二硼化マグネシウムを用いた永久電流スイッチおよびその製造方法
【課題】二硼化マグネシウムを用いた永久電流スイッチにおいて、コンパクトかつ熱的な安定性に優れるスイッチ用超電導積層体とその製造方法を提供すること。
【解決手段】二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆を含み、該超電導体の一部が露出した平角又はテープ状超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導体が接続されるように積層・一体化した超電導積層体を回路内に備えたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【解決手段】二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆を含み、該超電導体の一部が露出した平角又はテープ状超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導体が接続されるように積層・一体化した超電導積層体を回路内に備えたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、臨界温度以下の環境において、超電導性を発現する超電導体を用いることによって、高い超電導特性が得られる二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）を用いた永久電流スイッチ、超電導積層体とそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
具体的には、核磁気共鳴分析装置、医療用磁気共鳴診断装置、超電導電力貯蔵装置等の機器に適用されるものである。
【背景技術】
【０００３】
例えば、浮上式鉄道あるいは核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）等に用いられる超電導磁石は、長時間にわたり一定の電流を流し続ける永久電流モードで使用される。永久電流モードとは、超電導磁石の電気回路を閉ループにして電流を閉じ込めるようにした状態のことである。
【０００４】
永久電流スイッチ（以下、Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈ を略して、適宜ＰＣＳと呼ぶ。）は、上記のように超電導磁石を永久電流モードにする、あるいは解除する開閉操作可能な機能を有する重要部品である。永久電流モードにすると、超電導磁石の閉ループ電気回路の電流は減衰せず半永久的に流れ続けるので、超電導磁石は一定の磁界を保持することができる状態になる。
【０００５】
このようなＰＣＳとしては、超電導線を内蔵ヒータの発熱により強制的に常電導化し、永久電流モードの電流を減衰させる形でスイッチの開閉操作を行う熱式のものが広く採用されている。
【０００６】
超電導マグネットを運転させる方法には、常にコイルに電源から電流を流す方法と、電源に対して並列に永久電流スイッチと超電導コイルを接続し、励磁した後はこの永久電流スイッチによりコイルを電源から切り離して永久電流モードに移行させる方法とがある。永久電流スイッチを用いた永久電流モードの一般的な運転法について、図６を用いて説明する。図６に示すように、超電導コイル１の端子間には短絡スイッチ２が設けられる。この短絡スイッチ２は永久電流スイッチと呼ばれ、短絡時の抵抗を低くするため、通常、超電導体が用いられる。超電導体を用いたスイッチにおいて、たとえばヒータ加熱によって超電導体の温度を臨界温度以上とすることにより抵抗が発生した状態で、電源３から定格電流値まで超電導コイル１に電流を流し、励磁を行う。
【０００７】
次いで、ヒータ加熱を停止し、スイッチ２を超電導状態に移した後、短絡を行えば、励磁電源を取り外しても一定電流の通電が継続されることになる。このようにして永久電流モードの運転が可能となる。
【０００８】
永久電流スイッチには、概ね次のような特性が要求される。
（１）ＯＮ時の抵抗が０であるかまたは０に近い極めて小さい値であること。
（２）ＯＦＦ時の抵抗が大きいこと。
（３）必要電流を安定に流すことができること。
（４）必要時以外に常電導転移しないこと。
【０００９】
従来の合金系または化合物系超電導線材を用いた超電導マグネットに対しては、一般的にはＮｂＴｉ線を使用した永久電流スイッチが用いられている。この場合、永久電流モードに移行させるための温度は、約９Ｋであり、それより高い温度で使用することはできない。臨界温度が低いということは永久電流スイッチにわずかな擾乱エネルギーが入った場合でも、超電導線が臨界温度以上に上昇してしまい、速やかな常電導転移、すなわちクエンチを引き起こす場合がある。クエンチした場合は、超電導コイルの電流も失われるため、一旦、マグネットとしての運転を停止せざるを得ないという課題がある。
【００１０】
また、ＮｂＴｉ線は通常、銅被覆した線材が使用されるが、永久電流スイッチはＯＦＦ時の電気抵抗を大きくする必要があるため、安定化材として銅−ニッケル合金を使用している。しかし、銅−ニッケル合金自身の抵抗はさほど大きくないため、永久電流スイッチを作製するのにおよそ３０〜６０ｍの線材が使用され、かつ無誘導巻きされている。このように長い線材を巻くことによって抵抗を高くしているが、永久電流スイッチが大型化するという課題がある。
【００１１】
２１世紀に入ってまもなく、Ｎａｔｕｒｅ４１０，６３−６４（２００１）で報告されたように、ＭｇＢ２が超電導を示すことが発見された。ＭｇＢ２の代表的な材料特性を以下に記す。
【００１２】
まず、臨界温度は３９Ｋである。これは従来の金属系超電導材料の中で最高値である。したがって、この材料を用いて永久電流スイッチを構成した場合、３９Ｋ以下ではＯＮとすること、３９Ｋ以上ではＯＦＦとすることができる。他の金属系超電導材料と比較して臨界温度が高いことから安定性マージンが高くなるので、クエンチを発生しにくい信頼性の高い永久電流スイッチを実現できる。
【００１３】
０Ｔにおける臨界磁場は約２０Ｔである。これは従来の金属系超電導材料と比較すると高い部類に属する。従来の永久電流スイッチでは、その臨界磁場が低くなる場合があり、永久電流スイッチを超電導コイルから離して磁場の小さい場所に配置したり、永久電流スイッチの外側に磁気シールドを設置したりする制約があった。しかし、ＭｇＢ２を用いて永久電流スイッチを構成した場合、上記のような制約はなくなるため、永久電流スイッチの構成が自由となる。
【００１４】
ＭｇＢ２の線材化については、これまでに多くの研究がなされている。この中で、ＭｇＢ２線材は機械加工のみで実用的な臨界電流密度が得られることが分かってきた。熱処理をしないと超電導現象を発現しない従来の超電導線材とは全く異なる性質であり、この性質を利用することにより、（イ）製造工程が短縮可能、（ロ）金属被覆材の選択幅を拡大可能、（ハ）コイル巻線及び設計自由度の向上が実現できる。従って、大幅にコストを低減することができると考えられている。高性能化には超電導粉末の密度を高めることが極めて重要である。このため、被覆材には高硬度の金属が適用されている。
【００１５】
また、工業化に最も適する「パウダー・イン・チューブ法」で線材を製造することも可能であるため、極めて魅力的な材料として位置付けられている。しかしながら、ＭｇＢ２線材の許容曲げ歪は約１．２％であり、ＮｂＴｉ線材よりも劣る。このため、ＭｇＢ２線材を用いて永久電流スイッチを作製する際、従来の巻線方法を適用すると、大型化してしまう課題がある。
【００１６】
特許文献１には、ビッカース硬さが８０以上の金属管にＭｇＢ２粉末を充填して線材加工することが記載されている。特許文献２においては、ＭｇＢ２粉末又はＭｇＢ２圧粉体をＣｕＮｉ合金間に詰めて減面加工した後、焼結熱処理をしてフィラメントを得ることが記載されている。更に、特許文献３においては、Ｃｕなどの金属管に熱処理によって生成したＭｇＢ２を封入した超電導体が記載されている。特許文献４には、ＭｇＢ２粉末を鉄パイプに充填し、粉末に熱処理及び引き抜き加工を施して減面加工することが記載されている。
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−３１０５７号公報
【特許文献２】特開２００２−３５２６４８号公報
【特許文献３】特開２００３−８９５１６号公報
【特許文献４】特開２００２−１５１３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
前記のような課題を解決し、高安定性、高信頼性を有する永久電流スイッチを実現すべく、ＮｂＴｉ及びＭｇＢ２の高性能化、ならびにＭｇＢ２の曲げ特性を向上させること等の検討が鋭意行われている。ところが、現状では、これらの技術課題をクリアできていない。
【００１９】
本発明の目的は、コンパクトかつ熱的な安定性に優れる永久電流スイッチ、超電導積層体及びそれらの製造法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者らは、前記課題を達成するため、新規の永久電流スイッチとその製造方法を見出した。その手段を以下に述べる。
【００２１】
上記目的は、金属で被覆したＭｇＢ２超電導線材を一方向に積み重ねて構成される永久電流スイッチにより達成できる。
【００２２】
また、前記ＭｇＢ２超電導線材の形状が平角またはテープ状である永久電流スイッチにより達成できる。また、前記ＭｇＢ２超電導線材の金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上の線材を用いた永久電流スイッチにより達成できる。また、前記ＭｇＢ２超電導線材の長さが１０ｍ以下で構成した永久電流スイッチにより達成できる。
【００２３】
更にまた、ＭｇＢ２超電導線材の金属被覆材端部を除去して超電導コア部を露出させる工程と、前記超電導線材の露出部分が互いに接触するように積み重ねる工程と、前記積み重ねた超電導線材の隙間にＭｇＢ２超電導体を配置する工程を備えた永久電流スイッチの製造方法を適用することにより達成できる。
【００２４】
ＭｇＢ２は他の金属系超電導材料と比較して臨界温度が高いことから安定性マージンが高くなるので、速やかな常電導転移、すなわちクエンチ現象が発生しにくい信頼性の高い永久電流スイッチを実現できる。
【００２５】
又、超電導線材を作製する製造工程中に超電導線材に対する加熱処理工程を一度も行わないようにすることで、製造コストが大幅に低減できると云う極めて大きな効果がある。
【００２６】
更に、充填粉末中にＭｇＢ２に対して、２〜３０体積％の銅、インジウム、錫、鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム、チタン、酸化珪素、炭化珪素、窒化珪素を、単独あるいはそれらを混合して添加すると臨界電流密度が向上する。特に、ナノオーダーまで粒径を細かくすると一層効果的である。
【００２７】
以下に本発明の代表的実施態様を整理して説明する。
【００２８】
本発明の第１の実施態様は、二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆を含み、該超電導体の一部が露出した平角又はテープ状等の長尺の超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導体が接続されるように積層・一体化した超電導積層体を回路内に備えた永久電流スイッチである。永久電流スイッチとしては、上記超電導積層体に加えて、この積層体の超電導状態を転移させる、熱的あるいは磁気的な手段が必要である。
【００２９】
この永久電流スイッチにおいて、上記積層体の隣接する線材間の隙間に二硼化マグネシウム超電体を充填して、超電導体間の接続を確保することが望ましい。また、上記金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上であるもの、例えばＳＵＳなどを用いることが望ましい。
【００３０】
更に、前記二硼化マグネシウム超電導線材の積層体を加圧保持する手段を設けることが望ましい。この手段によって、上記露出した超電導体間の接続を確保し、かつ超電導線材間の整列・平行の維持に貢献することができる。又、前記二硼化マグネシウム超電導線材の長さが１０ｍ以下、特に３ｍ以下、更には２ｍ以下にすることにより、永久電流スイッチを小型化することができる。
【００３１】
本発明は、二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆を含み、該超電導体の一部が露出した平角状又はテープ状等の長尺の超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導体が接続されるように積層・一体化した超電導積層体を提供するものである。
【００３２】
上記積層体の隣接する線材間の隙間に二硼化マグネシウム超電体を充填すること、前記二硼化マグネシウム超電導線材の金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上である物を用いること、前記積層体を加圧保持する手段を設けること、前記二硼化マグネシウム超電導線材の長さが１０ｍ以下であることも上述のとおりである。
【００３３】
本発明は又、二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆材を含む超電導線材の該金属被覆材の一部を除去して超電導コア部を露出させる工程と、前記超電導線材の露出部分が互いに接触するように、複数の超電導線材を積層する工程とを備えた超電導積層体の製造方法を提供する。この方法において、前記重ねた超電導線材の隙間に二硼化マグネシウム超電導体を充填する工程を施し、超電導体同士の接続を確保することが望ましい。また、前記超電導積層体を加圧保持する手段により、上記超電導線材の超電導体間の接続、あるいは線材間の整列を維持することが望ましい。
【００３４】
本発明による永久電流スイッチは、核磁気共鳴分析装置、医療用磁気共鳴診断装置、超電導電力貯蔵装置等の機器に適用すると効果的である。
【００３５】
上述したように、本発明によれば以下のような特性を備えた永久電流スイッチを提供することができる。
【００３６】
本発明による超電導積層体を用いた絵に級電流スイッチの特徴を整理すると以下のとおりである。
（１）永久電流スイッチのＯＮ時において電気抵抗が顕著に小さい。
（２）永久電流スイッチのＯＦＦ時において電気抵抗は十分に大きい。
（３）永久電流スイッチに十分な電流を安定に流すことができる。
（４）永久電流スイッチにおいて必要時以外に常電導転移しない
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、臨界温度，臨界磁場，臨界電流の高い二硼化マグネシウム超電導線を用いて永久電流スイッチを作製し、これと超電導コイルを短絡することにより、コンパクトな信頼性の高い永久電流スイッチが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明では永久電流スイッチにＭｇＢ２超電導線材を用いる。ＭｇＢ２超電導体は高い臨界温度，臨界磁場および臨界電流を有する線材を比較的容易に得ることができる。したがって、特に永久電流スイッチにＭｇＢ２超電導線材を用いれば、必要な電流を安定に流すことができ、信頼性および操作性が高い永久電流スイッチを提供することができる。
【００３９】
ＭｇＢ２超電導線材を作製する際に充填される粉末は、超電導粉末、前駆体粉末などが挙げられる。また、上述のように、２〜３０体積％の金属微細粉末に代表される第３元素を添加すると効果的である。
【００４０】
本発明における超電導粉末合成の熱処理温度は、２００〜１２００℃の範囲内が用いられる。また、必要に応じて窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス、酸素ガス等を単独或いは混合して熱処理を行う。さらに、必要に応じて、大気圧以上の圧力で加圧しながら熱処理を行う。
【００４１】
本発明において永久電流スイッチに用いたＭｇＢ２超電導線には、安定化材からなるシース中にＭｇＢ２超電導体の原料粉末を充填し、塑性加工を施す方法、いわゆるパウダー・イン・チューブ法によって作製されたものを用いることができる。このような方法において、金属被覆材としては室温におけるビッカース硬さが５０以上の金属を用いることが効果的である。室温でのビッカース硬さが５０以上の高強度金属の例としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ４３０、ハステロイＢ、ハステロイＣ、炭素鋼、インコネル、コバルト、タングステン、ニッケル、モリブデン、チタン、モネル、アルミ基合金、チタン基合金、ニッケル基合金、銅基合金、ニオブ基合金、マグネシウム基合金等がある。
【００４２】
永久電流スイッチの作製に必要な線材長さは、（１）式で表される。
【００４３】
ＯＦＦ時の抵抗×線材断面積／線材比抵抗−−−−−−−−−（１）
即ち、線材の比抵抗が高ければ、永久電流スイッチの線材長さを短くすることが可能で、抵抗が１０倍になれば、線材長さも１／１０にすることができる。一般に、金属の比電気抵抗とビッカース硬さとは比例関係にある。このため、上記したビッカース硬さが５０以上の金属は、比電気抵抗も比較的高いといえる。
【００４４】
線材の製造方法において、塑性加工には、伸線加工，溝ロール加工、ローラーダイス加工、静水圧プレス加工，圧延加工等がある。特に、伸線加工または圧延加工との組合せにより、丸断面線材，角断面線材またはテープ線材等が精度良く得られる。しかしながら、これらの方法以外にも、例えば溶射法、ドクターブレード法、ディップコート法、スプレーパイロリシス法、或いは、ジェリーロール法等で作製した線材を用いても、同等の超電導特性を得ることが可能である。なお、用いられる超電導線は、単芯線および多芯線のいずれでもよい。
【００４５】
上記の超電導線材は、超電導マグネットのほかに送電ケーブル、電流リード、ＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、ＳＭＥＳ装置、超電導発電機、超電導モータ、磁気浮上列車、超電導電磁推進船、超電導変圧器、超電導限流器等に用いることができる。
【００４６】
永久電流スイッチとつなぐ超電導コイルに用いる超電導材は、どのようなものでも構わない。例えば、ＮｂＴｉ，Ｎｂ３Ｓｎ，Ｎｂ３ＡｌまたはＶ３Ｇａ等の金属系超電導体、Ｂｉ−２２１２，Ｂｉ−２２２３，Ｙ−１２３等の酸化物超電導体、またはＭｇＢ２でも構わない。巻線方法としては、コイル自身の発生磁場をゼロにするために、無誘導巻きが適用される。
【００４７】
永久電流スイッチ機構には、熱式，磁気式等の機構を用いることができる。一般に、熱式のスイッチ機構がよく利用される。スイッチングに用いられる発熱体には、マンガニン線等の電気抵抗により発熱する材料を好ましく用いることができる。超電導スイッチの使用時には、発熱体は、電源回路と、発熱を制御する手段に接続される。発熱体は、超電導線に接触するように設けられてもよく、電気絶縁材料を介して超電導線上に設けられてもよい。
【００４８】
本発明における永久電流スイッチが液体ヘリウム，気体ヘリウム等の冷媒に接触させられる場合、発熱体は熱絶縁材によって覆われる。熱絶縁材は、冷却のための環境と、超電導線材および発熱体との間に適当な温度勾配を形成し、発熱体および線材が急激に冷却されないよう熱緩衝材としての役割を果たす。また熱絶縁材は、スイッチのＯＦＦ時に超電導線を十分加熱することができるように、発熱体を保護する。熱絶縁材には、たとえば、エポキシ樹脂等の樹脂材料，樹脂コンパウンド，シリコン系コンパウンド等を用いることができる。熱絶縁材には、使用する温度において好ましくは１０−２Ｗ／ｃｍ・Ｋ〜１０−６Ｗ／ｃｍ・Ｋの熱伝導率を有する材料を用いることができる。
【００４９】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。但し、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００５０】
（実施例１）
出発原料として、マグネシウム粉末（Ｍｇ；純度９９％）とアモルファス状ホウ素粉末（Ｂ；純度９９％）を用いて、マグネシウムとホウ素が原子モル比で１：２になるように秤量し、１０〜６０分間にわたって混合する。次に、この混合体を７００〜１０００℃の温度で、２〜２０時間にわたって熱処理し、ＭｇＢ２超電導体を作製する。このとき、大気圧以上の圧力を加えて熱処理することもある。得られた粉末のＸ線回折を行ったところ、強度比換算でＭｇＢ２超電導体が９５％以上含まれていることが分かった。ＭｇＢ２以外には、若干のＭｇＯ及びＭｇＢ４も含まれていた。
【００５１】
得られた混合粉末を外径５ｍｍ、内径４ｍｍの円形の断面形状を有するステンレス鋼パイプに充填する。この際、粉末状のまま充填すること以外に、プレス等によって作製した円柱状や角形状のロッドを充填しても構わない。これを、断面積の減少率３乃至２０％で伸線加工し、所定形状まで縮径する。必要に応じて、線材の横断面形状を楕円形、六角形、平角状又は丸形状の横断面形状に減面加工する。
【００５２】
本実施例では、厚さ０．２乃至０．５ｍｍ、幅２乃至５ｍｍのテープ状線材になるまで縮径加工した。図１に作製したＭｇＢ２超電導線材４の断面模式図の一例を示す。ＭｇＢ２超電導線材４は、金属被覆材５の中にＭｇＢ２超電導体６が充填又は内包されている。本実施例で使用する線材サイズは、厚さ０．４ｍｍ、幅３．７ｍｍである。なお、ここでは、線材加工時に熱処理や焼鈍等の加熱処理は全く行わなかった。なお、テープ状線材の厚さや幅、および厚みと幅の比率であるアスペクト比も限定されるものではなく、例えば丸形状あるいは丸に極めて近いものから、幅広の極薄テープまで様々な線材形状にしても差し支えない。しかし、平角状やテープ状のものは、線材の接触面積が大きく取れ、積層が容易であるので、好ましい形状である。
【００５３】
得られたＭｇＢ２超電導線４を３０ｍｍ長さに切断し、それらの端部を金属被覆材部分のみ除去した。図２（ａ）および（ｂ）に金属被覆５の除去工程を示す。金属被覆５の除去は、線材の端部から長さ方向に４ｍｍ、幅方向に３ｍｍとした。この際、片端は上面を、もう一方の端部は下面を除去した。図３において、黒い部分９が上面の金属被覆除去したことを示し、点線で示される部分１０が下面除去を示している。このように、線材の端部の両面に金属被覆の除去部を形成し、超電導体を露出する。
【００５４】
これらを図４のように超電導体同志が接続されるように、規則的に線材を一方向に積層する。金属被覆材を除去した線材接触部は、図２（ｂ）に示すように段差ができるので、積層体の端部に隙間１１が生じるが、そこにはＭｇＢ２粉末かＭｇＢ２成形体を挿入する。挿入後、全体に一軸プレスで加圧することにより、線材を用いた永久電流スイッチ７が作製できる。また、積層体を上下から保持手段を用いて加圧・保持することができる。積層体の積層数は、５層以上、特に７層以上２０層以下が好ましい。金属被覆の抵抗値が高いほど積層数を増やすことができる。
【００５５】
次に、永久電流スイッチとしての特性評価を行った。図５に超電導装置の概念図を示す。図において、超電導コイルに用いた超電導線は超電導材としてＮｂＴｉ、安定化材として銅を用いた直径１ｍｍのＮｂＴｉ超電導線８である。これをアルミニウム合金製ボビン９に巻き、内径５０ｍｍφ，外径７６ｍｍφ，高さ７９．５ｍｍのソレノイドコイルとした。巻線間の絶縁は、エナメル絶縁によって行った。ソレノイドコイルのターン数は８００ターン，２０Ａの電流を流したときの中心磁場は０．１Ｔであった。
【００５６】
永久電流スイッチ７２は、上述のようにＭｇＢ２線材を用いて作製した。３０ｍｍ長さに切断した線材を１００枚積層したので、線材全長は３ｍである。永久電流スイッチとしては極めて小型のサイズである。積層したＭｇＢ２超電導線の上からエポキシ系樹脂を用いた絶縁材１０を塗り、その上にマンガニン線１１を巻回している。マンガニン線には銅線１２，１３を接続し、銅線には外部のヒータ電源を接続できる構造である。
【００５７】
ＭｇＢ２超電導線４，ＮｂＴｉ超電導線８，電流リード線１４，１５は超電導線接続部１６，１７において接続されている。また、電流リード線１４，１５の他端には励磁用電源を接続できる構造である。
【００５８】
以上のように構成された構造体を液体ヘリウムに浸漬し、銅線１２，１３を介してマンガニン線１１に電流を流して加熱を行い、永久電流スイッチとして働く部分のＭｇＢ２超電導線を常電導状態（４０Ｋ以上の温度）に転移させた。その状態で電流リード線１４，１５を介してソレノイドコイルに電源より電流を流した。ソレノイドコイルが励磁されたら、マンガニン線１１による加熱をやめ、スイッチの部分のＭｇＢ２超電導線４を超電導状態に戻した。
【００５９】
この状態で励磁電源を取り外した結果、永久電流モードの状態が得られた。このときの接合部の電気抵抗は０．０５ｎΩ以下であった。一方、超電導線接続部１６，１７において超電導コア同士の接続に鉛−錫ハンダを用いた場合、電気抵抗の測定値は約２０ｎΩであった。このように本発明によれば、接合による電気抵抗を著しく低減することができた。
【００６０】
本実施例は、ＭｇＢ２超電導線４の被覆材として、ステンレス鋼を用いた検討結果であったが、例えばビッカース硬さが５０以上の金属をシース材として使用した場合にも、上記と同様の結果が得られることを確認した。
【００６１】
以上述べたように、金属で被覆したＭｇＢ２超電導線４の端部を除去して超電導コアを露出させ、それらを一方向に積み重ねることにより、優れた特性を持つ永久電流スイッチが作製できた。
【００６２】
（実施例２）
実施例１で述べたＭｇＢ２超電導線４の線材形状を変えて、同様の永久電流スイッチ７を作製し、永久電流スイッチとしての歩留まりを検討した。本実施例では、線材の形状を丸形状、平角状、テープ状の３種類とした。サイズは、丸形状線材が直径１ｍｍ、平角状線材が厚さ１．１ｍｍ、幅２．２ｍｍ、テープ状線材は厚さ０．４５ｍｍ、幅３．６ｍｍである。
【００６３】
永久電流スイッチとしての歩留まり算出法は、図４と同様の永久電流スイッチを作製し、その後、図５に示す配線を行い、接合部の電気抵抗を測定した。この際、０．１ｎΩ以下の電気抵抗であれば、合格とした。図５において、１はＮｂＴｉ超電導線、９はアルミニウム合金製ボビン、１０は絶縁材、１１はマンガニン線、１２は銅線、１３は銅線、１４は電流リード線、１５は電流リード線、１６は超電導線接続部、１７は超電導線接続部である。
【００６４】
その結果、丸形状では歩留まりが７５％であったのに対して、平角状では９７％、テープ状では９９％まで向上した。以上のように、ＭｇＢ２超電導線４の形状は、平角またはテープ状であることが効果的であることを明らかにした。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の超電導線材の断面模式図。
【図２】本発明における超電導線材の金属被覆材の除去工程を説明する外観模式図。
【図３】本発明における積層体の展開斜視図。
【図４】本発明の永久電流スイッチ用超電導積層体を示す側面斜視図。
【図５】本発明の超電導積層体を用いた永久電流スイッチを備えた超電導装置の概念図。
【図６】永久電流スイッチ付超電導コイルを説明する回路図。
【符号の説明】
【００６６】
１…超電導マグネット、２…永久電流スイッチ、３…電源、４…超電導線材、５…金属被覆材、６…ＭｇＢ２超電導体、８…ＮｂＴｉ超電導線、９…アルミニウム合金製ボビン、１０…絶縁材、１１…マンガニン線、１２…銅線、１３…銅線、１４…電流リード線、１５…電流リード線、１６…超電導線接続部、１７…超電導線接続部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、臨界温度以下の環境において、超電導性を発現する超電導体を用いることによって、高い超電導特性が得られる二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）を用いた永久電流スイッチ、超電導積層体とそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
具体的には、核磁気共鳴分析装置、医療用磁気共鳴診断装置、超電導電力貯蔵装置等の機器に適用されるものである。
【背景技術】
【０００３】
例えば、浮上式鉄道あるいは核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）等に用いられる超電導磁石は、長時間にわたり一定の電流を流し続ける永久電流モードで使用される。永久電流モードとは、超電導磁石の電気回路を閉ループにして電流を閉じ込めるようにした状態のことである。
【０００４】
永久電流スイッチ（以下、Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈ を略して、適宜ＰＣＳと呼ぶ。）は、上記のように超電導磁石を永久電流モードにする、あるいは解除する開閉操作可能な機能を有する重要部品である。永久電流モードにすると、超電導磁石の閉ループ電気回路の電流は減衰せず半永久的に流れ続けるので、超電導磁石は一定の磁界を保持することができる状態になる。
【０００５】
このようなＰＣＳとしては、超電導線を内蔵ヒータの発熱により強制的に常電導化し、永久電流モードの電流を減衰させる形でスイッチの開閉操作を行う熱式のものが広く採用されている。
【０００６】
超電導マグネットを運転させる方法には、常にコイルに電源から電流を流す方法と、電源に対して並列に永久電流スイッチと超電導コイルを接続し、励磁した後はこの永久電流スイッチによりコイルを電源から切り離して永久電流モードに移行させる方法とがある。永久電流スイッチを用いた永久電流モードの一般的な運転法について、図６を用いて説明する。図６に示すように、超電導コイル１の端子間には短絡スイッチ２が設けられる。この短絡スイッチ２は永久電流スイッチと呼ばれ、短絡時の抵抗を低くするため、通常、超電導体が用いられる。超電導体を用いたスイッチにおいて、たとえばヒータ加熱によって超電導体の温度を臨界温度以上とすることにより抵抗が発生した状態で、電源３から定格電流値まで超電導コイル１に電流を流し、励磁を行う。
【０００７】
次いで、ヒータ加熱を停止し、スイッチ２を超電導状態に移した後、短絡を行えば、励磁電源を取り外しても一定電流の通電が継続されることになる。このようにして永久電流モードの運転が可能となる。
【０００８】
永久電流スイッチには、概ね次のような特性が要求される。
（１）ＯＮ時の抵抗が０であるかまたは０に近い極めて小さい値であること。
（２）ＯＦＦ時の抵抗が大きいこと。
（３）必要電流を安定に流すことができること。
（４）必要時以外に常電導転移しないこと。
【０００９】
従来の合金系または化合物系超電導線材を用いた超電導マグネットに対しては、一般的にはＮｂＴｉ線を使用した永久電流スイッチが用いられている。この場合、永久電流モードに移行させるための温度は、約９Ｋであり、それより高い温度で使用することはできない。臨界温度が低いということは永久電流スイッチにわずかな擾乱エネルギーが入った場合でも、超電導線が臨界温度以上に上昇してしまい、速やかな常電導転移、すなわちクエンチを引き起こす場合がある。クエンチした場合は、超電導コイルの電流も失われるため、一旦、マグネットとしての運転を停止せざるを得ないという課題がある。
【００１０】
また、ＮｂＴｉ線は通常、銅被覆した線材が使用されるが、永久電流スイッチはＯＦＦ時の電気抵抗を大きくする必要があるため、安定化材として銅−ニッケル合金を使用している。しかし、銅−ニッケル合金自身の抵抗はさほど大きくないため、永久電流スイッチを作製するのにおよそ３０〜６０ｍの線材が使用され、かつ無誘導巻きされている。このように長い線材を巻くことによって抵抗を高くしているが、永久電流スイッチが大型化するという課題がある。
【００１１】
２１世紀に入ってまもなく、Ｎａｔｕｒｅ４１０，６３−６４（２００１）で報告されたように、ＭｇＢ２が超電導を示すことが発見された。ＭｇＢ２の代表的な材料特性を以下に記す。
【００１２】
まず、臨界温度は３９Ｋである。これは従来の金属系超電導材料の中で最高値である。したがって、この材料を用いて永久電流スイッチを構成した場合、３９Ｋ以下ではＯＮとすること、３９Ｋ以上ではＯＦＦとすることができる。他の金属系超電導材料と比較して臨界温度が高いことから安定性マージンが高くなるので、クエンチを発生しにくい信頼性の高い永久電流スイッチを実現できる。
【００１３】
０Ｔにおける臨界磁場は約２０Ｔである。これは従来の金属系超電導材料と比較すると高い部類に属する。従来の永久電流スイッチでは、その臨界磁場が低くなる場合があり、永久電流スイッチを超電導コイルから離して磁場の小さい場所に配置したり、永久電流スイッチの外側に磁気シールドを設置したりする制約があった。しかし、ＭｇＢ２を用いて永久電流スイッチを構成した場合、上記のような制約はなくなるため、永久電流スイッチの構成が自由となる。
【００１４】
ＭｇＢ２の線材化については、これまでに多くの研究がなされている。この中で、ＭｇＢ２線材は機械加工のみで実用的な臨界電流密度が得られることが分かってきた。熱処理をしないと超電導現象を発現しない従来の超電導線材とは全く異なる性質であり、この性質を利用することにより、（イ）製造工程が短縮可能、（ロ）金属被覆材の選択幅を拡大可能、（ハ）コイル巻線及び設計自由度の向上が実現できる。従って、大幅にコストを低減することができると考えられている。高性能化には超電導粉末の密度を高めることが極めて重要である。このため、被覆材には高硬度の金属が適用されている。
【００１５】
また、工業化に最も適する「パウダー・イン・チューブ法」で線材を製造することも可能であるため、極めて魅力的な材料として位置付けられている。しかしながら、ＭｇＢ２線材の許容曲げ歪は約１．２％であり、ＮｂＴｉ線材よりも劣る。このため、ＭｇＢ２線材を用いて永久電流スイッチを作製する際、従来の巻線方法を適用すると、大型化してしまう課題がある。
【００１６】
特許文献１には、ビッカース硬さが８０以上の金属管にＭｇＢ２粉末を充填して線材加工することが記載されている。特許文献２においては、ＭｇＢ２粉末又はＭｇＢ２圧粉体をＣｕＮｉ合金間に詰めて減面加工した後、焼結熱処理をしてフィラメントを得ることが記載されている。更に、特許文献３においては、Ｃｕなどの金属管に熱処理によって生成したＭｇＢ２を封入した超電導体が記載されている。特許文献４には、ＭｇＢ２粉末を鉄パイプに充填し、粉末に熱処理及び引き抜き加工を施して減面加工することが記載されている。
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−３１０５７号公報
【特許文献２】特開２００２−３５２６４８号公報
【特許文献３】特開２００３−８９５１６号公報
【特許文献４】特開２００２−１５１３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
前記のような課題を解決し、高安定性、高信頼性を有する永久電流スイッチを実現すべく、ＮｂＴｉ及びＭｇＢ２の高性能化、ならびにＭｇＢ２の曲げ特性を向上させること等の検討が鋭意行われている。ところが、現状では、これらの技術課題をクリアできていない。
【００１９】
本発明の目的は、コンパクトかつ熱的な安定性に優れる永久電流スイッチ、超電導積層体及びそれらの製造法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者らは、前記課題を達成するため、新規の永久電流スイッチとその製造方法を見出した。その手段を以下に述べる。
【００２１】
上記目的は、金属で被覆したＭｇＢ２超電導線材を一方向に積み重ねて構成される永久電流スイッチにより達成できる。
【００２２】
また、前記ＭｇＢ２超電導線材の形状が平角またはテープ状である永久電流スイッチにより達成できる。また、前記ＭｇＢ２超電導線材の金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上の線材を用いた永久電流スイッチにより達成できる。また、前記ＭｇＢ２超電導線材の長さが１０ｍ以下で構成した永久電流スイッチにより達成できる。
【００２３】
更にまた、ＭｇＢ２超電導線材の金属被覆材端部を除去して超電導コア部を露出させる工程と、前記超電導線材の露出部分が互いに接触するように積み重ねる工程と、前記積み重ねた超電導線材の隙間にＭｇＢ２超電導体を配置する工程を備えた永久電流スイッチの製造方法を適用することにより達成できる。
【００２４】
ＭｇＢ２は他の金属系超電導材料と比較して臨界温度が高いことから安定性マージンが高くなるので、速やかな常電導転移、すなわちクエンチ現象が発生しにくい信頼性の高い永久電流スイッチを実現できる。
【００２５】
又、超電導線材を作製する製造工程中に超電導線材に対する加熱処理工程を一度も行わないようにすることで、製造コストが大幅に低減できると云う極めて大きな効果がある。
【００２６】
更に、充填粉末中にＭｇＢ２に対して、２〜３０体積％の銅、インジウム、錫、鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム、チタン、酸化珪素、炭化珪素、窒化珪素を、単独あるいはそれらを混合して添加すると臨界電流密度が向上する。特に、ナノオーダーまで粒径を細かくすると一層効果的である。
【００２７】
以下に本発明の代表的実施態様を整理して説明する。
【００２８】
本発明の第１の実施態様は、二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆を含み、該超電導体の一部が露出した平角又はテープ状等の長尺の超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導体が接続されるように積層・一体化した超電導積層体を回路内に備えた永久電流スイッチである。永久電流スイッチとしては、上記超電導積層体に加えて、この積層体の超電導状態を転移させる、熱的あるいは磁気的な手段が必要である。
【００２９】
この永久電流スイッチにおいて、上記積層体の隣接する線材間の隙間に二硼化マグネシウム超電体を充填して、超電導体間の接続を確保することが望ましい。また、上記金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上であるもの、例えばＳＵＳなどを用いることが望ましい。
【００３０】
更に、前記二硼化マグネシウム超電導線材の積層体を加圧保持する手段を設けることが望ましい。この手段によって、上記露出した超電導体間の接続を確保し、かつ超電導線材間の整列・平行の維持に貢献することができる。又、前記二硼化マグネシウム超電導線材の長さが１０ｍ以下、特に３ｍ以下、更には２ｍ以下にすることにより、永久電流スイッチを小型化することができる。
【００３１】
本発明は、二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆を含み、該超電導体の一部が露出した平角状又はテープ状等の長尺の超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導体が接続されるように積層・一体化した超電導積層体を提供するものである。
【００３２】
上記積層体の隣接する線材間の隙間に二硼化マグネシウム超電体を充填すること、前記二硼化マグネシウム超電導線材の金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上である物を用いること、前記積層体を加圧保持する手段を設けること、前記二硼化マグネシウム超電導線材の長さが１０ｍ以下であることも上述のとおりである。
【００３３】
本発明は又、二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆材を含む超電導線材の該金属被覆材の一部を除去して超電導コア部を露出させる工程と、前記超電導線材の露出部分が互いに接触するように、複数の超電導線材を積層する工程とを備えた超電導積層体の製造方法を提供する。この方法において、前記重ねた超電導線材の隙間に二硼化マグネシウム超電導体を充填する工程を施し、超電導体同士の接続を確保することが望ましい。また、前記超電導積層体を加圧保持する手段により、上記超電導線材の超電導体間の接続、あるいは線材間の整列を維持することが望ましい。
【００３４】
本発明による永久電流スイッチは、核磁気共鳴分析装置、医療用磁気共鳴診断装置、超電導電力貯蔵装置等の機器に適用すると効果的である。
【００３５】
上述したように、本発明によれば以下のような特性を備えた永久電流スイッチを提供することができる。
【００３６】
本発明による超電導積層体を用いた絵に級電流スイッチの特徴を整理すると以下のとおりである。
（１）永久電流スイッチのＯＮ時において電気抵抗が顕著に小さい。
（２）永久電流スイッチのＯＦＦ時において電気抵抗は十分に大きい。
（３）永久電流スイッチに十分な電流を安定に流すことができる。
（４）永久電流スイッチにおいて必要時以外に常電導転移しない
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、臨界温度，臨界磁場，臨界電流の高い二硼化マグネシウム超電導線を用いて永久電流スイッチを作製し、これと超電導コイルを短絡することにより、コンパクトな信頼性の高い永久電流スイッチが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明では永久電流スイッチにＭｇＢ２超電導線材を用いる。ＭｇＢ２超電導体は高い臨界温度，臨界磁場および臨界電流を有する線材を比較的容易に得ることができる。したがって、特に永久電流スイッチにＭｇＢ２超電導線材を用いれば、必要な電流を安定に流すことができ、信頼性および操作性が高い永久電流スイッチを提供することができる。
【００３９】
ＭｇＢ２超電導線材を作製する際に充填される粉末は、超電導粉末、前駆体粉末などが挙げられる。また、上述のように、２〜３０体積％の金属微細粉末に代表される第３元素を添加すると効果的である。
【００４０】
本発明における超電導粉末合成の熱処理温度は、２００〜１２００℃の範囲内が用いられる。また、必要に応じて窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス、酸素ガス等を単独或いは混合して熱処理を行う。さらに、必要に応じて、大気圧以上の圧力で加圧しながら熱処理を行う。
【００４１】
本発明において永久電流スイッチに用いたＭｇＢ２超電導線には、安定化材からなるシース中にＭｇＢ２超電導体の原料粉末を充填し、塑性加工を施す方法、いわゆるパウダー・イン・チューブ法によって作製されたものを用いることができる。このような方法において、金属被覆材としては室温におけるビッカース硬さが５０以上の金属を用いることが効果的である。室温でのビッカース硬さが５０以上の高強度金属の例としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ４３０、ハステロイＢ、ハステロイＣ、炭素鋼、インコネル、コバルト、タングステン、ニッケル、モリブデン、チタン、モネル、アルミ基合金、チタン基合金、ニッケル基合金、銅基合金、ニオブ基合金、マグネシウム基合金等がある。
【００４２】
永久電流スイッチの作製に必要な線材長さは、（１）式で表される。
【００４３】
ＯＦＦ時の抵抗×線材断面積／線材比抵抗−−−−−−−−−（１）
即ち、線材の比抵抗が高ければ、永久電流スイッチの線材長さを短くすることが可能で、抵抗が１０倍になれば、線材長さも１／１０にすることができる。一般に、金属の比電気抵抗とビッカース硬さとは比例関係にある。このため、上記したビッカース硬さが５０以上の金属は、比電気抵抗も比較的高いといえる。
【００４４】
線材の製造方法において、塑性加工には、伸線加工，溝ロール加工、ローラーダイス加工、静水圧プレス加工，圧延加工等がある。特に、伸線加工または圧延加工との組合せにより、丸断面線材，角断面線材またはテープ線材等が精度良く得られる。しかしながら、これらの方法以外にも、例えば溶射法、ドクターブレード法、ディップコート法、スプレーパイロリシス法、或いは、ジェリーロール法等で作製した線材を用いても、同等の超電導特性を得ることが可能である。なお、用いられる超電導線は、単芯線および多芯線のいずれでもよい。
【００４５】
上記の超電導線材は、超電導マグネットのほかに送電ケーブル、電流リード、ＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、ＳＭＥＳ装置、超電導発電機、超電導モータ、磁気浮上列車、超電導電磁推進船、超電導変圧器、超電導限流器等に用いることができる。
【００４６】
永久電流スイッチとつなぐ超電導コイルに用いる超電導材は、どのようなものでも構わない。例えば、ＮｂＴｉ，Ｎｂ３Ｓｎ，Ｎｂ３ＡｌまたはＶ３Ｇａ等の金属系超電導体、Ｂｉ−２２１２，Ｂｉ−２２２３，Ｙ−１２３等の酸化物超電導体、またはＭｇＢ２でも構わない。巻線方法としては、コイル自身の発生磁場をゼロにするために、無誘導巻きが適用される。
【００４７】
永久電流スイッチ機構には、熱式，磁気式等の機構を用いることができる。一般に、熱式のスイッチ機構がよく利用される。スイッチングに用いられる発熱体には、マンガニン線等の電気抵抗により発熱する材料を好ましく用いることができる。超電導スイッチの使用時には、発熱体は、電源回路と、発熱を制御する手段に接続される。発熱体は、超電導線に接触するように設けられてもよく、電気絶縁材料を介して超電導線上に設けられてもよい。
【００４８】
本発明における永久電流スイッチが液体ヘリウム，気体ヘリウム等の冷媒に接触させられる場合、発熱体は熱絶縁材によって覆われる。熱絶縁材は、冷却のための環境と、超電導線材および発熱体との間に適当な温度勾配を形成し、発熱体および線材が急激に冷却されないよう熱緩衝材としての役割を果たす。また熱絶縁材は、スイッチのＯＦＦ時に超電導線を十分加熱することができるように、発熱体を保護する。熱絶縁材には、たとえば、エポキシ樹脂等の樹脂材料，樹脂コンパウンド，シリコン系コンパウンド等を用いることができる。熱絶縁材には、使用する温度において好ましくは１０−２Ｗ／ｃｍ・Ｋ〜１０−６Ｗ／ｃｍ・Ｋの熱伝導率を有する材料を用いることができる。
【００４９】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。但し、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００５０】
（実施例１）
出発原料として、マグネシウム粉末（Ｍｇ；純度９９％）とアモルファス状ホウ素粉末（Ｂ；純度９９％）を用いて、マグネシウムとホウ素が原子モル比で１：２になるように秤量し、１０〜６０分間にわたって混合する。次に、この混合体を７００〜１０００℃の温度で、２〜２０時間にわたって熱処理し、ＭｇＢ２超電導体を作製する。このとき、大気圧以上の圧力を加えて熱処理することもある。得られた粉末のＸ線回折を行ったところ、強度比換算でＭｇＢ２超電導体が９５％以上含まれていることが分かった。ＭｇＢ２以外には、若干のＭｇＯ及びＭｇＢ４も含まれていた。
【００５１】
得られた混合粉末を外径５ｍｍ、内径４ｍｍの円形の断面形状を有するステンレス鋼パイプに充填する。この際、粉末状のまま充填すること以外に、プレス等によって作製した円柱状や角形状のロッドを充填しても構わない。これを、断面積の減少率３乃至２０％で伸線加工し、所定形状まで縮径する。必要に応じて、線材の横断面形状を楕円形、六角形、平角状又は丸形状の横断面形状に減面加工する。
【００５２】
本実施例では、厚さ０．２乃至０．５ｍｍ、幅２乃至５ｍｍのテープ状線材になるまで縮径加工した。図１に作製したＭｇＢ２超電導線材４の断面模式図の一例を示す。ＭｇＢ２超電導線材４は、金属被覆材５の中にＭｇＢ２超電導体６が充填又は内包されている。本実施例で使用する線材サイズは、厚さ０．４ｍｍ、幅３．７ｍｍである。なお、ここでは、線材加工時に熱処理や焼鈍等の加熱処理は全く行わなかった。なお、テープ状線材の厚さや幅、および厚みと幅の比率であるアスペクト比も限定されるものではなく、例えば丸形状あるいは丸に極めて近いものから、幅広の極薄テープまで様々な線材形状にしても差し支えない。しかし、平角状やテープ状のものは、線材の接触面積が大きく取れ、積層が容易であるので、好ましい形状である。
【００５３】
得られたＭｇＢ２超電導線４を３０ｍｍ長さに切断し、それらの端部を金属被覆材部分のみ除去した。図２（ａ）および（ｂ）に金属被覆５の除去工程を示す。金属被覆５の除去は、線材の端部から長さ方向に４ｍｍ、幅方向に３ｍｍとした。この際、片端は上面を、もう一方の端部は下面を除去した。図３において、黒い部分９が上面の金属被覆除去したことを示し、点線で示される部分１０が下面除去を示している。このように、線材の端部の両面に金属被覆の除去部を形成し、超電導体を露出する。
【００５４】
これらを図４のように超電導体同志が接続されるように、規則的に線材を一方向に積層する。金属被覆材を除去した線材接触部は、図２（ｂ）に示すように段差ができるので、積層体の端部に隙間１１が生じるが、そこにはＭｇＢ２粉末かＭｇＢ２成形体を挿入する。挿入後、全体に一軸プレスで加圧することにより、線材を用いた永久電流スイッチ７が作製できる。また、積層体を上下から保持手段を用いて加圧・保持することができる。積層体の積層数は、５層以上、特に７層以上２０層以下が好ましい。金属被覆の抵抗値が高いほど積層数を増やすことができる。
【００５５】
次に、永久電流スイッチとしての特性評価を行った。図５に超電導装置の概念図を示す。図において、超電導コイルに用いた超電導線は超電導材としてＮｂＴｉ、安定化材として銅を用いた直径１ｍｍのＮｂＴｉ超電導線８である。これをアルミニウム合金製ボビン９に巻き、内径５０ｍｍφ，外径７６ｍｍφ，高さ７９．５ｍｍのソレノイドコイルとした。巻線間の絶縁は、エナメル絶縁によって行った。ソレノイドコイルのターン数は８００ターン，２０Ａの電流を流したときの中心磁場は０．１Ｔであった。
【００５６】
永久電流スイッチ７２は、上述のようにＭｇＢ２線材を用いて作製した。３０ｍｍ長さに切断した線材を１００枚積層したので、線材全長は３ｍである。永久電流スイッチとしては極めて小型のサイズである。積層したＭｇＢ２超電導線の上からエポキシ系樹脂を用いた絶縁材１０を塗り、その上にマンガニン線１１を巻回している。マンガニン線には銅線１２，１３を接続し、銅線には外部のヒータ電源を接続できる構造である。
【００５７】
ＭｇＢ２超電導線４，ＮｂＴｉ超電導線８，電流リード線１４，１５は超電導線接続部１６，１７において接続されている。また、電流リード線１４，１５の他端には励磁用電源を接続できる構造である。
【００５８】
以上のように構成された構造体を液体ヘリウムに浸漬し、銅線１２，１３を介してマンガニン線１１に電流を流して加熱を行い、永久電流スイッチとして働く部分のＭｇＢ２超電導線を常電導状態（４０Ｋ以上の温度）に転移させた。その状態で電流リード線１４，１５を介してソレノイドコイルに電源より電流を流した。ソレノイドコイルが励磁されたら、マンガニン線１１による加熱をやめ、スイッチの部分のＭｇＢ２超電導線４を超電導状態に戻した。
【００５９】
この状態で励磁電源を取り外した結果、永久電流モードの状態が得られた。このときの接合部の電気抵抗は０．０５ｎΩ以下であった。一方、超電導線接続部１６，１７において超電導コア同士の接続に鉛−錫ハンダを用いた場合、電気抵抗の測定値は約２０ｎΩであった。このように本発明によれば、接合による電気抵抗を著しく低減することができた。
【００６０】
本実施例は、ＭｇＢ２超電導線４の被覆材として、ステンレス鋼を用いた検討結果であったが、例えばビッカース硬さが５０以上の金属をシース材として使用した場合にも、上記と同様の結果が得られることを確認した。
【００６１】
以上述べたように、金属で被覆したＭｇＢ２超電導線４の端部を除去して超電導コアを露出させ、それらを一方向に積み重ねることにより、優れた特性を持つ永久電流スイッチが作製できた。
【００６２】
（実施例２）
実施例１で述べたＭｇＢ２超電導線４の線材形状を変えて、同様の永久電流スイッチ７を作製し、永久電流スイッチとしての歩留まりを検討した。本実施例では、線材の形状を丸形状、平角状、テープ状の３種類とした。サイズは、丸形状線材が直径１ｍｍ、平角状線材が厚さ１．１ｍｍ、幅２．２ｍｍ、テープ状線材は厚さ０．４５ｍｍ、幅３．６ｍｍである。
【００６３】
永久電流スイッチとしての歩留まり算出法は、図４と同様の永久電流スイッチを作製し、その後、図５に示す配線を行い、接合部の電気抵抗を測定した。この際、０．１ｎΩ以下の電気抵抗であれば、合格とした。図５において、１はＮｂＴｉ超電導線、９はアルミニウム合金製ボビン、１０は絶縁材、１１はマンガニン線、１２は銅線、１３は銅線、１４は電流リード線、１５は電流リード線、１６は超電導線接続部、１７は超電導線接続部である。
【００６４】
その結果、丸形状では歩留まりが７５％であったのに対して、平角状では９７％、テープ状では９９％まで向上した。以上のように、ＭｇＢ２超電導線４の形状は、平角またはテープ状であることが効果的であることを明らかにした。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の超電導線材の断面模式図。
【図２】本発明における超電導線材の金属被覆材の除去工程を説明する外観模式図。
【図３】本発明における積層体の展開斜視図。
【図４】本発明の永久電流スイッチ用超電導積層体を示す側面斜視図。
【図５】本発明の超電導積層体を用いた永久電流スイッチを備えた超電導装置の概念図。
【図６】永久電流スイッチ付超電導コイルを説明する回路図。
【符号の説明】
【００６６】
１…超電導マグネット、２…永久電流スイッチ、３…電源、４…超電導線材、５…金属被覆材、６…ＭｇＢ２超電導体、８…ＮｂＴｉ超電導線、９…アルミニウム合金製ボビン、１０…絶縁材、１１…マンガニン線、１２…銅線、１３…銅線、１４…電流リード線、１５…電流リード線、１６…超電導線接続部、１７…超電導線接続部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二硼化マグネシウム超電導線材とそれを被覆する金属被覆を含み、該超電導線材の一部が露出した長尺の超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導線材が接続されるように積層・一体化した超電導積層体を回路内に備えたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の永久電流スイッチであって、上記積層体の隣接する線材間の隙間に二硼化マグネシウム超電体を充填したことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久電流スイッチであって、前記二硼化マグネシウム超電導線材の金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上であることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の永久電流スイッチであって、前記積層体を加圧保持する手段を設けたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の永久電流スイッチであって、前記二硼化マグネシウム超電導線材の長さが１０ｍ以下であることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項６】
二硼化マグネシウム超電導線材とそれを被覆する金属被覆を含み、該二硼化マグネシウム超電導線材の一部が露出した長尺の超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導線材が接続されるように積層・一体化した超電導積層体。
【請求項７】
請求項６に記載の超電導積層体であって、上記積層体の隣接する二硼化マグネシウム超電導線材間の隙間に二硼化マグネシウム超電体を充填したことを特徴とする超電導積層体。
【請求項８】
請求項６または７に記載の超電導積層体であって、前記二硼化マグネシウム超電導線材の金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上であることを特徴とする超電導積層体。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の永久電流スイッチであって、前記積層体を加圧保持する手段を設けたことを特徴とする超電導積層体。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれかに記載の超電導積層体であって、前記二硼化マグネシウム超電導線材の長さが１０ｍ以下であることを特徴とする超電導積層体。
【請求項１１】
二硼化マグネシウム超電導線材の金属被覆材端部を除去して超電導コア部を露出させる工程と、前記超電導線材の露出部分が互いに接触するように積み重ねる工程と、前記積み重ねた超電導線材の隙間に二硼化マグネシウム超電導体を配置する工程を備えた永久電流スイッチの製造方法。
【請求項１２】
二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆材を含む超電導線材の該金属被覆材の一部を除去して超電導コア部を露出させる工程と、前記超電導線材の露出部分が互いに接触するように、複数の超電導線材を積層する工程とを備えたことを特徴とする超電導積層体の製造方法。
【請求項１３】
更に、前記積層した超電導線材の隙間に二硼化マグネシウム超電導体を充填する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の超電導積層体の製造方法。
【請求項１】
二硼化マグネシウム超電導線材とそれを被覆する金属被覆を含み、該超電導線材の一部が露出した長尺の超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導線材が接続されるように積層・一体化した超電導積層体を回路内に備えたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の永久電流スイッチであって、上記積層体の隣接する線材間の隙間に二硼化マグネシウム超電体を充填したことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久電流スイッチであって、前記二硼化マグネシウム超電導線材の金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上であることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の永久電流スイッチであって、前記積層体を加圧保持する手段を設けたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の永久電流スイッチであって、前記二硼化マグネシウム超電導線材の長さが１０ｍ以下であることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項６】
二硼化マグネシウム超電導線材とそれを被覆する金属被覆を含み、該二硼化マグネシウム超電導線材の一部が露出した長尺の超電導線材を、複数個積層して、隣接する線材の露出した上記超電導線材が接続されるように積層・一体化した超電導積層体。
【請求項７】
請求項６に記載の超電導積層体であって、上記積層体の隣接する二硼化マグネシウム超電導線材間の隙間に二硼化マグネシウム超電体を充填したことを特徴とする超電導積層体。
【請求項８】
請求項６または７に記載の超電導積層体であって、前記二硼化マグネシウム超電導線材の金属被覆材の室温でのビッカース硬さが５０以上であることを特徴とする超電導積層体。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の永久電流スイッチであって、前記積層体を加圧保持する手段を設けたことを特徴とする超電導積層体。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれかに記載の超電導積層体であって、前記二硼化マグネシウム超電導線材の長さが１０ｍ以下であることを特徴とする超電導積層体。
【請求項１１】
二硼化マグネシウム超電導線材の金属被覆材端部を除去して超電導コア部を露出させる工程と、前記超電導線材の露出部分が互いに接触するように積み重ねる工程と、前記積み重ねた超電導線材の隙間に二硼化マグネシウム超電導体を配置する工程を備えた永久電流スイッチの製造方法。
【請求項１２】
二硼化マグネシウム超電導体とそれを被覆する金属被覆材を含む超電導線材の該金属被覆材の一部を除去して超電導コア部を露出させる工程と、前記超電導線材の露出部分が互いに接触するように、複数の超電導線材を積層する工程とを備えたことを特徴とする超電導積層体の製造方法。
【請求項１３】
更に、前記積層した超電導線材の隙間に二硼化マグネシウム超電導体を充填する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の超電導積層体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２２８７９７（Ｐ２００６−２２８７９７Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３７５８１（Ｐ２００５−３７５８１）
【出願日】平成１７年２月１５日（２００５．２．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度 文部科学省、長尺線材作製技術の開発に関する委託研究、産業再生法第３０条の適用を受けるもの
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１５日（２００５．２．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度 文部科学省、長尺線材作製技術の開発に関する委託研究、産業再生法第３０条の適用を受けるもの
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
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