説明

酸化物超電導多芯線の製造方法

【課題】臨界電流密度が従来より飛躍的に高い長尺の酸化物超電導多芯線を製造することができる酸化物超電導多芯線の製造方法を提供する。
【解決手段】酸化物超電導体のフィラメントが金属で被覆された断面が平角形状のセグメントを所定数積層して積層体を作製する積層体作製工程と、積層体の周囲を、金属製テープにより連続的に被覆する被覆工程と、被覆された金属製テープの継ぎ目を連続して接合して平角多芯母線を作製する多芯母線作製工程とを有する酸化物超電導多芯線の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は酸化物超電導多芯線の製造方法に関し、特に、臨界電流密度が高い長尺の酸化物超電導多芯線の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
酸化物超電導線材は、臨界温度、臨界電流密度が高く、長尺化が比較的容易になってきているため、電気、電子、機械分野等への飛躍的な利用が期待され、特に、臨界電流密度Jcが今まで以上に高い長尺の線材が強く求められている。
【0003】
この酸化物超電導線材は、実用上、可撓性があることを要求され、従来、一般に次のように作製されている。
まず、金属被覆材に超電導体の前駆体粉末が充填された単芯セグメントを作製する。次いで、得られた単芯セグメントの多数本を束ねて金属で被覆し、多芯母線を作製する。その後、得られた多芯母線を伸線・圧延加工処理することにより、目的とする酸化物超電導線材を得る。このように、超電導多芯線とすることにより、可撓性を有する酸化物超電導線材を得ることができる。
【0004】
そして、このような酸化物超電導線材の主な製造方法としては、PIT法(Powder In Tube)とCTFF法(Continuous Tube Forming and Filling:以下、「造管法」とも言う)が知られている(特許文献1、非特許文献1、非特許文献2)。
【0005】
PIT法は、円筒状の金属パイプ(チューブ)の内部に超電導体の前駆体粉末を充填した後、伸線加工を加えて単芯セグメントを作製し、その後多数の単芯セグメントを束ねて大口径のパイプに嵌合させて多芯母線とし、さらに所定の加工度で伸線・圧延加工を施して多芯線とする方法である。
【0006】
一方、CTFF法は、金属テープを水平方向に送りながら半円状に成形し、超電導体の前駆体粉末を充填した後、円形に成形すると共に継ぎ目を溶接して連続的な金属パイプとし、伸線加工を施すことにより単芯セグメントを作製し、その後多数の単芯セグメントを束ねて前記と同様の方法により金属テープで円形に被覆して多芯母線とし、さらに伸線・圧延して多芯線とする方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2009−16334号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】HIGH−Tc superconducting wires and tapes prepared by continuous tube forming/filling(CTFF) technique,GUO Y.C.他,ICWC vol42,P967,1997
【非特許文献2】Hyper Tech Research社のホームページ、http://www.hypertechresearch.com/page4.html、2009/03/18
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、いずれの方法を用いても、臨界電流密度Jcが充分に満足できる程度に高い長尺の酸化物超電導多芯線としては、未だ改善が求められる状況にある。
【0010】
そこで、本発明は、臨界電流密度が従来より飛躍的に高い長尺の酸化物超電導多芯線を得ることができる酸化物超電導多芯線の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者は、鋭意研究を行った結果、以下に示す各請求項の発明により、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。以下、各請求項の発明を説明する。
【0012】
請求項1に記載の発明は、
酸化物超電導体のフィラメントが金属で被覆された断面が平角形状のセグメントを所定数積層して積層体を作製する積層体作製工程と、
前記積層体の周囲を、金属製テープにより連続的に被覆する被覆工程と、
被覆された前記金属製テープの継ぎ目を連続して接合して平角多芯母線を作製する多芯母線作製工程と、
を有することを特徴とする酸化物超電導多芯線の製造方法である。
【0013】
本発明者は、臨界電流密度Jcを飛躍的に高めた長尺の酸化物超電導多芯線を製造する方法につき、鋭意検討した。その結果、従来のPIT法、CTFF法では、長尺化のための伸線・圧延工程において、セグメント中のフィラメント(超電導体あるいはその前駆体)に乱れが生じており、これが臨界電流密度Jcを大きく低下させていること、そして、このフィラメントの乱れは、断面形状が円形のセグメントに圧延加工を施す際に生じていることが分かった。
【0014】
即ち、従来の方法では、円形のセグメントを円形の被覆材で被覆した後に、圧延加工して平角状の線材としていたが、圧延前の多芯母線の各セグメントは完全に一体化していないため、圧延により大きなフィラメントの乱れが生じていた。
【0015】
特にPIT法においては、初期長さに制約があるパイプから長尺線を製造するため、加工度(初期断面積/伸線後断面積)の大きな伸線加工を行う必要がある。しかし、加工度が大きくなると、フィラメントの乱れがより大きくなり、臨界電流密度Jcをより低下させる。特に加工度が100を超えると、このフィラメントの乱れが顕著になる。
【0016】
本発明者は、上記の知見に基づき、予め作製された断面形状が平角形状のセグメントを積層して多芯母線を作製することを考えた。
【0017】
本請求項の発明によれば、予め平角形状に形成されたセグメントを積層しているため、セグメントを一体化させることができ、圧延に際して、フィラメントに乱れが発生することがない。このため臨界電流密度Jcが低下する恐れがなく、臨界電流密度が高い長尺の酸化物超電導多芯線を得ることができる。
【0018】
さらに、本請求項の発明においては、多芯母線の作製に際して、セグメントの積層体を連続して供給される金属製テープで連続的に被覆している。即ちCTFF法を採用している。このため、PIT法と異なり、セグメントの積層体を金属製テープで被覆するだけであるため、セグメントの長さ、ひいては多芯母線の長さに制限がなく、初期断面積も自由に設定することができる。この結果、圧延に際して、100を超えるような大きな加工度を必要とせず、フィラメントの乱れの発生を抑制することができる。また、大きな加工度を必要としないため、品質を安定させることができる。
【0019】
なお、積層体から多芯母線を作製するに際して、PIT法を採用することも可能であるが、CTFF法に比べ複雑な構造に対応することが困難である。また、PIT法においては、金属パイプの初期長さに制約があり、長尺の線材化には反復的な伸線加工を必要とし工程が多くなるため、CTFF法に比べて加工費が割高となることが避けられない。また、PIT法で使用される金属パイプは、CTFF法で使用される金属製テープに比べて割高となる。さらに、より長尺の線材を得ようとする場合には、より長尺のパイプに嵌合させる必要があるが、初期長さに制約があるパイプを長尺化するとその径は細くなり、嵌合が技術的に困難となる。CTFF法の場合、このような欠点がない。
【0020】
本発明に用いられる平角形状のセグメントは、PIT法、CTFF法のいずれの方法を用いて作製することもできるが、上記と同様の理由によりCTFF法が好ましい。そして、平角形状のセグメントは、単芯セグメント、多芯セグメントのいずれであってもよく、ツイストの有無も問わない。
【0021】
また、得られた平角多芯母線の酸化物超電導多芯線への成形は、成形ダイスでの伸線または圧延のいずれの手段を用いてもよい。
【0022】
請求項2に記載の発明は、
前記多芯母線作製工程が、前記被覆された前記金属製テープの継ぎ目を連続して圧着して平角多芯母線を作製する工程であることを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法である。
【0023】
金属製テープの継ぎ目の接合法として圧着法を採用することにより、例えば継ぎ目を重ね合わせてダイス引きするという簡単な操作で行うことができる。また、伸線加工も兼ねて行うことができる。
【0024】
請求項3に記載の発明は、
前記多芯母線作製工程が、前記被覆された前記金属製テープの継ぎ目を連続して溶接して平角多芯母線を作製する工程であることを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法である。
【0025】
金属製テープの継ぎ目の接合法として溶接法を採用することにより、継ぎ目を強固に接合することができ、後工程において接合が破壊される恐れがない信頼性の高い接合を行うことができる。
【0026】
請求項4に記載の発明は、
前記平角多芯母線の幅広面と前記フィラメントの幅広面とを平行に配置していることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法である。
【0027】
平角多芯母線の幅広面とフィラメントの幅広面とを平行に配置することにより、フィラメントの乱れを抑制することができ、臨界電流密度Jcの低下を抑制することができる。
【0028】
請求項5に記載の発明は、
前記平角多芯母線に、加工度が100以下の伸線加工を施すことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法である。
【0029】
加工度が100以下の伸線加工であるため、平角形状を維持した状態、即ち、初期の断面構成を維持した状態で伸線加工を行うことができ、歪みを生じることがなく、また、フィラメントに乱れが生じることがない。このため、臨界電流密度Jcの低下を抑制することができる。
【0030】
請求項6に記載の発明は、
前記伸線加工の後、圧延加工を行い、前記平角多芯母線をアスペクト比が5以上のテープ状線材を製造することを特徴とする請求項5に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法である。
【0031】
アスペクト比(幅/厚さ)を5以上とすることにより、高い臨界電流密度Jcの酸化物超電導多芯線を得ることができる。
【0032】
請求項7に記載の発明は、
前記酸化物超電導体は、ビスマス系超電導体を主成分とするものであることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法である。
【0033】
酸化物超電導体として、臨界温度および臨界電流密度の高いビスマス系超電導体を主成分とするものを用いることにより、特に優れた超電導特性を有する酸化物超電導多芯線を提供することができる。
【0034】
請求項8に記載の発明は
前記金属製テープは、銀または銀合金製であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法である。
【0035】
銀または銀合金よりなる金属製テープは、高温でも酸化することがなく、さらに、電気抵抗が低く加工性にも優れるため、より特性の優れた酸化物超電導多芯線を提供することができる。
【発明の効果】
【0036】
本発明によれば、臨界電流密度が従来より飛躍的に高い長尺の酸化物超電導多芯線を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】第1の実施の形態の酸化物超電導多芯線の製造装置の要部を概念的に示す図である。
【図2】第1の実施の形態の各製造工程における酸化物超電導多芯線の断面を概念的に示す図である。
【図3】第2の実施の形態の酸化物超電導多芯線の断面を概念的に示す図である。
【図4】第3の実施の形態における多芯平角セグメントの断面を概念的に示す図である。
【図5】比較例の酸化物超電導多芯線の圧延前および圧延後の断面形状を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0038】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【0039】
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態は、単芯の平角形状のセグメント(以下、「単芯平角セグメント」ともいう)と銀製テープを用い、造管法により複数の単芯平角セグメントが1列に上下方向に積層された酸化物超電導多芯線を製造することに関する。
【0040】
1.製造装置
はじめに、製造装置について説明する。図1は、第1の実施の形態の酸化物超電導多芯線の製造装置の要部を概念的に示す図である。図1において、10は酸化物超電導多芯線であり、20は単芯平角セグメントであり、41は銀製テープであり、71はセグメント供給ロールであり、81は銀製テープ供給ロールであり、82は水平送り出しロールであり、83は搬送ロールであり、84は巻取りロールであり、91はスタック部であり、92は装着部であり、93は成形・伸線部である。
【0041】
なお、実際にはセグメント供給ロール71は十数個あり、装着部92は銀製テープ41の折り曲げ装置、銀製テープ41の溶接装置、成形・伸線部93は成形ロール、圧延ロール、熱処理装置等も装備しているが、図面が煩雑にならないよう図示を省略している。
【0042】
2.製造手順
(1)平角多芯母線の作製
CTFF法またはPIT法を用いて断面が所定の寸法の平角形状となるように作製された各単芯平角セグメント20は、セグメント供給ロール71から同じ速度で巻出されてスタック部91で上下方向に密着して積層され、積層体(スタック)が作製される。このスタックはさらに水平(横)方向に移動しつつ装着部92に送られる。また、銀製テープ41は、銀製テープ供給ロール81から単芯平角セグメント20と同じ速度で巻出され、送り出しロール82により積層された単芯平角セグメント20の直上で送り出し方向を水平とされた後、装着部92に送られる。
【0043】
銀製テープ41は、装着部92内で例えば1次折曲げ用のロールを用いて下方が開いたコの字型に折曲げられ、コの字の下方から積層された単芯平角セグメント20が嵌め込まれ、その後さらに2次折曲げ用ロールを用いて断面が平角(長方形)となる様に折曲げられ、その両端(継ぎ目)が溶接されて断面が平角のチューブ状とされる。このようにしてスタックの周囲が銀製テープ41で連続的に被覆された平角多芯母線が得られる。
【0044】
(2)酸化物超電導多芯線の作製
次に、成形・伸線部93内で平角のチューブ内に多数の単芯平角セグメント20が上下方向に積層された状態で、前記の平角多芯母線が伸線される。伸線にはダイス引き伸線、溝ロール伸線の何れの伸線を用いてもよい。また、図示しない圧延ロールによる圧延、必要に応じて熱処理等がなされ、酸化物超電導多芯線10が作製され、搬送ロール83を経て巻取りロール84に巻取られる。
【0045】
(実施例)
次に、第1の実施の形態に基いて行った実施例を説明する。本実施例は単芯平角セグメントを1列に15層積層させて酸化物超電導多芯線を製造した例である。
【0046】
(1)酸化物超電導多芯線の製造
図2は、図1に示した製造装置を用いて酸化物超電導多芯線を製造した際の各製造工程における多芯線の断面を概念的に示す図である。図2において、31は単芯平角セグメント20内のBi2223などの酸化物超電導体またはその前駆体からなるフィラメントであり、32は第1シース(銀製の被覆材)である。また、41、42、43はそれぞれ平板状、断面コの字状、断面平角状の銀製テープであり、49は断面平角形状の銀製テープ43の継ぎ目である。44、45、46は銀製テープ43の継ぎ目49が溶接された平角チューブである。
【0047】
イ.スタックの作製およびスタックと銀製テープの装着部への供給
まず、単芯平角セグメント15本をスタック部91(図1参照)に供給し積層して15層からなるスタックを作製した。次に、作製したスタックと銀製テープ41を装着部92に供給した。図2の(1)は、スタック部91において単芯平角セグメント20を上下方向に積層したスタックを、銀製テープ41の下方の位置において銀製テープ41と平行かつ同じ速度で装着部92(図1参照)の方向に搬送している時の線材の状態を示す。
【0048】
なお、(1)に示すようにフィラメント31は単芯平角セグメント20の幅広面に平行に設けられている。また、各単芯平角セグメント20の幅は4.5mmであり、厚さは0.24mmである。また、単芯平角セグメント20の断面に占める銀の比率は0.57である。
【0049】
ロ.スタックへの銀製テープの装着
次に、装着部92内でスタックに銀製テープを装着した。(2)は、下方に開いたコの字状に折曲げられた銀製テープ42の内側に、装着部92において上下方向に積層させた15層の単芯平角セグメント20が嵌め込まれた状態を示す。また、(3)は、銀製テープ43をほぼ平角状に折り曲げ、銀製テープ43に継ぎ目49が形成された状態を示す。
【0050】
次に、銀製テープ43の継ぎ目49を溶接し、平角チューブとした。(4)は、前記(3)の断面平角状の銀製テープ43の継ぎ目49を溶接して平角チューブ44でスタックを被覆した平角多芯母線を示す。なお、この状態での平角チューブ44は、外周部の高さが4.7mmであり、幅は5.9mmである。また、平角チューブ44の内部の高さは3.9mmであり、内部の幅は5.1mmである。このため、前記した幅が4.5mm、厚さが0.24mmの単芯平角セグメント20を15本積層したスタックとの間には、上下方向、幅方向とも僅かに隙間がある。
【0051】
ハ.伸線
次に、成形・伸線部93(図1参照)において平角多芯母線をダイス引き伸線により伸線を行った。(5)は、伸線した後の状態を示す。この状態での酸化物超電導多芯線は、高さが0.9mmであり、幅は2.7mmであり、トータルの加工度は{(5.9×4.7)/(2.7×0.9)}=11.4である。なお、ブリッジング(フィラメント相互の接触)を起こさないように、1回当りの減面率は5%以下とした。
【0052】
ニ.圧延と加圧焼結
次に、伸線した後の酸化物超電導多芯線をプレアニールし、その後セグメントの幅広面と直交する方向に圧延した後、加圧焼結によりフィラメントを焼結した。(6)は、前記(5)に示す状態からプレアニールして銀を軟化させた後さらに圧延し、加圧焼結した後の酸化物超電導多芯線を示す。なお、加圧焼結後の酸化物超電導多芯線は、高さが0.28mmであり、幅は5.0mmである。
【0053】
(2)臨界電流密度Jcの測定およびブリッジングの有無の検査
上記のように作製した本実施例の酸化物超電導多芯線の臨界電流密度Jcを測定した結果、臨界電流密度Jcは充分に高い値であり、優れた超電導特性を有することを確認した。また、ブリッジングの有無を検査した結果、ブリッジングは0であった。
【0054】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、単芯平角セグメントが上下方向に積層されたスタックを2列配置した酸化物超電導多芯線に関する。図3は第2の実施の形態の酸化物超電導多芯線の断面を概念的に示す図である。酸化物超電導多芯線11は単芯平角セグメント20が上下方向に積層されたスタックを左右2列配置している。
【0055】
酸化物超電導多芯線11の製造方法と製造装置は、セグメント供給ロール71とスタック部91を左右2組有し、さらに左右のスタック部91から送り出されてくる単芯平角セグメント20が上下方向に積層された左右2列のスタックを、その相対する側面で密着させる機構を有していることが異なる以外は、第1の実施の形態と同じである。
【0056】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態は、多芯平角セグメントを用いている例である。図4は第3の実施の形態における、多芯平角セグメントの断面を概念的に示す図である。図4において、21は複数のフィラメントを有する多芯平角セグメントであり、33は中心のフィラメントであり、34は33の周囲に撚られた外周のフィラメントであり、35は第1シースである。
【0057】
多芯平角セグメント21の内部は、上記の通り中心フィラメント33の周囲に6本の外周フィラメント34が巻付けられた撚り線構造となっている。多芯平角セグメント21を用いて、先の第1の実施の形態のスタックが1列の酸化物超電導多芯線や第2の実施の形態のスタックが2列の酸化物超電導多芯線を製造することにより、単芯平角セグメントを用いたより臨界電流密度Jcの高い酸化物超電導多芯線を製造することができる。
【0058】
(比較例)
本発明の効果を確認する為に、比較例として前記実施例の単芯平角セグメント15本に近い19本の単芯円形セグメントを用い、実施例と同様、第1の実施の形態の方法に基づいて断面が円形の酸化物超電導多芯線(多芯母線)を作製した後、伸線、圧延して平角の酸化物超電導多芯線を製造した。なお、伸線、圧延、その他プレアニールを含む熱処理の条件は、実施例と同様である。
【0059】
図5は比較例の酸化物超電導多芯線の圧延前および圧延後の断面形状を概念的に示す図である。図5の(1)が、圧延する前であり、図5の(2)が圧延した後である。図5において、18は断面が円形の酸化物超電導多芯線(平角の酸化物超電導多芯線の前躯体線)であり、28は単芯円形セグメントである。19は圧延後の酸化物超電導多芯線であり、29は圧延後の単芯円形セグメントである。
【0060】
なお、圧延後の幅は5.0mmであり、高さは0.28mmである。
【0061】
比較例の場合、臨界電流密度Jcは低い値であった。また、ブリッジングは3であった。比較例は、円形のセグメントを用いているため、セグメント間に隙間があり、圧延により断面形状を円形から平角にする際の変形が大きい。このため、圧延工程においてフィラメントが大きく乱れ、ブリッジングが発生したと考えられる。
【符号の説明】
【0062】
10、11、18、19 酸化物超電導多芯線
20 単芯平角セグメント
21 多芯平角セグメント
28、29 単芯円形セグメント
31 フィラメント
32、35 第1シース
33 中心フィラメント
34 外周フィラメント
41、42、43 銀製テープ
44、45 平角チューブ
46 第2シース
49 継ぎ目
71 セグメント供給ロール
81 銀製テープ供給ロール
82 送り出しロール
83 搬送ロール
84 巻取りロール
91 スタック部
92 装着部
93 成形・伸線部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸化物超電導体のフィラメントが金属で被覆された断面が平角形状のセグメントを所定数積層して積層体を作製する積層体作製工程と、
前記積層体の周囲を、金属製テープにより連続的に被覆する被覆工程と、
被覆された前記金属製テープの継ぎ目を連続して接合して平角多芯母線を作製する多芯母線作製工程と、
を有することを特徴とする酸化物超電導多芯線の製造方法。
【請求項2】
前記多芯母線作製工程が、前記被覆された前記金属製テープの継ぎ目を連続して圧着して平角多芯母線を作製する工程であることを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法。
【請求項3】
前記多芯母線作製工程が、前記被覆された前記金属製テープの継ぎ目を連続して溶接して平角多芯母線を作製する工程であることを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法。
【請求項4】
前記平角多芯母線の幅広面と前記フィラメントの幅広面とを平行に配置していることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法。
【請求項5】
前記平角多芯母線に、加工度が100以下の伸線加工を施すことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法。
【請求項6】
前記伸線加工の後、圧延加工を行い、前記平角多芯母線をアスペクト比が5以上のテープ状線材を製造することを特徴とする請求項5に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法。
【請求項7】
前記酸化物超電導体は、ビスマス系超電導体を主成分とするものであることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法。
【請求項8】
前記金属製テープは、銀または銀合金製であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の酸化物超電導多芯線の製造方法。

【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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【公開番号】特開2010−287420(P2010−287420A)
【公開日】平成22年12月24日(2010.12.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−140019(P2009−140019)
【出願日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】