説明

化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびそれらの製造方法

【課題】化合物超電導線材内部に残留する歪みを緩和して、従来よりも耐歪み特性および臨界電流等の超電導特性の向上が図れる化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程S101と、線材形成工程S101で形成された線材に熱処理を施して化合物超電導原料を超電導体にし、線材を化合物超電導線材にする熱処理工程S102と、熱処理工程S102で得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程S103とを備え、両振り曲げ加工工程S103で、化合物超電導線材に曲げ歪みを0.5%以上1.0%以下の範囲内で加え、両振り曲げ加工工程S103で、単一両振り加工を、化合物超電導線材に5回以上20回以下の回数施こす化合物超電導線材の製造方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、化合物超電導線材、化合物超電導ケーブルおよびその製造方法に関し、特に、超電導体内部のひずみが緩和または除去されて高い臨界電流等の優れた超電導特性を有する化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、NbSn超電導ケーブル等の化合物超電導ケーブルを製造する方法として、化合物超電導原料を内部に含む線材に化合物生成のための熱処理を施して化合物超電導線材を形成し、得られた化合物超電導線材を撚り合わせる、いわゆる、リアクト・アンド・ワインド(React and Wind)法と、上述の熱処理前の線材を撚り合わせてから熱処理を施す、いわゆるワインド・アンド・リアクト(Wind and React)法とがある(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、非特許文献1参照。)。以下、化合物生成のための熱処理、すなわち、上述の化合物超電導原料を内部に含む線材を化合物超電導線材にする熱処理を、単に化合物生成熱処理という。
【0003】
ここで、高磁界加速器用ダイポールマグネット、高磁界大口径マグネット等の大型マグネットは、一般にリアクト・アンド・ワインド法を用いて製造されたNbSn超電導ケーブルを用いている。この理由は、NbSn生成のための化合物生成熱処理を、600℃以上の所定の温度で真空または不活性ガス雰囲気の炉内で行う必要があるが、上述の大型マグネットには炉の寸法上の制約から、マグネット形成後に化合物生成熱処理を施すワインド・アンド・リアクト法を適用することができないからである。
【0004】
このワインド・アンド・リアクト法は、化合物超電導線材形成後に化合物超電導線材に加工を施さないことによって、この加工に伴う歪みを回避し、臨界電流等の超電導特性の低下を防止するためにとられる製造方法である。ワインド・アンド・リアクト法を用いる場合、巻線加工等の加工に伴う歪みが化合物超電導線材に導入されることを回避するために、予め未反応状態の超電導化合物原料をコイル状に巻き、この状態で化合物生成熱処理を施してNbとSnとを反応させることにより、コイル形状のNbSnを生成するものである。なお、リアクト・アンド・ワインド法を用いて製造した化合物超電導線材に内在する残留歪みを除去して臨界電流の向上を図ろうとする試みもある(例えば、非特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開2000−164419公開公報
【特許文献2】特開2001−126554公開公報
【特許文献3】特開2004−063128公開公報
【非特許文献1】Improvement of Ic by Loading and Unloading Bending Strain for High Strength Nb3Sn Wires (IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, Vol. 14, No.2, June 2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、上述したリアクト・アンド・ワインド法を用いて製造したNbSn超電導線材およびNbSn超電導ケーブルでは、中心部に配置されたNbSn超電導体とその外周に配置された強化材および/または安定化材との間の熱膨張係数の違いによりNbSn超電導体内に発生した圧縮歪み、化合物生成熱処理済みのNbSn超電導ケーブルの巻線時に生じる曲げ歪みと巻張力による歪み等の歪みによって、臨界電流Ic等が大幅に低下するという問題があった。図9は、従来技術を用いて製造したNbSn超電導線材について得られた臨界電流の曲げ歪み依存特性を表すグラフである。図9において、縦軸は規格化された臨界電流Ic/Icm(%)、横軸は曲げ歪み(%)をそれぞれ示す。また、印加された磁界の強度は、規格化された臨界電流の高い方からそれぞれ12T、14T、16Tである。図9に示すように、従来技術を用いて製造したNbSn超電導線材では、曲げ歪み0.2%〜0.4%程度を超えると臨界電流が急激に減少することが知られている。
【0006】
このため、リアクト・アンド・ワインド法を用いて製造されたNbSn超電導線材およびNbSn超電導ケーブルを用いる高磁界加速器用マグネット、高磁界大口径マグネット等の大型マグネットでは、上述のように臨界電流が低下するため、運転電流を低くせざるを得なくなっていた。そして、高い磁界を発生させるためには、超電導マグネットのインダクタンスを大きくせざるを得ず、高速励磁やパルス励磁などができないという問題点があった。上述の問題点を解決するために、NbSn等を用いて製造される化合物超電線材に曲げ歪みを加えることによって超電導線材の特性劣化改善が試みられている。
【0007】
例えば、特許文献1には、歪みに弱い化合物超電導線を補強安定化材で覆った補強安定化超電導線材が開示されている。特許文献1には、使用する線材に補強安定化超電導線材を用いることによって、リアクト・アンド・ワインド法を用いて超電導マグネットを製造することができこと、および、化合物超電導線材の耐歪み特性が向上したことが記載されている。具体的には、温度約700℃で10日間程度にわたる化合物生成熱処理を施して得られた、超電導体がNbSnの補強安定化超電導線材では、0.3mmから2mmの直径の細線の降伏応力が250から300Mpaまで上昇し、0.5%までの曲げ歪みでは臨界電流の劣化がない。
【0008】
特許文献2においては、化合物超電導相が形成された化合物超電導裸線にエナメルが被覆された化合物超電導線において、化合物超電導裸線に対して、該化合物超電導裸線の断面最小幅の50倍以上の曲げ半径で曲げを複数回施し、且つ70MPa以下の張力をかけた条件下にエナメルを被覆することによって、超電導特性を顕著に劣化させることを回避できることが開示されている。
【0009】
また、特許文献3においても、リアクト処理した歪み依存性を示す化合物超電導線に曲げ歪みを付加した後、該曲げ歪みを徐荷することより、機械的特性及び臨界電流値の応力特性とともに向上させたことが開示されている。
上述したさまざまな試みでは、化合物超電導の歪み応力による臨界電流特性劣化と耐歪み特性の改善がある程度見られたが、満足できる超電導特性を得ることができなかった。
【0010】
このような状況下で、非特許文献1には、NbSn超電導線材に正反対方向の曲げ歪みを繰り返し与えることにより、従来を大きく上回る超電導特性が得られることが開示されている。具体的には、0.3%〜0.5%の曲げ歪みを正反両方向から5回ずつ加えることにより、曲げ歪みを加えない場合の臨界電流を上回る高い臨界電流特性を得ることができるとされている。超電導特性向上の理由として、化合物生成熱処理時にNbSn超電導線材の内部に生じた残留応力が一部緩和されたことが指摘されている。
【0011】
しかしながら、超電導ケーブルにとって重要な特性である耐歪み特性については、検討されず不明である。例えば、臨界電流Icが高くなっても耐歪み特性が優れなければ、ケーブル化の際の撚線加工等で線材内に生ずる歪みによって臨海電流Icが急激に減少してしまい、実用化が困難となるが、この点については言及されていない。また、非特許文献1に開示された技術を用いたとしても、高い臨界電流Icを維持したまま実用化することは困難である。
【0012】
本発明は、化合物超電導線材内部に残留する歪みを緩和して、従来よりも耐歪み特性および臨界電流等の超電導特性の向上が図れる化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の第1の態様は、所定の熱処理を施して得られる化合物超電導体が少なくとも断面内の一部を占める化合物超電導線材であって、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工が施されることによって前記化合物超電導線材の内部のひずみが緩和していることを特徴とする化合物超電導線材である。
【0014】
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記両振り曲げ加工が、正反両方向から1回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を1回以上施す加工であり、前記単一両振り加工において、0.5%以上1.0%以下の範囲内で正反両方向から曲げ歪みを加えることを特徴とする化合物超電導線材である。
【0015】
本発明の第3の態様は、第1または第2の態様において、前記両振り曲げ加工が、前記単一両振り曲げ加工を5回〜20回の回数施して曲げ歪みを加えることをことを特徴とする化合物超電導線材である。
【0016】
本発明の第4の態様は、第1乃至第3の態様の何れかにおいて、前記化合物超電導体の外周に安定化材を備えていることを特徴とする化合物超電導線材である。
【0017】
本発明の第5の態様は、第1乃至第4の態様の何れかにおいて、前記化合物超電導体がNbSnまたはNbAlからなることを特徴とする化合物超電導線材である。
【0018】
本発明の第6の態様は、第1乃至第5の態様の何れかにおいて、CuNb、CuAl、CuNbTi、およびTaのうちの何れか1種類の導電性材料からなる強化材を備えたことを特徴とする化合物超電導線材である。
【0019】
本発明の第7の態様は、第1乃至第6の態様の何れかに記載された化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に成形加工を施して形成されたことを特徴とする化合物超電導ケーブルである。
【0020】
本発明の第8の態様は、所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程と、前記線材形成工程において形成された線材に前記熱処理を施して前記化合物超電導原料を超電導体にし、前記線材を化合物超電導線材にする熱処理工程と、前記熱処理工程において得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程とを備えたことを特徴とする化合物超電導線材の製造方法である。
【0021】
本発明の第9の態様は、第8の態様において、前記両振り曲げ加工工程において、前記化合物超電導線材に曲げ歪みを0.5%以上1.0%以下の範囲内で加えることを特徴とする化合物超電導線材の製造方法である。
【0022】
本発明の第10の態様は、第8または第9の態様において、前記両振り曲げ加工工程において、正反両方向から1回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を、前記化合物超電導線材に5回以上20回以下の回数施こすことを特徴とする化合物超電導線材の製造方法である。
【0023】
本発明の第11の態様は、第8乃至第10の態様の何れかに記載された化合物超電導線材の製造方法を用いて製造された前記化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に成形加工を施してケーブルを形成するケーブル化工程を備えたことを特徴とする化合物超電導ケーブルの製造方法である。
【発明の効果】
【0024】
本発明によると、化合物超電導線材に正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施すことによって、化合物超電導線材の内部のひずみが緩和できているため、従来よりも耐歪み特性および臨界電流等の超電導特性の向上が図れる化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を実現できる。
【0025】
また、0.5%以上1.0%以下の範囲内の曲げ歪みを正反両方向から加えるように、両振り曲げ加工の条件の適正化を図ったため、化合物超電導線材の性能をさらに引き出すことが可能な化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を実現できる。
【0026】
また、5回以上20回以下の単一両振り加工を加えるように、両振り曲げ加工の条件の適正化を図ったため、化合物超電導線材の性能をさらに引き出すことが可能な化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法を実現できる。
【0027】
また、耐歪み特性を向上することができたため、従来ケーブル化が困難とされていた化合物超電導線材を、リアクト・アンド・ワインド法を適用することが可能となり、ケーブル化が容易でかつ低コスト化が図れ、経済効果が高い。
【0028】
また、耐歪み特性を向上することができたため、素線間のピッチの短いコイルを作成でき、素線間緩みが生じ難く品質の優れた超電導コイルを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0029】
以下に、本発明の化合物超電導線材、化合物超電導ケーブル、およびその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の化合物超電導線材の製造方法の1つの態様は、図1(a)に示すように、所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程S101と、線材形成工程S101において形成された線材に熱処理を施して化合物超電導原料を超電導体にし、線材を化合物超電導線材にする熱処理工程S102と、熱処理工程S102において得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程S103とを備えたことを特徴とする化合物超電導線材の製造方法である。
【0030】
線材形成工程S101において形成される線材の断面構造の一例を図2に示す。図2において、中央の領域1を超電導体の原料が占め、最も外側の領域3を安定化材が占め、中央の領域1と外側の領域3との間の領域2を強化材が占めている。ただし、線材形成工程S101において形成される線材の断面構造は上述のものに限られず、その他の断面構造でもよい。
【0031】
強化材および安定化材には金属または合金材料等の導電性を有する材料が用いられる。強化材には、例えば、CuNb、CuAl、CuNbTi、Ta等を用いるのでもよい。また、安定化材には、Cuを用いるのでもよい。ただし、強化材および安定化材にその他の材料を用いるのでもよい。領域1を占めることになる化合物超電導体には、例えば、NbSn、NbAl等が用いられる。また、化合物超電導体が1μm以上の直径のフィラメントを複数組み合わせて得られる構成のものであってもよい。
【0032】
なお、本発明の化合物超電導線材の断面構造は、図2に示すものに限定されず、その他の断面構造を有するのでもよい。具体的には、図3に示す断面構造等を有するのでもよい。図3において、最も外側の層はCuからなる安定化材である。図3には、それぞれ、中央の化合物超電導体と最外層の安定化材との間にCuNb等からなる強化材が占めるCuNb補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材の断面図が(a)に、中央のCuNbTi等からなる強化材と最外層の安定化材との間に化合物超電導体が占めるCuNbTi補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材の断面図が(b)に、NbSnフィラメントの1本1本がTa芯を有するTa補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材の断面図が(c)に、Cuからなる中央の芯線と最外層の安定化材との間に化合物超電導体が占める無補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材の断面図が(d)に示されている。
【0033】
表1は、各ブロンズ法NbSn化合物超電導線材の構成について説明するための表である。表1において、強化材の欄に(Ta)と記載されたものは、フィラメントがTaからなる芯線を有することを示し、強化材の欄に<Cu>と記載されたものは、強化材を設けていないが、線材断面の中央部をCuを占めることを表す。各ブロンズ法NbSn化合物超電導線材のブロンズ成分は、表1に示すように、Ta補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材を除き、重量組成でSnが14%、Tiが0.2%、Cuが残りである。Ta補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材については、重量組成でSnが15%、Tiが0.3%、Cuが残りである。
【表1】

【0034】
各ブロンズ法NbSn化合物超電導線材の線径はφ1mmであり、フィラメント径はTa芯を有するもの(φ7.9μm)を除きφ3.5μmである。各ブロンズ法NbSn化合物超電導線材の断面積を占める安定化材、強化材および超電導体の面積の比は、表1中に「Cu/RM/SC」として記載されている。NbSn化合物超電導体は、線材の断面積の44〜51.3%の面積を占める。
【0035】
熱処理工程S102においては、所定の条件で化合物生成熱処理を施して線材形成工程S101において形成された線材を化合物超電導線材にする。この化合物生成熱処理は、例えばNbSnの場合、例えば650℃〜700℃等の600℃以上の所定の温度、真空中または不活性ガス雰囲気中、100時間、行われるのでもよい。ただし、化合物生成熱処理の条件は、一般に、生成しようとする化合物超電導体、化合物超電導原料、線材の構成、寸法等に応じて異なる。
【0036】
両振り曲げ加工工程S103においては、化合物生成熱処理を施して得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す。両振り曲げ加工として、例えば、超電導線材に正反両方向から曲げ歪みを1回ずつ加える単一両振り加工を1回以上施すのでもよい。両振り曲げ加工として単一両振り加工を1回以上施す場合に、例えば、図4に示すようにプーリを用いて曲げ歪みを加えるのでもよい。
【0037】
図4において、化合物超電導線材10は、化合物生成熱処理用ボビン11に巻かれて熱処理が施されたものである。化合物超電導線材10は、所定の張力で撚線ボビン14に引き寄せられ、化合物生成熱処理用ボビン11から回転部材12、プーリ13を介して撚線ボビン14に巻き取られる。ただし、両振り曲げ加工として、加工対象の線材を回転しながら、または、捻りながら両振り曲げを様々な方向から加える加工、引っ張りと圧縮とを繰り返し加える加工、その他の正反両方向から力を加える加工を施すのでもよい。
【0038】
化合物超電導線材に加える両振り曲げ歪みの範囲を0〜1.5%としたときの臨界電流の変化を図5に示す。図5では、縦軸に規格化された臨界電流Ic/Icmをとり、横軸に両振り曲げ歪みεpb(%)をとり、温度4.2Kにおいて、14Tの磁界を印加したときの両振り曲げ歪み特性を示す。図5に表す臨界電流の両振り曲げ歪み特性から、CuNb補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材(a)については、0〜1.2%超の範囲まで両振り曲げ歪みを加えたことによる臨界電流の向上が見られる。CuNbTi補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材(b)については、0〜1.0%の範囲まで両振り曲げ歪みを加えたことによる臨界電流の向上または維持が見られる。無補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材(d)およびTa補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材(c)については、0〜0.8%超の範囲まで両振り曲げ歪みを加えたことによる臨界電流の向上が見られる。
【0039】
また、図5から、化合物超電導線材に加える両振り曲げ歪みとして、0.5〜0.8%とすることが好ましいことがわかる。さらには、0.8%程度がより好ましい。なお、臨界電流の向上の最大値は、図5に示すものの他に図6に示すように2倍程度のものもある。また、回数単一両振り加工を施す回数としては、1回以上20回以下が好ましい。
【0040】
表2は、両振り曲げ加工を施したNbSn化合物超電導線材と両振り曲げ加工を施していないNbSn化合物超電導線材についての、臨界電流の磁界依存特性を示す表であり、図6は、この臨界電流の磁界依存特性をグラフにしたものである。
【表2】

【0041】
このNbSn化合物超電導線材は、CuNbからなる強化材とCuからなる安定化材とを備えるものである。細い実線、破線および太い実線を用いて表す曲線は、それぞれ、両振り曲げ加工を施していない従来のNbSn化合物超電導線材、0.3%の曲げ歪みを加えたNbSn化合物超電導線材、および0.8%の曲げ歪みを加えたNbSn化合物超電導線材についての臨界電流の磁界依存特性を表す。
【0042】
表2および図6から明らかなように、両振り曲げ加工を施さない従来のNbSn超電導線材の臨界電流特性と比較して、両振り曲げ加工を施したNbSn超電導線材の臨界電流特性は、印加される磁界10Tから17Tの何れにおいても顕著に優れている。すなわち、上述したCuNbによって高強度化したNbSn化合物超電導線材に対して、複数回の両振り曲げ加工を施すことにより、両振り曲げ加工を施さない従来のNbSn化合物超電導線材に比べて、その臨界電流特性が著しく高くなることが示される。また、加えた曲げ歪みが0.8%のものの方が、曲げ歪みが0.3%のものよりもさらに臨界電流が高くなっている。
【0043】
具体的には、破線を用いて示す従来の両振り曲げ加工を施さないNbSn超電導線材の臨界電流特性に比べて、本発明に係る両振り曲げ加工を施したNbSn超電導線材の臨界電流特性は、加えた曲げ歪みが0.8%のものが約2倍、0.3%のものが約1.3倍になっている。更に、上述したNbSn超電導線材を超電導素線として撚り合わせて作製した化合物超電導ケーブルにおいては、撚り合わせたときに生じた歪みによって、臨界電流の低下がほとんど生じなかった。このようにして超電導特性に優れた熱処理済み化合物超電導ケーブルが得られた。上述のことは、両振り曲げ加工が、撚線加工、巻線加工等に伴う歪みの臨界電流に及ぼす影響を緩和する効果以上の効果、すなわち、臨界電流特性を上昇させる効果を有することを示す。
【0044】
超電導マグネットの起磁力は巻線数に運転電流を乗じたものとして表されるため、臨界電流特性の向上によって運転電流の上限を高くすることができ、超電導マグネットを小型化できる。上述のように臨界電流特性の向上が向上することによって、1/2程度まで巻線数の削減が期待される。
【0045】
図7は、上述したNbSn超電導線材についての耐歪み特性を表す図である。図7において、縦軸は規格化された臨界電流Ic/Icmであり、横軸は撚線、巻線加工等によって生じた曲げ歪みε(%)である。また、破線を用いて示す曲線は、従来のNbSn超電導線材についての耐歪み特性を表し、実線を用いて示す曲線は、本発明のNbSn超電導線材についての耐歪み特性を表す。図7に示すように、従来のNbSn超電導線材では、撚線加工、巻線加工等で加えられる歪みが0.4%程度から規格化された臨界電流Ic/Icmの低下が生ずる。これに対して、本発明の両振り曲げ加工を施したNbSn超電導線材では、加えられる歪みが1.5%程度まで規格化された臨界電流Ic/Icmの低下は生じず、耐歪み特性が従来の4倍程度向上している。
【0046】
本発明の化合物超電導ケーブルの製造方法の1つの態様は、図1(b)に示すように、所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程S101と、線材形成工程S101において形成された線材に熱処理を施して化合物超電導原料を超電導体にし、線材を化合物超電導線材にする熱処理工程S102と、熱処理工程S102において得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程S103と、両振り曲げ加工を施した化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に圧延等の成形加工を施してケーブルを形成するケーブル化工程S104を備えたことを特徴とする化合物超電導ケーブルの製造方法である。
【0047】
ここで、上述の撚線加工は、化合物超電導線材を撚り合わせる加工をいい、成形加工は、化合物超電導線材を所定の形状等に成型する加工をいう。上述のように、本発明の化合物超電導ケーブルは、本発明の化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に圧延等の成形加工を施して製造されるものである。
【0048】
上述のように、ケーブル化工程S104における加工を施す化合物超電導線材は、耐歪み特性が従来の4倍程度向上しているものであるため、撚線加工の際の曲げ歪みの許容範囲を0.4%程度から1.5%程度まで大幅に広げることができる。その結果、撚線加工を行う際の螺旋曲率半径を大幅に短縮することができ、化合物超電導ケーブルの製造を簡易に行うことが可能となった。
【0049】
具体的には、素線径がφ1mmの化合物超電導線材を螺旋状に撚り合わせる場合、以下に示す式(1)に基づいて、許容曲げ歪みεが0.4%の化合物超電導線材については125mm以上の曲率半径ρが必要であるが、本発明の化合物超電導ケーブルでは、化合物超電導線材の許容曲げ歪みεが1.5%であるため、33mm以上の曲率半径ρであればよい。
ε=t/(2ρ) (1)
ここで、tは素線径である。
【0050】
また、素線径がφ1mmの化合物超電導線材をφ1mmの芯線に6本、所定のピッチで巻きつける場合、以下に示す式(2)に基づいて、許容曲げ歪みεが0.4%の化合物超電導線材については64mm以上のピッチhが必要であるが、本発明の化合物超電導ケーブルでは、化合物超電導線材の許容曲げ歪みεが1.5%であるため、30mm以上のピッチhであればよい。
ρ=[a+(h/2π)]/a (2)
ここで、aは芯線の中心から化合物超電導線材の中心までの距離である。撚線コイルの観点からは、素線間のピッチの短い撚線コイルでは素線間緩みが生じ難く、製品の品質の向上が図れる。
【実施例】
【0051】
本発明の化合物超電導線材および化合物超電導ケーブルを、図面を参照しながら、実施例によって更に詳細に説明する。図8に断面構造を表した本発明のCuNb補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材を素線として使用して化合物超電導ケーブルを作製した。すなわち、線材の横断面における中心部に、NbSnからなる化合物超電導体の原料を配置し、強化材の周りにCuNbからなる強化材となる複合体を配設して線材を構成し、この線材に化合物生成熱処理を施して複合体に化合物生成反応を起こさせてNbSn化合物超電導体を形成し、化合物生成熱処理後に超電導線材に正反両方向から0.3%または0.8%の曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を5回施して、CuNb補強ブロンズ法NbSn化合物超電導線材を製造した。
【0052】
図8は、このように製造した本発明の化合物超電導ケーブルの1つの態様の部分斜視図である。図8に示すように、この化合物超電導ケーブル100は、直径φ1mmのCuNb強化型NbSn化合物超電導線材を素線20として使用し、この素線20を36本撚り合わせて形成したものである。この素線20の諸元は、以下の通りであり、この素線20を長さ12Km用意した。すなわち、素線20の外径はφ1.0mm、素線20の断面積を占めるNbSn化合物超電導体とそれ以外のCuNbおよびCu等とが占める面積の比は1対2、ツイストピッチは8mm、4.2Kの温度で12Tの磁界を印加したとき臨界電流値は、両振り曲げ加工を施していないものが198Aであり、両振り曲げ加工を施したものが440Aである。このように、上述の条件で測定した臨界電流値は、両振り曲げ加工を施したもの値が施していないもの値の2倍以上となった。
【0053】
以下、具体的な例によって説明する。まず、素線に対して化合物生成熱処理、および、両振り曲げ加工を施して直径φ1mmのCuNb強化型NbSn化合物超電導線材を製造した。ここで、上記の化合物生成熱処理を次のようにして行った。図3に示す、直径500mmで巻幅200mmのステンレス製の化合物生成熱処理用ボビン11に巻き付けて、アルゴンガス雰囲気中で670℃の温度で96時間の熱処理を施して化合物超電体を形成した。
【0054】
次に、このように化合物生成熱処理を施した化合物超電導線材に、次のように両振り曲げ加工を施した。すなわち、図4に示すように、上述したように化合物生成熱処理を施した素線20を、直径φ100mmのプーリ13を10個直列に並べたパスラインに通して、単一両振り加工を繰り返し行い、両振り曲げ加工を施した。すなわち、素線20に対して、0.8%の曲げ歪み加える単一両振り加工を10回繰り返した。このとき素線20に、約50Mpaの張力を印加した。
【0055】
次に、このように両振り曲げ加工を施した素線20を300mずつの長さで36条に切り分けて、胴径80mmの撚線ボビン14に巻き取った。両振り曲げ加工を施す前と、両振り曲げ加工を施した後に、液体ヘリウム中で磁界を印加して臨界電流を測定した。その結果は、図6に示すものと同様の臨界電流特性が得られた。この場合においても、繰り返し歪みを印加した素線20の臨界電流は、印加していない素線よりも約2倍大きかった。
【0056】
次に、この36本の撚線ボビン14を撚線機にセットして、ピッチ50mmで撚り合わせて図8に示すような化合物超電導ケーブル100を5m製作した。この化合物超電導ケーブル100を直径300mmのボビンに巻き付けてコイルとし、素線20の諸元に示した条件と同一の条件、すなわち、液体ヘリウム中で12Tの磁界中で臨界電流を測定したところ、臨界電流は12.2KAであった。
【0057】
従来は、臨界電流は、歪み依存性が大きく、熱処理したNbSn線を撚り線すると、臨界電流は半分以下に劣化すると考えられていたが、本発明によると、化合物生成熱処理したNbSn超電導線材に繰り返し歪みを印加することによって超電導線材の内部に存在する残留応力を無くすることができ、ケーブル化しても臨界電流が劣化するどころか、むしろ高くすることができ、優れた超電導特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】図1は、本発明の化合物超電導線材および化合物超電導ケーブルの製造方法の1つの態様を説明するための工程図である。
【図2】図2は、本発明の化合物超電導線材の断面形状の一例を表す図である。
【図3】図3は、本発明の化合物超電導線材の他の断面形状の例を表す図である。
【図4】図4は、両振り曲げ加工工程において両振り曲げ加工を施す装置の構成の一例を表す図である。
【図5】図5は、図3に示す化合物超電導線材についての両振り曲げ歪特性の一例を表す図である。
【図6】図6は、本発明のNbSn化合物超電導線材と従来のNbSn化合物超電導線材についての、臨界電流の磁界依存特性の一例を表す図である。
【図7】図7は、本発明のNbSn化合物超電導線材と従来のNbSn化合物超電導線材についての、耐歪み特性の一例を表す図である。
【図8】図8は、本発明の化合物超電導ケーブルの斜視図である。
【図9】図9は、従来技術を用いて製造したNbSn超電導線材について得られた臨界電流の曲げ歪み依存特性を表すグラフである。
【符号の説明】
【0059】
1、2、3 領域
10 化合物超電導線材
11 化合物生成熱処理用ボビン
12 回転部材
13 プーリ
14 撚線ボビン
20 ブロンズ法Nb3Sn化合物超電導線材
100 化合物超電導ケーブル

【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の熱処理を施して得られる化合物超電導体が少なくとも断面内の一部を占める化合物超電導線材であって、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工が施されることによって前記化合物超電導線材の内部のひずみが緩和していることを特徴とする化合物超電導線材。
【請求項2】
前記両振り曲げ加工が、正反両方向から1回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を1回以上施す加工であり、前記単一両振り加工において、0.5%以上1.0%以下の範囲内で正反両方向から曲げ歪みを加えることを特徴とする請求項1に記載の化合物超電導線材。
【請求項3】
前記両振り曲げ加工が、前記単一両振り曲げ加工を5回〜20回の回数施して曲げ歪みを加えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の化合物超電導線材。
【請求項4】
前記化合物超電導体の外周に安定化材を備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の化合物超電導線材。
【請求項5】
前記化合物超電導体がNbSnまたはNbAlからなることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の化合物超電導線材。
【請求項6】
CuNb、CuAl、CuNbTi、およびTaのうちの何れか1種類の導電性材料からなる強化材を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の化合物超電導線材。
【請求項7】
請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の前記化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に成形加工を施して形成されたことを特徴とする化合物超電導ケーブル。
【請求項8】
所定の熱処理を施すことによって超電導体になる化合物超電導原料が少なくとも断面内の一部を占める線材を形成する線材形成工程と、
前記線材形成工程において形成された線材に前記熱処理を施して前記化合物超電導原料を超電導体にし、前記線材を化合物超電導線材にする熱処理工程と、
前記熱処理工程において得られた化合物超電導線材に、正反両方向から曲げ歪みを加える両振り曲げ加工を施す両振り曲げ加工工程とを備えたことを特徴とする化合物超電導線材の製造方法。
【請求項9】
前記両振り曲げ加工工程において、前記化合物超電導線材に曲げ歪みを0.5%以上1.0%以下の範囲内で加えることを特徴とする請求項8に記載の化合物超電導線材の製造方法。
【請求項10】
前記両振り曲げ加工工程において、正反両方向から1回ずつ曲げ歪みを加える単一両振り加工を、前記化合物超電導線材に5回以上20回以下の回数施こすことを特徴とする請求項8または9に記載の化合物超電導線材の製造方法。
【請求項11】
請求項8乃至請求項10の何れか1項に記載の前記化合物超電導線材の製造方法を用いて製造された前記化合物超電導線材に、撚線加工、または、撚線加工の後に成形加工を施してケーブルを形成するケーブル化工程を備えたことを特徴とする化合物超電導ケーブルの製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2007−59136(P2007−59136A)
【公開日】平成19年3月8日(2007.3.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−241315(P2005−241315)
【出願日】平成17年8月23日(2005.8.23)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 2005年5月31日から6月2日 低温工学会主催の「第72回 2005年度春季 低温工学・超電導学会」において文書をもって発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成17年6月 東北大学金属材料研究所附属強磁場超伝導材料研究センター発行の「東北大学金属材料研究所 強磁場超伝導材料研究センター 平成16年度年次報告」に発表
【出願人】(000005290)古河電気工業株式会社 (4,457)
【Fターム(参考)】