JP2007221013A - 永久電流スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】そこで、本発明の目的は、温度マージンが高い、熱的に安定で、超電導状態と常電導状態との切り替え動作が確実である永久電流スイッチを提供することにある。
【解決手段】本発明の永久電流スイッチは、コイル状の超電導線とヒータ線とを有し、ヒータ線によって、超電導線の超電導状態と常電導状態とを切り替える永久電流スイッチにおいて、超電導線が、外側に高抵抗金属、内側に二ホウ化マグネシウム超電導部を有し、高抵抗金属と二ホウ化マグネシウム超電導部との間の層に超電導金属を形成して作製された二ホウ化マグネシウム超電導線であり、超電導線から導かれる口出し線と配線用超電導線とが超電導接続された超電導接続部を有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、コイル状の超電導線とヒータ線とを有し、超電導線に、臨界温度以下の環境において超電導特性を示す二ホウ化マグネシウム超電導（以下、ＭｇＢ₂ と略す）線（以下、ＭｇＢ₂ 線と呼称する）を、用いて作製された永久電流スイッチに関するものである。

ＭｇＢ₂ 線の臨界温度は３９Ｋであり、通常の金属系超電導材料より約２０Ｋ以上も高い。また、臨界磁場も高く、薄膜では約５０Ｔといわれている。さらに、磁場異方性が極めて小さく、曲げ特性にも優れることから、線材の作製，線材の取扱に関しても、通常の金属系超電導材料と差異は少ない。

このＭｇＢ₂ 線の熱的に非常に安定な特性を生かす一つのアプリケーションとして、永久電流スイッチがある。

このＭｇＢ₂ 線を用いた永久電流スイッチに関しては、特許文献１に記載されている。

特開２００３−３７３０３号公報

一般的に、永久電流スイッチは、ＣｕＮｉ合金を安定化材としたＮｂＴｉ線を用いて形成される。しかし、ＮｂＴｉの臨界温度は約９Ｋと低く、４.２Ｋ の液体ヘリウム中においては、約５Ｋの温度マージンしかない。そのため、わずかな擾乱エネルギーが入った場合でも、ＮｂＴｉ線が常電導転移しやすい。こうした理由から、液体ヘリウム中の温度マージンが、３５ＫであるＭｇＢ₂ 線を用いた永久電流スイッチが考えられた。

しかし、単にＭｇＢ₂線を用いて永久電流スイッチを作製しても、抵抗値が１×１０^-10Ω程度であり、それ以下の抵抗値を示す信頼性の高い永久電流スイッチを作製できないという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、温度マージンが高い、熱的に安定で、超電導線の超電導状態と常電導状態との切り替え動作が確実である永久電流スイッチを提供することにある。

本発明の永久電流スイッチは、コイル状の超電導線とヒータ線とを有し、ヒータ線によって超電導線の超電導状態と常電導状態とを切り替えるものであって、超電導線が、外側に高抵抗金属、内側に二ホウ化マグネシウム超電導部を有し、高抵抗金属と二ホウ化マグネシウム超電導部との間の層に超電導金属を形成して作製された二ホウ化マグネシウム超電導線であり、超電導線から導かれる口出し線と配線用超電導線とが超電導接続された超電導接続部を有することを特徴とするものである。

また、本発明の永久電流スイッチに用いる超電導線は、二ホウ化マグネシウム超電導部の外側に超電導金属を形成した二ホウ化マグネシウム超電導芯を複数有し、複数の二ホウ化マグネシウム超電導芯を高抵抗金属内に配置して作製された多芯二ホウ化マグネシウム超電導線である。

また、これら超電導接続部は、二ホウ化マグネシウム超電導部又は二ホウ化マグネシウム超電導部の外側に形成される超電導金属と、配線用超電導線の超電導コア部とを、低融点超電導金属又は低融点超電導合金を介して超電導接続することが好ましい。

また、高抵抗金属が、Ｃｕを主成分とする合金であることが好ましい。なお、Ｃｕを主成分とする合金としては、例えば、ＣｕＮｉ，ＣｕＳｎ，ＣｕＺｎ，ＣｕＭｎ，ＣｕＭｇ，ＣｕＩｎ，ＣｕＣｏ，ＣｕＣｒなどが好ましい。

また、超電導金属が、Ｎｂを主成分とする合金であることが好ましい。なお、Ｎｂを主成分とする合金としては、例えば、Ｎｂ，ＮｂＴｉ，ＮｂＴａなどが好ましい。

また、低融点超電導金属又は低融点超電導合金が、Ｓｎ，Ｍｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｐｂ，
Ｔｅ，Ｔｌ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｌのうち、少なくとも１種類以上の金属からなることが好ましい。

また、本発明の超電導マグネットは、これら永久電流スイッチを用いることで、熱的に安定な永久電流運転を実現できる。

また、本発明の目的を達成するために、二ホウ化マグネシウム超電導線または多芯二ホウ化マグネシウム超電導線とヒータ線とを巻回し、コイル状に形成し、超電導線から導かれる口出し線と配線用超電導線とを超電導接続するという永久電流スイッチの製造方法を、適用することも可能である。

また、所定の実施形態によっては、磁場減衰を可能にする信頼性の高い永久電流スイッチを提供することも可能である。

本発明により、温度マージンが高く、熱的に安定で、超電導線の超電導状態と常電導状態との切り替え動作を確実に実施できる永久電流スイッチを提供することができる。

超電導マグネットを運転させる方法としては、以下の２つの方法がある。

一つの方法は、常に超電導マグネットを構成する超電導コイルに電源から電流を通電する方法である。

もう一方の方法は、電源に対して永久電流スイッチと超電導マグネットを構成する超電導コイルとを並列に接続し、超電導コイルを励磁した後、この永久電流スイッチを用いて、超電導コイルを電源から切り離して永久電流運転に移行させる方法である。

現在の核磁気共鳴分析装置（以下、ＮＭＲ），医療用磁気共鳴診断装置(以下、ＭＲＩ)，磁気浮上式列車などは、ほとんどが、後者の永久電流運転を用いて超電導マグネットが動作している。

図１を用いて永久電流スイッチを用いた永久電流運転について説明する。

永久電流運転するべき超電導マグネット１を構成する超電導コイル２には、その端子間に設けられる短絡スイッチ３が並列に設けられる。この短絡スイッチ３が、永久電流スイッチ３と呼ばれ、短絡時の抵抗を低くするため、超電導線で形成される。なお、ここでは、超電導コイル２及び永久電流スイッチ３を含んで、超電導マグネット１とした。また、符号４は電源である。

永久電流運転の手順は、以下の１−１〜１−４に記載したとおりである。
１−１．永久電流スイッチ３を形成している超電導線の臨界温度，臨界磁場をこえる状態 （例えばヒータ加熱や励磁）、またはその他の外部擾乱などにより、超電導線を常電 導状態（以下、ＰＣＳ−ＯＦＦと略する）とし、抵抗を発生させる。
１−２．電源４から定格電流値まで超電導コイル２に通電し、励磁する。
１−３．永久電流スイッチ３を常電導状態にしている外部擾乱を停止し、永久電流スイッ チ３を超電導状態（以下、ＰＣＳ−ＯＮと略する）し、電源４の電流値をさげる。
１−４．超電導コイル２と永久電流スイッチ３との間で、永久電流運転が可能となる。

一方、永久電流スイッチ３には、以下の２−１〜２−４のような特性が要求される。
２−１．ＰＣＳ−ＯＮ時の抵抗が小さいこと。
２−２．ＰＣＳ−ＯＦＦ時の抵抗が大きいこと。
２−３．定格電流を安定に長期間、通電することができること。
２−４．必要時以外に常電導状態に転移しないこと。

こうした永久電流スイッチ３の超電導線として、ＭｇＢ₂ 線を適用する場合、以下の３−１〜３−４を満たす必要がある。
３−１．定格電流以上の通電を可能にする高い臨界電流を有すること。
３−２．非常に小さな抵抗を有する超電導接続が可能なこと。
３−３．ＰＣＳ−ＯＦＦ時の抵抗が比較的大きくなる線材抵抗を有すること。
３−４．３−１〜３−３を満たすＭｇＢ₂ 線の長尺線を作製できること。

上記３−１〜３−４を満たすＭｇＢ₂ 線の作製方法及びこれらを用いて作製した永久電流スイッチについて以下、実施例にて説明する。

以下に、本発明の実施例を示す。

図２に、本形態における二ホウ化マグネシウム超電導線（ＭｇＢ₂ 線）の断面構造を示す。

ＭｇＢ₂ 線５は、高抵抗金属６，超電導金属７，二ホウ化マグネシウム超電導部
（ＭｇＢ₂ 部）８からなる。なお、ＭｇＢ₂ 線５の径は、約０.３mm〜２.５mm程度であることが好ましい。

図３に、このＭｇＢ₂ 線５と配線用超電導線とが超電導接続された超電導接続部１０の断面構造を示す。

ＭｇＢ₂ 線を構成する超電導金属７と配線用超電導線を構成する超電導コア部１１とが、低融点超電導合金１２を介して、超電導接続管１３の中で接続された構造となっている。

図４に、本形態における永久電流スイッチ３を示す。

この永久電流スイッチ３は、超電導コイル２と超電導接続部１６とを有する。超電導コイル２には、無誘導巻きした巻線部１７，無誘導巻を可能にする曲げ枠１８，口出し固定部１９が兼備されている。なお、符号５は、口出し線としてのＭｇＢ₂ 線であり、符号９は、配線用超電導線である。また、図示はしていないが、本形態においてヒータ線は、巻線部１７の外側に形成されている。

本形態で示したＭｇＢ₂ 線５で作製した永久電流スイッチ３は、永久電流スイッチ３に必要な上記３−１〜３−４の要件を満たしている。以下にそれを説明する。
（上記３−１について）
ＭｇＢ₂ 線５において、高抵抗金属６及び超電導金属７の多重構造で、ＭｇＢ₂ 部８を覆う構成となることから、線材作製の過程で高い加工率となり、比較的高い通電特性を有する。

また、衝撃や破損などに強い超電導線となるので、万一の励磁中や永久電流運転中の常電導転移においても、超電導線の断線率が減少する。
（上記３−２について）
ＭｇＢ₂ 線５において、超電導金属７を用いてＭｇＢ₂ 部８を直接覆う構成となる。これは、ＭｇＢ₂ 線５と配線用超電導線９とを超電導接続するために、高抵抗金属６を除去しても、超電導金属７が酸化されにくい溶融プロセスを用いることが好ましい。

つまり、超電導接続部において、ＭｇＢ₂ 部８，超電導金属７，低融点超電導合金１２又は低融点超電導金属，配線用超電導線の超電導コア部１１で接続される。

これにより超電導接続部が、基本的に超電導体で構成され、ＭｇＢ₂ 部と超電導金属との間、超電導金属と低融点超電導合金又は低融点超電導金属との間、低融点超電導合金又は低融点超電導合金と配線用超電導線の超電導コア部との間、におけるこれらの境界の酸化層は限りなくゼロに近い状態となっている。

また、ＭｇＢ₂ 部８を超電導金属７で覆ったまま超電導接続する構造としたことにより、ＭｇＢ₂ 線５の通電特性を劣化させることなく、超電導接続が可能となる。

一般的に、パウダーインチューブ法で作製するＭｇＢ₂ 線５では、ＭｇＢ₂ 部８を覆う金属シースを剥き、直接、ＭｇＢ₂ 部８を露出させて超電導接続を行うので、ＭｇＢ₂ 線５としての通電特性が著しく低下するが、本形態では、直接ＭｇＢ₂ 部８を露出させることがないため、ＭｇＢ₂ 線５としての通電特性が著しく低下することはない。

また、直接、ＭｇＢ₂ 部８を露出させると厚い酸化層が形成されるため、超電導接続部を超電導体で構成することができなかったが、本形態ではこれが可能となった。

つまり、ＭｇＢ₂ 部８を超電導金属７で覆うことにより、超電導接続時に、その外部に形成される高抵抗金属６のみを溶融プロセスで除去し、ＭｇＢ₂ 部８を露出させることなく、超電導接続することが可能となる。

なお、ここでいう溶融プロセスとは、高抵抗金属６を除去するため、高抵抗金属６を固溶させるような金属が入ったポットにＭｇＢ₂ 線５を浸漬させ、高抵抗金属６のみを除去するプロセスのことである。
（上記３−３について）
ＭｇＢ₂ 線５において、高抵抗金属６を設置することから、ＰＣＳ−ＯＦＦ時におけるＭｇＢ₂ 線５の単位長さあたりの電気抵抗が高くなる。

また、永久電流スイッチ３の構造において、無誘導巻きを可能にする構造となることから、永久電流スイッチ３に適用する線材長さを長くすることができる。このため、ＰＣＳ−ＯＦＦ時における永久電流スイッチ３としての電気抵抗を高くすることができる。

これらより、超電導コイル２の励磁に支障をきたすような小さい抵抗値ではなく、比較的大きな抵抗値を有する永久電流スイッチ３を作製することが可能となる。
（上記３−４について）
ＭｇＢ₂ 線５において、高抵抗金属６及び超電導金属７の多重構造でＭｇＢ₂ 部８を覆う構成となることから、線材作製の過程で高い加工率をとりながら断線率を減少できる。これより１０ｍ以上のＭｇＢ₂ 線５を断線なしで作製することが可能である。

以上をまとめると、
１）ＭｇＢ₂ 線５の線材構造を、ＭｇＢ₂ 部８、その外層に超電導金属７、その外層に高 抵抗金属８が構成された構造とする。
２）永久電流スイッチ３の構造を無誘導巻きが可能になる構造とする。

これらを実施することにより、長尺で安定した通電特性のＭｇＢ₂ 線５を用いた超電導接続部１６を含む、高い抵抗値でかつ優れた熱安定性，通電特性を有する永久電流スイッチ３を構成することができる。

また、超電導接続管１３としては、Ｎｂ，ＮｂＴｉ，ＮｂＴａを用いることが好ましいが、これら以外にＴａ，Ｐｂ，Ｖなど４.２Ｋ 以上の臨界温度を有する超電導金属であれば適用可能である。なお、実用化を検討すると、ＭｇＢ₂ の熱処理温度以上の融点で、高い臨界温度，高い磁場が必要であり、線引き加工に耐えうる硬さ及び靭性を有する超電導金属が有望である。このことから、ＮｂまたはＮｂＴｉ，ＮｂＴａなどのＮｂ合金で超電導接続管１３を形成することが望ましい。

また、４.２Ｋ 以下のいわゆる超流動状態で用いる場合は、その温度以上で超電導状態になる金属であれば適用可能であるが、この場合においても上記と同様で、Ｎｂ系の合金が望ましい。

高抵抗金属６としては、ＣｕＮｉ，ＣｕＳｎ，ＣｕＺｎ，ＣｕＭｎ，ＣｕＭｇ，CuIn，ＣｕＣｏ，ＣｕＣｒなどの冷却効果と高抵抗とを両立するＣｕを主とした合金であれば可能である。

また、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔなどの冷却効果の高い合金でも可能であるが、実用化を検討した場合、高抵抗値，冷却効果，価格の面からＣｕ合金が望ましく、その中でもCuNiまたはＣｕＳｎ合金が望ましい。

低融点超電導金属または低融点超電導合金１２としては、Ｓｎ，Ｍｇ，Ｉｎ，Ｇａ，
Ｐｂ，Ｔｅ，Ｔｌ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｌの少なくとも１種類以上を用いた金属又は合金を用いることが好ましく、融点４００℃以下で４.２Ｋ 中で超電導特性を有する金属又は合金であれば適用可能である。

また、４.２Ｋ 以下のいわゆる超流動状態で用いる場合は、その温度以上で超電導状態になる低融点超電導金属または低融点超電導合金１２であれば適用可能である。これらの中でも最も超電導特性が高い低融点超電導合金はＰｂＢｉ合金またはＰｂＢｉＳｎ合金であるので、これらを適用することが望ましい。

永久電流スイッチ３の構造としては、使用する線材長さが長くなるため永久電流スイッチ３としての抵抗値が高くなり、さらに永久電流スイッチ３のインダクタンスも小さくなる無誘導巻きが望ましいが、励磁する超電導コイル２の電流値が小さい場合は、無誘導巻きではなく、通常のソレノイド巻きでもよい。

また、どちらの巻き方においても、ＭｇＢ₂ 線５を巻くボビンの材質は、ステンレス鋼，強化繊維プラスチック（ＦＲＰ），セラミックスなどがよいが、熱処理が必要なMgB₂線５を用いる場合は、加工の面などからもステンレス鋼が最も望ましい。

さらに、巻線したＭｇＢ₂ 線５及びヒータ線を固定，絶縁，破損防止をするために、エポキシ樹脂，ワックス含浸，蜜ろう含浸などを実施することが望ましい。

永久電流スイッチ３の口出し構造としては、口出し線を巻回する口出し溝を設けない構造にすることが望ましい。また、場合によっては設けてもよい。

通常のＮｂＴｉ線を用いた永久電流スイッチでは、口出し溝を設けるが、これはNbTi線の安定性を向上させるため、Ｃｕ線を共線として半田付けし、一緒に巻線するためである。よって、ＭｇＢ₂ 線５を永久電流スイッチ３に使用することで、熱的に安定し、共線が必要なくなるため、口出し溝の必要がなくなる。

従って、本形態では、構造の簡易化，永久電流スイッチ３の低コスト化などを考慮し、設けない構造とすることが好ましい。

以下に、その製造プロセスを示す。

今回使用したＭｇＢ₂ 線５は、高抵抗金属６にＣｕＮｉ合金、超電導金属７にＮｂを適用したＣｕＮｉ−Ｎｂ−ＭｇＢ₂ 部の三重構造の超電導線である。

また、配線用超電導線には、ＮｂＴｉ線、低融点超電導合金にはＰｂＢｉＳｎ合金を使用し、永久電流スイッチ３を作製した。

ＭｇＢ₂ 線５をパウダーインチューブ法により作製した。

手順は以下のとおりである。

ＣｕＮｉ管を外側管、Ｎｂ管を内側管とし、ＭｇとＢとの混合粉末をＮｂ管内に充填した。そして、ＭｇとＢとを充填したＮｂ管の外にＣｕＮｉ管を重ねて、線引き加工によりφ０.８mm まで長尺化した。そして長尺細線化した線材の外側にガラス絶縁被覆を被せた。

次に、ステンレス製ピン付きボビンに無誘導巻きで巻線した。巻線長さは３０ｍで、永久電流スイッチ３を作製した。ＰＣＳ−ＯＦＦ時の抵抗を５Ωとした。巻線したボビンを６００℃×５ｈｒで熱処理し、Ｎｂ管内のＭｇとＢとをＭｇＢ₂ に反応させた。

最後に、熱処理したＭｇＢ₂ 線５をボビンごとに、樹脂含浸し、線材を固定し、絶縁し、その外側にマンガニン線を巻線して、再度、樹脂含浸をすることで、永久電流スイッチ３のコイル状の超電導線を形成した。

この際、下記の方法でも同様の効果が得られる。
１）ＭｇＢ₂ 線５の作製方法として、ＭｇとＢとの混合粉末を熱処理でＭｇＢ₂ に生成さ せるＩｎ−ｓｉｔｕ法、ＭｇＢ₂ 粉末を用いるｅｘ−ｓｉｔｕ法、の、どちらでも同様 の効果が得られるが、より高い性能がでやすいｉｎ−ｓｉｔｕ法の方が望ましい。また 、ＭｇとＢとにＳｉＣやＴｉＣなどの炭化物系の第三元素を添加しても同様の効果が得 られる。
２）今回は、ＣｕＮｉ管とＮｂ管との二重管としたが、その間に別の金属管を入れ、三重 管，四重管としても同様の効果が得られるが、加工性やコストの面から二重管が最も望 ましい。
３）今回は、Ｎｂ管の外側にＣｕＮｉ管を被せた二重管を線引き加工したが、予め、Ｎｂ 管とＣｕＮｉ管とを一体化させた管を用いても同様の効果が得られる。
４）線引き加工は、ドローベンチ加工，押出し加工，伸線加工，静水圧プレス加工，圧延 加工などでも同様の効果が得られる。
５）今回は、最終加工径をφ０.８mm としたが、永久電流スイッチ３の仕様により任意に 決定できるが、実際の運転上、φ０.２mm〜φ３.０mmが望ましい。
６）巻線長は３０ｍ、抵抗値を５Ωとしたが、抵抗値は超電導マグネット１の励磁速度で 、巻線長さはＭｇＢ₂ 線５の単位長さあたりの電気抵抗値で決定されるため、具体的な 数値は一概に決定できないが、抵抗値は大きいほど超電導マグネット１の励磁速度を速 くすることが可能になる。また、線材の単位長さあたりの電気抵抗値も大きいほど、使 用線材が短くなり、コスト低減，安定性及び冷却性が向上する。つまり、単位長さあた りの電気抵抗値を大きくすることで、使用線材を短くすることができる。そして、永久 電流スイッチ３のＰＣＳ−ＯＦＦ時の電気抵抗が大きいものが望ましい。
７）今回は、熱処理条件を６００℃×５ｈｒとしたが、５５０℃〜１０００℃×０.１hr 〜１０ｈｒ程度が望ましい。５５０℃以下では、ＭｇとＢとがＭｇＢ₂ に生成されず、 １０００℃以上ではＭｇの蒸発が多くなり、ＭｇＢ₂ に生成しにくくなる。一般的には ６００℃〜７５０℃付近が望まれる。
８）今回は、ヒータ線としてマンガニン線を用いたが、ニクロム線などの高抵抗でかつ
ＭｇＢ₂ の熱処理温度以上の融点をもつ、一般的なヒータ線であれば同様の効果が得ら れる。また、今回は、ＭｇＢ₂ 線５からなる巻線部１７の外側にヒータ線を巻線したが 、ＭｇＢ₂ 線５にヒータ線を巻きつけた状態にして巻線する方法、ヒータ線をＭｇＢ₂ 線５からなる巻線部１７とボビンとの間（内側）に設置する方法、ボビンの中心軸の中 にヒータ線を設置する方法、ボビンの上下部にヒータ線を設置する方法、ボビンを覆う ようにヒータ線を設置する方法でも同様の効果が得られる。

次に、口出し固定部１９に口出し線を固定し、その先端を配線用超電導線９としての
ＮｂＴｉ線（超電導コア部１１はＮｂＴｉ）と超電導接続する超電導接続部１６の構造について説明する。

まず、溶融プロセスとして、ＭｇＢ₂ 線５の片端５０mmを４００℃のＳｎ浴中に１５分間浸漬させた後、Ｓｎ浴から引き上げた。

次に、配線用超電導線としてのＮｂＴｉ線の片端５０mmを４００℃のＳｎ浴中に２０分間浸漬させた後、Ｓｎ浴から引き上げた。

この時点では、ＭｇＢ₂ 線５は、高抵抗金属６としてのＣｕＮｉのみが溶解し、超電導金属７としてのＮｂは酸化されずに、Ｓｎが付着した状態になっている。またこの後、
Ｎｂ管とＳｎを熱処理によりＮｂ₃Ｓｎ を生成させることも可能である。これにより、臨界磁場が向上し、さらに優れた超電導接続が形成可能となる。

この際、以下の方法でも同様の効果が得られる。
１）Ｓｎ浴に浸漬させる長さは、５mm〜５００mm程度が望ましい。通常、接続長さは、通 電したい電流値に応じて決定させるが、５mmより短くなることで通電電流量が激減し、 逆に５００mmより長くなることで装置が大型化し、高コスト化に繋がるため効果が薄い 。
２）また、Ｓｎ浴中の浸漬条件は、２５０℃〜６５０℃×１０分〜１２０分程度が望まし い。この条件は、超電導線のＣｕ比，線材構造，線材径で決定する。したがって、一概 には決定できないが、高温化，長時間化させすぎることで超電導線の通電特性が低下す るため、上記条件の範囲内にすることが望ましい。
３）Ｓｎ浴以外に、Ｍｇ浴，Ｉｎ浴，Ｇａ浴，Ｐｂ浴，Ｔｅ浴，Ｔｌ浴，Ｚｎ浴，Ｂｉ浴 ，Ａｌ浴でも同様の溶融プロセスが可能である。溶融プロセスの目的は、酸化を極限ま で防いだ状態で超電導線中の超電導部を露出させるためである。したがって、できるだ け低融点で、超電導線の外周に形成されている高抵抗金属６としてのＣｕＮｉ，Ｃｕな どを固溶することが可能な金属浴であれば、同様の効果が得られる。

次に、溶融プロセス後のＭｇＢ₂ 線５及び配線用超電導線９（ＮｂＴｉ線）の片端５５mmを４００℃のＰｂＢｉＳｎ浴中に、１０分間浸漬させた後、ＰｂＢｉＳｎ浴から引き上げた。この時点では、ＭｇＢ₂ 線５は、超電導金属７（Ｎｂ）が酸化されていない状態で、ＰｂＢｉＳｎが付着した状態になっている。

この際、以下の方法でも同様の効果が得られる。
１）ＰｂＢｉＳｎ浴に浸漬させる長さは、５mm〜５００mm程度で溶融プロセスの深さより 、深く浸漬させることが望ましい。これは、ＰｂＢｉＳｎの濡れ性をより向上させるた めである。
２）ＰｂＢｉＳｎ浴中の浸漬条件は、１５０℃〜６５０℃×１０分〜６０分程度が望まし い。この条件は、超電導線のＣｕ比，線材構造，線材径で決定する。したがって、一概 には決定できないが、高温化，長時間化させすぎることで超電導線の通電特性が低下す るため、上記条件の範囲内にすることが望ましい。

次に、ＰｂＢｉＳｎを付着させたＭｇＢ₂ 線５と配線用超電導線９（ＮｂＴｉ線）とを、Ｃｕ線で固定させ、線材固定部を作製した。

この際、ＭｇＢ₂ 線５が破損しない程度に、かしめ接合，スポット溶接，超音波溶接，拡散接合，固相拡散で、線材固定部を作製することで、より密接した超伝導接続ができ、通電特性が向上する。

最後に、Ｃｕ製の超電導接続管１３内に線材固定部を差込んだ後、ＰｂＢｉＳｎを充填した。この際、超電導接続管１３は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕなどの冷却性にすぐれたもの、Ｎｂ，Ｔａなどの超電導性を有するもの、またはそれらの合金（例えば、ＮｂＴｉ，ＮｂＴａ）などでも同様の超電導接続部１６を作製できる。超電導接続管１３の目的は、ＰｂＢｉＳｎを管内で保持し、線材固定部となじませることである。

以上の方法で、ＭｇＢ₂ 線５と配線用超電導線９（ＮｂＴｉ線）とを超電導接続する超電導接続部１６を作製することができ、超電導接続部を兼備する永久電流スイッチが完成する。

本形態の場合、超電導接続が一般に困難なＭｇＢ₂ 線５を永久電流スイッチ３に使用しているため、ＭｇＢ₂ 線５とＮｂＴｉ線とを超電導接続する超電導接続部１６を、永久電流スイッチ３の構成要件の一部とする。したがって、超電導接続が一般に容易なＮｂＴｉ線を配線用超電導線として使用できる。

次に、作製した永久電流スイッチ３の永久電流試験を実施した。

回路図を図５に示す。

試験のため、ＮｂＴｉ線を有する配線用超電導線９とＮｂＴｉ製の超電導コイル２及び電流リード用ＮｂＴｉ線２３を超電導接続し、永久電流試験用の閉ループ回路２０を作製した。

そして、電流リード用ＮｂＴｉ線２３を電源４のパワーリード２５と半田付けした。

試験は、以下の手順で実施した。

また、測定は、ＮｂＴｉ製の超電導コイル２内にホール素子を設置し、そこで発生する磁場を電流値に換算した値の時間変化量を評価した。
１）永久電流スイッチ３に形成されるヒータ線に通電し、ＭｇＢ₂ 部８を常電導転移（39 Ｋ以上）させた。
２）励磁するため電源４より、ＮｂＴｉ製の超電導コイル２を通電・励磁した。
３）永久電流スイッチ３に形成されるヒータ線の加熱をやめて、電源４の電流をさげた。
４）十分に冷却されるのを待ち、永久電流運転の評価を開始した。

図６に、実験結果である時間と永久電流との関係を示す。

代表として、通電電流が２００Ａの結果を示す。測定は１０時間実施した。

測定の結果、永久電流運転中の常電導転移が一度もなく、そして、ほとんど電流減衰がなく、閉回路全体の抵抗値が１×１０^-12Ω以下であることがわかった。

また、通電電流を１００Ａ〜８００Ａまで変化させ、同様の試験を実施したが、図６と同様の結果になった。

さらに、２４時間以上の長時間評価を実施したが、同様に常電導転移や大きな電流減衰も見られなかった。

以上の結果から、ＭｇＢ₂ 線５で作製した永久電流スイッチ３の永久電流特性を確認し、非常に熱的に安定であることを確認した。

永久電流スイッチ３の破損の可能性があるため、１０００Ａで試験を中断したが、その通電電流値をさらに向上させるには、以下の方法が期待される。
１．ＭｇＢ₂ 線の臨界電流密度（Ｊｃ）の向上。
２．ＭｇＢ₂ 線の大電流通電を可能にする構造の作製。

上記１，２を評価するため、以下の実施例で評価した。

ＭｇＢ₂ 線５のＪｃを向上させるため、実施例１で用いたＭｇＢ₂ 線５内の超電導金属７をＮｂＴｉとして、他は実施例１と同様にしてＭｇＢ₂ 線５を作製し、その後、永久電流スイッチ３を作製した。

そして、それを配線用超電導線９（ＮｂＴｉ線）と超電導接続し、さらにＮｂＴｉ製の超電導コイル２及び電流リード用ＮｂＴｉ線２３と超電導接続することで閉回路ループを作製し、永久電流試験を実施した。

図７に、実験結果である時間と永久電流との関係を示す。

代表として、通電電流が１０００Ａの結果を示す。測定は１０時間実施した。

測定の結果、永久電流運転中の常電導転移が一度もなく、そして、ほとんど電流減衰がなく、閉回路全体の抵抗値が１×１０^-12Ω以下であることがわかった。

また、通電電流を１００Ａ〜１０００Ａまで変化させ、同様の試験を実施したが、図７と同様の結果になった。

さらに、２４時間以上の長時間評価を実施したが、同様に常電導転移や大きな電流減衰も見られなかった。

以上の結果から、ＭｇＢ₂ 線５で作製した永久電流スイッチ３の永久電流特性を確認し、非常に熱的に安定であることを確認した。

これはＮｂＴｉの方がＮｂより、高硬度・高靭性のため、ＭｇＢ₂ 線５が高Ｊｃ化したためと考えられる。従って、加工率を向上させる、熱処理条件を最適化する、第三元素を添加する、などでＭｇＢ₂ 線５を高Ｊｃ化することでも同様の効果が得られることがわかる。

また、超電導接続部１６の臨界磁場が向上するという効果も期待できる。

さらに、Ｎｂに代えて、Ｎｂ₃Ｓｎ を用いることによって、さらなる効果も期待できる。

ＭｇＢ₂ 線５の大電流化のために、ＭｇＢ₂ 線を多芯化した。

図８に、多芯ＭｇＢ₂ 線２４の一例を示す。

多芯ＭｇＢ₂ 線２４は、ＭｇＢ₂ 部８を超電導金属７で囲い、それらを高抵抗金属６内に複数本配置させた構造となっている。この多芯ＭｇＢ₂ 線２４を作製し、その後、永久電流スイッチ３を作製した。なお、ＭｇＢ₂ 部８を超電導金属７で覆ったものをＭｇＢ₂ 芯と呼称する。

そして、それを配線用超電導線９（ＮｂＴｉ線）と超電導接続し、さらにＮｂＴｉ製の超電導コイル２及び電流リード用ＮｂＴｉ線２３と超電導接続することで閉回路ループを作製し、永久電流試験を実施した。

なお、超電導接続部１６における超電導接続は、多芯ＭｇＢ₂ 線２４であっても、基本的にＭｇＢ₂ 線５と同様である。

図９に、試験結果である時間と永久電流との関係を示す。

代表として、通電電流が１２００Ａの結果を示す。測定は１０時間実施した。

測定の結果、永久電流運転中の常電導転移が一度もなく、そして、ほとんど電流減衰がなく、閉回路全体の抵抗値が１×１０^-12Ω以下であることがわかった。

また、通電電流を１００Ａ〜１５００Ａまで変化させ、同様の試験を実施したが、図９と同様の結果になった。

さらに、２４時間以上の長時間評価を実施したが、同様に常電導転移や大きな電流減衰も見られなかった。

これは、ＭｇＢ₂ 部８が小径であるため、ＭｇＢ₂ 部８が高密度化し、その結果、臨界電流密度が向上する。また、フラックスジャンプが生じにくい構造となることから、超電導線自体の安定性や特性が向上する。従って、大電流通電が可能となる。

その他に考えられる多芯化の構造としては、高抵抗金属６の中央に高強度化のためＮｂやＴａやＮｂＴａなどを設置する構造、ＭｇＢ₂ 部８のコア部に高強度化のためＮｂや
ＴａやＮｂＴａなどを設置する構造、さらにこれら両方を施すことで、さらに、高強度化する構造も同様の効果を得られる。

ＮｂＴｉ製の超電導コイル２ではなく、ＭｇＢ₂ 線，Ｎｂ₃Ｓｎ 線，Ｎｂ₃Ａｌ線で作製した超電導コイル２を用いて実施した。

図１０に、試験結果である時間と永久電流との関係を示す。なお、図１０は、ＭｇＢ₂ 線の超電導コイル２を用いた結果である。

代表として、通電電流が２００Ａの結果を示す。測定は１０時間実施した。

測定の結果、永久電流運転中の常電導転移が一度もなく、そして、ほとんど電流減衰がなく、閉回路全体の抵抗値が１×１０^-12Ω以下であることがわかった。

また、通電電流を１００Ａ〜５００Ａまで変化させ、同様の試験を実施したが、図１０と同様の結果になった。

さらに、２４時間以上の長時間評価を実施したが、同様に常電導転移や大きな電流減衰も見られなかった。

また、Ｎｂ₃Ｓｎ線やＮｂ₃Ａｌ線で作製した超電導コイル２の場合では、１５００Ａまでで同様の結果となった。

これは、本形態における永久電流スイッチ３が、どのような超電導線を用いた超電導コイル２であっても、非常に微小な接続抵抗で超電導接続が可能になるからである。

さらに、超電導接続部１６を形成する際に使用する低融点超電導合金１２をＭｇＢ₂ で形成することで、２０Ｋ以上の永久電流運転も可能となる。また同様にＮｂ₃Ｓｎ ，
Ｎｂ₃Ａｌ ，ＮｂＴｉなどで形成することも可能であるが、この場合は２０Ｋ以下となる。

ＭｇＢ₂ は臨界温度が非常に高い。そのため液体ヘリウムに対して熱マージンが非常に大きいが、ＰＣＳ−ＯＦＦをするときに必要な投入熱量が非常に大きい。そのため、PCS全体をＦＲＰなどの熱伝導性の低いもので覆い、液体ヘリウムへの伝熱性を低減し、熱をこもらせる構造にすることで、さらに有効的なものになる。

したがって、本形態のＭｇＢ₂ 線で作製した超電導接続部１６を兼備する永久電流スイッチ３を適用することで、以下の特性を有する永久電流スイッチ３を提供することができる。
１）ＰＣＳ−ＯＮ時の抵抗が非常に小さいこと。
２）ＣｕＮｉなどの高抵抗金属を用いてＰＣＳ−ＯＦＦ時の抵抗を大きくできること。
３）定格電流を安定に長期間、通電することができること。
４）必要時以外に常電導転移しないこと。

また、本形態における永久電流スイッチは、ＭＲＩ，ＮＭＲ，磁気浮上式列車などの永久電流運転を必要とする超電導マグネットに利用すると、特に、効果的である。

本発明は、二ホウ化マグネシウム超電導線を用いて作製された永久電流スイッチに関するものである。

具体的には、ＮＭＲ，ＭＲＩ，磁気浮上式列車，超電導電力貯蔵装置，磁気分離装置，磁場中単結晶引き上げ装置，冷凍機冷却超電導マグネット装置，超電導エネルギー貯蔵，超電導発電機，核融合炉用マグネット等の永久電流運転を必要とする超電導マグネットにおいて、それらの永久電流運転を実施するための永久電流スイッチに利用可能である。

特に、現在のＭＲＩ，ＮＭＲ，磁気浮上式列車などはほとんどが永久電流運転により超電導マグネットが動作しているため有効である。

一般的な永久電流運転用の閉回路を示す図である。 本発明の実施例で作製したＭｇＢ₂ 線の断面構成を示す図である。 本発明の実施例で作製した超電導接続部の断面構成を示す図である。 本発明の実施例で作製した永久電流スイッチを示す図である。 本発明の実施例で作製した永久電流運転用の閉回路を示す図である。 本発明の実施例で実施した試験結果を示す図である。 本発明の実施例で実施した試験結果を示す図である。 本発明の実施例で作製した多芯ＭｇＢ₂ 線の断面構成を示す図である。 本発明の実施例で実施した試験結果を示す図である。 本発明の実施例で実施した試験結果を示す図である。

符号の説明

１…超電導マグネット、２…超電導コイル、３…短絡スイッチ（永久電流スイッチ）、４…電源、５…ＭｇＢ₂ 線、６…高抵抗金属、７…超電導金属、８…ＭｇＢ₂ 部、９…配線用超電導線、１１…配線用超電導線の超電導コア部、１２…低融点超電導合金、１３…超電導接続管、１７…巻線部、１８…曲げ枠、１９…口出し固定部、２０…閉ループ回路、２１…ＮｂＴｉ線とＭｇＢ₂ 線の接続部、２２…ＮｂＴｉ線とＮｂＴｉ線の接続部、
２４…多芯ＭｇＢ₂ 線。

Claims (12)

1. コイル状の超電導線とヒータ線とを有し、前記ヒータ線によって前記超電導線の超電導状態と常電導状態とを切り替える永久電流スイッチにおいて、
   前記超電導線が、外側に高抵抗金属、内側に二ホウ化マグネシウム超電導部を有し、前記高抵抗金属と前記二ホウ化マグネシウム超電導部との間の層に超電導金属を形成して作製された二ホウ化マグネシウム超電導線であり、
   前記超電導線から導かれる口出し線と配線用超電導線とが超電導接続された超電導接続部を有することを特徴とする永久電流スイッチ。
2. 前記超電導接続部が、前記二ホウ化マグネシウム超電導部又は前記二ホウ化マグネシウム超電導部の外側に形成される前記超電導金属と、前記配線用超電導線の超電導コア部とを、低融点超電導金属又は低融点超電導合金を介して超電導接続することを特徴とする請求項１に記載の永久電流スイッチ。
3. コイル状の超電導線とヒータ線とを有し、前記ヒータ線によって前記超電導線の超電導状態と常電導状態とを切り替える永久電流スイッチにおいて、
   前記超電導線が、二ホウ化マグネシウム超電導部の外側に超電導金属を形成した二ホウ化マグネシウム超電導芯を複数有し、前記複数の二ホウ化マグネシウム超電導芯を高抵抗金属内に配置して作製された多芯二ホウ化マグネシウム超電導線であり、
   前記超電導線から導かれる口出し線と配線用超電導線とが超電導接続された超電導接続部を有することを特徴とする永久電流スイッチ。
4. 前記超電導接続部が、前記二ホウ化マグネシウム超電導部又は前記二ホウ化マグネシウム超電導部の外側に形成される前記超電導金属と、前記配線用超電導線の超電導コア部とを、低融点超電導金属又は低融点超電導合金を介して超電導接続することを特徴とする請求項３に記載の永久電流スイッチ。
5. 前記高抵抗金属が、Ｃｕを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の永久電流スイッチ。
6. 前記超電導金属が、Ｎｂを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の永久電流スイッチ。
7. 前記低融点超電導金属又は低融点超電導合金が、Ｓｎ，Ｍｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｔｌ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｌのうち、少なくとも１種類以上の金属からなることを特徴とする請求項２に記載の永久電流スイッチ。
8. 前記高抵抗金属が、Ｃｕを主成分とする合金であることを特徴とする請求項３に記載の永久電流スイッチ。
9. 前記超電導金属が、Ｎｂを主成分とする合金であることを特徴とする請求項３に記載の永久電流スイッチ。
10. 前記低融点超電導金属又は低融点超電導合金が、Ｓｎ，Ｍｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｔｌ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｌのうち、少なくとも１種類以上の金属からなることを特徴とする請求項４に記載の永久電流スイッチ。
11. 請求項１記載の前記永久電流スイッチを用いて、永久電流運転する超電導マグネット。
12. 請求項３記載の前記永久電流スイッチを用いて、永久電流運転する超電導マグネット。
    
    

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