JP2011124188A - 酸化物超電導線の接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導限流器などの超電導機器に適用する酸化物超電導線同士を接続する際に、接続部の抵抗損失を低減して信頼性向上が図れるように改良した超電導線の接続方法を提供する。
【解決手段】安定化金属５にCuNiやCuZn、またはステンレスなどの比較的高抵抗を有する金属材を採用した酸化物超電導線Ａ，Ｂの接続方法において、その接続部における前記安定化金属５を選択的に除去した上で、該接続部に露呈した銀層４を互い向かい合わせて超電導線ＡとＢの接続部を重ね合わせ、この状態で銀層４の間をはんだ接合６して超電導線を接続する。これにより、接続部を通流する電流は高抵抗の安定化金属５を経由せずに流れて低抵抗損失，高信頼性の接続が達成できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、超電導変圧器，超電導リアクトル，超電導限流器，超電導電動機，超電導発電機などの超電導機器のコイルに適用する酸化物超電導線の接続方法に関する。

超電導線材として、最近では液体窒素の蒸発温度である７７Ｋの温度でも超電導状態を維持する高温超電導体が実用化されており、例えばビスマス系の高温超電導材の粉末を銀パイプ中に充填し、線引き、圧延してテープ状に成形した高温超電導線が一般に用いられている。

ところで、頭記した超電導機器は、巻枠に巻回されたコイル導体の中間部で超電導線同士を接続する、あるいはコイル端部で超電導線と電極に向けて軸方向に引き出した別な超電導線とを接続するなど、超電導線同士の接続が必要となる。このような超電導線相互間の接続方法として、従来でははんだ付けによる接続法が一般に採用されている。

このはんだ付けによる接続法は、超電導線材の端部を例えば30mm〜50mmの長さに重ね合わせ、この状態でその重ね合わせ面がはんだ接合される。この場合に、前記したビスマス系の高温超電導線は、線材の全表面が母材となる銀または銀合金などのシース材で覆われているので、線材の向きに関係なくシース材同士を重ね合わせてはんだ付けすることで、超電導線同士を比較的容易に接続できる。

一方、最近では電流容量の増大、製造コストの低減化などの観点から、次世代の超電導線材としてイットリウム系の高温酸化物超電導体が注目されている。このイットリウム系酸化物超電導体は、ステンレスやハステロイなどの高剛性金属テープ（基材）の片面に絶縁材料の中間層を蒸着した上で、この中間層にイットリウム系の酸化物超電導材を蒸着して成膜し、さらにこの超電導層の上にクエンチ保護の安定化材として銀をコーティングする方法で高温超電導線材を製作している。また、イットリウム系の酸化物超電導層に蒸着した銀層をシード層として、この銀層の上に安定化金属として銀よりも安価な銅などの金属テープをはんだ接合（金属テープにはんだメッキを施し、銀層に重ねて加熱溶着する），あるいは導電性接着剤によりラミネートして安定化材を複合化した構造の超電導線材も開発されている（例えば、特許文献１参照）。

上記イットリウム系酸化物超電導線材の模式構造を図５に示す。図５において、１はステンレスやハステロイなどの高剛性金属材になるテープ状の金属基材、２は金属基材１の片面に蒸着した絶縁物の中間層、３は中間層２の上に蒸着したイットリウム系の超電導層、４は超電導層３の上に蒸着した銀層、５は銀層４の上にラミネートしたテープ状の安定化金属であり、銀層４と安定化金属５とで複合の安定化層を形成している。

前記のようにイットリウム系の酸化物超電導線材は、線材の全表面が銀，銀合金のシース材で覆われている先記のビスマス系高温超電導線とは異なり、線材の片面側が中間層を介して超電導層と絶縁された金属基材であることから、この超電導線同士を接続するにはその線材構造に対応した接続方法が必要となる。かかる点、従来から酸化物超電導線の接続法として様々な提案がなされており、その代表例として接続する超電導線の安定化金属を向かい合わせ（Face-to-Face）に重ね合わせた上で、その重ね合わせ面をはんだ接合する接続方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

一方、近年の電力系統は電力需要増加に伴いますます大規模化、複雑化していることから、電力系統の短絡事故発生の際に系統に流れる故障電流も増大すると予測される。そこで、電力系統の短絡事故時に流れる故障電流が系統に接続した遮断器の遮断容量を超えないように抑制するための限流手段として、最近では前記のイットリウム系酸化物超電導体のS/N転移を利用して故障電流を限流させるようにした超電導限流器が注目され、その製品開発が進められている。

この超電導限流器の動作原理はよく知られているように、平常時は電流が超電導材を通流し、電力系統の突発短絡事故などにより過大な故障電流が流れて超電導材が常電導状態に転移した際に、電流を安定化金属にバイパスさせて過電流を限流させるようにしたものである。そして、この超電導限流器では、過電流が超電導材から安定化金属にバイパスした際のインピーダンスを大きくするために、図５に示した超電導線の安定化金属５として、CuNiやCuZn、またはステンレスなどの比較的高抵抗な金属材を採用している。

また、前記の超電導限流器の動作原理を超電導変圧器に応用した限流機能付き超電導変圧器の開発も進められている。

特表２００７−５２４１９８号公報（図１、Ｐ８−９) 特開２０００−１３３０６７号公報

ところで、超電導限流器，あるいは限流機能付き超電導変圧器などのコイル導体に適用する前記のイットリウム系酸化物超電導線（図５参照）について、先記のように巻枠に巻回されたコイル導体の中間部、あるいはコイル端部で電極に向けて軸方向に引き出した超電導線との間で超電導線同士を接続する際に、超電導線材の安定化金属を向かい合わせに重ねてはんだ付けする従来の接続方法（特許文献２）をそのまま採用すると、その接続部を通流する電流の通電性には次記のような不具合が発生する。

すなわち、図６，図７は、それぞれ図５に示したイットリウム系酸化物超電導線ＡとＢの端部を長手方向に並行，および直交する方向に重ね合わせた上で、その重ね合わせ面をはんだ接合した接続法による接続部の模式図であり、各図の（ａ）は超電導線ＡとＢとを接続する前、（ｂ）は接続後における接続部の超電導通電状態を表す。なお、各図中には図５と同一部材に同じ符号を付している。

この図６（ｂ），図７（ｂ）の図中に矢印で表した通電経路から判るように、右側の超電導線Ｂから接続部を経て左側の超電導線Ａに流れる電流は、超電導層３→銀層４→安定化金属５→はんだ層６→安定化金属５→銀層４→超電導層３の経路に沿って流れる。したがって、超電導，常電導の状態に関係なく超電導線の接続部を通流する電流は安定化金属４と銀層３を２回ずつ通過することになる。

この場合に、超電導限流器などに使用する超電導線として、先述のように安定化金属５にCuNiやCuZn、またはステンレスなどの比較的高抵抗な金属材を採用したものでは、超電導線の接続部に生じるジュール発熱が大きく、特に過電流が流れた場合に発熱が大となる。このために、前記接続方法では超電導線接続部の抵抗損失が増大するほか、最悪の場合にはジュール発熱によって線材が焼損する危険性がある。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解消して接続部の抵抗損失を低減し、併せて過度な発熱で線材が焼損するなどの不具合を巧みに抑止して信頼性の向上が図れるように改良した酸化物超電導線の接続方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、この発明の第１の発明によれば、安定化金属にCuNiやCuZn、またはステンレスなどの比較的高抵抗を有する金属材を採用した酸化物超電導線の接続方法において、その接続部における前記安定化金属を選択的に除去した上で、該接続部に露呈した銀層面を互い向かい合わせて超電導線の接続部を重ね合わせ、この状態で銀層の間をはんだ接合して超電導線を接続する（請求項１）。

また、第２の発明によれば、前記接続部における安定化金属を選択的に除去し、かつその接続部に露呈する銀層の間に金または金合金，銀または銀合金，銅または銅合金，アルミニウムまたはアルミニウム合金などの良導電性金属片を介在させた上で、超電導線の接続部を重ね合わせ、この状態で前記良導電性金属片と各超電導線の銀層面との間をはんだ付けして接続する（請求項２）。

上記したこの発明の接続方法によれば、超電導線の接続部に流れる電流は高抵抗金属材の安定化金属を経由せずに通流させることができ、これにより接続部における局部的な発熱を抑えて低損失，高信頼性な接続が達成できる。

また、超電導線間の接続部において、高抵抗な安定化金属を除去したあとに良導電性金属片を介在させ、この良導電性金属片と銀層との間をはんだ接合するようにした第２の発明の接続方法によれば、接続抵抗の増加を伴うことなしに良導電性金属片がバッファとなって接続部の熱容量が増加する。これにより、超電導線に過電流が短時間過渡的に流れた場合でも前記良導電性金属片のバッファ効果により接続部の過度な温度上昇を抑制して信頼性の高い接続が達成できる。

この発明の第１の発明により酸化物超電導線同士を長手方向に沿って並行に接続した実施例を示す接続部の模式図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は電流経路とともに表した接続状態の側視図である。 この発明の第１の発明により酸化物超電導線同士を直交する方向に接続した実施例を示す接続部の模式図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は電流経路とともに表した接続状態の側視図である。 この発明の第２の発明により酸化物超電導線同士を長手方向に沿って並行に接続した実施例を示す接続部の模式図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は電流経路とともに表した接続状態の側視図である。 この発明の第２の発明により酸化物超電導線同士を直交する方向に接続した実施例を示す接続部の模式図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は電流経路とともに表した接続状態の側視図である。 イットリウム系酸化物超電導線材の模式構造図である。 酸化物超電導線同士を長手方向に沿って並行接続した接続部の従来構造図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は電流経路とともに表した接続状態の側視図である。 酸化物超電導線同士を直交する方向に接続した接続部の従来構造図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は電流経路とともに表した接続状態の側視図である。

以下、この発明の実施の形態を図１，図２，図３，および図４に示す各実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図５〜図７に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、この発明の第１の発明による実施例として、イットリウム系の酸化物超電導線同士をその長手方向に並行して接続した接続部の構造，および接続方法を図１（ａ），（ｂ）で説明する。

この実施例においては、超電導線ＡとＢを接続する際の前処理工程として、超電導線Ａ，Ｂの接続部の幅Ｗに合わせて安定化金属５を選択的に除去する。この処理工程では、安定化金属５が銀層４にはんだ接合されている場合には、例えば、前記幅Ｗに合わせて安定化金属５の表面に切込みを入れた後、超電導線の接続部をトーチなどによりはんだ溶融温度に加熱した状態でテープ状の安定化金属５を端から部分的に引き剥がしカットする。これにより接続部には、はんだ層の残った銀層４が露呈するようになる。

次に、（ａ）図のように超電導線ＡとＢの銀層４を向かい合わせ（Face-to-Face）に重ね合わせてはんだ接合する。なお、状況により超電導線Ａ，Ｂの接合面の間に、はんだシートを介在させるか、あるいはクリームはんだを塗布するようにしてもよい。これにより、（ｂ）図で示すように超電導線ＡとＢの間が接続される。

そして、接続後に超電導線Ａ，Ｂに通電（定常状態）すると、図中の矢印で表すように超電導層３→銀層４→はんだ接合層６→銀層４→超電導層３を辿る電流経路に沿って電流が接続部を流れることになる。したがって、図６に示した従来の接続方法のように、電流が安定化金属５に流れることがない。これにより、先記した超電導限流器のように安定化金属５がCuNiやCuZn、またはステンレスなどの比較的高抵抗な金属材であっても、接続部における抵抗損失の増大，局部的なジュール発熱に起因する線材の焼損を防止して信頼性の高い低抵抗接続が達成できる。

図２（ａ），（ｂ）は前記実施例１の変形例であり、超電導層ＡとＢは互いに直交する方向に接続されている。この実施例においても、実施例１と同様に接続部の幅Ｗに合わせて超電導線Ａ，Ｂの安定化金属５を選択的に除去した上で向かい合わせに重ねた銀層４の間をはんだ接合して超電導線ＡとＢを接続する。これにより、実施例１と同等な効果を奏することができる。

次に、この発明の請求項２に係わる第２の発明による実施例として、イットリウム系の酸化物超電導線同士を先記の実施例１と同様に長手方向に並行して接続した接続部の構造，および接続方法を図３（ａ），（ｂ）で説明する。

この実施例においては、接続部の幅Ｗに合わせて超電導線Ａ，Ｂの安定化金属５を選択的に除去することは実施例１と同様であるが、互いに向かい合わせに対向する銀層４の間には金または金合金，銀または銀合金，銅または銅合金，アルミニウムまたはアルミニウム合金などの良導電性金属片７を介在させた上で、超電導線Ａ，Ｂの銀層４を良導電性金属片７に重ね合わせてその相互間をはんだ接合するようにしている。

この接続方法では、超電導線ＡとＢとの間の電流経路に良導電性金属片７が介在することになるが、この良導電性金属片７は超電導線の安定化金属（高抵抗金属材）５に比べて低抵抗であるので、接続部における抵抗損失の増加は殆どない。

しかも、良導電性金属片７の介在により、該金属片７が熱的なバッファ材として接続部の熱容量が増大することになる。これにより、通電中に超電導材の臨界電流を超える過電流（電力系統の事故電流）が短時間過渡的に流れた場合でも、接続部のジュール発熱は良導電性金属片７に吸収され、そのバッファ効果により接続部の過度な温度上昇を抑えて焼損を防ぐことができてより一層高い信頼性を確保できる。

図４（ａ），（ｂ）は前記実施例３の変形例であり、超電導層ＡとＢは互いに直交する方向に接続されている。この実施例においても、実施例３と同様に接続部の幅Ｗに合わせて超電導線Ａ，Ｂの安定化金属５を選択的に除去した上で、重ねた銀層４の間に良導電性金属片７を介在させてはんだ接合し、超電導線ＡとＢとの間を接続する。これにより、実施例３と同等な効果を奏することができる。

１：金属基板
２：中間層
３：超電導層
４：銀層
５：安定化金属
６：はんだ接合層
７：良導電性金属片
Ａ，Ｂ：酸化物超電導線

Claims (2)

1. 安定化金属に比較的高抵抗の金属材を採用した酸化物超電導線の接続方法において、その接続部における前記安定化金属を選択的に除去した上で、該接続部に露呈した銀層面を互い向かい合わせて超電導線の接続部を重ね合わせ、この状態で銀層の間をはんだ接合することを特徴とする酸化物超電導線の接続方法。
2. 安定化金属に比較的高抵抗の金属材を採用した酸化物超電導線の接続方法において、その接続部における安定化金属を選択的に除去し、かつ該接続部に露呈する銀層の間に良導電性金属片を介在させた上で、超電導線の接続部を重ね合わせ、この状態で前記良導電性金属片と各超電導線の銀層との間をはんだ接合することを特徴とする酸化物超電導線の接続方法。

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