JP7614991B2

JP7614991B2 - 超電導線の接続構造及びその接続方法

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Publication number: JP7614991B2
Application number: JP2021150519A
Authority: JP
Inventors: 圭小柳; 寛史宮崎; 格阿部; 貞憲岩井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2025-01-16
Anticipated expiration: 2041-09-15
Also published as: JP2023043040A

Description

本発明の実施形態は、永久電流を流す超電導線の接続技術に関する。

超電導を応用するＭＲＩ装置やＮＭＲマグネット等といった機器では、長時間にわたり安定した磁場の発生が求められる。このような機器では一般的に、主磁場を発生する超電導コイル（主コイル）と、超電導線を無誘導に巻回した永久電流スイッチ（ＰＣＳ）と、により超電導の閉回路が構成されている。

そして、このような超電導の閉回路が構成されることで、永久電流の減衰が抑制され、磁場の安定性が長時間にわたり保たれる。そのためには、主コイルの線材同士、もしくは主コイルの線材とＰＣＳの線材は、超電導フィラメント同士を、極めて低い抵抗値で接続させる必要がある。このような超電導線の接続方式としては、スイッチバック接続とラップ接続との大きく二種類がある。スイッチバック接続とは、接続部で電流が折り返すように二本の超電導線を沿わせて接続する方式である。ラップ接続とは、接続部で電流の方向を変えずに二本の超電導線を直線的に接続する方式である。

実用的な超電導線として広く使われているＮｂＴｉ線材は、安定に永久電流を流すため、複数の細い超電導フィラメントを安定化材（マトリクス）金属に埋め込んだ構造を持つ。そして、２本の超電導線を互いに接続させるときは、それぞれに埋め込まれた超電導フィラメント同士を、広い面積で介在物無く直接接触させるのが理想的である。

そのような超電導フィラメントを露出させる方法としては、酸でマトリクスを溶かす等の方法が採られる。このようにして露出したＮｂＴｉフィラメントは、大気に晒されることで、その表面に形成された酸化層が、接続部における抵抗値の増加原因となる。そこで従来より、超電導接続に外力を与え、フィラメントを相互に接続させ、さらに表面の酸化層を破断させ、ＮｂＴｉの清浄面同士を接触させる方法が採られている。

特開２０１３－６２２１０号公報特開平５－１５２０４５号公報

しかし、上述した超電導線の接続方法は、フィラメントの接触が弱すぎると接触抵抗が過大となり、接触が強すぎるとフィラメントのくびれや断線を生じ接触抵抗が過大となる、あるいは通電不能になるため、接続条件の制御が困難であった。つまり、二本のフィラメントの束を接続させるにあたり、接触不良や断線のリスクを回避する最適な接続条件を、高い再現性で確実に実現させることは困難であった。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、接続部における抵抗値が限りなく小さくなる最適な超電導フィラメントの接続条件を確実に実現する超電導線の接続技術を提供することを目的とする。

実施形態に係る超電導線の接続構造において、超電導フィラメントの束を構成に持つ二本の超電導線が先端を揃えて配置され、前記先端において各々の前記超電導線から露出した前記超電導フィラメントが互いの側周面を介して電気的に接続しており、前記先端における前記超電導フィラメントの接続部にスリーブが装着され、前記接続部を前記先端に向かって順番に断面視した場合、前記順番にしたがって前記超電導フィラメントの占積率が高くなるように前記スリーブの内部領域が形成されており、前記超電導フィラメントと同組成の細断片が配置されることで、前記スリーブの内部領域における前記超電導フィラメントの占積率が高くなる。

本発明の実施形態により、接続部における抵抗値が限りなく小さくなる最適な超電導フィラメントの接続条件を確実に実現する超電導線の接続技術が提供される。

（Ａ）～（Ｄ）本発明の実施形態に係る超電導線の接続方法の説明図。（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係る超電導線の接続構造の断面図。第２実施形態に係る超電導線の接続構造の説明図。第３実施形態に係る超電導線の接続構造の説明図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１（Ａ）～（Ｄ）は本発明の第１実施形態に係る超電導線１０（１０ａ，１０ｂ）の接続方法の説明図である。図２は第１実施形態に係る超電導線１０の接続構造２０（２０ａ）の断面図であり、図２（Ａ）は縦断面図、図２（Ｂ）は水平断面図である。

実施形態に係る超電導線１０（１０ａ，１０ｂ）の接続方法は、まず図１（Ａ）に示すように、超電導フィラメント（以下フィラメントと省略する）１１の束を構成に持つ二本の超電導線１０（１０ａ，１０ｂ）を、先端を揃えて配置する。次に図１（Ｂ）に示すように、先端において各々の超電導線１０から露出したフィラメント１１を、互いの側周面を介して電気的に接続させる。さらに、先端におけるフィラメント１１の接続部１７にスリーブ１５を、図１（Ｃ）に示すように装着する。

そして図１（Ｄ）に示すように、超電導線１０の接続構造２０ａにおいて、スリーブ１５を、先端に向かって連続的に圧縮率が増大するように、断面視において一方向から圧縮する。その結果、接続部１７を先端に向かって（III）（II）（I）のように順番に断面視した場合、図２（Ａ）に示すように、（III）（II）（I）の順番にしたがって、スリーブ１５は、その内部領域における空隙率が低くなるように、即ちフィラメント１１の占積率が高くなるように形成される。なお、超電導線１０の外周には絶縁被覆（図示略）が施されているが、図示される超電導線１０は、この絶縁被覆を既に除去した状態を示している。

このように、実施形態は、接続部１７で永久電流１６が折り返すように二本の超電導線１０（１０ａ，１０ｂ）を沿わせて接続するスイッチバック接続に好適に適用される。第１実施形態では、接続部１７に装着されたスリーブ１５は、その半径方向に一方向から外力を加え、先端側で接続部１７の断面が平たくなるまで圧縮されて、この先端側にいくほど圧縮率を高くしている。

超電導線１０（１０ａ，１０ｂ）は、常伝導状態においては電気抵抗率が比較的高い超電導フィラメント１１が、常電導のマトリクス１２の中に多数本埋め込まれている。主磁場を発生する超電導コイル（主コイル）用の超電導線のマトリクス１２は、電気抵抗率の低い無酸素銅で構成されている。そして、永久電流スイッチ（ＰＣＳ）用の超電導線のマトリクス１２は無酸素銅よりも電気抵抗率の高い銅合金で構成されている。このようにＰＣＳ線のマトリクス１２の電気抵抗率を大きくする理由は、ＰＣＳのＯＦＦ状態において十分な電気抵抗値が必要なためである。

そして超電導線１０（１０ａ，１０ｂ）の先端は、接続部１７の部分において予めマトリクス１２が除去されているか、他の超電導性（又は低電気抵抗）の金属に置換されている。そのようなマトリクス１２の除去方法は、硝酸等でマトリクス１２を選択的に溶解させる方法がある。そしてマトリクス１２の置換方法は、Ｃｕ又はＣｕ合金を溶解させる溶融金属（例えば、Ｓｎ）の浴に浸漬する方法がある。さらにこのＳｎ置換した部分を別の溶融金属（例えば、Ｓｎ，Ｂｉ，Ｂｉなどを含む合金（所謂ハンダ））の浴に浸漬して２次置換する方法もある。

このように、Ｓｎ又は別のハンダ合金に置換されることでフィラメント１１の表面が大気に晒されることがなく、酸化被膜が形成されることがない。そして、このようにフィラメント１１の表面に酸化被膜が形成されておらず、Ｓｎ又は別のハンダ合金に覆われているだけであれば、スリーブ１５の圧縮率をフィラメントが過剰に塑性変形するほどまで高く設定しなくても、フィラメント１１を清浄面で接続させることが容易となる。

また、接続部１７（図１（Ｂ））は、フィラメント１１の素線同士を互いに近接させるだけでなく、フィラメント１１の束どうしを捩り合せたり、フィラメント１１を複数の束に分けて撚り合わせたりしてもよい。また、Ｃｕ又はＣｕ合金のマトリクス１２が他の充填金属（ハンダ）に置換されている場合は、スリーブ１５を圧縮する際に、接続部１７を加熱することで、フィラメント１１の周囲から充填金属を押し出して、先端側のフィラメント１１の占積率をさらに高めてもよい。

図２（Ａ）に示すように、スリーブ１５の圧縮率が低レベルの（III）状態では、隣接するフィラメント１１が互いに側周面で接している。しかし、スリーブ１５の内部領域におけるフィラメント１１の占積率は低く、フィラメント１１の長手方向における接触状態は必ずしも一様でない。このため、圧縮率が低レベルの（III）のスリーブ１５に位置する接続部１７では、その電気的な抵抗は大きく接触不良であるといえる。

そして、スリーブ１５の圧縮率が中レベルの（II）状態まで進むと、スリーブ１５の内部領域におけるフィラメント１１の占積率は上昇する。これにしたがって、隣接するフィラメント１１同士は、弾性変形もしくは塑性変形することで、接触面積を広げ電気的な接触抵抗が小さくなる。このとき、フィラメント１１の表面に酸化被膜が形成されていたとしても、この酸化被膜が破断して、フィラメント１１の清浄な金属面同士で接触させることができる。このため、圧縮率が中レベルの（II）のスリーブ１５に位置する接続部１７では、その電気的な抵抗は小さく接触良好であるといえる。

さらに、スリーブ１５の圧縮率が高レベルの（I）状態まで進むと、スリーブ１５の内部領域におけるフィラメント１１の占積率は高くなる。これにしたがって、すでに全域で接触しているフィラメント１１同士は、さらに塑性変形して接触界面がさらに伸びてくびれるか断線する。このため、圧縮率が高レベルの（I）のスリーブ１５に位置する接続部１７では、その電気的な抵抗は大きく接触不良であるといえる。

その結果、図２（Ｂ）に水平断面視されるように接続部１７では、先端に向かってスリーブ１５の圧縮率が連続的に高くなり、これにしたがってフィラメント１１の占積率も連続的に高くなる。これにより接続部１７に、一対のフィラメント１１，１１の間の電気抵抗率が限りなく０に近く、永久電流１６を折り返して減衰なく通過させる箇所を、確実に設けることができる。

（第２実施形態）
次に図３を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態に係る超電導線１０の接続構造２０（２０ｂ）の説明図である。なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第２実施形態に係る接続構造２０ｂは、二本の超電導線１０が先端を揃えて配置され、この先端においてフィラメント１１が互いの側周面を介して電気的に接続しており、このフィラメント１１の接続部１７にスリーブ１５が装着され、接続部１７を先端に向かって（III）（II）（I）のように順番に断面視した場合、この順番にしたがってフィラメント１１の占積率が高くなるようにスリーブ１５の内部領域が形成されている。

そして第２実施形態の接続構造２０ｂにおいてスリーブ１５は、断面視におい全周方向から圧縮され、先端に向かって３段階でスリーブ１５の内部領域におけるフィラメント１１の占積率を高くしている。なおこのような実施形態に限定されることはなく、スリーブ１５は、断面視において二か所以上の方向から圧縮され、先端に向かって３段階以上で段階的に占積率を高くさせてもよい。

なお、スリーブ１５の内部領域にハンダ等を充填材１８として用い、これを加熱して溶融状態にしてからフィラメント１１の接続部１７に装着させてもよい。マトリクス１２の除去方法として溶融Ｓｎ置換、あるいはさらに別のハンダ合金による２次置換を用いれば、フィラメント１１表面を覆うようにあらかじめ付着させたハンダ合金が充填剤１８として構成される。第２実施形態におけるスリーブ１５の圧縮は、例えばスウェージングマシンを用いることで段階的に行なえる。このような圧縮方法をとることで、フィラメント１１よりも柔らかい充填材１８が塑性流動し、スリーブ１５の内部領域に占めるフィラメント１１の占積率が高くなる。

（第３実施形態）
次に図４を参照して本発明における第３実施形態について説明する。図４は第３実施形態に係る超電導線１０の接続構造２０（２０ｃ）の説明図である。なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第３実施形態に係る接続構造２０ｃは、二本の超電導線１０が先端を揃えて配置され、この先端においてフィラメント１１が互いの側周面を介して電気的に接続しており、このフィラメント１１の接続部１７にスリーブ１５が装着され、接続部１７を先端に向かって（IV）（III）（II）（I）のように順番に断面視した場合、この順番にしたがってフィラメント１１の占積率が高くなるようにスリーブ１５の内部領域が形成されている。

そして第３実施形態の接続構造２０ｃにおいてスリーブ１５は、フィラメント１１と同組成の細断片１９が配置されることで、スリーブ１５の内部領域におけるフィラメント１１の占積率を高くしている。なお、図示はスリーブ１５を半径方向に圧縮しない例を示しているが、スリーブ１５に細断片１９が配置した状態で、半径方向に圧縮してもよい。あるいは、一軸方向や２カ所以上の方向から圧縮してもよい。

ところで、上述した各実施形態において、Ｐｂ－Ｂｉハンダなどの極低温において超電導性を有する充填材１８を用いることができる。これにより、スリーブ１５の内部において、フィラメント１１の間に介在する充填材１８が電気抵抗の要素とならないので接続部１７の全体の抵抗値を低下させる方向に作用する。さらに、先端側のフィラメント１１の占積率が高くなるよう充填材１８を高い圧縮率で圧縮すると、ハンダの組織に転移が導入され、これが超電導体のピンニングセンターを増やすように作用する。

また、超電導性の合金組成の充填材１８は、溶融状態から急速冷却して凝固させることで、溶融後凝固したＢｉ組織を微細化することができ、Ｐｂ－Ｂｉの臨界電流密度の磁場特性を向上させることができる。これにより、接続部１７において抵抗値を低減させ、通電容量の大きい超電導線の接続構造を得ることができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の超電導線の接続構造によれば、接続部を断面視したスリーブ内部領域におけるフィラメントの占積率が先端に向かって順番に高くなるようにすることにより、接続部における抵抗値が限りなく小さい最適なフィラメントの接続条件を確実に実現できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…超電導線、１１…超電導フィラメント（フィラメント）、１２…マトリクス、１５…スリーブ、１６…永久電流、１７…接続部、１８…充填材、１９…細断片、２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）…接続構造。

Claims

超電導フィラメントの束を構成に持つ二本の超電導線が先端を揃えて配置され、
前記先端において各々の前記超電導線から露出した前記超電導フィラメントが、互いの側周面を介して電気的に接続しており、
前記先端における前記超電導フィラメントの接続部にスリーブが装着され、
前記接続部を前記先端に向かって順番に断面視した場合、前記順番にしたがって前記超電導フィラメントの占積率が高くなるように前記スリーブの内部領域が形成され、
前記超電導フィラメントと同組成の細断片が配置されることで、前記スリーブの内部領域における前記超電導フィラメントの占積率が高くなる超電導線の接続構造。
請求項１に記載の超電導線の接続構造において、
前記スリーブは、前記断面視において一方向から圧縮され、前記先端に向かって連続的に圧縮率が増大している超電導線の接続構造。
請求項１に記載の超電導線の接続構造において、
前記スリーブは、前記断面視におい複数方向から圧縮され、前記先端に向かって段階的に圧縮率が増大している超電導線の接続構造。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導線の接続構造において、
前記超電導線は、前記超電導フィラメントの束が埋設され、Ｃｕを組成に持つマトリクスを構成に持ち、
前記接続部において前記Ｃｕを組成に持つマトリクスが除去された超電導線の接続構造。
請求項４に記載の超電導線の接続構造において、
溶融したＳｎに浸漬することで、前記接続部における前記Ｃｕを組成に含む前記マトリクスが除去され、Ｓｎを組成に含む金属に置換された又は前記Ｓｎを組成に含む金属がさらに別の金属で置換された超電導線の接続構造。
請求項４又は請求項５に記載の超電導線の接続構造において、
超電導性の合金組成を持つ充填材が前記スリーブに充填されている超電導線の接続構造。
請求項６に記載の超電導線の接続構造において、
前記充填材は、溶融状態から急速冷却して凝固させたものである超電導線の接続構造。
超電導フィラメントの束を構成に持つ二本の超電導線を、先端を揃えて配置する工程と、
前記先端において各々の前記超電導線から露出した前記超電導フィラメントを、互いの側周面を介して電気的に接続させる工程と、
前記先端における前記超電導フィラメントの接続部にスリーブを装着する工程と、
前記接続部を前記先端に向かって順番に断面視した場合、前記順番にしたがって前記超電導フィラメントの占積率が高くなるように、前記スリーブの内部領域を形成する工程と、
前記超電導フィラメントと同組成の細断片が配置することで、前記スリーブの内部領域における前記超電導フィラメントの占積率が高くする工程と、を含む超電導線の接続方法。