JPH08509568A - ２本の超電導ケーブルを電気的に結合するための方法とジョイント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は，２本の超電導ケーブルを電気的に結合するための方法に関するが，この方法は，ケーブルシースや超電導電線の高抵抗被覆が存在する場合にはこれらを取り除いてケーブル素線を剥き出しにすること，ケーブル素線の各端部を斜めカットすること，および各ケーブル端部に形成された斜めカット面に機械的に圧力を印加することを特徴とする。ディスクコイルや積層巻線の製作に使用可能な２本の超電導ケーブルを電気的に結合するためのケーブルジョイントでは，ケーブル外皮が除去された各ケーブル端部が，導電性材料製のスリーブで取り囲まれており，かつ少なくとも２分割方式のジョイントケースを有するが，このケースが，各ケーブル端部とスリーブとを取り囲む２個のケース半部で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 ２本の超電導ケーブルを電気的に結合するための方法とジョイント 詳細説明 この発明は，２本の超電導ケーブルを電気的に結合するための方法と，これに 適したケーブルジョイントに関する。 数千アンペアを通電する大容量の超電導ケーブルは，通常，長さ数百メートル 単位で製作されるが，例えば核融合マグネット用やエネルギー貯蔵装置用の極め て大型のコイルを巻くためには，長さ数キロメートルにも及ぶこの種のケーブル が必要になる。そして各単位長さのケーブル同士の電気接続箇所は，そこへのア クセスを容易にするため，積層巻線の場合には各層のエッジ，またディスクコイ ルの場合にはその外周に配置される。しかし局部温度上昇値を当該コイルの設計 値の範囲内に維持させるためには，運転条件下でのケーブル接続箇所での消費電 力をできるだけ小にしなければならない。そしてこのことは，直流しか通電され ない巻線では，超電導ケーブル同士間の移行箇所を，大断面積の高導電性金属の 中に埋め込むことによって達成可能である。しかし時間的に駆動状態が変化させ られる巻線に対しては，渦電流損失を抑制することが設計に際して追加される必 須要件となる。 現在の技術水準に基づく２種類のジョイントが添付の図面１と２とに描かれて いるが，これは超電導ケーブルに対する公知の２種類のケーブルジョイントの横 断面を示したものである。 両ケーブルの各端部を重ね合わせて溶接することによって低電気抵抗のケーブ ルジョイントが実現可能となるが，この場合，このオーバーラップ部分の長さは ，通電可能とするのに不可欠な導電移行領域よりも大にされている。各ケーブル 端部は，これらを重ね合わせて溶接する前に，撚りをほぐした上で，高導電性金 属製の金属ブロックの中に埋め込むとよい。金属間化合物ＮＢ３ＳＮ製素線をベ ースにしたた超電導体は，通常の反応熱処理を施した上でハンダ付けしなければ ならない。 オーバーラップの長さを長くすればするほど，移行部の抵抗は低くなるが，こ の長さを１ｍ以上にしても，抵抗値は殆ど無視可能な程度にしか改善されなくな る。例えばパルス駆動されるコイル自体による磁場のように，時間的に変化する 磁場がこのオーバーラップジョイント部を横切ると，図１に一つのループで示さ れているように，並行した両ケーブル端部で構成されるループの中に極めて大き な渦電流が誘起される。そしてこの渦電流損失の大きさは，オーバーラップ部分 の長さの２乗に比例する。 このオーバーラップ長さの抵抗値と渦電流損失との兼ね合いを最適化すること も可能ではあるが，運転条件が厳しい場合にはこのような妥協は受入れ不能とな る。ハンダ材料の充填や金属安定化の追加措置によって断面抵抗値を引下げても ，オーバーラップ長さがケーブルのツイストピッチを上回っていると，超電導ケ ーブル自体より一桁ないし二桁も大きな渦電流損失が招来する。そしてこのよう な条件の下では，フィールドパルス（Ｂ，Ｂ）が増大すると，オーバーラップ部 分に許容できないほど大きなエネルギー損失が発生する。 この種のケーブルジョイントでは機械的強度が限定されることも問題である。 ケーブルの引張応力によってケーブルジョイント部に剪断負荷が誘発されるが， この種の負荷を防止するためには，補強措置を講じなければならなくなる。 図２にケーブルジョイントの代案が示されているが，これは，接触面をケーブ ル軸線に直交させた突き合わせジョイント方式である。このケーブル切断面同士 を溶接またははんだで結合すればよい。このようなケーブルジョイント様式の主 な利点は，追加渦電流損失が発生しないことである。そして交流損失が裸の導体 のそれと比肩可能な程度になるが，その理由は，ケーブルのツイストピッチより も遥かに短いセクション全体で断面抵抗値が引下げられるからである。 このようなケーブルジョイント方式では，溶接端部を肉厚な銅製スリーブで取 り巻くことにより，移行部の抵抗値を引き下げが可能となる。しかしこのような 技法の主な短所として，溶接工具や溶接コントロール用のレントゲン装置を使用 できるようにするには，ケーブル端部の周囲に大容積の自由空間を確保しなけれ ばならないことが挙げられる。しかし核融合装置用の大部分のコイルでは，この ようなスペースが得られない。また大型のＮＢ３ＳＢマグネットのジョイントで は，更に巻線反応技術との両立性が求められるが，このことは，反応熱処理前， すなわち超電導体に著しい熱負担を加えずにジョイント施工しなければならない と言うことを意味するものである。反応プロセス後でのジョイントの施工や処理 は，超電導体の変位が全く不要となる程度に止められなければならない。 以上のような経緯により，この発明は，２本の超電導ケーブル同士を電気接続 するための，電気抵抗が低く，渦電流損失が少なく，全体のサイズがコンパクト で，機械的強度が高くしかも製作リスクが小さなジョイント方法と，これに適し たケーブルジョイントとを実現させることを目的とする。この目的は，この発明 に基づく特許請求の範囲１ないし１２記載の諸特徴によって達成される。またこ の発明の有利な実施態様は，下位各請求項記載の通りである。 次にこの発明を，図３ないし９を参照しながら説明する。 図３は，最も単純な実施態様におけるケーブルジョイントの縦断面図である。 図４ａないし４ｄと５ａないし５ｂは，ジョイントケースを使用してケーブル ジョイントを作成する各ステップを斜視図と平面図とで表した図である。 図６ａないし６ｃは，ケーブルジョイント作成の各ステップの横断面図である 。 図７は，この発明に基づく他の実施態様でのケーブルジョイント部の縦断面図 である。 図８は，図７のケーブルジョイント部の横断面図である。 図９は，この発明に基づくケーブルジョイントのジョイントケースを，分解状 態において描いた斜視図である。 超電導ケーブルが一体構造（モノリシック）ではない場合，ケーブルシースを 取り除いたケーブル端部と，場合によっては所在するその他のコンポーネントと を，図３に示されているように銅製スリーブの中で圧迫して圧縮することにより ，断面積を縮小させる。このようにすると，ループ回路が形成されないので追加 渦電流損失が発生しない。 このあとケーブル端部を，必要な強度が残される最小角度，すなわちケーブル 前後軸に対して典型的には１５ないし２０°の角度でカットする。この結果，そ れぞれに傾斜面を備えた各ケーブル端部の上に銅製スリーブの両部分をかぶせる が，このとき各ケーブル端部の外周がスリーブで完全には取り囲まれないように する。このようにして形成されたケーブルジョイント部は，各傾斜面での繋がり によって形成される通電ルートのほかに，銅製スリーブを経由する追加ルートも 持つようになるので，全体の抵抗値が引下げられる。 このようなジョイントを 形成するのにジョイントケースを使用すると有利であるが，このケースを少なく とも２個の各半部で構成するとよい。 図４と５に，上下に積み重ねられた２個のディスクコイル同士のケーブルジョ イント形成の概要が示されているが，ここではジョイントケースが図６に示され ているような様式で使用される。この場合，図６ａに示されているように，先ず ケースの各半部の一方だけを各ケーブル端部の機械的結合に利用するとよい。そ してこのケース半部を熱処理後除去（図６ｂ）したあと，これを，図６ｃに示さ れているように気密なケース半部と置き換える。そして最終工程に先立ち，図７ および８に見られるように，各ケーブル端部を取り囲む銅製スリーブの中に超電 導金属製のテープ２５を追加挿入することにより，斜めカット面を通過する移行 部抵抗を更に引下げることが可能となる。またケースの各半部１３と１４それぞ れのエッジを楔状にすることにより，ケーブルジョイント部の引張強度を高める と有利である。ジョイントケースを使用したケーブルジョイントの形成が，図９ に分解状態で示されている。２本の超電導ケーブルをジョイントするため，ケー ブル端部１１で，先ずケーブルシース１２が，そして場合によっては各ケーブル 素線それぞれの高抵抗被覆が，それぞれ除去される。そしてこのあとケーブル端 部が圧縮され，ケーブル前後軸に対して例えば１５ないし２０°の角度で斜めカ ットされて傾斜面２４が形成される。 そしてケーブル端部１１が銅製スリーブ１５の中に挿入されるが，このスリー ブは，２個の各半部１５ａと１５ｂとで構成されている。このあと，銅製スリー ブ１５の上にジョイントケース１３がかぶせられるが，これは鋼製で，２個の各 半部１３と１４とを有している。そしてこのケースの半部１４は，更に二つの部 分，すなわち押し板１４ａと密封板１４ｂとで構成されている。そしてこの押し 板１４ａをケース半部１３に締めつけることにより，ケーブル端部１１が圧迫さ れて圧縮されるが，この締めつけは，ネジ１８を押し板１４ａの開口部１７経由 でケース半部１３のネジ穴１９の中にねじ込むことにより実施される。 超電導ケーブルの運転に際しては，通常，冷却剤が貫流されるので，ケース半 部１３と押し板１４ａには冷却溝１６が，また押し板１４ａにはこのほか，密封 板１４ｂの排出口２１に連通した流出口２０も設けられる。 押し板１４ａの下部に位置するスリーブ半部１５ｂは，開口部２２と前後方向 の凹部２３とを有する。この開口部２２は，当該ケーブル端部になお存在するか も知れない空隙を必要に応じて充填するためにハンダ材料を注入するためのもの である。また前後方向の凹部２３の中には，電気抵抗特性を改善するために超電 導材料製のテープを挿入することができる。 ケーブルに通常の熱処理を施す前に，ケース半部１３と１４とを，必要に応じ 密封板１４ｂを外した状態で，ケーブル外皮１２にスポット溶接で固着させるこ とにより，十分な機械的安定性を確保する。そして熱処理したあと，押し板１４ ａを再び取り外し，開口部２２経由でハンダ材料を充填したり，前後方向の凹部 ２３の中に超電導テープを挿入すればよい。そして最後に各ケース半部を両ケー ブル端部１１のケーブル外皮に閉じつける。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年８月２５日 【補正内容】 請求の範囲 １．ディスクコイルや積層巻線の製作に使用される２本の超電導ケーブルを電気 的に結合するためのケーブルジョイントであって、両ケーブルの剥き出しにされ て斜めカットされた各端部がジョイント箇所に重ね合わせに配置され，かつ導電 性材料製のスリーブで取り囲まれるケーブルジョイントにおいて、スリーブ（１ ５）が２分割方式で構成されかつ該スリーブの各半部（１５ａ，１５ｂ）の上に ，スタビライザーとして，向かい合わせに固定された２個のケース半部で構成さ れたジョイントケース（１３，１４）がかぶせられることを特徴とするケーブル ジョイント。 ２．片方のケース半部（１４）が二つの部分（１４ａ，１４ｂ）で構成され，こ れらの中の一方（１４ａ）が押し板として，また他方（１４ｂ）が密封板として それぞれ形成されていることを特徴とする請求の範囲１記載のケーブルジョイン ト。 ３．押し板（１４ａ）がネジ（１８）用の開口部（１７）を，また他方のケース 半部（１３）がこれに対応したネジ穴（１９）を，それぞれ備えていることを特 徴とする請求の範囲２記載のケーブルジョイント。 ４．ケースの両半部（１３，１４）が，前後方向に走る冷却溝（１６）を備えて いることを特徴とする請求の範囲１ないし３の一つに記載のケーブルジョイント 。 ５．押し板（１４ａ）の中に冷却溝（１６）が形成されていることを特徴とする 請求の範囲２または３と４記載のケーブルジョイント。 ６．押し板（１４ａ）が，密閉板（１４ｂ）内の排出口（２１）と組み合わせ機 能する冷却剤流出口（２０）を有することを特徴とする請求の範囲２ないし５の 一つに記載のケーブルジョイント。 ７．スリーブ（１５）が各ケーブル端部（１１）を部分的にのみ取り囲むことを 特徴とする請求の範囲１ないし６の一つに記載のケーブルジョイント。 ８．スリーブ（１５）が銅製であることを特徴とする請求の範囲１ないし７の一 つに記載のケーブルジョイント。 ９．ケース（１３，１４）が鋼製であることを特徴とする請求の範囲１ないし８ の一つに記載のケーブルジョイント。 １０．スリーブ（１５）が，超電導テープを挿入するための前後方向の凹部（２ ３）を有すること特徴とする請求の範囲１ないし９の一つに記載のケーブルジョ イント。 １１．スリーブ（１５）が，ハンダ材料を充填するための開口部（２２）を有す ることを特徴とする請求の範囲１ないし１０の一つに記載のケーブルジョイント 。 １２．押し板（１４ａ）の下部に位置するスリーブ半部（１５ａ）の中に前後方 向の凹部（２３）と開口部（２２）とが形成されていることを特徴とする請求の 範囲１０および１１記載のケーブルジョイント。 １３．各ケース半部（１３，１４）それぞれのエッジが，内向きの楔状に形成さ れていることを特徴とする請求の範囲１ないし１２の一つに記載のケーブルジョ イント。 １４．スリーブ（１５）の各エッジが，内向きの楔状に形成されていることを特 徴とする請求の範囲１ないし１３の一つに記載のケーブルジョイント。 １５．各ケーブル端部（１１）が，ケーブルの前後軸に対して約１５ないし２０ °の角度で延びていることを特徴とする請求の範囲１ないし１４の一つに記載の ケーブルジョイント。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２本の超電導ケーブルを電気的に結合するための，下記処理手順を特する方 法： ａ）ケーブルシースや超電導電線の高抵抗被覆が存在する場合，これらを除去 してケル素線を剥き出しにすること， ｂ）各ケーブル端部を斜めカットして斜めジョイント部を形成させること， ｃ）各ケーブル端部に形成された斜めカット面同士を重ね合わせて機械的に圧 力を印加ること。 ２．圧力印加に先立ち，斜めジョイント部を，例えば銅のような導電性材料製の スリーブで取り囲むことを特徴とする請求の範囲１記載の方法。 ３．スリーブの長さが斜めジョイント部よりも大であることを特徴とする請求の 範囲２記載の方法。 ４．上記に引き続き，ケーブルに熱処理を施すことを特徴とする請求の範囲１な いし４の一つに記載の方法。 ５．スリーブが，剥き出しにされた各ケーブル端部を外周方向の一部についての み取り囲むことを特徴とする請求の範囲２または３記載の方法。 ６． 斜めジョイント部に対し，超電導材料製のテープを並列接続することを特 徴とする請求の範囲１ないし５の一つに記載の方法。 ７． スリーブ領域内の斜めジョイント部の内部になお存在するかも知れない空 隙を，スリーブ内の開口部経由で低電気抵抗のハンダ材料で充填することを特徴 とする請求の範囲２ないし５の一つに記載の方法。 ８． ジョイントされたケーブルを通して冷却剤を送り込み可能にするため，斜 めジョイント部を各ケーブル端部のケーブル外皮で密封することを特徴とする請 求の範囲１ないし７の一つに記載の方法。 ９．各ケーブル端部を，ケーブル前後軸に対して約１５ないし２０°の角度でカ ットすることを特徴とする請求の範囲１ないし８の一つに記載の方法。 １０．各ケーブル端部のケーブルシースに結合されるケースによって密封させる ことを特徴とする請求の範囲９記載の方法。 １１．ジョイントを仕上げて電気特性を測定したあと，導電性改善のための追加 措置を講じることができるようにするため，先ずケースをケーブル外皮に仮取り 付けすることを特徴とする請求の範囲１０記載の方法。 １２．ディスクコイルや積層巻線の製作に使用される２本の超電導ケーブルを電 気的に結合するためのケーブルジョイントであって、ケーブル外皮が除去された 各ケーブル端部が導電性材料製のスリーブで取り囲まれているケーブルジョイン トにおいて、各ケーブル端部（１１）とスリーブ（１５）とを取り囲む２個のケ ース半部（１３，１４）から成る，少なくとも２分割方式のジョイントケースを 特徴とするケーブルジョイント。 １３．両ケース半部（１３，１４）が，長手方向に走る冷却溝（１６）を備えて いることを特徴とする請求の範囲１２記載のケーブルジョイント。 １４．片方のケース半部が２個の部品（１４ａ，１４ｂ）から成り，その一方（ １４ａ）が押し板として，また他方（１４ｂ）が密封板として，それぞれ形成さ れていることを特徴とする請求の範囲１２または１３記載のケーブルジョイント 。 １５．押し板（１４ａ）がネジ（１８）用の開口部（１７）を，また他方の半部 （１３）がこれに対応したネジ穴（１９）を備えていることを特徴とする請求の 範囲１４記載のケーブルジョイント。 １６．押し板（１４ａ）の中に冷却溝（１６）が形成されていることを特徴とす る請求の範囲１３および１４記載のケーブルジョイント。 １７．押し板（１４ａ）が，密封板（１４ｂ）内の排出口（２１）と組み合わせ 機能する冷却剤流出口（２０）を有することを特徴とする請求の範囲１４ないし １６の一つに記載のケーブルジョイント。 １８．スリーブ（１５）が，２個の各半部（１５ａ，１５ｂ）で構成されている ことを特徴とする請求の範囲１２ないし１７の一つに記載のケーブルジョイント 。 １９．スリーブ（１５）が，各ケーブル端部（１１）を部分的にのみ取り囲むこ とを特徴とする請求の範囲１８記載のケーブルジョイント。 ２０．〕 スリーブ（１５）が銅製であることを特徴とする請求の範囲１８また は１９記載のケーブルジョイント。 ２１．ケース（１３，１４）が鋼製であることを特徴とする請求の範囲１２ない し２０の一つに記載のケーブルジョイント。 ２２．スリーブ（１５）が，超電導テープ挿入用の前後方向の凹部を有すること を特徴とする請求の範囲１２ないし２１の一つに記載のケーブルジョイント。 ２３．スリーブ（１５）が，ハンダ材料充填用の開口部（２２）を有することを 特徴とする請求の範囲１２ないし２２の一つに記載のケーブルジョイント。 ２４．押し板（１４ａ）の下部に位置するスリーブ半部（１５ｂ）の中に，前後 方向の凹部（２３）と開口部（２２）とが形成されていることを特徴とする請求 の範囲２２および２３記載のケーブルジョイント。 ２５．各ケース半部（１３，１４）それぞれのエッジが楔状に形成されているこ とを特徴とする請求の範囲１２ないし２４の一つに記載のケーブルジョイント。 ２６．スリーブ（１５）の各エッジが楔状に形成されていることを特徴とする請 求の範囲１２ないし２５の一つに記載のケーブルジョイント。