JP6628877B2 - 超電導線材の接続部及び超電導線材の接続方法 - 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、及びＭｇＢ２線材の接続方法に関する。

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。

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に記載されている通り、優れた通電特性を有する接続部を作製するためには、ＭｇＢ_２線材の端部にできるだけ高密度なＭｇＢ_２焼結体を形成することが重要となる。そのための方法として、線材端部にＢ粉末のみを充填し、その上にＭｇ粉末を充填するという方法が記載されている。

本発明の目的は、ＭｇＢ_２線材接続に関する上記のような課題を解決し、優れた通電特性と高い信頼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、加圧部材もしくは容器の構造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、Ｍｇを充填するための空間を、ＭｇＢ_２焼結体（熱処理前はＢ粉末充填部分）と隣接しない部分に備えることを特徴とする。

本発明に拠れば、接続プロセスおよび接続後の上記課題を解決し、優れた通電特性と高い信頼性を有する接続部を実現することができる。

比較例の接続構造およびプロセス 超電導マグネットの構成例 実施例１の接続構造およびプロセス 加圧部材９の詳細構造 実施例２の接続構造およびプロセス

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焼結体よって接続する技術の確立が必要となる。

＜概要＞
Ｍｇを充填するための空間を、ＭｇＢ_２焼結体（熱処理前はＢ粉末充填部分）と隣接しない部分に備えることで、ＭｇＢ_２焼結体の原料であるＢ粉末を高密度に加圧することができ、また熱処理後にＭｇＢ_２焼結体が容器および加圧部材によって、機械的に強固に支持される。それにより、優れた通電特性と高い信頼性を有する接続部の実現が可能となる。

＜比較例＞
図１に比較例の接続構造およびプロセスの例を示す。図１(a)に示すように、容器４に複数の線材１を挿入し、その端部にＢ粉末６を充填し、Ｂ粉末６を加圧部材５により加圧する。線材１はＭｇＢ_２コア２とシース材３で構成する。その後、図１(b)に示すように、Ｍｇ粉末７を充填し、Ｂ粉末６及びＭｇ粉末７を加圧部材５により加圧する。その後、熱処理するとＭｇＢ_２焼結体８が形成される。

このようにＢ粉末６とＭｇ粉末７を二層に充填すると、熱処理時にＭｇ粉末７が溶けてＢ粉末６の領域に浸透、拡散することで、Ｂ粉末６の充填部分が約１．８倍に体積膨張するため、非常に高密度なＭｇＢ_２焼結体８が形成される。

図１の構造における課題は以下二つある。一つ目は、軟らかいＭｇ粉末７を介してＢ粉末６を加圧するため、Ｂ粉末６を高密度に加圧できないことである（同じ密度に加圧するためには高い圧力が必要）。二つ目は、熱処理時にＭｇ粉末７が溶けて加圧部材５とＢ粉末６の間に空間が生じることである。空間が生じてしまうと、ＭｇＢ_２焼結体８の生成により体積膨張が起こっても逃げ場ができてしまい、ＭｇＢ_２コア２とＭｇＢ_２焼結体８の密着性向上の効果が低減してしまう。また熱処理後にＭｇＢ_２焼結体８に隣接して空間が存在するため、ＭｇＢ_２焼結体８の機械的な支持が不十分であり、ＭｇＢ_２コア２との剥離が懸念される。

＜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２に超電導マグネットの構成例を示す。図２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。

＜実施例１＞
接続する超電導線材として、ここでは金属シース材の中にＭｇＢ_２コアを一つ有する単芯線を例に説明するが、多数のＭｇＢ_２コアを有する多芯線についても本発明は適用可能である。シース材は一般に、高い電気的・熱的安定性を確保するための安定化材（Ｃｕ，Ｎｉなど）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（Ｆｅ，Ｎｂなど）で構成される。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３に本実施例における接続構造および接続プロセスを示す。接続する線材１のＭｇＢ_２コア２は、Ｍｇ＋Ｂの状態（未焼成）でも、ＭｇＢ_２の状態（焼成済み）であっても構わない。線材１のシース材３がＭｇと反応しやすいＣｕなどの安定化材を含む場合は、機械研磨もしくは化学研磨によって除去しておく。さらに、接続する領域となる線材端部はシース材３の一部を機械研磨して、コアを露出させておく。本実施例においては、Ｍｇ粉末７を加圧部材９の中に充填する。

図４に加圧部材９の詳細な構造（正面図、側面図、底面図）を示す。円柱状の部材に側面から空間１０が空けられており、そこにＭｇを充填する。Ｍｇは熱処理時の蒸発を考慮して、Ｂに対して過剰に（Ｂに対するモル比０．５以上）充填することが望ましい。体積で考えるとＢ粉充填部分（ＭｇＢ_２焼結体８となる部分）の６０％よりも大きな体積にＭｇを充填することが望ましい。充填するＭｇは粉末でも構わないが、塊（バルク）の方が取り扱いが容易であり、望ましい。加圧部材９の材質は、Ｍｇよりも融点が高く、ＭｇやＢと反応しにくい材料であれば良い。Ｎｂ，Ｆｅ，Ｔａおよびそれらの合金が挙げられるが、それらに限らず、また金属でなくても構わない。

なお、図４の正面図から分かるように、Ｍｇを充填するための空間１０は加圧部材９の内部に位置するが、加圧部材９で囲まれているわけではなく、外部に露出した状態となっている。従って、加圧部材９のＭｇを充填するための空間１０にＭｇを充填させると、Ｍｇは外部に露出する。そのため、Ｍｇが熱により溶かされた後は、Ｍｇは加圧部材９の外に流れ出すことが可能である。

図３に示すように、容器４に複数の線材１を挿入し、その端部にＢ粉末６を充填する。その後、Ｍｇ粉末７を充填した加圧部材９を挿入してＢ粉末６を加圧する。このときにすでにＭｇ粉末７は充填済みであるため、この状態で加圧部材９を、容器４と耐熱接着剤などで固定することができる。つまりＢ粉末６を直接、高密度に加圧したその状態で、機械的に強固に固定可能であり、それが熱処理中も維持されるということである。

充填するＭｇＢ_２焼結体８の原料は、基本的に容器４にＢ粉末６、加圧部材９にＭｇ粉末７を充填するが、それらについて、以下のように充填することも考えられる。容器４へ充填するＢ粉末６に、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や、生成されるＭｇＢ_２焼結体８の密度制御を目的として、少量のＭｇ粉末７やＭｇＢ_２粉末を添加することである。また加圧部材９に充填する原料に、熱処理温度低下を目的として、Ｍｇよりも融点の低いＭｇ合金を充填することも考えられる。

充填完了後、ＭｇＢ_２化のための熱処理を行う。熱処理中に加圧部材９の中のＭｇ粉末７が溶けてＢ粉末充填部分に流れ出し、そこでＭｇＢ_２焼結体８が生成する。溶けたＭｇがＢ粉末充填部分に流れ着くようにするため、予め加圧部材９と容器４の間に隙間を設けておく。

なお、ＭｇはＢ粉末充填部分に向かって流れていくが、本実施例ではＭｇを多めに入れているので、全てのＭｇがＭｇＢ_２焼結体８の生成に用いられるわけではなく、少量のＭｇが未反応物として残存する。その少量のＭｇは熱処理後に加圧部材９にできる空間１０とＭｇＢ _２ 焼結体８の間にできる空孔１３内に位置する。

図４に示す溝１１は、Ｍｇが流れ出る流路を確保することが目的である。溝１１がなくても、加圧部材９と容器４の隙間からＭｇは流れ出るが、より短時間で反応を完了させるためには、溝１１が有効である。溝１１の寸法や形状は、Ｂ粉末加圧時に問題とならない範囲であれば、どのようなものでも構わない。熱処理は電気炉などを用いて、アルゴン・窒素などの不活性ガス中で、６００℃〜９００℃で加熱する。ＭｇＢ _２ コア３が未焼成の場合はこのときに同時にＭｇＢ_２化される。ＭｇＢ _２ コア３が焼成済みの場合は、端部のみを局所的に熱処理しても良い。熱処理後、溝１１は空間１０とＭｇＢ _２ 焼結体８をつなぐ空孔１３となる。

図３に示すように、熱処理後の接続部におけるＭｇＢ_２焼結体８は、容器４と加圧部材９で強固に支持されており、優れた通電特性と高い信頼性を有する接続部の実現が可能となった。

なお、ＭｇがＢ粉末充填部分に流れ着く前に、Ｂ粉末６は加圧部材９により容器４に対して高密度に圧縮されている。高密度に圧縮されたＢ粉末６とＭｇが熱処理で反応してＭｇＢ_２焼結体８が生成すると、ＭｇＢ_２焼結体８が加圧部材９を容器の入口方向にいくらか押し上げる形になる。

＜実施例２＞
図５に本実施例における接続構造および接続プロセスを示す。基本的なコンセプトは実施例１と同様である。本実施例ではＭｇを充填する空間を容器１２の中に設けている。図５に示すように、Ｂ粉末充填部分とは隣接しない場所に、Ｍｇを充填する。Ｂ粉充填部分とＭｇ充填部分は、Ｍｇが流れ出るための小さな穴（空孔）でつないでいる。このような構造とすることで、実施例１と同様の効果を得ることができる。ただし、実施例１と比較して、容器の構造が複雑であり加工が困難であること、容器が無駄に大きくなることから、実施例１の構造がより望ましい。

このとき、加圧部材５は複数存在し、一方の加圧部材５はＭｇＢ _２ 焼結体８と隣接して位置し、他方の加圧部材５とＭｇＢ _２ 焼結体８との間には空間が存在する。容器１２は空間とＭｇＢ _２ 焼結体８をつなぐ空孔１３を有する。

実施例１と同様に、ＭｇはＢ粉末充填部分に向かって流れていくが、本実施例ではＭｇを多めに入れているので、全てのＭｇＢ_２焼結体８の生成に用いられるわけではなく、少量のＭｇが未反応物として残存する。その少量のＭｇは熱処理後に容器１２内にできる空間とＭｇＢ _２ 焼結体８の間にできる空孔１３内に位置する。

１：線材、２：ＭｇＢ_２コア、３：シース材、４：容器、５：加圧部材、６：Ｂ粉末
７：Ｍｇ粉末、８：ＭｇＢ_２焼結体、９：加圧部材、１０：空間、１１：溝、１２：容器、１３：空孔
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 (9)

1. 容器と、
   加圧部材と、
   複数の超電導線材と、
   前記複数の超電導線材を一体化する焼結体と、を有し、
   前記複数の超伝導線材及び前記焼結体はＭｇＢ_２を含み、
   前記加圧部材は前記焼結体と隣接して位置し、
   前記加圧部材の内部に空間が存在し、
   前記加圧部材は、前記空間と前記焼結体をつなぐ空孔を有す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、
   前記空孔にマグネシウムが存在することを特徴とする超電導線材の接続部。
3. 請求項１または５に記載の超電導線材の接続部であって、
   前記空間の体積は、前記焼結体の体積の６０％以上であることを特徴とする超電導線材の接続部。
4. 容器に複数の超電導線材を挿入する挿入工程と、
   マグネシウムを加圧部材の内部または前記容器に充填するマグネシウム充填工程と、
   ホウ素を前記容器に充填するホウ素充填工程と、
   加圧部材によって前記マグネシウム及び前記ホウ素を加圧する加圧工程と、
   熱処理によりＭｇＢ_２焼結体を生成する熱処理工程と、を有し、
   前記加圧工程の前に、前記マグネシウムが充填されている部分と、前記ホウ素が充填されている部分は隣接していないことを特徴とする超電導線材の接続方法。
5. 請求項８に記載の超電導線材の接続方法であって、
   前記マグネシウム充填工程において、前記マグネシウムは前記加圧部材の内部に充填されていることを特徴とする超電導線材の接続方法。
6. 請求項８に記載の超電導線材の接続方法であって、
   前記マグネシウム充填工程において、前記マグネシウムは前記容器の内部に充填されていることを特徴とする超電導線材の接続方法。
7. 請求項９または１０に記載の超電導線材の接続方法であって、
   前記熱処理工程において、マグネシウムが溶けて前記ホウ素が充填されている部分に流れ出すことを特徴とする超電導線材の接続方法。
8. 請求項１１に記載の超電導線材の接続方法であって、
   前記マグネシウムが充填されている部分から前記ホウ素が充填されている部分へ前記マグネシウムが流れ出る流路を有することを特徴とする超電導線材の接続方法。
9. 請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の超電導線材の接続方法であって、
   マグネシウム充填工程において充填されるマグネシウムの量は、前記ホウ素充填工程において充填されるホウ素の量に対して、モル比で０．５よりも大きいことを特徴とする超電導線材の接続方法。

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