(57)【要約】【課題】金属管内部に束導体を最適密度で収納して構成される電流リードが容易に製作できる方法を得る。【解決手段】仕上がり形状より内部断面積の大きな金属管２の中に束導体１を挿入したのち、仕上がり形状に合致して形成された割れを有する一対の治具３に金属管２をはめ込んで半径方向に圧縮する。この圧縮操作を金属管２の長手方向に位置をずらせて繰返し、全長に渡って圧縮成形を行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温に保持された超電導機器に室温空間にある外部供給電源より電力を供給する電流リードで、複数本の電気良導体の素線を束ねた束導体を円筒状の金属管の内部に収納して構成される電流リードの製造方法において、
前記の金属管の仕上がり形状より内部断面積の大きな金属円管の内部に束導体を挿入する束導体挿入工程と、束導体を挿入した金属円管を前記の金属管の仕上がり形状に合致して形成された割れを有する一対の治具にはめ込んで半径方向に圧縮する操作を金属円管の長手方向に位置をずらせて繰返すことにより、金属円管を仕上がり形状に圧縮成形する金属管圧縮成形工程とを含むことを特徴とする超電導機器用電流リードの製造方法。
【請求項２】
前記の束導体挿入工程に用いられる金属円管の内部断面積が、束導体の総断面積の  １．３１  倍以上、１．４５  倍以下に選定されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導機器用電流リードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温環境にある超電導機器に室温環境にある外部供給電源から電力を供給する超電導機器用電流リードの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導材料を用いた機器に超電導マグネットや超電導エネルギー貯蔵装置などがある。これらの機器を使用するためには、用いられた超電導材料の臨界温度以下の低温空間に設置し、超電導状態に保持する必要がある。ＮｂＴｉ  等の低温超電導材料の臨界温度は液体ヘリウム温度（４．２  Ｋ）近傍であり、これらの低温超電導材料を用いた機器では、極低温容器内や冷凍機等によって超電導材料を冷却している。また、近年発見されたビスマス系やイットリウム系などの高温超電導材料は液体窒素温度（７７  Ｋ）まで超電導状態を維持できるので、これらの高温超電導材料を用いた機器では、液体窒素を冷媒として用いる場合もある。
【０００３】
低温空間に設置された超電導部材への電力の供給は電流リードを介して行われる。このとき、電流リードの低温端は低温空間にある超電導部材と電気的に接続され、高温端は通常室温空間にある電源に連結される。用いられる電流リードの長さは、通常３ｍ以下である。
電流リードは、通電に伴って生じるジュール熱を抑えるために、通常、銅などの電気良導体を導体として用いている。しかしながら、これらの電気良導体は同時に熱の良導体でもあるので、ジュール熱を低減するために導体断面積を増大させると熱伝導による侵入熱が増大することとなる。したがって、電流リードの設計においては、熱伝導による侵入熱とジュール熱とのバランスを保ち、かつ冷媒等によって効果的に冷却して、低温空間への熱負荷を小さく抑えることが重要である。電流リードの導体の冷却方式には、ヘリウムガスなどの冷媒ガスによって冷却するガス冷却方式と、導体を通しての熱伝導によって除熱する伝導冷却方式とがあり、通電電流の大きな電流リードの場合には、一般にガス冷却方式が採られている。
【０００４】
図３は、ガス冷却方式の電流リードを備えた超電導機器の構成を模式的に示した断面図である。本超電導機器では、極低温容器１３の内部に収納された超電導コイル１２に、室温空間にある図示しない電源から電力を供給するための一対の電流リード１１が接続されている。この超電導機器を運転する際には、超電導コイル１２を液体ヘリウム１４中に浸漬して低温に保持し、電流リード１１の室温側端子を電源に連結して通電される。電流リード１１の本体部は、円筒状の金属管２の内部に、複数本の電気良導体の素線を束ねた束導体１を収納して構成されており、この電流リード１１を介して侵入した侵入熱量等によって液体ヘリウム１４が蒸発して生じた低温のヘリウムガス１５を、金属管２の内部に導いて通流させることによって、束導体１を低温のガスで冷却して侵入熱量を低減するよう構成されている。
【０００５】
既に述べたようにこの種の電流リードでは、導体断面積が小さ過ぎると電気抵抗が高くなってジュール熱が過大になり、一方、導体断面積が大き過ぎると熱伝導による侵入熱が過大となるので、定格電流に対応して適切な電流密度となるように束導体１の導体断面積を選定する必要がある。また、侵入熱を抑えるには、束導体１を形成する各素線と金属管２の内部を流れるヘリウムガス１５との熱交換が効果的に行われる必要があるので、十分な熱伝達表面積が得られるように素線径を選定するとともに、適正なガスの流れが得られるようにガス流路の断面積を選定する必要がある。
【０００６】
図４は、この種の電流リードの必要最小冷媒流量の（金属管内部断面積）／（導体断面積）比に対する依存性を示した特性図である。図に見られるごとく、この断面積比が最適値のとき必要最小冷媒流量が最も小さくなり、この断面積比が大きくなっても、また小さくなっても必要最小冷媒流量は上昇する。
したがって、上記の図３に示した電流リード１１においても、定格電流において適切な電流密度となるよう束導体１の導体断面積を選定するとともに、（金属管内部断面積）／（導体断面積）比が最適値となるよう形成している。
図３に示したごとき金属管２の内部に束導体１を配設して構成する電流リードにおいて、上記のごとく（金属管内部断面積）／（導体断面積）比が最適値となるように形成するには、金属管２の内部に束導体１を高い密度で配設する必要があり、束導体１を金属管２の内部に単純に挿入する方法では形成することができない。このため、このような電流リードを形成する方法として、以下の二つの方法が用いられている。第１の方法は、例えば特許文献１に見られるごとく、束導体を収納した金属管を塑性加工機により連続的に絞り込んで所望の形状に圧縮成形する方法を用いるものであり、仕上がり形状より内部断面積の大きな金属管に束導体を収納したのち、この金属管を、金型を高速回転させて連続的に絞り込むスエージングマシーンにより、所望の形状に圧縮成形する方法が採られている。また、第２の方法として、金属管を半円柱状に二分割し、その内部に束導体を収納したのち、二つの半円柱状金属管を合わせて溶接等によって接続する方法が採られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２−２８８０４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、ガス冷却方式の超電導機器用電流リードでは、円筒状の金属管の内部に、複数本の電気良導体の素線を束ねた束導体を収納して構成された電流リードが知られており、（金属管内部断面積）／（導体断面積）比が最適値となるように形成するために、束導体を収納した金属管をスエージングマシーンにより連続的に絞り込んで所望の形状に圧縮成形する方法（第１の方法）、あるいは、半円柱状に二分割した金属管中に束導体を収納したのち溶接等によって接続する方法（第２の方法）が用いられている。
【０００９】
上記の第１の方法は、仕上がりが金属管の長さ方向で安定しており、量産が容易で、リードごとのばらつきが少ないという特徴を有しているので、例えば５０ｍのロッド状やロール状の材料を備えて連続して多量に同一加工を行う場合に適している。しかしながら、この種の電流リードの場合には、一度に製造が必要となる量は、２本〜６本の程度と少量であり、各電流リードの長さも１ｍ〜３ｍであるため、この方法を用いて製作すると、既存の製造ラインを止めて新たに単品を製作する際には、取り替えや設置に多くの時間が必要となり、また加工費も高いので、電流リードの製作コストが高くなるという問題点があった。
【００１０】
一方、上記の第２の方法は、第１の方法に比べて所要設備が簡単であるという利点をもつが、束導体を収納しながら二分割した金属管を長手方向に溶接して接続する際、束導体を均一に収納するのは容易でなく、長手方向にばらつきを生じるという問題点があり、溶接の不良によりガスが金属管の外部へと漏洩する危険性を回避することができないという難点もある。
本発明は、かかる技術の現状を考慮してなされたもので、本発明の目的は、円筒状の金属管の内部に、複数本の電気良導体の素線を束ねた束導体を収納して構成される電流リードで、（金属管内部断面積）／（導体断面積）比が最適値となるように形成され、かつ長手方向やロット毎のばらつきが少なく安定した運転性能を有する電流リードが、作業空間や作業者の制限を受けることなく、容易に製作できる超電導機器用電流リードの製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
低温に保持された超電導機器に室温空間にある外部供給電源より電力を供給する電流リードで、複数本の電気良導体の素線を束ねた束導体を円筒状の金属管の内部に収納して構成される電流リードの製造方法において、
（１）上記の金属管の仕上がり形状より内部断面積の大きな金属円管の内部に束導体を挿入する束導体挿入工程と、束導体を挿入した金属円管を金属管の仕上がり形状に合致して形成された割れを有する一対の治具にはめ込んで半径方向に圧縮する操作を金属円管の長手方向に位置をずらせて繰返すことにより、金属円管を仕上がり形状に圧縮成形する金属管圧縮成形工程とを実施することとし、
（２）さらに、上記の束導体挿入工程に用いる金属円管の内部断面積を、束導体の総断面積の  １．３１  倍以上、１．４５  倍以下に選定することとする。
【００１２】
上記の（１）のごとき方法により製造することとすれば、加工場所や作業者が特に限定されることなく容易に加工できる。また、長手方向の形状のばらつきやロットによるばらつきも少ないので、安定した性能の電流リードを安価に製造することが可能となる。
また、上記の（１）のごとき方法により電流リードを製造する場合、圧縮成形前の金属円管が細すぎると、束導体挿入工程における束導体の挿入が困難となり、圧縮成形前の金属円管が太すぎると、束導体の挿入は容易となるが、金属管圧縮成形工程における金属円管の圧縮量が大きくなって圧縮成形が困難となる。上記の（２）のごとく束導体を挿入する金属円管の内部断面積を束導体の総断面積の  １．３１  倍以上に選定すれば、束導体挿入工程における束導体の挿入が可能となり、金属円管の内部断面積を束導体の総断面積の  １．４５  倍以下に選定すれば、金属管圧縮成形工程における金属円管の圧縮成形が容易となり、安定した性能を有する電流リードが製造できることとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳しく説明する。
図１は、本発明の超電導機器用電流リードの製造方法の実施例を示す要部工程の説明図であり、円筒状の金属管中に束導体を収納してリード本体を構成する電流リードのリード本体の形成工程を示したものである。
本実施例では、φ２ｍｍの銅線  ２９０  本からなる束導体を、仕上がり外径  ４２  ｍｍ、厚さ  ２  ｍｍ、長さ  １  ｍの金属管に収納して構成される電流リードの製作の場合を例に挙げて説明する。
【００１４】
本実施例の製造方法においては、まず、図１（ａ）に示したように、設計された断面積を有するφ２ｍｍの銅線  ２９０  本からなる束導体１を、仕上がり形状（外径  ４２  ｍｍ、厚さ  ２  ｍｍ）より内部断面積の大きな金属円管２の内部に挿入する。すなわち、金属円管２として、仕上がり時の金属管の内部断面積（１．１３×１０３ｍｍ２）より広い内部断面積をもち、銅線より電気伝導率の低いステンレス鋼よりなる外径  ４３  ｍｍ、厚さ  ２  ｍｍのステンレス鋼管を用いる。このとき、金属円管２の内部断面積は  １．１９×１０３ｍｍ２で、束導体１の総断面積  ０．９１×１０３  ｍｍ２の１．３１  倍である。
【００１５】
続いて、図１（ｂ）に示したように、束導体１を挿入した金属円管２を一対の割れ治具３にはめ込む。割れ治具３は、電流リードの金属管の仕上がり形状に合わせた半円状のくぼみを備えたブロックで、金属管の仕上がり形状に合わせた円を、すなわち上記の数値例ではφ  ４２  ｍｍの円をくりぬいた直方体状の金属ブロックを二つ割りにして形成したものである。割れ治具３の半円状のくぼみの長さ、すなわち、一度に圧縮加工される金属管の長さは、本数値例では２００ｍｍであるが、製作される電流リードに合わせて、例えば  １００  ｍｍ  〜  ３００  ｍｍの範囲の長さが選定される。一対の割れ治具３のうち、一方を半円状のくぼみを上向きにして固定し、そのくぼみの上部に束導体１を挿入した金属円管２を配置し、もう一方の割れ治具３を半円状のくぼみが金属円管２に乗るように配置して、金属円管２を挟みこむ。
【００１６】
次いで、図１（ｃ）に示したように、一対の割れ治具３を上下方向に圧縮して挟み込まれた金属円管２を圧縮成形する。圧縮操作は、例えば油圧ジャッキ等の手作業により行われる。この圧縮操作により金属円管２は仕上がり形状に合致した外径φ  ４２  ｍｍの金属管へと成形される。次いで、圧縮を中止して上部の割れ治具３を離し、束導体１を挿入した金属円管２を長手方向に割れ治具３の長さ相当分、例えば  ２００  ｍｍ移動させたのち、再び割れ治具３にはめ込み、圧縮成形する。この操作を順次繰り返すことにより、全長に渡って所定の外径を備えた電流リードが得られる。
【００１７】
図２は、本製造方法の圧縮成形の前後における金属円管中の束導体の挿入状態を模式的に示す断面図で、（ａ）は圧縮成形前の状態、（ｂ）は圧縮成形後の状態を示している。図に見られるように、圧縮成形により金属円管２の内径が縮まり、内部断面積が減少して束導体１の充填密度が上昇している。
上記の数値例では、金属円管２として仕上がり形状（外径  ４２  ｍｍ、厚さ  ２  ｍｍ）より僅かに径の太い外径  ４３  ｍｍ、厚さ  ２  ｍｍのステンレス鋼管を用いて電流リードを製作しているが、金属円管中への束導体の挿入をより容易に行うために、引き続いて、外径  ４５  ｍｍ、厚さ  ２  ｍｍ（内部断面積  １．３２×１０３ｍｍ２）のステンレス鋼管を金属円管として用い、図１に示した製造方法によって、φ２ｍｍの銅線  ２９０本からなる束導体を、仕上がり外径  ４２  ｍｍ、厚さ  ２  ｍｍの金属管に収納して構成される電流リードを製作した。この場合の金属円管２の内部断面積は、  １．３２×１０３ｍｍ２で、束導体１の総断面積  ０．９１×１０３  ｍｍ２の１．４５  倍である。
【００１８】
本実施例では、金属円管２を外径  ４５  ｍｍから外径  ４２  ｍｍへと圧縮する必要があるため、金属管圧縮成形工程において大きな圧縮力を加える必要があったが、束導体挿入工程における束導体の挿入が極めて容易であった。
図１に示したごとき本発明の製造方法では、特殊な装置や特殊な技術を必要としないので製作場所や作業者に対する制約がなく、簡単に短時間で安価に製作することができる。また、割れ治具３の半円状のくぼみに合わせて圧縮成形されるので、安定した加工ができ、長手方向やロット毎のばらつきのない電流リードが得られる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
液体ヘリウムや液体窒素等の冷媒や冷凍機等により冷却して用いられる超電導機器に室温空間にある外部供給電源より電力を供給する電流リードで、複数本の電気良導体の素線を束ねた束導体とこの束導体を収納する円筒状の金属管とを備えて構成される電流リードの製造方法において、請求項１に記載のごとき方法を用いることとしたので、（金属管内部断面積）／（導体断面積）比が最適値となるように形成され、かつ長手方向やロット毎のばらつきが少なく安定した運転性能を有する電流リードが、容易に製作できる超電導機器用電流リードの製造方法が得られることとなった。
【００２０】
また、さらに請求項２に記載のごとき方法を用いれば、金属管への束導体の挿入、金属管の圧縮成形が容易に実行できるので、安定した性能を有する電流リードの製造方法としてより好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超電導機器用電流リードの製造方法の実施例を示す要部工程の説明図
【図２】図１の製造方法の圧縮成形の前後における金属円管中の束導体の挿入状態を模式的に示す断面図
【図３】ガス冷却方式の電流リードを備えた超電導機器の構成を模式的に示した断面図
【図４】この種の電流リードの必要最小冷媒流量の（金属管内部断面積）／（導体断面積）比に対する依存性を示した特性図
【符号の説明】
１    束導体
２    金属管
３    割れ治具
１１    電流リード
１２    超電導コイル
１３    極低温容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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