JPH10289623A - コイル状に巻かれた線材を備える構造物およびその製造方法ならびにスペーサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面が金属からなる線材をコイル状に巻いて
熱処理するために、有用なスペーサを見出し、熱処理さ
れる線材の特性を向上させる。 【解決手段】 表面が金属からなる線材１にシート形状
のスペーサ５を重ね、得られる積層体をパンケーキコイ
ル状に巻く。スペーサは、アルミナ繊維、マグネシア粒
子およびそれらを結合するバインダからなる。スペーサ
５によって、巻かれた線材１の部分同士は互いに接触し
ない。パンケーキコイル状に巻かれた積層体を、線材に
必要な特性が得られるよう熱処理する。熱処理におい
て、セラミックス繊維およびセラミックス粒子は線材の
金属と実質的に反応せず線材上に残る。バインダは、熱
処理によって消失する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コイル状に巻かれ
た線材を備える構造物およびその製造方法、ならびにそ
の製造に用いられるスペーサに関し、特に、コイル状に
巻かれた超電導線を備える構造物およびその製造方法な
らびにコイル状に巻かれた超電導線の製造に適したスペ
ーサに関する。

【０００２】

【従来の技術】固相法により超電導線材および超電導コ
イルを製造する方法には、種々の方法があるが、そこで
用いられる工程において、線材またはコイルに所望の特
性を付与するため熱処理を行なう工程は特に重要であ
る。たとえば、酸化物超電導材料を用いる線材をパウダ
ー・イン・チューブ法によって製造する場合、酸化物超
電導材料が充填された銀シースに塑性加工を施す工程
と、塑性加工された線材を焼結のため熱処理する工程と
の組合せにより、銀被覆内の超電導体に高い配向性を持
たせ、高い臨界電流値を実現させるようになってきた。
このようなプロセスにおいて、塑性加工の後得られる線
材は、通常コイル状に巻かれて熱処理されてきた。ま
た、酸化物超電導線材によりマグネット用コイルを製造
する場合、酸化物超電導材料が充填された銀シースに塑
性加工を施して長尺線材を得、得られた線材に熱処理を
施し、熱処理された線材にさらに塑性加工を施し、得ら
れた線材をコイル形状に巻いて熱処理する工程をとるこ
とができる。コイル状に巻かれた線材の部分同士の間に
は、絶縁材が挿入されている。上述した線材およびコイ
ルの製造プロセスのいずれにおいても、熱処理に際しコ
イル状に巻かれた線材の隣り合う部分が互いにくっつい
たり、また隣り合う部分の間で成分が拡散したりするこ
とは防止されなければならない。

【０００３】特開平４−２７４１１５号公報は、銀の保
護クラッド層を有する高転位温度（高Ｔｃ）の超電導ワ
イヤを熱処理する方法において、銀クラッド層上にセラ
ミックスからなる層を付着することを開示する。図４
は、この公報に開示される装置を示している。保護クラ
ッド層を有する超電導ワイヤ３１は、スプール３５から
供給され、容器３４においてセラミックスとセルロース
系のバインダとを含む塗料が塗布された後、スプール６
０に巻き上げられる。セラミックス塗料が塗布されたワ
イヤ３２は、並置されたコイル（ソレノイド状のコイ
ル）７０としてスプール６０のまわりに巻き上げられて
いく。ワイヤ３２とスプール６０の周面６４との間に
は、金属メッシュ６２が配置され、熱処理に際してワイ
ヤとスプールの間の熱膨張差によって生じる応力を吸収
できるようになっている。このようにして、スプール６
０上に巻かれたワイヤは、加熱炉に移され、焼結のため
熱処理される。熱処理において、塗料中のセラミックス
は、巻かれた隣り合う線材部分の間で、拡散防止層を形
成する。ワイヤの巻かれたスプールは、炉内において重
力方向に対して水平に配置される。この熱処理におい
て、ソレノイド状コイルの各巻線は熱膨張の結果緩んで
いく。この緩みに伴って、ワイヤは自重で垂れ下がって
いく。その結果、自重によってワイヤに変形をもたらす
恐れがある。このような変形は、ワイヤの超電導特性、
特に臨界電流密度を低減させる恐れがある。また、塗料
を塗布したワイヤを焼結のため熱処理すると、塗料成分
はワイヤに強く接着するようになる。銀クラッド層が露
出したワイヤを熱処理の後得たい場合、ワイヤに付着し
た塗料成分を剥がすことは非常に骨の折れる作業になる
と考えられる。

【０００４】特開平４−３２９２１７号公報は、酸化物
超電導体の原料粉末を銀シースにより被覆したテープ線
を、金属シースより熱膨張係数の小さいセラミックスか
らなるテープで挟んで巻き、巻かれたテープ線を熱処理
する方法を開示する。同公報に開示される技術では、超
電導相が形成される前に、金属シースとセラミックスか
らなるテープとが拡散反応により接合され始め、その接
合によって金属シースの熱膨張を抑制することを提案し
ている。しかしながら、熱膨張係数の異なるセラミック
ステープを金属シースに接合させて酸化物超電導線を拘
束すると、加熱および冷却時に応力が発生し、それによ
り酸化物超電導線に変形をもたらす恐れがある。

【０００５】特開昭５８−２２３３５号公報は、表面が
銅または銅合金からなる金属線を、多層に重ねてリール
に巻く際、層と層の間にガラスクロスまたは紙を介在さ
せ、巻かれた金属線を焼鈍するプロセスを開示する。し
かしながら、この技術を、たとえば高温超電導線の製造
に応用しても、好ましい結果は得られない。ガラスクロ
スのテープを、銀シーステープ線と重ねて巻き、熱処理
した場合、重ねられた銀シース部分間の拡散は防止でき
る一方、セラミックスからなるテープを用いた場合と同
様に、熱処理工程において応力が発生し、テープに部分
的な変形、たとえば座屈をもたらすようになる。また比
較的厚いガラステープは、巻線密度を向上させてよりコ
ンパクトな状態で熱処理するには、不利である。一方、
ガラスやセラミックスの代わりに紙を用いた場合、紙は
焼結工程においてすぐに消失してしまう。したがって、
紙は、重ねられた銀シース部分間の拡散および接着を十
分抑制することができない。

【０００６】特開平２−２４６１０１号公報は、酸化物
超電導コイルを構成する線材部分の間に、マグネシアか
らなる絶縁材を配置することを開示する。同公報は、絶
縁材を形成するため、マグネシアの粉末を塗布した後、
熱処理することを提案している。しかしながら、同公報
は、具体的にどのような材料をどのような方法によって
塗布するのか何ら開示していない。また同公報は、絶縁
材としてマグネシア系のシートを線材部分の間に挟み込
むことを開示するが、このシートがどのような材料で構
成されるのか具体的に何ら開示していない。同公報は、
マグネシアの粉末の他に、ジルコニア、アルミナおよび
シリカの各粉末を超電導線材に塗布した後、それらを酸
素雰囲気中で熱処理した結果を示している。その結果、
マグネシア以外の材料は、超電導体の臨界電流密度を著
しく低下させるため、好ましくないことが開示されてい
る。

【０００７】一方、銀シース酸化物超電導線を製造する
プロセスにおいて、塑性加工の後得られるテープ状線材
を炉内で熱処理すると、充填した粉末よりガスが部分的
に発生し、銀シースが部分的に膨張することがあった。
また、加熱炉内において、通常、加熱温度分布を均一に
設定できる空間的範囲は、ある程度限られているため、
線材が長くなるほど均一な条件で熱処理を施すことは困
難になった。線材の部分的な膨張や不均一な熱処理は、
次に行なわれる塑性加工を不均一なものにし、最終的に
得られるコイルにおいて臨界電流密度が低い部分を形成
するようになる。このような事態を防止するため、熱処
理の改良が望まれた。

【０００８】特開平６−２４３７４５号公報およびそれ
に対応するＥＰ−Ａ−０ ６３１３３１号公報は、酸化
物超電導線の製造プロセスにおいて、焼結中に変化しな
い粒子または繊維と、焼結中に消失するバインダとを含
む保護テープを用いることを開示する。酸化物超電導材
料が充填された安定化シースを塑性加工して得られるテ
ープ状線材は、この保護テープと重ねられ、パンケーキ
コイル状に巻かれる。巻かれた線材の部分同士は、保護
テープによって分離され、互いに接触しない。保護テー
プとともに巻かれた線材は、酸化物超電導体を焼結する
ため熱処理される。同公報は、保護テープのための材料
として、金属および半金属の酸化物、窒化物ならびに炭
化物からなる群から選択される、粒径２〜２０μｍ程度
のセラミックス微粒子、または長さ１０〜２００μｍ、
幅２〜２０μｍ程度のセラミックス短繊維を挙げてい
る。また、焼結によって消失するバインダとして、セル
ロース系接着剤、天然ゴム系接着剤等の有機系の糊化剤
が挙げられている。同公報は、具体的な保護テープのた
めの材料として、アルミナ短繊維にバインダとなる有機
系の糊化剤（セルロース系接着剤）を少量添加したもの
を漉き込み加工して得られるセラミックスペーパを挙げ
ている。保護テープとともに巻かれた線材を熱処理する
と、バインダは加熱によって消失し、バインダによる粒
子または繊維同士の結合は解除される。熱処理によって
線材が膨張していくに従い、セラミックス粒子または繊
維の結合がなくなっていくため、保護テープは線材の挙
動を拘束しない。したがって、線材と保護テープとの間
において応力の発生は防止される。焼結が完了した後の
冷却工程において、線材は保護テープに拘束されずに自
由に収縮することができる。また、線材を保護テープと
ともに巻き締めて熱処理することにより、熱処理におけ
るシース材の膨張が抑制される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した従来技術、特に特開平６−２４３７４５号公報およ
びそれに対応するＥＰ−Ａ−０ ６３１ ３３１号公報
に開示される技術をさらに改良することである。

【００１０】本発明のもう１つの目的は、コイル状に巻
いた線材を熱処理するプロセスにおいて、線材の部分同
士が接触することをより効果的に防止し、熱処理の後得
られる線材の特性を向上させることのできる技術を提供
することである。

【００１１】本発明のさらなる目的は、臨界電流密度等
の超電導特性が優れた超電導線材および超電導コイルを
提供することである。

【００１２】本発明のさらなる目的は、熱処理によって
優れた特性を有する線材を製造するため、より適した保
護材料を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に従って、表面が
金属からなるコイル状に巻かれた線材を備える構造物が
提供され、該構造物は、コイル状に巻かれた線材の部分
同士が互いに接触しないよう、該線材に重ねられたスペ
ーサ層を備える。該スペーサ層は、セラミックス繊維お
よびセラミックス粒子からなる。

【００１４】本発明において、線材は超電導線とするこ
とができる。より具体的に、線材は、酸化物超電導体が
安定化金属で覆われた構造を有する超電導線、金属系超
電導体または金属間化合物系超電導体が安定化金属で覆
われた構造を有する超電導線等とすることができる。

【００１５】スペーサ層を構成するセラミックス繊維は
アルミナ繊維（酸化アルミニウム繊維）であることが好
ましく、セラミックス粒子はマグネシア粒子（酸化マグ
ネシウム粒子）であることが好ましい。このような材料
の組合せは、線材が超電導線であるときに特に好まし
い。スペーサ層において、セラミックス粒子の重量に対
するセラミックス繊維の重量の比は、０．２〜５の範囲
であることが好ましい。

【００１６】本発明に従って、表面が金属からなるコイ
ル状に巻かれた線材を備える構造物の製造方法が提供さ
れる。該製造方法は、表面が金属からなる線材にシート
形状のスペーサを重ねる工程と、該線材の部分同士が互
いに接触せずかつスペーサによって互いに分離されるよ
う、該線材とスペーサとを重ねることにより形成された
積層体をコイル状に巻く工程と、巻かれた積層体を熱処
理する工程とを備える。スペーサは、セラミックス繊
維、セラミックス粒子およびそれらと結合するバインダ
からなる。セラミックス繊維およびセラミックス粒子
は、熱処理において線材の金属と実質的に反応せずに線
材上に残る。バインダは、熱処理によって消失する。

【００１７】本発明による製造方法は、超電導線および
超電導コイルの製造に適用することができる。この場
合、熱処理すべき線材は、酸化物超電導材料が安定化金
属で覆われた構造を有することができる。熱処理は、酸
化物超電導体の焼結体を得るために行なわれる。一方、
線材は、金属系超電導体または金属間化合物系超電導体
を生成するための複数の材料が安定化金属で覆われた構
造を有することができる。この場合、熱処理は、複数の
材料を互いに反応させることによって超電導体を生成さ
せるために行なわれる。酸化物超電導体の焼結体を得る
ための熱処理において、１００℃〜３００℃の範囲の温
度で昇温を行なう時間および７００℃〜８００℃の範囲
の温度で昇温を行なう時間をそれぞれ５時間以上とする
ことが好ましい。このような昇温期間は、線材に膨れが
生じる現象を効果的に抑制する。

【００１８】製造方法において、スペーサのセラミック
ス繊維はアルミナ繊維であり、セラミックス粒子はマグ
ネシア粒子であることが好ましい。セラミックス粒子の
重量に対するセラミックス繊維の重量の比は０．２〜５
であることが好ましい。

【００１９】本発明に従って、コイル状に巻かれた線材
を備える構造物の製造に適したシート形状のスペーサが
提供される。スペーサは、セラミックス繊維、セラミッ
クス粒子およびそれらと結合するバインダからなる。バ
インダは、構造物の製造に必要な熱処理によって消失す
るものである。スペーサにおいて、セラミックス繊維は
アルミナ繊維とすることができ、セラミックス粒子はマ
グネシア粒子とすることができる。セラミックス粒子の
重量に対するセラミックス繊維の重量の比は０．２〜５
であることが好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明者は、熱処理において、コ
イル状に巻かれた線材の部分同士の接触をより効果的に
防止することができかつ熱処理された線材の特性をさら
に向上させることのできる材料を見出すべく、研究を行
なった。本発明者は、アルミナ繊維とバインダとからな
るシート、マグネシア粒子とバインダとからなるシー
ト、およびアルミナ繊維とマグネシア粒子との混合物と
バインダとからなるシートをそれぞれ熱処理すべき線材
に重ね、それにより得られた積層体をコイル状に巻いて
熱処理した。いずれのシートにおいてもバインダは熱処
理によって消失するものであった。この実験の結果、次
のような知見が得られた。

【００２１】アルミナ繊維とバインダとからなるシート
を熱処理のためのスペーサとして用いた場合、他のシー
トよりも相対的にアルミナ繊維が線材の表面に残りやす
かった。針状結晶であるアルミナ繊維が、熱処理中軟化
している金属表面に付着すると、粒子の場合よりも表面
から分離するのが相対的に困難になる。熱処理の後、ス
ペーサ材を分離して得られた線材を導体、コイル等の用
途に用いる場合、スペーサ材はより速やかに容易に分離
されることが望まれる。なぜなら、スペーサ材が残って
いると、はんだ等の付きが悪くなったり、金属表面の抵
抗が高くなるという問題が生じるからである。線材から
の分離という点では、マグネシア粒子とバインダとから
なるシートを用いた場合の方が、優れていた。しかしな
がら、マグネシア粒子とバインダとからなるシートを用
いた場合、熱処理中にバインダが消失すると、粒状結晶
であるマグネシア粒子は、シート形状を保つことが相対
的に劣っていた。またマグネシア粒子は、熱処理によっ
て塊を形成する傾向があった。粒子の塊が形成される
と、シートに割れが生じる。割れた部分は、線材部分同
士の接触、付着、反応等を生じさせる原因になり得る。
また、線材表面を覆う粒子の塊は、線材とそのまわりの
雰囲気との間のガスの拡散を遮る恐れがある。たとえ
ば、酸化物超電導線材の製造プロセスにおける熱処理に
おいて、マグネシア粉末とバインダとからなるシートを
使用した場合、線材の膨張が見られた。これは、熱処理
時に起こる線材からのガスの放出が、マグネシア粒子の
塊によって妨げられたことに起因すると考えられた。ま
た、線材の熱処理によって好ましい特性を得ようとする
場合、熱処理雰囲気の作用を的確に線材に及ぼすことが
重要である。線材の表面を覆うマグネシア粒子の塊は、
必要な酸素分圧を有する酸化性雰囲気や還元性雰囲気の
作用を遮る要因になり得る。たとえば、酸化物超電導線
の製造においては、十分な酸素を線材に拡散させる必要
があるが、このような拡散が粒子の塊によって遮られる
と、臨界電流密度や臨界温度の低下が起こり得る。本発
明者は、アルミナ繊維とバインダとからなるシートを用
いた場合よりも、マグネシア粒子とバインダとからなる
シートを用いた場合の方が、熱処理の後得られる酸化物
超電導線の臨界電流密度が低いことを見出した。また、
特開平２−２４６１０１号公報も、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ
系超電導体を用いた線材にマグネシア粉末を塗布して熱
処理した場合、粉末を塗布しない場合よりも得られる臨
界電流密度および超電導体の体積率が低いことを示して
いる。一方、アルミナ繊維およびマグネシア粒子の混合
物とバインダとからなるシートを熱処理のためのスペー
サとして用いた場合、結果は他の２つのシートよりも顕
著に良かった。熱処理の後、線材の表面に残ったアルミ
ナ繊維とマグネシア粒子とは緩く結合し、残ったシート
は線材の表面から容易にかつ速やかに分離することがで
きた。熱処理において、マグネシア粒子とバインダとか
らなるシートで見られたような割れは認められなかっ
た。さらに、アルミナ繊維とマグネシア粒子とを混合し
たシートを酸化物超電導線の熱処理に用いた場合、他の
２つのシートを用いた場合よりも高い臨界電流密度が得
られた。アルミナ繊維とマグネシア粒子とを組合せてス
ペーサを構成することにより、熱処理時でも好ましいガ
ス透過性を有することができ、しかも線材に付着しにく
いスペーサを得ることができた。アルミナ繊維とマグネ
シア粒子とが組合わされたスペーサは、熱処理中および
熱処理後もシート状の形状を維持することができ、それ
を線材から分離することも容易になる。

【００２２】一方、熱処理後に残ったスペーサ材を線材
から分離することなく、そのままコイルの絶縁材として
機能させる場合、次のような知見が得られた。アルミナ
繊維とバインダとからなるシートをスペーサ材として用
い、バインダが消失した後の残ったアルミナ繊維をコイ
ルの絶縁材として用いようとした場合、熱処理の後、繊
維間の隙間を介して線材の部分同士が接触し、絶縁が十
分でない状態が生じた。また、マグネシア粒子とバイン
ダとからなるシートをスペーサとして用いた場合、熱処
理によって粒子の塊が生成し、これが上述したような好
ましくない作用をもたらす可能性があった。酸化雰囲気
または還元雰囲気において熱処理する必要がある場合、
コイルの製造において意図した反応が粒子の塊によって
阻害される恐れがあった。一方、アルミナ繊維とマグネ
シア粒子の混合物を用いたスペーサは、他の２つのスペ
ーサよりも顕著に好ましい結果をもたらした。アルミナ
繊維とマグネシア粒子との組成物は、線材部分同士の接
触を防ぎ、コイルの電気絶縁材として好ましいものであ
った。アルミナ繊維とマグネシア粉末の両方を含有する
スペーサは、十分なガス透過性を有し、熱処理雰囲気下
での反応に必要な気体成分を十分な量だけ線材にまで透
過させることができた。

【００２３】上述した知見に基づき、セラミックス繊維
またはセラミックス粒子のいずれか単独とバインダとか
らなるスペーサよりも、セラミックス繊維およびセラミ
ックス粒子の混合物とバインダとからなるスペーサの方
が、コイル状に巻かれた線材の熱処理においてより好ま
しい結果およびより好ましい特性をもたらし得ることが
わかった。また、セラミックス繊維とセラミックス粒子
との混合比を変えることで、より好ましい条件を見出し
得ることもわかった。これらの知見に基づき、本発明者
は、セラミックス繊維とセラミックス粒子とを組合せた
これまでにない線材の熱処理のためのスペーサを開発
し、本発明を完成させるに至った。以下、本発明をより
詳細に説明していく。

【００２４】図１は、平角状線材１が、シート状でかつ
テープ状のスペーサ５と重ね合わされ、巻枠３のまわり
にパンケーキコイル状に巻かれている様子を示してい
る。パンケーキコイルは、通常、巻かれるべき線材に張
力をかけて軽く巻き締めることによって形成される。パ
ンケーキコイルにおいて、平角状線材１の隣り合う部分
同士は、スペーサ５によって分離される。パンケーキコ
イル状に線材を巻き締めることにより、長尺な平角状線
材が非常にコンパクトな形状にまとめられるとともに、
線材の主要面に均一に適当な圧力がかけられる。このよ
うな圧力がかけられた状態で熱処理が行なわれると、た
とえば酸化物超電導線材を製造する場合、ガスの発生に
よるシース材の膨張が効果的に抑制される。

【００２５】図１では、線材をパンケーキコイル状に巻
く例を示したが、線材の形状、材質、用途等に応じて線
材をスペーサとともにソレノイドコイル状に巻いてもよ
い。また図では、平角状線材を示したが、丸線等の他の
断面形状を有する線材の製造に本発明を適用することが
できる。

【００２６】本発明により、表面が金属からなるコイル
状に巻かれた種々の線材を備える構造物が得られる。材
質の点から、線材は、全体が金属材料で構成される金属
線、セラミックス材料、金属間化合物材料等の金属以外
の材料と金属とが組合わされた複合材料線等を含む。線
材の機能の面から見れば、線材は、電線、超電導線、そ
の他の機能的線材等を含む。本発明は、特に超電導線お
よび超電導コイルの製造に適用される。酸化物超電導線
を提供する場合、たとえば、パウダー・イン・チューブ
法等が用いられる。たとえば、酸化物超電導線は、酸化
物超電導体原料の粉末を安定化材シースへ充填する工
程、粉末が充填された安定化材シースに塑性加工を施す
工程、および塑性加工により得られた線材に焼結のため
の熱処理を施す工程を経て製造することができる。原料
粉末は、超電導体を構成する元素の酸化物または炭酸塩
の粉末を所定の配合比で混合し、焼結した後、焼結物を
粉砕して得ることができる。粉末を充填するシースは、
たとえば銀または銀合金からなる。塑性加工には、たと
えば伸線加工、圧延加工、静水圧プレス加工等が用いら
れる。塑性加工により得られた線材は、スペーサ材とと
もにコイル状に巻かれ、熱処理される。多芯線を製造す
る場合、伸線加工の後得られた複数の線材が合わされ、
塑性加工および熱処理に供される。熱処理において、線
材の温度は、酸化物超電導体を焼結するために必要な温
度まで上げられる。酸化物超電導体は、イットリウム系
酸化物超電導体、ビスマス系酸化物超電導体、タリウム
系酸化物超電導体、水銀系酸化物超電導体等を含む。特
に、ビスマス系酸化物超電導体を用いた線材の製造に本
発明は有利である。また本発明は、合金超電導体等の金
属系超電導体、または金属間化合物系超電導体等の化合
物超電導体が銅などの安定化マトリックスで覆われた線
材またはコイルの製造に適用できる。合金超電導体には
ＮｂＴｉなどがあり、金属間化合物系超電導体にはＮｂ
₃ Ａｌ、Ｎｂ₃ Ｓｎ等がある。本発明は、ジェリーロー
ル法、チューブ法等を用いて金属間化合物超電導体が安
定化金属で覆われた線材またはコイルを製造するため適
用することができる。

【００２７】熱処理すべき線材に重ねられるスペーサ
は、セラミックス繊維、セラミックス粒子、およびそれ
らと結合するバインダからなる。ここで、「繊維」と
は、厚さまたは直径に対する長さの比が顕著に高い材料
を示す用語であり、「粒子」は、「繊維」に対抗する用
語であり、繊維のように顕著に長い部分を実質的に有さ
ない材料を指す。セラミックス繊維として、アルミナ繊
維、マグネシア繊維、炭素繊維等を挙げることができ
る。セラミックス粒子として、マグネシア粒子、ジルコ
ニア粒子、リチウム酸化物粒子、Ｖ₂ Ｏ₃ 粒子、ＭｎＯ
₂ 粒子等を挙げることができる。アルミナ繊維等のセラ
ミックス繊維について、その平均直径は１〜１０μｍと
することが好ましく、その長さは１００μｍ〜１ｍｍと
することが好ましく、アスペクト比は１０〜１０００と
することが好ましい。マグネシア粒子等のセラミックス
粒子の平均粒径は、０．５〜５μｍとすることが好まし
い。スペーサは、８０〜５０重量％のセラミックス繊維
およびセラミックス粒子と、２０〜５０重量％のバイン
ダとを含有することが好ましい。マグネシア粒子等のセ
ラミックス粒子に対するアルミナ繊維等のセラミックス
繊維の重量比は、１／５（０．２）〜５／１（５）の範
囲がより好ましい。この範囲の組成は、スペーサのガス
透過性を良好なレベルに維持し、かつ線材部分の接触を
より確実に阻止する。またこの範囲の組成は、熱処理の
後、より分離しやすいスペーサ層をもたらす。セラミッ
クス繊維およびセラミックス粒子は、熱処理によって、
実質的に変化せず、かつ線材にその成分を実質的に拡散
させない材料である。一方、熱処理によって消失するバ
インダには、セルロース系バインダ、天然ゴム系バイン
ダ等の有機ポリマ系のバインダを好ましく用いることが
できる。シート状のスペーサは、たとえば、セラミック
ス繊維およびセラミックス粒子にバインダを添加した混
合物を漉き込み加工して得ることができる。シート状の
スペーサの厚みは、たとえば、５０μｍ〜５００μｍの
範囲が好ましい。漉き込み加工によって得られるシート
は、線材の熱処理に適当なテープ形状に加工することが
好ましい。テープ形状のスペーサの幅は、熱処理すべき
線材の幅に応じて設定される。より長い線材に重ねるた
めのスペーサは、シートを切断して得られるテープを接
着剤によってつなぎ合わせることにより得ることができ
る。

【００２８】図２に示すように、シート状のスペーサ２
０において、セラミックス繊維２１およびセラミックス
粒子２２は、スペーサの全体にわたってほぼ均一に分配
され、バインダ２３によって固定される。多数のセラミ
ックス繊維２１は互いに接触し、網目構造を形成する。
セラミックス粒子２２は、この網目構造の中に保持され
る。スペーサ２０の厚み方向においてセラミックス繊維
２１は積層されているが、セラミックス繊維の配向する
方向は、ほぼランダムにすることができる。

【００２９】図１に示すように、スペーサとともにコイ
ル状に巻かれた線材は、線材として必要な特性を得るた
め熱処理される。熱処理の目的は、線材の材質、用途等
によって異なってくる。たとえば熱処理は、焼鈍、焼
結、複数の材料間の反応、またはそれらの組合せのため
に行なわれる。たとえば、酸化物超電導線がコイル状に
巻かれた構造物を得る場合、熱処理は酸化物超電導体を
焼結するために行なうことができる。この場合、コイル
状に巻かれた線材の温度は、たとえば７００〜１０００
℃、好ましくは８００℃〜９００℃にまで上げられる。
また熱処理により、複数の金属材料から金属間化合物超
電導体を生成させたい場合、金属材料が十分に拡散し反
応が十分進む温度まで線材の温度が上げられる。この熱
処理によって、スペーサのバインダは消失する。熱によ
ってバインダはガスとなり、放出される。一方、セラミ
ックス繊維およびセラミックス粒子は、線材と実質的に
反応せずに線材上に残る。バインダの消失のために、熱
処理される線材には、スペーサからの応力がほとんどか
からず、座屈等の線材の変形は防止される。

【００３０】酸化物超電導材料が銀または銀合金等の安
定化シースで覆われた線材をスペーサとともに熱処理す
る場合、線材の膨張が生じないよう留意すべきである。
線材の膨張は、シース内に充填された超電導材料に吸着
したＣ、Ｈ₂ Ｏ、Ｏ₂ 等が、熱処理中にガスとして放出
されることに起因する。炭素は、たとえば熱処理中に酸
化されて二酸化炭素ガスとして放出される。ガスの放出
による線材の膨張は、臨界電流、臨界電流密度などの特
性を低下させる。本発明によるスペーサは、熱処理にお
いて安定化金属シースを介してのガスの放出を容易に
し、線材膨張の発生を効果的に抑制する。さらに、ガス
の発生しやすい温度において昇温速度を調整することに
より、ガスの急激な放出を抑制し、金属シースの粒界や
開放端を介して徐々にガスを放出させ、線材膨張の発生
を抑制することができる。ガスの発生しやすい温度は、
１００〜３００℃の温度範囲および７００〜８００℃の
温度範囲であり、これらの温度範囲において線材の温度
を上げる時間を５時間以上とることによって、線材膨張
の発生はより効果的に抑制することができる。

【００３１】熱処理の後、線材上に残ったセラミックス
繊維および粒子は、分離してもよいし、そのままコイル
の電気絶縁材として用いてもよい。アルミナ繊維等のセ
ラミックス繊維とマグネシア粒子等のセラミックス粒子
とは緩く結合し、シート状の形態で線材から容易に剥が
すことができる。セラミックスを剥がして得られる線材
は、電線、超電導線、ケーブル用導体、コイルなどに用
いることができる。一方、セラミックス材料とともに巻
かれた線材は、そのままコイルとして使用してもよい。
この場合、アルミナ繊維等のセラミックス繊維およびマ
グネシア粒子等のセラミックス粒子からなる組成物は、
コイルの電気絶縁材として機能する。

【００３２】たとえば図３（ａ）に示すように、本発明
によって得られるコイル３０において、巻き枠３３にパ
ンケーキコイル状に巻かれた線材３１の隣り合う部分同
士は、セラミックス繊維およびセラミックス粒子からな
るスペーサ層４０によって電気的に絶縁される。スペー
サ層４０の厚みは、たとえば５０μｍ〜５００μｍとす
ることができる。図３（ｂ）に示すように、スペーサ層
４０は、セラミックス繊維２１とセラミックス粒子２２
とからなる。多数のセラミックス繊維２１は、網目構造
を形成し、その構造の中にセラミックス粒子２２が保持
されている。セラミックス繊維２１は、スペーサ層４０
の厚み方向に積層されているが、その配向方向はほぼラ
ンダムとすることができる。セラミックス繊維２１とセ
ラミックス粒子２２とは、熱処理の過程で結合すること
ができる。しかしながら、その結合は緩やかなものであ
り、実質的に焼結には至っていないものとすることがで
きる。

【００３３】

【実施例】

［スペーサの調製］平均直径２〜３μｍ、平均長さ１０
０μｍ〜２００μｍのアルミナ繊維、平均粒径が約１μ
ｍのマグネシア粉末、およびセルロース系のバインダを
混合し、漉き込んで得られるペーパを所望の形状に加工
することにより、シート状のスペーサ材を調製した。厚
み０．２ｍｍと０．５ｍｍのスペーサ材を得た。スペー
サ材は、約４０重量％のバインダと、約６０重量％のア
ルミナ繊維およびマグネシア粒子を含有した。アルミナ
繊維とマグネシア粒子の含有量を６０重量％に維持した
まま、マグネシア粒子の含有量に対するアルミナ繊維の
含有量の比が１／７〜７／１の範囲で変化した種々のシ
ート状のスペーサ材を調製した。得られたそれぞれのシ
ートを、４．５〜５ｍｍの幅のテープに切断し、得られ
たテープをセルロース系接着剤によって接着することに
より、熱処理すべき線材に重ねるためのスペーサを得
た。また比較のため、アルミナ繊維６０重量％とセルロ
ース系バインダ４０重量％とを含有するスペーサ、なら
びにアルミナ粉末６０重量％とセルロース系バインダ４
０重量％とを含有するスペーサを調製した。得られたス
ペーサの種類を表１に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】［コイル状に巻かれた線材構造物の作製］ 例１ 銀線を直径１．１５ｍｍφまで伸線し、得られた線材を
１５０℃で加熱した後、圧延加工にすることにより幅
４．５ｍｍ、厚み０．２ｍｍの銀テープ線を得た。得ら
れた銀テープ線にそれぞれのスペーサを重ねて図１に示
すようにパンケーキコイル状に巻いた。得られたパンケ
ーキコイルを７００℃で１時間、さらに８５０℃で１０
時間熱処理した。スペーサには０．５ｍｍの厚みのもの
を用いた。熱処理の後、残ったセラミックス材料が銀テ
ープ線から剥がれやすいかどうかを調べるとともに、目
視により、銀テープ線の隣り合う部分同士で接触する箇
所が存在するかどうかを調べた。表１に示すそれぞれの
スペーサを用いた結果およびスペーサを用いずに銀テー
プ線をパンケーキコイル状に巻いた結果を表２に示す。
スペーサを用いずに銀テープをコイル状に巻いた場合、
線材の部分同士で接合が起こった。

【００３６】

【表２】

【００３７】例２ Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＰｂＯ、ＳｒＣＯ₃ 、ＣａＣＯ₃ 、ＣｕＯ
の粉末を混合して、Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝
１．８２：０．３３：１．９２：２．０１：３．０２の
組成比を有する粉末を調製した。得られた粉末を７５０
℃で１０時間、さらに８００℃で８時間熱処理した。得
られた焼結体を自動乳鉢を用いて粉砕した。次いで得ら
れた粉末を８５０℃で４時間熱処理した後、再び焼結体
を自動乳鉢を用いて粉砕した。脱気を行なうため、得ら
れた粉末を減圧下で加熱処理した。次いで、得られた粉
末を外径３６ｍｍ、内径３０ｍｍの銀パイプに充填し
た。粉末を充填した銀パイプに伸線加工を施した。伸線
加工の後得られた線材を６１本束ねて、外径３６ｍｍ、
内径３１ｍｍの銀パイプに嵌合し、伸線加工および圧延
加工を施して、厚さ０．２５ｍｍ、幅４．５ｍｍのテー
プ状多芯線を得た。

【００３８】得られた線材にそれぞれのスペーサ材を重
ねて、図１に示すようなパンケーキコイルの形に巻い
た。約２００ｍの長さのテープ状多芯線を、厚みが０．
２ｍｍのスペーサとともに直径５００ｍｍの巻枠に巻い
た。得られたパンケーキコイルを、８４５℃で５０時
間、さらに８４０℃で５０時間、大気中において熱処理
した。表１に示すそれぞれのスペーサを用いて熱処理し
た後、残ったセラミックス材料が線材から剥がれやすい
かどうか調べた。また目視により、線材の隣り合う部分
同士で接触する箇所があるかどうか調べるとともに、線
材の膨張が発生したかどうかを調べた。さらに、熱処理
した線材について７７Ｋにおける臨界電流密度（Ｊｃ）
を測定した。得られた結果を表３に示す。

【００３９】

【表３】

【００４０】また、圧延加工により得られたテープ状多
芯線と厚さ０．２ｍｍのスペーサとを重ねて図１に示す
ようにパンケーキコイル状に巻き、内径６０ｍｍφ、外
径３００ｍｍφのパンケーキコイルを得た。得られたコ
イルを８４５℃で５０時間大気雰囲気下で熱処理し、コ
イルを作製した。表１に示すそれぞれのスペーサを用い
て、コイルを作製した。得られたコイルの７７Ｋにおけ
る臨界電流密度を測定した。また目視により、コイルに
おいて線材の隣り合う部分同士が接触している箇所があ
るかどうか調べるとともに、線材の膨張が発生している
かどうかを調べた。結果を表４に示す。

【００４１】

【表４】

【００４２】得られたテープ状多芯線に厚さ０．２ｍｍ
の表１に示すＮｏ．３（アルミナ繊維：マグネシア粒子
＝１：３）のスペーサを重ねて、直径５００ｍｍの巻枠
に巻いた。得られたパンケーキコイルを、種々の昇温条
件を用いて熱処理し、線材に膨張が発生するかどうかを
調べた。表５に示すように、１００〜３００℃の温度に
おける昇温時間、７００〜８００℃の温度における昇温
時間をそれぞれ変えて、熱処理を行なった。最終的に線
材の温度は８４５℃まで上げられ、１００〜３００℃の
温度範囲および７００℃〜８００℃の温度範囲における
昇温以外は、１００℃／時間の昇温速度を用いた。線材
の温度が８４５℃に到達した後、５０時間大気雰囲気下
で熱処理した。熱処理の後、セラミックス材料を剥がし
て得られる線材について、レーザ測定器によりその厚み
を長手方向に沿って厳密に測定し、厚みが変化した部
分、すなわち膨張が生じた部分の数を測定した。その結
果を表５に示す。表５に示すとおり、１００〜３００℃
における昇温時間および７００〜８００℃における昇温
時間をそれぞれ５時間以上、好ましくは２０時間以上と
ることにより、線材膨張の数を顕著に減らすことができ
た。熱処理に際し線材から放出されるガスをＴＧ−ＭＳ
で測定した結果、その主成分がＣＯ₂ およびＨ ₂ Ｏであ
ることがわかった。

【００４３】

【表５】

【００４４】例３ ジェリーロール法に従いＮｂシートとＡｌシートとを重
ね合わせたものを銅の丸棒に多層に巻き付け、それを銅
管に封入して、線引き加工を行なった。得られた線材の
断面を六角形に成形した後、六角柱の線材を多数本束ね
て銅管に挿入し、線引き加工を行なって多芯構造の丸線
を得た。

【００４５】得られた線材にスペーサ材を重ねて、パン
ケーキコイル状に巻き、８００℃で１０時間熱処理し
た。表１に示すそれぞれのスペーサを用いて熱処理を行
なった。スペーサの厚みは０．２ｍｍであった。熱処理
後、線材からセラミックス材料が剥がれやすいかどうか
を調べた。さらに目視により、線材の部分同士が接触す
る箇所がないかどうか調べるとともに、膨張が発生して
いないかどうか調べた。熱処理によって得られた線材に
ついて、温度４．２Ｋ、外部磁場１２Ｔの条件下で臨界
電流密度を測定した。得られた結果を表６に示す。

【００４６】

【表６】

【００４７】多芯構造の丸線を作製した後、マグネット
用コイルを作製するため、線材とスペーサとを重ねてパ
ンケーキコイル状に巻いた。得られたパンケーキコイル
を８００℃で１０時間熱処理した。用いたスペーサの厚
みは０．２ｍｍであった。表１に示すそれぞれのスペー
サを用いて、熱処理を行ないコイルを作製した。得られ
たコイルの臨界電流密度を測定した。また目視により、
コイルにおいて線材の部分同士が接触している箇所があ
るかどうか調べた。すなわち、線材間の電気的絶縁が十
分であるかどうか調べた。結果を表７に示す。

【００４８】

【表７】

【００４９】例４ Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＳｒＣＯ₃ 、ＣａＣＯ₃ 、ＣｕＯの粉末を
混合し、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：１：２の組
成比を有する粉末を調製した。得られた粉末について、
仮焼および粉砕を複数回繰返し、ビスマス系２２１２相
超電導体のための粉末を調製した。得られた粉末を冷間
静水圧プレス（ＣＩＰ）により棒状の成形体に固めた
後、脱気のために、得られた成形体を減圧下で加熱処理
した。得られた成形体を外径１２ｍｍ、内径８ｍｍの銀
パイプに充填した。銀パイプに伸線加工を施した後、得
られた線材を６１本束ねて外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ
の銀パイプに嵌合した。次いで、伸線加工および圧延加
工を行ない、厚さ０．２５ｍｍ、幅４．５ｍｍのテープ
状線材を得た。得られた線材にスペーサを重ね、直径５
００ｍｍの巻枠に巻いて、図１に示すようなパンケーキ
コイルを得た。得られたパンケーキコイルを８９０℃で
５分間、さらに８６０℃で２０時間、大気中で熱処理し
た。表１に示すそれぞれのスペーサを用いて、熱処理を
行なった。熱処理の後、セラミックス材料が線材から剥
がれやすいかどうかを調べた。また目視により、線材部
分の接触箇所がないかどうか調べるとともに、膨張の存
在を調べた。さらに得られた線材の７７Ｋにおける臨界
電流密度を測定した。結果を表８に示す。

【００５０】

【表８】

【００５１】表２〜表８に示すとおり、アルミナ繊維お
よびマグネシア粉末を含むスペーサ、特に１／５〜５／
１の範囲の重量比でアルミナ繊維およびマグネシア粉末
を含むスペーサは、熱処理の後、線材から剥がしやすい
ものであり、かつコイル状に巻かれた超電導線の臨界電
流密度を向上させた。また、１／５〜５／１の範囲の重
量比でアルミナ繊維およびマグネシア粉末を含有するス
ペーサは、熱処理時における線材の膨張を効果的に防止
し、かつコイルのための好ましい電気絶縁材をもたらし
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って、熱処理時に線材をスペーサと
ともにパンケーキコイル状に巻き締めた状態を示す斜視
図である。

【図２】本発明のスペーサの構造を模式的に示す断面図
である。

【図３】本発明に従うコイルの構造を模式的に示す断面
図である。

【図４】従来の酸化物超電導線の製造方法に用いられる
装置の一具体例を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ 平角状線材 ５、２０ スペーサ ２１ セラミックス繊維 ２２ セラミックス粒子 ２３ バインダ ３０ コイル ３１ 線材 ４０ スペーサ層

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面が金属からなるコイル状に巻かれた
   線材を備える構造物であって、 前記コイル状に巻かれた線材の部分同士が互いに接触し
   ないよう、前記線材に重ねられたスペーサ層を備え、 前記スペーサ層がセラミックス繊維およびセラミックス
   粒子からなることを特徴とする、コイル状に巻かれた線
   材を備える構造物。
2. 【請求項２】 前記線材は、酸化物超電導体が安定化金
   属で覆われた構造を有する超電導線であることを特徴と
   する、請求項１に記載の構造物。
3. 【請求項３】 前記線材は、金属系超電導体または金属
   間化合物系超電導体が安定化金属で覆われた構造を有す
   る超電導線であることを特徴とする、請求項１に記載の
   構造物。
4. 【請求項４】 前記セラミックス繊維はアルミナ繊維で
   あり、かつ前記セラミックス粒子はマグネシア粒子であ
   ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記
   載の構造物。
5. 【請求項５】 前記セラミックス粒子の重量に対する前
   記セラミックス繊維の重量の比が０．２〜５であること
   を特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構
   造物。
6. 【請求項６】 表面が金属からなるコイル状に巻かれた
   線材を備える構造物の製造方法であって、 表面が金属からなる線材にシート状のスペーサを重ねる
   工程と、 前記線材の部分同士が互いに接触せずかつ前記スペーサ
   によって互いに分離されるよう、前記線材と前記スペー
   サとを重ねることにより形成された積層体をコイル形状
   に巻く工程と、 巻かれた前記積層体を熱処理する工程とを備え、 前記スペーサは、セラミックス繊維、セラミックス粒子
   およびそれらと結合するバインダからなり、 前記セラミックス繊維および前記セラミックス粒子は、
   前記熱処理において前記線材の金属と実質的に反応せず
   に前記線材上に残り、かつ前記バインダは、前記熱処理
   によって消失することを特徴とする、コイル状に巻かれ
   た線材を備える構造物の製造方法。
7. 【請求項７】 前記線材は、酸化物超電導材料が安定化
   金属で覆われた構造を有し、かつ前記熱処理は、酸化物
   超電導体の焼結体を得るために行なわれることを特徴と
   する、請求項６に記載の製造方法。
8. 【請求項８】 前記熱処理において、１００℃〜３００
   ℃の範囲の温度で昇温を行なう時間および７００℃〜８
   ００℃の範囲の温度で昇温を行なう時間をそれぞれ５時
   間以上とすることを特徴とする、請求項７に記載の製造
   方法。
9. 【請求項９】 前記線材は、金属系超電導体または金属
   間化合物系超電導体を生成するための複数の材料が安定
   化金属で覆われた構造を有し、かつ前記熱処理は、前記
   複数の材料を互いに反応させることによって超電導体を
   生成させるために行なわれることを特徴とする、請求項
   ６に記載の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記セラミックス繊維がアルミナ繊維
    であり、かつ前記セラミックス粒子がマグネシア粒子で
    あることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１項に
    記載の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記スペーサにおいて、前記セラミッ
    クス粒子の重量に対する前記セラミックス繊維の重量の
    比が０．２〜５であることを特徴とする、請求項６〜１
    ０のいずれか１項に記載の製造方法。
12. 【請求項１２】 表面が金属からなるコイル状に巻かれ
    た線材を備える構造物の製造に用いられるシート状のス
    ペーサであって、 セラミックス繊維、セラミックス粒子およびそれらと結
    合するバインダからなり、 前記バインダは、前記構造物の製造に必要な熱処理によ
    って消失するものであることを特徴とする、スペーサ。
13. 【請求項１３】 前記セラミックス繊維はアルミナ繊維
    であり、かつ前記セラミックス粒子はマグネシア粒子で
    あることを特徴とする、請求項１２に記載のスペーサ。
14. 【請求項１４】 前記セラミックス粒子の重量に対する
    前記セラミックス繊維の重量の比が０．２〜５であるこ
    とを特徴とする、請求項１２または１３に記載のスペー
    サ。