WO2015092996A1 - 超電導ケーブルの端末構造体の製造方法及び超電導ケーブルの端末構造体 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a terminal structure of a superconducting cable and a terminal structure of a superconducting cable.
- a superconducting tape is spirally wound around the outer periphery of a former (core material).
- core material a former
- superconducting tapes are often arranged in multiple layers concentrically. Between the layers of the superconducting tapes arranged in multiple layers (that is, between the superconducting tapes), a presser tape is provided for pressing the superconducting tape and for electrically insulating the superconducting tape.
- a superconducting tape of a superconducting cable and a metal terminal (electrode) connected to an external power source or an external circuit A terminal structure in which the terminals are electrically connected is used.
- the terminal structure of this superconducting cable can also be said to be the structure of the termination
- each layer of the superconducting tape is inserted into a cylindrical metal terminal having an inner diameter corresponding to the outer diameter of each layer, and the gap between the metal terminal and the layer of the superconducting tape inserted into the metal terminal is determined. The two are joined by pouring solder into them. This eliminates the labor of soldering one by one when connecting the superconducting tape to the metal terminal.
- the gap between the metal terminal and the superconducting cable is connected to the superconducting cable. Need to be formed in a size that facilitates insertion.
- the plurality of superconducting tapes constituting the outer layer of the superconducting cable are moved freely by the solder poured into the gap, and the distance between the plurality of superconducting tapes and the inner peripheral surface of the metal terminal is made uniform. Therefore, the connection resistance between the superconducting tape and the metal terminal varies. As a result, a uniform current cannot be poured into each superconducting tape (superconducting wire), resulting in a drifted state, and there is a problem that the current capacity that can be passed through the superconducting cable is reduced.
- An object of the present invention is to provide a superconducting cable terminal structure manufacturing method and a superconducting cable terminal structure which can easily connect a plurality of superconducting wires and electrodes directly via solder to ensure a reliable and suitable current carrying capacity. Is to provide.
- One aspect of the method for manufacturing a superconducting cable terminal structure of the present invention is a superconducting cable comprising a superconducting cable having a superconducting wire wound concentrically around a core material, and an electrode to which the superconducting wire is terminally connected.
- a method of manufacturing a terminal structure comprising: a solder coating step of performing solder plating on at least one of an electrode to which an end of the superconducting wire and an end of the superconducting wire are connected; and an end of the superconducting wire on the electrode
- One aspect of the terminal structure of the superconducting cable according to the present invention is a superconducting cable terminal comprising a superconducting cable having a plurality of superconducting wires wound concentrically around a core, and an electrode to which the superconducting wire is terminated.
- a superconducting wire which is a structure, a connecting portion configured by connecting an end portion of the superconducting wire and the electrode via solder, a cylindrical shape having thermal conductivity and capable of reducing the diameter, and the superconducting wire; And a diameter-reducing member that is arranged so as to cover the connection portion on the outer peripheral side of the end portion and reduces the diameter and presses the superconducting wire against the electrode.
- a plurality of superconducting wires and electrodes can be easily and directly connected via solder to ensure a reliable and suitable current carrying capacity.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the main configuration of the terminal structure of the superconducting cable shown in FIG. Diagram showing winding state of superconducting tape
- FIG. 8 The figure which shows the modification of a reduced diameter member
- FIG. 8 is an external view showing a schematic configuration of a modified example of a terminal structure of a superconducting cable using the reduced diameter member shown in FIG. Schematic sectional view showing the main configuration of the modification
- FIG. 1 is an external view showing a schematic configuration of a terminal structure of a superconducting cable according to an embodiment.
- the superconducting cable has a single-layer structure, that is, a single-layer superconducting tape, is illustrated.
- the invention can be applied.
- FIG. 2 is a main part configuration diagram of the terminal structure viewed from the rear side (that is, the right side of FIG. 1).
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the main configuration of the terminal structure 100 of the superconducting cable shown in FIG.
- the terminal structure 100 includes a superconducting cable 110, a cylindrical extraction electrode (hereinafter referred to as a cylindrical electrode) 120, and a reduced diameter member 130.
- the cylindrical electrode 120 is provided by the number of layers of the superconducting tape. In the example of the present embodiment, since the number of layers of the superconducting tape of the superconducting cable 110 is one, one cylindrical electrode 120 is provided.
- a lead cable 140 is electrically connected to the cylindrical electrode 120.
- the superconducting cable 110 and the cylindrical electrode 120 are immersed in a cryogenic liquid such as liquid nitrogen. Then, the current of the superconducting cable 110 is drawn out to the normal temperature part by the lead cable 140 through the cylindrical electrode 120.
- the lead cable 140 is led into the air through a polymer sleeve (not shown) or the like.
- the superconducting cable 110 includes a core material (former) 111, a presser tape 112, and a superconducting tape 113.
- the core material 111 has a cylindrical shape and is composed of a copper stranded wire.
- a pressing tape 112 made of a nonwoven fabric is wound around the outer periphery of the core material 111.
- a superconducting tape 113 constituting a superconducting tape layer is wound in a spiral shape with a predetermined gap G between the tapes in the circumferential direction. Yes.
- the superconducting tape when it has two or more layers, it is formed by winding a presser tape made of a non-woven fabric and a superconducting tape on the outer periphery of the superconducting tape 113 in the same order as the presser tape 112 and the superconducting tape 113. .
- 12 superconducting tapes are spirally wound at a predetermined interval to constitute one superconducting tape layer.
- the superconducting tape 113 As a material of the superconducting tape 113, various conventionally proposed superconducting materials can be used.
- the superconducting tape 113 does not necessarily have to be in a tape form, and may be a superconducting wire.
- the superconducting cable 110 is provided with an electrical insulating layer, a superconducting shield layer, an external stabilization layer, a corrugated tube, and the like on the outer peripheral side of the superconducting tape 113.
- these members are removed at the terminal portion where the superconducting tape 113 is connected to the cylindrical electrode 120, these members are not shown in FIGS.
- the cylindrical electrode 120 has a cylindrical shape as a whole and includes a cylindrical portion 121 and a tapered portion 122. As is apparent from FIGS. 2 and 3, the cylindrical electrode 120 has a hollow structure through which the superconducting cable 110 can penetrate.
- a superconducting cable 110 is passed and fixed.
- Each end portion 113a of the superconducting tape 113 is disposed so as not to overlap the outer surface of the cylindrical portion 121 of the cylindrical electrode 120, and is connected by the solder 150 while being pressed against the outer surface of the cylindrical portion 121 by the reduced diameter member 130. Has been.
- the reduced diameter member 130 is a cylindrical body having thermal conductivity, and is configured to be able to expand and contract.
- the reduced diameter member 130 is disposed on the outer peripheral side of the superconducting tape 113 and on the outer periphery of the connection portion between the superconducting tape 113 and the cylindrical electrode 120.
- the diameter-reducing member 130 has a cylindrical electrode 120 (so as to cover an end portion 113 a of the superconducting tape 113 connected to the outer surface of the cylindrical portion 121 via the solder 150 from the outer peripheral side. Specifically, it is wound spirally around the cylindrical part 121).
- FIG. 5 is a diagram showing the reduced diameter member 130 of FIG.
- the diameter-reducing member 130 has a shape in which a spring material having a tape-like thermal conductivity is wound in a roll shape and is extended spirally in the axial direction of the roll. .
- the reduced diameter member 130 may be referred to as a roll spring.
- the inner diameter of the reduced diameter member 130 is smaller than the outer diameter of the layer formed by the end portion 113a of the superconducting tape 113 disposed on the cylindrical electrode 120.
- the reduced diameter member 130 covers the layer formed of the end portion 113a by expanding the diameter.
- the diameter-reducing member 130 is reduced in diameter, and the end portion 113a is pressed against the outer surface side of the cylindrical portion 121 entirely in the circumferential direction and in the axial direction. .
- the reduced diameter member 130 is configured by extending the spring material in a spiral shape in the axial direction, the reduced diameter member 130 is deformed corresponding to the shape arranged on the outer peripheral side of the end portion 113a. Yes. Thereby, the diameter-reducing member 130 presses the entire covered portion toward the axis of the diameter-reducing member 130 (the axis of the cylindrical electrode 120).
- a positioning tape (metal foil) 160 having thermal conductivity is wound around the outer periphery of the end 113a of the superconducting tape 113.
- This positioning tape 160 is a heat conductive metal foil and has flexibility, and the connection position of the end portion 113 a of the superconducting tape 113 disposed on the outer surface of the cylindrical portion 121 is set on the outer surface of the cylindrical portion 121. Hold the positioning.
- the positioning tape 160 is, for example, a long heat conductive metal (a metal having heat conductivity), and here, is a long copper foil.
- the positioning tape 160 restricts the superconducting tape 113 from moving on the outer surface of the cylindrical portion 121 in the axial direction and the main direction, as well as moving the cylindrical portion 121 outward in the radial direction.
- the positioning tape 160 is fixed to the cylindrical portion 121 with a fixing auxiliary tape 170.
- the fixing auxiliary tape 170 fixes the positioning tape 160 and assists the positioning of the superconducting tape 113 by the positioning tape 160.
- the fixing auxiliary tape 170 is a heat-resistant tape having heat resistance that can withstand the melting temperature of the solder 150, and for example, a polyimide tape is used.
- the opening on the tapered portion 122 side of the cylindrical electrode 120 and the end of the superconducting cable 110 are opposed to each other. Then, with the superconducting tape 113 positioned outside the cylindrical electrode 120, the core material 111 of the superconducting cable 110 is opened on the tapered portion 122 side of the cylindrical electrode 120 as shown in FIG. 6B. Is inserted into the cylindrical electrode 120 from the portion.
- the presser tape 112 wound in contact with the outer periphery of the core material 111 together with the core material 111 is also inserted into the cylindrical electrode 120.
- the insertion depth of the core material 111 is a desired length when the superconducting cable 110 is connected to the cylindrical electrode 120.
- the length of the superconducting tape 113 is adjusted so as to correspond to the insertion depth so that the end 113a is located at the connection portion with the cylindrical electrode 120.
- the electrical insulating layer, the superconducting shield layer, and the external stabilizing layer provided on the outer peripheral side of the superconducting tape 113 at the terminal are peeled off.
- the superconducting tape 113 can be separated from the core material 111. Thereby, the operation
- the end 113a of the superconducting tape 113 is disposed at the connection position on the outer surface of the cylindrical electrode 120, here, the outer surface of the cylindrical portion 121 (arrangement step). At least one of the connection surfaces of the superconducting tape 113 and the cylindrical electrode 120 is subjected to solder plating.
- solder platings 151 and 152 constituting the solder 150 are respectively applied to both of the outer surfaces (solder application step).
- the end portions 113a of the superconducting tape 113 are placed so as not to overlap each other on the outer surface of the cylindrical portion 121.
- the positioning tape 160 is wound from the outer peripheral side of the superconducting tape 113, and the superconducting tape 113 is held on the outer surface of the cylindrical portion 121 (see FIG. 6C).
- the superconducting tape 113 is fixed with a fixing auxiliary tape 170 so that the positioning tape 160 positioning and fixing the superconducting tape 113 on the cylindrical portion 121 does not come off.
- the diameter of the superconducting tape 113 is reduced so as to surround the plurality of superconducting tapes 113 on the outer peripheral side of the superconducting tape 113, that is, on the outer peripheral side of the connection portion between the superconducting tape 113 and the cylindrical electrode 120.
- the member 130 is installed.
- the reduced diameter member 130 is disposed so as to cover the connection portion from the outer peripheral side of the end portion 113a of the superconducting tape 113 (around the plurality of superconducting tapes 113).
- the reduced diameter member 130 is installed while expanding the diameter against the urging force in the reduced diameter direction.
- the diameter-reducing member 130 is reduced in diameter on the connection portion between the cylindrical electrode 120 and the superconducting tape 113 (on the outer peripheral side of the connection portion) and positioned on the cylindrical portion 121 by the positioning tape 160 and the fixing auxiliary tape 170. It is installed on the superconducting tape 113 thus formed (see FIG. 7C).
- the reduced diameter member 130 presses the superconducting tape 113 toward the cylindrical electrode 120 over the entire circumference of the cylindrical portion 121 by reducing the diameter.
- the superconducting tape 113 is pressed against the outer surface of the cylindrical portion 121 via the solder platings 151 and 152 and is fixed to the cylindrical portion 121.
- the diameter reducing member 130 reduces the diameter, thereby fixing the superconducting tape 113 located on the inner peripheral side to the outer surface of the cylindrical portion 121 via the solder 150.
- the reduced diameter member 130 is composed of a tape-shaped spring material, the superconducting tape 113 positioned by the positioning tape 160 is pressed from the outer surface side, and the entire outer surface of the superconducting tape 113 is pressed toward the cylindrical electrode 120 side. And fix.
- the connecting portion between the superconducting tape 113 and the cylindrical portion 121 of the cylindrical electrode 120 is heated by a heat source such as a heater (not shown) (heating process) and electrically connected via the solder 150.
- a heat source such as a heater (not shown) (heating process) and electrically connected via the solder 150.
- heat source such as a heater (not shown) (heating process) and electrically connected via the solder 150.
- the layer by the solder 150 can be thinned over the outer periphery of the connection part of the some superconducting tape 113 and the cylindrical part 121, and the layer of a connection part can be uniformly thinned over the outer periphery.
- the distance between the superconducting tape 113 and the inner peripheral surface of the cylindrical electrode 120 becomes uniform.
- the connection resistance between the superconducting tape 113 and the cylindrical electrode 120 can be kept low, the generation of Joule heat at the connection portion can be reduced, and further, since there is no variation, the drift is less likely to occur.
- the current capacity that can be energized does not decrease.
- connection resistance value of the connection portion does not vary greatly depending on the operation.
- the diameter-reducing member 130 is formed by winding a tape-like spring material having thermal conductivity in a roll shape, and in the axial direction of the roll.
- the shape is extended in a spiral shape, the shape is not limited to this as long as the diameter is reduced.
- the reduced diameter member 130 has a shape that is spirally wound around the cylindrical portion 121 of the cylindrical electrode 120, and is configured in a shape in which a long spring material is wound at a right angle with respect to the cylindrical portion 121. Also good.
- a spring material having a tape-like thermal conductivity may be rolled and wound into a multilayer.
- FIG. 9 is an external view showing a schematic configuration of a modified example of the terminal structure of the superconducting cable to which the reduced diameter member 230 shown in FIG. 8 is applied
- FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the main part of the modified example. is there.
- the constituent elements other than the reduced diameter member 230 are the same as the constituent elements of the terminal structure 100, and thus the description thereof is omitted.
- the terminal structure 100A shown in FIG. 9 includes a superconducting cable 110, a cylindrical extraction electrode (cylindrical electrode) 120, and a reduced diameter member 230.
- the core material 111 and the presser tape 112 are inserted into the cylindrical electrode 120. Further, the outer surface of the cylindrical portion 121 of the cylindrical electrode 120 is held via a positioning tape 160 and a fixing auxiliary tape 170 so that the end portions 113a of the plurality of superconducting tapes 113 do not overlap in the circumferential direction.
- a reduced diameter member 230 having the same function as that of the reduced diameter member 130 is disposed on the outer periphery of these end portions 113a.
- the two reduced-diameter members 230 and 230 are disposed so as to cover and cover both end portions in the axial direction of the connecting portion between the end portion 113a of the superconducting tape 113 and the outer surface of the cylindrical portion 121, respectively.
- the diameter-reducing member 230 has a cylindrical shape that has thermal conductivity and can be reduced in diameter.
- connection portion the solder 150 is pressed in a state where the superconducting tape 113 is pressed from the outer peripheral side of the superconducting tape 113 to the cylindrical portion 121 side of the cylindrical electrode 120 by the diameter reducing action of the two diameter reducing members 230 and 230. Is electrically connected.
- the same effect as the terminal structure 100 can be obtained.
- the manufacturing method of terminal structure 100A is the same as that of the terminal structure 100, and the same effect as the effect in the manufacturing method of the terminal structure 100 can be obtained.
- the superconducting tape 113 is positioned and fixed to the cylindrical electrode 120 via the positioning tape 160 and the auxiliary auxiliary tape 170.
- the positioning tape 160 and The fixing auxiliary tape 170 may not be used. That is, in the terminal structure 100 described above, the connection portion in which the superconducting tape 113 is disposed on the cylindrical electrode 120 via the solder 150 is directly covered with the reduced diameter member 130 on the superconducting tape 113 to reduce the diameter. It is good.
- the diameter-reducing members 130 and 230 are formed by winding a spring material having a tape-like thermal conductivity in a roll shape as shown in FIGS. It is good also as a coil formed not only with a linear material.
- the superconducting cable is inserted into the same number of cylindrical electrodes 120 through the superconducting cable 110, and the superconducting cable is inserted into the cylindrical electrode toward the terminal side of the superconducting cable.
- the superconducting tapes of the inner layers are connected in order.
- the superconducting tape provided on the outermost peripheral side is connected to the outer surface of the cylindrical electrode 120 provided farthest from the terminal side by the solder 150.
- the superconducting tape constituting the second layer from the outermost periphery is connected by solder 150 to the outer surface of the cylindrical electrode 120 positioned on the terminal side next to the cylindrical electrode 120 provided farthest from the terminal side. That is, the superconducting cable 110 is sequentially connected to the outer surface of the cylindrical electrode one by one from the outer peripheral superconductor tape toward the terminal side while passing through the plurality of cylindrical electrodes sequentially toward the terminal side.
- the terminal structure 100 is composed of a superconducting cable in which twelve superconducting wires having a thickness of 0.12 [mm] x a width of 5 [mm] (hereinafter referred to as “YBCO wire”) are wound around a core, a cylindrical electrode, It manufactured using the roll spring which is a diameter member.
- the cylindrical electrode (terminal) has a cylindrical shape with an outer diameter of 30 [mm] made of copper. Solder plating is applied to the surface of the cylindrical electrode, and YBCO wires are arranged through the solder plating, and these YBCO wires are positioned and held using copper foil as a positioning tape and polyimide tape as an auxiliary tape for fixing. did.
- Example 1 is provided with a cylindrical electrode, solder, a superconducting wire, copper foil + polyimide tape, and a roll spring. Then, the connecting portion is heated with a heater (heating process), soldered, and the terminal structure connected by soldering is immersed in liquid nitrogen (@ 77K) to connect each YBCO wire to the cylindrical electrode. The resistance was measured by a direct current four-terminal method.
- Table 1 shows contact resistance values [ ⁇ ] between the cylindrical electrode and each of the 12 YBCO wires (No. 1 to No. 12).
- Example 2 In the terminal structure of Example 1, the YBCO wire and the cylindrical electrode were fixed by a roll spring without using the copper foil as the positioning tape and the polyimide tape as the auxiliary tape for fixing. That is, Example 2 includes a cylindrical electrode, solder, a superconducting wire, and a roll spring. Then, like the first embodiment, the connection portion is heated with a heater (heating process), and after soldering, the connection resistance between each YBCO wire and the cylindrical electrode is set to four DC terminals as in the first embodiment. Measured by the method.
- Table 2 shows contact resistance values [ ⁇ ] between the cylindrical electrode and each of the 12 YBCO wires (No. 1 to No. 12).
- Example 1 In the terminal structure of Example 1, a terminal structure that does not use a roll spring was manufactured by soldering YBCO wires one by one to the cylindrical electrode. Then, like the first embodiment, the connection portion is heated with a heater (heating process), and after soldering, the connection resistance between each YBCO wire and the cylindrical electrode is set to four DC terminals as in the first embodiment. Measured by the method.
- Table 3 shows contact resistance values [ ⁇ ] between the cylindrical electrode and each of the 12 YBCO wires (No. 1 to No. 12).
- the contact resistance value of the connection portion between the YBCO wire and the electrode in the terminal structure without roll spring as Comparative Example 1 is 5 to 8 [ ⁇ ] (@ 77K in liquid nitrogen). Met.
- the contact resistance of the connecting portion between the YBCO wire and the electrode in the terminal structures of Example 1 and Example 2 including the roll spring is 0.1 to 0.27, compared with the comparative example, It was found that it was a few tenths (about 1/30 in the average comparison) and the variation was small.
- a superconducting cable terminal structure manufacturing method and a superconducting cable terminal structure according to the present invention easily and directly connect a plurality of superconducting wires and terminals via solder to ensure a reliable and suitable current carrying capacity. It has an effect and is useful as a terminal structure of a superconducting wire having a superconducting wire having a multilayer structure.
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Abstract
複数の超電導線材と電極とを半田を介して容易に直接接続して、確実で好適な通電容量を確保できる超電導ケーブルの端末構造体を製造する。端末構造体(100)は、芯材(111)の周囲に同心円状に複数巻き付けた超電導テープ(113)を有する超電導ケーブル(110)と、超電導テープ(113)が終端接続される筒状電極(120)とを備える。超電導テープ(113)の端部(113a)及びこの端部(113a)が接続される筒状電極(120)の一方に半田メッキ(151)を施す。次いで、筒状電極(120)に、端部(113a)を、半田メッキ(151)を介して重ねて配置して接続部を形成する。次いで、熱伝導性を有する縮径可能な筒状の縮径部材 (130)を、端部(113a)の外周側から接続部を覆うように配置し、縮径により、端部(113a)を筒状電極(120)に押圧して固定する。接続部を加熱して、半田メッキ(151)を溶融する。
Description
本発明は、超電導ケーブルの端末構造体の製造方法及び超電導ケーブルの端末構造体に関する。
従来、超電導ケーブルにおいては、フォーマ(心材)の外周に超電導テープがスパイラル状に巻回されている。また、大電流送電を可能とするために、超電導テープは、同心円状に多層に配置されている場合が多い。多層配置された超電導テープの層間(すなわち超電導テープの間)には、超電導テープを押えるとともに、超電導テープ間での電気絶縁をとる押えテープが設けられる。このような多層構造の超電導ケーブルを、超電導応用機器に応用する場合、例えば、特許文献1に示すような、超電導ケーブルの超電導テープと、外部電源或いは外部回路に接続される金属端子(電極)とを電気的に接続した端末構造体が用いられる。なお、この超電導ケーブルの端末構造体は、超電導ケーブルの終端部の構成と言うこともできる。
この特許文献1では、超電導テープの各層を、これら各層の外径に対応した内径の筒状の金属端子にそれぞれ挿入し、金属端子と、この金属端子に挿入された超電導テープの層との間に半田を流し込むことで両者を接合している。これにより、超電導テープを金属端子に接続する際に、一本ずつ半田付けする手間を省いている。
従来の端末構造体では、金属端子と、金属端子内の超電導ケーブルとの隙間に半田を流し込むことで双方を半田付けする構成であるため、金属端子と超電導ケーブルの隙間を、金属端子に超電導ケーブルが挿入し易い大きさで形成する必要がある。
このため、隙間の中に流し込まれる半田により、超電導ケーブルの外層を構成する複数の超電導テープが自由に移動して、複数の超電導テープと金属端子の内周面との間の距離が均一にならず、超電導テープと金属端子との接続抵抗がばらつくことになる。これにより、各超電導テープ(超電導線材)に均一の電流を流し込むことが出来ず偏流した状態となり、超電導ケーブルに通電できる電流容量が低下するという問題がある。
本発明の目的は、複数の超電導線材と電極とを半田を介して容易に直接接続して、確実で好適な通電容量を確保できる超電導ケーブルの端末構造体の製造方法及び超電導ケーブルの端末構造体を提供することである。
本発明の超電導ケーブル端末構造体の製造方法の一つの態様は、芯材の周囲に同心円状に複数巻き付けた超電導線材を有する超電導ケーブルと、前記超電導線材が終端接続される電極とを備える超電導ケーブル端末構造体の製造方法であって、前記超電導線材の端部及び前記超電導線材の端部が接続される電極の少なくとも一方に半田メッキを施す半田塗布工程と、前記電極に、前記超電導線材の端部を、前記半田メッキを介して重ねて配置して接続部を形成する配置工程と、熱伝導性を有する縮径可能な筒状の縮径部材を、前記超電導線材の端部の外周側から前記接続部を覆うように配置し、前記縮径部材の縮径により、前記超電導線材を前記電極に押圧して固定する縮径部材取付工程と、前記縮径部材により覆われる前記接続部を加熱して、前記半田メッキを溶融する加熱工程とを有するようにした。
本発明の超電導ケーブルの端末構造体の一つの態様は、芯材の周囲に同心円状に複数巻き付けた超電導線材を有する超電導ケーブルと、前記超電導線材が終端接続される電極とを備える超電導ケーブルの端末構造体であって、前記超電導線材の端部と前記電極とを半田を介して接続して構成される接続部と、熱伝導性を有する縮径可能な筒状であり、且つ、前記超電導線材の端部の外周側に前記接続部を覆うように配置され、縮径して前記超電導線材を前記電極に押圧する縮径部材とを有する構成を採る。
本発明によれば、複数の超電導線材と電極とを半田を介して容易に直接接続して、確実で好適な通電容量を確保することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、実施の形態の超電導ケーブルの端末構造体の概略構成を示す外観図である。実施の形態では、説明を簡単化するために、超電導ケーブルが1層構造すなわち1層の超電導テープを有する場合を例示するが、2層構造以上すなわち2層以上の超電導テープを有する場合でも、本発明を適用可能である。図2は、端末構造体を後方側(つまり図1の右側)から見た要部構成図である。図3は、図1に示す超電導ケーブルの端末構造体100の要部構成を示す概略断面図である。
端末構造体100は、超電導ケーブル110と、筒状の引出用電極(以下、筒状電極と称する)120と、縮径部材130と、を有する。
筒状電極120は、超電導テープの層数分だけ設けられている。本実施の形態の例では、超電導ケーブル110の超電導テープの層数が1層なので、1個の筒状電極120が設けられている。
筒状電極120には、リードケーブル140が電気的に接続されている。実際の使用時には、超電導ケーブル110および筒状電極120は、液体窒素などの極低温の液体に浸される。そして、超電導ケーブル110の電流が、筒状電極120を介してリードケーブル140によって常温部に引き出されるようになっている。例えば、リードケーブル140は、ポリマー套管(図示せず)などを介して気中に導出される。
図3に示すように、超電導ケーブル110は、芯材(フォーマ)111、押えテープ112、超電導テープ113を有する。芯材111は、円筒形状であり、銅の撚線から構成されている。この芯材111の外周には、不織布からなる押えテープ112が巻回されている。押えテープ112の外周には、超電導テープ層を構成する超電導テープ113が、図4に示すように、周方向で各テープ間に若干の所定間隔Gを空けて、それぞれスパイラル状に巻回されている。なお、超電導テープが2層以上の場合は、超電導テープ113の外周に、不織布からなる押えテープ、超電導テープを、押えテープ112及び超電導テープ113と同様に順に層状に巻回することで形成される。
本実施の形態の例では、12本の超電導テープがスパイラル状に所定間隔を空けて巻回されることで、超電導テープ層の1層を構成している。
超電導テープ113の材料としては、従来提案されている種々の超電導材料を用いることができる。ここでは、超電導テープ113は、REBayCu3Oz系(REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd及びHoから選択された1種以上の元素を示し、y≦2及びz=6.2~7である。)の高温超電導薄膜を備える。また、超電導テープ113は、必ずしもテープ状でなくてもよく、超電導線材であればよい。
実際には、超電導ケーブル110は、超電導テープ113の外周側に、電気絶縁層や、超電導シールド層、外部安定化層、コルゲート管などが設けられている。しかしながら、これらの部材は、超電導テープ113が筒状電極120に接続される端末箇所では取り除かれるため、図1、図3及び図4では、これらは省略して示している。
筒状電極120は、全体として筒状であり、円筒部121とテーパー部122とを有する。筒状電極120は、図2及び図3から明らかなように、超電導ケーブル110が内部を貫通できる中空構造となっている。
この筒状電極120内には、図3に示すように、超電導ケーブル110が通され、止着されている。
超電導テープ113のそれぞれの端部113aは、筒状電極120の円筒部121の外面に重ならないように配置され、縮径部材130により円筒部121の外面に押し付けられた状態で、半田150によって接続されている。
縮径部材130は、熱伝導性を有する筒状体であり、拡縮可能に構成されている。縮径部材130は、超電導テープ113の外周側で、超電導テープ113と筒状電極120とによる接続部分の外周に配置されている。
ここでは、縮径部材130は、図3に示すように、円筒部121の外面に半田150を介して接続された超電導テープ113の端部113aを外周側から覆うように、筒状電極120(詳細には円筒部121)に対して螺旋状に巻き付けられている。
図5は、図1の縮径部材130を示す図である。
ここでは、縮径部材130は、図5に示すように、テープ状の熱伝導性を有するバネ材をロール状に巻回し、且つ、ロールの軸方向にスパイラル状で延在させた形状を有する。縮径部材130はロールスプリングと称することもある。
この縮径部材130の内径は、筒状電極120上に配置された超電導テープ113の端部113aからなる層の外径よりも小さい。縮径部材130は、端部113aからなる層に、拡径して被せている。これにより、縮径部材130は、縮径して、端部113aを周方向で、且つ、軸方向で、被覆する部分(端部113a)を全面的に円筒部121の外面側に押し付けている。
また、縮径部材130は、バネ材を軸方向にスパイラル状に延在させることで構成されていることから、端部113aの外周側で配置される形状に対応して変形した状態となっている。これにより、縮径部材130は、覆う部分を全面的に、縮径部材130の軸(筒状電極120の軸)に向かって押圧している。
なお、超電導テープ113の端部113aの外周側には、熱伝導性を有する位置決めテープ(金属箔)160が巻き付けられている。
この位置決めテープ160は、熱伝導金属箔であり、且つ、可撓性を有し、円筒部121の外面に配置される超電導テープ113の端部113aの接続位置を、円筒部121の外面上で位置決め保持する。
この位置決めテープ160は、例えば、長尺の熱伝導金属体(熱導電性を有する金属)であり、ここでは、長尺の銅箔である。
位置決めテープ160により超電導テープ113は円筒部121の外面上で軸方向、主方向への移動は勿論のこと、円筒部121の半径方向外方への移動も規制されている。位置決めテープ160は、固定用補助テープ170で円筒部121に固定される。
固定用補助テープ170は、位置決めテープ160を固定して、位置決めテープ160による超電導テープ113の位置決めを補助する。固定用補助テープ170は、半田150の溶融温度に耐えられる耐熱性を有した耐熱テープであり、例えば、ポリイミドテープが用いられる。
次に、図6及び図7を参照して、本実施の形態の超電導ケーブルの端末構造体100の製造方法を説明する。
図6(a)に示すように、筒状電極120におけるテーパー部122側の開口部と、超電導ケーブル110の端末とを対向させる。そして、超電導テープ113が筒状電極120よりも外側に位置するようにして、図6(b)に示すように、超電導ケーブル110の芯材111を、筒状電極120におけるテーパー部122側の開口部から、筒状電極120内に挿入する。ここでは、芯材111とともに芯材111の外周で接して巻き付けられた押えテープ112も筒状電極120内に挿入する。芯材111の挿入深さは、筒状電極120に対して超電導ケーブル110が接続される際の所望の長さである。また、この挿入深さに対応して、超電導テープ113の長さを、端部113aが筒状電極120との接続部分に位置するように、調整しておく。なお、超電導ケーブル110では、筒状電極120に挿入される前に、端末における超電導テープ113の外周側に設けられている電気絶縁層、超電導シールド層及び外部安定化層を剥いでおく等して、超電導テープ113を芯材111から離間可能にしておく。これにより、芯材111と押えテープ112とを筒状電極120に挿入する作業を容易に行うことができる。
また、図6(b)に示すように、超電導テープ113の端部113aを、筒状電極120の外面における接続位置、ここでは、円筒部121の外面に配置する(配置工程)。超電導テープ113と筒状電極120の接続面の少なくとも一方に半田メッキが施されている。本実施の形態では、図6(a)に示すように、芯材111を筒状電極120に挿入する前に、又は、配置工程の前に、超電導テープ113の端部113aと、円筒部121の外面の双方に、半田150を構成する半田メッキ151、152をそれぞれ施している(半田塗布工程)。
よって、図6(b)では、筒状電極120における接続位置、つまり、円筒部121の外面に超電導テープ113の端部113aを載置する際には、双方の半田メッキ151、152が重なるように、超電導テープ113を筒状電極120に載置する。これにより筒状電極120に、超電導テープ113の端部113aが、半田150(半田メッキ151,152)を介して重なる接続部を形成する。
このとき、超電導テープ113の端部113aは、円筒部121の外面でそれぞれ重ならないように載置する。
次いで、超電導テープ113の外周側から位置決めテープ160を巻き付けて、超電導テープ113を円筒部121の外面上に位置決した状態で保持する(図6(c)参照)。
次いで、図7(a)に示すように、超電導テープ113を円筒部121上に位置決め固定した位置決めテープ160が外れないように、固定用補助テープ170で固定する。
そして、図7(b)に示すように、超電導テープ113の外周側、つまり、超電導テープ113と筒状電極120との接続部分の外周側に、複数の超電導テープ113を囲むように、縮径部材130を設置する。言い換えれば、縮径部材130は、超電導テープ113の端部113aの外周側(複数の超電導テープ113の周囲)から、接続部を覆うように配置する。このとき、縮径部材130は、縮径方向への付勢力に抗して拡径させつつ、設置される。
そして、縮径部材130を、筒状電極120と超電導テープ113との接続部分上(接続部分の外周側)で縮径させて、円筒部121上において位置決めテープ160及び固定用補助テープ170により位置決めされた超電導テープ113上に設置する(図7(c)参照)。
このとき、縮径部材130は、縮径することで、超電導テープ113を円筒部121の全周に亘って、筒状電極120側に押圧する。超電導テープ113は半田メッキ151、152を介して円筒部121の外面に押し付けられた状態となり、円筒部121に固定される。
このように縮径部材130は、縮径することで、内周側に位置する超電導テープ113を円筒部121の外面に半田150を介して固定する。特に、縮径部材130は、テープ状のバネ材により構成されているため、位置決めテープ160で位置決めされた超電導テープ113を外面側から、超電導テープ113の外面全面を筒状電極120側に押圧して固定する。
次いで、超電導テープ113と筒状電極120の円筒部121との接続部分を図示しないヒータ等の熱源により加熱して(加熱工程)、半田150を介して電気的に接続する。例えば、縮径部材130の外周から加熱して、縮径部材130、位置決めテープ160、超電導テープ113、半田150(半田メッキ151、152)の順に熱が伝導して、好適に半田150は溶融する。半田150が溶融している間も常に、縮径部材130は、接続部分の全周に亘って、超電導テープ113を全面的に円筒部121の外面に押し付ける。これにより、半田150による層を、複数の超電導テープ113と円筒部121との接続部分の外周に亘って薄くでき、接続部分の層を、外周に亘って均一に薄くできる。
また、超電導テープ113と筒状電極120の内周面との間の距離が均一となる。これにより、超電導テープ113と筒状電極120との接続抵抗を低く抑えることが可能で、接続部分におけるジュール熱の発生を低減でき、さらに、ばらつくことがないため偏流が起きにくく、超電導ケーブル110に通電できる電流容量は低下することがない。
例えば、超電導ケーブル110の超電導テープ113を1本ずつ筒状電極120にはんだ付けを行う作業と異なり、互いの接続部分の接続抵抗値が作業によって大きくばらつくことがない。
このように、複数の超電導テープ113と筒状電極120とを半田150を介して、容易に直接接続して、確実で好適な通電容量を確保できる。
なお、本実施の形態の端末構造体100では、縮径部材130を、図5に示すように、テープ状の熱伝導性を有するバネ材をロール状に巻回し、且つ、ロールの軸方向にスパイラル状で延在させた形状としたが、縮径する構成であれば、これに限らない。
縮径部材130は、筒状電極120の円筒部121に対して螺旋状に巻き付けられた形状をなすが、円筒部121に対して、長尺のバネ材を直角に巻いた形状で構成されてもよい。
例えば、図8に示す縮径部材230のように、テープ状の熱伝導性を有するバネ材をロール状で、複層となるように巻回して構成してもよい。
図9は、図8に示す縮径部材230を適用した超電導ケーブルの端末構造体の変形例の概略構成を示す外観図であり、図10は同変形例の要部構成を示す概略断面図である。
図9に示す端末構造体100Aにおいて、縮径部材230以外の構成要素は、端末構造体100の構成要素と同様であるため、説明を省略する。
図9に示す端末構造体100Aは、超電導ケーブル110と、筒状の引出用電極(筒状電極)120と、縮径部材230と、を有する。
端末構造体100Aでは、図10に示すように、筒状電極120内に、芯材111、押えテープ112を挿入されている。また、筒状電極120の円筒部121の外面には、複数の超電導テープ113の端部113aを周方向で重ならないように、位置決めテープ160、固定用補助テープ170を介して保持されている。
これら端部113aの外周に、縮径部材130と同様の機能を有する縮径部材230が配置されている。ここでは、超電導テープ113の端部113aと円筒部121の外面との接続部分の軸方向での両端部をそれぞれ囲むことで覆うように、2つの縮径部材230、230が配置されている。縮径部材230は、熱伝導性を有する縮径可能な筒状である。
すなわち、接続部分では、2つの縮径部材230、230の縮径作用により、超電導テープ113の外周側から、超電導テープ113を筒状電極120の円筒部121側に押圧した状態で、半田150を介して電気的に接続されている。
この構成によれば、端末構造体100と同様の効果を得ることができる。また、端末構造体100Aの製造方法は、端末構造体100と同様であり、端末構造体100の製造方法における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
また、上記実施の形態の端末構造体100において、超電導テープ113は、位置決めテープ160及び固定用補助テープ170を介して筒状電極120に対して位置決め固定される構成としたが、位置決めテープ160及び固定用補助テープ170を用いなくてもよい。すなわち、上記端末構造体100において、筒状電極120上に半田150を介して超電導テープ113を配置した接続部分に対して、超電導テープ113上に縮径部材130を直接被せて縮径させた構成としてもよい。
なお、本実施の形態では、縮径部材130、230は、図5、図9に示すように、テープ状の熱伝導性を有するバネ材をロール状に巻回したものとしたが、これに限らず、線状材で形成されたコイルとしてもよい。
また、超電導テープの層数が2層以上の場合、層数と同じ数の筒状電極120に、超電導ケーブル110を通して挿入し、筒状電極には、超電導ケーブルの端末側に向かって、超電導ケーブルの内層の超電導テープを順に接続する構成となる。
すなわち、超電導ケーブル110の超電導テープのうち、最外周側に設けられた超電導テープは、最も終端側から遠くに設けられた筒状電極120の外面に半田150によって接続される。最外周から2番目の層を構成する超電導テープは、最も終端側から遠くに設けられた筒状電極120の次に終端側に位置する筒状電極120の外面に半田150によって接続される。つまり、終端側に向かって超電導ケーブル110を順次複数の筒状電極を貫通させつつ、終端側に向かって外周側の超電導テープから順に1つずつ筒状電極の外面に接続される構成となる。
<実施例1>
端末構造体100を、芯材に厚さ0.12[mm]×幅5[mm]の超電導線材(以下、「YBCO線材」という)を12本巻き付けた超電導ケーブルと、筒状電極と、縮径部材であるロールスプリングとを用いて製造した。筒状電極(端子)は、銅で作製した外径30[mm]の円筒状をなす。筒状電極の表面に半田メッキを施し、この半田メッキを介してYBCO線材を配置し、これらYBCO線材を、位置決めテープとしての銅箔及び固定用補助テープとしてのポリイミドテープを用いて位置決めして保持した。その上から、ステンレスのロールスプリングを筒状電極に対して直角に巻き付けて固定した。すなわち、実施例1は、筒状電極、半田、超電導線材、銅箔+ポリイミドテープ、ロールスプリングを備える。そして、接続部分をヒータで加熱して(加熱工程)、半田接続して、半田接続した端末構造体を、液体窒素中(@77K)に浸漬した状態で各YBCO線材と筒状電極との接続抵抗を、直流4端子法で測定した。
端末構造体100を、芯材に厚さ0.12[mm]×幅5[mm]の超電導線材(以下、「YBCO線材」という)を12本巻き付けた超電導ケーブルと、筒状電極と、縮径部材であるロールスプリングとを用いて製造した。筒状電極(端子)は、銅で作製した外径30[mm]の円筒状をなす。筒状電極の表面に半田メッキを施し、この半田メッキを介してYBCO線材を配置し、これらYBCO線材を、位置決めテープとしての銅箔及び固定用補助テープとしてのポリイミドテープを用いて位置決めして保持した。その上から、ステンレスのロールスプリングを筒状電極に対して直角に巻き付けて固定した。すなわち、実施例1は、筒状電極、半田、超電導線材、銅箔+ポリイミドテープ、ロールスプリングを備える。そして、接続部分をヒータで加熱して(加熱工程)、半田接続して、半田接続した端末構造体を、液体窒素中(@77K)に浸漬した状態で各YBCO線材と筒状電極との接続抵抗を、直流4端子法で測定した。
<実施例2>
実施例1の端末構造体において、位置決めテープとしての銅箔及び固定用補助テープとしてのポリイミドテープを用いずに、ロールスプリングで、YBCO線材と筒状電極とを固定した構成とした。すなわち、実施例2は、筒状電極、半田、超電導線材、ロールスプリングを備える。そして、実施例1と同様に、接続部分をヒータで加熱して(加熱工程)、半田接続した後、実施例1と同様に、各YBCO線材と筒状電極との接続抵抗を、直流4端子法で測定した。
実施例1の端末構造体において、位置決めテープとしての銅箔及び固定用補助テープとしてのポリイミドテープを用いずに、ロールスプリングで、YBCO線材と筒状電極とを固定した構成とした。すなわち、実施例2は、筒状電極、半田、超電導線材、ロールスプリングを備える。そして、実施例1と同様に、接続部分をヒータで加熱して(加熱工程)、半田接続した後、実施例1と同様に、各YBCO線材と筒状電極との接続抵抗を、直流4端子法で測定した。
<比較例1>
実施例1の端末構造体においてロールスプリングを用いない構成の端末構造体を、YBCO線材を1本ずつ、筒状電極に半田接続して製造した。そして、実施例1と同様に、接続部分をヒータで加熱して(加熱工程)、半田接続した後、実施例1と同様に、各YBCO線材と筒状電極との接続抵抗を、直流4端子法で測定した。
実施例1の端末構造体においてロールスプリングを用いない構成の端末構造体を、YBCO線材を1本ずつ、筒状電極に半田接続して製造した。そして、実施例1と同様に、接続部分をヒータで加熱して(加熱工程)、半田接続した後、実施例1と同様に、各YBCO線材と筒状電極との接続抵抗を、直流4端子法で測定した。
表1~3から判るように、比較例1としてのロールスプリング無しの端末構造体におけるYBCO線材と電極との接続部分の接触抵抗値は、5~8[μΩ](@77K、液体窒素中)であった。これに対し、ロールスプリングを備える実施例1、実施例2の端末構造体におけるYBCO線材と電極との接続部分の接触抵抗は、0.1~0.27であり、比較例と比較して、数十分の1(平均の比較では約1/30)であり、ばらつきも小さいことがわかった。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
2013年12月18日出願の特願2013-261538の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本発明に係る超電導ケーブルの端末構造体の製造方法及び超電導ケーブルの端末構造体は、複数の超電導線材と端子とを半田を介して容易に直接接続して、確実で好適な通電容量を確保する効果を有し、多層構造の超電導線材を有する超電導線材の端末構造体として有用である。
100、100A 超電導ケーブルの端末構造体
110 超電導ケーブル
111 芯材
112 押えテープ
113 超電導テープ(超電導線材)
113a 超電導テープの端部
120 筒状電極
121 円筒部
122 テーパー部
130、230 縮径部材
140 リードケーブル
150 半田
151、152 半田メッキ
160 位置決めテープ(テープ材)
170 固定用補助テープ(補助テープ)
110 超電導ケーブル
111 芯材
112 押えテープ
113 超電導テープ(超電導線材)
113a 超電導テープの端部
120 筒状電極
121 円筒部
122 テーパー部
130、230 縮径部材
140 リードケーブル
150 半田
151、152 半田メッキ
160 位置決めテープ(テープ材)
170 固定用補助テープ(補助テープ)
Claims (7)
- 芯材の周囲に同心円状に複数巻き付けた超電導線材を有する超電導ケーブルと、前記超電導線材が終端接続される電極とを備える超電導ケーブル端末構造体の製造方法であって、
前記超電導線材の端部及び前記超電導線材の端部が接続される電極の少なくとも一方に半田メッキを施す半田塗布工程と、
前記電極に、前記超電導線材の端部を、前記半田メッキを介して重ねて配置して接続部を形成する配置工程と、
熱伝導性を有する縮径可能な筒状の縮径部材を、前記超電導線材の端部の外周側から前記接続部を覆うように配置し、前記縮径部材の縮径により、前記超電導線材を前記電極に押圧して固定する縮径部材取付工程と、
前記縮径部材により覆われる前記接続部を加熱して、前記半田メッキを溶融する加熱工程と、
を有する、
超電導ケーブル端末構造体の製造方法。 - 前記配置工程の後で、且つ、前記縮径部材取付工程の前に、熱伝導性を有するテープ材を、前記接続部を形成する前記超電導線材の周囲に巻き付けて、前記超電導線材を位置決め固定する位置決め固定工程を更に有する、
請求項1記載の超電導ケーブル端末構造体の製造方法。 - 前記テープ材は、銅箔である、
請求項2記載の超電導ケーブル端末構造体の製造方法。 - 前記位置決め固定工程において、前記超電導線材に巻き付けた前記テープ材は、耐熱性を有する補助テープで固定する、
請求項3記載の超電導ケーブルの端末構造体の製造方法。 - 芯材の周囲に同心円状に複数巻き付けた超電導線材を有する超電導ケーブルと、前記超電導線材が終端接続される電極とを備える超電導ケーブルの端末構造体であって、
前記超電導線材の端部と前記電極とを半田を介して接続して構成される接続部と、
熱伝導性を有する縮径可能な筒状であり、且つ、前記超電導線材の端部の外周側に前記接続部を覆うように配置され、縮径して前記超電導線材を前記電極に押圧する縮径部材と、
を有する、
超電導ケーブルの端末構造体。 - 前記接続部は、前記超電導線材の端部を前記電極に位置決め固定し、且つ、熱伝導性を有するテープ材と、
前記テープ材を固定する補助テープと、
を有する、
請求項5記載の超電導ケーブルの端末構造体。 - 前記テープ材は、銅箔であり、補助テープはポリイミドテープである、
請求項6記載の超電導ケーブルの端末構造体。
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