JP2009544113A - 線材内蔵チャネル型超伝導体 - Google Patents

Abstract

銅覆アルミニウムチャネル超伝導体の製造方法には、少なくとも１つの外部金属被覆層（３２）を備える金属または合金コア（３０）を含む導電性線材から、表面に長手方向に延びる溝（４２）を備えた金属チャネル（４０）を製作するステップと、規定の温度範囲内で超伝導性を示す材料（１４）を含む線材（１２）を前記溝内にハンダ１８によりハンダ付けするステップが含まれている。

Description

本発明は、一般に磁気共鳴画像化装置、粒子加速器等において見受けられるような超伝導マグネットに用いられるタイプの線材内蔵チャネル型（wire-in-channel type）超伝導体、及び、このような線材内蔵チャネル型超伝導体の製造方法に関する。

線材内蔵チャネル型超伝導体においては、超伝導線が対応する寸法の常伝導チャネル内にハンダ付けされる。図１には、従来の線材内蔵チャネル型超伝導体１０が例示されている。超伝導線１２は、一般に、銅のような常伝導マトリックス材（母材）１６と、この常伝導マトリックス材１６内に含まれたＮｂＴｉのような複数の超伝導材料製線条体１４とから構成されている。このような超伝導線１２は導電性チャネル２０の溝２２内にハンダ１８によりハンダ付けされている。チャネル２０は一般に銅製であり、一般にほぼ矩形の断面を備えている。チャネル２０の外表面は、例えば適切なハンダで錫メッキすることが可能である。

このような線材内蔵チャネル型超伝導体は、長い連続する長さを実現し、永続的マグネットに適した超伝導体を提供するのに有効であることが分かっている。このタイプの線材内蔵チャネル型超伝導体は一般にポリエステル編組２４によって絶縁される。

銅製チャネルを有する既知の線材内蔵チャネル型超伝導体１０は、安定性のため銅対超伝導体比が高くなるように設計されており、超伝導体と一体になった銅の全てに処理を施す必要がない。その結果、製造コストは、超伝導体と一体になった銅の全てに処理を施す必要のある製造方法に比べて大幅に低下する。

多くの適用例では導電性チャネル内に大量の材料が用いられるので、チャネル２０の重量を軽くするのが望ましく、また、マグネットの製造を容易にするため曲げやすくするのが望ましい。アルミニウムは、通常の銅の優れた代用材料であり、より低コストで、より曲げやすく、より重量が軽いが、アルミニウムをそのまま銅の代用材料として用いると、ハンダ接合の質、フラックスのハンダ付け温度及び適合性、並びに、完成した線材内蔵チャネル型導体のたわみ性のようないくつかの製造上の問題が生じる。従って、アルミニウムは、図１に示すチャネル２０に通常用いられる銅材料の代用材料としてそのまま用いられることはなかった。

特開平４−０７１１１２号公報には、アルミニウムチャネル２０が形成され、少なくとも溝２２の内部が電気メッキ、ディップ（浸漬）または蒸着のような処理によって銅を被覆される構成が記載されている。その後、この超伝導線は溝２２内の銅被覆にハンダ１８によりハンダ付けされ、さらに、得られた複合材料が引き抜き加工を施される。

本発明は、銅覆アルミニウムの導電性チャネル、及び、このチャネルを利用した超伝導線内蔵銅覆アルミニウムチャネル型導体を製造するための代替方法及び改良方法を提供する。

本発明は、導電性チャネルが高強度合金層を含む金属被覆層と銅外層との内の少なくとも一方の層を備える導電性金属または合金コアから製造される、線材内蔵チャネル型超伝導体も提供する。

従って、本発明によれば、付属の請求項に記載のチャネル導体とチャネル導体の製造方法が提供される。

本発明の以上の及びそれ以外の目的、特徴、及び、利点については、添付の図面と併せて、その特定の実施形態に関する下記説明を検討することによってより明らかになるであろう。

本発明によれば、超伝導線内蔵銅覆アルミニウムチャネルの製造に用いられる銅覆アルミニウムの導電性チャネルは、図２Ａに示すように冶金により接合された銅層３２を被覆されたアルミニウム線３０から製造される。

アルミニウムチャネル部分を形成し、その後電気メッキ、ディップ（浸漬）または蒸着のような処理によって少なくとも部分的に銅を被覆するのではなく、本発明では、図２Ａに断面図で例示されているような市販の銅覆アルミニウム線を利用して、線材内蔵チャネル型複合超伝導体の製造に用いるのに適した銅覆アルミニウムチャネル部分を製造するためのコスト的に有利で効率の高い方法が提供される。１０〜１５％の銅断面積を有し、円形断面を備えた銅覆アルミニウム線が市販されている。

市販の電気グレードの銅覆アルミニウム線のコストは、純銅（solid copper）より単位長当たりの価格が低い。この銅覆アルミニウム線は、アルミニウムの重量が軽いので同様に重量が軽くなる。１０％の銅覆アルミニウム線は、等しい重量の銅から構成される同様の線材より２．８倍も長くなる。

従来の線材内蔵チャネル型超伝導体においてチャネル２０に利用されていたような純銅の代わりにこのような複合線材を用いることによって、製造コストが低下し、最終導体の重量が減り、製造工程における変更が不要になる。

このような複合線材を用いることによって、従来技術によって明らかにされているようにアルミニウムチャネル表面の少なくとも一部に銅被覆を施すのに比べて、はるかに簡単な製造方法を利用することが可能になる。

図２Ａに描かれた銅覆アルミニウム線に従来の線材引抜き及び成形技術を適用することによって、図２Ｂに断面図で例示されている銅覆アルミニウムチャネル４０を形成することが可能である。

本発明の態様の１つによる製造工程の一例において、市販されており、既知の工業的製造工程によって製作される円形断面の銅覆アルミニウム線が、従来の線材引抜き及び成形技術を用いて、断面ほぼ矩形の溝付きチャネルを形成するように加工される（図２Ｂ）。例証のため、矩形は１．２７ｍｍ×３．１７５ｍｍの断面を有し、０．８１３ｍｍの幅の溝４２を含むものと仮定する。チャネルは矩形またはほぼ矩形である必要はないが、溝４２を含んでいるべきである。

既述の銅覆アルミニウム線は、純銅線よりはるかに軟質であり、このため、チャネル形成に関して製造速度が速く、ダイの摩耗がはるかに少なくなり、その両方が相俟って、純銅線を用いてチャネル２０を形成する方法に比べてチャネル４０の形成コストが低下するものと推定される。

次に、溝付きチャネル４０及び直径０．８１３ｍｍの超伝導線１２が一緒にハンダ槽に通され、超伝導線１２が銅覆アルミニウムチャネル４０の溝４２に圧入される。その後、このように形成された複合超伝導体をハンダ槽内のダイに通して、超伝導線１２を溝４２内に圧入することが可能である。ダイは、最終断面になるように導体の引抜き加工を行う働きも可能であり、その実施時に、図３に例示のようにチャネル４０を変形させて、超伝導線１２がよりしっかりと保持されるようにすることが可能である。

銅覆チャネルの比熱容量は、従来の純銅チャネルの比熱容量より小さく、その結果ハンダ工程の速度が速くなる。製造ライン速度の設定における制御パラメータは、チャネルをハンダ付け温度まで加熱することができる速度であり、従来の銅チャネルに比べて銅覆アルミニウムチャネルをハンダ付け温度まで加熱するのに要するエネルギが小さいので、純銅チャネルを用いる同様の方法に比べて製造ライン速度を比例的に速くすることが可能になる。

このようにして得られた構造は、ハンダを凝固させて構造を接合させるため、ハンダ槽からの出口で急冷するか自然冷却させることが可能である。図３は、本発明の方法に従って製造され、超伝導線１２が所定位置にハンダ１８によりハンダ付けされている完成した銅覆アルミニウムチャネルの断面図である。その後、この導体はスプールに巻かれて、所望の後続処理を施される。

本発明に従って銅３２で被覆したアルミニウム３０のチャネルの溝４２内に超伝導線１２がハンダ１８によりハンダ付けされた複合超伝導体を形成する方法は、従来技術によって必要とされた電気メッキ、ディップ（浸漬）または蒸着のようなステップが不要であり、その結果製造方法が単純化されて低コストになり、それによりさらに完成品の信頼性が高まり、コストが低下する。

銅覆アルミニウム線は市販されており、銅覆アルミニウム線の形成は本発明の一部をなすものではないが、複合銅覆アルミニウム線を形成するにはいくつかの方法が利用可能であるという点に言及しておくことが可能である。これらの一部が以下に列挙されているが、その選択はやはり用途によって決まる。必要があれば、本発明に従って利用するため、下記方法のうちの任意の１つによって銅覆アルミニウム線を現場で製造することが可能である。
● 高温接合法 − アルミニウムコアに比較的厚い銅層を接合する。
● 電気メッキ − アルミニウムへの銅の電気メッキは通常数マイクロメートルまでの薄い銅層に制限される。
● 同時押出し
● 同時引抜き

銅覆アルミニウム線を銅覆チャネル４０の形材に変換するために本発明に従って用いられる方法は、従来技術によって提案されたアルミニウムチャネルの銅被覆よりも単純で、工業的により許容できるものである。

チャネルの形成に用いられるアルミニウム３０は、任意の適切なアルミニウム合金、あるいは、他の任意の適切な合金に置き換えることが可能である。その選択は用途によって決まることになる。導電率がその選択を決定づけることになる場合もあれば、その一方で機械的強度が主たる基準になる場合もあり得る。市販の銅覆アルミニウム線について述べてきたが、本発明はこの単一構造に制限されるものではない。多層構造を取り入れることによって、強化チャネル導体を得ることが可能である。例えば、銅外層を備えた鋼のような高強度合金層内に収容されたアルミニウムまたは他の導電性合金コアを含む線材を利用することが可能である。このような線材は、上述の方法によって一般に円形の好都合な断面を備えるように量産し、必要なチャネル形材をなすように成形することが可能である。高強度合金が存在することによって、電気的または熱的性質をあまり損なうことなく、線材内蔵チャネル型導体の製造方法にさらなるステップを導入することなく、最終的な線材内蔵チャネル型導体の機械的強度が増す。この代替実施形態の最終組立ては、従来の銅チャネルに現在用いられているのと同じ製造ラインで実施されることになるであろう。

チャネルを形成するために用いられる線材内に高強度合金層を用いる代わりにまたはそれに加えて、線材内蔵チャネル型複合導体の形成時に、この複合導体を機械的に強化するために、超伝導線１２及びチャネル４０と共に線材または帯条片のような細長い高強度部材を含むことが可能である。この高強度部材は、ハンダ付け工程前、ハンダ付け工程中、または、ハンダ付け工程後、直線状または螺旋状に組み込むことが可能である。

銅覆アルミニウム形材内に超伝導線をハンダ付けして、複合導体を形成するステップは、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎの合金を含む任意の適切な軟質ハンダを利用して実施する事が可能であるが、これらの合金に制限されない。利用可能な特定のハンダの１つには、Ｓｎが５重量パーセントのＳｂが含まれる。

銅覆アルミニウム線に用いられるアルミニウムは、できれば高純度のアルミニウム、電気グレードのアルミニウム、または、高強度のアルミニウムであってよい。

銅覆アルミニウム線に用いられる銅は、できれば１１００（ＯＦＨＣ）グレードの銅のような導電率の高い銅であってよい。

銅覆アルミニウム線に用いられる銅は強度を改善するために合金銅であってよい。

チャネルの銅外層３２の少なくとも一部、とりわけ、超伝導線を収容してハンダ付けされる溝４２内またはその近くの表面に、錫メッキ層を施すのが有利であることが分かるであろう。このような錫メッキ層は、ハンダ付けを手助けすることで知られている。錫メッキ層は錫または任意の適切なハンダであってよい。チャネル４０と超伝導線１２とがハンダ１８によりハンダ付けされると、その結果生じた線材内蔵チャネル型超伝導体の外面全体がほぼ間違いなく錫メッキされる。

本発明のさらなる実施形態では、超伝導線とチャネル形材とのハンダ接合前、ハンダ接合中、または、ハンダ接合後に比熱容量の高い材料から成る細長い部材を複合導体に組み込んで、熱安定性を改善することが可能である。このような材料は、押出し加工、電気メッキまたは、同時引抜き加工等によってハンダを受け入れるように処理することが可能である。

従来技術による線材内蔵チャネル型超伝導体の断面図 本発明による方法に役立つ銅覆アルミニウム線の断面図 本発明の態様の１つによる図２Ａの銅覆アルミニウム線から形成された銅覆アルミニウムチャネル導体の断面図 本発明の線材内蔵チャネル型超伝導体の断面図

符号の説明

１２ 超伝導線
１４ 線条体
１６ 導電性マトリックス材
３０ アルミニウム線
３２ 銅外層
４０ 金属チャネル
４２ 溝

Claims (18)

1. 少なくとも１つの外部金属被覆層（３２）を備える金属または合金コア（３０）を含む導電性線材から、表面に長手方向に延びる溝（４２）を備えた金属チャネル（４０）を製作し、
   規定の温度範囲内で超伝導性を示す材料（１４）を含む線材（１２）を前記溝内にハンダ付けする、
   銅覆アルミニウムチャネル超伝導体の製造方法。
2. 前記導電性金属または合金コアがアルミニウムを含んでいる請求項１記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの被覆層が銅層を含んでいる請求項１又は２記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの被覆層が、高強度合金層と、銅外層とを含んでいる請求項３記載の方法。
5. チャネル導体の形成時に、このチャネル導体を機械的に強化するために、前記線材（１２）及び前記チャネル（４０）と共にもう１つの細長い部材が組み込まれる請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 前記もう１つの細長い部材は、ハンダ付け工程前、ハンダ付け工程中、または、ハンダ付け工程後に直線状または螺旋状に組み込まれている請求項５記載の方法。
7. 前記線材（１２）が、常伝導マトリックス材（１６）と、このマトリックス材（１６）内に含まれ、規定の温度範囲内で超伝導性を示す材料から成る複数の線条体（１４）とから構成されている請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 前記マトリックス材（１６）が銅を含んでいる請求項７記載の方法。
9. さらに、前記溝内に前記線材をハンダ付けする前に、少なくとも前記溝（４２）内及びその近くにおいて前記金属チャネル（４０）の銅外層に少なくとも部分的に錫メッキが施される請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. 前記チャネル（４０）への前記線材（１２）のハンダ接合前、ハンダ接合中、または、ハンダ接合後に、熱安定性を改善するために、チャネル導体内にもう１つの細長い部材が組み込まれる請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. 前記もう１つの細長い部材がハンダを受け入れるように処理される請求項１０記載の方法。
12. 表面に長手方向に延びる溝（４２）を有する金属チャネル（４０）と、
    前記溝（４２）内にハンダ付けされた線材（１２）とを備え、
    前記線材（１２）が、規定の温度範囲内で超伝導性を示す材料（１４）を含み、
    前記金属チャネル（４０）が、金属被覆を施された導電性金属または合金コア（３０）から製作され、
    前記金属被覆が、高強度合金層と、銅外層とを含んでいる
    チャネル導体。
13. 前記導電性金属または合金コアがアルミニウムを含んでいる請求項１２に記載のチャネル導体。
14. 前記線材（１２）が、常伝導マトリックス材（１６）と、このマトリックス材（１６）内に含まれ、規定の温度範囲内で超伝導性を示す材料から成る複数の線条体（１４）とから構成されている請求項１２又は１３記載のチャネル導体。
15. 前記マトリックス材（１６）が銅を含んでいる請求項１４記載のチャネル導体。
16. 前記金属チャネル（４０）の銅外層が、少なくとも部分的に、すなわち、少なくとも前記溝（４２）内及びその近くに錫メッキを施されている請求項１２乃至１５の１つに記載のチャネル導体。
17. 表面に長手方向に延びる溝（４２）を有する金属チャネル（４０）と、
    前記溝（４２）内にハンダ付けされた線材（１２）とを備え、
    前記線材（１２）が、規定の温度範囲内で超伝導性を示す材料（１４）を含み、
    前記金属チャネル（４０）が、金属被覆を施された導電性金属または合金コア（３０）から製作され、前記金属被覆が銅外層を含み、
    前記チャネル導体を機械的に強化するために、前記線材（１２）及び前記チャネル（４０）と共に線材または帯条片のようなもう１つの細長い部材が組み込まれる、
    チャネル導体。
18. 前記チャネル導体に、熱安定性を改善するためのもう１つの細長い部材が組み込まれる請求項１２乃至１７の１つに記載のチャネル導体。

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