JPH08203354A - 複合多芯交流用超電導線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は高クエンチ抵抗を必要とする超電導
限流器等の電力応用分野で使用される超電導線材に関す
るものである。 【構成】 超電導金属フィラメントが常電導金属マトリ
ックス中に多数本埋め込まれた複合多芯超電導素線にお
いて、常電導マトリックスが高抵抗化のため安定化Ｃｕ
を含まないCuN合金（NはNi、Mn、Si、Snから１種類以上
選択）１種類からなり、前記CuN合金の4.2Kでの電気抵
抗値が2×10^-7Ω・ｍ以上であり、超電導金属フィラメ
ントがNbTi合金であり、２回のスタックを繰り返すこと
により作製され、１次スタック中に含まれる超電導金属
フィラメント本数が２次スタック中に含まれる１次スタ
ックの数よりも多く、素線断面の中心部に超電導金属フ
ィラメントを含まない常電導金属マトリックス領域が存
在し、その領域の半径が素線半径に対して４%以上２０%
以下であることを特徴とする複合多芯線超電導線であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高クエンチ抵抗を必要と
する超電導限流器等の電力応用分野で使用される超電導
線材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】液体He中
で用いる合金系の交流用超電導線材としては、これまで
NbTi超電導線が主に用いられている。一般に、超電導線
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とフィラメント間に
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とに分けることができる。そこ
で、ヒステリシス損失低減のため超電導フィラメントを
サブミクロンのオーダーまで細経化し、結合損失低減の
ためフィラメント間の常電導マトリックスを高抵抗の銅
合金とした超電導線が実用化されつつある。さらに、高
クエンチ抵抗を必要とする限流器などに使用する超電導
線では、内部に安定化Cuを全く含まず常電導マトリック
スが全て高抵抗のCu合金とし、高クエンチ抵抗化をはか
った超電導線の開発が進められている。

【０００３】しかし、一般に高抵抗のCu合金はCuに比べ
非常に硬く、加工性が悪化する。特に4.2Kでの電気抵抗
が2×10^-7Ω・m以上のCu合金ではその加工性悪化が著し
いことが知られている。安定化Cuを常電導マトリックス
に全く含まない前述のような超電導線材では、一般的な
交流用線材の素線径である0.1〜0.3mmφ程度まで伸線す
るため、素線の外周部あるいは中心部に配置された低抵
抗のＣｕ合金により、素線の等価縦抵抗率がフィラメン
ト間に配した高抵抗Ｃｕ合金の抵抗率よりも低下し、結
合損失の増大を招くという問題があった。また、限流器
などに使用する高クエンチ抵抗を必要とする超電導線で
は、このように加工性を確保するため外周部および中心
部に配置された低抵抗のＣｕ合金によりクエンチ抵抗が
低下してしまい、所望のコイルクエンチ抵抗を得る線材
長が増加し、コイルの低交流損失化およびコンパクト化
を阻害するといった問題があった。

【０００４】また、高抵抗のCu合金は熱伝導率がCuに比
べ1/1000と小さいため、安定化Cuを含まない前述のよう
な超電導線は冷却効率が悪く、わずかな発熱によりクエ
ンチを起こすという問題があった。さらに、低磁界領域
では通電できる交流電流（交流クエンチ電流Ｉｑ）が直
流臨界電流Ｉｃに比べて半分以下になるという問題があ
った。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、これらの現
状をかえりみて、素線中の高抵抗マトリックスの配置、
素線径、フィラメント径などの素線設計を最適化するこ
とにより、安定化Cuを配しない高抵抗Cu合金１種類のみ
で常電導マトリックスが構成された低交流損失化、高ク
エンチ抵抗化をはかり、かつ高電流密度化をはかった超
電導線を提供することにある。

【０００６】本発明の主たる構成は以下の通りである。 （１）超電導金属フィラメントが常電導金属マトリック
ス中に多数本埋め込まれた複合多芯超電導素線におい
て、常電導マトリックスが高抵抗化のため安定化Ｃｕを
含まないCuN合金（NはNi、Mn、Si、Snから１種類以上選
択）１種類からなり、このCuN合金の4.2Kでの電気抵抗
値が2×10^-7Ω・ｍ以上であり、超電導金属フィラメン
トがNbTi合金であり、２回のスタックを繰り返すことに
より作製され、１次スタック中に含まれる超電導金属フ
ィラメント本数が２次スタック中に含まれる１次スタッ
クの数よりも多く、素線断面の中心部に超電導金属フィ
ラメントを含まない常電導金属マトリックス領域が存在
し、その領域の半径が素線半径に対して４%以上２０%以
下であることを特徴とする複合多芯線超電導線。 （２）特許請求の範囲（１）において、素線断面の外周
部に常電導金属マトリックス外皮が存在し、その片側の
厚みが素線半径の7%以上13%以下であることを特徴とす
る複合多芯超電導線。 （３）特許請求の範囲（１）乃至（２）において、超電
導素線径が０．１０ｍｍφ以上０．３ｍｍφ以下であ
り、超電導金属フィラメント径が０．０７μｍφ以上
０．２μｍφ以下であり、常電導金属マトリックスで隔
てられた各超電導金属フィラメント間の距離が0.05μm
φ以上0.14μm以下であることを特徴とする複合多芯超
電導線。 （４）特許請求の範囲（１）乃至（３）において、超電
導金属フィラメントが素線径の４倍以上６倍以下でツイ
ストされていることを特徴とする複合多芯超電導線にあ
る。

【０００７】

【作用と効果】本発明では、常電導マトリックスに安定
化Cuを全く含まずCu合金の高抵抗マトリックス１種類か
ら構成される場合、素線設計を最適化することにより、
伸線性を犠牲にすることなく高電流密度化および低交流
損失化をはかれることを見いだしたものである。ここで
いう高抵抗Cu合金とは、4.2Kでの電気抵抗率が2×10^-7
Ω・m以上であるものをいう。この高抵抗Cu合金のみを
常電導マトリックスとして使用することで、実質的に線
材の交流損失要素のうち結合損失および渦電流損失を低
減することができる。このような安定化Cuを配さない高
抵抗マトリックスのみで構成された超電導線は、一般に
加工性がわるく実用的な長尺材を得ることが困難であっ
たが、素線設計中の高抵抗マトリックスの配置の最適化
により、伸線性を劣化させることなく安定に実用レベル
の長尺材が得られることを明らかにしたものである。す
なわち、素線断面の中心部に配置された高抵抗Cu合金常
電導マトリックス領域、および外皮領域を特定の範囲に
規定することにより、伸線性を犠牲にすることなく、高
い臨界電流特性を有することを見いだしたものである。

【０００８】また、特に交流通電時においては、素線径
およびフィラメント径、フィラメント間隔がある特定の
範囲において、交流クエンチ電流密度が向上し、直流臨
界電流に対する交流クエンチ電流の低下が抑制され、か
つ交流損失が低減できることを見いだした。さらに、交
流損失低減のためには素線のツイストピッチをできるだ
け短くする必要があるが、前述のような超電導線の場
合、ある特定の範囲で断線などのツイスト加工性を問題
にすることなく、高い臨界電流密度を劣化させることな
く、交流損失を低減できることを明らかにした。以上の
ように本発明によれば、常電導マトリックスが１種類の
高抵抗Cu合金で構成されたNbTi複合多芯交流用超電導線
を加工性を問題にすることなく、安定に長尺線材を提供
することができ、かつ、高電流密度化および低交流損失
化をはかることができる。特に、常電導マトリックスに
安定化Ｃｕを全く含まず、高抵抗Ｃｕ合金でのみ構成さ
れるため、高クエンチ抵抗が得られるため、高クエンチ
抵抗を必要とする限流器用超電導線材として最適な構造
の線材を供給することができる。

【０００９】

【実施例】

［実施例１］試作した素線の設計諸元を表１に示す。交
流損失低減のため、常電導マトリックスには安定化Ｃｕ
を全く含まないCu-30wt%Niのみを使用した構造である。
まず、本実施例で試作した素線の製造方法を以下に示
す。まず、フィラメント径とフィラメント間隔の比が
１：０．６５となるように、外皮がCu-30wt%Niの六角の
NbTi単芯セグメントを作製し、Cu-30wt%Niビレットにこ
の単芯六角セグメントを1040本挿入し、真空中で電子ビ
ーム熔接を実施し、このビレットを熱間静水圧押出し
た。この後、この押出したビレットを冷間で伸線加工を
実施し、六角セグメント（１次スタック）を作製した。
この六角セグメントをCu-30wt%Niビレットに中心部にCu
-30wt%Niを配置しないで挿入した構造の素線、および中
心部Cu-30wt%Ni領域半径の素線半径に対する割合が表１
に示すようになるよう配置し挿入した素線を作製した。
それぞれの素線における六角セグメントの本数は表１の
とおりである。なお、ここでそれぞれの素線における六
角セグメントの本数は、中心部に配置したCu-30wt%Ni領
域の割合に応じて増減している。このビレットを真空中
にて電子ビーム熔接を実施し、熱間静水圧押出した。こ
の後、この押出したビレットを冷間で伸線加工し、0.2m
mφでピッチが1.0mmとなるようにツイスト加工、伸線を
実施し、素線Ａ〜Ｅの0.2mmφ素線を作製した。

【００１０】素線Ａは中心部にCu-30wt%Ni領域を全く配
置しておらず、素線Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの順に徐々に中心部
のCu-30wt%Ni領域が増加しており、中心部Cu-30wt%Ni領
域半径の素線半径に対する割合は、素線Ｂが4%、素線Ｃ
が12%、素線Ｄが20%、素線Ｅが30%である。また、素線
外皮部の厚みは、後述するが加工性および特性面の観点
から、全ての素線で等しく、素線半径に対する割合を10
%としている。なお、ここで２回スタックを繰り返して
いるのは、数十万本の０.１４μmφいったサブミクロン
まで細径化したNbTiフィラメントを１回のスタックで得
るためには、非常に細い六角セグメントおよび非常に大
径のビレットが必要となり実用には向かない。また、ス
タック回数を繰り返すことにより、ビレットの外皮分だ
け素線中の常電導マトリックスの割合が増大し、NbTiの
占有率が減少することとなり臨界電流値が減少すること
となるため、できるだけ少ないスタック回数で所望の素
線を得ることが必要となる。実用的に考えて、２回のス
タックが最小のスタック回数である。なお、１次スタッ
ク中に含まれるNbTiフィラメントの本数は、２次スタッ
ク中に含まれる１次スタックの数よりも多いことが好ま
しい。

【００１１】

【表１】

【００１２】この設計の素線Ａ〜Ｅ0.2mmφ素線1000mを
伸線し作製する際に発生した断線回数および得られた素
線のについて実施したIc測定（外部磁場0.5T）の結果を
表２に示す。

【００１３】

【表２】

【００１４】素線Ａでは＞10回と非常に多く伸線中の断
線が発生した。これは、伸線中に加わる応力が中心部に
集中するため、中心部にNbTiフィラメントが配置されて
いる素線Ａは、中心部のNbTiフィラメントに応力が集中
し不均一変形を起こし、ここが基点となって断線が多発
したものと考えられる。また、素線Ｂでも１回の断線が
見られたが、素線Ａに比べると格段に伸線性が向上して
いることが分かる。素線Ｃおよび素線Ｄ、Ｅでは無断線
と伸線性は非常に良好であった。

【００１５】また、外部磁場0.5TにおけるＩｃは、素線
Ａを除いて中心部のCu-30wt%Ni領域が増加するに従って
減少している。これは、中心部のCu-30wt%Ni領域が増加
するに従って、素線断面積当りのNbTiの超電導占有率が
低下するからである。なお、素線ＡでＩｃが低いのは、
素線断線が多発していることから分かるように、素線中
のNbTiフィラメントの断線が起こっているためである。
この結果より、中心部に配置するNbTiを含まない常電導
マトリックス領域半径の素線半径に対する割合が、４％
以上２０％以下である場合、伸線性を損なうことなく高
いＩｃ特性を有することが判明した。

【００１６】［実施例２］素線の外周部に配置された常
電導マトリックス外皮厚を変えた素線を作製した。外皮
厚は、２次ビレット外皮の肉厚を変えることにより調整
した。表３に作製した素線Ｆ〜Ｊの常電導マトリックス
外皮厚の素線半径に対する比率および、素線の作製状
況、作製した素線について測定した素線単位断面積あた
りの直流臨界電流密度Ｊｃおよび交流クエンチ電流密度
Ｊｑの結果を示す。なお、常電導マトリックス材はCu-3
0wt%Niであり、素線径、フィラメント径およびフィラメ
ント間隔など他の素線設計諸元は表１に示した素線Ｃと
ほぼ同じである。また、素線単位断面積当りの直流臨界
電流密度Ｊｃは外部磁界0.5T下にて測定し、素線単位断
面積当りの交流クエンチ電流密度Ｊｑは外部ゼロ磁界下
にて50Hzの正弦波電流を通電し測定した。

【００１６】

【表３】

【００１７】Cu-30wt%Niマトリックス外皮厚(片側)の素
線半径に対する比率は、素線Ｆが最も小さく5%、素線
Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊの順に外皮厚の比率が大きくなってい
る。最も外皮厚比率の小さい素線Ｆは、外皮厚が薄すぎ
るため熱間静水圧押出時および伸線加工時に外皮割れが
発生し、良好な断面を有する素線を得ることができなか
った。素線半径に対する外皮厚(片側)が7%以上である素
線Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊでは、素線Ｆで見られたような外皮割
れは見られず加工性は良好であった。直流Ｊｃは、素線
半径に対する外皮厚の割合が増加するに従って、僅かず
つ減少する傾向が見られるが、ほぼ同程度の値となって
いる。しかし、交流Ｊｑは素線Ｇ〜Ｉにおいて徐々に減
少する傾向にある。すなわち、素線半径に対する外皮厚
の割合が7〜13%の領域では、外皮厚が増加するに従って
徐々に減少する傾向にある。しかし、素線半径に対する
外皮厚の割合が16％まで増加している素線Ｊにおいて
は、素線Ｇ〜Ｉに比べて大幅に減少することが分かっ
た。

【００１８】これは、一般に素線外周部に配置された常
電導マトリックス外皮厚が厚いほど、液体Ｈｅによる常
電導マトリックス外皮を通じた素線中のNbTiフィラメン
トの冷却効率が悪くなる。特に熱伝導率の良い安定化Cu
を用いず、常電導マトリックスが今回の実施例のように
Cu-30wt%Niのような熱伝導率の悪い高抵抗マトリックス
のみ構成されている場合は顕著に表れるからである。特
に交流通電を実施した場合は、外部磁界0T下においても
自己磁界による交流損失が発生し、素線内部よりこの交
流損失による発熱がおこる。直流Ｊｃで見られた外皮厚
による差よりも、交流Ｊｑで見られる差のほうが大きい
のは、この交流通電時に発生する自己磁場下での交流損
失による発熱の拡散が外皮厚に大きく依存するためと考
えられる。すなわち、常電導マトリックスの外皮厚が厚
いと交流損失による発熱がうまく拡散できず、液体Heに
よる冷却効率も悪化し、素線が温度上昇を起こし、この
温度上昇により交流Ｊｑが減少すると考えられる。今回
のように安定化Cuを含まない構造の素線において、外周
部の高抵抗Cu合金マトリックス外皮の片側の厚みが、素
線半径の7%以上13%以下である場合、加工性を損なうこ
となく冷却特性劣化による交流Ｊｑの低下が小さいこと
を見いだした。

【００１９】［実施例３］素線Ｃの素線径を種々変えた
サンプルを作製した。なお、各サンプルのツイストピッ
チは各素線径の５倍である。これらのサンプルに対し
て、直流Ｉｃおよび交流Ｉｑ（外部磁界OT）および交流
損失（±０.５Ｔ、 ０.５Hz）を測定した。交流損失の測
定周波数は０．５Ｈｚであり、この条件はヒステリシス
損失を測定している。直流Ｉｃおよび交流Ｉｑの結果を
図１に示す。また、交流Ｉｑを直流Ｉｃで除した結果を
図２に示す。交流損失の測定結果を表４に示す。

【００２０】

【表４】

【００２１】交流Ｉｑは直流Ｉｃよりも低い値である
が、その低下率は素線径が太いほど大きく、素線径が細
いほど小さいことがわかる。素線径を0.3mmφ以下にす
れば、直流Ｉｃの50%以上の交流Ｉｑが得られることが
明らかとなった。また、交流損失（ヒステリシス損失）
はフィラメント径が0.07μmφまではフィラメント径の
細径化に伴って低減されている。しかし、フィラメント
径0.05μmφ、フィラメント間隔0.03μmまで細径化した
サンプルでは逆に増加することがわかった。これは、フ
ィラメント同士の近接効果によるものである。これら交
流Ｉｑおよび交流損失の観点から、素線径としては0.1m
mφ以上0.3mmφ以下、フィラメント径としては0.07μm
φ以上0.2μmφ以下、フィラメント間隔としては0.05μ
m以上0.14μm以下にすれば、直流Ｉｃからの低下の小さ
い高い交流Ｉｑを有する、交流損失が30kW/m3以下の低
交流損失化をはかることができることが明らかとなっ
た。

【００２２】［実施例４］素線Ｃのツイストピッチを変
えたサンプルを作製し、交流Ｉｑ測定を実施し、素線断
面積当りの交流クエンチ電流密度Ｊｑを求めた。図３に
交流Ｊｑの結果を示す。作製したサンプルは、ツイスト
ピッチが素線径の3〜10倍である。ツイストピッチが素
線径の３倍のサンプルは、Cu-30wt%Niマトリックスの加
工限界により、ツイスト加工時に連続的に断線が発生し
た。ツイストピッチが素線径の3.5〜10倍ではツイスト
加工が可能であったが、図３からわかるように、ピッチ
が素線径の3.5倍のサンプルの交流Ｊｑは、素線径の４
倍以上のピッチの交流Ｊｑに比べて大幅に低下してい
る。超電導素線の交流損失のうち結合損失はツイストピ
ッチの２乗に比例するため、低交流損失化をはかるため
には、ツイストピッチはできるだけ短いほうが好まし
い。このため、交流Ｊｑと低交流損失の観点から素線の
ツイストピッチは、素線径の４倍以上好ましくは６倍以
下にすれば、交流Ｊｑを低下させることなく低交流損失
化をはかれることが明らかとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例における直流Ｉｃおよび交流Ｉｑの結
果を示す。

【図２】本実施例における交流Ｉｑを直流Ｉｃで除した
結果示す。

【図３】本実施例における交流Ｊｑのツイストピッチ依
存性を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導金属フィラメントが常電導金属マ
   トリックス中に多数本埋め込まれた複合多芯超電導素線
   において、 常電導マトリックスが高抵抗化のため安定化Ｃｕを含ま
   ないCuN合金（NはNi、Mn、Si、Snから１種類以上選択）
   １種類からなり、 前記CuN合金の4.2Kでの電気抵抗値が2×10^-7Ω・ｍ以上
   であり、 超電導金属フィラメントがNbTi合金であり、２回のスタ
   ックを繰り返すことにより作製され、１次スタック中に
   含まれる超電導金属フィラメント本数が２次スタック中
   に含まれる１次スタックの数よりも多く、 素線断面の中心部に超電導金属フィラメントを含まない
   常電導金属マトリックス領域が存在し、その領域の半径
   が素線半径に対して４%以上２０%以下であることを特徴
   とする複合多芯線超電導線。
2. 【請求項２】 素線断面の外周部に常電導金属マトリッ
   クス外皮が存在し、その片側の厚みが素線半径の7%以上
   13%以下である請求項１に記載の複合多芯超電導線。
3. 【請求項３】 超電導素線径が０．１０ｍｍφ以上０．
   ３ｍｍφ以下であり、超電導金属フィラメント径が０．
   ０７μｍφ以上０．２μｍφ以下であり、常電導金属マ
   トリックスで隔てられた各超電導金属フィラメント間の
   距離が0.05μm以上0.14μm以下である請求項１乃至２に
   記載の複合多芯超電導線。
4. 【請求項４】 超電導金属フィラメントが素線径の４
   倍以上６倍以下でツイストされている請求項１乃至３に
   記載の複合多芯超電導線。