JP3154572B2 - 超電導線の接続構造 - Google Patents

超電導線の接続構造

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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば複数の巻線を
接続して超電導コイルを製作する場合などに用いられ、
超電導線の接続すべき部分相互がはんだ等のろう材を用
いて接続されている超電導線の接続構造に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】図は例えば『第11回国際電磁石技術
会議(11TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON Magnet Tech
nology)』(1989年)847〜851ページに示さ
れた従来の超電導線の接続構造を示す斜視図、図10
の接続部の断面図である。図において、1は多数の
素線2を集合・撚線してなる超電導線である。
【0003】3は2本の超電導線1の接続すべき部分相
互を接続した接続部であり、この接続部3は、接続すべ
き部分の素線2を鉛錫のはんだ4によって電気的に接続
してなっている。5は接続部3の外周部に設けられた断
面コ字状の銅製の保護ケースであり、接続作業実施時に
はんだ4を保護するためのものである。
【0004】次に、動作について説明する。超電導線1
及びその接続部3は、液体ヘリウム等の冷媒によって約
−267℃の極低温に冷却されて使用される。冷却され
た超電導線1は、超電導線材が超電導状態となるため、
抵抗損失なしで電流を流せるようになる。このような性
質から、超電導線1は、巻回されて超電導マグネットと
して利用されることが多い。
【0005】この超電導マグネットを製作する場合、超
電導線1が有限長のものであり、かつ構造上の制約を受
けることなどから、上記のような接続部3が必ず何箇所
かで必要となる。超電導線1の接続については、各種の
方法があるが、はんだ4による接続は最も一般的な方法
である。特に、1000Aを超える大電流を流す場合に
はよく使用される。
【0006】通常、はんだ4は0.1テスラ以上の磁界
中では常電導物質であるため、はんだ4に電流が流れた
場合には、必ずジュール熱が発生する。但し、極低温に
おけるはんだ4の電気抵抗率は約7×10-9Ωmと小さ
く、上記の接続部3の例では1.4×10-10Ωの接続
抵抗を示している。この抵抗値は、定格電流30kAが
流れたときに約0.1Wのジュール発熱(直流電気抵抗
損失)を生じる程度のもので、超電導マグネットの動作
には支障のない十分小さい値である。
【0007】次に、図11は例えば『フュージョン・テ
クノロジー1990』(1991年ノース・オランダ社
発行)243頁に示された従来の強制冷却形超電導線の
断面図、図12は図11の超電導線の接続構造を示す構
成図である。図において、21は素線(超電導素線)、
22は素線21を9本撚り合わせた1次撚線、23は1
次撚線22を心金24の周囲に17本撚り合わせた2次
撚線である。
【0008】25,25a,25bは2次撚線23を囲
繞している構造部材であるコンジット、26a,26b
はコンジット25内の二次撚線23の両側に配置されて
いる冷却チャンネルであり、この冷却チャンネル26
a,26bは、断面略C字状になっており、二次撚線2
3側に開口した冷媒流通路を有している。27a,27
bは接続部撚線であり、28は接続部撚線27a,27
bを保持している接続部構造部材、29ははんだ、30
は接続部カバーである。
【0009】次に、動作について説明する。上記のよう
な強制冷却形超電導線は、電流容量が大きく、かつ高い
強度を有するものである。即ち、多数本の素線21を撚
り合わせて電流容量を大きくしてあり、かつ全体をコン
ジット25で覆って強度を高めてある。コンジット25
は、この強制冷却形超電導線を巻線した超電導コイル
(図示せず)の電磁力を支持するための構造部材として
の機能と、冷却チャンネル26a,26bに流れる冷媒
がコンジット25外に漏れないように気密性を保つ機能
とを有している。
【0010】また、冷却チャンネル26a,26b内及
び二次撚線23内の空間には、冷媒である極低温、高圧
の超臨界ヘリウムが圧送され素線21が冷却される。こ
のとき、上記の強制冷却形超電導線は、多数本の細い素
線21から構成されているため、冷却表面積が大きく、
冷却特性が優れているという特徴も有している。
【0011】次に、接続方法について説明する。上記の
ような強制冷却形超電導線は、図12に示すように、二
次撚線23を接続部撚線27a,27bのように成形加
工し、さらに接続部撚線27aを接続部撚線27bで挟
み込んで、その周囲を断面コ字状の接続部構造部材28
で覆い、はんだ12を充填して接続する。二次撚線23
同士を接続後、接続部の気密を保つために接続部カバー
30を取り付け、コンジット25a,25bに溶接す
る。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の超
電導線の接続構造のうち図及び図10に示されたもの
においては、定常磁界中で冷却された状態では電気抵抗
による損失(ジュール発熱)を小さく抑えて通電するこ
とができるが、外部から変動磁界が印加される場合や、
コイルの通電電流を変動させた場合などには、接続部3
に発生する変動磁界によってパルス損失を伴い、数Wか
ら時には数100Wの熱が接続部3に発生する。
【0013】つまり、パルス運転時には、絶縁層が除去
された接続部3の素線2間に不要なカップリング電流が
流れ、このカップリング電流によるパルス損失が定常発
熱よりもかなり大きくなる。そして、この発熱量が多い
と接続部3の温度が上昇し、超電導マグネットの不安定
性を引き起こす原因となるばかりでなく、場合によって
は接続部3の超電導線1が常電導状態に転移して、超電
導マグネットの運転が停止してしまうなどの問題点があ
った。
【0014】さらに、図12に示したような従来の強制
冷却形超電導線の接続構造では、接続部撚線27a,2
7bが重ね合わされた構造であるため、接続部が空間的
に大きくなるという問題点を有していた。また、多数本
の素線21を一度に扱うため、作業性が悪く、超電導線
材を損傷することがあるという問題点も有していた。特
に、Nb3Snなど、歪みによる特性劣化が大きい化合
物系の超電導線材を用いる場合には、接続部の超電導特
性を大きく劣化させてしまうという問題点があった。
【0015】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題としてなされたものであり、定常磁界中で
のジュール発熱を装置の運転に支障のないレベルに維持
しつつ、変動磁界中での接続部のパルス損失を低減する
ことができる超電導線の接続構造を得ることを目的とす
る。また、空間的にコンパクトで、かつ取扱も容易であ
るような超電導線の接続構造を得ることを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】請求項の発明に係る超
電導線の接続構造は、接続すべき部分の各超電導線をそ
れぞれ複数本の分割線に細線化し、かつ各分割線をそれ
ぞれ金属管に挿入固着して断面扇形のサブ構造体を構成
し、さらに一方の側のサブ構造体と他方の側のサブ構造
体とを円柱状に組み合わせ軟ろう材により接合したもの
である。
【0017】
【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。参考例1. まず、図1 は請求項の発明の参考例1による強制冷却
形超電導線の接続構造を示す構成図であり、図11及び
12と同一又は相当部分には同一符号を付し、その説
明を省略する。図において、71は低抵抗の金属管(例
えば銅管)、72は接続すべき部分相互の2次撚線23
を複数本に細分化してなる分割線(素線束)、73は分
割線72を金属管71に挿入しはんだ(軟ろう材)29
で固着後に角形に圧縮成形したサブ構造体である。
【0018】また、各超電導線相互のサブ構造体73の
先端部は、はんだ29により互いに突き合わせ接合され
ているとともに、隣接するサブ構造体73相互もはんだ
29により接合されている。さらに、サブ構造体73相
互の突き合わせ位置は、図のように階段状にずらされて
いる。なお、冷却チャンネル26a,26b及び接続部
カバー30は、簡単のため省略した。
【0019】次に、動作について説明する。図に示す
ような接続構造とすることにより、図12のように接続
部が重ね合わされることなく接続可能であり、接続部が
空間的にコンパクトになる。また、2次撚線23を複数
本の分割線72に細分化し、かつ分割線72をサブ構造
体73としたので、接続部の剛性が高くなるとともに取
扱が容易になり、従って作業性良く撚線形の強制冷却形
超電導線を接続することができるようになる。
【0020】さらに、サブ構造体73相互の突き合わせ
位置を階段状にずらしたことにより、接続部の強度が高
くなり、超電導安定性及び信頼性が向上する。
【0021】なお、サブ構造体73の製作方法として
は、分割線72を金属管71に挿入し加圧成形した後
に、分割線72と金属管71とをはんだ付けするように
してもよい。
【0022】参考例2. 次に、図は請求項の発明の参考例2によるサブ構造
体の断面図であり、図において74は融着部である。上
記参考例1では、2次撚線23を複数本の分割線72に
分割して金属管71に挿入し、はんだ付け後に角形に圧
縮成形したが、この参考例2では、はんだ付けの代わり
に融着を利用している。
【0023】例えばNb3Snのように、高温(約70
0℃)で長時間(数十時間)超電導物質生成のための熱
処理を実施するような超電導線においては、図に示す
ように、素線21の安定化材である安定化銅21a同
士、及び安定化銅21aと金属管71とが融着するた
め、金属管71の内部のはんだ付けは不要となる。
【0024】このように、素線21を金属管71内に融
着させることにより、はんだ付けの場合に比べて信頼性
が向上し、かつ低抵抗の接続部を得ることが可能とな
る。
【0025】参考例3. 次に、図は請求項の発明の参考例3による超電導線
の接続構造を示す斜視図である。上記参考例1,2では
金属管71に分割線72を挿入してサブ構造体73を製
作したが、この参考例では、分割線72を硬ろう材、即
ち硬はんだ(高温はんだ)75を用いて固めた後、これ
を角形成形してサブ構造体73としている。サブ構造体
73相互の接合は、はんだ(軟はんだ)29により行っ
ている。
【0026】このように、金属管71の代わりに硬はん
だ75を用いることにより、接続部がさらにコンパクト
になる。
【0027】参考例4. 図はサブ構造体73の突き合わせ方法の他の例を示す
図であり、(a)は平面図、(b)は側面図、(c)は
底面図である。参考例1〜3では、側面から見た上下2
層のサブ構造体73を同じ位置で突き合わせ接合した
が、この参考例4では、上下層のサブ構造体73の突き
合わせ位置を、逆方向の階段状にずらしたものである。
【0028】このような接続構造とすることにより、接
続部の強度がさらに高くなり、超電導安定性及び信頼性
が一層向上する。
【0029】参考例5. 図はサブ構造体73の突き合わせ方法のさらに他の例
を示す平面図である。この参考例5は、一方の超電導線
のサブ構造体73の長さを幅方向の中央部で長く両端部
で短くなるようにし、他方の超電導線のサブ構造体73
は中央部で短く両端部で長くなるようにして、接合部の
位置をずらしたものである。
【0030】このように、2本の超電導線のサブ構造体
73を、一方は凸形に並べ他方は凹形に並べることによ
り、上記参考例1〜4に比べて、接続部の長さを短くす
ることができる。
【0031】参考例6. ここで、上記参考例1〜5では、銅等の低抵抗の金属管
71又は硬はんだ75を使用してサブ構造体73を構成
したので、接続部の接続抵抗値は低く、直流運転をする
超電導コイルの接続方法としては望ましい方法である。
しかし、パルス運転をするような超電導コイルの場合に
は、上述したように、パルス損失(交流損失)が大きい
という欠点がある。パルス運転をする超電導コイルで
は、最大電流を連続で流すことはないので、パルス損失
を減らすために、接続部の接続抵抗値は高くても互いに
離れた位置にある素線21同士の電気的結合(カップリ
ング)は小さい方が望ましい。
【0032】図は請求項の発明の参考例6による強
制冷却形超電導線の接続構造を示す構成図である。この
参考例6では、サブ構造体73を構成する金属管とし
て、はんだ29の電気抵抗率(約7×10-9Ωm)より
も電気抵抗率の高い高抵抗金属からなるもの、例えばC
uNi(キュプロニッケル)管76が使用されている。
【0033】このように、高抵抗のCuNi管76を使
用することにより、互いに離れた位置にある素線21相
互間の電気的結合力が弱くなり、パルス運転をする超電
導コイルでのパルス損失が小さくなる。
【0034】参考例7. 次に、図は請求項の発明の参考例7による強制冷却
形超電導線の接続構造を示す構成図である。上記参考例
では低抵抗の金属管71又は高抵抗のCuNi管76を
使用してサブ構造体73を構成したが、この参考例7の
サブ構造体73は、低抵抗(例えば銅)又は高抵抗(例
えばCuNi)の金属からなる金属箔77を分割線72
に巻き付け、はんだ29で固着した後に角形に圧縮成形
してなっている。
【0035】このように、金属箔77を用いてサブ構造
体73を構成した場合、金属管71やCuNi管76を
用いた場合に比べて接続部がコンパクトになり、また硬
はんだ75を用いた場合に比べて取扱が容易である。
【0036】なお、上記参考例では平角の強制冷却形超
電導線を用いたためサブ構造体73を角形に圧縮成形し
たが、サブ構造体73の断面形状は接続部全体がコンパ
クトになるように適宜選択すればよい。
【0037】実施例. 例えば、図は請求項の発明の一実施例によるバンド
ル形超電導線を示す斜視図である。このように、バンド
ル形超電導線の場合は、分割線72が挿入された金属管
71を断面扇形に成形してサブ構造体73を構成しても
よい。この場合、もう一方のバンドル導体にも同様の加
工を施し、サブ構造体73同士を円柱状に組み合わせ
て、はんだ固着すればよく、接続部がコンパクトにな
る。
【0038】また、上記実施例のサブ構造体73は、
その長さを変えて突き合わせ接合してもよい。さらに、
金属管71の代わりにCuNi管76や金属箔77など
を用いてもよい。
【0039】さらに、上記実施例では2次撚線23の
周囲をコンジット25で覆った強制冷却形超電導線につ
いて示したが、コンジット25を使用しない通常の超電
導線でもよい。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明の
超電導線の接続構造は、サブ構造体を断面扇形とし、相
対するサブ構造体同士を円柱状に組み合わせて接合する
ようにしたので、接続部を空間的にコンパクトにするこ
とができるとともに、接続部の取扱を容易にして作業性
を向上させることができ、また接続部の剛性を高めて歪
みによる接続部の超電導特性の低下を防止することがで
きるなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 請求項の発明の参考例1による強制冷却形
超電導線の接続構造を示す構成図である。
【図2】 請求項の発明の参考例2によるサブ構造体
の断面図である。
【図3】 請求項の発明の参考例3による強制冷却形
超電導線の接続構造を示す構成図である。
【図4】 図〜図のサブ構造体の突き合わせ方法の
他の例を示す図である。
【図5】 図〜図のサブ構造体の突き合わせ方法の
さらに他の例を示す平面図である。
【図6】 請求項の発明の参考例6による強制冷却形
超電導線の接続構造を示す構成図である。
【図7】 請求項の発明の参考例7による強制冷却形
超電導線の接続構造を示す構成図である。
【図8】 請求項の発明の一実施例によるバンドル形
超電導線のサブ構造体を示す斜視図である。
【図9】 従来の超電導線の接続構造の一例を示す斜視
図である。
【図10】 図の接続部の断面図である。
【図11】 従来の強制冷却形超電導線の一例の断面図
である。
【図12】 図11の超電導線の接続構造を示す構成図
である。
【符号の説明】
1 超電導線、2 素線、4 はんだ(ろう材)、29
はんだ(軟ろう材)、71 金属管、72 分割線、
73 サブ構造体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊田 勝義 神戸市兵庫区和田崎町1丁目1番2号 三菱電機株式会社 神戸製作所内 (72)発明者 原田 直幸 神戸市兵庫区和田崎町1丁目1番2号 三菱電機株式会社 神戸製作所内 (56)参考文献 特開 昭59−224081(JP,A) 特開 昭46−6824(JP,A) 特開 昭55−16316(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 12/00 - 13/00 H01R 4/68

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数本の素線が撚線された超電導線の接
    続すべき部分相互が軟ろう材を用いて接続されている超
    電導線の接続構造において、上記接続すべき部分の各超
    電導線は、それぞれ複数本の分割線に細線化されてお
    り、かつ上記各分割線をそれぞれ金属管に挿入固着して
    断面扇形のサブ構造体が構成されており、さらに一方の
    側のサブ構造体と他方の側のサブ構造体とが円柱状に組
    み合わされ上記軟ろう材により接合されていることを特
    徴とする超電導線の接続構造。
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