JP2742436B2 - 化合物系超電導撚線の製造方法 - Google Patents

化合物系超電導撚線の製造方法

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雅善 丹下
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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、超電導発電機の界磁巻線などとして好適
な交流用の化合物系超電導撚線の製造方法に関する。
「従来の技術」 超電導線においては量子磁束線の運動などに起因して
発熱を生じる場合があり、このような場合に超電導線に
部分的に常電導の芽が発生し、超電導線の全体が常電導
状態に転位するおそれがある。そこで従来、このような
磁気的不安定性および常電導転位などを防止して超電導
線を安定化するために、以下に記載する技術が採用され
ている。
超電導体を銅などの良導電性の安定化母材の内部に埋
設する。特に、安定化母材を高純度の銅から形成する。
超電導体を数μ〜数十μmの径のフィラメント状に極
細化する。
多心線をツイスト加工する。
編組や成形撚線の構造を採用する。
超電導線を交流用として使用する場合、Cu−Ni合金な
どの高抵抗金属材料から安定化母材を構成し、超電導フ
ィラメント間に生じる結合電流を抑制する。
金属間化合物系の超電導体は極めて硬く、脆いので、
機械歪が加わると超電導特性が劣化する傾向があり、こ
のため超電導線に補強材を添設して機械歪が加わること
を阻止する。
以上のような背景から、従来、交流用の化合物系超電
導線において、撚線状の超電導線を製造する場合、超電
導金属間化合物を構成する元素のうち、少なくとも1つ
の元素を含む線材に、超電導金属間化合物を構成する元
素のうち、残りの元素を含む被覆層を形成して加工可能
な複合素線を形成し、この複合素線の段階で撚線化を行
い、撚線加工後に拡散熱処理を施して超電導撚線を製造
する方法が行なわれている。
「発明が解決しようとする課題」 ところで、交流用の超電導線において、安定性を向上
させる目的で、1度撚線化したものを複数本集合した後
に再び撚線化して構成する2次撚線構造を採用すること
が試みられている。
このような場合、従来では、前記複合素線を複数本集
合して1次撚線化し、続いて1次撚線を複数本集合した
後に2次撚線とした後に、巻線加工などを行い、この後
に拡散熱処理を行って超電導金属間化合物を生成させ、
交流用の超電導撚線を得るようにしている。
ところが、前述した如く撚線状に形成する交流用の超
電導線にあっては、安定化のために超電導線の1本あた
りの断面積を極めて小さく形成するので、拡散熱処理を
施す以前の加工が可能な複合素線の状態であっても、複
数回の撚線加工中に断線などのトラブルを引き起こし易
い問題があった。
一方、従来、超電導発電機用の超電導線の一構造例と
して、Nb−Ti線等の線材を撚線化する方法などが採用さ
れているが、Nb3Snなどの化合物系の超電導線材におい
ては機械歪に弱い欠点があるために、交流用超電導発電
機の導体としての応用例はほとんど見られなかった。
そこで、化合物系超電導線の超電導発電機用としての
応用について検討してみると、最大の課題はコイル加工
した場合の機械歪に対する対策と通電時の交流損失を低
減することである。
ここでコイル加工時の歪特性の低減には、Nb3Sn超電
導体を導体の中心側に配置し、外側部に安定化導体を配
置する構造を採用するならば、コイル加工時の超電導体
の曲がり量を最小にできるので歪を低減し得るが、この
構造を採用した場合、安定化導体を中心側に配置し、そ
の外側部に超電導体を配置した構造の超電導線に比較し
て交流損失が増加する問題がある。
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、
超電導発電機用などの交流用として好適な超電導撚線を
提供すること、並びに、撚線加工を複数回行って超電導
撚線を製造した場合であっても、製造中に断線を生じな
いようにすることができる化合物系超電導撚線の製造方
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」 請求項1に記載した発明は前記課題を解決するため
に、超電導金属間化合物を構成する複数の元素のうち、
少なくとも1つの元素を含む線材に、前記超電導金属間
化合物を構成する複数の元素のうち、残りの元素を含む
被覆層を形成してなる複合素線を用意し、この複合素線
を撚線化したものを更に集合して撚線化する操作を必要
回数行って撚線導体を作成し、次いでこの撚線導体に、
超電導金属間化合物を生成させる拡散熱処理を施して超
電導撚線を製造する方法において、 前記撚線加工前の複合素線あるいは2回目以降の撚線
加工を行う前の撚線導体に、超電導金属間化合物を生成
させる拡散熱処理温度よりも低い温度の低温熱処理を施
して被覆層の元素を素線内部に拡散させる低温熱処理を
行い、この低温熱処理の後に更に撚線加工を施し、次い
で拡散熱処理を施すものである。
「作用」 一方、撚線加工の前に行う低温熱処理によって被覆層
の元素が素線内部に拡散して素線と被覆層が一体化さ
れ、複合素線は機械的強度が向上するので撚線加工中の
断線が防止される。更に安定化導体に形成されている拡
散防止層は、熱処理時に、コア導体側への不要元素の拡
散を防止する。
以下に本発明を更に詳細に説明する。
第1図ないし第3図は本発明方法をNb3Sn系の交流用
超電導撚線を製造する場合に適用した例について説明す
るためのもので、この例の方法を実施するには、まず、
第1図に示す安定化導体1を用意する。
この安定化導体1は、純銅からなるコア導体2と、こ
のコア導体2の外周面を被覆して設けられた拡散防止層
3と、この拡散防止層3の外周面を被覆して設けられた
合金層4とから構成されている。前記拡散防止層3はコ
ア導体2を構成する純銅との間に不要な化合物などを生
じない材料であって、融点の高いTaあるいはNbなどの金
属材料からなり、後述する拡散熱処理時にコア導体2に
外部から不要な元素が拡散しないようにするために設け
られる。また、前記合金層4は電気抵抗の高いCu−Ni合
金あるいはCu−Sn合金などからなるものである。
なお、前記コア導体2の外方に拡散防止層3と合金層
4を形成するには、コア導体1の外方にメッキ処理を施
すか、あるいは、コア導体1の外方に前記材料からなる
テープあるいは箔などを被せて伸線加工するなどの手段
により容易に形成することができる。
次に前記安定化導体1の外方に撚線化して設けられる
複合素線を用意する。この例では、複合素線としてSnメ
ッキされたインサイチュー線を用いる。インサイチュー
線は、所定成分のCu−Nb合金あるいはCu−Nb−Sn合金な
どを溶製して得られた第2図に示すインサイチューイン
ゴット6を線引加工することにより作成される。前記イ
ンサイチューインゴット6は、CuあるいはCu−Sn製の金
属基地の内部に、Nbからなる無数の樹枝状晶が分散され
た構造をなすもので、このインサイチューインゴット6
を線引加工することで金属基地内に繊維状のNbフィラメ
ントが分散された構造の第3図に示すインサイチュー線
7を得ることができる。
次にこのインサイチュー線7の外周面にメッキ処理に
よってSnの被覆層を形成して第4図に示すメッキインサ
イチュー線(複合素線)8を形成する。このメッキイン
サイチュー線8を用意したならば、メッキインサイチュ
ー線8を複数本用意してこれらを前記安定化導体1の外
方に撚線化して設けることにより第5図に示すような断
面構造の1次撚線導体10を得る。
1次撚線導体10を作成したならば、この1次撚線導体
10を180〜450℃の温度に所定時間加熱する低温熱処理を
施して被覆層の元素をインサイチュー線7の内部に拡散
させる。この低温熱処理において、Snの融点(231.9
℃)以上の温度に最初から加熱するとSnの被覆層がイン
サイチュー線7から溶け落ちるので、低温熱処理におい
ては、Snの融点よりも低い温度で、かつ、Snの拡散が進
行し易い温度、即ち、180〜220℃程度の温度で1次加熱
処理を数時間〜数十時間行って被覆層のSnをインサイチ
ュー線7の内部に十分に拡散させて被覆層を消失させる
ことが好ましい。この後に300〜450℃程度の温度で数時
間〜数十時間の熱処理を行ってSnの拡散を促進するとと
もに、インサイチュー線7内におけるCuとSnの不要な化
合物相の生成を抑制してインサイチュー線7の金属基地
を安定なCu−Sn合金相とする。なお、前記低温熱処理に
おいて、450℃より高い温度で熱処理すると、SnとNbの
拡散反応が進行してNb3Snが生成し始め、インサイチュ
ー線7の加工性が低下するので好ましくない。
次に低温熱処理を行った1次撚線導体10を更に複数本
集合し、撚線化して第6図に示す2次撚線導体11を作成
する。この2次撚線導体11を作成する場合、前記低温熱
処理により1次撚線導体9におけるSnの被覆層が消失さ
れてインサイチュー線7の内部にSnが拡散され、インサ
イチュー線7が強化されているので、径の小さなインサ
イチュー線7を使用した場合であっても撚線加工中に断
線することはない。
次いでこの2次撚線導体11を500〜700℃に数十〜数百
時間加熱する拡散熱処理を施し、インサイチュー線7の
内部側に拡散させたSnとNbフィラメントを反応させ、Nb
3Sn超電導金属間化合物のフィラメントを生成させるこ
とによりインサイチュー線7を超電導導体9とすること
により、第6図に示す2次撚線導体11と同等の断面構造
の2次撚線状の超電導撚線12を得ることができる。な
お、拡散熱処理時において、合金層4に含有されている
SnあるいはNi、または、被覆層に含まれているSnが安定
化導体1の内部側にも拡散しようとするが、拡散防止層
3で内部側への拡散を阻止されるので、純Cu製のコア導
体2がSnなどの不要元素で汚染されることがない。な
お、コア導体2がSnで汚染されると極低温におけるコア
導体2の電気抵抗が上昇してコア導体2の安定化導体と
しての性能が低下するので好ましくない。
以上のように製造された超電導撚線は、2次撚線化さ
れた構造であるために、交流用として安定性が高い。ま
た、インサイチュー線7から作成された超電導導体部分
とコア導体2とが高電気抵抗の合金層4で遮断されてい
るので超電導導体部分とコア導体2との間に生じようと
する渦電流損失を低減することができる。更に、インサ
イチュー線7から超電導導体部分を製造しているので、
臨界電流特性に優れ、機械歪を受けても超電導特性の劣
化が少ないなど機械強度の面でも優れている。
従って前記構造の超電導撚線は超電導発電機の界磁巻
線用などとの交流用として好適である。
ところで、前記の例では、2次撚線導体11を拡散熱処
理したが、1次撚線導体10に拡散熱処理を施して超電導
金属間化合物を生成させて超電導撚線を製造しても良い
のは勿論である。
なお、前記の例においては、超電導導体部分をインサ
イチュー線7を用いて形成したが、Nbの芯材にSnパイプ
を被せて縮径する操作を複数回行って製造した複合多心
線をインサイチュー線7の代用として用いても良いのは
勿論である。
更に前記の例においては、本発明の方法をNb3Sn系の
超電導撚線の製造方法に適用した例について説明した
が、本発明の方法をV3Ga系、Nb3Ge、Nb3Alなどの化合物
系超電導撚線の製造方法として適用できることは勿論で
ある。
「実施例」 Cu−40wt%Nbの組成を有する棒状のインサイチューイ
ンゴットを溶製し、これに鍛造加工と押出加工と線引加
工を施し、更にその外周面に厚さ8μmのSnメッキ層を
被覆して直径0.2mmのインサイチュー線を得た。また、
純度99.9%の無酸素銅製のコア導体の周囲にNb層とCu−
Ni合金層を被覆してなる直径1.3mmの安定化導体を用意
し、この安定化導体の周囲に前記インサイチュー線を成
形撚線化して1次撚線導体を作成した。
この後N2ガス雰囲気中において180℃で96時間加熱し
た後に、400℃で48時間加熱する低温熱処理を行ってイ
ンサイチュー線の内部にSnを拡散させてインサイチュー
線の一体化を行った。
この後に前記1時撚線導体を第3図に示すように5本
用いて2次撚線化を行い厚さ3mm、幅5mmの2次撚線導体
を得た。この2時撚線導体を製造する場合、インサイチ
ュー線の断線は生じなかった。また、この2次撚線導体
においては、巻線加工を容易に行うことができた。
前記巻線加工後、500〜550℃に150〜200時間加熱する
Nb3Sn生成用の拡散熱処理を施して高流用のNb3Sn超電導
撚線を得ることができた。
「発明の効果」 以上説明したように請求項1に記載した発明によれ
ば、線材と被覆層からなる複合素線を撚線加工する場
合、あるいは、前記複合素線を撚線化した撚線導体を更
に撚線加工する場合において、撚線加工の前に低温熱処
理によって複合素線と被覆層を一体化して強化してから
撚線加工するので、複合素線あるいは撚線導体を断線さ
せることなく撚線加工することができる。
従って超電導発電機の界磁巻線などの交流用として優
れた超電導撚線を製造中に断線させることなく製造する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第6図は本発明方法をNb3Sn径の超電導撚
線の製造方法に適用した一例を説明するためのもので、
第1図は安定化導体の断面図、第2図はインサイチュー
インゴットの断面図、第3図はインサイチュー線の断面
図、第4図はメッキインサイチュー線の断面図、第5図
は1次撚線導体の断面図、第6図は2次撚線導体の断面
図である。 1……安定化導体、2……コア導体、3……拡散防止
層、4……合金層、6……インサイチューインゴット、
7……インサイチュー線、8……メッキインサイチュー
線(複合素線)、9……超電導導体、10……1次撚線導
体、11……2次撚線導体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹下 雅善 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 河野 宰 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−39705(JP,A) 特開 昭54−119681(JP,A) 特開 昭60−250506(JP,A) 特開 昭60−62011(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導金属間化合物を構成する複数の元素
    のうち、少なくとも1つの元素を含む線材に、前記超電
    導金属間化合物を構成する元素のうち、残りの元素を含
    む被覆層を形成してなる複合素線を用意し、この複合素
    線を撚線化したものを更に集合して撚線化する操作を必
    要回数行って撚線導体を作成し、次いでこの撚線導体
    に、超電導金属間化合物を生成させる拡散熱処理を施し
    て超電導撚線を製造する方法において、 前記撚線加工前の複合素線あるいは2回目以降の撚線加
    工を行う前の撚線導体に、超電導金属間化合物を生成さ
    せる拡散熱処理よりも低い温度の低温熱処理を施して被
    覆層の元素を素線内部に拡散させる低温熱処理を行い、
    この低温熱処理の後に更に撚線加工を施し、次いで拡散
    熱処理を施すことを特徴とする化合物系超電導撚線の製
    造方法。
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