JP2023043040A - 超電導線の接続構造及びその接続方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、永久電流を流す超電導線の接続技術に関する。
超電導を応用するMRI装置やNMRマグネット等といった機器では、長時間にわたり安定した磁場の発生が求められる。このような機器では一般的に、主磁場を発生する超電導コイル(主コイル)と、超電導線を無誘導に巻回した永久電流スイッチ(PCS)と、により超電導の閉回路が構成されている。
そして、このような超電導の閉回路が構成されることで、永久電流の減衰が抑制され、磁場の安定性が長時間にわたり保たれる。そのためには、主コイルの線材同士、もしくは主コイルの線材とPCSの線材は、超電導フィラメント同士を、極めて低い抵抗値で接続させる必要がある。このような超電導線の接続方式としては、スイッチバック接続とラップ接続との大きく二種類がある。スイッチバック接続とは、接続部で電流が折り返すように二本の超電導線を沿わせて接続する方式である。ラップ接続とは、接続部で電流の方向を変えずに二本の超電導線を直線的に接続する方式である。
実用的な超電導線として広く使われているNbTi線材は、安定に永久電流を流すため、複数の細い超電導フィラメントを安定化材(マトリクス)金属に埋め込んだ構造を持つ。そして、2本の超電導線を互いに接続させるときは、それぞれに埋め込まれた超電導フィラメント同士を、広い面積で介在物無く直接接触させるのが理想的である。
そのような超電導フィラメントを露出させる方法としては、酸でマトリクスを溶かす等の方法が採られる。このようにして露出したNbTiフィラメントは、大気に晒されることで、その表面に形成された酸化層が、接続部における抵抗値の増加原因となる。そこで従来より、超電導接続に外力を与え、フィラメントを相互に接続させ、さらに表面の酸化層を破断させ、NbTiの清浄面同士を接触させる方法が採られている。
しかし、上述した超電導線の接続方法は、フィラメントの接触が弱すぎると接触抵抗が過大となり、接触が強すぎるとフィラメントのくびれや断線を生じ接触抵抗が過大となる、あるいは通電不能になるため、接続条件の制御が困難であった。つまり、二本のフィラメントの束を接続させるにあたり、接触不良や断線のリスクを回避する最適な接続条件を、高い再現性で確実に実現させることは困難であった。
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、接続部における抵抗値が限りなく小さくなる最適な超電導フィラメントの接続条件を確実に実現する超電導線の接続技術を提供することを目的とする。
実施形態に係る超電導線の接続構造において、超電導フィラメントの束を構成に持つ二本の超電導線が先端を揃えて配置され、前記先端において各々の前記超電導線から露出した前記超電導フィラメントが互いの側周面を介して電気的に接続しており、前記先端における前記超電導フィラメントの接続部にスリーブが装着され、前記接続部を前記先端に向かって順番に断面視した場合、前記順番にしたがって前記超電導フィラメントの占積率が高くなるように前記スリーブの内部領域が形成されている。
本発明の実施形態により、接続部における抵抗値が限りなく小さくなる最適な超電導フィラメントの接続条件を確実に実現する超電導線の接続技術が提供される。
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1(A)~(D)は本発明の第1実施形態に係る超電導線10(10a,10b)の接続方法の説明図である。図2は第1実施形態に係る超電導線10の接続構造20(20a)の断面図であり、図2(A)は縦断面図、図2(B)は水平断面図である。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1(A)~(D)は本発明の第1実施形態に係る超電導線10(10a,10b)の接続方法の説明図である。図2は第1実施形態に係る超電導線10の接続構造20(20a)の断面図であり、図2(A)は縦断面図、図2(B)は水平断面図である。
実施形態に係る超電導線10(10a,10b)の接続方法は、まず図1(A)に示すように、超電導フィラメント(以下フィラメントと省略する)11の束を構成に持つ二本の超電導線10(10a,10b)を、先端を揃えて配置する。次に図1(B)に示すように、先端において各々の超電導線10から露出したフィラメント11を、互いの側周面を介して電気的に接続させる。さらに、先端におけるフィラメント11の接続部17にスリーブ15を、図1(C)に示すように装着する。
そして図1(D)に示すように、超電導線10の接続構造20aにおいて、スリーブ15を、先端に向かって連続的に圧縮率が増大するように、断面視において一方向から圧縮する。その結果、接続部17を先端に向かって(III)(II)(I)のように順番に断面視した場合、図2(A)に示すように、(III)(II)(I)の順番にしたがって、スリーブ15は、その内部領域における空隙率が低くなるように、即ちフィラメント11の占積率が高くなるように形成される。なお、超電導線10の外周には絶縁被覆(図示略)が施されているが、図示される超電導線10は、この絶縁被覆を既に除去した状態を示している。
このように、実施形態は、接続部17で永久電流16が折り返すように二本の超電導線10(10a,10b)を沿わせて接続するスイッチバック接続に好適に適用される。第1実施形態では、接続部17に装着されたスリーブ15は、その半径方向に一方向から外力を加え、先端側で接続部17の断面が平たくなるまで圧縮されて、この先端側にいくほど圧縮率を高くしている。
超電導線10(10a,10b)は、常伝導状態においては電気抵抗率が比較的高い超電導フィラメント11が、常電導のマトリクス12の中に多数本埋め込まれている。主磁場を発生する超電導コイル(主コイル)用の超電導線のマトリクス12は、電気抵抗率の低い無酸素銅で構成されている。そして、永久電流スイッチ(PCS)用の超電導線のマトリクス12は無酸素銅よりも電気抵抗率の高い銅合金で構成されている。このようにPCS線のマトリクス12の電気抵抗率を大きくする理由は、PCSのOFF状態において十分な電気抵抗値が必要なためである。
そして超電導線10(10a,10b)の先端は、接続部17の部分において予めマトリクス12が除去されているか、他の超電導性(又は低電気抵抗)の金属に置換されている。そのようなマトリクス12の除去方法は、硝酸等でマトリクス12を選択的に溶解させる方法がある。そしてマトリクス12の置換方法は、Cu又はCu合金を溶解させる溶融金属(例えば、Sn)の浴に浸漬する方法がある。さらにこのSn置換した部分を別の溶融金属(例えば、Sn,Bi,Biなどを含む合金(所謂ハンダ))の浴に浸漬して2次置換する方法もある。
このように、Sn又は別のハンダ合金に置換されることでフィラメント11の表面が大気に晒されることがなく、酸化被膜が形成されることがない。そして、このようにフィラメント11の表面に酸化被膜が形成されておらず、Sn又は別のハンダ合金に覆われているだけであれば、スリーブ15の圧縮率をフィラメントが過剰に塑性変形するほどまで高く設定しなくても、フィラメント11を清浄面で接続させることが容易となる。
また、接続部17(図1(B))は、フィラメント11の素線同士を互いに近接させるだけでなく、フィラメント11の束どうしを捩り合せたり、フィラメント11を複数の束に分けて撚り合わせたりしてもよい。また、Cu又はCu合金のマトリクス12が他の充填金属(ハンダ)に置換されている場合は、スリーブ15を圧縮する際に、接続部17を加熱することで、フィラメント11の周囲から充填金属を押し出して、先端側のフィラメント11の占積率をさらに高めてもよい。
図2(A)に示すように、スリーブ15の圧縮率が低レベルの(III)状態では、隣接するフィラメント11が互いに側周面で接している。しかし、スリーブ15の内部領域におけるフィラメント11の占積率は低く、フィラメント11の長手方向における接触状態は必ずしも一様でない。このため、圧縮率が低レベルの(III)のスリーブ15に位置する接続部17では、その電気的な抵抗は大きく接触不良であるといえる。
そして、スリーブ15の圧縮率が中レベルの(II)状態まで進むと、スリーブ15の内部領域におけるフィラメント11の占積率は上昇する。これにしたがって、隣接するフィラメント11同士は、弾性変形もしくは塑性変形することで、接触面積を広げ電気的な接触抵抗が小さくなる。このとき、フィラメント11の表面に酸化被膜が形成されていたとしても、この酸化被膜が破断して、フィラメント11の清浄な金属面同士で接触させることができる。このため、圧縮率が中レベルの(II)のスリーブ15に位置する接続部17では、その電気的な抵抗は小さく接触良好であるといえる。
さらに、スリーブ15の圧縮率が高レベルの(I)状態まで進むと、スリーブ15の内部領域におけるフィラメント11の占積率は高くなる。これにしたがって、すでに全域で接触しているフィラメント11同士は、さらに塑性変形して接触界面がさらに伸びてくびれるか断線する。このため、圧縮率が高レベルの(I)のスリーブ15に位置する接続部17では、その電気的な抵抗は大きく接触不良であるといえる。
その結果、図2(B)に水平断面視されるように接続部17では、先端に向かってスリーブ15の圧縮率が連続的に高くなり、これにしたがってフィラメント11の占積率も連続的に高くなる。これにより接続部17に、一対のフィラメント11,11の間の電気抵抗率が限りなく0に近く、永久電流16を折り返して減衰なく通過させる箇所を、確実に設けることができる。
(第2実施形態)
次に図3を参照して本発明における第2実施形態について説明する。図3は第2実施形態に係る超電導線10の接続構造20(20b)の説明図である。なお、図3において図1と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
次に図3を参照して本発明における第2実施形態について説明する。図3は第2実施形態に係る超電導線10の接続構造20(20b)の説明図である。なお、図3において図1と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第2実施形態に係る接続構造20bは、二本の超電導線10が先端を揃えて配置され、この先端においてフィラメント11が互いの側周面を介して電気的に接続しており、このフィラメント11の接続部17にスリーブ15が装着され、接続部17を先端に向かって(III)(II)(I)のように順番に断面視した場合、この順番にしたがってフィラメント11の占積率が高くなるようにスリーブ15の内部領域が形成されている。
そして第2実施形態の接続構造20bにおいてスリーブ15は、断面視におい全周方向から圧縮され、先端に向かって3段階でスリーブ15の内部領域におけるフィラメント11の占積率を高くしている。なおこのような実施形態に限定されることはなく、スリーブ15は、断面視において二か所以上の方向から圧縮され、先端に向かって3段階以上で段階的に占積率を高くさせてもよい。
なお、スリーブ15の内部領域にハンダ等を充填材18として用い、これを加熱して溶融状態にしてからフィラメント11の接続部17に装着させてもよい。マトリクス12の除去方法として溶融Sn置換、あるいはさらに別のハンダ合金による2次置換を用いれば、フィラメント11表面を覆うようにあらかじめ付着させたハンダ合金が充填剤18として構成される。第2実施形態におけるスリーブ15の圧縮は、例えばスウェージングマシンを用いることで段階的に行なえる。このような圧縮方法をとることで、フィラメント11よりも柔らかい充填材18が塑性流動し、スリーブ15の内部領域に占めるフィラメント11の占積率が高くなる。
(第3実施形態)
次に図4を参照して本発明における第3実施形態について説明する。図4は第3実施形態に係る超電導線10の接続構造20(20c)の説明図である。なお、図4において図1と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
次に図4を参照して本発明における第3実施形態について説明する。図4は第3実施形態に係る超電導線10の接続構造20(20c)の説明図である。なお、図4において図1と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第3実施形態に係る接続構造20cは、二本の超電導線10が先端を揃えて配置され、この先端においてフィラメント11が互いの側周面を介して電気的に接続しており、このフィラメント11の接続部17にスリーブ15が装着され、接続部17を先端に向かって(IV)(III)(II)(I)のように順番に断面視した場合、この順番にしたがってフィラメント11の占積率が高くなるようにスリーブ15の内部領域が形成されている。
そして第3実施形態の接続構造20cにおいてスリーブ15は、フィラメント11と同組成の細断片19が配置されることで、スリーブ15の内部領域におけるフィラメント11の占積率を高くしている。なお、図示はスリーブ15を半径方向に圧縮しない例を示しているが、スリーブ15に細断片19が配置した状態で、半径方向に圧縮してもよい。あるいは、一軸方向や2カ所以上の方向から圧縮してもよい。
ところで、上述した各実施形態において、Pb-Biハンダなどの極低温において超電導性を有する充填材18を用いることができる。これにより、スリーブ15の内部において、フィラメント11の間に介在する充填材18が電気抵抗の要素とならないので接続部17の全体の抵抗値を低下させる方向に作用する。さらに、先端側のフィラメント11の占積率が高くなるよう充填材18を高い圧縮率で圧縮すると、ハンダの組織に転移が導入され、これが超電導体のピンニングセンターを増やすように作用する。
また、超電導性の合金組成の充填材18は、溶融状態から急速冷却して凝固させることで、溶融後凝固したBi組織を微細化することができ、Pb-Biの臨界電流密度の磁場特性を向上させることができる。これにより、接続部17において抵抗値を低減させ、通電容量の大きい超電導線の接続構造を得ることができる。
以上述べた少なくともひとつの実施形態の超電導線の接続構造によれば、接続部を断面視したスリーブ内部領域におけるフィラメントの占積率が先端に向かって順番に高くなるようにすることにより、接続部における抵抗値が限りなく小さい最適なフィラメントの接続条件を確実に実現できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10…超電導線、11…超電導フィラメント(フィラメント)、12…マトリクス、15…スリーブ、16…永久電流、17…接続部、18…充填材、19…細断片、20(20a,20b,20c)…接続構造。
Claims (9)
- 超電導フィラメントの束を構成に持つ二本の超電導線が先端を揃えて配置され、
前記先端において各々の前記超電導線から露出した前記超電導フィラメントが、互いの側周面を介して電気的に接続しており、
前記先端における前記超電導フィラメントの接続部にスリーブが装着され、
前記接続部を前記先端に向かって順番に断面視した場合、前記順番にしたがって前記超電導フィラメントの占積率が高くなるように前記スリーブの内部領域が形成される超電導線の接続構造。 - 請求項1に記載の超電導線の接続構造において、
前記スリーブは、前記断面視において一方向から圧縮され、前記先端に向かって連続的に圧縮率が増大している超電導線の接続構造。 - 請求項1に記載の超電導線の接続構造において、
前記スリーブは、前記断面視におい複数方向から圧縮され、前記先端に向かって段階的に圧縮率が増大している超電導線の接続構造。 - 請求項1に記載の超電導線の接続構造において、
前記超電導フィラメントと同組成の細断片が配置されることで、前記スリーブの内部領域における前記超電導フィラメントの占積率が高くなる超電導線の接続構造。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の超電導線の接続構造において、
前記超電導線は、前記超電導フィラメントの束が埋設され、Cuを組成に持つマトリクスを構成に持ち、
前記接続部において前記Cuを組成に持つマトリクスが除去された超電導線の接続構造。 - 請求項5に記載の超電導線の接続構造において、
溶融したSnに浸漬することで、前記接続部における前記Cuを組成に含む前記マトリクスが除去され、Snを組成に含む金属に置換された又は前記Snを組成に含む金属がさらに別の金属で置換された超電導線の接続構造。 - 請求項5又は請求項6に記載の超電導線の接続構造において、
超電導性の合金組成を持つ充填材が前記スリーブに充填されている超電導線の接続構造。 - 請求項7に記載の超電導線の接続構造において、
前記充填材は、溶融状態から急速冷却して凝固させたものである超電導線の接続構造。 - 超電導フィラメントの束を構成に持つ二本の超電導線を、先端を揃えて配置する工程と、
前記先端において各々の前記超電導線から露出した前記超電導フィラメントを、互いの側周面を介して電気的に接続させる工程と、
前記先端における前記超電導フィラメントの接続部にスリーブを装着する工程と、
前記接続部を前記先端に向かって順番に断面視した場合、前記順番にしたがって前記超電導フィラメントの占積率が高くなるように、前記スリーブの内部領域を形成する工程と、を含む超電導線の接続方法。
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