JPH1027707A - 超電導磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高磁場を安定に且つ低冷却コストで発生させる
ことを志向しつつ、フィラメント及び安定化金属の取扱
い等に関する煩雑さを解消して作業性を良くすると共
に、引張等の応力に対する接続部の機械的健全性を高め
る。 【解決手段】超電導磁石は、軸方向に互いに突き合わせ
て一体に接合固定された複数の超電導素線（集合体）３
ａ、３ｂと、この各素線３ａ、３ｂを収納した状態で各
素線３ａ、３ｂと共に軸方向に互いに突き合わせて一体
に接合固定されたスリーブ６ａ、６ｂとで構成した接続
部を備える。この接続部に、スリーブ６ａ、６ｂの軸方
向の両端面を介してスリーブ６ａ、６ｂを保持する分割
可能な接続部拘束スリーブ（保持要素）７を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高磁場を安定し
て発生させる超電導磁石に係り、特に超電導素線の接続
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超電導磁石には、高磁場化及び大
電流化の要求を受けて、複数の超電導線を撚り合わせて
構成したケーブルを導体として使用するものが増えてい
る。特に、核融合装置や超電導エネルギー蓄積装置等に
用いる大型超電導磁石では、その導体として多数の超電
導線を撚り合わせたケーブルの外周部をステンレス等の
金属でパイプ状に覆うことで流路を形成し、この流路に
沿って液体ヘリウム等の冷媒を流す強制冷却方式の超電
導導体が採用されている。

【０００３】このような強制冷却方式の導体を使用する
大型超電導磁石では、現在の導体基体の製造技術を遥か
に超える長尺化要求を満足させるため、一般に、超電導
線又はケーブル間を接続する方法が採用されている。こ
の内、超電導線同士をハンダで接続する最も原始的な接
続方法では、フィラメント（超電導部）の外周部を覆う
安定化金属を介して接続するものであるため、その安定
化金属への電流に起因して生じる接続部の発熱により、
超電導磁石の永久電流モードでの運転時に電流が減衰す
る等の問題があった。

【０００４】そこで、超電導導体の接続部での発熱を抑
制する方法として、一定長さのフィラメントを安定化金
属を除去して露出させ、そのフィラメント同士を互いに
重ね合わせて固相接合する方法等が提案されている（例
えば、特開平６−３１４５８４号公報等）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の接続部での発熱抑制を志向した接続方法では、
ハンダ付けによる方法と比べると高磁場を安定に且つ比
較的、低冷却コストで発生させる利点があるものの、安
定化金属の除去及び極細線のフィラメントの取扱い等の
工程が必須であったため、必ずしも作業性の良いもので
はなかった。

【０００６】また一般に、超電導磁石の通電時にはフー
プ方向（コイルの拡張方向）に生じる電磁力を受けて超
電導導体に引張応力が付加されるが、従来の固相接合等
を用いた接続方法では、必ずしも上記の引張応力に対す
る機械的健全性を意識したものではなかったため、何ら
かの原因で接続強度が不足した場合には、引張応力に耐
えられず、接続部が破断する事態が生じる可能性もあっ
た。

【０００７】この発明は、このような従来の問題を考慮
してなされたもので、高磁場を安定に且つ低冷却コスト
で発生させることを志向しつつ、フィラメント及び安定
化金属の取扱い等に関する煩雑さを解消して作業性を良
くすると共に、引張等の応力に対する接続部の機械的健
全性を高めることを、目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明に係る超電導磁石は、複数の超
電導素線を有し、この複数の超電導素線を少なくとも１
つの接続部を介して軸方向に長尺化して配置した構成と
し、上記接続部を、上記軸方向に互いに突き合わせて一
体に接合固定された上記複数の超電導素線の集合体と、
この集合体を収納した状態で当該集合体と共に上記軸方
向に互いに突き合わせて一体に接合固定されたスリーブ
とで構成すると共に、このスリーブの軸方向の両端面を
介して当該スリーブを保持する保持要素を上記接続部に
設けたことを特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明では、前記保持要素
は、前記スリーブの周囲の少なくとも一部を囲う大きさ
の断面略コ字状の凹部を有し、この凹部を介して上記保
持要素を上記スリーブに取り付けている。

【００１０】請求項３記載の発明では、前記保持要素
は、前記凹部を成す内側表面を有する分割可能な筒状部
材で成り、この筒状部材内に前記スリーブを嵌め込んで
固定している。

【００１１】請求項４記載の発明では、前記保持要素
は、前記凹部の互いに対向する両側部を成す板状部材
と、その凹部の底部を成し且つ上記板状部材間を機械的
に連結可能な連結部材とで成り、前記スリーブの軸方向
の両端面側の夫々に上記板状部材を配置し、この板状部
材を互いに上記連結部材を介して接続固定している。

【００１２】請求項５記載の発明では、前記保持要素を
介して前記スリーブの外側表面を臨む貫通穴を当該保持
要素に設けている。

【００１３】請求項６記載の発明では、前記保持要素
は、超電導物質又は熱処理で超電導物質となる元素を含
む材料で形成している。

【００１４】請求項７記載の発明では、前記保持要素
は、超電導物質又は熱処理で超電導物質となる元素から
成る超電導部を備え、この超電導部を線材又は薄膜で形
成している。

【００１５】請求項８記載の発明では、前記保持要素
は、前記スリーブの材料よりも室温から低温までの温度
範囲で線膨張係数が大きい材料で形成している。

【００１６】請求項９記載の発明では、前記保持要素を
前記スリーブにハンダで取り付けている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態を図
面を参照して説明する。

【００１８】図１（ａ）に示す超電導磁石は、強制冷却
方式の超電導導体１を備え、この導体１として、ステン
レス等の高強度非磁性鋼から成る断面矩形のパイプ状の
コンジット２内に複数の超電導素線３…３を撚り合わせ
且つ軸方向に少なくとも１つの接続部（後述）を介して
長尺化させたケーブルを収納したものを適用したもの
で、コンジット２内に極低温の液体ヘリウム等の冷媒を
圧送してケーブルを冷却することにより、超電導状態を
実現するようになっている。ここで、超電導素線３は、
図１（ｂ）に示すように、例えばＮｂＴｉ又はＮｂ₃ Ｓ
ｎ等の超電導物質又は熱処理で超電導物質となる元素か
ら成るフィラメント４と、Ｃｕ又はＡｌ等の超電導物質
の安定化金属５とで構成されている。

【００１９】この超電導導体１の接続部構造及びその接
続方法を図１〜図６に基づいて説明する（各図中の符号
の添字ａ及びｂは互いに接続すべき両者を示す）。

【００２０】まず、図１に示すように、接続対象の双方
の超電導導体１（１ａ、１ｂ）に対してコンジット２の
接続側端部を除去し、超電導素線３を剥き出して露出さ
せ、その後に、図２に示すように、露出させた超電導素
線３ａにＣｕ等で形成したパイプスリーブ６ａを挿入す
る。そこで、図３に示すように、鍛造加工の１つである
スウェージング加工を施し、超電導素線３ａ…３ａ間の
空隙をなくして密着度を高めた集合体を形成し、その集
合体の端面を所定の表面粗さの接合面となるように平滑
に仕上げ加工する。

【００２１】この状態で、図４に示すように、集合体の
端面を介して双方の超電導導体１ａ、１ｂを突き合わ
せ、これを真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱し、そ
の軸方向に加圧力を加えて互いに固相接合する。即ち、
従来の安定化金属を除去してフィラメント同士を接続す
る工程の代わりに、パイプスリーブ６ａ、６ｂ内に密集
させた超電導素線同士を集合体として直接に突き合わせ
て接続する工程を採用したため、わざわざ安定化金属を
除去して極細線のフィラメントを取り扱う手間が省け、
作業性を良くすることができる。

【００２２】このように超電導素線３ａ、３ｂ及びパイ
プスリーブ６ａ、６ｂを接合固定する工程が終了する
と、接続部の引張応力による接合面間の破断を防止する
目的で、スウェージング加工の際に使用したパイプスリ
ーブ６ａ、６ｂの両端部の間隔を保持する保持要素（保
持機構）を設ける工程に移行する。この工程がない場合
には、例えば接続部の接合強度が不足して通電時のフー
プ方向の電磁力に起因する引張応力に耐えられず、その
結果、接合面が破断し、そこで電流が遮断して電圧が急
激に上昇し、接合面間にアークが発生して、最悪の場合
には磁石の絶縁材料の損傷等を引き起こす事態が想定さ
れる。

【００２３】そこで、この実施形態では、図５に示すよ
うに、保持要素として、パイプスリーブ６ａ、６ｂの両
端部と嵌め合う断面略コ字状の凹部を有する分割可能な
円筒状部材（以下、「接続部拘束スリーブ」と呼ぶ）７
を準備した。この接続部拘束スリーブ７の材料として
は、パイプスリーブ６ａ、６ｂの材料よりも室温から低
温までの線膨脹係数が大きいもの、例えばＡｌとＣｕと
の組み合わせたものを使用することが望ましい。この接
続部拘束スリーブ７を用いて、図６に示すように、パイ
プスリーブ６ａ、６ｂを囲うように嵌め込み、ハンダで
固定する。

【００２４】従って、このような接続部拘束スリーブを
設けたため、超電導磁石の通電時のフープ方向の電磁力
に対するパイプスリーブの両端部での変位を拘束でき且
つその圧縮荷重を分担でき、その結果、接合面に付加さ
れる引張応力を低減して接合面の破断に至る不都合な事
態を殆ど回避できる。ここで、接続部拘束スリーブの材
料を上記のように調整することにより、圧縮荷重分担の
効果をより一層発揮させることができる。また、接合面
間の界面にミクロな剥離が生じた場合でも、コイルの通
電電流が接続部拘束スリーブを介してバイパスして流れ
るため、電流が遮断する事態を殆ど回避できる。

【００２５】なお、この接続部拘束スリーブについて
は、その外面に貫通穴を設けてもよい。例えば、貫通穴
として、図７に示す溝状の穴８ａ又は図８に示す円形状
の穴８ｂ等の各種形状の穴を接続部拘束スリーブ７の半
径方向の側面に形成することにより、接続部に発生する
交流損失をより一層低減し、冷却効果をより一層高める
利点がある。

【００２６】また、接続部拘束スリーブを超電導物質又
は熱処理により超電導物質となる元素を含む材料で構成
してもよく、これら超電導物質又は元素から成る超電導
部（超電導線又は薄膜）を外面に形成してもよい。例え
ば、図９及び図１０に示すように、超電導部（薄膜）９
を接続部拘束スリーブ７の半径方向の外側表面（図９参
照）又は内側表面（図１０参照）等の外面に設けること
により、接続部拘束スリーブ７でのコイル電流のバイパ
ス効果をより一層高める利点がある。

【００２７】さらに、接続部を構成するパイプスリーブ
のほか、超電導導体の軸方向の接続部を外した位置にス
ウェージング加工を施した別途のパイプスリーブを少な
くとも１箇所設け、これらパイプスリーブ間をブリッジ
する接続部拘束スリーブを採用してもよい。例えば、図
１１に示すように、接続部のパイプスリーブ６ａ、６ｂ
を挟む軸方向の異なる位置にスウェージング加工を施し
た別途のパイプスリーブ６ａ１、６ａ２を配置し、これ
らパイプスリーブ間を接続部拘束スリーブ７ａでブリッ
ジして固定配置することにより、上述の接続部での変位
拘束及び荷重分担の効果をより一層高める利点がある。

【００２８】またなお、この実施形態では、保持要素と
して接続部拘束スリーブを設けてあるが、この発明は必
ずしもこれに限定されるものではなく、パイプスリーブ
の軸方向の両側面に対向する両側からパイプスリーブを
保持して少なくとも接続部の変位を拘束可能なものであ
ればよい。

【００２９】例えば、保持要素としてパイプスリーブの
両端部の夫々に別体の板を設け、この２枚の板を互いに
機械的に結合しても、上記の接続部拘束スリーブと同様
の効果を発揮させることができる。このパイプスリーブ
を挟む２枚板及びその連結構造の一例として、図１２に
環状の２枚の板１０ａ、１０ｂを互いにスリーブ状部材
１１で締結して連結固定するものを、図１３に環状の２
枚の板１０ａ、１０ｂを互いにスリーブ状部材１１で溶
接して連結固定するものを示した。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、軸方向に互いに突き合わせて一体に接合固定された
複数の超電導素線の集合体及びスリーブで構成した接続
部に、スリーブの軸方向の両端面を介してスリーブを保
持する保持要素を設けることを必須としたため、高磁場
を安定に且つ低冷却コストで発生させることを志向しつ
つ、フィラメント及び安定化金属の取扱い等に関する煩
雑さを解消して作業性を良くすると共に、引張等の応力
に対する接続部の機械的健全性を大幅に高めた超電導磁
石を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、この発明の超電導磁石の導体構造を
示す概略斜視図、（ｂ）は超電導素線の要部構成を示す
概略断面図。

【図２】超電導素線にパイプスリーブを挿入する工程及
びその導体構造を説明する概略斜視図。

【図３】パイプスリーブを挿入した状態を説明する概略
断面図。

【図４】超電導導体の接続部構造を説明する概略側面
図。

【図５】この発明の保持要素を成す接続部拘束スリーブ
の全体構造を説明する概略斜視図。

【図６】接続部拘束スリーブの配置状態を説明する概略
部分断面図。

【図７】溝状の貫通穴を説明する概略斜視図。

【図８】円形状の貫通穴を説明する概略斜視図。

【図９】接続部拘束スリーブの外側表面に形成した超電
導部を説明する概略断面図。

【図１０】接続部拘束スリーブの内側表面に形成した超
電導部を説明する概略断面図。

【図１１】ブリッジ状の接続部拘束スリーブを説明する
概略図。

【図１２】２枚板を互いに締結固定した保持要素を説明
する概略図。

【図１３】２枚板を互いに溶接固定した保持要素を説明
する概略図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ 超電導導体 ２，２ａ，２ｂ コンジット ３，３ａ，３ｂ 超電導素線 ４ フィラメント ５ 安定化金属 ６ａ、６ｂ パイプスリーブ ７ 接続部拘束スリーブ（保持要素） ８ａ、８ｂ 貫通穴 ９ 超電導部 １０ａ、１０ｂ 板 １１ スリーブ状部材

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の超電導素線を有し、この複数の超
   電導素線を少なくとも１つの接続部を介して軸方向に長
   尺化して配置した超電導磁石において、 上記接続部を、上記軸方向に互いに突き合わせて一体に
   接合固定された上記複数の超電導素線の集合体と、この
   集合体を収納した状態で当該集合体と共に上記軸方向に
   互いに突き合わせて一体に接合固定されたスリーブとで
   構成すると共に、このスリーブの軸方向の両端面を介し
   て当該スリーブを保持する保持要素を上記接続部に設け
   たことを特徴とする超電導磁石。
2. 【請求項２】 前記保持要素は、前記スリーブの周囲の
   少なくとも一部を囲う大きさの断面略コ字状の凹部を有
   し、この凹部を介して上記保持要素を上記スリーブに取
   り付けた請求項１記載の超電導磁石。
3. 【請求項３】 前記保持要素は、前記凹部を成す内側表
   面を有する分割可能な筒状部材で成り、この筒状部材内
   に前記スリーブを嵌め込んで固定した請求項２記載の超
   電導磁石。
4. 【請求項４】 前記保持要素は、前記凹部の互いに対向
   する両側部を成す板状部材と、その凹部の底部を成し且
   つ上記板状部材間を機械的に連結可能な連結部材とで成
   り、前記スリーブの軸方向の両端面側の夫々に上記板状
   部材を配置し、この板状部材を互いに上記連結部材を介
   して接続固定した請求項２記載の超電導磁石。
5. 【請求項５】 前記保持要素を介して前記スリーブの外
   側表面を臨む貫通穴を当該保持要素に設けた請求項１乃
   至４のいずれか１項記載の超電導磁石。
6. 【請求項６】 前記保持要素は、超電導物質又は熱処理
   で超電導物質となる元素を含む材料で形成した請求項１
   乃至５のいずれか１項記載の超電導磁石。
7. 【請求項７】 前記保持要素は、超電導物質又は熱処理
   で超電導物質となる元素から成る超電導部を備え、この
   超電導部を線材又は薄膜で形成した請求項１乃至６のい
   ずれか１項記載の超電導磁石。
8. 【請求項８】 前記保持要素は、前記スリーブの材料よ
   りも室温から低温までの温度範囲で線膨張係数が大きい
   材料で形成した請求項１乃至７のいずれか１項記載の超
   電導磁石。
9. 【請求項９】 前記保持要素を前記スリーブにハンダで
   取り付けた請求項１乃至８のいずれか１項記載の超電導
   磁石。