超電導線材の接続部及び超電導線材の接続方法
【課題】高い通電特性を有する超電導線材の接続部、及び超電導マグネットなどの超電導機器を提供することにある。
【解決手段】複数本の超電導線材と、複数の超電導線材を一体化する焼結体を備える超電導接続部であって、前記超電導線材の少なくともいずれかがＭｇＢ2超電導線材であり、前記焼結体にＭｇＢ2を含み、前記焼結体が超電導線材の突出方向と異なる方向から加圧されたものである。またこのような接続部を形成するため、焼結体を構成するための原料粉末を導入するための開口部と、超電導線材を挿入するための開口部を備えた加圧容器を用い、これらの開口部が異なる方向に向いていることを特徴とする。その結果、焼結体にＭｇＢ2が高密度に充填され、粒間結合性が良好な接続構造となる。
【解決手段】複数本の超電導線材と、複数の超電導線材を一体化する焼結体を備える超電導接続部であって、前記超電導線材の少なくともいずれかがＭｇＢ2超電導線材であり、前記焼結体にＭｇＢ2を含み、前記焼結体が超電導線材の突出方向と異なる方向から加圧されたものである。またこのような接続部を形成するため、焼結体を構成するための原料粉末を導入するための開口部と、超電導線材を挿入するための開口部を備えた加圧容器を用い、これらの開口部が異なる方向に向いていることを特徴とする。その結果、焼結体にＭｇＢ2が高密度に充填され、粒間結合性が良好な接続構造となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）を用いた超電導線材（ＭｇＢ2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。
【背景技術】
【０００２】
ＭｇＢ2は臨界温度が３９Ｋと高く、また永久電流モードで運転したときの磁場安定度が高い超電導材料である。ＭｇＢ2線材同士、もしくはＭｇＢ2線材をＮｂＴｉ線やＮｂ3Ｓｎ線など、他の超電導線材と接続する方法として、下記のような方法が提案されている。
【０００３】
特開２００６−１７４５４６号公報（特許文献１）には、超電導はんだを用いるＭｇＢ2超電導線材の接続方法が記載されている。超電導はんだを用いる超電導線材の接続方法は、ＮｂＴｉ線などの他の超電導線材の接続にも使用されている。
【０００４】
特開２００３−２２７１９号公報（特許文献２）には、ＭｇＢ2線材をパイプに挿入し、ＭｇＢ2粉末を充填し、圧着するＭｇＢ2超電導線材の接続方法が記載されている。また、ＭｇＢ2粉末の粒子間の結合性を向上するため、低融点の金属を混合する方法が記載されている。
【０００５】
W. Yao et al．“A Superconducting Joint Technique for MgB2 Round Wires”，IEEE Transaction on Applied Superconductivity, Vol. 19, No. 3, (2009)（非特許文献１）には、ＭｇとＢの混合粉末を含む線材もしくはＭｇＢ2線材を筒状の容器に挿入し、線材と逆側からＭｇとＢの混合粉末を充填・加圧し、熱処理をすることで、ＭｇＢ2を生成させ、ＭｇＢ2線材を接続する方法が記載されている。ＭｇＢ2線材の周囲に、ＭｇＢ2が生成していない状態のＭｇとＢの混合粉末を充填し、熱処理をすることで、粒間結合性の良いＭｇＢ2焼結体を生成させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１７４５４６号公報
【特許文献２】特開２００３−２２７１９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】W. Yao et al．“A Superconducting Joint Technique for MgB2 Round Wires”，IEEE Transaction on Applied Superconductivity, Vol. 19, No. 3, (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の超電導はんだを使用する方法の場合、超電導はんだの臨界温度が〜９Ｋであるため、１０Ｋ以上では使用できない。従って、超電導はんだを用いてＭｇＢ2線材の接続を行うと、１０Ｋ未満の状態での使用が必要となり、ＭｇＢ2の高い臨界温度（３９Ｋ）を活かすことができない。
【０００９】
特許文献２に記載のＭｇＢ2粉末を使用する方法の場合、生成済みのＭｇＢ2粉末を充填するため、ＭｇＢ2粒間の結合性が悪く、装置の高性能化に必要とされる通電特性が得られにくい。ＭｇＢ2粒間の結合性を良くするのに手間がかかるという問題がある。
【００１０】
非特許文献１に記載のＭｇとＢの混合粉末を使用する方法では、線材挿入方向の逆側から粉末を充填し、加圧するため、加圧した付近が最も高密度化され、加圧部分から離れるに従って密度が低下する。加圧部分と線材端部が離れていると粉末密度は低く、逆に近づけても加圧したときに線材が曲がってしまい、高密度化することができない。従って、線材端部近傍のＭｇとＢの粉末密度を高めにくいという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、上記のような課題を解決し、高い通電特性を備えたＭｇＢ2超電導線材の接続を達成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の超電導線材の接続部は、複数の超電導線材と、ＭｇＢ2を含む加圧焼結体とを備え、前記加圧焼結体は前記複数の超電導線材の間に充填されており、前記加圧焼結体は複数の開口部を有する加圧容器で覆われていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の超電導線材の接続方法は、超電導線材を挿入する第一の開口と、該第一の開口と少なくとも一部がつながった加圧のための第二の開口を備えた加圧容器を用い、接続される複数の超電導線材を第１の開口より加圧容器に挿入するとともに、該加圧容器にマグネシウム粉末またはマグネシウム合金粉末と、ホウ素粉末とを充填し、第二の開口より充填した粉末及び線材を加圧することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上記のような構成とすることにより、超電導接続部の通電性能の向上を達成しうる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】超電導マグネットの構成を示す図。
【図２】超電導線材の接続に用いる加圧容器の例。
【図３】超電導線材の接続部の例。
【図４】超電導線材の接続部の例。
【図５】ネジで加圧する加圧容器の例。
【図６】超電導線材の端部の断面形状の例。
【図７】超電導線材の端部の断面形状の例。
【図８】拡散法によるＭｇＢ2生成の概念図。
【図９】線材の挿入方向が異なる場合。
【図１０】線材を対向方向から挿入し、端部断面を近づけた例。
【図１１】線材を対向方向から挿入し、端部断面を近づけた例。
【図１２】分割可能な加圧容器の例。
【図１３】熱処理後に容器を取り外した場合の接続構造の断面図。
【図１４】マイクロ波焼結を行う加圧容器の例。
【図１５】加圧後にマイクロ波焼結を行う接続部の例。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上述の通り、今回の超電導線材の接続構造は、ＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物を含む複数本の線材を、容器に挿入し、該容器にＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物の粉末を充填して加圧し、熱処理をすることで接続部においてＭｇＢ2を生成させており、このような容器において、超電導線材を挿入する穴とは別に、粉末を加圧するための穴を有し、それらの穴の方向が異なるように配置することで特性の向上を図るものである。
【００１７】
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。
【００１８】
従来の超電導マグネット装置では、一般にＮｂＴｉやＮｂ3Ｓｎの超電導線材が使用されており、超電導線材の接続にはＰｂＢｉ合金に代表される超電導はんだが使用される。
これらの線材の接続技術は確立されている。しかし、ＮｂＴｉやＮｂ3Ｓｎの超電導線材を用いた超電導マグネット装置の多くは、これらの線材の臨界温度以下に超電導マグネット装置を冷却するため、液体ヘリウムを用い４.２Ｋに冷却している。
【００１９】
二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）の特長は常電導から超電導、超電導から常電導に転移する臨界温度が高いことである。ＭｇＢ2の臨界温度は３９Ｋであり、従来の金属系材料よりも高い。また、酸化物系材料には臨界温度が高いものもあるが、永久電流モードで運転したときの磁場安定度が低いという課題がある。
【００２０】
超電導マグネット装置の超電導線材として二ホウ化マグネシウムを用いたＭｇＢ2線材を用いる場合、高い磁場安定度が期待される。また、１０Ｋ以上で運転することができれば、極低温への冷却が不要になるので、液体ヘリウムを使用しない冷凍機冷却のマグネット装置として実用化が期待されている。
【００２１】
しかしながら上述の通り、閉回路を達成するためには二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）を用いた超電導線材（ＭｇＢ2線材）を他のＭｇＢ2線材、もしくはＮｂＴｉやＮｂ3Ｓｎなどの他の超電導線材と接続する接続部で、ＭｇＢ2を介して接続するとともに、高い通電特性を備える必要が生じる。
【００２２】
本発明の超電導線材の接続構造は、複数本の超電導線材と、複数の超電導線材を一体化する焼結体を備える超電導接続部であって、前記超電導線材の少なくともいずれかがＭｇＢ2を超電導材として有するＭｇＢ2超電導線材であり、前記焼結体にＭｇＢ2を含み、前記焼結体が超電導線材の突出方向と異なる方向から加圧されたものである。つまり、ＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物を含む複数本の線材を、加圧容器に挿入し、該容器にＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物の粉末を充填して加圧し、熱処理をすることでＭｇとＢを反応させ、ＭｇＢ2を生成させた接続部を有する超電導線材の接続構造である。またこのような接続部を形成するため、加圧容器には超電導線材を挿入する穴と粉末を加圧するための穴を有し、それらの穴が異なる方向から開けられている。焼結体を構成するための原料粉末を導入するための開口部と、超電導線材を挿入するための開口部を備えた加圧容器を用い、これらの開口部が異なる方向に向いていることを特徴とする。
このような方法で得られる接続部では、焼結体は前記超電導線材の突出する方向と異なる方向より加圧されており、加圧容器の超電導線を挿入した開口部からは超電導線が突出しており、加圧部材を挿入した開口部からは超電導線が突出していない形状となる。その結果、焼結体にＭｇＢ2が高密度に充填され、粒間結合性が良好な接続構造となる。
【００２３】
ＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物を含む複数本の線材を、容器に挿入し、該容器にＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物の粉末を充填して加圧し、熱処理をすることで接続部においてＭｇＢ2を生成させ、超電導線材の接続を行う。このような加圧容器に超電導線材を挿入する第一の穴とは別に粉末を加圧するための第二の穴を設け、これらの穴の方向が異なる方向（直線上に対向しない方向）とする。その結果、超電導線材の線材端部近傍を加圧でき、接続部の密度を高くして通電特性の向上が可能となる。
【００２４】
従って接続部にＭｇとＢの混合粉末が高密度に充填され、焼結により粒間結合性が良好なＭｇＢ2が生成されるため、ＭｇＢ2生成後に高い通電特性の接続構造を実現可能となる。
【００２５】
加圧容器は、異なる方向に開いた開口部が内部で結合している形状とすることが好ましい。例えば、非特許文献１に記載されている技術と、特許文献２に記載されている技術とを組み合わせ、パイプに線材を挿入し、反対方向からＭｇＢ2が生成していない状態のＭｇとＢの混合粉末を充填し、線材と共に熱処理をする方法も考えられる。この場合、同じ軸方向上で二つの開口部を有する加圧容器を用いたともいえる。しかしながらこの方法では、パイプを圧着した場合、粉末は加圧方向と直交する方向に広がってしまうため、線材端部近傍のＭｇとＢの粉末密度は高くなりにくい。
【００２６】
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、接続部におけるクエンチが抑制され、安定した運転が可能である。図１は超電導マグネットを表す図である。図１の超電導マグネットは、冷却容器３６の内部に超電導コイル３２と永久電流スイッチ３３が配置されており、これらが共通の支持板３５で一体化されている。超電導接続部３１は、超電導コイル３２と、永久電流スイッチ３３の間に２箇所設けられている。
【実施例１】
【００２７】
接続される少なくとも一方の超電導線材は、ＭｇＢ2やその添加物よりなり超電導特性を示す線材、ＭｇＢ2の原料粉を有し、加熱など加工することにより超電導特性を示す線材のいずれかである。このような線材を他の線材と接続する場合には、線材の周囲にＭｇ粉末またはＭｇ化合物粉末と、Ｂ粉末またはＢ化合物粉末とを配置し、加圧焼結してＭｇＢ2化する。本実施例は、異なる種類の超電導線材の接続にも使用できる。接続される超電導線材は、上記のＭｇＢ2超電導線材の他、一方をＮｂＴｉ線やＮｂ3Ｓｎ線などとすることができる。また、本実施例は、一体の超電導フィラメントを有する単芯線のみならず、内部に複数の超電導フィラメントを有する多芯線にも適用可能である。
【００２８】
線材の原料粉として、Ｍｇ合金粉末を使用することが好ましい。通常ＭｇＢ2生成のためには５００℃以上で熱処理をするが、生成したＭｇＢ2は５００℃以上で再熱処理されることにより劣化することがある。そのため、５００℃以下で熱処理をすることが望ましい。Ｍｇ合金の融点はＭｇ単体よりも低いため、５００℃以下の条件でＭｇ合金とホウ素を反応させてＭｇＢ2を生成することができる。従ってＭｇ合金を使用することにより、既に生成しているＭｇＢ2を劣化させないため好ましい。例えばＭｇ2Ｃｕの融点は約５７０℃であり、ホウ素とは４５０℃程度で反応させることができ、ＭｇＢ2を得られる。
【００２９】
原料粉として、ＭｇＢ2粉末を加えてもよい。ただし、全量をＭｇＢ2粉末とすると、加圧焼結しても結着性が低く通電性能が得られないので、少なくとも加圧焼結体の原料の一部として、Ｍｇ粉及びＢ粉を使用する必要がある。
【００３０】
超電導線材は、通常、内部の超電導フィラメントと、フィラメントを保護するシースを有する。接合部で、超電導線材のシースを除去し、内部の超電導フィラメントを露出させるか否かは場合による。ＭｇＢ2線のシース材として銅や銅合金を使用している場合、Ｃｕと接続用のマグネシウムが反応してしまう。従って、シース材によっては事前に除去することが好ましい。Ｆｅやステンレスをシース材として使用している場合には、Ｍｇとは反応を生じにくいため、そのまま残した状態で加圧，焼結しても問題が少ない。
【００３１】
接続部を構成するためのＭｇＢ2の原料粉は、上記ＭｇＢ2線材の場合と同様にＭｇ粉末またはＭｇ化合物粉末と、Ｂ粉末またはＢ化合物粉末とを使用する。この場合に、Ｍｇ合金を使用したり、ＭｇＢ2粉末を原料として混合することが可能である点も同様である。また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できる。
【００３２】
図２は、超電導線材の接続に用いる容器の断面図（正面図，上面図，側面図）を示している。容器１には、超電導線材を挿入するための穴２と、粉末を充填・加圧するための穴３が設けられている。穴２と穴３の方向が同一の場合、粉末を加圧したときに、線材が曲がってしまい、線材端部の粉末密度を高めることができない。そこで、図２に示すように穴２と穴３の方向を直交させることで、加圧したときに穴３の底面に線材が押し付けられるため、線材端部付近の粉末密度を高めることができる。穴２と穴３の角度は直交でなくても構わないが、線材を曲げないためには、６０度以上であることが望ましい。
【００３３】
図２の容器１には、２本の線材を挿入することを想定しているため、線材を挿入するための穴２を２つ設けている。穴２と線材の隙間をできるだけ小さくして、粉末を加圧する際に粉末が漏れないようにすること、また線材をしっかり固定することを考慮すると、各線材に対して一つずつ穴２を空けておくことが望ましい。なお、線材の本数が増えれば、その分穴２が必要となる。接続する線材を一の開口部にすべて一緒に挿入できるように、穴２を大きく空けておいても構わない。また、図２では、穴２は同じ方向から２つ並べて空けている。線材を加圧容器に入れるとき、同方向から挿入すると、スペースに無駄が生じにくく、作業性が良く、また熱処理などの作成工程が容易になる。なお、線材の挿入方向は変更可能であり、それについては後述する。
【００３４】
粉末を充填するための穴３は、充填時の作業性を考慮して、入り口がテーパとなっていることが望ましい。
【００３５】
ＭｇＢ2線材を使用する場合、加圧容器には、ＭｇＢ2線材を入れてから粉末を入れることが好ましい。ＭｇＢ2線はもろく、粉末を入れてから線材を入れ、線材側を加圧すると折れやすい。なお、粉末を少量入れ、その後に線材を挿入し、さらに粉末をいれてもよい。線材の上下に加圧焼結体ができ、接続性を高くすることができる。
【００３６】
接続部の作製手順は以下の通りである。まず容器１に線材を挿入する。このときの線材は、ＭｇとＢが未反応の線材とＭｇＢ2生成済み線材のどちらでも構わない。線材挿入後、ＭｇとＢを含む粉末を充填し、加圧するための部材６によって加圧する。
【００３７】
図３は、図２に示した加圧容器を使用して接続を作製する途中の断面図である。図３は部材６をプレス機で押し込む加圧方法に関する図である。部材６の材質は、硬い材料であれば良く、ステンレスや鉄等が考えられる。加圧後は、図４に示すように加圧するための部材６を抜いてしまっても構わない。抜いた場合、加圧部材６を何度も再利用することが可能である。
【００３８】
図５は、穴３および部材６にネジを切っておき、ネジで加圧する加圧方法に関する図である。ネジ加工をしておくことにより、プレス機が不要となり、簡便に加圧が可能となる。
【００３９】
高い通電特性を得るためには、線材端部と接続部のＭｇＢ2焼結体の結合性が重要となるため、線材端部の断面形状を広くした方が良い。図６および図７は、線材端部付近の断面図である。図６は線材端部の一部分を長さ方向に対して平行に削り取った場合である。
図７は、線材端部を斜めに切断した場合である。このような形状とすることで、いずれの場合も線材の端部断面の面積が線材の長さ方向に対して垂直に切断した断面の面積よりも広くなり、線材断面のＭｇＢ2部分と接続部のＭｇＢ2焼結体との接触面積を大きくすることができる。図６と図７を比べると、加工は図７の方が容易であり、早くできるが、図６の例では線材の断面が長さ方向に一部削られているため、断面積は図６の方が広い。ただし、いずれの方法についても、断面を露出させる部分が接続部分からはみ出てしまうと、線材としての通電面積が減少してしまうため、はみ出ないように注意が必要である。また図６，図７の例では、線材が単芯線の場合であるが、多芯線についても同様である。
【００４０】
また、図６，図７に示すように、線材断面が粉末を加圧する加圧部材を挿入する方向を向くように固定し、加圧した粉末が線材断面に対して押し付けられるようにすることが望ましい。
【００４１】
次に加圧した粉末を加熱し、ＭｇＢ2を生成させる。ＭｇＢ2を生成させるための熱処理は通常、電気炉を用いて、真空中もしくはＡｒ，Ｎ2などの不活性ガス中で、５００℃〜８００℃に設定する。挿入した線材のＭｇとＢが未反応であった場合、接続部と同時にＭｇＢ2が生成する。熱処理中に容器１がＭｇやＢと反応しないように、容器１の材質としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａもしくはそれらの合金を使用できる。これらの単体金属よりなるもの、または、ステンレスやＮｂＴｉなどの合金よりなるものであることが望ましい。
【００４２】
また、ＭｇＢ2はもろいため、熱処理後はできるだけ動かさない方が良い。そのために、容器１と超電導線材４を樹脂、もしくははんだ７で固定することが望ましい。線材と加圧容器との固定は、熱処理後に行う。熱処理温度は高温であるため、はんだや樹脂は溶融するためである。
【００４３】
加圧，熱処理により、接合部にはＭｇＢ2を含む加圧焼結体が生成する。本実施例のような方法で製造しているため、加圧焼結体の加圧方向と、線材の軸方向とは一致していない。加圧焼結体は、加圧面が広い扁平形状であることが好ましい。加圧焼結体の加圧方向には密度分布ができ、加圧表面の密度が高く、深部になると密度が低い勾配がある。加圧部で高密度であり、内部で低めになり、底面（加圧面の反対側）で高密度となると考えられる。加圧面と底面が近い扁平形状では、密度勾配が少なくなり、焼結体内部の密度を高くできる。加圧面の面積に対し、法線方向の任意の断面の断面積が小さい状態の薄板とすることが好ましい。
【実施例２】
【００４４】
本実施例は、実施例１のような接続構造とすることに加え、さらに接続部の体積密度を向上させる方法に関する例である。
【００４５】
接続部の粉末密度を高めるための方法として、ＭｇとＢの混合粉末からＭｇＢ2を生成させるときの体積減少を抑えることが有効である。ＭｇとＢを１：２のモル比で混合したときの密度は１.９ｇ／cm3であるのに対し、ＭｇＢ2の密度は２.６ｇ／cm3である。つまり、ＭｇとＢの混合粉末を容器の体積に対して１００％充填しても、ＭｇＢ2生成後にはＭｇＢ2の理論密度の約７０％に減少する。ＭｇＢ2は、Ｍｇ粉末が溶けて、Ｂ粉末へ拡散して生成される。そのときに体積が減少するためＭｇが存在していた部分が空隙となる。
実際にはＭｇとＢの混合粉末を加圧しても、充填率は最大で８０％程度であるため、加熱後のＭｇＢ2の充填率としては５０〜６０％になる。上記のような体積の減少による接続部の通電特性を抑えるための方法として、以下３つの方法が考えられる。
【００４６】
一つ目は、熱処理中に加圧する方法である。粉末を充填し、加圧した後、加圧用部材６を取り外さず、熱処理中も加圧用部材６にさらに荷重をかけておく。その結果、ＭｇとＢが反応して生じる空隙を減少させることができる。
【００４７】
二つ目は、ＭｇとＢの混合粉末に、最初からＭｇＢ2粉末を加えておく方法である。ＭｇＢ2の体積は加熱の前後で減少しないため、最初からＭｇＢ2が存在することで、ＭｇＢ2生成時の体積減少が緩和される。ただし、最初に混合するＭｇＢ2の割合が多すぎると粒間の結合性が悪化してしまうので、その割合を適切に調節する必要がある。
【００４８】
三つ目は、Ｍｇ粉末とＢ粉末とを別々に充填し、ＭｇをＢの部分へ拡散させる方法（拡散法によるＭｇＢ2の生成）である。図８（容器と加圧部材は省略）に示すように、まず容器に線材を挿入し、Ｂ粉末１２を充填，加圧する。次にＭｇ１１を充填する。Ｍｇは熱処理中に溶けてＢへ拡散するため、充填可能な形状であれば、粉末でも塊でも構わない。
その後熱処理することにより、加圧されたＢの充填部分へＭｇが拡散し、ＭｇＢ2が生成する。その結果、超電導線材の端部の近傍には空隙の少ない高密度なＭｇＢ2接続部を形成できる。
【００４９】
これらの方法で接続部を作製することにより、超電導線材の加圧焼結体の密度を通常の混合の場合（７０％）以上とすることができる。
【実施例３】
【００５０】
線材を挿入する方向は、必ずしも同一である必要はなく、適用するマグネットにおける配線の方向に応じて柔軟に変更することができる。各線材の挿入方向を異なるものとすることにより、配線の方向に合わせて接続可能となる。
【００５１】
図９は、対向する方向に、線材を挿入する穴２をそれぞれ備えた加圧容器の例である。
二本の線材を加圧容器の左右から挿入し、中央部の加圧部分で突きあわせて、上部の加圧用の穴３から入れられた粉末で一体化する。
【００５２】
また線材の挿入方向を対向する方向にすることにより、図１０，図１１のように線材断面同士を極力近づけることも可能である。線材断面の面積を大きくするとともに、互いに断面を合わせる事により通電性能を向上させることができる。
【実施例４】
【００５３】
本実施例は取り外しの可能な加圧容器を使用し、加圧容器を除去する例である。実施例１において、熱処理後に、容器１は必ずしも必要ではない。容器１を、熱処理後に分解可能な構造にしておけば、ＭｇＢ2超電導線材および接続部のＭｇＢ2焼結体のみを取り外すことが可能である。そうすることで、加圧・熱処理をするための容器１を、再利用することが可能となる。
【００５４】
図１２に取り外しの可能な加圧容器を示す。図１２は、線材が挿入される穴２と同じ高さで分かれる二つの部材よりなり、上下に分割可能である。上下の各部材に設けられたネジ穴２３により、ネジで締結して、粉末，線材を加圧・焼結する。加圧焼結の後、容器を取りはずし線材と加圧焼結体を備える接続部のみとする。なお、加圧容器を分割する場合には上下に限らず、左右に分割してもよい。ただし、線材を挿入する穴２が断面上に配置される位置で分割することが好ましい。
【００５５】
容器を取り外した場合、加圧するときの容器とは異なる部材で接続部が覆われていることが好ましい。ＭｇＢ2焼結体はもろいため、保護するために周囲を樹脂等、ＭｇＢ2焼結体保護用の部材１０で覆う。そのときの接続構造の断面図を図１３に示す。樹脂などで加圧焼結体を覆うことにより、加圧焼結体を保護することができる。また、ＭｇＢ2の酸化劣化を防止できる。
【実施例５】
【００５６】
本実施例では、接続される超電導線材として、少なくとも一方に生成済みＭｇＢ2線材を使用し、他の超電導線材と接続する場合の例について説明する。接続する線材がＭｇＢ2生成済みであった場合、接続部の生成のため、再度熱処理されることにより、線材の通電特性が劣化する恐れがある。それを防ぐための方法として、以下二つの方法が考えられる。
【００５７】
一つ目は、接続部のＭｇＢ2焼結体の原料粉末として、Ｍｇよりも融点が低い、Ｍｇ合金を用いる方法である。それにより、ＭｇＢ2の生成温度を引き下げることが可能となる。Ｍｇの融点は約６５０℃であり、マグネシウム単体とホウ素の反応は約５００℃で生じる。従って、Ｍｇ粉末を接続部に使用した場合、５００℃以上で熱処理する必要がある。
一方、Ｍｇ合金の融点はＭｇ単体よりも低いため、５００℃以下の熱処理でＭｇＢ2が生成する。
【００５８】
低融点合金粉末の使用により、超電導線材の特性を劣化させることなく接続することが可能となる。使用するＭｇ合金は、Ｍｇよりも融点が低く、また熱処理中にＢと反応しないことが必要である。Ｃｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎなどのマグネシウム合金が候補として考えられる。
【００５９】
Ｍｇ−Ｃｕ合金であるＭｇ2Ｃｕの融点は約５７０℃であり、ホウ素とは４５０℃程度で反応させることができ、ＭｇＢ2を得られる。それにより、既に生成しているＭｇＢ2の劣化を防ぐことができる。
【００６０】
ＭｇＢ2の劣化を防ぐ二つ目の方法は、マイクロ波によって粉末充填部を選択的に加熱し、焼結する方法である。通常、焼結を行う場合、ある程度の長さの超電導線材も併せて加熱される。その結果、線材の劣化が生じやすいとともに、加熱，放熱に時間がかかる。
一方、マイクロ波焼結では、局部的に加熱することができる。
【００６１】
そのときの接続構造を図１４に示す。ＭｇＢ2線材４の金属シースの厚さは通常０.１mmのオーダであるため、マイクロ波は透過しない。そのため、容器１をマイクロ波が透過する非導電性材料とすれば、粉末充填部のみを選択的に加熱する事ができる。マイクロ波で接続部のみを局所的に加熱することにより、超電導線材の温度上昇が抑えられ、通電特性の劣化を防ぐことができる。
【００６２】
容器１を構成する材料としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3），シリカ（ＳｉＯ2），マグネシア（ＭｇＯ）などが挙げられる。粉末を加圧することを考えると、機械的強度の点からアルミナが望ましい。温度は図１４に示すように粉末加圧用の穴３から放射温度計を用いて計測し、制御する。
【００６３】
アルミナ製容器を使用しない方法として、図１２に示すように分割可能な金属製容器で粉末を加圧した後、粉末成形体を容器から取り外し、マイクロ波焼結することも可能である。その際、効率良く温度を上げるためには、図１５に示すように成形体４１をアルミナファイバーなどの断熱材４２で覆うことが望ましい。ただし温度計測用の穴を設ける必要がある。また焼結後は、図１３に示すように焼結体を樹脂で覆うことが望ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１ 容器
２ ＭｇＢ2超電導線材を挿入するための穴
３ 粉末を充填・加圧するための穴
４ ＭｇＢ2超電導線材
５ ＭｇＢ2焼結体
６ 粉末加圧用部材
７ 線材固定用樹脂もしくははんだ
８ ＭｇＢ2超電導線材のＭｇＢ2部分
９ ＭｇＢ2超電導線材のシース部分
１０ ＭｇＢ2焼結体保護用の部材
１１ Ｍｇ粉末もしくは塊
１２ Ｂ粉末
２１ ネジ
２２ ネジ穴加工した粉末充填・加圧用の穴
２３ 上下分割された容器を結合するためのネジ穴
３１ 超電導接続
３２ 超電導コイル
３３ 永久電流スイッチ
３４ 電流リード
３５ 支持板
３６ 冷却容器
４１ 粉末成形体
４２ 断熱材
【技術分野】
【０００１】
本発明は二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）を用いた超電導線材（ＭｇＢ2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。
【背景技術】
【０００２】
ＭｇＢ2は臨界温度が３９Ｋと高く、また永久電流モードで運転したときの磁場安定度が高い超電導材料である。ＭｇＢ2線材同士、もしくはＭｇＢ2線材をＮｂＴｉ線やＮｂ3Ｓｎ線など、他の超電導線材と接続する方法として、下記のような方法が提案されている。
【０００３】
特開２００６−１７４５４６号公報（特許文献１）には、超電導はんだを用いるＭｇＢ2超電導線材の接続方法が記載されている。超電導はんだを用いる超電導線材の接続方法は、ＮｂＴｉ線などの他の超電導線材の接続にも使用されている。
【０００４】
特開２００３−２２７１９号公報（特許文献２）には、ＭｇＢ2線材をパイプに挿入し、ＭｇＢ2粉末を充填し、圧着するＭｇＢ2超電導線材の接続方法が記載されている。また、ＭｇＢ2粉末の粒子間の結合性を向上するため、低融点の金属を混合する方法が記載されている。
【０００５】
W. Yao et al．“A Superconducting Joint Technique for MgB2 Round Wires”，IEEE Transaction on Applied Superconductivity, Vol. 19, No. 3, (2009)（非特許文献１）には、ＭｇとＢの混合粉末を含む線材もしくはＭｇＢ2線材を筒状の容器に挿入し、線材と逆側からＭｇとＢの混合粉末を充填・加圧し、熱処理をすることで、ＭｇＢ2を生成させ、ＭｇＢ2線材を接続する方法が記載されている。ＭｇＢ2線材の周囲に、ＭｇＢ2が生成していない状態のＭｇとＢの混合粉末を充填し、熱処理をすることで、粒間結合性の良いＭｇＢ2焼結体を生成させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１７４５４６号公報
【特許文献２】特開２００３−２２７１９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】W. Yao et al．“A Superconducting Joint Technique for MgB2 Round Wires”，IEEE Transaction on Applied Superconductivity, Vol. 19, No. 3, (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の超電導はんだを使用する方法の場合、超電導はんだの臨界温度が〜９Ｋであるため、１０Ｋ以上では使用できない。従って、超電導はんだを用いてＭｇＢ2線材の接続を行うと、１０Ｋ未満の状態での使用が必要となり、ＭｇＢ2の高い臨界温度（３９Ｋ）を活かすことができない。
【０００９】
特許文献２に記載のＭｇＢ2粉末を使用する方法の場合、生成済みのＭｇＢ2粉末を充填するため、ＭｇＢ2粒間の結合性が悪く、装置の高性能化に必要とされる通電特性が得られにくい。ＭｇＢ2粒間の結合性を良くするのに手間がかかるという問題がある。
【００１０】
非特許文献１に記載のＭｇとＢの混合粉末を使用する方法では、線材挿入方向の逆側から粉末を充填し、加圧するため、加圧した付近が最も高密度化され、加圧部分から離れるに従って密度が低下する。加圧部分と線材端部が離れていると粉末密度は低く、逆に近づけても加圧したときに線材が曲がってしまい、高密度化することができない。従って、線材端部近傍のＭｇとＢの粉末密度を高めにくいという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、上記のような課題を解決し、高い通電特性を備えたＭｇＢ2超電導線材の接続を達成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の超電導線材の接続部は、複数の超電導線材と、ＭｇＢ2を含む加圧焼結体とを備え、前記加圧焼結体は前記複数の超電導線材の間に充填されており、前記加圧焼結体は複数の開口部を有する加圧容器で覆われていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の超電導線材の接続方法は、超電導線材を挿入する第一の開口と、該第一の開口と少なくとも一部がつながった加圧のための第二の開口を備えた加圧容器を用い、接続される複数の超電導線材を第１の開口より加圧容器に挿入するとともに、該加圧容器にマグネシウム粉末またはマグネシウム合金粉末と、ホウ素粉末とを充填し、第二の開口より充填した粉末及び線材を加圧することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上記のような構成とすることにより、超電導接続部の通電性能の向上を達成しうる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】超電導マグネットの構成を示す図。
【図２】超電導線材の接続に用いる加圧容器の例。
【図３】超電導線材の接続部の例。
【図４】超電導線材の接続部の例。
【図５】ネジで加圧する加圧容器の例。
【図６】超電導線材の端部の断面形状の例。
【図７】超電導線材の端部の断面形状の例。
【図８】拡散法によるＭｇＢ2生成の概念図。
【図９】線材の挿入方向が異なる場合。
【図１０】線材を対向方向から挿入し、端部断面を近づけた例。
【図１１】線材を対向方向から挿入し、端部断面を近づけた例。
【図１２】分割可能な加圧容器の例。
【図１３】熱処理後に容器を取り外した場合の接続構造の断面図。
【図１４】マイクロ波焼結を行う加圧容器の例。
【図１５】加圧後にマイクロ波焼結を行う接続部の例。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上述の通り、今回の超電導線材の接続構造は、ＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物を含む複数本の線材を、容器に挿入し、該容器にＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物の粉末を充填して加圧し、熱処理をすることで接続部においてＭｇＢ2を生成させており、このような容器において、超電導線材を挿入する穴とは別に、粉末を加圧するための穴を有し、それらの穴の方向が異なるように配置することで特性の向上を図るものである。
【００１７】
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。
【００１８】
従来の超電導マグネット装置では、一般にＮｂＴｉやＮｂ3Ｓｎの超電導線材が使用されており、超電導線材の接続にはＰｂＢｉ合金に代表される超電導はんだが使用される。
これらの線材の接続技術は確立されている。しかし、ＮｂＴｉやＮｂ3Ｓｎの超電導線材を用いた超電導マグネット装置の多くは、これらの線材の臨界温度以下に超電導マグネット装置を冷却するため、液体ヘリウムを用い４.２Ｋに冷却している。
【００１９】
二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）の特長は常電導から超電導、超電導から常電導に転移する臨界温度が高いことである。ＭｇＢ2の臨界温度は３９Ｋであり、従来の金属系材料よりも高い。また、酸化物系材料には臨界温度が高いものもあるが、永久電流モードで運転したときの磁場安定度が低いという課題がある。
【００２０】
超電導マグネット装置の超電導線材として二ホウ化マグネシウムを用いたＭｇＢ2線材を用いる場合、高い磁場安定度が期待される。また、１０Ｋ以上で運転することができれば、極低温への冷却が不要になるので、液体ヘリウムを使用しない冷凍機冷却のマグネット装置として実用化が期待されている。
【００２１】
しかしながら上述の通り、閉回路を達成するためには二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）を用いた超電導線材（ＭｇＢ2線材）を他のＭｇＢ2線材、もしくはＮｂＴｉやＮｂ3Ｓｎなどの他の超電導線材と接続する接続部で、ＭｇＢ2を介して接続するとともに、高い通電特性を備える必要が生じる。
【００２２】
本発明の超電導線材の接続構造は、複数本の超電導線材と、複数の超電導線材を一体化する焼結体を備える超電導接続部であって、前記超電導線材の少なくともいずれかがＭｇＢ2を超電導材として有するＭｇＢ2超電導線材であり、前記焼結体にＭｇＢ2を含み、前記焼結体が超電導線材の突出方向と異なる方向から加圧されたものである。つまり、ＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物を含む複数本の線材を、加圧容器に挿入し、該容器にＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物の粉末を充填して加圧し、熱処理をすることでＭｇとＢを反応させ、ＭｇＢ2を生成させた接続部を有する超電導線材の接続構造である。またこのような接続部を形成するため、加圧容器には超電導線材を挿入する穴と粉末を加圧するための穴を有し、それらの穴が異なる方向から開けられている。焼結体を構成するための原料粉末を導入するための開口部と、超電導線材を挿入するための開口部を備えた加圧容器を用い、これらの開口部が異なる方向に向いていることを特徴とする。
このような方法で得られる接続部では、焼結体は前記超電導線材の突出する方向と異なる方向より加圧されており、加圧容器の超電導線を挿入した開口部からは超電導線が突出しており、加圧部材を挿入した開口部からは超電導線が突出していない形状となる。その結果、焼結体にＭｇＢ2が高密度に充填され、粒間結合性が良好な接続構造となる。
【００２３】
ＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物を含む複数本の線材を、容器に挿入し、該容器にＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物の粉末を充填して加圧し、熱処理をすることで接続部においてＭｇＢ2を生成させ、超電導線材の接続を行う。このような加圧容器に超電導線材を挿入する第一の穴とは別に粉末を加圧するための第二の穴を設け、これらの穴の方向が異なる方向（直線上に対向しない方向）とする。その結果、超電導線材の線材端部近傍を加圧でき、接続部の密度を高くして通電特性の向上が可能となる。
【００２４】
従って接続部にＭｇとＢの混合粉末が高密度に充填され、焼結により粒間結合性が良好なＭｇＢ2が生成されるため、ＭｇＢ2生成後に高い通電特性の接続構造を実現可能となる。
【００２５】
加圧容器は、異なる方向に開いた開口部が内部で結合している形状とすることが好ましい。例えば、非特許文献１に記載されている技術と、特許文献２に記載されている技術とを組み合わせ、パイプに線材を挿入し、反対方向からＭｇＢ2が生成していない状態のＭｇとＢの混合粉末を充填し、線材と共に熱処理をする方法も考えられる。この場合、同じ軸方向上で二つの開口部を有する加圧容器を用いたともいえる。しかしながらこの方法では、パイプを圧着した場合、粉末は加圧方向と直交する方向に広がってしまうため、線材端部近傍のＭｇとＢの粉末密度は高くなりにくい。
【００２６】
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、接続部におけるクエンチが抑制され、安定した運転が可能である。図１は超電導マグネットを表す図である。図１の超電導マグネットは、冷却容器３６の内部に超電導コイル３２と永久電流スイッチ３３が配置されており、これらが共通の支持板３５で一体化されている。超電導接続部３１は、超電導コイル３２と、永久電流スイッチ３３の間に２箇所設けられている。
【実施例１】
【００２７】
接続される少なくとも一方の超電導線材は、ＭｇＢ2やその添加物よりなり超電導特性を示す線材、ＭｇＢ2の原料粉を有し、加熱など加工することにより超電導特性を示す線材のいずれかである。このような線材を他の線材と接続する場合には、線材の周囲にＭｇ粉末またはＭｇ化合物粉末と、Ｂ粉末またはＢ化合物粉末とを配置し、加圧焼結してＭｇＢ2化する。本実施例は、異なる種類の超電導線材の接続にも使用できる。接続される超電導線材は、上記のＭｇＢ2超電導線材の他、一方をＮｂＴｉ線やＮｂ3Ｓｎ線などとすることができる。また、本実施例は、一体の超電導フィラメントを有する単芯線のみならず、内部に複数の超電導フィラメントを有する多芯線にも適用可能である。
【００２８】
線材の原料粉として、Ｍｇ合金粉末を使用することが好ましい。通常ＭｇＢ2生成のためには５００℃以上で熱処理をするが、生成したＭｇＢ2は５００℃以上で再熱処理されることにより劣化することがある。そのため、５００℃以下で熱処理をすることが望ましい。Ｍｇ合金の融点はＭｇ単体よりも低いため、５００℃以下の条件でＭｇ合金とホウ素を反応させてＭｇＢ2を生成することができる。従ってＭｇ合金を使用することにより、既に生成しているＭｇＢ2を劣化させないため好ましい。例えばＭｇ2Ｃｕの融点は約５７０℃であり、ホウ素とは４５０℃程度で反応させることができ、ＭｇＢ2を得られる。
【００２９】
原料粉として、ＭｇＢ2粉末を加えてもよい。ただし、全量をＭｇＢ2粉末とすると、加圧焼結しても結着性が低く通電性能が得られないので、少なくとも加圧焼結体の原料の一部として、Ｍｇ粉及びＢ粉を使用する必要がある。
【００３０】
超電導線材は、通常、内部の超電導フィラメントと、フィラメントを保護するシースを有する。接合部で、超電導線材のシースを除去し、内部の超電導フィラメントを露出させるか否かは場合による。ＭｇＢ2線のシース材として銅や銅合金を使用している場合、Ｃｕと接続用のマグネシウムが反応してしまう。従って、シース材によっては事前に除去することが好ましい。Ｆｅやステンレスをシース材として使用している場合には、Ｍｇとは反応を生じにくいため、そのまま残した状態で加圧，焼結しても問題が少ない。
【００３１】
接続部を構成するためのＭｇＢ2の原料粉は、上記ＭｇＢ2線材の場合と同様にＭｇ粉末またはＭｇ化合物粉末と、Ｂ粉末またはＢ化合物粉末とを使用する。この場合に、Ｍｇ合金を使用したり、ＭｇＢ2粉末を原料として混合することが可能である点も同様である。また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できる。
【００３２】
図２は、超電導線材の接続に用いる容器の断面図（正面図，上面図，側面図）を示している。容器１には、超電導線材を挿入するための穴２と、粉末を充填・加圧するための穴３が設けられている。穴２と穴３の方向が同一の場合、粉末を加圧したときに、線材が曲がってしまい、線材端部の粉末密度を高めることができない。そこで、図２に示すように穴２と穴３の方向を直交させることで、加圧したときに穴３の底面に線材が押し付けられるため、線材端部付近の粉末密度を高めることができる。穴２と穴３の角度は直交でなくても構わないが、線材を曲げないためには、６０度以上であることが望ましい。
【００３３】
図２の容器１には、２本の線材を挿入することを想定しているため、線材を挿入するための穴２を２つ設けている。穴２と線材の隙間をできるだけ小さくして、粉末を加圧する際に粉末が漏れないようにすること、また線材をしっかり固定することを考慮すると、各線材に対して一つずつ穴２を空けておくことが望ましい。なお、線材の本数が増えれば、その分穴２が必要となる。接続する線材を一の開口部にすべて一緒に挿入できるように、穴２を大きく空けておいても構わない。また、図２では、穴２は同じ方向から２つ並べて空けている。線材を加圧容器に入れるとき、同方向から挿入すると、スペースに無駄が生じにくく、作業性が良く、また熱処理などの作成工程が容易になる。なお、線材の挿入方向は変更可能であり、それについては後述する。
【００３４】
粉末を充填するための穴３は、充填時の作業性を考慮して、入り口がテーパとなっていることが望ましい。
【００３５】
ＭｇＢ2線材を使用する場合、加圧容器には、ＭｇＢ2線材を入れてから粉末を入れることが好ましい。ＭｇＢ2線はもろく、粉末を入れてから線材を入れ、線材側を加圧すると折れやすい。なお、粉末を少量入れ、その後に線材を挿入し、さらに粉末をいれてもよい。線材の上下に加圧焼結体ができ、接続性を高くすることができる。
【００３６】
接続部の作製手順は以下の通りである。まず容器１に線材を挿入する。このときの線材は、ＭｇとＢが未反応の線材とＭｇＢ2生成済み線材のどちらでも構わない。線材挿入後、ＭｇとＢを含む粉末を充填し、加圧するための部材６によって加圧する。
【００３７】
図３は、図２に示した加圧容器を使用して接続を作製する途中の断面図である。図３は部材６をプレス機で押し込む加圧方法に関する図である。部材６の材質は、硬い材料であれば良く、ステンレスや鉄等が考えられる。加圧後は、図４に示すように加圧するための部材６を抜いてしまっても構わない。抜いた場合、加圧部材６を何度も再利用することが可能である。
【００３８】
図５は、穴３および部材６にネジを切っておき、ネジで加圧する加圧方法に関する図である。ネジ加工をしておくことにより、プレス機が不要となり、簡便に加圧が可能となる。
【００３９】
高い通電特性を得るためには、線材端部と接続部のＭｇＢ2焼結体の結合性が重要となるため、線材端部の断面形状を広くした方が良い。図６および図７は、線材端部付近の断面図である。図６は線材端部の一部分を長さ方向に対して平行に削り取った場合である。
図７は、線材端部を斜めに切断した場合である。このような形状とすることで、いずれの場合も線材の端部断面の面積が線材の長さ方向に対して垂直に切断した断面の面積よりも広くなり、線材断面のＭｇＢ2部分と接続部のＭｇＢ2焼結体との接触面積を大きくすることができる。図６と図７を比べると、加工は図７の方が容易であり、早くできるが、図６の例では線材の断面が長さ方向に一部削られているため、断面積は図６の方が広い。ただし、いずれの方法についても、断面を露出させる部分が接続部分からはみ出てしまうと、線材としての通電面積が減少してしまうため、はみ出ないように注意が必要である。また図６，図７の例では、線材が単芯線の場合であるが、多芯線についても同様である。
【００４０】
また、図６，図７に示すように、線材断面が粉末を加圧する加圧部材を挿入する方向を向くように固定し、加圧した粉末が線材断面に対して押し付けられるようにすることが望ましい。
【００４１】
次に加圧した粉末を加熱し、ＭｇＢ2を生成させる。ＭｇＢ2を生成させるための熱処理は通常、電気炉を用いて、真空中もしくはＡｒ，Ｎ2などの不活性ガス中で、５００℃〜８００℃に設定する。挿入した線材のＭｇとＢが未反応であった場合、接続部と同時にＭｇＢ2が生成する。熱処理中に容器１がＭｇやＢと反応しないように、容器１の材質としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａもしくはそれらの合金を使用できる。これらの単体金属よりなるもの、または、ステンレスやＮｂＴｉなどの合金よりなるものであることが望ましい。
【００４２】
また、ＭｇＢ2はもろいため、熱処理後はできるだけ動かさない方が良い。そのために、容器１と超電導線材４を樹脂、もしくははんだ７で固定することが望ましい。線材と加圧容器との固定は、熱処理後に行う。熱処理温度は高温であるため、はんだや樹脂は溶融するためである。
【００４３】
加圧，熱処理により、接合部にはＭｇＢ2を含む加圧焼結体が生成する。本実施例のような方法で製造しているため、加圧焼結体の加圧方向と、線材の軸方向とは一致していない。加圧焼結体は、加圧面が広い扁平形状であることが好ましい。加圧焼結体の加圧方向には密度分布ができ、加圧表面の密度が高く、深部になると密度が低い勾配がある。加圧部で高密度であり、内部で低めになり、底面（加圧面の反対側）で高密度となると考えられる。加圧面と底面が近い扁平形状では、密度勾配が少なくなり、焼結体内部の密度を高くできる。加圧面の面積に対し、法線方向の任意の断面の断面積が小さい状態の薄板とすることが好ましい。
【実施例２】
【００４４】
本実施例は、実施例１のような接続構造とすることに加え、さらに接続部の体積密度を向上させる方法に関する例である。
【００４５】
接続部の粉末密度を高めるための方法として、ＭｇとＢの混合粉末からＭｇＢ2を生成させるときの体積減少を抑えることが有効である。ＭｇとＢを１：２のモル比で混合したときの密度は１.９ｇ／cm3であるのに対し、ＭｇＢ2の密度は２.６ｇ／cm3である。つまり、ＭｇとＢの混合粉末を容器の体積に対して１００％充填しても、ＭｇＢ2生成後にはＭｇＢ2の理論密度の約７０％に減少する。ＭｇＢ2は、Ｍｇ粉末が溶けて、Ｂ粉末へ拡散して生成される。そのときに体積が減少するためＭｇが存在していた部分が空隙となる。
実際にはＭｇとＢの混合粉末を加圧しても、充填率は最大で８０％程度であるため、加熱後のＭｇＢ2の充填率としては５０〜６０％になる。上記のような体積の減少による接続部の通電特性を抑えるための方法として、以下３つの方法が考えられる。
【００４６】
一つ目は、熱処理中に加圧する方法である。粉末を充填し、加圧した後、加圧用部材６を取り外さず、熱処理中も加圧用部材６にさらに荷重をかけておく。その結果、ＭｇとＢが反応して生じる空隙を減少させることができる。
【００４７】
二つ目は、ＭｇとＢの混合粉末に、最初からＭｇＢ2粉末を加えておく方法である。ＭｇＢ2の体積は加熱の前後で減少しないため、最初からＭｇＢ2が存在することで、ＭｇＢ2生成時の体積減少が緩和される。ただし、最初に混合するＭｇＢ2の割合が多すぎると粒間の結合性が悪化してしまうので、その割合を適切に調節する必要がある。
【００４８】
三つ目は、Ｍｇ粉末とＢ粉末とを別々に充填し、ＭｇをＢの部分へ拡散させる方法（拡散法によるＭｇＢ2の生成）である。図８（容器と加圧部材は省略）に示すように、まず容器に線材を挿入し、Ｂ粉末１２を充填，加圧する。次にＭｇ１１を充填する。Ｍｇは熱処理中に溶けてＢへ拡散するため、充填可能な形状であれば、粉末でも塊でも構わない。
その後熱処理することにより、加圧されたＢの充填部分へＭｇが拡散し、ＭｇＢ2が生成する。その結果、超電導線材の端部の近傍には空隙の少ない高密度なＭｇＢ2接続部を形成できる。
【００４９】
これらの方法で接続部を作製することにより、超電導線材の加圧焼結体の密度を通常の混合の場合（７０％）以上とすることができる。
【実施例３】
【００５０】
線材を挿入する方向は、必ずしも同一である必要はなく、適用するマグネットにおける配線の方向に応じて柔軟に変更することができる。各線材の挿入方向を異なるものとすることにより、配線の方向に合わせて接続可能となる。
【００５１】
図９は、対向する方向に、線材を挿入する穴２をそれぞれ備えた加圧容器の例である。
二本の線材を加圧容器の左右から挿入し、中央部の加圧部分で突きあわせて、上部の加圧用の穴３から入れられた粉末で一体化する。
【００５２】
また線材の挿入方向を対向する方向にすることにより、図１０，図１１のように線材断面同士を極力近づけることも可能である。線材断面の面積を大きくするとともに、互いに断面を合わせる事により通電性能を向上させることができる。
【実施例４】
【００５３】
本実施例は取り外しの可能な加圧容器を使用し、加圧容器を除去する例である。実施例１において、熱処理後に、容器１は必ずしも必要ではない。容器１を、熱処理後に分解可能な構造にしておけば、ＭｇＢ2超電導線材および接続部のＭｇＢ2焼結体のみを取り外すことが可能である。そうすることで、加圧・熱処理をするための容器１を、再利用することが可能となる。
【００５４】
図１２に取り外しの可能な加圧容器を示す。図１２は、線材が挿入される穴２と同じ高さで分かれる二つの部材よりなり、上下に分割可能である。上下の各部材に設けられたネジ穴２３により、ネジで締結して、粉末，線材を加圧・焼結する。加圧焼結の後、容器を取りはずし線材と加圧焼結体を備える接続部のみとする。なお、加圧容器を分割する場合には上下に限らず、左右に分割してもよい。ただし、線材を挿入する穴２が断面上に配置される位置で分割することが好ましい。
【００５５】
容器を取り外した場合、加圧するときの容器とは異なる部材で接続部が覆われていることが好ましい。ＭｇＢ2焼結体はもろいため、保護するために周囲を樹脂等、ＭｇＢ2焼結体保護用の部材１０で覆う。そのときの接続構造の断面図を図１３に示す。樹脂などで加圧焼結体を覆うことにより、加圧焼結体を保護することができる。また、ＭｇＢ2の酸化劣化を防止できる。
【実施例５】
【００５６】
本実施例では、接続される超電導線材として、少なくとも一方に生成済みＭｇＢ2線材を使用し、他の超電導線材と接続する場合の例について説明する。接続する線材がＭｇＢ2生成済みであった場合、接続部の生成のため、再度熱処理されることにより、線材の通電特性が劣化する恐れがある。それを防ぐための方法として、以下二つの方法が考えられる。
【００５７】
一つ目は、接続部のＭｇＢ2焼結体の原料粉末として、Ｍｇよりも融点が低い、Ｍｇ合金を用いる方法である。それにより、ＭｇＢ2の生成温度を引き下げることが可能となる。Ｍｇの融点は約６５０℃であり、マグネシウム単体とホウ素の反応は約５００℃で生じる。従って、Ｍｇ粉末を接続部に使用した場合、５００℃以上で熱処理する必要がある。
一方、Ｍｇ合金の融点はＭｇ単体よりも低いため、５００℃以下の熱処理でＭｇＢ2が生成する。
【００５８】
低融点合金粉末の使用により、超電導線材の特性を劣化させることなく接続することが可能となる。使用するＭｇ合金は、Ｍｇよりも融点が低く、また熱処理中にＢと反応しないことが必要である。Ｃｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎなどのマグネシウム合金が候補として考えられる。
【００５９】
Ｍｇ−Ｃｕ合金であるＭｇ2Ｃｕの融点は約５７０℃であり、ホウ素とは４５０℃程度で反応させることができ、ＭｇＢ2を得られる。それにより、既に生成しているＭｇＢ2の劣化を防ぐことができる。
【００６０】
ＭｇＢ2の劣化を防ぐ二つ目の方法は、マイクロ波によって粉末充填部を選択的に加熱し、焼結する方法である。通常、焼結を行う場合、ある程度の長さの超電導線材も併せて加熱される。その結果、線材の劣化が生じやすいとともに、加熱，放熱に時間がかかる。
一方、マイクロ波焼結では、局部的に加熱することができる。
【００６１】
そのときの接続構造を図１４に示す。ＭｇＢ2線材４の金属シースの厚さは通常０.１mmのオーダであるため、マイクロ波は透過しない。そのため、容器１をマイクロ波が透過する非導電性材料とすれば、粉末充填部のみを選択的に加熱する事ができる。マイクロ波で接続部のみを局所的に加熱することにより、超電導線材の温度上昇が抑えられ、通電特性の劣化を防ぐことができる。
【００６２】
容器１を構成する材料としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3），シリカ（ＳｉＯ2），マグネシア（ＭｇＯ）などが挙げられる。粉末を加圧することを考えると、機械的強度の点からアルミナが望ましい。温度は図１４に示すように粉末加圧用の穴３から放射温度計を用いて計測し、制御する。
【００６３】
アルミナ製容器を使用しない方法として、図１２に示すように分割可能な金属製容器で粉末を加圧した後、粉末成形体を容器から取り外し、マイクロ波焼結することも可能である。その際、効率良く温度を上げるためには、図１５に示すように成形体４１をアルミナファイバーなどの断熱材４２で覆うことが望ましい。ただし温度計測用の穴を設ける必要がある。また焼結後は、図１３に示すように焼結体を樹脂で覆うことが望ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１ 容器
２ ＭｇＢ2超電導線材を挿入するための穴
３ 粉末を充填・加圧するための穴
４ ＭｇＢ2超電導線材
５ ＭｇＢ2焼結体
６ 粉末加圧用部材
７ 線材固定用樹脂もしくははんだ
８ ＭｇＢ2超電導線材のＭｇＢ2部分
９ ＭｇＢ2超電導線材のシース部分
１０ ＭｇＢ2焼結体保護用の部材
１１ Ｍｇ粉末もしくは塊
１２ Ｂ粉末
２１ ネジ
２２ ネジ穴加工した粉末充填・加圧用の穴
２３ 上下分割された容器を結合するためのネジ穴
３１ 超電導接続
３２ 超電導コイル
３３ 永久電流スイッチ
３４ 電流リード
３５ 支持板
３６ 冷却容器
４１ 粉末成形体
４２ 断熱材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超電導線材と、前記超電導線材を一体化するＭｇＢ2を含む焼結体とを備え、前記焼結体は前記超電導線材の突出する方向と異なる方向より加圧されたものであることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項２】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材のうち少なくともいずれかはＭｇＢ2を含む超電導線材であることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項３】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記焼結体は樹脂で覆われていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項４】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記焼結体の密度は、ＭｇＢ2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。
【請求項５】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記焼結体はＣｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎの少なくともいずれかの元素を含むことを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項６】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記加圧された方向と、前記超電導線材の突出する方向とが直交していることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項７】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材は、前記焼結体内部に端部断面を有し、前記端部断面の面積が前記線材の垂直断面積よりも大きいことを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項８】
請求項７に記載された超電導線材の接続部であって、
前記線材の断面は斜めに切断、または長さ方向に一部削られており、
前記線材の断面は前記加圧された方向に向いていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項９】
請求項７に記載された超電導線材の接続部であって、
前記複数の超電導線材の端部断面は、互いに向かい合うように配置されていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１０】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記加圧焼結体は複数の開口部を有する加圧容器で覆われており、少なくともいずれかの開口部より前記超電導線が突出しており、
少なくともいずれかの開口部には超電導線が突出していないことを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１１】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材が突出していない開口部には、テーパが設けられていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１２】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材が突出していない開口部には、加圧部材が挿入されていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１３】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材が突出していない開口部の内面には、ネジ加工が施されていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１４】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記複数の超電導線は、それぞれ異なる開口部より突出していることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１５】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記複数の超電導線は、対向する方向に設けられた開口部より突出していることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１６】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記複数の超電導線は、一の開口部より突出していることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１７】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記容器は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａのいずれかの金属、もしくはこれらの金属を含む合金よりなることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１８】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記容器は、非導電性の物質よりなることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１９】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記容器は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3），シリカ（ＳｉＯ2），マグネシア（ＭｇＯ）の少なくともいずれかよりなることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項２０】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記容器と前記超電導線材は、樹脂またははんだで固定されていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項２１】
超電導コイルと、永久電流スイッチと、前記超電導コイル及び永久電流スイッチを接続する接続部とを備える超電導マグネットにおいて、
前記接続部は請求項１ないし２０のいずれかに記載された超電導線材の接続部であることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項２２】
ＭｇＢ2を生成するための原料粉末を導入するための第１の開口部と、複数の超電導線材を挿入するための第２の開口部とを備えた加圧容器を用い、
前記加圧容器に前記開口部より超電導線及び原料粉末を導入し、
前記第１の開口部に加圧部材を挿入して前記粉末を加圧し、
前記加圧された粉末を加熱する、超電導線材の接続方法であって、
前記加圧容器は、前記第１の開口部と前記第２の開口部とを異なる方向に備えていることを特徴とする超電導線材の接続方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載された超電導線材の接続方法であって、
前記加圧部材を加圧後に取り外すことを特徴とする超電導線材の接続方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載された超電導線材の接続方法であって、
前記加圧容器を前記加圧後に取り外し、かつ前記粉末の加熱の後に加圧容器と異なる部材で覆うことを特徴とする超電導線材の接続方法。
【請求項１】
複数の超電導線材と、前記超電導線材を一体化するＭｇＢ2を含む焼結体とを備え、前記焼結体は前記超電導線材の突出する方向と異なる方向より加圧されたものであることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項２】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材のうち少なくともいずれかはＭｇＢ2を含む超電導線材であることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項３】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記焼結体は樹脂で覆われていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項４】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記焼結体の密度は、ＭｇＢ2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。
【請求項５】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記焼結体はＣｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎの少なくともいずれかの元素を含むことを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項６】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記加圧された方向と、前記超電導線材の突出する方向とが直交していることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項７】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材は、前記焼結体内部に端部断面を有し、前記端部断面の面積が前記線材の垂直断面積よりも大きいことを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項８】
請求項７に記載された超電導線材の接続部であって、
前記線材の断面は斜めに切断、または長さ方向に一部削られており、
前記線材の断面は前記加圧された方向に向いていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項９】
請求項７に記載された超電導線材の接続部であって、
前記複数の超電導線材の端部断面は、互いに向かい合うように配置されていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１０】
請求項１に記載された超電導線材の接続部であって、
前記加圧焼結体は複数の開口部を有する加圧容器で覆われており、少なくともいずれかの開口部より前記超電導線が突出しており、
少なくともいずれかの開口部には超電導線が突出していないことを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１１】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材が突出していない開口部には、テーパが設けられていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１２】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材が突出していない開口部には、加圧部材が挿入されていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１３】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記超電導線材が突出していない開口部の内面には、ネジ加工が施されていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１４】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記複数の超電導線は、それぞれ異なる開口部より突出していることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１５】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記複数の超電導線は、対向する方向に設けられた開口部より突出していることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１６】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記複数の超電導線は、一の開口部より突出していることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１７】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記容器は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａのいずれかの金属、もしくはこれらの金属を含む合金よりなることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１８】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記容器は、非導電性の物質よりなることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項１９】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記容器は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3），シリカ（ＳｉＯ2），マグネシア（ＭｇＯ）の少なくともいずれかよりなることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項２０】
請求項１０に記載された超電導線材の接続部であって、
前記容器と前記超電導線材は、樹脂またははんだで固定されていることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項２１】
超電導コイルと、永久電流スイッチと、前記超電導コイル及び永久電流スイッチを接続する接続部とを備える超電導マグネットにおいて、
前記接続部は請求項１ないし２０のいずれかに記載された超電導線材の接続部であることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項２２】
ＭｇＢ2を生成するための原料粉末を導入するための第１の開口部と、複数の超電導線材を挿入するための第２の開口部とを備えた加圧容器を用い、
前記加圧容器に前記開口部より超電導線及び原料粉末を導入し、
前記第１の開口部に加圧部材を挿入して前記粉末を加圧し、
前記加圧された粉末を加熱する、超電導線材の接続方法であって、
前記加圧容器は、前記第１の開口部と前記第２の開口部とを異なる方向に備えていることを特徴とする超電導線材の接続方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載された超電導線材の接続方法であって、
前記加圧部材を加圧後に取り外すことを特徴とする超電導線材の接続方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載された超電導線材の接続方法であって、
前記加圧容器を前記加圧後に取り外し、かつ前記粉末の加熱の後に加圧容器と異なる部材で覆うことを特徴とする超電導線材の接続方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−９４４１３（Ｐ２０１２−９４４１３Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４１６１７（Ｐ２０１０−２４１６１７）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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