JP6442598B2 - 超電導線材の接続部 - Google Patents

Description

本発明は二ホウ化マグネシウム(ＭｇＢ_２)を用いた超電導線材の接続部の接続構造に関する。

二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）の臨界温度（転移温度）は３９Ｋであり、従来の超電導体（例えばニオブチタン（ＮｂＴｉ）やニオブ３スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）等）の臨界温度よりも高い。また、酸化物超電導体を用いた線材とは異なり、ＭｇＢ_２を用いた線材は、それを使用した閉回路において永久電流モードで運転したとき、磁場安定度が高いという特長を有する。

永久電流モードは、超電導体を用いて形成される閉回路に電流を流し続ける運転方法である。即ち、超電導線材は抵抗がゼロであるため、いったん閉回路に電流を流すと、その電流が減衰せずに流れ続けることになる。このような永久電流モードを実現させるためには、超電導コイルもしくは永久電流スイッチを構成する超電導線材の端部同士を超電導体で接続する技術が重要となる。なお超電導線材は、電流容量・線材長・磁気的安定性・交流損失の観点から、一般に複数のフィラメントで構成される多芯線として使用されるため、多芯線同士を接続可能であることが要求される。

特許文献１には、マグネシウム(Ｍｇ)とホウ素(Ｂ)との混合粉末を含む線材、又はＭｇＢ_２線材の先端を研磨して、ＭｇＢ_２コアを露出させ、容器に挿入し、線材に対して直交方向からＭｇとＢの混合粉末を充填及び加圧し、熱処理をする方法が記載されている。熱処理によりＭｇＢ_２の焼結体が生成し、線材同士が接続される。

特開２０１２−０９４４１３号公報

特許文献１に記載の技術においては、金属容器内にて線材先端部のコア（ＭｇＢ_２もしくはＭｇとＢを含む混合粉末）が露出され、ＭｇＢ_２焼結体を介して接続される。ただし、いずれの文献においても、単芯線の接続について言及されており、多芯線の接続に関して具体的な方法は記載されていない。前述の通り、実用上は、多芯線を用いて超電導コイルを製造されることがほとんどであり、それを永久電流運転するためには、多芯線同士を接続する技術が必要となる。

多芯線を接続するときの課題は、接続プロセスにおけるフィラメント（多芯線を構成する単芯線を指す）の固定である。多芯線の作製方法には、主に以下２種類がある。単芯線を最終線径まで細く伸線加工してから撚り合わせる撚り線法と、途中まで伸線加工された複数の単芯線をパイプの中に組み込み、さらに伸線加工する組込法である。一般に、超電導線材の構成材には電気的・熱的な安定化のためのＣｕ（もしくはＣｕ合金）が含まれるが、ＭｇＢ_２焼結体で超電導線材を接続する際には、ＭｇとＣｕが反応してしまうため、通常は化学研磨剤によってＣｕを溶かし、Ｃｕを除去する必要がある。したがって、撚り線法、組込法いずれにしても、ＭｇＢ_２コアとそれを囲むバリア材（Ｆｅ，Ｎｂなど）から構成されるフィラメントがバラバラの状態で接続する必要がある。接続時には研磨して、ＭｇＢ_２コアを露出させる必要があり、そのときに細いフィラメント（通常は線径が数百μｍ程度）が損傷してしまう可能性が高い。

フィラメントを固定するために、耐熱接着剤（セラミックボンド）で固定することも考えられるが、接着剤に含まれるバインダ（ケイ酸ナトリウムなど）が、接続用のＭｇＢ_２焼結体内もしくは接続界面に、不純物として残り、接続部の通電特性を悪化させる。

本発明の目的は、ＭｇＢ_２多芯線の接続に関する上記のような課題を解決し、多芯線のフィラメントを損傷させることなく、高い通電特性を有する接続部を実現することにある。

本発明者らは前述の課題を解決するべく検討した結果、多芯線端部の処理方法により前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。本発明に係る超電導線材の接続部は、電気的な接続に寄与するＭｇＢ_２焼結体とは別に、機械的にフィラメントを固定するためのＭｇＢ_２焼結体を有する。

本発明に拠れば、多芯線のフィラメントを損傷させることなく、高い通電特性を有する接続部を実現することができる。

超電導マグネットの構成例である。 多芯撚り線の前処理工程を示す。 ＭｇＢ_２焼結体の形成工程を示す。 熱処理後の多芯ＭｇＢ_２線材の構造を示す。 研磨後の多芯ＭｇＢ_２線材の構造を示す。 研磨後の多芯ＭｇＢ_２線材の構造の別の例を示す。 超電導線材の接続部の構造（１）を示す。 超電導線材の接続部の構造（２）を示す。 超電導線材の接続部の構造（３）を示す。

超電導マグネットは、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ：磁気共鳴イメージング）装置、ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：核磁気共鳴）装置等で用いられる。このような機器では高い磁場安定度が必要となるため、超電導マグネット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。そのためには、超電導コイル、永久電流スイッチ、それらをつなぐ配線を、超電導体を介して接続する技術が必須である。

従来の超電導マグネット装置では、ＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎの超電導線材が使用されており、それらの多くは液体ヘリウムによって４．２Ｋに冷却して運転される。そのような超電導マグネットにおいては、ＰｂＢｉ合金に代表される超電導ハンダによる接続技術が確立されている。

二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）は超電導に転移する臨界温度が従来の金属系材料よりも高いため、液体ヘリウムを使用しない冷凍機冷却による超電導マグネットとして実用化が期待されている。その場合１０Ｋ以上で運転することが求められるため、臨界温度が１０Ｋ以下である従来の超電導ハンダ接続を適用できない。そこでＭｇＢ_２線材同士をＭｇＢ_２によって接続する技術の確立が必要となる。

（概要）
ＭｇＢ_２を含む超電導線材のフィラメントを、接続前に予め、第１のＭｇＢ_２を含む焼結体によって固定することで、線材コア露出のための研磨におけるフィラメント損傷が回避され、高い通電特性を有する超電導接続部の実現が可能となる。
（超電導マグネット）
上記のような超電導線材の接続構造を有する超電導マグネットは、接続部の信頼性が高く、クエンチのない安定した運転が可能である。図１に超電導マグネットの構成例を示す。図１の超電導マグネットは、冷却容器２６の内部に超電導コイル２２と永久電流スイッチ２３が配置されており、これらは支持板２５を介して、図示しない冷凍機によって冷却される。超電導コイル２２の励磁時には、図示しない室温側の電源と、低温側の超電導コイル２２をつなぐ、電流リード２４を介して電流が供給される。超電導接続部２１は、超電導コイル２２と、永久電流スイッチ２３の間に２箇所設けられている。

接続する超電導線材として、ここでは金属シースの中にＭｇＢ_２コアを有する単芯線（フィラメント）を７本撚り合わせた多芯撚り線を例に説明する。金属シースは一般に、高い電気的・熱的安定性を確保するための銅などの安定化材および、ＭｇとＢをＭｇＢ_２化するための熱処理の際に、安定化材と反応することを防ぐためのバリア材で構成される。また、ここでは同じ７芯撚り線同士を接続する場合について説明するが、線材の芯数はこれに限らない（単芯線も含む）。そして、撚り線だけでなく、組込線についても、母材であるＣｕもしくはＣｕ合金を溶かしてバラバラにした時点で、撚り線と同様の扱いとなるため、ここでは省略する。また接続対象とする超電導線材はＭｇＢ_２に限らず、従来の超電導マグネットで使用されているＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎに対しても本発明を適用可能である。さらに、接続する超電導線材の本数は２本に限らず、３本以上でも構わない。

図２〜図５に本実施例における線材端部処理の工程を示す。これら端部処理の前の段階で、線材コアはすでにＭｇＢ_２の状態（焼成済み）であっても構わないが、ＭｇＢ_２の状態の線材は機械的に脆いため、Ｍｇ＋Ｂの状態（未焼成）であることが望ましい。

図２は多芯撚り線の前処理工程を示す。図２（上側）では、多芯撚り線で構成する多芯ＭｇＢ_２線材１の端部に位置するフィラメント２をほぐしてバラバラにする。フィラメント２はバリア材４を、Ｃｕで構成する安定化材３で被覆した構造となっている。図２（下側）では、多芯ＭｇＢ_２線材１の端部に位置するフィラメント２のうち安定化材３を化学研磨剤によって除去し、バリア材４が露出した状態にする。

図３はＭｇＢ_２焼結体の形成工程を示す。図３では、線材支持部材５に、７本のフィラメントを第１のＭｇＢ_２焼結体の原料粉末で固定する。図３は線材の先端方向から見た図である。

図３（左側）では、線材支持部材５に、ＭｇＢ_２焼結体の原料粉末であるＭｇとＢの混合粉末６を敷き詰めてプレス機などで加圧する。ＭｇＢ_２焼結体は、通電に寄与せず、機械的な支持のみであるため、焼成後に一体化していれば良く、プレス機の圧力は小さくて構わない。線材支持部材５は熱処理時にＭｇやＢと反応しにくいＮｂ、Ｆｅ、Ｔａおよびそれらの合金が使用可能である。

次に、図３（中央）では、焼成前の線材コア７とバリア材４から構成される７本のフィラメントを横に並べる。図３（右側）では、その上からさらにＭｇとＢの混合粉末６を積層し、加圧する。ここでは７本のフィラメントを１層に並べたが、例えば４本と３本に分けて、２層に並べても構わない。また固定する線材端部の長さは、接続に失敗してやり直すときのことを考えて、長めにしておいた方が望ましい。その後、ＭｇＢ_２化のための熱処理を行う。図３の工程では線材コア７が未焼成の状態なので、このとき熱処理と同時にＭｇＢ_２化される。なお、焼成後の線材コア７を図３の工程に用いる場合は、端部のみを局所的に熱処理しても良い。熱処理は通常、電気炉を用いて、アルゴン・窒素などの不活性ガス中で、６００℃〜８００℃で加熱する。線材端部を固定するためのＭｇＢ_２焼結体の電気的な特性は不問なので、線材の通電特性が最大となる熱処理条件で焼成すれば良い。

図４に熱処理後の多芯ＭｇＢ_２線材の構造を示す。図４（上側）は焼成後の線材端部の上面図、図４（下左側）は中心断面図、図４（下右側）先端側から見たときの側面図を示す。線材端部がＭｇＢ２焼結体８で固定され、焼結後の線材コア９もＭｇＢ_２化している。

図５に研磨後の多芯ＭｇＢ_２線材の構造を示す。図５（上側）は研磨後の線材端部の上面図、図５（下側）は断面図を示す。研磨方法は一般的な機械研磨で構わない。線材の長さ方向に対する研磨面の角度は、露出させる線材コア９の面積を考えると小さい方が望ましいが、角度が小さくなると必要なスペース・物量が増えるため、１０°〜３０°が適当である。

以上が１本の多芯線の固定に関してであり、別々に焼成したコイルおよび永久電流スイッチを接続する場合には、このように１本の多芯線を固定する必要がある（焼成済みの線材を端部固定する場合はこの限りではないが）。

図６は研磨後の多芯ＭｇＢ_２線材の構造の別の例である。ここでは、２本の多芯線を同一の焼結体で固定した場合を示す。コイルおよび永久電流スイッチを組み上げた状態で焼成する場合は、接続する２本の多芯線を図６に示すように同一の焼結体で固定可能である。

以上のように端部固定され、フィラメントの線材コア９が露出した状態になった線材同士は従来技術と同様に、例えば金属で構成する接続容器内で接続可能である。接続後の断面図を図７〜９に示す。それぞれの図において、多芯線の挿入方向、並べ方が異なっている。接続手順は、以下の通りである。

まず接続容器１１にＭｇＢ_２焼結体８で固定された線材端部を挿入する。２本の線材の挿入方向・位置は、超電導マグネット内のスペースや配線の都合で任意に決めることができる。

図７は超電導線材の接続部（１）を示す。これは、２本の多芯線を同方向から挿入し、横に並べた場合の接続部であり、図に示す線材の他に、紙面奥行き方向にもう１本の線材が存在する。なお、横とは
図８は超電導線材の接続部（２）を示す。これは、２本の多芯線を対向する方向から挿入した場合の接続部である。

図９は長電送線材の接続部（３）を示す。これは、２本の多芯線を同方向から挿入し、縦に並べた場合の接続部であり、に示すように対向する方向から挿入、図９に示すように同一の方向から縦に並べて挿入、などが考えられる。

ただし、接続用のＭｇＢ_２焼結体１０と線材コア９の良好な接触を確保するためには、ＭｇＢ_２焼結体１０の原料粉末を加圧するためのピン１２の挿入方向と線材挿入方向はできるだけ直交に近い（８０°〜１００°）方が望ましい。よって、接続容器１１は、複数の超電導線材及びＭｇＢ_２焼結体８が配置された方向に位置する第１の開口部と、ＭｇＢ_２焼結体１０が配置された方向に第２の開口部を有し、第１の開口部の開口方向と、第２の開口部の開口方向のなす角度が８０°〜１００°であることが好ましい。

またＭｇＢ_２焼結体１０の特性で、接続部の通電特性が決定するため、ＭｇＢ_２焼結体１０の密度は線材固定のためのＭｇＢ_２焼結体８よりも高い方が良い。そのためには、ＭｇＢ_２焼結体１０の原料粉末として、ＭｇとＢの混合粉末を充填する工程よりも、線材コア周囲にＢ粉を充填し、その周囲にＭｇを配置した方が良い。前者ではＭｇＢ_２生成時にＭｇがＢに拡散することで体積収縮が起きるため、得られる焼結体の密度は、ＭｇＢ_２の理論密度に対して５０％程度である。一方後者では、線材コア周囲のＢ粉にＭｇが浸透・拡散することで局所的に密度が高まるため、７０〜１００％の高密度な焼結体が得られる。またこのときに、反応性を改善するためにＭｇよりも融点の低いＭｇ合金を使用することや、高磁場における通電特性向上を目的として、ＳｉＣに代表されるような炭素を含む化合物を添加することも考えられる。

図７〜９において、ＭｇＢ_２焼結体８は、線材コア９とバリア材４で構成する線材の外周を囲んで位置している。ＭｇＢ_２焼結体１０は、線材コア９とバリア材４で構成する線材及びＭｇＢ_２焼結体８の研磨面に沿って位置している。そのため、ＭｇＢ_２焼結体８とＭｇＢ_２焼結体１０が隣り合って位置している部分、ＭｇＢ_２焼結体８と線材が隣り合って位置している部分の両方が存在する。

以上の方法で、７芯撚り線の接続部を作製し、通電特性を評価したところ、フィラメントの本数分（単芯線のほぼ７倍）の臨界電流値が得られた。このことから、本発明により、フィラメントの損傷なく多芯線の接続が可能となったと言える。

１：多芯ＭｇＢ_２線材
２：フィラメント
３：安定化材
４：バリア材
５：線材支持部材
６：ＭｇとＢの混合粉末
７：線材コア
８：ＭｇＢ_２焼結体
９：線材コア
１０：ＭｇＢ２焼結体
１１：接続容器
１２：加圧ピン
２１：超電導接続部
２２：超電導コイル
２３：永久電流スイッチ
２４：電流リード
２５：支持板
２６：冷却容器

Claims (6)

1. 金属シースで被覆された複数の超電導線材と、
   前記複数の超電導線材を支持する線材支持部材と、
   前記複数の超電導線材を前記線材支持部材に固定する第１の焼結体と、
   前記複数の超電導線材を接続する第２の焼結体と、を有する超電導線材の接続部であって、
   前記複数の超電導線材、前記第１の焼結体及び前記第２の焼結体はＭｇＢ_２を含み、
   前記超電導線材及び前記第１の焼結体の端部は研磨されており、
   前記第２の焼結体は、前記超電導線材及び前記第１の焼結体の端部の研磨面に沿って設けられていることを特徴とする超電導線材の接続部。
2. 請求項１に記載の超電導線材の接続部であって、
   前記第２の焼結体は、前記第１の焼結体よりも高密度であることを特徴とする超電導線材の接続部。
3. 請求項２に記載の超電導線材の接続部であって、
   前記第２の焼結体の密度は、ＭｇＢ_２の理論密度の７０％以上であることを特徴とする超電導線材の接続部。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の超電導線材の接続部であって、
   前記第１の焼結体は前記複数の超電導線材の外周を覆っていることを特徴とする超電導線材の接続部。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導線材の接続部であって、
   前記超電導線材の長さ方向と、前記研磨面とのなす角度が１０°〜３０°の角度であることを特徴とする超電導線材の接続部。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の超電導線材の接続部であって、
   前記複数の超電導線材及び前記第１の焼結体が設けられた方向に位置する第１の開口部と、前記第２の焼結体が設けられた方向に位置する第２の開口部を有する接続容器を備え、
   前記第１の開口部の開口方向と、前記第２の開口部の開口方向のなす角度が８０°〜１００°であることを特徴とする超電導線材の接続部。

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