JP2001332414A - 超電導コイル装置およびその導体端子部の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な機械強度を持つとともに、ヘリウム漏
れに対しても十分に信頼できる超電導コイル装置および
その製造方法を提供すること。 【解決手段】 本発明の超電導コイル装置の導体端子部
において、通電用管状部を周方向に複数に分割した銅製
管壁構成部材間に介在されるニッケル銅合金製のバリア
と、通電用管状部と前記コンジットまたはステンレス鋼
製配管継手とを連結するためのニッケル銅合金製管状部
材とを一体的に構成する。

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、内部強制冷却式
導体を使用する超電導コイル装置およびその導体端子部
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超電導コイル装置の導体端子部と
しては図３〜図７に示すようなものが知られている。図
３はその縦断面図である。この図３において、１は導体
としての超電導撚線、２はこの超電導撚線を収納した金
属管コンジット、１１はこのコンジット２から露出され
る超電導撚線１を覆う通電用管状部、１２はこの通電用
管状部１１とコンジット２とを仲介する第１ニッケル銅
合金製管状部材、１４はステンレス鋼製配管継手、１３
は通電用管状部１１とステンレス鋼製配管継手１４を仲
介する第２ニッケル銅合金製管状部材、１４はステンレ
ス鋼製配管継手、１５はステンレス管、１６は他の導体
端子部との間の接続片、１７は接続片１６と導体端子部
における通電用管状部１１とを接続するハンダ層であ
る。

【０００３】図４は、図３に示した導体端子部の組立前
の状態として、コンジット２から超電導撚線１が露出さ
れている状態を示した斜視図である。この図４におい
て、超電導撚線１は超電導線を撚り合せた構造のもので
あって、ステンレス鋼製またはニッケル合金製金属管コ
ンジット２内に密着収納されており、導体端子部として
組み立てられる前には、この図の状態のように超電導撚
線１の端部がコンジット２から露出した状態にされてい
る。

【０００４】図５は、図３に示した導体端子部の横断面
図である。この図から良く分かるように、通電用管状部
１１は、管周壁を周方向に複数に分割した形状の銅製管
壁構成部材１１ａと、この銅製管壁構成部材１１ａ間に
介在するように配置されたバリア１１ｂとから構成され
ている。このバリア１１ｂの材質としては、極低温て銅
よりはるかに抵抗が大きいニッケル銅合金が使用されて
いる。

【０００５】このように構成された導体端子部では、次
のように動作する。電流は、超電導コイル装置に通電さ
れる際、他の導体端子部から接続片１６を通り、次にハ
ンダ層１７を通って、導体端子部の通電用管状部１１を
通る。通電用管状部１１はかしめられて超電導撚線１に
密着しているため、通電用管状部１１と超電導撚線１の
接触界面を通して電流が超電導撚線１に流れ、図示しな
い超電導コイル装置本体に流れる。一方、超電導コイル
装置を冷却する冷媒ヘリウムは、導体端子部の配管継手
１４から導体端子部内に入り、超電導撚線１内の空隙に
浸透流入する。また、超電導コイル装置ヘの通電によ
り、超電導コイル装置の本体内空間のみならず、導体端
子部にも強い磁場が発生する。導体端子部における通電
用管状部１１がバリア１１ｂ無しで銅製管壁構成部材の
みで構成されている場合には、磁場変化時に銅製管壁構
成部材に大きい渦電流が発生し、大きな発熱が生ずる。
このため、この発熱により超電導撚線１の温度が上昇
し、超電導コイル装置の運転限界温度との余裕度が著し
く減殺されるのみならず、場合によっては超電導撚線１
が常電導化へ暴走するクエンチに至り、超電導コイル装
置の運転の甚だしい障害となる虞がある。バリア１１ｂ
はこのような問題を解消するために必要とされているも
のである。

【０００６】次に、上記超電導コイル装置の導体端子部
の製造方法を説明する。まず、図４に示したように、コ
ンジット２の先端部分を除去して、超電導撚線１がコン
ジット２から露出された状態とする。また、図６に示す
ように、導体端子部を構成する第１ニッケル銅合金製管
状部材１２、通電用管状部１１および第２ニッケル銅合
金製管状部材１３からなる複合金属管部分が真っ直ぐな
管状に別途形成される（この形成の方法については後述
する）。図６は、コンジット２に溶接される前の状態に
おける複合金属管部分の斜視図であり、後述する切削、
穴加工およびかしめ加工が施される前の状態で示されて
いる。次に、この図６に示した複合金属管部分の一端部
がコンジット２に溶接され、また、この複合金属管部分
の他端部にステンレス鋼製配管継手１４が溶接される。
その後、通電用管状部１１をかしめ加工して縮径し、銅
製管壁構成部材１１ａを超電導撚線１に圧着させる。な
お、通電用管状部１１の両側にニッケル銅合金製管状部
材１２、１３を配置させているのは、ステンレス鋼に対
し銅を高信頼性のもとに溶接することが難しいが、これ
に対し、ニッケル銅合金は、ステンレス鋼、銅のいずれ
に対しても信頼性の高い溶接を行うことが可能となるた
めである。

【０００７】次に、図６に示した複合金属管部分は、次
のようにして製作される。図７は、前記複合金属管部分
を構成する部材を組み付ける前の状態で表した分解斜視
図である。両端にはニッケル銅合金製管状部材１２，１
３を形成するための部材としてのニッケル銅合金棒２
２、２３が配置される。また、このニッケル銅合金棒２
２、２３の間には、通電用管状部１１の銅製管壁構成部
材１１ａを構成する部材としての略丸棒状の銅棒２１ａ
が組み付けられる。そして、この銅棒２１ａの表面には
軸方向に凹溝が加工されており、この凹溝には、断面が
この凹溝と同一のニッケル銅合金棒２１ｂが嵌め込ま
れ、熱間水圧プレス加工（いわゆるＨＩＰ加工）により
一体化結合される。すなわち、図７においては各部品が
離された状態で示されているが、これら部品を所定位置
に組み付けてステンレス管に気密封入し、ＨＩＰ成形装
置に投入して１２０ＭＰａ、９５０℃、２時間の高温、
高圧処理して上記異種金属部材が拡散接合され、一体化
結合される。そして、その後この一体化結合された異種
金属部材（組立品）の外周を機械加工で切削し、さら
に、中心に穴加工をして施すことにより、図６に示した
ような超電導コイル装置の端子部として組み立てられる
前の状態の複合金属管部分（切削、穴加工後の組立品）
が形成される。そして、この切削、穴加工後の組立品
（複合金属管部分）は、前述のようにコンジット２に接
続され、さらに、上述の導体端子部の加工が施される。
また、その後、超電導コイル装置は超電導体であるＮｂ
₃Ｓｎを生成するために、６５０℃、２４０時間の長時
間の熱処理が施され、さらに、電気絶縁処理が施されて
超電導コイル装置として完成される。なお、超電導コイ
ル装置の導体端子部に使用されるニッケル銅合金として
は、ニッケルが６３％以上、銅が約３０％からなるＭｏ
ｎｅｌ４００が使用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
超電導コイル装置においては、図７に示したように、Ｈ
ＩＰ加工前の状態において、両端部のニッケル銅合金棒
２２、２３と、銅棒２１ａの凹溝に嵌められたニッケル
銅合金棒２１ｂの両端面との間に、ニッケル銅合金同士
間の接合界面が形成される。一方、このニッケル銅合金
としては前述のようにＭｏｎｅ１４００が使用されてい
るが、このＭｏｎｅｌ４００には３％程度の微量の炭素
が不可避的に含まれている。このため、前述のＮｂ₃Ｓ
ｎ生成熱処理中にＭｏｎｅ１４００に含まれる微量の炭
素が前記ニッケル銅合金同士間の接合界面に析出し、界
面の機械的脆化を来すという問題があった。

【０００９】発明者が行った室温での引張り強度試験に
よれば、焼鈍されたＭｏｎｅ１４００母材は４８０ＭＰ
ａ以上、ＨＩＰ接合したままのＭｏｎｅ１４００同士の
継手も４８０ＭＰａ以上であるが、６５０℃、２４０時
間のＮｂ₃Ｓｎ生成熱処理をしたＭｏｎｅ１４００同士
のＨＩＰ接合継手は３００〜３５０ＭＰａであった。こ
のように、６５０℃、２４０時間のＮｂ₃Ｓｎ生成熱処
理前のＨＩＰ接合継手では母材並の引張強度が実現して
いるのに対し、この熱処理をしたＨＩＰ接合継手は明ら
かに劣化していた。また、この６５０℃、２４０時間の
Ｎｂ₃Ｓｎ生成熱処理を施したＨＩＰ接合継手の接合界
面を分析したところ、母材部分よりはるかに多い炭素が
検出され、接合界面への炭素の析出が裏付けられ、この
炭素析出現象が引張り強度の低下の原因であることが判
明した。

【００１０】以上のように従来の超電導コイル装置で
は、導体端子部にニッケル銅合金同士間の接合界面が形
成されており、この接合部分の強度が弱いために、材質
や肉厚そのものから期待される機械強度が発揮されず、
さらには、ニッケル銅合金同士間の接合部の割れによる
ヘリウム漏れが懸念されていた。このため、運転条件を
下げなければならず、また、ヘリウム漏れの危険性を内
包するため信頼性が低いなどの問題点があった。

【００１１】この発明は、このような従来の技術に存在
する問題点に着目してなされたものである。その目的と
するところは、十分な機械強度を持つとともに、ヘリウ
ム漏れに対しても十分に信頼できる超電導コイル装置お
よびその製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超電導コイル装置は、導体を内部に収納し
た金属管コンジットと、管周壁を周方向に複数に分割し
た形状の銅製管壁構成部材と、この銅製管壁構成部材間
に介在するように配置されたニッケル銅合金製のバリア
とから構成されて、前記銅製管壁構成部材が前記超電導
撚線の端部に接触せしめられている通電用管状部と、こ
の通電用管状部と前記コンジットとを連結するための第
１ニッケル銅合金製管状部材と、前記通電管状部の先端
側に接続された冷媒ヘリウムを導入するためのステンレ
ス鋼製配管継手と、このステンレス鋼製配管継手と前記
通電用管状部とを連結するための第２ニッケル銅合金製
管状部材とからなる導体端子部を備え、この導体端子部
において、前記バリアと前記第１ニッケル銅合金製管状
部材と前記第２ニッケル銅合金製管状部材とが一体的に
構成されていることを特徴とする。

【００１３】また、本発明の超電導コイル装置用端子部
の製造方法は、ニッケル銅合金製の略丸棒の長さ方向中
間部に、断面略扇型の凹溝を軸方向に複数形成する工程
と、この断面略扇型の凹溝と同一の断面形状を有する銅
棒を、前記断面扇型の凹溝に嵌め込む組立工程と、この
組立工程により形成された組立品を熱間水圧プレス加工
により一体化結合する工程と、この一体化された組立品
の外周を切削し、中心部に穴を加工する切削工程と、導
体端部を露出したコンジットに対し前記切削、穴加工後
の組立品の一端を溶接し、さらに、この組立品の他端に
ヘリウム冷媒導入用のステンレス鋼製配管継手を溶接す
る溶接工程と、この溶接後に、前記組立品をかしめて、
前記銅棒の部分を前記導体に圧着する工程とを備えたこ
とを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明を
具体化した超電導コイル装置を図１および図２に基づい
て説明する。なお、従来の超電導コイル装置と同一の要
素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。図１
は、超電導コイル装置の導体端子部を構成する第１ニッ
ケル銅合金製管状部材１２、通電用管状部１１および第
２ニッケル銅合金製管状部材１３からなる複合金属管部
分のコンジット２に溶接される前の状態における斜視図
であって、従来の超電導コイル装置の導体端子部に係る
図６に対応する図面である。この実施の形態１に係る超
電導コイル装置の端子は、この複合金属管部分の構成お
よび製作方法が従来のものと異なり、他の構成および製
作方法は従来のものと同一である。

【００１５】図２は、この複合金属管部を構成する部材
を組み付ける前の状態で表した分解斜視図である。この
図２に示されるように、ニッケル銅合金製管状部材１
２，１３を形成するための部分としての円筒部２０ａ、
２０ｂと、バリア１１ｂを形成するための部分としての
断面十字型の部分１８とが、ニッケル銅合金製（前述の
Ｍｏｎｅｌ １４００製）の丸棒に断面略扇型の凹溝１
９を四方から切削加工することにより、一体のものとし
て形成されている。また、１９ａは、この各凹溝１９に
嵌合される断面略扇型の銅棒である。そして、円筒部２
０ａ、２０ｂと断面十字型の部分１８とが一体に形成さ
れたニッケル銅合金部材の凹溝１９に銅棒１９ａを嵌合
した異種金属部材を、ステンレス管に気密に封入してＨ
ＩＰ成形装置に投入し、１２０ＭＰａ、８５０℃、３時
間の高温、高圧処理して拡散接合し、一体化結合して異
種金属部材（組立品）を形成する。その後に、この一体
化結合した異種金属部材（組立品）の外周を切削加工
し、さらに、中心に穴加工を施すことにより、図１に示
した複合金属管部分（切削、穴加工後の組立品）を形成
する。なお、凹溝１９の角部は、図２では丸みが無しで
示されているが、このような形状は現実的には加工困難
であるため、加工が可能な程度の丸みがつけられる。な
お、この角部の形状は、要するに凹溝１９と銅棒１９ａ
とがこの角部で互いに密着する形状であればよい。

【００１６】次に、コンジット２の端部を除去して、超
電導撚線１を露出した状態とする（前記図４参照）。そ
して、この露出した超電導撚線１を前記切削、穴加工後
の組立品（複合金属管部分）の穴内に挿入する状態で、
コンジット２にこの組立品の一端を溶接して接続する。
また、この組立品（複合金属管部分）の他端部にステン
レス鋼製配管継手１４を溶接する。その後、通電用管状
部１１をかしめ加工して縮径し、銅製管壁構成部材１１
ａを超電導撚線１に圧着させる。さらに、従来のものと
同様に、超電導体であるＮｂ₃Ｓｎを生成するために６
５０℃、２４０時間の超長時間の熱処理を行い、その後
電気絶縁を施して超電導コイル装置と成している。

【００１７】この実施の形態１は、上記のように構成さ
れているので、ニッケル銅合金製管状部材１２、１３
と、通電用管状部１１のバリア１１ｂとが一体的に構成
され、従来のもののように、この間にニッケル銅合金同
士の接合面が存在しない。したがって、本発明では、従
来のように、Ｎｂ₃Ｓｎ生成熱処理中にＭｏｎｅｌ４０
０に含まれていた微量の炭素がニッケル銅合金同士の接
合界面に析出して、接合界面の機械的結合を脆化させる
という問題が根本的に存在しない。なお、唯一存在する
接合部は、銅とＭｏｎｅ１４００との間の接合面である
が、これは従来のものと同様、銅母材以上の強度があり
問題が無い。

【００１８】実施の形態２．上記実施の形態１では、ニ
ッケル銅合金としてＭｏｎｅｌ １４００（ニッケル６
３％以上、銅３０％）の場合について述べたが、炭素を
含むニッケル銅合金でも同様の効果がある。

【００１９】

【発明の効果】この発明は以上のように構成されている
ため、次のような効果を奏する。本発明の超電導コイル
装置は、導体を内部に収納した金属管コンジットと、管
周壁を周方向に複数に分割した形状の銅製管壁構成部材
と、この銅製管壁構成部材間に介在するように配置され
たニッケル銅合金製のバリアとから構成されて、前記銅
製管壁構成部材が前記超電導撚線の端部に接触せしめら
れている通電用管状部と、この通電用管状部と前記コン
ジットとを連結するための第１ニッケル銅合金製管状部
材と、前記通電管状部の先端側に接続された冷媒ヘリウ
ムを導入するためのステンレス鋼製配管継手と、このス
テンレス鋼製配管継手と前記通電用管状部とを連結する
ための第２ニッケル銅合金製管状部材とからなる導体端
子部を備え、この導体端子部において、前記バリアと前
記第１ニッケル銅合金製管状部材と前記第２ニッケル銅
合金製管状部材とが一体的に構成されているので、各部
材間の接合面にニッケル銅合金同士の接合面が無く、何
れの接合面の強度も大きくなり、機械的強度が向上す
る。また、この結果、ヘリウムの漏れに対し高い信頼性
を持った超電動コイル装置を提供することができる。

【００２０】また、本発明の超電導コイル用導体端子部
の製造方法によれば、ニッケル銅合金製の略丸棒の長さ
方向中間部に、断面略扇型の凹溝を軸方向に複数形成す
る工程と、この断面略扇型の凹溝と同一の断面形状を有
する銅棒を、前記断面扇型の凹溝に嵌め込む組立工程
と、この組立工程により形成された組立品を熱間水圧プ
レス加工により一体化結合する工程と、この一体化され
た組立品の外周を切削し、中心部に穴を加工する切削工
程と、導体端部を露出したコンジットに対し前記切削、
穴加工後の組立品の一端を溶接し、さらに、この組立品
の他端にヘリウム冷媒導入用のステンレス鋼製配管継手
を溶接する溶接工程と、この溶接後に、前記組立品をか
しめて、前記銅棒の部分を前記導体に圧着する工程とを
備えているので、ニッケル銅合金同士の接合面を有しな
い構造の超電導コイル用導体端子部を容易に製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係る導体端子部に
おける複合金属管部のコンジットへの取付け前の状態斜
視図である。

【図２】 図１の複合金属管部の加工前における部品構
成を示した分解斜視図である。

【図３】 従来の超電導コイル装置の導体端子部構造を
示す側断面図である。

【図４】 図３の導体端子部組立前に、コンジットの端
部から超電導撚線を露出させた状態を示す斜視図であ
る。

【図５】 図３の導体端子部の横断面図である。

【図６】 図３の導体端子部における複合金属管部（切
削、穴加工後の組立品）のコンジットへの取付け前の状
態斜視図である。

【図７】 図６の複合金属管部の切削、穴加工前におけ
る部品構成を示した分解斜視図である。

【符号の説明】

１ 超電導撚線、２ コンジット、１１ 通電用管状
部、１１ａ 銅製管壁構成部材、１１ｂ バリア、１２
第１ニッケル銅合金製管状部材、１３ 第２ニッケル
銅合金製管状部材、１４ ステンレス鋼製配管継手、１
５ ステンレス配管、１６ 接続片、１７ 接続ハンダ
層、１８ （バリアを形成するための部分としての）断
面十字型の部分、２０ａ、２０ｂ （ニッケル銅合金製
管状部材を形成するための部分としての）円筒部、２１
ａ 銅棒、２１ｂ ニッケル銅合金棒、２２、２３
（ニッケル銅合金製管状部材を形成するための部材とし
ての）ニッケル銅合金棒。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導体を内部に収納した金属管コンジット
   と、 管周壁を周方向に複数に分割した形状の銅製管壁構成部
   材と、この銅製管壁構成部材間に介在するように配置さ
   れたニッケル銅合金製のバリアとから構成されて、前記
   銅製管壁構成部材が前記超電導撚線の端部に接触せしめ
   られている通電用管状部と、 この通電用管状部と前記コンジットとを連結するための
   第１ニッケル銅合金製管状部材と、 前記通電管状部の先端側に接続された冷媒ヘリウムを導
   入するためのステンレス鋼製配管継手と、 このステンレス鋼製配管継手と前記通電用管状部とを連
   結するための第２ニッケル銅合金製管状部材とからなる
   導体端子部を備え、この導体端子部において、 前記バリアと前記第１ニッケル銅合金製管状部材と前記
   第２ニッケル銅合金製管状部材とが一体的に構成されて
   いることを特徴とする超電導コイル装置。
2. 【請求項２】 ニッケル銅合金製の丸棒の長さ方向中間
   部に、断面略扇型の凹溝を軸方向に複数形成する工程
   と、 この断面略扇型の凹溝と同一の断面形状を有する銅棒
   を、前記断面扇型の凹溝に嵌め込む組立工程と、 この組立工程により形成された組立品を熱間水圧プレス
   加工により一体化結合する工程と、 この一体化された組立品の外周を切削し、中心部に穴を
   加工する切削工程と、 導体端部を露出したコンジットに対し前記切削、穴加工
   後の組立品の一端を溶接し、さらに、この組立品の他端
   にヘリウム冷媒導入用のステンレス鋼製配管継手を溶接
   する溶接工程と、 この溶接後に、前記組立品をかしめて、前記銅棒の部分
   を前記導体に圧着する工程とを備えたことを特徴とする
   請求項１記載の超電導コイル装置用導体端子部の製造方
   法。