JP3326453B2 - 超電導導線の接続端末 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導導線と常電
導導線との、または超電導導線どうしの接続端末に関す
るものであり、特に極低温の冷媒中に浸漬された超電導
機器から導出された超電導導線と給電のための常電導性
パワーリード線と、または超電導導線どうしを接続する
に際して、それらの接続部における電流の偏流を防ぎ、
また局部発熱によるクエンチ（常電導転移）を防止して
超電導機器への通電特性を改善し、大電流を良好な電流
効率で供給できるようにした超電導導線の接続端末に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】交流超電導コイル、超電導変圧器などの
超電導機器は、一般に液体ヘリウムなどの極低温冷媒中
に浸漬して用いられ、それらの機器から導出された超電
導導線は、冷媒中で、外部電源から導かれた常電導性の
パワーリード線の端末に接続される。また、冷媒中で、
各種の超電導機器から導出された超電導導線どうしが、
常電導性の接続部材によって接続される場合もある。

【０００３】例えば、交流超電導コイルは、図７に示す
ようにして外部電源に接続される。図７において、交流
超電導コイル３０は、デュワーベッセルなどの冷媒容器
Ｖに充填された液体ヘリウムＨｅ中に浸漬されている。
この交流超電導コイル３０には超電導導線３１が巻き線
として卷かれ、その端末部３２，３２がコイルから導出
されている。一方、この冷媒容器Ｖには、外部の交流電
源ＰＳから延びるロッド状の常電導性パワーリード線３
３，３３が挿入され、これらのパワーリード線３３，３
３の端末部３４，３４は、いずれも液体ヘリウムＨｅ中
に浸漬されている。そして、液体ヘリウムＨｅ中で、超
電導導線の端末部３２，３２がそれぞれ、パワーリード
線の端末部３４，３４と、ハンダ付けなどによって接続
されている。

【０００４】最近は超電導機器の大電流化に伴い、超電
導導線として、細い超電導素線を多数本撚り合わせて、
必要な電流に対応する断面積を有する撚線としたものが
用いられるようになってきている。このような超電導撚
線が用いられる場合も、その端末部とパワーリード線端
末部との接続は、図８に詳細を示すように、超電導撚線
３１の端末部３２をパワーリード線３３の端末部３４に
巻き付けて、ハンダ３５を用いて接着固定する方法が採
られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように超電導機
器の大電流化を実現するために超電導導線が単線から撚
線に変更されて大径化されたので、電気抵抗ゼロの超電
導状態にあっては、本来なら超電導撚線を構成する超電
導素線の本数に比例する電流を流せるはずである。とこ
ろが、実際には設計値の６０％〜９０％程度しか通電で
きない。また、交流の大電流を流した際に、超電導導線
とパワーリード線との接続部において局所的な発熱が起
こり、この部分に常電導の芽が発生して超電導導線全体
が常電導化する、いわゆる「クエンチ現象」が発生する
という問題もあった。同様の問題は、超電導導線どうし
を常電導性の接続部材によって接続する場合にも起こ
る。

【０００６】これらの問題は、常電導導線に交流電流を
流すと、周波数に対応して大部分の電流が電線の表層に
沿って流れ、芯部にはあまり流れないという、いわゆる
「表皮効果」が発生することに起因している。すなわ
ち、図９に示すように、極低温においてパワーリード線
３３の端末部３４と超電導導線３１の端末部３２とが、
互いの側部で重ね合わされて接続されているとき、接続
部３６における接触面積を拡大して界面における電気抵
抗を低減するために接続部の長さＬを十分大きくとって
も、大部分の電流が常電導導線３３の表層に沿って偏流
するので、接続部３６の両端部ｅ，ｄ近傍の僅かな部分
に電流が集中して流れ、その結果、接続部３６の電気抵
抗が等価的に増大し、上記のように通電効率が低下した
り、ジュール熱の発生による局部的な温度上昇によって
クエンチの発生を招くことになる。

【０００７】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたものであり、従ってその目的は、超電導導線と常電
導導線とを接続する際、または超電導導線どうしを常電
導接続部材を用いて接続する際の接続部における交流電
流の偏流を防止し、電流効率を高めるとともに、接続部
における局所的な発熱に起因するクエンチを防止する超
電導電線の接続端末を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、超電導導
線と常電導導線との接続端末であって、超電導導線の端
末部と常電導導線の端末部とが、互いの側部で重ね合わ
されて接続され、この接続部における常電導導線の厚み
が、その端末に向けて漸減されてなる超電導導線の接続
端末を提供することによって解決できる。

【０００９】上記の課題はまた、複数の超電導素線が撚
り合わされて形成された超電導導線と常電導導線とが、
接続部材を用いて接続された接続端末であって、前記接
続部材は、その厚みが両端末に向けて漸減されてなる略
紡錘形をなし、軸心に沿って前記常電導導線及び前記超
電導導線を挿入させる通孔を有し、前記常電導導線は、
前記通孔の一端側から、その側部を該通孔の内壁に接す
るようにして、該接続部材の厚みが最大となる位置まで
挿入され、前記超電導導線の端末部は撚り戻されてそれ
ぞれの超電導素線に分離され、該各超電導素線は、前記
通孔の他端側から、各々の側部を該通孔の内壁に接する
ようにして、該接続部材の厚みが最大となる位置まで挿
入され、前記各超電導素線の端末と前記常電導導線の端
末とが、前記通孔内で当接されたことを特徴とする超電
導導線の接続端末を提供することによって解決できる。

【００１０】更に、上記の課題は、超電導導線どうしが
接続部材を用いて接続された接続端末であって、前記接
続部材は、その厚みが両端末に向けて漸減されてなる略
紡錘形をなし、軸心に沿って前記各超電導導線を挿入さ
せる通孔を有し、前記超電導導線は、一方が前記通孔の
一端側から、他方が前記通孔の他端側から、各々その側
部を該通孔の内壁に接するようにして、該接続部材の厚
みが最大となる位置まで挿入され、前記各超電導素線の
端末どうしが、前記通孔内で当接されたことを特徴とす
る超電導導線の接続端末を提供することによって解決で
きる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各請求項に対応す
る実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。 （実施形態１）図１は、本発明の請求項１に対応する接
続端末の一実施形態を示している。図１において、符号
１は、超電導機器（図示せず）から延びる超電導導線で
あり、符号２は、電源（図示せず）から延びる常導電性
のパワーリード線である。超電導導線１とパワーリード
線２とはいずれも中空に形成されていて、この超電導導
線１の外径は、パワーリード線２の内径と等しくされて
いる。

【００１２】この超電導導線１の端末３は、パワーリー
ド線２の端末４から中空部の内壁に沿って挿入され、超
電導導線１の端末部と常電導導線２の端末部とは、それ
ぞれの側部で互いに重ね合わされて接続部５を形成して
いる。そして、この接続部５におけるパワーリード線２
の厚みｔは、パワーリード線２の基部の厚みｔ₀ から端
末４に向けて漸減し、端末４においてゼロとなるように
成形されている。

【００１３】上記の接続端末を有する超電導導線１とパ
ワーリード線２との接続部５においては、電流が主とし
てパワーリード線２の表層に沿って流れる表皮効果が解
消され、図２に示すように、パワーリード線２の傾斜部
（Ｌ部分）では電流が導体内部に向けて流れるようにな
る。従って、接続部５において、電流はその接触部５の
全域に広がって流れるようになり、接触部５における等
価的な電気抵抗が低下し、電流効率が向上するととも
に、接触部５における発熱が抑制されるのでクエンチも
防止される。

【００１４】接続部５において、常電導性パワーリード
線２の厚みをその端末４に向けて漸減すると接触部全域
に電流が広がって流れるようになる理由は、次のように
説明できる。常電導体の表層を流れる交流電流により超
電導体に誘導される電流の大きさは、常電導体の厚みの
１／２乗に反比例して変化する。従って接続部５におい
て常電導体の厚みｔが端末に向けて連続的に減少すれ
ば、途中の任意の厚みｔの部分において超電導体に応分
の電流が誘導され、結果として、接続部５の全域に電流
が広がって流れることになる。このとき、厚みｔの減衰
率（傾斜勾配）を接続部５に対して好適に調節すれば、
接続部５の全域に渡って電流をほぼ均一に流すことがで
きるようになる。すなわち、接続部５における等価的な
電気抵抗は、常電導体２の基部の厚みｔ₀ と、厚みｔの
減衰率と、接続部５の長さＬ（または面積）との好適な
選択によって低減することが可能となる。この選択は、
実験または、いくつかの仮定を置いた理論計算（海保
他，「交流用電流リードの検討」，第５３回１９９５年
度秋期，低温工学・超電導学会講演概要集，第１０４頁
参照）によって行うことができる。

【００１５】（実施形態２）図３は、本発明の請求項２
に対応する接続端末の一実施形態を示している。図３に
おいて、超電導導線６は、６本の超電導素線７，７，…
からなる撚線である。またパワーリード線２は中空に形
成され、その内径は超電導導線６の外径より大きくされ
ている。この超電導導線６の端末部は、撚り戻されてそ
れぞれの超電導素線７，７，…が、パワーリード線２の
外径と等しい外径となるように環状に配列されている。

【００１６】パワーリード線２の端末部には、このパワ
ーリード線２と同じ常電導性金属の接続部材８が装着さ
れている。この接続部材８は、概略紡錘形をなし、軸心
に沿って通孔９が形成されている。この通孔９は、パワ
ーリード線２の外径と等しい口径を有していて、この通
孔９の一方の開口から、パワーリード線２の先端部が途
中まで挿入され、その接触面においてパワーリード線２
と接続部材８とが一体化され、全体として、端末部に開
孔１０を有するパワーリード線２を形成している。

【００１７】この開孔１０に、前記の環状に配列された
超電導素線７，７，…が挿入され、その端末３，３，…
は、通孔９の内部においてパワーリード線２の端末と当
接している。そしてこの状態で、超電導素線７，７，…
の側部と開孔１０の内壁とが接続されている。

【００１８】接続部材８は、接続された超電導素線７の
端末３の位置において最大の厚みｔ₀ を有していて、そ
の厚みｔは、端末４に向けて漸減し、端末４においてゼ
ロになるように成形されている。この接続部材８は、最
大厚みｔ₀ から、パワーリード線２の側に向かっても厚
みが漸減するように成形されている。すなわち、この接
続端末においては、接続部材８をパワーリード線２の端
末部と見なすことができるので、結果として、超電導素
線７，７，…の端末部の側部が常電導導線の端末部に形
成された開孔１０の内壁と接続され、その接続部１１に
おける常電導導線の厚みｔが、端末４に向けて漸減され
てなる、請求項２に示した構造となっている。

【００１９】上記の接続端末における超電導導線６とパ
ワーリード線２との接続部１１は、電流の表皮効果が解
消され、超電導素線７，７，…の接続部１１における接
触長Ｌの全域に渡って電流が流れるようになり、接続部
１１における等価的な電気抵抗が低下し、電流効率が向
上するとともに、界面における局部的な発熱が抑制され
るのでクエンチも防止される。接続部材８の最大厚みｔ
₀ と、厚みｔの減衰率と、接続部１１の長さＬとを好適
に選択すれば、接続部１１の全域に渡って電流をほぼ均
一に流すことができるようになるため、接続部１１にお
ける等価的な電気抵抗を効果的に低減することができ
る。

【００２０】（実施形態３）図４は、本発明の請求項３
に対応する接続端末の一実施形態を示している。この実
施形態は、超電導導線２０ａ，２０ｂどうしの接続端末
に関するものである。この接続端末は、外径が等しい中
空の超電導導線２０ａ，２０ｂの端末部が、端末２１に
おいて突き合わされ、この端末２１から双方の超電導導
線２０ａ，２０ｂに沿って、常電導導体からなる接続部
材２２が差し渡され、それぞれの超電導導線２０ａ，２
０ｂの側部と接続され、この接続部材２２の厚みｔが、
この接続部材２２の端末２３ａ，２３ｂに向けて漸減さ
れ、それぞれの端末２３ａ，２３ｂにおいてゼロになる
ように形成されてなっている。

【００２１】上記の超電導導線２０ａ，２０ｂどうしの
接続部２４ａ，２４ｂにおいては、電流は一方の超電導
導線（例えば２０ａ）から、これと面接触している常電
導性の接続部材２２を介して他方の超電導導線（例えば
２０ｂ）に流れる。そしてこの際、電流が接続部材２２
の表層に沿って流れる表皮効果は抑制され、接続部材２
２と超電導導線２０ａ，２０ｂとの接続部２４ａ，２４
ｂの全域にわたって電流が流れるようになり、接続部に
おける等価的な電気抵抗が低下し、電流効率が向上する
とともに、界面における発熱が抑制され、クエンチが防
止される。超電導導線２０ａ，２０ｂのそれぞれの接続
部２４ａ，２４ｂの長さＬａ，Ｌｂと、上記の接続部材
２２の最大厚みｔ₀ と、その厚みｔの減衰率とを調節す
ることによって、常電導体と超電導体との接触域におけ
る等価的な電気抵抗を、効果的に低減することが可能と
なる。

【００２２】上記の実施形態１および実施形態３におい
て、超電導導線はいずれも中空のものを用いたが、これ
らは非中空のワイヤであってもよく、また実施形態２で
用いたような超電導撚線であってもよいことは言うまで
もない。超電導撚線を接続する場合は、実施形態２で行
ったと同様に、超電導撚線の端末部を撚り戻し、常電導
体側に形成された開孔の径と等しい外径となるように環
状に配列し、この端末部を上記の開孔に挿入し接続する
ことが好ましい。また常電導導線と超電導導線の断面形
状は、上記の円形や環状に限定されるものではなく、多
角形状、楕円状、星形、その他の形状に成形されていて
もよい。

【００２３】常電導導線と超電導導線との接続部におい
て、電流を均一に分配するためには、上記のように接続
部の長さＬと、常電導導線の最大厚みｔ₀ と、傾斜面に
おける任意の１点における厚みｔの減衰率とを最適に調
節することが好ましい。この最適化は実験によって行う
こともできるし、近似的には計算によって行うこともで
きる。最適化に必要な最大厚みｔ₀ が過大となるような
場合は、常電導導線の端末部を、抵抗率ρの異なる複数
の常電導性金属の積層体で成形し、この端末部を端末に
向けて漸減するように切削すれば、最大厚みｔ₀ を比較
的小さくすることができる。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）図５に示すように、パワーリード線２とし
て、外径１０ｍｍ、内径８ｍｍの銅製パイプを用いた。
このパワーリード線の端末部の５０ｍｍを、その端末４
に向けて外径がほぼ直線的に漸減し端末４において内径
と一致するように切削加工した。一方、超電導機器（こ
の実施例では超電導コイル）から導出された６本のＣｕ
−Ｎｂ合金製の超電導素線７，７，…からなる超電導撚
線６の端末部を撚り戻してそれぞれの素線７に分割し、
分割された素線７，７，…のそれぞれの端末部を、外径
が８ｍｍ、長さが５０ｍｍの環状に成形した。次に、こ
の超電導素線７，７，…からなる環状部を上記のパワー
リード線２の端末部に挿入し、それぞれの超電導素線７
をパワーリード線２の内壁にハンダ付けして固定し、実
施例１の接続端末を形成した。

【００２５】上記実施例１の接続端末について、交流電
流の通電特性を以下のようにして試験した。図６に示す
ように、交流超電導コイル１２と、これから導出された
２本の超電導撚線６，６と、上記の接続端末を、密閉し
たデュワーベッセルＶに収容し、双方の接続端末が浸漬
されるまで液体ヘリウムＨｅを充填した。このとき、ガ
ス化したヘリウムＨｅＧがパワーリード線２の中空部を
通過してデュワーベッセルＶ外に放出され、その気化熱
によって端末部が強力に冷却されるようにした。

【００２６】この系にパワーリード線２，２を通じて電
圧４００Ｖ、電流２５０Ａの交流を負荷した。１．０時
間の運転期間中、超電導コイルには設計値通りの電流が
流れて正常に作動し、接続端末の発熱によるクエンチは
起こらなかった。

【００２７】（比較例）比較のため、実施例１と同様な
超電導コイルを用い、ただし従来の方法に従って超電導
撚線６，６の端末を撚り戻さずにロッド状のパワーリー
ド線に巻き付けてハンダ付けし、上記実施例の場合と同
様にして液体ヘリウムを充填したデュワーベッセル中で
通電試験を行った。超電導コイルの電流値は設計値の７
０％程度であり、運転時間０．１時間でクエンチを起こ
し運転が継続できなくなった。

【００２８】以上の試験結果から、本発明の接続端末
は、交流電流の偏流が防止され、電流が接続部を広く流
れるので、等価的な抵抗値が低減し、通電特性が損なわ
れないばかりでなく、局部的な発熱が抑制されるのでク
エンチが防止され、大電流の超電導回路における接続端
末として好適に使用できることがわかる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の超電導導線の接続端末は、超電
導導線の端末部と常電導導線の端末部とが互いに側部で
重ね合わされて接続され、この接続部における常電導導
線の厚みが、その常電導導線の端末に向けて漸減されて
なるものであるので、交流電流が接続部の全域に渡って
広がって流れるようになり、接続部における等価的な抵
抗が減少し、電流効率が向上して超電導機器への通電特
性が改善されるとともに、電流の偏流に起因する局部的
な発熱が抑制されるのでクエンチも防止されるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の接続端末の一実施形態を示す断面
図。

【図２】 上記実施形態における作用効果を示す断面
図。

【図３】 本発明の接続端末の他の一実施形態を示す斜
視図。

【図４】 本発明の接続端末の更に他の一実施形態を示
す断面図。

【図５】 実施例１の接続端末を示す断面図。

【図６】 実施例１の接続端末の試験形態を示す断面
図。

【図７】 従来の接続端末の使用形態を示す断面図。

【図８】 従来の接続端末の一例を示す斜視図。

【図９】 従来の接続端末の部分を示す断面図。

【符号の説明】

１…超電導導線、２……パワーリード線、３……超電導
導線端末、４……パワーリード線端末、５……接続部、
Ｌ……接続部長さ、ｔ……パワーリード線厚み。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 定方 伸行 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 (72)発明者 富士 広 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 (72)発明者 斉藤 隆 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 審査官 小谷 一郎 (56)参考文献 特開 昭62−222581（ＪＰ，Ａ) 第54回1995年度秋季低温工学・超電導 学会講演概要集（104頁) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01R 4/68 ZAA H01F 6/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導導線と常電導導線との接続端末で
   あって、超電導導線の端末部と常電導導線の端末部と
   が、互いの側部で重ね合わされて接続され、この接続部
   における常電導導線の厚みが、その端末に向けて漸減さ
   れてなる超電導導線の接続端末。
2. 【請求項２】 複数の超電導素線が撚り合わされて形成
   された超電導導線と常電導導線とが、接続部材を用いて
   接続された接続端末であって、 前記接続部材は、その厚みが両端末に向けて漸減されて
   なる略紡錘形をなし、軸心に沿って前記常電導導線及び
   前記超電導導線を挿入させる通孔を有し、 前記常電導導線は、前記通孔の一端側から、その側部を
   該通孔の内壁に接するようにして、該接続部材の厚みが
   最大となる位置まで挿入され、 前記超電導導線の端末部は撚り戻されてそれぞれの超電
   導素線に分離され、 該各超電導素線は、前記通孔の他端側から、各々の側部
   を該通孔の内壁に接するようにして、該接続部材の厚み
   が最大となる位置まで挿入され、 前記各超電導素線の端末と前記常電導導線の端末とが、
   前記通孔内で当接されたことを特徴とする超電導導線の
   接続端末。
3. 【請求項３】 超電導導線どうしが接続部材を用いて接
   続された接続端末であって、 前記接続部材は、その厚みが両端末に向けて漸減されて
   なる略紡錘形をなし、軸心に沿って前記各超電導導線を
   挿入させる通孔を有し、 前記超電導導線は、一方が前記通孔の一端側から、他方
   が前記通孔の他端側から、各々その側部を該通孔の内壁
   に接するようにして、該接続部材の厚みが最大となる位
   置まで挿入され、 前記各超電導素線の端末どうしが、前記通孔内で当接さ
   れたことを特徴とする超電導導線の接続端末。