JPH10106647A - 永久電流スイッチ用線材の接続構造および接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、接続部の電気抵抗が小さく、永久
電流モ一ドにおけるジュ一ル発熱の問題を生じないとと
もに、接続強度も充分に高くできる永久電流スイッチ用
線材の接続構造と接続方法の提供を目的とする。 【解決手段】 本発明は、多数のＮｂフィラメント２
０’が分散配列されてなる永久電流スイッチ用の超電導
線材２０と、超電導フィラメント１９’が分散配列され
てなる超電導マグネット用の超電導線材１９を接続する
構造で、スイッチ用の超電導線材の端部から所定長さの
Ｎｂフィラメント１９’が露出され、超電導マグネット
用の超電導線材の端部から所定長さの超電導フィラメン
ト２０’が露出され、露出された両フィラメント１
９’、２０’が接触され接触部の周囲を覆ってＮｂまた
はＮｂ-Ｔｉ合金の箔または管体８が被覆され、接触部
が前記箔または管体８を介してろう付け圧着または溶接
により接合されてなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁界を用いてオン
・オフのスイッチングを行う永久電流スイッチ用線材の
接続構造および接続方法に関するもので、永久電流スイ
ッチは、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）を
初めとし、磁気浮上輸送機器、理化学研究用超電導マグ
ネットシステム等に用いられるものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導永久電流スイッチは、超電導マグ
ネットと組み合わせて永久電流回路を実現させるために
不可欠な要素となっており、超電導エネルギー貯蔵シス
テムなどにおいて、超電導マグネットを永久電流状態で
運転する装置においては、超電導コイルと永久電流スイ
ッチを並列接続して構成し、この並列回路を所望の電源
にパワーリードを介して接続する構成が一般的になって
いる。

【０００３】図６〜図８に、このような構成の超電導エ
ネルギー貯蔵装置の一例を示す。これらの図において符
号１は超電導コイルを示し、この超電導コイル１と永久
電流スイッチ２を並列接続し、この回路にパワーリード
３と開閉スイッチ４とを介して交直変換装置５を接続
し、交直変換装置５に図示略の交流電源系統を接続して
超電導エネルギー貯蔵装置が構成されている。前記超電
導コイル１と永久電流スイッチ２は、いずれも極低温に
おいて超電導状態に遷移する超電導体から形成され、液
体ヘリウムなどの冷媒で冷却されるようになっている。
なお、図６〜図８においては、超電導コイル１と永久電
流スイッチ２を液体ヘリウムで冷却する装置と回路につ
いては省略している。

【０００４】図６〜図８に示す超電導エネルギー貯蔵装
置を用いて電力の貯蔵を行うには図６に示すように開閉
スイッチ４を閉じた状態で永久電流スイッチ２をオフと
し、電流を超電導コイル１に流すことで、超電導コイル
１に磁気エネルギーとして電力を貯蔵する。次に、永久
電流スイッチ２を超電導状態とすることでオンの状態と
し、外部からの電流を減じて永久電流スイッチ２に電流
を流し込む。外部からの電流がゼロになると、超電導コ
イル１に流れる電流と同等の電流が永久電流スイッチ２
に流れ、永久電流モードとなる。この状態で開閉スイッ
チ４を開くと、超電導コイル１も永久電流スイッチ２も
共に電気抵抗がゼロであるから、図７に示すように、電
流は永久電流となって減水することなくこの並列回路中
を流れ続け、超電導コイル１に蓄積されたエネルギーが
無損失で貯蔵されたことになる。次に、この貯蔵された
エネルギーを取り出すには、図８に示すように、開閉ス
イッチ４を閉じた後に、永久電流スイッチ２を常電導状
態にもたらすことでオフとする。すると、前記の超電導
コイル１と永久電流スイッチからなる並列回路に貯蔵さ
れていたエネルギーを電力としてパワーリード線３を通
して取り出すことができる。

【０００５】従来、このような永久電流スイッチのオン
・オフ制御を行なう装置の原理としては、機械方式、温
度制御方式、磁界制御方式などが提案されている。この
うち、現在実用化が進められて主流となっているのは、
温度制御方式であり、この温度制御方式の装置は、永久
電流スイッチを構成する超電導線材に加熱ヒータを沿わ
せて設け、エポキシ樹脂含浸を行って断熱構造とし、こ
の加熱ヒータにより必要に応じて永久電流スイッチの超
電導線材を臨界温度以上になるように加熱する構成にな
っている。前記構成において永久電流スイッチ用の超電
導線材は、主にＮｂ-Ｔｉ合金線からなる超電導線材が
用いられており、その臨界温度は約９Ｋ程度に設定され
ている。また、このスイッチ用超電導線材は、オフ時の
高抵抗化のために、超電導材料と高抵抗金属材料からな
る複合構造とされ、非超電導状態時の線材比抵抗が高め
られた構造にされているのが一般的である。ところが、
この温度制御方式の装置では、動作に時間がかかる問題
や、大電流容量時の熱的不安定性の問題等があり、永久
電流スイッチのオン・オフ制御の高速応答には適応でき
ない問題があった。

【０００６】そこで注目されているのが、磁界制御方式
である。この磁界制御方式とは、永久電流スイッチを構
成する超電導線材が、臨界磁界を越える磁界中におかれ
ると常伝導状態に遷移する現象を利用し、永久電流スイ
ッチを構成する超電導線材に別途設けた制御用コイルに
より、磁界をかけることができる構成としたものであ
る。そしてこの磁界制御方式によれば、超電導線材に所
望の磁界をかけること、および、磁界を取り去ることは
制御用超電導コイルに対する通電制御により瞬時にで
き、スイッチングに要する時間は、原理的に磁界スイー
プ速度により決定されるので、この磁界制御方式によれ
ば永久電流スイッチのオン・オフ制御の高速応答が可能
になる。また、磁界式永久電流スイッチであれば、原理
的に断熱構造を採用する必要は無くなり、熱はけの良い
巻線構造が可能となり、高速磁界変化時に発生するスイ
ッチ用超電導巻線の交流損失発生に対する線材および巻
線の安定性の面で有利である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この種の磁界制御方式
の永久電流スイッチは、磁界によるオン・オフ制御を行
うために、通常、スイッチ用の超電導巻線と制御用電磁
石で構成されている。そして、スイッチ用線材には、磁
界制御が容易な臨界磁界を有するＣｕ-Ｎｂ合金の線材
が用いられている。そして、この種のスイッチ用の超電
導巻線を構成する超電導線材の一例として、Ｎｂの線材
を多数本集合してＣｕ管、あるいはＣｕ-Ｎｉ管に収容
したものを線引き加工して素線を形成し、この素線を更
に複数本集合してＣｕ管あるいはＣｕ-Ｎｉ合金管に収
容したものを線引き加工することで、ＣｕあるいはＣｕ
-Ｎｉ合金のマトリクス部の内部にＮｂの極細フィラメ
ントが分散配列された多芯構造のものが使用されてい
る。なお、この種のスイッチ用超電導線材として、Ｃｕ
あるいはＣｕ合金の基地の内部にＮｂの樹枝状晶が析出
されたインサイチュ線材を複数本集合し、これをＣｕあ
るいはＣｕ合金の管体の内部に収納してから線引き加工
し、Ｎｂの不連続フィラメントをＣｕあるいはＣｕ合金
基地の内部に分散させた構造のものも使用されている。

【０００８】一方、前記の構造の永久電流スイッチ用の
超電導線材は、永久電流スイッチが永久電流モードで運
転されるがために、組み合わせて用いられる超電導マグ
ネット用巻線末端と極めて低い電気抵抗値で接続されて
いる必要がある。また、この種の超電導マグネット用巻
線を構成する超電導線材の一例として、Ｎｂ-Ｔｉ合金
の線材をＣｕ管あるいはＣｕ-Ｎｉ合金管に複数挿入し
たものを線引き加工して素線を形成し、この素線を更に
複数本集合して銅管に挿入し、更に線引き加工すること
で、ＣｕあるいはＣｕ-Ｎｉ合金のマトリクス部の内部
にＮｂ-Ｔｉ合金の極細フィラメントが多数分散配列さ
れた多芯構造のものが使用されている。

【０００９】このような背景から、従来は、超電導マグ
ネット用巻線（多芯超電導線材）とスイッチ用超電導線
材（多芯超電導線材）を接続するには、それぞれのマト
リクス部（通常は、ＣｕやＣｕ-Ｎｉ合金）を機械的あ
るいは化学的（酸などに浸漬してマトリクス部分のみを
溶解除去する）に除去し、マトリクス部内部の超電導フ
ィラメント（通常はＮｂ-Ｔｉ合金のフィラメントある
いはＮｂのフィラメント）を露出させ、両フィラメント
どうしをろう付けするかまたは溶接にて接合することで
低抵抗接続を実施していた。しかしながら、磁界式永久
電流スイッチにおいては、前述のように接続する多芯超
電導線材のフィラメントどうしの種類が異なるために、
このような接続方法を行うと、以下に説明するような問
題を生じていた。

【００１０】前記スイッチ用の超電導線材のＮｂフィラ
メントは、前述の如く複数回の線引き加工を施すことに
より極細になるように加工されているが、このスイッチ
用のＮｂフィラメントの直径が、超電導マグネット用超
電導線材のＮｂ-Ｔｉ合金のフィラメントに比べて数分
の一から数１０分の一の太さであり、具体的には、１μ
ｍから０.１μｍであって極めて細いこと、また、Ｎｂ
フィラメントの間にはＣｕが存在している（Ｃｕ系金属
マトリクスの除去の仕方により微量のＣｕが残留するこ
とがある。）こと等の理由から、前述の如くフィラメン
トどうしを露出させてろう付けや溶接で接続したので
は、強固な接合が作り難いこと、細い方のＮｂフィラメ
ントが切れやすいことから、接続強度が高い構造とする
ことは不可能であり、更に、充分に低抵抗な接続も実現
できない問題があった。なお、この種のフィラメントど
うしをろう付け接続した従来構造では、一般的な超電導
線どうしの接続部分の接続抵抗よりも数倍から数１００
倍も高い接続抵抗値となってしまうことがあり、実際に
接続した線材個々のばらつきも作業者の熟練度に影響さ
れて大きくなる傾向にあり、このため永久電流モードで
の運転時に、接続部におけるジュール発熱によるエネル
ギー損失が無視できないほど大きくなる問題があった。

【００１１】本発明は前記事情に鑑みてなされたもので
あり、接続部の電気抵抗が小さく、永久電流モードにお
けるジュール発熱の問題を生じないとともに、接続強度
も充分に高くすることができる永久電流スイッチ用線材
の接続構造と接続方法の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は前
記課題を解決するために、ＣｕまたはＣｕ合金からなる
金属マトリクス部の内部に多数のＮｂフィラメントが分
散配列されてなる永久電流スイッチ用の超電導線材と、
ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属マトリクス部の内部に
Ｎｂ-Ｔｉ合金の超電導フィラメントが分散配列されて
なる超電導マグネット用の超電導線材を接続する構造で
あって、前記スイッチ用の超電導線材の金属マトリクス
部の端部から所定長さのＮｂフィラメントが露出され、
前記超電導マグネット用の超電導線材の金属マトリクス
部の端部から所定長さのＮｂ-Ｔｉ合金の超電導フィラ
メントが露出されるとともに、露出された両フィラメン
トが接触され、接触部の周囲を覆ってＮｂまたはＮｂ-
Ｔｉ合金の箔または管体が被覆され、前記接触部が前記
箔または管体を介してろう付け、圧着または溶接により
接合されてなるものである。前記の構造において、スイ
ッチ用の超電導線材のフィラメントの径が、超電導マグ
ネット用の超電導線材のフィラメントの径よりも小さく
形成されてなる構造に使用することができる。

【００１３】本発明の接続方法は、ＣｕまたはＣｕ合金
からなる金属マトリクス部の内部に多数のＮｂフィラメ
ントが分散配列されてなる永久電流スイッチ用の超電導
線材と、ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属マトリクス部
の内部にＮｂ-Ｔｉ合金の超電導フィラメントが分散配
列されてなる超電導マグネット用の超電導線材とを接続
する方法であって、前記スイッチ用の超電導線材の金属
マトリクス部の端部から所定長さのＮｂフィラメントを
露出させ、前記超電導マグネット用の超電導線材の金属
マトリクス部の端部から所定長さのＮｂ-Ｔｉ合金の超
電導フィラメントを露出させるとともに、両フィラメン
トを接触させてからそれらの接触部の周囲を覆ってＮｂ
またはＮｂ-Ｔｉ合金の箔または管体を被覆し、その後
に前記接触部を前記箔または管体を介してろう付け圧着
または溶接により接合するものである。

【００１４】「作用」ＮｂまたはＮｂ-Ｔｉ合金の箔ま
たは管体でスイッチ用超電導線材のフィラメントと超電
導マグネット用の超電導線材のフィラメントの接触部を
覆うので、超電導フィラメントどうしの接触部分には、
超電導フィラメントを構成する材料のみが存在するの
で、接続時のろう付けや溶接に伴う加熱時に、フィラメ
ント構成元素が他の元素と金属間化合物や余計な酸化物
等を生成しない。よって、電気抵抗を高くする要素とな
る金属間化合物や不純物等の存在しない接続が可能にな
る。両フィラメントを箔または管体で覆い接合すると、
接合部を箔や管体が覆うので、それらの存在により接続
部の機械強度が向上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
例について説明する。図１は本発明に係る接続構造の第
１実施例を示すもので、図中符号１９は超電導マグネッ
ト用巻線として用いられる超電導線材を示し、図中２０
はこれに接続された永久電流スイッチ用超電導線材を示
し、この例の構造では両者の端部どうしがＮｂからなる
管体８で覆われてそれらが圧接されて一体化されてい
る。前記超電導マグネット用巻線として用いられる超電
導線材１９は、ＣｕあるいはＣｕ合金のマトリクス部の
内部に微細なＮｂ-Ｔｉ合金のフィラメント１９’が多
数分散配列されてなるもので、永久電流スイッチ用超電
導線材２０はＣｕまたはＣｕ合金のマトリクス部の内部
にＮｂのフィラメント２０’が多数分散配列されてなる
ものである。なお、通常、超電導線材１９のフィラメン
ト１９’の直径は０.１〜１μｍ程度に形成され、超電
導線材２０のフィラメント２０’の直径は数１０〜数μ
ｍ程度に形成されている。

【００１６】前記超電導線材１９と超電導線材２０を接
続するには、これらの接続するべき端部どうしの金属マ
トリクス部分を機械加工あるいは化学処理で除去し、フ
ィラメント１９’、２０’を所定長さ露出させる。金属
マトリクス部分を除去するには、線材の端部を硝酸に浸
漬して金属マトリクス部を溶解除去する方法等を採用す
れば良い。金属マトリクス部分を所定長さ除去すると超
電導線材１９、２０は図２に示すようにフィラメント１
９’、２０’が露出された構造となる。この状態の超電
導線材１９、２０のフィラメント１９’、２０’をＮｂ
の管体８’の内部に挿入してフィラメント１９’、２
０’どうしを図２に示すように突き合わせ、この状態で
圧接機械で管体８’の外周から圧力をかけて管体８’を
潰すと同時にフィラメント１９’、２０’を圧着接合す
ることで図１に示す接続構造が得られる。

【００１７】この接合時においては、フィラメント１９
がＮｂ-Ｔｉ合金からなり、フィラメント２０がＮｂか
らなり、管体８がＮｂからなるので、接合部が加熱され
て接合部で元素拡散がなされても接合部分に存在する元
素が全てフィラメント１９’、２０を構成するための元
素であるために、不用な金属間化合物や化合物が生じな
い。よって、接合部分を低抵抗化することができる。ま
た、永久電流スイッチ用超電導線材２０のフィラメント
２０’が超電導マグネットの巻線用超電導線材１９のフ
ィラメント１９’よりも細い場合は、細い方のフィラメ
ント２０’が接続時に断線するおそれもあるが、この例
では管体８がフィラメント２０’を覆って保護する構成
になるので、フィラメント２０’を損傷させるおそれも
少ない。更に、この例ような接続構造であれば、接合を
行う作業者の熟練度にたよることなく安定した品質の接
続構造を得ることができる。ところで前記の例では、Ｎ
ｂの管体８を用いたが、管体８に替えて箔を用いて箔で
覆っても良く、Ｎｂ-Ｔｉ合金の箔や管体を用いても良
い。

【００１８】ここで以下に、前記永久電流スイッチ用超
電導線材２０の製造方法の一例について説明する。図４
は永久電流スイッチ用線材２０を製造する方法の一例に
ついて説明するためのもので、この例の方法を実施する
には、図４（ａ）に示すインサイチュ合金１０を製造す
る。このインサイチュ合金１０は、所定成分のＣｕ-Ｎ
ｂ合金を溶解鋳造して得られるもので、ＣｕあるいはＣ
ｕ合金からなる金属基地１１の内部にＮｂの樹枝状晶１
２が分散した組織を有し、しかも縮径加工などの塑性加
工性が高いものである。前記Ｎｂの樹枝状晶１２は、直
径数μｍ〜数１０μｍ程度の大きさのものであり、Ｃｕ
に対してＮｂが固溶しないことから、鋳造した場合に、
Ｎｂが樹枝状晶としてＣｕまたはＣｕ合金からなる金属
基地１１の内部に析出して生成するものである。

【００１９】次に、前記インサイチュ合金１０に圧延加
工、鍛造加工、あるいは、ダイスによる線引き加工など
の塑性加工を施して縮径し、図４（ｂ）に示すインサイ
チュ線材１３を得る。このインサイチュ線材１３は、Ｃ
ｕあるいはＣｕ合金からなる金属基地１４の内部に、前
記塑性加工により樹枝状晶１２を加工して形成された繊
維状のＮｂのフィラメント１５が多数分散配列されたも
のである。なお、前記塑性加工の段階において、インサ
イチュ合金１０の外周部を損傷させないこと、あるい
は、ダイスとの焼き付きなどを無くするなどの目的か
ら、インサイチュ合金１０の外周にＣｕなどからなる加
工性の良好な管体を被せてから塑性加工しても良い。ま
た、前記塑性加工は、目的の永久電流スイッチ用線材に
要求される線径と同等のレベルまで必要回数繰り返すも
のとし、塑性加工中に中間焼鈍などの熱処理を適宜施し
ても良い。この場合、インサイチュ線材１３は加工性に
優れているので、加工中の断線事故などの問題は生じに
くい。

【００２０】インサイチュ線材１３を得たならば、この
インサイチュ線材１３にＺｎ、Ｃｕ-Ｚｎ合金、あるい
は、Ｃｕ-Ｎｉ合金からなるメッキ層を形成するか、こ
れらの材料からなる管体を被せることにより、図４
（ｃ）に示す被覆層１６を形成して被覆複合線１７を得
る。なお、被覆層１６としてＺｎ被覆層を用いた場合、
金属基地のＣｕに対するＺｎの固溶限が３８.２ａｔ％
であることから、被覆層１６のインサイチュ線材１３に
対する厚さを前記固溶限を越えないような厚さにしてお
くことが好ましい。なおまた、インサイチュ線材１３の
外周に被覆層１６を形成する手段としては、管体を被せ
て縮径する方法が大量生産向きで好ましいとともに、こ
の方法では管体の厚さを変更することで被覆層１６の厚
さを自由に調節できる利点もあるので好適である。

【００２１】次に、メッキ層を表層に設けた構造の線材
においては、前記被覆複合線１７を加熱炉などにおいて
７００〜８００℃で数時間〜数１０時間加熱する。この
加熱処理により被覆層１６を構成する金属元素がインサ
イチュ線１３側に拡散し、これによりインサイチュ線材
１３の金属基地１４にＺｎまたはＮｉが拡散して金属基
地１４が高電気抵抗化され、図４（ｄ）に示す永久電流
スイッチ用超電導線材１９が得られる。なお、合金管体
を被覆して製造した複合線材の場合は、既に充分線材と
して高抵抗化されているので、加熱処理を省略すること
もできる。この超電導線材１９は、銅マトリクス、また
は高電気抵抗化された金属マトリクス部の内部に、Ｎｂ
の極細のフィラメントが多数分散配列された構造を有し
ている。従ってＮｂフィラメントが極低温に冷却された
場合に超電導体となり、これが永久電流スイッチ用線材
としての超電導体となる。前記Ｎｂフィラメント自体
は、不連続繊維の集合体であるが、フィラメントどうし
の間隔が極めて小さいので超電導状態では近接効果が作
用して超電導電流が流れることになる。

【００２２】更に、前記線材１９は、その金属基地を一
部または全部Ｃｕなどの良導電体に比べて高電気抵抗化
しているので、スイッチイング動作を行う超電導エネル
ギー貯蔵用装置の永久電流スイッチ用として好適になっ
ている。また、インサイチュ合金１０からスタートして
製造しているので、超電導体として臨界電流密度が高
く、また、臨界磁界の比較的低いものが容易に得られ
る。よって、磁界制御方式の永久電流スイッチ用として
好適である。更に前記の方法のうち、必要な線径までイ
ンサイチュ線１３の状態で縮径してから被覆層１６を形
成し、それから熱処理して元素拡散させる場合には、イ
ンサイチュ線材１３の良好な加工性を維持しながら加工
ができる。なお、前記のＮｉやＺｎを拡散させて高電気
抵抗化した後の金属基地は、インサイチュ線１３に比べ
て硬化し、塑性加工性が低下することになる。よって、
必要な線径までこれらの元素の拡散を行なわずに最終段
階で拡散させることによりインサイチュ線１３の有する
高い加工性を維持することができ、加工途中に断線させ
ることなく所望の線径の超電導線材１９を得ることがで
きる。

【００２３】なお、前記インサイチュ線材１３の金属基
地１４に元素を拡散させてこれを高電気抵抗化する場
合、Ｎｉ被覆を形成することも考えられるが、Ｎｉ被覆
を施してこれを拡散させると、Ｎｂ濃度４０重量％程度
で現われるＮｂＮｉ金属間化合物、Ｎｂ濃度６５重量％
程度で現われるＮｂＮｉ₃金属間化合物が析出し、これ
らが超電導特性と加工性に悪影響を及ぼすために、好ま
しくない。この点においてＮｉ濃度の低いＣｕ-Ｎｉ合
金を用いれば前記問題が生じるおそれは少なく、更に金
属間化合物生成による悪影響のおそれの少ないＺｎやＣ
ｕ-Ｚｎ合金を用いれば問題は生じない。

【００２４】また、この例ではインサイチュ線材１３を
用いて永久電流スイッチ用線材を製造したが、Ｃｕ管の
内部にＮｂロッドを複合した複合ロッドを多数本集合し
てからＣｕあるいはＣｕ合金管に収納し、更に縮径加工
する複合縮径加工を繰り返し施す方法を用い、Ｃｕまた
はＣｕ合金マトリクスの内部にＮｂフィラメントが配列
した構造の超電導線材を製造し、これを永久電流スイッ
チ用線材として用いても良いのは勿論である。この場
合、金属マトリクスを高抵抗化するためには、複合途中
にＣｕ管に換えてＮｉを含むＣｕ-Ｎｉ合金管やＣｕ-Ｚ
ｎ管を用いれば良い。これにより先の説明で得られたも
のと同等の超電導特性を発揮するスイッチ用の超電導線
材を得ることができる。

【００２５】次に、図５は、前記永久電流スイッチ用線
材１９が設けられる超電導エネルギー貯蔵装置の一例を
示すものであり、この例の貯蔵装置において、２１は超
電導マグネットコイル、２２は超電導マグネットコイル
２１に並列接続された永久電流スイッチ、２３は超電導
マグネットコイル２１と永久電流スイッチ２２に接続さ
れたパワーリード、２４はパワーリード２３に組み込ま
れた開閉スイッチ、２５はパワーリード２３に接続され
た交直変換器をそれぞれ示している。この例の永久電流
スイッチ２２は、前記線材１９をコイル状に加工して形
成されている。また、図５において２６は制御用超電導
コイル、２７はこの制御用超電導コイル２６に接続され
た定電流源である。更に、図５において２８は冷却容器
による極低温領域を示し、この領域を液体ヘリウムによ
り極低温に冷却することで超電導コイル２１と永久電流
スイッチ２２と制御用超電導コイル２６をそれぞれ超電
導状態にすることができるようになっている。なお、前
記制御用超電導コイル２６は１テスラ程度の磁界を発生
させることができるものである。

【００２６】前記構成の装置にあっては、図６〜図８を
基に先に説明した従来の超電導エネルギー貯蔵装置と同
様に、電力の充電と貯蔵と放出ができるものである。ま
ず、充電を行なうには、開閉スイッチ２４を閉じて回路
を接続するとともに、定電流源２７を作動させて制御用
超電導コイル２６に通電し、制御用超電導コイル２６に
より永久電流スイッチ２２の超電導線材２０に磁界をか
ける。この場合超電導線材２０の臨界磁界よりも高い磁
界をかける。これにより、超電導線材２０は極低温にお
いても常電導状態になるので永久電流スイッチ２２は切
られた状態になり、超電導マグネットコイル２１に直流
電流が流れ、磁気エネルギーとして電力を貯蔵すること
ができるようになる。

【００２７】次に、開閉スイッチ２４を開いて、制御用
超電導コイル２６に対する通電を停止して永久電流スイ
ッチ２２に対する磁界を解除すると、永久電流スイッチ
２２の超電導線材２０は超電導状態になるので、超電導
マグネットコイル２１の両端を短絡することになる。こ
れにより、超電導マグネットコイル２１は極低温状態に
冷却されていて電気抵抗がゼロであるがために、電流は
減衰することなく超電導マグネットコイル２１を流れ続
け、そのときの超電導マグネットコイル２１に蓄えられ
たエネルギーが無損失で保存されることになる。

【００２８】次にこの貯蔵された電力を取り出すには、
制御用超電導コイル２６に通電して永久電流スイッチ２
２の超電導線材２０を常電導状態に遷移させとともに、
開閉スイッチ２４を閉じて回路を接続する。これによ
り、超電導マグネットコイル２１に蓄えられていた磁気
エネルギーを電力として取り出すことができる。このよ
うにして永久電流スイッチ２２のオン・オフ制御を行う
ことができる。なおまた、このような磁界の負荷と解除
により永久電流スイッチ２２のオン・オフ制御を行なう
ならば、応答が速いので、高速応答に容易に対応するこ
とができる。以上のように種々の通電状態を取るわけで
あるが、これらのいずれの状態においても超電導マグネ
ットコイル２１を構成する超電導線材１９と永久電流ス
イッチ２２を構成する超電導線材２０の接続部分が低抵
抗接続されているので、この部分でのジュール発熱は問
題にならない。ところで、前記の例においては、溶接と
圧接により超電導フィラメント１９’、２０’を接合し
たが、ろう付けで接合しても良いのは勿論である。

【００２９】図３（ａ）は、本発明に係る接続構造の他
の例を示すもので、この例の構造においては、各超電導
線材１２、２０から露出させたフィラメント１９’とフ
ィラメント２０’を一部オーバーラップさせて突き合わ
せ、それらの上から管体８を覆い被せて３者が圧着接合
されている。このような構造においても先の例の構造と
同等の効果を得ることができる。図３（ｂ）は更に別の
例を示すが、この例の構造においては、各超電導線材１
２、２０から露出させたフィラメント１９’とフィラメ
ント２０’をオーバーラップさせて突き合わせ、それら
の上から管体８０を覆い被せて構成し、この管体８０の
両端部に各超電導線材１２、２０の端部を覆う筒状のカ
バー部材８Ａ、８Ｂを設けた構造である。この例の構造
によれば、カバー部材８Ａ、８Ｂで各超電導線材１２、
２０の端部を覆うので、接続部分の機械強度を増大させ
ることができる特徴がある。

【００３０】（製造例１）永久電流スイッチ用超電導線
材として、Ｃｕ-５０wt%Ｎｂ合金を用いて図４に示す方
法で得られる超電導フィラメント部を構成し、金属マト
リクス部分をＣｕ-３０wt%Ｎｉ合金で構成した超電導線
材を用い、これを無誘導巻きし、制御マグネットに収納
し、磁界式永久電流スイッチを作成した。この磁界式永
久電流スイッチは、運転電流３００Ａで０.３５Ｔ（テ
スラ）のオフ磁界を有し、オフ時の抵抗は５Ωであっ
た。次に、この永久電流スイッチを運転電流３００Ａで
３００ｍＨのインダクタンスを有するＮｂ-Ｔｉ線材を
巻線した超電導マグネットと接続した。接続にあたり、
永久電流スイッチ用超電導線材のＣｕ-Ｎｉ合金のマト
リクス部と超電導マグネット用超電導線材のＣｕの金属
マトリクス部をそれらの線材の端部から５０ｍｍにわた
り硝酸で溶解除去し、それぞれの超電導フィラメントを
露出させた。

【００３１】次に、各超電導線材の露出させたフィラメ
ント部分を重ね合わせ、長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚
さ１００μｍのＮｂ箔を半折りにした部材により包み込
み、電気スポット溶接により接合した。このことによ
り、永久電流スイッチ用超電導線材のフィラメント部と
超電導マグネット用超電導線材のフィラメント部がＮｂ
箔により強固に固定接続され、また、接続部には、Ｎｂ
およびＮｂ-Ｔｉのみにより構成されるために非超電導
介在物が存在しないために、極めて低い電気抵抗接続が
可能になった。この５０ｍｍ長の接続構造における接続
抵抗値を２カ所で測定したところ、いずれも０.０１μ
ｍの低抵抗接続構造であることが判明した。

【００３２】（比較例１）また、前記のＮｂ箔を用いる
ことなく全く同じ構造の各超電導線材のフィラメント部
分を重ね合わせて電気スポット溶接により接合したとこ
ろ、５０ｍｍ長の接続部２カ所（先の接続構造で測定し
た位置と同じ位置）での接続抵抗値は２０μΩおよび２
３μΩの高い値であり、かつ、ばらつきの大きい接続抵
抗値であることが判明した。

【００３３】（製造例２）永久電流スイッチ用超電導線
材として、Ｃｕ-５０wt%Ｎｂ合金で超電導フィラメント
部を構成し、金属マトリクス部分をＣｕ-３０wt%Ｎｉ合
金で構成した超電導線材を用い、これを無誘導巻きし、
制御マグネットに収納し、磁界式永久電流スイッチを作
成した。この磁界式永久電流スイッチは、運転電流１０
０Ａで０.２Ｔ（テスラ）のオフ磁界を有し、オフ時の
抵抗は２Ωであった。次に、この永久電流スイッチを運
転電流１００Ａで２００ｍＨのインダクタンスを有する
Ｎｂ-Ｔｉ線材を巻線した超電導マグネットと接続し
た。接続にあたり、永久電流スイッチ用超電導線材のＣ
ｕ-Ｎｉ合金のマトリクス部と超電導マグネット用超電
導線材のＣｕの金属マトリクス部をそれらの線材の端部
から５０ｍｍにわたり硝酸で溶解除去し、それぞれの超
電導フィラメントを露出させた。

【００３４】各超電導線材の露出させたフィラメント部
分を重ね合わせ、長さ３０ｍｍ、内径１ｍｍ、肉厚０.
５ｍｍのＮｂ-Ｔｉ合金管を被せた後、圧着機により圧
着接合した。このことにより、永久電流スイッチ用超電
導線材のフィラメント部と超電導マグネット用超電導線
材のフィラメント部がＮｂ-Ｔｉ合金管により強固に固
定接続され、また、接続部には、ＮｂおよびＮｂ-Ｔｉ
のみにより構成されるために非超電導介在物が存在しな
いために、極めて低い電気抵抗接続が可能になった。こ
の接続構造における接続抵抗値を２カ所で測定したとこ
ろ、いずれも０.０１μｍの低抵抗接続構造であること
が判明した。

【００３５】（比較例２）また、前記のＮｂ-Ｔｉ合金
管を用いることなく全く同じ構造の各超電導線材のフィ
ラメント部分を重ね合わせて電気スポット溶接により接
合したところ、５０ｍｍ長の接続部２カ所（先の接続構
造で測定した位置と同じ位置）での接続抵抗値は１０μ
Ωおよび２３μΩの高い値であり、かつ、ばらつきの大
きい接続抵抗値であることが判明した。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、スイッチ
用超電導線材から露出させた超電導フィラメントと、超
電導マグネット用の超電導線材から露出させた超電導フ
ィラメントとの接触部分をＮｂまたはＮｂ-Ｔｉ合金の
箔または管体で覆う構造であるので、超電導フィラメン
トどうしの接触部分には超電導フィラメントを構成する
材料のみが存在することになり、他の元素は介在しない
ので、接続時のろう付けや溶接に伴う加熱時に、フィラ
メント構成元素が他の元素と金属間化合物や余計な酸化
物等を生成しない。よって、電気抵抗を高くする要素と
なる金属間化合物や不純物等の存在しない接続が可能に
なり、スイッチ用超電導線材とマグネット用超電導線材
の低抵抗接続ができる。また、スイッチ用とマグネット
用の両超電導線材のフィラメントを箔または管体で覆い
接合すると、接合部を箔や管体が覆うので、それらの存
在により接続部の機械強度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明に係る接続構造の一例を示す断
面図である。

【図２】 図２は図１に示す接続構造を作成するための
方法を示す断面図である。

【図３】 図３（ａ）は本発明に係る接続構造の第２の
例を示す断面図、図３（ｂ）は本発明に係る接続構造の
第３の例を示す断面図である。

【図４】 図４は本発明構造に係る接続構造のスイッチ
用超電導線材を製造する方法を説明するもので、図４
（ａ）はインサイチュ合金の断面図、図４（ｂ）はイン
サイチュ合金を線引き加工して得たインサイチュ線材を
示す断面図、図４（ｃ）は図４（ｂ）のインサイチュ線
材にＺｎ層を被覆した被覆複合線を示す断面図、図４
（ｄ）は被覆複合線に熱処理を施して得た永久電流スイ
ッチ用線材の断面図である。

【図５】 本発明構造で用いる超電導線材の接続構造が
組み込まれる永久電流スイッチを備えた超電導エネルギ
ー貯蔵装置の一例を示す構成図である。

【図６】 従来の永久電流スイッチを備えた超電導エネ
ルギー貯蔵装置の一例に充電している状態を示す構成図
である。

【図７】 従来の永久電流スイッチを備えた超電導エネ
ルギー貯蔵装置の一例に電力を保存している状態を示す
構成図である。

【図８】 従来の永久電流スイッチを備えた超電導エネ
ルギー貯蔵装置の一例から電力を取り出している状態を
示す構成図である。

【符号の説明】

８…管体、１９…超電導マグネット用超電導線材、２０
…永久電流スイッチ用超電導線材、２１…超電導マグネ
ット、２２…永久電流スイッチ、２６…制御用超電導コ
イル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 宰 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 本間 仁 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号 東北電力株式会社研究開発センター内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属マトリ
   クス部の内部に多数のＮｂフィラメントが分散配列され
   てなる永久電流スイッチ用の超電導線材と、Ｃｕまたは
   Ｃｕ合金からなる金属マトリクス部の内部にＮｂ-Ｔｉ
   合金の超電導フィラメントが分散配列されてなる超電導
   マグネット用の超電導線材を接続する構造であって、 前記スイッチ用の超電導線材の金属マトリクス部の端部
   から所定長さのＮｂフィラメントが露出され、前記超電
   導マグネット用の超電導線材の金属マトリクス部の端部
   から所定長さのＮｂ-Ｔｉ合金の超電導フィラメントが
   露出されるとともに、露出された両フィラメントが接触
   され接触部の周囲を覆ってＮｂまたはＮｂ-Ｔｉ合金の
   箔または管体が被覆され、前記接触部が前記箔または管
   体を介してろう付け、圧着または溶接により接合されて
   なることを特徴とする永久電流スイッチ用線材の接続構
   造。
2. 【請求項２】 スイッチ用の超電導線材のフィラメント
   の径が、超電導マグネット用の超電導線材のフィラメン
   トの径よりも小さく形成されてなることを特徴とする請
   求項１記載の永久電流スイッチ用線材の接続構造。
3. 【請求項３】 ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属マトリ
   クス部の内部に多数のＮｂフィラメントが分散配列され
   てなる永久電流スイッチ用の超電導線材と、Ｃｕまたは
   Ｃｕ合金からなる金属マトリクス部の内部にＮｂ-Ｔｉ
   合金の超電導フィラメントが分散配列されてなる超電導
   マグネット用の超電導線材とを接続する方法であって、 前記スイッチ用の超電導線材の金属マトリクス部の端部
   から所定長さのＮｂフィラメントを露出させ、前記超電
   導マグネット用の超電導線材の金属マトリクス部の端部
   から所定長さのＮｂ-Ｔｉ合金の超電導フィラメントを
   露出させるとともに、両フィラメントを接触させてから
   それらの接触部の周囲を覆ってＮｂまたはＮｂ-Ｔｉ合
   金の箔または管体を被覆し、その後に前記接触部を前記
   箔または管体を介してろう付け、圧着または溶接により
   接合することを特徴とする永久電流スイッチ用線材の接
   続方法。