JP5518203B2 - ２つの超伝導体間の接続構造を製作する方法及び２つの超伝導体を接続するための構造 - Google Patents

Description

本発明は、常伝導金属で取り囲まれた超電導芯線を含んでなる２つの超伝導体、特に二ホウ化マグネシウム超伝導体、の間の接続構造を製作する方法、及び、常伝導金属で取り囲まれた超電導芯線を含んでなる２つの超伝導体、特に２つの二ホウ化マグネシウム超伝導体、を接続するための構造に関する。

超伝導体の使用は、短絡した超伝導通電（いわゆる「永久電流モード」）によって、磁石、例えば磁気共鳴マグネット、のエネルギー節減的で特別に安定的な動作を可能にする。このとき、充電された超伝導マグネットが、超伝導体を介して、短絡される。短絡された磁石は、独自の電流回路を形成し、そこでは、電流が、実質的に抵抗なく、流れることができる。こうした「永久電流モード」では、電源を磁石から切り離すことができ、それにより、エネルギー節減的な動作が可能となる。「永久電流モード」動作の利点は、磁界の極めて高い安定性にあり、最善の電源をもってしても、このような磁界を実現することはできない。

短絡は、短絡スイッチ、いわゆる「永久電流スイッチ」、を利用することによって実現される。この目的のために、磁気コイルの導体端部が超伝導線材と接続されるが、この線材は、加熱によって常伝導にすることができ、それによって比較的高い抵抗を有している。短絡スイッチが常伝導の状態になっているとき、電流は、電源から、この状態のときに充電又は放電することができる超伝導コイルを通って、流れる。磁石が所望の磁界強さに達すると、「永久電流モード」へと切り換えることができる。そのために、短絡スイッチが冷却されて超伝導となり、それにより、磁石と超伝導線材とは、再び独自の電流回路を形成することになる。

「永久電流モード」の、できる限り長期の安定した、動作のために重要なのは、対応する電流回路の抵抗とインダクタンスである。この場合、短絡スイッチを、通常、接続構造を介して、磁石の線材端部と接続する接点ないし接続個所の抵抗が重要であり、従って、安定した「永久電流モード」動作のための前提条件は、超伝導体端部の超伝導接続の製作が可能なことである。

上記以外の用途においても、２つ又はそれ以上の超伝導体をできる限り小さい抵抗で接続することが、しばしば、必要となる。例えば、個々に巻回された複数、特に４つ又は８つ、のコイルを含み、これらのコイルがこのような接触部を介して接続される磁気システムが知られている。

近年、既に、特に二ホウ化マグネシウム線材（ＭｇＢ₂線材）の間で超伝導接続を製作することが可能なことを示すことができている。この超伝導の接続構造は、この場合、二ホウ化マグネシウムをベースとして、又はその他の超伝導体、例えばＮｂＴｉ、をベースとして、製作することができる。超伝導の接続構造は、電流動作の制限要素とならないようにするために、できる限り高い通電容量を備えなければならない。特に、線材の端部と接続構造との接触面は、高い結合性を有していなければならず、それによって高い超電流に対して伝導性でなくてはならない。

このような接続構造を製作するために、例えば特許文献１では、２つの超伝導体を接続するために二ホウ化マグネシウム粉末を超伝導体の間に配置することが、提案されている。具体的には、結合特性を改善するために、反応済みの二ホウ化マグネシウムを高圧で圧縮することが提案されている。二ホウ化マグネシウム粉末を焼結することも知られている。しかし、こうしたいわゆるｅｘ−ｓｉｔｕ法は、個々の粒子間の点接触しか生じさせないという欠点があり、焼結は、更に、超伝導体の線材を劣化させる。

そこで、最近、非特許文献１において、マグネシウム粉末とホウ素粉末との混合物を使用し、これが、保護雰囲気下での加熱によって反応して、その場で初めて、二ホウ化マグネシウムになる、ｉｎ−ｓｉｔｕ法を採用することが、提案されている。

上記では、良好な結果が得られているが、０．５Ｔよりも高い磁界又は１０Ｋよりも高い温度が発生する、実際に重要な、例えば磁気共鳴装置等の、分野については、良好な結果は得られていない。その考えられる理由は、接触面積が十分ではないことにある。そのうえ、事前の線材端部の機械的な処理によって、そして、特にｉｎ−ｓｉｔｕ反応中の熱処理によっても、線材の劣化が生じてしまう。むしろ、欠陥のある接続が接触面に存在するものと推測される。発生する可能性がある更に別の問題は、超伝導線材からの銅又はその他の元素の不均一な拡散であり、そのために、二ホウ化マグネシウムの特性が接触部で劣化するとともに、それ以外の原因ともなる。

米国特許出願公開第６，９２１，８６５Ｂ２号明細書

Ｘ．Ｈ． Ｌｅｅ他著、"Ｈｉｇｈ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ＭｇＢ2 ｔａｐｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｍｇ ａｎｄ Ｂ ｐｏｗｄｅｒ ｍｉｘｔｕｒｅ ａｓ ｆｌｕｘ"（粉末を用いたＭｇＢ2テープの高いクリティカル電流接続）、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２１ （２００８） ０２５０１７

従って、本発明の課題は、０．５Ｔよりも高い磁界と１０Ｋよりも高い温度のもとでも、十分に高い通電容量を備えており、超伝導体とその間に介在する接続構造との接触が大幅に改善された、２つの超伝導体間の接続構造及びこれを製作する方法を提供することにある。

この課題を解決するために、冒頭に述べた本発明による方法においては、マグネシウムとホウ素との物質混合物に、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質を添加し、芯線の露出端部を前記物質混合物と接触させ、該物質混合物を、低下させられた溶融温度に相当する反応温度で、その場で（ｉｎ ｓｉｔｕ）、反応させて二ホウ化マグネシウムを生成させる。

本発明による接続構造である。 超伝導マグネットにおいて短絡スイッチを形成するための、本発明による接続構造の利用法である。

即ち、本発明において、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質を利用することが提案される。この物質としては、好ましくは金属、特に銅及び／又は銀、を使用することができ、銅が格別に好ましい。本発明の別の実施形態では、この物質は、１〜２０重量％、特に１０重量％、混入されてよい。

炉の中で二ホウ化マグネシウムを形成する反応が始まる温度の目安となるマグネシウムの溶融温度−通常、６５０℃であるが−は、基本的に知られているとおり、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質によって低下し、それにより、その場での反応を、従来技術と比較して低い温度で、行なうことができる。このようにして、反応が起きる温度を、例えば２０−３０℃、低下させることができる。このようにして超伝導線材、特に芯線、が不利益な影響を受けることが少なくなり、熱処理による劣化が減り、このことは改善された接触につながる。

このような物質、特に銅及び／又は銀、は、生成される超伝導体の特性を、通常は、どちらかといえば劣化させることが知られているが、本発明に関わる実験では、驚くべきことに、特に超伝導体の線材端部の領域で、抵抗が低減するとともに通電容量が従来の方法に比べて増加して、著しく改善された接触が形成されていることが判明した。特に、得られる接続構造は、従来技術で知られている接続構造とは対照的に、通常必要となる前提条件のもとでも、即ち、０．５Ｔよりも高い磁界と１０Ｋよりも高い温度でも適用され、卓越した結果をもたらすのに適している。従って、特に磁気共鳴装置の場合、顕著に改善された解決法が提供される。これらのことは、すべて、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質の添加によってもたらされ、この物質は処理温度の低下による利点を示すばかりでなく、接続構造における反応によるマグネシウムとホウ素とからの二ホウ化マグネシウムの形成をも改善する。この方法は、特に、磁石製造プロセス、例えば短絡スイッチの形成、に使用するのに適している。

当然のことながら、物質混合物が均一なバルクを形成していることが特別に好ましく、それにより、反応温度が至るところで低下し、そのようにして特定の温度で最善の特性を実現することができる。特に有利には、物質混合物として機械的に合金化された粉末を使用することができる。メカニカルアロイング（英語では"ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ａｌｌｏｙｉｎｇ"（ＭＡ））のプロセスは、基本的に知られており、当然ながら、物質の混合にも利用することができる。様々な物質−即ち、本件では、特に、マグネシウム、ホウ素、及び、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質−が、メカニカルアロイングの間に、高速で駆動されるボールミル、特にプラネタリギヤを備えるもの、によって、混合される。それによって、大きい粒子が破砕され、特に、部分的な反応が早くも生じるが、この点に関しては、後で、また、詳しく説明する。このようにして、あらゆる所で反応温度が均一に引き下げられた、極めて均一な物質混合物を得ることができる。

本発明の別の好都合な実施形態では、少なくとも１つの別の添加剤が物質混合物に添加されてもよい。そのようにして、接続構造の特性をいっそう改善することができる。添加剤としては、ピン止めを改善し、及び／又は、通電容量を引き上げ、及び／又は、臨界磁界を引き上げ、及び／又は、臨界温度の低下を遅らせ、及び／又は、酸素を結合する添加剤を使用することができる。この場合、添加剤としては、金属及び／又は炭素含有化合物及び／又は炭素及び／又はホウ化物を使用することができ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び／又は六ホウ化カルシウム（ＣａＢ₆）が特に好適である。炭化ケイ素、特にナノ炭化ケイ素、は、二ホウ化マグネシウムに対する卓越した添加剤であることが判明している。それによって、通電容量を増加させ、臨界温度を引き上げることができ、更に、高い磁界で臨界温度がゆっくりとしか低下しないことが判明している。しかしながら、これ以外の添加剤、例えば金属や炭素、も考えられる。酸素と結合する添加剤、特にＣａＢ₆、を使用するのも好都合である。それにより、例えば、接触を阻害する酸化マグネシウム層が形成されるのを回避することができる。更に別の添加剤を使用することで、特に、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質の不利な側面を補うことができるが、追加の添加剤を使用しなくても利点のほうが圧倒的に大きく、改善された接続構造が得られることを再度強調しておく。

本発明の別の好ましい実施形態では、二ホウ化マグネシウム粒子を更に含む物質混合物が使用されてもよい。即ち、物質混合物の中に、既に反応済みの二ホウ化マグネシウム成分が存在している。この関連で指摘しておくと、このような効果は、上述のとおり、例えばメカニカルアロイングで既に実現されている可能性がある。既に反応済みの二ホウ化マグネシウムの存在により、超伝導の芯線を取り囲む常伝導金属の接触材料への移行を制限することができ、常伝導金属に移行するマグネシウムの損失も同様に制限できることが示される。付言しておくと、このようなマグネシウム損失効果は、上記に追加して又は上記に代えて、マグネシウム割合を増やしてマグネシウムとホウ素との１：２の混合比率から逸脱することによって、例えば、１．１５：２などの比率を適用することによって、補償することもできる。しかし、いずれの場合にも、既に反応済みの二ホウ化マグネシウムが物質混合物中に存在することによって、そうでなければ接続構造の特性に不利益な影響を及ぼすことになる、他の常伝導金属の移行を少なくすることができる。

このような種類の接続構造の製作に当っては、できる限り広い接触面で、できる限り劣化を生じさせず又は僅かな劣化しか生じさせないように、超伝導体の機械的加工、特に芯線の端部における接触面の露出、にも、特別に留意しなくてはならない。本発明によると、この場合、芯線の端部の露出は研削によって行なうことができる。例えば、研削工具を粗い工具から細かい工具へと微細化させてもよい。このとき、研削される端部にできる限り残滓を残さない研削材料を使用するのがよい。研削プロセスは、熱の発生を防止するために、低速で行なうのが好ましい。

超伝導体が、その芯線端部が露出されるときに、特に、その後にマグネシウムとホウ素とが二ホウ化マグネシウムを形成する反応がその中で行なわれる接続ハウジング"ｊｏｉｎｔ ｃｕｐ"の少なくとも１つの部分で、位置固定されていると、超伝導体そのものの加工に関するいっそうの改善が得られる。上述した固定により、特に、接続構造を生成させるプロセスの大部分に亘って、線材端部を不動に且つ圧縮された状態に保つことが可能であり、それにより、例えば、亀裂形成を回避することができる。本発明に基づく接続構造のような接続構造では、接続ハウジングが、しばしば、設けられるが、接続ハウジングは、例えば金属又は合金で構成されていてよく、方法中の特定の時点で、物質混合物が接続ハウジングの中に充填され、物質混合物がそこで反応する。この目的のために、例えば、接続ハウジングは、その中に含まれる物質混合物が既に顕著に圧縮されるように、ねじ止め可能な蓋によって閉止され、それにより、エアポケットや不均一性が可能な限り回避される。即ち、本発明では、超伝導体が、最終的には接触面となる芯線端部の露出のために、この接続ハウジングの中で固定されてよい。このように端部は、その場で準備され、従って、それ以上動かさなくてもよく、特に実質的に圧縮されて不動に保たれていてよい。超伝導体への、特に芯線の関連する端部への、機械的な負荷を最小限に抑えられるので、劣化を回避することができる。

接触面積を広くするために、芯線端部における接触面は、芯線の横断面に対して角度をなして露出されていてよい。このようにして、より広い接触面積を生じることができるので、よりよい接触、より低い抵抗及びより大きい通電容量を実現することができる。

既に述べたとおり、物質混合物を、芯線の端部がその中に延びている接続ハウジングの中に入れることができ、その中で物質混合物が反応前にプレスされる。次いで、特別に好ましい実施形態では、超伝導体がその芯線端部の露出の前に、接続ハウジングの壁部でこれに対して斜めにその中へ挿入されて、そこで固定される。それにより、特に研削をしたときに、広い接触面が生じ、線材の機械的な負荷が低減される。

好適には、反応をさせるために、超伝導体の接続されるべき各端部を、これらの間に配置された物質混合物とともに、特に接続ハウジングの中で、炉中に挿入することができ、炉の中では保護雰囲気が特に陽圧のもとで存在している。このようにして、特に嵩張って扱いにくい磁石と結合された、接続されるべき超伝導体の端部を、完全に気密な密閉が可能となるように炉に挿入することは不要になる。即ち、保護ガスが陽圧のもとで存在していれば、最終的に保護ガスが超伝導体線材末端のそばを通って継続して炉から流出していくので、高反応性のマグネシウムが反応するリスクを惹起する空気が炉の中に入ることはなくなる。従って、反応は、完全に保護ガス雰囲気の中で行なわれ、真空気密の炉を必要とすることがない。

上記本発明の方法に加えて、本発明は、常伝導金属で取り囲まれた超伝導芯線を含んでいる２つの超伝導体、特に２つの二ホウ化マグネシウム超伝導体、を接続するための、本発明による方法に基づいて製作される構造に関する。従って、超伝導体の対応する端部の接続は、マグネシウム及びホウ素のほかにマグネシウムの溶融温度を低下させる物質をも含む物質混合物のｉｎ−ｓｉｔｕ反応により行なわれ、それにより、反応は、より低い温度で行なうことができる。このようにして、高い通電容量を有する改善された接触が実現される。というのは、反応性が改善されるだけでなく、熱処理による線材の劣化が少なくなるからである。

当然ながら、本発明の方法に関して説明したすべての実施形態を、同様に、本発明による接続構造へ適用することができ、それにより、この接続構造は、例えば、接続された超伝導体の線材端部が、例えば斜めに、突入する接続ハウジングを備えることができる。別の添加剤、特に炭化ケイ素及び／又は六ホウ化カルシウム、も同様に用いてよい。この場合、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質としては、銅が使用されるのが好ましく、この銅は、芯線の露出した端部を接続する反応済みの物質混合物に含まれている。

本発明のその他の利点や具体的事項は、以下に説明する実施例並びに図面からも明らかとなる。

図１は、本例では、磁石の「永久電流モード」のための短絡スイッチを形成するために、２つの超伝導体２を接続する役目をする本発明の接続構造１の原理図を示している。即ち、接続構造は、０．５Ｔよりも高い磁界が生じ、及び／又は、１０Ｋを上回る温度が生じる環境で、適用するためのものである。

超伝導体は、常伝導金属４の被覆部により取り囲まれた、本例では二ホウ化マグネシウムからなる、超伝導芯線３を含んでいる。勿論、複数の芯線（フィラメント）が設けられていてもよい。

ここで付記するが、図面の略図は、超伝導体２等の配置に関して改変することができる原理図を示すものにすぎない。例えば、端部５を相並んで配置して、接触面６の間隔をできる限り短くなるようにすることが考えられる。端部５が接続ハウジング７の中で斜めに固定されている様子が明らかであり、それにより、接触面６は接続ハウジング７の内部に向かって露出している。更に、接触面は、導体２が斜めに位置していることにより、芯線３の本来の断面積よりも広く構成されている。

鋼材でできている接続ハウジング７は、下側のハウジング部分８と蓋９とを有しており、これらは、ねじ１０により、締め付けて接続ハウジング７を構成することができ、これにより、製造方法に関して後でまた詳しく説明するように、接続ハウジング７の中に配置された物質混合物１１を反応前に圧縮することができる。接続ハウジングは、鋼材のほか、ＭｇＢ₂よりも高い熱膨張係数を有する別の金属でできていてもよい。そのようにして、使用温度まで冷却されたときに物質混合物の圧縮が生じ、それに伴って所要の機械的な安定性が生じる。ここに示す完成した接続構造１では、物質混合物１１は、反応済みの物質混合物１１として存在しており、このことは、二ホウ化マグネシウムが接触面６の間で対応する導電接続を形成することを意味している。

このとき、接続構造１は、特に通電容量及び接触品質に関して、既に説明した特別に好ましい特性を有している。というのは、その製作のために、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質を含む物質混合物１１が使用されているからである。

上述した接続構造１を製作するために、本発明によると、好ましくは保護雰囲気下に、端部５が、まず、準備される。そのために、端部５は、まず下側のハウジング部分８の中で固定され、引き続いて、拡大された接触面６が得られるように、図示するように、斜めに研削される。研削プロセスの全体を通じて、超伝導体２は、既に下側のハウジング部分で固定されたままに保たれる。端部５の準備は、研削によって行なわれ、熱の発生が回避され、粗い研削工具から細かい工具へと移行していく。そのようにして傷を付けない製作が可能である。

更に、まだ反応していない物質混合物１１が準備される。これは、本例では、メカニカルアロイングによって行なわれる。マグネシウム及びホウ素が、ここでは１．１５：２の比率で、マグネシウムの溶融温度を低下させる物質としての銅と一緒に、混ぜ合わされ、このとき、銅は１０重量％で用いられる。物質混合物１１の各物質は、高速で駆動される、プラネタリギヤを備えた、ボールミルによって混合される。このこの際、最初の二ホウ化マグネシウム粒子が反応によって既に生じ、これも同様に物質混合物の一部を形成する。しかしながら、二ホウ化マグネシウム粒子を、これ以外の態様で、添加することも考えられる。

別の添加剤として、本例では、ピン止め特性、臨界磁界及びこの種のその他の特性を改善する炭化ケイ素、並びに、酸素と結合する六ホウ化カルシウムが供給される。これらの追加の添加剤は、同様に、物質混合物１１と混合される。

物質混合物１１は、接触面６が準備されてから、下側のハウジング８へ充填され、そこで、蓋９を載せて、これをねじ止めすることによって押圧される。

こうして準備された接続ハウジング７の中の物質混合物１１は、次いで、陽圧の保護ガス雰囲気が存在する炉に投入される。従って、保護ガスは、突出している超伝導体のそばを絶えず通って流れ、空気の侵入を防止する。物質混合物１１は、炉の中で反応し、マグネシウムとホウ素とから二ホウ化マグネシウムが形成される。この反応は、通常よりも低い温度で行なうことができる。というのは、マグネシウムの融点が銅の添加によって引き下げられているので、例えば、物質混合物がおよそ６２０℃で１５分のあいだ炉内に留まることができるからである。加熱及び冷却のプロセスは、この場合、その結果として生じる劣化を回避するために、ゆっくりと行なうことができる。

こうして接続構造１が完成する。

図２は、超伝導マグネット１３のための短絡スイッチ１２を構成するための、接続構造１の考えられる用途を示している。短絡スイッチ１２及びマグネット１３は、いずれも、二ホウ化マグネシウム超伝導体２を含んでいる。これらが本発明の接続構造１によって接続される。マグネット１３は、まず電源１４によって、短絡スイッチ１２の超伝導体２が常伝導になるまで、充電されるが、これは、加熱装置１５を用いて実現される。短絡スイッチ１２が再び超伝導になると、閉じた電流回路が形成されて、「永久電流モード」での動作が可能となり、電源１４を停止することができる。

Claims (16)

1. 常伝導金属で取り囲まれた超電導芯線を含んでなる２つの超伝導体の間の接続構造を製作する方法において、マグネシウムとホウ素とを含有してなる物質混合物にマグネシウムの溶融温度を低下させる物質を混合し、前記芯線の露出端部を前記物質混合物と接触させ、該物質混合物を、前記低下させられた溶融温度に相当する反応温度で、その場で、反応させて二ホウ化マグネシウムを生成させる方法。
2. 前記物質として、金属が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記物質が、１〜２０重量％混合されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記物質混合物として、機械的に合金化された粉末が使用され、該機械的に合金化された粉末がマグネシウム及びホウ素に加えて更に二ホウ化マグネシウムを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記物質混合物に少なくとも１つの別の添加剤が添加されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記添加剤として、ピン止めを改善し、又は通電容量を引き上げ、又は臨界磁界を引き上げ、又は臨界温度の低下を遅らせ、又は酸素と結合する添加剤が使用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記添加剤として、金属又は炭素含有化合物又は炭素又はホウ化物が使用されることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記物質混合物が更に反応済みの二ホウ化マグネシウム粉末を含んでいることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記芯線端部の露出が研削によって行なわれることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記超伝導体が、その芯線端部の露出に際して、接続ハウジングの少なくとも１つの部分で、位置固定され、引き続くマグネシウムとホウ素とから二ホウ化マグネシウムが生成する反応が接続ハウジングの中で行なわれることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記芯線端部における接触面が、前記芯線の横断面に対して或る角度をなして露出していることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記物質混合物が、前記芯線端部が突入している接続ハウジングの中へ、投入されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記物質混合物が前記接続ハウジングの中で押圧されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記超伝導体が、その芯線端部の露出の前に、前記接続ハウジングの壁部でこれに対して斜めに挿入され、そこで固定されることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 反応をさせるために、前記超伝導体の接続されるべき各端部が、これらの間に配置された前記物質混合物とともに、保護ガス雰囲気が存在している炉の中に、入れられることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 常伝導金属（４）で取り囲まれた超電導芯線（３）を含んでなる２つの超伝導体（２）を接続するための接続構造（１）であって、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法により製作されている接続構造。

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