JPH0452569B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は素線集合型化合物超電導導体に関し、
特に素線補強構造を改良した素線集合型化合物超
電導導体に係る。 ［従来の技術］ 化合物超電導導体、本来、臨界温度、臨界磁
場、臨界電流密度などの超電導特性が優れてい
る。このため、高磁界用巻線として有望である。 ところで、化合物超電導導体は、合金超電導導
体と異なり、歪みを受けると超電導特性が著しく
劣化するという歪敏感性があつて、通常0.2〜0.6
％以上の歪み領域では使用に耐えない。一方、化
合物超電導導体を使用する側からの要請として、
小さい曲率半径に曲げうること、大電流容量を有
すること、長尺連続大導体であること、コイル中
での補強効果が均一に構成されていることが挙げ
られる。 これらの要請に応えるものとして素線集合型超
電導導体が注目されている。かかる素線集合型超
電導線の代表的な形態は、化合物超電導素線の複
数本の集合体を撚線、編組線、転位線及びこれら
を圧縮成形したものである。 ところが、前記素線集合型化合物超電導導体に
は本質的な欠点として、小さな張力で容易に長
手方向に伸びかつ径方向に収縮するため導体サイ
ズが巻線時等で変化すること、素線間に間〓が
多いので素線の充填率が低いこと、及び導体を
補強体などで所定間隔に締め付けるなどのように
素線が局部的に拘束されるとコイルにした場合、
コイルに発生する強大な電磁力によつて非締め付
部の素線に応力や歪みが集中し、その結果、超電
導特性が著しく低下することが挙げられる。 従つて、集合型化合物超電導導体は、上述した
本質的な欠点を克服した補強構造に対する必要が
ある。 従来の素線集合型化合物超電導導体としては、
以下に説明する６種の構造のものが提案されてい
る。 第１の素線集合型化合物超電導導体は、第１図
ａに示すように補強体１の周囲に複数の超電導素
線２を撚線した構造である。 第２の素線集合型化合物超電導導体は、第１図
ｂに示すように複数の超電導素線２が予め撚線化
された２次素線３を補強体１の周囲に複数撚線し
た構造である。 第３の素線集合型化合物超電導導体は、第１図
ｃに示すように複数の補強素線１′及び複数の超
電導素線２を撚線化し、更にそれらのテープ状補
強体１によつて巻いた構造である。 第４の素線集合型化合物超電導導体は、第１図
ｄに示すように複数の超電導素線２を撚線し、こ
れらを内面に溝４を有する補強体１のケース内部
に収納してハンダ５０などで固めた構造である。 第５の素線集合型化合物超電導導体は、第１図
ｅに示すように、前記第２の導体と同様に複数の
超電導素線が予め撚線化された２次素線３を補強
体１″の周囲に複数撚線した後、これらを一辺が
開放されたコの字型補強体１内に収納した構造で
ある。 第６の素線集合型化合物超電導導体は、第１図
ｆに示すように、複数の超電導素線が予め撚線化
された２次素線３を形成し、複数の前記２次素線
３を側面に冷却孔５を有する管状の補強体１内に
収納した構造である。 ［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前記第１、２の素線集合型化合
物超電導導体では、超電導線２又は２次素数３が
最外層に位置するため絶縁処理工程や巻線工程な
どで外部応力や歪みを受けてしまうという問題が
ある。 前記第３の素線集合型化合物超電導導体では、
線材外部に不連続に補強体１が配置されて長手方
向に凹凸があるため、巻線工程においてコイルの
隣接ターン間でこの凹凸が無秩序に当接し、その
部分に不規則なギヤツプが生じて応力が集中し、
その結果、電流特性が劣化するという問題があ
る。 前記第４〜６の素線集合型化合物超電導導体で
は、外部からの応力や歪みに対する保護機能を有
するが、補強体が切削、型押出しなどの機械加工
により製作されるため厚肉であり、軽量化するこ
とができず過剰の占績率となつて導体全体として
の電流密度がそれだけ低下する。また、補強体が
厚肉であるため巻線工程での可撓性が悪い。更に
機械加工で冷却孔を補強体に多数密に設けるには
限界があり、巻線後のコイルは隣接導体の冷却孔
同士が会合する確立が少ないため冷媒の液体He
やHeガスの通路が隣接導体を連通せず冷却効率
が悪いという問題がある。 更に、前記第１〜６の素線集合型化合物超電導
導体では、いずれも集合導体を構成する素線が各
素線毎に補強されていないため、導体に加わる全
体的な応力や歪みは補強材によつて保護される
が、各素線に加わる局部的な応力や歪みに対して
は無防備である。このため、特に超電導導体をレ
ーストラツク型コイルや鞍型コイルなどの異型コ
イルに使用する場合、各素線に居部的な応力や歪
みを受けるという問題がある。 本発明は、従来の問題点を解決するためになさ
れたもので、機械的強度、可撓性、冷却効率、及
び臨界電流特性等が改善された素線集合型化合物
超電導導体を提供しようとするものである。 ［課題を解決するための手段］ 本発明は、金属マトリツクス中に化合物超電導
体を有する化合物超電導素線の所望本数の集合体
からなる素線集合型化合物超電導導体において、
前記各素線上に少なくとも内面に無機物皮膜を有
するテープ状補強体をそれぞれ突き合せ巻きによ
り設けたことを特徴とする素線集合型化合物超電
導導体である。 以下、本発明の素線集合型化合物超電導導体を
図面を参照して詳細に説明する。 第２図は、本発明の素線集合型化合物超電導導
体に用いる化合物超電導素線の一例を示し、素線
上のテープ増補強体の一部を開いた状態の斜視図
である。即ち、図中の２は、金属マトリツクス２
１中に化合物超電導フイラメント２２を多数内蔵
する多芯の化合物超電導素線である。前記化合物
超電導素線２の周囲に密接して少なくとも内面に
無機物皮膜を有するテープ状補強体１０を突き合
せ巻きになるようにフオーミングすることにより
補強化素線２０となつている。前記テープ状補強
体１０の突き合せ部２３には、数μｍ〜10μｍ程
度の間〓がある。 前記多芯の化合物超電導素線２としては、特に
限定されないが、例えばNb₃Sn又はV₃Caなどの
化合物超電導フイラメントが銅−スズ合金マトリ
ツクス又は銅−ガリウム合金マトリツクスなどの
金属マトリツクス中に多数埋い込まれた構造の
線、更にかかる構造の線の外周又は内部にタンタ
ルなどの拡散防止バリアの薄層を介して高純度
銅、アルミニウムなどの安定化金属層を設けた構
造の線などがある。前記化合物超電導フイラメン
トは、金属マトリツクス中に素線の長手方向に連
続したもの、或いはいわゆるインサンチユ法や粉
末法で造られる不続接なフイラメントであつても
よい。 前記化合物超電導素線の断面形状としては、特
に限定されないが、通常、第２図に示す円形の丸
線のほか、矩形の平角線、台形の異形線などがあ
る。 前記テープ状補強体を構成する材質としては、
非磁性のものが用いられ、例えばステンレス鋼、
銅合金、アルミニウム合金、チタン合金などの単
体又は複合体が用いられる。 前記テープ状補強体の少なくとも内面には、第
２図に示すようにAl₂O₃，MgO，SiO₂，CuOな
どの無機物皮膜２４を設けることが好ましい。こ
れにより、拡散熱処理時に、素線２の金属マトリ
ツクスの表層部などに設けられている安定化高純
度金属が補強体１０の金属によつて汚染されるの
を防止することができる。かかる皮膜２４は補強
体１０の内面に限らず、外面に設けることによ
り、集合型化合物超電導導体の素線相互を電気絶
縁することができる。また、補強体１０の外面に
設けた皮膜はwind and react法でコイルを造る
場合には隣接ターン間の焼結防止のセパレータと
しても機能する。 前記化合物超電導素線の上にテープ状補強体を
突き合せ巻きに設けるには、素線の径が比較的大
きい場合、突き合せ巻きと称されるテーピングに
よつて簡単に巻き付ける。また、素線の径が小さ
く強度が小さい場合、テープ状補強体を素線に縦
添するように一緒にダイに送り込み、ダイを出た
所でツイストを施すことにより、テープ状補強体
を突き合せ巻きに設けることができる。この場
合、素線自体のツイストも同時に行なうことがで
きる。なお、いずれの場合もテープ状補強体を素
線に施す時点は、素線中に化合物超電導フイラメ
ントが未だ形成されていない時、すなわち、化合
物超電導体を形成するための拡散熱処理を行なう
前である。化合物超電導体は歪みに弱いからであ
る。 こうした補強化素線の全体のうち、補強体の占
める比率は、素線の製造家庭、電流容量、超電導
時に受ける磁場強度などによつて異なるが少なく
とも補強化素線の断面積の約25％以上であること
が望ましい。 前記補強化素線は、所望本集合して前述した第
１図ａ〜ｆに示すような素線集合型化合物超電導
導体として用いられる。 本発明に係る素線集合型化合物超電導導体の構
造としては、その集合状態、形状など何ら特定さ
れるものではなく、例えば前記補強化素線の所望
本数からなる撚線、編組線、転位線、これらの圧
縮成形線、又は、かかる撚線、編組線、転位線、
これらの圧縮成形線の芯に更に線又は条状の補強
体を有するもの、或いは、これらの線を２字素線
として上記と同様に撚線、編組線、転位線、圧縮
成形線などを施したもののいずれでもよい。 また、素線集合型化合物超電導導体の断面形状
も何ら特定されるものでないが、円形、だ円形、
矩形、上底と下底の長さが異なる台形（いわゆる
キーストン型）のものが一般的である。特に、大
電流マグネツトコイルには断面矩形の平角線導
体、異型マグネツトコイルには断面台形とキース
トーン型導体が用いられる。 ［作用］ 本発明によれば、金属マトリツクス中に化合物
超電導体を有する化合物超電導素線の所望本数の
集合体からなる素線集合型化合物超電導導体にお
いて、前記各素線上に少なくとも内面に無機物皮
膜を有するテープ状補強体をそれぞれ突き合せ巻
きにより巻きにより設けたことによつて、機械的
強度、可撓性、冷却効率、及び臨界電流特性等が
改善された素線集合型化合物超電導導体を得るこ
とができる。 即ち、Al₂O₃等の無機物皮膜は化合物超電導導
体生成の為の拡散熱処理程度の加熱温度では、焼
結による緻密化が行われず、多孔質であり、化合
物超電導導体において問題とされる0.3％程度の
微小歪みに対しては緩衝材としての作用が期待出
来る。従つて、導体に局部的な応力や歪みが作用
した場合でもテープ状補強体内面の無機物皮膜が
緩衝材として差して、応力や歪みを吸収する為、
各素線本体に局部的な応力や歪みが加わることを
防止でき、素線の機械的強度、臨界電流特性等を
改善できる。 しかも、前記テープ状補強体の肉厚、つまり量
を必要最小限とすることによつて、従来の機械加
工で作られている補強体と比べて大幅に薄肉化、
軽量化でき、導体全体としての電流密度を向上で
きる。 また、前記テープ状補強体の突き合せ部には間
〓があるため、前記各素線を曲げた時に曲げの外
側ではこの間〓が開き、曲げの内側では閉じる。
このため、補強体自体は曲げ歪みをほとんど受け
ず、しわを生じることなく滑らかに湾曲できる。
なお、この間〓を所定間隔に設定すれば、曲げの
内側の間〓が完全に閉じてストツパーの役目を果
たすため、許容曲げ半径より小さい半径に曲げら
れないようにすることもできる。 更に、前記テープ状補強体の突き合せ部の間隔
を液体ヘリウムはヘリウムガスの流出入口として
作用させることができる。 従つて、前記テープ状補強体によつて複数本の
素線の機械的強度が改善され、しかも従来の補強
体の使用によつて付随的に発生した可撓性、冷却
効率、及び臨界電流特性等の低下が改善された素
線集合型化合物超電導導体を得ることができる。 ［実施例］ 以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。 実施例 １ （補強体） 厚さ0.127mm、幅3.4mmのステンレステープの両
面に約10μｍづつアルミナコーテイングを形成し
て補強体を得た。 （素線） Cu−Snブロンズマトリツクス中に4200本のNb
コアを埋め込み、その外側に拡散障壁層として
Ta管を被覆し、更に外側に安定化銅として高純
度銅管を被覆したものに減面加工を施して安定化
銅の占有率40％の外径0.81mmの素線を得た。つぎ
にこの素数１本に上述補強体１枚を添わせるとと
もにピツチ35mmで突き合せ巻きにフオーミング
し、外径1.1mmの補強された素線を得た（この補
強化素線は、拡散熱処理が施されていないため化
合物超電導フイラメントは内蔵されていないもの
である。 （集合型化合物超電導導体とコイルの製造） 次に、別に用意した厚さ0.4mm、幅14mmの外周
がアルミナコーテイングされたステンレステープ
の周囲に、上記の補強された素線30本を撚り合わ
せ、更にロールで圧縮成形し、外寸法（断面で上
底2.0mm、下底2.5mm、両底間の高さ16.5mm）のキ
ーストン型成型撚線を得た。 次に、このキーストン型成型撚線を最小曲げ半
径25mmの鞍型枠に巻線し、固定した後650℃で10
日間拡散処理を行うことにより、各素線内のブロ
ンズマトリツクスとニオブ芯との界面にNb₃Sn化
合物層を形成させた。この後、この鞍型コイルの
外部を金属製カラーで固定した。 比較例 １ 実施例１と同様な外径0.81mmの補強されていな
い素線30本を、予めアルミナコーテイングされた
厚さ0.3mm、幅10mmのステンレステープの周囲に
撚り合せ、更にロールで圧縮成形し、外寸法（上
底1.6mm、下底2.0mm、高さ16.2mm）のキーストン
型成型撚線本体を得た。この本体外部に予めアル
ミナコーテイングされた厚さ約0.12mm、幅５mmの
ステンレステープを突き合せで２層巻きし、外寸
法（上底2.0mm、下底2.5mm、高さ16.5mm）のキー
ストン型成型撚線を得た。 次に、この撚線を実施例１と同様に鞍型枠への
巻線、拡散熱処理、及び金属製カラーによる固定
を行なつてコイルを製造した。 比較例 ２ 実施例１において素線１本毎を補強する補強体
として、厚さ0.127mm、幅3.4mmのステンレステー
プの片面のみに約10μｍのアルミナコーテイング
を形成したものを用い、各素線上に外面のみ無機
物皮膜を有する（内面に無機物皮膜を有しない）
テープ状補強体を設けた以外は実施例１と同様に
方法で、キーストン型成型撚線を得た。 次に、この撚線に実施例１と同様に鞍型枠への
巻線、拡散熱処理及び金属製カラーによる固定を
行つてコイルを製造した。 実施例１及び比較例１、２のコイルの金属製カ
ラーの締付け力を５、10、15、20Kg／mm²の４段階
に変化させてセツトした後、液体ヘリウム中（温
度4.2K）、磁界10のテスラーの条件下で通電試験
を行なつて臨界電流値を測定した。その結果を下
記第１表に示す。

【表】 第１表から明らかなように実施例１のコイル
は、テープ状補強体を素線１本毎に設けなかつた
比較例１並びにテープ状補強体を素線１本枚に設
けたが、該テープ状補強体の内面に無機物皮膜を
形成しなかつた比較例２と比べて締付力を強めた
時の臨界電流値が高まつている。また、上記通電
試験とは別に実施例１と同様の拡散熱処理を行な
つて作製した外径0.81mmのNb₃Sn化合物超電導素
線単独について測定した臨界電流値（at１０テス
ラー）が511Aであり、この測定値から算出した
値（15330A）と実施例１のコイルの測定値とが
ほぼ一致し、良好な臨界電値が得られていること
がわかる。これは、素線１本毎にテープ状の補強
体が突き合せ巻きにフオーミングされているため
金属製カラーなどにより局部的な締付けや電磁力
による応力・歪みに対して十分耐え得る構造とな
つていることによるものである。 更に、実施例１の上記超電導マグネツトコイル
の冷却特性を知るために次の試験を行なつた。 実施例１のコイルにエポキシ樹脂を含浸し、全
素線間などのすべての間〓を充填密封したコイル
について、同条件（液体ヘリウム4.2K中、磁界
10テスラー）下で通電試験を行なつて臨界電流値
を測定したところ7200Aであつた。従つて、実施
例１のコイルは、冷却特性にも著しく優れている
ことがわかる。 なお、上記実施例１では、超電導コイルを
wind and react法によつて造つたが、これに限
られずreact and wind法によつて造ることもで
きる。 ［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれは化合物超電
導素線の機械的補強を簡単な補強体で容易に行え
るのみなわず、可撓製巻線性及び冷却特性を著し
く改善し、更に簡単な補強体であるため必要最小
限の厚さの補強体を用いることができるので導体
の電流密度がそれだけ向上し、更にその上に、短
尺導体で測定して得られた、いわゆる短尺電流特
性と同じ特性がコイルにした場合にも確実に保持
されているので、コイル全体としての電流密度を
大幅に改善できるなど極めて優れた利点を有する
素線集合型化合物超電導導体を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の素線集合型化合物超電導導体を
示し、第１図ａ，ｂ，ｄ，ｅは断面図、第１図
ｃ，ｆは斜視図、第２図は本発明の素線集合型化
合物超電導導体に用いる化合物超電導素線の一例
を示し、素線上の補強体の一部を開いた状態の斜
視図である。 １……補強体、２……超電導素線、３……２次
素線、４……溝、５……冷却孔、１０……テープ
状補強体、２０……補強化素線、２１……金属マ
トリツクス、２２……化合物超電導フイラメン
ト、２３……突き合せ部、２４……無機物皮膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属マトリツクス中に化合物超電導体を有す
   る化合物超電導素線の所望本数の集合体からなる
   素線集合型化合物超電導導体において、前記各素
   線上に少なくとも内面に無機物皮膜を有するテー
   プ状補強体をそれぞれ突き合せ巻きにより設けた
   ことを特徴とする素線集合型化合物超電導導体。