説明

補強型超電導線材および補強型超電導線材を有する超電導機器

【課題】高い強度を有し、かつクエンチ時にも超電導線の溶断を防止することができる、補強型超電導線材を提供することである。
【解決手段】補強型超電導線材1は、超電導体4を内部に有する超電導線材2と、超電導線材2を補強するための補強部材3とを有している。補強部材3は、第1の金属よりなる第1の層7と、第1の層7に接し、かつ第2の金属よりなる第2の層6とを有している。第1の金属は第2の金属より高い強度を有し、かつ第2の金属は第1の金属より低い電気抵抗率を有している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、補強型超電導線および補強型超電導線材を有する超電導機器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
酸化物超電導体を金属被覆した多芯線からなる超電導線材は、超電導ケーブルや超電導コイルなどに広く利用されている。
【0003】
たとえば、超電導線材を超電導ケーブルに用いる際は、超電導線材がフォーマと呼ばれる芯材の回りにスパイラル状に巻きつけられるので、超電導線材に対して超電導線材を曲げる力がかかってくる。また、超電導線材を超電導コイルに用いる際は、超電導線材に対して、フープ力というコイルが広がろうとする力がかかってくる。上記の様な用途に耐えうるために、超電導線材はある程度の強度が必要とされる。
【0004】
特開2010−33821号公報には、テープ状の金属被覆超電導部材の両方の側面に、ステンレス鋼などからなる補強部材を溶接によって設けることにより、超電導線材の強度を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2010−33821号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、ステンレス鋼は電気抵抗率が大きいために、超電導体にクエンチ(超電導状態が突然破れて常伝導状態になる現象)が発生した場合に発熱量が大きくなる。これにより、超電導線材が溶断してしまうおそれがあった。
【0007】
そこで、本発明の目的は、高い強度を有し、かつクエンチ時にも超電導線材が溶断されることを防止することができる、補強型超電導線材および補強型超電導線材を有する超電導機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る補強型超電導線材は、超電導体を内部に有する超電導線材と、超電導線材を補強するための補強部材とを備えている。補強部材は、第1の金属よりなる第1の層と、第1の層に接し、かつ第2の金属よりなる第2の層とを含んでいる。第1の金属は第2の金属より高い強度を有し、かつ第2の金属は第1の金属より低い電気抵抗率を有している。
【0009】
本発明に係る補強型超電導線材の補強部材は、第2の金属よりも高い強度の第1の金属を有しているため、第2の金属のみからなる補強部材を用いた場合よりも高い強度を有している。このため様々な用途に適用することができる。また、上記補強型超電導線材の補強部材は、第1の金属よりも低い電気抵抗率の第2の金属を有しているため、第1の金属のみからなる補強部材を用いた場合よりも、クエンチが発生した際に発熱を低く抑えることができる。それゆえ、クエンチ時に超電導線材が溶断されることを防止することができる。
【0010】
また補強部材として2種類の金属を用いることにより、1種類の金属のみを用いる場合と比べて、高い強度と低い電気抵抗率を確保しながらも、補強部材のトータルの厚みを薄くすることができる。それゆえ、補強型超電導線材を冷却する際に冷媒の量を少なくすることがきる。
【0011】
上記の補強型超電導線材において好ましくは、超電導線材と補強部材とがはんだ付けにより接合されている。
【0012】
従来は、超電導線材と補強部材とが、たとえばシーム溶接により接合される場合があった。この場合、超電導線材の温度が800℃程度になるために、超電導体がダメージを受けて超電導特性が劣化するおそれがあった。一方、超電導線材と補強部材とが、はんだ付けにより接合される場合は、超電導線材の温度は250℃程度までしか上昇しないので、超電導体がダメージを受けて超電導特性が劣化することを防止することができる。
【0013】
上記の補強型超電導線材において好ましくは、第2の層が第1の層よりも超電導線材側に位置している。
【0014】
これにより、クエンチが発生したときに、電流が電気抵抗率の低い第2の金属を通って流れるために、超電導線材が溶断されることを防止することができる。
【0015】
上記の補強型超電導線材において好ましくは、補強部材は第1の層と第2の層との2層が積層された構成よりなっている。
【0016】
これにより、より少ない層の数で補強部材を構成して、高い強度と低い電気抵抗率を有する補強型超電導線材を得ることができる。
【0017】
上記の補強型超電導線材において好ましくは、補強部材は第1の層と、第1の層の一方の面に接するように設けられた第2の層と、第1の層の他方の面に接するように設けられた第2の金属からなる第3の層との3層が積層された構成よりなっている。
【0018】
これにより、より精度良く、所望の強度と電気抵抗率を有する補強型超電導線材を得ることができる。
【0019】
また、電気抵抗率の低い第2の金属が第1の金属よりも超電導線材側に位置しているので、クエンチが発生したときに、電流が電気抵抗率の低い第2の金属を通って流れるために、超電導線材が溶断されることを防止することができる。
【0020】
上記の補強型超電導線材において好ましくは、補強部材は、第2の層と、第2の層の一方の面に接するように設けられた第1の層と、第2の層の他方の面に接するように設けられた第1の金属からなる第3の層との3層が積層された構成よりなっている。
【0021】
これにより、より精度良く、所望の強度と電気抵抗率を有する補強型超電導線材を得ることができる。
【0022】
本発明に係る超電導機器は、上記に記載の補強型超電導線材を備えている。
これにより、本発明に係る超電導機器は、上記の補強型超電導線材が有する効果と同様の効果を有する。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、高い強度を有し、かつクエンチ時にも超電導線が溶断されることを防止することができる補強型超電導線材および補強型超電導線材を有する超電導機器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】実施の形態に係る補強型超電導線材の一例を示す概略模式図である。
【図2】実施の形態に係る補強型超電導線材の一例を示す概略模式図である。
【図3】実施の形態に係る補強型超電導線材の一例を示す概略模式図である。
【図4】実施の形態に係る補強型超電導線材の一例を示す概略模式図である。
【図5】3層構造の補強部材の一例を示す概略模式図である。
【図6】3層構造の補強部材の一例を示す概略模式図である。
【図7】本発明に係る超電導コイルの一例を示す概略模式図である。
【図8】本発明に係る超電導モータの一例を示す概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
まず、本発明の一実施の形態における補強型超電導線材の構成について、図1を用いて説明する。
【0026】
図1に示すように、本実施の形態に係る補強型超電導線材1は、超電導線材2と、補強部材3と、はんだ部9とを主に有する。超電導線材2は、超電導体4と、シース部5とを有する。超電導体4は、たとえば、(Bi,Pb)2223超電導体などの酸化物高温超電導体である。シース部5は、銀や銀合金などの金属であり、超電導体4を覆っている。超電導線材2と補強部材3とは、はんだ部9を介して接合されている。
【0027】
補強部材3は、第1の金属からなる第1の層7と、第2の金属からなる第2の層6とを主に有している。第1の金属は、第2の金属よりも高い強度を有する。ここで強度とは、たとえば引張強度や曲げ強度などの機械的強度のことである。また強度とは、たとえば超電導線材2に加わる外的な力に対して、臨界電流値などの超電導特性を維持することができる耐性の強さのことである。第1の金属としては、たとえば、ステンレス鋼(SUS)、インコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)などが挙げられる。第2の金属は、第1の金属よりも低い電気抵抗率(または電気抵抗値)を有している。第2の金属としては、たとえば、銅、銀、アルミニウム、金などが挙げられる。
【0028】
補強部材3として、たとえばクラッド材を使用することができる。クラッド材とは、たとえば2種以上の異なる金属を張り合わせた材料のことであって、異種金属の境界面が拡散結合しているものをいう。
【0029】
超電導線材2と補強部材3とは、はんだ付けにより接合されている。はんだとしては、たとえば鉛フリーはんだを使用することができる。
【0030】
図1に示すように、補強部材3は、超電導線材2の上方と下方との両方に設けられていてもよい。図1に示す補強型超電導線材1は、上方と下方との両方の補強部材3において、第2の層6が第1の層7よりも超電導線材2側に位置している。ただし、第1の層7と第2の層6の配置はこれに限定されるものではなく、たとえば図2〜図4に示すような配置であってもよい。
【0031】
図2に示す補強型超電導線材1では、補強型超電導線材1の上方と下方の両方の補強部材3において、第1の層7が第2の層6よりも超電導線材2側に位置している。
【0032】
図3に示す補強型超電導線材1では、補強型超電導線材1の上方の補強部材3において、第1の層7が第2の層6よりも超電導線材2側に位置しており、下方の補強部材3において、第2の層6が第1の層7よりも超電導線材2側に位置している。
【0033】
図4に示す補強型超電導線材1では、補強型超電導線材1の上方の補強部材3において、第2の層6が第1の層7よりも超電導線材2側に位置しており、下方の補強部材3において、第1の層7が第2の層6よりも超電導線材2側に位置している。
【0034】
補強部材3が2層構造の場合、第1の金属として、たとえばステンレス鋼を、第2の金属として、たとえば銅を用いることができる。それぞれの層の厚みは、以下のようにすることが望ましい。
【0035】
補強型超電導線材1の溶断防止を重視する場合には、第2の層6の厚みを0.040mm以上0.090mm以下とすることが好ましい。第1の層7の厚みは薄いほど溶断を防止するために有効であるが、0.010mm以上とすることが好ましい。
【0036】
一方、補強型超電導線材1の強度を重視する場合には、第1の層7の厚みを0.020mm以上0.080mm以下とすることが好ましい。第2の層6の厚みは薄いほど補強型超電導線材の強度を向上させるために有効であるが、0.020mm以上とすることが好ましい。
【0037】
ステンレス鋼は、銅と比較してはんだとの相性が良くない。そこで、はんだ付け性を改善するために、ステンレス鋼の表面にSn(錫)がめっきされることが好ましい。
【0038】
補強部材3の構成は、図1〜図4に示すように2層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。たとえば、3層構造の補強部材3の構成は、図5および図6に示す構成であってもよい。
【0039】
図5に示すように、補強型超電導線材1は3層構造の補強部材3を有している。補強部材3は、第1の金属からなる第1の層7と、第1の層7の上方に設けられた第2の金属からなる第2の層6と、第1の層7の下方に設けられた第2の金属からなる第3の層8との3層が積層された構成をしている。
【0040】
図6に示すように、補強型超電導線材1は3層構造の補強部材3を有している。補強部材3は、第2の金属からなる第2の層6と、第2の層6の上方に設けられた第1の金属からなる第1の層7と、第2の層6の下方に設けられた第1の金属からなる第3の層8との3層が積層された構成をしている。
【0041】
補強部材3が3層構造の場合、たとえば第1の金属としてステンレス鋼を、第2の金属として銅を用いることができる。それぞれの層の厚みは、以下のようにすることが望ましい。
【0042】
補強型超電導線材1の溶断防止を重視する場合には、それぞれの層の厚みを以下のようにすることが好ましい。図5に示す3層構造の場合は、第2の層6の厚みを0.020mm以上0.045mm以下とすることが好ましい。第1の層7の厚みは薄いほど溶断を防止するために有効であるが、0.010mm以上とすることが好ましい。図6に示す3層構造の場合は、第2の層6の厚みを0.040mm以上0.090mm以下とすることが好ましい。第1の層7の厚みは薄いほど溶断を防止するために有効であるが、0.005mm以上とすることが好ましい。
【0043】
一方、補強型超電導線材1の強度を重視する場合には、それぞれの層の厚みを以下のようにすることが好ましい。図5に示す3層構造の場合は、第1の層7の厚みを0.020mm以上0.100mm以下とすることが好ましい。第2の層6の厚みは薄いほど補強型超電導線材1の強度を向上させるために有効であるが、0.010mm以上とすることが好ましい。図6に示す3層構造の場合は、第1の層7の厚みを0.010mm以上0.040mm以下とすることが好ましい。第2の層6の厚みは薄いほど溶断を防止するために有効であるが、0.020mm以上とすることが好ましい。
【0044】
上記の3層構造の補強部材3は、たとえば図1の超電導線材2の両側に図5の3層構造が配置されていてもよいし、超電導線材2の両側に図6の3層構造が配置されていてもよい。また、超電導線材2の一方側に図5の3層構造が配置され、他方側に図6の3層構造が配置されていてもよい。また、超電導線材2の片側のみに、図5または図6の3層構造が配置されていてもよい。
【0045】
次に、本実施の形態の補強型超電導線材1を用いた超電導コイルと、それを搭載した超電導モータの構成について、図7、図8を用いて説明する。
【0046】
図7に示すように、超電導コイル10は、たとえば、補強型超電導線材1が鞍形に巻きつけられた構造をしている。超電導コイル10は、直線部と曲線部とを有しており、超電導コイル10を上から見るとレーストラック状の形状を有している。
【0047】
図8に示すように、超電導モータ100は、回転子であるロータ11と、ロータ11の周囲に配置された固定子であるステータ12とを主に有している。ロータ11は、図7に示した超電導コイル10と、回転軸15と、ロータコア13と、ロータ軸14と、冷媒16とを有している。ロータ軸14は、回転軸15の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されている。ロータ軸14の外表面は円弧状である。ロータコア13は、ロータ軸14の回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に、ロータ軸14の外周面から突出するように延びている。超電導コイル10は、ロータコア13を囲むように、かつロータ軸14の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒は16、超電導コイル10を冷却可能に設けられている。超電導コイル10と冷媒16とは、断熱容器の内部に配置されている。ステータ12は、超電導コイル10と、ステータヨーク19と冷媒17と、ステータコア18とを有している。ステータヨーク19は、ロータコア13の外周を取り囲んでいる。ステータヨーク19の外表面は円弧状である。超電導コイル10は、ステータヨーク19の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒17は、超電導コイル10を冷却可能に設けられている。超電導コイル10と冷媒17とは、断熱容器の内部に配置されている。
【0048】
上記では、本発明に係る超電導機器の例として、超電導コイル10および超電導モータ100を挙げて説明した。ここで、超電導機器とは、本発明に係る補強型超電導線材1を含むものであれば特に制限はなく、たとえば、超電導ケーブル、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置などが挙げられる。
【0049】
次に、実施の形態の補強型超電導線材1およびそれを有する超電導機器の作用効果について説明する。
【0050】
本実施の形態の補強型超電導線材1は、第2の金属よりも高い強度の第1の金属を有しているため、第2の金属のみからなる補強部材3を用いた場合よりも高い強度を有している。このため様々な用途に適用することができる。また、上記の補強型超電導線材1は、第1の金属よりも低い電気抵抗率の第2の金属を有しているため、第1の金属のみからなる補強部材3を用いる場合よりも、クエンチが発生した際に発熱を低く抑えることができる。それゆえ、クエンチ時に超電導線材2が溶断されることを防止することができる。
【0051】
補強部材3を2層以上の積層構造にすることにより、単層からなる補強部材3を用いる場合に比べて、高い強度と低い電気抵抗率(または電気抵抗値)を確保しながらも補強部材3のトータルの厚みを薄くすることができる。たとえば、補強部材3として銅のみを用いる場合、電気抵抗率(または電気抵抗値)は低いが強度も低いため、高い強度を得るためにはかなりの厚みが必要である。また補強部材3としてステンレスのみを用いる場合、強度は高いが電気抵抗率も高いため、電気抵抗値を低くするためにはかなりの厚みが必要である。これに対して、本実施の形態の補強部材3では、第1の金属は高い強度を有し、第2の金属は低い電気抵抗率を有しているため、必要とされる強度および電気抵抗値を両立するために必要な厚みを、上記の銅単体およびステンレス単体の場合と比べて薄くすることができる。補強部材3の厚みが薄くなると、補強型超電導線材1の厚みも薄くなる。そのため、補強型超電導線材1を超電導状態にするための冷媒(液体窒素)の量が少なくなる。
【0052】
また、実施の形態の補強型超電導線材1の超電導線材2と補強部材3とは、はんだ付けにより接合されている。従来は、超電導線材2と補強部材3とが、たとえばシーム溶接により接合される場合があった。この場合、超電導線材2の温度が800℃程度になるために、超電導体4がダメージを受けて超電導特性が劣化するおそれがあった。一方、超電導線材2と補強部材3とが、はんだ付けにより接合される場合は、超電導線材2の温度は250℃程度までしか上昇しないので、超電導体4がダメージを受けて超電導特性が劣化することを防止することができる。
【0053】
また、補強部材3を2層構造にすることにより、より少ない層の数で補強部材3を構成して、高い強度と低い電気抵抗率(または電気抵抗値)を有する補強型超電導線材1を得ることができる。
【0054】
また、補強部材3を3層構造にすることにより、より精度良く、所望の強度と電気抵抗率(または電気抵抗値)を有する補強型超電導線材1を得ることができる。また、電気抵抗率(または電気抵抗値)の低い第2の金属が第1の金属よりも超電導線材2側に位置している場合には、クエンチが発生したときに、電流が電気抵抗率(または電気抵抗値)の低い第2の金属を通って流れるために、超電導線材2が溶断されることを防止することができる。
【0055】
補強型超電導線材1が交流で利用される場合、交流損失を最小限にすることが必要である。交流損失は、超電導体自体の損失と磁性体が有するヒステリシス損失の和として計算される。補強部材3が非磁性体の場合は、ヒステリシス損失がないために、補強部材3が磁性体の場合と比較して交流損失が小さくなる。
【実施例】
【0056】
次に、実施例について説明する。
本発明例として、Cu/SUS304/Cuの3層構造の補強部材3を用いた補強型超電導線材1を作成した。また、比較例1としてCu箔からなる補強部材3、比較例2としてCu合金からなる補強部材3、比較例3としてSUS304からなる補強部材3を用いた補強型超電導線材1をそれぞれ作成した。ここでSUS304とは、18%以上のクロムと8%以上のニッケルを含むステンレス鋼のことである。
【0057】
この実験では、Bi2223相を主体とする超電導体4を銀合金で被覆したビスマス系超電導線材を使用した。超電導線材2の線材幅を4.3mm、厚みを0.23mmとした。超電導線材2と補強部材3を接合するために、Pbフリーはんだ(Sn−Ag−CuのMatrix)を使用した。
【0058】
本発明例および比較例1〜3の両曲げ曲率および引張強度を測定した。また、本発明例および比較例1〜3の補強部材の電気抵抗率を測定した。
【0059】
両曲げ試験では、まず最初に測定対象物を曲げない初期の状態で、測定対象物の臨界電流値を測定した。ここで、測定対象物の両端を持って曲げると臨界電流値は劣化する。初期の状態の臨界電流値を100%とした場合に、臨界電流値が95%まで劣化したときの測定対象物の曲率の直径を測定した。
【0060】
また、引張耐性試験では、まず最初に測定対象物を引張らない初期の状態で、測定対象物の臨界電流値を測定した。ここで、測定対象物を引張ると臨界電流値は劣化する。初期の状態の臨界電流値を100%とした場合に、臨界電流値が95%まで劣化したときの引張強度を測定した。
【0061】
上記の実験結果を表1に示す。
【0062】
【表1】

【0063】
表1に示すように、本発明例の補強部材3のトータルの厚みは20μmであり、電気抵抗率は590nΩmであった。本発明例の補強部材3は、本発明例と同じ厚みを有する比較例3の補強部材3の電気抵抗率740nΩmと比較して小さい電気抵抗率を有することが分かった。
【0064】
また、本発明例の補強型超電導線材1の両曲げ耐性はφ50であり、本発明例の補強部材3よりも厚い補強部材3を有する比較例1〜2の補強型超電導線材1の両曲げ耐性はφ60であった。つまり、本発明例の補強型超電導線材1は、比較例1〜2の補強型超電導線材1よりも良好な両曲げ耐性を有することが分かった。また、本発明例の補強部材3と同じ厚みの補強部材3を有する比較例3の両曲げ耐性はφ50であり、本発明例の補強型超電導線材1は、比較例3の補強型超電導線材1と同程度の両曲げ耐性を有することが分かった。
【0065】
さらに、本発明例の補強型超電導線材1の引張耐性は178MPaであり、本発明例の補強部材3よりも厚い補強部材3を有する比較例1〜2の補強型超電導線材1の引張耐性は150〜170MPaであった。つまり、本発明例の補強型超電導線材1は、比較例1〜2の補強型超電導線材1よりも良好な引張耐性を有することが分かった。また、本発明例の補強部材3と同じ厚みの補強部材3を有する比較例3の引張耐性は185MPaであり、本発明例の補強型超電導線材1は、比較例3の補強型超電導線材1と同程度の引張耐性を有することが分かった。
【0066】
以上より、本発明例の補強型超電導線材1は、同じ厚みの補強部材3を有する比較例3の補強型超電導線材1と同程度の両曲げ耐性および引張耐性を有しつつ、比較例3の補強型超電導線材1よりも電気抵抗率が小さいことが確認された。
【0067】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【0068】
本発明は、補強型超電導線および補強型超電導線材を有する超電導機器に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【0069】
1 補強型超電導線材、2 超電導線材、3 補強部材、4 超電導体、5 シース部、6 第2の層、7 第1の層、8 第3の層、9 はんだ部、10 超電導コイル、11 ロータ、12 ステータ、13 ロータコア、14 ロータ軸、15 回転軸、16,17 冷媒、18 ステータコア、19 ステータヨーク、100 超電導モータ。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
超電導体を内部に有する超電導線材と、
前記超電導線材を補強するための補強部材とを備え、
前記補強部材は、第1の金属よりなる第1の層と、前記第1の層に接し、かつ第2の金属よりなる第2の層とを含み、
前記第1の金属は前記第2の金属より高い強度を有し、かつ前記第2の金属は前記第1の金属より低い電気抵抗率を有する、補強型超電導線材。
【請求項2】
前記超電導線材と前記補強部材とがはんだ付けにより接合されている、請求項1に記載の補強型超電導線材。
【請求項3】
前記第2の層が前記第1の層よりも前記超電導線材側に位置している、請求項1または2に記載の補強型超電導線材。
【請求項4】
前記補強部材は、前記第1の層と前記第2の層との2層が積層された構成よりなっている、請求項1〜3のいずれかに記載の補強型超電導線材。
【請求項5】
前記補強部材は、前記第1の層と、前記第1の層の一方の面に接するように設けられた前記第2の層と、前記第1の層の他方の面に接するように設けられた前記第2の金属からなる第3の層との3層が積層された構成よりなっている、請求項1〜3のいずれかに記載の補強型超電導線材。
【請求項6】
前記補強部材は、前記第2の層と、前記第2の層の一方の面に接するように設けられた前記第1の層と、前記第2の層の他方の面に接するように設けられた前記第1の金属からなる第3の層との3層が積層された構成よりなっている、請求項1または2に記載の補強型超電導線材。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれかに記載の補強型超電導線材を備えた、超電導機器。

【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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【公開番号】特開2013−41776(P2013−41776A)
【公開日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−179003(P2011−179003)
【出願日】平成23年8月18日(2011.8.18)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】