JPH0384815A - 交流用Ｎｂ↓３Ｓｎ多芯超電導線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、たとえばパルス用途や商用周波数用途に用
いられるトランス、発電機、および限流器などにおける
Ｎｂ３Ｓｎ超電導マグネット用線材に関するものである
。

［従来の技術］ Ｎｂ３Ｓｎ線材は、化合物系の超電導マグネット用線材
としてこれまで多く用いられているが、はとんどのもの
は直流用途であり、パルス用途や商用周波数用途では現
在のところほとんど使用されていない。超電導発電機や
交流機器用途にＮｂ３Ｓｎ線材を用いる場合には、Ｎｂ
Ｔ　ｉ線材と同様に、低交流損失化を図る必要がある。

このような低交流損失化のためには、交流損失すなわち
、ヒステリシス損失と結合損失の低減が必要となる。

ヒステリシス損失の低減には、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント
を１ミクロン以下、すなわちサブミクロン化することが
必要となり、結合損失の低減にはマトリックスの高抵抗
化が必要となる。Ｎｂ３Ｓｎ線材では、マトリックスと
してＣｕ−Ｓｎ合金が使用され、この合金はＣｕ−Ｎｉ
合金と同程度の高い抵抗を有している。このため、Ｎｂ
３Ｓｎ線材における低交流損失化の第１の問題は、フィ
ラメントのサブミクロン化となる。

Ｎｂ３Ｓｎ線材においては、ブロンズ法、インサイチュ
ー法、外部拡散法、内部拡散法、Ｎｂチューブ法、およ
び粉末法など種々の製造方法が開発されている。いずれ
の製造方法においても、最終線径においてＮｂ３Ｓｎを
生成させるための熱処理を施すことが必要である。した
がって、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントのサブミクロン化は、
熱処理前のＮｂフィラメントをサブミクロン化しておく
ことが前提となる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の製造方法では、以下のような問題
があった。

すなわち、ブロンズ法では、加工工程において中間焼鈍
が必要であるが、この中間焼鈍の際にＮｂとＳｎ化合物
形成され、フィラメントが不均質に変形されてしまうの
で、サブミクロン化が困難であった。

また、インサイチュ−法や粉末法では、フィラメントが
本質的に相互に分離していないため、設計フィラメント
径より実際の電磁気的なフィラメント径、すなわち有効
フィラメント径が大きくなリサプミクロン化が図れない
という問題があった。

また、内部拡散法や外部拡散法では、Ｎｂ３Ｓｎ形成の
熱処理の際にフィラメントが相互に接触し、有効フィラ
メント径が大きくなりサブミクロン化が図れないという
問題点があった。

さらに、Ｎｂチューブ法では、Ｎｂ内にＳｎを配置させ
る構造であるため３Ｓｎ自体をサブミクロン化する必要
があるが３Ｓｎの加工性が悪いため本質的にサブミクロ
ン化を図ることができないという問題点があった。

それゆえに、この発明の目的は、フィラメント径のサブ
ミクロン化を図り、交流損失を減少させた交流用Ｎｂ３
Ｓｎ多芯超電導線を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明のＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線は３ＳｎまたはＳｎ
合金部のまわりのＣｕまたはＣｕ合金中に複数のＮｂフ
ィラメントが埋込まれた構造を有しており、熱処理によ
ってＮｂフィラメントにＳｎを拡散させＮｂ３Ｓｎを形
成させるＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線であり、Ｎｂフィラメ
ント径が１μｍ以下であり、かつＮｂフィラメント間の
間隔がＮｂフィラメントの径の１７２以上であり、Ｎｂ
ａＳｎ形成のための熱処理の温度を７００℃以下とする
ことを特徴としている。

この発明において、マトリックスにおけるＣｕに対する
Ｓｎ濃度は１０ｗｔ％以下であることが好ましい。Ｓｎ
濃度が１０ｗｔ％を越えると、有効フィラメント径が急
激に増大する傾向にあるからである。

また、この発明において３ＳｎまたはＳｎ合金部の直径
は３０μｍ以下であることが好ましい。

ＳｎまたはＳｎ合金部の直径が３０μｍを越えると、線
材としての加工性が悪くなり、またＮｂフィラメントへ
のＳｎの拡散距離が長くなり、均一にＳｎを分散させる
のが難しくなるからである。

また、この発明においては、ＮｂフィラメントとＳｎま
たはＳｎ合金部との距離は５０μｍ以下であることが好
ましい。５０μｍを越えると、ＣＵまたはＣｕ合金中で
のＳｎの拡散が不十分となる場合があるからである。

［発明の作用効果］ この発明の交流用Ｎｂ３Ｓｎ多芯超電導線では、Ｎｂフ
ィラメントの径を１μｍ以下としているため、交流損失
が低く、またＮｂフィラメント間の間隙がＮｂフィラメ
ントの径の１／２以上であるため、Ｎｂフィラメント間
の電磁的な結合を防止して、有効フィラメント径を小さ
くすることができる。また、熱処理温度を７００℃以下
としているため、大きな臨界電流密度を示す。

したがって、この発明に従うＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線は
、パルス用途や商用周波数用途の超電導マグネット用線
材として有用なものである。

［実施例コ 第１図は、この発明の実施例のＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線
の全体を示す断面図である。第１図を参照して、Ｎｂ３
Ｓｎ多芯超電導線１は、ＣｕまたはＣｕ合金マトリック
ス２中に７本の２次スタック３を配置して構成されてい
る。

第２図は、第１図のＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線中の２次ス
タックを示す断面図である。第２図を参照して、２次ス
タック３は、ＣｕまたはＣｕ合金マトリックス４中にお
いて３ＳｎまたはＳｎ合金部６のまわりに６本の１次ス
タック５を配置させることにより構成されている。

第３図は、第２図の２次スタック中の１次スタックを示
す断面図である。第３図を参照して、１次スタック５は
、ＣｕまたはＣｕ合金マトリックス７中に多数のＮｂフ
ィラメント８を配置することにより構成されている。

この、ようにして構成された線材を熱処理すると、マト
リックスを通りＳｎが拡散しＮｂフィラメント８との間
で拡散反応を生じてＮｂ３Ｓｎを形成する。

この実施例においては、表１に示すように、大きく分け
て２種類のＡおよびＢのＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線を作製
した。Ａの試料では、１６９本のＮｂフィラメントを配
置した１次スタックを３ＳｎまたはＳｎ合金部のまわり
に６本配置して２次スタックを構成した。この２次スタ
ックをさらに７本束ねてそのまま素線として用いたもの
と、７本撚合せたものとを作製した。マトリックスとし
ては、Ｃｕ−６，２ｗｔ％Ｓｎを用い、Ｎｂフィラメン
ト径に対し、Ｎｂフィラメント間の間隔を１７２となる
ようにした。

一方、Ｂの試料では、同じく１６９本のＮｂフィラメン
トを配置した１次スタックを３ＳｎまたはＳｎ合金部の
まわりに６本配置して２次スタックを構成した。この２
次スタックをさらに７本束ねてそのまま素線として用い
たものと、７本撚合せたものとを作製した。マトリック
スとしてはＣｕ−５，８ｗｔ％Ｓｎを用い、Ｎｂフィラ
メント径に対し、Ｎｂフィラメント間の間隔を１とした
。

表１に示すように、線径Ｑ、１ｍｍの素線を７本の撚り
線とするか、あるいは線径０．２ｍｍの素線をそのまま
素線として用いるかにより、ＡおよびＢのそれぞれにつ
いて試料記号Ａ−１，Ａ−２および試料記号Ｂ−１，Ｂ
−２の４種類を作製した。

試料記号Ａ−１では、Ｎｂフィラメント径０゜４μｍ、
、Ｎｂフィラメント間隔０．　２μｍとなるように１次
スタックを構成した。２次スタックでは、この１次スタ
ック６本を３Ｓｎコア径７μｍのＳｎまたはＳｎ合金部
のまわりに配置した。さらに２次スタックを７本束ねて
素線を製作し、０゜１ｍｍまで伸線した後、ツイストピ
ッチ１．０ｍｍとなるようにツイストを施した線径０．
１ｍｍの素線を構成し、この素！！ｊ！７本を撚ピッチ
３．　０ｍｍとなるように撚合せている。

同様に試料記号Ｂ−１では、Ｎｂフィラメント径０．３
μｍ５Ｎｂフイラメント間隔０，３μｍとなるように１
次スタックを構成した。２次スタックでは、この１次ス
タック６本をＳｎコア径７μｍのＳｎまたはＳｎ合金部
のまわりに配置した。

さらに２次スタックを７本束ねて素線を製作し、０．１
ｍｍまで伸線した後、ツイストピッチ１゜Ｏｍｍとなる
ようにツイストを施した線径０．　１ｍｍの素線を構成
し、この素線７本を撚ピツチ３゜０ｍｍで撚合せている
。

試料記号Ａ−２では、Ｎｂフィラメント径Ｏ３８μｍ、
Ｎｂフィラメント間隔０．４μｍとなるように１次スタ
ックを構成した。２次スタックでは、この１次スタック
６本をＳｎコア径１４μｍのＳｎまたはＳｎ合金部のま
わりに配置した。さらに２次スタックを７本束ねて素線
を製作し、０゜２ｍｍまで伸線した後、ツイストピッチ
２．０ｍｍとなるようにツイストを施した線径０．２ｍ
ｍの素線を構成し、この素線をそのまま用いて評価した
。

また試料記号Ｂ−２も同様に、Ｎｂフィラメント径０，
６μｍ５Ｎｂフイラメント間隔０．６μｍとなるように
１次スタックを構成した。２次スタックでは、この１次
スタック６本をＳｎコア径１４μｍのＳｎまたはＳｎ合
金部のまわりに配置した。さらに２次スタックを７本束
ねて素線を製作し、０．２ｍｍまで伸線した後、ツイス
トピッチ２．０ｍｍとなるようにツイストを施した線径
０．２ｍｍの素線を構成し、この素線をそのまま用いて
評価した。

表 １ ■原子比による評価 Ｎｂ３Ｓｎ形成反応を定量的に調べるため、試料Ａ−２
およびＢ−２のそれぞれの組成について熱処理後のＮｂ
３ＳｎフィラメントについてＥＤＸ分析を行なった。第
４図は、このＥＤＸ分析結果を示す図である。この分析
においては、ＮｂとＳｎで１００％構成されたとして原
子比を定量分析している。分析したフィラメントは、１
６９本の１次スタックの中心部にあるものである。

第４図から明らかなように、５００℃ではＮｂが９０〜
１００％３Ｓｎが０〜１０％であるが、熱処理温度が高
くなるにつれて、Ｎｂの比率が減少し３Ｓｎの比率が増
加している。７００℃の熱処理で、Ｎｂ：５ｎ−３：１
となり、７００℃においてほぼ完全にＮｂ３　Ｓｎフィ
ラメントが形成されていると考えられる。このことから
、サブミクロンのフィラメント径を有するＮｂ３Ｓｎ線
材においては、７００℃の熱処理で十分であり、従来行
なわれてきた熱処理温度より低いところに最適の値が存
在することがわかった。

■　臨界電流特性 試料Ａ−１、Ａ−２、Ｂ−１およびＢ−２について、そ
れぞれ熱処理温度を変化させて熱処理し得られた線材に
ついて臨界電流密度を測定して、臨界電流密度の熱処理
温度依存性を検討した。熱処理温度は、５００℃、５５
０℃、６００℃、６５０℃、７００℃、および７５０℃
に変化させた。

臨界電流密度の測定は、液体ヘリウム中で４端子法によ
り行なった。試料はスパイラル状とし、０゜５Ｔの磁界
の方向は垂直な方向とした。臨界電流密度は、Ｎｂフィ
ラメントの面積がＮｂ３Ｓｎになったと仮定して、Ｃｕ
およびＳｎの部分はマトリックスとして計算した。臨界
電流値の定義は線材あたり１μｖ　／　ｃ　ｍで求めた
。

第５図は試料Ａ−１およびＡ−２における臨界電流密度
の熱処理温度依存性を示す図である。第５図に示される
ように、試料Ａ−１およびＡ−２ともに臨界電流密度は
熱処理温度の上昇とともに増加する。試料Ａ−１では、
６５０℃で最大値をとった後減少する。一方試料Ａ−２
では６５０℃から７５０℃までほぼ一定の値を維持する
。

第６図は、試料Ｂ−１およびＢ−２の臨界電流密度の熱
処理依存性を示す図である。第６図に示されるように、
試料Ａ−１およびＡ−２とほぼ同様な傾向を示しており
、試料Ｂ−１は６５０℃で最大値をとった後減少するの
に対し、試料Ｂ−２は６５０℃から７００℃まで少し増
加する。

以上の結果から明らかなように、熱処理条件としては、
６５０℃から７００℃が最適であることがわかった。

■　交流損失特性 試料Ａ−１、Ａ−２、Ｂ−１およびＢ−２のそれぞれに
ついて、熱処理温度を代えて熱処理し、交流損失におけ
る熱処理温度の依存性を検討した。

Ｍ７図は、このようにして得られた交流損失の熱処理温
度依存性を示す図である。損失値は１サイクルあたりの
値を示している。

試料Ａ−２の場合、損失値は熱処理温度が高くなるほど
、ともに増加し、７５０℃まで増加する。

試料Ａ−１では、６００℃で４０　ｋ　Ｊ　／　ｍ　”
の最大仏をとった後、７５０℃までほぼ一定の値を維持
する。

試料Ｂ−２では、６５０℃で、試料Ｂ−４では７５０℃
でともに損失値は一度飽和するが、熱処理温度の上昇と
ともに再び増加する。しかし、損失の絶対値は、試料Ｂ
−１およびＢ−２の方が、試料Ａ−１および試料Ａ−２
よりも小さく、特に、試料Ｂ−２の場合には１桁も低い
値を示している。

以上の結果から、損失値とフィラメント径、フィラメン
ト間隔には相関関係があり、フィラメント間隔が狭くな
るほど損失値が大きくなることがわかる。また、損失値
の増加は、主として臨界電流密度の増加に見られるよう
な、Ｎｂ３Ｓｎ相の増加によるものと考えられるが、６
５０℃以上で、臨界電流密度はほぼ飽和しているにもか
かわらず、試料Ａ−２、試料Ｂ−１、および試料Ｂ−２
の損失値は増加している。この原因は、フィラメント相
互の密着による有効フィラメント径の増大によるものと
考えられる。

■　有効フィラメント径の評価 試料Ａ−１、Ａ−２、Ｂ−１、およびＢ−２の４種につ
いて、各熱処理温度における有効フィラメント径を算出
した。有効フィラメント径（ｄｅｎ）は、 Ｑｒ″″　８　°ｄｅ　９　ｊ　−Ｊ　ｃ　（Ｂ）　・
８ｍ３π において、Ｂｍが±０．５７の三角波の振幅の場合につ
いて求めた。ＪＣ（Ｂ）は、０．５Ｔと１゜０Ｔのそれ
ぞれの熱処理温度におけるＪｃの磁界依存性の実測値を
もとに次式により近似した。

第８図には試料Ａ−２およびＢ−２の結果を、第９図に
は試料Ａ−１およびＢ−１の結果をそれぞれ示した。第
９図から明らかなように、試料Ａ−１では、５５０℃以
上の熱処理において、有効フィラメント径は約９μｍで
一定となった。これに対し試料Ｂ−１では、熱処理温度
の上昇とともに増加し、７５０℃の熱処理で約５μｍと
なった。

９μｍの値は、試料Ａ−１のフィラメント設計値の０．
４μｍに対しおよそ２５倍の値であり、１次スタックの
径にほぼ等しい値である。このことは、フィラメント間
隔が狭いために、１次スタックが５５０℃以上の低温熱
処理において、既に電磁的に結合していることを示して
いる。また、試料Ｂ−１では、フィラメント間隔が広い
ために、電磁的な結合が熱処理温度の上昇とともに次第
に発生しているものと考えられる。

一方第８図から明らかなように、試料Ａ−２は、熱処理
温度の上昇に伴い有効フィラメント径が増加し設計値よ
り大幅に増加している。試料Ｂ−２では、約１μｍで飽
和し、設計フィラメント径のおよそ２倍の値となった。

以上の結果から明らかなように、試料Ｂ−２以外の試料
は、熱処理とともにフィラメント相互の電磁的な結合が
発生し、有効フィラメント径の増大による損失値の増加
を生じさせることがわかった。特にフィラメント間隔が
狭い場合には、５５０℃〜６００℃の低温熱処理におい
ても、損失の増加が発生する。試料Ｂ−２では、有効フ
ィラメント径はほぼ設計フィラメント径と一致すること
がわかった。このことから、フィラメント間隔をフィラ
メント径の１／２以上に、好ましくは同じ大きさにする
ことが有効フィラメント径を低減し、設計値に近づける
のに有効であることが明らかとなった。

以上の実験結果から明らかなように、Ｎｂフィラメント
の径を１μｍ以下とし、Ｎｂフィラメント間の間隔をＮ
ｂフィラメント径の１／２以上とし、熱処理温度を７０
０℃以下とすることにより、有効フィラメント径が小さ
く、低交流損失化の図られた交流用Ｎｂ３Ｓｎ多芯超電
導線とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例のＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線
の全体を示す断面図である。 第２図は、第１図のＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線中の２次ス
タックを示す断面図である。 第３図は、第２図の２次スタック中の１次スタックを示
す断面図である。 第４図は、Ｎｂ３ＳｎフィラメントのＥＤＸ分析結果を
示す図である。 第５図は、試料Ａ−１およびＡ−２における臨界電流密
度の熱処理温度依存性を示す図である。 第６図は、試料Ｂ−１およびＢ−２における臨界電流密
度の熱処理温度依存性を示す図である。 第７図は、交流損失の熱処理温度依存性を示す図である
。 第８図は、試料Ａ−２およびＢ−２における有効フィラ
メント径の熱処理温度依存性を示す図である。 第９図は、試料Ａ−１およびＢ−１における有効フィラ
メント径の熱処理温度依存性を示す図である。 図において、１はＮｂ３Ｓｎ多芯超電導線、２はＣｕま
たはＣｕ含金マトリックス、３は２次スタック、４はＣ
ｕまたはＣｕ合金マトリックス、５は１次スタック、６
はＳｎまたはＳｎｎ全全部７はＣｕまたはＣｕ合金マト
リックス、８はＮｂフィラメントを示す。 ！Ｉ！１図 第２図 第３図 （１−’、ｂｙ’ｌＡ 第４図 Ｔ（’Ｃ） 第５囚 Ｔ　Ｃ”Ｃ＞ 第６図 丁（１） 第７図 Ｔ（’Ｃ） 第８図 Ｔ（”Ｃ） 第９図 Ｔ（”Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳｎまたはＳｎ合金部のまわりのＣｕまたはＣｕ
   合金中に複数のＮｂフィラメントが埋込まれた構造を有
   し、熱処理によって前記ＮｂフィラメントにＳｎを拡散
   させＮｂ＿３Ｓｎを形成させる交流用Ｎｂ＿３Ｓｎ多芯
   超電導線において、前記Ｎｂフィラメント径が１μｍ以
   下であり、かつ前記Ｎｂフィラメント間の間隔がＮｂフ
   ィラメントの径の１／２以上であり、Ｎｂ＿３Ｓｎ形成
   のための前記熱処理の温度を７００℃以下とする、交流
   用Ｎｂ＿３Ｓｎ多芯超電導線。