超電導ワイヤーおよび超電導導体
【課題】 超電導特性を劣化させることなく交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体を提供することを目的とする。
【解決手段】 外径1.3〜5mmの心線の周囲に、8本以上の薄膜系超電導線材を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導ワイヤー。この超電導ワイヤーの複数本を心線の周囲に重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
【解決手段】 外径1.3〜5mmの心線の周囲に、8本以上の薄膜系超電導線材を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導ワイヤー。この超電導ワイヤーの複数本を心線の周囲に重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導ワイヤーおよび超電導導体に係り、特に、交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体に関する。
【背景技術】
【0002】
高温超電導ケーブルの線材として、YBCO(YBa2Cu3O7−d)等のY系線材や、BSCCO(BiSr2Ca2Cu3O10)等のBi系線材に代表される薄膜超電導線材が知られている。いずれの線材も、図15に示すように、テープ状の形状を有している。即ち、(a)はテープ状BSCCO線材を示し、BSCCOフィラメント41が銀合金からなるシース42内に充填された構造を有する。その厚さは、約0.2mm程度である。(b)は、テープ状YBCO線材を示し、基体51上に、中間層52を介して厚さ約1μmのYBCO層53が形成され、その上に厚さ約10μmの銀層54が被覆された構造を有する。
【0003】
これらのテープ状線材のうち、BSCCO線材は、外部磁界が印加されると臨界電流密度が急激に低下するという問題がある。一方、YBCO線材は、外部磁界に対して強く、強磁界内でも高い電流密度を維持することができるため、超電導ケーブル等の交流電力機器への応用が期待されている。
【0004】
また、Y系線材は、金属基板にYBCOの薄膜を蒸着させた構造を有しており、薄膜であるため高い電流密度を有することから、薄膜の面に平行な磁場による交流損失はBi系線材と比較して非常に小さい。一方で、薄膜の面に垂直な交流損失はBi系線材よりも交流損失は大きくなる。
【0005】
図16に、Bi系線材及びY系線材の様々な線材の形式を示す。図5に、これらの線材形式の交流外部磁場下で通電したときの交流損失を示す(例えば、非特許文献1参照)。なお、図5の交流損失は、外部磁場は50mTで、通電電流のピークがIt=90A、各線材の臨界電流が150Aとした場合の結果である。横軸は磁場の方向であり、0度が面に平行であり、90度は面に垂直である。図5から、YBCOストリップは、超電導面に平行な磁場の時は交流損失が小さいが、15度では、YBCOスタック(YBCOを重ねた形状)、BSCCOテープ、BSCCOワイヤーよりも交流損失が大きくなってしまうことがわかる。また、YBCOスタックでは、BSCCOと比較して、優位性が無い。
【0006】
そこで、図17に示すように、Y系線材を超電導円筒にした場合、外部から磁場を与えても、全て面に平行な磁場となるため、理想的な形となる(この形状をモノブロック型という)。しかし、このような理想的なY系超電導線材の製作は非常に難しく、出来たとしても、機械特性が非常に悪いと予想される。それは、この形状は曲げに対して逃げが無いので、実際の電力機器応用を考えると適用は難しい。
【0007】
そこで、モノブロック形状に近づける方法として、図18(a)に示すように、有限の幅をもつ線材をより細線化し、図18(b)に示すように、この細線を多角形、例えば4角形に配置する方法が提案され、交流損失の低減に効果を上げている。しかし、細線化をすることに伴い超電導特性の劣化が生じ、これらを考慮した最適化はこれまで行われていない。
【非特許文献1】Stravrey, Supercond. Sci. Technol. 18(2005) 1300-1312
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、このような状況に鑑みてなされ、超電導特性を劣化させることなく交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、外径1.3〜5mmの心線の周囲に、8本以上の薄膜系超電導線材を相互に重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導ワイヤーを提供する。
【0010】
このように構成される超電導ワイヤーは、周囲に良導体又は高抵抗金属からなる保護層を設けたものとすることが出来る。
【0011】
前記薄膜系超電導線材の幅は、0.48〜1.8mmとすることができる。また、隣接する薄膜系超電導線材の間のギャップは、前記薄膜系超電導線材の幅の1/2以下とすることができる。
【0012】
前記薄膜系超電導線材として、RE系線材を用いることができる。RE系はRE−Ba−Cu−Oで示され、REはLa,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu及びYから選択される。また、前記薄膜系超電導線材は、IBAD又はPLDにより形成された線材を、レーザ又はスリッターにより均等に分割して得たものとすることができる。
【0013】
本発明の第2の態様は、以上の超電導ワイヤーの複数本を、100mm以下のピッチで撚ってなることを特徴とする撚り線状超電導ワイヤーを提供する。
【0014】
本発明の第3の態様は、心線の周囲に、第2の態様に係る撚り線状超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。
【0015】
本発明の第4の態様は、心線の周囲に、第1の態様に係る超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。
【0016】
本発明の第5の態様は、心線の周囲に、第4の態様に係る超電導導体の複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。
【発明の効果】
【0017】
本発明によると、超電導特性を劣化させることなく交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【0019】
図1は、本発明の一実施形態に係る超電導ワイヤーを示す斜視図である。図1において、超電導ワイヤー1は、外径1.3〜5mmの心線2の周囲に、8本以上(図では8本)の薄膜系超電導線材3を相互に重ならないようにスパイラル状に配置してなることを特徴とする。このとき、隣接する薄膜超電導線材同士はギャップを有した状態で並行配置されている。
【0020】
心線2の材料としては、超電導ワイヤーの機械特性を考慮して、使い分けることが出来る。電気特性を主とするならば、電気伝導性の良好な銅や銅合金を用い、機械特性を重視するならば、ステンレス鋼や銅合金などを使用することが出来る。
【0021】
心線2の外径は、1.3〜5mmである必要がある。機械的な強度の点から、及び心線2の周囲に8本以上の薄膜系超電導線材3を重ならないように配置することを可能とするためには、心線2の外径は1.3mm以上である必要があり、ワイヤーを巻き付け、撚り合わせる2次加工を施す場合、径が大き過ぎると2次加工が困難となるため、5mm以下である必要がある。
【0022】
薄膜系超電導線材としては、YBCO(YBa2Cu3O7−d)等のY系線材や、BSCO(BiSr2Ca2Cu3O10)等のBi系線材があるが、本発明では、YBCO(YBa2Cu3O7−d)等のY系線材を好ましく用いることが出来る。
【0023】
薄膜系超電導線材は、所定の幅の超電導線材、例えばIBAD(Ion Beam Assist Deposition)により形成された10mm幅のY系線材を、レーザやスリッター等により均等に分割したものである。分割された細線の幅は、0.48〜1.8mm程度が好ましく、例えば0.48mmである。
【0024】
細線の幅について、本発明者らは、IBADやPLD(Ion Beam Deposition)により製作した10mmの幅のY系線材について、分割された細線の幅と臨界電流比(分割後の臨界電流Icと分割前の臨界電流Icoとの比)との関係についての実験を行い、図2に示す結果を得た。即ち、図2に示すグラフから、分割により臨界電流は低下するが、20分割し、幅0.48mmとしても(残りの0.02mmはレーザ加工中に失われたもの)臨界電流比は0.97であり、大きな劣化が無い事が確認された。
【0025】
細線の幅は、Y系線材の材料と製造法に大きく依存すると考えられており、結晶のグレインサイズ(結晶粒径)の関係から説明される。Goyalらの論文(Goyal, Physica C 426-431(2005) 1083-1090) によると、グレインサイズに対して十分な線材幅を持たないと、グレインサイズの一つが欠陥となった場合、臨界電流の低下の可能性が大きくなる。
【0026】
低下の可能性が小さい細線の幅はグレインサイズの100倍である。
【0027】
グレインサイズはY系線材の材料と製造法によって変わり、IBAD−PLD法では、0.1〜数μmである。グレインサイズが数μmであれば、その100倍である数100μmが適正な線材幅であり、20分割による細線の幅0.48mmは、それほど劣化しない細線の幅の下限に近い値と考えることが出来る。
【0028】
心線2の周囲に配置する薄膜系超電導線材3の数は8本以上であり、8本未満では、交流損失の低減効果が不十分である。
【0029】
8本以上の薄膜系超電導線材3は、心線2の周囲に相互に重ならないように沿わせて配置され、スパイラルに巻き付けられる。その上には、保護材4が形成されている。また更に、保護材4上に被覆を施してもよい。
【0030】
保護材4としては、良導体としての銅、またはステンレスやハステロイなどの高抵抗金属合金、被覆としてはエナメルやホルマルやポリイミド樹脂やテフロン(登録商標)など液体窒素中で性能を維持する物を使用用途に分けて使い分けることが出来る。
【0031】
このように、超電導ワイヤーを保護材4により被覆することにより、液体窒素の浸漬や薬品との接触等の外部環境の変化に非常に強い構造が得られる。
【0032】
細線化した線材同士のギャップ(隙間)は小さいほど望ましいが、スパイラルに巻き付ける場合、ある程度のギャップは必要である。目安として、ギャップは、線材幅の1/2以下にすることが望ましい。
【0033】
図3は、細線化した線材を心線に巻き付ける本数と交流損失との関係を示すグラフである。図3から、7本までは急激に交流損失の低下が確認できるが、8本以上になると、低下もやや飽和気味の傾向を見せる。そのため、8本以上の細線化した線材を心線に巻き付ける必要がある。なお、細線化した線材の本数が多すぎる場合には、細線の幅が小さくなりすぎて、臨界電流が低下するため、好ましい線材の本数は、10〜30本である。更に好ましくは、18〜24本である。
【0034】
以上のように構成されるY系超電導ワイヤーの交流損失をBi線材(テープ状)、Biワイヤー(ワイヤー状)、Y系線材(テープ状)、Y系スタック(Y系線材を重ねた)と比較した場合、それらに対し、低い交流損失を示す。特に、交流損失の内、通電損失と磁化損失の両方において、低い特性を示すので、高電流・低磁場のケーブルにも、高磁場のマグネットにもどちらにも有用である。
【0035】
本発明者らは、このことを示す試験を以下のように行なった。
【0036】
即ち、まず、IBAD法で作製された10mmの幅のY系線材をレーザにより20分割した。このときの線材の幅は0.48mmである。
【0037】
このようにして得たY系線材を10本、1.6mmφの径の心材に、スパイラルに巻き付け、図4(a)に示す断面形状のY系ワイヤー1を得た。スパイラルピッチは300mmであり、線材間のギャップ(隙間)は0.023mmであった。
【0038】
次に、幅0.48mmのY系線材を18本を、同様にして、2.9mmφの径の心材に、スパイラル状に巻き付け、図4(b)に示す断面形状のY系ワイヤー2を得た。スパイラルピッチは300mmであり、線材間のギャップ(隙間)は0.026mmであった。
【0039】
これらのY系ワイヤー1,2について、磁場角度と交流損失との関係を求めたところ、図5に示す結果を得た。なお、図5には、図16に示す従来のBSCCOテープ、BSCCOワイヤー、YBCOスタック、YBCOストリップの磁場角度と交流損失との関係も示している。
【0040】
図5に示す結果から、Y系ワイヤー1は、BSCCOテープ、BSCCOワイヤー、YBCOスタックよりも全ての磁場角度において交流損失が小さくなっていることがわかる。また、Y系ワイヤー2は、BSCCOテープ、BSCCOワイヤー、YBCOスタック、YBCOストリップ、及びY系ワイヤー1よりも、1/10に交流損失が小さくなっていることがわかる。
【0041】
次に、本発明者らは、10mm幅のY系超電導線材(a)と、Y系超電導線材(a)を18分割して得たストリップ(b)と、上記で作製したY系ワイヤー2(c)について、通電損失および磁化損失を比較する試験を行なった。なお、(b)と(c)では、構成材料はおなじであるが、(c)はワイヤー化している点で異なっている。その結果を図6に示す。
図6に示す結果から、(a)から(b)への細線化により、超電導の臨界電流が10%低下していることがわかる。これに対し、(b)から(c)へのワイヤー化では、臨界電流の低下は無かった。なお、図6のグラフでは、これらの臨界電流の違いを統一するため、横軸をIt/Ic(通電電流のピークIt/臨界電流Ic)とし、縦軸の交流損失はIc^2に比例する事から、交流損失をIc^2で除したものとした。
【0042】
図6から、(c)の交流損失が最も小さいことがわかる。(a)と比較すると、(c)の交流損失は、(a)の1/3以下にまで低下している。また、(a)と(b)はテープ状であるため、ねじりや折れや曲がりに弱く、ハンドリングが悪いという問題があるが、(c)はワイヤー状であるので、ハンドリングは良好である。
【0043】
図7は、テープ面に垂直の磁場をかけたときの磁化損失を示すグラフである。図9のグラフから、上記で作製したY系ワイヤー2は、BSCCOテープ、BSCCOワイヤー、YBCOスタック、YBCOストリップ、及びYBCOを18分割した18本の細線よりも磁化損失は低く、最も損失の低いBSCCOワイヤーと比較しても、その1/10であることがわかる。
【0044】
以上説明した図1に示すY系超電導ワイヤーは、径が小さいので、複数本を撚り合わせたり、集合化して、図8〜13に示すような様々な超電導導体を作製することが出来る。以下、それらの作製例について説明する。
【0045】
図8に示す例は、図1に示すY系超電導ワイヤー1を3本撚って得た撚り線状超電導ワイヤー10である。図9に示す例は、図1に示すY系超電導ワイヤー1を2本撚って得た撚り線状超電導ワイヤー20である。図10に示す例は、心線12の周囲に、図1に示すY系超電導ワイヤー1を6本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体30である。
【0046】
このように、図1に示すY系超電導ワイヤー1を複数本、撚り合わせたり、集合化することにより、長手方向の平行磁場から生じる結合損失を減少させる事が出来る。
【0047】
図11に示す例は、心線22の周囲に、図9に示す撚り線状超電導ワイヤー20を6本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。図12に示す例は、心線22の周囲に、図8に示す撚り線状超電導ワイヤー10を6本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。図13に示す例は、心線22の周囲に、図10に示す超電導導体30を6本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。
【0048】
このように図8、図9、図10に示す撚り線状超電導ワイヤー10,20及び超電導導体30を更に集合化することにより、大容量かつ交流損失の小さい超電導導体を作製することができる。なお、撚り線状超電導ワイヤー10,20及び超電導導体30は、いずれも周囲を被覆層により覆われている。
【0049】
このように製作した超電導導体は、超電導ワイヤー間のギャップが取りやすく、動きの自由度も大きいため、曲げに対する機械的強度を大きく上げることが出来る。
【0050】
通常、テープ状の超電導体を作製する場合には、図14(a)に示すように、フォーマとなる芯31に超電導線材32をスパイラル状に巻き付けており、電流容量が少ない場合には、図14(b)、(14c)に示すように、更に超電導線材33,34をスパイラル状に巻き付け、多層にしている。
【0051】
図14(a)に示すような形状の超電導体の場合、曲げた時に、線材の逃げは、超電導線間ギャップgのみで行われる。さらに、図14(b)、(14c)に示すように、多層導体になった場合、層毎の電流を等しくするために、スパイラルピッチを変える必要がある。多層になると、そのスパイラルピッチは大きく変わり、スパイラルピッチが短いと、巻き付け時に劣化を起こし、スパイラルピッチが長いと、機械曲げをしたときに劣化を起こしやすい。従って、超電導線材間のギャップが、ある程度必要となる。
【0052】
ギャップが十分あれば、1mR曲げでも劣化は少ないが、0.9mRだと10%の劣化が見られる。一方、図12や図13に示す導体形状では、0.5mRでも劣化を示さない図12に示す導体を例に取ると、導体を曲げると、超電導線材に直接ひずみがかかるまで構成材である図8に示す導体がスライドし、曲げを吸収し、さらに、曲げても、構成材導体の更に構成材である図1に示す超電導ワイヤーがスライドし、曲げを吸収するため、優れた曲げ特性を示す。
【0053】
また、交流損失の点でも図12に示す導体と図14(c)に示す3層導体を比較したところ、図12に示す導体の交流損失の大きさは、図14(c)に示す導体の10%以下と非常に小さい。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明の一実施形態に係る超電導ワイヤーを示す斜視図。
【図2】分割された細線の幅と臨界電流比との関係を示す特性図。
【図3】細線化した線材を心線に巻き付ける本数と交流損失との関係を示す特性図。
【図4】10本及び18本のY系線材を心材にスパイラルに巻き付けて得たY系ワイヤー1,2を示す図。
【図5】、Y系ワイヤー1,2についての磁場角度と交流損失との関係を示す特性図。
【図6】Y系超電導線材、ストリップ、及びY系ワイヤー2についての通電損失失を示す特性図。
【図7】Y系超電導線材、ストリップ、及びY系ワイヤー2について、テープ面に垂直の磁場をかけたときの磁化損失を示す特性図。
【図8】図1に示すY系超電導ワイヤーを3本撚って得た導体を示す図。
【図9】図1に示すY系超電導ワイヤーを2本撚って得た導体を示す図。
【図10】心線の周囲に、図1に示すY系超電導ワイヤーを6本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。
【図11】心線の周-囲に、図8に示す導体を6本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。
【図12】心線の周囲に、図9に示す導体を6本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。
【図13】心線の周囲に、図10に示す導体を6本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。
【図14】従来の芯に超電導線材をスパイラル状に巻き付けてなる導体を示す図。
【図15】従来のテープ状BSCCO線材及びテープ状YBCO線材を示す図。
【図16】従来のBi系線材及びY系線材の様々な線材の形式を示す図。
【図17】超電導円筒を示す図。
【図18】交流損失の低減のため、細線化された線材及び4角形に配置された線材を示す図。
【符号の説明】
【0055】
1…超電導ワイヤー、2,12,22…心線、3…薄膜系超電導線材、10,20撚り線状超電導ワイヤー、30・・・超電導導体、31…芯、32,33,34…超電導線材。
【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導ワイヤーおよび超電導導体に係り、特に、交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体に関する。
【背景技術】
【0002】
高温超電導ケーブルの線材として、YBCO(YBa2Cu3O7−d)等のY系線材や、BSCCO(BiSr2Ca2Cu3O10)等のBi系線材に代表される薄膜超電導線材が知られている。いずれの線材も、図15に示すように、テープ状の形状を有している。即ち、(a)はテープ状BSCCO線材を示し、BSCCOフィラメント41が銀合金からなるシース42内に充填された構造を有する。その厚さは、約0.2mm程度である。(b)は、テープ状YBCO線材を示し、基体51上に、中間層52を介して厚さ約1μmのYBCO層53が形成され、その上に厚さ約10μmの銀層54が被覆された構造を有する。
【0003】
これらのテープ状線材のうち、BSCCO線材は、外部磁界が印加されると臨界電流密度が急激に低下するという問題がある。一方、YBCO線材は、外部磁界に対して強く、強磁界内でも高い電流密度を維持することができるため、超電導ケーブル等の交流電力機器への応用が期待されている。
【0004】
また、Y系線材は、金属基板にYBCOの薄膜を蒸着させた構造を有しており、薄膜であるため高い電流密度を有することから、薄膜の面に平行な磁場による交流損失はBi系線材と比較して非常に小さい。一方で、薄膜の面に垂直な交流損失はBi系線材よりも交流損失は大きくなる。
【0005】
図16に、Bi系線材及びY系線材の様々な線材の形式を示す。図5に、これらの線材形式の交流外部磁場下で通電したときの交流損失を示す(例えば、非特許文献1参照)。なお、図5の交流損失は、外部磁場は50mTで、通電電流のピークがIt=90A、各線材の臨界電流が150Aとした場合の結果である。横軸は磁場の方向であり、0度が面に平行であり、90度は面に垂直である。図5から、YBCOストリップは、超電導面に平行な磁場の時は交流損失が小さいが、15度では、YBCOスタック(YBCOを重ねた形状)、BSCCOテープ、BSCCOワイヤーよりも交流損失が大きくなってしまうことがわかる。また、YBCOスタックでは、BSCCOと比較して、優位性が無い。
【0006】
そこで、図17に示すように、Y系線材を超電導円筒にした場合、外部から磁場を与えても、全て面に平行な磁場となるため、理想的な形となる(この形状をモノブロック型という)。しかし、このような理想的なY系超電導線材の製作は非常に難しく、出来たとしても、機械特性が非常に悪いと予想される。それは、この形状は曲げに対して逃げが無いので、実際の電力機器応用を考えると適用は難しい。
【0007】
そこで、モノブロック形状に近づける方法として、図18(a)に示すように、有限の幅をもつ線材をより細線化し、図18(b)に示すように、この細線を多角形、例えば4角形に配置する方法が提案され、交流損失の低減に効果を上げている。しかし、細線化をすることに伴い超電導特性の劣化が生じ、これらを考慮した最適化はこれまで行われていない。
【非特許文献1】Stravrey, Supercond. Sci. Technol. 18(2005) 1300-1312
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、このような状況に鑑みてなされ、超電導特性を劣化させることなく交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、外径1.3〜5mmの心線の周囲に、8本以上の薄膜系超電導線材を相互に重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導ワイヤーを提供する。
【0010】
このように構成される超電導ワイヤーは、周囲に良導体又は高抵抗金属からなる保護層を設けたものとすることが出来る。
【0011】
前記薄膜系超電導線材の幅は、0.48〜1.8mmとすることができる。また、隣接する薄膜系超電導線材の間のギャップは、前記薄膜系超電導線材の幅の1/2以下とすることができる。
【0012】
前記薄膜系超電導線材として、RE系線材を用いることができる。RE系はRE−Ba−Cu−Oで示され、REはLa,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu及びYから選択される。また、前記薄膜系超電導線材は、IBAD又はPLDにより形成された線材を、レーザ又はスリッターにより均等に分割して得たものとすることができる。
【0013】
本発明の第2の態様は、以上の超電導ワイヤーの複数本を、100mm以下のピッチで撚ってなることを特徴とする撚り線状超電導ワイヤーを提供する。
【0014】
本発明の第3の態様は、心線の周囲に、第2の態様に係る撚り線状超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。
【0015】
本発明の第4の態様は、心線の周囲に、第1の態様に係る超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。
【0016】
本発明の第5の態様は、心線の周囲に、第4の態様に係る超電導導体の複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体を提供する。
【発明の効果】
【0017】
本発明によると、超電導特性を劣化させることなく交流損失が低減され、機械特性の向上した超電導ワイヤーおよび超電導導体が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【0019】
図1は、本発明の一実施形態に係る超電導ワイヤーを示す斜視図である。図1において、超電導ワイヤー1は、外径1.3〜5mmの心線2の周囲に、8本以上(図では8本)の薄膜系超電導線材3を相互に重ならないようにスパイラル状に配置してなることを特徴とする。このとき、隣接する薄膜超電導線材同士はギャップを有した状態で並行配置されている。
【0020】
心線2の材料としては、超電導ワイヤーの機械特性を考慮して、使い分けることが出来る。電気特性を主とするならば、電気伝導性の良好な銅や銅合金を用い、機械特性を重視するならば、ステンレス鋼や銅合金などを使用することが出来る。
【0021】
心線2の外径は、1.3〜5mmである必要がある。機械的な強度の点から、及び心線2の周囲に8本以上の薄膜系超電導線材3を重ならないように配置することを可能とするためには、心線2の外径は1.3mm以上である必要があり、ワイヤーを巻き付け、撚り合わせる2次加工を施す場合、径が大き過ぎると2次加工が困難となるため、5mm以下である必要がある。
【0022】
薄膜系超電導線材としては、YBCO(YBa2Cu3O7−d)等のY系線材や、BSCO(BiSr2Ca2Cu3O10)等のBi系線材があるが、本発明では、YBCO(YBa2Cu3O7−d)等のY系線材を好ましく用いることが出来る。
【0023】
薄膜系超電導線材は、所定の幅の超電導線材、例えばIBAD(Ion Beam Assist Deposition)により形成された10mm幅のY系線材を、レーザやスリッター等により均等に分割したものである。分割された細線の幅は、0.48〜1.8mm程度が好ましく、例えば0.48mmである。
【0024】
細線の幅について、本発明者らは、IBADやPLD(Ion Beam Deposition)により製作した10mmの幅のY系線材について、分割された細線の幅と臨界電流比(分割後の臨界電流Icと分割前の臨界電流Icoとの比)との関係についての実験を行い、図2に示す結果を得た。即ち、図2に示すグラフから、分割により臨界電流は低下するが、20分割し、幅0.48mmとしても(残りの0.02mmはレーザ加工中に失われたもの)臨界電流比は0.97であり、大きな劣化が無い事が確認された。
【0025】
細線の幅は、Y系線材の材料と製造法に大きく依存すると考えられており、結晶のグレインサイズ(結晶粒径)の関係から説明される。Goyalらの論文(Goyal, Physica C 426-431(2005) 1083-1090) によると、グレインサイズに対して十分な線材幅を持たないと、グレインサイズの一つが欠陥となった場合、臨界電流の低下の可能性が大きくなる。
【0026】
低下の可能性が小さい細線の幅はグレインサイズの100倍である。
【0027】
グレインサイズはY系線材の材料と製造法によって変わり、IBAD−PLD法では、0.1〜数μmである。グレインサイズが数μmであれば、その100倍である数100μmが適正な線材幅であり、20分割による細線の幅0.48mmは、それほど劣化しない細線の幅の下限に近い値と考えることが出来る。
【0028】
心線2の周囲に配置する薄膜系超電導線材3の数は8本以上であり、8本未満では、交流損失の低減効果が不十分である。
【0029】
8本以上の薄膜系超電導線材3は、心線2の周囲に相互に重ならないように沿わせて配置され、スパイラルに巻き付けられる。その上には、保護材4が形成されている。また更に、保護材4上に被覆を施してもよい。
【0030】
保護材4としては、良導体としての銅、またはステンレスやハステロイなどの高抵抗金属合金、被覆としてはエナメルやホルマルやポリイミド樹脂やテフロン(登録商標)など液体窒素中で性能を維持する物を使用用途に分けて使い分けることが出来る。
【0031】
このように、超電導ワイヤーを保護材4により被覆することにより、液体窒素の浸漬や薬品との接触等の外部環境の変化に非常に強い構造が得られる。
【0032】
細線化した線材同士のギャップ(隙間)は小さいほど望ましいが、スパイラルに巻き付ける場合、ある程度のギャップは必要である。目安として、ギャップは、線材幅の1/2以下にすることが望ましい。
【0033】
図3は、細線化した線材を心線に巻き付ける本数と交流損失との関係を示すグラフである。図3から、7本までは急激に交流損失の低下が確認できるが、8本以上になると、低下もやや飽和気味の傾向を見せる。そのため、8本以上の細線化した線材を心線に巻き付ける必要がある。なお、細線化した線材の本数が多すぎる場合には、細線の幅が小さくなりすぎて、臨界電流が低下するため、好ましい線材の本数は、10〜30本である。更に好ましくは、18〜24本である。
【0034】
以上のように構成されるY系超電導ワイヤーの交流損失をBi線材(テープ状)、Biワイヤー(ワイヤー状)、Y系線材(テープ状)、Y系スタック(Y系線材を重ねた)と比較した場合、それらに対し、低い交流損失を示す。特に、交流損失の内、通電損失と磁化損失の両方において、低い特性を示すので、高電流・低磁場のケーブルにも、高磁場のマグネットにもどちらにも有用である。
【0035】
本発明者らは、このことを示す試験を以下のように行なった。
【0036】
即ち、まず、IBAD法で作製された10mmの幅のY系線材をレーザにより20分割した。このときの線材の幅は0.48mmである。
【0037】
このようにして得たY系線材を10本、1.6mmφの径の心材に、スパイラルに巻き付け、図4(a)に示す断面形状のY系ワイヤー1を得た。スパイラルピッチは300mmであり、線材間のギャップ(隙間)は0.023mmであった。
【0038】
次に、幅0.48mmのY系線材を18本を、同様にして、2.9mmφの径の心材に、スパイラル状に巻き付け、図4(b)に示す断面形状のY系ワイヤー2を得た。スパイラルピッチは300mmであり、線材間のギャップ(隙間)は0.026mmであった。
【0039】
これらのY系ワイヤー1,2について、磁場角度と交流損失との関係を求めたところ、図5に示す結果を得た。なお、図5には、図16に示す従来のBSCCOテープ、BSCCOワイヤー、YBCOスタック、YBCOストリップの磁場角度と交流損失との関係も示している。
【0040】
図5に示す結果から、Y系ワイヤー1は、BSCCOテープ、BSCCOワイヤー、YBCOスタックよりも全ての磁場角度において交流損失が小さくなっていることがわかる。また、Y系ワイヤー2は、BSCCOテープ、BSCCOワイヤー、YBCOスタック、YBCOストリップ、及びY系ワイヤー1よりも、1/10に交流損失が小さくなっていることがわかる。
【0041】
次に、本発明者らは、10mm幅のY系超電導線材(a)と、Y系超電導線材(a)を18分割して得たストリップ(b)と、上記で作製したY系ワイヤー2(c)について、通電損失および磁化損失を比較する試験を行なった。なお、(b)と(c)では、構成材料はおなじであるが、(c)はワイヤー化している点で異なっている。その結果を図6に示す。
図6に示す結果から、(a)から(b)への細線化により、超電導の臨界電流が10%低下していることがわかる。これに対し、(b)から(c)へのワイヤー化では、臨界電流の低下は無かった。なお、図6のグラフでは、これらの臨界電流の違いを統一するため、横軸をIt/Ic(通電電流のピークIt/臨界電流Ic)とし、縦軸の交流損失はIc^2に比例する事から、交流損失をIc^2で除したものとした。
【0042】
図6から、(c)の交流損失が最も小さいことがわかる。(a)と比較すると、(c)の交流損失は、(a)の1/3以下にまで低下している。また、(a)と(b)はテープ状であるため、ねじりや折れや曲がりに弱く、ハンドリングが悪いという問題があるが、(c)はワイヤー状であるので、ハンドリングは良好である。
【0043】
図7は、テープ面に垂直の磁場をかけたときの磁化損失を示すグラフである。図9のグラフから、上記で作製したY系ワイヤー2は、BSCCOテープ、BSCCOワイヤー、YBCOスタック、YBCOストリップ、及びYBCOを18分割した18本の細線よりも磁化損失は低く、最も損失の低いBSCCOワイヤーと比較しても、その1/10であることがわかる。
【0044】
以上説明した図1に示すY系超電導ワイヤーは、径が小さいので、複数本を撚り合わせたり、集合化して、図8〜13に示すような様々な超電導導体を作製することが出来る。以下、それらの作製例について説明する。
【0045】
図8に示す例は、図1に示すY系超電導ワイヤー1を3本撚って得た撚り線状超電導ワイヤー10である。図9に示す例は、図1に示すY系超電導ワイヤー1を2本撚って得た撚り線状超電導ワイヤー20である。図10に示す例は、心線12の周囲に、図1に示すY系超電導ワイヤー1を6本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体30である。
【0046】
このように、図1に示すY系超電導ワイヤー1を複数本、撚り合わせたり、集合化することにより、長手方向の平行磁場から生じる結合損失を減少させる事が出来る。
【0047】
図11に示す例は、心線22の周囲に、図9に示す撚り線状超電導ワイヤー20を6本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。図12に示す例は、心線22の周囲に、図8に示す撚り線状超電導ワイヤー10を6本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。図13に示す例は、心線22の周囲に、図10に示す超電導導体30を6本、スパイラル状に巻回して得た超電導導体である。
【0048】
このように図8、図9、図10に示す撚り線状超電導ワイヤー10,20及び超電導導体30を更に集合化することにより、大容量かつ交流損失の小さい超電導導体を作製することができる。なお、撚り線状超電導ワイヤー10,20及び超電導導体30は、いずれも周囲を被覆層により覆われている。
【0049】
このように製作した超電導導体は、超電導ワイヤー間のギャップが取りやすく、動きの自由度も大きいため、曲げに対する機械的強度を大きく上げることが出来る。
【0050】
通常、テープ状の超電導体を作製する場合には、図14(a)に示すように、フォーマとなる芯31に超電導線材32をスパイラル状に巻き付けており、電流容量が少ない場合には、図14(b)、(14c)に示すように、更に超電導線材33,34をスパイラル状に巻き付け、多層にしている。
【0051】
図14(a)に示すような形状の超電導体の場合、曲げた時に、線材の逃げは、超電導線間ギャップgのみで行われる。さらに、図14(b)、(14c)に示すように、多層導体になった場合、層毎の電流を等しくするために、スパイラルピッチを変える必要がある。多層になると、そのスパイラルピッチは大きく変わり、スパイラルピッチが短いと、巻き付け時に劣化を起こし、スパイラルピッチが長いと、機械曲げをしたときに劣化を起こしやすい。従って、超電導線材間のギャップが、ある程度必要となる。
【0052】
ギャップが十分あれば、1mR曲げでも劣化は少ないが、0.9mRだと10%の劣化が見られる。一方、図12や図13に示す導体形状では、0.5mRでも劣化を示さない図12に示す導体を例に取ると、導体を曲げると、超電導線材に直接ひずみがかかるまで構成材である図8に示す導体がスライドし、曲げを吸収し、さらに、曲げても、構成材導体の更に構成材である図1に示す超電導ワイヤーがスライドし、曲げを吸収するため、優れた曲げ特性を示す。
【0053】
また、交流損失の点でも図12に示す導体と図14(c)に示す3層導体を比較したところ、図12に示す導体の交流損失の大きさは、図14(c)に示す導体の10%以下と非常に小さい。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明の一実施形態に係る超電導ワイヤーを示す斜視図。
【図2】分割された細線の幅と臨界電流比との関係を示す特性図。
【図3】細線化した線材を心線に巻き付ける本数と交流損失との関係を示す特性図。
【図4】10本及び18本のY系線材を心材にスパイラルに巻き付けて得たY系ワイヤー1,2を示す図。
【図5】、Y系ワイヤー1,2についての磁場角度と交流損失との関係を示す特性図。
【図6】Y系超電導線材、ストリップ、及びY系ワイヤー2についての通電損失失を示す特性図。
【図7】Y系超電導線材、ストリップ、及びY系ワイヤー2について、テープ面に垂直の磁場をかけたときの磁化損失を示す特性図。
【図8】図1に示すY系超電導ワイヤーを3本撚って得た導体を示す図。
【図9】図1に示すY系超電導ワイヤーを2本撚って得た導体を示す図。
【図10】心線の周囲に、図1に示すY系超電導ワイヤーを6本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。
【図11】心線の周-囲に、図8に示す導体を6本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。
【図12】心線の周囲に、図9に示す導体を6本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。
【図13】心線の周囲に、図10に示す導体を6本、スパイラル状に巻回して得た導体を示す図。
【図14】従来の芯に超電導線材をスパイラル状に巻き付けてなる導体を示す図。
【図15】従来のテープ状BSCCO線材及びテープ状YBCO線材を示す図。
【図16】従来のBi系線材及びY系線材の様々な線材の形式を示す図。
【図17】超電導円筒を示す図。
【図18】交流損失の低減のため、細線化された線材及び4角形に配置された線材を示す図。
【符号の説明】
【0055】
1…超電導ワイヤー、2,12,22…心線、3…薄膜系超電導線材、10,20撚り線状超電導ワイヤー、30・・・超電導導体、31…芯、32,33,34…超電導線材。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
外径1.3〜5mmの心線の周囲に、8本以上の薄膜系超電導線材を相互に重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導ワイヤー。
【請求項2】
周囲に良導体又は高抵抗金属からなる保護層を設けたことを特徴とする請求項1に記載の超電導ワイヤー。
【請求項3】
前記薄膜系超電導線材の幅は、0.48〜1.8mmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導ワイヤー。
【請求項4】
隣接する薄膜系超電導線材の間のギャップは、前記薄膜系超電導線材の幅の1/2以下であることを特徴とする請求項3に記載の超電導ワイヤー。
【請求項5】
前記薄膜系超電導線材は、RE系線材であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の超電導ワイヤー。
【請求項6】
前記薄膜系超電導線材は、IBAD又はPLDにより形成された線材を、レーザ又はスリッターにより均等に分割して得たものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の超電導ワイヤー。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれかに記載の超電導ワイヤーの複数本を、100mm以下のピッチで撚ってなることを特徴とする撚り線状超電導ワイヤー。
【請求項8】
心線の周囲に、請求項7に記載の撚り線状超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
【請求項9】
心線の周囲に、請求項1〜6のいずれかに記載の超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
【請求項10】
心線の周囲に、請求項9に記載の超電導導体の複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
【請求項1】
外径1.3〜5mmの心線の周囲に、8本以上の薄膜系超電導線材を相互に重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導ワイヤー。
【請求項2】
周囲に良導体又は高抵抗金属からなる保護層を設けたことを特徴とする請求項1に記載の超電導ワイヤー。
【請求項3】
前記薄膜系超電導線材の幅は、0.48〜1.8mmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導ワイヤー。
【請求項4】
隣接する薄膜系超電導線材の間のギャップは、前記薄膜系超電導線材の幅の1/2以下であることを特徴とする請求項3に記載の超電導ワイヤー。
【請求項5】
前記薄膜系超電導線材は、RE系線材であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の超電導ワイヤー。
【請求項6】
前記薄膜系超電導線材は、IBAD又はPLDにより形成された線材を、レーザ又はスリッターにより均等に分割して得たものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の超電導ワイヤー。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれかに記載の超電導ワイヤーの複数本を、100mm以下のピッチで撚ってなることを特徴とする撚り線状超電導ワイヤー。
【請求項8】
心線の周囲に、請求項7に記載の撚り線状超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
【請求項9】
心線の周囲に、請求項1〜6のいずれかに記載の超電導ワイヤーの複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
【請求項10】
心線の周囲に、請求項9に記載の超電導導体の複数本を重ならないようにスパイラル状に巻き付けてなることを特徴とする超電導導体。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2009−110668(P2009−110668A)
【公開日】平成21年5月21日(2009.5.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−278357(P2007−278357)
【出願日】平成19年10月26日(2007.10.26)
【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21年5月21日(2009.5.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年10月26日(2007.10.26)
【出願人】(000005290)古河電気工業株式会社 (4,457)
【Fターム(参考)】
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