JP4354856B2 - 超電導導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
図1はこの発明の実施の形態1における超電導導体装置を示す縦断面図で、図2は図1のA−A線横断面図、図3は図1のB−B線横断面図である。超電導導体装置は、巻線の1ユニットの超電導導体1aと、この超電導導体1aと接続される他方の1ユニットの超電導導体1bを有し、図ではそれらの超電導導体1a,1bの端部を示している。超電導導体1aには、超電導撚線2aと、この超電導撚線2aを囲み閉じ込めて液体ヘリウムなどの冷媒流路を形成する角形コンジット3aと、超電導導体1aの端部に被せられコンジツト3a端に溶接固定され接続部(接合部)側が縮径された円形端子管4aと、縮径部21aと、冷媒出口管7aとを有している。
超電導導体1a,1bの端部間に介在させる銅板9の厚さについて、説明する。銅板9は厚い程、板の剛性が増し、接続部の組立作業が容易となる。例えば、銅板9が極度に薄いと銅板を間挿する作業中に、銅板9が超電導導体1a,1bの端部から受ける僅かな摩擦力のために座屈してしまい、銅板9の間挿作業が困難となるので、ある程度の厚さが必要である。しかし、一方銅板9が厚くなると常電導金属である銅の電気抵抗のために、超電導導体1a,1bの接続部の電気抵抗が増加する不都合があり、両者のバランスを取ったところで、銅板9の厚さを設定する必要がある。
Wcrは座屈荷重(N)、
Ecuは銅板9のヤング率で、約100(GPa)、
Iは銅板の曲げの断面二次モーメントで、T3/0.3(mm4)、
Dは銅板の直径40(mm)である。
Wcr=兀2 EcuI/(4D2) ------------式(1)
Rcuは超電導導体1a,1bの接続部に間挿する銅板9の電気抵抗(Ω)、
ρcuは使用温度即ち温度4K付近での銅の電気抵抗率で約1.7×10―10(Ωm)、
Tは銅板の厚さ(m)、
Sは銅板の面積で1.26×10−3(m2)lO-3(m2)である。
Rcu=ρcu T/S ----------------式(2)
超電導導体1a,1bの接続部に間挿する銅板9の大きさについて、説明する。銅板の大きさを超電導導体1a,1bの端部の直径より10mm程度以上大きくすると、供給する半田の浸透が良好になる。図6は実施の形態3における超電導導体装置を示す縦断面図である。同図で超電導導体1a,1bの接続部はヒータ14により半田溶融温度より高い温度に加熱され、半田が銅板9と超電導導体1a,1bの端部の界面に供給される。ここで銅板9の直径は超電導導体1a,1bの端部の外周端より5mm程度以上出っ張っている。このため溶融した半田は銅板9に沿って接合したい界面である銅板9と超電導導体1a,1bの端面の間に良好に浸透する。
銅板9の表面処理について、説明する。銅板9の表面に金メッキを施すと、供給する半田の浸透が良好になると共に、空隙の少ない半田接合面を得ることができる。半田の浸透性の指標として、金属面上の半田粒を加熱溶融させたときの半田粒の外周部が、金属面と成す角度であるところの接触角がある。接触角が小さい程、即ち溶融粒が扁平な程、半田の浸透性は良好である。発明者らは、PbSn半田を裸銅および金メッキ銅板上に置き、水素添加窒素ガス雰囲気中で300°Cに加熱したときの接触角を測定した。その結果を表1に示す。
半田の材質について、説明する。半田の材質を高純度スズSnとすると、半田の浸透性を損わずに装置が使用される極低温での電気抵抗が小さくなる。PbSn半田と高純度Sn(95%以上)半田の、温度4.2Kでの無磁場および磁場印加状態での電気抵抗率を測定した結果を図7に示す。
半田に燐Pを含有させると、供給する半田の浸透が良好になると共に、空隙の少ない半田接合面を得ることができる。半田の浸透性の指標として先に示した接触角で比較する。発明者らは、PbSn半田とP含有Pbフリー半田を裸銅板上に置き、窒素ガス雰囲気中で350°Cに加熱したときの接触角を測定した。その結果を表2に示す。
半田付けを施工する雰囲気について説明する。半田付けを水素添加窒素雰囲気中で実施すると、供給する半田の浸透が良好になると共に空隙の少ない半田接合面を得ることができる。半田の浸透性の指標として先に示した接触角で比較する。発明者らは、PbSn半田を裸銅板上に置き、窒素ガスおよび水素添加窒素雰囲気中で、300°Cに加熱したときの接触角を測定した。その結果を表3に示す。
上述の各実施の形態では、超電導導体1a,1bの端部内部に半田付けに際して、ガスを流さない場合について述べたが、半田付け施工時に水素を含む不活性ガスを超電導導体1a,1bの端部内部に流すと、半田の濡れが良好となる。図8は実施の形態8における超電導導体装置の製造方法を示す縦断面図である。超電導導体1a,1bの接続しようとする端部と、反対側の端部は水素添加窒素ガス容器20に接続され、半田付けする端部と間挿する銅板9の隙間から水素添加窒素ガスが大気に放出される。
超電導導体1a,1bの端部接続部の半田接続施工時の加熱条件について説明する。半田接続施工時の加熱条件を、所定温度到達後、所定時間保持した後に半田を供給施工すると、半田の濡れと浸透が良好となる。図9は実施の形態9における半田接続施工時の加熱条件を説明する図である。超電導導体1a,1b内部とその端部内部に水素添加窒素ガスを流すことは、実施の形態8と同様である。超電導導体1a,1b内部とその端部内部を所定のガス雰囲気にした後、図9に加熱条件を示すように端部を加熱する。この加熱温度を保持することにより銅表面の酸化膜を除去できる。この加熱温度保持過程で、水素の還元作用により、超電導撚線の接続する端面と間挿する銅板の表面の酸化膜が除去され.半田供給作業をすることにより、接合面への半田材の浸透が良く、良好な半田付けができる。
半田接続施工時の加熱温度条件を、300°C到達後30秒保持した後に半田さし施工すると、半田の濡れと浸透が良好となる。表4で実施の形態10における加熱温度条件を説明する。半田の浸透性の指標として先に示した接触角で比較する。発明者らは、PbSn半田を金メッキ銅板上に置き、水素添加窒素雰囲気中で250°C及び300°Cに加熱したときの接触角を測定した。その結果を表4に示す。
接続部界面への半田供給方法について説明する。接続部界面の外周から、間挿する銅板に沿って半田を供給する、いわゆる差し半田をすると、半田の浸透が良好となる。図10は実施の形態11における超電導導体装置の製造方法を示す縦断面図である。加熱された超電導導体1a,1bの端部接続部に間挿する銅板9の外周から、糸状の半田11を差すことにより、溶融した半田が界面に浸透する。界面にあらかじめ半田を置いておくいわゆる置き半田と比較すると、置き半田では半田表面積が大きく、半田が流動しないので酸化膜が接合したい界面にあることになり、半田のぬれ性が良くない。これに対し実施の形態11の差し半田では表面積が少なくかつ溶融して表面の酸化膜が破られた新鮮な表面をもつ部分が流動して浸透するので半田の浸透性が良い。
接続部界面へ間挿する銅板9が接合部より外周に突出する部分の処理について説明する。この突出部分を半田接合後切除すると、半田付け後の組立作業がしやすくなる。図11は実施の形態12における超電導導体装置の製造方法を示す縦断面図である。導体接続部に
は接合界面の機械的な補強と接合界面のコイル外部真空に対する気密のために外管6を設置する。外管6は導体接続部の端子管4a,4bの外周に密着させる構造とすると機械構造的に強固となる。
超電導体の種類について説明する。超電導体が例えばNb3Snのような超電導コイルの巻線形状成形後に高温の超電導体生成のための熱処理が必要なものに適用する場合は、半田の濡れが向上する効果がある。Nb3Sn超電導体を使用した超電導コイルのNb3Sn生成熱処理は、600〜700°Cの高温で100〜500時間もの長時間熱処理である。この熱処理過程で、超電導導体の金属管内を炉内雰囲気と隔離した気密構造とし、金属管内部に清浄な不活性ガス、たとえばArガスを流通させると、超電導撚線の撚線製造工程で不可避的に付着している有機物が、ベーキング効果によりほぼ完全に除去できる。
実施の形態1では、超電導撚線が金属管内に収納された内部強制冷却型超電導導体を使用する場合について述べたが、超電導撚線が剥き出しであり金属管が無い形式の超電導導体に適用しても、冷却性に優れた超電導導体装置にできる効果がある。金属管を使用する超電導導体は通常、高い強度と高い耐電圧性能が必要な超電導コイル装置に適用されるが、一方で液体ヘリウム等貯液された静止液体冷媒に直接露出された超電導コイル装置と比較すると、冷却性能が不十分である。冷却性能をより重視し撚線が冷媒液に直接露出する形式の超電導コイル装置の導体接続部に実施する場合を説明する。
実施の形態1と同様である。このように実施の形態14では、撚線のみからなる超電導導体を使用する超電導コイルの導体接続部において、銅板を介在させた半田付けを施工するようにしたので、よりコイルの冷却性能が高く性能の高い超電導導体装置が得られる効果がある。
3a,3b コンジット 4a,4b 円形端子管
6 外管 7a,7b 冷媒出口管
8 矢印 9 銅板
10 接合部 11 糸状半田
14 ヒータ 20 水素添加窒素ガス容器
21a,21b 縮径部。
Claims (8)
- 超電導撚線と上記超電導撚線を囲み冷媒流路を形成するコンジットを有する強制冷却型超電導導体であって、接続される上記超電導導体同志の長手方向の対向する端部が上記超電導導体の長手方向に対して略直角に切断され、切断された上記超電導導体端部間に金メッキが施されている銅板を介在させ、上記両超電導導体端部と上記銅板間が半田で突合わせ接合された超電導導体装置。
- 超電導撚線と上記超電導撚線を囲み冷媒流路を形成するコンジットを有する強制冷却型超電導導体であって、接続される上記超電導導体同志の長手方向の対向する端部が上記超電導導体の長手方向に対して略直角に切断され、切断された上記超電導導体端部間に銅板を介在させ、水素を含む不活性ガス雰囲気で上記両超電導導体端部と上記銅板間が半田で突合わせ接合される超電導導体装置の製造方法。
- 水素を含む不活性ガスを上記超電導導体のコンジット内部に流して上記両超電導導体端部と上記銅板間が半田で突合わせ接合される請求項2記載の超電導導体装置の製造方法。
- 超電導撚線と上記超電導撚線を囲み冷媒流路を形成するコンジットを有する強制冷却型超電導導体であって、接続される上記超電導導体同志の長手方向の対向する端部が上記超電導導体の長手方向に対して略直角に切断され、切断された上記超電導導体端部間に銅板を介在させ、半田で接合される部分又は全体を所定の温度に所定時間保持した後に、上記両超電導導体端部と上記銅板間が半田で突合わせ接合される超電導導体装置の製造方法。
- 半田で接合される部分を300°C以上の温度にする請求項4記載の超電導導体装置の製造方法。
- 超電導撚線と上記超電導撚線を囲み冷媒流路を形成するコンジットを有する強制冷却型超電導導体であって、接続される上記超電導導体同志の長手方向の対向する端部が上記超電導導体の長手方向に対して略直角に切断され、切断された上記超電導導体端部間に銅板を介在させ、糸状半田を半田で接合される部分の外周から供給して、上記両超電導導体端部と上記銅板間が半田で突合わせ接合される超電導導体装置の製造方法。
- 半田で接合後に上記超電導導体端部の接合部からはみ出した部分を削除する請求項2〜請求項6のいずれか1項に記載の超電導導体装置の製造方法。
- 上記超電導導体の超電導物質の高温における超電導物質生成熱処理中に、上記超電導撚線表面の付着有機物を熱分解して除去するようにした請求項2〜請求項7のいずれか1項に記載の超電導導体装置の製造方法。
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