JP7532157B2 - 超電導線材の接続方法及び超電導磁石装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、超電導線材の接続方法及び超電導磁石装置に関する。
例えば、図７に示すように、超電導磁石装置２００は、超電導コイル２０１と永久電流スイッチと２０２の閉回路で構成される。この超電導磁石装置２００が、永久電流モードで運転される場合には、発生磁場の減衰を抑制するため、超電導コイル２０１と永久電流スイッチ２０２の超電導線材同士を極めて低い接続抵抗（例えば１０－１１Ω以下）で接続する必要がある。
この超電導線同士の接続には、従来はんだ接続が用いられてきた。はんだ接続では、接続したい超電導フィラメントの間にはんだ材料が介在するため、原理的に接続抵抗を下げることが難しい。そのため、はんだ材料自体が超電導特性をもつようなＰｂ（鉛）系はんだを用いることによって接続抵抗を下げることがなされてきた。
従来のはんだを用いた超電導線材同士の接続では、環境負荷の高い鉛を多量に使用するため、鉛フリー化が求められている。超電導特性を有する鉛フリーはんだの有力候補としては、Ｉｎ（インジウム）系はんだがある。しかし、Ｉｎ系はんだは、Ｐｂ系はんだと比較して磁場安定性に乏しく、外部磁場が印加される環境では常電導転移して抵抗が上昇してしまい使用できない。さらにＩｎは生体毒性が明らかになりつつあり作業環境の面でも課題が多い。
本発明の目的は、はんだ接続を用いること無く、超電導線材同士を極めて低い接続抵抗で接続することのできる超電導線材の接続方法及び超電導磁石装置を提供することにある。
実施形態の超電導線の接続方法は、第１の超電導線と第２の超電導線との間に、ＮｂＴｉ合金層を形成して接続する超電導線の接続方法であって、前記第１の超電導線の接続部分と、前記第２の超電導線の接続部分の被覆を除去する被覆除去工程と、前記被覆除去工程の後、前記第１の超電導線及び前記第２の超電導線の接続部分を低融点金属（ただし、ＰｂおよびＩｎを除く。）で被覆する工程と、前記第１の超電導線の接続部分と、前記第２の超電導線の接続部分とを平行にしてスリーブの一方の開口部から内部に挿入し、前記一方の開口部を封止する工程と、前記スリーブの他方の開口部からＮｂＴｉ粉末を充填し、排気して他方の開口部を封止する工程と、前記スリーブを加熱しつつ加圧し、前記ＮｂＴｉ粉末を焼結させて前記ＮｂＴｉ合金層を形成する焼結工程とを有する。
本発明によれば、はんだ接続を用いること無く、超電導線材同士を極めて低い接続抵抗で接続することのできる、超電導線の接続方法及び超電導磁石装置を提供することができる。
以下、実施形態に係る超電導線の接続方法及び超電導磁石装置ついて、図面を参照して説明する。
図７に示したとおり、超電導磁石装置２００は、超電導コイル２０１と永久電流スイッチ２０２との閉回路で構成される。この超電導磁石装置２００が、永久電流モードで運転される場合には、発生磁場の減衰を抑制するため、超電導コイルと永久電流スイッチの超電導線材同士を極めて低い接続抵抗（例えば０－１１Ω以下）で接続する必要がある。
実施形態に係る超電導線の接続方法は、超電導磁石装置２００における、超電導コイル２０１と永久電流スイッチ２０２との接続部２０３における超電導線材同士の接続等に用いられる。なお、超電導コイル２０１には、図示しない電源から直流電流が流され、永久電流スイッチ２０２が閉じられたた状態で電源が切り離される。超電導磁石装置２００は、例えば、医療分野で使用される磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）等に用いられる。
実施形態に係る超電導線の接続方法は、第１の超電導線と第２の超電導線とを接続する超電導線材の接続方法であって、第１の超電導線と第２の超電導線との間に、ＮｂＴｉ合金層を形成して接続する。
［第１実施形態］
（ＮｂＴｉ合金粉末の生成工程）
図１に示すように、まず、純度３Ｎ程度、粒径５０ミクロン程度の純Ｎｂ粉末と、Ｔｉ粉末を、質量比４７：５３で秤量して混合する。これを、ジルコニア製ポットにジルコニアボールとともに充填し、Ａｒガス流通下で遊星ボールミル装置を用いて所定条件、例えば５００ｒｐｍ、２４時間の条件で粉砕・混合しメカニカルアロイング（機械的に合金化）することでＮｂＴｉ合金粉末を得る。
（ＮｂＴｉ合金粉末の生成工程）
図１に示すように、まず、純度３Ｎ程度、粒径５０ミクロン程度の純Ｎｂ粉末と、Ｔｉ粉末を、質量比４７：５３で秤量して混合する。これを、ジルコニア製ポットにジルコニアボールとともに充填し、Ａｒガス流通下で遊星ボールミル装置を用いて所定条件、例えば５００ｒｐｍ、２４時間の条件で粉砕・混合しメカニカルアロイング（機械的に合金化）することでＮｂＴｉ合金粉末を得る。
（ＮｂＴｉフィラメントの被覆除去工程）
次に、ＮｂＴｉフィラメントの被覆除去工程を実施する。この工程では、まず、第１の超電導線１０１と、第２の超電導線１０２のエナメル被覆を所定の接続長さだけ薬液あるいは機械加工によって除去してＣｕ（又はＡｌ）被覆（マトリクス）表面を露出させる。この後、図２に示すように、酸の溶液、例えば、２０％硝酸溶液１１０にＣｕ（又はＡｌ）被覆露出部を１時間以上常温で浸漬することで、ＮｂＴｉフィラメントを完全に露出させる。
次に、ＮｂＴｉフィラメントの被覆除去工程を実施する。この工程では、まず、第１の超電導線１０１と、第２の超電導線１０２のエナメル被覆を所定の接続長さだけ薬液あるいは機械加工によって除去してＣｕ（又はＡｌ）被覆（マトリクス）表面を露出させる。この後、図２に示すように、酸の溶液、例えば、２０％硝酸溶液１１０にＣｕ（又はＡｌ）被覆露出部を１時間以上常温で浸漬することで、ＮｂＴｉフィラメントを完全に露出させる。
（接続行程）
次に、第１の超電導線１０１と、第２の超電導線１０２とを接続する接続行程を実施する。この工程では、まず、図３（ａ）に示すように、ＮｂＴｉフィラメントが露出した第１の超電導線１０１と第２の超電導線１０２の２本のＮｂＴｉフィラメント露出部を平行に並べて銅スリーブ１２０に挿入する。次に、図３（ｂ）に示すように、銅スリーブ１２０の一端（超電導線を挿入した側）を、プレス等でかしめて封じ切る。
次に、第１の超電導線１０１と、第２の超電導線１０２とを接続する接続行程を実施する。この工程では、まず、図３（ａ）に示すように、ＮｂＴｉフィラメントが露出した第１の超電導線１０１と第２の超電導線１０２の２本のＮｂＴｉフィラメント露出部を平行に並べて銅スリーブ１２０に挿入する。次に、図３（ｂ）に示すように、銅スリーブ１２０の一端（超電導線を挿入した側）を、プレス等でかしめて封じ切る。
次に、図３（ｃ）に示すように、銅スリーブ１２０の他端側（口の空いている側）から、銅スリーブ１２０内にＮｂＴｉ合金粉末を充填する。この後、図３（ｄ）に示すように、銅スリーブ１２０の他端側（口の空いている側）から真空排気しつつ、他端側をプレス等でかしめて封じ切る。
次に、図３（ｅ）に示すように、銅スリーブ１２０を２００乃至４００℃程度、例えば、４００℃に加熱しながら、１乃至５０ＭＰａ例えば１０ＭＰａ程度で加圧し、所定時間、例えば１時間程度保持してＮｂＴｉ合金粉末を焼結させてＮｂＴｉ合金層を形成する。この場合、加圧により銅スリーブ１２０が潰れないように、一定形状の型に銅スリーブ１２０を入れて加圧、加熱することが好ましい。この後、自然冷却にて温度を低下させた後取り出し、接続部を得る。
図４に、上述のようにして得られた接続部の断面の構成を、模式的に示す。図４に示すように、銅スリーブ１２０の内部には、ニオブチタン合金粉末焼結層が形成され、第１の超電導線１０１と第２の超電導線１０２とは、これらの間に形成されたニオブチタン合金粉末焼結層を介して接続されている。なお、銅スリーブ１２０の形状としては、例えば円筒形状のものを使用し、加圧する際に断面矩形形状の型に入れて加圧することにより、図４に示すように、断面矩形形状の接続部の形状となるが、銅スリーブ１２０及び型の形状は、係る形状のものに限定されるものではない。
そして、例えば第１の超電導線１０１から第２の超電導線１０２の向きで閉回路に直流電流を印加した場合、第１の超電導線１０１の端部のＮｂＴｉフィラメントから、ニオブチタン合金粉末焼結層を介して、第２の超電導線１０２の端部のＮｂＴｉフィラメントに流れる電流パスが形成される。
ニオブチタン合金粉末焼結層は、ＮｂＴｉバルク材に近い超電導特性を有しているため、従来のはんだ接続よりも接続抵抗が低く、なおかつ磁場安定性に優れた接続部構造を形成することができる。また、本実施形態では、鉛フリーであり、フッ酸などの危険な薬品を使用することもない。なお、４Ｋにおける臨界磁場の大きさは、ニオブチタンが１１Ｔ、鉛ビスマスはんだが１．７７Ｔである。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、ＮｂＴｉフィラメントの被覆除去工程が前述した第１実施形態の場合と相違している。また、第２実施形態では、第１の超電導線１０１及び第２の超電導線１０２のマトリクスはＣｕである。
次に、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、ＮｂＴｉフィラメントの被覆除去工程が前述した第１実施形態の場合と相違している。また、第２実施形態では、第１の超電導線１０１及び第２の超電導線１０２のマトリクスはＣｕである。
（ＮｂＴｉ合金粉末の生成工程）
ＮｂＴｉ合金粉末の生成工程については、第１実施形態と同様である。すなわち、図１に示すように、まず、純度３Ｎ程度、粒径５０ミクロン程度の純Ｎｂ粉末と、Ｔｉ粉末を、質量比４７：５３で秤量して混合する。これを、ジルコニア製ポットにジルコニアボールとともに充填し、Ａｒガス流通下で遊星ボールミル装置を用いて所定条件、例えば５００ｒｐｍ、２４時間の条件で粉砕・混合しメカニカルアロイング（機械的に合金化）することでＮｂＴｉ合金粉末を得る。
ＮｂＴｉ合金粉末の生成工程については、第１実施形態と同様である。すなわち、図１に示すように、まず、純度３Ｎ程度、粒径５０ミクロン程度の純Ｎｂ粉末と、Ｔｉ粉末を、質量比４７：５３で秤量して混合する。これを、ジルコニア製ポットにジルコニアボールとともに充填し、Ａｒガス流通下で遊星ボールミル装置を用いて所定条件、例えば５００ｒｐｍ、２４時間の条件で粉砕・混合しメカニカルアロイング（機械的に合金化）することでＮｂＴｉ合金粉末を得る。
（ＮｂＴｉフィラメントの被覆除去工程）
ＮｂＴｉフィラメントの被覆除去工程では、まず、第１の超電導線１０１と、第２の超電導線１０２のエナメル被覆を所定の接続長さだけ薬液あるいは機械加工によって除去してＣｕ被覆（マトリクス）表面を露出させる。この後、図５に示すように、３００乃至４００℃、例えば４００℃に温度調整したスズ（Ｓｎ）浴１３０に１時間以上浸漬することでＣｕ被覆材がＳｎ浴中に溶出し、ＮｂＴｉフィラメントがＳｎで被覆される。なお、ＮｂＴｉフィラメントをＳｎで被覆した後、さらに他の低融点金属浴中に、第１の超電導線１０１及び第２の超電導線１０２を浸漬してスズの被覆を、他の低融点金属の被覆に置換してもよい。
ＮｂＴｉフィラメントの被覆除去工程では、まず、第１の超電導線１０１と、第２の超電導線１０２のエナメル被覆を所定の接続長さだけ薬液あるいは機械加工によって除去してＣｕ被覆（マトリクス）表面を露出させる。この後、図５に示すように、３００乃至４００℃、例えば４００℃に温度調整したスズ（Ｓｎ）浴１３０に１時間以上浸漬することでＣｕ被覆材がＳｎ浴中に溶出し、ＮｂＴｉフィラメントがＳｎで被覆される。なお、ＮｂＴｉフィラメントをＳｎで被覆した後、さらに他の低融点金属浴中に、第１の超電導線１０１及び第２の超電導線１０２を浸漬してスズの被覆を、他の低融点金属の被覆に置換してもよい。
（接続行程）
次に、接続行程では、ＮｂＴｉフィラメントがスズで被覆された第１の超電導線１０１と第２の超電導線１０２の２本のＮｂＴｉフィラメントを平行に並べて銅スリーブ１２０に挿入する（図３（ａ）参照）。次に、銅スリーブ１２０の一端（超電導線を挿入した側）を、プレス等でかしめて封じ切る（図３（ｂ）参照）。
次に、接続行程では、ＮｂＴｉフィラメントがスズで被覆された第１の超電導線１０１と第２の超電導線１０２の２本のＮｂＴｉフィラメントを平行に並べて銅スリーブ１２０に挿入する（図３（ａ）参照）。次に、銅スリーブ１２０の一端（超電導線を挿入した側）を、プレス等でかしめて封じ切る（図３（ｂ）参照）。
次に、銅スリーブ１２０の他端側（口の空いている側）から、銅スリーブ１２０内にＮｂＴｉ合金粉末を充填する（図３（ｃ）参照）。この後、銅スリーブ１２０の他端側（口の空いている側）から真空排気しつつ、他端側をプレス等でかしめて封じ切る（図３（ｄ）参照）。
次に、図３（ｅ）に示すように、銅スリーブ１２０を２００乃至４００℃程度、例えば、４００℃に加熱しながら、１乃至５０ＭＰａ例えば１０ＭＰａ程度で加圧し、所定時間、例えば１時間程度保持してＮｂＴｉ合金粉末を焼結させてＮｂＴｉ合金層を形成する。この場合、加圧により銅スリーブ１２０が潰れないように、一定形状の型に銅スリーブ１２０を入れて加圧、加熱することが好ましい。この後、自然冷却にて温度を低下させた後取り出し、接続部を得る。
図６に、上述のようにして得られた接続部の断面の構成を、模式的に示す。図６に示すように、銅スリーブ１２０の内部には、ニオブチタン合金粉末焼結層が形成され、第１の超電導線１０１と第２の超電導線１０２とは、これらの間に形成されたニオブチタン合金粉末焼結層を介して接続されている。また、ニオブチタン合金粉末焼結層には、加熱加圧時に溶解し拡散した微量のＳｎを含む領域が形成されている。
そして、例えば第１の超電導線１０１から第２の超電導線１０２の向きで閉回路に直流電流を印加した場合、第１の超電導線１０１の端部のＮｂＴｉフィラメントから、Ｓｎを含むニオブチタン合金粉末焼結層を介して、第２の超電導線１０２の端部のＮｂＴｉフィラメントに流れる電流パスが形成される。
ＮｂＴｉ合金粉末焼結層は、加熱加圧時に溶解し拡散した微量のＳｎを含むため、第１実施形態よりも抵抗は高い。しかしながら、介在するＳｎの厚みは数ミクロン程度であるため、抵抗値の増分は１０―１４Ω程度と低く接続抵抗にはほとんど影響せず、従来のはんだ接続よりも十分に低い接続抵抗を有し、なおかつ磁場安定性に優れた接続部構造を形成できる。
本実施形態では、ＮｂＴｉフィラメントの銅被覆（マトリクス）を、一旦Ｓｎの被覆に置換し、この状態で接続行程を実施する。このため、ＮｂＴｉフィラメントが大気に触れることが無く、ＮｂＴｉフィラメントがＳｎで被覆された状態で加熱、加圧が行われるので、ＮｂＴｉフィラメントの各線材同士が直接接触して塊状になり、断面積が大きくなってしまうことを抑制することができる。
なお、上記の実施形態では、ＮｂＴｉフィラメントの超電導線について説明したが、他のフィラメント、例えばＮｂＳｎフィラメントの超電導線についても同様にして適用することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０１……第１の超電導線、１０２……第２の超電導線、１１０……硝酸溶液、１２０……銅スリーブ、１３０……スズ（Ｓｎ）浴、２００……超電導磁石装置、２０１……超電導コイル、２０２……超電導スイッチ、２０３……接続部。
Claims (8)
- 第１の超電導線と第２の超電導線との間に、ＮｂＴｉ合金層を形成して接続する超電導線の接続方法であって、
前記第１の超電導線の接続部分と、前記第２の超電導線の接続部分の被覆を除去する被覆除去工程と、
前記被覆除去工程の後、前記第１の超電導線及び前記第２の超電導線の接続部分を低融点金属（ただし、ＰｂおよびＩｎを除く。）で被覆する工程と、
前記第１の超電導線の接続部分と、前記第２の超電導線の接続部分とを平行にしてスリーブの一方の開口部から内部に挿入し、前記一方の開口部を封止する工程と、
前記スリーブの他方の開口部からＮｂＴｉ粉末を充填し、排気して他方の開口部を封止する工程と、
前記スリーブを加熱しつつ加圧し、前記ＮｂＴｉ粉末を焼結させて前記ＮｂＴｉ合金層を形成する焼結工程と
を有することを特徴とする超電導線の接続方法。 - 請求項１に記載の超電導線の接続方法であって、
前記第１の超電導線、前記第２の超電導線は、ＮｂおよびＴｉを主成分とする金属、又は、ＮｂおよびＳｎを主成分とする金属からなる超電導フィラメントを有する
ことを特徴とする超電導線の接続方法。 - 請求項１又は２に記載の超電導線の接続方法であって、
前記ＮｂＴｉ合金層は、超電導特性を有する
ことを特徴とする超電導線の接続方法。 - 超電導線の回路部と、超電導線同士の接続部とを具備する閉回路を有する超電導磁石装置であって、
前記接続部の一方の超電導線と他方の超電導線が、低融点金属（ただし、ＰｂおよびＩｎを除く。）を含むＮｂＴｉ合金層を介して接続・固定され、前記低融点金属（ただし、ＰｂおよびＩｎを除く。）を含むＮｂＴｉ合金層の外側にＮｂＴｉ合金層が設けられた構造を有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項４に記載の超電導磁石装置であって、
前記ＮｂＴｉ合金層は、ＮｂＴｉ合金粉末の焼結体からなる
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項４又は５に記載の超電導磁石装置であって、
前記接続部において一方の前記超電導線と他方の前記超電導線はＣｕあるいはＡｌを主成分とする金属で被覆されていないことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項４乃至６の何れか１項に記載の超電導磁石装置であって、
前記接続部の一方の前記超電導線と他方の前記超電導線は、ＮｂおよびＴｉを主成分とする金属、又は、ＮｂおよびＳｎを主成分とする金属からなる超電導フィラメントを有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項４乃至７の何れか１項に記載の超電導磁石装置であって、
前記ＮｂＴｉ合金層は、超電導特性を有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
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-
2020
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Patent Citations (5)
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