JPS5840286B2 - 高抗張力アルミニウム安定化超電導線の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高磁界、抗張力が卓越する環境下において、高
純度アルミニウムが極低温で固有に持つ高電気導電性、
高熱導電性及び磁気抵抗効果飽和特性を超電導線の安定
化に十分生かし、かつ従来困難とされてきた抗張力の低
さを実用強度１で持たせた高抗張力アルミニウム安定化
超電導線の製造方法に関するものである。

先に本発明者等はアル□ニウム被覆加工中の“流れ現象
“を防止し、均一断面積を持つアルミニウム安定化被覆
超電導線の製造方法を提供した（特許第６７７９１６号
）。

この内容は高純度アルミニウムパイプ中に３本以上の超
電導線を挿入し、さらにアルミニウムパイプの外周をア
ルミニウムより硬い金属で被覆し、これを線引加工によ
って超電導線とアル□にうむを密着させた後、化学処理
によって外周の金属を溶解除去し、アルミニウム安定化
被覆超電導線を得る製造方法である。

しかしながら、この方法においてもアルミニウムと超電
導線を線引加工により密着せしめる点並びに化学処理に
より外周の金属を溶解除去する点において高度な技術を
必要とし、容易に希望する超電導線が得られるものでは
なかった。

また、超電導の芯線を多数本同時に加工することは高純
度アルミニウムが本来持つ柔軟さ及び低い抗張力性から
して相当困難とされている。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、高純度ア
ルミニウム・マトリックス中にアルミナを均一に分散さ
せた分散型強化合金は、高純度アルミニウムが極低湛下
でもつ電気伝導及び熱伝導の有益な特性に殆ど影響を及
ぼすことがなく、従来から有していた磁気抵抗効果飽和
特性は勿論、高い抗張力が得られ、しかもこれを超電導
安定化材として用いると従来の銅と同等あるいはそれ以
上の加工容易性を有してむり、同時に多数本の芯線を母
体に埋込み一体加工ができるなどの利点を見出し、かか
る知見に基づいて完成させたものである。

ここで、本発明で示すアルミニウムとは高純度のアルミ
ニウムであり、極低温での残留抵抗率が５×１０−８８
・机以下のものを指し、アルミナを分散させるとは高純
度アルミニウム粉末を成形圧縮し、融点近くで再溶解さ
せ、この結果、アルミナ（自然発生的なもの）を均一に
分散させたものをいう。

また、超電導体（超電導線）と一体加工を施すとは超電
導体とマトリックスを電気的、熱的にも完全に結合させ
る加工を施し、例えば同時線引である。

超電導体は公知のように熱伝導度が１０−３〜１０−２
Ｗ／Ｃｍ・ｄｅｇ と低いので、高電流密度の超電導電
流が磁化熱、磁束ジャンプ、その他の発熱に基因して過
渡的あるいは部分的に常電導転移し、かかる事態が生じ
ても高い電気及び熱伝導を有する常電導メタルを埋込ん
で、安定性を維持する方法はよく知られている。

特に常電導メタルとして高純度の銅が用いられてきた。

ところが第１図に示すように、磁界が増すにつれて電気
抵抗が著しく増加する、所謂磁気抵抗効果が非常に大き
く、例えば超電導電磁石の母材として考えた場合、磁界
零では所望する電気伝導を有していても、高磁界にシフ
トするにつれ１桁程度あるいはそれ以上も抵抗率が増加
する場合がある。

このことは発生する磁界の値によって母材の銅を増加せ
しめなくてはいけないという電磁石設計上の困難性が生
じる。

さらに問題なことは同図のように、高純度の銅を使えば
使う程磁気抵抗効果による抵抗の増加がより著しく、高
純度による電気・熱の良好な特性も高磁界環境下では増
加する抵抗により殆ど相殺されてし１うのである。

これらの事柄に対処して高磁界発生用超電動電磁石を銅
安定化にて作ろうとすれば、過剰な銅を使わなければ高
磁界不安定性が生じるため、超電導電磁石の重量は非常
に大きなものとなる。

一方、高純度アルミニウムは第１図から明らかなように
、高磁界の雰囲気中でも磁界零の２倍程度になるのみで
、磁界が増加しても変化しない飽和特性を示し、さらに
この事実はアルミニウムの純度によらないものであるこ
とが解かる。

このように高純度アルミニウムを高磁界用の安定化母材
に使用すれば設計が簡易のみならず、母材の量が著しく
逓減でき、同時に超電導電磁石の全重量も大きく軽減し
得る。

例えば超電導芯線の密度をｄｓ （ｋ１９／ｍ” ）、
缶材の密度をｄｍ （ｋｇ／ｍ” ）とし、母材と芯線
材の断面比をＶａ−にとし、抵抗率をｐ（ρ・ｍ）、長
さをｌ （ｍ）とした時の重量ｍ（ｋｇ）は ｍ−（ｄ３ａ＋ｄｍＡ）ｌ ・・・・”・ （１）と
なる。

筐た、母材の電気抵抗Ｒ（、Ｒ）はＲ＝ ｐ ｌ／Ａ
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（２）となる。

（２）式を（１）式に代入しとなる。

超電導体の安定化理論から等価な電磁石を比較する基準
として、Ｒ＝一定、ｌ−一定およびｐ／に一一定にして
、銅とアルミニウムを安定化材として使用した時の重量
比Ｍは次のように表わせる（但し、超電導体としてはｄ
＝５．９６Ｘ１ ｏ３１＜ｇ／ｍ３のＮｂ−Ｔｉ、
ｄｍ（ＡＩ ） −２，７Ｘ１０”ｋｇ／ｍ”、ｄｍ
（Ｃｕ ） −ｓ、 ９ Ｘ １０ ” ｋｇ／ｍ”
である）。

は常に一定に保たれる関係にあり、ｈ（Ｃｕ）と、ｋ（
ＡＩ）は独立にとれない。

第２図はこの（４）式を図示したもので、この図から明
瞭に理解できる。

この場合、磁気抵抗効果は入っていないが、考えに入れ
るとｐ（Ｃｕ ）／ｐ（ＡＩ ）の太きいものと対応さ
せなげればならないため、さらに重量、体積は大きくな
る。

このように銅に比較し高純度アルミニウムが良好な特性
を有していても使用しなかった理由は前にも述べた如く
、高純度アルミニウムの抗張力の低さ及び極めて柔らか
い物性の為である・。

本発明者等が先の製造方法にむいても、加工技術上の問
題から所謂多芯線を同時に埋込むとか、補強剤なしで高
磁界に使用することはアルミニウムの抗張力の関係でで
きなかった。

高純度アルミニウム安定化超電導線の単線の特性は優れ
ていても、大電流、大エネルギー容量、高磁界などの条
件下では超電導線自身が物理応用上の点で欠点があった
。

すなわち、超電導電磁石が大型化すると、その蓄積エネ
ルギーによる応力を各所に受ける。

その応力を各所に受ける。

その応力は半径方向の圧縮力及び線方向の張力に分かれ
るが、線方向の張力の要求の方が一般的にきびしいので
、ここでは強度の目安として張力のみ検討してみる。

ソレノイド電磁石の場合、電磁石の中心から半径方向に
対しての応力分布は である。

但し、σ（γ）は中心軸上から半径（γ（（ロ））の所
の線方向の応力（ｋｇ／ｃ４ ）、Ｈは磁界（ガウス）
、（ｊλ）はコイル断面の平均電流密度である。

この（５）式から理解されるように、補強剤を用いない
とすれば折角高純度アルミニウムによる安定化により超
電導線の電流密度を上げることに成功しても、通電され
うる電流は電磁石の半径が大きくなるとその応力も半径
に比例しているため、抗張力の限界から大きく制限を受
けることになる。

本発明はかかる欠点を克服するためになされたものであ
る。

すなわち、高純度アル□ニウムが超電導体の安定化に示
す卓越した点は充分生かしつつ、従来短所とされてきた
低い抗張力及び硬度を相当量持たしめ得たものである。

次に、本発明に用いる高抗張力高純度アルミニウムにつ
いて簡単に説明する。

高純度アルミニウムの粉末は特別なことがない限り極く
薄い酸化被膜が生じている。

また、高純度アルミニウムの粉末は粒度（粒の直径）の
違いで（表面積／体積）の比が異なっている。

従って、平均径３７μ及び４４μ径の場合の２例につい
て実施した。

先ず高純度アルミニウムの粉末をゴム容器に充填し、こ
れに静水圧加工を施して一体加工する。

しかる後、各々を６６５℃にて熱処理を行ない、試料Ａ
（３８μ径）、試料Ｂ（４４μ径）を得た。

尚、この熱処理は、周知の高純度アル□ニウムの融点（
約６６０℃）を越えての処理であるから液相状態での処
理である。

従って、この発想が開示された以上、予想されるように
、上記酸化被膜はこの時の体積増により均等に破断され
て均質的にアル□ニウム・マトリックス中に分散してい
くのである。

結果は次の通りである。試料Ａ（３７μ径）・・・・・
・・・・・・・・・・３２に９／ｒｎ４試料Ｂ（４４μ
径）・・・・・・・・・・・・・・２２に９７ｍ１ｔこ
の結果から解るように、試料Ａは銅の強度を上回ってい
る。

また、粉末の径も適宜選択する必要がある。

ここで試料Ａの４．２にでの電気抵抗を計測したら次の
ような結果となった。

上記第１表から十分超電導線の母材として使用に耐える
ことが理解できる。

次に上述した高抗張力高純度アルミニウムを用いた安定
化超電導線について説明する。

第３図ａ。ｂは超電導体１を高抗張力高純度アルミニウ
ム２で被覆した本発明の原理的断面図を示したもので、
ｂ図は複数の超電導体１を複覆したものである。

このように高抗張力高純度アルミニウムで被覆した安定
化超電導線によれば、前述したように高純度アルミニウ
ムの極低温での電気的・熱的に優れた特性を超電導体の
安定化に生かし、かつ高磁界大エネルギー容量の超電導
電磁石に生ずる大きな諸応力にも耐え得る抗張力を持た
せることができる。

次に本発明の実施例の製造方法について第４図から説明
する。

第４図ａのように高抗張力高純度アルミニウム母材２′
に穴３を形成する。

次に同図すのように高純度アルミニウムのロッド４を設
け、高抗張力高純度アルミニウムパイプ５を複数挿入し
、これらを高純度アル□ニウム或はこれ以上の硬度を有
する材料のバイブロに挿入する。

同図すに挿入するパイプ５は、同図Ｃに示すような超電
導体１を高抗張力高純度アルミニウム２で被覆したもの
或は同図ｄに示すような複数（３本）の超電導体１を高
抗張力高純度アルミニウム２で被覆したものを用いる。

なお、この場合、高抗張力高純度アルミニウムパイプに
単に超電導体を挿入してもよいし、また第３図に示した
一体加工を行なった高抗張力アルミニウム安定化超電導
線を挿入してもよい。

この際に磁界の時間変化にともなう不安定性をなくすた
め、適当なピッチで撚りをもたせた状態で上記パイプの
中に挿入することもできる。

次に同図すに示した線引前の複合材を線弓加工を施し、
その後ローラ等にかげて平たくする。

同図ｅは得られた高抗張力アルミニウム安定化超電導線
を示したものである。

同図ｅに示したような平たくした超電導線は超電導電磁
石の占積率を上げることができる。

同図ｆは高抗張力高純度アルミニウムパイプ５を強化線
（例えばステンレス等）７とともに複数本撚合せまたは
編組した断面図で、高抗張力高純度アルミニウムパイプ
５はその外表面８に陽極酸化により電気絶縁が施され、
磁界の時間的変化に対して生ずる結合電流による損失を
低減せしめているもので、パルス的用法若しくは交流的
用法に対してこの種の線が用いられる。

同図ｇは同図ｆと考え方は同一であるが、超電導電磁石
の占積率を上げるためローラ等をかけて平たく加工しで
ある。

なお、これらの加工後、任意の時に陽極酸化被膜処理に
よって強力な電気絶縁性をもつアルミナ膜を形成できる
。

この種の電気絶縁は従来の有機性の絶縁物質（例えばポ
リビニルフォルマール等）に較べて熱伝導が２桁高いう
えに、１桁（く１μ程度で十分）薄いため、特に排熱効
果が従来の絶縁物質に較べて卓越している。

また、この絶縁被膜は有機性のものに較べて放射線及び
中性子線に対しても強いので、核融合炉等の放射線等に
対しても絶縁は有効に作用する。

以上述べたように、本発明によれば従来不呵能とされて
いた高純度アルミニウムの極低湿での電気的・熱的に優
れた特性を超電導体の安定化に生かし、かつ高磁界、大
エネルギー容量の超電導電磁石に生ずる大きな諸応力に
も耐え得る抗張力を持たしめ得ることができる。

また、本発明によって得られる線材は大電流密度、耐高
磁場安定性、軽量性等によう種々の応用が考えられるが
、中でもＭＨＢ発明用電磁石、粒子加速用電磁石、核融
合用電磁石、レーザ用電磁石、パルス電磁石、リニアモ
ータ浮上用電磁石、医療用電磁石、泡箱用ベンデングマ
グネット、飛翔体用マグネット、パワー送電用ケーブル
等その用途は多岐に亘っている。

【図面の簡単な説明】

第１図はＣｕ、ＡＩの磁界と抵抗率の関係を表わした図
、第２図はＣｕ若しくはＡＩが超電導体と一体化した場
合の等価なマグネットに対する抵抗率比と重量比の関係
を表わした図、第３図は本発明の原理的構造の断面図、
第４図は本発明造方法と実施例の断面図である。 １・・・超電導体、２・・・高抗張力高純度アルミニウ
ム、３・・・穴、４・・・ロッド、５，６・・・パイプ
、７・・・強化膜、８・・・外表面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アルミナを含む高純度アルミニウム・マトリクスを
   圧縮し、該アルミニウム・マトリクスを融点を越える該
   融点近傍の湯度で熱処理して高純度高抗張力アルミニウ
   ム均一分散強化型安定化材を作り、該安定化材で超電導
   線を被覆し、これらに一体加工を施すことを特徴とする
   高抗張力アル□ニウム安定化超電導線の製造方法。