rod is inserted into a copper tube to obtain a single-core NbTi billet.
  • the single-core NbTi billet is hot-extruded and cold-worked to obtain an oxygen-free copper-coated NbTi single-core wire.
  • the NbTi superconducting multi-core wire 1 is provided with a stabilized Cu layer 34 for all through holes of a multi-hole tube made of a second copper alloy and having seven or more through holes in a predetermined arrangement state. Inserts an oxygen-free copper-coated NbTi single-core wire, and if the NbTi superconducting multi-core wire 1 does not have a stabilized Cu layer 34, inserts an NbTi rod to obtain a primary composite billet. Subsequently, the primary composite billet is hot-extruded and cold-worked to obtain a rod-shaped primary wire as the NbTi filament aggregate 31.
  • the outer periphery of the rod-shaped copper hexagonal material as the core portion 10 is coated with the first copper alloy as the first barrier layer 20 to obtain a stabilized rod-shaped body.
  • a plurality of stabilizing rod-shaped bodies and a plurality of stabilizing rods are arranged in the copper tube so as to have a predetermined arrangement configuration.
  • a secondary composite billet is obtained by inserting the primary wire of.
  • heat treatment and cold processing are repeated. Further, twist processing and final wire drawing processing can be performed to manufacture the NbTi superconducting multi-core wire 1.
  • the residual resistivity ratio may change due to heating or work hardening depending on the material constituting the NbTi superconducting multi-core wire 1. Therefore, the residual resistivity ratio at the time of use of the NbTi superconducting multi-core wire 1 can be adjusted by appropriately performing an annealing treatment in the intermediate step or the final step.
  • the cross-sectional shape of the NbTi superconducting multi-core wire 1 thus obtained is not limited to a circular shape, and can be appropriately selected depending on the intended use, and may be, for example, a flat shape.
  • the cross-sectional shape of the NbTi superconducting multi-core wire 1 is a flat shape, the coil linearity and the current density can be improved.
  • the current capacity can be increased according to the applicable equipment. For example, after surface treatment such as metal plating, resin insulation, and oxide film formation is applied to the surface of the NbTi superconducting multi-core wire 1, 6 or more and 40 or less surface-treated NbTi superconducting multi-core wires 1 are twisted together. NbTi superconducting stranded wire with an increased current capacity can be obtained by performing a molding process by biaxial roll rolling or the like.
  • the superconducting characteristics of the NbTi superconducting multi-core wire 1 are defined by a coupling time constant of 2.0 ms or less under a fluctuating magnetic field of ⁇ 3T and a specific resistance of 10-14 ⁇ m per cross-sectional area of the NbTi superconducting multi-core wire 1.
  • the NbTi superconducting multi-core wire can achieve both low AC loss and high current density characteristics.
  • the manufacturing cost of the NbTi superconducting multi-core wire can be reduced.
  • Example 1 First, an Nb-47 mass% Ti rod wrapped in an Nb sheet was inserted into an oxygen-free copper tube to obtain a single-core NbTi billet. Subsequently, the single-core NbTi billets were hot-extruded, cold-worked, and cut to obtain 19 oxygen-free copper-coated NbTi single-core wires having a diameter of 31 mm.
  • an oxygen-free copper-coated NbTi single core wire was inserted into each through hole of a Cu-10 mass% Ni tube having 19 through holes to obtain a primary composite billet.
  • six oxygen-free copper-coated NbTi single-core wires are arranged in a circle around one oxygen-free copper-coated NbTi single-core wire as the first layer, and twelve none as the second layer.
  • the oxygen-free copper-coated NbTi single-core wire was arranged in a circular shape on the outer circumference of a virtual circle formed by six oxygen-free copper-coated NbTi single-core wires.
  • the plurality of oxygen-free copper-coated NbTi single-core wires were arranged symmetrically by 15 ° around the one oxygen-free copper-coated NbTi single-core wire.
  • the 12 oxygen-free copper-coated NbTi single-core wires constituting the outermost second layer are arranged at equal intervals along the circumferential direction of the virtual circle connecting the 12 oxygen-free copper-coated NbTi single-core wires. It had been.
  • the oxygen-free copper pipe in the primary composite billet and the Cu-10 mass% Ni pipe were integrated in the manufacturing process of being composited by extrusion processing, wire drawing processing, and heat treatment processing to form a matrix.
  • the content ratio of Ni contained in the matrix was 8% by mass.
  • the composite primary composite billet was subjected to hot extrusion processing and cold processing to obtain a hexagonal rod-shaped primary wire.
  • the cross section of the primary wire was hexagonal, and the opposite side dimension of the hexagon was 3.5 mm.
  • the oxygen-free copper billet and the Cu-10 mass% Ni billet were subjected to hot extrusion processing and cold processing, respectively, to obtain a hexagonal rod-shaped oxygen-free copper wire and CuNi wire.
  • These cross sections had a hexagonal shape, and the opposite side dimension of the hexagonal shape was 3.5 mm.
  • a plurality of core portion stabilizing layers composed of a plurality of oxygen-free copper wires are embedded in a matrix composed of a plurality of CuNi wires.
  • a plurality of core stabilizing layers were arranged in a circle around one core stabilizing layer.
  • an annular first barrier layer composed of a plurality of CuNi wires and an annular second barrier layer were arranged inside and outside the filament aggregate.
  • Example 2 In Example 1, 19 NbTi single core wires made of only Nb-47 mass% Ti rods were inserted into each through hole of a Cu-5 mass% Ni tube having 19 through holes. In the same manner as in No. 1, NbTi superconducting multi-core wires as shown in FIGS. 1 to 3 were obtained.
  • Example 3 In Example 1, 19 NbTi single core wires made of only Nb-47 mass% Ti rods were inserted into each through hole of a Cu-10 mass% Ni tube having 19 through holes. In the same manner as in No. 1, NbTi superconducting multi-core wires as shown in FIGS. 1 to 3 were obtained.
  • the oxygen-free copper pipe in the primary composite billet and the Cu-10 mass% Ni pipe were integrated in the manufacturing process of being composited by extrusion processing, wire drawing processing, and heat treatment processing to form a matrix.
  • the content ratio of Ni contained in the matrix was 8% by mass.
  • the composite primary composite billet was subjected to hot extrusion processing and cold processing to obtain a hexagonal rod-shaped primary wire.
  • the cross section of the primary wire was hexagonal, and the opposite side dimension of the hexagon was 5.0 mm.
  • the oxygen-free copper billet and the Cu-10 mass% Ni billet were subjected to hot extrusion processing and cold processing, respectively, to obtain a hexagonal rod-shaped oxygen-free copper wire and CuNi wire.
  • These cross sections had a hexagonal shape, and the opposite side dimension of the hexagonal shape was 5.0 mm.
  • a plurality of (about 450) primary strands, a plurality of oxygen-free copper wires, and a plurality of CuNi wires are inserted into an oxygen-free copper tube having an inner diameter of 175 mm and an outer diameter of 200 mm as a stabilizing layer.
  • a secondary composite billet was obtained.
  • heat treatment and cold processing were repeated, and further twist processing (pitch 10 mm) and final wire drawing processing were performed to obtain a diameter of 1.
  • a 0 mm NbTi superconducting multi-core wire (NbTi filament diameter 3 ⁇ m, matrix ratio 3.5) was obtained.
  • the plurality of NbTi filaments embedded in the filament assembly were different from Examples 1 to 3, and were generally in a state close to a hexagonal close-packed structure.
  • the outermost filaments embedded in the NbTi filament aggregate were randomly arranged.
  • a plurality of core portion stabilizing layers composed of a plurality of oxygen-free copper wires are embedded in a matrix composed of a plurality of CuNi wires.
  • a plurality of core stabilizing layers were arranged in a circle around one core stabilizing layer.
  • an annular first barrier layer composed of a plurality of CuNi wires and an annular second barrier layer were arranged inside and outside the filament aggregate.
  • Comparative Example 2 In Comparative Example 1, a hexagonal rod-shaped NbTi single core wire was obtained by hot extrusion, cold working, and cutting on an Nb-47 mass% Ti rod, and a Cu-10 mass% Ni tube was formed. An NbTi superconducting multi-core wire was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that 55 NbTi single-core wires were inserted. In the cross section of the obtained NbTi superconducting multi-core wire, the overall state was close to a hexagonal close-packed structure, but the outermost filaments embedded in the NbTi filament aggregate were disordered as in Comparative Example 1. It was placed.
  • X Ni A, X Mn A, X Ni B and X Mn B In the NbTi superconducting multi-core wire, the content ratio of Ni contained in the second copper alloy constituting the matrix of the filament aggregate X Ni A, and the content ratio of Mn contained in the second copper alloy constituting the matrix of the filament aggregate X Mn .
  • Content ratio X Mn B was measured with an electron probe microanalyzer (EPMA).
  • EPMA electron probe microanalyzer
  • (X Ni A + X Mn A) and (X Ni B + X Mn B) were calculated using these values, respectively.
  • Critical current density Jc The critical current density Jc of the NbTi superconducting multi-core wire was calculated from the formula (critical current Ic / cross-sectional area of the NbTi superconducting multi-core wire). The critical current Ic was measured under a DC magnetic field of 4.2K and 5T.
  • n value The n value of the NbTi superconducting multi-core wire was obtained from the current-voltage characteristics.
  • a fluctuating magnetic field with an AC loss of 4.2K and a magnetic field amplitude of ⁇ 3T is applied at different frequencies in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the strand, and the area is integrated from each magnetization-applied magnetic field curve. Thereby, the AC loss of the NbTi superconducting multi-core wire per cycle was measured.
  • energization stability As for the energization stability, it was observed whether or not energization can be performed in a static magnetic field of 5T without quenching as a judgment of whether or not practical energization stability is ensured.
  • the ranking of energization stability is as follows.
  • ⁇ Can be energized without quenching in a 5T static magnetic field
  • ⁇ Cannot be energized without quenching in a 5T static magnetic field
  • ⁇ The total amount of raw material cost and processing cost was reduced as compared with Comparative Example 1.
  • ⁇ The total amount of raw material cost and processing cost was equal to or increased as compared with Comparative Example 1.
  • Example 1 had the best energization characteristics (Jc and n values) and had sufficiently low AC loss characteristics.
  • Example 2 showed the same AC loss characteristics as in Example 1, and the energization characteristics were the second best after Example 1. The energization characteristics and AC loss characteristics of Example 3 were good. Further, in Examples 1 to 3, no disconnection occurred. For Example 1 having the best energization characteristics and AC loss characteristics, the total raw material cost and processing cost could be reduced by about 10% as compared with Comparative Example 1.
  • Comparative Examples 1 and 2 the energization characteristics were lowered and the AC loss characteristics were deteriorated as compared with Examples 1 and 3. Further, in Comparative Examples 1 and 2, a disconnection occurred.
  • the superconducting performance of the NbTi superconducting multi-core wires of Examples 1 to 3 has higher Jc and n values than those of Comparative Examples 1 and 2, can reduce AC loss, and is excellent in wire drawing workability. Therefore, it was possible to reduce the manufacturing cost.
  • NbTi superconducting multi-core wire 10 core part 11 matrix (core part matrix) 12 Core Stabilizing Layer 20 First Barrier Layer 30 Filament Aggregate 31 NbTi Filament Aggregate 32 Matrix 33 NbTi Filament 33c Central Filament 33m Inner Filament 33o Outermost Layer Filament 34 Stabilizing Cu Layer 40 Second Barrier Layer 50 Stabilizing Layer

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Abstract

ＮｂＴｉ超電導多芯線は、芯部と、前記芯部の外周に配置され、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第１銅合金からなる第１バリア層と、前記第１バリア層の外周に配置され、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第２銅合金からなるマトリックス中に７本以上の複数のＮｂＴｉフィラメントが埋設されてなるＮｂＴｉフィラメント集合体の複数本を備えるフィラメント集合体と、前記フィラメント集合体の外周に配置され、前記第１銅合金からなる第２バリア層と、前記第２バリア層の外周に配置され、金属からなる安定化層と、を備え、長手方向に垂直な横断面において、前記各ＮｂＴｉフィラメント集合体中の前記複数のＮｂＴｉフィラメントは、１つのＮｂＴｉフィラメントを中心に、直径の異なる１つ以上の円状に配置され、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントは、周方向に亘って略等間隔で配置される。

Description

ＮｂＴｉ超電導多芯線
　本開示は、ＮｂＴｉ超電導多芯線に関する。
　一般に、ＮｂＴｉ超電導線材は、複数のＮｂＴｉフィラメントと、複数のＮｂＴｉフィラメントを埋設する安定化金属とから構成されている。さらに、ＮｂＴｉ超電導線材は、通電電流大容量化、電流密度向上、機械的安定性、巻線作業性向上のために、撚線構造とすることがある。ＮｂＴｉ超電導線材の素線または撚線を変動磁界下で使用すると、交流損失を発生し、冷却効率の低下を引き起こす。このときの交流損失として、ＮｂＴｉフィラメント部分で発生する履歴損失と常電導金属である安定化金属部分で発生する結合損失（渦電流損失を含む）とに加え、超電導素線間に流れる電流による素線間結合損失が存在する。
　通常、ＮｂＴｉフィラメント部分での履歴損失は、フィラメント径を小さくすることによって、低減することができるものの、フィラメント径を小さくするほど、製造コストが高くなる。そのため、機器としての要求特性を満足できるレベルの範囲内において、フィラメント径を少しでも大きい値に設計することが慣用である。一方、安定化金属部分での結合損失は、ＣｕＮｉ合金などの電気抵抗の大きい銅合金を個々のフィラメントの外周、フィラメント間、あるいは素線外周に配置することによって、低減することができる。特に、フィラメントの外周、フィラメント間、および素線外周の全てにＣｕＮｉ合金などの銅合金を配置することにより、結合損失をさらに低減することができる。さらに、フィラメントのツイストピッチを短くすることによって、結合損失を低減することができる。
　この考え方に基づき、一般的に経験磁界１～２Ｔ以下の商用周波数で使用される交流用線材としては、安定化金属部分を一切なくし、マトリックス部分を全てＣｕＮｉ合金とした構成のＮｂＴｉ超電導線材が用いられている。このような構成の交流用線材では、低磁界における臨界電流密度Ｊｃは極めて高く、磁界変化による損失が大きくなるので、安定性に欠ける。このため、交流用線材では、線径を極力細くして熱捌けを良好にしたり、線材の中央部にＣｕＮｉ合金バリア層で細かく仕切られた安定化銅を内蔵させたりして、低磁界における安定性を向上させている。
　しかしながら、このような交流用線材においては、履歴損失を低減し、安定性を向上させるために、ＮｂＴｉフィラメント径を０．１～０．５μｍ程度に細くしているので、磁界中でのＪｃが小さく、素線１本当たりの臨界電流容量が小さい。このため、交流用線材を大電流線材に使用する場合には、交流用線材の素線を多重に撚線化しなければならない。
　一方、２Ｔ以上の高磁界側で使用されるパルス用ＮｂＴｉ線材は、例えば、発電機用コイル、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、素粒子加速器や核融合実験炉などで使用される理化学研究用マグネットのような機器に使用される。このようなパルス用ＮｂＴｉ線材は、５Ｔ近傍の高磁界領域において、数ｋＡから１０ｋＡを超える大電流容量が必要とされるので、撚線構造となるが、パルス用線材は機械的剛性を高めるために、撚線本数は少ない方が望ましい。
　従って、パルス用線材は、素線１本当たりの臨界電流容量を高くする必要があり、素線外径も当然大きくなる。素線外径が大きくなると、熱捌けが悪くなる。このような理由により、パルス用線材に対しては、マトリックス部分を全てＣｕＮｉ合金とするような交流用線材の構成を採用することはできない。すなわち、パルス用線材を大型機器に使用する場合、素線がクエンチを起こすと大事故につながるので、安定化のためにＮｂＴｉフィラメントを埋設する材料中の安定化金属量を増やさなければならない。
　また、パルス用線材は、交流用線材よりも経験する磁界変化率が小さいが、冷却効率低下の抑制や交流損失による熱の発生に起因する不安定性を改善するために、交流損失の低減は不可欠である。
　従来のパルス用超電導線材としては、安定性の確保と交流損失の低減を目的として、ＮｂＴｉフィラメントを銅とＣｕＮｉ合金からなる安定化材とで被覆し、これを銅マトリックスに埋設してなる３層構造の線材が用いられている。しかしながら、ＮｂＴｉフィラメントの間に銅が介在し、銅の変形抵抗はＮｂＴｉやＣｕＮｉに比べて小さいので、熱間押し出し加工や伸線加工の際にＮｂＴｉまたはＣｕＮｉと銅との間で変形状態が異なり、フィラメント形状の変形や、場合によってはフィラメントの断線を引き起こす。さらに、ＮｂＴｉフィラメントの外側の銅の厚さは一般的に薄いので、線材製造工程における熱処理により、ＣｕＮｉ中のＮｉがＣｕに拡散し、フィラメント周囲の銅の電気抵抗が増大する。このような電気抵抗の増大は、フィラメント間が外部変動磁場によって電磁気的に結合する現象を抑制するが、安定化材としての機能は小さくなる。
　前述したように、変動磁場下でＮｂＴｉ超電導多芯線を使用すると、磁場変化速度に依存しない履歴損失と磁場変化速度に依存して増大する結合損失（渦電流損失を含む）とからなる交流損失が発生する。履歴損失を低減するためには、ＮｂＴｉフィラメント径を小さくすることが有効であり、結合損失を低減するためには、フィラメントのツイストピッチを短くすること、フィラメント間の電気抵抗を大きくすることなどが有効である。
　フィラメント径を小さくしすぎると、フィラメントの異常変形が生じて、実用的な５Ｔ近傍での通電特性が低下（ＮｂＴｉ当りの電流密度が低下）するため、フィラメント径を３～１０μｍ程度に設計することが一般的である。また、フィラメントのツイストピッチを素線径に対して小さくしすぎると、同様に通電特性が低下することに加えて、断線が生じやすくなるので、素線径の１０倍程度のツイストピッチ長とすることが多い。また、フィラメント間の電気抵抗を大きくするには、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉなどの元素を添加した銅合金（Ｃｕ－Ｎｉ－Ｍｎ合金やＣｕ－Ｓｉ－Ｍｎ合金）とＮｂＴｉフィラメントを複合化することが有効である。
　超電導多芯線の直径は、超電導機器に応じて効率的な臨界電流値を確保するために適宜選択される。コイル製造性から超電導素線径を１ｍｍ近傍とする場合が多いが、６μｍ以下のフィラメント径をシングルスタック法ビレット（１回のビレットスタッキングで多芯線を製造する方法）で製造するには、スタックする素線本数が多すぎるため、作業工数が増大するだけでなく、スタックした１次素線間の接合面積が増えることによって生じる接合性不良や異物の混入によって、伸線加工中に断線（素線全体が破断する不具合）が頻繁に発生しやすくなる。そのため、３μｍ近傍のフィラメント径が必要な場合は、ダブルスタック法が一般的に用いられる。
　しかしながら、従来のダブルスタック法においては、サブバンドル中のフィラメントの異常変形が生じ、通電特性の低下を引き起こすだけでなく、伸線時における断線が発生しやすいという課題があった。フィラメント周囲に、Ｃｕ－０．５ｗｔ％ＭｎやＣｕ－５ｗｔ％Ｎｉなど、添加元素濃度の比較的低い銅合金を配置し、フィラメント加工性を改善して３μｍ程度までフィラメント径を小さくし、履歴損失の低減および通電特性低下の防止の試みがなされたが、さらなる課題である結合損失低減と製造コスト低減を両立して解決するまでには至らなかった。
　例えば、特許文献１には、銅又は銅合金からなる断面円形のビレットに縦孔を複数個穿ち、この縦孔に超電導素材を充填した超電導複合ビレットにおいて、縦孔がビレットの中心部に１個、ビレットの中心を同心とする２個の同心円の各々の同心円上に複数個、等間隔に穿たれており、且つビレットの中心を通るいかなる中心線も、それが横切る縦孔の長さが３．４ｐ（但しｐは縦孔の内径）以下である超電導複合ビレットが記載されている。しかしながら、特許文献１においては、超電導フィラメントの形状が良好となることによる超電導特性の向上のみしか得られないため、製造性に優れた低交流損失特性が要求されるＮｂＴｉ超電導多芯線を得ることができない。
　また、非特許文献１～２には、発電機用に開発されたパルス用ＮｂＴｉ線材の構造が記載されている。フィラメント形状を良好とするために、シングルスタック方式の３層構造線が適用されている。しかしながら、3μｍ近傍のフィラメント径を得るために、素線径を０．５～０．６ｍｍ程度まで小さくしているため、素線１本当たりの電流値が小さくなりすぎて、２重成型撚線構造とせざるを得ないような製造性の課題がある。
　また、非特許文献３では、Ｃｕ－０．５ｗｔ％Ｍｎをマトリックスに用いたダブルスタック方式による、約３μｍのＮｂＴｉフィラメントを得ている。しかしながら、一部の超電導フィラメントには、著しい形状異常が発生しており、伸線中の断線などの製造上の課題が懸念される。
特許第３４４５３０７号公報
電学論Ｂ、１１１巻４号、平成３年、３６６－３７３頁 Ｍａｇｎｅｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＭＴ－１１）、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ（１９８９）Ｐ１０２７－１０３２ ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．３、（２０１５）６００１４０５
　本開示の目的は、製造コストが低く、低交流損失および高臨界電流を実現したＮｂＴｉ超電導多芯線を提供することである。
［１］　芯部と、前記芯部の外周に配置され、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第１銅合金からなる第１バリア層と、前記第１バリア層の外周に配置され、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第２銅合金からなるマトリックス中に７本以上の複数のＮｂＴｉフィラメントが埋設されてなるＮｂＴｉフィラメント集合体の複数本を備えるフィラメント集合体と、前記フィラメント集合体の外周に配置され、前記第１銅合金からなる第２バリア層と、前記第２バリア層の外周に配置され、金属からなる安定化層と、を備え、長手方向に垂直な横断面において、前記各ＮｂＴｉフィラメント集合体中の前記複数のＮｂＴｉフィラメントは、１つのＮｂＴｉフィラメントを中心に、直径の異なる１つ以上の円状に配置され、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントは、周方向に亘って略等間隔で配置されることを特徴とするＮｂＴｉ超電導多芯線。
［２］　前記フィラメント集合体の前記マトリックスを構成する前記第２銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＡとＭｎの含有割合ＸＭｎＡとの合計割合Ａ（ＸＮｉＡ＋ＸＭｎＡ）は、前記第１バリア層および前記第２バリア層を構成する前記第１銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＢとＭｎの含有割合ＸＭｎＢとの合計割合Ｂ（ＸＮｉＢ＋ＸＭｎＢ）よりも小さい、上記［１］に記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
［３］　前記横断面において、前記各ＮｂＴｉフィラメント集合体中の前記複数のＮｂＴｉフィラメントは、１つのＮｂＴｉフィラメントを中心に、直径の異なる２つ以上の円状に配置され、前記最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントは、前記最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントの内側に隣接すると共に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントのうちの１つのＮｂＴｉフィラメントの中心と、中心に配置される前記１つのＮｂＴｉフィラメントの中心とを結んだ基準線に対して、中心に配置される前記１つのＮｂＴｉフィラメントを中心に略（１８０／ｎ）°回転配置される、上記［１］または［２］に記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
［４］　前記芯部は、前記第１銅合金からなるマトリックスを含む、上記［１］～［３］のいずれか１つに記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
［５］　前記第１バリア層および前記第２バリア層を構成する前記第１銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＢは、５．０質量％以上３０．０質量％以下であり、前記フィラメント集合体の前記マトリックスを構成する前記第２銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＡは、０．１ＸＮｉＢ以上０．９ＸＮｉＢ以下である、上記［１］～［４］のいずれか１つに記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
［６］　前記第１バリア層および前記第２バリア層を構成する前記第１銅合金に含まれるＭｎの含有割合ＸＭｎＢは、０．１質量％以上２．０質量％以下であり、前記フィラメント集合体の前記マトリックスを構成する前記第２銅合金に含まれるＭｎの含有割合ＸＭｎＡは、０．３ＸＭｎＢ以上０．９ＸＭｎＢ以下である、上記［１］～［５］のいずれか１つに記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
［７］　前記横断面において、前記複数のＮｂＴｉフィラメントの合計断面積に対する前記フィラメント集合体中の前記マトリックスの断面積の比（前記マトリックスの断面積／前記複数のＮｂＴｉフィラメントの合計断面積）は、０．２以上２．０以下であり、前記複数のＮｂＴｉフィラメントの合計断面積に対する前記フィラメント集合体中の前記マトリックスの断面積と前記第１バリア層の断面積と前記第２バリア層の断面積と前記芯部におけるマトリックスの断面積と前記安定化層の断面積との合計断面積の比｛（前記マトリックスの断面積＋前記第１バリア層の断面積＋前記第２バリア層の断面積＋前記芯部におけるマトリックスの断面積＋前記安定化層の断面積）／前記複数のＮｂＴｉフィラメントの合計断面積｝は、２．０以上６．０以下である、上記［１］～［６］のいずれか１つに記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
　本開示によれば、製造コストが低く、低交流損失および高臨界電流を実現したＮｂＴｉ超電導多芯線を提供することができる。
図１は、実施形態のＮｂＴｉ超電導多芯線の一例を示す横断面図である。 図２は、実施形態のＮｂＴｉ超電導多芯線を構成するフィラメント集合体の一例を示す拡大断面図である。 図３は、図２のフィラメント集合体を構成するＮｂＴｉフィラメント集合体の一例を示す拡大断面図である。 図４は、実施形態のＮｂＴｉ超電導多芯線を構成するフィラメント集合体の他の例を示す拡大断面図である。 図５は、図４のフィラメント集合体を構成するＮｂＴｉフィラメント集合体の一例を示す拡大断面図である。
　以下、実施形態に基づき詳細に説明する。
　実施形態のＮｂＴｉ超電導多芯線は、芯部と、前記芯部の外周に配置され、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第１銅合金からなる第１バリア層と、前記第１バリア層の外周に配置され、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第２銅合金からなるマトリックス中に７本以上の複数のＮｂＴｉフィラメントが埋設されてなるＮｂＴｉフィラメント集合体の複数本を備えるフィラメント集合体と、前記フィラメント集合体の外周に配置され、前記第１銅合金からなる第２バリア層と、前記第２バリア層の外周に配置され、金属からなる安定化層と、を備え、長手方向に垂直な横断面において、前記各ＮｂＴｉフィラメント集合体中の前記複数のＮｂＴｉフィラメントは、１つのＮｂＴｉフィラメントを中心に、直径の異なる１つ以上の円状に配置され、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントは、周方向に亘って略等間隔で配置される。
　図１は、実施形態のＮｂＴｉ超電導多芯線の一例を示す横断面図である。図２は、ＮｂＴｉ超電導多芯線を構成するフィラメント集合体の一例を示す拡大断面図である。図３は、図２のフィラメント集合体を構成するＮｂＴｉフィラメント集合体の一例を示す拡大断面図である。なお、図２～３において、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１の各層に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３を結ぶ仮想円を二点鎖線で示す。
　図１～３に示すように、実施形態のＮｂＴｉ超電導多芯線１は、芯部１０と、芯部１０の外周に配置される第１バリア層２０と、第１バリア層２０の外周に配置されるフィラメント集合体３０と、フィラメント集合体３０の外周に配置される第２バリア層４０と、第２バリア層４０の外周に配置される安定化層５０とを備える。
　図１に示すＮｂＴｉ超電導多芯線１の長手方向に垂直な横断面において、第１バリア層２０は、環状であり、芯部１０の外周の全面を覆う。第１バリア層２０は、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第１銅合金からなる。第１バリア層２０を構成する第１銅合金には、Ｓｉが含まれてもよい。
　フィラメント集合体３０は、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、環状であり、第１バリア層２０の外周の全面を覆う。図２に示すように、フィラメント集合体３０は、複数本のＮｂＴｉフィラメント集合体３１を備える。
　図２～３に示すように、各ＮｂＴｉフィラメント集合体３１は、マトリックス３２および７本以上の複数のＮｂＴｉフィラメント３３を備える。
　ＮｂＴｉフィラメント集合体３１のマトリックス３２は、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第２銅合金からなる。マトリックス３２を構成する第２銅合金には、Ｓｉが含まれてもよい。
　複数のＮｂＴｉフィラメント３３は、マトリックス３２中に埋設される。マトリックス３２中に埋設される複数のＮｂＴｉフィラメント３３は、互いに接触せずに、互いに離れて配置される。
　第２バリア層４０は、図１に示すように、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、環状であり、フィラメント集合体３０の外周の全面を覆う。第２バリア層４０は、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第１銅合金からなる。第２バリア層４０を構成する第１銅合金には、Ｓｉが含まれてもよい。第１バリア層２０および第２バリア層４０を構成する第１銅合金と、フィラメント集合体３０のマトリックス３２を構成する第２銅合金とは、合金組成が異なる。
　安定化層５０は、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、環状であり、第２バリア層４０の外周の全面を覆う。安定化層５０は、金属からなる。例えば、安定化層５０と芯部１０とは同じ銅合金から構成される。
　図２～３に示すように、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、各ＮｂＴｉフィラメント集合体３１のマトリックス３２に埋設される複数のＮｂＴｉフィラメント３３は、１つのＮｂＴｉフィラメント３３（中心フィラメント３３ｃ）を中心に、直径の異なる１つ以上の円状に配置され、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３は、周方向に亘って略等間隔で配置される。
　ここでは、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１に埋設されるＮｂＴｉフィラメント３３の構成の一例として、図３に示すように、１層目として６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍ（内側フィラメント）がＮｂＴｉフィラメント３３ｃの周囲に円状に配置され、２層目として１２本のＮｂＴｉフィラメント３３ｏ（最外層フィラメント）が６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍで形成される仮想円の外周に円状に配置される。すなわち、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、ＮｂＴｉフィラメント３３ｃ（中心フィラメント）は、複数のＮｂＴｉフィラメント３３のうちの中心に配置された１つのフィラメントであり、ＮｂＴｉフィラメント３３ｍ（内側フィラメント）は、複数のＮｂＴｉフィラメント３３のうちの１層目から最外層の内側までの層に円状に配置された複数のフィラメントであり、ＮｂＴｉフィラメント３３о（最外層フィラメント）は、複数のＮｂＴｉフィラメント３３のうちの最外層に円状に配置された複数のフィラメントである。
　１層目を構成する６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍを結ぶ仮想円の中心、および２層目を構成する１２本のＮｂＴｉフィラメント３３ｏを結ぶ仮想円の中心は、どちらもＮｂＴｉフィラメント３３ｃである。また、１層目を構成する６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍを結ぶ仮想円の直径は、２層目を構成する１２本のＮｂＴｉフィラメント３３ｏを結ぶ仮想円の直径よりも小さい。すなわち、１層目を構成する６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍと、２層目を構成する１２本のＮｂＴｉフィラメント３３ｏとは、ＮｂＴｉフィラメント３３ｃを中心に、同心円状に配置される。
　最外周を構成する複数のＮｂＴｉフィラメント３３、ここでは２層目を構成する１２本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍは、２層目を構成する１２本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍを結ぶ仮想円の周方向に亘って略等間隔で配置される。
　もしＮｂＴｉフィラメント集合体３１が１層のみのＮｂＴｉフィラメント３３を備える場合、例えば１層を構成する６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｏがＮｂＴｉフィラメント３３ｃの周囲に円状に配置される場合、最外周である１層を構成する６本のＮｂＴｉフィラメント３３оは、１層を構成する６本のＮｂＴｉフィラメント３３оを結ぶ仮想円の周方向に亘って略等間隔で配置される。すなわち、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１が１層のみのＮｂＴｉフィラメント３３を備える場合、ＮｂＴｉフィラメント３３ｍ（内側フィラメント３３ｍ）の構成は複数のＮｂＴｉフィラメント３３から除外される。
　ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、各ＮｂＴｉフィラメント集合体３１中の複数のＮｂＴｉフィラメント３３がＮｂＴｉフィラメント３３ｃを中心に円状に配置され、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３оが周方向に亘って略等間隔で配置されると、フィラメント加工性が良好となる。その結果、ＮｂＴｉ超電導多芯線１について、製造コストが低下すると共に、低履歴損失や低結合損失などの低交流損失および高臨界電流が実現される。
　また、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントが周方向に亘って略等間隔で配置されるとは、周方向で隣り合うＮｂＴｉフィラメントの複数の間隔の違いが、±１０％の範囲内であり、好ましくは±５％の範囲内であり、より好ましくは±３％の範囲内であり、最も好ましくは０％、すなわち隣り合うＮｂＴｉフィラメントの間隔の全てが同じである。隣り合うＮｂＴｉフィラメントの複数の間隔の違いが±１０％から小さくなるにつれて、ＮｂＴｉフィラメントの特性が良好になるので、低交流損失および高臨界電流がさらに向上すると共に、ＮｂＴｉフィラメント断線に伴うＮｂＴｉ超電導多芯線の断線が抑制されるので、製造コストがさらに低下する。
　また、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、複数のＮｂＴｉフィラメント３３がＮｂＴｉフィラメント３３ｃを中心に円状に配置されるとは、各層に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３の中心を結んだ円の扁平度（＝（長半径-短半径）/長半径）が、好ましくは０．３以下、より好ましくは０．１以下、最も好ましくは０である。各層に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３の中心を結んだ円の扁平度が０．３以下であると、複数のＮｂＴｉフィラメント３３を集合した最終素線の加工中に発生する最外周フィラメントの異常変形を抑制することができるため、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の交流損失が低減され、高い通電安定性および高臨界電流密度がさらに向上する。
　また、フィラメント集合体３０のマトリックス３２を構成する第２銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＡとＭｎの含有割合ＸＭｎＡとの合計割合Ａ（ＸＮｉＡ＋ＸＭｎＡ）は、第１バリア層２０および第２バリア層４０を構成する第１銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＢとＭｎの含有割合ＸＭｎＢとの合計割合Ｂ（ＸＮｉＢ＋ＸＭｎＢ）よりも小さいことが好ましい。
　マトリックス３２を構成する第２銅合金のＮｉおよびＭｎならびに第１バリア層２０および第２バリア層４０を構成する第１銅合金のＮｉおよびＭｎは、複数のＮｂＴｉフィラメント３３間のマトリックス３２に染み出した超電導電子によるフィラメント間結合（近接効果）によってＮｂＴｉフィラメント３３の等価的なフィラメント径が増大することによる履歴損失の増大を抑制する働きと、等価横抵抗を増大させてフィラメント間の結合損失を低減する働きとがある。また、マトリックス３２中のＮｉおよびＭｎの含有量が多いほど、良好なフィラメント加工性が低下する。一方、第１バリア層２０および第２バリア層４０中のＮｉおよびＭｎは、ＮｂＴｉフィラメント３３の加工性に与える影響は小さい。そのため、第１バリア層２０および第２バリア層４０中のＮｉおよびＭｎの含有量について、マトリックス３２を構成する第２銅合金よりも多くすることによって、等価横抵抗を増大させてＮｂＴｉ超電導多芯線１の交流損失を積極的に低減することができる。
　このように、フィラメント集合体３０のマトリックス３２における合計割合Ａ（ＸＮｉＡ＋ＸＭｎＡ）を第１バリア層２０および第２バリア層４０における合計割合Ｂ（ＸＮｉＢ＋ＸＭｎＢ）よりも小さくすると、複数のＮｂＴｉフィラメント３３を埋設するマトリックス３２の電気抵抗や強度に寄与するＮｉおよびＭｎの元素成分比率は、第１バリア層２０および第２バリア層４０のＮｉおよびＭｎの元素成分比率よりも小さくなる。そのため、フィラメント集合体３０の加工性に優れ、かつ、第１バリア層２０および第２バリア層４０はフィラメント集合体３０のマトリックス３２よりも高抵抗になって等価横抵抗が増大するため、フィラメント集合体３０において、外部変動磁場によって励起されたフィラメント間の結合電流をより速やかに減衰させることができる。その結果、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の低交流損失をさらに向上することができる。
　また、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、各ＮｂＴｉフィラメント集合体３１中の複数のＮｂＴｉフィラメント３３は、１つのＮｂＴｉフィラメント３３ｃを中心に、直径の異なる２つ以上の円状に配置され、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３ｏは、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３оの内側に隣接すると共に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３ｍのうちの１つのＮｂＴｉフィラメントの中心と、中心に配置される１つのＮｂＴｉフィラメント３３ｃの中心とを結んだ基準線Ｌに対して、中心に配置される１つのＮｂＴｉフィラメント３３ｃを中心に略（１８０／ｎ）°回転配置されることが好ましい。最外周の層に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３ｏの中心は、基準線Ｌ上には配置されない。ｎは、最外周の層に配置されるＮｂＴｉフィラメント３３ｏの数であり、１層配置の場合は６、２層配置の場合は１２、３層および４層配置の場合は１８、５層の場合は２４が好ましい。
　このように、複数のＮｂＴｉフィラメント３３が２層以上設けられ、内側に隣接する複数のＮｂＴｉフィラメント３３ｍと中心に配置されるＮｂＴｉフィラメント３３ｃとから規定される基準線Ｌに対して、最外層に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメント３３ｏがＮｂＴｉフィラメント３３ｃを中心に略（１８０／ｎ）°回転配置（基準線Ｌから略（１８０／ｎ）°回転した線Ｌ１）されると、複数のＮｂＴｉフィラメント３３を集合した最終素線の加工中に発生する最外周フィラメントの異常変形を抑制することができる。特に、最外周の層に配置されるＮｂＴｉフィラメント３３ｏに対してはその効果が大きい。その結果、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の高い通電安定性および高臨界電流密度がさらに向上する。
　複数のＮｂＴｉフィラメント３３ｏがＮｂＴｉフィラメント３３ｃを中心に略（１８０／ｎ）°回転配置されるとは、ＮｂＴｉフィラメント３３ｏが、好ましくは（１８０／ｎ）°±２４／ｎ°の範囲内での回転配置、より好ましくは（１８０／ｎ）°±１２／ｎ°の範囲内での回転配置であり、最も好ましくは（１８０／ｎ）°の回転配置である。ＮｂＴｉフィラメント３３ｏが（１８０／ｎ）°±２４／ｎ°の範囲内での回転配置であると、複数のＮｂＴｉフィラメント３３を集合した最終素線の加工中に発生する最外周フィラメントの異常変形を抑制することができるため、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の交流損失が低減され、高い通電安定性および高臨界電流密度がさらに向上する。
　また、芯部１０は、第１銅合金からなるマトリックス１１（芯部マトリックス）を含むことが好ましい。この場合、芯部１０のマトリックス１１を構成する銅合金は、第１バリア層２０を構成する銅合金および第２バリア層４０を構成する銅合金と同じである。このような構成では、芯部１０の横抵抗が増大するので、芯部１０に発生する結合損失を低減することができる。
　また、図１に示すように、芯部１０は、第１銅合金からなるマトリックス１１と、マトリックス１１中に埋設される複数の芯部安定化層１２とを備えてもよい。例えば、複数の芯部安定化層１２は、１つの芯部安定化層１２の周囲に複数の芯部安定化層１２が円状に配置される。芯部１０がマトリックス１１および芯部安定化層１２を備えると、芯部１０に発生する結合損失および渦電流損失を低減することができる。
　また、第１バリア層２０および第２バリア層４０を構成する第１銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＢは、５．０質量％以上３０．０質量％以下であり、かつ、フィラメント集合体３０のマトリックス３２を構成する第２銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＡは、０．１ＸＮｉＢ以上０．９ＸＮｉＢ以下であることが好ましい。
　Ｎｉの含有割合を上記範囲内にすることにより、ＮｂＴｉフィラメント３３間の近接効果による履歴損失増大や、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１の横抵抗が小さくなることによる結合損失増大をさらに抑制することができる。
　また、第１バリア層２０および第２バリア層４０を構成する第１銅合金に含まれるＭｎの含有割合ＸＭｎＢは、０．１質量％以上２．０質量％以下であり、かつ、フィラメント集合体３０のマトリックス３２を構成する第２銅合金に含まれるＭｎの含有割合ＸＭｎＡは、０．３ＸＭｎＢ以上０．９ＸＭｎＢ以下であることが好ましい。
　Ｍｎの含有割合を上記範囲内にすることにより、ＮｂＴｉフィラメント３３間の近接効果による履歴損失増大や、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１の横抵抗が小さくなることによる結合損失増大をさらに抑制することができる。
　また、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、フィラメント集合体３０中の複数のＮｂＴｉフィラメント３３の合計断面積に対するフィラメント集合体３０中のマトリックス３２の断面積の比（マトリックス３２の断面積／複数のＮｂＴｉフィラメント３３の合計断面積）は、０．２以上２．０以下であり、かつ、複数のＮｂＴｉフィラメント３３の合計断面積に対するフィラメント集合体３０中のマトリックス３２の断面積と第１バリア層２０の断面積と第２バリア層４０の断面積と芯部１０におけるマトリックス１１の断面積と安定化層５０の断面積との合計断面積の比｛（マトリックス３２の断面積＋第１バリア層２０の断面積＋第２バリア層４０の断面積＋芯部１０におけるマトリックス１１の断面積＋安定化層５０の断面積）／複数のＮｂＴｉフィラメント３３の合計断面積｝は、２．０以上６．０以下であることが好ましい。
　複数のＮｂＴｉフィラメント３３の合計断面積に対するマトリックス３２の断面積の比が０．２以上であると、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１中の臨界電流密度が大きすぎることによる通電不安定性を抑制できる。また、上記比が２．０以下であると、ＮｂＴｉフィラメント３３の形状の乱れを抑制できる。
　複数のＮｂＴｉフィラメント３３の合計断面積に対するマトリックス３２の断面積と第１バリア層２０の断面積と第２バリア層４０の断面積と芯部１０におけるマトリックス１１の断面積と安定化層５０の断面積との合計断面積の比が２．０以上であると、交流損失の増大や通電安定性の低下を抑制できる。また、上記比が６．０以下であると、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の臨界電流密度の低下を抑制できるため、効率の良い応用機器設計が容易になる。
　また、上記では図３に示すように、１層目として６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍがＮｂＴｉフィラメント３３ｃの周囲に円状に配置され、２層目として１２本のＮｂＴｉフィラメント３３ｏが６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍで形成される仮想円の周囲に円状に配置されるＮｂＴｉフィラメント集合体３１を示したが、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１を構成する複数のＮｂＴｉフィラメント３３の配置数や配置状態などの配置構成は図３の構成のみに限定されるものではない。ＮｂＴｉ超電導多芯線１の低交流損失、高臨界電流、および製造コストの低減の観点から、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１は、ＮｂＴｉフィラメント３３ｃを中心に、１層以上５層以下の複数のＮｂＴｉフィラメント３３を備えることが好ましい。複数のＮｂＴｉフィラメント３３が１層で構成される場合、最外周の１層目は６本のＮｂＴｉフィラメント３３оが円状に配置されることが好ましい。また、複数のＮｂＴｉフィラメント３３が２層で構成される場合、１層目は上記と同じ本数、すなわち６本のＮｂＴｉフィラメント３３ｍが円状に配置され、最外周の２層目は１２本のＮｂＴｉフィラメント３３ｏが円状に配置されることが好ましい。同様に、複数のＮｂＴｉフィラメント３３が３層または４層で構成される場合、１層目および２層目は上記と同じ本数のＮｂＴｉフィラメント３３ｍが円状に配置され、最外周の３層目または４層目は１８本のＮｂＴｉフィラメント３３оが円状に配置されることが好ましい。複数のＮｂＴｉフィラメント３３が５層で構成される場合、１～４層目は上記と同じ本数のＮｂＴｉフィラメント３３ｍが円状に配置され、最外周の５層目は２４本のＮｂＴｉフィラメント３３оが円状に配置されることが好ましい。
　また、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の等価直径が０．７ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、ＮｂＴｉフィラメント３３の等価直径が２．０μｍ以上６．０μｍ以下であると、低交流損失、高臨界電流および製造コスト削減がさらに向上する。
　図４は、ＮｂＴｉ超電導多芯線１を構成するフィラメント集合体３０の他の例を示す拡大断面図である。図５は、図４のフィラメント集合体３０を構成するＮｂＴｉフィラメント集合体３１の一例を示す拡大断面図である。
　図４～５に示すように、ＮｂＴｉ超電導多芯線１は、各ＮｂＴｉフィラメント３３の外周に配置される安定化Ｃｕ層３４をさらに備えてもよい。安定化Ｃｕ層３４は、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面において、環状であり、ＮｂＴｉフィラメント３３の外周の全面を覆う。ＮｂＴｉ超電導多芯線１が安定化Ｃｕ層３４を備えることによって、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の通電安定性が向上する。
　次に、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の製造方法の一例について説明する。
　まず、ＮｂＴｉ超電導多芯線１が安定化Ｃｕ層３４を備える場合には、銅管の中にＮｂＴｉロッドを挿入して、単芯ＮｂＴｉビレットを得る。続いて、単芯ＮｂＴｉビレットに対して熱間押出加工および冷間加工を施すことによって、無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線を得る。
　次に、第２銅合金からなり、所定の配置状態で７つ以上の貫通穴を有する多穴管の全ての貫通穴に対して、ＮｂＴｉ超電導多芯線１が安定化Ｃｕ層３４を備える場合には、無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線を挿入し、ＮｂＴｉ超電導多芯線１が安定化Ｃｕ層３４を備えない場合には、ＮｂＴｉロッドを挿入し、１次複合ビレットを得る。続いて、１次複合ビレットに対して熱間押出加工および冷間加工を施すことによって、ＮｂＴｉフィラメント集合体３１としての棒状の１次素線を得る。
　次に、芯部１０としての棒状の銅六角材の外周に、第１バリア層２０としての第１銅合金を被覆して、安定化棒状体を得る。続いて、安定化層５０としての銅管の内面に第２バリア層４０としての第１銅合金を配置した後、銅管内に所定の配置構成となるように複数の安定化棒状体と複数の１次素線とを挿入して、２次複合ビレットを得る。続いて、２次複合ビレットに対して熱間押出加工を行った後、熱処理と冷間加工とを繰り返す。さらに、ツイスト加工と最終伸線加工とを行い、ＮｂＴｉ超電導多芯線１を製造できる。
　上記のＮｂＴｉ超電導多芯線１の製造方法において、ＮｂＴｉ超電導多芯線１を構成する材質によっては、加熱や加工硬化により、残留抵抗比が変化することがある。そのため、中間工程や最終工程で適宜焼鈍処理を施すことにより、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の使用時点での残留抵抗比を調整することができる。
　このようにして得られたＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面形状は、円形状に限られるものではなく、用途に応じて適宜選択でき、例えば平角形状でもよい。ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面形状が平角形状であると、コイル巻き線性や電流密度を向上することができる。
　さらには、ＮｂＴｉ超電導多芯線１を複数本束ねて撚線構造とすることにより、電流容量を適用機器に応じて増大させることができる。例えば、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の表面に金属メッキ加工、樹脂絶縁加工、酸化膜形成などの表面処理を施した後、６本以上４０本以下の表面処理済みのＮｂＴｉ超電導多芯線１を撚り合わせて２軸ロール圧延などで成形加工を施すことによって、電流容量の増大したＮｂＴｉ超電導成形撚線を得ることができる。
　また、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の残留抵抗比を３０以上２００以下とすると、低交流損失および通電安定性を確保することができる。ＮｂＴｉ超電導多芯線１の超電導特性としては、±３Ｔの変動磁場下における結合時定数が２．０ｍｓ以下であり、かつ、ＮｂＴｉ超電導多芯線１の横断面積当たり１０－１４Ωｍの比抵抗で定義される４．２Ｋ、５Ｔの直流磁場下における臨界電流密度Ｊｃが２０００Ａ／ｍｍ２以上３０００Ａ／ｍｍ２とすると、ＮｂＴｉ超電導多芯線は低交流損失と高電流密度特性とを両立することができる。
　以上説明した実施形態によれば、フィラメント集合体を構成する各ＮｂＴｉフィラメント集合体に埋設される複数のＮｂＴｉフィラメントを所定の配置状態に設計することによって、ＮｂＴｉ超電導多芯線の製造コストを低下することができると共に、ＮｂＴｉ超電導多芯線の低交流損失および高臨界電流を発揮することができる。
　以上、実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本開示の範囲内で種々に改変することができる。
　次に、実施例および比較例について説明するが、本開示はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
　まず、無酸素銅管の中にＮｂシートで包んだＮｂー４７質量％Ｔｉロッドを挿入して、単芯ＮｂＴｉビレットを得た。続いて、単芯ＮｂＴｉビレットに対して熱間押出加工、冷間加工および切断を施すことによって、直径３１ｍｍの無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線を１９本得た。
　次に、１９個の貫通穴を有するＣｕ－１０質量％Ｎｉ管の各貫通穴に無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線を挿入し、１次複合ビレットを得た。１次複合ビレットの横断面において、１層目として６本の無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線が１つの無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線の周囲に円状に配置され、２層目として１２本の無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線が６本の無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線で形成される仮想円の外周に円状に配置されていた。また、１次複合ビレットの横断面において、複数の無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線は、上記１つの無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線を中心に１５°回転対称に配置されていた。このとき、最外周である２層目を構成する１２本の無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線は、当該１２本の無酸素銅被覆ＮｂＴｉ単芯線を結ぶ仮想円の周方向に亘って等間隔で配置されていた。
　次に、１次複合ビレット内の無酸素銅管とＣｕ－１０質量％Ｎｉ管とが押出加工、伸線加工、熱処理加工によって複合化される製造過程で一体化して、マトリックスを形成した。マトリックスに含まれるＮｉの含有割合は８質量％であった。続いて、複合化した１次複合ビレットに対して熱間押出加工および冷間加工を施して、六角棒状の１次素線を得た。１次素線の横断面は六角形状であり、六角形状の対辺寸法は３．５ｍｍであった。
　次に、無酸素銅ビレットおよびＣｕ－１０質量％Ｎｉビレットについて、それぞれ、熱間押出加工および冷間加工を施して、六角棒状の無酸素銅線およびＣｕＮｉ線を得た。これらの横断面は六角形状であり、六角形状の対辺寸法は３．５ｍｍであった。
　次に、安定化層として内径１７５ｍｍおよび外径２００ｍｍの無酸素銅管内に、複数（約１３００本）の１次素線と複数の無酸素銅線と複数のＣｕＮｉ線とを挿入して、２次複合ビレットを得た。続いて、２次複合ビレットに対して熱間押出加工を行った後、熱処理と冷間加工とを繰り返し、さらに、ツイスト加工（ピッチ１０ｍｍ）と最終伸線加工とを行って、直径１．０ｍｍ（ＮｂＴｉフィラメント径３μｍ、マトリックス比３.５）で図１、４～５に示すようなＮｂＴｉ超電導多芯線を得た。
　得られたＮｂＴｉ超電導多芯線の横断面において、芯部には、複数のＣｕＮｉ線から構成されるマトリックス中に、複数の無酸素銅線から構成される複数の芯部安定化層が埋設され、１つの芯部安定化層の周囲に複数の芯部安定化層が円状に配置されていた。また、ＮｂＴｉ超電導多芯線の横断面において、フィラメント集合体の内側と外側には、複数のＣｕＮｉ線から構成される環状の第１バリア層および環状の第２バリア層が配置されていた。
（実施例２）
　実施例１において、Ｎｂー４７質量％ＴｉロッドのみからなるＮｂＴｉ単芯線の１９本を、１９個の貫通穴を有するＣｕ－５質量％Ｎｉ管の各貫通穴に挿入したこと以外は、実施例１と同様にして、図１～３に示すようなＮｂＴｉ超電導多芯線を得た。
（実施例３）
　実施例１において、Ｎｂー４７質量％ＴｉロッドのみからなるＮｂＴｉ単芯線の１９本を、１９個の貫通穴を有するＣｕ－１０質量％Ｎｉ管の各貫通穴に挿入したこと以外は、実施例１と同様にして、図１～３に示すようなＮｂＴｉ超電導多芯線を得た。
（比較例１）
　まず、Ｃｕ－１０質量％Ｎｉ管の内側に無酸素管を配置し、Ｎｂシートで包んだＮｂー４７質量％Ｔｉロッドを無酸素管に挿入し、熱間押出加工、冷間加工および切断を施すことによって、六角棒状のＮｂＴｉ単芯線を得た。ＮｂＴｉ単芯線の横断面は六角形状であり、六角形状の対辺寸法は１７ｍｍであった。続いて、５５本の六角棒状のＮｂＴｉ単芯線をＣｕ－１０質量％Ｎｉ管に挿入し、１次複合ビレットを得た。このとき、複数のＮｂＴｉ単芯線は六角最密充填法で組立し、実施例１のように、複数のＮｂＴｉ単芯線を１つのＮｂＴｉ単芯線に対して同心円状に配置しなかった。
　次に、１次複合ビレット内の無酸素銅管とＣｕ－１０質量％Ｎｉ管とが押出加工、伸線加工、熱処理加工によって複合化される製造過程で一体化して、マトリックスを形成した。マトリックスに含まれるＮｉの含有割合は８質量％であった。続いて、複合化した１次複合ビレットに対して熱間押出加工および冷間加工を施して、六角棒状の１次素線を得た。１次素線の横断面は六角形状であり、六角形状の対辺寸法は５．０ｍｍであった。
　次に、無酸素銅ビレットおよびＣｕ－１０質量％Ｎｉビレットについて、それぞれ、熱間押出加工および冷間加工を施して、六角棒状の無酸素銅線およびＣｕＮｉ線を得た。これらの横断面は六角形状であり、六角形状の対辺寸法は５．０ｍｍであった。
　次に、安定化層として内径１７５ｍｍおよび外径２００ｍｍの無酸素銅管内に、複数（約４５０本）の１次素線と複数の無酸素銅線と複数のＣｕＮｉ線とを挿入して、２次複合ビレットを得た。続いて、２次複合ビレットに対して熱間押出加工を行った後、熱処理と冷間加工とを繰り返、さらに、ツイスト加工（ピッチ１０ｍｍ）と最終伸線加工とを行って、直径１．０ｍｍのＮｂＴｉ超電導多芯線（ＮｂＴｉフィラメント径３μｍ、マトリックス比３．５）を得た。
　得られたＮｂＴｉ超電導多芯線の横断面において、フィラメント集合体内に埋設された複数のＮｂＴｉフィラメントは、実施例１～３と異なり、全体的には六方最密充填構造に近い状態であったが、ＮｂＴｉフィラメント集合体に埋設された最外周フィラメントは、無秩序に配置されていた。また、ＮｂＴｉ超電導多芯線の横断面において、芯部には、複数のＣｕＮｉ線から構成されるマトリックス中に、複数の無酸素銅線から構成される複数の芯部安定化層が埋設され、１つの芯部安定化層の周囲に複数の芯部安定化層が円状に配置されていた。また、ＮｂＴｉ超電導多芯線の横断面において、フィラメント集合体の内側と外側には、複数のＣｕＮｉ線から構成される環状の第１バリア層および環状の第２バリア層が配置されていた。
（比較例２）
　比較例１において、Ｎｂー４７質量％Ｔｉロッドに対して熱間押出加工と冷間加工と切断とを施して、六角棒状のＮｂＴｉ単芯線を得たこと、およびＣｕ－１０質量％Ｎｉ管に５５本のＮｂＴｉ単芯線を挿入したこと以外は、比較例１と同様にして、ＮｂＴｉ超電導多芯線を得た。得られたＮｂＴｉ超電導多芯線の横断面において、全体的には六方最密充填構造に近い状態であったが、ＮｂＴｉフィラメント集合体に埋設された最外周フィラメントは、比較例１と同様に無秩序に配置されていた。
［測定および評価］
　上記実施例および比較例で得られたＮｂＴｉ超電導多芯線について、下記の測定および評価を行った。結果を表１に示す。
［１］　ＸＮｉＡ、ＸＭｎＡ、ＸＮｉＢおよびＸＭｎＢ
　ＮｂＴｉ超電導多芯線において、フィラメント集合体のマトリックスを構成する第２銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＡ、フィラメント集合体のマトリックスを構成する第２銅合金に含まれるＭｎの含有割合ＸＭｎＡ、第１バリア層および第２バリア層を構成する第１銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＢ、および第１バリア層および第２バリア層を構成する第１銅合金に含まれるＭｎの含有割合ＸＭｎＢをそれぞれ電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で測定した。またこれらの値を用いて、（ＸＮｉＡ＋ＸＭｎＡ）および（ＸＮｉＢ＋ＸＭｎＢ）をそれぞれ算出した。
［１］　臨界電流密度Ｊc
　ＮｂＴｉ超電導多芯線の臨界電流密度Ｊcは、（臨界電流Ｉｃ／ＮｂＴｉ超電導多芯線の横断面積）の計算式から算出した。臨界電流Ｉｃは、４.２Ｋ、５Ｔの直流磁場下で測定した。
［２］　ｎ値
　ＮｂＴｉ超電導多芯線のｎ値は、電流ー電圧特性から求めた。ｎ値は、Ｖ＝Ｋ（Ｉ／Ｉｃ）ｎ、１０μＶ／ｍ～１００μＶ／ｍで定義され、Ｖは発生電圧、Ｉは通電電流、Ｋは定数である。
［３］　交流損失
　４.２Ｋ、磁界振幅±３Ｔのサイン波形の変動磁界を素線長手方向に対して垂直方向に周波数を変えて印加し、それぞれの磁化－印加磁界曲線からその面積を積分することにより、１周期当たりのＮｂＴｉ超電導多芯線の交流損失を測定した。
［４］　結合時定数（履歴損失と結合損失の分離）
　交流損失の周波数依存性から、周波数０Ｈｚに外挿した値を履歴損失とし、周波数に依存して変化する成分を結合損失として、その傾きからＮｂＴｉ超電導多芯線の結合時定数を算出した。
［５］　加工性（断線頻度）
　加工性については、ＮｂＴｉ超電導多芯線２０ｋｍあたりの断線頻度を観察した。
［６］　通電安定性
　通電安定性は、実用上の通電安定性が確保されているか否かの判断として、５Ｔの静磁界中でクエンチすることなく通電できるか否かを観察した。通電安定性のランク付けは以下の通りである。
　○：５Ｔの静磁界中でクエンチすることなく通電できた
　×：５Ｔの静磁界中でクエンチすることなく通電できなかった
［７］　製造コスト
　従来技術を適用した比較例１を基準として、原料費と加工費の総額を相対的に比較した。製造コストのランク付けは以下の通りである。
　○：比較例１に比べて原料費と加工費の総額が低減した
　×：比較例１に比べて原料費と加工費の総額が同等または増加した
［８］　総合評価
　従来技術を適用した比較例１を基準として、臨界電流密度、ｎ値、通電安定性が同等以上であり、低交流損失、低結合時定数が確保され、断線頻度が少なく、製造コストが低減しているか否かで、総合的に評価した。総合評価のランク付けは以下の通りである。
　◎：比較例１に比べて優れていた
　○：比較例１に比べて良好であった
　×：比較例１に比べて劣っていた
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、実施例１は、最も通電特性（Ｊｃおよびｎ値）に優れており、交流損失特性も十分低かった。実施例２は、実施例１と同じ交流損失特性を示し、通電特性は実施例１に次いで良好であった。実施例３の通電特性および交流損失特性は良好であった。また、実施例１～３では、断線が生じなかった。通電特性および交流損失特性の最も優れている実施例１について、原料費および加工費の総額は、比較例１よりも１０％程度の削減を実現することができた。
　一方、比較例１～２では、実施例１～３に比べて、通電特性が低下すると共に、交流損失特性が劣化した。また、比較例１～２では、断線が生じた。
　以上より、実施例１～３のＮｂＴｉ超電導多芯線の超電導性能は、比較例１～２に比べて、Ｊcおよびｎ値が高く、交流損失を低減することができ、伸線加工性に優れており、製造コスト低減を実現することができた。
　なお、上記では、Ｎｉ濃度を変えた実施例１～３を示したが、Ｍｎ濃度を変えた例についても、実施例１～３と同様な効果を得ることができる。
　１　　ＮｂＴｉ超電導多芯線
　１０　芯部
　１１　マトリックス（芯部マトリックス）
　１２　芯部安定化層
　２０　第１バリア層
　３０　フィラメント集合体
　３１　ＮｂＴｉフィラメント集合体
　３２　マトリックス
　３３　ＮｂＴｉフィラメント
　３３ｃ　中心フィラメント
　３３ｍ　内側フィラメント
　３３ｏ　最外層フィラメント
　３４　安定化Ｃｕ層
　４０　第２バリア層
　５０　安定化層
 
 

Claims (7)

  1. 　芯部と、
    　前記芯部の外周に配置され、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第１銅合金からなる第１バリア層と、
    　前記第１バリア層の外周に配置され、ＮｉおよびＭｎの少なくとも一方の元素を含む第２銅合金からなるマトリックス中に７本以上の複数のＮｂＴｉフィラメントが埋設されてなるＮｂＴｉフィラメント集合体の複数本を備えるフィラメント集合体と、
    　前記フィラメント集合体の外周に配置され、前記第１銅合金からなる第２バリア層と、
    　前記第２バリア層の外周に配置され、金属からなる安定化層と、
    を備え、
    　長手方向に垂直な横断面において、前記各ＮｂＴｉフィラメント集合体中の前記複数のＮｂＴｉフィラメントは、１つのＮｂＴｉフィラメントを中心に、直径の異なる１つ以上の円状に配置され、最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントは、周方向に亘って略等間隔で配置される
    ことを特徴とするＮｂＴｉ超電導多芯線。
  2. 　前記フィラメント集合体の前記マトリックスを構成する前記第２銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＡとＭｎの含有割合ＸＭｎＡとの合計割合Ａ（ＸＮｉＡ＋ＸＭｎＡ）は、前記第１バリア層および前記第２バリア層を構成する前記第１銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＢとＭｎの含有割合ＸＭｎＢとの合計割合Ｂ（ＸＮｉＢ＋ＸＭｎＢ）よりも小さい、請求項１に記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
  3. 　前記横断面において、
    　　前記各ＮｂＴｉフィラメント集合体中の前記複数のＮｂＴｉフィラメントは、１つのＮｂＴｉフィラメントを中心に、直径の異なる２つ以上の円状に配置され、
    　　前記最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントは、前記最外周に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントの内側に隣接すると共に円状に配置される複数のＮｂＴｉフィラメントのうちの１つのＮｂＴｉフィラメントの中心と、中心に配置される前記１つのＮｂＴｉフィラメントの中心とを結んだ基準線に対して、中心に配置される前記１つのＮｂＴｉフィラメントを中心に略（１８０／ｎ）°回転配置される、請求項１または２に記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
  4. 　前記芯部は、前記第１銅合金からなるマトリックスを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
  5. 　前記第１バリア層および前記第２バリア層を構成する前記第１銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＢは、５．０質量％以上３０．０質量％以下であり、前記フィラメント集合体の前記マトリックスを構成する前記第２銅合金に含まれるＮｉの含有割合ＸＮｉＡは、０．１ＸＮｉＢ以上０．９ＸＮｉＢ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
  6. 　前記第１バリア層および前記第２バリア層を構成する前記第１銅合金に含まれるＭｎの含有割合ＸＭｎＢは、０．１質量％以上２．０質量％以下であり、前記フィラメント集合体の前記マトリックスを構成する前記第２銅合金に含まれるＭｎの含有割合ＸＭｎＡは、０．３ＸＭｎＢ以上０．９ＸＭｎＢ以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
  7. 　前記横断面において、
    　　前記複数のＮｂＴｉフィラメントの合計断面積に対する前記フィラメント集合体中の前記マトリックスの断面積の比（前記マトリックスの断面積／前記複数のＮｂＴｉフィラメントの合計断面積）は、０．２以上２．０以下であり、
    　　前記複数のＮｂＴｉフィラメントの合計断面積に対する前記フィラメント集合体中の前記マトリックスの断面積と前記第１バリア層の断面積と前記第２バリア層の断面積と前記芯部におけるマトリックスの断面積と前記安定化層の断面積との合計断面積の比｛（前記マトリックスの断面積＋前記第１バリア層の断面積＋前記第２バリア層の断面積＋前記芯部におけるマトリックスの断面積＋前記安定化層の断面積）／前記複数のＮｂＴｉフィラメントの合計断面積｝は、２．０以上６．０以下である、
    請求項１～６のいずれか１項に記載のＮｂＴｉ超電導多芯線。
     
     
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