JPH03152884A - 超電導線及びその接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導ファインマルチ線同士を接合し、且つ、
近接接続を得るのに好適な超電導線及びその接合方法、
更にその超電導線を備えた磁気浮１−列車その他の装置
に関する。

〔従来の技術〕

接続用超電導線は、多数の金属超電導素線を銅（Ｃυ）
やアルミニウム（Ａｌｌ）のような安定化材料中に埋設
し、所望の外径まで伸線加工を施した超伝導ファインマ
ルチ線が使用されている。

このような超電導ファインマルチ線の接続には、従来特
開昭５０−９２６９８号公報に記載のように超電導線の
端部をオーバーラツプさせ、Ｉ　ｎはんだ等により固定
する方法が採られている。この方法では常電導層を介し
て電気的な接続が行われるため、永久電流を目標とする
直流磁石等に使用した場合、時間と共に電流が減少して
いくという欠点があった。また特開昭５１．−４．８２
９５号公報に記載のように安定化材を薬品で除去して超
電導線を露出させ、その超電素線同士を重ね合せてそれ
をよじり、その後に安定化材のスリーブを挿入した中に
はんだを注入して重ね合せ部分の超電３ 導素線を固定化する方法が提案されている。しかしこの
方法は超電素線士をからみ合せて接続するものであり、
からみ合せたけでは、一般に超電導線の表面には酸素と
の反応生成物が介在するので永久電流を目標とする接続
には電流が減少していくという難点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

−Ｆ記従来技術は金属超電導素線表面の清浄化について
考慮されておらず、そのため、真の金属超電導素線同士
の直接接続が達成されず、それに伴う永久的な電気特性
にも問題があった。つまり、超電導素線同士の近接効果
を持たらす接続路は至っていなかった。

また、安定化材を薬品で除去し金属超電導素線を露出さ
せた後、水洗等で薬品を洗い落としても、金属超電導素
線の表面には酸素との反応生成物が存在し、上記近接効
果は充分でない問題があった。

本発明の１」的はこの様な近接効果の高い接続を行うこ
とにより、永久的な電気特性を有し、信頼性の高い超電
導線及びその接合方法並びに電磁石４ さら１こはそれを備えた磁気浮上列車等の装置を提供す
ることにある。

ここで、発明の経違を簡ｔ１ｔに説明すると、前記の如
く露出された金属超電導素線の表面には酸素との反応生
成物である酸化膜が存在する。そこでこの表面の生成物
を接合中に取り除くことができるならば、金属超電導素
線同士が１（の近接効果を有する接続を達成される。そ
こで金ｐ（超電素線表面の酸化物の除去法について種々
検討したところ、例えば、Ｎｂ−Ｔｉ系、Ｎｂ、Ｓｎ等
の金属超電導素線材に対して後述するろう材を用いると
良いことが分った。ろう材は酸素と結合力の強いＰ元素
等の還元材を含有するものが良好で、単体ではその効果
は少なくＰ元素等の入った金属合金とし、５００〜８０
０℃で溶融する材料が適していることを見い出した。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明に係る川伝心線は、安
定化材料中に複数の金属超電導素線が埋設されている各
単位超電導線の端部で露出された金属超電導素子線同士
が接続されて成る超電導線において、前記接続部分の金
属超電導素線は表面の酸化膜が除去された状態でろう材
がその周囲に充填されて互いに密着しており、そのろう
材の周囲に外装部材が被設されているものである。ここ
で、単位超電導線はコイル部分を有するものであっても
よいし、単に線状のものであってもよい。

線状のものを接合すれば長尺な電線となる。

また、本発明に係る超電導線の接合力法は、安定化材料
中に複数の金属超電導素線が埋設されている各単位超電
導線の端部で露出された金属超電導素線を互いに重ね合
わせる工程と、その重ね合せ部分にろう材及び外装部材
を包設する工程と、外装部材を圧縮することと、その温
度を上げて前記ろう材中に添加されている還元材で金属
超電導素線の表面に生成している酸化膜を除去すること
を行なって、前記重ね合せ部分の金属超電導素線をその
表面の酸化膜を除去した状態でろう材をその周囲に充填
させて互いに密着させる工程と、を含むものである。こ
こで、還元材が温度上昇によってガス化され、そのガス
によって前記酸化膜を除去する方法がよい。また、ろう
材は還元材としフラックス作用を有するもの、又は超電
導線又は安定化材の酸化より協力な酸化物を形成する元
素が用いられ、Ｐ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、　１−ｉ、Ｈ「
。

Ｚｒの少なくとも１種以りの材料からなり、Ｆ’１００
８００℃の溶融温度を有する材料であるものがよい。こ
こで、還元剤が添加されるろう材のＲ材としてＣＩＪ、
Ａｇ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｎｉ、８１１．ＡＩＪ等が挙げられ
る。また、外装部材の一面にろう材が積層されて一体化
され、その一体止された部材をろう材を内側として金属
超電導素線を包設し、その後加圧され、温度］ユ昇され
るものがよい。また、ろう材の温度り昇は通電加熱又は
超音波発振により行なうものがよい。

ここで、還元剤としては特にＰが良好で、下記の還元反
応により表面の酸化膜が除去される。

４Ｐ＋５ＴｉＯ２→２　Ｐ２Ｏ５＋　５　Ｔ　ｊ　　・
・・（１）尚、」−記反応式は金属超電導素線がＮ　ｂ
　−”ｌ’　ｉ系の場合のＴｉの酸化物に対するＰの反
応を示したが、通常、金属超電導素線の周囲にある安定
化材料を除去して該金属超電導素線を露出させると前記
安定化材料が金属超電導素線の表面に酸化物となって被
着すると言われている。本発明の還元剤はこのような酸
化物に対しても、それを還元する作用をする。安定化材
料がＣｕの場合、その酸化物に対するＰの還元反応は以
下のようなものである。

２Ｐ＋５Ｃｕ２０−＋Ｐ２Ｏ５＋　１０（：ｕ　　−・
・（２）２Ｃｕ３Ｐ＋５Ｃｕ２０−＋Ｐ２Ｏ５＋１６Ｃ
ｕ　　−（３）尚、露出した金属超電導素線同士を重ね
合せたものを、他方の予めろう材を積層配置した外装部
材で包み、第１段目の通電により外装部材間を通電し前
記ろう材を一部溶融させて溶融中に還元材元素のガス化
を図り、金属超電導素線の表面を還元して清浄化し、そ
の後の第２段目の通電により加熱、加圧を付与すること
により金属超電導素線同士が密着して接続されると同時
に、ろう材の残部が溶融して接続された該金属超電導素
線の周囲に流動し、端子の空間部分をろう材により充填
させて固定されるものがよい。

その外装部材は該安定化材料に用いたものと回し成分の
例えばＣｕやへ〇笠であり、これらは超電導線を包みこ
み易いようにＵ字形状、円筒状、楕円状、角状等のもの
がよい。

また、本発明に係る電磁石は、コアの周りに超電導線の
コイルが巻かれている電磁石において。

前記コイルは前記接合部分を有する超電導線よりなるも
のである。この電磁石は後述する磁気浮−１−列車やＭ
ＲＩに用いられるものの他に磁気閉じ込め型の核融合装
置等に用いられるものも含まれる。

また、本発明に係る磁気浮止列車は、車体と、この車体
下部に設けられている超電導磁石と、ガイドウェイに設
けられた浮上用コイル及び推進案内用コイルと、を備え
た磁気浮上列車において、前記超電導磁石の構成部材で
ある超電導線は前記の超電導線よりなるものである。

また、本発明に係る核磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）
自己シールドと、この自己シールド内に配設された第１
シールド及び第２シール１〜と、この第１及び第２シー
ルドを囲う真空遮断槽と、前記第１シールドと第２シー
ルド間に設けられた液体ヘリウム槽と、この液体ヘリウ
ム槽内に配設された超電導磁石と、を備えた核磁気共鳴
画像診断装置において、前記超電導磁石の構成部月であ
る超電導線は前記の超電導線よりなるものである。

〔作用〕

本発明に係る超電導線の接合部分は、金属超電導素線表
面の酸化膜が除去されて、直接に互いに重ね合わされて
いると共に、ろう材が充填されて密に接続されているた
め、近接効果が充分に得られ、超電導線としての特性の
低下を防止できる。

そして、充填されるろう材に予めＰ等の還元材を添加し
ておくことにより、その接合工程時の加圧、加熱等によ
り金属超電導素線の表面の酸化膜を除去しつつ、その充
填を行なえ、近接効果の充分得られる接合状態を容易に
達成できる。

接合するための装置として抵抗溶接機を用いるのが望ま
しい。それは加熱と加圧が同時にでき、しかも短時間で
接合ができることによる。そしてほとんどは大気中で接
合されるため、接合時間は短かければ短い程、酸素との
反応が少ないため良好な接合部が得られる。

また、抵抗溶接機は本発明の目的を達成するために二段
加熱・加圧方式を採用することが好ましい。つまり、最
初の一段１１はろう材の−・部を溶融させ、金属超電導
素線表面の酸化被膜を除去し、加圧による金属超電導素
線同士の接触作用をするものであり、その後続いて二段
目で残りのろう材を溶融させ金属超電導素線表面の酸化
被膜を押し出して該金属超電導素線の周囲に流動して覆
い、また外装部材の重なった部分同士がろう材により金
属的に接合されるものである。

この時に使用するろう材は蒸気圧が高く、なお且つ酸素
との親和力の強い元素を還元材として含有していること
が必要である。と言うのは硝酸等で安定化材を除去し、
水洗した後にはＮ　ｂ　−’Ｔ’　ｉ等の金属超電導素
線の表面は酸素と結合した酸化被膜が存在する。この酸
化被膜を除去するには加熱をして表面の活性化を図り、
同時にそこへ酸素１ ２ との親和力が強い元素が供給されれば必然的に金属超電
導素線表面の酸化被膜は除去されることになる。

その作用の顕著なのが■）である。ＰはｒＢ体では不安
定なので、他の元素と合金化して供給する方法が一般的
である。すなわち、Ｐと合金化するものとしてＣｕ、Ａ
ｇ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ。

Ｃｄ及びＡｕ等を用いる。またこれらの合金は溶融温度
が低い方が望ましいが、必要条件としてＰの活性作用が
なければならない。そのためには５００℃〜８００℃に
加熱する必要がある。その合金は例えば安定化材として
Ｃｕを用いた場合、１５％Ａｇ、３．５％Ｐ、９．５％
Ｓｎ、０．５％Ａｕ、残Ｃｕ（溶融温度：約６００℃）
のもの、８．４％Ｐ、残Ｃｕ（溶融温度７１５℃）のも
の、１５％Ａｇ、５％Ｐ、残Ｃｕ（溶融温度約７００℃
）のもの等が良好であり、また安定化材としてＡＱを用
いた場合は１０％Ｓｉ、０．１％Ｐ、残ＡＱ、（溶融温
度約５７０℃）などの成分のものが適用される。

一方、外装部材の材料は超電導線を包んでいる安定化材
と同一のものが好ましく、ＣｕやＡＱが適用され、形状
はＵ形状、円どう状等超電導線を包み込みなお且つかし
められる形状が良い。その接合面に配置するろう材は上
記のＰ入り合金を一般的な方法で配置する。すなわち、
粉末をペースト状にして塗布する。溶射による吹付、ま
たは箔をくるませるか、もしくは接合端子に予めクラッ
ドさせておく等積々の方法が適用可能である。そしてそ
のろう材の厚みは必要最小限が良＜　、１０〜５０μｍ
厚程度が適用される。

上記接合部を有する超電導線で形成された電磁石は、超
電導磁石としてのメリッ１〜が充分に得られ、また、磁
気浮上列車やＭＲＩにおいても、より安定して性能を維
持できる。

〔実施例〕

以下、本発明の超電導線及びその接合方法について詳細
に説明する。

基本的な接合方法を第１図に示す。通電抵抗加熱及び加
圧接合装置と被接合材の超電導線を組合せたものである
。すなわち、超電導線１は第２図に示すようにＮｂ−Ｔ
ｉ系の金属超電導素線２とＣｕよりなる安定化材３から
なっている。この超電導線１の接合部となる端部を６０
％ＨＮＯ３に浸漬し、その部分の安定化材３を除去した
。露出した金属超電導素線４及び５を重ね合せ、Ｕ形状
の外装部材６の中に設置する。この外装部材６の接合面
にはＰ入り合金よりなるろう材７が配置されている。こ
の接合継手を通電抵抗加熱及び加圧装置の電極８間に設
置する。そしてこの電極８間に通電して加熱するもので
ある。

第３図乃至第５図にＵ形状の外装部材６を用いた接合過
程を示す。第３図（ａ）は組立て状態を示したもので通
電の電極は省略しである。本実施例では金属超電導素線
４及び５は４本で示した。

この超電導素線のまわりには酸化被膜９が形成されてい
る。重ね合ったこれらの線４，５を外装部材６内に装填
する。外装部材６の内側（接合面）にはろう材７を予め
付着させておく。この場合加圧力Ｐａ及び通電電流Ｉａ
は第３図（ｂ）に示すように零である。

第４図（ａ）は第一段の通電加熱、加圧状態を示したも
のである。まず外装部材６が加圧ｐｂされ、それに伴い
全体の密着性が増して電流１ｂが流れ、外装部材６が加
熱される（第４図（＋）））。

それに伴いろう材７が一部溶融し、りんの蒸気が発生し
近接する金属超電導素線４及び５の酸化被膜を還元して
除去する。いわゆる清浄面が露出する。１２は除去され
た物を示す。その時同時に金属超電導素線４，５同士の
接続が一部進む。

第５図（ａ）は第二段の通電加熱、加圧状態を示したも
のである。第５図（ｂ）に示すように加圧Ｐｃにより金
属超電導素線４と５の接続が十分に行われ、そして加熱
電流１　ｃによりろう材７が十分に溶融して、除去され
た超電導素線表面の酸化被膜１２を押出しながら、その
まわりに充填される。同時にＰｃの加圧により外装部材
６の」、下がろう材７を介して金属的に接合される３、
また接続した超電導素線４，５の空隙部分がろう材７で
充填される。この場合の二段目の方が加圧力並び１５ に通電電流とも一段目より幾分高い条件が接続状態をよ
り向上させる。このような二段加熱加圧方式により金属
超電導素線同士が近接効果髪有し、金属的に固定された
状態が得られ、永久電流が達成される。

〈実施例１〉 超電導線１に直径１．０ｍｍのものを選んだ。その断面
には金属超電導素線２（直径５０μｍ）が４０本安定化
銅３中に埋込まれている。外装部材６に無酸素ＣｕのＵ
形状のものを、その内側のろう材７に１５％Ａｇ、３．
５％Ｐ、９．５％Ｓｎ、０．５％Ａｕ、残Ｃｕ（溶融温
度：約６００°Ｃ）のもので約４０μｍ厚の箔を用いた
。接合部分の金属超電導素線を露出させるために硝酸で
その部分の安定化銅を除去し、水洗した。接続は抵抗溶
接機を用い、第１段目は３０サイクルで加圧荷重を３５
ｋｇｆ、通電電流を１　、６　Ｋ　Ａで行い、第２段目
は６サイクルで加圧荷重を４．０ｋｇｆ、通電電流を２
．ＯＫ八で行なった。なお、電極はＭｏ材を用いた。

１６− 〈実施例２〉 超電導線１、外装部材６は実施例１と同じ材料を用い、
金属超電導素線の露出法も同様に処理した。外装部材６
の接合面に配置したろう材７に８．４％Ｐ、残Ｃｕ（溶
融温度７１５℃）のもので約４０μｍ厚の箔を用い、通
電加熱、加圧による抵抗溶接機を用いて接合した。接続
条件は実施例１と同様で行った。

〈実施例３〉 超電導線１、外装部材６は実施例１と同じ材料を用い、
金属超電導素線の露出法も同様に処理し７た。ろう材７
に１５％Ａｇ、５％Ｐ、残Ｃｕ（Ｗ４融温度約７００℃
）のものを用い、それを外装部材６の接合面にクラッド
した。クラッド厚は約４０μｍである。接合は同様に通
電加熱、加圧による抵抗溶接機登用いて前記条件で行っ
た。

〈比較例１〉 実施例１と同じ超電導線Ｊを重ね代２０ｍＩＩ＋とり。

Ｉｎはんだを用いて２００℃で安定化銅同士をはんだ付
けした。

〈比較例２〉 実施例１と同じ超電導線１を硝酸で安定化銅を除去し、
館山した超電導素線をよじり、その後にＣｕの安定化材
のスリーブを挿入した中に２３０℃に加熱したＰｂ−８
ｎはんだを注入して固定化させた。

以上の実施例及び比較例で接合、接続した接合体につい
て液体Ｈｅ中で磁界と電流の関係を４１！Ｉ定した。そ
の結果を第６図に示す。ａｌｌｌ定はホルダーをＵ型と
し、電圧端子間距離を３０ｍｍで測定した。

第６図かられかるように本発明の実施例１，２及び３で
作製した超電導線は温度約○Ｔでは４８０Ａ〜６２５Ａ
の範囲にあり、磁界の増加に伴い電流値も低下するが、
これは超電導線自身特有のもので、接続による減少では
ない。−・方比較例１の超電導線は非常に悪い値であり
、比較例２は比較例１より良いが本発明と比較すると一
段と劣る。

これらの比較例は明らかに接続部の影響による減少であ
る。これらの結果から本発明の超電導線が著しく優れて
いることが分る。

また接合部の断面部を１察したところ、本発明のものは
金属超電導素線同士が近接されて良好に接続され、その
まわりにＰ入り合金よりなるろう材が埋まり、更にそれ
をかこんで銅の安定化材同士が接合されていた。

その他外装部材にはアルミニウム等も適用可能であり、
また、ろう材としては１゛１入り合金、Ｈｆ及びＺｒ入
り合金やＭｇ入り合金等も適用できる。また接合装置と
して通電抵抗加熱、加圧装置の代わりに、超音波湾接機
等を用いても本発明の接合は達成できる。また、接合時
間は短い程超電導線を損なわないので、液体Ｎ２等の零
１・温度の雰囲気で接合すると更に好ましい継手が得ら
れることを確認している。

接合部の形状は第７図に示すようなスリーブ状の外装部
材６の中に同方向から超電導線１，１′を接続する方法
でもよいし、第８図に示すように更に充填超電導線１０
を設けて、その充填金属超電導素線］］を介在させても
よい。

第９図は、本発明に係る電磁石を備えた磁気浮１９ ０ 上列型の概略断面図を示す。車体の下部に配設された超
電導電磁石１３は磁性のコア部と、そのまわりに巻かれ
た超電導線より成るコイルとからなる（図示せず）。こ
のコイルに本発明に係る接合部分を有する超電導線が用
いられている。また、第１０図は本発明に係るＭＲＩの
要部概略断面図を示す。液体ヘリウム槽１４の中に図示
しない超電導磁石が配設されており、その構成要素であ
る超電導線に本発明に係る前記構成の超電導線が用いら
れている。これら磁気浮上列車及びＭＲＩのいずれも、
安定した性能が得られる。

〔発明の効果〕

本発明に係る超電導線によれば、その接合部が近接効果
の充分得られる構造であるため、抵抗零の超電導線の特
性を効率良く得ることができる。

本発明に係る接合方法によれば、上記近接効果の充分得
られる超電導線を簡単に得ることができる。

本発明に係る電磁石、磁気浮上列車及びＭＴ−？、Ｉは
上記超電導線を用いたことにより安定した性能を長期間
にわたり得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る接合方法を説明する装置６の要部
断面図、第２図は超電導線の斜視図、第３図（ａ）、（
ｂ）乃至第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の接合工程の説
明図、第６図は超電導線の磁界と電流との関係図、第７
図及び第８図はそれぞれ本発明の異なる実施例を示す要
部断面図、第９図は本発明に係る磁気浮上列車の概略曲
面図、第［０図は本発明に係るＭＲＩの要部断面図を示
す。 ］・・・超電導線、２，４．．５・・・金属超電導素線
、３・・・安定化材、６・・・外装部材、７・・・ろう
材、９・・・酸化膜、１３・・・超電導磁石。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、安定化材料中に複数の金属超電導素線が埋設されて
   いる各単位超電導線の端部で露出された金属超電導素子
   線同士が接続されて成る超電導線において、前記接続部
   分の金属超電導素線は表面の酸化膜が除去された状態で
   ろう材がその周囲に充填されて互いに密着しており、そ
   のろう材の周囲に外装部材が被設されていることを特徴
   とする超電導線。 ２、安定化材料中に複数の金属超電導素線が埋設されて
   いる各単位超電導線の端部で露出された金属超電導素線
   を互いに重ね合わせる工程と、その重ね合せ部分に還元
   材を含むろう材及び外装部材を包設する工程と、外装部
   材を圧縮する工程と、該外装部材を加熱して前記ろう材
   中の還元材によって金属超電導素線の表面に生成してい
   る酸化膜を除去するとともに前記ろう材を前記超電導線
   間に充填させて互いに接合させる工程と、を含む超電導
   線の接合方法。 ３、請求項２において、還元材が温度上昇によってガス
   化され、そのガスによって前記酸化膜を除去する超電導
   線の接合方法。 ４、請求項２又は３において、ろう材は還元材としてＰ
   、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒの少なくとも１
   種以上の材料からなり、５００〜８００℃の溶融温度を
   有する材料である超電導線の接合方法。 ５、請求項２〜４のいずれかにおいて、外装部材の一面
   にろう材が積層されて一体化され、その一体化された部
   材をろう材を内側として金属超電導素線を包設し、その
   後加圧され、温度上昇される超電導線の接合方法。 ６、請求項２〜５のいずれかにおいて、ろう材の温度上
   昇は通電加熱又は超音波発振により行なう超電導線の接
   合方法。 ７、コアの周りに超電導線のコイルが巻かれている電磁
   石において、前記コイルは請求項１に記載の超電導線で
   あることを特徴とする電磁石。 ８、車体と、この車体下部に設けられている超電導磁石
   と、ガイドウェイに設けられた浮上用コイル及び推進案
   内用コイルと、を備えた磁気浮上列車において、前記超
   電導磁石の構成部材である超電導線は請求項１に記載の
   超電導線であることを特徴とする磁気浮上列車。 ９、自己シールドと、この自己シールド内に配設された
   第１シールド及び第２シールドと、この第１及び第２シ
   ールドを囲う真空遮断槽と、前記第１シールドと第２シ
   ールド間に設けられた液体ヘリウム槽と、この液体ヘリ
   ウム槽内に配設された超電導磁石と、を備えた核磁気共
   鳴画像診断装置において、前記超電導磁石の構成部材で
   ある超電導線は請求項１に記載の超電導線であることを
   特徴とする核磁気共鳴画像診断装置。