パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線
【課題】通電安定性、低交流損失、高臨界電流密度を実現した製造コストが低いパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線を提供する。
【解決手段】パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０は安定化材からなる断面略円状の芯部１６と、前記芯部の外周にＮｂＴｉフィラメント１３が銅合金層１２に埋設された複数の１次素線１４がマトリクス状に形成されたフィラメント集合体１５と、フィラメント集合体１５の外周に配置された芯部１６と同じ安定化材からなる安定化層１７からなり、銅合金層１２は、Ｎｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含む銅合金であり、かつ銅合金層１２はフィラメント集合体１５中のＮｂＴｉフィラメント１３に対する体積比が０．３〜０．６である。
【解決手段】パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０は安定化材からなる断面略円状の芯部１６と、前記芯部の外周にＮｂＴｉフィラメント１３が銅合金層１２に埋設された複数の１次素線１４がマトリクス状に形成されたフィラメント集合体１５と、フィラメント集合体１５の外周に配置された芯部１６と同じ安定化材からなる安定化層１７からなり、銅合金層１２は、Ｎｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含む銅合金であり、かつ銅合金層１２はフィラメント集合体１５中のＮｂＴｉフィラメント１３に対する体積比が０．３〜０．６である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＮｂＴｉ超電導線材は、複数のＮｂＴｉフィラメントと、それを被覆する安定化銅とから構成されており、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成形撚線構造となる。この成形撚線をパルス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、超電導素線内の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銅部分で発生する結合損失（渦電流損失を含む）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。
【０００３】
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り低減することができるが、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、少しでも大きい値に設計することが慣用である。一方、安定化銅部分での結合損失は、ＣｕＮｉ合金等の銅合金を個々のフィラメントの外周、フィラメント間、あるいは素線外周部に配置することにより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、および素線外周部全てにＣｕＮｉ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。
【０００４】
この考え方に基づき、一般的に経験磁界１〜２Ｔ以下で使用される交流用線材としては、安定化銅部分を一切なくし、マトリクス部分をすべてＣｕＮｉ合金とした構成のＮｂＴｉ超電導線が用いられている。このような構成の交流用線材では、低磁界において臨界電流密度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。
【０００５】
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まで細くしているので、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、大電流線材に使用する場合には、これらの素線を多重に撚線化しなければならない。
【０００６】
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、ＳＭＥＳ、素粒子加速器や核融合実験炉等で使用される理化学研究用マグネット等の機器に使用され、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。
【０００７】
従って、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、マトリクス部分を全て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フィラメントを被覆する材料中の銅量を増やさなければならない。
【０００８】
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。
【０００９】
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で被覆し、これを銅マトリクスに埋設してなる３層構造の線材が用いられている。
【００１０】
しかしながら、この３層構造の線材には、ＮｂＴｉフィラメントの間に銅が介在する場合、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と銅との間で変形能が異なり、フィラメント形状の変形や極端な場合はフィラメント断線を引き起こす。
【００１１】
また、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から銅にニッケル原子が拡散する。そのために、銅の電気抵抗が上昇し、逆に熱伝導率が低下して安定化材としての機能が小さくなる。
【００１２】
特許文献１には、この問題を解決する手段として、銅合金からなる第１のマトリクス中に少なくとも３本のＮｂＴｉフィラメントを埋設してなるフィラメント集合体と、前記フィラメント集合体の複数本が埋設された銅からなる第２のマトリクスとを備えたパルス用ＮｂＴｉ超電導線材が開示されている。
【特許文献１】特開平６−２９５６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、銅合金からなる第１のマトリクス中に少なくとも３本のＮｂＴｉフィラメントを埋設してなるフィラメント集合体と、前記フィラメント集合体の複数本が埋設された銅からなる第２のマトリクスとを備えたＮｂＴｉ超電導線材においては、本質的安定化基準を満たしていたが、機器としての要求特性を十分に満足する効果が得られなかった上に、製造コスト上の問題からも実用化されることはなかった。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、通電安定性、低交流損失、高臨界電流密度を実現した製造コストが低いパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびこれを用いたパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の発明であるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の第１の態様は、安定化材からなる断面略円形の芯部と、Ｎｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含んだ銅合金に埋設されたＮｂＴｉフィラメントを有する複数の１次素線がマトリクス状に前記芯部の外周に配置された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形成された前記芯部と同じ安定化材からなる安定化層とを有し、前記ＮｂＴｉフィラメントが埋設されている銅合金の体積が前記ＮｂＴｉフィラメントに対して０．３〜０．６倍であることを特徴とする。
ここで、前記ＮｂＴｉフィラメントが埋設されている銅合金の体積が前記ＮｂＴｉフィラメントに対して０．３倍未満の場合、前記ＮｂＴｉフィラメントの周囲に存在する銅合金の厚みが小さすぎるため、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の１次素線製造時に前記銅合金が損傷して前記ＮｂＴｉフィラメントが露出してしまう。したがって、多芯線への加工ができず、製造歩留まりが低下するという問題が生じてしまう。
また、前記ＮｂＴｉフィラメントが埋設されている銅合金の体積が前記ＮｂＴｉフィラメントに対して０．６倍より大きくなると、前記１次素線を用いてパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線を製造する際に、前記ＮｂＴｉフィラメントが異常変形を起こしやすくなる。このことにより、実用上高い方が良いとされるｎ値（電流−電圧特性をＶ∝Ｉnとした時の指数ｎ）が低下し、更に、前記ＮｂＴｉフィラメントの埋設部（フィラメント集合体）において、電流密度そのものが小さくなるという問題が生じる。
【００１６】
第１の発明であるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の第２の態様は、前記芯部および前記安定化層を形成する安定化材の総体積が前記ＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５倍であることを特徴とする。前記安定化材の総体積が１．５倍未満の場合には、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線のシース部分（安定化層）に配置する安定化材の体積比が小さくなり、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線製造時にＮｂＴｉフィラメントが露出してしまい、多芯線としての製造が困難となる。更に、該ＮｂＴｉ超電導多芯線を撚線にした場合には該ＮｂＴｉ超電導多芯線中のフィラメントの変形が大きくなり、Ｉｃが劣化する問題がある。また、４．５倍より大きい場合はＮｂＴｉフィラメントの超電導体部分が少なくなってしまい、結果的にＪｅが低下してしまうという問題がある。
【００１７】
第１の発明であるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の第３の態様は、前記安定化材が残留抵抗比５０以上かつ３５０以下である銅または銅合金であることを特徴とする。なお、安定化材の残留抵抗比が５０未満の場合には、通電時の安定性が低下してしまう問題が生じ、３５０より大きい場合には、交流損失（結合損失）が大きくなるだけでなく、原料段階で残留抵抗比４００以上といったような、より高純度な無酸素銅を選定する必要があることから、原料受け入れの歩留まりが低下するという問題が生じてしまう。
【００１８】
第２の発明であるパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線の第１の態様は前記パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面に金属メッキ層、樹脂絶縁層および酸化膜のうちの少なくとも１つを形成した後、６本以上かつ４０本以下の前記パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線を撚り合わせて矩形断面に成形したことを特徴とする。このときパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の撚り合わせ数を５本以下とした場合にはコイル形状への巻線性が劣化する問題があり、４０本を超えるとパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線の平坦性を確保することが難しくなってしまうという問題がある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、通電安定性、低交流損失、高臨界電流密度を実現した従来よりも製造コストが低いパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の断面構成図を示すものである。このパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０は、銅または銅合金の安定化材からなる断面略円形の芯部１６の外周に、ＮｂＴｉフィラメント１３とＮｂＴｉフィラメント１３の外周に形成された銅合金層１２からなる断面略六角形の１次素線１４がマトリクス状に複数配置されて形成されたフィラメント集合体１５が設けられ、更にフィラメント集合体１５の外周に芯部１６と同じ材料の安定化材からなる安定化層１７が形成されている。
【００２２】
芯部１６および安定化層１７を形成する安定化材は、残留抵抗比（温度２７Ｋと超電導臨界温度直上での電気抵抗の比）が５０以上かつ３００以下であることが好ましく、銅または銅合金であることが好ましい。また、芯部１６および安定化層１７を形成する安定化材は、フィラメント集合体１５におけるＮｂＴｉフィラメント１３の総体積に対して、１．５以上かつ４．５以下の体積を有すると、ＮｂＴｉフィラメントの加工性が更によい。また、安定化層１７の断面積は芯部１６の断面積に対して１〜４倍であれば更に好ましい。
【００２３】
このとき、フィラメント集合体１５の厚みｔｂは、断熱的安定化基準もしくは動的安定化基準により決定される。フィラメント集合体１５の厚みｔｂは、断熱的安定化基準によると、フィラメント集合体１５の平均的な比熱とＮｂＴｉフィラメント１３に対する銅合金層１２の体積比とＮｂＴｉフィラメント１３の臨界電流密度Ｊｃによって決まり、動的安定化基準によると、安定化材からなる芯部１６および安定化層１７の体積比を考慮して外的擾乱や交流損失によって生じた熱の拡散と磁束の拡散の両者の兼ね合いによって決定する。このとき、断熱的安定化基準または動的安定化基準によって決定したｔｂはどちらも同程度の値となる。
【００２４】
また、芯部１６および安定化層１７を形成する銅または銅合金をＣｕＮｉ合金等からなるバリア層で分割しても良いが、実用上許容される交流損失以下である場合はコスト的観点から、バリア層は配置しない方が望ましい。
【００２５】
図２は本発明の一実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線の断面構成図を示すものである。このパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１はパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の表面に被覆層１８を形成した後、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を６本以上かつ４０本以下の撚り合わせ矩形断面に成形されている。
【００２６】
前記被覆層１８として、金属メッキ層、樹脂絶縁層または酸化膜を用いることができる。例えば、金属メッキ層としてはＣｒ、Ｎｉ、Ｓｎやそれらの合金など、樹脂絶縁層にはポリビニルホルマールやポリビニルアセタールを用いることができる。また、安定化層１７が銅または銅合金の場合には、酸化膜は酸化銅を用いることができる。このうち、コスト的観点からは、好ましくは金属メッキ層を用い、更に好ましくはＣｒメッキを用いるとよい。
【００２７】
以下に、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の作製方法について説明する。まず、１次素線１４の作製方法を説明する。銅合金管の中にＮｂＴｉロッドを挿入し、１次複合ビレットを作製する。前記複合ビレットに対して熱間押出加工と冷間加工を施すことによって棒状体の１次素線１４（ＮｂＴｉ／銅合金複合六角）を作製する。
【００２８】
次に、１次素線１４を用いてパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を作製する方法を説明する。芯部１６を形成するため、安定化材からなる安定化棒状体（安定化材六角）を作製する。また、前記安定化材からなり、安定化層１７となる銅管または銅合金管を作製し、１次素線１４と前記安定化棒状体を所定サイズの前記管に挿入して、２次複合ビレットを作製する。その後、前記２次複合ビレットに対して熱間押出加工を行った後、熱処理と冷間加工を繰り返す。更に、ツイスト加工と最終伸線加工を行い、所定サイズのパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を作製する。
【００２９】
パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を用いたパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１の作製方法について説明する。パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の表面に金属メッキ加工、樹脂絶縁加工もしくは酸化膜形成を施した後、６本以上かつ４０本以下を撚り合わせて２軸ロール圧延などの成形加工を施し、パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１を作製する。
【００３０】
以上の作製方法において、安定化材の材料によっては加工硬化により残留抵抗比が低下するので、必要に応じて中間工程や最終工程に焼鈍工程を入れても良い。
【実施例】
【００３１】
本発明の実施例に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の作製方法について図１を参照して説明する。まず、１次素線１４の作製のため、Ｃｕ−１０重量％Ｎｉ管の中にＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。前記複合ビレットに熱間押出加工と冷間加工を施すことによってＮｂＴｉフィラメント１３とＮｂＴｉフィラメント１３の外周に形成されたＣｕＮｉ比０．５であるＣｕＮｉの銅合金層１２からなり、断面略六角形における対辺寸法が１．８ｍｍの六角棒状の１次素線１４（ＮｂＴｉ／ＣｕＮｉ複合六角）を作製した。
【００３２】
さらに、無酸素銅インゴットを熱間押出加工と冷間加工により芯部１６となる対辺寸法１．８ｍｍの六角形棒状の安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａを製作した。また、安定化層１７となる内径１５０ｍｍ／外径２００ｍｍのＣｕ管を作製し、１次素線１４（約４,０００本）と安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａ（約３,６００本）を前記銅管に挿入して２次複合ビレットを得た。その２次複合ビレットに対し、熱間押出加工の後、熱処理と冷間加工を繰り返して行い、更に、ツイスト加工と最終伸線加工を経て、直径１．０ｍｍφのパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０とした。このとき、図１中に示したパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０のＡ部分の拡大図のように、複数の安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａは複合一体化されて芯部１６を形成し、同様に複数の１次素線１４は複合一体化されてフィラメント集合体１５を形成している。なお、安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａと安定化層１７の残留抵抗比を２５０とした。
【００３３】
次に本発明の実施例に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１の作製方法について図２を参照して説明する。パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の表面にＣｒメッキ加工を施した後、１２本撚リ合わせて成形加工を施し、パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１を得た。
【比較例】
【００３４】
図３は比較の実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の断面構成図である。比較例に係るＮｂＴｉ超電導多芯線２０の作製方法について図３を参照して説明する。このＮｂＴｉ超電導多芯線２０は次のようにして作製した。まず、銅合金層２２となるＣｕ−１０重量％Ｎｉ管の内側に内部安定化層２９となるＣｕ管を挿入し、さらにその内側にＮｂＴｉフィラメント２３となるＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入して１次複合ビレットを得た。この１次複合ビレットに熱間押出加工と冷間加工を施すことによって対辺寸法１．６ｍｍの１次素線２４（ＮｂＴｉ／Ｃｕ／ＣｕＮｉ３層構造六角）を製作した。次に、無酸素銅インゴットを熱間押出加工と冷間加工により芯部２６および安定化層２７となる対辺寸法１．６ｍｍの第１六角棒状体（Ｃｕ六角）２６ａを製作した。さらに、Ｃｕ−１０重量％Ｎｉインゴットを熱間押出加工と冷間加工により銅合金被覆層２８−１、銅合金被覆層２８−２となる対辺寸法１.６ｍｍの第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａを製作した。そして、内径１８０ｍｍ／外径２００ｍｍのＣｕＮｉ管を作製し、前記１次素線２４と第１六角棒状体（Ｃｕ六角）２６ａと第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａを最外銅合金被覆層３０となるＣｕＮｉ管に挿入して２次複合ビレットを得た。この２次複合ビレットに対して熱間押出加工を行った後、熱処理と冷間加工を繰り返し、ツイスト加工と最終伸線加工を経て、第１六角棒状体（Ｃｕ六角）２６ａから形成された銅の安定化材からなる断面略円形の芯部２６の外周に、第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａから形成された銅合金被覆層２８−１が形成され、更に銅合金被覆層２８−１の外周にはＮｂＴｉフィラメント２３とＮｂＴｉフィラメント２３の外周に形成された内部安定化層２９と内部安定化層２９の外周に更に形成された銅合金層２２からなる断面略六角形の１次素線２４が複数マトリクス状に配置されて形成されたフィラメント集合体２５が設けられ、更にフィラメント集合体２５の外周に第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａから形成された銅合金被覆層２８−２が形成され、更にその外周には第１六角棒状体（Ｃｕ六角）２６ａからなる安定化層２７が形成され、最外層には前記ＣｕＮｉ管からなる最外銅合金被覆層３０が形成された直径１．０ｍｍφのＮｂＴｉ超電導多芯線２０を得た。このとき、図３中に示したＮｂＴｉ超電導多芯線２０のＢ部分の拡大図のように、複数の第１棒状体（Ｃｕ六角）２６ａは複合一体化されて芯部２６を形成し、その外周には、複数の第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａが複合一体化されて銅合金被覆層２８−１を形成し、更にその外周には同様に複数の１次素線２４は複合一体化されてフィラメント集合体２５を形成している。比較例における残留抵抗比は実施例と同様に２５０とした。
【００３５】
図４は比較の実施形態に係るＮｂＴｉ超電導成形撚線の断面図である。比較例に係るＮｂＴｉ超電導成形撚線２１の作製方法について図４を参照して説明する。ＮｂＴｉ超電導多芯線２０を１６本撚リ合わせて成形加工を施し比較例とするＮｂＴｉ超電導成形撚線２１を得た。
【００３６】
（超電導成形撚線の評価）
実施例および比較例の超電導成形撚線の特性評価として、Ｉｃ（臨界電流、４.２ＫでのＮｂＴｉ面積当たり１０−１４Ωｍの比抵抗で定義される）、Ｊｅ（工学的臨界電流密度、Ｉｃ／ＮｂＴｉ超電導多芯線断面積）、ｎ値（Ｖ＝Ｋ（Ｉ／Ｉｃ）ｎ、１０μＶ／ｍ〜１００μＶ／ｍで定義される、Ｖは発生電圧、Ｉは通電電流、Ｋは定数である）、履歴損失、結合時定数（結合電流の時定数であり、結合損失は結合時定数に比例する）、通電安定性、加工性および製造コストに関して調べた。表１に、実施例および比較例の諸元および前述した各種特性評価結果に関して記す。NbTi/CuNi/Cuは、超電導成形撚線における体積比を示す。
【００３７】
Ｉｃ、Ｊｅは５Ｔの磁界下において測定を行った。ｎ値は電流−電圧特性から求めた。履歴損失は磁界振幅±３Ｔ、０．０４Ｔ／ｓでの三角波形の変動磁界を素線長手方向に垂直方向に印加し、磁化を測定した後、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算出した。一方、結合時定数（素線内結合時定数と素線間結合時定数の和）は、パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１およびＮｂＴｉ超電導成形撚線２１の幅広面に対し垂直方向に磁界振幅±０．０１Ｔ、１〜２５Ｈｚのサイン波形の変動磁界を印加し、それぞれの磁化を測定した後、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、交流損失を算出し、その周波数依存性から求めた。
【００３８】
【表１】
【００３９】
また、安定性は５Ｔの静磁界中でパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１およびＮｂＴｉ超電導成形撚線２１にその線材のＩｃの９５％まで通電した状態で、ヒータ加熱法によりパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１およびＮｂＴｉ超電導成形撚線２１に局所的に熱を与え、パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１およびＮｂＴｉ超電導成形撚線２１がクエンチするまでの投入熱量で通電安定性を確認した。このとき、実施例と比較例では同等の安定性が得られた。加工性に関しては、２０ｋｍあたりの断線頻度で確認を行った。比較例では、１回断線が生じたが、実施例では断線が生じなかった。そして、原料費および加工費に関しては、実施例によると従来例よりも１０％程度のコスト削減を実現することができた。
【００４０】
以上より、本発明のパルス用ＮｂＴi超電導成形撚線１１の主要な超電導性能は、比較例に対して、Ｊｅおよびｎ値が高く、交流損失はやや大きいものの、通電安定性および加工性は同等であった。更に、製造コストの低減も実現することができた。
【００４１】
これは、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０におけるＣｕＮｉ比を低く抑え、素線１本当たりの臨界電流が大きくなり、素線撚り本数を比較例よりも低く抑えられ原料コストが低くなったこと、安定化材のＣｕに対する（ＮｂＴｉ＋ＣｕＮｉ）の割合が小さく変形抵抗が小さくなったため、加工が容易になり製造コストが低くなったためである。
【００４２】
（銅合金層のＮｂＴｉフィラメントに対する体積比）
上記実施例において、１次素線１４のＣｕＮｉからなる銅合金層１２のＮｂＴｉフィラメント１３に対する体積比（以下、ＣｕＮｉ体積比とする）を０．２〜０．７に変化させた場合の、１次素線１４（ＮｂＴｉ単芯線）製造時のＮｂＴｉフィラメント１３の露出の有無と、作製した１次素線１４をパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０に形成するときのＮｂＴｉフィラメント１３の変形状態を調べた。また、表１と同様の条件でｎ値についても測定を行った。このときの結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
【００４４】
表２のように、ＣｕＮｉ体積比が０．２の場合には、１次素線１４の形成時に、ＮｂＴｉフィラメント１３の周囲に存在する銅合金１２の厚みが小さすぎるため、ＮｂＴｉフィラメント１３が露出してしまい、その後パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０とするための多芯加工を行うことができなかった。また、ＣｕＮｉ体積比が０．７の場合には、１次素線１４の形成時にはＮｂＴｉフィラメント１３の露出はなかったが、多芯加工時に、１次素線１４のＮｂＴｉフィラメント１３の異常変形が多く、ｎ値に関してはＣｕＮｉ体積比が０．３〜０．６のときに比べて低くなってしまった。以上のように、本発明においては、ＣｕＮｉ体積比は０．３〜０．６が好ましい。
【００４５】
（安定化材のＮｂＴｉフィラメントに対する体積比）
次に、芯部１６となる対辺寸法１.８ｍｍの六角形棒状の安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａの本数と安定化層１７となるＣｕ管の内径を調整し、安定化棒状体１６ａと前記Ｃｕ管の総体積が１次素線１４のＮｂＴｉフィラメント１３の総体積に対して１〜５倍となるように変化させた場合のパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を作成した。それぞれのパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０に対して素線内結合損失時定数、臨界電流密度ＪｅおよびＮｂＴｉフィラメント１３の露出有無を調べた。以下、安定化棒状体１６ａと前記Ｃｕ管のＮｂＴｉフィラメント１３の総体積に対する体積比を銅体積比という。なお、表１の実施例において、ＣｕＮｉ比を０．５、素線径を１．０ｍｍ、ツイストピッチを１０ｍｍ、とし、上述のように条件を変化している。また、素線内結合損失時定数は、表１とは異なり、磁界振幅±０．５Ｔにおいて評価を行った。臨界電流密度Ｊｅに関しては表１と同条件にて測定を行った。このときの結果を表３に示す。
【００４６】
【表３】
【００４７】
表３のように、銅体積比が１のときには、ＮｂＴｉフィラメント１３が露出してしまい、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を製造することが困難になり、製造歩留まりが低下する問題がある。一方、銅体積比が５の場合にはＮｂＴｉフィラメントの超電導体部分が少なくなってしまい、結果的にＪｅが低下してしまうだけでなく、結合時定数が大きくなるという問題が生じる。
以上より、本発明においては、銅体積比は１．５〜４．５であることが望ましい。Ｊｅおよび結合時定数の数値から、より好ましい銅体積比は１．５〜３である。
【００４８】
（安定化材の残留抵抗比）
更に、安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａと安定化層１７の残留抵抗比を３０〜３５０となるように、加工中の焼鈍条件を変化させたパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を作成した。それぞれのパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０に対して素線内結合損失時定数および通電安定性を調べた。なお、表１の実施例において、ＣｕＮｉ比を０．５、銅体積比（NbTi/Cu）を２．０、素線径を１．０ｍｍ、ツイストピッチを１０ｍｍとした上で、上述のように条件を変化している。また、素線内結合損失時定数に関しては表２と同条件にて測定を行い、通電安定性の評価に関しては、パルス用ＮｂＴｉ超電導成多芯線１０に対して臨界電流（Ｉｃ）まで通電を行い、Ｉｃまで通電可能かどうかを確認した。このときの結果を表４に示す。
【００４９】
【表４】
【００５０】
表４のように、残留抵抗比が３０の場合には、臨界電流値（Ｉｃ）まで通電することができず、十分な通電安定性が得られなかった。また、残留抵抗比が４００の場合には、結合時定数が大きくなるために、交流損失が大きくなる上に、高純度な無酸素銅を選定する必要があることから、性能上の原料受け入れの歩留まり低下という問題が生じてしまう。以上より、本発明において残留抵抗比は５０〜３５０であることが望ましく、結合時定数と通電安定性の観点から１００〜３００が好ましい。
【００５１】
以上のように、安定化材からなる芯部と最外層に形成された安定化層の間にＮｂＴｉフィラメントとＮｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含む銅合金層から形成される１次素線のみが埋設されているため、フィラメント集合体内にはＮｂＴｉと変形抵抗差が大きい安定化材は存在しない。すなわち、フィラメント集合体内のＮｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含む銅合金層とＮｂＴｉは変形抵抗差が小さいため、熱間押出加工や伸線加工の際にフィラメント変形やフィラメント断線を引き起こすことを防止することができる。また、前記銅合金層が、Ｎｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含む銅合金であり、前記ＮｂＴｉフィラメントに対する体積比が０．３〜０．６であることにより、フィラメント集合体の芯部の外周付近およびフィラメント集合体の外周に形成された安定化層の内周付近に配置された、パルス通電時に不安定になりやすいフィラメント領域のクエンチを抑制し、高い安定性を維持することができることから、特にパルス用途に適している。
【００５２】
また、安定化材の総体積がフィラメント集合体におけるＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５の銅または銅合金であることから、動的安定化基準を満たすことができ、本質的安定化基準を満足することができる。同様に、安定化材の総体積がフィラメント集合体におけるＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５の銅または銅合金とすることで、伸線加工において断線の抑制や表面品質を確保することができる。更に、ＮｂＴｉ超電導多芯線中のＣｕＮｉ比（ＮｂＴｉに対するＣｕＮｉの体積比）を低く抑えられるので、ＮｂＴｉ超電導多芯線１本当たりの臨界電流値を向上させることができ、原料費と多芯ビレットの組立て部材数減や、複合変形抵抗が小さくなり押し出し比や伸線貫割が大きく取れることによる全体の製造工数低減と製造リードタイム短縮により加工費を安くすることができる。
【００５３】
本発明におけるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面に金属メッキ層、樹脂絶縁層または酸化膜を形成した後、前記パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線を６本以上かつ４０本以下で撚り合わせた矩形断面に成形することにより、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線間の接触抵抗のばらつきを抑えるとともにパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面に金属メッキ層、樹脂絶縁層または酸化膜が無い場合よりもパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線間の接触抵抗が高くなるので、素線間結合損失を低減することができる。ここで、金属メッキ層はＣｕ以外の高抵抗のＣｒやＮｉ等を用いることでパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線間の接触抵抗を高くすることができ、また、Ｃｕに比べて硬い金属を用いることで、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線同士の接触面積をＣｕを用いたときよりも小さくすることができる。なお、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面が銅合金層であっても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の断面構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線の断面構成図である。
【図３】比較の実施形態に係るＮｂＴｉ超電導多芯線の断面構成図である。
【図４】比較の実施形態に係るＮｂＴｉ超電導成形撚線の断面構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線
１１ パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線
１２ 銅合金層
１３ ＮｂＴｉフィラメント
１４ １次素線
１５ フィラメント集合体
１６ 芯部
１７ 安定化層
１８ 被覆層
２０ ＮｂＴｉ超電導多芯線
２１ ＮｂＴｉ超電導成形撚線
２２ 銅合金層
２３ ＮｂＴｉフィラメント
２４ １次素線
２５ フィラメント集合体
２６ 芯部
２７ 安定化層
２８−１ 銅合金被覆層
２８−２ 銅合金被覆層
２９ 内部安定化層
３０ 最外銅合金被覆層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＮｂＴｉ超電導線材は、複数のＮｂＴｉフィラメントと、それを被覆する安定化銅とから構成されており、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成形撚線構造となる。この成形撚線をパルス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、超電導素線内の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銅部分で発生する結合損失（渦電流損失を含む）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。
【０００３】
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り低減することができるが、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、少しでも大きい値に設計することが慣用である。一方、安定化銅部分での結合損失は、ＣｕＮｉ合金等の銅合金を個々のフィラメントの外周、フィラメント間、あるいは素線外周部に配置することにより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、および素線外周部全てにＣｕＮｉ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。
【０００４】
この考え方に基づき、一般的に経験磁界１〜２Ｔ以下で使用される交流用線材としては、安定化銅部分を一切なくし、マトリクス部分をすべてＣｕＮｉ合金とした構成のＮｂＴｉ超電導線が用いられている。このような構成の交流用線材では、低磁界において臨界電流密度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。
【０００５】
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まで細くしているので、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、大電流線材に使用する場合には、これらの素線を多重に撚線化しなければならない。
【０００６】
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、ＳＭＥＳ、素粒子加速器や核融合実験炉等で使用される理化学研究用マグネット等の機器に使用され、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。
【０００７】
従って、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、マトリクス部分を全て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フィラメントを被覆する材料中の銅量を増やさなければならない。
【０００８】
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。
【０００９】
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で被覆し、これを銅マトリクスに埋設してなる３層構造の線材が用いられている。
【００１０】
しかしながら、この３層構造の線材には、ＮｂＴｉフィラメントの間に銅が介在する場合、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と銅との間で変形能が異なり、フィラメント形状の変形や極端な場合はフィラメント断線を引き起こす。
【００１１】
また、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から銅にニッケル原子が拡散する。そのために、銅の電気抵抗が上昇し、逆に熱伝導率が低下して安定化材としての機能が小さくなる。
【００１２】
特許文献１には、この問題を解決する手段として、銅合金からなる第１のマトリクス中に少なくとも３本のＮｂＴｉフィラメントを埋設してなるフィラメント集合体と、前記フィラメント集合体の複数本が埋設された銅からなる第２のマトリクスとを備えたパルス用ＮｂＴｉ超電導線材が開示されている。
【特許文献１】特開平６−２９５６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、銅合金からなる第１のマトリクス中に少なくとも３本のＮｂＴｉフィラメントを埋設してなるフィラメント集合体と、前記フィラメント集合体の複数本が埋設された銅からなる第２のマトリクスとを備えたＮｂＴｉ超電導線材においては、本質的安定化基準を満たしていたが、機器としての要求特性を十分に満足する効果が得られなかった上に、製造コスト上の問題からも実用化されることはなかった。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、通電安定性、低交流損失、高臨界電流密度を実現した製造コストが低いパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびこれを用いたパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の発明であるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の第１の態様は、安定化材からなる断面略円形の芯部と、Ｎｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含んだ銅合金に埋設されたＮｂＴｉフィラメントを有する複数の１次素線がマトリクス状に前記芯部の外周に配置された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形成された前記芯部と同じ安定化材からなる安定化層とを有し、前記ＮｂＴｉフィラメントが埋設されている銅合金の体積が前記ＮｂＴｉフィラメントに対して０．３〜０．６倍であることを特徴とする。
ここで、前記ＮｂＴｉフィラメントが埋設されている銅合金の体積が前記ＮｂＴｉフィラメントに対して０．３倍未満の場合、前記ＮｂＴｉフィラメントの周囲に存在する銅合金の厚みが小さすぎるため、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の１次素線製造時に前記銅合金が損傷して前記ＮｂＴｉフィラメントが露出してしまう。したがって、多芯線への加工ができず、製造歩留まりが低下するという問題が生じてしまう。
また、前記ＮｂＴｉフィラメントが埋設されている銅合金の体積が前記ＮｂＴｉフィラメントに対して０．６倍より大きくなると、前記１次素線を用いてパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線を製造する際に、前記ＮｂＴｉフィラメントが異常変形を起こしやすくなる。このことにより、実用上高い方が良いとされるｎ値（電流−電圧特性をＶ∝Ｉnとした時の指数ｎ）が低下し、更に、前記ＮｂＴｉフィラメントの埋設部（フィラメント集合体）において、電流密度そのものが小さくなるという問題が生じる。
【００１６】
第１の発明であるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の第２の態様は、前記芯部および前記安定化層を形成する安定化材の総体積が前記ＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５倍であることを特徴とする。前記安定化材の総体積が１．５倍未満の場合には、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線のシース部分（安定化層）に配置する安定化材の体積比が小さくなり、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線製造時にＮｂＴｉフィラメントが露出してしまい、多芯線としての製造が困難となる。更に、該ＮｂＴｉ超電導多芯線を撚線にした場合には該ＮｂＴｉ超電導多芯線中のフィラメントの変形が大きくなり、Ｉｃが劣化する問題がある。また、４．５倍より大きい場合はＮｂＴｉフィラメントの超電導体部分が少なくなってしまい、結果的にＪｅが低下してしまうという問題がある。
【００１７】
第１の発明であるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の第３の態様は、前記安定化材が残留抵抗比５０以上かつ３５０以下である銅または銅合金であることを特徴とする。なお、安定化材の残留抵抗比が５０未満の場合には、通電時の安定性が低下してしまう問題が生じ、３５０より大きい場合には、交流損失（結合損失）が大きくなるだけでなく、原料段階で残留抵抗比４００以上といったような、より高純度な無酸素銅を選定する必要があることから、原料受け入れの歩留まりが低下するという問題が生じてしまう。
【００１８】
第２の発明であるパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線の第１の態様は前記パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面に金属メッキ層、樹脂絶縁層および酸化膜のうちの少なくとも１つを形成した後、６本以上かつ４０本以下の前記パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線を撚り合わせて矩形断面に成形したことを特徴とする。このときパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の撚り合わせ数を５本以下とした場合にはコイル形状への巻線性が劣化する問題があり、４０本を超えるとパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線の平坦性を確保することが難しくなってしまうという問題がある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、通電安定性、低交流損失、高臨界電流密度を実現した従来よりも製造コストが低いパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線およびパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の断面構成図を示すものである。このパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０は、銅または銅合金の安定化材からなる断面略円形の芯部１６の外周に、ＮｂＴｉフィラメント１３とＮｂＴｉフィラメント１３の外周に形成された銅合金層１２からなる断面略六角形の１次素線１４がマトリクス状に複数配置されて形成されたフィラメント集合体１５が設けられ、更にフィラメント集合体１５の外周に芯部１６と同じ材料の安定化材からなる安定化層１７が形成されている。
【００２２】
芯部１６および安定化層１７を形成する安定化材は、残留抵抗比（温度２７Ｋと超電導臨界温度直上での電気抵抗の比）が５０以上かつ３００以下であることが好ましく、銅または銅合金であることが好ましい。また、芯部１６および安定化層１７を形成する安定化材は、フィラメント集合体１５におけるＮｂＴｉフィラメント１３の総体積に対して、１．５以上かつ４．５以下の体積を有すると、ＮｂＴｉフィラメントの加工性が更によい。また、安定化層１７の断面積は芯部１６の断面積に対して１〜４倍であれば更に好ましい。
【００２３】
このとき、フィラメント集合体１５の厚みｔｂは、断熱的安定化基準もしくは動的安定化基準により決定される。フィラメント集合体１５の厚みｔｂは、断熱的安定化基準によると、フィラメント集合体１５の平均的な比熱とＮｂＴｉフィラメント１３に対する銅合金層１２の体積比とＮｂＴｉフィラメント１３の臨界電流密度Ｊｃによって決まり、動的安定化基準によると、安定化材からなる芯部１６および安定化層１７の体積比を考慮して外的擾乱や交流損失によって生じた熱の拡散と磁束の拡散の両者の兼ね合いによって決定する。このとき、断熱的安定化基準または動的安定化基準によって決定したｔｂはどちらも同程度の値となる。
【００２４】
また、芯部１６および安定化層１７を形成する銅または銅合金をＣｕＮｉ合金等からなるバリア層で分割しても良いが、実用上許容される交流損失以下である場合はコスト的観点から、バリア層は配置しない方が望ましい。
【００２５】
図２は本発明の一実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線の断面構成図を示すものである。このパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１はパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の表面に被覆層１８を形成した後、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を６本以上かつ４０本以下の撚り合わせ矩形断面に成形されている。
【００２６】
前記被覆層１８として、金属メッキ層、樹脂絶縁層または酸化膜を用いることができる。例えば、金属メッキ層としてはＣｒ、Ｎｉ、Ｓｎやそれらの合金など、樹脂絶縁層にはポリビニルホルマールやポリビニルアセタールを用いることができる。また、安定化層１７が銅または銅合金の場合には、酸化膜は酸化銅を用いることができる。このうち、コスト的観点からは、好ましくは金属メッキ層を用い、更に好ましくはＣｒメッキを用いるとよい。
【００２７】
以下に、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の作製方法について説明する。まず、１次素線１４の作製方法を説明する。銅合金管の中にＮｂＴｉロッドを挿入し、１次複合ビレットを作製する。前記複合ビレットに対して熱間押出加工と冷間加工を施すことによって棒状体の１次素線１４（ＮｂＴｉ／銅合金複合六角）を作製する。
【００２８】
次に、１次素線１４を用いてパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を作製する方法を説明する。芯部１６を形成するため、安定化材からなる安定化棒状体（安定化材六角）を作製する。また、前記安定化材からなり、安定化層１７となる銅管または銅合金管を作製し、１次素線１４と前記安定化棒状体を所定サイズの前記管に挿入して、２次複合ビレットを作製する。その後、前記２次複合ビレットに対して熱間押出加工を行った後、熱処理と冷間加工を繰り返す。更に、ツイスト加工と最終伸線加工を行い、所定サイズのパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を作製する。
【００２９】
パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を用いたパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１の作製方法について説明する。パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の表面に金属メッキ加工、樹脂絶縁加工もしくは酸化膜形成を施した後、６本以上かつ４０本以下を撚り合わせて２軸ロール圧延などの成形加工を施し、パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１を作製する。
【００３０】
以上の作製方法において、安定化材の材料によっては加工硬化により残留抵抗比が低下するので、必要に応じて中間工程や最終工程に焼鈍工程を入れても良い。
【実施例】
【００３１】
本発明の実施例に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の作製方法について図１を参照して説明する。まず、１次素線１４の作製のため、Ｃｕ−１０重量％Ｎｉ管の中にＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。前記複合ビレットに熱間押出加工と冷間加工を施すことによってＮｂＴｉフィラメント１３とＮｂＴｉフィラメント１３の外周に形成されたＣｕＮｉ比０．５であるＣｕＮｉの銅合金層１２からなり、断面略六角形における対辺寸法が１．８ｍｍの六角棒状の１次素線１４（ＮｂＴｉ／ＣｕＮｉ複合六角）を作製した。
【００３２】
さらに、無酸素銅インゴットを熱間押出加工と冷間加工により芯部１６となる対辺寸法１．８ｍｍの六角形棒状の安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａを製作した。また、安定化層１７となる内径１５０ｍｍ／外径２００ｍｍのＣｕ管を作製し、１次素線１４（約４,０００本）と安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａ（約３,６００本）を前記銅管に挿入して２次複合ビレットを得た。その２次複合ビレットに対し、熱間押出加工の後、熱処理と冷間加工を繰り返して行い、更に、ツイスト加工と最終伸線加工を経て、直径１．０ｍｍφのパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０とした。このとき、図１中に示したパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０のＡ部分の拡大図のように、複数の安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａは複合一体化されて芯部１６を形成し、同様に複数の１次素線１４は複合一体化されてフィラメント集合体１５を形成している。なお、安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａと安定化層１７の残留抵抗比を２５０とした。
【００３３】
次に本発明の実施例に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１の作製方法について図２を参照して説明する。パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０の表面にＣｒメッキ加工を施した後、１２本撚リ合わせて成形加工を施し、パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１を得た。
【比較例】
【００３４】
図３は比較の実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の断面構成図である。比較例に係るＮｂＴｉ超電導多芯線２０の作製方法について図３を参照して説明する。このＮｂＴｉ超電導多芯線２０は次のようにして作製した。まず、銅合金層２２となるＣｕ−１０重量％Ｎｉ管の内側に内部安定化層２９となるＣｕ管を挿入し、さらにその内側にＮｂＴｉフィラメント２３となるＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入して１次複合ビレットを得た。この１次複合ビレットに熱間押出加工と冷間加工を施すことによって対辺寸法１．６ｍｍの１次素線２４（ＮｂＴｉ／Ｃｕ／ＣｕＮｉ３層構造六角）を製作した。次に、無酸素銅インゴットを熱間押出加工と冷間加工により芯部２６および安定化層２７となる対辺寸法１．６ｍｍの第１六角棒状体（Ｃｕ六角）２６ａを製作した。さらに、Ｃｕ−１０重量％Ｎｉインゴットを熱間押出加工と冷間加工により銅合金被覆層２８−１、銅合金被覆層２８−２となる対辺寸法１.６ｍｍの第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａを製作した。そして、内径１８０ｍｍ／外径２００ｍｍのＣｕＮｉ管を作製し、前記１次素線２４と第１六角棒状体（Ｃｕ六角）２６ａと第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａを最外銅合金被覆層３０となるＣｕＮｉ管に挿入して２次複合ビレットを得た。この２次複合ビレットに対して熱間押出加工を行った後、熱処理と冷間加工を繰り返し、ツイスト加工と最終伸線加工を経て、第１六角棒状体（Ｃｕ六角）２６ａから形成された銅の安定化材からなる断面略円形の芯部２６の外周に、第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａから形成された銅合金被覆層２８−１が形成され、更に銅合金被覆層２８−１の外周にはＮｂＴｉフィラメント２３とＮｂＴｉフィラメント２３の外周に形成された内部安定化層２９と内部安定化層２９の外周に更に形成された銅合金層２２からなる断面略六角形の１次素線２４が複数マトリクス状に配置されて形成されたフィラメント集合体２５が設けられ、更にフィラメント集合体２５の外周に第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａから形成された銅合金被覆層２８−２が形成され、更にその外周には第１六角棒状体（Ｃｕ六角）２６ａからなる安定化層２７が形成され、最外層には前記ＣｕＮｉ管からなる最外銅合金被覆層３０が形成された直径１．０ｍｍφのＮｂＴｉ超電導多芯線２０を得た。このとき、図３中に示したＮｂＴｉ超電導多芯線２０のＢ部分の拡大図のように、複数の第１棒状体（Ｃｕ六角）２６ａは複合一体化されて芯部２６を形成し、その外周には、複数の第２六角棒状体（ＣｕＮｉ六角）２８−１ａが複合一体化されて銅合金被覆層２８−１を形成し、更にその外周には同様に複数の１次素線２４は複合一体化されてフィラメント集合体２５を形成している。比較例における残留抵抗比は実施例と同様に２５０とした。
【００３５】
図４は比較の実施形態に係るＮｂＴｉ超電導成形撚線の断面図である。比較例に係るＮｂＴｉ超電導成形撚線２１の作製方法について図４を参照して説明する。ＮｂＴｉ超電導多芯線２０を１６本撚リ合わせて成形加工を施し比較例とするＮｂＴｉ超電導成形撚線２１を得た。
【００３６】
（超電導成形撚線の評価）
実施例および比較例の超電導成形撚線の特性評価として、Ｉｃ（臨界電流、４.２ＫでのＮｂＴｉ面積当たり１０−１４Ωｍの比抵抗で定義される）、Ｊｅ（工学的臨界電流密度、Ｉｃ／ＮｂＴｉ超電導多芯線断面積）、ｎ値（Ｖ＝Ｋ（Ｉ／Ｉｃ）ｎ、１０μＶ／ｍ〜１００μＶ／ｍで定義される、Ｖは発生電圧、Ｉは通電電流、Ｋは定数である）、履歴損失、結合時定数（結合電流の時定数であり、結合損失は結合時定数に比例する）、通電安定性、加工性および製造コストに関して調べた。表１に、実施例および比較例の諸元および前述した各種特性評価結果に関して記す。NbTi/CuNi/Cuは、超電導成形撚線における体積比を示す。
【００３７】
Ｉｃ、Ｊｅは５Ｔの磁界下において測定を行った。ｎ値は電流−電圧特性から求めた。履歴損失は磁界振幅±３Ｔ、０．０４Ｔ／ｓでの三角波形の変動磁界を素線長手方向に垂直方向に印加し、磁化を測定した後、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算出した。一方、結合時定数（素線内結合時定数と素線間結合時定数の和）は、パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１およびＮｂＴｉ超電導成形撚線２１の幅広面に対し垂直方向に磁界振幅±０．０１Ｔ、１〜２５Ｈｚのサイン波形の変動磁界を印加し、それぞれの磁化を測定した後、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、交流損失を算出し、その周波数依存性から求めた。
【００３８】
【表１】
【００３９】
また、安定性は５Ｔの静磁界中でパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１およびＮｂＴｉ超電導成形撚線２１にその線材のＩｃの９５％まで通電した状態で、ヒータ加熱法によりパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１およびＮｂＴｉ超電導成形撚線２１に局所的に熱を与え、パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線１１およびＮｂＴｉ超電導成形撚線２１がクエンチするまでの投入熱量で通電安定性を確認した。このとき、実施例と比較例では同等の安定性が得られた。加工性に関しては、２０ｋｍあたりの断線頻度で確認を行った。比較例では、１回断線が生じたが、実施例では断線が生じなかった。そして、原料費および加工費に関しては、実施例によると従来例よりも１０％程度のコスト削減を実現することができた。
【００４０】
以上より、本発明のパルス用ＮｂＴi超電導成形撚線１１の主要な超電導性能は、比較例に対して、Ｊｅおよびｎ値が高く、交流損失はやや大きいものの、通電安定性および加工性は同等であった。更に、製造コストの低減も実現することができた。
【００４１】
これは、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０におけるＣｕＮｉ比を低く抑え、素線１本当たりの臨界電流が大きくなり、素線撚り本数を比較例よりも低く抑えられ原料コストが低くなったこと、安定化材のＣｕに対する（ＮｂＴｉ＋ＣｕＮｉ）の割合が小さく変形抵抗が小さくなったため、加工が容易になり製造コストが低くなったためである。
【００４２】
（銅合金層のＮｂＴｉフィラメントに対する体積比）
上記実施例において、１次素線１４のＣｕＮｉからなる銅合金層１２のＮｂＴｉフィラメント１３に対する体積比（以下、ＣｕＮｉ体積比とする）を０．２〜０．７に変化させた場合の、１次素線１４（ＮｂＴｉ単芯線）製造時のＮｂＴｉフィラメント１３の露出の有無と、作製した１次素線１４をパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０に形成するときのＮｂＴｉフィラメント１３の変形状態を調べた。また、表１と同様の条件でｎ値についても測定を行った。このときの結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
【００４４】
表２のように、ＣｕＮｉ体積比が０．２の場合には、１次素線１４の形成時に、ＮｂＴｉフィラメント１３の周囲に存在する銅合金１２の厚みが小さすぎるため、ＮｂＴｉフィラメント１３が露出してしまい、その後パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０とするための多芯加工を行うことができなかった。また、ＣｕＮｉ体積比が０．７の場合には、１次素線１４の形成時にはＮｂＴｉフィラメント１３の露出はなかったが、多芯加工時に、１次素線１４のＮｂＴｉフィラメント１３の異常変形が多く、ｎ値に関してはＣｕＮｉ体積比が０．３〜０．６のときに比べて低くなってしまった。以上のように、本発明においては、ＣｕＮｉ体積比は０．３〜０．６が好ましい。
【００４５】
（安定化材のＮｂＴｉフィラメントに対する体積比）
次に、芯部１６となる対辺寸法１.８ｍｍの六角形棒状の安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａの本数と安定化層１７となるＣｕ管の内径を調整し、安定化棒状体１６ａと前記Ｃｕ管の総体積が１次素線１４のＮｂＴｉフィラメント１３の総体積に対して１〜５倍となるように変化させた場合のパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を作成した。それぞれのパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０に対して素線内結合損失時定数、臨界電流密度ＪｅおよびＮｂＴｉフィラメント１３の露出有無を調べた。以下、安定化棒状体１６ａと前記Ｃｕ管のＮｂＴｉフィラメント１３の総体積に対する体積比を銅体積比という。なお、表１の実施例において、ＣｕＮｉ比を０．５、素線径を１．０ｍｍ、ツイストピッチを１０ｍｍ、とし、上述のように条件を変化している。また、素線内結合損失時定数は、表１とは異なり、磁界振幅±０．５Ｔにおいて評価を行った。臨界電流密度Ｊｅに関しては表１と同条件にて測定を行った。このときの結果を表３に示す。
【００４６】
【表３】
【００４７】
表３のように、銅体積比が１のときには、ＮｂＴｉフィラメント１３が露出してしまい、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を製造することが困難になり、製造歩留まりが低下する問題がある。一方、銅体積比が５の場合にはＮｂＴｉフィラメントの超電導体部分が少なくなってしまい、結果的にＪｅが低下してしまうだけでなく、結合時定数が大きくなるという問題が生じる。
以上より、本発明においては、銅体積比は１．５〜４．５であることが望ましい。Ｊｅおよび結合時定数の数値から、より好ましい銅体積比は１．５〜３である。
【００４８】
（安定化材の残留抵抗比）
更に、安定化棒状体（Ｃｕ六角）１６ａと安定化層１７の残留抵抗比を３０〜３５０となるように、加工中の焼鈍条件を変化させたパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０を作成した。それぞれのパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線１０に対して素線内結合損失時定数および通電安定性を調べた。なお、表１の実施例において、ＣｕＮｉ比を０．５、銅体積比（NbTi/Cu）を２．０、素線径を１．０ｍｍ、ツイストピッチを１０ｍｍとした上で、上述のように条件を変化している。また、素線内結合損失時定数に関しては表２と同条件にて測定を行い、通電安定性の評価に関しては、パルス用ＮｂＴｉ超電導成多芯線１０に対して臨界電流（Ｉｃ）まで通電を行い、Ｉｃまで通電可能かどうかを確認した。このときの結果を表４に示す。
【００４９】
【表４】
【００５０】
表４のように、残留抵抗比が３０の場合には、臨界電流値（Ｉｃ）まで通電することができず、十分な通電安定性が得られなかった。また、残留抵抗比が４００の場合には、結合時定数が大きくなるために、交流損失が大きくなる上に、高純度な無酸素銅を選定する必要があることから、性能上の原料受け入れの歩留まり低下という問題が生じてしまう。以上より、本発明において残留抵抗比は５０〜３５０であることが望ましく、結合時定数と通電安定性の観点から１００〜３００が好ましい。
【００５１】
以上のように、安定化材からなる芯部と最外層に形成された安定化層の間にＮｂＴｉフィラメントとＮｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含む銅合金層から形成される１次素線のみが埋設されているため、フィラメント集合体内にはＮｂＴｉと変形抵抗差が大きい安定化材は存在しない。すなわち、フィラメント集合体内のＮｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含む銅合金層とＮｂＴｉは変形抵抗差が小さいため、熱間押出加工や伸線加工の際にフィラメント変形やフィラメント断線を引き起こすことを防止することができる。また、前記銅合金層が、Ｎｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含む銅合金であり、前記ＮｂＴｉフィラメントに対する体積比が０．３〜０．６であることにより、フィラメント集合体の芯部の外周付近およびフィラメント集合体の外周に形成された安定化層の内周付近に配置された、パルス通電時に不安定になりやすいフィラメント領域のクエンチを抑制し、高い安定性を維持することができることから、特にパルス用途に適している。
【００５２】
また、安定化材の総体積がフィラメント集合体におけるＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５の銅または銅合金であることから、動的安定化基準を満たすことができ、本質的安定化基準を満足することができる。同様に、安定化材の総体積がフィラメント集合体におけるＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５の銅または銅合金とすることで、伸線加工において断線の抑制や表面品質を確保することができる。更に、ＮｂＴｉ超電導多芯線中のＣｕＮｉ比（ＮｂＴｉに対するＣｕＮｉの体積比）を低く抑えられるので、ＮｂＴｉ超電導多芯線１本当たりの臨界電流値を向上させることができ、原料費と多芯ビレットの組立て部材数減や、複合変形抵抗が小さくなり押し出し比や伸線貫割が大きく取れることによる全体の製造工数低減と製造リードタイム短縮により加工費を安くすることができる。
【００５３】
本発明におけるパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面に金属メッキ層、樹脂絶縁層または酸化膜を形成した後、前記パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線を６本以上かつ４０本以下で撚り合わせた矩形断面に成形することにより、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線間の接触抵抗のばらつきを抑えるとともにパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面に金属メッキ層、樹脂絶縁層または酸化膜が無い場合よりもパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線間の接触抵抗が高くなるので、素線間結合損失を低減することができる。ここで、金属メッキ層はＣｕ以外の高抵抗のＣｒやＮｉ等を用いることでパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線間の接触抵抗を高くすることができ、また、Ｃｕに比べて硬い金属を用いることで、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線同士の接触面積をＣｕを用いたときよりも小さくすることができる。なお、パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面が銅合金層であっても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線の断面構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線の断面構成図である。
【図３】比較の実施形態に係るＮｂＴｉ超電導多芯線の断面構成図である。
【図４】比較の実施形態に係るＮｂＴｉ超電導成形撚線の断面構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線
１１ パルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線
１２ 銅合金層
１３ ＮｂＴｉフィラメント
１４ １次素線
１５ フィラメント集合体
１６ 芯部
１７ 安定化層
１８ 被覆層
２０ ＮｂＴｉ超電導多芯線
２１ ＮｂＴｉ超電導成形撚線
２２ 銅合金層
２３ ＮｂＴｉフィラメント
２４ １次素線
２５ フィラメント集合体
２６ 芯部
２７ 安定化層
２８−１ 銅合金被覆層
２８−２ 銅合金被覆層
２９ 内部安定化層
３０ 最外銅合金被覆層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定化材からなる断面略円形の芯部と、
Ｎｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含んだ銅合金に埋設されたＮｂＴｉフィラメントを有する１次素線が複数マトリクス状に前記芯部の外周に配置された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形成された前記芯部と同じ安定化材からなる安定化層とを有し、
前記ＮｂＴｉフィラメントが埋設されている銅合金の体積が前記ＮｂＴｉフィラメントに対して０．３〜０．６倍であることを特徴とするパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線。
【請求項２】
前記芯部および前記安定化層を形成する安定化材の総体積が前記ＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５倍であることを特徴とする請求項１に記載のパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線。
【請求項３】
前記安定化材が残留抵抗比５０以上かつ３５０以下である銅または銅合金であることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の前記パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面に金属メッキ層、樹脂絶縁層および酸化膜のうちの少なくとも１つを形成した後、６本以上かつ４０本以下の前記ＮｂＴｉ超電導多芯線を撚り合わせて矩形断面に成形したことを特徴とするパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線。
【請求項１】
安定化材からなる断面略円形の芯部と、
Ｎｉ、ＭｎおよびＳｉのうち１種類以上を含んだ銅合金に埋設されたＮｂＴｉフィラメントを有する１次素線が複数マトリクス状に前記芯部の外周に配置された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形成された前記芯部と同じ安定化材からなる安定化層とを有し、
前記ＮｂＴｉフィラメントが埋設されている銅合金の体積が前記ＮｂＴｉフィラメントに対して０．３〜０．６倍であることを特徴とするパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線。
【請求項２】
前記芯部および前記安定化層を形成する安定化材の総体積が前記ＮｂＴｉフィラメントの総体積に対して１．５〜４．５倍であることを特徴とする請求項１に記載のパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線。
【請求項３】
前記安定化材が残留抵抗比５０以上かつ３５０以下である銅または銅合金であることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の前記パルス用ＮｂＴｉ超電導多芯線表面に金属メッキ層、樹脂絶縁層および酸化膜のうちの少なくとも１つを形成した後、６本以上かつ４０本以下の前記ＮｂＴｉ超電導多芯線を撚り合わせて矩形断面に成形したことを特徴とするパルス用ＮｂＴｉ超電導成形撚線。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１４７１７５（Ｐ２００８−１４７１７５Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９５６３９（Ｐ２００７−２９５６３９）
【出願日】平成１９年１１月１４日（２００７．１１．１４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１４日（２００７．１１．１４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]