JPH07320563A

JPH07320563A - 交流用超電導導体

Info

Publication number: JPH07320563A
Application number: JP7015875A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Daimatsu; 一也大松; Kenichi Takahashi; 謙一高橋; Hiroyasu Yumura; 洋康湯村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】より少ない素線本数で、より高い交流臨界電
流値を有することができる交流用超電導導体を提供す
る。【構成】ＣｕまたはＣｕ合金マトリックス中にＮｂＴ
ｉ超電導体フィラメントが埋込まれた構造を有する極細
多芯超電導素線２が、Ｃｕ合金からなる芯材１の周囲に
所定の本数配置された一次撚線であり、次式で規定され
る値Ｘが７０（％）を超えることを特徴とする交流用超
電導導体。Ｘ＝Ｉｑ（導体）×１００（％）／Ｉｑ（素線）×Ｙ（Ｉｑ（導体）は液体ヘリウム中０Ｔの条件下で５０Ｈ
ｚの交流を交流用超電導導体に流したときの臨界電流値
であり、Ｉｑ（素線）は液体ヘリウム中０Ｔの条件下で
５０Ｈｚの交流を素線に流したときの臨界電流値であ
り、Ｙは導体を構成する素線の本数である。）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、送電線、限流器、変圧
器および発電機などに使用される交流用超電導導体なら
びにこの超電導導体を用いて作製する超電導コイルに関
する。

【０００２】

【従来の技術】液体ヘリウム温度で用いられる合金系の
交流用超電導線材として、これまでＮｂＴｉ超電導線材
が主に用いられてきている。また、超電導分路リアクト
ルや超電導変圧器に用いられる超電導線として、交流損
失を低減するために超電導フィラメントの径を１μｍ以
下にした交流用ＮｂＴｉ超電導線や交流用Ｎｂ₃Ｓｎ超
電導線が実用化されつつある。

【０００３】一般に、超電導線材を商用周波数の５０／
６０Ｈｚで用いるためには、交流損失を低減する必要が
ある。交流損失は、超電導フィラメントに発生するヒス
テリシス損失、フィラメント間に誘起される結合電流に
よる結合損失、常電導マトリックスに発生する渦電流損
失に分けることができる。ヒステリシス損失は、超電導
フィラメントの径に比例するため、超電導フィラメント
を細径化することにより低減することができる。一般
に、超電導導体を商用周波数にて使用する場合、超電導
フィラメントの直径をサブミクロンのオーダにまで細く
する。また、結合損失は超電導フィラメントのツイスト
ピッチの２乗に比例するため、結合損失を低減するため
にはツイストピッチを短くする必要がある。ツイストピ
ッチは線径に依存するため、線径を細くする必要が生じ
る。一般に商用周波数で使用することを目的とした交流
用超電導線材の線径は、０．１〜０．５ｍｍφ程度とな
っている。

【０００４】このように商用周波数で用いるために交流
損失を低減した超電導線材は、線径が上記のように細径
化されているので、超電導線材１本に流すことができる
電流値は限られてくる。したがって、交流用途の大電流
容量導体を作るには、前述のように細径化された超電導
素線を複数本束ねて撚線とする方法が用いられてきた。

【０００５】たとえば、ＮｂＴｉ超電導体について、
０．２〜０．５ｍｍφの線径の超電導素線を７本撚りし
た一次撚線を作製し、さらにこの一次撚線を７本撚りし
て二次撚線を作製し、超電導変圧器等に用いられる１ｋ
Ａ級超電導導体が開発されている。また化合物系超電導
体では、交流用として０．５μｍ程度のフィラメント径
を有するＮｂ₃Ｓｎ素線が開発されており、この素線を
用いた二次撚線、たとえば０．２ｍｍφの素線を７×７
本撚りした２ｋＡ級撚線導体が開発されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の超電導導体において、大容量の電流を流すために撚り
次数を上げるにつれ、交流臨界電流値が、超電導素線自
体の交流臨界電流値の撚線本数倍をかなり下回ってくる
という問題が生じた。

【０００７】たとえば、ＮｂＴｉ線材の場合、フィラメ
ント径の低減とともに交流損失は数十ｋＷ／ｍ³（０．
５Ｔ，５０Ｈｚ）のレベルまで低減できるが、導体の交
流臨界電流値は直流の臨界電流値と比べて５０％程度ま
で低下する。７×７本撚線等の従来の高次撚線構造で
は、素線に印加される自己磁界が高くなることや、交流
通電時の発熱等に起因して、導体における臨界電流値が
低下する。特に、超電導フィラメントが０．２μｍ以下
と細いＮｂＴｉ線材の場合、わずかの自己磁界でも臨界
電流や臨界温度が低下するようになる。

【０００８】一方、Ｎｂ₃Ｓｎ線材では、フィラメント
の直径が大きいこと、本質的に臨界磁界や臨界温度が高
いことのため、導体の臨界電流は、素線の臨界電流の撚
線本数倍により近い値となる。しかしながら、Ｎｂ₃Ｓ
ｎ線材を用いる場合、交流損失が２００ｋＷ／ｍ
³（０．５Ｔ，５０Ｈｚ）のレベルに達し、１００ｋＷ
／ｍ ³（０．５Ｔ，５０Ｈｚ）以下の交流損失を有する
実用的な超電導導体は開発されていなかった。今後、交
流損失を低減するためにフィラメント径を低減すると、
ＮｂＴｉ超電導線材を用いる場合と同じように素線の臨
界電流が、自己磁界、臨界温度、臨界磁界に敏感にな
り、その結果、導体の臨界電流が低下すると予測され
る。

【０００９】このような従来の超電導導体に従って、超
電導コイルなどの素子をある一定の規格電流値を持たせ
るよう設計する場合、それぞれの素線にかかる負荷をよ
り低く設定する必要が生じるため、導体を構成する素線
の本数は増加し、さらに撚り次数も増加する。このこと
は、導体断面積を増加させ、交流損失の増大を招く。

【００１０】一方、交流用超電導導体では、限流器や発
電機等の電力機器へ適用するため、交流損失が１００ｋ
Ｗ／ｍ³（０．５Ｔ，５０Ｈｚ）以下、好ましくは数十
ｋＷ／ｍ³（０．５Ｔ，５０Ｈｚ）のレベルに抑えられ
ることが必須となる。このためには、超電導素線のフィ
ラメント径が０．２μｍ以下で、臨界電流の低下が少な
い導体を構成することが望まれる。

【００１１】本発明の目的は、上述の問題点を解決し、
より少ない本数の素線でより高い交流臨界電流値を有す
ることができる交流用超電導導体を提供することにあ
る。

【００１２】本発明のさらなる目的は、コンパクトな構
成で高い臨界電流値を有し、交流損失が数十ｋＷ／ｍ³
（０．５Ｔ，５０Ｈｚ）のレベルに抑えられ、ｋＡ級の
臨界電流を有することができる実用規模の交流用超電導
導体を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に従う交流用超電
導導体は、常電導体からなるマトリックス中に超電導フ
ィラメントが埋込まれた構造を有する極細多芯超電導素
線が、常電導体または絶縁体からなる芯材の周囲に複数
本配置して巻付けたものである。

【００１４】より特定的に、本発明に従う交流用超電導
導体は、ＣｕおよびＣｕ合金からなる群から選択される
常電導体からなるマトリックス中にＮｂ系超電導体から
なるフィラメントが埋込まれた構造を有する極細多芯超
電導素線が、常電導体または絶縁体からなる芯材の周囲
に所定の本数配置された一次撚線の構造からなり、次式
で規定される値Ｘが７０（％）を超えることを特徴とす
る。

【００１５】Ｘ＝Ｉｑ（導体）×１００（％）／Ｉｑ（素線）×Ｙ（Ｉｑ（導体）は、液体ヘリウム中０Ｔの条件下で５０
Ｈｚの交流を該交流用超電導導体に流したときの臨界電
流値であり、Ｉｑ（素線）は、液体ヘリウム中０Ｔの条
件下で５０Ｈｚの交流を該素線に流したときの臨界電流
値であり、Ｙは、該交流用超電導導体を構成する該素線
の本数である。）本発明の導体は、一次撚線であり、本発明と同じ本数の
素線を二次撚線または三次以上の高次撚線の形態で有す
る導体よりも、高い交流臨界電流値を有することができ
る。本発明において、Ｘの値は、７０（％）〜１００
（％）であり、好ましくは７５（％）〜１００（％）、
より好ましくは８０（％）〜１００（％）とすることが
できる。

【００１６】本発明の導体では、二次以上の高次撚線に
比べて、各素線に印加される自己磁場が低減され、交流
クエンチ電流密度が向上する。本発明は、従来の構造よ
りも少ない本数の素線で、所望の交流電流値を満足する
超電導導体を提供する。

【００１７】本発明において、超電導素線を構成する常
電導マトリックスとして、ＣｕおよびＣｕ合金の少なく
ともいずれかを用いることができる。Ｃｕ合金として、
Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合
金、Ｃｕ−Ｓｉ合金等を用いることができる。マトリッ
クス中に埋込まれた超電導フィラメントは、ＮｂＴｉ、
ＮｂＺｒ、ＮｂＴａ等のＮｂ合金系超電導体、または、
Ｎｂ₃Ｓｎ、Ｎｂ₃Ａｌ、Ｎｂ₃Ｇｅ、Ｎｂ₃Ｖ等のＮ
ｂ金属化合物系超電導体から構成することができる。１
本の素線中に含まれるフィラメントの本数は、たとえ
ば、数千本〜数百万本とすることができる。

【００１８】また、超電導素線において、フィラメント
の直径は、０．２μｍ以下が好ましく、たとえば０．０
５〜０．２μｍ、より好ましくは０．１〜０．１５μｍ
とすることができる。

【００１９】本発明において、超電導素線におけるツイ
スト方向と複数の超電導素線を芯材の周囲において撚る
方向とは、同一であることが望ましい。また、超電導素
線におけるツイストピッチは、該素線の直径の４〜６倍
が望ましい。

【００２０】超電導素線は、芯材の周囲に１層で配置さ
れることが好ましい。この場合、素線上に積層される素
線はなく、素線はすべて芯材の外周に沿って並べられ
る。芯材の周囲に配置される素線の本数は、たとえば、
１２〜４２本とすることができ、より好ましくは、２４
〜３６本とすることができる。本発明において、導体を
構成する素線が２４本以上になれば、６×６二次撚線
（３６本の素線）よりも高い臨界電流値を本発明の導体
において達成することができる。

【００２１】本発明の導体において、芯材は、常電導体
または絶縁体からなる。常電導体として、たとえば、Ｃ
ｕまたはＣｕ合金が好ましい。Ｃｕ合金として、Ｃｕ−
Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ｓｉ合金等を用いる
ことができる。また、芯材のための常電導体として、Ｓ
ＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼を用いるこ
とができる。ＳＵＳ３０４系合金およびＳＵＳ３１６系
合金からなる群から選択される少なくとも１つの材料を
用いる場合、これらが焼鈍処理された軟化材料を用いる
ことがより好ましい。また、芯材は、素線のマトリック
スと同一組成の材料からなることが好ましい。たとえ
ば、芯材と素線のマトリックスをともに同一の組成を有
するＣｕ合金から構成することができる。一方、芯材
は、絶縁体、好ましくは、ガラス繊維強化プラスチック
（ＧＦＲＰ）等の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から
構成することができる。より好ましい芯材の材料とし
て、Ｎｉを１５重量％〜４０重量％含むＣｕ−Ｎｉ合
金、ＳＵＳ３１６系合金およびＦＲＰからなる群から選
択される少なくとも１つの材料を挙げることができる。

【００２２】より特定的には、本発明において、素線の
マトリックスおよび芯材が、Ｎｉ、Ｍｎ、ＳｉおよびＳ
ｎからなる群から選択される１種以上の元素を含み、か
つ４．２Ｋ（液体ヘリウム）の温度において２×１０^-7
Ω・ｍ以上の抵抗値を有する非磁性Ｃｕ合金からなる導
体を提供することができる。このような組成の材料をマ
トリックスおよび芯材に用いた導体は、たとえば限流器
等に好ましく適用できる。

【００２３】本発明において、芯材は、中実でもよいし
中空でもよい。中空の芯材を用いるとき、冷媒を芯材に
通すことができる。芯材が中空のパイプであるとき、中
空パイプの断面積は、超電導素線の全断面積以下である
ことが好ましい。

【００２４】本発明のより好ましい態様において、マト
リックスがＣｕ−３０重量％Ｎｉ−Ｚ重量％Ｍｎ（Ｚは
０．８以下）のＣｕ合金からなり、フィラメントが直径
０．１μｍ〜０．１５μｍのＮｂＴｉからなり、芯材が
Ｃｕ−３０重量％ＮｉおよびＳＵＳ３１６Ｌからなる群
から選択される材料からなる中空パイプであり、所定の
本数の素線が１層で芯材の周囲に配置されている導体を
提供することができる。

【００２５】さらに本発明において、素線と芯材との間
および／または素線同士の間に、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｐ
ｂ、Ｐｂ合金、Ｂｉ、Ｂｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａ
ｌ、およびＡｌ合金からなる群から選択される材料が含
浸されている超電導導体を提供することができる。たと
えば、Ｓｎ合金として、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｐｂ合金とし
て、Ｐｂ−Ｓｉ合金、Ｂｉ合金として、Ｂｉ−Ｓｎ−Ｐ
ｂ合金、Ｃｕ合金として、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ａｌ合金と
して、Ａｌ−Ｍｇ合金などを用いることができる。

【００２６】

【作用】本発明では、一次撚線の構造とすることで、二
次以上の高次撚線に比べて素線相互の距離が相対的に大
きくなり、自己磁界の印加が低減される。その結果、導
体における臨界電流の低減が抑制される。本発明は、た
とえば、同じ本数の素線を有する二次撚線よりもより高
い臨界電流を示すことができる。また、素線のフィラメ
ント径を０．２μｍ以下とし、マトリックスも高抵抗の
Ｃｕ合金で構成すれば、交流損失を低く抑えることがで
き、たとえば、交流損失が１０ｋＷ／ｍ³（０．５Ｔ，
５０Ｈｚ）以下の導体を提供することができる。さら
に、２４本以上の素線を１層で芯材の周囲に配置するこ
とで、５０／６０Ｈｚの商用周波数においてｋＡ級の臨
界電流値を有する導体を提供することができる。

【００２７】また、本発明において芯材の材質が超電導
素線のマトリックスと同一組成の場合、導体の臨界電流
が高くなることが見出された。一般に撚線導体は、室温
でコイル巻された後、液体ヘリウムの冷媒中に保持され
通電状態になるが、撚線における素線と芯材の熱吸収率
が等しいほど撚線中の素線の動きや緩みが抑制される。
芯材とマトリックスとを同一の組成を有する材料で構成
することにより、通電中における摩擦熱の発生を抑制
し、臨界磁界や臨界温度が低下することによる臨界電流
の低下を抑制できると考えられる。また、芯材とマトリ
ックスとを同一の組成を有する材料で構成することによ
り、コイル巻線において線材の応力と伸び特性が類似と
なるために、本質的に巻線の緩みがない構成が可能とな
る。

【００２８】本発明者は、導体における交流損失の増大
が、中心材そのものに発生する磁性的ヒステリシス損失
や渦電流損失、ならびに超電導素線から芯材を通じて発
生する結合損失よりもたらされることを見出した。そこ
で、非磁性合金を選択することによって、磁性的ヒステ
リシス損失を低減することができ、抵抗値が４．２Ｋに
おいて２×１０^-7Ω・ｍ以上の材料を用いることによっ
て、実質的に渦電流損失を抑制することができることを
見出した。また本発明者は、ＳＵＳ系材料を用いる場
合、特にその組成と加工が磁性的ヒステリシス損失の発
生原因であることを見出し、さらにＳＵＳ３１６系材料
であれば磁性的ヒステリシス損失が大きくないことを見
出した。ＳＵＳ系材料の場合、使用する線径（最終加工
時の状態）で焼鈍を行なうことによって磁性の発生機構
となる析出物を母材中に溶解してしまうことがさらに望
ましかった。焼鈍する場合、ＳＵＳ３０４系合金も磁性
が減少するため適用できた。さらには、芯材としてフレ
キシブルなＦＲＰ材料も適用することが可能である。交
流損失の点でＦＲＰは絶縁体であるので、より好まし
い。

【００２９】限流器等に使用される導体は、クエンチ抵
抗が高いことが望まれる。本発明により、超電導線材の
マトリックスや芯材において、通常のＣｕより二桁以上
高い抵抗値を有するものを使用すれば、このような要求
を満足することができる。さらには、芯材を中空構造と
することによって、クエンチ抵抗をより高くすることが
可能である。芯材の断面積は、実質的には超電導素線の
全断面積以下にすることが特に有効である。後の実施例
に示すとおり、限流器用導体としてより適した構成で
は、中心補強材がＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ、およびＳＵＳ
３１６Ｌからなる群から選択される少なくとも１種の材
料からなる中空パイプであり、超電導フィラメントがＮ
ｂＴｉであり、Ｃｕ合金マトリックスがＣｕ−３０ｗｔ
％Ｎｉ−Ｚｗｔ％Ｍｎ（Ｚは０．８以下）であり、超電
導素線が１層で多数本芯材の周りに撚られている。

【００３０】さて、たとえば中空の芯材を有する導体は
安定化材が少ないために、安定性が従来のＣｕ安定化多
芯線に比較して劣ってくる場合がある。この対策とし
て、超電導素線のＣｕの割合を増加させることによって
改善することができる。超電導素線のマトリックス比
（マトリックスの断面積／フィラメントの断面積）を、
たとえば、０．５〜２とすることが好ましい。また本発
明者は、超電導導体に、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｐｂ、Ｐｂ合
金、Ｂｉ、Ｂｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金
からなる群から選択される１種以上の金属を含浸させる
ことでも安定性が向上することを見出した。この結果、
導体の交流損失は増加するものの、７×７本撚線構造と
比較すると、交流損失の増加は顕著に抑えられることが
見出された。交流損失の増加は、含浸材を通しての素線
間の結合損失の増加に起因するが、本発明では、素線間
の結合が芯材によって遮断される割合が二次撚線の場合
よりも大きく、結合電流が二次撚線よりも生じにくい構
造となっている。

【００３１】

【実施例】

実施例１図１および図２は、実施例にて作製した超電導導体の構
成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、中
心に常電導体からなる１本の中心補強材としてＣｕ−３
０ｗｔ％Ｎｉ線１が配置され、その周りにＣｕ−３０ｗ
ｔ％Ｎｉをマトリックスとする９本の交流用ＮｂＴｉ超
電導素線２が配置される。このように９本の素線を撚り
合せて一次撚線を作製し、導体Ｉとした。

【００３２】また、同様にＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ線の周
りに１２本の超電導素線を配置し、撚り合せて一次撚線
を作製し、導体ＩＩとした。さらに、同様にしてＣｕ−
３０ｗｔ％Ｎｉ線の周りに２４本の超電導素線を配置
し、撚り合せて導体ＩＩＩを作製した。また、図２に示
すように、同じくＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ線３の周りに、
３０本の超電導素線４を配置し、撚り合せて導体ＩＶを
作製した。以上の導体に用いた交流用ＮｂＴｉ超電導素
線はすべて同じものであり、線径０．２１４ｍｍφ、Ｎ
ｂＴｉフィラメント径０．１４μｍφのものである。表
１に素線の詳細な構成を示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】実施例２実施例１が、芯材としてＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ線を使用
しているのに対し、実施例２では、芯材として高抵抗の
常電導体からなる中空パイプを用いた。図３に、その概
略断面図を示す。中心に常電導体からなる１本の芯材と
してＳＵＳ中空パイプ５が配置され、その周りに３０本
の交流用ＮｂＴｉ超電導素線６が配置される。このよう
に３０本の素線を撚り合せて一次撚線を作製し、導体Ｖ
Ｉとした。また同様に、１本のＳＵＳ中空パイプの周り
に２４本の超電導素線を配置し、撚り合せて導体Ｖを作
製した。なお、ここで用いた交流用ＮｂＴｉ超電導素線
はすべて実施例１で用いたものと同じものである。

【００３５】比較例比較のため、従来、一般に大電流容量導体を得るために
用いられてきた構造の超電導導体を作製した。その概略
断面図を図４に示す。まず、中心に常電導マトリックス
からなる１本の芯材としてＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ線７が
配置され、その周りに６本の交流用ＮｂＴｉ超電導素線
８が配置され、撚り合されて一次撚線９が構成されてい
る。さらに、中心に高抵抗の常電導体からなる１本の中
心補強材としてＣｕ−３０ｗｔ％Ｎｉ線が配置され、そ
の周りに６本（または４本（図示せず））の一次撚線９
が配置され、撚り合されることによって二次撚線導体が
構成される。４本の一次撚線を撚り合せたものを導体Ｖ
ＩＩとし、６本の一次撚線を撚り合せたものを導体ＶＩ
ＩＩとした。ここで用いた交流用ＮｂＴｉ超電導素線
は、実施例１で用いたものと同じものであった。

【００３６】［実験］上記実施例および比較例で作製し
た超電導導体について、５０Ｈｚ交流クエンチ電流（Ｉ
ｑ（導体））を測定した。測定は、液体ヘリウム（４．
２Ｋ）中０Ｔの条件下、５０Ｈｚの交流電流を徐々に増
加させ、常電導抵抗が発生した電流値を測定することに
よって行なった。Ｉｑ（導体）をＩｑ（素線）で割った
結果を図５に示す。

【００３７】図５の結果より、比較例に示す従来の二次
撚線導体のＩｑ値を、本発明に示す導体構造では導体Ｉ
ＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩで満足することがわかった。すな
わち、従来では素線３６本で達成されていた交流クエン
チ電流が、本発明では素線２４本で達成されたこととな
る。素線の必要本数が低減されることから、交流用途で
は重要な導体の交流損失の低減ももたらされることが明
らかとなった。導体の詳細な比較を表２に示す。

【００３８】

【表２】

【００３９】また、実施例２で示したように、中心補強
材に中空パイプを用いることによって、Ｉｑ（導体）の
値が向上した。これは、超電導導体が中空パイプの中を
通る液体ヘリウムなどの冷媒によっても冷却されるた
め、電流通電による超電導導体の発熱が抑制されるから
である。

【００４０】また、上記Ｉｑ値から、５０Ｈｚ交流クエ
ンチ電流密度（Ｊｑ）を求めた。ここで定義するＪｑ
は、導体を構成する超電導素線の全断面積で、Ｉｑ（導
体）を割ったものである。素線のＪｑを１００％として
導体のＪｑを規格化した結果を図６に示す。図６の結果
より、実施例１で示したような芯材の周りに超電導素線
を１層で多数本撚り合せた構造を有する超電導導体のＪ
ｑは、従来の二次撚線導体に比べて向上することがわか
った。また、実施例２で示したように中空パイプを使用
した場合、上記Ｉｑ特性と同様にＪｑ特性も向上した。
このことから、大電流容量導体を作製するには、本発明
に従う導体の構造が有利であることがわかった。

【００４１】なお、本実施例では、中心補強材として常
電導マトリックスからなるＣｕ−Ｎｉ線を使用して説明
しているが、これは、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｃｕ−Ｍｎ、Ｃｕ
−Ｓｉなどであっても構わない。また、中空パイプとし
てＳＵＳを使用しているが、これはＣｕ、Ｃｕ−Ｎｉ、
Ｃｕ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｓｉなどであっても構わない。

【００４２】実施例３同一のＮｂＴｉ素線を用いて４種類のＮｂＴｉ撚線導体
を試作した。表３に詳細な諸元を示す。実施例Ａ〜Ｃ
は、実施例１または２と同様に本発明に従って芯材（中
心線）の周囲にそれぞれ所定の本数素線を配置し、撚り
合せて一次撚線としたものであり、比較例は、図４に示
すような二次撚線である。これらの構造を有する短尺導
体の特性を表４に示す。交流のクエンチ電流Ｉｑ（導
体）は、実施例Ａ〜Ｃの３種の１層撚線導体において、
いずれもＩｑ（素線）の撚線本数倍の７０％以上とな
り、良好な値を示した。一方、比較例では、Ｉｑ（導
体）はＩｑ（素線）×撚線本数の５０％に留まった。Ｉ
ｑ（導体）の絶対値については、素線数３６本の比較例
と比較すると、実施例Ｂ、Ｃで大幅な向上が認められ
る。交流損失については、素線本数が同一の比較例、実
施例Ｂ、Ｃとが、同一レベルにある。これは、素線の交
流損失のレベルに近く、交流損失は素線レベルの値を維
持できていることがわかる。一方、クエンチ抵抗につい
ては、中心補強材として中空パイプを用いた実施例Ｃの
構造のものが、径の太い中心材を用いているにもかかわ
らず、比較例と同等のクエンチ抵抗を有する。以上の結
果、本発明の効果が認められた。これらの例の中で、特
に限流器用導体としては実施例Ｃが最も適切である。

【００４３】

【表３】

【００４４】

【表４】

【００４５】実施例４実施例３の超電導素線を用いて、中心補強材の材質を変
えた導体を作製し試験した。詳細を表５に示す。導体
は、外径１９．４ｍｍφ、内形１６．４ｍｍφの中心補
強材（中空パイプ形状）の周囲に、０．２１４ｍｍφの
超電導素線を撚りピッチ２８ｍｍで右撚りに３０本撚っ
た構造である。作製した導体Ｄ〜Ｊの７種を用いて、そ
れぞれ、外径１００ｍｍφ、高さ１２０ｍｍの１層コイ
ルを作製した。コイルのためのボビンの材質は、ＧＦＲ
Ｐである。導体を、４５ｋｇの張力を印加させながら、
導体の外径と同一幅のピッチ１０ｍｍで螺旋状に配置し
たボビンの凸状溝へ巻込んだ。得られたコイルにおい
て、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中、５０Ｈｚで交流通電
（Ｉｑ）試験を実施した。また、短尺試料において交流
損失とクエンチ抵抗を測定した。

【００４６】コイルにおいては、ソレノイド形状による
磁界（約０．３Ｔ／１０００Ａｐｅａｋ）が生じる。実
施例Ｄ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊが、コイルのＩｑとして高い値
を示した。電流値から、中心材として、Ｃｕ−３０ｗｔ
％Ｎｉ、ＳＵＳ３０４軟化材、ＳＵＳ３１６Ｌ加工材、
ＳＵＳ３１６Ｌ軟化材、ＧＦＲＰがより適することが判
明した。一方、交流損失の測定結果では、Ｃｕ−１０ｗ
ｔ％Ｎｉの中心材を用いるものにおいて、結合損失の発
生による交流損失の増加が観測された。また、ＳＵＳ３
０４加工材では、磁性的ヒステリシス損失が非常に大き
く観測された。さらに、ＳＵＳ３１６Ｌ材において、加
工仕上がりの材料よりも軟化材のほうが交流損失が低減
されている。これは、ＳＵＳ３１６においても加工によ
り磁性的ヒステリシス損失が発生しているためであり、
ＳＵＳ３１６材においても軟化材を用いることがより好
ましい。実施例ＥおよびＦにおいてＩｑが低下している
のは、交流損失の増大に起因する導体の温度上昇が、素
線の臨界温度や臨界磁界を低下させ、結果として、導体
のＩｑが低下したためと推定される。以上の結果、本発
明の効果が認められた。

【００４７】

【表５】

【００４８】実施例５実施例３の比較例と実施例Ａの導体をはんだで含浸した
後、Ｉｑと交流損失について、実験を実施した。交流Ｉ
ｑ（導体）の結果を表６に示す。交流Ｉｑ（導体）は、
はんだの含浸により両方の導体において向上する結果が
得られたが、実施例Ａにおいて大幅な改善が観測され
た。一方、交流損失のうち、素線間結合損失特性を試験
した結果を表６、図７に示す。比較例の６×６本撚線で
は、実験結果が、はんだを介する結合損失を計算した結
果によく一致する一方、実施例Ａの１８本撚線では、実
験結果が、はんだと素線外皮の両方を考慮した計算結果
によく一致する。したがって、たとえば５０Ｈｚの交流
条件では、実施例Ａの素線間結合損失が、比較例の値の
約１／５であることが明らかである。なお、表６におい
て示される交流損失の値は、比較例を１．０として規格
化した値である。６×６本撚線の高次撚線では、素線間
や素線と中心補強材との接触が点接触である一方、１層
一次撚線では、素線と中心補強材の接触が連続的になさ
れており、このために、はんだ等の安定化材を含浸した
場合においても、低い交流損失を維持できると考えられ
る。また、図７に示す特性から、本発明に従う導体で
は、１００Ｈｚ以下の実用商用周波数領域で、従来の高
次撚線より素線間結合損失が低いことが明らかである。
以上の結果、本発明による撚線構造の効果が認められ
た。

【００４９】

【表６】

【００５０】実施例６内部拡散法により作製した交流用Ｎｂ₃Ｓｎ素線を用い
て、３種類の撚線を作製した。実施例ＫおよびＬは、表
に示す材質の線材に、３６本の素線を巻付けて撚り合
せ、一次撚線としたものである。比較例は、図４に示す
ような二次撚線である。表７および表８に、詳細な諸元
と得られた短尺導体の特性を示す。交流のクエンチ電流
（Ｉｑ（導体））について、実施例ＫおよびＬの撚線導
体では、Ｉｑ（素線）の撚線本数倍の８５％以上であ
り、良好な値が得られた。一方、比較例では７５％にと
どまった。これは、Ｎｂ₃Ｓｎの高い温度マージンのた
め、素線の臨界磁界や臨界温度の低下が生じても、導体
のＩｑに影響をさほど与えないことによるものと考えら
れる。特に、中心補強材として素線のマトリックスと同
一の材質を用いた実施例Ｋでは、Ｉｑ（導体）は、Ｉｑ
（素線）×撚線本数の値の９４％を示した。Ｎｂ₃Ｓｎ
では、特に熱処理時の歪みがＩｑに影響するため、中心
補強材の材質も同一のものが適していると考えられた
が、実験的に実証された。交流損失については、ＮｂＴ
ｉに比較すると大きいが、実施例ＫおよびＬでは、実用
に適用できるレベルである。以上の結果、本発明の効果
が認められた。

【００５１】

【表７】

【００５２】

【表８】

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、芯材の周りに複数
本の超電導素線を１回で撚り合せた一次撚線導体を作製
することにより、従来のような撚り次数の高い超電導導
体よりも少ない素線本数で同等以上の交流通電特性を有
する超電導導体を提供できる。本発明は、超電導トラン
ス、超電導発電機、超電導限流器等の電力用途におい
て、臨界電流値が高く、交流損失の低減されたより実用
的な超電導導体を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に関する導体の構造を示す概略
断面図である。

【図２】本発明のもう１つの実施例に関する導体の構造
を示す概略断面図である。

【図３】本発明の他の実施例に関する導体の構造を示す
概略断面図である。

【図４】従来の交流用大容量導体に使用されていた導体
の構造を示す概略断面図である。

【図５】Ｉｑ（導体）の測定結果を示す図である。

【図６】導体のＪｑの測定結果を示す図である。

【図７】交流損失のうち結合損失特性について、計算結
果と実験結果とを示す図である。

【符号の説明】

１Ｃｕ−Ｎｉ中心線２超電導素線３Ｃｕ−Ｎｉ中心線４超電導素線５ＳＵＳ中空パイプ６超電導素線７Ｃｕ−Ｎｉ中心線８超電導素線９超電導一次撚線１０Ｃｕ−Ｎｉ中心線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣｕおよびＣｕ合金からなる群から選択
される常電導体からなるマトリックス中にＮｂ系超電導
体からなるフィラメントが埋込まれた構造を有する極細
多芯超電導素線が、常電導体または絶縁体からなる芯材
の周囲に所定の本数配置された一次撚線の構造からな
り、次式で規定される値Ｘが７０（％）を超えることを特徴
とする、交流用超電導導体。Ｘ＝Ｉｑ（導体）×１００（％）／Ｉｑ（素線）×Ｙ（Ｉｑ（導体）は液体ヘリウム中０Ｔの条件下で５０Ｈ
ｚの交流を前記交流用超電導導体に流したときの臨界電
流値であり、Ｉｑ（素線）は液体ヘリウム中０Ｔの条件
下で５０Ｈｚの交流を前記素線に流したときの臨界電流
値であり、Ｙは前記交流用超電導導体を構成する前記素
線の本数である。）
【請求項２】前記素線が１層で前記芯材の周囲に配置
されていることを特徴とする、請求項１記載の交流用超
電導導体。
【請求項３】前記フィラメントの直径が０．２μｍ以
下であることを特徴とする、請求項１または２記載の交
流用超電導導体。
【請求項４】前記素線が２４本以上前記芯材の周囲に
配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか
１項記載の交流用超電導導体。
【請求項５】前記芯材が、前記素線のマトリックスと
同一の組成を有するＣｕ合金からなることを特徴とす
る、請求項１〜４のいずれか１項記載の交流用超電導導
体。
【請求項６】前記素線のマトリックスおよび前記芯材
が、Ｎｉ、Ｍｎ、ＳｉおよびＳｎからなる群から選択さ
れる１種以上の元素を含み、かつ４．２Ｋの温度におい
て２×１０^-7Ω・ｍ以上の抵抗値を有する非磁性Ｃｕ合
金からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか
１項記載の交流用超電導導体。
【請求項７】前記芯材が中空パイプであり、前記中空
パイプの断面積は、前記素線の全断面積以下であること
を特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項記載の交流
用超電導導体。
【請求項８】前記芯材が、Ｎｉを１５重量％〜４０重
量％含むＣｕ−Ｎｉ合金、ＳＵＳ３１６系合金およびＦ
ＲＰからなる群から選択される少なくとも１つの材料か
らなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項
記載の交流用超電導導体。
【請求項９】前記芯材が、ＳＵＳ３０４系合金および
ＳＵＳ３１６系合金からなる群から選択される少なくと
も１つの材料を焼鈍処理したものからなることを特徴と
する、請求項１〜７のいずれか１項記載の交流用超電導
導体。
【請求項１０】前記マトリックスがＣｕ−３０重量％
Ｎｉ−Ｚ重量％Ｍｎ（Ｚは０．８以下）のＣｕ合金から
なり、前記フィラメントが直径０．１μｍ〜０．１５μ
ｍのＮｂＴｉからなり、前記芯材がＣｕ−３０重量％Ｎ
ｉおよびＳＵＳ３１６Ｌからなる群から選択される材料
からなる中空パイプであり、前記所定の本数の前記素線
が１層で前記芯材の周囲に配置されていることを特徴と
する、請求項１、２、３、４、６、７および８のいずれ
か１項記載の交流用超電導導体。
【請求項１１】前記素線と前記芯材との間および／ま
たは前記素線同士の間に、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｐｂ、Ｐｂ
合金、Ｂｉ、Ｂｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、および
Ａｌ合金からなる群から選択される材料が含浸されてい
ることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項記
載の交流用超電導導体。