JP3672982B2

JP3672982B2 - 超電導導体の接続方法

Info

Publication number: JP3672982B2
Application number: JP27809295A
Authority: JP
Inventors: 広富士; 謙次後藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2015-10-25
Also published as: JPH09120878A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温の冷媒中に浸漬された交流超電導コイルなどから導出された超電導導体と給電のためのパワーリード線との接続方法に関するものであり、この接続方法は、超電導導体とパワーリード線との接続部における電流の偏流を防ぎ、また局部的発熱によるクエンチ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するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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体（以下、単に「導体」という）は、冷媒中で、外部電源から導かれたパワーリード線の端末に接続される。
【０００３】
例えば、交流超電導コイルは、図６に示すようにして外部電源に接続される。図６において、交流超電導コイル１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１には超電導導体２が巻き線として卷かれ、その端末３ａ、３ｂ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パワーリード線４ａ、４ｂが挿入され、これらのパワーリード線４ａ、４ｂの端末５ａ、５ｂ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、導体端末３ａ、３ｂとパワーリード線端末５ａ、５ｂとがそれぞれ、ハンダ付けなどによって接続されている。
【０００４】
これらの超電導機器に用いられる実用的な超電導導体材料としては、合金系のＮｂＴｉや金属化合物系のＮｂ₃Ｓｎなどが代表的なものとして知られている。この合金系超電導材料と金属化合物系超電導材料とを比較すると、超電導特性としての臨界温度、臨界磁界、臨界電流密度においては、一般に金属化合物系超電導材料のほうが優れている。しかし、金属化合物系超電導材料は非常に脆いのが欠点で、僅かな歪によって特性が劣化していまう。例えばＮｂ₃Ｓｎの場合には０．５％程度以上の歪がかかると超電導特性が劣化する。
【０００５】
そこで従来から、導体としてＮｂ₃Ｓｎを用いて超電導コイルその他の超電導回路素子を形成したり、接続したりする場合は、「曲げ後熱処理（Wind and React）」と呼ばれる方法が採用されている。この方法は、Ｎｂ₃Ｓｎ導体の製法と曲げ加工とを一体化したものであり、例えば一般にブロンズ法と呼ばれる製法の場合は、ＣｕとＳｎの合金マトリックス中にＮｂ細線を複合して導体の先駆体を形成し、この状態で巻き加工などの物理的加工を施し、その後にこの加工物を加熱して、加工した形状を保ったままＮｂ細線の周囲にＮｂ₃Ｓｎ化合物を形成するというものである。また、例えばインサイチュ（In-situ）法と呼ばれる製法の場合は、ＮｂとＣｕとを同時溶解し、得られたインゴットを細線化し、この外部にＳｎメッキを施して導体の先駆体を形成し、この状態で巻き加工などの物理的加工を施し、その後にこの加工物を加熱し、マトリックス内部に析出した樹脂状晶のＮｂと外部からマトリックス中に拡散したＳｎとを反応させてＮｂ₃Ｓｎ化合物の線状連続体を形成するというものである。
【０００６】
最近は超電導装置の大電流化に伴い、超電導導体として細い超電導素線を多数撚り合わせて、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。このような撚線導体に上記の曲げ後熱処理の方法を適用すると、ブロンズ法、インサイチュ法、またはその他の製法によるにせよ、いずれも上記のようにＮｂ₃Ｓｎを含む素線がＣｕまたはＳｎの外被を有しているので、図７に示すように、熱処理の過程で撚線導体２の素線６どうしが撚り戻し不可能な程度にまで溶融接着し、撚線導体２全体が金属表皮で覆われた状態になる。この撚線導体２の端末３をパワーリード線４に接続する場合には、図８に示すように撚線導体２の端末３をパワーリード線４の端末５にそのまま巻き付けてハンダ７を用いて接着固定する方法が採られている。
【０００７】
【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導体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、本来なら撚線を構成する素線の本数に比例する電流を流せるはずであるが、実際には設計値の６０％〜９０％程度しか通電できないという不都合が起こる。これは、パワーリード線４と撚線導体２との接続部において、撚線導体２を構成する各超電導素線６に電流が均一に分流しないことに起因するものである。
【０００８】
また、特にパワーリード線４と撚線導体２との接続部においては、前記の撚線導体の金属表皮の影響や撚線巻き付けによる電流の偏流現象によって局部的な発熱が起こり、この部分に常電導の芽が発生して導体全体が常電導化する、いわゆる「クエンチ現象」を起こす可能性もあった。
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、Ｎｂ₃Ｓｎを超電導材とする撚線導体とパワーリード線との接続方法を改善して撚線導体の各素線に流れる電流を均一化し、また接続部の局部的な発熱に起因するクエンチを防止して超電導機器への通電特性を改善することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、Ｎｂ₃Ｓｎを超電導材とする複数の超電導素線からなる撚線導体とパワーリード線とを接続するに際して、未反応のＮｂとＳｎとを含む複数の素線を撚り合わせて先駆体撚線を形成し、この先駆体撚線の端末を撚り戻して少なくとも１本の素線からなる複数の先駆体素線束に分割し、これらの先駆体素線束を全体としてパワーリード線端末の周囲を包囲する形状に予備成形し、この状態で熱処理して各素線にＮｂ₃Ｓｎを生成させた後、得られた超電導素線束の成形端末をパワーリード線端末に嵌合して接続する超電導導体の接続方法であり、前記先駆体撚線として、未反応のＮｂを含むＣｕ合金の細線の外部にＳｎメッキを施してなる超電導先駆体素線を複数撚り合わせてなるものを用い、上記の予備成形に際して、前記パワーリード線の端末と同様の形状を有しかつその周面に軸心に平行な複数の溝が等間隔に形成されたアルミナ製の治具を用い、この治具の溝に、撚り戻したそれぞれの先駆体素線束を沿わせて固定し、この状態でＮｂ ₃ Ｓｎ生成用の熱処理を施して前記ＳｎメッキのＳｎを前記超電導先駆体素線側に拡散させて前記治具への前記先駆体素線の粘着と治具の溶融変形を防止しつつ前記超電導先駆体素線側にＮｂ ₃ Ｓｎを生成させて超電導素線束の成形端末を形成し、その後に前記アルミナ製の治具から前記成形端末を抜き取り、その後に該成形端末に前記パワーリード線の端末を嵌合して接続する超電導導体の接続方法を提供することによって解決できる。
【００１０】
上記の予備成形に際して、前記アルミナ製の治具から抜き取った前記成形端末を曲げることなく前記パワーリードに接合して各超電導素線をそれぞれ等間隔で前記パワーリードに直接接合することが好ましい。また、前記成形端末を前記パワーリード線端末にハンダ接合することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例によって更に詳しく説明する。
図１〜図４は、本発明の超電導導体の接続方法の一実施例を示している。
まず未反応のＮｂとＳｎとを含む複数の素線を撚り合わせて先駆体撚線を形成する。図１に示すように、この先駆体撚線１０は、直径０．３ｍｍのＣｕ−Ｎｉ合金製の常電導芯線１１を中心にして、それぞれ直径０．３ｍｍの超電導先駆体素線１２、…を６本撚り合わせて形成する。この先駆体素線１２は、公知のインサイチュ法によって、ＮｂとＣｕとを同時溶解し、得られたインゴットを細線化し、この外部にＳｎメッキを施して形成したものである。
【００１２】
この先駆体撚線１０を用いて超電導コイルなどの超電導機器を形成するとともに、図２に示すように、その端末１３を撚り戻し先駆体素線１２を１本ずつに分割する。次いで図３に示すように、接続すべきパワーリード線の端末と同様の形状を有しかつその周面に軸心に平行な６本の溝１４が等間隔に形成されたアルミナ製の治具１５を用い、この治具１５の溝１４にそれぞれの先駆体素線１２の端末を沿わせて固定し、この状態で先駆体素線１２の全体を５７５℃で６日間、熱処理してＮｂ₃Ｓｎを生成させ、先駆体素線１２を超電導素線に転化させる。熱処理後に治具１５を抜き取れば、超電導素線の成形端末１６が得られる。
【００１３】
先駆体の素線１２は可撓性があるので、先駆体素線束の状態では、パワーリード線端末に嵌合しかつ電流が各素線に均一に流れるような形状に成形することができる。その後に熱処理でＮｂ₃Ｓｎを生成させれば、生成したＮｂ₃Ｓｎ素線を曲げなどの外力を加えずにパワーリード線に嵌合して接続することができる。
【００１４】
そこで、図４に示すように、パワーリード線の端末１７を、上記超電導素線の成形端末１６が形成する凹部に挿入すれば、超電導素線の端末１６は既に、パワーリード線端末１７と同形状の治具１５によって、パワーリード線端末１７を包囲する形状に成形されているので、パワーリード線端末１７と成形端末１６とは整合し、成形端末１６がパワーリード線端末１７と接触しながら、これを等間隔で包囲するように嵌合される。この状態でそれぞれの成形端末１６をパワーリード線端末１７に例えばハンダ（図示せず）などで接合すれば、接続部１８が形成される。
【００１５】
このように接続された撚線導体の端末１６は、Ｎｂ₃Ｓｎが形成された後では曲げる必要もなく、しかも各超電導素線がそれぞれ等間隔で直接にパワーリード線１７に接合されているので、パワーリード線１７からの電流は、歪のないそれぞれの超電導素線に均等に分流し、接続部１８における電流の偏流や不均一化が防止され、また局部的発熱が起こらないのでクエンチの芽が発生せず、超電導コイルなどの超電導機器に大電流を良好な電流効率で供給できるようになる。
【００１６】
上記実施例１の方法で接続部を形成し、図５に示す超電導装置（この場合は交流超電導コイルを用いた電磁装置）を組み立てた。
図５に示す超電導装置は、交流超電導コイル２０と、これから導出され、成形端末１６を有する２本の撚線導体２１と、接続部１８で成形端末１６と接続された２本のパワーリード線１７の端末とが、デュワーベッセルＶに収容され、液体ヘリウムＨｅに浸漬されてなっている。
【００１７】
この系にパワーリード線１７を通じて電圧７００Ｖ、電流２７０Ａの交流を負荷した。０．５時間の運転期間中、超電導コイル２０には設計値通りの電流が流れて正常に作動し、接続部１８の発熱によるクエンチは起こらなかった。
【００１８】
（比較例）
比較のため、実施例と同様な超電導コイル２０を用い、ただし従来の方法に従ってＮｂ₃Ｓｎからなる撚線導体を撚り戻さず撚線のまま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交流超電導コイル装置を構成して通電試験を行った。超電導コイルに流れた電流値は設計値の７０％程度であり、しかも運転時間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。
【００１９】
以上の試験結果から、本発明の方法により接続された接続部は、応力歪のない素線に電流が均等に分流し、電流の偏流や局部的発熱を防いで設計値通りの大電流を良好な電流効率で装置に流せることがわかる。
【００２０】
先駆体撚線が多数本の素線からなる場合は、その端末を撚り戻す際、必ずしも１本ずつに分割する必要はなく、均等に複数本の先駆体素線束に分割しても、同様な好結果が得られる。
先駆体素線束を予備成形するに際しては、実施例に示したように、軸心に平行な複数の溝が等間隔に形成された治具を用いることが好ましくはあるが、パワーリード線の端末自体を予備成形の型として用いることもできる。治具は、アルミナ製であれば熱処理温度で溶融も変形もせず、かつ先駆体素線束が粘着することもないので好適である。しかし、これに限定されるものでないことは言うまでもない。
上記の試験に用いたパワーリード線はロッド状のものであるが、この代わりに中空パイプを用い、このパイプを通じてデュワーベッセル２２中の液体ヘリウム２３の気化ガスを導出するようにすれば、接続部１８が更に冷却されて発熱が抑制されクエンチの防止にいっそう有効である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の超電導導体の接続方法は、先駆体撚線として、未反応のＮｂを含むＣｕ合金の細線の外部にＳｎメッキを施してなる超電導先駆体素線を複数撚り合わせてなるものを用い、この先駆体撚線の端末を撚り戻して少なくとも１本の素線からなる複数の先駆体素線束に分割し、次いでそれぞれの先駆体素線束を全体としてパワーリード線端末の周囲を包囲する形状に予備成形し、この状態で熱処理して各素線にＮｂ₃Ｓｎを生成させた後、得られた超電導素線束の成形端末をパワーリード線端末に嵌合して接続するものであり、予備成形に際して、パワーリード線の端末と同様の形状を有しかつその周面に軸心に平行な複数の溝が等間隔に形成されたアルミナ製の治具を用い、この治具の溝に、撚り戻したそれぞれの先駆体素線束を沿わせて固定し、この状態でＮｂ ₃ Ｓｎ生成用の熱処理を施して前記ＳｎメッキのＳｎを前記超電導先駆体素線側に拡散させて前記治具への前記先駆体素線の粘着と治具の溶融変形を防止しつつＮｂ ₃ Ｓｎを生成させて超電導素線束の成形端末を形成できるので、前記アルミナ製の治具から前記成形端末を抜き取る際、及びその後に該成形端末に前記パワーリード線の端末を嵌合して接続する際においても、Ｎｂ₃Ｓｎからなる導体に曲げなどによる応力歪が発生せず、パワーリード線からの電流がそれぞれの超電導素線束に均等に分流し、接続部における電流の偏流や局部的発熱によるクエンチが防止され、超電導機器に大電流を良好な電流効率で供給できるようになる。
上記の予備成形に際して、前記アルミナ製の治具から抜き取った前記成形端末を曲げることなく前記パワーリードに接合して各超電導素線をそれぞれ等間隔で前記パワーリードに直接接合することで、成形端末に歪を与えることなく、良好な接続ができる。
また、前記成形端末を前記パワーリード線端末にハンダ接合することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における一過程を示す斜視図。
【図２】上記の実施例における他の一過程を示す斜視図。
【図３】上記の実施例における他の一過程を示す斜視図。
【図４】上記の実施例によって形成された接続部を示す斜視図。
【図５】上記の実施例の方法を用いて構成された超電導装置の断面図。
【図６】従来の一般的な超電導装置の一例を示す断面図。
【図７】従来のＮｂ₃Ｓｎ素線からなる撚線導体の斜視図。
【図８】図７の撚線導体の接続方法の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
１０……先駆体撚線、１２……先駆体素線、１３……先駆体撚線端末、１５……治具、１７……パワーリード線。

Claims

Ｎｂ₃Ｓｎを超電導材とする複数の超電導素線からなる撚線導体とパワーリード線とを接続するに際して、未反応のＮｂとＳｎとを含む複数の素線を撚り合わせて先駆体撚線を形成し、この先駆体撚線の端末を撚り戻して少なくとも１本の素線からなる複数の先駆体素線束に分割し、これらの先駆体素線束を全体としてパワーリード線端末の周囲を包囲する形状に予備成形し、この状態で熱処理して各素線にＮｂ₃Ｓｎを生成させた後、得られた超電導素線束の成形端末をパワーリード線端末に嵌合して接続する超電導導体の接続方法であり、
前記先駆体撚線として、未反応のＮｂを含むＣｕ合金の細線の外部にＳｎメッキを施してなる超電導先駆体素線を複数撚り合わせてなるものを用い、
上記の予備成形に際して、前記パワーリード線の端末と同様の形状を有しかつその周面に軸心に平行な複数の溝が等間隔に形成されたアルミナ製の治具を用い、この治具の溝に、撚り戻したそれぞれの先駆体素線束を沿わせて固定し、この状態でＮｂ ₃ Ｓｎ生成用の熱処理を施して前記ＳｎメッキのＳｎを前記超電導先駆体素線側に拡散させて前記治具への前記先駆体素線の粘着と治具の溶融変形を防止しつつ前記超電導先駆体素線側にＮｂ ₃ Ｓｎを生成させて超電導素線束の成形端末を形成し、その後に前記アルミナ製の治具から前記成形端末を抜き取り、その後に該成形端末に前記パワーリード線の端末を嵌合して接続することを特徴とする超電導導体の接続方法。
前記アルミナ製の治具から抜き取った前記成形端末を曲げることなく前記パワーリードに接合して各超電導素線をそれぞれ等間隔で前記パワーリードに直接接合することを特徴とする請求項１に記載の超電導導体の接続方法。
前記成形端末を前記パワーリード線端末にハンダ接合することを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導導体の接続方法。