DE102012008605A1

DE102012008605A1 - Verkabelungsmaterial für supraleitende Magneten

Info

Publication number: DE102012008605A1
Application number: DE102012008605A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Tomaru; Kenichi Sasaki; Hiroaki Hoshikawa; Hiroshi Tabuchi
Original assignee: KEK HIGH ENERGY ACCELERATOR; Sumitomo Chemical Co Ltd; Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: KEK HIGH ENERGY ACCELERATOR; Sumitomo Chemical Co Ltd; Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-12-06
Also published as: NL1039567A; US20120275948A1; JP2012234681A; GB2490585A; CN102760507A; NL1039567B1; FR2974658A1; GB201207377D0; JP5749558B2

Abstract

Ein Verkabelungsmaterial, das einfach handzuhaben ist und auch ausgezeichnete Leitfähigkeit selbst in einem starken Magnetfeld mit beispielsweise einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher zeigt, wird bereitgestellt. Ein Verkabelungsmaterial zur Verwendung im Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher umfasst Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verkabelungsmaterial für einen supraleitenden Magneten, das ausgezeichnete Leitfähigkeit bei tiefer (tiefen) Temperatur(en) von beispielsweise 77 K oder tiefer, insbesondere kryogener (kryogenen) Temperatur(en) von 20 K oder tiefer zeigt; und insbesondere ein Verkabelungsmaterial, das ausgezeichnete Leitfähigkeit zeigt, selbst wenn es in einem starken Magnetfeld von beispielsweise 1 T oder höher verwendet wird.
Ein supraleitender Magnet wird in verschiedenen Bereichen verwendet, beispielsweise MRI (Magnetresonanztomographie) zur Diagnose, NMR (kernmagnetische Resonanz) zur analytischen Verwendung oder Magnetschwebebahnen. Es werden als ein supraleitender Magnet Tieftemperatur-supraleitende Spulen, die unter Verwendung von flüssigem Helium auf seinen Siedepunkt von 4,2 K (Kelvin) abgekühlt werden, und Hochtemperatur-supraleitende Spulen, die mit einer Kältemaschine auf etwa 20 K abgekühlt werden, verwendet.
Da es notwendig ist, dass ein Strom diesen supraleitenden Spulen auf effiziente und gleichmäßige Weise in einem gekühlten Zustand zugeführt wird, ist ein Verkabelungsmaterial (Verkabelungsmaterial für einen supraleitenden Magneten), das auf äußerst tiefe Temperaturen eines Siedepunkts 77 K von flüssigem Stickstoff oder tiefer abgekühlt ist, an der Peripherie der supraleitenden Spulen angeordnet. Durch das Verkabelungsmaterial für einen supraleitenden Magneten wird den supraleitenden Spulen Energie zugeführt.
Selbstverständlich weist ein solches Verkabelungsmaterial für einen supraleitenden Magneten vorzugsweise einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand bei äußerst tiefen Temperaturen auf.
Beispielsweise offenbart JP 2009-212522A einen supraleitenden Apparat, bei dem Silber (Ag), Gold (Au), Rhenium (Re), Platin (Pt), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und dergleichen als Verkabelungsmaterialien verwendet werden, um Bauteile miteinander elektrisch zu verbinden. Unter diesen Metallen wird Kupfer am weitesten verbreitet verwendet, da es vergleichsweise kostengünstig ist und einfach handzuhaben ist, und als Nächstes wird oft Aluminium verwendet. Damit ausreichende elektrische Leitfähigkeit gewährleistet ist, wird Sauerstoff-freies Kupfer mit einer Reinheit von 99,99 Masse-% oder höher (nachstehend manchmal als „4N” (vier Neuner) bezeichnet und bei der Angabe des Massenprozentsatzes, der eine Reinheit angibt, wird die Angabe manchmal durchgeführt, indem „N” hinter die Anzahl der „9”, welche vom Kopf her kontinuierlich ist, gestellt wird, beispielsweise wird in gleicher Weise die Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher manchmal als „6N” (sechs Neuner) bezeichnet) als Kupfer verwendet. Es wurde bislang als Aluminium ein Aluminium mit einer Reinheit innerhalb eines Bereichs von 99 Masse-% oder höher (2N) bis etwa 99,99 Masse-% oder höher (4N) verwendet.
JP H7-15208A und JP H7-166283A offenbaren Leiter aus hochreinem Aluminium für kryogene Temperaturen mit einer Reinheit von 99,98 Masse-% oder höher, was eine geringe Zunahme des spezifischen elektrischen Widerstands verursacht, selbst wenn sie wiederholte Belastung bei kryogenen Temperaturen ausgesetzt sind.
Unter diesen Verkabelungsmaterialien für einen supraleitenden Magneten wird jedoch ein Verkabelungsmaterial für einen supraleitenden Magneten, das in der Nähe der supraleitenden Spule verwendet wird, in einem Zustand verwendet, wo ein starkes Magnetfeld mit beispielsweise einer magnetischen Flussdichte von 1 T (Tesla) oder höher angelegt wird. Deshalb tritt ein Problem dahin gehend auf, dass eine Verschlechterung der Leitungsmerkmale des vorstehend erwähnten Materials mit ausreichender Leitfähigkeit in dem Zustand, in dem das Magnetfeld nicht angelegt ist, durch den magnetoresistiven Effekt in solch einem starken Magnetfeld verursacht wird.
Wenn die Leitfähigkeit abnimmt, tritt in einem Leitungsweg im Inneren eines Verkabelungsmaterials Erzeugung von Wärme ein, wodurch ein Problem dahin gehend verursacht wird, dass die Menge an flüssigem Helium, die in einem Behälter für kryogene Temperatur verdampft wird, zunimmt.
Es ist bekannt, dass Kupfer einen beträchtlichen magnetoresistiven Effekt aufweist (der spezifische elektrische Widerstand nimmt nämlich in beträchtlichem Maße im Magnetfeld zu), und es ist auch bekannt, dass Aluminium auch einen großen magnetoresistiven Effekt zeigt, wenn auch nicht mit Kupfer vergleichbar.
Deshalb gibt es starke Nachfragen nach der Entwicklung eines elektrischen Verkabelungsmaterials, das ausgezeichnete Leitfähigkeit selbst in einem starken Magnetfeld mit beispielsweise einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher zeigt, unter Verwendung von Metallen, wie Kupfer und Aluminium, die leicht handzuhaben sind.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verkabelungsmaterial bereitzustellen, das einfach handzuhaben ist und auch ausgezeichnete Leitfähigkeit selbst in einem starken Magnetfeld mit beispielsweise einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher zeigt.
Die vorliegende Erfindung stellt in einem Gesichtspunkt 1 ein Verkabelungsmaterial zur Verwendung im Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher bereit, das Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher enthält.
Die hier genannten Erfinder haben festgestellt, dass der magnetoresistive Effekt selbst bei Aluminium (Al) in beträchtlichem Maße unterdrückt werden kann, indem eine Reinheit auf 99,999 Masse-% oder höher reguliert wird. Ein elektrisches Verkabelungsmaterial, das aus einem solchen Aluminium aufgebaut ist, kann eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit beibehalten, selbst wenn es in einem starken Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher verwendet wird.
Die Verwendung eines solchen elektrischen Verkabelungsmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Abnahme der Erzeugung von Wärme, die durch den spezifischen elektrischen Widerstand in einem elektrischen Verkabelungsmaterial verursacht wird, selbst in einem Zustand, wo das Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher von einer supraleitenden Spule angelegt ist. Dadurch kann das Verdampfen eines Kühlmittels, wie flüssiges Helium, unterdrückt werden und auch ein Querschnitt eines elektrischen Verkabelungsmaterials kann verringert werden, was so die Miniaturisierung verschiedener Apparate, die einen supraleitenden Apparat verwenden, ermöglicht.
Da es wie ein elektrisches Verkabelungsmaterial aus herkömmlichem Aluminium mit geringer Reinheit gehandhabt werden kann, ist das elektrische Verkabelungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung einfach handzuhaben.
Die vorliegende Erfindung stellt in einem Gesichtspunkt 2 das Verkabelungsmaterial gemäß dem Gesichtspunkt 1 bereit, wobei das Aluminium den Eisengehalt von 1 Masse-ppm oder weniger aufweist.
Es ist möglich, in zuverlässigerer Weise die Leitfähigkeit in einem starken Magnetfeld zu gewährleisten, indem der Eisengehalt auf 1 Masse-ppm oder weniger reguliert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt in einem Gesichtspunkt 3 das Verkabelungsmaterial gemäß dem Gesichtspunkt 1 oder 2 bereit, wobei das Aluminium eine Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt in einem Gesichtspunkt 4 das Verkabelungsmaterial gemäß dem Gesichtspunkt 1 oder 2 bereit, wobei das Aluminium eine Reinheit von 99,99998 Masse-% oder höher aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt in einem Gesichtspunkt 5 das Verkabelungsmaterial gemäß einem der Gesichtspunkte 1 bis 4 bereit, wobei das Aluminium eine intermetallische Verbindung Al₃Fe enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Verkabelungsmaterial bereitzustellen, das einfach handzuhaben ist und auch ausgezeichnete Leitfähigkeit selbst in einem starken Magnetfeld mit beispielsweise einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher zeigt.
1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem elektrischen Leitfähigkeitsindex und dem angelegten Magnetfeld (magnetische Flussdichte) zeigt.
Das Verkabelungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher, um in dem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher verwendet zu werden.
Die hier genannten Erfinder haben erstens festgestellt, dass Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher nicht in beträchtlichem Maße den magnetoresistiven Effekt ausübt, selbst wenn das Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher angelegt wird, und somit verringert sich die elektrische Leitfähigkeit nicht. Folglich wurde die vorliegende Erfindung vollendet.
Wie beispielsweise in JP 2009-242865A und JP 2009-242866A offenbart, ist es bekannt, dass der spezifische elektrische Widerstand bei kryogenen Temperaturen, beispielsweise Temperaturen von flüssigem Helium, in dem Maße abnimmt, wie die Reinheit von Aluminium zunimmt, wie 5N (Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher) und 6N (Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher).
Wie beispielsweise in JP 2010-106329A offenbart, ist Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher und auch mit dem Eisengehalt von 1 Masse-ppm oder weniger auch bekannt.
Es ist bekannt, dass sich, obwohl Aluminium eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit bei kryogenen Temperaturen in einem Zustand, in dem das Magnetfeld nicht angelegt ist, ermöglicht, indem die Reinheit auf etwa 4N erhöht wird, ein beträchtlicher magnetoresistiver Effekt zeigt, wenn ein starkes Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher angelegt wird, und somit eine Abnahme der Leitfähigkeit verursacht wird. Es ist angenommen worden, dass hohe Leitfähigkeit unter einem starken Magnetfeld auch bei hochreinen Materialien vom 5N- oder 6N-Niveau in gleicher Weise wie bei dem Aluminium der Reinheit 4N nicht erhalten werden kann.
Deshalb wird davon ausgegangen, dass Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher nicht bei einem Verkabelungsmaterial verwendet wurde, das im Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher verwendet wird.
Wie vorstehend erwähnt, haben die hier genannten Erfinder erstens festgestellt, dass eine Zunahme des spezifischen Widerstands unter einem starken Magnetfeld, die herkömmlicherweise angenommen wurde, bei hochreinem Aluminium von 5N oder höherem Niveau nicht auftritt.
Auch wenn Einzelheiten in den nachstehend erwähnten Beispielen beschrieben werden, wird eine drastische Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit in einem starken Magnetfeld selbst im Fall eines hochreinen Materials mit 5N oder 6N oder höherer Reinheit im Hinblick auf Kupfer erkannt, das höhere Leitfähigkeit zeigt im Vergleich zu Aluminium in einem Zustand, wo das Magnetfeld nicht angelegt ist. Deshalb ist ein Phänomen, bei dem hohe elektrische Leitfähigkeit selbst in einem starken Magnetfeld beibehalten wird, indem eine hohe Reinheit von 5N oder höher erreicht wird, was von den hier genannten Erfindern festgestellt wurde, für Aluminium typisch.
Bei dem Verkabelungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Menge an Eisen, die in Aluminium enthalten ist, vorzugsweise auf 1 Masse-ppm oder weniger reguliert.
Wie nachstehend in Bezug auf Einzelheiten beschrieben werden wird, wird der Grund wie folgt angenommen: der magnetoresistive Effekt wird auf sicherere Weise unterdrückt, indem die Menge an Eisen als einem ferromagnetischen Element reguliert wird und es so möglich gemacht wird, sicher eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit in einem starken Magnetfeld (die durch das angelegte starke Magnetfeld verursacht wird) zu unterdrücken.
Das Verkabelungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt in bemerkenswerter Weise den Effekt durch Verwendung in einem Zustand, wo die Temperatur 77 K (–196°C) oder tiefer und stärker bevorzugt 20 K (–253°C) oder tiefer ist und auch das Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher angelegt ist.
Einzelheiten des Verkabelungsmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben werden.
(1) Gehalt an Verunreinigungen
Wie vorstehend erwähnt ist das Verkabelungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass es aus Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher aufgebaut ist. Die Reinheit ist vorzugsweise 99,9999 Masse-% oder höher und stärker bevorzugt 99,99998 Masse-% oder höher (nachstehend manchmal als „6N8” bezeichnet) aus den folgenden Gründen. Das heißt, je höher die Reinheit ist, desto kleiner wird eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit in einem starken Magnetfeld. Weiterhin kann im Fall der Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher manchmal der spezifische elektrische Widerstand in einem starken Magnetfeld von 1 T oder höher, verglichen mit dem Fall, in dem das Magnetfeld nicht angelegt ist, abnehmen.
Der Eisengehalt in Aluminium beträgt vorzugsweise 1 Masse-ppm und stärker bevorzugt 0,1 Masse-ppm oder weniger.
Der Grund dafür ist, dass eine Abnahme der Leitfähigkeit in einem starken Magnetfeld zuverlässiger unterdrückt werden kann, wie vorstehend erwähnt.
Es gibt immer noch unklare Punkte in Bezug auf den Mechanismus, durch den eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit in einem starken Magnetfeld durch Regulieren des Eisengehalts auf 1 Masse-ppm oder weniger unterdrückt werden kann. Jedoch wird ein vorgeschlagener Mechanismus im Moment wie folgt in Betracht gezogen. Das heißt, Eisen wird wahrscheinlich durch ein starkes Magnetfeld beeinflusst, da es ein ferromagnetisches Element ist, und als eine Folge davon nimmt, wenn Eisen in einem Gehalt von höher als 1 Masse-ppm vorliegt, ein Einfluss, der auf die elektrische Leitfähigkeit ausgeübt wird, zu, und somit kann die elektrische Leitfähigkeit in einem starken Magnetfeld abnehmen. Wenn der Eisengehalt 0,1 ppm beträgt, kann ein Einfluss auf Grund des ferromagnetischen Materials nahezu vollständig ausgeschlossen werden. Jedoch begrenzt dieser vorgeschlagene Mechanismus nicht den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung.
Ni und Co sind als von Eisen verschiedene ferromagnetische Elemente bekannt. Da diese Elemente jedoch auf einfache Weise in einem bekannten Verfahren zur Hochreinigung von Aluminium entfernt werden, steht der numerische Wert des Gehalts außer Frage. Jedoch sind die Gehalte an Ni und Co auch vorzugsweise 1 ppm oder weniger und stärker bevorzugt 0,1 ppm oder weniger.
Die Reinheit von Aluminium kann in einigen Verfahren definiert werden. Beispielsweise kann sie durch die Messung des Gehalts an Aluminium bestimmt werden. Jedoch wird es bevorzugt, dass die Reinheit von Aluminium bestimmt wird, indem der Gehalt (Masse-%) der folgenden 33 Elemente, die als Verunreinigungen in Aluminium enthalten sind, gemessen wird und die Summe dieser Gehalte von 100% abgezogen wird, um so die Reinheit von Aluminium mit hoher Genauigkeit auf eine vergleichsweise einfache Weise zu bestimmen.
Hier sind die 33 Elemente, die als Verunreinigungen enthalten sind, Lithium (Li), Beryllium (Be), Bor (B), Natrium (Na), Magnesium (Mg), Silicium (Si), Kalium (K), Calcium (Ca), Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Cobalt (Co), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Gallium (Ga), Arsen (As), Zirconium (Zr), Molybdän (Mo), Silber (Ag), Cadmium (Cd), Indium (In), Zinn (Sn), Antimon (Sb), Barium (Ba), Lanthan (La), Cer (Ce), Platin (Pt), Quecksilber (Hg), Blei (Pb) und Bismut (Bi).
Die Gehalte dieser Elemente können beispielsweise durch Glimmentladungs-Massenspektrometrie bestimmt werden.
(2) Reinigungsverfahren
Ein solches hochreines Aluminium kann unter Verwendung eines beliebigen Reinigungs-(Raffinations-)verfahrens erhalten werden. Einige Reinigungsverfahren zum Erhalten von hochreinem Aluminium gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beispielhaft veranschaulicht. Jedoch ist das Reinigungsverfahren selbstverständlich nicht auf diese Verfahren begrenzt.
Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren
Es ist möglich, als eines der Verfahren zum Erhalten von hochreinem Aluminium ein Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren zu verwenden, bei dem im Handel erhältliches Aluminium mit vergleichsweise geringer Reinheit (beispielsweise mit Güteklasse 1 mit 99,9% Reinheit, wie in JIS-H2102 vorgegeben) in einer Schicht aus Al-Cu-Legierung eingebracht wird und als eine Anode in einem geschmolzenen Zustand verwendet wird und ein Elektrolysebad, das Aluminiumfluorid und Bariumfluorid darin enthält, darauf angeordnet wird und somit hochreines Aluminium an einer Kathode hergestellt wird.
Bei dem Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren kann hauptsächlich Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher erhalten werden. Es ist möglich, auf vergleichsweise einfache Weise den Eisengehalt in Aluminium auf 1 Masse-ppm oder weniger zu unterdrücken.
Unidirektionales Erstarrungsverfahren
Beispielsweise kann ein unidirektionales Erstarrungsverfahren verwendet werden, um so weiter eine Reinheit des hochreinen Aluminiums, das mit einem Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren erhalten wurde, weiter zu erhöhen.
Der Gehalt an Fe und die entsprechenden Gehalte an Ti, V, Cr und Zr können selektiv durch das unidirektionale Erstarrungsverfahren verringert werden.
Es ist bekannt, dass das unidirektionale Erstarrungsverfahren beispielsweise ein Verfahren ist, bei dem Aluminium in einer Ofenröhre, wobei ein Röhrenofen vom Typ mit sich bewegendem Ofenkörper verwendet wird, geschmolzen wird und dann unidirektional vom Ende her erstarren gelassen wird, indem ein Ofenkörper aus einer Ofenröhre herausgezogen wird, und dass die Gehalte der entsprechenden Elemente von Ti, V, Cr und Zr selektiv auf der Seite des Endes, an dem die Erstarrung beginnt, zunehmen und auch der Gehalt an Fe selektiv auf der Seite des Endes, an dem die Erstarrung abgeschlossen wird (gegenüber dem Ende, an dem die Erstarrung beginnt), zunimmt. Deshalb wird es möglich, in sicherer Weise die Gehalte der entsprechenden Elemente von Fe und Ti, V, Cr und Zr zu verringern, indem die Seite des Endes, an dem die Erstarrung beginnt, und die Seite des Endes, an dem die Erstarrung abgeschlossen wird, des erhaltenen Barrens abgeschnitten werden. Es kann bestimmt werden, welcher spezielle Teil des Barrens, der mit dem unidirektionalen Erstarrungsverfahren erhalten wurde, abgeschnitten werden muss, indem die Gehalte der Elemente in passenden Abständen entlang einer Erstarrungsrichtung analysiert werden, so dass lediglich der Teil, in dem der Gesamtgehalt der Gehalte von Fe und Ti, V, Cr und Zr in ausreichendem Maße verringert ist, übrig bleiben darf.
Es gibt keine besondere Begrenzung im Hinblick auf die Reihenfolge der Ausführung der Reinigung mit dem Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren und Reinigung mit dem unidirektionalen Erstarrungsverfahren. Üblicherweise wird die Reinigung mit dem Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren ausgeführt und dann wird die Reinigung mit dem unidirektionalen Erstarrungsverfahren ausgeführt. Die Reinigung mit dem Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren und die Reinigung mit dem unidirektionalen Erstarrungsverfahren können beispielsweise abwechselnd und wiederholt ausgeführt werden bzw. eine beliebige der oder beide Reinigungen können wiederholt ausgeführt werden. Es wird besonders bevorzugt, dass die Reinigung mit dem unidirektionalen Erstarrungsverfahren wiederholt ausgeführt wird.
Auf eine solche Weise kann Aluminium mit einer Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher erhalten werden, indem das Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren in Kombination mit dem unidirektionalen Erstarrungsverfahren verwendet wird. Es ist auch möglich, den Eisengehalt in Aluminium auf 1 Masse-ppm oder weniger und stärker bevorzugt 0,1 Masse-ppm oder weniger auf eine vergleichsweise einfache Weise zu unterdrücken.
Zonenschmelzverfahren
Weiterhin kann ein Zonenschmelzverfahren verwendet werden, um so Aluminium mit hoher Reinheit, beispielsweise einer Reinheit von 99,99998 Masse-% oder höher, zu erhalten. Wenn das Zonenschmelzverfahren in passender Weise verwendet wird, kann der Eisengehalt in Aluminium auf 1 Masse-ppm oder weniger und stärker bevorzugt 0,1 Masse-ppm oder weniger auf sicherere Weise unterdrückt werden.
Insbesondere ist es effizient, ein Reinigungsverfahren für Aluminium durch das Zonenschmelzverfahren zu verwenden, das die hier genannten Erfinder erfunden haben (Verfahren, das in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2010-064544 beschrieben wird).
Damit verhindert wird, dass Verunreinigungen in das erhitzte Aluminium diffundieren, wenn Verunreinigungen in Aluminium durch das Zonenschmelzreinigungsverfahren entfernt werden, wird es bevorzugt, dass eine Aluminiumoxidschicht im Voraus auf einer Oberfläche eines Tiegels, in den Aluminium gegeben wird, gebildet wird und die Zonenschmelzreinigung auch im Vakuum unter einem Druck von 3 × 10^–5 Pa oder weniger und stärker bevorzugt 3 × 10^–6 Pa bis 2 × 10^–5 Pa durchgeführt wird, um so in sicherer Weise die Verunreinigungen vom geschmolzenen Aluminium abzutrennen.
Es wird bevorzugt, eine Vorbehandlung durchzuführen, bei der eine Oberflächenschicht eines Aluminiumausgangsmaterials, das der Zonenschmelzreinigung unterzogen werden soll, zuvor aufgelöst und entfernt wird, bevor die Zonenschmelzreinigung durchgeführt wird. Es gibt keine besondere Begrenzung im Hinblick auf das Vorbehandlungsverfahren und verschiedene Behandlungen, die im relevanten technischen Gebiet verwendet werden, können verwendet werden, um so die Oberflächenschicht des Aluminiumausgangsmaterials zu entfernen.
Beispiele für die Vorbehandlung schließen eine Säurebehandlung, eine elektrolytische Polierbehandlung und dergleichen ein.
Der vorstehend erwähnte Tiegel, der bei dem Zonenschmelzreinigungsverfahren verwendet werden soll, ist vorzugsweise ein Graphittiegel und wird vorzugsweise in einem inerten Gas oder Vakuum im Voraus nach der Bildung der vorstehend erwähnten Aluminiumoxidschicht gebrannt.
Die Breite des Schmelzabschnitts, in dem Aluminium während der Zonenschmelzreinigung geschmolzen wird, wird vorzugsweise auf w × 1,5 oder mehr w × 6 oder weniger, bezogen auf eine Querschnittsgröße w des Aluminiumausgangsmaterials, eingestellt.
Ein Aluminiumausgangsmaterial, das bei der Reinigung verwendet werden soll, wird erhalten, indem das Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren in Kombination mit dem unidirektionalen Erstarrungsverfahren verwendet wird, und beispielsweise wird hochreines Aluminium mit einer Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher vorzugsweise verwendet.
Im Falle des Zonenschmelzens wird beispielsweise der Schmelzabschnitt von dem einen Ende eines rohen Aluminiums in Richtung auf das andere Ende zu bewegt, indem eine Hochfrequenzspule für das Erhitzen mit Hochfrequenz bewegt wird, und somit kann das gesamte rohe Aluminium der Zonenschmelzreinigung unterzogen werden. Von den verunreinigenden Metallelement-Komponenten konzentrieren sich in der Regel die peritektischen Komponenten (Ti, V, Cr, As, Se, Zr und Mo) im Abschnitt des Schmelzbeginns und konzentrieren sich die eutektischen Komponenten (26 Elemente als eine Folge des Entfernen der peritektischen 7 Elemente von den vorstehend erwähnten 33 verunreinigenden Elementen) in der Regel im Abschnitt des Schmelzendes, und somit kann ein hochreines Aluminium in dem Bereich erhalten werden, wo beide Enden des Aluminiumausgangsmaterials entfernt werden.
Nach dem Bewegen des Schmelzabschnitts über eine vorbestimmte Entfernung, wie eine Entfernung von dem einen Ende zum anderen Ende in einer Längsrichtung eines Aluminiumausgangsmaterials, wird das Erhitzen mit Hochfrequenz beendet und man lässt den Schmelzabschnitt erstarren. Nach dem Erstarren wird ein Aluminiummaterial herausgeschnitten (beispielsweise werden beide Enden abgeschnitten), um ein gereinigtes hochreines Aluminiummaterial zu erhalten.
Wenn eine Vielzahl von Aluminiumausgangsmaterialien in einer Längsrichtung (in einer Bewegungsrichtung des Schmelzabschnitts) angeordnet werden, wird es bevorzugt, dass die Aluminiumausgangsmaterialien in einer Längsrichtung miteinander in Kontakt gebracht werden, um sie als ein Aluminiumausgangsmaterial in einer Längsrichtung zu behandeln, und dann wird der Schmelzabschnitt von dem einen Ende (d. h. das eine von zwei Enden, wo keine aneinander grenzenden Aluminiumausgangsmaterialien in einer Längsrichtung vorliegen, unter den Enden der Vielzahl von Aluminiumausgangsmaterialien) zum anderen Ende (d. h. das andere von zwei Enden, wo keine aneinander grenzenden Aluminiumausgangsmaterialien in einer Längsrichtung vorliegen, unter den Enden der Vielzahl von Aluminiumausgangsmaterialien) bewegt.
Der Grund ist, dass die Enden des Aluminiumausgangsmaterials, die miteinander in Kontakt stehen, während des Zonenschmelzens vereinigt werden, und somit kann ein langes Aluminiummaterial erhalten werden.
Wie vorstehend erwähnt, kann nach dem Zonenschmelzen (Zonenschmelzreinigung) von dem einen Ende zum anderen Ende des Aluminiumausgangsmaterials das Zonenschmelzen wieder von dem einen Ende zum anderen Ende wiederholt werden. Die Anzahl der Wiederholungen (Anzahl der Durchläufe) beträgt üblicherweise 1 oder mehr und 20 oder weniger. Selbst falls die Anzahl der Durchläufe höher als der vorstehende Bereich ist, ist eine Verbesserung der Reinigungswirkung beschränkt.
Damit die peritektischen 7 Elemente wirksam entfernt werden, beträgt die Anzahl der Durchläufe vorzugsweise 3 oder mehr und stärker bevorzugt 5 oder mehr. Wenn die Anzahl der Durchläufe weniger als der vorstehende Bereich ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass die peritektischen 7 Elemente entfernt werden, und somit wird eine ausreichende Reinigungswirkung nicht erhalten.
Der Grund ist wie folgt. Wenn eine Vielzahl von Aluminiumausgangsmaterialien in Kontakt miteinander in einer Längsrichtung angeordnet werden, wird, wenn die Anzahl der Durchlaufe weniger als 3 beträgt, eine Form (insbesondere die Größe der Höhe) des gereinigten Aluminiums nach dem Vereinigen nicht einheitlich, und somit kann die Schmelzbreite manchmal während der Reinigung schwanken und eine einheitliche Reinigung wird weniger wahrscheinlich zu erhalten sein.
(3) Formungsverfahren
Der Barren aus dem hochreinen Aluminium, der mit dem vorstehend erwähnten Reinigungsverfahren erhalten wurde, wird unter Verwendung von verschiedenen Verfahren zu einer gewünschten Form geformt.
Das Formungsverfahren wird nachstehend gezeigt werden. Jedoch ist das Formungsverfahren nicht darauf begrenzt.
Walzen
Wenn ein Verkabelungsmaterial, das erhalten werden soll, eine Platte oder ein Draht ist, ist Walzen ein effektives Formungsverfahren.
Das Walzen kann unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens durchgeführt werden, beispielsweise ein Verfahren, bei dem ein Barren durch ein Paar von Walzen durchgeführt wird, indem er in den Zwischenraum zwischen diesen Walzen eingelegt wird, während ein Druck angelegt wird. Es gibt keine besondere Begrenzung im Hinblick auf konkrete Techniken und Bedingungen (Behandlung von Materialien und Walzen, Behandlungsdauer, Dickenverminderungsverhältnis usw.) im Falle des Walzens, und diese konkreten Techniken und Bedingungen können in angemessener Weise festgelegt werden, sofern die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden.
Es gibt keine besondere Begrenzung im Hinblick auf die Größe der Platte und des Drahtstabs, die schließlich durch das Walzen erhalten werden sollen. Was eine bevorzugte Größe betrifft, beträgt die Dicke 0,1 mm bis 3 mm im Fall der Platte oder beträgt der Durchmesser 0,1 mm bis 3 mm im Fall des Drahtstabs.
Wenn die Dicke weniger als 0,1 mm beträgt, können ausreichende Leitungseigenschaften, die für das Verkabelungsmaterial erforderlich sind, manchmal weniger wahrscheinlich zu erhalten sein, da ein Querschnitt abnimmt. Im Gegensatz dazu kann es, wenn die Dicke mehr als 3 mm beträgt, manchmal schwierig werden, unter Ausnutzung der Flexibilität zu verformen. Wenn die Dicke 0,1 mm bis 3 mm beträgt, gibt es einen Vorteil, wie einfache Handhabung, beispielsweise kann das Material auf einer Seitenfläche eines gekrümmten Behälters unter Ausnutzung der Flexibilität angeordnet werden.
Selbstverständlich ist die Form, die durch Walzen erhältlich ist, nicht auf die Platte oder den Draht begrenzt, und beispielsweise kann eine Rohrform und eine H-Form durch Walzen erhalten werden.
Das Walzen kann Heißwalzen oder Warmwalzen sein, bei dem ein Barren zuvor erhitzt wird und dann Walzen in einem Zustand durchgeführt wird, bei dem eine höhere Temperatur als Raumtemperatur eingestellt ist, oder kann Kaltwalzen sein, bei dem der Barren nicht zuvor erhitzt wird. Alternativ kann Heißwalzen oder Warmwalzen in Kombination mit Kaltwalzen verwendet werden.
Im Fall des Walzens ist es auch möglich, das Material zuvor zu einer gewünschten Form zu gießen oder zu schneiden. Im Fall des Gießens kann beispielsweise ein herkömmliches Verfahren eingesetzt werden, ist aber nicht auf beispielsweise ein Verfahren begrenzt, bei dem hochreines Aluminium erhitzt und geschmolzen wird, um ein geschmolzenes Metall zu bilden, und das erhaltene hochreine geschmolzene Aluminiummetall durch Abkühlen in einer Form erstarren gelassen wird. Auch gibt es keine besondere Begrenzung im Hinblick auf die Bedingungen oder dergleichen im Fall des Gießens. Die Erhitzungstemperatur beträgt üblicherweise 700 bis 800°C, und Erhitzen und Schmelzen wird üblicherweise im Vakuum oder in einer Inertgas-(Stickstoffgas-, Argongas- usw.)atmosphäre in einem Schmelztiegel aus Graphit durchgeführt.
Anderes Formungsverfahren als Walzen
Drahtziehen oder Extrusion kann als das andere Formungsverfahren als Walzen durchgeführt werden. Es gibt keine Begrenzung im Hinblick auf die Form, die durch Ziehen oder Extrusion erhalten wird. Beispielsweise ist Ziehen oder Extrusion geeignet, um einen Draht mit einem kreisförmigen Querschnitt zu erhalten.
Eine gewünschte Drahtform kann durch Walzen vor dem Ziehen, um einen gewalzten Draht (gewalzter Drahtstab) zu erhalten, und dann Ziehen des gewalzten Drahts erhalten werden.
Der Querschnitt des erhaltenen Drahts ist nicht auf einen Kreis begrenzt und der Draht kann einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen ovalen oder quadratischen Querschnitt.
Die gewünschte Form kann auch durch Schneiden des Barrens, außer Ziehen oder Extrusion, erhalten werden.
(4) Glühen
Weiterhin kann das Formteil der vorliegenden Erfindung, das mit dem vorstehenden Formungsverfahren, wie Walzen, erhalten wurde, gegebenenfalls einer Glühbehandlung unterzogen werden. Es ist möglich, Spannung zu entfernen, die üblicherweise manchmal im Fall des Heraus-Schneidens eines Materials, das aus dem Barren geformt werden soll, oder des Formens erzeugt wird, indem eine Glühbehandlung durchgeführt wird.
Es gibt keine besondere Begrenzung im Hinblick auf die Bedingungen der Glühbehandlung, und ein Verfahren des Beibehaltens von 400 bis 600°C über eine oder mehrere Stunden lang wird bevorzugt.
Wenn die Temperatur tiefer als 400°C ist, wird die Spannung (Versetzung), die im Barren eingeschlossen ist, aus dem folgenden Grund nicht in ausreichender Weise verringert. Da Spannung (Versetzung) als ein Faktor zum Erhöhen des spezifischen elektrischen Widerstands dient, können ausgezeichnete Leitungseigenschaften manchmal nicht gezeigt werden. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur höher als 600°C ist, schreitet die Lösung von Verunreinigungen im Feststoff, insbesondere die Lösung von Eisen in einer Matrix, fort. Da im Feststoff gelöstes Eisen eine starke Wirkung des Erhöhens des spezifischen elektrischen Widerstands aufweist, können sich manchmal die Leitungseigenschaften verschlechtern.
Stärker bevorzugt wird die Temperatur aus dem folgenden Grund eine oder mehrere Stunden lang bei 430 bis 550°C gehalten.
Wenn die Temperatur innerhalb des vorstehenden Bereichs liegt, kann Spannung in ausreichendem Maße entfernt werden und Eisen liegt auch als eine intermetallische Verbindung mit Aluminium vor, ohne dass es als Feststoff in der Matrix gelöst wird.
Die folgenden Gründe werden auch beispielhaft veranschaulicht.
Als eine intermetallische Verbindung von Eisen und Aluminium sind beispielsweise mehrere Arten, wie Al₆Fe, Al₃Fe und Al_mFe (m = 4,5), bekannt. Es wird angenommen, dass die Hauptmenge (beispielsweise 50% oder mehr und vorzugsweise 70% oder mehr, ausgedrückt als Volumenverhältnis) einer intermetallischen Verbindung von Eisen und Aluminium, welche in einem hochreinen Aluminiummaterial vorliegt, das nach dem Glühen innerhalb eines Temperaturbereichs (430 bis 550°C) erhalten wurde, Al₃Fe ist. Das Vorliegen von Al₃Fe und das Volumenverhältnis davon können durch Auflösen einer Matrix (Grundmaterial) unter Verwendung eines chemischen Lösungsmittels und Aufnehmen durch Filtration, gefolgt von Betrachten des Rückstands, der durch Filtration aufgenommen wurde, unter Verwendung eines analytischen Elektronenmikroskops (analytisches TEM) und weiterer Analyse bestätigt und gemessen werden.
Dieses Al₃Fe weist dahingehend einen Vorteil auf, dass es selbst im Fall des Vorliegen als eine Ausscheidung kaum einen schädlichen Einfluss auf die Leitfähigkeit ausübt.
Das Verkabelungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann ausschließlich aus dem vorstehend erwähnten hochreinen Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher bestehen und kann einen anderen Anteil als das hochreine Aluminium enthalten, beispielsweise eine Schutzschicht, um so verschiedene Funktionen zu verleihen.
Beispiele
Beispiel 1 (Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher, 5N-Al), Beispiel 2 (Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher, 6N-Al) und Beispiel 3 (Reinheit von 99,99998 Masse-% oder höher, 6N8-Al), wovon Einzelheiten nachstehend aufgeführt sind, wurden als Beispielproben hergestellt, und dann wurde der spezifische Widerstand (spezifischer elektrischer Widerstand) gemessen.
Vergleichsbeispiel 1 (4N-Al) als Aluminium mit einer Reinheit vom 4N-Niveau und Vergleichsbeispiel 2 (3N-Al) als Aluminium mit einer Reinheit vom 3N-Niveau werden nachstehend als Vergleichsbeispiele aufgeführt. Der spezifische Widerstand der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurde durch Berechnung bestimmt.
Was Kupfer betrifft, wurde der spezifische Widerstand von Vergleichsbeispiel 3 (5N-Cu) als Kupfer mit einer Reinheit vom 5N-Niveau gemessen.
Was Kupfer betrifft, wurden Literaturdaten als Vergleichsbeispiel verwendet. Vergleichsbeispiel 4 ist eine Kupferprobe mit einer Reinheit vom 4N-Niveau, Vergleichsbeispiel 5 ist eine Kupferprobe mit einer Reinheit vom 5N-Niveau und Vergleichsbeispiel 6 ist eine Kupferprobe mit einer Reinheit vom 6N-Niveau.
(1) Herstellung von hochreinem Aluminium
Zuerst wird das Verfahren zur Herstellung von hochreinem Aluminium, das in den Beispielen 1 bis 3 verwendet wird, nachstehend aufgeführt.
Beispiel 1
Ein im Handel erhältliches Aluminium mit einer Reinheit von 99,92 Masse-% wurde mit dem Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren gereinigt, um ein hochreines Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher zu erhalten.
Genauer gesagt wurde ein im Handel erhältliches Aluminium (99,92 Masse-%) in einer Schicht aus Al-Cu-Legierung eingebracht und die Zusammensetzung eines Elektrolysebads wurde auf 41% AlF₃ – 35% BaF₂ – 14% CaF₂ – 10% NaF eingestellt. Bei 760°C wurde Elektrizität zugeführt und ein hochreines Aluminium, das sich an einer Kathodenseite abschied, wurde gesammelt.
Die Gehalte an den entsprechenden Elementen in diesem hochreinen Aluminium wurden durch Glimmentladungs-Massenspektrometrie (unter Verwendung von „VG9000”, hergestellt von THERMO ELECTRON Co., Ltd) analysiert, um die in Tabelle 1 aufgeführten Ergebnisse zu erhalten.
Beispiel 2
Das hochreine Aluminium, das mit dem vorstehend erwähnten Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren erhalten wurde, wurde mit der unidirektionalen Erstarrung gereinigt, um ein hochreines Aluminium mit einer Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher zu erhalten.
Genauer gesagt wurden 2 kg des hochreinen Aluminiums, das mit dem Dreischichten-Elektrolyse-Verfahren erhalten wurde, in einen Schmelztiegel (Innenabmessung: 65 mm Breite × 400 mm Länge × 35 mm Höhe) gegeben und der Schmelztiegel wurde im Inneren einer Ofenröhre (hergestellt aus Quarz, 100 mm Innendurchmesser × 1.000 mm Länge) eines Röhrenofens mit Ofenkörper vom Transfertyp untergebracht. Das hochreine Aluminium wurde geschmolzen, indem ein Ofenkörper (Schmelztiegel) in einer Vakuumatmosphäre von 1 × 10^–2 Pa auf 700°C reguliert wurde, und dann unidirektional von dem Ende her erstarren gelassen, indem der Ofenkörper aus der Ofenröhre mit einer Geschwindigkeit von 30 mm/Stunde heraus gezogen wurde. Nach dem Herausschneiden ab der Position, die sich 50 mm von dem Ende, an dem die Erstarrung beginnt, in einer Längenrichtung befindet, bis zu der Position, die sich 150 mm von dem Ende, an dem die Erstarrung beginnt, befindet, wurde ein massives hochreines Aluminium mit den Maßen 65 mm Breite × 100 mm Länge × 30 mm Dicke erhalten.
Die Gehalte an den entsprechenden Elementen in diesem hochreinen Aluminium wurden durch Glimmentladungs-Massenspektrometrie in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben analysiert, um die Ergebnisse zu erhalten, wie sie in Tabelle 1 aufgeführt sind.
Beispiel 3
Nach dem Schneiden zu einem vierseitigen Prisma mit den Maßen von etwa 18 mm × 18 mm × 100 mm oder einer ähnlichen Form aus dem 6N-Aluminiumbarren, der mit dem vorstehend erwähnten unidirektionalen Erstarrungsverfahren erhalten wurde, und ferner 3 Stunden lang saurem Dekapieren mit einer wässrigen 20%igen Salzsäurelösung, die durch Verdünnen mit reinem Wasser hergestellt wurde, wurde ein Aluminiumausgangsmaterial erhalten.
Unter Verwendung dieses Aluminiumausgangsmaterials wurde ein Zonenschmelzverfahren mit dem folgenden Verfahren durchgeführt.
Ein Graphittiegel wurde in das Innere einer Vakuumkammer (ein Quarzrohr mit den Maßen 50 mm Außendurchmesser, 46 mm Innendurchmesser, 1.400 mm Länge) eines Zonenschmelzreinigungsapparats gegeben. Ein hochreines Aluminiumoxidpulver AKP Series (Reinheit: 99,99%), hergestellt von Sumitomo Chemical Company, Limited, wurde auf den Teil des Graphittiegels, auf dem das Ausgangsmaterial platziert wird, aufgetragen, während es gepresst wurde, um eine Aluminiumoxidschicht zu bilden.
Der Graphittiegel wurde durch Erhitzen mit Hochfrequenz unter Vakuum gebrannt.
Das Brennen wurde durch Erhitzen im Vakuum von 10^–5 bis 10^–7 Pa unter Verwendung einer Spule zum Erhitzen mit Hochfrequenz (Windungszahl der Heizspule: 3, 70 mm Innendurchmesser, Frequenz etwa 100 kHz), die beim Zonenschmelzen verwendet wird, und Bewegen von dem einen Ende zum anderen Ende des Tiegels mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/Stunde durchgeführt, wodurch fortlaufend der gesamte Graphittiegel erhitzt wurde.
Die vorstehend erwähnten 9 Aluminiumausgangsmaterialien mit einem Gesamtgewicht von etwa 780 g wurden auf dem Teil (mit den Maßen 20 × 20 × 1.000 mm), auf den die Ausgangsmaterialien platziert werden, der in dem Graphittiegel bereitgestellt ist, angeordnet. Die Aluminiumausgangsmaterialien wurden in Form eines vierseitigen Prismas angeordnet, das aus den 9 Ausgangsmaterialien bestand (Querschnittsabmessung w der Aluminiumausgangsmaterialien = 18 mm, Länge L = 900 mm, L = w × 50).
Nach dem dicht Verschließen im Inneren einer Kammer wurde das Evakuieren mit einer Turbomolekularpumpe und einer ölgedichteten Rotationspumpe durchgeführt, bis der Druck 1 × 10^–5 Pa oder weniger erreicht. Dann wurde ein Ende des Aluminiumausgangsmaterials in einer Längsrichtung unter Verwendung einer Spule zum Erhitzen mit Hochfrequenz (Hochfrequenzspule) erhitzt und geschmolzen, um einen Schmelzabschnitt zu bilden.
Die Leistung der Hochfrequenzenergiequelle (Frequenz: 100 kHz, maximale Leistung: 5 kW) wurde so eingestellt, dass die Schmelzbreite des Schmelzabschnitts etwa 70 mm wird. Dann wurde die Hochfrequenzspule mit einer Geschwindigkeit von 100 mm pro Stunde bewegt, wodurch der Schmelzabschnitt um etwa 900 mm bewegt wurde. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Druck in der Kammer 5 × 10^–6 bis 9 × 10^–6 Pa. Die Temperatur des Schmelzabschnitts wurde mit einem Strahlungspyrometer gemessen. Als ein Ergebnis betrug sie 660°C bis 800°C.
Schmelzabschnitts wurde mit einem Strahlungspyrometer gemessen. Als ein Ergebnis betrug sie 660°C bis 800°C.
Dann wurde die Hochfrequenz-Leistung allmählich verringert, wodurch der Schmelzabschnitt erstarren gelassen wurde.
Die Hochfrequenzspule wurde zu der Position des Schmelzbeginns (Position, wo der Schmelzabschnitt zuerst gebildet wurde) bewegt und das Aluminiumausgangsmaterial wurde wieder an der Position des Schmelzbeginns erhitzt und geschmolzen, um einen Schmelzabschnitt zu bilden, während ein Vakuum im Inneren der Kammer beibehalten wurde. Die Zonenschmelzreinigung wurde wiederholt, indem dieser Schmelzabschnitt bewegt wurde. In dem Moment, als die Zonenschmelzreinigung insgesamt drei Mal (3 Durchläufe) bei einer Schmelzbreite von etwa 70 mm und einer Laufgeschwindigkeit von 100 mm/Stunde des Schmelzabschnitts durchgeführt worden war, wurde die Form vom Abschnitt des Schmelzbeginns bis zum Endabschnitt nahezu einheitlich, und die einheitliche Form wurde von da an beibehalten (während der nachstehend erwähnten 7 Durchläufe).
Dann wurde die Zonenschmelzreinigung in 7 Durchlaufen bei einer Schmelzbreite von etwa 50 mm und einer Laufgeschwindigkeit von 60 mm/Stunde des Schmelzabschnitts durchgeführt. Die Schmelzbreite betrug w × 2,8 bis w × 3,9, bezogen auf eine Querschnittsgröße w des Aluminiumausgangsmaterials, das gereinigt werden soll.
Nach dem Durchführen von insgesamt 10 Durchläufen wurde die Kammer zur Umgebungsluft geöffnet und dann wurde das Aluminium entfernt, um ein gereinigtes Aluminium von etwa 950 mm Länge zu erhalten.

Das erhaltene Aluminium wurde herausgeschnitten und die Analyse der Komponenten durch Glimmentladungs-Massenspektrometrie wurde in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1

Einheit: Masse-ppm
	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Beispiel 1	Beispiel 1	Beispiel 3
Li	0,016		< 0,001	< 0,001	< 0,001
Be	0,042		< 0,001	< 0,001	< 0,001
B	1,5	2,8	0,019	0,007	0,001
Na	1,4		0,012	0,001	0,001
Mg	5,2	0,1	0,48	0,10	0,001
Si	200	25	2,3	0,34	0,003
K	< 0,001		0,013	0,008	0,008
Ca	1,3		0,002	0,002	0,003
Ti	29	0,7	0,060	0,027	0,031
V	53	2,2	0,023	0,027	0,023
Cr	3,9	2,1	0,025	0,026	0,022
Mn	2,1	2,1	0,007	0,004	0,006
Fe	230	12	0,60	0,089	0,001
Ni	0,19		0,018	0,004	0,001
Co	13	0,3	< 0,001	< 0,001	< 0,001
Cu	0,72	1	1,1	0,14	0,016
Zn	13	7	0,22	0,002	0,001
Ga	93	12	0,006	0,001	0,001
As	0,023		0,029	0,001	0,001
Zr	4,8		0,023	0,030	0,036
Mo	0,35		< 0,001	< 0,003	< 0,004
Ag	1,1		< 0,001	< 0,001	< 0,001
Cd	< 0,001		0,002	0,002	0,002
In	0,009		< 0,001	< 0,001	< 0,001
Sn	1,1		0,001	0,001	0,002
Sb	< 0,001		< 0,001	< 0,001	< 0,001
Ba	0,004		< 0,001	< 0,001	< 0,001
La	0,038		0,045	0,001	0,001
Ce	0,095		0,17	0,001	0,001
Pt	< 0,001		0,002	0,001	0,001
Hg	< 0,001		0,001	0,003	0,002
Pb	1,9		0,004	0,001	0,001
Bi	< 0,001		0,001	0,001	0,001
Gesamt	669	67	< 5,4	< 0,83	< 0,18

Dann wurde das so erhaltene hochreine Aluminium aus den Beispielen 1 bis 3 jeweils geschnitten, um Materialien zum Drahtziehen mit Maßen von jeweils 6 mm Breite × 6 mm Dicke × 100 mm Länge zu erhalten. Damit Verunreinigungselemente auf Grund des Schneidens einer Oberfläche des Materials zum Drahtziehen entfernt wurden, wurde 1 Stunde lang saures Dekapieren unter Verwendung einer Säure, die mit einem Verhältnis (Salzsäure:reines Wasser = 1:1) hergestellt wurde, durchgeführt, gefolgt von Waschen mit fließendem Wasser über mehr als 30 Minuten.
Das erhaltene Material zum Drahtziehen wurde zu einem Durchmesser von 0,5 mm durch Walzen unter Verwendung von gerillten Walzen und Drahtziehen gezogen. Der Probenkörper, der durch Drahtziehen erhalten wurde, wurde an einer Spannvorrichtung aus Quarz befestigt, 3 Stunden lang im Vakuum bei 500°C gehalten und dann im Ofen abgekühlt, um eine Probe zur Messung des spezifischen Widerstands zu erhalten.
Weiterhin wurde ein im Handel erhältliches hochreines Kupfer mit einer Reinheit vom 5N-Niveau (hergestellt von NewMet Koch, 99,999% Cu, 0,5 mm Durchmesser) als die Probe aus Vergleichsbeispiel 3 an einer Spannvorrichtung aus Quarz befestigt, mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen, 3 Stunden lang im Vakuum bei 500°C gehalten und dann im Ofen abgekühlt, um eine Probe zur Messung des spezifischen Widerstands zu erhalten.
(2) Herleitung des spezifischen Widerstands
Messung des spezifischen Widerstands
Im Hinblick auf die Proben aus den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispiel 3 wurde der spezifische Widerstand tatsächlich gemessen.
Nach dem Eintauchen der erhaltenen Probe in flüssiges Helium (4,2 K) wurde der spezifische Widerstand unter Verwendung des Vierdrahtverfahrens gemessen, indem das Magnetfeld, das an die Probe angelegt werden sollte, von einer magnetischen Flussdichte 0 T (Magnetfeld war nicht angelegt) bis 15 T variiert wurde.
Das Magnetfeld wurde in einer Richtung parallel zu einer Längsrichtung der Probe angelegt.
Berechnung des spezifischen Widerstands
Im Hinblick auf Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 mit der Zusammensetzung, die in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde die Berechnung unter Verwendung der folgenden Gleichung (1) durchgeführt, die in der Literatur: R. J. Corruccini, NBS Technical Note, 218 (1964), offenbart wird. In der Gleichung (1) ist Δρ_H ein Maß für eine Zunahme des spezifischen Widerstands im Magnetfeld. ρ_RT ist der spezifische Widerstand bei Raumtemperatur, wenn das Magnetfeld nicht angelegt ist, und wurde auf 2.753 nΩcm gesetzt, da er als ein nahezu gegebener Wert bei hochreinem Aluminium mit einer Reinheit von 3N oder höher behandelt werden kann. ρ ist der spezifische Widerstand bei 4,2 K, wenn das Magnetfeld nicht angelegt ist und variierte in großem Maße in Abhängigkeit von der Reinheit. Deshalb wurden die folgenden experimentellen Werte verwendet: 9,42 nΩcm (RRR = 285) bei 4N-Al und 117 nΩcm (RRR = 23) bei 3N-Al. Diese Gleichungen werden erhalten, wenn das Magnetfeld senkrecht zu einer Längsrichtung der Probe ist. Da jedoch ähnliche Gleichungen, wenn das Magnetfeld parallel zu einer Längsrichtung der Probe ist, nicht erhalten werden, wurden diese Gleichungen zum Vergleich verwendet. RRR wird auch als Restwiderstandsverhältnis bezeichnet und ist ein Verhältnis des spezifischen Widerstands bei 297 K zum spezifischen Widerstand bei Heliumtemperatur (4,2 K).
wobei

H_*: = H/100 ρ_RT/ρ_R
H: = Intensität des angelegten Magnetfelds (Tesla)
ρ_RT: = Spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur, wenn das Magnetfeld nicht angelegt ist
ρ: = Spezifischer Widerstand, wenn das Magnetfeld nicht angelegt ist

Zitat aus Literaturstellen, die den spezifischen Widerstand betreffen
Im Hinblick auf die Vergleichsbeispiele 4 bis 6 wurde der spezifische Widerstand aus der Literaturstelle: Fujiwara S. et. al., Int. Conf. Process. Mater. Prop., 1st (1993), 909–912, erhalten. In diesen Literaturdaten wird eine Beziehung zwischen der Richtung der Anlegung des Magnetfelds und seiner Längsrichtung nicht beschrieben.
Die so hergeleiteten Werte für den spezifischen Widerstand aus den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispielen 1 bis 6 sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Im Hinblick auf RRR sind die Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3 gemessene Werte, Vergleichsbeispiele 4 bis 6 sind Literaturdaten.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, nimmt bei der Probe aus Vergleichsbeispiel 2, die einem Verkabelungsmaterial aus einem herkömmlichen Aluminium (4N-Niveau) entspricht, der spezifische Widerstand in dem Maße zu, wie die Intensität des Magnetfelds (magnetische Flussdichte) zunimmt, im Vergleich zu dem Fall, wo das Magnetfeld fehlt (0 T), und der spezifische Widerstand nimmt bei 15 T um das etwa 3-Fache zu.
Im Gegensatz dazu ist in den Beispielen 1 bis 3 der spezifische Widerstand klein, wie ein Zehntel oder weniger im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 in einem Zustand, wo das Magnetfeld fehlt, und der spezifische Widerstand nimmt auch geringfügig zu, selbst wenn das Magnetfeld zunimmt.
In Beispiel 1 (5N-Niveau) nimmt der spezifische Widerstand bei 15 T geringfügig (etwa 1,5-fach) zu im Vergleich zu dem Fall, wo das Magnetfeld fehlt, und es ist offensichtlich, dass die Zunahme des spezifischen Widerstands, die durch das Magnetfeld verursacht wird, verglichen mit Vergleichsbeispiel 2 klein ist.
In Beispiel 2 (6N-Niveau) nimmt der spezifische Widerstand geringfügig (innerhalb 10%) selbst bei 15 T zu im Vergleich zu dem Fall, wo das Magnetfeld fehlt. Wenn die magnetische Flussdichte innerhalb eines Bereichs von 1 bis 12 T liegt, nahm der Wert für den spezifischen Widerstand im Vergleich zu dem Fall, wo das Magnetfeld nicht angelegt ist, ab, und somit zeigt sich ein bemerkenswerter Effekt der Unterdrückung des magnetoresistiven Effekts.
Was Beispiel 3 (6N8-Niveau) betrifft, nimmt der spezifische Widerstand ab im Vergleich zu dem Fall, wo das Magnetfeld fehlt, selbst bei einer beliebigen magnetischen Flussdichte von 1 bis 15 T, und somit zeigt sich ein bemerkenswerter Effekt der Unterdrückung des magnetoresistiven Effekts.
1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem elektrischen Leitfähigkeitsindex und dem angelegten Magnetfeld (magnetische Flussdichte) zeigt. Der elektrische Leitfähigkeitsindex ist ein Index, der die Größe der elektrischen Leitfähigkeit der entsprechenden Proben, bezogen auf Vergleichsbeispiel 2, angibt, das den spezifischen Widerstand in einem starken Magnetfeld von Aluminium mit einer Reinheit von 4N zeigt. D. h. bei jeder magnetischen Flussdichte wird der elektrische Leitfähigkeitsindex bestimmt, indem der Wert für den spezifischen Widerstand aus Vergleichsbeispiel 2 durch den Wert für den spezifischen Widerstand jeder Probe dividiert wird. Je größer der Wert für diesen Index ist, desto überlegener sind die Leitfähigkeitseigenschaften unter der magnetischen Flussdichte (starkes Magnetfeld) im Vergleich zu der Probe aus Vergleichsbeispiel 2.
Der elektrische Leitfähigkeitsindex auf der Ordinate wurde durch Logarithmus angegeben, da die Proben aus den Beispielen äußerst bemerkenswerten Effekt zeigen.
Wie aus 1 ersichtlich, zeigen die Proben aus den Beispielen den Fall, wo das Magnetfeld fehlt, und die Leitfähigkeit ist etwa 13 bis 28 Mal höher als diejenige aus Vergleichsbeispiel 2. Wenn das Magnetfeld angelegt ist, nimmt die Leitfähigkeit im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 zu. Die Leitfähigkeit ist 16 Mal (Beispiel 1) bis 65 Mal (Beispiel 3) höher bei 1 T, und die Leitfähigkeit nimmt weiter zu, da sie 26 Mal (Beispiel 1) bis 96 Mal (Beispiel 1) höher bei 15 T ist.
Wie aus 1 ersichtlich ist, zeigen beliebige der Kupferproben (Vergleichsbeispiele 3 bis 6) eine Kurve nach rechts unten und der magnetoresistive Effekt nimmt in dem Maße, wie die Intensität des Magnetfelds zunimmt, im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 zu. D. h. es wird festgestellt, dass im Falle von Kupfer eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit auf Grund der Magnetikoresistenz nicht unterdrückt werden kann, selbst falls die Reinheit auf 6N-Niveau erhöht wird (wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, nimmt in den Proben aus den Vergleichsbeispielen 3 bis 6 der spezifische Widerstand bei 15 T um 5 bis 18 Mal in Vergleich mit dem spezifischen Widerstand im Fall, wo das Magnetfeld fehlt, zu), und dass der Effekt des Unterdrückens einer Abnahme der Leitfähigkeit im Magnetfeld durch Erhöhen der Reinheit auf 99,999 Masse-% oder höher, der von den hier genannten Erfindern festgestellt wurde, für Aluminium typisch ist.
Der Grund, warum sich die Wirkung zur Unterdrückung der Magnetoresistenz durch Hochreinigung nicht in Kupfer, aber in Aluminium zeigt, ist unklar. Jedoch wird gefolgert, dass es durch einen Unterschied im spezifischen elektrischen Widerstandsfaktor verursacht wird. D. h. es wird in Betracht gezogen, dass ein spezifischer elektrischer Hauptwiderstandsfaktor des hochreinen Kupfers die Streuung der Leitungselektronen auf Grund von Korngrenzen oder Versetzungen ist und der spezifische elektrische Widerstandsfaktor sogar durch Hochreinigung geringfügig variiert und somit auch die Magnetoresistenz geringfügig variiert. Auf der anderen Seite ist ein spezifischer elektrischer Widerstandsfaktor des hochreinen Aluminiums die Streuung der Leitungselektronen durch verunreinigende Atome, und der spezifische elektrische Widerstandsfaktor wird durch Hochreinigung verringert. Deshalb wird es in Betracht gezogen, dass sich ausgezeichnete Eigenschaften, wie geringe Zunahme des spezifischen elektrischen Widerstands im Magnetfeld, bei Aluminium mit einer Reinheit von 5N oder höher zeigen können. Jedoch begrenzt dieser vorgeschlagene Mechanismus nicht den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Verkabelungsmaterial bereitzustellen, das einfach handzuhaben ist und auch ausgezeichnete Leitfähigkeit selbst, in einem starken Magnetfeld mit beispielsweise einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher zeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-212522 A [0005]
JP 7-15208 A [0006]
JP 7-166283 A [0006]
JP 2009-242865 A [0025]
JP 2009-242866 A [0025]
JP 2010-106329 A [0026]
JP 2010-064544 [0052]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS-H2102 [0044]
R. J. Corruccini, NBS Technical Note, 218 (1964) [0119]

Claims

Ein Verkabelungsmaterial zur Verwendung in einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 1 T oder höher, umfassend Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Masse-% oder höher.
Das Verkabelungsmaterial nach Anspruch 1, wobei das Aluminium einen Eisengehalt von 1 Masse-ppm oder weniger aufweist.
Das Verkabelungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aluminium eine Reinheit von 99,9999 Masse-% oder höher aufweist.
Das Verkabelungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aluminium eine Reinheit von 99,99998 Masse-% oder höher aufweist.
Das Verkabelungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Aluminium eine intermetallische Verbindung Al₃Fe enthält.