JP6040515B2 - 超電導コイルの製造方法 - Google Patents
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Description
(a)まず、2価の金属とInとからなる合金を用いた高温超電導線材の接合方法が特許文献1に示されている。特許文献1に記載の方法は、接続抵抗が小さく、かつ、接合工程がより簡単になるようにすることを目的としたものである。
(リ)このため、本発明は、上記のような問題点を解決し、巻線部内の接続部での薄膜状超電導線材からなる超電導導体同士の加熱を伴う接合処理での接続が確実に行なわれるようにした超電導コイルの製造方法および超電導コイルを提供することを目的とする。
一面側が超電導層側、他面側が基板側となる多層構造の第1および第2の薄膜状超電導導体がこの順に巻回される超電導コイルの製造方法であって、
第2の超電導導体の端末部を幅が端末に近づくほど狭くなるように加工する加工工程と、
第1の超電導導体を所定の曲率を持った巻枠に巻回する巻回工程と、
第2の超電導導体の少なくとも巻き始め側の端末部を前記巻枠に沿って巻回される巻線導体としての曲率に合わせて曲げておく曲げ工程と、
前記加工工程、巻回工程および曲げ工程の後に、第1の超電導導体の端末部の外周側に位置する超電導層側と第2の超電導導体の端末部の内周側に位置する超電導層側とを重ね合わせて加熱を伴う接合処理で接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする超電導コイルの製造方法とした。
請求項1に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記加工工程は、第2の超電導導体の端末部を幅方向の一方側から他方側に向かって傾斜する端面を有するように裁断加工することを特徴とする超電導コイルの製造方法とした。
請求項2に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記接合工程は、第2の超電導導体の長手方向における前記傾斜する端面の長さと、第2の超電導導体の長手方向における第1および第2の超電導導体の接合部の長さとが等しくなるように接合することを特徴とする超電導コイルの製造方法とした。
一面側が超電導層側、他面側が基板側となる多層構造の第1および第2の薄膜状超電導導体がこの順に巻回される超電導コイルの製造方法であって、
一面側が超電導層側、他面側が基板側となる多層構造の薄膜状超電導導体からなる超電導接続片の両側の端末部をそれぞれ幅が端末に近づくほど狭くなるように加工する加工工程と、
第1の超電導導体を所定の曲率を持った巻枠に巻回する巻回工程と、
第2の超電導導体の少なくとも巻き始め側の端末部を前記巻枠に沿って巻回される巻線導体としての曲率に合わせて曲げておく曲げ工程と、
前記加工工程、巻回工程および曲げ工程の後に、第1および第2の超電導導体の各端末部の外周側に位置する超電導層側と前記超電導接続片の各端末部の内周側に位置する超電導層側とをそれぞれ重ね合わせて加熱を伴う接合処理で接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする超電導コイルの製造方法とした。
請求項4に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記加工工程は、前記超電導接続片の両側の端末部をそれぞれ幅方向の一方側から他方側に向かって傾斜する端面を有するように裁断加工することを特徴とする超電導コイルの製造方法とした。
請求項1から5のいずれか1項に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記薄膜状超電導導体は、金属からなるテープ状の基板、中間層、超電導層、良導電性金属からなる安定化金属層が積層されているとともに、安定化金属層を介して超電導層が位置する側を前記超電導層側としていることを特徴とする超電導コイルの製造方法とした。
請求項6に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記薄膜状超電導導体の基板は、ハステロイまたはステンレスからなるテープ状の基板であることを特徴とする超電導コイルの製造方法とした。
(薄膜状超電導線材の構成)
(イ)図2に本発明で用いる薄膜状超電導線材の構造例を模式的に示す。図2(a)および図2(b)は、それぞれ薄膜状超電導線材の模式断面図および斜視図である。図2の薄膜状超電導線材は、金属からなるテープ状の基板1,中間層2,超電導層3,良導電性金属からなる安定化金属層4が積層された積層構造となっており、この積層構造は、例えば上述の非特許文献1に示されている薄膜状超電導線材に対応している。なお、以下では、安定化金属層4を介して超電導層3が位置する側を「超電導層側」とも称する。また、図2は薄膜状超電導線材の積層構造を模式的に示すものであって、各層の厚さの割合として実際には基板1が大半を占める。この点は後述の図1、図3、図4においても同様である。
(ニ)本発明で用いる薄膜状超電導線材としては、図2の構成例に限定されるものではなく、一面側が超電導体層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材であって、超電導層側の面に半田での接続が可能な金属層を備えているものであれば、適用可能である。
(ホ)また、超電導線材には、図2に示すような薄膜状超電導線材の両面に例えば銅線などの金属線を貼り付けて付加した構成の超電導線材もあるが、このような超電導線材を用いた超電導コイルにも本発明を適用することができる。
(超電導コイルの巻線部内での超電導導体同士の接続部および接続方法の構成例)
本発明による超電導コイルの製造方法および超電導コイルに適用される、巻線部内での超電導導体同士の接続部および接続方法の構成例について以下に説明する。
(ロ)図1(c)は、円筒状の巻枠10に薄膜状超電導線材からなる超電導導体が巻回された巻線部を備えてなる超電導コイルの製造工程において、所定の曲率を持った巻枠10に超電導導体6aを巻回した後、超電導導体6aの巻き終わり側の端末部に超電導導体6bAの巻き始め側の端末部を半田5での接合によって接続した状態を示している。図1(c)に示すように、超電導導体6aと6bAとの接続部では、超電導導体6aの巻き終わり側の端末部の外周側に位置する安定化金属層4と超電導導体6bAの巻き始め側の端末部の内周側に位置する安定化金属層4とを対向させ、半田5により接合している。ここで、図1における超電導導体6a,6bAとしては、いずれも、図2の薄膜状超電導線材を用いている。また、半田5の材料としては、例えばPbSn系の銀入り半田であれば一般的なものが使用可能である。
(ホ)なお、超電導導体6aは、その巻き終わり側の端末部も含めて、超電導導体6bAの巻き始め側の端末部との接合処理の前に、その半径方向位置に対応する曲率、すなわち巻枠10に沿って巻回される巻線導体としての曲率に合わせて曲げておく。また、超電導導体6aの巻き終わり側の端末部は、図1(d)において破線で示すように、超電導導体6aの幅方向に沿って長手方向に直交する方向に切断された状態としておく。
本発明では、超電導導体同士を例えば半田などで接続するため、その接続部においては何らかの電気絶縁が必要となる。この点に関し、図示は省略するが、接続作業後に電気絶縁テープなどの可とう性の電気絶縁部材を用いて接続部を覆うことで電気絶縁を行うことができる。なお、電気絶縁テープとしては、極低温で使うことからポリイミドテープが特に好適である。
上述の実施例1ないし実施例3では、接続部の接合処理として半田での接合処理を行なう構成例を示したが、本発明は、接続部の接合処理として例えば超音波接合や溶接などの加熱を伴う接合処理を行なう構成にも同様に適用することができる。
上述の実施例1ないし実施例3に示した、巻線部内での超電導導体同士の接続部および接続方法は、例えば、図5に示すような構成の超電導コイルに適用することができる。図5は本発明の実施例1〜3の適用対象となる超電導コイルの構成例を示す図であって、図5(a)は超電導コイル11の側面図であり、図5(b)は、図5(a)における矢視X−X断面図である。図5において、絶縁物からなる円筒状の巻枠10の外周面に形成した螺旋状の溝に沿って超電導導体6が巻回されて超電導コイル11が構成されている。超電導導体6としては例えば図2の薄膜状超電導線材を用いることができ、超電導導体6の巻回途中に、実施例1ないし実施例3のいずれかに示した超電導導体同士の接続部を設けることができる。なお、本発明の適用対象となる超電導コイルの構成は図5の構成に限定されるものではない。
また、本発明の一つの形態によれば、超電導コイルとして、超電導導体が巻回された巻線部を備えるとともに前記巻線部内に前記超電導導体同士の接続部を設けてなる超電導コイルにおいて、前記接続部にて接続される第1および第2の超電導導体は、一面側が超電導層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなり、前記第2の超電導導体の端末部は幅が端末に近づくほど狭くなるように形成され、前記第1の超電導導体の端末部の外周側に位置する超電導層側と前記第2の超電導導体の端末部の内周側に位置する超電導層側とが重ね合わせて加熱を伴う接合処理で接合されてなる構成とする。
上記発明によれば、一面側が超電導層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなる第1および第2の超電導導体のうち、第2の超電導導体の端末部は幅が端末に近づくほど狭くなるように形成されていることにより、巻線部内の接続部における第2の超電導導体の基板の占める割合が端末に近づくほど低減し、これとともに機械的強度(曲げ強さ)も低減しているので、第2の超電導導体の端末部の先端部分における例えば半田接合などの接合処理での加熱を受けた基板の元に戻ろうとする力(外周側に向う力)が低減されており、第2の超電導導体における基板側と超電導層側との剥離を防止することができる。
これにより、上記発明では、巻線部内の接続部における薄膜状超電導線材からなる超電導導体同士の加熱を伴う接合処理での接続が確実に行なわれるようにすることができ、信頼性の高い超電導コイルを実現することができるようになる。
さらに、第2の超電導線導体の端末部の幅が端末に近づくほど狭くなるようにするための具体的構成として、上述の超電導コイルにおいて、前記第2の超電導導体の端末部は幅方向の一方側から他方側に向かって傾斜する端面を有するように形成されてなる構成とすることができる。
また、本発明の一つの形態によれば、超電導コイルとして、超電導導体が巻回された巻線部を備えるとともに前記巻線部内に前記超電導導体同士の接続部を設けてなる超電導コイルにおいて、前記接続部にて接続される第1および第2の超電導導体は、一面側が超電導層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなるとともに、前記薄膜状超電導線材からなる超電導接続片を介して前記第1の超電導導体と前記第2の超電導導体とが接続されてなり、前記超電導接続片の両側の端末部はそれぞれ幅が端末に近づくほど狭くなるように形成され、前記第1および第2の超電導導体の各端末部の外周側に位置する超電導層側と前記超電導接続片の各端末部の内周側に位置する超電導層側とがそれぞれ重ね合わせて加熱を伴う接合処理で接合されてなる構成としてもよい。
上記発明によれば、一面側が超電導層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなる超電導接続片の両側の端末部はそれぞれ幅が端末に近づくほど狭くなるように形成されていることにより、接続部における超電導接続片の基板の占める割合が端末に近づくほど低減し、これとともに機械的強度(曲げ強さ)も低減しているので、超電導接続片の両側の端末部の先端部分における例えば半田接合などの接合処理での加熱を受けた基板の元に戻ろうとする力(外周側に向う力)が低減されており、超電導接続片における基板側と超電導層側との剥離を防止することができる。
これにより、上記発明では、巻線部内の接続部における薄膜状超電導線材からなる超電導導体同士の加熱を伴う接合処理での接続が確実に行なわれるようにすることができ、信頼性の高い超電導コイルを実現することができるようになる。
また、さらに、上記発明では、第1および第2の超電導導体の各端末部の外周側に位置する超電導層側と、超電導接続片の内周側に位置する超電導層側とが重ね合わせて例えば半田接合などの接合処理で接合されるようにしていることにより、接続部を挟んで連続して巻回される第1および第2の超電導導体を構成する多層構造の薄膜状超電導線材の積層順序を同じにすることができるので、第1および第2の超電導導体での超電導層の曲率を同じにすることができ、これにより、第1の超電導導体と第2の超電導導体とで臨界電流特性が変わることを防ぐことができる。
さらに、超電導線接続片の両側の端末部の幅がそれぞれ端末に近づくほど狭くなるようにするための具体的構成として、上述の超電導コイルにおいて、前記超電導接続片の両側の端末部はそれぞれ幅方向の一方側から他方側に向かって傾斜する端面を有するように形成されてなる構成とすることができる。
また、上述の超電導コイルにおいて、前記接合処理は半田での接合処理である構成とすることができる。
また、さらに、薄膜状超電導線材の具体的構成として、上述の超電導コイルにおいて、前記薄膜状超電導線材は、金属からなるテープ状の基板,中間層,超電導層,良導電性金属からなる安定化金属層が積層されているとともに、安定化金属層を介して超電導層が位置する側を前記超電導層側としている構成とすることができる。
また、さらに、薄膜状超電導線材の基板の具体的構成として、上述の超電導コイルにおいて、前記薄膜状超電導線材の基板は、ハステロイまたはステンレスからなるテープ状の基板である構成とすることができる。
また、さらに、上述の超電導コイルにおいて、前記接続部が電気絶縁部材で覆われてなる構成とすることができる。
上記発明によれば、接続部を電気絶縁部材で覆うことにより、半田が巻線途中で露出することを防止でき、超電導コイルの巻線部に要求される電気絶縁性能を確保することができる。
次に、本発明の一つの形態によれば、超電導コイルの製造方法として、超電導導体が巻回された巻線部を備えるとともに前記巻線部内に前記超電導導体同士の接続部を設けてなる超電導コイルの製造方法であって、前記接続部にて接続される第1および第2の超電導導体がこの順に巻回されるものにおいて、前記第1および第2の超電導導体は、一面側が超電導層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなるものとし、前記第2の超電導導体の端末部を幅が端末に近づくほど狭くなるように加工しておき、その後、前記第1の超電導導体の端末部の外周側に位置する超電導層側と前記第2の超電導導体の端末部の内周側に位置する超電導層側とを重ね合わせて加熱を伴う接合処理で接合する構成とする。
上記発明によれば、一面側が超電導層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなる第1および第2の超電導導体のうち、第1の超電導導体に続けて巻回される第2の超電導線導体の端末部を幅が端末に近づくほど狭くなるように加工しておくことにより、巻線部内の接続部における第2の超電導導体の基板の占める割合が端末に近づくほど低減し、これとともに機械的強度(曲げ強さ)も低減するので、第2の超電導導体の端末部の先端部分における例えば半田接合などの接合処理での加熱を受けた基板の元に戻ろうとする力(外周側に向う力)を低減することができ、これにより、第2の超電導導体における基板側と超電導層側との剥離を防止することができる。
したがって、上記発明では、巻線部内の接続部における薄膜状超電導線材からなる超電導導体同士の加熱を伴う接合処理での接続が確実に行なわれるようにすることができ、信頼性の高い超電導コイルを製造することができるようになる。
さらに、第2の超電導線導体の端末部の幅が端末に近づくほど狭くなるようにするための具体的構成として、上述の超電導コイルの製造方法において、前記第2の超電導導体の端末部を幅方向の一方側から他方側に向かって傾斜する端面を有するように裁断加工しておく構成とすることができる。
さらに、接合処理の前に行なう加工処理の構成として、上述の超電導コイルの製造方法において、前記第1の超電導導体の端末部と前記第2の超電導導体の端末部との接合を行なう前に、前記第2の超電導導体を前記接続部の半径方向位置に対応する曲率に合わせて曲げておく構成とするとよい。
第1の超電導導体と第2の超電導導体との接合処理の後に第2の超電導導体を接続部の半径方向位置に対応する曲率に合わせて曲げる加工を施す場合、この曲げの力によって、第2の超電導導体の端末部の先端部分では、第2の超電導導体の外周側に位置する基板に対して外周側に向う方向の力が作用するため、これが、第2の超電導導体における基板側と(第1の超電導導体と例えば半田接合などで接合されている)超電導層側との間で剥離を生じる要因となる。この点に関し、上記発明によれば、第1の超電導導体と第2の超電導導体との接合処理の前に、第2の超電導導体を接続部の半径方向位置に対応する曲率に合わせて予め曲げておくことにより、接合処理の後では第2の超電導導体に対する曲げ加工が不要となるので、接合処理の後に第2の超電導導体を曲げる場合におけるような剥離の発生を防ぐことができる。
また、本発明の一つの形態によれば、超電導コイルの製造方法として、超電導導体が巻回された巻線部を備えるとともに前記巻線部内に前記超電導導体同士の接続部を設けてなる超電導コイルの製造方法であって、前記接続部にて接続される第1および第2の超電導導体がこの順に巻回されるものにおいて、前記第1および第2の超電導導体は、一面側が超電導層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなるとともに、前記薄膜状超電導線材からなる超電導接続片を介して前記第1の超電導導体と前記第2の超電導導体とを接続してなるものとし、前記超電導接続片の両側の端末部をそれぞれ幅が端末に近づくほど狭くなるように加工しておき、その後、前記第1および第2の超電導導体の各端末部の外周側に位置する超電導層側と前記超電導接続片の各端末部の内周側に位置する超電導層側とをそれぞれ重ね合わせて加熱を伴う接合処理で接合する構成としてもよい。
上記発明によれば、一面側が超電導層側,他面側が基板側とされる多層構造の薄膜状超電導線材からなる超電導接続片の両側の端末部をそれぞれ幅が端末に近づくほど狭くなるように加工しておくことにより、接続部における超電導接続片の基板の占める割合が端末に近づくほど低減し、これとともに機械的強度(曲げ強さ)も低減するので、超電導接続片の両側の端末部の先端部分における例えば半田接合などの接合処理での加熱を受けた基板の元に戻ろうとする力(外周側に向う力)を低減することができ、これにより、超電導接続片における基板側と超電導層側との剥離を防止することができる。
したがって、上記発明では、巻線部内の接続部における薄膜状超電導線材からなる超電導導体同士の加熱を伴う接合処理での接続が確実に行なわれるようにすることができ、信頼性の高い超電導コイルを製造することができるようになる。
また、さらに、上記発明では、第1および第2の超電導導体の各端末部の外周側に位置する超電導層側と、超電導接続片の内周側に位置する超電導層側とを重ね合わせて例えば半田接合などの接合処理で接合するようにしていることにより、接続部を挟んで連続して巻回される第1および第2の超電導導体を構成する多層構造の薄膜状超電導線材の積層順序を同じにすることができるので、第1および第2の超電導導体での超電導層の曲率を同じにすることができ、これにより、第1の超電導導体と第2の超電導導体とで臨界電流特性が変わることを防ぐことができる。
さらに、超電導線接続片の両側の端末部の幅がそれぞれ端末に近づくほど狭くなるようにするための具体的構成として、上述の超電導コイルの製造方法において、前記超電導接続片の両側の端末部をそれぞれ幅方向の一方側から他方側に向かって傾斜する端面を有するように裁断加工しておく構成とすることができる。
さらに、接合処理の前に行なう加工処理の構成として、上述の超電導コイルの製造方法において、前記第1および第2の超電導導体の各端末部と前記超電導接続片の各端末部との接合を行なう前に、前記超電導接続片を前記接続部の半径方向位置に対応する曲率に合わせて曲げておく構成とするとよい。
第1および第2の超電導導体と超電導接続片との接合処理の後に超電導接続片を接続部の半径方向位置に対応する曲率に合わせて曲げる加工を施す場合、この曲げの力によって、超電導接続片の両側の端末部の先端部分では、超電導接続片の外周側に位置する基板に対して外周側に向う方向の力が作用するため、これが、超電導接続片における基板側と(第1または第2の超電導導体と例えば半田接合などで接合されている)超電導層側との間で剥離を生じる要因となる。この点に関し、上記発明によれば、第1および第2の超電導導体と超電導接続片との接合処理の前に、超電導接続片を接続部の半径方向位置に対応する曲率に合わせて予め曲げておくことにより、接合処理の後では超電導接続片に対する曲げ加工が不要となるので、接合処理の後に超電導接続片を曲げる場合におけるような剥離の発生を防ぐことができる。
また、上述の超電導コイルの製造方法において、前記接合処理は半田での接合処理である構成とすることができる。
また、さらに、薄膜状超電導線材の基板の具体的構成として、上述の超電導コイルの製造方法において、前記薄膜状超電導線材は、金属からなるテープ状の基板,中間層,超電導層,良導電性金属からなる安定化金属層が積層されているとともに、安定化金属層を介して超電導層が位置する側を前記超電導層側としている構成とすることができる。
また、さらに、薄膜状超電導線材の基板の具体的構成として、上述の超電導コイルの製造方法において、前記薄膜状超電導線材の基板は、ハステロイまたはステンレスからなるテープ状の基板である構成とすることができる。
また、さらに、上述の超電導コイルの製造方法において、前記接続部を電気絶縁部材で覆うようにしてなる構成とすることができる。
上記発明によれば、接続部を電気絶縁部材で覆うことにより、半田が巻線途中で露出することを防止でき、超電導コイルの巻線部に要求される電気絶縁性能を確保することができる。
2・・・中間層
3・・・超電導層
4・・・安定化金属層
5・・・半田
6,6a,6aB,6b,6bA,6bB・・・超電導導体
7,7A・・・超電導接続片
10・・・巻枠
11・・・超電導コイル
F0,F1,F2a,F2b,F3a,F3b・・・基板の元の形状に戻ろうとする方向
L0・・・接続部の長手方向長さ
L1,L2a,L2b,L3,L3a,L3b・・・切断部の長手方向長さ
S0,S1,S2,S3・・・接続部に対応する領域
Claims (7)
- 一面側が超電導層側、他面側が基板側となる多層構造の第1および第2の薄膜状超電導導体がこの順に巻回される超電導コイルの製造方法であって、
第2の超電導導体の端末部を幅が端末に近づくほど狭くなるように加工する加工工程と、
第1の超電導導体を所定の曲率を持った巻枠に巻回する巻回工程と、
第2の超電導導体の少なくとも巻き始め側の端末部を前記巻枠に沿って巻回される巻線導体としての曲率に合わせて曲げておく曲げ工程と、
前記加工工程、巻回工程および曲げ工程の後に、第1の超電導導体の端末部の外周側に位置する超電導層側と第2の超電導導体の端末部の内周側に位置する超電導層側とを重ね合わせて加熱を伴う接合処理で接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする超電導コイルの製造方法。 - 請求項1に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記加工工程は、第2の超電導導体の端末部を幅方向の一方側から他方側に向かって傾斜する端面を有するように裁断加工することを特徴とする超電導コイルの製造方法。 - 請求項2に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記接合工程は、第2の超電導導体の長手方向における前記傾斜する端面の長さと、第2の超電導導体の長手方向における第1および第2の超電導導体の接合部の長さとが等しくなるように接合することを特徴とする超電導コイルの製造方法。 - 一面側が超電導層側、他面側が基板側となる多層構造の第1および第2の薄膜状超電導導体がこの順に巻回される超電導コイルの製造方法であって、
一面側が超電導層側、他面側が基板側となる多層構造の薄膜状超電導導体からなる超電導接続片の両側の端末部をそれぞれ幅が端末に近づくほど狭くなるように加工する加工工程と、
第1の超電導導体を所定の曲率を持った巻枠に巻回する巻回工程と、
第2の超電導導体の少なくとも巻き始め側の端末部を前記巻枠に沿って巻回される巻線導体としての曲率に合わせて曲げておく曲げ工程と、
前記加工工程、巻回工程および曲げ工程の後に、第1および第2の超電導導体の各端末部の外周側に位置する超電導層側と前記超電導接続片の各端末部の内周側に位置する超電導層側とをそれぞれ重ね合わせて加熱を伴う接合処理で接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする超電導コイルの製造方法。 - 請求項4に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記加工工程は、前記超電導接続片の両側の端末部をそれぞれ幅方向の一方側から他方側に向かって傾斜する端面を有するように裁断加工することを特徴とする超電導コイルの製造方法。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記薄膜状超電導導体は、金属からなるテープ状の基板、中間層、超電導層、良導電性金属からなる安定化金属層が積層されているとともに、安定化金属層を介して超電導層が位置する側を前記超電導層側としていることを特徴とする超電導コイルの製造方法。 - 請求項6に記載の超電導コイルの製造方法において、
前記薄膜状超電導導体の基板は、ハステロイまたはステンレスからなるテープ状の基板であることを特徴とする超電導コイルの製造方法。
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