JP7351771B2 - 超電導線材の接続部およ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および超電導線材の接続方法に関する。

ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴イメージング）装置や、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）装置には、超電導線材を巻回した超電導コイルが備えられている。これらの装置では、高い磁場安定度が要求されるため、超電導体で形成された閉回路において、永久電流モードの運転が行われる。超電導コイル、永久電流スイッチ、これらを接続する配線等を、相互に超電導接続させることが必要とされる。

従来、超電導コイルには、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）、ニオブ三スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）等の金属系超電導体で形成された超電導線材が広く用いられてきた。これらの超電導線材は、臨界温度が低いため、運転時には、液体ヘリウムによる冷却が行われている。臨界温度が低い超電導線材については、鉛ビスマス（ＰｂＢｉ）合金等の超電導半田を用いて超電導接続する技術が確立されている。

二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）は、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ等と比較して、臨界温度が高い超電導体である。ＭｇＢ_２は、液体ヘリウムによる冷却を必要とせず、冷凍機冷却が可能である。また、従来の酸化物系超電導体と比較して、磁場安定度が高く、永久電流モードの運転にも適している。そのため、ＭｇＢ_２の工業的な実用化が期待されている。

ＭｇＢ_２の臨界温度は約３９Ｋであるのに対し、従来の超電導半田の臨界温度は１０Ｋ未満である。そのため、超電導半田を用いると、全体としての運転温度が、超電導半田の臨界温度以下に制約される。このような状況下、ＭｇＢ_２で形成された超電導コアを有するＭｇＢ_２超電導線材について、適切な超電導接続を形成するために、種々の開発が進められている。

特許文献１には、ＭｇＢ_２超電導線材を、超電導被覆層を介して互いに接して超電導半田を充填させた接続金属管内において超電導接続する技術が記載されている。ＭｇＢ_２超電導線材は、接続用の金属管に挿入された状態で超電導接続されている。このような超伝導半田を用いた超電導接続は、ＮｂＴｉ等の一般的な超電導線材にも利用されている。

特許文献２には、複数の超電導線材を接続用の容器に挿入し、その容器にマグネシウムとホウ素の混合粉末を充填し、混合粉末を加圧および熱処理して超電導接続する技術が記載されている。特許文献２では、容器に充填したマグネシウムとホウ素の混合粉末を熱処理することにより、超電導線材同士の間にＭｇＢ_２の焼結体を生成させている。

特許文献３には、接続用の容器に挿入した超電導線材と隣接するようにＭｇを配置する方法が記載されている。超電導線材は、接続用の容器に挿入する際に、先端が研磨されている。コアは、超電導線材の端面に露出した状態で容器に挿入されている。

特開２００６－１７４５４６号公報 特開２０１２－０９４４１３号公報 特開２０１７－２０８１５６号公報

特許文献１に記載されている技術では、臨界温度が約９Ｋと低い超電導半田が用いられている。そのため、超電導線材についても、超電導半田の臨界温度以下に冷却する必要がある。例えば、ＭｇＢ_２超電導線材を超電導マグネットに用いる場合には、巻線部を含む全体の運転温度を、超電導半田の臨界温度以下にしなければならない。このような技術では、臨界温度が高いＭｇＢ_２の利点を十分に活かすことができない。

特許文献２に記載されている技術では、超電導線材同士がＭｇＢ_２を含む焼結体を介して金属容器内で超電導接続されている。しかし、金属容器内においては、超電導線材の大部分が固定されていない状態である。特許文献１では、超電導線材が容器内の全体にわたって超電導半田で固定されている。これに対し、特許文献２では、超電導線材が容器の開口付近やＭｇＢ_２を含む焼結体と接する箇所のみで固定されている。

特許文献２のように、超電導線材の周囲に固定されていない領域が存在すると、輸送電流の通電によって超電導線材に電磁力が作用したとき、その両側の固定部に機械的な負荷がかかる。超電導コアとＭｇＢ_２を含む焼結体とが接合している箇所は、機械的に脆弱である。そのため、このような箇所に機械的な負荷がかかると、臨界電流密度等の通電特性が悪化する虞がある。

特許文献３に記載されている技術では、これらの課題を解決するべく、ＭｇＢ_２の焼結体を生成する熱処理前に、Ｍｇを過剰に充填し、熱処理後に半田を流し込んで、ばらつき小さく高い通電特性を得ている。しかし、ＭｇＢ_２の生成を阻害する銅、銅合金等の安定化材が超電導線材に使用されている場合には、安定化材とＭｇとが反応するため、ＭｇＢ_２の生成が阻害されて、通電特性にばらつきを生じてしまう。

特許文献２、３に記載されているように、超電導線材を接続用の容器に挿入するとき、超電導線材の末端を鋭角になるように斜めに切削すると、超電導コアとＭｇＢ_２を含む焼結体との接触面積が広くなるため、接続部の通電特性を向上させることができる。しかし、このように切削すると、鋭角である先端側と鈍角である反対側とで、超電導線材の長さに差を生じる。超電導線材の長さに差があると、熱処理後に冷却したとき、熱歪みによって反りを生じる。超電導線材が反りを生じると、ＭｇＢ_２を含む焼結体から超電導コアが剥離するため、通電特性が悪化することが問題になる。

そこで、本発明は、複数の超電導線材がＭｇＢ_２を含む焼結体によって一体化されており、高い通電特性が得られる超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係る超電導線材の接続部は、複数の超電導線材がＭｇＢ２を含む焼結体によって一体化された超電導線材の接続部であって、前記超電導線材は、超電導コアと、前記超電導コアの外周を覆う金属シースと、を有し、前記金属シースは、前記超電導コアの外周面が露出するように、前記超電導線材の長手方向における中間部に位置する部位を除去されており、前記焼結体は、前記超電導コアの外周面と接触している。

また、本発明に係る超電導線材の接続方法は、複数の超電導線材をＭｇＢ_２を含む焼結体によって一体化させる超電導線材の接続方法であって、前記超電導線材の超電導コアの外周を覆う金属シースを除去して前記超電導コアを露出させる工程と、前記超電導コアを露出させた前記超電導線材を容器に挿入する工程と、前記容器にＭｇＢ_２の原料を充填する工程と、前記容器に充填された前記原料を熱処理してＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させる工程と、を含み、前記超電導線材の前記超電導コアの外周面が露出するように、前記超電導線材の長手方向における中間部に位置する前記金属シースの部位を除去し、前記中間部に位置する前記超電導コアの外周面を前記容器の内部に露出させて、前記超電導コアの外周面と接触している前記焼結体を生成させる。

本発明によると、複数の超電導線材がＭｇＢ_２を含む焼結体によって一体化されており、高い通電特性が得られる超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法を提供することができる。

ＭｇＢ_２超伝導線材の構造例を模式的に示す断面図である。 ＭｇＢ_２超伝導線材の構造例を模式的に示す断面図である。 超電導線材の接続用の容器の斜視図である。 超電導線材同士を接続した接続構造の斜視図である。 超電導線材同士を接続した接続構造の縦断面図である。 超電導線材同士を接続した接続構造の平断面図である。 超電導線材同士を接続した接続構造の横断面図である。 変形例に係る超電導線材同士を接続した接続構造の横断面図である。 超電導コアが撚られた撚り線の超電導線材を示す図である。 変形例に係る超電導線材の構造を拡大して示す縦断面図である。 超電導マグネットの一例を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において、共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

本実施形態に係る超電導線材の接続部は、複数の超電導線材がＭｇＢ_２を含む焼結体によって一体化された構造を有する。この超電導線材の接続部は、複数の超電導線材と、ＭｇＢ_２を含む焼結体と、によって構成される。超電導線材同士は、ＭｇＢ_２を含む焼結体のバルクを介して、互いに超電導接続される。

本実施形態に係る超電導線材の接続部は、超電導接続用の容器を用いることによって、その容器と一体的に形成される。超電導線材同士を超電導接続させる際には、各超電導線材に切削、研磨等を施して、金属シースに覆われている超電導コアを露出させる。そして、超電導コアを露出させた各超電導線材を接続用の容器に挿入し、その容器内にＭｇＢ_２の原料を充填する。

接続用の容器に、超電導線材を挿入し、ＭｇＢ_２の原料を充填・加圧した後に、原料を熱処理して、各超電導線材と一体化したＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させる。このような方法により、超電導線材同士がＭｇＢ_２を含む焼結体によって一体化されており、超電導状態で通電可能な超電導線材の接続部を得ることができる。

従来、超電導線材を超電導接続させる際には、特許文献２、３に記載されているように、超電導線材の末端に切削、研磨等を施し、末端に露出した超電導コアの端面を、超電導接続用の容器内に露出させていた。ＭｇＢ_２を含む焼結体は、超電導線材の接続部が形成された状態において、超電導コアの端面と接触している状態であった。

これに対し、本実施形態に係る超電導線材の接続部は、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コアの端面ではなく、超電導コアの外周面と接触している状態にするものである。超電導コアの外周面は、超電導コアよりも外側の金属シースが部分的に除去されることによって超電導線材の外側に露出する。このようにして外周面が露出した超電導コアと、ＭｇＢ_２を含む焼結体とが、超電導接続用の容器内で一体化される。

超電導接続させる超電導線材としては、例えば、ＭｇＢ_２で形成された超電導コアを有するＭｇＢ_２超電導線材を用いることができる。ＭｇＢ_２超電導線材を用いると、接続部を含めた全体の運転温度を、従来の超電導半田を用いる場合と比較して、ＭｇＢ_２の臨界温度に近い温度に高くすることができる。

また、超電導接続させる超電導線材としては、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ等で超電導コアが形成された超電導線材を用いることもできる。ＭｇＢ_２超電導線材以外を用いる場合であっても、超電導線材同士が、臨界温度が高いＭｇＢ_２を介して接続されるため、従来の超電導半田を用いる場合と比較して、安定性が高い超電導接続を得ることができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、ＭｇＢ_２超伝導線材の構造例を模式的に示す断面図である。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ＭｇＢ_２超電導線材１ａ，１ｂは、ＭｇＢ_２を含む超電導コア１１と、超電導コア１１の外周を覆う母材１２と、超電導の電気的安定性・熱的安定性を確保するための安定化材１３と、超電導コア１１や母材１２を覆う金属シース１４と、を備えている。

ＭｇＢ_２超電導線材１ａ，１ｂは、複数の超電導コア１１を有する多芯線構造として設けられている。一般に、超電導線材は、電流容量、線材長、電磁気的安定性、交流損失等の観点から、複数の超電導コアを有する多芯線構造として設けられる。なお、図１Ａおよび図１Ｂにおいては、８本の超電導コア１１が円状に配置されている。しかしながら、超電導コア１１の本数や配置は、特に制限されるものではない。

図１Ａに示すように、ＭｇＢ_２超電導線材１ａは、安定化材１３を超電導コア１１よりも中心側に備えている。安定化材１３の外側には、複数の超電導コア１１が、線材の周方向に間隔を空けて規則的に配置されている。超電導コア１１の外周は、母材１２によって覆われている。超電導コア１１よりも外側には、管状の金属シース１４が配置されている。

一方、図１Ｂに示すように、ＭｇＢ_２超電導線材１ｂは、安定化材１３を超電導コア１１よりも外側に備えている。線材の中心側には、母材１２が配置されており、超電導コア１１よりも内側には、安定化材１３が配置されていない。線材の中心には、母材１２や安定化材１３以外の中心材が配置されることもある。複数の超電導コア１１は、線材の周方向に間隔を空けて規則的に配置されている。超電導コア１１の外周は、母材１２によって覆われている。超電導コア１１よりも外側には、金属シース１４に相当する管状の安定化材１３が配置されている。

ＭｇＢ_２を含む超電導コア１１は、一般に、パウダーインチューブ（Powder In Tube：ＰＩＴ）法によって形成される。ＰＩＴ法は、原料粉末を金属管に充填し、金属管に伸線加工を施す方法である。そのため、母材１２は、主として、超電導コア１１を内包した不図示の金属管によって形成されている。

超電導コア１１を内包する金属管は、バリア材によって形成される。バリア材は、ＭｇＢ_２を生成させる熱処理の際に、ＭｇＢ_２の原料と安定化材１３として用いられる銅等との反応を防止するための材料である。そのため、いずれのＭｇＢ_２超電導線材１ａ，１ｂにおいても、超電導コア１１と安定化材１３との間には、バリア材である母材１２が介在している。

超電導接続させる超電導線材としては、図１Ａに示すＭｇＢ_２超電導線材１ａ、および、図１Ｂに示すＭｇＢ_２超電導線材１ｂのうち、いずれを用いてもよい。但し、本実施形態に係る超電導線材の接続部による有効性が高い点で、安定化材１３を超電導コア１１よりも中心側に備えているＭｇＢ_２超電導線材１ａを用いることがより好ましい。

超電導コア１１よりも内側に安定化材１３が配置されていないＭｇＢ_２超電導線材１ｂについては、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コア１１の端面と接触させる場合、および、超電導コア１１の外周面と接触させる場合のいずれであっても、線材の外周側の金属シース１４を切削、研磨等で除去しさえすれば、ＭｇＢ_２の原料と反応する可能性がある安定化材１３を取り除くことができる。但し、安定化材１３である銅が外層として配置されていると、伸線加工の加工性の点では不利になる。

一方、超電導コア１１よりも内側に安定化材１３が配置されているＭｇＢ_２超電導線材１ａについては、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コア１１の端面と接触させる場合に、線材の端面に超電導コア１１と共に安定化材１３が露出するため、この安定化材１３を必ず取り除かなければならない。しかし、超電導コア１１よりも内側に配置されている安定化材１３は、超電導コア１１を残しつつ、切削、研磨等によって除去するのが容易ではない。

これに対し、本実施形態に係る超電導線材の接続部のように、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コアの端面ではなく、超電導コアの外周面と接触している状態とするような構造であると、図１Ａに示すＭｇＢ_２超電導線材１ａのように、超電導コア１１よりも内側に安定化材１３が配置されている場合であっても、安定化材１３を取り除くことなく、安定化材１３とＭｇＢ_２の原料との反応を避けることができる。

以下、超電導線材の接続部の具体的な構造について、図を参照しながら説明する。以下の説明では、超電導接続させる超電導線材として、２本のＭｇＢ_２超電導線材１ａ（図１Ａ参照）を用いる場合を例示する。

図２は、超電導線材の接続用の容器の斜視図である。図３は、超電導線材同士を接続した接続構造の斜視図である。図４は、超電導線材同士を接続した接続構造の縦断面図である。図５は、超電導線材同士を接続した接続構造の平断面図である。図６は、超電導線材同士を接続した接続構造の横断面図である。図４は、図３のＩ－Ｉ線断面図、図５は、図３のII－II線断面図、図６は、図４のIII－III線断面図である。

図２～図６に示すように、本実施形態に係る超電導線材の接続部は、超電導接続用の金属容器２を用いて形成することができる。図示した金属容器２は、一面が開口した箱状に設けられている。金属容器２は、超電導線材１を挿入可能な複数の挿入口３と、加圧治具６を挿入可能な開口４と、を有している。

金属容器２は、熱処理中等にマグネシウムやホウ素と反応し難い材料によって形成される。金属容器２の材料としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔａ、これらの合金等が挙げられる。これらの材料は、ＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させる熱処理の際に、マグネシウムやホウ素と反応し難いため、ＭｇＢ_２を含む焼結体を均一性高く生成させることができる。

図２に示すように、挿入口３は、金属容器２の側壁を貫通するように設けられている。挿入口３は、金属容器２の長手方向における両側壁に設けられている。挿入口３としては、２本の超電導線材１に対応する個数が、一つの側壁に並列状に配置されている。金属容器２は、挿入口３と超電導線材１との隙間が小さくなるように設計することが好ましい。

図４～図６に示すように、超電導線材１を超電導接続させる際には、超電導コア１１の外周面が金属容器２の内部に露出するように、金属シース１４や、超電導コア１１よりも外側の母材１２を除去する。金属シース１４等は、線材の長手方向における中間部に位置する部位を除去する。

なお、超電導線材１を超電導接続させる際には、超電導コア１１は、ＭｇＢ_２が生成した状態であってもよいし、マグネシウムとホウ素が未反応の状態であってもよい。マグネシウムとホウ素が未反応の状態である場合には、超電導接続のための熱処理時に、線材に対しても熱処理を施すことによって、超電導コア１１のＭｇＢ_２を生成させればよい。

図４～図５に示すように、各超電導線材１は、超電導コア１１を露出させた後、金属容器２の長手方向における両側壁の挿入口３を通して、金属容器２を貫通するように挿入する。超電導コア１１を露出させた中間部については、金属容器２の内部に配置する。一方、安定化材１３は、熱処理中にＭｇＢ_２の原料と反応するため、ＭｇＢ_２の原料と接触しないように配置する必要がある。そのため、超電導線材１の端面は、金属容器２の外部に配置する。

図４～図６において、金属シース１４等は、線材の長手方向における中間部において、線材の全周にわたる部位を除去されている。線材の長手方向における中間部では、安定化材１３が露出しないように、金属シース１４や、超電導コア１１よりも外側の母材１２や、超電導コア１１の外側のみを除去する。

金属シース１４等を除去する方法としては、例えば、機械的切削、機械的研磨、エッチング等の化学的研磨、放電加工等の電気的切削、電解研磨等の電気的研磨等、適宜の方法を用いることができる。金属シース１４等を除去する部位の長さは、臨界電流を大きくする観点等からは、金属容器２の内部に配置される十分に長い区間とする。

図３に示すように、金属容器２には、各超電導線材１を挿入した後、ＭｇＢ_２の原料であるマグネシウムとホウ素を充填し、開口４に加圧治具６を挿入する。加圧治具６をプレス機等で押圧することによって、金属容器２に充填されている原料を、加圧して押し固める。なお、加圧治具６は、金属容器２と同様の材料で形成することができる。

金属容器２に原料を充填・加圧した後、原料に熱処理を施して、ＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させる。金属容器２には、ＭｇＢ_２の原料として、マグネシウム粉末とホウ素粉末とを混合した混合粉末を充填してもよいし、ＭｇＢ_２の粉末を充填してもよいし、ホウ素粉末を充填して加圧した後にマグネシウムを充填してもよい。

マグネシウムは、ホウ素よりも低温で揮発・溶融し、固体のホウ素の側に拡散して反応が進行する。そのため、ホウ素粉末を充填して加圧した後にマグネシウムを充填する方法であっても、ＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させることができる。マグネシウムを後に充填する場合には、マグネシウムとして、粉末を用いてもよいし、金属塊を用いてもよい。但し、粉末を用いる場合は、金属容器２への充填後に、十分に加圧することが好ましい。

原料を充填した金属容器２の熱処理は、例えば、電気炉等で行うことができる。熱処理の雰囲気は、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。熱処理は、マグネシウムの揮発を防ぐために、原料が充填された金属容器２を封止した状態で行うことが好ましい。金属容器２の封止には、例えば、セラミックボンド等の耐熱接着剤８を加圧治具６の周囲等に用いることができる。

熱処理の温度は、５００～９００℃、好ましくは６５０～８５０℃とする。熱処理温度が６５０℃以上であると、マグネシウムが融点以上に加熱されるため、液体のマグネシウムを流動・拡散させることができる。そのため、ＭｇＢ_２を生成する反応や、焼結を促進させることができる。また、熱処理温度が８５０℃以下であると、マグネシウムの揮発が抑制される。

図４～図６に示すように、ＭｇＢ_２の原料を熱処理すると、超電導線材１同士がＭｇＢ_２を含む焼結体５によって一体化された超電導線材の接続部が得られる。ＭｇＢ_２を含む焼結体５は、超電導コア１１の端面ではなく、超電導コア１１の外周面と接触している状態となる。

ＭｇＢ_２を含む焼結体５は、ＭｇＢ_２の充填率が７０体積％以上であることが好ましい。ＭｇＢ_２の充填率が高いほど、超電導線材の接続部の通電特性を向上させることができる。このようなＭｇＢ_２の充填率は、ＭｇＢ_２の原料をメカニカルミル法を用いて調製する方法や、加圧治具６で適切に加圧する方法等によって得ることができる。なお、本明細書において、ＭｇＢ_２の充填率とは、ＭｇＢ_２を含む焼結体において空隙以外の領域が占める割合を意味する。

以上の本実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法では、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コアの端面ではなく、超電導コアの外周面と接触している状態とするため、線材の長手方向における中間部に位置する金属シース等が除去される。そのため、ＭｇＢ_２を含む焼結体を超電導コアの端面と接触させる場合とは異なり、線材の横断面上における安定化材の配置にかかわらず、ＭｇＢ_２の原料と安定化材１３との反応を容易に防ぐことができる。よって、以上の本実施形態に係る超電導線材の接続部によると、ＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させるための熱処理後には、バラつきが低減された高い通電特性を得ることができる。

例えば、図２～図６に示すように、超電導線材１が貫通するような構造の金属容器２を用いると、超電導線材１の端面が金属容器２の外部に配置されるため、ＭｇＢ_２の原料と安定化材１３との反応を確実に防ぐことができる。或いは、このような構造の金属容器２に代えて、超電導線材１が貫通せず挿入される構造の容器を用いることもできる。このような容器を用いる場合には、超電導線材１の端面が容器の内部に露出しないように、超電導線材１の端部を耐熱材で被覆し、耐熱材で被覆されていない線材の長手方向における中間部を容器の内部に露出させる。

また、以上の本実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法によると、超電導線材が熱歪みによってＭｇＢ_２を含む焼結体から剥離するのを抑制することができる。

従来のように、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コアの端面と接触させる場合であれば、超電導線材の末端を鋭角になるように斜めに切削することによって、超電導コアとＭｇＢ_２を含む焼結体との接触面積を広くすることができる。接触面積の拡大によって、超電導線材の接続部の通電特性を向上させることが可能である。しかし、斜めに切削すると、鋭角である先端側と、鈍角である反対側とで、超電導線材の長さに差を生じる。

ＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させるための熱処理の温度は、５００～９００℃の高温である。その一方で、超電導線材の接続部を含めた運転温度は、－２３４℃程度の低温である。そのため、超電導線材の長さに差があると、熱処理後に冷却したとき、熱歪みによって反りを生じる。超電導線材が反りを生じると、超電導コアがＭｇＢ_２を含む焼結体から剥離して、接続部の通電特性が悪化する虞がある。

これに対し、以上の本実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法では、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コアの外周面と接触させるため、超電導線材の末端を切削する必要がない。よって、熱歪みを原因とする剥離を避けることができる。また、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コアの外周面と接触させるため、超電導コアとＭｇＢ_２を含む焼結体との接触面積を容易に広くすることが可能であり、高い通電特性を得ることができる。

また、ＭｇＢ_２の線膨張係数は比較的低いため、通常、金属シースの線膨張係数は、ＭｇＢ_２を含む焼結体の線膨張係数よりも大きくなる。このような場合、超電導線材の末端を斜めに切削していない場合であっても、超電導線材が熱処理後に冷却されたときに、金属シースとＭｇＢ_２を含む焼結体との間で大きな熱歪みの差が生じる。金属シースが大きく熱収縮することになるため、超電導コアとＭｇＢ_２を含む焼結体とが接合している界面に、ずれが生じて、接続部の通電特性が悪化する虞がある。

これに対し、以上の本実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法では、ＭｇＢ_２を含む焼結体を、超電導コアの外周面と接触させるため、金属シースとＭｇＢ_２との線膨張係数差による影響が小さくなる。熱処理後に生じる熱収縮は、線材の長手方向で支配的になる。しかし、線材の長手方向における中間部に位置する金属シース等が除去されるため、超電導コアが線材の長手方向に沿って熱歪みを生じるのを抑制することができる。そのため、超電導コアがＭｇＢ_２を含む焼結体から剥離するのを抑制して、高い通電特性を得ることができる。

次に、前記の実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法の一部の構成を変えた変形例について、図を参照しながら説明する。

図７は、変形例に係る超電導線材同士を接続した接続構造の横断面図である。
図７に示すように、超電導接続させる超電導線材としては、線材の全周にわたる金属シース１４等が除去されている線材に代えて、線材の周方向における一部の金属シース１４等のみが除去されている線材を用いることもできる。

図７において、金属シース１４や、超電導コア１１よりも外側の母材１２は、線材の周方向における上部側と、線材の周方向における下部側との２箇所において除去されている。ＭｇＢ_２を含む焼結体５は、超電導コア１１の全周ではなく、超電導コア１１の外周面の一部と接触している状態となる。金属シース１４等は、線材の長手方向における中間部に位置する部位を除去されている。

線材の周方向における一部の金属シース１４等を除去する場合、金属シース１４等を除去する部位は、線材の長手方向における長さ、線材の周方向における周の長さ、線材の周方向における位置、除去する部位の箇所数等が、特に制限されるものではない。

このように線材の周方向における一部の金属シース１４を除去すると、線材の全周にわたる金属シース１４を除去する場合とは異なり、金属シース１４を除去した部位に対する線材の長手方向における両側を、除去されていない金属シース１４によって連結された状態にすることができる。両側の金属シース１４が変形に対して拘束されるため、超電導線材１が熱処理後に冷却されたときに、線材の長手方向に沿って金属シース１４に生じる熱歪みを抑制することができる。

線材の周方向における一部の金属シース１４等を除去する場合、金属シース１４等は、超電導線材１の中心軸に対して点対称に位置する部位を除去することが好ましい。超電導線材１の中心軸に対して点対称に位置する金属シース１４を除去すると、ＭｇＢ_２を含む焼結体５は、超電導線材１の中心軸に対する両側で超電導コア１１の外周面と接触している状態となる。金属シース１４を除去する部位は、図７に示すように、２箇所であってもよいし、４箇所以上であってもよい。

このように超電導線材１の中心軸に対して点対称に位置する金属シース１４を除去すると、非対称に金属シース１４を除去する場合とは異なり、超電導線材１の中心軸に対して熱収縮が偏り難くなるため、超電導線材１が熱歪みによる反りを生じ難くなる。そのため、超電導コア１１がＭｇＢ_２を含む焼結体５から剥離するのを、非対称に金属シース１４等を除去する場合と比較して抑制することができる。

なお、超電導線材１は、複数の超電導コア１１が平行な平行線としてもよいし、複数の超電導コア１１が撚られた撚り線としてもよい。超電導線材１を撚り線とすると、超電導コア１１が経験する磁場を均一化させることができる。

金属シース１４は、輸送電流の電流路の断面積を確保する観点からは、ＭｇＢ_２を含む焼結体５が複数の超電導コア１１のそれぞれと接触するように除去することが好ましい。

例えば、超電導線材１が平行線である場合、金属シース１４等について、線材の長手方向に沿って周方向における異なる部位を除去したり、線材の長手方向に沿ってツイストするような部位を除去したりすることができる。

図８は、超電導コアが撚られた撚り線の超電導線材を示す図である。図８には、撚り線とされた超電導コア１１を、金属シース１４を透視して図示している。
図８に示すように、超電導線材１が撚り線である場合、金属シース１４等について、線材の長手方向における長さが所定の長さとなる部位を除去することができる。

具体的には、金属シース１４等を除去する部位の線材の長手方向における長さＬ［ｍ］は、超電導コア１１の撚りピッチをＰ［ｍ］、線材の周方向における金属シース１４等を除去する部位の箇所数をｎ［個］としたとき、次の数式（Ｉ）を満たすことが好ましい。
Ｌ≧Ｐ／ｎ・・・（Ｉ）
なお、撚りピッチとは、撚り線とされた超電導コアが線材の中心軸周りにツイストされて周方向の元の位置に戻るまでに要する線材の長手方向の長さを意味する。

例えば、図７に示すように、ｎ＝２であるとき、Ｌ≧Ｐ／２となる。すなわち、超電導コア１１が撚られた撚り線である場合、金属シース１４等は、超電導線材の長手方向における長さが超電導線材の撚りピッチの５０％以上の長さである部位を除去されることが好ましい。なお、このような場合、金属シース１４等を除去する部位は、線材の周方向における周の長さ、線材の周方向における位置等を、要求される電流密度に応じて、適宜の条件とすることができる。

このような長さの金属シース１４等を除去すると、ＭｇＢ_２を含む焼結体５が、撚り線とされている複数の超電導コア１１のそれぞれと接触することができる。輸送電流の電流路の断面積が確保されることになるため、超電導線材の接続部の通電特性を良好にすることができる。

図９は、変形例に係る超電導線材の構造を拡大して示す縦断面図である。
図９に示すように、超電導接続させる超電導線材としては、金属シース１４等が、線材の長手方向における長さが線材の中心側から外周側に向かうに連れて短くなる部位を除去されている線材を用いることもできる。

図９において、金属シース１４や、超電導コア１１よりも外側の母材１２は、線材の長手方向における中間部に位置する部位を除去されている。金属シース１４等の中間部に位置する部位が除去されることによって、超電導コア１１の外周面や、金属シース１４や母材１２の端面（横断面）が露出している。金属シース１４や母材１２は、超電導線材１の中心側から外周側に向かうに連れて、線材の長手方向における長さが長くなるように、テーパ状の端面を呈している。

金属シース１４や母材１２は、超電導線材１の中心軸と、線材の長手方向における中間部に位置する部位が除去されることによって露出した端面と、の成す角（θ）が９０度未満となるように除去することができる。超電導線材１の中心軸と端面との成す角（θ）は、好ましくは６０度以下、より好ましくは４５度以下である。

なお、金属シース１４等は、線材の全周にわたる部位を除去してもよいし、線材の周方向における一部の部位のみを除去してもよい。また、図９において、金属シース１４や母材１２は、テーパ状の端面を呈するように除去されているが、超電導線材１の中心側から外周側に向かうに連れて、線材の長手方向における長さが長くなるように、段差状や曲面状に除去されてもよい。ＭｇＢ_２を含む焼結体は、線材の長手方向における中間部に位置する部位が除去されることによって露出した金属シース１４や母材１２の端面、および、超電導コア１１の外周面の一部または全部と接触している状態となる。

このように線材の長手方向における長さが線材の中心側から外周側に向かうに連れて短くなる部位を除去すると、除去された部位の両側の端面が、超電導線材１の中心軸と直交する平面に対して凹状になる。このような凹部には、ＭｇＢ_２の原料が入り込めるため、両側の端面同士の間に、ＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させることができる。また、除去された部位の両側の金属シース１４の外周側は、線材の長手方向における長さが長くなっているため、ＭｇＢ_２を含む焼結体をアンカー状に挟み込むことができる。そのため、熱処理後に冷却されたとき、金属シース１４が熱収縮を起こしたとしても、超電導コア１１がＭｇＢ_２を含む焼結体から剥離するのを抑制して、高い通電特性を得ることができる。

図１０は、超電導マグネットの一例を模式的に示す断面図である。
図１０に示すように、超電導マグネット５０は、冷却容器５１と、超電導コイル５２と、永久電流スイッチ５３と、支持板５４と、超電導接続部５５と、を備えている。

冷却容器５１は、超電導コイル５２、永久電流スイッチ５３および支持板５４を収納している。超伝導コイル５２と永久電流スイッチ５３は、支持板５４上に支持されている。超電導コイル５２および永久電流スイッチ５３は、不図示の冷凍機によって、支持板５４を介して伝導冷却される。

超電導コイル５２は、不図示の電源と電流リードを介して電気的に接続される。図１０において、超伝導線材同士が接続された超電導接続部５５は、超電導コイル５２と永久電流スイッチ５３との間に設けられている。永久電流スイッチ５３がＯＦＦの状態において、電源から超電導コイル５２に励磁電流が供給されて、超電導コイル５２が励磁される。

永久電流スイッチ５３が超電導状態に転移すると、永久電流スイッチ５３がＯＮの状態に切り替えられ、超電導コイル５２や永久電流スイッチ５３で構成される閉回路に、減衰しない永久電流が流れる。永久電流モードでは、超電導マグネット５０によって、高い磁場安定度の静磁場が得られる。

超伝導線材同士が接続される超電導接続部５５は、超電導コイル５２等の運転温度で臨界温度以下となるように、超電導接続させる必要がある。そのため、このような超電導接続部５５として、前記の超電導線材の接続部や超電導線材の接続方法を適用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態が備える全ての構成を備えるものに限定されない。或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成の一部を他の形態に追加したり、或る実施形態の構成の一部を省略したりすることができる。

例えば、前記の実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法では、
金属容器３や加圧治具６が、ＭｇＢ_２の原料を、線材の長手方向に対して直交する方向から加圧する構造とされている。しかしながら、超電導接続用の容器や加圧治具は、ＭｇＢ_２の原料を、線材の長手方向に対して平行な方向に加圧する構造とすることもできる。或いは、超電導線材の全周をラバープレス等で加圧する構造とすることもできる。

また、前記の実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法では、超電導線材１が貫通するような構造の金属容器２を用いている。しかしながら、超電導接続用の容器としては、超電導線材１が貫通せず挿入される構造の容器を用いることもできる。このような金属容器を用いる場合には、超電導線材１の端面が金属容器の内部に露出しないように、超電導線材１の端部を耐熱材で被覆する必要がある。耐熱材としては、セラミックボンド、キャップとなる金属部材等の適宜の材料を用いることができる。

また、前記の実施形態に係る超電導線材の接続部および超電導線材の接続方法では、２本の超電導線材が、互いに並列的な配置で超電導接続されている。しかしながら、超電導接続させる超電導線材の本数や配置は、特に制限されるものではない。互いに超電導接続させる超電導線材の本数は、２本であってもよいし、３本以上であってもよい。また、超伝導線材は、容器に対して並列的に挿入して並列状に超電導接続させてもよいし、容器に対して対向する方向から挿入して直線状に超電導接続させてもよい。

１ 超電導線材
１ａ ＭｇＢ_２超電導線材
１ｂ ＭｇＢ_２超電導線材
２ 金属容器（容器）
３ 挿入口
４ 開口
５ ＭｇＢ_２を含む焼結体
６ 加圧治具
８ 耐熱接着剤
１１ 超電導コア
１２ 母材
１３ 安定化材
１４ 金属シース
５０ 超電導マグネット
５１ 冷却容器
５２ 超電導コイル
５３ 永久電流スイッチ
５４ 支持板
５５ 超電導接続部

Claims (8)

1. 複数の超電導線材がＭｇＢ_２を含む焼結体によって一体化された超電導線材の接続部であって、
   前記超電導線材は、超電導コアと、前記超電導コアの外周を覆う金属シースと、を有し、
   前記金属シースは、前記超電導コアの外周面が露出するように、前記超電導線材の長手方向における中間部に位置する部位を除去されており、
   前記焼結体は、前記超電導コアの外周面と接触してい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、
   前記金属シースは、前記超電導線材の中心軸に対して点対称に位置する部位を除去されており、
   前記焼結体は、前記中心軸に対する両側で前記超電導コアの外周面と接触している超電導線材の接続部。
3. 請求項１に記載の超電導線材の接続部であって、
   前記超電導線材は、複数の超電導コアと、複数の前記超電導コアを外周側から覆う金属シースと、を有する、複数の前記超電導コアが撚られた撚り線であり、
   前記金属シースは、前記超電導線材の長手方向における長さが前記超電導線材の撚りピッチの５０％以上の長さである部位を除去されており、
   前記焼結体は、複数の前記超電導コアのそれぞれの外周面と接触している超電導線材の接続部。
4. 複数の超電導線材がＭｇＢ _２ を含む焼結体によって一体化された超電導線材の接続部であって、
   前記超電導線材は、超電導コアと、前記超電導コアの外周を覆う金属シースと、を有し、
   前記金属シースは、前記超電導線材の長手方向における長さが前記超電導線材の中心側から外周側に向かうに連れて短くなる部位を除去されており、
   前記焼結体は、前記部位が除去されて露出した前記金属シースの端面、および、前記超電導コアの外周面と接触している超電導線材の接続部。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超電導線材の接続部であって、
   前記超電導コアがＭｇＢ_２で形成されている超電導線材の接続部。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超電導線材の接続部であって、
   前記焼結体は、前記超電導線材が挿入された容器の内部に形成されている超電導線材の接続部。
7. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超電導線材の接続部であって、
   前記焼結体は、ＭｇＢ_２の充填率が７０体積％以上である超電導線材の接続部。
8. 複数の超電導線材をＭｇＢ_２を含む焼結体によって一体化させる超電導線材の接続方法であって、
   前記超電導線材の超電導コアの外周を覆う金属シースを除去して前記超電導コアを露出させる工程と、
   前記超電導コアを露出させた前記超電導線材を容器に挿入する工程と、
   前記容器にＭｇＢ_２の原料を充填する工程と、
   前記容器に充填された前記原料を熱処理してＭｇＢ_２を含む焼結体を生成させる工程と、を含み、
   前記超電導線材の前記超電導コアの外周面が露出するように、前記超電導線材の長手方向における中間部に位置する前記金属シースの部位を除去し、前記中間部に位置する前記超電導コアの外周面を前記容器の内部に露出させて、前記超電導コアの外周面と接触している前記焼結体を生成させる超電導線材の接続方法。

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