知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特開2023-164061ＭｇＢ２超電導線材、ＭｇＢ２超電導線材の製造方法、超電導コイルおよび磁気発生装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023164061
(43)【公開日】2023-11-10
(54)【発明の名称】ＭｇＢ２超電導線材、ＭｇＢ２超電導線材の製造方法、超電導コイルおよび磁気発生装置
(51)【国際特許分類】
H01B 12/10 20060101AFI20231102BHJP
【ＦＩ】
H01B12/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022075369
(22)【出願日】2022-04-28
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 孝明
(72)【発明者】
【氏名】田中 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】児玉 一宗
【テーマコード（参考）】
5G321
【Ｆターム（参考）】
5G321AA98
5G321BA03
5G321CA09
5G321CA19
5G321CA36
5G321CA42
5G321DA03
5G321DA99
(57)【要約】
【課題】臨界電流を大きく低下させることなく、曲げ半径を現実的な値まで小さくすることが可能であり、更なる長尺化や細線化が可能になるＭｇＢ２超電導線材、ＭｇＢ２超電導線材の製造方法、これを用いた超電導コイル、および、これを備えた磁気発生装置を提供する。
【解決手段】超電導線材２００は、ＭｇＢ２を含む複数の素線２０１が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群と、素線群を覆うように配置された、室温における熱膨張係数が素線２０１よりも高い高熱膨張金属２０４と、高熱膨張金属２０４を覆うように配置された、超電導を安定化させる安定化材２０５と、安定化材２０５を覆うように配置された、硬度が安定化材２０５よりも高い高硬度金属２０６とを備える。超電導線材の製造方法は、複数の素線２０１の前駆体が多重管に収容された組込材を形成する工程と、組込材を伸線加工する工程と、組込材を熱処理してＭｇＢ２を生成させる工程とを含む。
【選択図】図２
【解決手段】超電導線材２００は、ＭｇＢ２を含む複数の素線２０１が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群と、素線群を覆うように配置された、室温における熱膨張係数が素線２０１よりも高い高熱膨張金属２０４と、高熱膨張金属２０４を覆うように配置された、超電導を安定化させる安定化材２０５と、安定化材２０５を覆うように配置された、硬度が安定化材２０５よりも高い高硬度金属２０６とを備える。超電導線材の製造方法は、複数の素線２０１の前駆体が多重管に収容された組込材を形成する工程と、組込材を伸線加工する工程と、組込材を熱処理してＭｇＢ２を生成させる工程とを含む。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＭｇＢ２を含む複数の素線が金属層で覆われたＭｇＢ２超電導線材であって、
複数の前記素線が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群と、
前記素線群を覆うように配置された、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属と、
前記高熱膨張金属を覆うように配置された、超電導を安定化させる安定化材と、
前記安定化材を覆うように配置された、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属と、を備えるＭｇＢ２超電導線材。
複数の前記素線が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群と、
前記素線群を覆うように配置された、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属と、
前記高熱膨張金属を覆うように配置された、超電導を安定化させる安定化材と、
前記安定化材を覆うように配置された、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属と、を備えるＭｇＢ２超電導線材。
【請求項2】
請求項１に記載の超電導線材であって、
前記素線群を埋設した母材を備え、
前記高熱膨張金属は、室温における熱膨張係数が前記素線および前記母材よりも高い金属であるＭｇＢ２超電導線材。
前記素線群を埋設した母材を備え、
前記高熱膨張金属は、室温における熱膨張係数が前記素線および前記母材よりも高い金属であるＭｇＢ２超電導線材。
【請求項3】
請求項１に記載の超電導線材であって、
前記高熱膨張金属、前記安定化材、および、前記高硬度金属は、互いに密着して一体化した前記金属層を形成しているＭｇＢ２超電導線材。
前記高熱膨張金属、前記安定化材、および、前記高硬度金属は、互いに密着して一体化した前記金属層を形成しているＭｇＢ２超電導線材。
【請求項4】
請求項１に記載の超電導線材であって、
前記高熱膨張金属は、低炭素ステンレス鋼または低炭素鋼であるＭｇＢ２超電導線材。
前記高熱膨張金属は、低炭素ステンレス鋼または低炭素鋼であるＭｇＢ２超電導線材。
【請求項5】
請求項１に記載の超電導線材であって、
前記安定化材は、銅であるＭｇＢ２超電導線材。
前記安定化材は、銅であるＭｇＢ２超電導線材。
【請求項6】
請求項１に記載の超電導線材であって、
前記高硬度金属は、Ｎｉ－Ｃｕ合金またはＣｕ－Ｎｉ合金であるＭｇＢ２超電導線材。
前記高硬度金属は、Ｎｉ－Ｃｕ合金またはＣｕ－Ｎｉ合金であるＭｇＢ２超電導線材。
【請求項7】
請求項１に記載の超電導線材であって、
前記素線群を埋設した母材を備え、
前記母材は、鉄またはニオブであるＭｇＢ２超電導線材。
前記素線群を埋設した母材を備え、
前記母材は、鉄またはニオブであるＭｇＢ２超電導線材。
【請求項8】
請求項１に記載の超電導線材であって、
線材の中心に配置された中心材と、
前記素線群および前記中心材を埋設した母材と、を備え、
前記中心材は、前記母材と同じ金属で形成されているＭｇＢ２超電導線材。
線材の中心に配置された中心材と、
前記素線群および前記中心材を埋設した母材と、を備え、
前記中心材は、前記母材と同じ金属で形成されているＭｇＢ２超電導線材。
【請求項9】
請求項１に記載の超電導線材であって、
線材の中心に配置された中心材を備え、
前記中心材は、ＭｇＢ２を含む素線であるＭｇＢ２超電導線材。
線材の中心に配置された中心材を備え、
前記中心材は、ＭｇＢ２を含む素線であるＭｇＢ２超電導線材。
【請求項10】
ＭｇＢ２を含む複数の素線が金属層で覆われたＭｇＢ２超電導線材の製造方法であって、
複数の前記素線の前駆体が多重管に収容された組込材を形成する工程と、
前記組込材を伸線加工する工程と、
伸線加工された前記組込材を熱処理してＭｇＢ２を生成させる工程と、を含み、
前記組込材は、複数の前記素線の前駆体を前記多重管の中心に対して周方向および径方向に配列させて前記多重管に収容しており、
前記多重管は、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管、超電導を安定化させる安定化材で形成された安定化材管、および、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属で形成された高硬度金属管が、この順に内側から外側に向けて配置されているＭｇＢ２超電導線材の製造方法。
複数の前記素線の前駆体が多重管に収容された組込材を形成する工程と、
前記組込材を伸線加工する工程と、
伸線加工された前記組込材を熱処理してＭｇＢ２を生成させる工程と、を含み、
前記組込材は、複数の前記素線の前駆体を前記多重管の中心に対して周方向および径方向に配列させて前記多重管に収容しており、
前記多重管は、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管、超電導を安定化させる安定化材で形成された安定化材管、および、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属で形成された高硬度金属管が、この順に内側から外側に向けて配置されているＭｇＢ２超電導線材の製造方法。
【請求項11】
請求項１０に記載の超電導線材の製造方法であって、
前記組込材は、前記多重管の中心に中心材を配置されており、
前記素線の前駆体は、マグネシウムとホウ素を含む粉末を金属管に収容しており、
前記中心材は、前記金属管と同じ金属で形成されているＭｇＢ２超電導線材の製造方法。
前記組込材は、前記多重管の中心に中心材を配置されており、
前記素線の前駆体は、マグネシウムとホウ素を含む粉末を金属管に収容しており、
前記中心材は、前記金属管と同じ金属で形成されているＭｇＢ２超電導線材の製造方法。
【請求項12】
請求項１０に記載の超電導線材の製造方法であって、
前記高熱膨張金属は、低炭素ステンレス鋼または低炭素鋼であり、
前記安定化材は、銅であり、
前記高硬度金属は、Ｎｉ－Ｃｕ合金またはＣｕ－Ｎｉ合金であるＭｇＢ２超電導線材の製造方法。
前記高熱膨張金属は、低炭素ステンレス鋼または低炭素鋼であり、
前記安定化材は、銅であり、
前記高硬度金属は、Ｎｉ－Ｃｕ合金またはＣｕ－Ｎｉ合金であるＭｇＢ２超電導線材の製造方法。
【請求項13】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載された超電導線材を捲回した超電導コイル。
【請求項14】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載された超電導線材を捲回した超電導コイルを備えた磁気発生装置。
【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ＭｇＢ２超電導線材、ＭｇＢ２超電導線材の製造方法、超電導コイルおよび磁気発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
超電導線材の利点は、電流をゼロ抵抗で流すことができる点にある。従来、超電導コイルには、低温超電導体であるニオブチタン（ＮｂＴｉ）の線材が広く用いられてきた。ＮｂＴｉ線材を用いた超電導コイルは、動作温度が約４Ｋと低いため、液体ヘリウムによる冷却が行われる。しかし、近年では、ヘリウムの需給逼迫が懸念されている。そこで、臨界温度が高く、液体ヘリウムを使用しない超電導体の開発や線材化が進められている。
【0003】
臨界温度が高い超電導体として、ニオブスズ（Ｎｂ３Ｓｎ）、イットリウム（Ｙ）系酸化物、ビスマス（Ｂｉ）系酸化物、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）等が知られている。ＭｇＢ２は、臨界温度が約３９Ｋと高く、原料の入手が比較的容易である。また、磁気異方性が小さく、軽量で機械的特性に優れている。そのため、超電導体としてＭｇＢ２を用いたＭｇＢ２超電導線材は、種々の用途への応用が期待されている。
【0004】
ＭｇＢ２超電導線材の一般的な製造方法としては、原料となる粉末を金属管に充填し、金属管に伸線加工を施すパウダーインチューブ（Powder In Tube：ＰＩＴ）法が用いられている。ＰＩＴ法には、ex situ法とin situ法がある。ex situ法は、予め合成されたＭｇＢ２を原料として用いる方法である。in situ法は、マグネシウム粉末とホウ素粉末とを原料とし、マグネシウムとホウ素を熱処理してＭｇＢ２を生成させる方法である。
【0005】
ＭｇＢ２超電導線材を用いた超電導コイルの作製法としては、ワインド・アンド・リアクト法とリアクト・アンド・ワインド法がある。ワインド・アンド・リアクト法は、超電導線材の前駆体をコイル状に捲回した後に熱処理を施す方法である。リアクト・アンド・ワインド法は、熱処理を施した超電導線材をコイル状に捲回する方法である。
【0006】
ＭｇＢ２超電導線材には、許容曲げ半径があり、大きな曲率で曲げると超電導特性が低下することが知られている。ＭｇＢ２超電導線材は、コイル形状への捲回、引き回し等の際に、許容曲げ半径を下回る大きな曲率で曲げると、臨界電流等の超電導特性が低下する。このような特性のために、ＭｇＢ２超電導線材を用いた超電導磁石の作製等が制約されている現状がある。
【0007】
特許文献１には、ＭｇＢ２で形成されたフィラメントと、フィラメントの外周を覆う母材と、母材の外周を覆う高熱膨張金属と、高熱膨張金属の外周を覆う超電導を安定化させる安定化材と、を備えた線材が記載されている。高熱膨張金属は、室温における熱膨張係数がＭｇＢ２および母材よりも高い金属とされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２０２１－１０６０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献１では、高熱膨張金属によって、ＭｇＢ２のフィラメントに圧縮残留応力を付与して、線材の曲げに対する耐性を高めている。線材の曲げひずみ耐性を向上させることによって、臨界電流を確保しつつ許容曲げ半径を小さくしている。しかし、本発明者らによる検討の結果、ＭｇＢ２超電導線材の曲げひずみ耐性および線材の細線化や長尺化について、更なる向上の余地があることが確認された。
【0010】
そこで、本発明は、臨界電流を大きく低下させることなく、曲げ半径を現実的な値まで小さくすることが可能であり、更なる長尺化や細線化が可能になるＭｇＢ２超電導線材、ＭｇＢ２超電導線材の製造方法、これを用いた超電導コイル、および、これを備えた磁気発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
前記課題を解決するために本発明に係る超電導線材は、ＭｇＢ２を含む複数の素線が金属層で覆われたＭｇＢ２超電導線材であって、複数の前記素線が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群と、前記素線群を覆うように配置された、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属と、前記高熱膨張金属を覆うように配置された、超電導を安定化させる安定化材と、前記安定化材を覆うように配置された、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属と、を備える。
【0012】
また、本発明に係る超電導線材の製造方法は、ＭｇＢ２を含む複数の素線が金属層で覆われたＭｇＢ２超電導線材の製造方法であって、複数の前記素線の前駆体が多重管に収容された組込材を形成する工程と、前記組込材を伸線加工する工程と、伸線加工された前記組込材を熱処理してＭｇＢ２を生成させる工程と、を含み、前記組込材は、複数の前記素線の前駆体を前記多重管の中心に対して周方向および径方向に配列させて前記多重管に収容しており、前記多重管は、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管、超電導を安定化させる安定化材で形成された安定化材管、および、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属で形成された高硬度金属管が、この順に内側から外側に向けて配置されている。
【発明の効果】
【0013】
本発明によると、臨界電流を大きく低下させることなく、曲げ半径を現実的な値まで小さくすることが可能であり、更なる長尺化や細線化が可能になるＭｇＢ２超電導線材、ＭｇＢ２超電導線材の製造方法、これを用いた超電導コイル、および、これを備えた磁気発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
【図2】本発明の実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材の一例を模式的に示す断面図である。
【図3】本発明の実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材の素材である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材の一例を模式的に示す断面図である。
【図5】従来のＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
【図6】本発明の実施形態に係る超電導コイルの一例を模式的に示す断面図である。
【図7】本発明の実施形態に係る磁気発生装置の一例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の一実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材、ＭｇＢ２超電導線材の製造方法、これを用いた超電導コイル、および、これを備えた磁気発生装置について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において、共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【0016】
図１は、本発明の実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材は、超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体１０１を組み込んだ組込材１００を前駆体として製造される。組込材１００は、複数の素線前駆体１０１を、金属製の多重管（１０４，１０５，１０６）に対して、規則的な配列で組み込むことによって形成される。素線前駆体１０１は、原料粉末１０２を金属管１０３に充填することによって形成される。
図１に示すように、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材は、超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体１０１を組み込んだ組込材１００を前駆体として製造される。組込材１００は、複数の素線前駆体１０１を、金属製の多重管（１０４，１０５，１０６）に対して、規則的な配列で組み込むことによって形成される。素線前駆体１０１は、原料粉末１０２を金属管１０３に充填することによって形成される。
【0017】
図２は、本発明の実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材の一例を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材２００は、超電導フィラメントである複数の素線２０１と、素線群を埋設したマトリクス（母材）２０２と、多層構造の金属層（２０４，２０５，２０６）と、を備えている。
図２に示すように、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材２００は、超電導フィラメントである複数の素線２０１と、素線群を埋設したマトリクス（母材）２０２と、多層構造の金属層（２０４，２０５，２０６）と、を備えている。
【0018】
図２に示すＭｇＢ２超電導線材２００は、図１に示す組込材１００を伸線加工した後に熱処理することによって製造される。本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材２００の製造方法は、ＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材１００を形成する工程と、組込材１００を伸線加工する工程と、伸線加工された組込材１００を熱処理してＭｇＢ２を生成させる工程と、を含む。
【0019】
本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材２００は、ＭｇＢ２を含む複数の素線２０１が多層構造の金属層（２０４，２０５，２０６）で覆われた超電導線材である。このＭｇＢ２超電導線材２００は、超電導フィラメントである複数の素線２０１を備える多芯線構造とされている。複数の素線２０１は、線材の中心に対して周方向および径方向に配列して素線群を形成している。マトリクス２０２は、金属層（２０４，２０５，２０６）の内側に素線群を埋設している。
【0020】
金属層（２０４，２０５，２０６）は、高熱膨張金属２０４、安定化材２０５および高硬度金属２０６が、この順に内側から外側に向けて配置された多層構造に設けられている。高熱膨張金属２０４は、高熱膨張金属管１０４で形成されている。安定化材２０５は、安定化材管１０５で形成されている。高硬度金属２０６は、高硬度金属管１０６で形成されている。
【0021】
本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材２００によると、安定化材２０５の外側に高硬度金属２０６が設けられるため、組込材１００の伸線加工時の不具合が防止される。高硬度金属２０６によって、伸線加工時に生じる高熱膨張金属２０４と安定化材２０５との不均一な変形が防止される。そのため、従来と比較して、線材の長尺化や細線化が可能になる。素線２０１が規則的に配置される多芯線構造が採用されるにもかかわらず、素線群の偏りが防止される。
【0022】
素線前駆体１０１は、素線２０１の前駆体である組込用単芯線であり、マグネシウムとホウ素を含む原料粉末１０２を金属管１０３に収容したものである。超電導フィラメントである素線２０１は、パウダーインチューブ（Powder In Tube：ＰＩＴ）法によって形成される。ＰＩＴ法は、原料粉末を金属管に充填し、金属管に伸線加工を施して線材を作製する方法である。組込材１００を伸線加工した後に熱処理すると、原料粉末１０２がＭｇＢ２を含む素線２０１となり、金属管１０３がマトリクス２０２となる。
【0023】
ＭｇＢ２を含む素線２０１を形成する方法としては、ＰＩＴ法のうち、ex situ法およびin situ法のいずれを用いてもよいが、in situ法を用いることが好ましい。in situ法によると、粒子同士の結合が多く、且つ、空隙が少ないＭｇＢ２を、比較的低温の熱処理で生成させることができる。低温でＭｇＢ２を焼成すると、ピンニングセンタとなる粒界の密度が増加するため、臨界電流密度等の超電導特性を向上させることができる。
【0024】
マグネシウムとホウ素を含む原料粉末１０２には、炭素源を添加することができる。炭素源を添加すると、ＭｇＢ２を生成させる熱処理時に、ＭｇＢ２のＢをＣに元素置換させることができる。超電導体に不純物となるＣが導入されるため、ＭｇＢ２超電導線材２００の臨界電流や臨界磁場を向上させることができる。
【0025】
炭素源としては、Ｂ４Ｃ、ＳｉＣ等の無機炭素化合物や、ベンゼン、ナフタレン、コロネン、アントラセン等の炭化水素や、ステアリン酸等の有機酸や、有機酸のマグネシウム塩等を用いることができる。
【0026】
原料粉末１０２を収容した金属管１０３は、組込材１００を伸線加工した後に熱処理すると、マトリクス２０２となり、複数の素線２０１で構成される素線群を埋設して機械的に支持する。金属管１０３は、ＭｇＢ２を生成させる熱処理時には、バリア材として機能する。原料粉末１０２をバリア材である金属管１０３に充填することよって、原料粉末１０２に含まれるＭｇやＢと銅等の阻害因子との反応が防止される。
【0027】
金属管１０３の材料としては、鉄、ニオブ、タンタル、ニッケル、チタン、これらの合金等を用いることができる。これらの金属は、ＭｇＢ２を生成させる熱処理時に、ＭｇやＢと反応し難い。そのため、ＭｇＢ２の生成を妨げることなく、バリア材として有効である。金属管１０３の材料としては、鉄またはニオブが好ましい。鉄やニオブは、加工性が良好であり、比較的安価であるため、伸線加工に適した金属管１０３が低コストで得られる。
【0028】
図１において、組込材１００は、複数の素線前駆体１０１が組込材１００の中心に対して周方向および径方向に配列した構造に設けられている。組込材１００の中心には、中心材１０７が配置されている。中心材１０７としては、超電導フィラメントとならない常電導体の金属で形成された金属が配置されている。
【0029】
このような組込材１００を伸線加工した後に熱処理すると、図２に示すように、複数の素線２０１が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群が形成される。ＭｇＢ２超電導線材２００の中心には、金属で形成されたマトリクス２０２が形成される。
【0030】
図１に示すように、組込材１００の中心に金属で形成された中心材１０７を配置すると、複数の素線前駆体１０１で構成される前駆体群の配列を、中心材１０７によって機械的に支持させることができる。そのため、組込材１００の伸線加工時に、素線前駆体１０１が組込材１００の径方向に偏るのを抑制することができる。
【0031】
中心材１０７の材料としては、鉄、ニオブ、タンタル、ニッケル、チタン、これらの合金等を用いることができる。中心材１０７は、原料粉末１０２を収容した金属管１０３と同じ金属で形成されていることが好ましい。同種の金属であると、中心材１０７と金属管１０３との加工ひずみ差や熱膨張差が小さくなる。伸線加工時や熱処理時に、素線前駆体１０１に対して塑性変形や熱変形による不均一な力が加わり難くなるため、素線前駆体１０１が組込材１００の径方向に偏るのを抑制することができる。
【0032】
図１において、複数の素線前駆体１０１は、中心材１０７の周囲に、中心材１０７と同心の第１同心円上となるように配置されている。また、複数の素線前駆体１０１は、第１同心円よりも外側に、中心材１０７と同心の第２同心円上となるように配置されている。第１同心円上および第２同心円上において、素線前駆体１０１は、周方向に沿って規則的に配置されている。
【0033】
このような組込材１００を伸線加工した後に熱処理すると、図２に示すように、複数の素線２０１が中心材１０７と同心の同心円上に配置された第１素線群が、中心材１０７の周囲に形成される。また、複数の素線２０１が中心材１０７と同心の同心円上に配置された第２素線群が、第１素線群よりも外側に形成される。
【0034】
このような多層構造の多芯線構造によると、交流損失の低減や超電導の安定化を図りつつ、線材当たりの輸送電流の電流密度を増大させることができる。多層構造の多芯線構造の場合、伸線加工によって、線材の軸方向視の断面において、素線２０１が不均一な偏りを生じる虞がある。しかし、このような偏りは、中心材１０７や高硬度金属２０６を設けることによって防止できる。そのため、ＭｇＢ２超電導線材２００では、多層構造の多芯線構造を採用することができる。
【0035】
図３は、本発明の実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材の素材である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
図３に示すように、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材は、中心に超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体を配置した構造に設けることもできる。図３に示す組込材３００は、前記の組込材１００と同様に、複数の素線前駆体３０１を、金属製の多重管３０４，３０５，３０６に対して、規則的な配列で組み込むことによって形成される。素線前駆体３０１は、原料粉末３０２を金属管３０３に充填することによって形成される。
図３に示すように、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材は、中心に超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体を配置した構造に設けることもできる。図３に示す組込材３００は、前記の組込材１００と同様に、複数の素線前駆体３０１を、金属製の多重管３０４，３０５，３０６に対して、規則的な配列で組み込むことによって形成される。素線前駆体３０１は、原料粉末３０２を金属管３０３に充填することによって形成される。
【0036】
図３に示す組込材３００が、前記の組込材１００と異なる点は、中心材３０７として、常電導体の金属で形成された金属（１０７）に代えて、超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体３０１を備えている点である。組込材３００の他の主要な構成は、前記の組込材１００と同様である。
【0037】
図４は、本発明の実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材の一例を模式的に示す断面図である。
図４に示すように、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材４００は、超電導フィラメントである複数の素線４０１と、素線群を埋設したマトリクス（母材）４０２と、多層構造の金属層４０４，４０５，４０６と、を備えている。
図４に示すように、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材４００は、超電導フィラメントである複数の素線４０１と、素線群を埋設したマトリクス（母材）４０２と、多層構造の金属層４０４，４０５，４０６と、を備えている。
【0038】
図４に示すＭｇＢ２超電導線材４００は、図３に示す組込材３００を伸線加工した後に熱処理することによって製造される。本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材４００の製造方法は、ＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材３００を形成する工程と、組込材３００を伸線加工する工程と、伸線加工された組込材３００を熱処理してＭｇＢ２を生成させる工程と、を含む。
【0039】
本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材４００は、ＭｇＢ２を含む複数の素線４０１が多層構造の金属層（４０４，４０５，４０６）で覆われた超電導線材である。このＭｇＢ２超電導線材４００は、超電導フィラメントである複数の素線４０１を備える多芯線構造とされている。複数の素線４０１は、線材の中心に対して周方向および径方向に配列して素線群を形成している。マトリクス４０２は、金属層（４０４，４０５，４０６）の内側に素線群を埋設している。
【0040】
金属層（４０４，４０５，４０６）は、高熱膨張金属４０４、安定化材４０５および高硬度金属４０６が、この順に内側から外側に向けて配置された多層構造に設けられている。高熱膨張金属４０４は、高熱膨張金属管３０４で形成されている。安定化材４０５は、安定化材管３０５で形成されている。高硬度金属４０６は、高硬度金属管３０６で形成されている。
【0041】
図３において、組込材３００は、複数の素線前駆体３０１が組込材３００の中心に対して周方向および径方向に配列した構造に設けられている。組込材３００の中心には、中心材３０７が配置されている。中心材３０７としては、超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体が配置されている。
【0042】
このような組込材３００を伸線加工した後に熱処理すると、図４に示すように、ＭｇＢ２超電導線材４００の中心には、超電導フィラメントである素線４０１が形成される。また、複数の素線４０１が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群が形成される。
【0043】
図３に示すように、組込材３００の中心に超電導フィラメントの前駆体である中心材３０７を配置すると、複数の素線前駆体３０１で構成される前駆体群の配列を維持しつつ、線材の軸方向視の断面において、超電導フィラメントの面積が大きくなるため、線材当たりの輸送電流の電流密度を増大させることができる。
【0044】
なお、本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材２００，４００において、素線２０１，４０１の層数や、一層当たりの素線２０１，４０１の数は、特に限定されるものではない。素線２０１，４０１の層数や、一層当たりの素線２０１，４０１の数は、２以上の適宜の数とすることができる。
【0045】
図１および図３に示すように、多重管（１０４，１０５，１０６，３０４，３０５，３０６）は、高熱膨張金属（２０４，４０４）で形成された高熱膨張金属管（１０４，３０４）、安定化材（２０５，４０５）で形成された安定化材管（１０５，３０５）、および、高硬度金属（２０６，４０６）で形成された高硬度金属管（１０６，３０６）を、この順に内側から外側に向けて配置することによって形成される。
【0046】
高熱膨張金属（２０４，４０４）は、線材の長さ方向にわたって、素線（２０１，４０１）で構成される素線群およびマトリクス（２０２，４０２）の外周を覆うように設けられる。高熱膨張金属は、室温における熱膨張係数が素線やマトリクス、すなわち、ＭｇＢ２やバリア材である金属管の材料よりも高い金属で形成される。高い熱膨張係数は、ＭｇＢ２を生成させる熱処理の温度から室温までの温度範囲や、ＭｇＢ２の臨界温度以下の極低温の温度範囲においても、確保されることが好ましい。
【0047】
一般に、超電導線材に引張り負荷がかかり、限界引張ひずみを超過すると、超電導フィラメントにクラック等が生じて、超電導特性が低下すると考えられている。超電導線材は、コイル形状への捲回、引き回し等の際に曲げられると、曲げ外側に引張ひずみを生じ、曲げ内側に圧縮ひずみを生じる。引張ひずみが、熱処理時に生じた残留圧縮ひずみを上回ると、超電導フィラメントにクラック等を生じる。
【0048】
これに対し、高熱膨張金属を設けると、ＭｇＢ２を生成させる熱処理以後に、素線群に対して熱膨張差による圧縮力をかけて、超電導フィラメントに残留圧縮ひずみを付与することができる。残留圧縮ひずみの増加によって、素線の限界引張ひずみが拡大されるため、線材の許容曲げ半径を、従来よりも小さくすることができる。
【0049】
高熱膨張金属の室温における熱膨張係数は、好ましくは１４．０×１０－６℃－１以上、より好ましくは１４．５×１０－６℃－１以上、更に好ましくは１５．０×１０－６℃－１以上である。このような高い熱膨張係数であると、素線やマトリクスに対して十分に高い残留圧縮ひずみを付与することができる。
【0050】
高熱膨張金属としては、ステンレス鋼、炭素鋼、ニッケル鋼、ニッケルクロム鋼等が挙げられる。高熱膨張金属としては、ステンレス鋼や炭素鋼が好ましい。ステンレス鋼や炭素鋼は、安価であり、入手性に優れているため、線材の材料コストを抑制することができる。ステンレス鋼や炭素鋼としては、室温における熱膨張係数がＭｇＢ２やバリア材である金属管の材料よりも高く、且つ、適切な加工性が確保される限り、適宜の種類を用いることができる。
【0051】
高熱膨張金属としては、Ｃ量が０．０３質量％以下である低炭素ステンレス鋼や、Ｃ量が０．０１質量％以上０．２５質量％未満である低炭素鋼がより好ましい。低炭素ステンレス鋼の具体例としては、ＳＵＳ３０１Ｌ、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等が挙げられる。高熱膨張金属としては、ＭｇＢ２の生成を妨げるニッケルの含有量が１０質量％以下の材料が好ましい。
【0052】
低炭素ステンレス鋼や低炭素鋼は、熱膨張係数が高く、或る程度の延性があるステンレス鋼や炭素鋼の中でも、硬度が比較的高い材料である。そのため、低炭素ステンレス鋼や低炭素鋼と高硬度金属との間に安定化材を挟むと、伸線加工時に外側から加わる加工力によって、高熱膨張金属と安定化材とを互いに均一性高く密着させることができる。高熱膨張金属と安定化材とを密着させると、伸線加工時に、高熱膨張金属と安定化材との変形量差が抑制される。そのため、低炭素ステンレス鋼や低炭素鋼以外の場合と比較して、線材の長尺化や細線化が可能になる。また、素線群の径方向の偏りが防止される。
【0053】
安定化材（２０５，４０５）は、線材の長さ方向にわたって、高熱膨張金属（２０４，４０４）の外周を覆うように設けられる。安定化材は、抵抗率が低く、熱伝導率が高い良導体で形成される。安定化材を設けると、超電導を熱的・磁気的に安定化させて、線材のクエンチや熱暴走を抑制することができる。
【0054】
安定化材としては、銅が好ましい。銅としては、リン脱酸銅、タフピッチ銅、無酸素銅等が挙げられる。銅としては、特に無酸素銅が好ましい。無酸素銅であると、高い導電率や熱伝導率が得られるため、超電導の熱的安定性や磁気的安定性をより向上させることができる。
【0055】
高硬度金属（２０６，４０６）は、線材の長さ方向にわたって、安定化材（２０５，４０５）の外周を覆うように設けられる。高硬度金属は、硬度が安定化材よりも高い金属で形成される。その硬度は、ＭｇＢ２を生成させる熱処理の温度から室温までの温度範囲において少なくとも確保されることが好ましい。高硬度金属の硬度は、例えば、ビッカース硬さ（ＨＶ）によって評価できる。
【0056】
図５は、従来のＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
図５に示すように、従来のＭｇＢ２超電導線材は、多芯線構造とされた組込材５００を前駆体として製造されている。組込材５００は、超電導フィラメントの前駆体である複数の素線前駆体５０１を金属製の多重管５０４，５０５に組み込むことによって形成されている。素線前駆体５０１は、原料粉末５０２を金属管５０３に充填することによって形成されている。
図５に示すように、従来のＭｇＢ２超電導線材は、多芯線構造とされた組込材５００を前駆体として製造されている。組込材５００は、超電導フィラメントの前駆体である複数の素線前駆体５０１を金属製の多重管５０４，５０５に組み込むことによって形成されている。素線前駆体５０１は、原料粉末５０２を金属管５０３に充填することによって形成されている。
【0057】
従来の組込材５００では、多重管５０４，５０５が、高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管５０４、および、安定化材で形成された安定化材管５０５を、この順に内側から外側に向けて配置することによって形成されている。安定化材管５０５の外側には、硬度が高い金属管が配置されてなく、安定化材が最外層を形成している。
【0058】
従来のように、組込材の最外層が安定化材であると、伸線加工時に、最外層の安定化材が、外側から直接的な加工力を受ける。銅等の安定化材は、変形し易く加工性に優れた材料である。一方、ステンレス鋼等の高熱膨張金属は、変形し難く加工性に劣る。そのため、組込材の最外層が安定化材であると、高熱膨張金属が大きく変形しない一方で、安定化材が大きく変形することになる。
【0059】
その結果、内側の高熱膨張金属と外側の安定化材との間で変形量の違いを生じ易くなる。安定化材のみが大きく減面されると共に、伸線方向に大きく伸びる。一方、高熱膨張金属や、その内側の素線群は、十分に減面されず、伸線方向に伸びなくなる。組込材の伸線加工時に、減面率や線長が頭打ちとなるため、組込材の線材化が妨げられるという問題がある。
【0060】
特に、安定化材に対して外側から不均一に加工力が加わると、安定化材の周方向の一部のみが局所的に薄肉化することがある。線材の軸方向視の断面において、高熱膨張金属と安定化材との界面に凹凸を生じる場合がある。この程度の変形量の違いを生じると、伸線加工時に、素線前駆体が径方向の偏りを生じるという問題がある。
【0061】
偏りを生じた素線前駆体が焼成されると、素線も径方向に偏る。このような素線が形成されると、線材が曲げられたとき、一部の素線の曲率が大きくなる。一部の素線に過大な引張負荷がかかり易くなるため、クラック等を生じて、超電導特性が低下してしまう。
【0062】
これに対し、安定化材（２０５，４０５）の外側に高硬度金属（２０６，４０６）を設けると、伸線加工時に、高熱膨張金属と安定化材との間に生じる変形量差を抑制することができる。安定化材の外側に高硬度金属があるため、外側から加えられる加工力を、素線前駆体や高熱膨張金属や安定化材に対して、高硬度金属を介して周方向に均一性高く加えることが可能になる。
【0063】
そのため、安定化材（２０５，４０５）の外側に高硬度金属（２０６，４０６）を設けると、高熱膨張金属と安定化材とを、バランスよく減面させると共に伸線方向に伸ばすことができる。従来と比較して、素線の配列や超電導特性が確保される範囲において、線材の更なる長尺化や、更なる細線化が可能になる。また、伸線加工時に、素線前駆体の配列に径方向の偏りが生じるのを防止できる。多層構造の多芯線構造を採用したとしても、線材の許容曲げ半径を従来よりも小さくすることができる。
【0064】
高硬度金属としては、室温における熱膨張係数が素線やマトリクス、すなわち、ＭｇＢ２やバリア材である金属管の材料よりも高い金属が好ましい。また、室温における熱膨張係数が安定化材よりも高い金属が好ましい。熱膨張係数が高い金属であると、ＭｇＢ２を生成させる熱処理以後に、超電導フィラメントに対して熱膨張差による圧縮力をかけることができる。
【0065】
高硬度金属としては、銅合金または銅を含む合金が好ましい。銅合金または銅を含む合金であると、線材を超電導接続する際に、高硬度金属を容易に除去することができる。線材を超電導接続する際には、超電導フィラメントである素線を露出させる必要がある。しかし、高硬度金属が銅合金や銅を含む合金であれば、硝酸等で溶解させて容易に除去することができる。
【0066】
高硬度金属としては、Ｎｉ－Ｃｕ合金、Ｃｕ－Ｎｉ合金、または、分散強化銅がより好ましく、Ｎｉ－Ｃｕ合金またはＣｕ－Ｎｉ合金が特に好ましい。これらの銅合金であると、加工可能な範囲で適切な高硬度を得ることができる。また、Ｎｉを含む合金であると、非磁性や耐食性が得られるため、線材の最外層として好ましい。
【0067】
Ｃｕ－Ｎｉ合金としては、特に限定されるものではないが、Ｎｉの含有量が１０質量％以上３０質量％以下である白銅等が挙げられる。Ｎｉ－Ｃｕ合金としては、特に限定されるものではないが、Ｃｕの含有量が２０質量％以上３５質量％以下であるモネル等が挙げられる。分散強化銅としては、アルミナを分散させたアルミナ分散強化銅、ジルコニアを分散させたジルコニア分散強化銅、イットリアを分散させたイットリア分散強化銅等が挙げられる。
【0068】
伸線加工後において、高熱膨張金属、安定化材、および、高硬度金属は、互いに密着して一体化した金属層を形成していることが好ましい。このような金属層は、組込材（１００，３００）の形成時に、高熱膨張金属管（１０４，３０４）、安定化材管（１０５，３０５）および高硬度金属管（１０６，３０６）を、互いの隙間を小さくして配置することによって形成できる。
【0069】
このような一体化した金属層を形成すると、伸線加工時に外側から加わる加工力によって、高熱膨張金属と安定化材とを、互いに周方向に均一性高く密着させることができる。安定化材のみが大きく変形するのが防止されるため、高熱膨張金属と安定化材との変形量差を十分に抑制することができる。このような一体化した金属層を形成する場合、高熱膨張金属と安定化材との間や、安定化材と高硬度金属との間には、他の機能を示す層が設けられないことが好ましい。
【0070】
なお、図１、図２、図３および図４において、ＭｇＢ２超電導線材２００，４００や組込材１００，３００は、丸線として設けられている。しかし、ＭｇＢ２超電導線材２００，４００や組込材１００，３００は、矩形、六角形等の多角形や、平角線等の適宜の断面形状に設けることができる。素線２０１，４０１の層数や、一つの層当たりの素線２０１，４０１の本数は、２以上の適宜の数とすることができる。
【0071】
【0072】
本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材は、組込材を形成する準備工程と、組込材を伸線加工する伸線加工工程と、伸線加工された組込材を熱処理してＭｇＢ２を生成させる熱処理工程と、を含む。準備工程では、多芯線構造を形成するための素線前駆体として複数の組込用単芯線を作製する。組込用単芯線は、高熱膨張金属管、安定化材管および高硬度金属管で構成される多重管に組み込まれる。
【0073】
準備工程では、マグネシウム粉末とホウ素粉末とを混合した原料粉末を調製し、その原料粉末をバリア材で形成された金属管に充填する。原料粉末は、ＭｇＢ２の原料となるマグネシウム粉末とホウ素粉末とを、ＭｇとＢとのモル比が略１：２となるように秤量し、粉砕および混合することによって調製する。原料粉末には、必要に応じて、元素置換のための炭素源を添加することができる。
【0074】
原料粉末は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気や、真空雰囲気等の非酸化性雰囲気で取り扱うことが好ましい。雰囲気中の酸素量及び水分量は、１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。原料粉末の混合は、ボールミル装置、遊星型ミキサ、Ｖ型ミキサ、乳鉢等で行うことができる。
【0075】
また、原料粉末の混合は、メカニカルミリング法によって行うことができる。メカニカルミリング法では、原料粉末の粒子を、ジルコニア製のボール等のメディアやポットの内壁と激しく衝突させて、強加工しながら粉砕および混合を行う。メカニカルミリングでは、ＭｇＢ２が明確には生成しない程度の衝突エネルギを加えることが好ましい。なお、ＭｇＢ２の生成は、粉末Ｘ線回折においてＭｇＢ２のピークの実質的な有無で確認できる。
【0076】
メカニカルミリング法によると、Ｍｇ粒子にＢ粒子が侵入し、ＭｇのマトリックスにＢが微細に分散して内包された混合度が高い粉末組織が得られる。そのため、このような粉末組織を熱処理すると、ＭｇＢ２同士の結合が多く空隙が少ない超電導フィラメントを形成できる。空隙が少ない超電導フィラメントを形成すると、高い臨界電流密度が得られる。
【0077】
続いて、原料粉末が充填された金属管を伸線加工して組込用単芯線を作製する。組込用単芯線としては、多芯線構造の素線群を構成する複数本を作製する。複数の組込用単芯線は、互いに同等の線径で作製することが好ましい。組込用単芯線の伸線加工は、適宜のパス数で行うことができる。組込用単芯線の伸線加工は、１パス当たりの減面率を８～１２％として行うことが好ましい。
【0078】
組込用単芯線の伸線加工は、引抜加工、押出加工、スエージ加工、カセットロール加工、溝ロール加工等で行うことができる。伸線加工装置としては、ドローベンチ、静水圧押出機、伸線機、スエージャ、カセットローラダイス、溝ロール等を用いることができる。
【0079】
続いて、伸線加工された複数の組込用単芯線を、中心材と共に、多層構造の多重管に組み込み、ＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材を作製する。多重管は、高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管、安定化材で形成された安定化材管、および、高硬度金属で形成された高硬度金属管を、この順に内側から外側に向けて配置することによって形成される。
【0080】
組込用単芯線を多重管に組み込む際には、複数の組込用単芯線を、中心材の周囲に、中心材と同心となるように配置することが好ましい。各組込用単芯線は、中心材を通る中心線に対して線対称となるように、等間隔で規則的に配置することが好ましい。また、中心材と組込用単芯線や、組込用単芯線同士や、組込用単芯線と高熱膨張金属管とは、互いに接触した状態に配置することが好ましい。
【0081】
このような配置であると、伸線加工時に、高硬度金属管から内側の安定化材管等に対して周方向に均一性高く加工力を加えることができる。また、ＭｇＢ２を生成させる熱処理以後に、高熱膨張金属から素線群に対して熱膨張差による圧縮力を均一にかけることができる。伸線加工時に、素線前駆体の配列の径方向の偏りが抑制されるため、線材の曲げ時の過大な負荷や磁気的な損失を低減することができる。
【0082】
伸線加工工程では、複数の組込用単芯線が多重管に組み込まれた組込材を伸線加工する。組込材を所定の減面率で伸線加工することによって、組込材を長尺化および細線化させる。組込材の伸線加工は、適宜のパス数で行うことができる。組込材１００の伸線加工は、例えば、線径が０．３～２．０ｍｍとなるように行うことができる。また、用途に応じた線径に行うことができる。
【0083】
組込材の伸線加工は、引抜加工、押出加工、スエージ加工、カセットロール加工、溝ロール加工等で行うことができる。伸線加工装置としては、ドローベンチ、静水圧押出機、伸線機、スエージャ、カセットローラダイス、溝ロール等を用いることができる。
【0084】
また、伸線加工された組込材は、螺旋状にツイスト加工することもできる。組込用単芯線を螺旋状にツイストさせると、超電導フィラメント間の結合電流を小さくすることができる。ツイストピッチは、例えば、１０～１００ｍｍ等とすることができる。
【0085】
熱処理工程では、伸線加工した組込材を熱処理してＭｇＢ２を生成させる。組込材を所定の温度以上で熱処理すると、組込用単芯線に充填された原料粉末中のＭｇとＢが反応し、ＭｇＢ２を含む素線（ＭｇＢ２フィラメント）が形成される。得られたＭｇＢ２超電導線材が熱処理後に室温や臨界温度以下に冷却されると、高熱膨張金属から素線群に対して熱膨張差による圧縮力がかかり、ＭｇＢ２フィラメントに残留圧縮ひずみが付与される。
【0086】
熱処理雰囲気は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気や、真空雰囲気等の非酸化性雰囲気とすることが好ましい。雰囲気中の酸素量や水分量は、１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。熱処理は、伸線加工した組込材を、コイル形状等に捲回した後に行ってもよいし、コイル形状等に捲回する前に行ってもよい。例えば、ガラス繊維などの耐熱性のある絶縁材を用いる場合は、熱処理前に絶縁被覆を施すこともできる。
【0087】
熱処理温度は、例えば、５５０～８００℃、好ましくは５６０～７００℃、より好ましくは５８０～６２０℃である。熱処理温度が５５０℃以上で高いほど、Ｍｇの拡散によってＭｇＢ２の生成反応が進み易くなる。また、高熱膨張金属の熱膨張が大きくなるため、大きい残留圧縮ひずみを付与できる。一方、熱処理温度が８００℃以下で低いほど、ＭｇＢ２の粒成長が抑制されるため、ピンニングセンタとなる粒界の密度が増加し、高い臨界電流密度が得られる。
【0088】
熱処理時間は、例えば、数十分～数十時間、好ましくは２～１６時間、より好ましくは３～１２時間である。熱処理時間が３時間以上であると、通常、ＭｇＢ２を十分に生成させることができる。また、熱処理時間が１２時間以下であると、ＭｇＢ２の粒成長が抑制されて、ピンニングセンタとなる粒界の密度が増加し、高い臨界電流密度が得られる。
【0089】
以上の本実施形態に係るＭｇＢ２超電導線材およびＭｇＢ２超電導線材の製造方法によると、安定化材の外側に高硬度金属が設けられるため、伸線加工時に、変形し難い高硬度金属を介して、内側に加工力を加えることができる。そのため、高熱膨張金属と安定化材とを、互いに周方向に均一性高く密着させることができる。伸線加工時に、安定化材のみが大きく減面したり、安定化材のみが伸線方向に大きく伸びたりするのが防止されるため、高熱膨張金属と安定化材との変形量差が抑制される。そのため、従来と比較して、線材の超電導特性を確保しつつ減面率が大きい伸線加工を行うことが可能になり、線材の更なる長尺化や細線化が可能になる。
【0090】
また、安定化材や高熱膨張金属の不均一な変形が抑制されるため、素線群の径方向の偏りが防止される。多層構造の多芯線構造を採用する場合であっても、線材の中心に対して素線群が対称的な配置となるため、線材が曲げられたとき、素線群のうちの一部のみに過大な引張ひずみを生じるのが防止される。そのため、従来と比較して、線材の許容曲げ半径をより小さくすることができる。素線群の全体としての曲げひずみ耐性が向上するため、半径が小さい曲げが加えられても、線材の超電導特性を安定に保つことができる。
【0091】
図６は、本発明の実施形態に係る超電導コイルの一例を模式的に示す断面図である。
図６に示すように、高硬度金属を備えた前記のＭｇＢ２超電導線材は、コイル状に捲回した超電導コイル６００として用いることができる。本実施形態に係る超電導コイル６００は、ボビン６０１と、コイル状に捲回された前記のＭｇＢ２超電導線材６０２と、冷却容器６０３と、を備えている。
図６に示すように、高硬度金属を備えた前記のＭｇＢ２超電導線材は、コイル状に捲回した超電導コイル６００として用いることができる。本実施形態に係る超電導コイル６００は、ボビン６０１と、コイル状に捲回された前記のＭｇＢ２超電導線材６０２と、冷却容器６０３と、を備えている。
【0092】
超電導コイル６００を作製する方法としては、ワインド・アンド・リアクト法およびリアクト・アンド・ワインド法のいずれを用いてもよい。リアクト・アンド・ワインド法を用いる場合、熱処理後の捲回時に素線にひずみを生じ易い。しかし、高硬度金属を備えた前記のＭｇＢ２超電導線材は、許容曲げ半径が小さいため、従来と比較して、曲げによる歪みを経験しても適切な超電導特性を得ることができる。
【0093】
ボビン６０１は、例えば、熱伝導率が高い金属によって形成できる。ボビン６０１は、銅で形成されることが好ましく、無酸素銅で形成されることが特に好ましい。ボビン６０１の熱伝導率が高いと、ＭｇＢ２超電導線材６０２を均一性高く冷却することができる。ボビン６０１は、不図示の絶縁材によって被覆される。絶縁材としては、ワインド・アンド・リアクト法を用いる場合、熱処理に耐える耐熱性の材料を用いることが好ましい。耐熱性の絶縁材としては、例えば、ガラス繊維を用いたガラス編組等が挙げられる。
【0094】
ＭｇＢ２超電導線材６０２は、ボビン６０１に対して捲回することができる。ワインド・アンド・リアクト法を用いる場合、ＭｇＢ２超電導線材６０２は、ＭｇＢ２を生成させる熱処理前に、耐熱性の絶縁材によって電気的に絶縁されてもよい。また、ＭｇＢ２を生成させる熱処理後に、絶縁樹脂に含浸されて電気的に絶縁されてもよい。一方、リアクト・アンド・ワインド法を用いる場合、ＭｇＢ２を生成させる熱処理およびコイル状への捲回後に、絶縁樹脂に含浸されて電気的に絶縁されてもよい。
【0095】
冷却容器６０３は、密閉構造の容器であり、ボビン６０１に対してコイル状に捲回されたＭｇＢ２超電導線材６０２を収容している。冷却容器６０３は、真空断熱、断熱材、遮熱シールド等で、内外が断熱された構造に設けられる。冷却容器６０３は、冷却媒体が充填されてもよいし、冷凍機によって伝導冷却されてもよい。
【0096】
このような超電導コイルによると、安定化材の外側に高硬度金属が設けられたＭｇＢ２超電導線材を備えるため、従来と比較して、線材の許容曲げ半径がより小さくなる。半径が小さい曲げが許容されるため、コイル径が小さい超電導コイルや、超電導コイルの口出部の曲げ半径が小さい構造を採用することが可能になる。よって、小型化や省スペース化に適した超電導コイルを得ることができる。
【0097】
図７は、本発明の実施形態に係る磁気発生装置の一例を模式的に示す断面図である。図７には、磁気発生装置の一例として、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴画像診断）装置を示す。
図７に示すように、高硬度金属を備えた前記のＭｇＢ２超電導線材は、超電導コイル６００としてＭＲＩ装置（磁気発生装置）７００に備えることができる。本実施形態に係るＭＲＩ装置７００は、コイル状に捲回された前記のＭｇＢ２超電導線材の超電導コイル６００で構成された静磁場発生部７０１を備えている。
図７に示すように、高硬度金属を備えた前記のＭｇＢ２超電導線材は、超電導コイル６００としてＭＲＩ装置（磁気発生装置）７００に備えることができる。本実施形態に係るＭＲＩ装置７００は、コイル状に捲回された前記のＭｇＢ２超電導線材の超電導コイル６００で構成された静磁場発生部７０１を備えている。
【0098】
ＭＲＩ装置７００は、一対の静磁場発生部７０１と、撮像領域７０２と、傾斜磁場発生部７０３と、を備えている。図７において、静磁場発生部７０１は、不図示の連結部材を介して、互いに連結されている、静磁場発生部７０１は、撮像領域７０２を挟んで、互いに対向するように上下に配置されている。静磁場発生部７０１と撮像領域７０２との間には、それぞれ、傾斜磁場発生部７０３が配置されている。
【0099】
また、ＭＲＩ装置７００は、被写体７０４を載せるベッド７０５と、ベッド７０５を搬送する搬送機構７０６と、を備えている。ベッド７０５は、撮像領域７０２に対して進退可能に設けられている。搬送機構７０６によってベッド７０５が搬送されると、ベッド７０５に載せられた被写体７０４が、撮像領域７０２に対して進退することができる。
【0100】
静磁場発生部７０１は、前記の超電導コイル６００で構成されている。静磁場発生部７０１は、コイル部と、永久電流スイッチと、を備えている。コイル部や永久電流スイッチは、前記のＭｇＢ２超電導線材で形成することができる。静磁場発生部７０１の回路は、不図示の電源に対して、常電導体を介して電気的に接続される。
【0101】
静磁場発生部７０１のコイル部には、永久電流スイッチがＯＦＦの状態において励磁電流が流される。また、永久電流スイッチがＯＮの状態に切り替えられると、永久電流が流される。コイル部を流れる永久電流は、撮像領域７０２に時間的安定性が高い静磁場を発生させる。静磁場の強度が高いほど、核磁気共鳴周波数が高くなるため、周波数分解能を向上させることができる。
【0102】
傾斜磁場発生部７０３は、時間変化する電流が供給されて、撮像領域７０２に空間的な分布を持つ傾斜磁場を発生させる。撮像領域７０２に核磁気共鳴周波数の振動磁場が印加されると、被写体７０４から共鳴信号が発せられ、不図示の受信コイルによって受信される。受信された共鳴信号は、フーリエ変換によって、被写体７０４の磁気共鳴断層画像として画像化される。二次元コントラスト画像等に画像化することによって、被写体７０４を検査・診断することができる。
【0103】
このようなＭＲＩ装置によると、安定化材の外側に高硬度金属が設けられたＭｇＢ２超電導線材を捲回した超電導コイルを備えるため、従来と比較して、線材の許容曲げ半径がより小さくなり、磁場発生部の小型化や省スペース化が可能になる。また、超電導コイルの口出部の曲げ半径が小さい構造を採用することが可能になるため、超電導コイルの多重化が容易になる。
【0104】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態が備える全ての構成を備えるものに限定されない。或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成の一部を他の形態に追加したり、或る実施形態の構成の一部を省略したりすることができる。
【0105】
例えば、前記の超電導コイルは、ＭＲＩ装置に備えられているが、高硬度金属を備えた前記のＭｇＢ２超電導線材は、超電導コイルとしてＮＭＲ装置（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）装置等の他の磁気発生装置に備えてもよい。他の磁気発生装置においても、小型化や省スペース化を図ることができる。また、超電導コイルの口出部の曲げ半径を小さくすることができるため、超電導コイルの多重化が容易になる。
【実施例0106】
以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
【0107】
＜実施例１＞
図１に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を作製した。
図１に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を作製した。
【0108】
はじめに、超電導フィラメントの前駆体である組込用単芯線を、次の手順で作製した。原料となるマグネシウム粉末とホウ素粉末を、ＭｇとＢとのモル比が約１：２となるように秤量し、ボールミルを用いて粉砕および混合して原料粉末を調製した。そして、得られた原料粉末をＦｅ管に充填した。
【0109】
続いて、混合粉末を充填したＦｅ管を伸線加工して、組込用単芯線を得た。Ｆｅ管の伸線加工は、引抜きダイスを用いた引抜き伸線加工で行った。１パス当たりの減面率を８～１２％として、複数回パスを繰り返して行った。また、原料粉末を充填したＦｅ管と同じ材質の中心材を、スエージャを用いたスエージ加工によって作製した。なお、組込用単芯線と中心材の線径を同一とした。
【0110】
続いて、作製した中心材の周囲を囲むように、６本の組込用単芯線を配置し、更に、その外周を覆うように１２本の組込用単芯線を配置した。そして、これらの組込用単芯線群を高熱膨張金属管に挿入し、その高熱膨張金属管を安定化材管に挿入し、その安定化材管を高硬度金属管に挿入して、ＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材を得た。
【0111】
なお、高熱膨張金属管としては、ＳＵＳ３１６Ｌ管を、安定化材管としては、無酸素銅管を、高硬度金属管としては、モネル管を用いた。
【0112】
続いて、作製した組込材を伸線加工して細線化させた。伸線加工は、引抜きダイスを用いた引抜き伸線加工で行った。伸線加工は、１パス当たりの減面率を５～１２％として、複数回パスを繰り返して細線化を行った。
【0113】
続いて、細線化した組込材の径方向の断面を顕微鏡観察した。その結果、内側の６本の組込用単芯線群、および、外側の１２本の組込用単芯線群が、挿入時の配置のとおり、径方向に規則的に配置されていることが確認された。また、高熱膨張金属、安定化材および高硬度金属が、この順に内側から外側に向けて配置された多層構造が確認された。高熱膨張金属および安定化材は、周方向に均一性高い厚さに減面されていた。安定化材の外側に高硬度金属を配置することによって、伸線加工時の変形や配置の乱れを低減できることが確認された。
【0114】
続いて、細線化した組込材に対して、６００℃の温度で熱処理して、原料粉末からＭｇＢ２を生成させて、ＭｇＢ２超電導線材を製造した。
【0115】
＜実施例２＞
図３に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を作製した。
図３に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を作製した。
【0116】
はじめに、超電導フィラメントの前駆体である組込用単芯線を、実施例１と同様の手順で作製した。金属管の伸線加工は、１パス当たりの減面率を９～１２％として、複数回パスを繰り返して行った。
【0117】
続いて、作製した１本の組込用単芯線の周囲を囲むように、６本の組込用単芯線を配置し、更に、その外周を覆うように１２本の組込用単芯線を配置した。そして、実施例１と同様に、これらの組込用単芯線群を高熱膨張金属管に挿入し、その高熱膨張金属管を安定化材管に挿入し、その安定化材管を高硬度金属管に挿入して、ＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材を得た。
【0118】
続いて、作製した組込材を伸線加工して細線化させた。伸線加工は、引抜きダイスを用いた引抜き伸線加工で行った。伸線加工は、１パス当たりの減面率を５～１２％として、複数回パスを繰り返して細線化を行った。
【0119】
続いて、細線化した組込材の径方向の断面を顕微鏡観察した。その結果、中心の１本の組込用単芯線、内側の６本の組込用単芯線群、および、外側の１２本の組込用単芯線群が、挿入時の配置のとおり、径方向に規則的に配置されていることが確認された。また、高熱膨張金属、安定化材および高硬度金属が、この順に内側から外側に向けて配置された多層構造が確認された。高熱膨張金属および安定化材は、周方向に均一性高い厚さに減面されていた。安定化材の外側に高硬度金属を配置することによって、伸線加工時の素線の変形や配置の乱れを低減できることが確認された。
【0120】
続いて、細線化した組込材に対して、６００℃の温度で熱処理して、原料粉末からＭｇＢ２を生成させて、ＭｇＢ２超電導線材を製造した。
【0121】
＜比較例１＞
図５に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を作製した。
図５に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を作製した。
【0122】
はじめに、超電導フィラメントの前駆体である組込用単芯線を、実施例１と同様の手順で作製した。また、原料粉末を充填した金属管と同じ材質の中心材を、実施例１と同様の手順で作製した。金属管の伸線加工は、１パス当たりの減面率を９～１２％として、複数回パスを繰り返して行った。
【0123】
続いて、実施例１と同様の手法で、作製した中心材の周囲を囲むように、６本の組込用単芯線を配置し、更に、その外周を覆うように１２本の組込用単芯線を配置した。そして、これらの組込用単芯線群を高熱膨張金属管に挿入し、その高熱膨張金属管を安定化材管に挿入して、ＭｇＢ２超電導線材の前駆体である組込材を得た。
【0124】
なお、高熱膨張金属管としては、ＳＵＳ３１６Ｌ管を、安定化材管としては、無酸素銅管を用いた。
【0125】
続いて、作製した組込材を伸線加工して細線化させた。伸線加工は、引抜きダイスを用いた引抜き伸線加工で行った。伸線加工は、１パス当たりの減面率を８～１２％として、複数回パスを繰り返して行った。
【0126】
続いて、細線化した組込材の径方向の断面を顕微鏡観察した。その結果、安定化材の周方向の一部のみに、局所的に薄肉化している箇所が認められた。また、安定化材の厚さが不均一であり、高熱膨張金属との界面に凹凸が認められた。安定化材の外側に高硬度金属を配置していない場合、伸線加工を行うと、素線の変形や配置の乱れに繋がることが確認された。
【0127】
実施例１、２と比較例１との比較の結果、安定化材の外側に高硬度金属を配置していない場合、線材の長尺化や細線化に限界があることが分かった。安定化材の外側に高硬度金属を配置すると、従来よりも線材の長尺化や細線化が可能になることが確認された。
【0128】
＜実施例３＞
図１に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を用いて超電導コイルを作製した。
図１に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を用いて超電導コイルを作製した。
【0129】
はじめに、実施例１と同様の手順で組込材を作製し、その組込材を伸線加工した。そして、伸線加工で細線化した組込材を、ガラス繊維製の絶縁材で被覆した。また、金属製のボビンを、ガラス繊維製の絶縁材で被覆した。そして、細線化した組込材をボビンに対して捲回し、６００℃の温度で熱処理を行ってＭｇＢ２を生成させた。その後、ＭｇＢ２超電導線材に絶縁樹脂を含浸させて固定し、超電導コイルを製造した。
【0130】
続いて、得られた超電導コイルを冷凍容器に収容し、超電導コイルを電源に対して電気的に接続させた。そして、超電導コイルを励磁させて磁場安定性を確認した。
【0131】
＜実施例４＞
図１に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を用いた超電導コイルを備えるＭＲＩ装置を作製した。
図１に示す多芯線構造のＭｇＢ２超電導線材を用いた超電導コイルを備えるＭＲＩ装置を作製した。
【0132】
ＭＲＩ装置は、一対の静磁場発生部と、傾斜磁場発生部と、を備えている。静磁場発生部は、不図示の連結部材を介して、互いに連結させた、静磁場発生部は、互いに対向するように上下に配置した。静磁場発生部同士の間には、撮像領域を挟むように、傾斜磁場発生部を配置した。また、撮像領域に対して進退可能なように、ベッドと、ベッドを搬送する搬送機構を設けた。
【0133】
続いて、得られた超電導コイルを冷凍容器に収容し、静磁場発生部に配置した。そして、超電導コイルを電源に対して電気的に接続させた。作製したＭｇＢ２超電導線材を用いた超電導コイルは、ＭＲＩ装置において正常に動作することが確認された。
【符号の説明】
【0134】
１００，３００，５００…組込材、１０１，３０１，５０１…素線前駆体、１０２，３０２，５０２…原料粉末、１０３，３０３，５０３…金属管、１０４，３０４，５０４…高熱膨張金属管、１０５，３０５，５０５…安定化材管、１０６，３０６…高硬度金属管、１０７，３０７，５０７…中心材、２００，４００…ＭｇＢ２超電導線材、２０１，４０１…素線、２０２，４０２…マトリクス（母材）、２０４，４０４…高熱膨張金属、２０５，４０５…安定化材、２０６，４０６…高硬度金属、
６００…超電導コイル、６０１…ボビン、６０２…ＭｇＢ２超電導線材、６０３…冷却容器、
７００…ＭＲＩ装置（磁気発生装置）、７０１…静磁場発生部、７０２…撮像領域、７０３…傾斜磁場発生部、７０４…被写体、７０５…ベッド、７０６…搬送機構
６００…超電導コイル、６０１…ボビン、６０２…ＭｇＢ２超電導線材、６０３…冷却容器、
７００…ＭＲＩ装置（磁気発生装置）、７０１…静磁場発生部、７０２…撮像領域、７０３…傾斜磁場発生部、７０４…被写体、７０５…ベッド、７０６…搬送機構
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
