JP2749652B2 - 超電導線 - Google Patents

超電導線

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要 松本
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導線のマトリックス組成と構造に関する
ものである。
〔従来の技術〕
従来の超電導線には、例えば第2図に示すように、Cu
−Ni合金マトリックス(1)にNb−Ti合金フィラメント
(2)を複合したもの、あるいは、Cu−Sn合金マトリッ
クス(1)にNb3Sn化合物フィラメント(2)を複合し
たものがある。これらの超電導線において、各フィラメ
ント(2)はマトリックス(1)中において超電導状態
で電磁気的に結合しないフィラメント間隔(3)を保つ
ような構造に配置されている。すなわち、これらの超電
導線はいわゆる多芯線構造をなしている。このフィラメ
ント間隔(3)は、超電導状態直上の温度におけるマト
リックス(1)の比抵抗値に密接に関連していることが
明らかになっている。従来の超電導線は、臨界電流密度
を大きくし、交流損失を小さくし、加工性をよくすると
いう条件を同時に満たすように経験的に設計されていた
が、必ずしも最適な設計がなされていたわけではなかっ
た。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の超電導線の設計には次のような問題点があっ
た。すなわち、 イ)銅系のマトリックス合金はCu−Ni、Cu−MnおよびCu
−Snなどほとんどが純粋配合された二元素合金であり、
まれにNb3Snなど化合物超電導線に対してHc2など超電導
特性を改善する目的で第3元素を添加したもので、いず
れも本来、鋳造性や加工性があまり優れたものではな
く、従って、超電導体との複合加工性にも制約があっ
た。
ロ)銅系合金の合金元素量を減少させ、加工性の向上を
目指すと、マトリックスの比抵抗が低下し、超電導フィ
ラメントが電磁的に結合し、交流損失が増大する。
ハ)逆に、超電導フィラメント間の結合を避けるため間
隔を大きくとると、単位断面積当りのフィラメント量が
低下し、臨界電流密度が低下する。
〔課題を解決するための手段と作用〕
本発明は、臨界電流密度を大きくし、交流損失を小さ
くし、加工性をよくする条件を同時に満たす超電導線を
提供するもので、超電導フィラメントが銅系合金マトリ
ックスに埋め込まれた超電導線において、銅系合金はM
n、Si、Feの元素を含み、それら合金元素の含有量は銅
系合金の室温における比抵抗Z(Ωm)が2×10-8Ωm
以上、65×10-8Ωm以下になる条件を満たし、超電導フ
ィラメントの間隔は であることを特徴とする超電導線。
ここで、Zは次式より算出されるものとする。すなわ
ち、 Z(Ωm)=1.68×10-8+1.2(3xMn+6xSi+10xFe
×10-8 ただし、xMn、xSiおよびxFeはそれぞれ、Mn、Siおよ
びFeの重量%を示し、0.05≦xMn+xSi+xFe≦5.0とす
る。
本発明は、超電導線の銅合金マトリックスの合金元素
の種類および含有量を網羅的に変えて実験した結果に基
づいたものである。すなわち、室温における比抵抗Zと
合金元素の含有量とのリニアな関係を実験的に定め、合
金元素の含有量はZが2×10-8Ωm〜65×10-8Ωmの範
囲に入るように定め、超電導フィラメントの間隔は にすることにより、超電導線設計上の問題点を解決して
いる。ここで、Zが2×10-8Ωm以上、65×10-8Ωm以
下である理由は、Zが2×10-8Ωm以下では、通常の直
流用超電導線(純銅マトリックス)のようにマトリック
ス抵抗が低く、フィラメント間の結合が大きいためフィ
ラメントが近接できず、臨界電流を高く設計することが
できないからである。また、65×10-8Ωm以上では、伸
線などの冷間加工性に劣り、特にサブミクロンの極細線
を得るために中間焼鈍などを必要とし、フィラメントと
の界面反応で加工性が劣化するからである。
また、超電導フィラメントの間隔が である理由は、超電導マグネットを経済的なスピードで
励磁することや、パルスあるいは交流用に超電導線を広
範囲に利用するためである。それ以下では、超電導フィ
ラメントが結合し、本来の多芯線構造はもはや意味をな
さず、一体化して単芯線的に振舞うため、急速な励磁や
交流的用途には全く適合しなくなる。
また、0.05≦xMn+xSi+xFe≦5.0であれば、冷間加工
性に優れ、フィラメント間の電磁的結合を小さくするに
有効な元素の集団であり、サブミクロンフィラメント域
では臨界電流密度の低下を防止する作用がある。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について説明する。
第1表は本発明の実施例に用いた4種と比較例に用い
た7種の銅系合金の構成元素を示したものである。
真空溶解炉によって合金No.1〜11の合金を溶製し、均
一化焼鈍後、800℃×1hr加熱し、55mmφの押出材とし
た。この材料とNb−50wt%Ti合金およびOFC銅を用いて
3回スタック方式によって断面比がCu:銅合金:NbTi合金
=1:4:1になるように複合した。NbTi合金の芯数は約417
00本であり、線外径0.5mmφ(ツイストピッチ4mm)およ
び0.1mmφ(ツイストピッチ0.8mm)の線材を用いて加工
性の試験および交流損失の測定を行った。その結果を第
2表に示す。なお、これらの線材は外径1mmφで380℃×
2hの熱処理が施されている。
これらの結果より以下のことが明らかになった。すな
わち、 イ)比較例である合金No.1、2、3、4は伸線工程での
断線が多く、ツイスト加工での加工性が悪く、線径の15
倍以下のピッチでツイストすることができない。
ロ)実施例である合金No.5、6、8、9は他に比較して
加工性に優れている。
ハ)3種類以上の元素を含む実施例である合金No.5、
6、8、9では、加工性が良好であり、NbTiフィラメン
ト径が均一である(0.5mmφ線で約1μm、0.1mmφ線で
約0.2μm)。さらに、フィラメントの計算間隔が0.1mm
φ線の場合の実測値(約148nm)より低いため、フィラ
メントは互いに独立しており、線径が0.5mmφおよび0.1
mmφの交流損失P0.5とP0.1の比が理論値の5に近い値を
示す。他の合金では、予測されるフィラメント間隔から
推測すると、フィラメントは互いに独立しているはずで
あるが、0.1mmφ線材での測定結果は交流損失が大き
く、フィラメントが実質に結合していることを示す。
第1図は本合金No.5〜11におけるMnおよびSiの組成分
布を示し、望ましい組成範囲は0.05<xMn+xSi<5.0で
あることを示している。なお、純二元系では加工性が悪
化するため、Mn、Siの両元素とも若干量は必要である。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、マトリックスを
なす銅系合金はMn、SiおよびFeの元素を含み、それら元
素の含有量は所定の計算式により算出された室温におけ
る比抵抗値が一定の範囲内に入る条件を満たし、超電導
フィラメントの間隔は前記比抵抗値から定まる所定の値
以上であるため、複合加工性が向上し、交流損失が低下
するという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にかかる超電導線の銅合金マトリックス
の組成範囲を示す図、 第2図は従来の超電導線の断面図である。 1……マトリックス、2……フィラメント、3……フィ
ラメント間隔。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導フィラメントが銅系合金マトリック
    スに埋め込まれた超電導線において、銅系合金はMn、S
    i、Feの元素を含み、それら合金元素の含有量は銅系合
    金の室温における比抵抗Z(Ωm)が2×10-8Ωm以
    上、65×10-8Ωm以下になる条件を満たし、超電導フィ
    ラメントの間隔は、 0.0625×1/√Znm以上であることを特徴とする超電導
    線。 ここで、Zは次式より算出されるものとする。すなわ
    ち、 Z(Qm)=1.68×10-8+1.2(3xMn+6xSi+10xFe)×
    10-8 ただし、xMn、xSiおよびxFeはそれぞれ、Mn、SiおよびF
    eの重量%を示し0.05≦xMn+xSi+xFe≦5.0とする。
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