JP2655918B2 - A▲l▼安定化超電導線の製造方法 - Google Patents

A▲l▼安定化超電導線の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軽量化、高電流密度化並びに高い安定性を目
的としたAl安定化超電導線の製造方法、及びその利用方
法に関する。
〔従来の技術及び問題点〕
超電導マグネットに供される超電導線としては、高純
度Cuの安定化母材中に超電導フィラメントを多数本埋め
込んだ複合多心超電導線が一般的に用いられている。一
方近年超電導マグネットの軽量化、高電流密度化、高安
定性マージン化を図るために上記安定化母材として高純
度Alを使用するAl安定化超電導線の製造方法が出現され
ている。これは、極低温において高純度Alは高純度Cuと
比して電気比抵抗が小さくかつ高磁界下で磁気抵抗効果
が飽和する、熱伝導率が大きい(Cuの約6.4倍)、比重
が小さい等の優れた特性を有効利用するものである。
しかるに高純度Alは柔らかく、NbTi等の超電導素材と
の変形抵抗が大きすぎるため、高性能なAl安定化NbTi極
細多心超電導線を得ることができないのが現状である。
加えて、AlはCuと比較し引っ張り強度が著しく低く、コ
イル巻線時に十分な張力を加えられないこと、得られた
超電導コイルの耐電磁力特性が悪い等の欠点を有する。
そこで現在CuとAlを複合化し安定化母材とする超電導
線の製法が考えられ、大別するとAlを線材横断面外周に
被覆する方法、中心部に内蔵する方法、混在させる方法
が呈示されているが、Alを中心部に内蔵する方が線材加
工性、線巻性、マグネット変形、及び変動磁界下での交
流損失を減らす点からも好ましい。
従来、Alを導体断面中心部に内蔵する超電導線を得る
場合、厚肉の高純度Cu管の肉厚部に穴をあけNb−Ti合金
線を、一方中心部に高純度Al棒を挿入し、通常銅素材で
行なう加工工程にて線引加工・時効熱処理・形成を行な
う方法が知られている(特開昭49−107479号公報)。
一方時効熱処理時のAlとCuの反応によりAlが不純とな
るのを防ぐために、中心部のAl素材もしくはその外周部
に配する高純度Cuの少なくとも何れか一方の接合面に、
それら素材の酸化皮膜を設ける(特開昭51−99995
号)、或いはCu素材とAl素材間にNb,Ta,V等を配する
(特開昭52−144790号)、といったAl安定化超電導線の
製造方法が知られている。
しかしながら、上記従来技術においては、超電導線製
造の初期工程において、Cu素材、及びNbTi等の超電導素
材を外周部に、Al素材を中心部に配した後、減面加工、
時効熱処理、ツイスト、成形加工等の一般の銅素材で行
なう加工方法と同等の方法を用いて製造されており、初
期工程から最終工程までの減面加工率が大きく、NbTiと
Alの塑性加工性の大きな差異にあまり配慮かなされてい
ないという問題を有している。
又、上記方法では加工工程中、時効熱処理時にAlとCu
間で生ずる拡散反応によるAlの汚染を防止するため、両
者間にNb、Ta等の反応防止材を配置する方法が知られて
いるが、この場合素材及び製造工程が増え、線材価格が
増加するという問題があった。
さらにこれらのAlの内蔵型の安定化超電導線の製法に
おいては、製作初期工程においてAlを線材横断面中心部
に、一方Cu及びNbTi素材を外周部に配し、一般のCu安定
化母材の場合と同様の方法を用いて製造されるが、細線
加工の中間段階でNbTiの臨界電流密度向上のために350
〜400℃で長時間の時効熱処理を行なう必要がある。こ
の時、CuとAlの界面で熱拡散反応が生じ、高純度Alを不
純とするため、一般にはこの反応防止のために上記Cuと
Alの表面に酸化皮膜を設けたり、Nb,Ta,V等の反応防止
材を特別に設けたりする必要があり、工程数を増やした
り、製造を複雑にしたりするという欠点を有している。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、上記の問題点を解決し、Al素材挿入
の減面加工率が小さく、AlとCu間の拡散反応防止のため
の特別な素材を必要とせずに、高安定で安価なAl安定化
超電導線材の製造方法を提供することにある。
又、本発明の他の目的は、変動磁界中に晒されても交
流損失による発熱の小さいAl安定化超電導線材の製造方
法を提供することにある。
更に、本発明の他の目的は、軽量かつ高安定でクエン
チしにくい超電導コイルを提供することにある。
〔課題解決の手段〕
本発明は、上記目的を達成するためのAl安定化超電導
線の製造方法であり、すなわち本発明は、超電導材料の
周りに銅被覆を施した超電導材と銅の複合中空体を得る
第1工程、該複合中空体の減面加工を行なう第2工程、
時効熱処理を行なう第3工程、Al及びAl合金を上記中空
体に挿入する第4工程、減面加工を行なう第5工程、ツ
イスト、成形加工等を行なう第6工程を有することを特
徴とする、Al安定化超電導線の製造方法である。
また本発明は、上記Al安定化超電導線の製造方法にお
いて、必要に応じて第3工程、第4工程及び第6工程に
おいて減面加工を施すことを特徴とする、Al安定化超電
導線の製造方法である。
そして上記製造方法において第3,第4工程の減面加工
率を50%以上90%以下とし、かつ上記第5,第6工程の減
面加工率を50%以上とすること、さらに、上記第4工程
のAlを複数に分割し、その間にAlより電気比抵抗の高い
金属を有することは、上記本発明の目的を達成するため
に、より好ましい態様である。
さらに、本発明は、上記本発明の製造方法を用いて製
作したAl安定化超電導線を用いたことを特徴とする超電
導コイルである。
さらに、上記本発明の課題解決手段の技術的意義につ
いて説明すると、以下のとおりである。
CuとAlの両者を複合安定化母材としAlを横断面中心部
に内蔵させたAl安定化超電導線を得るにあたり、CuとNb
Ti等の超電導素材を複合一体化した中空体を得ておき時
効熱処理を行なった後にAlをこの中空部に挿入し、減面
加工、ツイスト、成形加工等を行なうことにより特別の
反応防止材を用いなくともCuとAl間の熱拡散反応を生ぜ
しめず、かつ機械加工性のよい高安定なAl安定化複合多
心超電導線を得ることができる。
超電導線の太さの見地からのみ言えば、可及的に細い
ものが好ましく、そのために時効熱処理後の工程におい
て減面加工を行ってもよい。
次に、NbTi複合多心超電導線の電流密度はNbとTiの成
分比や時効熱処理条件、時効熱処理回数によっても異な
るが時効熱処理後、Alを挿入するまでの工程における減
面加工率に依存し、本発明者らの実験によれば第3図に
示すように、時効熱処理後Alを挿入するまでの工程にお
ける減面加工率が50%以下および90%以上では、電流密
度は低下する。従って時効熱処理後、Alを挿入するまで
の工程における減面加工率を、50%以上90%以下とする
ことが好ましい。
次に、Al挿入後の減面加工率についてはCuとAl間の密
着性、しいては両者の間の電気的接触を確保する必要性
からその下限が決められ、CuとAl間の減面加工率と変形
抵抗の差、減面加工中にAl表面の高電気抵抗の酸化皮膜
を破る必要から、Al挿入後の減面加工率を50%以上とす
ることが好ましい。
〔作 用〕
本発明のAl安定化超電導線の製造方法は、超電導材料
の周りに銅被膜を施した超電導材と銅の複合中空体を得
ておき、減面加工、時効熱処理を行った後にAlをこの中
空部に挿入し、減面加工、ツイスト、成形加工等を行う
ことにより特別の反応防止材を用いなくともCuとAl間の
熱拡散反応を生ぜしめず、かつ機構加工性のよい高安定
なAl安定化複合多心超電導線を得ることができる。
又、本発明では、内蔵されたAlを例えばCuNi合金等の
高電気比抵抗の金属で細分化することにより、熱的安定
性を低下させる事なく変動磁界中で発生する交流損失を
低減した超電導線を製造することができる。
さらに本発明では、時効熱処理後の減面加工率を50%
以上90%以下とすることにより、Al安定化超電導線の電
流密度を低下させることがない。
そして本発明では、Al挿入後の減面加工率を50%以上
とすることにより、CuとAl間の密着性しいては両者の間
の電気的接触を確保することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
実施例1 別途、公知の方法によりNb−46.5w%(φ2mm)とCuと
の複合体(φ2.35mm)を得、各1mに切断したものを3280
本用意する。
次に、無酸素Cu管の、外径160mm、肉厚5mmのものと、
外径75mm、肉厚5mmのものの各1mを同心状に配し、上記
複合体を周知の方法により洗浄し上記無酸素Cu管の外周
に組み込む。
ついで、静水圧押出によって、外径50mmのCuとNbTiの
中空複合体を得、この後伸線加工により外径6.36mm、内
径5mmのCu被覆NbTi複合多心線を製作する。
ここで、375℃で100時間の時効熱処理を行なった後、
別途用意した外径1.64mmの99.999%の高純度Al線を上記
複合多心線に挿入し、室温で伸線加工及び25mmのツイス
ト加工してAlと複合一体化した後、平角ダイスを通し、
図1に示す様な1.9mm×1.1mmの平角状のAl内蔵型のCu被
覆NbTi複合極細多心線を製作する。この時NbTiのフィラ
メント径は20μmであった。
尚、この線材の臨界電流を液体He中で観測したとこ
ろ、5Tの磁界中で1960Aを得た。
またこの線材をEPMAで測定したところ、CuとAlの界面
での熱拡散反応による金属間化合物層は認められず、加
えて両者の密着性も良好であった。
またこの時、時効熱処理後およびAl挿入後の減面加工
率はともに85%であった。
なお本実施例において、時効熱処理後NbTiとCuの複合
多心線を減面加工してから、高純度Alを挿入してもよ
い。
実施例2 第2図に上記実施例1中の高純度Al4を、Alと約10μ
m厚さのCu−10w%Ni層5で6分割した場合の最終線材
断面図を示す。
この線材の製造は高純度AlをCu−10w%Ni層5で6分
割して伸線加工し、複合一体化し外径1.64mmとしたもの
を、上記実施例の高純度Alの代わりに用いたものであ
る。
この線材の臨界電流は、5T中で1920Aであったが、B
=0.2T,周波数50Hzの変動磁界中でボイルオフ法により
交流損失を測定したところ、その損失量は上記実施例1
により線材の約80%であり、高抵抗層の効果が現われて
いることが判った。
実施例3 実施例1で示したAl内蔵型超電導線を用いて1000ター
ンの内径100mmのソレノイドコイルを製作した。
このコイルは、線材表面を絶縁処理し、約20kg/mm2
張力で巻線した後巻線間にエポキシ樹脂を含浸させたも
ので、コイルの巻線断面や冷却条件は実機の磁気浮上列
車用超電導コイルと同等にしたものである。
このコイルを液体Heにより4.2Kまで冷却励磁試験を行
なった結果、5Tで1352Aまで励磁することができ、この
時のコイル巻線部の平均電流密度は約420A/mm2であっ
た。
尚、ここで述べた実施例は平角断面を持つ超電導線に
ついて述べたが、円形断面を持つ超電導線でもよいこと
は言うまでもない。
又、本発明による超電導線を複数本撚線しマルチスト
ランド線としたり、さらにSUS等のコンジット内に配し
た強制冷却型超電導体としてもよい。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明のAl安定化超電導線の製造
方法は、超電導材料の周りに銅被膜を施した超電導材と
銅の複合中空体を得る第1工程、該複合中空体の減面加
工を行う第2工程、時効熱処理を行う第3工程、Al又は
Al合金を上記中空体に挿入する第4工程、減面加工をす
る第5工程、ツイスト、成形加工等を行う第6工程を有
するから、従来の製造方法に比べてCuとAlの間に特別な
熱拡散反応防止材を必要としないため、製造工程及び部
材を減らすことができ、かつ、両者の良好な密着性を保
持できるため、高安定で高性能なAl内蔵型の複合多心超
電導線を安価に提供することができるため、その経済的
効果は大きい。
又、本発明のAl安定化超電導線の製造方法において
は、前記第4工程のAlを複数に分割し、その間にAlより
電気比抵抗の高い金属を配するものであるから、熱安定
性を低下させることなく変動磁界中で発生する交流損失
を低減し、交流損失による発熱の小さい超電導線を製造
することができる、という大きな効果を有する。
又、本発明の製造法により製作した超電導線を磁気浮
上列車用の超電導コイルに用いれば、高速走行時に地上
コイルから周期的な変動磁界を受けても交流損失が少な
く、かつクエンチし難く、更に軽量化を図ることができ
る。
従って、本発明の製造法によるAl安定化複合多心超電
導線を用いれば、高安定性マージンを持ち軽量、小型の
磁気浮上列車用超電導コイル、MRI用超電導マグネッ
ト、核融合用超電導マグネット等を得ることができ、こ
の経済性及び波及効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は本発明の製造方法を用いて製作した
超電導線を示す概略図、第3図はNbTiの時効後の冷間加
工度と電流密度の関係図である。 1;超電導線材 2;Cu安定化母材 3;NbTi超電導フィラメント 4;Al 5;高抵抗金属層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀田 好寿 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 酒井 修二 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電 線株式会社金属研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−43312(JP,A) 特開 昭62−229720(JP,A) 特開 昭52−140886(JP,A)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導材料の周りに銅被膜を施した超電導
    材と銅の複合中空体を得る第1工程、該複合中空体の減
    面加工を行なう第2工程、時効熱処理を行なう第3工
    程、Al又はAl合金を上記中空体に挿入する第4工程、減
    面加工をする第5工程、ツイスト、成形加工を行なう第
    6工程を有することを特徴とする、Al安定化超電導線の
    製造方法。
  2. 【請求項2】第3工程、第4工程及び第6工程におい
    て、減面加工を施すことを特徴とする、請求項1記載の
    Al安定化超電導線の製造方法。
  3. 【請求項3】第3,第4工程の減面加工率を50%以上90%
    以下とし、かつ第5,第6工程の減面加工率を50%以上と
    したことを特徴とする、請求項1又は2記載のAl安定化
    超電導線の製造方法。
  4. 【請求項4】第4工程のAlを複数に分割し、その間にAl
    より電気比抵抗の高い金属を有することを特徴とする、
    請求項1記載のAl安定化超電導線の製造方法。
  5. 【請求項5】請求項1乃至4のいずれか記載の製法を用
    いて製作したAl安定化超電導線を用いたことを特徴とす
    る超電導コイル。
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