JP4059226B2

JP4059226B2 - 超伝導ｃｉｃ導体の接続構造

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Publication number: JP4059226B2
Application number: JP2004124947A
Authority: JP
Inventors: 充水寺澤; 秀次内藤; 一宏野元; 長谷川　　満; 伸雄田中; 直市原; 正夫守田; 哲也松田; 隆稲口; 賢司下畑
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2024-04-21
Also published as: JP2005310507A

Description

この発明は、超伝導CIC(Cable In Conduit)導体等の超伝導導体の接続部の構造に関するものである。

図９は、従来の超伝導ＣＩＣ導体の接続部の構造を模式的に示す断面図である。図において、１は、例えば、多数のニオブチタン線から成る超伝導撚り線、２はこの超伝導撚り線１の外周を被覆するステンレス鋼やインコロイ（Incoloy）などからなる円筒形の外部被覆であり、超伝導撚り線１と外部被覆２により、超伝導ＣＩＣ導体の導体（Conductor）部が構成されている。また、３はこの外部被覆２と軸方向に接合され超伝導撚り線１の外周を被覆する円筒形の銅管、４は２つの超伝導ＣＩＣ導体の銅管３の間に挿入された銅ブロックであり、従来の超伝導ＣＩＣ導体の重ね接続部では、図９に示すように、抵抗を小さくするため、外部被覆２に代わって接続部の超伝導撚り線１に銅管３を被せ、縮径した後、２つの超伝導ＣＩＣ導体間に銅ブロック４を挿入し、半田等によって銅ブロック４に接合して、２つの超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する構造としている。（例えば、非特許文献１参照）

H. Tsuji et. al , Fusion Engineering and Design 55(2001), ITER R&D: Magnets: Conductor and Joint Development

しかしながら、このように構成された超伝導ＣＩＣ導体の接続部に、図１０に示すような方向（紙面と垂直方向）の変動外部磁場(dB/dt)５が作用すると、接続部は銅管３、銅ブロック４を介して流れる渦電流(I)６によってジュール発熱（結合損失、交流損失）し、磁場変化率(dB/dt)５が大きい場合、渦電流(I)６による発熱及び電磁力が過大となり、接続部のクエンチあるいは破損の原因となるといった問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、渦電流の発生を抑制することができ、接続部での渦電流によるジュール発熱や過大な電磁力による破損を防止可能な超伝導ＣＩＣ導体等の超伝導導体の接続構造を得ることを目的とする。

この発明に係る超伝導導体の接続構造は、それぞれ、超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造において、前記高電気伝導材ブロックに、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向と略垂直な方向の切り欠き部を設けたものである。

また、この発明に係る超伝導導体の接続構造は、それぞれ、超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造において、前記高電気伝導材ブロックに接合する部分での前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向高さを、それぞれ、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の幅より小さくしたものである。

また、この発明に係る超伝導導体の接続構造は、それぞれ、超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造において、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向での前記高電気伝導材ブロックの高さを、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を格納する導管の厚さと前記第１または第２の超伝導ＣＩＣ導体の導体部の厚さの差より小さくしたものである。

また、この発明に係る超伝導導体の接続構造は、それぞれ、超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造において、前記高電気伝導材ブロックに接合する部分での前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向高さを、端部に向かって小さくしたものである。

また、この発明に係る超伝導導体の接続構造は、それぞれ、超伝導撚線から成る超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造において、前記高電気伝導材ブロックに接合する部分での前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の超伝導撚線の素線の本数を、接続部以外の素線本数より少なくしたものである。

この発明によれば、２つの超伝導導体を接続する高電気伝導材ブロックに切り欠きを設けたため、接続部に作用する磁場変化によって発生する渦電流を低減することができ、接続部の発熱を抑制することが可能となる。また、接続部に作用する電磁力も小さくすることができる。

また、磁束変化によって発生する渦電流の流れる領域を小さくしたため、接続部の渦電流発熱を小さくすることが可能となる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における超伝導ＣＩＣ導体の接続部を示すものであり、(a)は接続部をＣＩＣ導体の軸に沿って切断した場合の断面図、（ｂ）は軸に垂直な面で切断した場合の断面図である。図において、１は、例えば、多数のニオブチタン線から成る超伝導撚り線、２はこの超伝導撚り線１の外周を被覆するステンレス鋼やインコロイ（Incoloy）などからなる円筒形の外部被覆であり、超伝導撚り線１と外部被覆２により超伝導ＣＩＣ導体の導体（Conductor）部が構成される。また、３はこの外部被覆２と軸方向に接合され超伝導撚り線１の端部の外周を被覆する円筒形の銅管、４は２つの略平行に配置された超伝導ＣＩＣ導体の銅管３の間に挿入された高電気伝導材ブロックである銅ブロックであり、この実施の形態１では、銅ブロック４の軸方向の長さを銅管３の長さとほぼ等しくするよう構成している。

この超伝導ＣＩＣ導体の接続部では、図１に示すように、直流抵抗を小さくするため、外部被覆２に代わって接続部の超伝導撚り線１に銅管３を被せ、縮径した後、２つの超伝導ＣＩＣ導体間に銅ブロック４を挿入し、半田等によって銅管３を銅ブロック４に接合して、２つの超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する構造としている。また、この実施の形態１では、この図に示すように銅ブロック４の両側に、変動外部磁場（紙面に垂直方向）に対して垂直な面での断面形状が「工」の字形になるように銅ブロック４に切り欠き部７を設けている。接続部の直流抵抗は、超伝導撚り線１から銅管３へ電流が流れるときの接触抵抗が支配的であり、銅ブロック４の電気伝導によるものは比較的小さい。このため、この図のように、変動外部磁場の方向（この図では、紙面に垂直方向）に、銅ブロック４に切り欠き部７を設けることにより、直流抵抗を増加させることなく、従来の超伝導導体接続構造より、銅ブロック４での鎖交磁束を低減している。これにより、接続部に流れる渦電流及びこの渦電流に対するループの時定数を小さくすることができ、発熱及び電磁力を抑えることが可能となる効果がある。

また、この切り欠き部７は、隙間のままであってもよいが、銅よりも高抵抗のブロック（例えば、ステンレス鋼）を充填し、銅ブロック４に接合（溶接、ロウ付け、ＨＩＰなど）するよう構成してもよく、この場合、この切り欠き部７を含む銅ブロック４の機械的強度を上げることができる。

なお、近年、超伝導コイルの構成方法としてパンケーキ型と呼ばれる構成方法が考案されており、このパンケーキ型コイル用として、上記実施の形態１に示した重ね接続構造が多用されるようになってきている。このパンケーキ型コイルでは、図１に示したように、変動外部磁場が超伝導ＣＩＣ導体の接続部に対して、超伝導ＣＩＣ導体の積層方向に垂直に作用するため、図１(a)のように、超伝導ＣＩＣ導体の積層方向（積層面）に略垂直な方向に切り欠き部７を形成する実施の形態１の接続構造は、渦電流の発生を抑制することが可能で、このパンケーキ型コイルに特に好適な接続構造である。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、切り欠き部７として、銅ブロック４の両側にスリットを設けた例を示したが、超伝導導体の中心軸に沿った断面形状が、図２に示すようなＺ型（あるいはＳ型）となるよう銅ブロック４に切り欠き部７を構成してもよい。この場合、上記実施の形態１と全く同様の効果が得られるとともに、銅ブロック４の製作が容易になるといった効果もある。

実施の形態３．
また、図３に示すように、銅ブロック４の断面形状がＩ型になるように切り欠いても、実施の形態２と同様な効果が得られるとともに、銅ブロック４の製作がさらに容易になるといった効果がある。

なお、この実施の形態３では、図３に示すように、切り欠いた後のＩ型の銅ブロック４の軸方向の長さを銅管３の長さより短くするとともに、この銅ブロック４を各銅管３のほぼ中央に配置するように構成している。

また、上記実施の形態１〜３では、いずれも２つの超伝導導体の接続部の端部が互いに逆方向になるよう接続するシェイクハンド方式の接続構造の例を示したが、従来例の図９に示したように端部を同じ方向にして接続するプレイングハンド方式の接続構造にも同様に適用でき、全く同様の効果を奏することはもちろんである。

実施の形態４．
図４には、この発明の実施の形態４における超伝導ＣＩＣ導体の接続部の斜視図を示す。図において、８は超伝導ＣＩＣ導体の導体（Conductor）部を格納する箱形の導管（Ｃｏｎｄｕｉｔ）である。また、図４(a)は、従来の接続部の構成を表している。なお、図１と同一または相当する部品は同じ符号を付して、説明を省略する。
この実施の形態４においては、渦電流を発生させる源となる鎖交磁束の領域を小さくするため、図４(b)、(c)に示すように、接続部での超伝導ＣＩＣ導体の銅管３の軸方向（長手方向の）断面形状を、積層方向の高さが幅より小さい長方形または楕円に扁平に変形している。これにより、超伝導ＣＩＣ導体の積層方向と垂直方向の変動磁場が作用する場合に、接続部での鎖交断面積が小さくなり、渦電流による発熱を抑えることができる。
なお、この図４(b)、(c)では、接続部の上下の銅管３の両方を長方形あるいは楕円形に変形して構成した例を示したが、どちらか一方の銅管３だけを変形しても鎖交磁束を減らすことができ、また、上下の断面形状を異なるものとしても同様の効果が得られる。

実施の形態５．
図５には、この発明に係る実施の形態５の超伝導ＣＩＣ導体の接続部の斜視図を示す。この実施の形態５では、図５に示すように、導管８から外部に露出された超伝導導体を屈曲して、接続部に導くことにより、接続部での導体部間の距離（Ｗ＝銅ブロック４の厚み）が、超伝導ＣＩＣ導体のターン間の距離で決定される標準的な銅ブロックの厚さ（Ｗ０＝導管８の厚さ(a)−超伝導ＣＩＣ導体（導体部）の厚さ(b)：図６参照）より小さくなるよう構成している。また、この実施の形態５では、前記実施の形態４と同様に、接続部での超伝導導体の断面形状を扁平にしており、銅ブロック４を薄くしたこととあいまって、磁場の鎖交断面積がより小さくなり、渦電流による発熱がより軽減されている。

実施の形態６．
図７には、この発明に係る実施の形態６の超伝導ＣＩＣ導体の接続部を、変動外部磁場の方向（紙面と垂直方向）から見た場合の正面図で示す。この実施の形態６では、接続部の超伝導撚線１を超伝導導体の軸方向（長手方向）端部に向かって次第に細くなるように変化させており、この結果、磁場方向に垂直な面での接続部の断面形状は、図７に示すように、銅管３の高さ（径）が端部に向かって次第に小さくなっている。このように、接続部の磁場中の鎖交断面積を小さくすることにより、超伝導導体を含む接続部での渦電流発熱を抑えることができる。

なお、図７の(a)、(b)、(c)は、この実施の形態６の接続部の構成の変形例を示すものであり、(a)は導管８から露出させた超伝導導体を屈曲させて、接続部の積層方向の面を導管８と並行に構成した場合、(b)は導管８から超伝導導体を真直に延伸して、接続部の積層方向の面を導管８と並行に構成した場合、(c)は導管８から超伝導導体を真直に延伸して、銅ブロック４との接合面が導管８と並行になるよう構成した場合を示す。
また、この実施の形態６に上記実施の形態４を組み合わせ、導体の軸方向の断面形状を長方形や楕円に変形させれば、更に磁場の鎖交断面積を小さくできることは言うまでもない。

実施の形態７．
図８(a)〜(d)には、この発明に係る実施の形態７の超伝導ＣＩＣ導体の接続部の斜視図を示す。この実施の形態７では、接続部の超伝導撚線１の素線を接続部分で超伝導導体の軸方向（長手方向）端部に向かって次第に間引いて減らすことにより、接続部での導管３の磁場に垂直な方向での鎖交断面積を減らすとともに、接続部の体積も小さくし、渦電流発熱を抑えている。また、図８(a)、(c)、(d)では、超伝導撚線１の素線数を間引いて減らすとともに、実施の形態４と同様に、超伝導導体の軸方向の断面形状を半円形、長方形あるいは楕円形とし、一層の鎖交断面積の減少を図っている。
以上のように、この実施の形態７によれば、磁場の鎖交断面積を減らすとともに、体積も小さくしたため、実施の形態４〜６と同様に、渦電流発熱を低減できる効果がある。

なお、上記の実施の形態の説明でも述べたように、各実施の形態を各々独立に適用するだけでなく、これらの実施の形態を適宜組み合わせて使用してもよく、この場合、一層渦電流を低減することができ、発熱量を低減できる効果がある。
また、上記の接続構造が、超伝導ＣＩＣ導体以外の超伝導導体の接続部においても適用可能なことは明らかである。

この発明の実施の形態１による超伝導ＣＩＣ導体の接続部を示す図であり、(a)は正面断面図、(b)は断面Ａ−Ａでの側断面図である。この発明の実施の形態２による超伝導ＣＩＣ導体の接続部を示す図であり、(a)は正面断面図、(b)は断面Ｂ−Ｂ、(c)は断面Ｃ−Ｃでの側断面図である。この発明の実施の形態３による超伝導ＣＩＣ導体の接続部を示す図であり、(a)は正面断面図、(b)は断面Ｄ−Ｄでの側断面図である。この発明の実施の形態４による超伝導ＣＩＣ導体の接続部を示す斜視図であり、(a)は円形断面の場合、(b)は長方形断面の場合、(c)は楕円形断面の場合の図である。この発明の実施の形態５による超伝導ＣＩＣ導体の接続部を示す斜視図であり、(a)は円形断面の場合、(b)は長方形断面の場合、(c)は楕円形断面の場合の図である。この発明の実施の形態５による超伝導ＣＩＣ導体の接続部の構成を示す説明図である。この発明の実施の形態６による超伝導ＣＩＣ導体の接続部を示す正面図である。この発明の実施の形態７による超伝導ＣＩＣ導体の接続部を示す斜視図であり、(a)は超伝導導体の断面形状が半円形の場合、(b)は円形の場合、(c)は長方形の場合、(d)は楕円形の場合の図である。従来の超伝導ＣＩＣ導体の接続部の構造を示す断面図である。従来の超伝導ＣＩＣ導体の接続部での磁界の向きと渦電流の関係を表す説明図である。

符号の説明

１：超伝導撚り線（超伝導導体）
２：外部被覆
３：銅管
４：銅ブロック（高電気伝導材ブロック）
５：磁場変化
６：渦電流
７：切り欠き部
８：導管

Claims

それぞれ、超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造であって、
前記高電気伝導材ブロックに、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向と略垂直な方向の切り欠き部を設けたことを特徴とする超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向での前記高電気伝導材ブロックの断面形状が、工の字形状であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向での前記高電気伝導材ブロックの断面形状が、Ｚ字形状またはＳ字形状であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向での前記高電気伝導材ブロックの断面形状が、Ｉ字形状であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
前記高電気伝導材ブロックの前記切り欠き部が、前記高電気伝導材ブロックよりも高抵抗の材料で充填されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
前記高電気伝導材ブロックの前記切り欠き部が、ステンレス鋼によって充填されていることを特徴とする請求項５に記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
前記切り欠き部に充填されたステンレス鋼が溶接、ロウ付けまたはＨＩＰのいずれかにより前記項伝導材ブロックに接合されていることを特徴とする請求項６に記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
それぞれ、超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造であって、
前記高電気伝導材ブロックに接合する部分での前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向高さが、それぞれ、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の幅より小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
それぞれ、超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造であって、
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向での前記高電気伝導材ブロックの高さが、前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を格納する導管の厚さと前記第１または第２の超伝導ＣＩＣ導体の導体部の厚さの差より小さくなるよう構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
それぞれ、超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造であって、
前記高電気伝導材ブロックに接合する部分での前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の積層方向高さが、端部に向かって小さくなるよう構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。
それぞれ、超伝導撚線から成る超伝導導体と該超伝導導体の外周を被覆する銅管を有する第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体と、
前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体間に挟持された高電気伝導材ブロックとを備え、前記高電気伝導材ブロックと前記銅管を接合して前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体を電気的に接続する超伝導ＣＩＣ導体の接続構造であって、
前記高電気伝導材ブロックに接合する部分での前記第１および第２の超伝導ＣＩＣ導体の超伝導撚線の素線の本数が、接続部以外の素線本数より少ないことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の超伝導ＣＩＣ導体の接続構造。