JPH0695469B2 - 超電導線の接続方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、核融合トロイダルマグネット、粒子加速器用
マグネット、超電導発電器用マグネット等に利用される
超電導線の接続構造に関するものである。

「従来の技術」 超電導線の接続方法の一従来として第５図と第６図に示
す接続方法が知られている。

第５図と第６図に示す従来の接続方法は、接続すべき超
電導線1,1どうしの端部を突き合わせ、この突き合わせ
部分の周囲に、超電導線1,1に当接するように短尺の複
数の接続用超電導線２を配置し、複数の接続用超電導線
２によって超電導線1,1の端部を囲んだ状態でこれらの
周囲に金属系接着剤３を充填して固着する方法である。

また、超電導線の接続方法の他の従来例として第７図と
第８図に示す方法が知られている。

第７図と第８図に示す接続方法は、銅からなる安定化材
５の内部に超電導フィラメント６を配してなる超電導線
７を接続するに際し、超電導線７の端部の安定化材５を
所要長さ除去して超電導フィラメント６を露出させ、露
出させた超電導フィラメント６どうしを編み合わせ、あ
るいは結び付けた後に、その外周を銅管（あるいは銅
板）８で覆い、銅板の周囲あるいは銅管の内部に金属系
接着剤を充填して接続する方法である。

「発明が解決しようとする問題点」 第５図と第６図を基に説明した従来の接続方法にあって
は、合金系超電導線と化合物系超電導線のいずれにも適
用可能ではあるが、接続される超電導線の超電導導体ど
うしが完全に金属結合されているわけではなく、金属系
接着剤３を介して接続されているために、発熱を生じる
問題がある。この発熱を少なくするには、接続用超電導
線２をできる限り長くして接触抵抗を少なくすることが
必要となるが、これでは材料コストが上昇し、接合作業
も時間がかかる問題があった。

一方、第７図と第８図を基に説明した従来方法にあって
は、超電導フィラメント６を露出させたり、編み組みす
る作業を行う必要があるために、超電導フィラメントの
加工が可能な合金系超電導線には適用可能ではあるもの
の、熱処理後の超電導フィラメントが脆く、その加工が
困難な化合物系超電導線の接続には適用できない問題が
ある。また、加工可能な超電導フィラメントを有する合
金系超電導線を接続する場合、超電導フィラメント６を
編み付けた後に、銅管８で編み付け部分を覆うのである
が、超電導線７と銅管８との間に隙間を生じるために露
出した超電導フィラメント６を完全に被覆することは困
難な問題がある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、従来の接
続方法より簡単に超電導線を接続することができ、接続
部での発熱が少なく、超電導特性の劣化も生じないとと
もに、化合物系超電導線どうし、あるいは、合金系超電
導線どうしを従来より安価に接続できる方法の提供を目
的とする。

「問題点を解決するための手段」 本発明は、前記問題点を解決するために、熱処理を施す
ことにより超電導繊維となる超電導繊維素材を基地の内
部に形成してなる１つ以上の基材から構成される環状の
ジョイントコネクタを用い、接続する両超電導線の端部
を突き合わせてジョイントコネクタで覆い、超電導線の
端部の外周面をジョイントコネクタの内周面に密着させ
て超電導線どうしを接続するものである。

「作用」 環状のジョイントコネクタに超電導線の端部を挿入し、
ジョイントコネクタの内面全部を超電導線の端部に接触
させて超電導線を接続することにより、接続部の接触面
積を従来より大きくして接続部での発熱を少なくする。
接続部の接触面積を従来より増加できるために接続部を
従来より短くすることができ、低コスト化が可能にな
る。また、ジョイントコネクタに熱処理を施すことによ
り生成される超電導繊維が両超電導線に接触してこれら
を接続し、発熱を起こすことなく超電導線を接続する。

「実施例」 第１図と第２図は、本発明の一実施例を説明するための
もので、第１図に示す超電導線10は、熱処理を施すこと
によって超電導繊維となる超電導繊維素材11を銅等から
なる安定化材12の内部に多数配してなる構造を有してい
る。なお、本実施例において用いられる超電導線10は、
銅からなる基地の内部にNb繊維を分散配合した構造のも
ので、所要成分のCu-Nb合金を溶製して製造されたイン
サイチュロッドに線引き加工を施すインサイチュ法を用
いて製造されたものである。なお、本実施例の超電導線
10は、後述するようにSnメッキを施し、更に拡散熱処理
を施してSnを拡散することにより内部にNb₃Sn超電導繊
維を形成し、超電導線として完成されるものである。

前記超電導線10,10を接続するには、超電導線10の直径
より若干大きな内径を有する管状のジョイントコネクタ
13に超電導線10,10の端部を挿入し、ジョイントコネク
タ13の内周面を超電導線10,10の端部外周面に当接させ
る。次に、圧着治具を用いてジョイントコネクタ13を超
電導線10に押し付け、ジョイントコネクタ13を超電導線
10,10の端部に圧着する。

前記ジョイントコネクタ13は所要成分のCu-Nb合金を溶
製して第３図（ａ）に示すインゴット14を製造した場
合、このインゴット14を加工して得られるものである。
前記インゴット14は、銅からなる基地15の内部にNbの樹
枝状晶16が分散された構造であり、このインゴット14に
線引加工を施すことによって、第３図（ｂ）に示すよう
に、基地17の内部にNbからなる繊維18を多数密接して分
散配置したインサイチュウロッド19を得ることができ、
所要長さのインサイチュウロッド19の中心部に穴あけ加
工を施して管状のジョイントコネクタ13が製造される。

前記ジョイントコネクタ13を用いて超電導線10,10を接
続した後に、ジョイントコネクタ13の表面にSnメッキを
施してSn層を形成し、超電導線10,10に拡散熱処理を施
して内部にNb₃Sn超電導導体を生成させる。なお、拡散
熱処理とは、700〜800℃に20〜100時間加熱する処理で
ある。

前記熱処理を施すことによってジョイントコネクタ13の
内部のNbの繊維18にSnが拡散して反応し、Nb₃Snが生成
され、ジョイントコネクタ13が超電導導体となる。な
お、前記拡散熱処理により高温で長時間にわたりジョイ
ントコネクタ13と超電導線10,10を加熱するために、ジ
ョイントコネクタ13と超電導線10の接触面において銅原
子どうしが拡散し、ジョイントコネクタ13の内周面と超
電導線10,10の外周面が分子結合状態となって溶着し、
接合強度が向上する。

前述のようにジョイントコネクタ13を用いて接合する場
合、ジョイントコネクタ13自体が超電導体であるため
に、ジョイントコネクタ13での発熱の問題は生じること
がなく、しかも、拡散熱処理によってジョイントコネク
タ13の内周面と超電導線10,10の外周面とが溶着してい
るために、接合面の抵抗も少なく、発熱も従来より少な
くなる効果がある。また、接続用超電導線を超電導線の
端部外周側に接着して接続していた第６図に示す従来方
法に比較すると、ジョイントコネクタ13と超電導線10,1
0との接触面積も大きいために、従来の接続用超電導線
よりジョイントコネクタ13を短くすることができ、安価
に接続できる効果がある。

ところで、拡散熱処理後の化合物系超電導線を前記ジョ
イントコネクタ13で接続する場合には、ジョイントコネ
クタ13を超電導線の端部に圧着すると、脆い超電導体を
損傷する関係から、圧着手段ではなく、金属系接着剤に
より接着する。この場合に用いるジョイントコネクタ13
は、表面にSnメッキを形成して拡散熱処理を施し、内部
に超電導繊維を生成させた後のものを使用し、接合後に
拡散熱処理を施さないものとする。

このように金属系接着剤を用いて接合した場合、金属系
接着剤が発熱部分となりうるが、ジョイントコネクタ13
の内周面と超電導線10,10の外周面とが全面接触してい
るために、第６図に示す従来構造に比較するとはるかに
大きな接触面積となり、接着部分での発熱も少なくな
る。

第４図は本発明の第２実施例のジョイントコネクタ20を
示すもので、本実施例のジョイントコネクタ20は２つ割
りの半円筒状の基材21,21から構成されている。

前記基材21は、先に説明した実施例で用いたジョイント
コネクタ13と同等の内部構造であって、Cu基地の内部に
超電導繊維素材が分散された構造である。

前記基材21,21は超電導線10,10の接続すべき端部を覆っ
て超電導線10,10に接着されて筒状に接合され、超電導
線10,10を接続する。

ところで、前記構造のジョイントコネクタ13をNb₃Ge系
超電導線の接続に用いる場合は、超電導線にSnメッキの
かわりにGeメッキを施して拡散熱処理を施し、超電導線
を用いて前記構造を適用すれば良い。また、ジョイント
コネクタ13を用いる接続方法を合金系超電導線に接続に
適用できるのは勿論である。なお、ジョイントコネクタ
13は角筒状であっても良い。

「製造例１」 インサイチュー法により製造したCu-40％Nbからなる直
径50mmの円柱状インサイチュインゴットに直径20mmの軸
孔を形成し、この軸孔に、Taパイプで被覆された無酸素
銅ロッドを挿入した。続いてスエージング加工と中間焼
鈍処理と伸線加工を施し、直径1mm、長さ約0.5kmの線材
を得た。

この線材の表面に厚さ30μｍのSnメッキ層を電気メッキ
法により形成した。なお、このSnメッキ層の厚さは、後
述するように拡散熱処理を施して線材内部にSnを拡散さ
せた場合に、線材全体でスズ濃度が16重量％程度になる
ように決定された厚さである。

前記線材の長さは約0.5kmであるが、ここで、全長2kmの
線材を巻回して得られるコイルを製造する場合には、前
記線材を４本接続する必要がある。

そこで第１図と第２図に示す構造のジョイントコネクタ
を用いて前記線材を接続する。このジョイントコネクタ
を製造するには、まず、インサイチュ法により製造され
た直径50mmのCu-40％Nbインダイチュインゴットを直径5
mmまで縮径し、所要長さに切断し、中心部に直径3.5mm
の軸孔をドリルによって形成する。次に、この管体を縮
径して外径2mm、内径1.2mmにするとともに、全長40mmに
切断してジョイントコネクタを得る。このジョイントコ
ネクタの表面に厚さ70μｍのSnメッキ層を形成した。

次に、前記４本の線材の端部を突き合わせ、突き合わせ
部分に長さ20mmずつジョイントコネクタが接触するよう
にジョイントコネクタを通し、ジョイントコネクタの端
部を圧着治具で圧潰して各線材を接続した。なお、接続
に先だって各線材の表面はガラスヤーン編組み層で覆
い、絶縁処理を施してある。

次に、前記の如く接続された線材を200℃に50時間加熱
する熱処理を施し、Snメッキ層のSnを拡散させて消失さ
せ、この後にコイル巻き加工を施した。

次いで、前記コイルを550℃に100時間加熱する拡散熱処
理を施し、Nb₃Sn超電導コイルを製造した。この超電導
コイルを液体ヘリウムに浸漬した後に、100Aの電流を流
し、バックアップコイルの磁界5T（テスラ）を加えて10
Tの磁界を発生させた。この時、接続部での発熱は見ら
れず、通常の超電導状態を保持した。

「実施例２」 安定化銅付き極細多芯Nb₃Sn超電導線を内部メッキ法に
より製造し、線径1.4mmで800℃に50時間加熱する熱処理
を行い、Nb₃Sn超電導線を完成させた。

次に、この超電導線を２本接続してコイルを巻くために
用いるジョイントコネクタを作製した。

ジョイントコネクタはインサイチュ法により製造された
直径50mmのインサイチュインゴットを直径3mmに縮径し
た後、表面に厚さ100μｍのSnメッキ層を形成した後
に、長さ30mmに切断し、中央部に直径1.5mmの軸孔を形
成し、更に575℃に100時間加熱する拡散熱処理を施して
完成した。

前記Nb₃Sn超電導線を２本接続するために、前記ジョイ
ントコネクタに２本の超電導線の端部を挿入して超電導
線の端部を突き合わせ、はんだにより固着し、この後に
全体にコイル加工を施して超電導コイルを製造した。

完成した超電導コイルを液体ヘリウムに浸漬して400Aの
通電電流により、単独で5Tの磁界を発生させた。更にそ
の外部にバックアップコイルを配することによって10T
の磁場発生に成功した。その際、接続部での発熱や電圧
発生は生じなかった。

「発明の効果」 以上説明したように本発明は、超電導繊維素材を基地内
に配してなる環状のジョイントコネクタを用い、接続す
る超電導線の端部外周面にジョイントコネクタの内周面
を被着して超電導線を接続するために、接続用超電導線
を縦沿えして接続していた従来方法に比較して超電導線
とジョイントコネクタとの接触面積を大きくして接触抵
抗を少なくすることができ、接続部での発熱をなくする
ことができる。また、接触抵抗が小さいために、接続部
を従来より短くすることができ、安価に接続できる効果
がある。更に、超電導線とジョイントコネクタに熱処理
を施すと、ジョイントコネクタの内周面と超電導線の外
周面が分子間接合するために接合強度が向上し、接触抵
抗が少なくなって発熱を抑えることができる効果があ
る。更にまた、ジョイントコネクタを超電導線に接着し
た場合に、接着部で発熱のおそれを生じるが、接続用超
電導線を縦沿えして接続していた従来方法に比較して超
電導線とジョイントコネクタとの接触面積を大きくして
いるために、接着部での発熱を少なくできる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は、本発明の一実施例を説明するた
めのもので、第１図はジョイントコネクタを用いた接続
部分の縦断面図、第２図は接続部分の横断面図、第３図
（ａ）はインゴットの断面図、第３図（ｂ）はインサイ
チュウロッドの断面図、第４図は２つ割りのジョイント
コネクタを示す断面図、第５図は接続構造の一従来例を
示す縦断面図、第６図は第５図に示す従来例の横断面
図、第７図と第８図は他の従来例を説明するためのもの
で、第７図は超電導フィラメントを重ねた状態を示す断
面図、第８図は接続部を銅管で覆った状態を示す断面図
である。 10……超電導線、11……超電導繊維素材 12……安定化材、 13,20……ジョイントコネクタ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱処理を施して超電導導体を生成する化合
   物系超電導線、あるいは、合金系超電導線を接続する方
   法において、熱処理を施すことにより超電導繊維となる
   超電導繊維素材を基地の内部に形成してなる１つ以上の
   基材から構成される環状のジョイントコネクタを用い、
   接続する各超電導線の端部を突き合わせてジョイントコ
   ネクタで覆い、超電導線の端部外周面をジョイントコネ
   クタの内周面に密着させて超電導線どうしを接続するこ
   とを特徴とする超電導線の接続方法。
2. 【請求項２】安定化材の内部に超電導導体が配されてな
   る超電導線を接続するジョイントコネクタを金属系接着
   剤で超電導線に固着することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の超電導線の接続方法。
3. 【請求項３】熱処理を施すことにより超電導導体となる
   超電導素材が安定化材の内部に配されてなる超電導線を
   接続するに際し、ジョイントコネクタを熱処理前に超電
   導線に圧着して超電導線を接続することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の超電導線の接続方法。
4. 【請求項４】２つ割りの半円筒体を接合して構成される
   ジョイントコネクタを用いることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の超電導線の接続方法。