JP2013197072A - ＭｇＢ２超電導多芯線材、超電導ケーブル、超電導マグネット - Google Patents

Abstract

【課題】多芯線材を冷媒で冷却する場合の冷却効率を高くする。
【解決手段】ＭｇＢ₂超電導コア部３と、その外周側に金属シース部４、５を備えたＭｇＢ₂単芯線材２が複数本束ねられたＭｇＢ₂多芯線材１において、複数本の前記ＭｇＢ₂単芯線材間に前記ＭｇＢ₂単芯線材の長軸方向に沿って冷媒が流れる隙間６が形成されている。また超電導ケーブルはＭｇＢ₂多芯線材が複数本束ねられている。更に超電導コイル８と永久電流スイッチ９とが接続された超電導マグネット１４において、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチにこのＭｇＢ₂多芯線材を用いる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＭｇＢ₂超電導多芯線材、超電導ケーブル、超電導マグネットに関する。

２１世紀に入って、ＭｇＢ₂が３９Ｋで超電導を示すことが発見された。この材料は、主に以下の特徴が知られている。
（１）臨界温度（以下、Ｔｃ）が３９Ｋと、従来の金属系超電導体と比べて２０Ｋ以上高い。
（２）銅系酸化物超電導体で顕著に現れる弱結合や大きな磁化緩和の問題が小さい。
（３）資源的に豊富で原料が比較的安価で、材料そのものの機械的強度が高い。
（４）磁気異方性が小さく、結晶のａ軸、ｂ軸およびｃ軸のどの方向にも同様の電流を流すことができる。
（５）Ｔｃ及び上部臨界磁場（以下、Ｈｃ２）ともに従来金属系超電導体より高い。

これらのことから、ＭｇＢ₂超電導体をマグネットに適用すれば、クエンチ事故の少ないシステムを構築できる可能性があり、安定性の高い超電導マグネットを実現する超電導材料として期待されている。

実用超電導線材では、熱的安定性の向上や交流損失の低減の観点から、単芯線材が多数組み込んで多芯化される。特許文献１では、ＦｅやＮｂあるいはＴａで被覆された単芯線を作製し、これを多数本束ねて電気抵抗が小さいＣｕなどのパイプに組み込んだ「多芯組込方式」で多芯線材を作製することが開示されている。

特開２００４−３１９１０７号公報

しかしながら、多芯組込法で作製した線材は、超電導単芯線材（フィラメント）が必ずＣｕなどの金属と密着している。このため、超電導ケーブルや超電導マグネットを液体ヘリウム中や液体水素などの冷媒で冷却する場合に冷却効率が低いという課題がある。
本発明の目的は、多芯線材を冷媒で冷却する場合の冷却効率を高くすることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、ＭｇＢ₂超電導コア部と、その外周側に金属シース部を備えたＭｇＢ₂単芯線材が複数本束ねられたＭｇＢ₂多芯線材において、複数本の前記ＭｇＢ₂単芯線材間に前記ＭｇＢ₂単芯線材の長軸方向に沿って冷媒が流れる隙間が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、多芯線材を冷媒で冷却する場合の冷却効率を高くすることができる。

ＭｇＢ₂超電導多芯線材の作製方法のフロー図である。 ＭｇＢ₂超電導多芯線材の作製方法の模式図である。 ＭｇＢ₂超電導多芯線材の断面構成例を示す横断面模式図である。 ＭｇＢ₂超電導多芯線材の別の断面構成例を示す横断面模式図である。 本発明の比較例として作製した多芯組込み方式のＭｇＢ₂超電導多芯線材における横断面模式図である。 超電導マグネットの構成図である。

本発明に係る実施形態について、詳細に説述するために、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はこれらに限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

図１に本発明におけるＭｇＢ₂超電導多芯線材の作製方法のフロー図を示す。まず、原料となるＭｇとＢ、場合によっては第３元素粉末（例えばＢ₄Ｃ粉末）を秤量した後、これらをボールミル装置などで粉砕・混合する。得られた粉末を外周部にＣｕ、内周部にＦｅが配置されたＣｕ／Ｆｅ複合シース管に充填し、線材の直径で０.３〜０.５mmまで伸線加工を行う。これを７〜１９本作製し、これらを撚線加工して多芯線材とする。その後、５８０〜８５０℃で熱処理を数分〜数１０時間行うことにより超電導多芯線材を得る。

図２は、本発明におけるＭｇＢ₂多芯線材の作製方法を簡単に図示したものである。多芯線材１は、最終径が直径０.５mm程度になるまで伸線加工した単芯線材２を、撚線機を用いて複数本束ねて導体化して形成される。単芯線材２は超電導コア部３と、その外周側に金属シース部を備える。金属シース部はバリア相４とその外周側に安定化相５を備える。

単芯線材２は断面が円形や多角形であり、単芯線材２の金属シース同士は径方向において点接触または部分的に面接触する。単芯線材２を複数本束ねて単芯線材２同士の間に隙間６を形成する。従来は電流パスを増加させるためにこの隙間６に金属が充填されるが、本発明ではバリア相４を壁として、単芯線材２の長軸方向に沿った配管を単芯線材２間に形成する。このとき、隙間６は数μｍ〜数１０μｍであり冷媒流路となる。多芯線材１内部であって単芯線材２間に冷媒が流れることで、多芯線材２外部からだけでなく内部からも冷却できるため、多芯線材１の冷却効率が向上する。

ここでは、パイプ状の金属シース材に、粉末を充填して塑性加工を施すＰＩＴ法を用いて線材を作製した例としたが、粉末を成形した圧粉成形体をパイプ状の金属シース材に充填し、塑性加工を施すロッド・イン・チューブ法等を採用しても構わない。

線材を縮径するために行う伸線加工には、ドローベンチ、静水圧押出、スエージャー、カセットローラーダイスあるいは溝ロールを用いることができ、１パス当たりの断面減少率が８〜１２％程度の伸線加工を繰り返し行う。多芯化に際しては、一般に、丸断面形状あるいは角断面形状に伸線加工した単芯線材を撚り合わせて多芯化する。

熱処理は、可能な限り低温・短時間の条件で実施する。これにより、ピンニングとして有効な結晶粒界の数を増加させることができる。ピンニング特性を高めること、すなわち磁場中でのＪｃ低下を抑制することは、中磁場から高磁場で動作する超電導マグネットへの応用の際に大きな効果をもたらす。

高Ｊｃ化には、第３元素を添加することが有効である。例えば、Ｃ含有粉末であるＢ₄ＣやＳｉＣを添加することで、特に磁場中でのＪｃが向上する。これはＭｇＢ₂の製法に限定されず、in-situ法、ex-situ法あるいはpremix法のいずれを用いても同様の効果が得られる。

図３は、本実施例のＭｇＢ₂超電導多芯線材の断面構成例を示す横断面模式図である。図１に示すように、多芯線材１は、複数本の単芯線材２が撚り合わされた構成となっている。ここで、複数本の単芯線材２によって複数本の単芯線材２の内側に隙間６が形成される。この隙間６に冷媒を流すことができる。

図３においては、金属シース部のバリア相４に鉄を用いたが、ニオブ、タンタル、ニッケルでも構わない。また、安定化相５には、銅または銅合金を用いる。必要に応じて、アルミニウムやアルミニウム合金を用いることでも構わない。

以下、本実施例の製造手順を説明する。

（単芯線材製造工程）
平均粒径が４５μｍのマグネシウム粉末（Ｍｇ純度：９７％以上）、平均粒径が５μｍ以下のホウ素粉末（Ｂ純度：９５％以上）を用いて、モル比が１：２の化学量論組成になるように各粉末を秤量し、遊星ボールミルを用いて、アルゴン雰囲気中で５時間混合した。混合時に使用した容器とボールの材質はＺｒＯ₂製である。得られた粉末を、あらかじめ機械的に一体化した銅／鉄複合パイプ（外径２０mm、内径１６mm、長さ５００mm）に充填した。充填後、１パス当たりの断面積減少率が８〜１２％の範囲内となるように伸線加工を繰り返し、線材の直径で０.５mmまで伸線加工し、単芯線材２を作製した。なお、伸線パススケジュールの中で、必要に応じで適宜中間焼鈍を実施した。

なお、ここではin-situ法を主例として説明したが、ex-situ法やpremix法を適用する場合には、それらの最適な条件で単芯線材を製造する。また、加工性の向上やＭｇＢ₂超電導体の超電導特性を向上させるため、原料粉末をナノメートルサイズまで微細化してもよい。

（撚線工程）
撚線工程においては、上記で作製した単芯線材２を７本用い、撚りピッチが１０〜１００mmで７本の単芯線材２を撚り合わせて多芯線材１を形成する。冷却効率を上げるため、単芯線材同士が接する部分に隙間を設け、冷媒の流路を作ることが重要である。実際に、ＭｇＢ₂単芯線を図５に示すような断面構成となるように、Ｃｕ棒の１９箇所にあらかじめ丸形状の穴をあけたものに挿入した多芯組込み方式の１９芯線（比較材）と比較した場合、冷媒として、液体ヘリウム、液体水素、液体ネオンのいずれかを用いた場合の冷却効率は３０％以上向上することをその後の実験で確認している。なお、単芯線材に変えて、電気抵抗が低い安定化金属を配置してもよい。また、機械的強度が必要な場合には、高強度の線を配置してもよい。

単芯線材２は、最終線径が０.５mm以下で、かつ銅、アルミ、鉄、ニオブ、タンタル、ニッケルの単独あるいはそれを主成分とする金属管で覆われており、さらにその外周には銅または銅合金が被覆されている必要がある。このような構成の単芯線材２を用いることで、各超電導コア部３の形状の均一性および電気的特性の均一性が高い導体にすることができる。

また、図４の横断面模式図に示すように、単芯線材２の断面構成内に安定化相５がない場合には、撚線加工時に銅やアルミニウムなどの安定化金属７の線材を一緒に入れて撚線することでも、同様の隙間６を形成することができ同様の効果が得られる。

これら多芯線材１の複数本を熱処理して超電導化し、全体をアルミ板で包んだ後、アルミ板の端部がラップした箇所を接合することで、超電導ケーブルとなる。超電導ケーブルは一本が太くなるため、ケーブル内部にも冷媒を通すことで冷却効率が向上する。また、多芯線材１を単独、または複数本束ね、これを超電導マグネット用の線材として用いることで、高性能な超電導ケーブル、およびＭＲＩやＮＭＲをはじめとする超電導マグネットを実現することができる。

図６に超電導マグネット１４の主な構成を示す。超電導マグネット１４は超電導体のみで閉回路を構成し、電流を流し続ける「永久電流モード」で運転される。超電導コイル８、永久電流スイッチ９が超電導接続部１０において接続されている。超電導コイル８と永久電流スイッチ９と電流リード１１は支持板１２に固定され、これらの装置は冷却容器１３内に配置され、電流リード１１の一端が外部機器（図示せず）と接続されている。

超電導コイル８を励磁する際には、永久電流スイッチ９を加熱してＯＦＦ状態とし、電流リード１１から電流を供給する。励磁完了後、永久電流スイッチ９の加熱を止めてＯＮ状態とし、電流リード１１から供給していた電流をゼロにすれば、超電導コイル８と永久電流スイッチ９の閉回路に電流が流れ続ける永久電流モードとなる。図６では超電導コイルが一つであるが、一般的なマグネットは複数のコイルで構成され、それらは直列に接続されるため、超電導接続部１０の数もその分増加する。

なお、ここではアルミ板で包んだが、ステンレス管などの金属管に挿入する方法で作製しても同様の効果が得られる。

１ 多芯線材
２ 単芯線材
３ 超電導コア部
４ バリア相
５ 安定化相
６ 隙間（冷媒流路）
７ 安定化金属
８ 超電導コイル
９ 永久電流スイッチ
１０ 超電導接続部
１１ 電流リード
１２ 支持板
１３ 冷却容器
１４ 超電導マグネット

Claims (6)

1. ＭｇＢ₂超電導コア部と、その外周側に金属シース部を備えたＭｇＢ₂単芯線材が複数本束ねられたＭｇＢ₂多芯線材において、複数本の前記ＭｇＢ₂単芯線材間に前記ＭｇＢ₂単芯線材の長軸方向に沿って冷媒が流れる隙間が形成されていることを特徴とするＭｇＢ₂多芯線材。
2. 請求項１において、前記金属シース部はバリア相と安定化相とを備え、前記バリア相は銅、アルミ、鉄、ニオブ、タンタル、ニッケルの少なくとも一種を含み、前記安定化相は銅を含むことを特徴とするＭｇＢ₂多芯線材。
3. 請求項１において、前記冷媒は、液体ヘリウム、液体水素、液体ネオンのいずれかであることを特徴とするＭｇＢ₂多芯線材。
4. 請求項２において、前記ＭｇＢ₂単芯線材は線径が０.５mm以下であることを特徴とするＭｇＢ₂多芯線材。
5. 請求項１のＭｇＢ₂多芯線材が複数本束ねられた超電導ケーブル。
6. 超電導コイルと永久電流スイッチとが接続された超電導マグネットにおいて、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチに請求項１のＭｇＢ₂多芯線材を用いることを特徴とする超電導マグネット。