(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超電導フィラメントが安定化材に覆われた構造を有する第１の超電導多芯線材と第２の超電導多芯線材とを電気的に接続する接続構造体であって、
前記第１の超電導多芯線材の安定化材が除去されて露出した第１の超電導フィラメントと前記第２の超電導多芯線材の安定化材が除去されて露出した第２の超電導フィラメントとの間に介在超電導体が当接して設けられ、
前記介在超電導体が、前記接続構造体の運転環境下において前記露出した第１の超電導フィラメントおよび前記露出した第２の超電導フィラメントよりも低い臨界電流密度を有していることを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導線材の接続構造体において、
前記介在超電導体はプレート形状であり、
前記介在超電導体の一方の主表面に前記第１の超電導フィラメントが電気的に接続され、前記介在超電導体の他方の主表面に前記第２の超電導フィラメントが電気的に接続されていることを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導線材の接続構造体において、
真空の透磁率をμ0、前記介在超電導体の厚みをdint、前記運転環境の温度をT0、前記介在超電導体の臨界温度をTc-int、前記運転環境下における前記介在超電導体の臨界電流密度をJc-int、前記運転環境下における前記介在超電導体の単位体積あたりの熱容量をCintと表したときに、
「μ0 (Jc-int dint)2 ＜ 3Cint (Tc-int − T0)」の関係を満たすことを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の超電導線材の接続構造体において、
真空の透磁率をμ0、前記第１および前記第２の超電導フィラメントの厚さのうちの厚い方の厚さをdfil、前記運転環境の温度をT0、前記第１および前記第２の超電導フィラメントの臨界温度をTc-fil、前記運転環境下における前記第１および前記第２の超電導フィラメントの臨界電流密度をJc-fil、前記運転環境下における前記第１および前記第２の超電導フィラメントの単位体積あたりの熱容量をCfilと表したときに、
「μ0 (Jc-fil dfil)2 ＜ 3Cfil (Tc-fil − T0)」の関係を満たすことを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の超電導線材の接続構造体において、
前記運転環境下における前記第１の超電導フィラメントの臨界電流密度が、前記運転環境下における前記第１の超電導線材の露出していない超電導フィラメントの平均臨界電流密度よりも低く、
前記運転環境下における前記第２の超電導フィラメントの臨界電流密度が、前記運転環境下における前記第２の超電導線材の露出していない超電導フィラメントの平均臨界電流密度よりも低いことを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の超電導線材の接続構造体において、
前記第１の超電導フィラメント、前記介在超電導体および前記第２の超電導フィラメントを内包し、かつそれらを圧着するための外層構造体が配設されていることを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項７】
請求項６に記載の超電導線材の接続構造体において、
前記外層構造体は金属パイプであり、
前記金属パイプが加圧変形されたことにより、前記第１の超電導フィラメント、前記介在超電導体および前記第２の超電導フィラメントが圧着されていることを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項８】
請求項７に記載の超電導線材の接続構造体において、
室温から前記運転環境までの冷却における前記金属パイプの熱膨張係数が、前記第１および前記第２の超電導フィラメントの熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項９】
請求項６に記載の超電導線材の接続構造体において、
前記外層構造体は一対の金属板と金属ボルトとから構成され、
前記一対の金属板は前記第１の超電導フィラメント、前記介在超電導体および前記第２の超電導フィラメントを挟み込むように配置され、
前記一対の金属板に通した前記金属ボルトの軸力により、前記第１の超電導フィラメント、前記介在超電導体および前記第２の超電導フィラメントが圧着されていることを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項１０】
請求項９に記載の超電導線材の接続構造体において、
室温から前記運転環境までの冷却における前記金属ボルトの熱膨張係数が、前記第１および前記第２の超電導フィラメントの熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の超電導線材の接続構造体において、
前記介在超電導体が金属ニオブまたはニオブとチタンとを主成分する合金からなることを特徴とする超電導線材の接続構造体。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の超電導線材の接続構造体を具備することを特徴とする核磁気共鳴分析装置または核磁気共鳴画像装置。
【請求項１３】
複数のニオブチタンフィラメントが安定化材に覆われた構造を有する第１の超電導多芯線材と第２の超電導多芯線材とを電気的に接続する接続構造体の製造方法であって、
前記第１および前記第２の超電導多芯線材における接続予定領域の前記安定化材を除去して第１および第２のニオブチタンフィラメントを露出させるフィラメント露出工程と、
前記接続構造体の運転環境下において前記第１および前記第２のニオブチタンフィラメントよりも低い臨界電流密度を有するニオブチタンプレートを前記第１および前記第２のニオブチタンフィラメントの間に介在させるように配置させながらそれらを金属パイプ内に挿入する配置挿入工程と、
前記金属パイプに挿入された前記ニオブチタンプレートの法線方向から前記金属パイプを押圧することによって前記第１のニオブチタンフィラメント、前記ニオブチタンプレートおよび前記第２のニオブチタンフィラメントが一体となるように圧着させる圧着工程とを有することを特徴とする超電導線材の接続構造体の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の超電導線材の接続構造体の製造方法において、
前記フィラメント露出工程の前に、前記第１および前記第２の超電導多芯線材における前記接続予定領域を400〜600℃で加熱することによって前記第１および前記第２のニオブチタンフィラメントの臨界電流密度を調整するフィラメント超電導特性調整工程を更に有することを特徴とする超電導線材の接続構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材同士の電気的接続に関し、特に高いクエンチ耐性を有する接続構造体およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材同士を電気的に接続する技術は、超電導線材を応用するにあたっての重要な技術のうちの１つである。最も簡便に接続する方法は、超電導線材同士を十分な長さでオーバーラップさせてはんだ付けする方法である（はんだ接続法と称する）。ここで、超電導線材は、一般に、超電導体からなる多数の超電導フィラメントが安定化材（例えば、銅やアルミニウムなど）に覆われた構造をしているため、はんだ接続法による接続では、一方の超電導フィラメントから流れてきた電流が、安定化材、はんだ、安定化材を経由して他方の超電導フィラメントへと流れ込むことになる。すなわち、はんだ接続法における接続抵抗は安定化材とはんだとの電気抵抗を含み、その結果、数メートル長さで超電導線材同士をオーバーラップさせた場合でも10-9Ω程度の接続抵抗となる。
【０００３】
超電導線材およびそれによる超電導磁石を利用した代表的な製品として核磁気共鳴分析装置（NMR）や核磁気共鳴画像装置（MRI）があり、バイオテクノロジー分野や医療分野で広く利用されている。これらの装置は、通常、永久電流モードで運転され、磁場精度において0.1 ppm/h以下という極めて小さな磁場減衰率が要求されている。そして、永久電流モードや該磁場減衰率を達成するためには、少なくとも10-12Ω以下の低い接続抵抗での接続（いわゆる超電導接続）が必須の技術となる。
【０００４】
そのような低い接続抵抗を達成する方法として、接続する超電導線材同士の接続予定部で安定化材を除去して超電導フィラメントを露出させ、その後、露出させた超電導フィラメント同士を重ね合わせて金属パイプに挿入し該金属パイプを加圧して潰すことで相互の超電導線フィラメントを圧着接続する方法（かしめ接続法と称する）が報告されている（例えば、特許文献１参照）。かしめ接続法では、接続する相互の超電導線フィラメントが安定化材やはんだ等の常電導体を介さずに直接接触しているため、10-13Ω以下の接続抵抗を実現できる。このため、かしめ接続法は、接続抵抗に厳しい要求のあるNMRやMRIの超電導磁石における超電導接続部にもしばしば適用されている。
【０００５】
また、特許文献２には、かしめ接続法の一種であり、接続する相互の超電導線フィラメント間に二硼化マグネシウムを含む超電導粉末を接触介在させる超電導接続構造が開示されている。特許文献２によると、超電導線接続部が高磁場中に配置されていても低い電気抵抗での接続が可能であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−３１９２８０号公報
【特許文献２】特開２００３−０２２７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
超電導線材や超電導磁石に通電したとき、定格電流よりも低い電流値で超電導性が突然消失するクエンチと呼ばれる現象が発生することがある。クエンチの発生は、超電導線材を用いた製品の運転安定性・信頼性に係わる問題であり、クエンチの防止は、超電導製品における最重要課題のうちの１つである。
【０００８】
かしめ接続法を適用した超電導接続部（例えば、特許文献１参照）は、それ以外の部分と比較してクエンチが特に発生しやすい箇所である。その原因の１つは、接続のために安定化材を除去したためと考えられる。安定化材は、超電導線材の熱容量を大きくして擾乱による温度上昇を抑制するとともに、発生した熱の拡散を促す役割がある。しかしながら、かしめ接続法は接続のためにこれを除去することから、クエンチ耐性を低下させることつながったと考えられる。また、特許文献２に記載の超電導接続構造においても、クエンチ耐性が必ずしも十分とは言えなかった。
【０００９】
従って、本発明の目的は、超電導線材同士の電気的接続において、低い接続抵抗と高いクエンチ耐性とを兼ね備えた接続構造体およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１つの態様は、上記目的を達成するため、次のような特徴を有する。
複数の超電導フィラメントが安定化材に覆われた構造を有する第１の超電導多芯線材と第２の超電導多芯線材とを電気的に接続する接続構造体は、前記第１の超電導多芯線材の安定化材が除去されて露出した第１の超電導フィラメントと前記第２の超電導多芯線材の安定化材が除去されて露出した第２の超電導フィラメントとの間に介在超電導体が当接して設けられ、前記介在超電導体が、前記接続構造体の運転環境下において前記露出した第１の超電導フィラメントおよび前記露出した第２の超電導フィラメントよりも低い臨界電流密度を有していることを特徴とする。なお、本発明において第１の超電導多芯線材と第２の超電導多芯線材とは、同一体の（すなわち１本の）超電導多芯線材であってもよいし、別体の超電導多芯線材であってもよい。
【００１１】
また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するため、次のような特徴を有する。
複数のニオブチタンフィラメントが安定化材に覆われた構造を有する第１の超電導多芯線材と第２の超電導多芯線材とを電気的に接続する接続構造体の製造方法は、前記第１および前記第２の超電導多芯線材における接続予定領域の前記安定化材を除去して第１および第２のニオブチタンフィラメントを露出させるフィラメント露出工程と、前記接続構造体の運転環境下において前記第１および前記第２のニオブチタンフィラメントよりも低い臨界電流密度を有するニオブチタンプレートを前記第１および前記第２のニオブチタンフィラメントの間に介在させるように配置させながらそれらを金属パイプ内に挿入する配置挿入工程と、前記金属パイプに挿入された前記ニオブチタンプレートの法線方向から前記金属パイプを押圧することによって前記第１のニオブチタンフィラメント、前記ニオブチタンプレートおよび前記第２のニオブチタンフィラメントが一体となるように圧着させる圧着工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、超電導線材同士の電気的接続において、低い接続抵抗と高いクエンチ耐性とを兼ね備えた接続構造体およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】超電導線材接続構造体の通電特性を評価するためのサンプル形状を示す模式図である。
【図２】従来の接続構造体の１例を示す斜視模式図である。
【図３】超電導線材接続構造体の通電特性を測定するための試験系を示す模式図である。
【図４】従来の接続構造体の通電特性の結果（捕捉した磁束の時間変化）の１例を示すチャートである。
【図５】本発明に係る超電導線材接続構造体の１例を示す断面模式図である。比較としての従来の接続構造体の断面模式図も併記した。
【図６】厚さ2.4 mmまで圧延し熱処理を施していないニオブチタンプレートと、厚さ0.5 mmまで圧延した後に熱処理を施したニオブチタンプレートとの4.2 Kにおける磁化曲線を示したチャートである。
【図７】本発明に係る接続構造体の通電特性の結果（捕捉した磁束の時間変化）の１例を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００１５】
前述したように、本発明に係る超電導線材の接続構造体は、複数の超電導フィラメントが安定化材に覆われた構造を有する第１の超電導多芯線材と第２の超電導多芯線材とを電気的に接続する接続構造体であって、
前記第１の超電導多芯線材の安定化材が除去されて露出した第１の超電導フィラメントと前記第２の超電導多芯線材の安定化材が除去されて露出した第２の超電導フィラメントとの間に介在超電導体が当接して設けられ、
前記介在超電導体が、前記接続構造体の運転環境下において前記露出した第１の超電導フィラメントおよび前記露出した第２の超電導フィラメントよりも低い臨界電流密度を有していることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上記の発明に係る超電導線材の接続構造体において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（１）前記介在超電導体はプレート形状であり、前記介在超電導体の一方の主表面に前記第１の超電導フィラメントが電気的に接続され、前記介在超電導体の他方の主表面に前記第２の超電導フィラメントが電気的に接続されている。
（２）真空の透磁率をμ0、前記運転環境下における前記介在超電導体の臨界電流密度をJc-int、前記介在超電導体の厚さをdint、前記運転環境下における前記介在超電導体の単位体積あたりの熱容量をCint、前記介在超電導体の臨界温度をTc-int、前記運転環境の温度をT0と表したときに、「μ0 (Jc-int dint)2 ＜ 3Cint (Tc-int − T0)」の関係を満たす。
（３）真空の透磁率をμ0、前記運転環境下における前記第１および前記第２の超電導フィラメントの臨界電流密度をJc-fil、前記第１および前記第２の超電導フィラメントの厚さのうちの厚い方の厚さをdfil、前記運転環境下における前記第１および前記第２の超電導フィラメントの単位体積あたりの熱容量をCfil、前記第１および前記第２の超電導フィラメントの臨界温度をTc-fil、前記運転環境の温度をT0と表したときに、「μ0 (Jc-fil dfil)2 ＜ 3Cfil (Tc-fil − T0)」の関係を満たす。
（４）前記運転環境下における前記第１の超電導フィラメントの臨界電流密度が、前記運転環境下における前記第１の超電導線材の露出していない超電導フィラメントの平均臨界電流密度よりも低く、前記運転環境下における前記第２の超電導フィラメントの臨界電流密度が、前記運転環境下における前記第２の超電導線材の露出していない超電導フィラメントの平均臨界電流密度よりも低い。
（５）前記第１の超電導フィラメント、前記介在超電導体および前記第２の超電導フィラメントを内包し、かつそれらを圧着するための外層構造体が配設されている。
（６）前記外層構造体は金属パイプであり、前記金属パイプが加圧変形されたことにより、前記第１の超電導フィラメント、前記介在超電導体および前記第２の超電導フィラメントが圧着されている。
（７）室温から前記運転環境までの冷却における前記金属パイプの熱膨張係数が、前記第１および前記第２の超電導フィラメントの熱膨張係数よりも大きい。
（８）前記外層構造体は一対の金属板と金属ボルトとから構成され、前記一対の金属板は前記第１の超電導フィラメント、前記介在超電導体および前記第２の超電導フィラメントを挟み込むように配置され、前記一対の金属板に通した前記金属ボルトの軸力により、前記第１の超電導フィラメント、前記介在超電導体および前記第２の超電導フィラメントが圧着されている。
（９）室温から前記運転環境までの冷却における前記金属ボルトの熱膨張係数が、前記第１および前記第２の超電導フィラメントの熱膨張係数よりも大きい。
（１０）前記介在超電導体が金属ニオブまたはニオブとチタンとを主成分する合金からなる。
（１１）上記の超電導線材同士の接続構造体を具備する核磁気共鳴分析装置または核磁気共鳴画像装置である。
【００１７】
上述の接続構造体に加えて、本発明に係る超電導線材の接続構造体の製造方法は、複数のニオブチタンフィラメントが安定化材に覆われた構造を有する第１の超電導多芯線材と第２の超電導多芯線材とを電気的に接続する接続構造体の製造方法であって、
前記第１および前記第２の超電導多芯線材における接続予定領域の前記安定化材を除去して第１および第２のニオブチタンフィラメントを露出させるフィラメント露出工程と、前記接続構造体の運転環境下において前記第１および前記第２のニオブチタンフィラメントよりも低い臨界電流密度を有するニオブチタンプレートを前記第１および前記第２のニオブチタンフィラメントの間に介在させるように配置させながらそれらを金属パイプ内に挿入する配置挿入工程と、前記金属パイプに挿入された前記ニオブチタンプレートの法線方向から前記金属パイプを押圧することによって前記第１のニオブチタンフィラメント、前記ニオブチタンプレートおよび前記第２のニオブチタンフィラメントが一体となるように圧着させる圧着工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、上記の発明に係る超電導線材同士の接続構造体の製造方法において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（１２）前記フィラメント露出工程の前に、前記第１および前記第２の超電導多芯線材における前記接続予定領域を400〜600℃で加熱することによって前記第１および前記第２のニオブチタンフィラメントの臨界電流密度を調整するフィラメント超電導特性調整工程を更に有する。
【００１９】
以下、本発明をより詳細に説明する。図１は、超電導線材接続構造体の通電特性を評価するためのサンプル形状を示す模式図である。図１に示すように、超電導多芯線材1を用い、１つのループ部2と接続構造体3とを有する評価用サンプルを作製した。超電導多芯線材1としては、商用のニオブチタン超電導多芯線材（数百本のニオブチタンフィラメントが無酸素銅の安定化材に覆われた構造、長さ1 m）を用いた。
【００２０】
（従来技術の確認実験）
はじめに、本発明者等は、かしめ接続法による従来の接続構造体の通電特性を詳細に調査し、従来の接続構造体における問題点とその要因を検討した。図２は、従来の接続構造体の１例を示す斜視模式図である。接続構造体3の一種としての従来の接続構造体31の作製は次のように行った。まず、超電導多芯線材1の両端部35 mmずつをそれぞれ硝酸に浸漬して安定化材を溶解し、超電導フィラメントを露出させた。次に、一方の端部の露出した超電導フィラメント（第１の超電導フィラメント4）と他方の端部の露出した超電導フィラメント（第２の超電導フィラメント4’）とを無酸素銅パイプ5（外径15 mm、内径4 mm、長さ25 mm）に挿入した。最後に、一軸プレスにより無酸素銅パイプ5を加圧して潰すことで、無酸素銅パイプ5内で２つの超電導フィラメント4，4’を一体化（圧着）させた。
【００２１】
接続構造体3の通電特性は、次のようにして測定した。図３は、超電導線材接続構造体の通電特性を測定するための試験系を示す模式図である。図３に示すように、クライオスタット6内に誘導コイル7、サンプルヒータ8、ホール素子9から構成される試験系を組み、評価用サンプルのループ部2が誘導コイル7の領域内に入るように評価用サンプルを設置した。クライオスタット6内に液体ヘリウムを満たして次の手順で評価用サンプルに通電した。
【００２２】
まず、サンプルヒータ8を加熱し、評価用サンプルの一部（超電導多芯線材1の一部）の超電導性を消失させた。この状態で誘導コイル7に通電し、評価用サンプルのループ部2を貫通するように磁束を発生させた。次に、サンプルヒータ8の加熱を止めて評価用サンプルの超電導性を復帰させた後、誘導コイル7の通電を止めると評価用サンプルのループ部2内の磁束が保存されるように超電導多芯線材1に電流が流れる。このとき、ループ部2の中心磁束密度をホール素子9で計測し、その時間変化を記録した。
【００２３】
図４は、従来の接続構造体の通電特性の結果（捕捉した磁束の時間変化）の１例を示すチャートである。図４に示したように、約300秒経過後に中心磁束密度の不連続な減少が突然起こった。これは、従来の接続構造体31においてクエンチが発生し、評価用サンプルに保持されていた磁気エネルギーがジュール熱となって消失したためと考えられた。この実験結果から、かしめ接続法による従来の接続構造体31では通電中にクエンチが突然発生することが確認された。
【００２４】
（従来技術におけるクエンチに関する考察）
かしめ接続による従来の接続構造体31においてクエンチが発生した要因として、次の２つが考えられた。
（Ａ）従来の接続構造体においては、高い臨界電流密度を有する多数の超電導フィラメントを一括して接合させるため、超電導フィラメント同士の接合状態が場所によって異なることで、接合界面を渡る電流（輸送電流）に極端な偏流が生じる可能性がある。
（Ｂ）従来の接続構造体においては、多数の超電導フィラメントを一体化させた構造であるため、超電導線材における実効フィラメント径が大きくなり磁束ジャンプが発生する可能性がある。
以下で各要因についてさらに説明する。
【００２５】
（Ａ．輸送電流における偏流）
超電導線材は、一般的に、使用環境における最大経験磁場でその臨界電流がある程度のマージンを持つように設計される（または、そうなるように機器（例えば超電導コイル）を設計する）。一方、超電導線材同士の接続構造体は、設置場所の空間的な制約や超電導安定性の観点から、低磁場領域に設置されることが通常である。そのため、接続構造体の設置される低磁場領域では、接続構造体内の超電導フィラメントが運転電流に対して過大な臨界電流を有することになり、多数の超電導フィラメントの内の極一部を利用するだけで運転電流を輸送することが可能と考えられる。
【００２６】
また、従来の接続構造体31では、無酸素銅パイプ5内で一括して接合された超電導フィラメント4，4’の接合状態を均等にすることは極めて困難と考えられ、超電導フィラメント4，4’間の接合界面での輸送電流の渡り易さは場所によって大きく異なることが予想される。そのため、時間が経過するにつれて、超電導フィラメント4，4’間の電流分布は良好な接合界面を有する超電導フィラメントのみに偏っていくと考えられる。
【００２７】
すなわち、従来の接続構造体においては、超電導フィラメントが過大な臨界電流を有することと超電導フィラメントの接合状態が不均一であることに起因して、極一部の超電導フィラメントに輸送電流が偏流する。その結果、何かしらの擾乱が生じた時に、過度の偏流に起因した大きなジュール熱が起こり、クエンチが発生し易いものと考えられた。
【００２８】
（Ｂ．磁束ジャンプ）
磁束ジャンプとは、次のような負の循環により、超電導体がクエンチに至る現象である。（b-1）何かしらの熱的な初期擾乱によって超電導体の温度が上昇する。（b-2）この温度上昇により、超電導体の臨界電流密度が低下して超電導体内の電流分布が再構成されるため、内部の磁束が移動する。（b-3）この磁束の移動によって電場が発生して損失が生じ、超電導体の温度が上昇する。ここで、初期擾乱によるb-1過程後の温度よりもb-3過程後の温度が高い場合には、擾乱要因が取り除かれた後も自発的な温度上昇が継続してクエンチに至る。
【００２９】
磁束ジャンプが発生しないための条件としては、次式１で表わされることが知られている。
μ0 (Jc d)2 ＜ 3C (Tc − T0)    ・・・式１
ここで、μ0：真空の透磁率、Jc：超電導体の臨界電流密度、d：超電導体の通電領域の厚さ、C：超電導体の単位体積あたりの熱容量、Tc：超電導体の臨界温度、T0：運転温度である。
【００３０】
上記式1から、超電導体の臨界電流密度Jcと超電導体の通電領域の厚さdとの積の項（該積の二乗の項）が、磁束ジャンプ発生に関して最も大きく影響することが解る。実際、商用超電導線材では、極細多芯線材構造を採用することで超電導体の通電領域の厚さdを小さくし、磁束ジャンプが発生し難い構造としている。これに対し、かしめ接続法による従来の接続構造体31では、超電導フィラメント4，4’が無酸素銅パイプ5内で一体化されているため超電導体の通電領域の厚さdが実質的に大きくなっており、磁束ジャンプが発生し易い構造であると考えられた。
【００３１】
（本発明に係る接続構造体の構成）
本発明は、上記の考察を基にして完成されたものである。図５は、本発明に係る超電導線材接続構造体の１例を示す断面模式図である。比較として従来の接続構造体の断面模式図も併記した。図５に示したように、本発明に係る超電導線材接続構造体32は、第１の超電導多芯線材の安定化材が除去されて露出した第１の超電導フィラメント4と第２の超電導多芯線材の安定化材が除去されて露出した第２の超電導フィラメント4’との間にプレート形状の介在超電導体10が当接して設けられており、それらを圧着するための外層構造体（例えば、加圧変形された無酸素銅パイプ）が配設されている。さらに、介在超電導体10は、接続構造体32の運転環境下において第１の超電導フィラメント4および第２の超電導フィラメント4’よりも低い臨界電流密度を有している。
【００３２】
上述したように、本発明に係る接続構造体32では、第１および第２の超電導フィラメント4，4’の間に該超電導フィラメントよりも低い臨界電流密度を有する介在超電導体10を配設させたため、介在超電導体10の臨界電流密度の制約により輸送電流が超電導フィラメント4，4’ の極一部に偏流することを抑制し、均等な電流分布に近づく。その結果、輸送電流における過度の偏流（要因Ａ）に起因するクエンチを防止することができる。加えて磁束ジャンプ（要因Ｂ）に起因するクエンチが、介在超電導体10の内部で起こらないようにするため、介在超電導体10の臨界電流密度Jc-intと厚さdintとの積が前記式1の関係を満足するよう設定されることが好ましい。
【００３３】
また、第１および第２の超電導フィラメント4，4’の各束の中においても磁束ジャンプ（要因Ｂ）に起因するクエンチが起こらないようにするため、第１および第２の超電導フィラメントの臨界電流密度Jc-filと、第１および第２の超電導フィラメントの厚さのうちの厚い方の厚さdfilとの積が前記式1の関係を満足するよう設定されることが好ましい。ここで、本発明に係る接続構造体32では、プレート形状の介在超電導体10を介在させていることから、該プレートの各主表面に沿ってそれぞれ第１および第２の超電導フィラメント4，4’を拡がるように配置することで、従来の接続構造体31と比較して超電導フィラメントの厚さdfilを容易に薄くすることができる（図５参照）。
【００３４】
さらに、運転環境下における第１および第２の超電導フィラメント4，4’の臨界電流密度Jc-filが、同運転環境下における露出させていない超電導フィラメント（安定化材に覆われている超電導フィラメント）の平均臨界電流密度よりも低くなるように調整されていることが好ましい。これにより、Jc-filとdfilとの積をより小さくして磁束ジャンプを起こりにくくすることができる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例により本発明の具体例を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３６】
介在超電導体10用の材料としてニオブチタンを用いた。ニオブチタンは、塑性加工が容易であることからプレート形状に成形しやすい利点があると共に、熱処理を施すことによって磁束量子のピニングセンタとして働くα-Ti析出相や結晶粒界の状態を変えることができ、臨界電流密度特性を調整しやすい利点がある。
【００３７】
直径10 mmのニオブチタンの丸棒を圧延し、厚さdint = 0.5 mmのプレートとした。このプレートを適切な長さと幅に切断後、10-3 Pa以下の真空中、800℃で1時間保持する熱処理を施した。得られたニオブチタンプレート（介在超電導体10）の臨界電流密度Jc-intは、4.2 K、1 Tにおいて50 A/mm2であった。このように得られたニオブチタンプレート（介在超電導体10）は、厚さdintと臨界電流密度Jc-intとの積が前記式1を満足するため、磁束ジャンプに対して安定であると考えられる。なお、4.2 K（液体ヘリウム中）、1 Tとは、超電導線材接続構造体が設置される一般的な運転環境である。
【００３８】
図６は、厚さ2.4 mmまで圧延し熱処理を施していないニオブチタンプレートと、厚さ0.5 mmまで圧延した後に熱処理を施したニオブチタンプレートとの4.2 Kにおける磁化曲線を示したチャートである。図６に示したように、厚さ2.4 mmで熱処理を施していないニオブチタンプレートでは磁束ジャンプに伴う磁化の不連続な跳びが観測されたのに対し、厚さ0.5 mmで熱処理を施したニオブチタンプレートは磁束ジャンプの発生が観測されず良好なクエンチ耐性を有していることが確認された。
【００３９】
本発明に係る接続構造体32の作製は次のように行った。超電導多芯線材1としては、商用のニオブチタン超電導多芯線材（数百本のニオブチタンフィラメントが無酸素銅の安定化材に覆われた構造、長さ1 m）を用いた。接続構造体の運転環境（4.2 K、1 T）における超電導多芯線材1の臨界電流密度特性を調査したところ、超電導フィラメント（安定化材に覆われている超電導フィラメント）の臨界電流密度は約6×103 A/mm2であった。
【００４０】
まず、超電導多芯線材1の両端部100 mmずつに対して熱処理（アルゴンフロー中500℃で1時間保持）を施した。これにより、該熱処理を施した部分の超電導フィラメントの臨界電流密度は約2×103 A/mm2（4.2 K、1 T）となった。次に、超電導多芯線材1の両端部35 mmずつをそれぞれ硝酸に浸漬して安定化材を溶解し、超電導フィラメントを露出させた。次に、一方の端部の露出した超電導フィラメント4（第１の超電導フィラメント）と他方の端部の露出した超電導フィラメント4’（第２の超電導フィラメント）とで、用意したニオブチタンプレート（介在超電導体10）を挟み込み、それらを無酸素銅パイプ5（外径15 mm、内径8 mm、長さ25 mm）に挿入した。最後に、一軸プレスにより無酸素銅パイプ5を加圧して潰すことで、無酸素銅パイプ5内で２つの超電導フィラメント4，4’と介在超電導体10とを一体化（圧着）させた。
【００４１】
作製した本発明に係る接続構造体32と従来の接続構造体31との断面を観察したところ、図５に示したような構造になっていることを確認した。具体的には、従来の接続構造体31の超電導フィラメントの厚さが約300μmであったのに対し、本発明に係る接続構造体32の超電導フィラメントの厚さは約100μmに薄くなっていた。また、本発明に係る接続構造体32の第１および第２の超電導フィラメント4，4’の臨界電流密度は、従来の接続構造体31のそれの約1/3になった。すなわち、本発明に係る接続構造体32の第１および第２の超電導フィラメント4，4’の束は、厚さdfilと臨界電流密度Jc-filとの積が前記式1を満足するため、磁束ジャンプに対して安定であると考えられる。
【００４２】
本発明に係る接続構造体32の通電特性を確認するために、図１に示した評価用サンプルを作製し、図３に示した試験系を用いて従来の接続構造体31と同様の手順で測定した。図７は、本発明に係る接続構造体の通電特性の結果（捕捉した磁束の時間変化）の１例を示すチャートである。図７に示したように、10000秒の時間経過後でも中心磁束密度の不連続な減少は観察されなかった。また、接続抵抗を評価したところ、10-13Ω以下の低い接続抵抗であることが確認された。これらの結果から、本発明に係る接続構造体は、低い接続抵抗と高いクエンチ耐性を有していることが実証された。
【００４３】
上記実施例では、介在超電導体10として厚さ0.5 mm、800℃で1時間保持の熱処理を施したニオブチタンプレートを用いたが、本発明はそれに限定されることはなく、第１および第２の超電導フィラメント4，4’の臨界電流密度よりも低い臨界電流密度を有する超電導体を介在させれば輸送電流の分布の偏り（偏流）を改善する効果がある。したがって、他のいかなる材質の超電導体を用いても構わない。例えば、ニオブチタンにおけるチタンの配合比が一般的な40〜60質量％の範囲になくてもよく、運転環境下で超電導性を有する組成であれば構わない。また、ニオブ、ニオブ三スズ、二硼化マグネシウム、酸化物超電導体などであっても構わない。
【００４４】
介在超電導体10の形状などに関しても圧延加工によるプレート状に限定されるものではなく、箔状やパイプ状、粉末冶金体などでもよい。なお、接続構造体32に外部磁場が掛かる場合、介在超電導体10には外部磁場に対して垂直方向の遮蔽電流が生じる。その遮蔽電流による磁束ジャンプが起こらないようにするため、介在超電導体10の臨界電流密度と厚さとの積が小さくなるように厚さは薄い方が望ましい。また、介在超電導体10の主表面が外部磁場と平行となるように設置することが望ましい。なお、パイプ状の場合は、パイプの外周面と内周面とのそれぞれに厚さが薄くなるように第１および第２の超電導フィラメントを配置すればよい。
【００４５】
接続する超電導多芯線材1に関してもニオブチタンに限定されるものではなく、ニオブ三スズ、二硼化マグネシウム、酸化物超電導体など他の超電導体であっても構わない。また、安定化材も無酸素銅に限定されるものではなく、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ニオブ、タンタル、銀など一般的な安定化材やシース材でよい。
【００４６】
上記実施例では、超電導多芯線材1の両端部に500℃で1時間保持の熱処理を施した。この目的は、接続構造体32に組み込む超電導フィラメント4、4’の臨界電流密度を調整するためである。したがって、他のいかなるプロセス、条件を用いても構わない。ただし、ニオブチタンに熱処理を施す場合は、400〜600℃の範囲の熱処理温度が好ましい。400℃未満では臨界電流密度の調整効果が小さく、600℃超では臨界電流密度が小さくなり過ぎて、必要な輸送電流を通電できなくなる。
【００４７】
上記実施例では、第１および第２の超電導フィラメント4，4’と介在超電導体10とを内包しかつそれらを圧着するための外層構造体として無酸素銅パイプ5を用い、一軸プレスにより無酸素銅パイプ5を加圧して潰すプロセスを採用した。このとき、外層構造体としては、ヤング率が大きく降伏応力（または0.2％耐力）が小さい材質の金属パイプを用いることが好ましく、該金属パイプの肉厚は厚い方が好ましい。また、室温から運転環境までの冷却における該金属パイプの熱膨張係数が、第１および第２の超電導フィラメント4，4’の熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。それにより、冷却に伴ってより良好な圧着（接合状態）を実現できる。なお、上記の観点から、焼鈍された厚肉の無酸素銅パイプは、好適な外層構造体の１つと言える。
【００４８】
また、外層構造体として、金属パイプに替えて一対の金属板と金属ボルトとを用いてもよい。その場合、第１および第２の超電導フィラメント4，4’と介在超電導体10とを挟み込むように一対の金属板を配置し、該一対の金属板に通した金属ボルトを締め付けることにより圧着する。このとき、室温から運転環境までの冷却における該金属ボルトの熱膨張係数が、第１および第２の超電導フィラメント4，4’の熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。それにより、冷却に伴ってより良好な圧着（接合状態）を実現できる。
【００４９】
以上説明したように、本発明に係る超電導線材の接続構造体は、10-13Ω以下の極めて低い接続抵抗と高いクエンチ耐性とを兼ね備えている。そのため、核磁気共鳴分析装置や核磁気共鳴画像装置をはじめとして、大型超電導マグネット、電力貯蔵装置、磁気分離装置、リニアモーターカー、超電導発電機、核融合炉用マグネットなどの超電導関連装置に適用可能である。なお、超電導フィラメントの接続長さを適切に調整することで、超電導線材の臨界電流以下のあらゆる電流値での運転が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
1…超電導多芯線材、2…ループ部、3…接続構造体、
4…第１の超電導フィラメント、4’…第２の超電導フィラメント、
5…無酸素銅パイプ、6…クライオスタット、7…誘導コイル、8…サンプルヒータ、
9…ホール素子、10…介在超電導体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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