JPH10505703A - 高容積の銅を有する超伝導体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 経済的なクラッド加工工程を用いて，超伝導コアに対し大量の安定化銅を付加することができる。銅からなる１つまたは複数のクラッドストリップが，接着剤を使用することなく，コアに直接接合される。銅クラッドは超伝導体の製造における後の段階で，通常のロール成形装置を用いて，熱および圧力を同時に加えることによりコアに融着される。複数のクラッド層を順次に被覆して，超伝導体内に存在する銅の容積をさらに増加することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 高容積の銅を有する超伝導体 発明の背景 発明の分野 本発明は，一般には，銅クラッド超伝導ワイヤおよびケーブルに関し，詳細に は，マルチフィラメントワイヤおよびケーブルに，およびモノフィラメント再積 層ロッド（restack）に容積割合の大きい銅をクラッド加工（cladding）する経 済的な方法に関するものである。 従来技術の説明 通常の方法によれば，複合超伝導体における安定化材料として，すなわち常伝 導材料または非超伝導材料として，銅が使用される。種々の超伝導装置を確実か つ安全に運転するために，たとえばＭＲＩ装置の付属品として使用されるような ある用途においては，容積割合の大きい銅安定化材料が必要である。銅が超伝導 ワイヤおよびケーブル内に加工されるとき，銅をその初期ビレット組立体からそ の最終寸法に加工するための合計コストは，銅の単位重量当たりの初期コストの ３倍または４倍となることがある。 通常製造される高いＣｕ／ＳＣ比を有する超伝導体においては，銅に対して要 する加工費が全体コストの大きな割合を占めることになる。これらの製品におい ては，銅部品が，クリーニング，溶接，押出し，運搬，ロッドおよびワイヤの引 抜き，および加熱処理を含めた加工費のほとんどすべてを占めることになる。 これらの大きな積算加工費を回避するために，種々の試みがなされてきた。１ つの方法は，銅／超伝導体（Ｃｕ／ＳＣ）容積比が比較的低いストランドまたは ケーブルの形の複合超伝導コアを，銅チャネル内にはんだ付けすることである。 他の方法は，米国特許第４７２３３５５号に記載のように，Ｃｕ／ＳＣ容積比が 低い超伝導ロッドを銅チューブ内に挿入し，この組立体を引抜きベンチおよび押 出しブロック上で共に加工することであり，この特許は本明細書に参考資料とし て含まれるものである。 これらの両方の既知の方法は，銅安定化超伝導体の最終製造費を低減すること ができる。節約の程度は希望する最終Ｃｕ／ＳＣ容積比の関数である。一般に， この比が高ければ高いほど，コストの節約は大きくなる。それにもかかわらず， 現在，銅被覆超伝導ワイヤおよびケーブルを製造するためのさらに低い製造費の 必要性が存在している。この必要性はとくに高い容積割合の銅を必要とする製品 の製造においてとくに感じられる。 発明の概要 本発明は上記の必要性を満たすために開発され，したがって本発明は，銅クラ ッド超伝導ワイヤ，ロッドまたはケーブルを製造するための低い製造費を提供す ることを目的としている。本発明によれば，通常の超伝導体製造技術に付属する 銅の加工費の大部分を回避および削減するために，超伝導体の製造のかなり後の 段階において，銅の容積割合が比較的低い複合超伝導ワイヤ，ロッドまたはケー ブルがクラッド加工される。 とくに，熱および圧力および／または連続継目溶接を用いて，モノフィラメン トまたはマルチフィラメントの超伝導コアの周りに銅がクラッド加工される。銅 クラッド材料はいかなる中間接着剤をも使用することなく，超伝導コアの表面の 周りに直接被覆される。加熱ステップおよび加圧ステップを順次の多段工程に分 けている従来の方法とは異なり，クラッド加工の間，熱および圧力は同時に加え られる。このように，本発明は，銅の容積割合が比較的大きい銅クラッド超伝導 体を製造するために，比較的小さいＣｕ／ＳＣ比を有する超伝導コアに対し，容 積割合が比較的大きい銅を付加するものである。 超伝導コアは銅シェルまたは銅マトリックス内に埋め込まれたモノフィラメン トワイヤまたはマルチフィラメントワイヤであってもよく，これにより銅の上に 銅クラッドが形成されることになる。さらに，コアは超伝導合金ワイヤそれ自身 であってもよく，この場合，該ワイヤ材料上に直接クラッドが形成される。 本発明により超伝導コアがクラッド加工された後，得られた製品がさらに希望 の最終寸法に加工されることはさらに有利である。たとえば，それに続いて１個 または一連のダイス内で超伝導体を引き抜くことにより，フィルムタイプの絶縁 コーティングを塗布するのに適した平滑な連続仕上面を有する銅クラッドが提供 される。通常のはんだ付け方法により製造された超伝導体ケーブルは，低融点は んだ残留分の存在およびやや不均一の継目のために，このようなフィルムの塗布 を容易に受けつけない。 上記の銅クラッド加工は，たとえばニオブ−チタンベースの超伝導体またはニ オブ−スズベースの材料あるいはその他の材料のような，低臨界温度超伝導（Ｌ ＴＳ）材料上に行われるものである。しかしながら，本発明は，高臨界温度伝導 （ＨＴＳ）コアの上に銀をクラッド加工するのにも使用可能である。 本発明の上記の目的，特徴および利点は，本発明の重要部分を形成する添付図 面による，以下の本発明の詳細な説明から，指摘されかつ明らかになろう。 図面の簡単な説明 図面において， 図１は，クラッド加工する前の，１対の銅クラッドストリップおよびマルチフ ィラメント超伝導コアの略端面図， 図２は，本発明によりクラッド加工した後の，図１の銅ストリップおよびコア の略端面図， 図３は，クラッド加工する前の，シングル銅クラッドストリップおよびマルチ フィラメント超伝導コアの略端面図， 図４は，本発明によりクラッド加工した後の，図３の銅ストリップおよびコア の略端面図， 図５は，ＣｕおよびＮｂＴｉのモノフィラメント複合ストランドにより包囲さ れた中心銅コアを組み込んだ，本発明の他の実施態様の略端面図，および 図６は，モノフィラメントワイヤ材料上に直接クラッド加工する方法を用いた ，本発明の他の実施態様の略端面図である。 図面の種々の図において，同じ番号は同じ部品を示している。 好ましい実施態様の詳細な説明 本発明はクラッド加工技術を利用し，この場合，最初は平らな１つまたは複数 の銅ストリップが圧力および熱を同時に加えることにより超伝導コアに接合され る。とくに，クラッドストリップの長手方向端縁の溶接および銅ストリップの超 伝導コアへの直接接合は，熱，圧力および金属変形を同時に与えることにより行 われる。場合により溶接を行ってもよく，または連続電気アークを加えることに より溶接を加速してもよい。 使用材料，すなわち超伝導コアおよび銅クラッドは，材料の酸化を防止する不 活性ガスまたは還元ガスのような制御された雰囲気内で，加熱され，共に引抜き されかつロール成形される。超伝導コア１０内の銅の相対量およびクラッドスト リップの厚さを調節することにより，種々の銅割合を得ることができる。この方 法は，全体のＣｕ／ＳＣ容積比を増大するようにマルチフィラメント超伝導体を 有効にクラッド加工し，これにより超伝導体内に存在する銅安定化材料の量を増 大させることができる。 超伝導コアの電流容量（Ｊｃ）は熱に対し敏感であるので，冶金的な銅溶接ま たは接合を達成するのに必要な銅クラッド加工に使用される温度は，注意して制 御されなければならない。クラッド加工工程中に超伝導コアが到達する温度は， ＮｂＴｉコアフィラメント内のＪｃ低下を防止するために，一般に約４８２℃（ ９００°Ｆ）より低く維持されなければならない。 したがって，最終導体寸法に対するマルチフィラメントコアまたはモノフィラ メントコアの直径またはサイズ，および最後の折出熱処理におけるサイズは，相 互に最適化されなければならない。クラッド加工ステップの間に，超伝導コアに 加えられる熱により，（Ｊｃの増大に必要な）αチタンの折出を促進することも また可能である。 本発明により行われるクラッド加工方法の一例が図１および２に示されている 。ＮｂＴｉまたは他の適切な超伝導材料からなるフィラメント１１および銅から なる包囲マトリックス１３で構成された通常のマルチフィラメント超伝導コア１ ０が，銅クラッド鋼線の製造に現在使用されているような通常のロール加工方法 を用いて，最初は平らな１対のテープ状銅の間に挟み込まれる。コア１０は，最 初，存在する超伝導コア材料の容積に対して比較的小さい容積量の銅を有してい てもよい。たとえば，コア１０のＣｕ／ＳＣ容積比は約０．６：１ないし６．０ ：１ の範囲であってもよい。 図１および２のロール成形工程は，長手方向に伸長しかつ径方向に突出する１ 対のかしめ継目１４および円筒管状の銅クラッド層１６を形成する。継目１４は ，通常の方法を用いて，せん断，シェービング，切削または他の通常方法により ，せん断ライン１８に沿って除去される。除去後，ほぼ円形断面が形成される。 各ストリップ１２は，各ストリップ１２がコア１０の外周面の約半分を被覆す るように相互に対称的にコア１０に接合される。ロール成形工程の間，銅クラッ ド層１６は径方向に圧縮され，密着して押し出され，かつマルチフィラメント超 伝導コア１０に接合される。コア１０の相対寸法と銅ストリップ１２の厚さは， クラッド製品２２内に追加された銅が最終断面の約１０ないし９０％となるよう に選択してよい。 図３および４の実施例においては，最初の実施例におけるような２つのストリ ップの代わりに，シングル銅クラッドストリップ１２を用いてもよい。同様に， 各ストリップを順次にカールしてコア１０の表面の周りに密着させる一連の対向 ローラのような通常のロール成形装置を用いてもよい。この場合，クラッドスト リップ１２の長手方向突合せ端面部分に沿って，１つの長手方向継目１４が形成 されるにすぎない。継目１４は上記のようなクラッド層１６に対し接線方向にせ ん断され，これにより製品２２に対し円形断面を与えることができる。 前の各実施例において，１つまたは複数の銅ストリップが超伝導コアの周りに ロール成形されかつ変形されるとき，各クラッドストリップ１２は好ましくは約 ９００°Ｆを超えない温度に加熱することにより高温に維持されている。温度は 低いことが好ましく，これにより超伝導コア内に伝わる熱を制限し，かつマルチ フィラメント超伝導コア１０の電流容量Ｊｃの低下を防止することができるから である。 加熱は，コア１０または銅ストリップ１２あるいはそれらの両方を加熱するこ とにより行ってもよい。また，電気抵抗式，輻射加熱，対流加熱，誘導加熱等の ような既知の任意のタイプの方法を使用してもよい。 図１〜４の各々においては，環状銅クラッドのシングル層が被覆されているが ，各クラッド加工工程を２回ないし複数回反復して，きわめて高いＣｕ／ＳＣ容 積 比を有する多層超伝導体を製造することが可能である。例示の各クラッド加工工 程は，それ自身の最終製品に反復しても，または他のクラッド加工工程と混合し てもよい。たとえば，図２の最終製品２２は図３の代替クラッド加工工程に対す るコア１０として使用してもよく，およびその逆を行ってもよい。 １回のステップで大きな割合の銅をクラッド加工する場合には技術的問題が発 生するので，銅のクラッド加工を１回のステップで行う代わりに，クラッド加工 工程を数回に分けて反復することが一般に有利である。すなわち，１つまたは複 数のきわめて厚い銅ストリップ１２を使用すると，厚い銅ストリップ１２とコア １０との間に加えられる圧力が不適切となり，これによりコアとクラッドとの間 の接合が不十分となる。さらに，コア１０は過熱され，熱源として働く厚い銅ク ラッドストリップからコアへの過大な熱伝導により，コア１０はＪｃの低下を受 けることになる。 継目１４に沿ってコア内の銅に至るまで十分な接合を形成するために銅クラッ ドストリップがコアより高い温度に加熱されたとき，Ｊｃの低下が示される。こ の状況は，継目１４に限定された外部溶接方法によるストリップとストリップと の間の接合工程を行うことにより回避することができる。このように，継目１４ のみがコアより著しく高い温度に加熱される。薄いストリップを使用することに より，および２回以上クラッド加工を行うことにより，すべての重要なエリアに おける十分な接合を達成することができる。 少なくとも１回クラッド加工された材料は，押出し，ロール成形，スウェージ 加工または線引きのような他の通常の方法により，次のクラッド加工ステップに 適切な寸法に減少させることができる。経済的な観点から，３回の別々のステッ プでクラッド加工すること，すなわち超伝導体コアに対し３つのクラッド層を加 えることが，２回のクラッド加工よりも一般にコスト的に有利である。３回を超 えるクラッド加工は，コストの有利性を低下させることになる。 図６に示すように，モノフィラメントコア形状に対しても，本発明の他の実施 態様による銅クラッド加工を適用することができる。ＮｂＴｉ超伝導材料からな るシングルコアが，その周りに銅シェルを有するか有しないかにかかわらず，３ ０で示され，上記のいずれかの方法を用いて銅１２がクラッド加工されている。 コア全体がＮｂＴｉからなるとき，希望する量の銅をクラッドさせることができ ，必要ならばさらに，製品を，マルチフィラメントビレット組立体に対して適切 なサイズに低減させることができる。ＮｂＴｉは，またその周りに銅のシェルを 有していてもよく，そしてこれに，銅でクラッド加工してもよい。 同様に，銅の薄いシェルで最初に加工されたモノフィラメントＮｂＴｉ材料の コアから，本発明により，モノフィラメント再積層（restack）ロッドを形成し ても経済的である。ＮｂＴｉコアの周りのオリジナルの薄い銅シェルは，主とし て，大きなビレットからの押出しおよび引抜きを容易にするために使用される。 このコアは，その全体のＣｕ／ＳＣ比を増加するために，追加の銅ストリップで クラッド加工してもよい。モノフィラメントクラッド加工に使用されるストリッ プは，純銅または特殊用途用銅合金（ＣｕＮｉ，ＣｕＭｎ，ＣｕＳｉ等）から製 作してもよい。 この方法の利点は，形成された最終モノフィラメント再積層ロッドが，押出し 「缶」を用いて製造される通常の再積層ロッドよりも安くなることにある。なぜ ならば，製造工程の後の段階で，１つまたは複数の安価な銅ストリップが本発明 により再積層材料に被覆され，これによりかなり大きな容積割合の高価な銅の加 工費を削減することができるからである。押出し缶の形状の銅の単位重量当たり のコストは，典型的には，ストリップ形状の銅のコストの２倍である。 クラッド加工作業中におけるモノフィラメントコアおよび／または銅ストリッ プの加熱可能な温度は，マルチフィラメントコアをクラッド加工するときよりも ，温度を変えられる自由度が大きい。モノフィラメント再積層ロッドのすべての 境界面においては高い接合は必要ではない。その理由は，モノフィラメント再積 層ロッドから組み立てられたマルチフィラメントビレットの典型的な高温押出し により，良好な接合が得られるからである。クラッド加工温度は，Ｊｃの高い用 途に対して希望されるような，コアＮｂＴｉ合金内に鍛錬されたミクロ組織を維 持するように故意に低く保持しても，または小さいワイヤ径および長尺に対して 希望されるように，合金を焼鈍するために故意に高い温度に維持してもよい。 上記のクラッド加工方法は，通常のマルチフィラメントビレット押出しステッ プを行うことなくマルチフィラメント超伝導体を製造するのにも利用可能である 。 Ｃｕ／ＮｂＴｉモノフィラメント複合材料が小さなストランドに形成され，次に この小さなストランドが，銅コアを有するかまたは有しないかにかかわらず，マ ルチフィラメントケーブルを製造するために使用されるようにしてもよい。この ケーブルは，現在のクラッド加工方法において超伝導コアとして使用されるとき ，図５に示すような超伝導複合材料を得ることができる。この組立体は，さらに ，最終マルチフィラメントモノリシック導体に加工してもよい。 図５において，ケーブル２２は，銅コア１３，１対のクラッドストリップ１２ ，およびＣｕ／ＮｂＴｉからなる複数のモノフィラメントストランド１１で構成 されている。クラッド加工ステップはケーブルを圧縮固化して固め，これにより 空隙２４を除去または減少し，すべての境界面において必要な接合を与えている 。追加の引抜きを行うことにより，さらにケーブル２２を固めることができる。 クラッド加工中のモノフィラメントストランド１１の融着は，通常製造される 超伝導体に類似の銅の連続マトリックスを形成する。ＮｂＴｉ内にαチタン層を 折出するために行われる熱処理は，モノフィラメントストランド加工中に行って も，および／またはクラッド複合材料が形成された後に行ってもよい。クラッド 加工後に行われる任意の熱処理は，銅と銅との接合をさらに強固にする。 上記のケーブル上のクラッド加工の他の変更態様においては，図５におけるモ ノフィラメントストランド１１がＮｂＴｉ／Ｃｕのマルチフィラメントストラン ドにより置き換えられて，多数のファインフィラメントを有する最終製品を得る ことができる。ファインフィラメント超伝導体は，高エネルギー物理学の素粒子 加速磁石において必要とされ，また交流用途にも必要とされる。 人工ピン止め中心（ＡＰＣ）を含む超伝導製造技術において，個々の構成部品 の寸法をナノメータスケールに低減することが必要であり，またこれは通常，た ばね形成ステップおよび押出しステップの繰り返しにより達成される。これらの 場合，マルチフィラメントストランドを組み込むこのクラッド加工方法を使用す ることにより，押出しステップの必要性が回避される。 高温超伝導材料を使用するとき，マトリックス材料または外側シェルとして， 典型的には銀が使用される。したがって，本発明によるクラッド加工方法は，超 伝導コア上に銀の層をクラッド加工するのにも使用可能である。強い最終製品を 製造するためのストリップ材料として，純銀の代わりに，銀合金または分散強化 型銀を使用してもよい。 上記の方法において，本発明の種々の修正態様および変更態様が可能であるこ とは明らかである。したがって，請求の範囲に記載の範囲内で，本発明はここに 記載の特殊例以外において実施可能であることを理解すべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．超伝導コアと前記コアを包囲するクラッド層とを有し，前記クラッド層は 銅からなる少なくとも１つのストリップを含み，前記ストリップが前記コアの周 りに機械的に変形されて前記コアに直接接合されている銅クラッド超伝導体。 ２．前記コアが，銅マトリックス内に配置された複数のＮｂＴｉフィラメント で構成されたマルチフィラメントコアからなる請求項１の超伝導体。 ３．前記少なくとも１つのストリップが１対の銅ストリップをさらに含み，前 記ストリップの各々が前記コアのほぼ半周を包囲する請求項１の超伝導体。 ４．前記コアが超伝導モノフィラメントを含み，前記銅クラッドがコアに直接 接合されている請求項１の超伝導体。 ５．前記コアがＣｕの薄いシェルを有するモノフィラメントＮｂＴｉ合金から なる請求項４の超伝導体。 ６．前記コアがモノフィラメントＮｂＴｉ合金からなる請求項４の超伝導体。 ７．前記コアがモノフィラメントストランドで構成されたケーブルを含み，前 記銅クラッドがケーブルに直接接合されている請求項１の超伝導体。 ８．前記コアがマルチフィラメントストランドで構成されたケーブルを含み， 前記銅クラッドがケーブルに直接接合されている請求項１の超伝導体。 ９．前記クラッド層が，ＣｕＮｉ，ＣｕＭｎ，ＣｕＳｉ等のような銅合金から なる請求項１の超伝導体。 １０．前記コアが，銅マトリックス内に配置された超伝導材料からなる複数の フィラメントで構成されたマルチフィラメントコアを含み，前記コア内の前記銅 の，前記コア内の前記超伝導材料に対する容積比が，０．６：１ないし１０：１ の範囲内である請求項１の超伝導体。 １１．クラッド加工により付加される銅の容積の，最終クラッド製品の容積に 対する割合が，１０ないし９０％の範囲内である請求項１０の超伝導体。 １２．前記少なくとも１つのストリップがシングルストリップからなり，前記 シングルストリップは前記コアに沿って伸長する１つの長手方向継目を形成する 突合せ端部部分を有する請求項１の超伝導体。 １３．銅からなる少なくとも１つのストリップを，超伝導材料を含むコアにク ラッド加工する方法において， 前記ストリップを前記コアの表面部分に直接被覆することと， 前記コアを前記ストリップで包囲するように前記ストリップを前記コアの周り に変形し，これにより銅クラッド超伝導体を製造することと，および 前記変形の間，前記ストリップを高温に維持することと， を含むストリップのコアへのクラッド加工方法。 １４．前記ストリップがロール成形作業により変形される請求項１３の方法。 １５．前記高温が４８０℃（９００°Ｆ）未満である請求項１３の方法。 １６．前記少なくとも１つのストリップが１対の平らなストリップを含み，前 記方法が前記ストリップを前記コアの周りに対称にロール成形することをさらに 含む請求項１３の方法。 １７．銅からなる少なくとも１つの追加ストリップを，前記銅クラッド超伝導 体に被覆し，熱および圧力を同時に加えて前記追加ストリップを前記銅クラッド 超伝導体の周りに変形させることをさらに含む請求項１３の方法。 １８．前記クラッド加工の間，前記コアを高温に維持することをさらに含む請 求項１３の方法。 １９．前記クラッド加工の間，前記ストリップおよび前記コアを非酸化性雰囲 気内に維持することをさらに含む請求項１３の方法。 ２０．前記コアがモノフィラメント超伝導ワイヤを含み，前記銅クラッドが前 記ワイヤに直接接合される請求項１３の方法。 ２１．超伝導コアと前記コアを包囲するクラッド層を有し，前記クラッド層は 銀からなる少なくとも１つのストリップを含み，前記ストリップが前記コアの周 りに機械的に変形されて前記コアに直接接合されている銀クラッド高臨界温度超 伝導体。