JPH1021976A

JPH1021976A - 超電導導体及びその接続方法

Info

Publication number: JPH1021976A
Application number: JP8167275A
Authority: JP
Inventors: Sumiichi Shibuya; 純市澁谷; Taisei Ogata; 大成小方; Yukihiro Sumiyoshi; 幸博住吉; Michitaka Ono; 通隆小野; Shinichi Hanawa; 伸一塙; Toshiaki Fuse; 俊明布施; Kazuhito Shibayama; 和仁柴山
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Technology Corp
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】超電導導体の接続部の低抵抗化及びコンパクト
化を志向しつつ、接続作業の煩雑さを解消して接続工程
の合理化を図り、その作業環境を改善し、接続部の特性
及び信頼性を向上させる。【解決手段】超電導導体の接続方法として、双方の超電
導導体１ａ、１ｂの接続側端部にコンジット２ａ、２ｂ
を除去して各超電導素線３ａ、３ｂを露出させ、その各
超電導素線３ａ、３ｂを安定化材の存在下で互いの空隙
が非存在又は略非存在となる状態に密集させた集合体７
ａ、７ｂを夫々形成し、この集合体７ａ、７ｂの端面８
ａ、８ｂを所定の表面粗さで仕上げ加工し、その端面８
ａ、８ｂを介して集合体７ａ、７ｂの夫々を所定の接合
条件下で互いに突き合わせて接合することにより、集合
体７ａ、７ｂを介して双方の超電導導体１ａ、１ｂを互
いに接続する方法を用いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超電導コイルに
使用する超電導導体及びその接続方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高磁場発生機器の超電導コイルに
は、その超電導導体を直接絶縁することで極めて高い強
度と優れた絶縁特性とを発揮させる、いわゆる強制冷却
方式の超電導導体を採用したものが注目され、この方式
が特に望ましいとされる大型の超電導導体等を対象とし
た研究開発が精力的に進められている。

【０００３】例えば、強制冷却方式の代表を成すケーブ
ル・イン・コンジット型の超電導導体は、数１０μｍの
極細線のフィラメント（ＮｂＴｉ合金又はＮｂ₃Ｓｎ化
合物等）及びこのフィラメントの外周部を覆う安定化材
（銅又はアルミニウム等）で構成した直径１ｍｍ程度の
超電導素線を使用し、この超電導素線を数十〜数千本よ
り合わせ、その外周部をステンレス鋼等から成るコンジ
ットで覆い、そのコンジット内に冷却通路を形成するも
のである。

【０００４】このような超電導導体では、近年の超電導
コイルの長尺化の要請に伴う技術として、一般に別体と
して用意された所定長さのものを相互に接続する方法が
採用されている。この超電導導体の接続方法としては、
その接続部での特性劣化を回避するプロセスが必須とさ
れ、例えばハンダ付けによる方法では、ハンダの固有抵
抗値に制約を受けた接続部の電気抵抗値を低減させるた
め、接続長を０．５〜数ｍ程度と長く設定する必要があ
った。従って、接続部が大きくなる分、超電導コイルが
大型化するといった問題があった。

【０００５】そこで、ハンダ付けに代わり、接続部の低
抵抗化及びコンパクト化を志向した接続方法として、超
電導素線から酸等を用いて安定化材を除去してフィラメ
ントのみを露出させ、これを互いに重ね合わせて固相接
合する等の各種方法が提案されている（例えば、特開平
６−１６３１４０号公報（以下、「従来例１」）、特開
昭６３−５５８７５号公報（以下、「従来例２」）、特
開平２−１９７０１７号公報（以下、「従来例３」）
等）。

【０００６】例えば、１）：従来例１では、双方の超電
導導体のコンジットを除去して超電導素線から一定長さ
のフィラメントを酸等を用いて露出させ、双方のフィラ
メントを適当数の束毎に重ね合わせ、このフィラメント
を接続ピースで覆い、所定の温度及び圧力を加えて固相
接合する方法、２）：従来例２では、双方の超電導素線
から接続箇所の安定化材を取り除いてフィラメントを露
出させ、互いに重ね合わせて加圧しながら熱処理して接
続する方法、３）：従来例３では、双方の化合物系超電
導素線から接続端部の安定化材を除去した後にチューブ
状のフィラメントを互いに重ね合わせて圧力及び温度を
加え、チューブ状のフィラメント間を固相拡散接合する
方法となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例１〜３等に代表される接続方法にあっては、ハ
ンダ付けによる方法と比べると接続部の低抵抗化及びコ
ンパクト化の利点があるものの、いずれも双方の超電導
素線から安定化材を硝酸溶液等を用いて除去してフィラ
メントを露出させる工程を必須とする方法であったた
め、超電導素線のフィラメント及び安定化材に関する取
扱い等が煩雑となって、必ずしも作業効率のよいもので
はなかった。

【０００８】例えば、フィラメントについては、数十μ
ｍの極細線であるため、取扱い上、摩擦に起因して発火
が生じたり、洗浄性が悪いといった問題があった。ま
た、安定化材を除去する際に、硝酸溶液等を使用する工
程が必須であったため、その取扱い等は必ずしも効率が
よいものではない。

【０００９】しかも、大型の超電導コイルの場合には、
その接続作業が現場又は現地で実施されることが多く、
このような作業環境下では、フィラメント接続工程に必
要な真空装置、排気装置、加熱・加圧装置等の段取りに
は煩雑となる物が多く、このような作業環境に対する改
善要求もあった。

【００１０】この発明は、このような従来の問題を考慮
してなされたもので、超電導導体の接続部の低抵抗化及
びコンパクト化を志向しつつ、接続作業の煩雑さを解消
して接続工程の合理化を図り、その作業環境を改善し、
接続部の特性及び信頼性を向上させることを、目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明に係る超電導導体の接続方法
は、複数のフィラメントを安定化材で覆って成る複数の
超電導素線及びこの各超電導素線を収納するコンジット
で構成した超電導導体を接続対象として使用し、この接
続対象の双方の超電導導体の接続側端部に上記各超電導
素線を露出状態で且つ上記安定化材の存在下で互いの空
隙が非存在又は略非存在となる状態に密集させた集合体
を夫々形成し、この集合体の夫々の端面を所定の表面粗
さで仕上げ加工し、その端面を介して上記集合体の夫々
を所定の接合条件下で互いに突き合わせて接合すること
により、その集合体を介して上記双方の超電導導体を互
いに接続することを特徴とする。

【００１２】集合体を形成する工程としては、例えばス
ウェージング加工等を使用して超電導素線間の空隙を極
力なくすことが望ましい。集合体の端面の表面粗さとし
ては、例えばＲｍａｘ＝５０μｍ以下が好ましく、接合
条件としては、超電導素線同士を直接接続し且つその接
続部の抵抗発熱を抑制することを基本とし、例えば固相
接合が可能な適性条件、即ち超電導特性に影響を与えな
い範囲内で加熱及び加圧し、この加熱による酸化を防止
するために接続部の周囲を真空又は不活性ガス雰囲気下
に維持する条件が望ましい。固相接合の圧力としては、
超電導素線同士が金属的に接合可能な条件に設定するこ
とが好ましい。

【００１３】請求項２記載の発明では、前記双方の超電
導導体を互いに接続する工程の後に当該双方の超電導導
体の接続部の周囲を容器で気密に囲う工程を使用してい
る。容器としては、例えばステンレス鋼等からなる容器
を使用し、その内部を冷媒が通流可能な気密空間とし、
超電導素線の超電導状態を維持するように形成すること
が望ましい。

【００１４】請求項３記載の発明では、前記集合体を形
成する工程として、前記各超電導素線をパイプに挿入
し、このパイプと上記各超電導素線とを一体にスウェー
ジング加工して上記集合体を形成する工程を用いてい
る。

【００１５】請求項４記載の発明では、前記双方の超電
導導体を互いに接続する工程として、前記集合体の夫々
の端面間にインサートメタルを挿入し、そのインサート
メタルを介して上記集合体の夫々を互いに接合する工程
を用いている。

【００１６】請求項５記載の発明では、前記インサート
メタルとして、Ｃｕ及びＣｕ合金を含む複数の導電体の
少なくとも１種を用いている。

【００１７】請求項６記載の発明では、前記双方の超電
導導体を互いに接続する工程として、前記集合体の夫々
の端面をコーティング材を用いて被覆し、そのコーティ
ング材を介して上記集合体の夫々を互いに接合する工程
を用いている。

【００１８】請求項７記載の発明では、前記接合条件と
して、真空下又はガス雰囲気下で加熱及び加圧する条件
を用いている。

【００１９】また請求項８記載の発明に係る超電導導体
では、複数の超電導素線を有し、この各超電導素線の軸
方向に少なくとも１つの接続部を備え、この接続部は、
上記軸方向に互いに突き合わして一体に接合された双方
の接合部で成り、この双方の接合部の夫々を、上記各超
電導素線間の空隙が非存在又は略非存在となる状態に当
該各超電導素線を集合させた集合体で構成したことを特
徴とする。

【００２０】請求項９記載の発明では、前記集合体は、
前記各超電導素線の外周部を覆うパイプを備えている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態を図
面を参照して説明する。

【００２２】図１（ａ）に示す超電導導体１は、液体ヘ
リウム等の冷媒が通流可能な通路を成すコンジット２内
に複数本の超電導素線３…３を収納し、この各超電導素
線３…３を、図１（ｂ）に示すように、銅パイプ４内に
収納された複数本のフィラメント５…５及びこの各フィ
ラメント５…５を覆う安定化材６で構成したケーブル・
イン・コンジット型を適用したもので、コンジット２内
に冷媒を流すことにより、各超電導素線３…３の超電導
状態を維持するようになっている。

【００２３】ここで、この超電導導体１の接続構造及び
その接続方法を図２〜図５に基づいて説明する。

【００２４】まず、接続すべき双方の超電導導体１ａ、
１ｂを用意する。この超電導導体１ａ、１ｂとしては、
ステンレス鋼等の高強度非磁性体で形成したコンジット
２ａ、２ｂ内に、直径約１ｍｍ前後の熱処理を施したＮ
ｂ₃Ｓｎ（ニオブ３スズ）化合物等で形成した超電導素
線３ａ、３ｂを数十〜数千本収納したものを使用する。
超電導素線３ａ、３ｂとしては、直径約１ｍｍ前後の銅
パイプ４内にＮｂ₃Ｓｎ化合物で形成した数μｍのフィ
ラメント５を数十〜数千本収納し、これらフィラメント
５の周囲をＮｂ₃Ｓｎ化合物及びＣｕで形成した安定化
材６で覆うものを使用する。

【００２５】次いで、図２（ａ）に示すように、双方の
超電導導体１ａ、１ｂの接続側端部に位置するコンジッ
ト２ａ、２ｂをバンドソー等で所定長さ（例えば、数十
ｍｍ）分、除去して超電導素線３ａ、３ｂをむき出して
外部に露出させる。この後に、図２（ｂ）に示すよう
に、超電導素線３ａ、３ｂをプレス等を用いて空隙がな
くなるようにスウェージング加工等を施して成形するこ
とにより、銅パイプ４及び安定化材６の存在下で密集さ
せた集合体（接合部）７ａ、７ｂを夫々形成し、その後
に双方の集合体７ａ、７ｂの端面（接続面）８ａ、８ｂ
を軸方向に直交する方向に所定の表面粗さ、例えば最大
高さＲｍａｘ＝５０μｍ以下に仕上げ加工を施す。

【００２６】次いで、図３に示すように、接続治具とし
てチャンバー１０、真空ポンプ１１、不活性ガス用の導
入バルブ１２、外部ヒータ１３、及び加圧装置１４を夫
々用意し、チャンバー１０内に双方の超電導導体１ａ、
１ｂを互いに集合体７ａ、７ｂを介して突き合わせた状
態でセットする。

【００２７】そこで、チャンバー１０内を真空ポンプ１
１で排気して真空雰囲気又は排気した後に導入バルブ１
２を介して不活性ガスを導入して不活性ガス雰囲気と
し、この環境下で外部ヒータ１３で双方の集合体７ａ、
７ｂの突き合わせ部を加熱すると共に、加圧装置１４で
突き合わせ部を長手方向に加圧することにより、集合体
７ａ、７ｂの端面８ａ、８ｂを介して双方の超電導導体
１ａ、１ｂを互いに接合する。

【００２８】例えば、この接合条件の設定例としては、
実験結果等により、１）：集合体７ａ、７ｂの酸化を効
果的に防止する接合雰囲気として「真空雰囲気（１０^-3
Ｔｏｒｒ以下）又はアルゴン雰囲気」が、２）：超電導
特性が劣化しない上限加熱温度を保つ温度として「６０
０〜８００℃以下」が、３）：超電導特性に影響を与え
ない範囲で超電導素線同士を金属的に接続する圧力とし
て「５〜２０ｋｇｆ／ｍｍ²」が夫々望ましいことが確
認された。

【００２９】このように超電導素線３ａ、３ｂ，即ち集
合体７ａ、７ｂ同士の接続が完了すると、所定の冷却時
間を経てチャンバー１０及び上記の加熱・加圧器具類を
解体し、図４に示すように、双方の超電導導体１ａ、１
ｂの接続部の周囲を容器１５で気密に覆う。この容器１
５が成す気密空間は、超電導素線の超電導状態を維持す
るための冷媒を流すもので、その両端部をコンジット２
ａ、２ｂに連結し、その連結部をシール溶接等で溶接部
１５ａ、１５ｂとして冷媒の漏洩を防止するように形成
する。この容器１５には、図５に示す冷媒用導出管１６
を設けてもよく、これで一連の接続工程を終了する。

【００３０】従って、この実施形態によれば、従来の超
電導素線から安定化材を除去した後に露出させたフィラ
メントを直接、接続する工程の代わりに、超電導素線を
直接、突き合わせて接続する工程を用いたため、極細線
のフィラメント及び安定化材除去に必要な硝酸溶液等の
煩雑な取扱いが不要となって、一連の接続工程を簡素に
構築して合理化を図り、作業効率を大幅に高め、作業環
境を改善することができる。また、接続部を２つの集合
体で構成したため、その電気抵抗値は殆どゼロに近く、
かつ、接続面積を大きく設定しなくても済むため、接続
部の低抵抗化及びコンパクト化をより一層図ることがで
きる。

【００３１】さらに、接続部を容器で気密に覆う構造と
したため、何かの原因で超電導状態が崩れた場合でも、
安定化材へ流れ込む電流で発生した熱を容器内の冷媒で
冷やすことにより、その発熱を微量に抑えて超電導状態
を再び復活させることができる。

【００３２】なお、この発明の第１応用例として、上記
実施形態の集合体の構造及びその形成工程の代わりに、
図６〜図８に示す構造及び工程を用いてもよい。

【００３３】即ち、図６に示すように、双方の超電導導
体１ａ、１ｂから露出させた超電導素線３ａ、３ｂにＣ
ｕ等から成るパイプ（筒状部材）２０ａ、２０ｂを挿入
し、このパイプ２０ａ、２０ｂと共に超電導素線３ａ、
３ｂに対して鍛造加工の１つであるスウェージング加工
を施してパイプを備えた集合体（スウェージング部）７
ａ、７ｂを形成し、この後に、上記と同様に図７及び図
８に示すように、集合体７ａ、７ｂの端面８ａ、８ｂを
所定の表面粗さに仕上げ、真空中又は不活性ガス雰囲気
中で加熱及び加圧して両者１ａ、１ｂを接合する。

【００３４】従って、この第１応用例によれば、上記と
同様の効果に加え、集合体にパイプを加えたため、集合
体の空隙率を０％程度、即ち超電導素線同士の密着度を
より一層高めて接続部の外周部分をより強固に固定でき
ると共に、軸方向に加える加圧力をスムーズに伝達でき
ることから、加圧時の超電導導体の座屈や歪み等をより
効果的に抑制し、その結果、接続部の劣化の心配が殆ど
なく、より健全で且つ信頼性を高めた長尺の超電導導体
を提供できる。

【００３５】また、この発明の第２応用例としては、双
方の集合体の端面（接続面）間にインサートメタルを挿
入し、このインサートメタルを介して集合体を互いに接
続してもよい。インサートメタルの材料としては、Ｃｕ
やＣｕ合金等の比較的柔らかく、かつ、Ｎｂ₃Ｓｎ化合
物等の比較的堅くて脆い超電導材料に対して比較的容易
に相互拡散可能な良電気伝導体を選定することが望まし
い。特に、Ｃｕの場合には、極低温時に示す固有抵抗値
を低くするため、より高純度のものが好ましい。また、
インサートメタルの板厚は、極低温時に示す材料の固有
抵抗値を考慮に入れて、極力薄くすることが好ましく、
その適性範囲に関する実験の結果、０．１〜１ｍｍ程度
が望ましいことを確認した。

【００３６】従って、この第２応用例によれば、上記と
同様の効果に加え、インサートメタルを使用することに
より、接続面の密着度をより一層高め、加熱及び加圧に
よる拡散接合を可能とし、柔らかいインサートメタルを
介して加圧力をより一層小さくして加圧時の超電導導体
の歪み等をより一層、効果的に抑制できる。

【００３７】また、この発明の第３応用例としては、双
方の集合体の端面の夫々にコーティングを施し、このコ
ーティング材を介して集合体を互いに接続してもよく、
この場合でも上記第２応用例と同様の効果を発揮させる
ことができる。コーティング材としては、Ｃｕ、Ａｇ、
Ａｕ等の比較的柔らかく、かつ、Ｎｂ₃Ｓｎ化合物等の
比較的堅くて脆い超電導材料に対して比較的容易に相互
拡散可能な良電気伝導体を選定することが望ましい。

【００３８】例えば、コーティング方法としてＰＶＤを
採用する場合には、超電導素線の表面、即ち被コーティ
ング面がスパッタリングにより洗浄されると共に、密着
性をより一層高めることができる。この場合の膜厚は、
コーティング材料の極低温時で示す固有抵抗値を考慮に
入れて、極力薄くすること好ましく、その適性範囲に関
する実験の結果、５０〜５００μｍ程度が望ましいこと
を確認した。

【００３９】また、上記の実施形態及び各種応用例で
は、超電導導体として、熱処理を施したＮｂ₃Ｓｎ化合
物の線材を対象としてあるが、熱処理前の線材を対象と
して上記方法で接続し、その後に熱処理を施してＮｂ₃
Ｓｎ化合物を生成してもよい。超電導導体の材料として
は、上記のＮｂ₃Ｓｎ化合物のほか、Ｎｂ₃Ａｌ、使用
実績の高いＮｂＴｉ合金の線材を使用してもよい。この
発明の原理を逸脱しない範囲内にある限り、上記と同様
の効果を発揮させることができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、接続対象の双方の超電導導体の接続側端部に各超電
導素線の集合体を夫々形成し、この集合体の夫々の端面
を所定の表面粗さで仕上げ加工し、その端面を介して集
合体の夫々を所定の接合条件下で互いに突き合わせて接
合することにより、その集合体の接合部を介して双方の
超電導導体を互いに接続することを必須工程としたた
め、接続部の低抵抗化及びコンパクト化を志向しつつ、
フィラメント同士を直接接続しないで済むため、フィラ
メントや安定化材の取扱いに関する煩雑さを殆ど解消し
て、その接続工程を簡素に構築でき、その作業環境も大
幅に改善でき、その結果、接続部の特性及び信頼性をよ
り一層向上させた超電導導体を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態に係る超電導導体の構造を
説明する図で、（ａ）は全体の概略断面図、（ｂ）は要
部の概略断面図。

【図２】超電導導体の接続構造及びその接続方法を説明
する図で、（ａ）は超電導素線を露出させる工程を説明
する概略斜視図、（ｂ）は集合体を形成する工程を説明
する概略斜視図。

【図３】双方の超電導導体を接続する工程を説明する概
略断面図。

【図４】接続部を容器を囲う工程及びその工程後の接続
構造を説明する概略斜視図。

【図５】容器に導出管を取り付けた場合を説明する概略
斜視図。

【図６】この発明の第１応用例に係るパイプを用いた超
電導導体の接続構造及びその接続方法を説明する概略斜
視図。

【図７】スウェージング加工を施す工程を説明する概略
斜視図。

【図８】パイプを用いて双方の超電導導体を接続した状
態を説明する概略斜視図。

【符号の説明】

１超電導導体２コンジット３超電導素線４銅パイプ５フィラメント６安定化材７集合体（接合部）８端面（接続面）１０チャンバー１１真空ポンプ１２導入バルブ１３外部ヒータ１４加圧装置１５容器１５ａ、１５ｂ溶接部１６導出管２０パイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者住吉幸博神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者小野通隆神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者塙伸一神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者布施俊明神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者柴山和仁神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のフィラメントを安定化材で覆って
成る複数の超電導素線及びこの各超電導素線を収納する
コンジットで構成した超電導導体を接続対象として使用
し、この接続対象の双方の超電導導体の接続側端部に上
記各超電導素線を露出状態で且つ上記安定化材の存在下
で互いの空隙が非存在又は略非存在となる状態に密集さ
せた集合体を夫々形成し、この集合体の夫々の端面を所
定の表面粗さで仕上げ加工し、その端面を介して上記集
合体の夫々を所定の接合条件下で互いに突き合わせて接
合することにより、その集合体を介して上記双方の超電
導導体を互いに接続することを特徴とする超電導導体の
接続方法。
【請求項２】前記双方の超電導導体を互いに接続する
工程の後に当該双方の超電導導体の接続部の周囲を容器
で気密に囲う工程を使用した請求項１記載の超電導導体
の接続方法。
【請求項３】前記集合体を形成する工程として、前記
各超電導素線をパイプに挿入し、このパイプと上記各超
電導素線とを一体にスウェージング加工して上記集合体
を形成する工程を用いた請求項１又は２記載の超電導導
体の接続方法。
【請求項４】前記双方の超電導導体を互いに接続する
工程として、前記集合体の夫々の端面間にインサートメ
タルを挿入し、そのインサートメタルを介して上記集合
体の夫々を互いに接合する工程を用いた請求項１乃至３
のいずれか１項記載の超電導導体の接続方法。
【請求項５】前記インサートメタルとして、Ｃｕ及び
Ｃｕ合金を含む複数の導電体の少なくとも１種を用いた
請求項４記載の超電導導体の接続方法。
【請求項６】前記双方の超電導導体を互いに接続する
工程として、前記集合体の夫々の端面をコーティング材
を用いて被覆し、そのコーティング材を介して上記集合
体の夫々を互いに接合する工程を用いた１乃至３のいず
れか１項記載の超電導導体の接続方法。
【請求項７】前記接合条件として、真空下又はガス雰
囲気下で加熱及び加圧する条件を用いた請求項１乃至６
のいずれか１項記載の超電導導体の接続方法。
【請求項８】複数の超電導素線を有し、この各超電導
素線の軸方向に少なくとも１つの接続部を備えた超電導
導体において、上記接続部は、上記軸方向に互いに突き合わして一体に
接合された双方の接合部で成り、この双方の接合部の夫
々を、上記各超電導素線間の空隙が非存在又は略非存在
となる状態に当該各超電導素線を集合させた集合体で構
成したことを特徴とする超電導導体。
【請求項９】前記集合体は、前記各超電導素線の外周
部を覆うパイプを備えた請求項１記載の超電導導体。