KR20140051142A

KR20140051142A - 초전도 와이어들 사이에 매우 낮은 저항을 갖는 조인트들 및 그런 조인들을 제조하기 위한 방법들

Info

Publication number: KR20140051142A
Application number: KR1020137023449A
Authority: KR
Inventors: 시몬 칼버트
Original assignee: 지멘스 피엘씨
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2014-04-30
Also published as: US8914087B1; JP2014507775A; GB2487926B; CN103493232A; EP2673815B1; KR101931136B1; EP2673815A1; GB201102153D0; US20140038828A1; US8838194B2; JP5977261B2; GB2487926A; WO2012107709A1

Abstract

개별 외장(2) 내에 초전도 코어(1)를 각각 포함하는 다수의 필라멘트들(4)을 각각 포함하는, 제 1 및 제 2 초전도 와이어들(7) 사이의 조인트들 ― 여기서 상기 외장들(2)은 니오븀(Nb)을 포함하고 상기 필라멘트들(4)은 매트릭스(3) 내에 내장됨 ― 은 개시된다. 조인트 자체는 매트릭스(3)의 제거에 의해 노출된 필라멘트들의 특정 길이(20); 상기 특정 길이에 걸쳐, 니오븀-주석(Nb₃Sn)을 가진 상기 외장들(2); 및 필라멘트들(4)의 Nb₃Sn 외장들(2)을 통해 제 2 와이어(7)의 코어들(1)로, 상기 제 1 와이어(7)의 필라멘트들(4)의 초전도 코어들(1) 사이에 제공된 초전도 경로를 포함한다. 그런 조인트들을 만들기 위한 방법들이 또한 제공된다.

Description

초전도 와이어들 사이에 매우 낮은 저항을 갖는 조인트들 및 그런 조인들을 제조하기 위한 방법들{JOINTS WITH VERY LOW RESISTANCE BETWEEN SUPERCONDUCTING WIRES AND METHODS FOR MAKING SUCH JOINTS}

본 출원은 초전도 와이어들을 함께 조이닝(joining)하기 위한 방법들, 및 상기 방법들에 의해 제조될 수 있는 바와 같은 조인트(joint)들에 관한 것이다.

초전도 와이어로부터 전자석들 같은 장비를 제조할 때, 보통 별개의 길이들의 와이어를 함께 조이닝하는 것이 요구된다. 장비의 초전도성을 유지하기 위하여, 조인트들은 또한 초전도이어야 하거나, 만약 '영속-모드(persistent-mode)'에서의 동작이 요구되는 경우, 적어도 매우 낮은 저항을 나타내어야 한다. 통상적으로, ~10^-13오움들의 조인트 저항들은 이 동작 모드를 가능하게 하기 위해 요구된다. '영속 모드'에서의 동작은 최초 여자(energisation)가 달성된 후 전원이 필요 없게 되게 하기 때문에 매우 바람직하다.

초전도 재료들의 최근 개발들은 초전도 재료로서 이붕화 마그네슘(MgB₂)의 이용을 유도했다. 이붕화 마그네슘(MgB₂)은 보다 관습적인 재료들보다 높은 온도들에서 초전도성을 나타내는 이점을 가지며, 이는 초전도체가 매우 낮은 온도들로 냉각할 필요를 회피시킨다. 그러나, 상기 재료 자체는 부서지기 쉽고, 그리고 영속 조인트들을 형성하도록 조이닝하기에 어렵다.

도 1은 통상적인 MgB₂-코어 초전도 전도체(10)의 절단도를 도시한다. 초전도 필라멘트들(4)은 니오븀 금속의 외장들(2) 내에 유지된 필수적으로 과립상, 분말, 형태의 MgB₂ 코어(1)를 포함한다. 이들 MgB₂-충전 니오븀 외장들은 고강도, 전도성 금속 또는 합금, 이를테면 "MONEL"로서 알려진 Cu-Ni 합금의 매트릭스(3) 내에 추가로 넣어진다. 매트릭스(3) 및 필라멘트들(4)은 초전도 와이어(7)를 구성한다. 니오븀(2)의 목적은 와이어 제조 동안 MgB₂ 및 매트릭스 재료 사이에 발생하는 원하지 않는 반응들을 방지하는 것이다.

현지 외(ex-situ) 프로세스로서 알려진 하나의 제조 방법에서, 과립상 또는 분말 MgB₂은 매트릭스 재료의 빌릿(billet) 내로 드릴링 된 다수의 니오븀 안감을 댄 홀들 내에 배치된다. 그런 다음 전체 빌릿은 요구된 최종 와이어 직경으로 드로잉(drawing)된다. 니오븀-케이스드 초전도 필라멘트들은 형성되고 드로잉 프로세스 동안 컴팩트화된다.

매트릭스(3)는 전기적으로 전도 분로, 및 열적 싱크(sink)를 제공한다. 임의의 초전도 필라멘트들(4)이 퀀칭(quench)되면, 그 다음 열은 매트릭스(3)에 의해 퀀칭된 구역으로부터 멀리 운반될 것이고, 그리고 전기 전류는 매트릭스에 의해 제공된 보다 낮은 저항을 통하여 흐를 것이다. 이것은 필라멘트의 퀀칭된 부분이 초전도 조건으로 다시 냉각하게 할 것이다. 매트릭스는 또한 초전도 와이어가 기계적으로 보다 강건하게 만들 것이다.

전도체(10)는 통상적으로 또한 안정화 채널(5)을 포함한다. 상기 안정화 채널(5)은 구리 또는 다른 재료, 또는 재료들의 조합을 가질 수 있다. 상기 채널들은 전기적으로 그리고 열적으로 전도성이어야 한다. 예시된 예에서, 와이어(7)는 채널(5)의 공동 내에 납땜(6)된다. 채널(5)은 매트릭스(3)를 참조하여 설명된 바와 동일한 방식으로, 전기 및 열 안정성, 및 기계적 강건성을 초전도 와이어(7)에 더 부가한다.

초전도 조인트를 만들기 위하여, 2개의 통상적인 접근법들이 채택되었다: 첫째로, 조인트는 조인될 와이어들의 MgB₂ 코어들(1) 사이에 직접 형성될 수 있다. 대안적으로, 와이어의 동작 온도에서 또한 초전도성인 다른 재료는 초전도 어레인지먼트로 와이어들의 MgB₂ 코어들(1)을 전기적으로 함께 조이닝하기 위하여 사용된다. 통상적으로, 알려진 조이닝 방법들은 조인될 초전도 와이어들의 MgB₂ 코어들을 노출시키는 단계, 및 초전도 조인트를 형성하기 위하여 개별 와이어들의 노출된 MgB₂ 입자들을 함께 기계적으로 압축하는 단계를 포함한다. 몇몇 알려진 어레인지먼트들에서, 초전도 재료의 중간 층, 통상적으로 인듐 같은 금속은 콘택 표면 영역을 증가시키고 그리고 개별 와이어들의 입자들 사이의 기계적 부착을 개선하기 위하여, 개별 와이어들의 노출된 코어들 사이에 넣어진다. 그런 방법들은 MgB₂ 입자들에 상당한 기계적 로드들이 적용될 것을 요구한다. MgB₂ 입자들은 비교적 부서지기 쉽고, 그리고 그런 상당한 기계적 로드들을 적용하는 것은 MgB₂ 초전도 재료를 부서지게 하는 위험을 제공하여, 초전도 조인트의 실패(failure)들을 유도한다.

몇몇 알려진 방법들에서, MgB₂ 입자들은 노출되고 예를 들어 MgB₂ 분말에 의해 조인될 때 또는 마그네슘 및 붕소 분말들 사이의 반응 때 가열된다. 만약 MgB₂ 입자들이 노출되면, 산화 위험성이 있다. 조인팅 프로세스 후, 조인트가 냉동제(cryogen) 용기 내의 자석 같은 초전도 디바이스 내에 빌트 인 된 후 때때로 실패들이 발생할 수 있다. 그런 실패들은 냉동제 용기, 및/또는 진공 용기, 등등 내에 빌트된 초전도 디바이스 내의 조인트에 도달하는 접근 문제들로 인해, 수리하는데 매우 값비싸고 시간-소비적이다.

그러므로 본 발명의 목적은 기계적 손상, 또는 산화 위험성을 감소시키는 MgB₂-코어드 초전도 와이어들을 MgB₂ 입자들에 조이닝하기 위한 방법들을 제공하는 것이다.

그러나, MgB₂-기반 초전도 와이어들 사이의 통상적인 조인트들에 대한 테스트들은 예상된 것보다 빈약한 자기장 내성 값들을 나타냈다. 이것은 개별 와이어들의 MgB₂ 입자들 사이의 초전도 조인트들을 통해서보다 오히려 외장들(2)의 니오븀을 통해 실제로 전도가 발생하는 것으로 인한 것으로 믿어진다. 니오븀은 "타입 Ⅱ(Type Ⅱ)" 초전도체이지만, 합금 니오븀 티타늄 같은 다른 타입 Ⅱ 초전도체들과 비교할 때 매우 낮은 상부 임계 자기장 세기(B_c2)를 가진다. 니오븀의 임계 필드는 10분의 몇 테슬라 범위 내에 있고, 정확한 값은 많은 팩터(factor)들, 가장 특히 전류 밀도에 따른다. 초전도 자석들 내에 사용하기 위한 조인트들이 상당히 높은 자기장들을 견딜 수 있어야 하는 것이 매우 바람직하기 때문에, 전류 운반(transport)을 위해 니오븀 외장들을 이용하는 임의의 조이닝 방법은 거의 쓸모가 없을 것 같다.

초전도 조인트들을 생산하기 위한 특정 종래의 방법들은 WO2007/128635A1, US2008/0236869A1, US6921865B2 및 US7152302B2에 기술된다.

따라서 본 발명은 첨부된 청구항들에서 정의된 바와 같이, MgB₂-코어를 갖는 것, 또는 NbTi 코어를 갖는 것과 같은 니오븀-외장 초전도 와이어들 사이의 초전도 조인트들을 생산하기 위한 방법들, 그리고 본 발명의 상기 방법들에 의해 생산될 수 있는 바와 같은 그런 조인트들을 제공한다.

본 발명의 상기, 및 추가, 객체들, 특성들 및 장점들은 첨부 도면들과 함께, 본 발명의 특정 실시예들의 다음 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다.

도 1은 통상적인 니오븀-외장, MgB₂-코어드 초전도 전도체의 절단도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 조이닝 방법에서 초기 스테이지에서의 2개의 초전도 와이어들을 도시한다.
도 3은 본 발명의 조이닝 방법에서 추후 단계에서 겪는 도 2의 와이어들을 도시한다.
도 4a-4c는 본 발명의 조이닝 방법에서 다양한 스테이지들에서의 니오븀-외장된, MgB₂-코어드 초전도 필라멘트의 단면도들을 도시한다.
도 5는 도 4c의 확대 부분도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 방법에서 추후 스테이지에서의 도 2 및 도 3의 와이어들을 도시한다.
도 7은 도 6에 도시된 단계 이후, 본 발명의 실시예에 따른 완성된 조인트를 도시한다.
도 8은 도 7에 도시된 것과 같은, 본 발명에 따른 조인트의 부분 단면도를 도시한다.
도 9는 도 8에서 Ⅸ로서 식별된 영역의 확대도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조이닝을 위해 준비된 와이어를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 조인트를 형성하는 방법에서의 다양한 스테이지들을 도시한다.
도 12는 도 11에 도시된 방법에 의해 형성될 수 있는 바와 같은 본 발명에 따른 조인트의 단면도를 도시한다.

본 발명은 니오븀-외장된 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법들 및 그런 방법들에 의해 준비될 수 있는 바와 같은 그런 조인트들을 제공한다.

본 발명에 따라, 니오븀-외장된 초전도 필라멘트들(4)은 액체 주석(liquid tin)(Sn) 내에 담가지고, 따라서 니오븀 외장은 주석과 반응하여 Nb₃Sn을 형성한다. 통상적으로, Nb₃Sn 초전도체 필라멘트들은 길고, 고온의, 반응 프로세스 동안 니오븀의 필라멘트들로의 주석의 확산에 의해 준비되었다. 유사한 프로세스는 본 발명에 따른 니오븀-외장된 와이어들을 조인팅(jointing)하기 위해 활용된다.

Nb₃Sn은 니오븀(4K에서 ~0.5T)보다 훨씬 높은 필드 내성(4K에서 ~18T)을 갖고, 그리고 약 18K의 높은 임계 온도를 갖는 초전도체이다. Nb₃Sn은 또한 큰 코히어런스 길이(coherence length)를 가지며, 상기 큰 코히어런스 길이는 반응된 외장과, MgB₂ 초전도체 과립상들 또는 분말 사이에서 무손실 전류 전달을 가능하게 한다. 코히어런스 길이는 초전도체들 사이에 존재할 수 있는 갭 크기를 나타내고, 상기 초전도체들 사이에는 아직도 여전히 초전도성이 존재한다. 큰 코히어런스 길이를 갖는 Nb₃Sn 같은 외장 재료를 가짐으로써, 초전도성은 외장 재료와 MgB₂의 인클로즈드(enclosed) 그레인(grain)들 사이에 유지될 수 있다. 따라서, 만약 초전도 와이어들 내의 니오븀 외장이 Nb₃Sn로 변환될 수 있다면, 조인트의 필드 내성은 실질적으로 증가하여야 하고 MgB₂의 그레인들과 외장 재료 사이의 운반 전류는 개선되어야 한다.

MgB₂ 코어드 와이어들을 조이닝하는 공지된 방법들에서, 대부분의 전기 전류는, 직접적으로 하나의 와이어의 코어로부터 다른 와이어의 코어로 이기보다는, 외장 재료를 통해 통과한다는 것이 믿어진다. 본 발명은 그런 전류 전달이 보다 효과적으로 동작하게 하기에 특히 유리한 외장 재료를 제공한다.

필라멘트들(4)의 반응된 외장들(2)은 초전도 재료들에 의해 조인된다. 본 발명은 MgB₂ 그레인들을 노출시키고 상기 그레인들 사이의 기계적 조인들을 만들 필요를 방지한다. 핫(hot) 주석에 MgB₂의 노출이 오염물질들 같은 원하지 않는 화합물들의 형성을 초래할 것이라는 것이 믿어진다. 이것은 달성 가능한 접합 품질을 떨어뜨릴 것이다.

본 발명에 따른 조인트들은 비교적 높은 필드 내성, 및 비교적 높은 임계 온도(T_C)를 가진다. 본 발명의 방법들에 따라 형성된 조인트들은 조이닝된 와이어들의 초전도 필리멘트들 사이의 우수한 전기 및 기계적 접속성, 유사한 와이어들 사이의 종래의 조인트들과 비교할 때 조인트들의 개선된 자기장 내성, 및 기계적 손상에 대한 보호를 제공하는 것으로 믿어진다.

도 2는 본 발명의 조이닝 방법에서 초기 단계를 도시한다. 조이닝될 2개의 전도체들(12, 14)은 와이어들(7)을 노출시키기 위하여 특정 길이에 걸쳐 상기 전도체들(12, 14)의 채널(5)이 벗겨진다. 예를 들어 스테인레스 강 와이어의 바인딩(18)은 벗겨지지 않은 구역 내의 두 개의 전도체들 둘레에 감겨지고, 상기 두 개의 전도체들을 기계적으로 함께 홀딩한다. 전도체들(12, 14)의 채널들(5)은 추가 기계적 안정성을 위해 벗겨지지 않은 구역 내에서 함께 납땜 될 수 있다. 와이어들(7)의 벗겨진 구역들 각각의 특정 길이(20)는 반경(r)으로 구부러진다. 상기 반경은 작도록 선택되어야 하지만, MgB₂ 초전도체의 품질 저하 위험을 갖도록 그렇게 작게는 아니어야 한다. 현재 MgB₂ 와이어들을 사용하여, 약 80mm - 100mm의 반경이 바람직할 수 있다. 굽음은 바람직하게 45°-90°내의 각도(θ)로 이루어질 수 있다.

도 3은 본 발명의 방법에서 다음 스테이지를 도시하고, 유지 클립(22)은 적용되어, 와이어들(7)의 구부러진 부분(20)이 적소에 안정되게 유지된다. 구부러진 구역 내의 벗겨진 와이어들(7)은 욕조(26) 내의 에천트(etchant)(24) 내에 담가진다. 에천트 재료 및 온도는 연관된 재료들 및 토폴로지(topology)에 관련하여 선택된다. 에천트는 매트릭스(3) 재료를 제거하고, 그리고 필라멘트들(4)의 외장들(2)을 노출시키기 위해 선택된다.

통상적인 예에서, 매트릭스(3)는 구리 합금이며, 외장들(2)은 니오븀이다. 질산의 에천트(24)는, 상기 질산의 에천트(24)가 구리를 에칭하지만 니오븀을 크게 공격하지 않기 때문에, 적당한 것으로 발견될 수 있다.

다른 예들에서, 대략 300℃의 온도에서 녹는 주석(Sn)은 적당한 것으로 발견될 수 있다. Cu 및 구리 합금들은 핫 주석에서 쉽게 녹는다. 이 경우, 주석은 단일 단계에서 동시에 구리 매트릭스를 에칭하고 NbSn을 형성할 것이다.

핫 주석의 사용은 바람직하고, 산성 에칭은 바람직하게 핫 주석과 크게 반응하지 않거나 주석을 이용한 외장 재료의 제거가 너무 길게 걸릴 외장 재료들에 대해서만 사용된다.

욕조(26)는 에천트(24)에 저항하는 것으로 선택되어야 한다. 핫 주석 에천트의 경우에, 욕조는 도가니일 수 있다. 교반기(28)는 와이어들(7), 및 외장된(2) 필라멘트들(4) 둘레 및 사이에서 에천트(24)의 순환을 야기하도록 제공될 수 있다.

에칭이 완료되면, 외장(2) 재료의 반응이 수행된다. 도 3의 단계에서 사용된 바와 같은 도가니 욕조일 수 있는 도가니에서, 구부러진 구역(20)은 약 600℃ 온도의 핫 주석(Sn)에 담가진다. 외장(2)의 원소 니오븀(Nb)은 Nb₃Sn, 즉 초전도체가 되도록 확산에 의해 핫 주석(Sn)과 반응한다. Sn의 Nb로의 확산 레이트는 녹은 Sn의 온도에 크게 좌우된다. 따라서, 주석에 대한 가장 높은 실행 가능한 온도가 바람직하다. 비활성 가스 또는 진공 분위기는 주석의 산화를 방지하기 위해 제공될 수 있다.

도 4a-도 4c는 반응의 진행을 도시하는 단일 외장된(2) 필라멘트(4)를 각각 관통하는 각각의 3개의 단면도들을 도시한다. 도 4a에서, MgB₂ 코어(1)는 비반응된 Nb 외장(2) 내에 인클로즈되고, Sn 욕조(24) 내에 담가진다. 도 4b에서, 외장(2)은 반응하기 시작했고, 그리고 외장의 외부 부분은 Nb₃Sn로 변환되었고, 반면 외장의 내부 부분은 원소 Nb로서 유지된다. 반응은, 도 4c에 도시된 바와 같이, 외장(2)이 Nb₃Sn로 완전히 변환될 때까지 확산에 의해 계속된다. MgB₂ 코어(1)는 반응되지 않고 유지된다.

와이어들(7)은 그 다음 도가니로부터 제거된다. 도 5는 이 단계 다음 단일 필라멘트(4)의 부분 단면도를 도시한다. MgB₂ 코어(1)는 반응되지 않는다. 외장(2)은 지금 완전히 Nb₃Sn이고 그리고 얇은 Sn 코팅은 도가니 내에서 Sn 습식으로부터 외장 상에 존재한다. 코어 내의 MgB₂의 그레인들이 도시된다. 필라멘트들의 제조 방법으로 인해, MgB₂ 그레인들은 외장 재료에 인접하여 있고: 이 거리는 통상적으로 Nb₃Sn의 코히어런스 길이보다 작고, 이는 외장(2)의 Nb₃Sn 재료를 통해 영구적인 초전도 조인트가 MgB₂ 코어들 사이에 만들어지게 한다.

도 6은 본 발명에 따른 방법의 추가 단계를 도시한다. Nb₃Sn 외장들 내에 MgB₂ 코어들을 지금 포함하는 와이어들(7)의 구부러진 부분들(20)은 추가 도가니 또는 모울드(mould)(28) 내에 배치된다. 대안적으로, 동일한 도가니는 만약 적당한 구성을 가지면, 사용될 수 있다. 우즈 합금(woods metal) 또는 PbBi 같은 초전도 캐스팅(casting) 재료(30)는 도가니 또는 모울드(28)에 부가되고, 이에 의해 필라멘트들(4)의 구부러진 부분(20)이 담가진다. 캐스팅 동안 기계적 정렬을 돕기 위하여, 유지 클립(22)이 적소에 남겨질 수 있다. 마무리된 조인트의 기계적 강도를 제공하기 위하여, 와이어들(7)의 인접 부분들은 또한 캐스팅 재료(30)로 캐스팅될 수 있다. 캐스팅 재료는 냉각 및 경화하도록 허용된다. 결과적인 조인트(40)는 도 7에 도시된 바와 같이 도가니 또는 모울드(28)로부터 제거된다.

MgB₂ 코어에 대한 손상, 또는 상기 MgB₂ 코어의 오염을 방지하기 위해 필라멘트들의 단부들(32)이 에천트 내에, 또는 초전도 캐스팅 재료 내에 담가지지 않는 것이 중요하다.

도 8은 도 7에 도시된 조인트(40) 부분의 단면도를 도시한다. 각각의 와이어의 필라멘트들(4)은 도시되고, 여전히 함께 그룹화된다. 필라멘트들(4)은 초전도 캐스팅 재료(30) 내에 내장된다. 도 9는 Ⅸ로 표시된 도 8의 부분의 확대도를 도시한다. 각각의 필라멘트(4)의 MgB₂ 코어들(1)은 초전도 Nb₃Sn 외장 층들(2) 및 초전도 캐스팅 재료(30)를 통해 기계적으로 부착되고, 그리고 전기적으로 함께 접속된다. 도 5에 도시된 Sn 코팅은 초전도 캐스팅 재료 내의 용액 내로 들어갔다. 전기 전류(i)는 MgB₂의 하나의 코어(1)로부터, Nb₃Sn의 외장(2), 초전도 캐스팅 재료(30)의 거리, Nb₃Sn의 다른 외장(2)을 통해, 다른 필라멘트(4)의 MgB₂ 코어(1)로 통과할 수 있다. 이런 방식으로, 본 발명의 초전도 조인트는 구현될 수 있다. 초전도 와이어들에 기계적 로드를 적용할 필요가 없어서, 기계적 압축을 수반하는 종래의 조이닝 방법들에 비교할 때 초전도 필라멘트들에 대한 손상 위험성이 감소된다.

본 발명에 따른 초전도 조인트를 형성하는 이런 방법의 변형은 도 10을 참조하여 논의될 것이다.

이 실시예에서, 와이어들을 구부리는 것이 필요하지 않고, 이는 보다 컴팩트한 최종 조인트를 허용한다.

도 10은 조인될 제 1 와이어의 단부를 도시한다. 구리 또는 MONEL 3 같은 매트릭스 재료는 예를 들어 산성을 사용하여, 단부 부분에 걸쳐 에칭 제거되었고, Nb-외장된(2) 필라멘트들이 노출된 채 남겨진다. 필라멘트들의 단부들(42)은 도가니 내의 주석에 담가지기 전에 밀봉된다. 이것은 매트릭스 재료의 용접 또는 기계적 크림핑(crimping)에 의해 달성될 수 있다.

크림핑 단계 동안, 인접한 MgB₂ 입자들은 눌려지고 필라멘트들로부터 떨어져서, 크림핑에 의해 밀봉될 수 있는 빈 외장 길이를 남긴다. 대안적으로, 600℃의 주석(Sn)에 의해 영향을 받지 않는 재료를 사용한 용접, 납땜 등등은 필라멘트들의 단부들을 밀봉하기 위해 사용될 수 있다. 그런 밀봉은 MgB₂ 입자들이 녹은 주석과 접촉하게 되는 것을 방지하는 목적을 가진다.

도 3-7의 방법에서, 와이어들에서의 굽음은 에천트, 주석 및 초전도 캐스팅 재료 내에 외장들의 개방 단부들의 담금을 방지하기 위해 제공된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 밀봉된 단부들을 갖는 직선 와이어들을 사용함으로써, 외장들의 개방 단부들은 또한 에천트 또는 캐스팅 재료에 노출로부터 보호된다. 도 10에 도시된 것과 같은 와이어들이 조인트로 캐스팅되는 도가니는 도 7에 도시된 것보다 매우 작을 수 있다: 예를 들어, 좁은 실린더일 수 있다. 다중-부분 모울드는 그런 조인트들에 대해 모울딩 공동들을 형성하기 위해 사용될 수 있는데, 그 이유는 도가니들이 만약 좁은 실린더로서 형상화되면 형성하기 어렵고 사용시 망가지기 쉽기 때문일 수 있다.

상기된 바와 같이 형성된 초전도 조인트들은 약 10K의 온도로 초저온 냉동기에 의해 냉각된 건식 자석들의 제조에 응용하기에 적당한 것으로 믿어진다. 그런 어레인지먼트에서, 조인트들의 효과적인 냉각을 보장하기 위하여, 초전도 조인트들이 냉동기에 근접하게 배치되어야 하는 것이 바람직하다.

초전도 조인트들을 형성하기 위한 대안적인 방법은 도 11 및 도 12를 참조하여, 지금 논의될 것이다. 이 방법은 Nb₃Sn 초전도 외장들을 형성하기 위하여 주석과 필라멘트들의 니오븀 외장들의 반응을 유발하는 특징을 공유한다. 그러나, 결과적인 조인트는 초전도 재료로 캐스팅되기보다, 함께 크림핑된다.

도 11(ⅰ)은 본 발명의 방법에 따라 함께 조이닝될 2개의 와이어들(7)을 도시한다. 와이어들의 단부들은 핫 주석에 저항하는 재료를 갖는 44로, 예를 들어 크림핑, 납땜 또는 용접에 의해 밀봉되었다.

도 11(ⅱ)에 도시된 바와 같이, 매트릭스들(3)은 그 단부들이 특정 거리에 걸쳐 벗겨진다. 필라멘트들(4)은 이에 의해 노출된다. 밀봉부들(44)의 재료는 외장의 재료를 벗기기 위해 사용된 임의의 에천트에 저항하여야 한다. 밀봉부들(44)은 에천트에 대해 MgB₂의 노출을 방지한다.

도 11(ⅲ)에 도시된 바와 같이, 예를 들어 니오븀-라이닝된 구리 튜브의 실린더형 금속 크림프(46)는 필라멘트들 둘레에 배치된다. 니오븀 라이닝은 구리 크림프의 내부 상 코팅일 수 있거나, 필라멘트들 둘레에 감겨진 니오븀 포일일 수 있고, 이때 그 다음 구리 크림프는 포일 위에 배치된다. 크림프가 맞춰질 때 필라멘트들에 대해 손상이 유발되지 않도록, 크림프는 타이트하지 않게 꼭끼워 맞춰져야 한다. 그 다음 화살표들(47)에 의해 개략적으로 도시된 기계적 크림핑 단계가 수행된다. 이것은 크림프의 니오븀 라이닝을 필라멘트들의 니오븀 외장들과 접촉하게 압축하고, 그리고 필라멘트들이 서로 접촉하게 압축한다. 비록 필라멘트들(4)의 몇몇 기계적 압축이 수반되지만, MgB₂ 코어들(1)은 Nb 외장들(2) 내에 넣어진 채로 있고, 이는 대부분의 종래 방법들과 비교할 때 기계적 압축 동안 코어들에 대한 손상 위험성을 감소시킨다.

도 11(ⅲ)(a)은 이 스테이지에서 크림프의 단면을 도시한다. 크림프의 외부 표면(48)은 크림핑 프로세스로 인해 기계적 변형들(50)을 도시한다. 크림프(46)의 니오븀 라이닝(52)은 보여질 것이다. 크림프 내에, 와이어들(7)의 필라멘트들이 함께 기계적 접촉하게 압축된다. 크림핑 프로세스는 필라멘트들의 MgB₂ 코어들을 손상시키지 않기 위하여 제어되어야 한다. 이 스테이지에서, 필라멘트들(4)의 MgB₂ 코어들(1)은 니오븀 금속 외장들(2), 및 크림프의 니오븀 라이닝을 통해 전기적으로 조이닝된다.

도 11(ⅳ)은 이 방법에서 추가 스테이지를 도시한다. 도 11(ⅲ) 및 11(ⅲ)(a)에 도시된 바와 같은, 크림핑된 필라멘트들(4)은 도가니(56) 내 녹은 주석(54)에 담가진다. 녹은 주석은 약 600℃ 또는 그 초과의 온도이다. 이 단계는 주석과 분위기 성분들의 반응을 방지하기 위하여 진공에서, 또는 비활성 분위기에서 수행될 수 있다. 도 4를 참조하여 논의된 바와 같이, 그런 핫 주석 내에 니오븀 외장들(2)의 담금은 초전도 니오븀-주석(Nb₃Sn)을 형성하기 위하여 확산에 의해 니오븀이 주석과 반응하게 한다. 바람직하게, 이런 반응은 적당한 온도로, 그리고 적당한 시간 동안, 니오븀 외장들(2)이 Nb₃Sn로 완전히 변환하게 수행되지만, 니오븀 라이닝(52)이 Nb₃Sn로 완전히 변환할 필요가 없다.

도 12는 결과적인 크림핑된 조인트의 도 11(ⅲ)(a)의 단면과 유사한 단면을 도시한다. 크림프의 외부 표면(48)은 크림핑 프로세스로 인해 기계적 변형들(50)을 도시한다. 크림프(46)의 라이닝(52)은 Nb₃Sn로 전환되었다. 크림프 내에서, 와이어들(7) 필라멘트들(4)의 외장들(2)은 또한 Nb₃Sn로 전환되었다. 상기 외장들(2)은 기계적 접촉하게 함께 압축된다. 필라멘트들(4)의 MgB₂ 코어들(1)은 Nb₃Sn 외장들, 및 크림프의 Nb₃Sn 라이닝을 통해 전기적으로 조이닝된다. Nb₃Sn 성분들은 상기 논의된 바와 같이 초전도성이고, 그리고 예를 들어 상당히 큰 필드 내성(4K의 온도에서 약 18T) 및 보다 높은 임계 온도(약 18K)를 갖는다는 점에서 니오븀보다 훨씬 더 나은 초전도 특성들을 가진다. Nb₃Sn는 또한 비교적 큰 코히어런스 길이를 가진다. 구리 크림프(46)는 주석 코팅을 얻을 때 외에, 주석에 담금으로써 영향을 받지 않는다.

도 12에 도시된 결과적인 구조가 필라멘트들(4) 사이에 주입하고 크림프를 충전하는 우즈 합금 또는 PbBi 같은 녹은 초전도 충전재 재료 내에 담가질 수 있지만, 그런 조인팅 재료를 포함하는 것은 바람직하지 않다. 본 발명의 이 실시예에 의해 제공된 Nb₃Sn 외장들 및 Nb₃Sn 크림프 라이닝 층 사이에 기계적 및 전기적 접촉은 요구된 초전도 조인트를 제공하기에 충분할 수 있다. 충전재 재료 없이 다중 Nb₃Sn 접속들 사이에 결과적인 조인트는 비교적 높은 강도 자기장들을 견디도록 예상되고 10K의 초과 온도들에서 초전도를 유지한다. 그런 조인트들은 약 10K에서 동작하는 초저온 냉동기들에 의한 열 전도에 의해 냉각된 건식 자석들의 제조시 유용한 것으로 기대된다.

따라서 본 발명은 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법들, 및 그런 방법들에 의해 생산될 수 있는 바와 같은 조인트들을 제공한다. 본 발명은 니오븀 외장을 갖는 필라멘트들, 이를 테면 MgB₂ 코어들을 가진 초전도 와이어들, NbTi 코어들을 갖는 초전도 와이어들 사이의 조인트들, 및 MgB₂ 코어드 와이어 및 NbTi 코어드 와이어 사이의 조인트들에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 니오븀 외장들은 니오븀을, 원소 니오븀에 비해 더 우수한 초전도체인 Nb₃Sn으로 전환하기 위하여 핫 주석(Sn) 내에 담가진다. 결과적인 Nb₃Sn 외장들은 운반 전류를 MgB₂ 코어드 와이어들로 도입하기 위하여 효과적이고 유효한 전도체로서 작동한다. 결과적인 조인트의 자기장 내성은 그런 와이어들에 대한 종래의 조이닝 방법들에 비교할 때 상당히 개선되고, 여기서 니오븀 외장이 조인트를 통하여 흐르는 전류 일부 또는 모두를 운반한다는 것이 생각된다. MgB₂ 코어는 조인트 형성 동안 주석(Sn)에 노출되지 않고, 따라서 MgB₂ 코어의 오염 또는 산화 위험성이 감소된다.

주석이 조인트의 유효 부분에 도달하기 위하여 와이어 내로 상당한 거리를 투과하지 않는다면, 핫 주석에 대해 MgB₂ 코어의 일부 노출은 허용될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예들에서, 다수의 조인트들은 단일 주석 가공물로 형성될 수 있다. 각각의 조인트는 둘 또는 그 초과의 초전도 와이어들일 수 있다. 그런 실시예들의 변형에서, 다수의 조인트들은 단일 주석 가공물로 형성될 수 있고 주석 가공물은 그 다음 별개의 조인트들을 제공하기 위하여 분할될 수 있다.

Claims

개별 외장(2) 내에 초전도 코어(1)를 각각 포함하는 다수의 필라멘트들(4)을 각각 포함하는, 제 1 및 제 2 초전도 와이어들(7)을 조이닝(joining)하기 위한 방법으로서,
상기 필라멘트들(4)은 매트릭스(3) 내에 내장되고, 상기 초전도 코어들(1)은 이붕화 마그네슘(MgB₂)을 포함하고 상기 외장들(2)은 니오븀(Nb)을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 초전도 와이어들(7)을 조이닝하기 위한 방법은,
특정 길이(20)에 걸쳐, 필라멘트들(4)을 노출시키기 위하여 매트릭스(3)를 제거하는 단계;
상기 외장들(2)의 니오븀이 니오븀-주석(Nb₃Sn)으로 전환되도록 상기 노출된 필라멘트들(4)을 녹은 주석(Sn)(24; 54) 내에 담그는 단계;
상기 필라멘트들(4)의 Nb₃Sn 외장들(2)을 통하여 상기 제 2 와이어(7)의 코어들(1)로, 상기 제 1 와이어(7)의 필라멘트들(4)의 초전도 코어들(1) 사이에 초전도 경로를 제공하는 단계
를 포함하는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 녹은 주석 내에 상기 노출된 필라멘트들을 담그는 단계는 적어도 600℃의 온도의 주석을 사용하여 수행되는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 녹은 주석 내에 상기 노출된 필라멘트들을 담그는 단계는 조인트의 유효 부분에서 녹은 주석(24; 54)에 상기 코어들(1)의 노출을 방지하면서 수행되는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 와이어들(7)은 녹은 주석 내에 담그기 전에 구부러져, 상기 외장들(2)의 단부들(32)은 상기 녹은 주석 내에 담가지지 않는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 구부러진 와이어들은 상기 녹은 주석 내에 담금 동안 유지 클립(22)에 의해 고정된 상대적 위치들에 유지되는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 외장들(2)의 단부들(42)은 상기 녹은 주석 내에 담그기 전에 밀봉되어, 상기 필라멘트들(4)의 코어들(1)은 상기 녹은 주석 내에 담가지지 않는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필라멘트들(4)의 Nb₃Sn 외장들(2)을 통하여 상기 제 2 와이어(7)의 상기 코어들(1)로, 상기 제 1 와이어(7)의 필라멘트들(4)의 초전도 코어들(1) 사이의 상기 초전도 경로는 초전도 캐스팅(casting) 재료(30) 내에 상기 제 1 및 제 2 와이어들의 필라멘트들을 내장함으로써 제공되는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 와이어들(7)의 상기 필라멘트들(4)은 녹은 주석(54) 내에 담금 동안 크림프(crimp)(46) 내에 유지되어, 상기 외장들(2)의 Nb₃Sn으로의 전환 다음, 전기 및 기계적 접촉이 상기 필라멘트들의 Nb₃Sn 외장들 사이에 제공되는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
크림프 내에 유지하는 단계는,
상기 와이어들(7)의 상기 필라멘트들(4)을 근접하게 브리징하는 단계;
상기 필라멘트들 둘레에 실린더형 크림프(46)를 배치하는 단계;
상기 필라멘트들을 서로 접촉하게 압축하기 위하여, 상기 크림프를 기계적으로 크림핑(47)하는 단계
를 포함하는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 크림프는 니오븀이 라이닝(52)되고, 크림핑이 수행될 때 상기 필라멘트들과 접촉하게 압축되며, 그리고 상기 라이닝(52)은 상기 녹은 주석 내 담금 동안 Nb₃Sn으로 적어도 부분적으로 전환되어, 필라멘트들 사이에 추가의 초전도 경로를 제공하는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서,
비활성 분위기는 상기 주석의 산화를 방지하기 위하여 상기 녹은 주석 주위에 제공되는,
제 1 및 제 2 초전도 와이어들을 조이닝하기 위한 방법.
개별 외장(2) 내에 초전도 코어(1)를 각각 포함하는 다수의 필라멘트들(4)을 각각 포함하는, 제 1 및 제 2 초전도 와이어들(7) 사이 조인트로서,
상기 필라멘트들(4)은 매트릭스(3) 내에 내장되고, 상기 외장들(2)은 니오븀(Nb)을 포함하고,
상기 조인트 자체는,
상기 매트릭스(3)의 제거에 의해 노출된 필라멘트들의 특정 길이(20);
상기 특정 길이에 걸쳐, 니오븀-주석(Nb₃Sn)을 가진 상기 외장들(2);
상기 필라멘트들(4)의 상기 Nb₃Sn 외장들(2)을 통하여 상기 제 2 와이어(7)의 코어들(1)로, 상기 제 1 와이어(7)의 필라멘트들(4)의 초전도 코어들(1) 사이에 제공되는 초전도 경로,
를 포함하는,
조인트.
제 12 항에 있어서,
상기 초전도 코어들(1)은 이붕화 마그네슘(MgB₂)을 포함하는,
조인트.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 외장들(2)의 단부들(42)은 밀봉되는,
조인트.
제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 와이어들의 필라멘트들은 초전도 캐스팅 재료(30) 내에 내장되어, 상기 필라멘트들(4)의 Nb₃Sn 외장들(2)을 통해 상기 제 2 와이어(7)의 코어들(1)로, 상기 제 1 와이어(7)의 필라멘트들(4)의 초전도 코어들(1) 사이의 상기 초전도 경로가 상기 초전도 캐스팅 재료(30)를 통해 제공되는,
조인트.
제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 와이어들(7)의 상기 필라멘트들(4)은 크림프(46) 내에 유지되어, 전기 및 기계적 접촉은 상기 필라멘트들의 Nb₃Sn 외장들 사이에 제공되는,
조인트.
제 16 항에 있어서,
상기 크림프는 Nb₃Sn으로 적어도 부분적으로 전환되는 니오븀이 라이닝(52)되어, 필라멘트들 사이에 추가의 초전도 경로가 제공되는,
조인트.