JP4833210B2 - 二ホウ化マグネシウムから作られた超電導複合ワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、超電導二ホウ化マグネシウム材料を含んでいる超電導複合ワイヤまたは複合帯に関する。

さまざまな産業用途における超電導材料の使用は、多数の予防および保護手段を必要とする。最も大きな課題の１つは、何らかの理由でたとえ一瞬にせよ超電導現象が断たれたときの超電導ワイヤで作られた巻線の適切な保護に関する。

そのような事象は、例えば超電導ワイヤを常に臨界超電導遷移温度を下回るように保っている冷却剤が失われた場合に、たとえそのような喪失が巻線の小さな部分にしか影響しないにせよ、生じうる。これは、超電導材料が、一般に臨界温度を上回るまで加熱された場合に大きな電気抵抗を有するためであり、この温度は、一般的には、材料に応じて数ケルビンから約１５０°Ｋまでさまざまである。

これが生じた場合、超電導の経路を電流の通過から保護する目的で、超電導の経路と並列かつできるだけ近くに、代替の導電路を速やかに利用可能に有することが必須であり、そうでない場合には、超電導の経路が深刻な損傷を被ると考えられる。

この目的は、通常は、銅などの低い電気抵抗の金属材料の厳密に指定された部位を超電導ワイヤと並列に接続することによって達成されている。実際には、この結果を、巻線の形成時に２つのワイヤ、すなわち超電導ワイヤおよび金属ワイヤを一緒に巻くことによって得られている。

しかしながら、この方法は、あらゆる装置について巻き線のプロセスに困難および複雑化を引き起こす。きわめて好ましい解決策は、低抵抗の金属材料を超電導ワイヤそのものに取り入れることである。しかしながら、これを可能にするためには、安定剤として選択される金属材料と、超電導化合物そのものと、ワイヤを構成する残りの材料との間に、完全な化学的および機械的適合性がなければならない。

二ホウ化マグネシウムＭｇＢ_２から製作される超電導ワイヤの場合には、これらの問題に対する解決策を見つけることが、きわめて困難である。これは、二ホウ化マグネシウムが、銅、銀、またはアルミニウムなどといった安定剤としての使用が考えられる事実上ほとんどすべての導電性の金属元素について、顕著な化学的不適合性を示すためである。これらの元素は、マグネシウムに対する親和力が大きいため、ＭｇＢ_２を分解しがちである。

上述の課題を解決するため、本発明は、添付の特許請求の範囲に定められる特徴を有する新規な超電導複合ワイヤ構造を提供する。

本発明によれば、高度に導電性である金属材料（例えば、銅または銀）のコアが、超電導ワイヤの中央部に組み込まれ、超電導ワイヤが、複数の二ホウ化マグネシウム・フィラメントをコアの周囲にリング状に配置して有している。

導電性のコアの周囲および／または超電導フィラメントの周囲に、コアの導電性の金属材料を超電導部分から電気的には絶縁しないが化学的に絶縁でき、化学的な拡散に対してバリアとして機能するコーティングが設けられる。

得られる複合体が、収容および機械的な補強のためのさらなる金属鞘へと挿入され、この鞘は、ワイヤを緻密に保つとともに、良好な機械的特性をもたらす機能を有している。

このようにして、複合ワイヤが内側から安定化され、他の導電性材料と一緒に巻き線する必要なく、巻線および磁石を製造するために使用することができる。

本発明のさらなる利点および特徴が、本発明を限定するものではなく、あくまで例として提示される添付の図面を参照する以下の詳細な説明によって、明らかにされるであろう。

図１および２において、番号１が、導電性の金属材料からなる中央のコアを指し示している。この導電性の金属材料は銅または銀であることが好ましく、それは、これらが電気的な意味で最も導電性の高い元素であるとともに、導体へと加えられる６００℃から約１０００℃の範囲の温度での熱処理に溶融を生じることなく耐えることができるためである。好ましくは、ＯＦＨＣ（無酸素高電導）銅として知られる銅が使用されるが、それは、これが低い温度において考えられる最高の電気伝導度を有しているからである。

中央のコア１には、二ホウ化マグネシウムに化学的に適合できる金属材料からなる外側コーティング２が設けられており、導電性の金属が前記超電導相に向かって拡散することがないようにするバリアまたは障壁として機能する。このバリアは、例えばニオブ、タンタル、鉄、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、またはこれらの合金から製作でき、内部の金属材料の拡散を妨げ、あるいは遅らせるために、充分な最小限の厚さを有することができる。

このバリアは、高導電性のコアの周囲に取り付けられる薄い筒または筒状のシートとして導入することができる。あるいは、バリアを形成する材料を、高導電性のコアの周囲に電気化学的に、あるいは蒸着によって、堆積させることができる。

複数の二ホウ化マグネシウム・フィラメント３が、バリア・コーティング２を囲むように配置されている。これらのフィラメントは、好ましくは、それぞれが二ホウ化マグネシウムからなる超電導コア５および二ホウ化マグネシウムと化学的に適合できる外側金属鞘６を有している単フィラメントのワイヤで構成されている。

後述する図５および６の例にさらに詳しく示されているように、単フィラメントのワイヤ３のそれぞれは、随意により、バリア・コーティング２ａまたは２ｂを鞘６の外側に有することができ、あるいは鞘６の内側に、すなわちコア５に直接接触させて有することができる。

鞘に使用される材料は、例えば、ニオブ、タンタル、鉄、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、またはこれらの合金であってよい。

単フィラメントのワイヤは、好ましくは、管内粉末法によって、ＭｇＢ_２またはＭｇＢ_２の構成要素（基本的には、ホウ素およびマグネシウム粉末）の混合物からなる粉末で充填された金属管を機械的に変形させることによって製作される。

外鞘４が、単フィラメントのワイヤ３を囲んでいる。外鞘の材料は、ワイヤを収容してワイヤの機械的な支持を形成する機能を有する任意の材料であってよい。鞘を形成する材料は、好ましくは、ニオブ、タンタル、鉄、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、またはこれらの合金から選択できる。

このようにして組み上げられた複合体が、円形（図１および３）または偏平な断面（図２および４）を有する長い導体を製造するため、機械的な変形によって加工される。複合体の加工に使用される方法としては、押し出し、圧延、ハンマリング、および引き抜きが挙げられる。

製造されるワイヤの量は、もっぱら最初の組立体の寸法および製造しようとする導体の最終的な寸法によって決まる。

内部の安定化を備える超電導ワイヤの典型的な寸法は、０．２ｍｍから２ｍｍの直径の範囲にある。同様に、０．２ｍｍから２ｍｍの厚さおよび１ｍｍから５ｍｍの幅を有する超電導帯を製造することが可能である。

従来技術と対照的に、この形式の二ホウ化マグネシウム超電導ワイヤの構造によれば、金属元素の存在に起因する超電導相の汚染を生じることなく、高い温度（７００℃超）で導体を熱処理することができる。

図３および４に示した特定の実施形態においては、上述の構造を有する超電導ワイヤが、純銅からなる中央のコア、純鉄の拡散バリア、純ニッケルの鞘を備える二ホウ化マグネシウム超電導フィラメント、および純ニッケルの外鞘を備えて製作され、これらのワイヤは、円形ワイヤまたは超電導帯の断面を有している。

図５および６は、本発明の技術的範囲に包含される代替的実施形態を示している。

これらの図においては、図１および２の各構成要素に相当する構成要素が、同じ参照番号によって指し示されている。

詳しくは、本発明において、拡散バリア２が必ずしも中央の導電コア１の周囲に配置されている必要はなく、これに加え、あるいはこれに代えて、収容鞘６のコーティングとして、あるいは二ホウ化マグネシウム・フィラメントの超電導コア５に直接接触させて、各フィラメント３の周囲に配置されてもよい。

すなわち、図１、５、および６に示した解決策のうちの２つからなる、考えられるすべての組み合わせ、ならびに３つの解決策のすべての同時使用が可能である。

図５の例においては、２ａによって指し示されているバリア・コーティングが、各フィラメント３の収容鞘６を被覆している。

図６の例においては、２ｂによって指し示されているバリア・コーティングが、鞘６の内側で各フィラメントの超電導コア５に直接接触している。

上述の説明は、バリア・コーティング２ａおよび２ｂを構成する材料、外側金属鞘６を構成する材料、およびそれらの適用にも当てはまる。

図５および６の解決策においては、バリア・コーティング２ａおよび２ｂは、好ましくは、先に述べたグループから選択される金属または金属合金であるが、鞘６を形成している材料とは相違している。したがって、バリア・コーティング２ａ、２ｂがニオブ、タンタル、鉄、およびこれらの合金から選択され、鞘６を形成する材料がニオブ、タンタル、鉄、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、またはこれらの合金から選択される金属で構成され、あるいは含んでいて、この材料が、コーティング２ａ、２ｂを形成する材料と相違していれれば好ましい。

本発明の技術的範囲は、超電導ワイヤにおいて、フィラメント３のうちのいくつかが図５の解決策に従って製作され、他のフィラメントが図６の解決策に従って製作され、任意選択で導電コア１にコーティング層２を存在させている場合も包含する。

いずれの場合も、このようにして製造された複合材料には、銅の存在に起因する二ホウ化マグネシウムの分解を生じることなく、最大９８０℃での熱処理が加えられている。

本発明による超電導ワイヤの断面図である。 図１の超電導ワイヤに類似する構造を有する超電導ワイヤの断面図であり、偏平なワイヤまたは帯の形態で製作されている。 図１の構造に従って製作された超電導ワイヤの断面の写真である。 図２の構造に従って製作された超電導ワイヤの断面の写真である。 代替的実施形態の超電導ワイヤの断面図である。 代替的実施形態の超電導ワイヤの断面図である。

Claims (12)

1. 外側の金属鞘の内側に二ホウ化マグネシウムの複数のフィラメントを有し、二ホウ化マグネシウムからなる超電導相を備える超電導複合ワイヤであって、
   銅及び銀から選択される導電性の金属からなるコア（１）、
   各フィラメント（３）が二ホウ化マグネシウムのコア（５）を有しており、導電性金属のコア（１）の周囲に配置されている前記複数のフィラメント（３）、
   前記複数のフィラメント（３）を囲んでいる収容および機械的補強のための前記外側の金属鞘（４）、および
   二ホウ化マグネシウムと化学的に適合でき、かつ少なくとも７００度の温度において前記導電性金属のコア（１）の導電性金属の前記フィラメント（３）への拡散に対して障壁として機能できる金属からなる少なくとも１つの層（２、２ａ、２ｂ）を有しており、
   前記層が、ａ）導電性金属のコアのコーティング（２）として、さらには／あるいはｂ）前記フィラメント（３）のコーティング（２ａ、２ｂ）として、さらには／あるいは前記フィラメント（３）の二ホウ化マグネシウム（５）のコーティングとして、塗布されていることを特徴とする超電導複合ワイヤ。
2. 前記二ホウ化マグネシウムと化学的に適合できる金属の層（２）が、導電性金属のコア（１）のコーティングとして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導複合ワイヤ。
3. 前記二ホウ化マグネシウム・フィラメント（３）のそれぞれが、二ホウ化マグネシウムのコア（５）および二ホウ化マグネシウムのコア（５）を囲む金属鞘（６）を有しており、前記二ホウ化マグネシウムと適合できる金属の層が、前記鞘（６）の外側コーティング（２ａ）として塗布されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導複合ワイヤ。
4. 前記二ホウ化マグネシウム・フィラメント（３）のそれぞれが、二ホウ化マグネシウムのコア（５）および二ホウ化マグネシウムのコア（５）を囲む金属鞘（６）を有しており、前記二ホウ化マグネシウムと適合できる金属の層が、前記鞘（６）の内側の前記二ホウ化マグネシウムのコア（５）のコーティングとして塗布されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導複合ワイヤ。
5. 前記導電性の金属からなるコア（１）は、前記導電性金属のコア（１）を囲んで前記導電性金属のコアの前記導電性金属の拡散に対して障壁として機能できる二ホウ化マグネシウムと化学的に適合できる金属のコーティング層（２）を有し、
   前記コート付きの導電性コア（１、２）の周囲に配置される前記複数の二ホウ化マグネシウムのフィラメント（３）には、二ホウ化マグネシウムと化学的に適合できる金属からなるコーティングまたは鞘（６）が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導複合ワイヤ。
6. 前記二ホウ化マグネシウムと化学的に適合できる金属からなるコーティング層（２、２ａ、２ｂ）が、ニオブ、タンタル、鉄、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、およびこれらの合金で構成されるグループから選択される金属で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超電導複合ワイヤ。
7. 前記コーティング層（２、２ａ、２ｂ）が、筒または丸められたシートで構成され、あるいは電気化学的な堆積または蒸着によって生成されていることを特徴とする請求項６に記載の超電導複合ワイヤ。
8. 前記二ホウ化マグネシウムのフィラメント（３）が、単フィラメントのワイヤ（３）から構成され、該ワイヤのそれぞれが、超電導二ホウ化マグネシウムのコア（５）および前記二ホウ化マグネシウムと化学的に適合できる金属からなる鞘（６）を有していること特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の超電導複合ワイヤ。
9. 前記単フィラメントのワイヤの鞘（６）が、ニオブ、タンタル、鉄、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、およびこれらの合金で構成されるグループから選択される金属で構成されていることを特徴とする請求項８に記載の超電導複合ワイヤ。
10. 前記二ホウ化マグネシウムと化学的に適合できる金属からなる層（２ａ、２ｂ）が、ニオブ、タンタル、鉄、およびこれらの合金から選択され、前記二ホウ化マグネシウムのコア（５）を囲んでいる金属鞘（６）が、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、およびこれらの合金から選択される金属で構成されていることを特徴とする請求項３および４のいずれか一項に記載の超電導複合ワイヤ。
11. 前記外側の収容および補強鞘（４）が、ニオブ、タンタル、鉄、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、およびこれらの合金で構成されるグループから選択される金属で構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の超電導複合ワイヤ。
12. 円形または偏平な断面を有している請求項１から１１のいずれか一項に記載の超電導複合ワイヤ。

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