JP2012151025A - 超電導多芯ビレットの構造及び超電導多芯線材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時間の低減と縮径加工伸線中の断線頻度を低減する超電導多芯ビレットの構造及び超電導多芯線材の製造方法を提供する。
【解決手段】多芯ビレットは、銅または銅合金からなる断面円形のビレット２に複数個の縦孔３を穿ち、この縦孔にＮｂＴｉからなる超電導素材４を充填した構成であり、銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上で、前記縦孔がビレットの中心に対して、外層と内層からなる２層の同心円の各同心円上に等間隔に穿たれており、外層の同心円上の縦孔数Ｎ１が１６以上、３８以下の偶数で、内層の同心円上の縦孔数Ｎ２がＮ１／２、Ｎ１／４またはＮ１／８であり、内層に穿つ縦孔の配置が外層に穿つ隣接する縦孔の配置角度の中間であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅または銅合金ビレット中に複合した超電導素材を形状良好なフィラメントに加工し得る超電導多芯ビレットの構造及び超電導多芯線材の製造方法に関する。

超電導線は、電力損失無しに大電流を流したり、強磁界を発生したりすることができるため、様々な分野で応用されている。例えば、発電機、送電ケーブルなどの電力システムの超電導化による省エネルギー開発分野や、核融合、ＭＨＤ発電などの新エネルギー開発分野、高エネルギー加速器や医療ＭＲＩなど高磁界を利用した新技術の開発分野などである。

このような超電導応用技術の発展のために、超電導線技術の開発が盛んに行われており、これまでに、８及び９Ｔ以下の磁界下ではＮｂＴｉ系合金線材が、又、それ以上の高磁界下ではＮｂ３ Ｓｎ及びＶ３ Ｇａ系化合物線材が開発されている。

これらの超電導線材は、熱伝導性に優れたＣｕ等の金属マトリックス中に数１０μｍ以下の径のＮｂＴｉやＮｂ３ Ｓｎ等の超電導フィラメントを多数本埋設させた構造を持っている。こうした超電導線材は極細多芯線材と呼ばれている。

以下、超電導フィラメントにＮｂＴｉ合金を用いた超電導線材の製造方法について簡単に述べる（非特許文献１参照）。まず、ＮｂＴｉ合金を丸棒状に冷間加工して、この丸棒をＣｕチューブ中に挿入し断面減少加工することで単芯線を得る。次に、この単芯線を適当な長さに裁断し、Ｃｕの容器中に多数充填して、容器中の空気を排除し、蓋を溶接して密封し複合ビレットを製造する。その後、押出し加工と断面減少加工を繰り返すことで複合線を得る。尚、大電流容量化するためには、得られた多数の複合線をＣｕチューブ中に充填して断面減少加工すればよい。一般に、ＮｂＴｉ合金線の臨界電流密度は強加工（断面減少率１０⁴ 以上）と時効処理（熱処理温度３５０〜４５０℃）の組み合わせにより大幅に増大するので、通常、多重時効・冷間加工処理が施され、さらにツイスト加工することで極細多芯線材が得られている。

線材作製上、最も重要な工程はＣｕ容器中に多数のＣｕ、Ｃｕ／ＮｂＴｉ、または、Ｃｕ／Ｎｂ単芯線を充填し、複合ビレットを製造する工程である。この工程により、極細多芯線材の形状がほぼ決定するため、この工程の仕上がりの善し悪しが、線材の超電導特性を左右すると言っても過言ではない。

しかしながら、上記の方法では、適当な長さに裁断された数十から多い場合では千数百本の上記単芯線を多数の人手によりＣｕ容器に挿入することで複合ビレットを製造していたため、単芯線の直線性等の加工精度を満たすために多くの人手と時間を要し、製造コストの増大につながっていた。

さらに、従来の方法では単芯線の充填密度には限界があった。また、今後、超電導線のさらなる高性能化の需要に応えるためには、線材の多芯化、超電導フィラメントの細線化等は重要課題である。このためには複合ビレットの製造においてＣｕ容器中に充填する単芯線の本数を増やすか、あるいは、複合化のプロセスを多数回繰り返すことが必要となる。したがって、加工性の良さが望まれ、上記方法では限界があった。

さらに、多芯化は極細多芯線材中の超電導フィラメント間の距離がこれまで以上に短くなることを意味する。このため、超電導フィラメント間の一部または大部分に物理的結合及び近接効果による超電導的結合を生じ、交流損失が高くなり特性を劣化させてしまう。従って、複合ビレットの製造においてＣｕ容器中に単芯線を充填する方法以外の簡便な方法が採用できれば、製造方法の簡便化、コストの低減ばかりでなく、超電導特性の向上が計れる。

特許文献１〜３に、改善された複合ビレットの製造方法が示されている。即ち、縦方向に複数本の孔を開けた銅ブロックの複数個を積み重ねたものに超電導材料棒を挿入した後、銅ブロックの両端に蓋を当て、銅ブロック積層円周部を真空中で電子ビーム溶接して押しだし用ビレットを製造する。

特許文献２では、銅丸棒に例えば３３７個の孔、３１３個の孔、７３個の孔、２４６個の孔、２２２個の孔、２３２個の孔を穿ち、孔にＮｂ棒などの超電導材を挿入することで超電導ビレットを構成する。その後、超電導ビレットの熱間押し出し、伸線及び熱処理を施して所定の仕上げ線径まで縮径加工を施すことで超電導多芯線材を製造した。

特許文献３では、銅合金丸棒に１９個の孔、３７個の孔を穿ち、孔にＮｂ棒などを挿入することで超電導ビレットを構成し、押し出し及び伸線して、伸線材を切断し銅管に組込み超電導マルチビレットとし、このマルチビレットを押し出し及び伸線して、超電導多芯線材を製造した。

尚、通常、孔と孔の隙間が最も大きくなるような配置とする。隙間が大きい方が孔空け加工が容易となるからである。

このような超電導多芯線材は、絶縁被覆処理を施して超電導線とし、巻線してコイルとし、電流通電で磁場が制御される超電導マグネットとする。超電導マグネットを作製する場合、巻線時、巻線位置や巻線張力など面で精度の高い技術が必要となる。巻線時の位置ヅレ等は磁場分布に深刻な影響を及ぼす問題となる。また、巻線にムラがあり作業上の問題があると、超電導マグネットが所定の電流値より小さな値で熱暴走（以後、これをクエンチと称す）し、問題となる。超電導マグネッットのクエンチ現象の要因は、電磁力を受けることによる線材の動乱と磁場の不安定性に起因するものがあるが、実際の装置で発生するクエンチは線材の動乱によるものが多いと考えられている。

特公昭５４−２２７５８号公報 特許第２８６８９６６号公報 特許第３４４５３０７号公報

「超電導工学 改訂版」オーム社、（１９８８）Ｐ．７４〜Ｐ．７６

しかしながら、上記従来技術には以下の問題点があった。

特許文献１では、真空中での多数回の電子ビーム溶接が必要であり、製造工程が複雑になるため製造コストが増大していた。さらに、各銅ブロック同士の接触面が溶接時の融け込み深さ（２ｍｍ）しかなく、その後の断面減少加工時に断線が頻繁にあった。

断線は頻度が少ないことが好ましい。通常の製造工程で、仕上げ線形まで加工する場合、仕上げ線材の長さ当りに換算し、断線回数が０．００１回/ｋｍ以下であることが好ましい。

特許文献２では、銅丸棒の孔数の多いことが問題となる。孔数の多いことで、製造時間（コスト）が増大していた。また、特許文献３では、押出ビレット組み立てが２回となり、組み立てなど製造工程が煩雑となるため、製造時間（コスト）が増大していた。

上記従来技術の課題は２種ある。製造時間（コスト）の低減と、縮径加工伸線中の断線防止である。

そこで、本発明の第１の目的は、製造時間（コスト）の低減と縮径加工伸線中の断線頻度を低減する超電導線材の構造及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、超電導マグネットの磁場均一度確保である。
本発明の第３の目的は、超電導マグネットのクエンチ抑制である。

上記課題を解決するため、本発明は、銅または銅合金からなる断面円形のビレットに複数個の縦孔を穿ち、前記縦孔にＮｂＴｉからなる超電導素材を充填した超電導多芯ビレットにおいて、前記銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上であり、前記縦孔が前記ビレットの中心に対して、外層と内層からなる２層の同心円の各同心円上に等間隔に複数個、穿たれており、前記外層の同心円上の縦孔数Ｎ１が１６以上、３８以下の偶数であり、前記内層の同心円上の縦孔数Ｎ２がＮ１／２、Ｎ１／４またはＮ１／８であり、前記内層に穿つ縦孔の配置が前記外層に穿つ隣接する縦孔の配置角度の中間であることを特徴とする超電導多芯ビレットを提供する。

また、前記超電導多芯ビレットにおいて、前記内層の縦孔数Ｎ２が素数であることを特徴とすることができる。

さらに、銅または銅合金からなる断面円形のビレットに複数個の縦孔を穿ち、前記縦孔にＮｂＴｉからなる超電導素材を充填した超電導多芯ビレットにおいて、前記銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上であり、前記縦孔が前記ビレットの中心に対して、１層の同心円上に等間隔に穿たれており、前記同心円上の縦孔数Ｎが１６以上、５７以下の数であることを特徴とする超電導多芯ビレットを提供する。

さらにまた、前記超電導多芯ビレットにおいて、前記縦孔数Ｎが素数であること、または、Ｎ＝３以上の素数Ｎａ×５以上の素数Ｎｂであり、Ｎａ＝Ｎｂでないことを特徴とする。

また、銅または銅合金からなる断面円形のビレットに複数個の縦孔を穿つ工程と、前記縦孔にＮｂＴｉ丸棒を挿入する工程と、前記縦孔の両端を金属蓋で真空封止する工程と、ＮｂＴｉ丸棒を挿入して真空封止された前記ビレットに熱間押出しを施し、伸線と熱処理とを繰り返す工程とからなる超電導多芯線材の製造方法において、前記銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上であり、前記縦孔が前記ビレットの中心に対して、外層と内層からなる２層の同心円の各同心円上に等間隔に複数個、穿たれており、前記外層の同心円上の縦孔数Ｎ１が１６以上、３８以下の偶数であり、前記内層の同心円上の縦孔数Ｎ２がＮ１／２、Ｎ１／４またはＮ１／８であり、前記内層に穿つ縦孔の配置が前記外層に穿つ隣接する縦孔の配置角度の中間であることを特徴とする超電導多芯線材の製造方法を提供する。

また、前記超電導多芯線材の製造方法において、前記内層の縦孔数Ｎ２が素数であることを特徴とする。

さらに、銅または銅合金からなる断面円形のビレットに複数個の縦孔を穿つ工程と、前記縦孔にＮｂＴｉ丸棒を挿入する工程と、前記縦孔の両端を金属蓋で真空封止する工程と、ＮｂＴｉ丸棒を挿入して真空封止された前記ビレットに熱間押出しを施し、伸線と熱処理とを繰り返す工程とからなる超電導多芯線材の製造方法において、前記銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上であり、前記縦孔が前記ビレットの中心に対して、１層の同心円上に等間隔に穿たれており、前記同心円上の縦孔数Ｎが１６以上、５７以下の数であることを特徴とする超電導多芯線材の製造方法を提供する。

さらにまた、前記超電導多芯線材の製造方法において、前記縦孔数Ｎが素数、または３以上素数Ｎａ×５以上の素数Ｎｂであるり、Ｎａ＝Ｎｂでないことを特徴とする。

本発明は、上述したように超電導多芯ビレットの縦孔数を適正化しているので、超電導線材の製造時間（コスト）を低減することができる。また、ビレットの縦孔数を素数とすることにより、張力の局所集中がなくなり分散し、縮径加工伸線中の断線を抑制できる。

さらに、別の効果としては、このような構造の線材を用いた超電導コイルにおいて、磁場均一度の向上及び超電導マグネットのクエンチ抑制に有効な手法となる。

本発明の超電導多芯ビレットの第１の実施例を示す横断面図である。 本発明の超電導多芯ビレットの第２の実施例を示す横断面図である。 （ａ）は、本発明の超電導多芯ビレットの第３の実施例を示す横断面図である。（ｂ）は、第３の実施例の超電導多芯線材を示す横断面図である。 （ａ）は、超電導多芯ビレットの第１の比較例を示す横断面図である。（ｂ）は、第１の比較例の超電導多芯線材を示す横断面図である。 超電導多芯ビレットの第２の比較例を示す横断面図である。 超電導多芯ビレットの第３の比較例を示す横断面図である。 巻線の均一度と超電導クエンチ評価を実施した超電導マグネットの断面形状である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明の実施例では、銅または銅合金からなる断面円形のビレットに複数個の縦孔を穿ち、この縦孔にニオブからなる超電導素材を充填することで超電導多芯ビレットを構成する。体積比で、銅または銅合金／超電導素材を銅比と称する。

通常、超電導線の構造決定は、顧客から、銅比（＝Ｃｕ／ＮｂＴｉの体積比）と超電導線の線径、超電導フィラメント径など範囲付で要求され、その仕様内で、具体的にどのような構造を選定するかを線材メーカが決定する場合が多い。線径ｄ、超電導フィラメント径ｄｓｃ、銅比ｍ、の３つが選定されると、分割数Ｎも一義的に決定する。それらの間には、以下の関係式が成立し、
Ｎ×π／4×（ｄｓｃ）^２＝１／(ｍ＋１)×π／４×（ｄ）^２
従って、分割数Ｎは、以下の式で表される。

Ｎ＝1／（ｍ＋１）×（ｄ／ｄｓｃ）^２
銅比ｍが小さくなるほど、分割数Ｎ、つまり孔数が増える。あるいは、銅比ｍが大きくなるほど孔数が少なくなる。

超電導線は、フィラメント径ｄｓｃが小さくなるほど、また、分割数が増えるほど、高性能となるが、その分、加工コストが高くなるのが通例である。超電導線の場合、断面で外層部の超電導フィラメントほど加工性良好であるため、極力、フィラメントを外層部に配置するのが好ましい。つまり、フィラメントについては、顧客要求の銅比とフィラメント径に基づき、フィラメントを外層部になるべく集中させるのが好都合である。

また、断面構造としては、伸線加工、すなわち縮径加工中の塑性変形を断面内均一とするため、幾何学的対称的な構造とするのが好ましい。対称的な構造とするために、内層の縦孔数Ｎ２と外層の縦孔数Ｎ１との関係は、Ｎ２＝Ｎ１／２またはＮ１／４、もしくはＮ１／８となる。

本実施例については、銅比が４より大きい場合に適用する。仮に銅比が３とすると、フィランメント数が多くなり、孔数も多くなり、本実施例のような２層構造でなく、３層あるいは４層構造となり、フィラメントをより内層側に配置することになり、また、分割の少ない線材は、結果的にフィラメント径ｄｓｃが大きくなり、性能上問題となる。

縦孔総数Ｎを２０から５７までとした理由は、Ｎが２０より小さいと超電導素材が分割されなくなり、性能不足となり、逆にＮが多いと縦孔加工賃を要する点で好ましくないからである。

図１において、１は超電導多芯ビレット、２は銅または銅合金のビレット、３はビレット１に穿った縦孔、４は縦孔３に挿入した超電導素材である。

図１の例では、縦孔３は、ビレット２の外層の同心円径（Ｄ２外）及び内層の同心円径（Ｄ２内）上に、外層にＮ１＝２８個、内層にＮ２＝１４個配置される。縦孔３は等間隔すなわち、等角度α及びβで穿っている。つまり、各々の角度はα＝３６０／Ｎ１＝１２．８６度、β＝３６０／Ｎ２＝２５．７１度となる。図１の例ではＮ１＝２８の構造を示すが、２層構造の場合、Ｎ１が１８から３８までの偶数であって、Ｎ２は９から１８までの整数値であることが好ましい。

また、内層に穿つ縦孔３の配置角度は外層の配置角度の中間値、図で表現した角度γが１．５×αであることが好ましい。内層に穿つ縦孔の配置角度を外層縦孔の配置角度の中間値に選定する理由は、超電導フィラメントの異常変形を抑制するためである。このため幾何学的にＮ１＝（２または４もしくは８）×Ｎ２であることが必然となる。故にＮ１は偶数である。

ビレット２の外径をＤ１とすると同心円径Ｄ２外＝Ｄ１×０．８程度、Ｄ２内＝Ｄ１×０．６程度であるが、Ｄ２外、Ｄ２内とＤ１の関係はこの限りではない。

縦孔に挿入する適用可能な超電導素材４は、ＮｂＴｉ丸棒または銅被覆ＮｂＴｉ丸棒、またはニオブ（Ｎｂ）シートやタンタル（Ｔａ）シートを巻付けたＮｂＴｉ丸棒としてもよい。超電導多芯材の作製は、図１に示すような超電導多芯ビレット１を組み立て、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理により超電導多芯線材とする。

次に、図１に示した超電導多芯ビレットによる超電導多芯線材の製造方法をより詳しく説明する。ビレット２として外径φ２３５ｍｍで長さ８５０ｍｍの銅丸棒を準備し、外層の同心円径（Ｄ２外=φ１８４ｍｍ）及び内層の同心円径（Ｄ２内＝φ１３８ｍｍ）上に、内径φ１５ｍｍの縦孔３を外層にＮ１＝２８個、内層にＮ２＝１４個穿ち、合計で４２個（Ｎ１＋Ｎ２）、さらに、各層の縦孔３は等間隔すなわち、等角度α（１２．８６度）及びβ（２５．７１度）で穿つ。

また、内層に穿つ縦孔３の配置角度は、外層の配置角度の中間値、図で表現した角度１．５×αとする。

縦孔３に、超電導素材４である外径φ１４．８ｍｍのＮｂＴｉ丸棒を挿入し、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理と伸線を繰り返すことにより仕上げ線径φ１．２ｍｍの超電導多芯（４２芯）線材１とした。

この超電導多芯線材は、超電導多芯ビレット１における銅（ビレット２）の断面積が
３．１４×（２３５／２）^２−３．１４×（２８＋１４）×（１５／２）^２
＝３５９３３ｍｍ^２
であり、超電導素材４の断面積が、
３．１４×（２８＋１４）×（１４．８／２）^２＝７２２２ｍｍ^２
となり、銅比は、３５９３３／７２２２＝５である。

本実施例では仕上げ線径までの伸線中の断線回数はゼロであった。実際のところ、仕上げ線径までの伸線での断線頻度は確率的には非常に小さく、定量差を実験的に評価するためには膨大な長さの材料を加工する必要がある。ここでは断線頻度を比較調査するために、仕上げ線径まで加工した後に、断面減少率２６％の伸線加工を３回施す際の断線回数を調査することで、この材料の断線頻度は評価した。つまり、φ１．２８（仕上げ径）に対して→φ１．０３→φ０．８８８→φ０．７６３とダイス引き伸線を３回実施し、長さ当りの断線回数を調査した。

発明者らが鋭意検討した結果、仕上げ径までの線材長さあたりの断線回数をＰ（回／ｋｍ）とすると、この３回の余分な伸線を施す場合、断線頻度が約１００倍になるという知見を得た。本明細書においては、仕上げ径換算での断線回数を実測値の１００倍とすることで断線評価した結果を示している。

本実施例では、仕上げ径伸線換算での断線回数＝０．０００８回／ｋｍであり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造方法であることを確認した。

第２の実施例では、ビレットの内層に穿つ縦孔の数Ｎ２を素数とした。本実施例では、内層に穿つ縦孔の数を素数という敢えて、対称的でない構造を幾何学的に盛り込み、かつ、塑性変形的には対称的な構造を選定するものである。Ｎ２を素数とした理由は、伸線加工中の超電導フィラメントの異常変形を抑制できるからである。

実施例１の場合と同様に、実施例２についても、銅比が４より大きい場合に適用し、
内層の縦孔数Ｎ２と外層の縦孔数Ｎ１との関係も実施例１と同様に、Ｎ２＝Ｎ１／２またはＮ１／４、もしくはＮ１／８とした。

図２の例では、縦孔３は、ビレット２の外層の同心円径（Ｄ２外）及び内層の同心円径（Ｄ２内）上に、外層にＮ１＝２６個、内層にＮ２＝１３個配置される。この縦孔３は、実施例１と同様に等間隔すなわち、等角度α及びβで穿たれる。つまり、α＝３６０／Ｎ１＝１３．８５度、β＝３６０／Ｎ２＝２７．６９度となる。図２は図１と異なる構造であるが、Ｎ２が３から１９の素数であって、Ｎ１＞２×Ｎ２を条件とする偶数であることが好ましい。また、実施例１と同様に内層に穿つ縦孔の配置角度は、外層の配置角度の中間値、図で表現した角度１．５×αであることが好ましい。Ｄ２外、Ｄ２内とＤ１の関係も実施例１と同様である。

また、実施例１と同様に、縦孔３に挿入する適用可能な超電導素材４は、ＮｂＴｉ丸棒であり、超電導多芯線材の作製は、図２に示すような超電導多芯ビレット１を組み立て、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理により超電導多芯線材とする。

次に、図２に示した超電導多芯ビレットによる超電導多芯線材の製造方法をより詳しく説明する。ビレット２として外径φ２３５ｍｍで長さ８５０ｍｍの銅丸棒を準備し、外層の同心円径（Ｄ２外=φ１８４ｍｍ）及び内層の同心円径（Ｄ２内＝φ１４０ｍｍ）上に、内径φ１５ｍｍの縦孔３を数として外層にＮ１＝２６個、内層にＮ２＝１３個穿ち、合計で３９個（Ｎ１＋Ｎ２）、さらに、縦孔３は等間隔すなわち、等角度α（１３．８５度）及びβ（２７．６９度）で穿たれる。

また、内層に穿つ縦孔３の配置角度は、外層の配置角度の中間値、図で表現した角度１．５×αとする。縦孔３に、超電導素材４である外径φ１４．８ｍｍのＮｂＴｉ丸棒を挿入し、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理と伸線を繰り返すことにより仕上げ線径φ１．２ｍｍの超電導多芯（３９芯）線材１とした。

この超電導多芯線材は、超電導多芯ビレット１における銅（ビレット２）の断面積が
３．１４×（２３５／２）^２−３．１４×（２６＋１３）×（１５／２）^２
＝３６４６３ｍｍ^２
であり、超電導素材４の断面積が、
３．１４×（２６＋１３）×（１４．８／２）^２＝６７０６ｍｍ^２
となり、銅比は、３６４６３／６７０６＝５．４である。

仕上げ線径までの伸線中の断線回数はゼロであった。

実施例１と同様に実施した仕上げ径伸線換算での断線回数＝０．０００４回／ｋｍであり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造法方法であることを確認した。

表１は、図１及び図２に該当する構造の縦孔数を示した表であり、各構成は、それぞれ本発明の実施例を示す。表１の最右列には、断線に関して、上記の断線に関する結果を、◎、○、×、で表記した。つまり
×：長さ１ｋｍあたりで断線回数が０．００１回を超える
○：長さ１ｋｍあたりで断線回数が０．００１回未満
◎：長さ１ｋｍあたりで断線回数が０．０００５回未満
とした。

第３の実施例では、縦孔はビレットの中心に対してビレットの外径と同心円上の１層の円上に穿ち、縦孔数がＮ＝２９個である。実施例２及び３と同様に、縦孔は等間隔すなわち、等角度αで穿たれている。本実施例のＮ＝２９の場合は、α＝３６０／Ｎ＝１２．４度となる。

図３において、１は超電導多芯ビレット、２は銅または銅合金のビレット、３はビレット１に穿った縦孔、４は縦孔３に挿入した超電導素材、５は超電導多芯ビレット１を加工して形成した超電導多芯線材である。

図３（ａ）はＮ＝２９の構造を示すが、Ｎは整数であって、１７から５３までの値であることが好ましい。さらに好ましくは、Ｎ＝１７、１９、２３、２９、３１、３７、４１、４３、４７、５１、５３と素数を選定すること、あるいは、３以上の素数Ｎａと５以上の素数Ｎｂを乗算した値、Ｎ＝３３、３５、３９が好ましい。Ｎを素数または素数の乗算した値とする理由は、伸線加工中の超電導フィラメントの異常変形抑制、超電導コイルの磁場均一度向上、超電導マグネットのクエンチ抑制を期待できるからである。超電導線素材のための縦孔数を素数や３以上の素数Ｎａ×５以上の素数Ｎｂとするような線材構造とすることで、コイル巻線時の巻線位置づれや装置の癖によるムラが緩和され、結果的に均一度に優れた超電導コイルが得られ、超電導クエンチ現象の効果も期待できる。

実施例１、２と同様に、実施例３についても、銅比が４より大きい場合に適用する。また、ビレット２の外径をＤ１、同心円径をＤ２とするとＤ２／Ｄ１＝０．７から０．８５であることが好ましい。

実施例１、２の場合と同様に、縦孔３に挿入する適用可能な超電導素材４は、ＮｂＴｉ丸棒であり、超電導多芯線材の作製は、超電導多芯ビレット１を組み立て、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理により超電導多芯線材１とする。

次に、図３（ｂ）に示した超電導多芯線材５の製造方法をより詳しく説明する。ビレット２として外径φ２３５ｍｍで長さ８５０ｍｍの銅丸棒を準備し、外層の同心円径（Ｄ２外=φ１８４ｍｍ）及び内層の同心円径（Ｄ２内＝φ１４０ｍｍ）上に、内径φ１５ｍｍの縦孔３を外層にＮ＝２９個、縦孔は等間隔すなわち、角度α（１２．４度）で穿つ。

縦孔３に、超電導素材４である外径φ１４．８ｍｍのＮｂＴｉ丸棒を挿入し、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理と伸線を繰り返すことにより仕上げ線径φ１．２ｍｍの超電導多芯（２９芯）線材５とした。

この超電導多芯線材５は、超電導多芯ビレット１における銅（ビレット２）の断面積が
３．１４×（２３５／２）^２−３．１４×２９×（１５／２）^２
＝３８２３０ｍｍ^２
であり、超電導素材４の断面積が、
３．１４×２９×（１４．８／２）^２＝４９８６ｍｍ^２
となり、銅比は、３８２３０／４９８６＝７．７である。

仕上げ線径までの伸線中の断線回数はゼロであった。超電導部４’の形状は真円構造が維持されており、このために断線回数を低減できたと考えられる。

実施例１と同様に実施した仕上げ径伸線換算での断線回数＝０．０００２回／ｋｍであり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造法方法であることを確認した。

実施例４は、実施例３に類似した構造及び方法であり、外層の同心円径上に配置する超電導素材の数がＮ＝２８個の例である。実施例１〜３の場合と同様に、縦孔に挿入する適用可能な超電導素材は、ＮｂＴｉ丸棒であり、超電導多芯線材の作製は、超電導多芯ビレットを組み立て、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理により超電導多芯線材とする。

図示説明は省略するが、実施例３と同様に、ビレットとして外径φ２３５ｍｍで長さ８５０ｍｍの銅丸棒を準備し、外層の同心円径（Ｄ２外=φ１８４ｍｍ）上に内径φ１５ｍｍの縦孔をＮ＝２８個、縦孔は等間隔すなわち、角度α（１２．８度＝３６０／２８）で穿つ。

縦孔に、超電導素材である外径φ１４．８ｍｍのＮｂＴｉ丸棒を挿入し、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理と伸線を繰り返すことにより仕上げ線径φ１．２ｍｍの超電導２８芯線材とした。尚、実施例３と銅比を一致させるために、伸線途中で銅の外層部の一部を除去し、銅比７．７となるように施し、仕上げ線径までの伸線中の断線回数はゼロであった。

実施例１と同様に実施した仕上げ径伸線換算での断線回数＝０．０００８回／ｋｍであった。この場合は、断線頻度が実施例３に比べ大きく、その理由は孔縦数を素数でなくＮ＝２８としたからと考えられる。但し、断線についての要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足しており、実施可能と判断した。

上述の実施例の超電導多芯ビレットを押出しや伸線による縮径加工後のフィラメントの断面を光学顕微鏡で観察したところ、ほぼ真円構造を維持していた。

実施例４の構造を用いた場合、上記のような複雑な力が加わる縮径加工中若しくはその後でも、超電導部材はほぼ真円を維持しており、断線回数を飛躍的に低減できていることが分かる。

第５の実施例は、実施例３の変形例であり、縦孔はビレットの中心に対してビレットの外径と同心円の１層の円上に穿たれ、縦孔数がＮ＝３３個、３５個、３９個である。縦孔は等間隔すなわち、等角度αで穿たれている。本実施例のＮ＝３３の場合は、α＝３６０／３３＝１０．９度、Ｎ＝３５の場合は、α＝３６０／３３＝１０．３度、Ｎ＝３９の場合は、α＝３６０／３９＝９．２度となる。

Ｎは、３以上の素数Ｎａと５以上の素数Ｎｂを乗算した値、Ｎ＝３３、３５、３９、が好ましい。Ｎを素数または素数の乗算した値とする理由は、伸線加工中の超電導フィラメントの異常変形抑制、超電導コイルの磁場均一度向上、超電導マグネットのクエンチ抑制を期待できるからである。超電導多芯ビレットの孔数を素数や３以上の素数Ｎａ×５以上の素数Ｎｂとするような構造として超電導多芯線材を作製することで、コイル巻線時の巻線位置づれや装置の癖によるムラが緩和され、結果的に均一度に優れた超電導コイルが得られ、超電導クエンチ現象の効果も期待できる。

実施例３と同様に、銅比が４より大きい場合に適用する。また、ビレットの外径をＤ１、同心円径をＤ２とするとＤ２／Ｄ１＝０．７から０．８５であることが好ましい。

実施例３の場合と同様に、縦孔に挿入する適用可能な超電導素材は、ＮｂＴｉ丸棒であり、超電導多芯線材の作製は、超電導多芯ビレットを組み立て、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理により超電導多芯線材とする。

次に、Ｎ＝３３の場合の超電導多芯線材の製造方法をより詳しく説明する。ビレットとして外径φ２３５ｍｍで長さ８５０ｍｍの銅丸棒を準備し、外層の同心円径（Ｄ２外=φ１８４ｍｍ）上に、内径φ１５ｍｍの縦孔をＮ＝３３個、縦孔は等間隔すなわち、角度α（１２．４度）で穿つ。

縦孔に、外径φ１４．８ｍｍのＮｂＴｉ丸棒を挿入し、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理と伸線を繰り返すことにより仕上げ線径φ１．２ｍｍの超電導多芯（３３芯）線材とした。

この超電導多芯線材は、超電導多芯ビレットの銅（ビレット）の断面積が
３．１４×（２３５／２）^２−３．１４×３３×（１５／２）^２
＝３７５２３ｍｍ^２
であり、超電導素材の断面積が、
３．１４×３３×（１４．８／２）^２＝５６７７ｍｍ^２
となり、銅比は、３７５２３／５６７７＝６．６である。

仕上げ線径までの伸線中の断線回数はゼロであった。縮径加工後の線材断面構造は、図３（ｂ）と同様である。超電導部材の形状は真円構造が維持されており、このために断線回数を低減できたと考えられる。

実施例１と同様に実施した仕上げ径伸線換算での断線回数＝０．０００２回／ｋｍであり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造方法であることを確認した。
（比較例１）
比較例１としては、図４（ａ）にそのビレット構造を示す。銅比が０．４となるＣｕ／ＮｂＴｉの単芯線材（超電導素材４を銅で覆ったもの）１２を作製し、その単芯線材１２を線径φ１６ｍｍに伸線し、更に、銅管（外径φ２３４ｍｍ、内径φ２１４）１１の中に前記単芯線材１２を２６本、及び、外径φ１８１ｍｍの中心銅丸棒１４を１本挿入することで超電導複合ビレットを組み立てた。図中表記の記号で説明すると、Ｄ４＝２３４、Ｄ５＝２１４、Ｄ６＝１８１（ｍｍ）である。この超電導複合ビレットに熱間押出しと伸線と熱処理を施すことにより、図４（ｂ）に示すようなφ１．２ｍｍの超電導２６芯線材１６とした。仕上げ線径までの伸線中の断線回数はゼロであった。

一方、実施例１と同様に実施した仕上げ径伸線換算での断線回数＝０．００２回／ｋｍであり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造方法ではなかった。断線回数が大きくなったのは超電導複合ビレットを組み立て、断面中に空隙１５が形成されるためであると考えられる。この空隙１５は超電導複合ビレットを押出しや伸線による縮径加工において、単芯線材４が断面円形から均一な円形相似への変形でなく、不均一な縮径変形を起こさせる。このように、フィラメント（縮径加工後の単芯線材４’）が真円でなくなってしまうことが、断線の多発に繋がったと考えられる。

なお、図４（ｂ）は伸線加工後の断面形状を示したものであるが、比較例１の場合、縮径加工によりフィラメント４’が真円でないような形状となる。
（比較例２）
比較例２を図５を用いて説明する。実施例２と異なる点は、内層に穿つ縦孔３の配置である。実施例２の場合は、縦孔３の配置角度が外層の配置角度の中間値、図で表現した角度１．５×αとなっているのに対して、本比較例では、同じ角度上に縦孔３を配置する構造となっている。実施例２と同様に、外径φ１４．８ｍｍのＮｂＴｉ丸棒を挿入し、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理と伸線を繰り返すことにより仕上げ線径φ１．２ｍｍの超電導多芯（３９芯）線材とした。

この超電導多芯線材は、超電導多芯ビレット１の銅（ビレット２）の断面積が
３．１４×（２３５／２）^２−３．１４×（２６＋１３）×（１５／２）^２
＝３６４６３ｍｍ^２
であり、超電導素材４の断面積が、
３．１４×（２６＋１３）×（１４．８／２）^２＝６７０６ｍｍ^２
となり、銅比は、３６４６３／６７０６＝５．４である。これらの数値は実施例２と同じである。

仕上げ線径までの伸線中の断線回数はゼロであった。

実施例１と同様に実施した仕上げ径伸線換算での断線回数＝０．００１回／ｋｍであり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造方法ではなかった。
（比較例３）
比較例３を図６を用いて説明する。この例は内層配置孔数Ｎ２＝１３であるが、外層配置の孔数が実施例２と異なり、Ｎ１＝２７である。偶数倍ではなく、Ｎ１＝２７となっており、α＝３６０／Ｎ１＝１３．３度である。この構造の場合は、内層に穿つ全ての縦孔の配置角度が外層の配置角度の中間値とすることは幾何学的に不可能である。内層の縦孔の１つをαの中心にするのであれば、図６に示すように中間値の角度γ＝１．５αとはならない。

この場合も、同様に伸線評価を実施したところ、断線回数＝０．００４回／ｋｍであり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造方法ではなかった。
（比較例４）
比較例４を以下に説明する。本比較例は、内層配置孔数Ｎ２＝１３であるが、外層配置の孔数が実施例２と異なり、Ｎ１＝２５である。偶数倍ではなく、Ｎ１＝２５となっており、α＝３６０／Ｎ１＝１４．４度である。この構造の場合は、内層に穿つ全ての縦孔の配置角度が外層の配置角度の中間値とすることは幾何学的に不可能である。

この場合も、同様に伸線評価を実施したところ、断線回数＝０．００４回／ｋｍであり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造方法ではなかった。

表２は、比較例１〜４（図４〜６）に該当する構造の縦孔数及び断線回数を示した表である。ここで、表２の最右列には、表１と同様に、上記断線に関する結果を、◎、○、×で表記した。
（比較例５〜９）
比較例５から９は、縦孔はビレットの中心に対してビレットの外径と同心円上の１層に穿たれ、縦孔数がＮ＝３０、３２、３４、３６、３８個である。実施例２及び３と同様に、縦孔は等間隔すなわち、等角度αで穿たれている。比較例において、Ｎ＝３０の場合は、α＝３６０／Ｎ＝１２度となる。

実施例３の場合と同様に、縦孔に挿入する適用可能な超電導素材は、ＮｂＴｉ丸棒であり、超電導多芯線材の作製は、超電導多芯ビレットを組み立て、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理により超電導多芯線材とした。

ここでは、外径φ２３５ｍｍで長さ８５０ｍｍの銅丸棒を準備し、外層の同心円径（Ｄ２=φ１８４ｍｍ）上に、内径φ１５ｍｍの縦孔を、それぞれ、Ｎ＝３０個（比較例５）、Ｎ＝３２個（比較例６）、Ｎ＝３４個（比較例７）、Ｎ＝３６個（比較例８）、Ｎ＝３８個（比較例９）の等間隔で穿った。

そして、縦孔に外径φ１４．８ｍｍのＮｂＴｉ丸棒を挿入し、両端を金属蓋で真空封止し、熱間押出しを施し、所定の伸線と熱処理と伸線を繰り返すことにより仕上げ線径φ１．２ｍｍの超電導多芯（３０芯、３２芯、３４芯、３６芯、３８芯）線材とした。

一方、実施例１と同様に実施した仕上げ径伸線換算での断線回数については、比較例５（３０芯）が断線回数０．００１回／ｋｍ、比較例６（３２芯）が断線回数０．００８回/km、比較例７（３４芯）が断線回数０．００４回/km、比較例８（３６芯）が断線回数０．００２回/km、比較例９（３８芯）が断線回数０．００１回/kmとなり、要求値（断線回数＜０．００１回／ｋｍ）を満足できる製造法方法でなかった。また、比較例６のように２のべき乗となる場合は断線頻度の高い結果を示した。

以上のように、本実施例１〜４によれば、超電導多芯ビレットの縦孔数を適正化しているので、超電導多芯線材の製造時間（コスト）及び縮径加工伸線中の断線を低減することができる。特に実施例２、３で説明したように、ビレットの縦孔数を素数とすることにより、張力の局所集中がなくなり、分散し、縮径加工伸線中の断線を効果的に抑制できる。

他の実施例

本発明の超電導多芯線材及び比較例の超電導多芯線材を用いて作製した超電導線により、ＮＭＲ用を模擬し、巻線してコイルを製作し、磁場均一度と超電導マグネットのクエンチ挙動についての比較調査を実施した。伸線外径φ1.2ｍｍの超電導多芯線材にエナメル絶縁処理を施して外径φ１．３ｍｍの超電導線とし、表３に示すような超電導マグネットを８種の線材で１３個のＮＭＲ模擬コイルを巻線して製作した。

図７は、評価形状となるＮＭＲ模擬超電導コイルの構成（軸心から半分）を示している。このＮＭＲ模擬コイルは、内外２層の銅巻枠２１、２２を備える。内側の銅巻枠２１には内側にメインコイル２３を巻線し、その外側にアウターコイル２４を巻線した。また、外側の銅巻枠２２には、軸方向に３個のコイル（上下サブコイル２５、２６と、中サブコイル２７）を巻線した。

各ＮＭＲ模擬の超電導マグネットは、表４に示すような寸法でメインコイル、アウターコイル、上下サブコイルの２個、中サブコイルの計５個のコイルから構成されるＮＭＲ模擬コイルである。表４は、ＮＭＲ模擬超電導コイルの形状（寸法）の一例である。

超電導マグネットのコイルは、表３の実施例Ａ〜Ｅに記載のような仕様の超電導線を銅巻枠の周りに巻きつけながら、上端から下端まで移動させ、その後、同様に下端から上端まで巻き付け、これを複数回繰り返すことで作製する。今回は、上述のコイルは、全て、表３に記載するように１種もしくは２種の超電導線を用いたが、異なる超電導線を組み合わせてもよい。また、この中の１種のみを本発明による超電導線としてもよい。銅巻枠の構造を複雑なものとしてもよい。

磁場均一度の評価は、所定の磁場を励磁し、ＮＭＲ信号プローブを用い、スペクトル分析により、１／１０波高値を測定することで実施した。この１／１０波高値は値が小さい程、磁場が空間的に均一であることを示す指標となる。実用的には均一度０．５ＰＰＭ以下であれば問題ない。

超電導マグネットのクエンチ電流については、実際に液体ヘリウム中に超電導コイルを浸し、マグネットに電流を流して励磁し、線材の臨界電流密度に対する負荷率を測定することで評価した。クエンチ試験は２回実施した。通常は２回、３回と繰り返すことで、負荷率が１００％に近づく。少ないトレーニング数で負荷率が大きくなることが理想である。実用的には負荷率９５％以上であれば適用可能である。

表３に示すように、実施例の線材を用いた場合、磁場均一度、超電導クエンチの観点から有利な超電導マグネットを提供できることがわかる。

これは、フィラメント配置を素数または素数×素数とすることで巻線のムラや超電導クエンチ現象を抑制できるためと考えられる。

最も好ましい例は、超電導フィラメントが素数となる場合の実施例Ｃであるが、素数Ｎａ×素数Ｎｂの場合となる実施例Ｅの場合も効果がある。一方、比較例の場合は、磁場均一度、クエンチ負荷率の面で好ましくない。比較例Ｂは、素数Ｎａ×素数Ｎｂの配置となっており、クエンチ特性良好であるが、磁場均一度と線材作製の面で不利となる。

尚、超電導コイルの形状としては、他の医療用診断装置（ＭＲＩ）や物性評価用マグネット、加速器用など応用例は多岐に渡るが、本発明は、マグネットの構造に限定されるものではない。本発明は、本線材構造の線材を巻線コイル化する全ての場合に適用可能である。

１…超電導多芯ビレット、２…ビレット、３…縦孔、４…超電導素材、５…超電導多芯線材、１１…超電導複合ビレット、１２…単芯線材、１４…中心銅丸棒、１５…空隙、１６…超電導２６芯線材、２１、２２…銅巻枠、２３…メインコイル、２４…
アウターコイル、２５，２６…上下サブコイル、２７…中サブコイル。

Claims (9)

1. 銅または銅合金からなる断面円径のビレットに縦孔を複数個穿ち、前記縦孔にＮｂＴｉからなる超電導素材を充填した超電導多芯ビレットにおいて、
   前記銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上であり、
   前記縦孔が前記ビレットの中心に対して、外層と内層からなる２層の同心円の各同心円上に等間隔に複数個、穿たれており、
   前記外層の同心円上の縦孔数Ｎ１が１６以上、３８以下の偶数であり、
   前記内層の同心円上の縦孔数Ｎ２がＮ１／２、Ｎ１／４またはＮ１／８であり、
   前記内層に穿つ縦孔の配置が前記外層に穿つ隣接する縦孔の配置角度の中間であること
   を特徴とする超電導多芯ビレット。
2. 請求項１に記載の超電導多芯ビレットにおいて、
   前記内層の縦孔数Ｎ２が素数であること
   を特徴とする超電導多芯ビレット。
3. 銅または銅合金からなる断面円径のビレットに縦孔を複数個穿ち、前記縦孔にＮｂＴｉからなる超電導素材を充填した超電導多芯ビレットにおいて、
   前記銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上であり、
   前記縦孔が前記ビレットの中心に対して、１層の同心円上に等間隔に複数個、穿たれており、
   前記同心円上の縦孔数Ｎが１６以上、５７以下の数であること
   を特徴とする超電導多芯ビレット。
4. 請求項３に記載の超電導多芯ビレットにおいて、
   前記縦孔数Ｎが素数であること、またはＮ＝３３、３５、３９であること
   を特徴とする超電導多芯ビレット。
5. 銅または銅合金からなる断面円径のビレットに縦孔を複数個穿つ工程と、前記縦孔にＮｂＴｉ丸棒を挿入する工程と、前記縦孔の両端を金属蓋で真空封止する工程と、
   ＮｂＴｉ丸棒を挿入して真空封止された前記ビレットに熱間押出しを施し、伸線と熱処理とを繰り返す工程とからなる超電導多芯線材の製造方法において、
   前記銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上であり、
   前記縦孔が前記ビレットの中心に対して、外層と内層からなる２層の同心円の各同心円上に等間隔に複数個、穿たれており、
   前記外層の同心円上の縦孔数Ｎ１が１６以上、３８以下の偶数であり、
   前記内層の同心円上の縦孔数Ｎ２がＮ１／２、Ｎ１／４またはＮ１／８であり、
   前記内層に穿つ縦孔の配置が前記外層に穿つ隣接する縦孔の配置角度の中間であること
   を特徴とする超電導多芯線材の製造方法。
6. 請求項５に記載の超電導多芯線材の製造方法において
   前記内層の縦孔数Ｎ２が素数であること
   を特徴とする超電導多芯線材の製造方法。
7. 銅または銅合金からなる断面円径のビレットに縦孔を複数個穿つ工程と、前記縦孔にＮｂＴｉ丸棒を挿入する工程と、前記縦孔の両端を金属蓋で真空封止する工程と、
   ＮｂＴｉ丸棒を挿入して真空封止された前記ビレットに熱間押出しを施し、伸線と熱処理とを繰り返す工程とからなる超電導多芯線材の製造方法において、
   前記銅または銅合金／ＮｂＴｉの体積銅比が４以上であり、
   前記縦孔が前記ビレットの中心に対して、１層の同心円上に等間隔に複数個、穿たれており、
   前記同心円上の縦孔数Ｎが１６以上、５７以下の数であること、またはＮ＝３３、３５、３９であること
   を特徴とする超電導多芯線材の製造方法。
8. 請求項７に記載の超電導多芯線材の製造方法において、
   前記縦孔数Ｎが素数であること
   を特徴とする超電導多芯線材の製造方法。
9. 請求項５から請求項８のいずれかに記載の超電導多芯線材を用いたことを特徴とする超電導マグネット。

Images