超電導撚線用素線及び超電導撚線
【課題】 超電導素線を撚り合わせて大容量化しても低交流損失を実現し、かつ、製造安定性を有する超電導撚線用素線、これを撚り合わせた超電導撚線、及び超電導撚線用素線の製造方法を提供すること。
【解決手段】 超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、前記複数本の超電導一次素線の外周であって、周方向に連続的に配置された、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線を具備することを特徴とする。
【解決手段】 超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、前記複数本の超電導一次素線の外周であって、周方向に連続的に配置された、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線を具備することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導撚線用素線及び超電導撚線に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導素線は、銅などの常電導金属である安定化金属中にＮｂＴｉ等からなる超電導フィラメントを埋込んだもので、この超電導素線の多数本を撚合わせて撚線となし、又はこの撚線を更に撚合わせて、例えばコイリングに適した断面矩形又は楔型に圧縮成形した成形撚線として用いられる。或いは、超電導撚線を金属管内に収容し、圧縮成形してケーブルインコンジットとして用いられる。
【０００３】
このような超電導撚線やその圧縮成形撚線、或いはケーブルインコンジットは、素粒子加速器、産業用小型加速器（ＳＯＲ、医療用）、ウイグラーマグネット、アンジェレーター、発電機、核融合炉、電力貯蔵装置等の導体として実用されつつあり、更に高密度・大電流化に向けて開発が進められている。
【０００４】
ところで、表面が電気絶縁されていない超電導素線を用いた超電導撚線では、超電導素線同士が局部的に電気的に接触している。このような超電導撚線を交流磁界下やパルス変動磁界下で使用した場合、超電導素線間で構成される閉回路に交流磁界によって誘起される電流が流れて交流損失（ジュール損失）が生じる。この交流損失により冷媒のヘリウムの蒸発量が増え、場合によっては常電導状態に転移する（クエンチ事故）恐れがある。
【０００５】
このときの交流損失としては、超電導素線内の超電導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、電気的に接触した超電導素線間に超電導素線のシース金属材を横切って流れる電流による素線間結合損失が存在する。
【０００６】
このような素線間結合損失を低減させる方法として、特許文献１に記載されているように、安定化材となる銅管と、超電導フィラメントを含む断面六角形の超電導一次素線の間に、断面六角形の高抵抗金属線を介在させる方法がある。しかし、この方法によると、高抵抗金属線群からなる電気抵抗を所望の値にしようとすると、高抵抗金属線のサイズが規定されてしまうことから、超電導一次素線のサイズも規定され、結果として超電導フィラメントの径が制限されてしまう。
【０００７】
このため、高抵抗金属線のサイズを小さくしようとした場合、超電導フィラメント径も小さくなり、超電導素線の伸線加工時に超電導フィラメントが断線しやすくなるという問題がある。また、超電導フィラメント径を大きくしようとした場合には、同時に高抵抗金属線のサイズが大きくなるため、低抵抗金属よりも加工性の良くない高抵抗金属の超電導素線全体に占める割合が大きくなり、製造効率（歩留と能率）という観点から製造安定性がよくないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１４１９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、超電導素線を撚り合わせて大容量化しても低交流損失を実現し、かつ、製造安定性を有する超電導撚線用素線、これを撚り合わせた超電導撚線、及び超電導撚線用素線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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、前記複数本の超電導一次素線の外周であって、周方向に連続的に配置された、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線を具備することを特徴とする超電導撚線用素線を提供する。
【００１１】
このような超電導撚線用素線において、前記複数本の金属複合バリア線の外側に第１の安定化金属層が配置され、超電導一次素線が、前記超電導フィラメントの周囲に第２の安定化金属層が被覆されてなる構成とすることができる。
【００１２】
また、前記金属複合線における、前記低抵抗金属線に対する前記高抵抗金属材の体積比を、０．２〜２倍とすることができる。
【００１３】
更に、前記超電導フィラメントがＮｂＴｉからなり、前記低抵抗金属線が銅からなり、前記高抵抗金属材がＮｉ、ＭｎおよびＳｉからなる群から選ばれた１種類以上を含む銅合金からなるものとすることができる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、上述の超電導撚線用素線を２本以上撚りあわせて構成された超電導撚線を提供する。
【００１５】
本発明の第３の態様は、超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線を作成する工程と、安定化金属シース内に、前記複数本の超電導一次素線を配置し、その外周に前記複数本の金属複合バリア線を一層以上配置して、複合ビレットを作製する工程と、前記複合ビレットに熱間押出加工を施す工程を具備することを特徴とする超電導撚線用素線の製造方法を提供する。
【００１６】
このような超電導撚線用素線の製造方法において、前記超電導一次素線と前記金属複合バリア線が、同一サイズの断面六角形状を有するものとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、超電導素線を撚り合わせて大容量化しても低交流損失を実現し、従来よりも製造安定性のよい超電導撚線用素線、これを撚り合わせた超電導撚線、及び超電導撚線用素線が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導素線の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る超電導撚線の構成を示す概略図である。
【図３】実施例１に係る超電導素線の構成を示す断面図である。
【図４】比較例１及び２に係る超電導素線の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導素線の断面構成を示す図である。この超電導素線では、複数本の断面略六角形の安定化金属線１の集合からなるコア部の外周に、表面が安定化材３により被覆された超電導フィラメント２からなる断面略六角形の超電導一次素線４がマトリクス状に複数本配置され、フィラメント集合体を構成している。また、このフィラメント集合体の外周を取り囲むように、表面が高抵抗金属材６で被覆された低抵抗金属線５からなる複合バリア線７の集合が配置されている。ここで、複合バリア線７は、隣り合う複合バリア線７同士が接するように、周方向に連続的に配置されている。複合バリア線７が周方向において不連続に配置されている超電導素線の場合には、集合した複合バリア線７の不連続部分から安定化金属シース８を横切って電流が流れるため、素線間結合損失を低減することができない。
【００２１】
なお、複合バリア線７は、１層の形でフィラメント集合体の外周を取り囲んでいてもよいが、複数層であってもよい。
【００２２】
このようにフィラメント集合体の外周を取り囲む複合バリア線７の集合の外周が、安定化金属シース８により覆われて、超電導素線が構成されている。
【００２３】
以上のように構成される超電導素線において、超電導フィラメント２を構成する超電導材料としては、特に限定されない。例えば、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＭｇＢ２等の金属系超電導体に限らず、Ｂｉ系超電導体にも適用可能である。
【００２４】
本実施形態に係る超電導素線は、超電導材が多芯構造を有する超電導素線において有効であり、超電導材料はＮｂＴｉに限定されるものではないが、以下、主として超電導材料をＮｂＴｉとした場合について説明する。
【００２５】
コア部の安定化金属線１を構成する低抵抗金属としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることが出来るが、特に無酸素銅を用いるのが好ましい。また、安定化材３、低抵抗金属線５、安定化金属シース８もまた、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることが出来るが、好ましくは無酸素銅を用いることができる。
【００２６】
超電導材料がＮｂＴｉである場合、コア部および／またはシース部を構成する低抵抗金属材からなる安定化材は、残留抵抗比（温度２７３Ｋと超電導臨界温度（Ｔｃ）での電気抵抗の比）が５０以上かつ３００以下の銅であることが好ましい。
【００２７】
なお、超電導材料がＮｂＴｉである場合、コア部を構成する銅または銅合金からなる低抵抗金属材をＣｕＮｉ合金等からなる高抵抗バリア層で分割することもできるが、実用上許容される交流損失以下である場合は、コスト的観点から高抵抗バリア層による分割はしない方が望ましい。
【００２８】
また、超電導素線の臨界電流を増大させるためには、コア部をすべて超電導一次素線４とし、低抵抗金属からなる安定化金属線１をまったく設けなくてもよい。
【００２９】
複合バリア線７の高抵抗金属材６としては、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＳｉからなる群から選ばれた１種以上を含む銅合金や、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、及びＣｒからなる群から選ばれた１種以上を含むアルミ合金を用いることが出来る。以下、比抵抗は、超電導線の使用時の温度における値を意味する。
【００３０】
ここで、高抵抗金属材６の高抵抗とは、１×１０-8Ωｍ〜５×１０-7Ωｍの比抵抗を意味し、低抵抗金属線５の低抵抗とは、５×１０-9Ωｍ未満の比抵抗を意味し、両者には、少なくとも３倍以上の比抵抗差があることが望ましい。比抵抗差が３倍未満の場合には、高抵抗金属材と低抵抗金属材を複合化した際に、複合バリア線として有効となる大きい複合抵抗を得られないという問題があり、好ましくない。
【００３１】
表面が高抵抗金属材６で被覆された低抵抗金属線５からなる複合バリア線７における複合比抵抗ρ複合は、５×１０-9Ωｍ〜３×１０-7Ωｍであることが望ましい。複合比抵抗ρ複合が３×１０-7Ωｍを越えると、加工性が著しく悪くなるため、好ましくない。なお、複合比抵抗ρ複合が５×１０-9Ωｍ未満では、素線間結合損失が生じてしまい複合バリア線として有効ではないので、好ましくない。
【００３２】
なお、複合比抵抗ρ複合は、以下の式で与えられる。
【００３３】
ρ複合＝λ低抵抗×ρ低抵抗＋λ高抵抗×ρ高抵抗
λ低抵抗：低抵抗金属の複合バリア線に占める体積比
λ高抵抗：高抵抗金属の複合バリア線に占める体積比
ρ低抵抗：低抵抗金属の比抵抗
ρ高抵抗：高抵抗金属の比抵抗
複合バリア材の構成比（高抵抗金属材の低抵抗金属材に対する体積比λ高抵抗／λ低抵抗）は、選択したρ高抵抗とρ低抵抗に基づき、有効な複合比抵抗を得るように、またこの線材を使用する機器側の要求事項（例えば、運転時の磁界変化率によって決定される交流損失の許容レベル）を満たすように、適宜選択することができる。また、複合バリア材の層数は、この線材を使用する機器側の要求事項を満たすように、適宜選定することができる。
【００３４】
ただし、複合バリア材の構成比が０．２倍未満では、素線間結合損失を低減するような有効な複合比抵抗を得ることが難しくなり、２倍を越えると、複合バリア自体の加工性が悪くなることから、０．２〜２倍であることが好ましい。
【００３５】
第２の実施形態
次に、以上説明した超電導素線を撚り合わせた、本発明の第２の実施形態に係る超電導撚線について説明する。
【００３６】
本発明の第２の実施形態に係る超電導撚線は、図２（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る超電導素線１０を１６本撚り合わせた平角成型撚線１１とすることができる。
【００３７】
また、図２（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係る超電導素線１０を７本撚り合わせて１次撚線２０を作製し、それを１４本撚り合わせて平角成型加工した２重平角撚線２１とすることもできる。
【００３８】
更に、図２（ｃ）に示すように、第１の実施形態に係る超電導素線１０を３本撚り合わせて１次撚線３０を作製し、その１次撚線を３本撚り合わせて２次撚線（３×３本撚線）３１を作製し、その２次撚線６０を４本撚り合わせて３次撚線（３×３×４本撚線）３２を作製し、それを４本撚り合わせた後、ロール圧延などの成形加工を施し、断面が概略円形の４次撚線（３×３×４×４本撚線）３３を構成することができる。
【００３９】
あるいはまた、第１の実施形態に係る超電導素線を撚り合わせた超電導撚線を構成要素とし、管やテープ形状のＳＵＳ部材や銅部材と複合化して、大容量導体を製作することができる。超電導素線および撚線に適用する安定化材の材料によっては、製造中の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。また、電流容量を調整したり、安定化銅量を調整したりするために、銅線と撚り合わすことも可能である。
【００４０】
以下、本発明の実施例及び比較例を示し、本発明の効果についてより具体的に説明する。
【００４１】
実施例１
本実施例に係るＮｂＴｉ超電導線の作製方法について、図３を参照して、具体的に説明する。
【００４２】
まず、残留抵抗比３００の無酸素銅管の中にＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。この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、対辺寸法が４.５ｍｍの断面略六角形の棒状の超電導１次素線（Ｃｕ／ＮｂＴｉ複合１次素線）を作製した。
【００４３】
次いで、高抵抗金属であるＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉの管の中に、低抵抗金属である残留抵抗比３００の無酸素銅ロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。この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、対辺寸法が４.５ｍｍの断面略六角形の棒状の複合バリア線（ＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線）を作製した。この時、Ｃｕ−３０ｗｔ％Ｎｉの構成比（無酸素銅に対する体積比）を０．６とした。
【００４４】
超電導線の使用時温度である４．２ＫにおけるＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉの比抵抗は３×１０−７Ωｍであり、無酸素銅の比抵抗は１×１０−１０Ωｍである。従って、複合比抵抗は、λ高抵抗＝０．６／１．６、ρ高抵抗＝３×１０−７Ωｍ、λ低抵抗＝１／１．６、ρ低抵抗＝１×１０−１０Ωｍであるので、（０．６／１．６）×３×１０−７＋（１／１．６）×１０−10］＝１.１×１０−７Ωｍとなる。
【００４５】
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対辺寸法４．５ｍｍの断面六角形の棒状安定化材を製作した。
【００４６】
その後、安定化シースとなる内径１６６ｍｍ／外径２２０ｍｍの無酸素銅管を作製し、この中に、コア部（Ｃｕコア）として棒状安定化材（Ｃｕ：断面六角形）３２５本、その周囲に１次素線６９０本（これらによりフィラメント群部分を形成）、さらにその周囲に断面六角形の複合バリア線（ＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線）１２０本を、順次挿入して、２次複合ビレットを得た。
【００４７】
このようにして得た２次複合ビレットに対し、熱間押出加工を施した後、熱処理と冷間加工を繰り返して行い、更に、Ｓ方向、ピッチ１５ｍｍのツイスト加工と、最終伸線加工、および残留抵抗比を回復するための熱処理を経て、直径０．８１ｍｍφのＮｂＴｉ超電導線を得た。
【００４８】
図３は、このようにして得たＮｂＴｉ超電導線の断面を示す。図３において、無酸素銅管４０内の中心に、３２５本の棒状安定化材が複合一体化されたＣｕコア４１が配置され、その周囲に６９０本の１次素線が複合一体化されたフィラメント群４２が配置され、更にその周囲に、１２０本の断面六角形のＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線が複合一体化された、つまり、周方向において隣り合うＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線が接するように、連続的に形成されたＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線群４３が配置され、無酸素銅管４０内に収容されている。
【００４９】
本実施例により得たＮｂＴｉ超電導線１６本を、撚りピッチ６５ｍｍでＺ方向に撚り合わせた後、ロール成型加工を施し、幅６．５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの平角成型撚線を作製した。
【００５０】
比較例１
本比較例に係るＮｂＴｉ超電導線の作製方法について、図４を参照して、具体的に説明する。
【００５１】
まず、残留抵抗比３００の無酸素銅管の中にＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。この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、対辺寸法が１．６５ｍｍの断面略六角形の棒状の超電導１次素線（Ｃｕ／ＮｂＴｉ複合１次素線）を作製した。
【００５２】
次いで、高抵抗金属であるＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ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、対辺寸法が１．６５ｍｍの断面略六角形の棒状の無垢バリア線（ＣｕＮｉ無垢バリア線）を作製した。ここで、六角対辺寸法を４．５ｍｍではなく１．６５ｍｍとしたのは、実施例１において、最終直径が０．８１ｍｍφの場合には、複合バリア線の等価厚さが７μｍであるので、それと合わせるためである。
【００５３】
次に、無酸素銅インゴットに熱間押出加工と冷間加工を施し、対辺寸法１．６５ｍｍの断面六角形の棒状安定化材を製作した。
【００５４】
その後、安定化シースとなる内径１６５ｍｍ／外径２２０ｍｍの無酸素銅管を作製し、この中に、コア部（Ｃｕコア）として棒状安定化材３１６８本、その周囲に１次素線５１７３本（これらによりフィラメント群部分を形成）、さらにその周囲にＣｕＮｉ無垢バリア線３３６本を、順次挿入して、２次複合ビレットを得た。
【００５５】
このようにして得た２次複合ビレットに対し、熱間押出加工を施した後、熱処理と冷間加工を繰り返して行い、更に、Ｓ方向、ピッチ１５ｍｍのツイスト加工と、最終伸線加工、および残留抵抗比を回復するための熱処理を経て、直径０．８１ｍｍφのＮｂＴｉ超電導線を得た。
【００５６】
図４は、このようにして得たＮｂＴｉ超電導線の断面を示す。図３において、無酸素銅管５０内の中心に、３１６８本の安定化材が複合一体化されたＣｕコア５１が配置され、その周囲に５１７３本の１次素線が複合一体化されたフィラメント群５２が配置され、更にその周囲に３３６本のＣｕＮｉ無垢バリア線が複合一体化されたＣｕＮｉ無垢バリア線群５３が配置され、無酸素銅管５０内に収容されている。
【００５７】
本比較例により得たＮｂＴｉ超電導超電導線１６本を、撚りピッチ６５ｍｍでＺ方向に撚り合わせた後、ロール成型加工を施し、幅６．５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの平角成型撚線を作製した。
【００５８】
比較例２
本比較例に係るＮｂＴｉ超電導線の作製方法について、図４を参照して、具体的に説明する。
【００５９】
まず、残留抵抗比３００の無酸素銅管の中にＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。この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、対辺寸法が４．５ｍｍの断面略六角形の棒状の超電導１次素線（Ｃｕ／ＮｂＴｉ複合１次素線）を作製した。
【００６０】
次いで、高抵抗金属であるＣｕ−１０ｗｔ％Ｎｉ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、対辺寸法が４．５ｍｍの断面略六角形の棒状の無垢バリア線（ＣｕＮｉ無垢バリア線）を作製した。ここで、比較例１ではＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉを用いたのに対し、比較例２ではＣｕ−１０ｗｔ％Ｎｉを用いたのは、実施例１における複合バリア線の等価比抵抗１.１×１０−７Ωｍと同等の比抵抗とするためである。
【００６１】
次に、無酸素銅インゴットに熱間押出加工と冷間加工を施し、対辺寸法４．５ｍｍの断面六角形の棒状安定化材を製作した。
【００６２】
その後、安定化シースとなる内径１６５ｍｍ／外径２２０ｍｍの無酸素銅管を作製し、この中に、コア部（Ｃｕコア）として棒状安定化材３２５本、その周囲に１次素線６９０本（これらによりフィラメント群部分を形成）、さらにその周囲にＣｕＮｉ無垢バリア線１２０本を、順次挿入して、２次複合ビレットを得た。
【００６３】
このようにして得た２次複合ビレットに対し、熱間押出加工を施した後、熱処理と冷間加工を繰り返して行い、更に、Ｓ方向、ピッチ１５ｍｍのツイスト加工と、最終伸線加工、および残留抵抗比を回復するための熱処理を経て、直径０．８１ｍｍφのＮｂＴｉ超電導線を得た。
【００６４】
このようにして得たＮｂＴｉ超電導線の断面についても、比較例１と同様に図４のように形成されている。図４において、無酸素銅管５０内の中心に、３２５本の棒状安定化材が複合一体化されたＣｕコア５１が配置され、その周囲に６９０本の１次素線が複合一体化されたフィラメント群５２が配置され、更にその周囲に１２０本の複合一体化されたＣｕＮｉ無垢バリア線５３が連続的に配置され、無酸素銅管５０内に収容されている。
【００６５】
本比較例により得たＮｂＴｉ超電導線１６本を、撚りピッチ６５ｍｍでＺ方向に撚り合わせた後、ロール成型加工を施し、幅６．５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの平角成型撚線を作製した。
【００６６】
超電導線材の評価
実施例１、比較例１及び比較例２の超電導線の製造性と性能について、素線レベル及び撚線レベルでそれぞれ評価し、総合的にコストメリットを比較した。
【００６７】
素線レベルの特性評価においては、Ｉｃ（臨界電流、４.２Ｋでの１０μＶ／ｍの電界で測定された値として定義される）を測定し、Ｊｃ（臨界電流密度、Ｉｃ／ＮｂＴｉ超電導断面積）に換算した。また、Ｉｃ測定時に得られるＩ−Ｖ曲線から、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）を算出した。
【００６８】
また、ピックアップコイル法により、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）を測定した。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な方向に印加し、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、結合時定数測定は、素線内結合時定数と素線間結合時定数を分離できるように、素線と撚線に対して別々に測定した。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、結合損失時定数を求めた。
【００６９】
なお、素線間結合損失の測定は、磁界を平角成型撚線の幅広面に対し垂直方向から印加し、素線内結合損失と素線間結合損失の合計を測定して、全体の結合時定数を求めた後、素線内結合時定数を差し引くことで、素線間結合時定数を算出した。
【００７０】
一方、通電安定性については、中・高磁界領域では、素線レベルで動的安定化条件を満たすことから、実施例及び比較例のいずれの素線も、臨界電流測定においてクエンチ等の通電不安定性は観測されず、同等の安定性を確認することができた。加工性に関しては、２０ｋｍあたりの断線回数で確認を行った。
【００７１】
下記表１に、実施例および比較例の諸元および上述した各種評価結果について示す。
【表１】
【００７２】
上記表１から、以下のことがわかる。
まず、実施例１と比較例１との製造性の比較では、組立製造性について、実施例１では良好であったが、比較例１では、素線対辺寸法が小さいため、銅管への挿入本数が非常に多く、ビレット組立は極めて困難であった。また、実施例１と比較例１の押出加工はともに良好ではあったが、実施例１では断線が生じなかったのに対し、比較例１では１０回もの断線が発生した。結果として、実施例１は比較例１よりも３０％も高い歩留を得た。
【００７３】
次に、実施例１と比較例１との性能の比較は以下の通りであった。臨界電流密度は、実施例１の方が７％程度高い性能を示した。比較例１では、ｎ値も小さいことから、フィラメントが細いため、長手方向のフィラメント形状が不均一になっていると考えられる。また、比較例１のフィラメント径が実施例１の０．３７倍であることから、理論上期待される６３％の履歴損失の低減効果は見られず、履歴損失は２５％程度低減されたに過ぎなかった。この原因として、フィラメント形状が不均一となったことと、フィラメント間隔が小さくなりすぎて、近接効果による履歴損失の増大が発生していると考えられる。
【００７４】
実施例１においては、近接効果による履歴損失の増大は発生しなかった。また、素線内結合時定数と素線間結合時定数の両方において、実施例１の方が優れた性能であった。
【００７５】
実施例１と比較例２との製造性の比較は以下の通りであった。実施例１と比較例２とは同等のビレット組立性であったが、比較例２では、押出時に押出圧力が設備上限に近くなり、不安定な押出加工性であった。また、実施例１では断線が生じなかったのに対し、比較例１では１回断線が発生した。結果として、実施例１は比較例１よりも１０％高い歩留を得た。
【００７６】
次に、実施例１と比較例２との性能の比較は以下の通りであった。臨界電流密度、ｎ値、履歴損失ともに同等の性能を示した。しかしながら、素線内結合時定数と素線間結合時定数の両方において、実施例１の方が優れた性能を示した。これは、複合バリアが結合損失低減に対し効果的に機能していることを意味している。
【００７７】
以上説明したように、実施例１に係るＮｂＴi超電導線材は、比較例１及び２に対して、Ｊｃ、ｎ値、履歴損失等の性能は同等以上であり、特に結合損失の低減効果において優れた性能を有している。さらに、製造歩留が高く、コスト低減において優れた利点を有している。
【符号の説明】
【００７８】
１…安定化金属線、２…超電導フィラメント、３…安定化材、４…超電導一次素線、５…低抵抗金属線、６…高抵抗金属材、７…複合バリア線、８…安定化金属シース、１０…超電導素線、１１…平角成型撚線、２０，３０…１次撚線、２１…２重平角撚線、３１…２次撚線、３２…３次撚線、３３…４次撚線、４０，５０…無酸素銅管、４１，５１…Ｃｕコア、４２，５２…フィラメント群、４３…ＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線群、５３…ＣｕＮｉ無垢バリア線群。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導撚線用素線及び超電導撚線に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導素線は、銅などの常電導金属である安定化金属中にＮｂＴｉ等からなる超電導フィラメントを埋込んだもので、この超電導素線の多数本を撚合わせて撚線となし、又はこの撚線を更に撚合わせて、例えばコイリングに適した断面矩形又は楔型に圧縮成形した成形撚線として用いられる。或いは、超電導撚線を金属管内に収容し、圧縮成形してケーブルインコンジットとして用いられる。
【０００３】
このような超電導撚線やその圧縮成形撚線、或いはケーブルインコンジットは、素粒子加速器、産業用小型加速器（ＳＯＲ、医療用）、ウイグラーマグネット、アンジェレーター、発電機、核融合炉、電力貯蔵装置等の導体として実用されつつあり、更に高密度・大電流化に向けて開発が進められている。
【０００４】
ところで、表面が電気絶縁されていない超電導素線を用いた超電導撚線では、超電導素線同士が局部的に電気的に接触している。このような超電導撚線を交流磁界下やパルス変動磁界下で使用した場合、超電導素線間で構成される閉回路に交流磁界によって誘起される電流が流れて交流損失（ジュール損失）が生じる。この交流損失により冷媒のヘリウムの蒸発量が増え、場合によっては常電導状態に転移する（クエンチ事故）恐れがある。
【０００５】
このときの交流損失としては、超電導素線内の超電導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、電気的に接触した超電導素線間に超電導素線のシース金属材を横切って流れる電流による素線間結合損失が存在する。
【０００６】
このような素線間結合損失を低減させる方法として、特許文献１に記載されているように、安定化材となる銅管と、超電導フィラメントを含む断面六角形の超電導一次素線の間に、断面六角形の高抵抗金属線を介在させる方法がある。しかし、この方法によると、高抵抗金属線群からなる電気抵抗を所望の値にしようとすると、高抵抗金属線のサイズが規定されてしまうことから、超電導一次素線のサイズも規定され、結果として超電導フィラメントの径が制限されてしまう。
【０００７】
このため、高抵抗金属線のサイズを小さくしようとした場合、超電導フィラメント径も小さくなり、超電導素線の伸線加工時に超電導フィラメントが断線しやすくなるという問題がある。また、超電導フィラメント径を大きくしようとした場合には、同時に高抵抗金属線のサイズが大きくなるため、低抵抗金属よりも加工性の良くない高抵抗金属の超電導素線全体に占める割合が大きくなり、製造効率（歩留と能率）という観点から製造安定性がよくないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１４１９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、超電導素線を撚り合わせて大容量化しても低交流損失を実現し、かつ、製造安定性を有する超電導撚線用素線、これを撚り合わせた超電導撚線、及び超電導撚線用素線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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、前記複数本の超電導一次素線の外周であって、周方向に連続的に配置された、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線を具備することを特徴とする超電導撚線用素線を提供する。
【００１１】
このような超電導撚線用素線において、前記複数本の金属複合バリア線の外側に第１の安定化金属層が配置され、超電導一次素線が、前記超電導フィラメントの周囲に第２の安定化金属層が被覆されてなる構成とすることができる。
【００１２】
また、前記金属複合線における、前記低抵抗金属線に対する前記高抵抗金属材の体積比を、０．２〜２倍とすることができる。
【００１３】
更に、前記超電導フィラメントがＮｂＴｉからなり、前記低抵抗金属線が銅からなり、前記高抵抗金属材がＮｉ、ＭｎおよびＳｉからなる群から選ばれた１種類以上を含む銅合金からなるものとすることができる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、上述の超電導撚線用素線を２本以上撚りあわせて構成された超電導撚線を提供する。
【００１５】
本発明の第３の態様は、超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線を作成する工程と、安定化金属シース内に、前記複数本の超電導一次素線を配置し、その外周に前記複数本の金属複合バリア線を一層以上配置して、複合ビレットを作製する工程と、前記複合ビレットに熱間押出加工を施す工程を具備することを特徴とする超電導撚線用素線の製造方法を提供する。
【００１６】
このような超電導撚線用素線の製造方法において、前記超電導一次素線と前記金属複合バリア線が、同一サイズの断面六角形状を有するものとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、超電導素線を撚り合わせて大容量化しても低交流損失を実現し、従来よりも製造安定性のよい超電導撚線用素線、これを撚り合わせた超電導撚線、及び超電導撚線用素線が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導素線の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る超電導撚線の構成を示す概略図である。
【図３】実施例１に係る超電導素線の構成を示す断面図である。
【図４】比較例１及び２に係る超電導素線の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導素線の断面構成を示す図である。この超電導素線では、複数本の断面略六角形の安定化金属線１の集合からなるコア部の外周に、表面が安定化材３により被覆された超電導フィラメント２からなる断面略六角形の超電導一次素線４がマトリクス状に複数本配置され、フィラメント集合体を構成している。また、このフィラメント集合体の外周を取り囲むように、表面が高抵抗金属材６で被覆された低抵抗金属線５からなる複合バリア線７の集合が配置されている。ここで、複合バリア線７は、隣り合う複合バリア線７同士が接するように、周方向に連続的に配置されている。複合バリア線７が周方向において不連続に配置されている超電導素線の場合には、集合した複合バリア線７の不連続部分から安定化金属シース８を横切って電流が流れるため、素線間結合損失を低減することができない。
【００２１】
なお、複合バリア線７は、１層の形でフィラメント集合体の外周を取り囲んでいてもよいが、複数層であってもよい。
【００２２】
このようにフィラメント集合体の外周を取り囲む複合バリア線７の集合の外周が、安定化金属シース８により覆われて、超電導素線が構成されている。
【００２３】
以上のように構成される超電導素線において、超電導フィラメント２を構成する超電導材料としては、特に限定されない。例えば、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＭｇＢ２等の金属系超電導体に限らず、Ｂｉ系超電導体にも適用可能である。
【００２４】
本実施形態に係る超電導素線は、超電導材が多芯構造を有する超電導素線において有効であり、超電導材料はＮｂＴｉに限定されるものではないが、以下、主として超電導材料をＮｂＴｉとした場合について説明する。
【００２５】
コア部の安定化金属線１を構成する低抵抗金属としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることが出来るが、特に無酸素銅を用いるのが好ましい。また、安定化材３、低抵抗金属線５、安定化金属シース８もまた、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることが出来るが、好ましくは無酸素銅を用いることができる。
【００２６】
超電導材料がＮｂＴｉである場合、コア部および／またはシース部を構成する低抵抗金属材からなる安定化材は、残留抵抗比（温度２７３Ｋと超電導臨界温度（Ｔｃ）での電気抵抗の比）が５０以上かつ３００以下の銅であることが好ましい。
【００２７】
なお、超電導材料がＮｂＴｉである場合、コア部を構成する銅または銅合金からなる低抵抗金属材をＣｕＮｉ合金等からなる高抵抗バリア層で分割することもできるが、実用上許容される交流損失以下である場合は、コスト的観点から高抵抗バリア層による分割はしない方が望ましい。
【００２８】
また、超電導素線の臨界電流を増大させるためには、コア部をすべて超電導一次素線４とし、低抵抗金属からなる安定化金属線１をまったく設けなくてもよい。
【００２９】
複合バリア線７の高抵抗金属材６としては、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＳｉからなる群から選ばれた１種以上を含む銅合金や、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、及びＣｒからなる群から選ばれた１種以上を含むアルミ合金を用いることが出来る。以下、比抵抗は、超電導線の使用時の温度における値を意味する。
【００３０】
ここで、高抵抗金属材６の高抵抗とは、１×１０-8Ωｍ〜５×１０-7Ωｍの比抵抗を意味し、低抵抗金属線５の低抵抗とは、５×１０-9Ωｍ未満の比抵抗を意味し、両者には、少なくとも３倍以上の比抵抗差があることが望ましい。比抵抗差が３倍未満の場合には、高抵抗金属材と低抵抗金属材を複合化した際に、複合バリア線として有効となる大きい複合抵抗を得られないという問題があり、好ましくない。
【００３１】
表面が高抵抗金属材６で被覆された低抵抗金属線５からなる複合バリア線７における複合比抵抗ρ複合は、５×１０-9Ωｍ〜３×１０-7Ωｍであることが望ましい。複合比抵抗ρ複合が３×１０-7Ωｍを越えると、加工性が著しく悪くなるため、好ましくない。なお、複合比抵抗ρ複合が５×１０-9Ωｍ未満では、素線間結合損失が生じてしまい複合バリア線として有効ではないので、好ましくない。
【００３２】
なお、複合比抵抗ρ複合は、以下の式で与えられる。
【００３３】
ρ複合＝λ低抵抗×ρ低抵抗＋λ高抵抗×ρ高抵抗
λ低抵抗：低抵抗金属の複合バリア線に占める体積比
λ高抵抗：高抵抗金属の複合バリア線に占める体積比
ρ低抵抗：低抵抗金属の比抵抗
ρ高抵抗：高抵抗金属の比抵抗
複合バリア材の構成比（高抵抗金属材の低抵抗金属材に対する体積比λ高抵抗／λ低抵抗）は、選択したρ高抵抗とρ低抵抗に基づき、有効な複合比抵抗を得るように、またこの線材を使用する機器側の要求事項（例えば、運転時の磁界変化率によって決定される交流損失の許容レベル）を満たすように、適宜選択することができる。また、複合バリア材の層数は、この線材を使用する機器側の要求事項を満たすように、適宜選定することができる。
【００３４】
ただし、複合バリア材の構成比が０．２倍未満では、素線間結合損失を低減するような有効な複合比抵抗を得ることが難しくなり、２倍を越えると、複合バリア自体の加工性が悪くなることから、０．２〜２倍であることが好ましい。
【００３５】
第２の実施形態
次に、以上説明した超電導素線を撚り合わせた、本発明の第２の実施形態に係る超電導撚線について説明する。
【００３６】
本発明の第２の実施形態に係る超電導撚線は、図２（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る超電導素線１０を１６本撚り合わせた平角成型撚線１１とすることができる。
【００３７】
また、図２（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係る超電導素線１０を７本撚り合わせて１次撚線２０を作製し、それを１４本撚り合わせて平角成型加工した２重平角撚線２１とすることもできる。
【００３８】
更に、図２（ｃ）に示すように、第１の実施形態に係る超電導素線１０を３本撚り合わせて１次撚線３０を作製し、その１次撚線を３本撚り合わせて２次撚線（３×３本撚線）３１を作製し、その２次撚線６０を４本撚り合わせて３次撚線（３×３×４本撚線）３２を作製し、それを４本撚り合わせた後、ロール圧延などの成形加工を施し、断面が概略円形の４次撚線（３×３×４×４本撚線）３３を構成することができる。
【００３９】
あるいはまた、第１の実施形態に係る超電導素線を撚り合わせた超電導撚線を構成要素とし、管やテープ形状のＳＵＳ部材や銅部材と複合化して、大容量導体を製作することができる。超電導素線および撚線に適用する安定化材の材料によっては、製造中の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。また、電流容量を調整したり、安定化銅量を調整したりするために、銅線と撚り合わすことも可能である。
【００４０】
以下、本発明の実施例及び比較例を示し、本発明の効果についてより具体的に説明する。
【００４１】
実施例１
本実施例に係るＮｂＴｉ超電導線の作製方法について、図３を参照して、具体的に説明する。
【００４２】
まず、残留抵抗比３００の無酸素銅管の中にＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。この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、対辺寸法が４.５ｍｍの断面略六角形の棒状の超電導１次素線（Ｃｕ／ＮｂＴｉ複合１次素線）を作製した。
【００４３】
次いで、高抵抗金属であるＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉの管の中に、低抵抗金属である残留抵抗比３００の無酸素銅ロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。この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、対辺寸法が４.５ｍｍの断面略六角形の棒状の複合バリア線（ＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線）を作製した。この時、Ｃｕ−３０ｗｔ％Ｎｉの構成比（無酸素銅に対する体積比）を０．６とした。
【００４４】
超電導線の使用時温度である４．２ＫにおけるＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉの比抵抗は３×１０−７Ωｍであり、無酸素銅の比抵抗は１×１０−１０Ωｍである。従って、複合比抵抗は、λ高抵抗＝０．６／１．６、ρ高抵抗＝３×１０−７Ωｍ、λ低抵抗＝１／１．６、ρ低抵抗＝１×１０−１０Ωｍであるので、（０．６／１．６）×３×１０−７＋（１／１．６）×１０−10］＝１.１×１０−７Ωｍとなる。
【００４５】
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対辺寸法４．５ｍｍの断面六角形の棒状安定化材を製作した。
【００４６】
その後、安定化シースとなる内径１６６ｍｍ／外径２２０ｍｍの無酸素銅管を作製し、この中に、コア部（Ｃｕコア）として棒状安定化材（Ｃｕ：断面六角形）３２５本、その周囲に１次素線６９０本（これらによりフィラメント群部分を形成）、さらにその周囲に断面六角形の複合バリア線（ＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線）１２０本を、順次挿入して、２次複合ビレットを得た。
【００４７】
このようにして得た２次複合ビレットに対し、熱間押出加工を施した後、熱処理と冷間加工を繰り返して行い、更に、Ｓ方向、ピッチ１５ｍｍのツイスト加工と、最終伸線加工、および残留抵抗比を回復するための熱処理を経て、直径０．８１ｍｍφのＮｂＴｉ超電導線を得た。
【００４８】
図３は、このようにして得たＮｂＴｉ超電導線の断面を示す。図３において、無酸素銅管４０内の中心に、３２５本の棒状安定化材が複合一体化されたＣｕコア４１が配置され、その周囲に６９０本の１次素線が複合一体化されたフィラメント群４２が配置され、更にその周囲に、１２０本の断面六角形のＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線が複合一体化された、つまり、周方向において隣り合うＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線が接するように、連続的に形成されたＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線群４３が配置され、無酸素銅管４０内に収容されている。
【００４９】
本実施例により得たＮｂＴｉ超電導線１６本を、撚りピッチ６５ｍｍでＺ方向に撚り合わせた後、ロール成型加工を施し、幅６．５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの平角成型撚線を作製した。
【００５０】
比較例１
本比較例に係るＮｂＴｉ超電導線の作製方法について、図４を参照して、具体的に説明する。
【００５１】
まず、残留抵抗比３００の無酸素銅管の中にＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。この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、対辺寸法が１．６５ｍｍの断面略六角形の棒状の超電導１次素線（Ｃｕ／ＮｂＴｉ複合１次素線）を作製した。
【００５２】
次いで、高抵抗金属であるＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ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、対辺寸法が１．６５ｍｍの断面略六角形の棒状の無垢バリア線（ＣｕＮｉ無垢バリア線）を作製した。ここで、六角対辺寸法を４．５ｍｍではなく１．６５ｍｍとしたのは、実施例１において、最終直径が０．８１ｍｍφの場合には、複合バリア線の等価厚さが７μｍであるので、それと合わせるためである。
【００５３】
次に、無酸素銅インゴットに熱間押出加工と冷間加工を施し、対辺寸法１．６５ｍｍの断面六角形の棒状安定化材を製作した。
【００５４】
その後、安定化シースとなる内径１６５ｍｍ／外径２２０ｍｍの無酸素銅管を作製し、この中に、コア部（Ｃｕコア）として棒状安定化材３１６８本、その周囲に１次素線５１７３本（これらによりフィラメント群部分を形成）、さらにその周囲にＣｕＮｉ無垢バリア線３３６本を、順次挿入して、２次複合ビレットを得た。
【００５５】
このようにして得た２次複合ビレットに対し、熱間押出加工を施した後、熱処理と冷間加工を繰り返して行い、更に、Ｓ方向、ピッチ１５ｍｍのツイスト加工と、最終伸線加工、および残留抵抗比を回復するための熱処理を経て、直径０．８１ｍｍφのＮｂＴｉ超電導線を得た。
【００５６】
図４は、このようにして得たＮｂＴｉ超電導線の断面を示す。図３において、無酸素銅管５０内の中心に、３１６８本の安定化材が複合一体化されたＣｕコア５１が配置され、その周囲に５１７３本の１次素線が複合一体化されたフィラメント群５２が配置され、更にその周囲に３３６本のＣｕＮｉ無垢バリア線が複合一体化されたＣｕＮｉ無垢バリア線群５３が配置され、無酸素銅管５０内に収容されている。
【００５７】
本比較例により得たＮｂＴｉ超電導超電導線１６本を、撚りピッチ６５ｍｍでＺ方向に撚り合わせた後、ロール成型加工を施し、幅６．５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの平角成型撚線を作製した。
【００５８】
比較例２
本比較例に係るＮｂＴｉ超電導線の作製方法について、図４を参照して、具体的に説明する。
【００５９】
まず、残留抵抗比３００の無酸素銅管の中にＮｂ―４７重量％Ｔｉロッドを挿入し、複合ビレットを作製した。この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、対辺寸法が４．５ｍｍの断面略六角形の棒状の超電導１次素線（Ｃｕ／ＮｂＴｉ複合１次素線）を作製した。
【００６０】
次いで、高抵抗金属であるＣｕ−１０ｗｔ％Ｎｉ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、対辺寸法が４．５ｍｍの断面略六角形の棒状の無垢バリア線（ＣｕＮｉ無垢バリア線）を作製した。ここで、比較例１ではＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉを用いたのに対し、比較例２ではＣｕ−１０ｗｔ％Ｎｉを用いたのは、実施例１における複合バリア線の等価比抵抗１.１×１０−７Ωｍと同等の比抵抗とするためである。
【００６１】
次に、無酸素銅インゴットに熱間押出加工と冷間加工を施し、対辺寸法４．５ｍｍの断面六角形の棒状安定化材を製作した。
【００６２】
その後、安定化シースとなる内径１６５ｍｍ／外径２２０ｍｍの無酸素銅管を作製し、この中に、コア部（Ｃｕコア）として棒状安定化材３２５本、その周囲に１次素線６９０本（これらによりフィラメント群部分を形成）、さらにその周囲にＣｕＮｉ無垢バリア線１２０本を、順次挿入して、２次複合ビレットを得た。
【００６３】
このようにして得た２次複合ビレットに対し、熱間押出加工を施した後、熱処理と冷間加工を繰り返して行い、更に、Ｓ方向、ピッチ１５ｍｍのツイスト加工と、最終伸線加工、および残留抵抗比を回復するための熱処理を経て、直径０．８１ｍｍφのＮｂＴｉ超電導線を得た。
【００６４】
このようにして得たＮｂＴｉ超電導線の断面についても、比較例１と同様に図４のように形成されている。図４において、無酸素銅管５０内の中心に、３２５本の棒状安定化材が複合一体化されたＣｕコア５１が配置され、その周囲に６９０本の１次素線が複合一体化されたフィラメント群５２が配置され、更にその周囲に１２０本の複合一体化されたＣｕＮｉ無垢バリア線５３が連続的に配置され、無酸素銅管５０内に収容されている。
【００６５】
本比較例により得たＮｂＴｉ超電導線１６本を、撚りピッチ６５ｍｍでＺ方向に撚り合わせた後、ロール成型加工を施し、幅６．５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの平角成型撚線を作製した。
【００６６】
超電導線材の評価
実施例１、比較例１及び比較例２の超電導線の製造性と性能について、素線レベル及び撚線レベルでそれぞれ評価し、総合的にコストメリットを比較した。
【００６７】
素線レベルの特性評価においては、Ｉｃ（臨界電流、４.２Ｋでの１０μＶ／ｍの電界で測定された値として定義される）を測定し、Ｊｃ（臨界電流密度、Ｉｃ／ＮｂＴｉ超電導断面積）に換算した。また、Ｉｃ測定時に得られるＩ−Ｖ曲線から、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）を算出した。
【００６８】
また、ピックアップコイル法により、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）を測定した。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な方向に印加し、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、結合時定数測定は、素線内結合時定数と素線間結合時定数を分離できるように、素線と撚線に対して別々に測定した。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、結合損失時定数を求めた。
【００６９】
なお、素線間結合損失の測定は、磁界を平角成型撚線の幅広面に対し垂直方向から印加し、素線内結合損失と素線間結合損失の合計を測定して、全体の結合時定数を求めた後、素線内結合時定数を差し引くことで、素線間結合時定数を算出した。
【００７０】
一方、通電安定性については、中・高磁界領域では、素線レベルで動的安定化条件を満たすことから、実施例及び比較例のいずれの素線も、臨界電流測定においてクエンチ等の通電不安定性は観測されず、同等の安定性を確認することができた。加工性に関しては、２０ｋｍあたりの断線回数で確認を行った。
【００７１】
下記表１に、実施例および比較例の諸元および上述した各種評価結果について示す。
【表１】
【００７２】
上記表１から、以下のことがわかる。
まず、実施例１と比較例１との製造性の比較では、組立製造性について、実施例１では良好であったが、比較例１では、素線対辺寸法が小さいため、銅管への挿入本数が非常に多く、ビレット組立は極めて困難であった。また、実施例１と比較例１の押出加工はともに良好ではあったが、実施例１では断線が生じなかったのに対し、比較例１では１０回もの断線が発生した。結果として、実施例１は比較例１よりも３０％も高い歩留を得た。
【００７３】
次に、実施例１と比較例１との性能の比較は以下の通りであった。臨界電流密度は、実施例１の方が７％程度高い性能を示した。比較例１では、ｎ値も小さいことから、フィラメントが細いため、長手方向のフィラメント形状が不均一になっていると考えられる。また、比較例１のフィラメント径が実施例１の０．３７倍であることから、理論上期待される６３％の履歴損失の低減効果は見られず、履歴損失は２５％程度低減されたに過ぎなかった。この原因として、フィラメント形状が不均一となったことと、フィラメント間隔が小さくなりすぎて、近接効果による履歴損失の増大が発生していると考えられる。
【００７４】
実施例１においては、近接効果による履歴損失の増大は発生しなかった。また、素線内結合時定数と素線間結合時定数の両方において、実施例１の方が優れた性能であった。
【００７５】
実施例１と比較例２との製造性の比較は以下の通りであった。実施例１と比較例２とは同等のビレット組立性であったが、比較例２では、押出時に押出圧力が設備上限に近くなり、不安定な押出加工性であった。また、実施例１では断線が生じなかったのに対し、比較例１では１回断線が発生した。結果として、実施例１は比較例１よりも１０％高い歩留を得た。
【００７６】
次に、実施例１と比較例２との性能の比較は以下の通りであった。臨界電流密度、ｎ値、履歴損失ともに同等の性能を示した。しかしながら、素線内結合時定数と素線間結合時定数の両方において、実施例１の方が優れた性能を示した。これは、複合バリアが結合損失低減に対し効果的に機能していることを意味している。
【００７７】
以上説明したように、実施例１に係るＮｂＴi超電導線材は、比較例１及び２に対して、Ｊｃ、ｎ値、履歴損失等の性能は同等以上であり、特に結合損失の低減効果において優れた性能を有している。さらに、製造歩留が高く、コスト低減において優れた利点を有している。
【符号の説明】
【００７８】
１…安定化金属線、２…超電導フィラメント、３…安定化材、４…超電導一次素線、５…低抵抗金属線、６…高抵抗金属材、７…複合バリア線、８…安定化金属シース、１０…超電導素線、１１…平角成型撚線、２０，３０…１次撚線、２１…２重平角撚線、３１…２次撚線、３２…３次撚線、３３…４次撚線、４０，５０…無酸素銅管、４１，５１…Ｃｕコア、４２，５２…フィラメント群、４３…ＣｕＮｉ／Ｃｕ複合バリア線群、５３…ＣｕＮｉ無垢バリア線群。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、
前記複数本の超電導一次素線の外周であって、周方向に連続的に配置された、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線
を具備することを特徴とする超電導撚線用素線。
【請求項２】
前記複数本の金属複合バリア線の外側に第１の安定化金属層が配置され、
超電導一次素線は、前記超電導フィラメントの周囲に第２の安定化金属層が被覆されてなることを特徴とする請求項１に記載の超電導撚線用素線。
【請求項３】
前記金属複合バリア線における、前記低抵抗金属線に対する前記高抵抗金属材の体積比が、０．２〜２倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導撚線用素線。
【請求項４】
前記超電導フィラメントがＮｂＴｉからなり、前記低抵抗金属線が銅からなり、前記高抵抗金属材がＮｉ、ＭｎおよびＳｉからなる群から選ばれた１種類以上を含む銅合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導撚線用素線。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導撚線用素線を２本以上撚りあわせて構成された超電導撚線。
【請求項６】
超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線を作成する工程と、
安定化金属シース内に、前記複数本の超電導一次素線を配置し、その外周に前記複数本の金属複合バリア線を一層以上配置して、複合ビレットを作製する工程と、
前記複合ビレットに熱間押出加工を施す工程
を具備することを特徴とする超電導撚線用素線の製造方法。
【請求項７】
前記超電導一次素線と前記金属複合バリア線が、同一サイズの断面六角形状を有することを特徴とする請求項６に記載の超電導撚線用素線の製造方法。
【請求項１】
超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、
前記複数本の超電導一次素線の外周であって、周方向に連続的に配置された、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線
を具備することを特徴とする超電導撚線用素線。
【請求項２】
前記複数本の金属複合バリア線の外側に第１の安定化金属層が配置され、
超電導一次素線は、前記超電導フィラメントの周囲に第２の安定化金属層が被覆されてなることを特徴とする請求項１に記載の超電導撚線用素線。
【請求項３】
前記金属複合バリア線における、前記低抵抗金属線に対する前記高抵抗金属材の体積比が、０．２〜２倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導撚線用素線。
【請求項４】
前記超電導フィラメントがＮｂＴｉからなり、前記低抵抗金属線が銅からなり、前記高抵抗金属材がＮｉ、ＭｎおよびＳｉからなる群から選ばれた１種類以上を含む銅合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導撚線用素線。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導撚線用素線を２本以上撚りあわせて構成された超電導撚線。
【請求項６】
超電導フィラメントを含む複数本の超電導一次素線と、高抵抗金属材により表面が被覆された低抵抗金属線を含む複数本の金属複合バリア線を作成する工程と、
安定化金属シース内に、前記複数本の超電導一次素線を配置し、その外周に前記複数本の金属複合バリア線を一層以上配置して、複合ビレットを作製する工程と、
前記複合ビレットに熱間押出加工を施す工程
を具備することを特徴とする超電導撚線用素線の製造方法。
【請求項７】
前記超電導一次素線と前記金属複合バリア線が、同一サイズの断面六角形状を有することを特徴とする請求項６に記載の超電導撚線用素線の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１９０５９５（Ｐ２０１２−１９０５９５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１５０７（Ｐ２０１１−５１５０７）
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【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２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【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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