JP4058920B2 - 超電導接続構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導線，超電導線接続構造およびその製造方法に関する。具体的には、超電導マグネットシステム，電流リード，送電ケーブル，核磁気共鳴分析装置，医療用磁気共鳴診断装置，超電導電力貯蔵装置，磁気分離装置，磁場中単結晶引き上げ装置，冷凍機冷却超電導マグネット装置，超電導エネルギー貯蔵，超電導発電機，核融合炉用マグネット等の機器において適用される。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネット装置，超電導電力ケーブル等においては２本以上の超電導線を電気的に接続する接続個所が必要であるものがある。例えば、永久電流運転超電導マグネット装置においては接続個所における電気抵抗は極力小さくし、マグネットの発生する磁場の減衰率を小さくする必要がある。また、大電流を輸送するような超電導電力ケーブルにおいては接続個所での発熱により冷媒消費量が大きくなるため、接続個所での電気抵抗を小さくする必要がある。２本以上の超電導線を電気的に接続する方法としては超電導線を金属または合金の融液に浸した後、固化させる方法について特開２００１−１０２１０５に詳細が述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術に述べたように超電導線の電気的接続方法には超電導線を金属または合金の融液に浸した後、固化させる方法がある。しかし、この方法は工程が複雑であり構造も簡単ではない。また、金属または合金の臨界磁場が１Ｔ以下であり、接続部を高磁場中に配置することができない。さらに、超電導線が５００℃程度の金属融液により変性し超電導特性が劣化するという問題等がある。この発明においてはこれらの課題を解決できる超電導線の接続構造を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
最近、Nature４１０，６３−６４（２００１）で報告されたように、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ₂ ）が超電導を示すことが発見された。ＭｇＢ₂ の特徴は以下のとおりである。
【０００５】
（１）臨界温度
ＭｇＢ₂ の臨界温度は３９Ｋである。これは従来の金属系超電導材料の最高値である。したがって、この材料を用いて超電導線の接続部を構成した場合、臨界温度が高いことから安定性マージンが高くなるので、速やかな常電導転移、すなわちクエンチ現象が発生しにくい超電導線の接続を実現できる。また、臨界温度が高いことから、液体水素や気体ヘリウム等を冷媒として使用することができる。
【０００６】
（２）臨界磁場
０Ｔにおける臨界磁場は約１８Ｔである。また、液体ヘリウム４.２Ｋ における臨界磁場は１０Ｔ以上である。超電導マグネットにおける従来の接続技術では、接続部の臨界磁場が低くなる場合があり、接続部を超電導マグネットから遠い磁場の小さい場所に配置したり、接続部の外側に磁気シールドを設置したりする制約があった。しかし、この材料を用いて超電導線の接続部を構成した場合、上記のような制約はなくなるため、接続部の構成が自由となる。
【０００７】
（３）接合性
最近では熱処理を施さない方法でＭｇＢ₂ を用いたパウダーインチューブ線材の試作もされている。これはＭｇＢ₂ の粒子間の接合性がよいためと考えられる。これは他の超電導体にはない性質である。また、線材に熱処理を施す必要がないという点は酸化物超電導線やその他超電導線の製造方法と異なる特徴がある。
【０００８】
発明者らは以上のようなＭｇＢ₂の超電導体としては良好の性質を鑑み、超電導線の接続部に適用できないか検討を続けてきた。前記課題を達成するため、以下のような手段を適用した。
【０００９】
本発明に係わる超電導線接続構造は、２本以上の超電導線間の電気的接続構造であって、前記超電導線間には二ホウ化マグネシウムを含む超電導体粉末を介在させることを特徴とする。この構造を適用することにより、前記超電導線間に前記超電導体粉末を介在させるだけの簡単な構造であり、超電導線接続構造を簡略化することができる。
【００１０】
本発明に係わる超電導線接続構造は、前記の超電導線接続構造であって、前記超電導線間には前記超電導体粉末の代替として、前記超電導体粉末より融点の低い金属粉末または合金粉末を添加した超電導粉末金属粉末混合体を使用したことを特徴とする。この構造を適用することにより、可塑性のある金属が前記超電導体粉末の粒子間の結合性を向上することができ、大電流を通電することができる。
【００１１】
本発明に係わる超電導線接続構造は、前記の超電導線接続構造であって、前記超電導体粉末の平均粒径は２０μｍ以下であることを特徴とする。この構造を適用することにより、前記超電導体粉末の粒子間の結合性を向上することができ、大電流を通電することができる。
【００１２】
本発明に係わる超電導線接続構造は、前記の超電導線接続構造であって、前記超電導線と前記超電導体粉末金属粉末混合体を金，銀，銅，白金，パラジウム，アルミニウム，ニオブ，鉛，錫，マグネシウム，インジウム，タングステン，コバルト，ニッケル，鉄，タンタルまたはクロムの純金属製またはこれらのうち少なくとも１種類の金属を含む合金製の被覆材で内包したことを特徴とする。この構造を適用することにより、前記超電導体粉末または前記超電導粉末金属粉末混合体が散逸しない構造とすることができ、機械的に安定な接続部を実現できる。
【００１３】
本発明に係わる超電導線接続構造は、前記の超電導線接続構造であって、前記超電導線と前記超電導体粉末が接する面においては少なくともその一部において、前記超電導線に内包された超電導フィラメントが前記超電導体粉末に直接接していることを特徴とする。この構造を適用することにより、前記超電導線間に電気抵抗の発生しない接続構造とすることができる。
【００１４】
本発明に係わる超電導線接続構造は、前記の超電導線接続構造であって、前記超電導体粉末の密度が理論密度の５０％以上であることを特徴とする。この構造を適用することにより、前記超電導体粉末の粒子間の結合性を向上することができ、大電流を通電することができる。
【００１５】
本発明に係わる超電導線接続構造の製造方法は、前記の超電導線接続構造の製造方法であって、前記超電導線接続構造に対する加熱処理を一度も行わないことを特徴とする。この構造を適用することにより、加熱処理による前記超電導線の性能低下のない接続構造とすることができる。
【００１６】
本発明に係わる超電導線接続構造の製造方法は、前記の超電導線接続構造の製造方法であって、前記超電導線，前記超電導体粉末，前記超電導粉末金属粉末混合体に含まれる前記金属粉末もしくは前記合金粉末のいずれか一種の一部分が溶融する温度以上の領域まで加熱することを特徴とする。この方法を適用することにより、前記超電導線，前記超電導体粉末の粒子，前記超電導粉末金属粉末混合体の粒子間の結合性を向上することができ、大電流を通電することができ
る。
【００１７】
本発明に係わる超電導線接続構造の製造方法は、前記の超電導線接続構造の製造方法であって、前記超電導線と前記超電導体粉末を金，銀，銅，白金，パラジウム，アルミニウム，ニオブ，鉛，錫，マグネシウム，インジウム，タングステン，コバルト，ニッケル，鉄，タンタルまたはクロムの純金属製またはこれらのうち少なくとも１種類の金属を含む合金製の被覆材の中に配置する第１の工程と、第１の工程で作製した部分に少なくとも１ton／cm²以上の圧力を加えて変形させる第２の工程の両工程を有することを特徴とする。この方法を適用することにより、前記超電導線，前記超電導体粉末の粒子，前記超電導粉末金属粉末混合体の粒子間の結合性を向上することができ、大電流を通電することができる。
【００１８】
本発明に係わる超電導線接続構造は、前記超電導線接続構造であって、接続すべき複数の前記超電導線または複数の前記超電導撚線の少なくとも１つは二ホウ化マグネシウムの臨界温度と同じまたはそれ以上の臨界温度を有することを特徴とする。この構造を適用することにより例えば酸化物超電導線どうし、ＭｇＢ₂ を用いた超電導線どうし、酸化物超電導線と金属系超電導線，酸化物超電導線とＭｇＢ₂ を用いた超電導線，ＭｇＢ₂ を用いた超電導線と金属系超電導線の接続が可能である。
【００１９】
本発明に係わる超電導線接続構造は、前記超電導線接続構造であって、接続される超電導線は複数の超電導線を撚り合わせた超電導撚線であることを特徴とする。この超電導線接続構造は、接続部が磁場中に配置されていても電気抵抗が低いため消費電力の低減が可能であり、この接続構造を適用した装置は接続部を低磁場領域に設置する必要がないためマグネット全体のコンパクト化が可能であり、また、接続部の構造を簡略することが可能である。
【００２０】
本発明に係わる超電導線接続構造は、前記超電導線接続構造であって、前記超電導撚線はケーブルインコンジット型強制冷却超電導導体内部の超電導撚線であることを特徴とする。この超電導線接続構造は、接続部が磁場中に配置されていても電気抵抗が低いため消費電力の低減が可能であり、この接続構造を適用した装置は接続部を低磁場領域に設置する必要がないためマグネット全体のコンパクト化が可能であり、また、接続部の構造を簡略することが可能である。
【００２１】
本発明に係わる超電導マグネット装置は、前記超電導線接続構造を具備したことを特徴とする。
【００２２】
本発明に係わる超電導マグネット装置は、前記超電導線接続構造の製造方法により製造された超電導線接続方法を具備したことを特徴とする。この超電導マグネット装置は、接続部に大電流の通電が可能であり、接続部が磁場中に配置されていても電気抵抗が低いため消費電力の低減が可能であり、接続部を低磁場領域に設置する必要がないためマグネット全体のコンパクト化が可能であり、また、接続部の構造を簡略することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１に本発明における超電導線接続部（以下、接続部）の第１の実施例における外観図を示す。図２に本発明における第１の実施例の内部を示す断面図である。図２は図１における切断面１０１により接続部を切断した場合の断面図である。
【００２４】
まず、はじめに接続部の構造について説明する。
【００２５】
１ａおよび１ｂは接続の対象となる超電導線である。超電導線１ａ，１ｂはニオブチタン（ＮｂＴｉ）を超電導材として、無酸素銅を安定化材として用いたマルチフィラメント超電導線である。本実施例においてはＮｂＴｉ超電導線を用いたが、その他の超電導線でも実施可能である。超電導線１ａ，１ｂは安定化材を除去されており、接続部の内部において超電導フィラメント４ａ，４ｂがむき出しになっている。本実施例においては安定化材を完全に除去したが、超電導フィラメントが脆い場合などは一部が残っていても構わない。
【００２６】
接続部被覆材３は無酸素銅の中空構造となっており、超電導フィラメント４ａ，４ｂと接続部被覆材３の間にはＭｇＢ₂ 粉末２が充填されている。
【００２７】
次に接続部の製法を説明する。接続の対象となる２本の超電導線は化学的処理により先端の無酸素銅の安定化材を除去する。本実施例では硝酸を用いて安定化材を除去したが、機械的に削る等の方法でもよい。本実施例において安定化材を除去した長さは約３０mmである。なお、２本の超電導線は同一の超電導線であり、直径０.７mm 、外部磁場０Ｔにおける臨界電流は８００Ａである。安定化材を除去した超電導線は長さ６０mm，内径５mm，外径１０mmの無酸素銅製パイプに挿入される。なお、無酸素銅製パイプは最終的に接続部被覆材となるものである。超電導線，無酸素銅製パイプ等の寸法は接続する超電導線の寸法，特性，接続部を配置する環境等に合わせたものであり、それらが変われば寸法も変える必要がある。超電導線を無酸素銅製パイプに挿入する際、超電導フィラメントはほぼ平行に、かつ、なるべく近づけることが望ましい。次に２本の超電導線を挿入した側のパイプの端をプレス機でかしめた後、他端よりＭｇＢ₂ 粉末を無酸素銅製パイプ内に充填する。このときに粉末の量を最終的にどれくらいの密度，体積になるかを勘案し、任意の量を充填する必要がある。本実施例に用いたＭｇＢ₂ 粉末は平均粒径２０μｍ以下のものを用いている。ＭｇＢ₂ 粉末を充填した後、パイプのまだかしめていない方の端を他端と同様にプレス機を用いてかしめる。この後、プレス機を用いて、パイプをまだかしめていない部分、すなわちパイプの中央部分をかしめてパイプの断面を矩形にする。本実施例ではプレス機を用いているが、機械的に接続部を圧縮できる装置ならば他でもよい。また、矩形断面ではなく他の形状でもよい。プレス機でかしめた接続部の断面寸法は幅約１０mm，厚さ約６mmである。また、接続部の断面におけるＭｇＢ₂ 粉末部分は幅約８mm，厚さ約２mmとなっている。当然ながらこれらの寸法は超電導線の寸法，パイプの寸法，ＭｇＢ₂ 粉末の量等に左右される。
【００２８】
上記のように作製した超電導線接続部の外部磁場なしにおける液体ヘリウム中での電流−電圧特性を図３に示す。電流は２本の超電導線の間に流れる電流であり、電圧はそれぞれの超電導線において接続部被覆材から１０mm離れた２点間の電圧である。図３に示すように４５０Ａまでは電圧の発生が観測されず、４５０Ａ以下では超電導状態であることが確認できた。また、他の超電導線を用いても超電導状態になることを確認できた。なお、以後、特に断りのない限り臨界電流の測定条件は上記のとおりとする。
【００２９】
以上のように、ＭｇＢ₂粉末により２本の超電導線が超電導状態で電気的に接続できることが明らかになった。
【００３０】
発明者らはさらに通電電流を増加させるため、（１）接続部における臨界電流のＭｇＢ₂ 粉末の粒径依存性、（２）接続部被覆材の検討、（３）ＭｇＢ₂ 粉末に添加する金属とその量、（４）加熱処理の有無、（５）ＭｇＢ₂ 粉末の密度、について検討を行い接続部の製作および評価を行った。それらの実施例について実施例２から７に記す。
【００３１】
（実施例２）
ＭｇＢ₂ 粉末の平均粒径を変えたものをあらかじめ準備し、実施例１と同様の方法で接続部を製作した。平均粒径は走査型電子顕微鏡にて測定しており、９５％以上の粉末粒子の粒径は平均粒径の±２０％以内となっていることを確認している。また、ＭｇＢ₂ 粉末の密度は理論密度の８０％±５％になるよう圧縮している。このようにして製作した接続部の臨界電流の測定結果と平均粒径の関係を表１に示す。なお、以後特に断りがない限り、接続部の接続部被覆材としては無酸素銅，超電導線としては実施例１に前記したＮｂＴｉ線を用いている。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１に示すように平均粒径が２０μｍ以上では粒径が大きくなるにしたがい臨界電流が低下することという傾向が得られた。一方、２０μｍ以下では臨界電流に若干の増加はあるものの、大きな変化はないと考えられる。２０μｍ以上では臨界電流が現象するという結果が得られた原因は、粒径が大きくなるとＭｇＢ₂粉末間の密着度が悪くなり、粉末粒子界面において超電導状態を維持できなくなるためと考えられる。また、超電導線のフィラメントとＭｇＢ₂ 粉末の密着度も悪くなっていることも原因であると考えられる。一方、２０μｍ以下において臨界電流の増加が少ないのは、粉末粒子間および粉末粒子と超電導フィラメント間の密着度はよいものの、電流の流れる部分に粒子の界面が多くなっているため、臨界電流の増加率が悪くなっていると考えられる。以上のようにＭｇＢ₂ 粉末の平均粒径は２０μｍ以下とすることにより臨界電流を増加させることができると確認できた。
【００３４】
（実施例３）
発明者らは金，銀，銅，白金，パラジウム，アルミニウム，ニオブ，鉛，錫，マグネシウム，インジウム，タングステン，コバルト，ニッケル，鉄，タンタルまたはクロムのパイプを用いて、実施例１と同様の方法を用いて接続部を製作したところ全ての種類において超電導状態での接続が可能であることが判明した。特に銅，金，銀，アルミニウムに関しては延展性がよいためパイプをかしめる際に表面にクラックが入ることなく良好な接続構造をとることができた。また、
ＳＵＳ３０４ステンレス鋼，銅ニッケル合金，銀マグネシウム合金等のパイプを用いて製作したところ、超電導状態での接続が可能であった。
【００３５】
（実施例４）
平均粒径２０μｍのＭｇＢ₂粉末に平均粒径５μｍのインジウム粉末を任意の量を添加し、実施例１と同様の方法により接続部を製作したところ、表２に示すような臨界電流の測定結果を得た。これらは最終かしめでは２ton／cm²の面圧でかしめを行っている。なお、表２における添加比率は質量比率である。
【００３６】
【表２】

【００３７】
表２のようにインジウム粉末の添加比率をゼロから増加させるに従い臨界電流が増加することが認められたが、２５％以上にすると臨界電流が減少するということが判明した。添加比率は概ね５０％以下であれば十分使用可能と考えられる。インジウム粉末を２５％添加した場合の接続部の断面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、インジウムがＭｇＢ₂ 粉末粒子の界面の一部に存在しているものの、界面全体にわたってインジウムが存在しているのではなく、ＭｇＢ₂ 粉末粒子どうしの接合面が大半を占めていた。一方、７５％を添加した接続部の断面ではＭｇＢ₂ 粉末粒子の表面がほとんどインジウムに覆われていた。また、それぞれの場合においてＭｇＢ₂ 粉末粒子の平均粒径，形状等に大きな変化は無かった。これらの結果から推察するに、柔らかいインジウム粉末はプレス機によりかしめられた際に、硬いＭｇＢ₂ 粉末粒子間でつぶされ、ＭｇＢ₂ 粉末粒子間の隙間に配置されたと考えられる。したがって、ＭｇＢ₂ 粉末粒子間の接合状態が機械的に安定で、また、ＭｇＢ₂ 粉末粒子どうしも接しているため、臨界電流が高くなったと考えられる。しかし、さらに添加比率を増加させるとＭｇＢ₂ 粉末粒子間にはインジウムが多くなり、さらに７５％まで増加させるとＭｇＢ₂ 粉末粒子間は完全にインジウムで埋まってしまうため、ＭｇＢ₂ 粉末粒子どうしの接触面がなくなり、全体的にはインジウムの電気抵抗が発生し、全体的には超電導状態ではなくなってしまうものと考えられる。発明者らはインジウム以外の添加材として、鉛，鉛錫合金の金属粉末でも同様の検討を行ったが添加しない場合より添加した場合のほうが臨界電流は高くなった。また、同様に添加比率をある程度以上に増加させると臨界電流は低下するという結果を得た。以上より、金属粉末の添加は臨界電流の向上に役立つということが判明した。
【００３８】
（実施例５）
実施例４と同様にＭｇＢ₂ 粉末にインジウム粉末を添加した接続部を製作した。ただし、実施例１における最終のかしめをインジウムの融点である１５７℃以上に加熱しながら行った。その場合における臨界電流のインジウム粉末の添加比率依存性を表３に示す。添加したインジウム粉末は前述と同様に平均粒径５μｍのものを使用している。また、プレス機による最終かしめにおける面圧を２ton／cm²の同条件で製作した。
【００３９】
【表３】

【００４０】
表３と表２を比較すると、全体的に臨界電流が増加していることが認められる。また、特に添加比率の小さいほうが臨界電流の増加率が大きいことがわかる。接続部の断面を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、粉末の添加比率が小さい方がＭｇＢ₂粉末粒子の密度は高いこと、また、ＭｇＢ₂粉末粒子表面のインジウムの厚さも小さいことがわかった。一方、添加比率２５％以上ではＭｇＢ₂ 粉末粒子間のインジウムが厚くなり、ＭｇＢ₂ 粉末粒子間の接合が悪いという観察結果であった。したがって、インジウムの融点以上に加熱したことにより、ＭgＢ₂粉末粒子間のインジウムが融解した場合、加熱しない場合と比較してインジウム添加量を小さくすることが臨界電流増加には効果的であるということがわかった。また、発明者らはインジウム以外の添加材として、鉛，鉛錫合金の金属粉末でも同様の検討を行ったが加熱しない場合より加熱した場合のほうが臨界電流は高いという結果を得た。以上のように任意の金属または合金を添加した場合、その融点以上に加熱することは臨界電流を向上させるのに効果的であると結論できる。
【００４１】
（実施例６）
最終かしめにおける面圧を変えることによりＭｇＢ₂ の密度を変えた接続部を製作し、それぞれの臨界電流を測定した。製作方法は実施例１に述べた方法と同様である。いくつかの接続部を製作したが、接続部のＭｇＢ₂ 部分の体積は同じになるようにしている。なお、ＭｇＢ₂ 粉末の平均粒径は２０μｍである。臨界電流の測定結果を表４に示す。表内の密度比は実際に製作した接続部におけるＭｇＢ₂の密度と理論密度の比である。
【００４２】
【表４】

【００４３】
表４のようにＭｇＢ₂ が５０％以下では臨界電流が急激に低下している。これはＭｇＢ₂ 粉末粒子の間隔が大きくなり、超電導状態での接合がほとんどできなくなったためであると考えられる。測定結果からはＭｇＢ₂ の密度を理論密度の５０％以上とすることが必要であると結論できる。
【００４４】
（実施例７）
図４に本発明における超電導線接続部（以下、接続部）の第７の実施例における外観図を示す。図５に本発明における第７の実施例の内部図を示す。図５は図４における切断面１０１により接続部を切断した場合の断面図である。
【００４５】
まず、はじめに接続部の構造について説明する。
【００４６】
１ａおよび１ｂは接続の対象となる超電導線である。超電導線はどのようなものでも構わないが、本実施例では超電導線１ａ，１ｂはＢｉ−２２１２を超電導材として、銀をシース材として用いたマルチフィラメント超電導線である。２本の超電導線の先端はそれぞれ斜めに切断され、本実施例においては切断面と超電導線の中心線との角度は３０°以下の鋭角となっている。切断面の角度は超電導線の強度等を勘案して決定する必要があるが、原理的には９０°以上１８０°未満の全領域で実施できる。切断面では超電導線の超電導フィラメントが露出している。２本の超電導線は切断面が向き合うような配置となっている。本実施例では超電導線の切断面が向き合う配置としたが、フィラメントとＭｇＢ₂ 粉末が接触している配置であれば他の配置でも実施可能である。また、接続部に電気抵抗が発生することを前提しているならば、フィラメントとＭｇＢ₂ 粉末が直接接触しておらず、電流はシース材や別途挿入した金属などの構造体を通過するような構造でも構わない。接続部被覆材３は無酸素銅の中空構造となっており、超電導フィラメント４ａ，４ｂと接続部被覆材３の間にはＭｇＢ₂ 粉末２が充填されている。
【００４７】
次に接続部の製法を説明する。接続の対象となる２本の超電導線の先端はそれぞれ斜めに切断する。切断面と超電導線の中心線との角度は３０°以下の鋭角が望ましい。この実施例ではこの角度は約２０°である。なお、接続の対象となる超電導線の断面はどのような形状でも構わないが、本実施例では断面は直径1.0mmの円形であり、外部磁場０Ｔにおける臨界電流は７００Ａの酸化物超電導線を用いている。超電導線は長さ６０mm，内径５mm，外径１０mmの無酸素銅製パイプに挿入される。この無酸素銅製パイプは接続部被覆材となるものである。次にパイプの超電導線を挿入した端をプレス機でかしめる。次に他端よりＭｇＢ₂ 粉末をパイプ内に充填する。本実施例に用いたＭｇＢ₂ 粉末は平均粒径２０μｍのものを用いている。そして、他方の超電導線を挿入した後、パイプのかしめてない端をかしめる。この後、プレス機を用いて、パイプをまだかしめていない部分をかしめてパイプの断面を矩形にする。このとき接続部の断面寸法は幅約１０mm，厚さ約６mmである。また、接続部の断面におけるＭｇＢ₂ 粉末部分は幅約８mm，厚さ約２mmとなっている。以上のように、２本の超電導線の先端はそれぞれ斜めに切断され、切断面と超電導線中心線との角度は３０°以下の鋭角となっている。切断面では超電導線の超電導フィラメントが露出している。超電導線の切断面の間および超電導線周囲にはＭｇＢ₂ 粉末が配置している。さらにその外側には金属製の接続部被覆材が覆った構造となっている。このような構造とすることで以下のような利点がある。
（１）断面と超電導線中心線との角度は３０°以下の鋭角としたため、９０°の場合に比べると超電導フィラメントとＭｇＢ₂ 粉末の接触する面積が増え臨界電流を向上させることが可能である。
（２）特に酸化物超電導線においては、超電導フィラメントがセラミクスであり脆いため、安定化材を除去して超電導フィラメント単体を露出することが難しいが、超電導線の先端を斜めにすることにより、安定化材を除去することなく超電導フィラメントを大面積で露出することが可能となり、臨界電流を向上させることが可能である。
（３）超電導線の先端を斜めにすることにより、接続部被覆材を超電導線と直角方向にかしめる際に超電導フィラメントとＭｇＢ₂ 粉末の密着性が向上するため臨界電流を増大させることが可能である。
【００４８】
上記のように製作した接続部において、外部磁場を変えて測定した臨界電流の測定結果を表５に示す。
【００４９】
【表５】

【００５０】
表５のように外部磁場が大きくなるに従い、臨界電流は小さくなっている。しかし、この臨界電流は接続した超電導線本来の臨界電流とほぼ同じ値であることがわかった。すなわち、ＭｇＢ₂ 粉末部分の臨界電流は超電導線の臨界電流より大きく、非常に良好な接続構造であることが判明した。
【００５１】
（実施例８）
実施例１において説明した超電導線の接続部を多層構造の超電導マグネット間の接続に適用した超電導マグネットシステムを以下に示す。図６はその概念図を示す。本実施例における超電導コイルは第１層超電導コイル２１，第２層超電導コイル２２および第３層超電導コイル２３から構成されており、全てのコイルはＮｂＴｉマルチフィラメント超電導線を用いたソレノイドコイルである。使用した超電導線は直径０.７mm，外部磁場０Ｔにおける臨界電流は８００Ａである。当然ながら、超電導コイルの超電導体の種類，超電導線の構造および寸法，超電導コイルの構造および寸法などは本実施例と同様でなくても実施可能である。
【００５２】
本実施例におけるコイルの諸元を表６に示す。
【００５３】
【表６】

【００５４】
これらのコイルはコイル中心位置をそろえて、同軸上に配置されている。電気的には第１層コイル外側口出し部２８ｂと第２層コイル内側口出し部２８ｃは超電導線−超電導線接続部２７ａを介して、第２層コイル外側口出し部２８ｄと第３層コイル内側口出し部２８ｅは超電導線−超電導線接続部２７ｂを介して接続されている。第１層コイル内側口出し部２８ａとブスバー２５ａはブスバー−超電導線接続部２６ａを介して、第３層コイル外側口出し部２８ｆとブスバー25ｂはブスバー−超電導線接続部２６ｂを介して接続されている。本実施例においてはブスバーとコイル口出し線の接続はハンダ接続であるが、溶接，圧接等の他の方式でも構わない。ブスバー２５ａ，２５ｂはそれぞれガス冷却式電流リード２４ａ，２４ｂと接続されている。ガス冷却式電流リードは銅パイプの内部に銅線を束ねて入れた構造となっており、液体ヘリウム３０の蒸発ガスが銅線間の隙間をクライオスタット内部から外部に流れることにより、ジュール発熱および熱侵入を抑制し、液体ヘリウムの蒸発を少なくする構造である。ガス冷却式電流リードはクライオスタットの外部で励磁用電源と接続でき、励磁用電源により超電導コイルを励磁することが可能である。この超電導マグネットシステムの中心における定格磁場は１５８Ａ通電時において８.０Ｔ であり、このときの最大経験磁場は第１層コイル，第２層コイル，第３層コイルそれぞれ８.４Ｔ，５.２Ｔ，３.１Ｔである。
【００５５】
このマグネットシステムにおける超電導線−超電導線接続部には図２に示す構造の超電導線接続構造を採用している。接続に使用したＭｇＢ₂ 粉末の平均粒径は２０μｍであり、ＭｇＢ₂ 粉末には質量比で２５％の割合で平均粒径５μｍのインジウム粉末を添加している。接続部被覆材の材料は銅，ＭｇＢ₂ 粉末とインジウム粉末の混合物は理論密度の８０％以上に圧縮されている。超電導線は化学的処理により安定化材を除去しており超電導フィラメントがむき出しになっている。安定化材を除去した長さは約３０mmである。２カ所の超電導線−超電導線接続部は定格電流通電時には２〜３Ｔの漏洩磁場がかかる位置に配置されている。
【００５６】
このマグネットシステムの励磁試験を実施したところ、１６８Ａでクエンチが発生した。このときの中心磁場８.５Ｔ であった。コイルの各部の電圧発生状況を検討したところ、クエンチは第１層コイルから電圧が発生しており、超電導線−超電導線接続部では電圧の発生は観測されなかった。
【００５７】
一方、超電導線−超電導線接続部をハンダ接続方式に変え、励磁試験を実施したところ、第１層コイルと第２層コイルを接続する超電導線−超電導線接続部に通電開始直後から電圧が発生し始め、通電電流６２０Ａにおいてコイルがクエンチに至った。測定した発生電圧の傾向からは漏洩磁場により常電導転移した超電導線−超電導線接続部が電流の増加に伴いジュール発熱が増加し、常電導領域が超電導線部分にまで拡大しコイル全体がクエンチしたことが明らかであった。
【００５８】
以上の試験結果から、超電導線−超電導線接続部にＭｇＢ₂ 粉末を用いることにより、高性能で高安定な超電導線の接続を実現できるということが明らかになった。
【００５９】
（実施例９）
図７に本発明における超電導線接続部（以下、接続部）の第９の実施例における断面図を示す。１１ａ，１１ｂはケーブインコンジット型強制冷却超電導導体（以下、超電導導体）内部の超電導撚線である。本実施例における強制冷却超電導導体はＮｂＴｉを超電導材、銅を安定化材として採用したマルチフィラメント超電導線を複数束ねて撚線したものを円筒形状の１３ａ，１３ｂのステンレス製コンジット内部に配置したケーブルインコンジット型超電導導体である。超電導材としてはＮｂＴｉを採用したが、他の超電導体等も採用可能であることを実験的に確認している。また、安定化材としては銅の他、アルミニウム，銀，銅ニッケル合金またはそれらの複合材でも使用可能である。１２ａ，１２ｂは前記撚線内部の超電導フィラメントであり、超電導線端部の安定化材を化学的処理により除去することにより、超電導フィラメントを露出させている。安定化材を除去するには化学的処理の他、機械的に削るという方法でも構わない。１３ａ，１３ｂは超電導導体のコンジットであり、ＳＵＳ３０４Ｌステンレス鋼製の円筒パイプである。材質はステンレス鋼以外にインコロイ等の合金やその他金属材料でもよい。また、断面形状は四角形等任意の形状でも適用できる。コンジット内部の超電導撚線の体積占有率は６０％以上である。露出した超電導フィラメントは接続部被覆材３の中にＭｇＢ₂ 粉末２と共に収められている。これらは接続部被覆材と共にかしめられており、ＭｇＢ₂ 粉末の密度は理論密度の５０％以上に圧縮されている。スリーブ１４はＳＵＳ３０４Ｌ製のパイプであり接続部被覆材の外側に配置され、両方のコンジットとは溶接により接続され、冷媒排出口１５開口部とする以外は超電導線，接続部被覆材，ＭｇＢ₂ 粉末を密閉している。本実施例における強制冷却型超電導導体は超電導コイルの一部であり、図７では左右に超電導コイルが配置されている。
【００６０】
この実施例において使用している冷媒は超臨界圧ヘリウムである。圧力損失等を問題にしなければ適用した超電導材の臨界温度以下となるようなヘリウム，ネオン，水素，窒素等の液体，気体，超臨界圧体またはそれらの混合体でも構わない。超臨界圧ヘリウムは左右の超電導コイルの端部から超電導導体内部に流入し、超電導コイル全体を冷却した後、接続部において接続部被覆材とスリーブの間を通り、冷媒排出口から排出される。
【００６１】
図８に本実施例における超電導接続部を適用した強制冷却型超電導コイルの概略図を示す。５１ａ，５１ｂはケーブルインコンジット型強制冷却超電導導体を用いた超電導コイルである。このコイルは接続試験用に製作されたものであり、直径０.９mmのＮｂＴｉの超電導線３６本を内径７mmのコンジットに収納したケーブルインコンジット型超電導導体を用いており、直径２００mm，ターン数１０ターンのソレノイドコイルである。コイル定数は０.００００１ 以下と非常に小さいが、超電導導体の臨界電流は外部磁場５Ｔにおいて３６００Ａと非常に大きくなっている。５２は接続部であり、ここにおける接続部被覆材に内包されたＭｇＢ₂粉末部分の断面積は超電導撚線の断面積の約３倍となっており、ＭｇＢ₂粉末部分の密度は理論密度の６０％に圧縮されている。５４ａ，５４ｂは電流供給用のブスバー、５３ａ，５３ｂは超電導コイルとブスバーとの接続部である。電流はコイル励磁用電源５５からブスバーを通って超電導コイルとブスバーとの接続部を介して２つの超電導コイルに直列に通電される。一方、超臨界圧ヘリウムは超臨界圧ヘリウム発生装置５６によって生成され、吐出口５７から二手に分かれ、超電導コイルに並列に供給された後、接続部から超臨界圧ヘリウム発生装置の吸入口５８から超臨界圧ヘリウム発生装置に戻るという循環をする。本実施例における超電導コイルは試験用コイルであるので発生磁場は非常に小さいが、当然ながら、ターン数を多くし発生磁場を増加させた超電導コイルも同様の構成で実施できる。また、そのような超電導コイルでは接続部の数等も増えるであろうが、超電導コイルとして機能するよう冷媒の循環経路，電流の通電経路等は同様なので実施が可能である。また、本実施例においては超臨界圧ヘリウムが循環する構成となっているが、タンク等に蓄えられた冷媒が超電導コイルを冷却した後超電導コイル外の大気中に放出される構成でも構わない。
【００６２】
この超電導コイルを５Ｔの磁場を発生できる別の外層超電導マグネット内部に配置し励磁試験を行った。これは本実施例が試験用コイルであるので最大経験磁場が小さいため、超電導コイルの評価には外部磁場が必要であったからの措置である。当然ながら、大規模なコイルであれば超電導コイル自身が発生する磁場が印加されるので、コイル自体の最大経験磁場により評価を行うのが望ましい。接続部はコイルからやや離れた場所に配置されているがほぼ５Ｔが印加されている。また、超臨界圧ヘリウムの圧力は約１０⁶Ｐａ 、温度は約５Ｋ、流量は約５ｇ／ｓである。以上の条件で電流を通電したところ超電導導体の底角である3600Ａまで通電が可能であった。次に、３６００Ａ以上に電流を上げたところ、接続部ではクエンチが発生しなかったものの、超電導コイル部においてクエンチが発生した。したがって、本実施例における接続部は外部磁場５Ｔにおいて３６００Ａ以上の臨界電流値を有しており、これはコイルの臨界電流値を上回る高性能を有することがわかった。また、超臨界圧ヘリウムの流量を半分の約２.５ｇ／ｓ にしたところ、コイルの臨界電流は２８００Ａまで低下したものの、接続部ではクエンチが発生せず、接続部は冷媒の流量変化にも安定性があることが確認できた。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、超電導線接続部が磁場中に配置されていても電気抵抗が低いため消費電力の低減が可能であり、接続部の構造の簡略化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の外観図。
【図２】実施例１の断面図。
【図３】実施例１の電流−電圧特性。
【図４】実施例７の外観図。
【図５】実施例７の断面図。
【図６】実施例８の概念図。
【図７】実施例９の断面図。
【図８】実施例９の強制冷却型超電導コイルの概略図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…接続対象の超電導線、２…ＭｇＢ₂ 粉末、３…接続部被覆材、４…超電導フィラメント、１１ａ，１１ｂ…超電導撚線、１２ａ，１２ｂ…超電導フィラメント、１３ａ，１３ｂ…コンジット、１４…スリーブ、１５…冷媒排出口、２１…第１層超電導コイル、２２…第２層超電導コイル、２３…第３層超電導コイル、２４ａ，２４ｂ…ガス冷却式電流リード、２５ａ，２５ｂ，５４ａ，５４ｂ…ブスバー、２６ａ,２６ｂ…ブスバー−超電導線接続部、２７ａ,２７ｂ…超電導線−超電導線接続部、２８ａ…第１層コイル内側口出し部、２８ｂ…第１層コイル外側口出し部、２８ｃ…第２層コイル内側口出し部、２８ｄ…第２層コイル外側口出し部、２８ｅ…第３層コイル内側口出し部、２８ｆ…第３層コイル外側口出し部、２９…クライオスタット、３０…液体ヘリウム、５１ａ，51ｂ…強制冷却超電導コイル、５２…接続部、５３ａ，５３ｂ…ブスバー接続部、
５５…コイル励磁用電源、５６…超臨界圧ヘリウム発生装置、５７…超臨界圧ヘリウム発生装置における超臨界圧ヘリウム吐出口、５８…超臨界圧ヘリウム発生装置における超臨界圧ヘリウム吸入口、１０１…断面図における切断面。

Claims (10)

1. ２本以上の超電導線間を電気的に接続する超電導線接続構造であって、前記超電導線間には、二ホウ化マグネシウムを含む超電導体粉末に、前記二ホウ化マグネシウムを含む超電導体粉末より融点の低い金属粉末または合金粉末を添加した超電導粉末金属粉末混合体を使用したことを特徴とする超電導線接続構造。
2. 請求項１に記載の超電導線接続構造であって、前記超電導線と前記超電導粉末金属粉末混合体を金，銀，銅，白金，パラジウム，アルミニウム，ニオブ，鉛，錫，マグネシウム，インジウム，タングステン，コバルト，ニッケル，鉄，タンタルまたはクロムの純金属製またはこれらのうち少なくとも１種類の金属を含む合金製の被覆材で内包したことを特徴とする超電導線接続構造。
3. 請求項１に記載の超電導線接続構造の製造方法であって、前記超電導線、前記超電導粉末金属粉末混合体に含まれる前記金属粉末もしくは前記合金粉末のいずれか一種の一部分が溶融する温度以上の領域まで加熱することを特徴とする超電導線接続構造の製造方法。
4. 請求項３に記載の超電導線接続構造の製造方法であって、前記超電導線と前記超電導粉末金属粉末混合体を金，銀，銅，白金，パラジウム，アルミニウム，ニオブ，鉛，錫，マグネシウム，インジウム，タングステン，コバルト，ニッケル，鉄，タンタルまたはクロムの純金属製またはこれらのうち少なくとも１種類の金属を含む合金製の被覆材の中に配置する第１の工程と、第１の工程で作製した部分に少なくとも１ton／cm²以上の圧力を加えて変形させる第２の工程の両工程を有することを特徴とする超電導線接続構造の製造方法。
5. 請求項１に記載の超電導線接続構造であって、接続すべき複数の前記超電導線は二ホウ化マグネシウムの臨界温度と同じまたはそれ以上の臨界温度を有することを特徴とする超電導線接続構造。
6. 請求項１に記載の超電導線接続構造であって、接続される超電導線は複数の超電導線を撚り合わせた超電導撚線であることを特徴とする超電導線接続構造。
7. 請求項６に記載の超電導線接続構造であって、前記超電導撚線はケーブルインコンジット型強制冷却超電導導体内部の超電導撚線であることを特徴とする超電導線接続構造。
8. 請求項１に記載の超電導線接続構造を具備したことを特徴とする超電導マグネット装置。
9. 請求項１に記載の超電導線接続構造を有する超電導線。
10. 請求項１に記載の超電導線接続構造であって、前記超電導粉末金属粉末混合体の超電導体粉末が、二ホウ化マグネシウムを含む超電導体粉末を使用したことを特徴とする超電導線接続構造。

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