(57)【要約】【課題】繰返し運転に対しても長期的に安定した状態を保つことができ信頼性が向上する超電導コイル装置を提供することを目的とする。【解決手段】複数条の超電導導体３ａは、端部に形成された導体接続部２に各々通電用管６ａを有し、通電用管６ａは、金属管５に気密に接続され、金属管５ａから突出する超電導撚線４ａを覆うとともに超電導撚線４ａに対して密着縮径加工され、複数条の超電導導体３ａは、通電用管６ａの外部表面を相互に電気的に接続されて、１条の超電導コイルを形成しており、通電用管３ａの内周面と超電導撚線４ａの外周面とが溶融接続金属により機械的及び電気的に接続され、通電用管６ａの内周面には、溶融したはんだが通電用管６ａの内周面と超電導撚線４ａの外周面との間の接触界面に選択的に浸透するよう案内する溶融接続金属導入溝１５ａが、それぞれ通電用管６ａの軸線に沿って形刻されている。【選択図】        図３
2004266141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導撚線を金属管内に収納するとともに該金属管内に冷媒が流通するコンジット型の超電導導体が、複数条直列に接続されてなる超電導コイル装置において、
複数条の前記超電導導体は、端部に形成された導体接続部に各々通電用管を有しており、
前記通電用管は、導体で作製されて管状をなし、前記金属管に気密に接続され、該金属管から突出する前記超電導撚線を全体にわたって覆うとともに前記超電導撚線に対して密着縮径加工されており、
複数条の前記超電導導体は、前記通電用管の外部表面を相互に電気的に接続されて、１条の超電導コイルを形成しており、
前記通電用管の内周面と前記超電導撚線の外周面とが溶融接続金属により機械的及び電気的に接続されており、
前記通電用管の内周面には、溶融した前記溶融接続金属が前記通電用管の内周面と前記超電導撚線の外周面との間の接触界面に選択的に浸透するよう案内する溶融接続金属導入溝が該通電用管の軸線に沿って形刻されている
ことを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
所定の容器内に貯液された静止液体冷媒に直接沈められる超電導撚線を有する超電導導体が、複数条直列に接続されてなる超電導コイル装置において、
複数条の前記超電導導体は、端部に形成された導体接続部に各々通電用管を有しており、
前記通電用管は、導体で作製されて管状をなし、前記超電導撚線の端部を全体にわたって覆うとともに前記超電導撚線に対して密着縮径加工されており、
複数条の前記超電導導体は、前記通電用管の外部表面を相互に電気的に接続されて、１条の超電導コイルを形成しており、
前記通電用管の内周面と前記超電導撚線の外周面とが溶融接続金属により機械的及び電気的に接続されており、
前記通電用管の内周面には、溶融した前記溶融接続金属が前記通電用管の内周面と前記超電導撚線の外周面との間の接触界面に選択的に浸透するよう案内する溶融接続金属導入溝が該通電用管の軸線に沿って形刻されている
ことを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項３】
前記溶融接続金属導入溝は、断面矩形の形状である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル装置。
【請求項４】
前記通電用管は、側壁に前記溶融接続金属を導入する溶融接続金属導入孔が穿孔されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項５】
前記溶融接続金属は、錫を９５ｗｔ％以上含むはんだである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項６】
前記溶融接続金属は、燐を含有するはんだである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項７】
前記超電導撚線を構成する超電導物質が、高温における超電導物質生成熱処理を必要とするものであり、前記超電導撚線表面の付着有機物は、前記溶融接続金属を溶融する該熱処理中に熱分解して除去される
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項８】
前記超電導撚線を構成する素線の表面がクロムメッキされたものであり、前記導体接続部に突出する部分の該超電導撚線は、表面のクロムメッキが除去されている
ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項９】
超電導撚線を金属管内に収納するとともに該金属管内に冷媒が流通するコンジット型の超電導導体が、複数条直列に接続されてなる超電導コイル装置の製造方法において
複数条の前記超電導導体は、端部に形成された導体接続部に各々通電用管を有しており、
前記通電用管は、導体で作製されて管状をなし、前記金属管に気密に接続され、該金属管から突出する前記超電導撚線を全体にわたって覆うとともに前記超電導撚線に対して密着縮径加工されており、
複数条の前記超電導導体は、前記通電用管の外部表面を相互に電気的に接続されて、１条の超電導コイルを形成しており、
前記通電用管の内周面に、該通電用管の軸線に沿って溶融接続金属導入溝を形刻する溶融接続金属導入溝形成工程と、
前記溶融接続金属導入溝に溶融した溶融接続金属を導入し、該溶融接続金属を前記溶融接続金属導入溝によって、前記通電用管の内周面と前記超電導撚線の外周面との間の接触界面に選択的に浸透させて接続する接続工程とを有する
ことを特徴とする超電導コイル装置の製造方法。
【請求項１０】
前記接続工程は、水素を含む不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴とする請求項９に記載の超電導コイル装置の製造方法。
【請求項１１】
前記接続工程は、水素を含む不活性ガスを前記通電用管内に流しつつ行われる
ことを特徴とする請求項９に記載の超電導コイル装置の製造方法。
【請求項１２】
前記接続工程の前に、前記導体接続部を前記溶融接続金属の溶融温度以上の所定の温度に一定時間保持する予備加熱工程を有する
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の超電導コイル装置の製造方法。
【請求項１３】
前記予備加熱工程の前記所定の温度が、３００℃以上の温度である
ことを特徴とする請求項１２に記載の超電導コイル装置の製造方法。
【請求項１４】
前記接続工程は、前記導体接続部を溶融した前記溶融接続金属に浸漬して前記溶融接続金属を浸透させる
ことを特徴とする請求項９に記載の超電導コイル装置の製造方法。
【請求項１５】
前記接続工程は、貯液された前記溶融接続金属の中で、水素を含む不活性ガスを前記通電用管内に流しつつ行われる
前記導体接続部を溶融したはんだ中に浸漬して前記はんだ付けを行う
ことを特徴とする請求項１４に記載の超電導コイル装置の製造方法。
【請求項１６】
前記前記通電用管の内周面と前記超電導撚線の外周面とを接続する前記溶融接続金属は、前記通電用管の外周部の接続に使用する溶融接続金属より融点が高い
ことを特徴とする請求項９から１５のいずれかに記載の超電導コイル装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超電導撚線及び超電導撚線を使用したコンジット強制冷却型導体を使用する超電導コイル装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超電導コイル装置においては、次のように導体接続部を構成し、製造していた。まず、超電導導体のコンジットの先端部分を除去して、超電導撚線がコンジットから露出された状態とする。次に、通電用管を含む複合金属管がコンジットに溶接され、さらに、この複合金属管の端部にステンレス鋼製配管継手が溶接される。その後、通電用管をかしめ加工して縮径し、通電用管を超電導撚線に圧着させる。そしてさらに、接続されるべき２本の超電導導体が相互の導体接続部を平行にして並べられ、各々の超電導導体の通電用管が、接続片を介して相互にはんだ付けされて固定される。
【０００３】
電流は、超電導コイル装置に通電された際、一方の超電導導体の通電用管から接続片を通り、次にはんだ層を通って、他方の超電導導体の通電用管に至る。通電用管はかしめられて超電導撚線に密着しているため、通電用管と超電導撚線の接触界面を通して電流が超電導撚線へと流れ、超電導コイル装置本体に流れる。
【０００４】
一方、超電導コイル装置を冷却する冷媒ヘリウムは、端部に接続された配管継手から超電導導体の内部に流入し、超電導撚線内の空隙に浸透流入する。そして、このように構成された超電導コイル装置に通電すると、超電導コイル装置の本体内空間のみならず、導体接続部にも強い磁場が発生する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３３２４１４号公報（第２−３頁、第３図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超電導コイル装置は上述のように構成されているので、通電用管と超電導撚線との間の電気接続は、かしめによって圧着されているのみである。超電導コイルをくり返し通電すると、繰返し荷重が導体接続部に作用し、ひいては通電用管と超電導撚線との間のかしめによる密着が緩み、電気抵抗が増大して、超電導コイルが過熱し、超電導破壊するか、もしくは冷凍負荷が異常に増大して冷凍機が運転不可能となり、さらに超電導コイル装置が運転不可能となるおそれがあった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、繰返し運転に対しても長期的に安定した状態を保つことができ信頼性が向上する超電導コイル装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超電導コイル装置は、超電導撚線を金属管内に収納するとともに金属管内に冷媒が流通するコンジット型の超電導導体が、複数条直列に接続されてなる超電導コイル装置において、複数条の超電導導体は、端部に形成された導体接続部に各々通電用管を有しており、通電用管は、導体で作製されて管状をなし、金属管に気密に接続され、金属管から突出する超電導撚線を全体にわたって覆うとともに超電導撚線に対して密着縮径加工されており、複数条の超電導導体は、通電用管の外部表面を相互に電気的に接続されて、１条の超電導コイルを形成しており、通電用管の内周面と超電導撚線の外周面とが溶融接続金属により機械的及び電気的に接続されており、通電用管の内周面には、溶融した溶融接続金属が通電用管の内周面と超電導撚線の外周面との間の接触界面に選択的に浸透するよう案内する溶融接続金属導入溝が通電用管の軸線に沿って形刻されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の超電導コイル装置の斜視図である。図１において、複数条の超電導導体３を巻回してなる超電導コイル装置１は、各条の両端にある導体接続部２を介して各導体条間の電気的接続が行われ、超電導コイル装置１の全体が多数ターンを有する電気巻線となっている。
【００１０】
図２は図１の超電導コイル装置の超電導導体３の斜視図である。超電導導体３は図２に示すように、例えば直径０．５〜１ｍｍ程度の太さの超電導線を多数撚り合せてなる超電導撚線４を、角型金属管（コンジット）５に密閉して収納したものである。超電導撚線４は、超電導線を多数撚り合せて構成されているので、各超電導線間には微小な隙間が形成されている。この隙間には超電導コイル装置１を冷却する目的で、後述する冷媒ヘリウムが流通される。このような構成の超電導導体３は、いわゆる内部強制冷却型超電導導体と称されている。
【００１１】
図１の導体接続部２における超電導導体３の外観を図３に示す。また、図１の導体接続部２の詳細断面を図４に示す。図４のＶ−Ｖ線に沿う矢視断面を図５に示す。さらに、図５における一側の通電用管６ａの拡大断面を図６に示す。図３から図６において、超電導コイル装置の導体接続部２においては、２条の超電導導体３ａ，３ｂの端部が、互いの通電用管６ａ，６ｂを相互に平行になるように対向して配置されている。
【００１２】
ここで、説明のために、一側の超電導導体３ａの端部に設けられた超電導撚線、角型金属管、通電用管、はんだ層、冷媒管及びはんだ導入溝を、それぞれ超電導撚線４ａ、角型金属管５ａ、通電用管６ａ、はんだ層８ａ、冷媒管１０ａ及びはんだ導入溝１５ａとして表し、一方、他側の超電導導体３ｂの端部に設けられた超電導撚線、角型金属管、通電用管、はんだ層、冷媒管及びはんだ導入溝を、それぞれ超電導撚線４ｂ、角型金属管５ｂ、通電用管６ｂ、はんだ層８ｂ、冷媒管１０ｂ及びはんだ導入溝１５ｂとして表す。説明は、主に一側の超電導導体３ａについて説明するが、他側の超電導導体３ｂの端部構造もこれと同様なものである。
【００１３】
超電導導体３ａの導体接続部２においては、角型金属管５ａの端部に円筒状の通電用管６ａが軸線方向に突出するように接続されている。通電用管６ａは、後で述べるように、複数の超電導導体３ａ，３ｂが直列に接続されて１つの超電導コイル装置となる場合の導体接続部２における通電路となる。そのため、通電用管６ａ，６ｂとしては、通常、電気抵抗が小さい銅管が使用されている。
【００１４】
そして、超電導導体３ａの端部において、超電導撚線４ａが通電用管６ａにより覆われている。通電用管６ａは超電導撚線４ａを収納する角型金属管５ａの端部に、継手を介して例えば溶接等により気密に接合されており、超電導導体３ａ端部の気密性が確保されている。
【００１５】
超電導撚線４ａを構成する超電導素線は通常は銅であり、この銅は素線の表面に露出している。通電用管６ａは超電導撚線４ａに対して密着縮径加工され、さらに超電導撚線４ａの外周面と通電用管６ａの内周面とは、はんだ層８ａによりはんだ接合されている。また、通電用管６ａの先端には、冷媒管１０ａが接続されている。
【００１６】
この超電導導体３ａの端部と接続される他の超電導導体３ｂの端部は、上述のように向かい合って互いに同じ構造をなしている。これら２つの超電導導体３ａ，３ｂの端部は、互いの通電用管６ａ、６ｂの外周面が、導体間接続片７を介して、はんだ層９によりはんだ接合されている。そして、図３及び図６に示されるように、通電用管６ａの内周面には、軸線に沿って溶融接続金属導入溝としてのはんだ導入溝１５ａが形刻されている（溶融接続金属導入溝形成工程）。
【００１７】
次に動作について説明する。超電導コイル装置１は、内部に冷媒である超臨界ヘリウムが流通され、図示しない保冷容器内で４．５Ｋの極低温に冷却される。超電導導体３ａ，３ｂを含む多数の超電導導体の条は、互いに端部を直列に接続されて一つの気密冷却回路を構成し、導体接続部２において、図４に示される端部の冷却管１０ａから冷媒ヘリウムが出入する。
【００１８】
導体接続部２における通電用管６ａの内部の超電導撚線４ａでは、超電導撚線４ａの隙間を通して冷媒ヘリウムが流れ、超電導導体３ａを極低温に冷却保持する。このように超電導撚線４ａは、コイルを形成するとともに冷媒ヘリウムの流路でもあるため、はんだは超電導撚線４ａと通電用管６ａの内面との接触界面以外に存在することは望ましくない。
【００１９】
超電導コイル装置１が所定の温度に冷却された後に、超電導コィル装置１には所定の電流が通電され、所定の磁場を発生する。導体接続部２においては、図４に示すように構成されているので、電流は超電導撚線４ａからはんだ層８ａを通り、さらに通電用管６ａの壁を通り、はんだ層９を通り、導体間接続片７を通って対となる超電導導体３ｂ側へと流れる。
【００２０】
通常は銅製である通電用管６ａとはんだ層８ａ，９は、常電導体であり電気抵抗がある。当然超電導コイル装置の損失は、できるだけ少なくされる必要があり、導体接続部２の電気抵抗は低いことが望ましい。低い電気抵抗を実現するため、はんだ層８ａ，９は薄く且つ広い面積で接合されていることが必要である。
【００２１】
図７は本実施の形態の導体接続部２での製造過程におけるはんだ付けの方法を示すもので一側の超電導導体３ａの端部のみを詳細に示す断面図である。超電導撚線４ａを収納した通電用管６ａは、ヒータ１４によりはんだ融点以上の所定の温度に加熱され、加熱された状態ではんだ１１が差込まれる。
【００２２】
使用するはんだ材としては、例えば流れがよい４Ｐｂ−６Ｓｎはんだ（通称４分６はんだ）を使用することが望ましい。この製造過程により、供給されて溶融したはんだは、図３及び図６に示したはんだ導入溝１５ａに沿って超電導撚線４ａの軸線方向へと浸透し、通電用管６ａ内周面の周方向に通電用管６ａと超電導撚線４ａの接触界面に沿って広がり、通電用管６ａと超電導撚線４ａの間に選択的にはんだ接合がなされる（接続工程）。これにより、はんだの存在が望ましくない超電導撚線４ａ内部へのはんだの浸透が防止される。そして、はんだは、通電用管６ａと超電導撚線４ａとの間に選択的に浸透するので、超電導撚線４ａ内部の隙間がはんだにより閉塞することはなく、冷媒ヘリウムが過大な圧力損失無しに流通する。
【００２３】
超電導コイルに電流が通電されると、超電導コイルにはいわゆる拡張力という超電導コイルの半径方向外側に作用する電磁力が発生する。この電磁力は、超電導導体３ａの軸線方向への張力に変換される。超電導導体３ａの端部では、この電磁力に起因して、超電導撚線４ａと通電用管６ａとが軸線方向にずれようとする力が作業するが、超電導撚線４ａと通電用管６ａがはんだ付けされているので、超電導撚線４ａは繰返し通電によっても長期間安定で機械的強度が保持され且つ低電気抵抗となる。
【００２４】
このような構成の超電導コイル装置１は、超電導撚線４ａ，４ｂを金属管５ａ，５ｂ内に収納するとともに金属管５ａ，５ｂ内に冷媒である冷媒ヘリウムが流通するコンジット型の超電導導体３ａ、３ｂが、複数条直列に接続されてなる超電導コイル装置にであって、複数条の超電導導体３ａ、３ｂは、端部に形成された導体接続部２に各々通電用管６ａ、６ｂを有しており、通電用管６ａ、６ｂは、導体で作製されて管状をなし、金属管５ａ，５ｂに気密に接続され、金属管５から突出する超電導撚線４ａ，４ｂを全体にわたって覆うとともに超電導撚線４ａ、４ｂに対して密着縮径加工されており、複数条の超電導導体３ａ、３ｂは、通電用管６ａ，６ｂの外部表面を相互に電気的に接続されて、１条の超電導コイルを形成しており、通電用管３ａ、３ｂの内周面と超電導撚線４ａ，４ｂの外周面とが溶融接続金属としてのはんだにより機械的及び電気的に接続されている。
【００２５】
通電用管６ａ，６ｂの内周面には、溶融したはんだが通電用管６ａ，６ｂの内周面と超電導撚線４ａ，４ｂの外周面との間の接触界面に選択的に浸透するよう案内するはんだ導入溝（溶融接続金属導入溝）１５ａが、それぞれ通電用管６ａ，６ｂの軸線に沿って形刻されている。そのため、繰返し運転に対しても長期的に安定した状態を保つことができ信頼性が向上する。
【００２６】
このような構成の超電導コイル装置の製造方法は、通電用管６ａ，６ｂの内周面に、通電用管６ａ，６ｂの軸線に沿ってはんだ導入溝（溶融接続金属導入溝）１５ａを形刻する溶融接続金属導入溝形成工程と、このはんだ導入溝１５ａに溶融した溶融接続金属としてのはんだを導入し、このはんだを溶融接続金属導入溝１５によって、通電用管６ａ，６ｂの内周面と超電導撚線４ａ，４ｂの外周面との間の接触界面に選択的に浸透させて接続する接続工程とを有するので、繰返し運転に対しても長期的に安定した状態を保つことができ信頼性が向上する超電導コイル装置１を用意に作成することができる。
【００２７】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２の超電導コイル装置の通電用管の横断面図である。上記の実施の形態１では、通電用管６ａの内部のはんだ導入溝１５ａが円弧形のものについて述べたが、図８に示すようにはんだ導入溝の形状を、断面矩形のものとすることではんだの軸線方向の浸透効果を高くすることができる。この理由を図９により説明する。図９の（ａ）では断面円弧状のはんだ導入溝１５ａに、はんだ１７ａが流れる場合の断面図を示している。はんだはほぼ均一な厚さで溝に沿って流れる。一方、同図の（ｂ）で示す断面矩形状のはんだ導入溝１６ａの場合は、特に角部ではんだの厚さが大きく、且つはんだ表面形状からくる表面張力効果により底部のはんだの厚さも厚い。従って断面全体としてはんだ部分が占める断面積が大きくはんだをより多く導くことができる。
【００２８】
このような考察に基づき発明者らが図９に示した溝に沿ってはんだを浸透させる実験をしたところ、図１０に示す結果が得られた。同図に示すように断面円弧形のはんだ導入溝１５ａでははんだの溝長手方向の濡れ長さが１０ｍｍ程度であるのに対し、断面矩形のはんだ導入溝１６ａではその５倍以上の濡れ長さが得られたことから、断面矩形のはんだ導入溝１６ａによるはんだ浸透力向上効果が裏付けられた。
【００２９】
このように本実施の形態２では、超電導コイルの導体接続部２において、通電用管６ａ内面のはんだ導入用溝６１ａの形状を断面矩形の形状としたので、はんだがより確実に広い範囲に浸透し、結果としてはんだ付け品質が向上する効果がある。
【００３０】
実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３の超電導コイル装置の通電用管の横断面図である。図１２は図１１の超電導コイル装置の導体接続部の縦断面図である。上記実施の形態１では、通電用管６ａの端部からはんだを差すはんだ付け施工法の場合について述べたが、図１１に示すように、通電用管６ａの中間部にはんだを差すための溶融接続金属導入孔としてのはんだ導入孔１３ａを穿孔し、このはんだ導入孔１３ａからはんだ１２を差すようにしてもよい。このような工法においては、導体接続部２が長い場合であっても、その奥部まで確実にはんだを浸透させることができる。この場合の導体接続部２の気密構造は図１２に示すような気密箱２５を使用すると有効である。また強制冷却型導体の金属管に多数穴をあけて保冷容器内と導体内との間で冷媒ヘリウムを流通させる形式の超電導コイル装置の場合にも有効である。
【００３１】
このように本実施の形態３は、超電導コイルの導体接続部２において、通電用管６ａ長手方向の中間部に溶融接続金属導入孔としてのはんだ導入孔１３ａを設けたので、はんだが導体接続部２の長手方向奥までに確実に浸透し、結果としてはんだ付け品質が向上する効果がある。
尚、本実施の形態３は、実施の形態１と同様に通電用管６ａの端部からはんだを差す工法と併用するようにしてもよい。
【００３２】
実施の形態４．
図１３はこの発明の実施の形態４の超電導コイル装置を説明するはんだの特性の特性図である。上記実施の形態１では、導体接続部２の超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間を接続するはんだ材について４分６はんだを使用する場合について述べたが、はんだ材として９５ｗｔ％以上錫を含有する錫はんだ（Ｓｎはんだ）を使用すると、４分６はんだ使用の場合より電気抵抗が小さい導体接続部２とすることができる。
【００３３】
図１３によりこれを説明する。同図は４分６はんだ（４Ｐｂ−６Ｓｎはんだ）と錫はんだ（Ｓｎはんだ）の極低温での電気抵抗率の測定結果を示したもので、縦軸ははんだの電気抵抗率［Ωｍ］を表し、横軸は磁場の大きさ［Ｔ］を表している。磁束密度が極端に小さく０に近い磁束密度領域では４分６はんだの方が電気抵抗率が小さいものの、僅かに磁場が印加されて磁束密度が１Ｔ以上となると、４分６はんだの電気抵抗率は錫はんだより３倍以上高くなる。これは４分６はんだが小さい磁束密度領域では超電導性を示すが磁場が僅かに印加されると超電導破壊して高い電気抵抗率を示す性質があるためである。通常超電導コイルの導体接続部２でも１Ｔ以上の磁束密度があり、このような一般的な場合は錫はんだを使用した導体接続部２の方が電気抵抗が小さくなる。
【００３４】
このように本実施の形態４では、超電導コイルの導体接続部２において、超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間を接合するはんだ材として錫はんだを使用するようにしたので、電気抵抗が少なく、発熱が小さい超電導コイル装置が得られる効果がある。
【００３５】
実施の形態５．
図１４はこの発明の実施の形態５の超電導コイル装置を説明するはんだの特性のデータ図である。上記実施の形態１では、導体接続部２の超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間を接続するはんだ材について４分６はんだを使用する場合について述べたが、はんだ材として燐を微量に含むはんだを使用すると、４分６はんだ使用の場合よりはんだの濡れが良好となる。
【００３６】
この利点を図１４により説明する。同図は発明者らがはんだ材の種類により接合材との濡れ性がどのように変るかを実験した結果である。通常の超電導コイルの導体接続部２では、超電導線の表面は銅であり、通電用管６ａ材料も銅であるので、これらを模擬するため加熱した銅板上にはんだを置いて、銅板表面と溶融したはんだ流表面との間の角度、つまり接触角を測定したものである。接触角は小さい程濡れ性が良いことを意味する。
【００３７】
同図に示すように、燐を含まない４分６はんだの接触角が９０度と大きいのに対し、燐入りはんだでは接触角が４５度と小さく、両者のはんだの間の濡れ性の差は明らかで、燐入りはんだの濡れ性が優れている。従って燐入りはんだの軸線方向の浸透効果が高くなる。
【００３８】
このように本実施の形態５では、超電導コイルの導体接続部２において、超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間を接合するはんだ材として浸透性が高い燐入りはんだを使用するようにしたので、はんだがより確実に広い範囲に浸透し、結果としてはんだ付け品質が向上する効果がある。
【００３９】
実施の形態６．
図１５はこの発明の実施の形態６の超電導コイル装置を説明するはんだの特性のデータ図である。上記実施の形態１では、超電導体の種類について特に述べなかったが、超電導体が１例えばＮｂ３Ｓｎのような超電導コイルの巻線形状成型後に高温の超電導体生成のための熱処理が必要なものに適用する場合は、はんだの濡れが向上する効果がある。
【００４０】
Ｎｂ３Ｓｎ超電導導体３ａを使用した超電導コイルのＮｂ３Ｓｎ生成熱処理は、６００〜７００℃の高温で１００〜５００時間もの長時間熱処理である。この熱処理過程で、超電導導体３ａの金属管内を炉内雰囲気と隔離した気密構造とし、金属管内部に清浄な不活性ガス、たとえばＡｒガスを流通させると、超電導撚線４ａの撚線製造工程で不可避的に付着している有機物が、ベーキング効果によりほぼ完全に除去できる。
【００４１】
超電導撚線４ａの表面に付着している有機物は、はんだの超電導撚線４ａ表面に対する濡れ性を阻害するが、この除去処理により濡れ性低下を防止することができる。図１５はＮｂ３Ｓｎ生成熱処理中に有機物除去処理を施したＮｂ３Ｓｎ超電導線と、生成熱処理を施さないＮｂ３Ｓｎ超電導線の表面に付着している油脂の量の測定結果例を示す。同図に示すようにＮｂ３Ｓｎ生成熱処理と組合された有機物除去処理の効果は著しく、有機物はほぼ完全に除去される。従ってはんだの軸線方向の浸透効果が高くなる。
【００４２】
このように本実施の形態６では、Ｎｂ３Ｓｎ等高温により超電導体生成熱処理をコイル成型後に実施する超電導コイルの導体接続部２の、超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間を接合にはんだ付けを適用するようにしたので、はんだ濡れを阻害する有機物が除去され、はんだがより確実に広い範囲に浸透し、結果としてはんだ付け品質が向上する効果がある。
【００４３】
実施の形態７．
図１６はこの発明の実施の形態７の超電導コイル装置を説明するはんだの特性のデータ図である。上記実施の形態１では、超電導撚線４ａを構成する超電導素線の表面が銅である場合について述べたが、超電導素線の表面はクロムメッキされていると、超電導撚線４ａ内へのはんだ浸透がより確実に防止できる効果がある。撚線で構成された超電導導体３ａで、超電導コイル装置が、電流または磁場が変化するような使用条件である場合、超電導素線間に誘起される電流による発熱損失を防ぐために、超電導素線の表面をクロムメッキする場合がある。
【００４４】
このような超電導撚線４ａを使用した超電導導体３ａに適用する場合は、超電導撚線４ａが通電用管６ａと接触する面に露出している超電導素線表面のクロムを、例えばサンドブラスト処理により除去し超電導素線の下地の銅を露出させ、しかる後に通電用管６ａで超電導導体条端部を被覆する。
【００４５】
クロムメッキは、はんだの濡れ性が悪いので、このように構成すると、はんだを超電導撚線４ａと通電用管６ａの境界にさした時に、クロムメッキに覆われている超電導線の内部へのはんだ浸透が強く抑制される。図１６は発明者らがクロムメッキの有無が超電導撚線４ａ内部へのはんだ浸透にどの程度影響するか実験した結果であり、同図によればクロムメッキ無し超電導撚線４ａの場合、撚線内部へのはんだの浸透が撚線内空隙の約８０％にもなることに対し、クロムメッキ有り超電導撚線４ａの場合、撚線内部へのはんだ浸透は５％程度と軽微である。一方超電導撚線４ａの表面はクロムメッキが除去されているので、はんだの濡れ性に障害がなく、超電導撚線４ａの表面の通電用管６ａ内面に対するはんだ付けは良好のままである。
【００４６】
このように本実施の形態７では、超電導素線の表面にクロムメッキが施されている超電導撚線４ａを使用する超電導コイルの導体接続部２の、超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間を接合にはんだ付けを適用するようにしたので、超電導撚線４ａ内部にはんだが浸透せず、冷媒ヘリウムの流れが阻害されず、結果として超電導導体３ａの冷却が良好な導体接続部２を得られる効果がある。
【００４７】
実施の形態８．
図１７はこの発明の実施の形態８の超電導コイル装置の通電用管の斜視図である。上記実施の形態１では、超電導撚線４ａが金属管５ａ内に収納された内部強制冷却型超電導導体を使用する場合について述べたが、超電導撚線４ａが剥き出しであり金属管５ａが無い形式の超電導コイル装置においても、はんだ導入溝１５ａを有する通電用管６ａを適用すると、冷却性に優れた超電導コイル装置とすることができる。
【００４８】
金属管を使用する超電導導体３ｃは通常、高い強度と高い耐電圧性能が必要な超電導コイル装置に適用されるが、一方で所定の容器内に貯液された液体ヘリウム等の静止液体冷媒に超電導撚線４ａを直接沈めるタイプの超電導コイル装置と比較すると、冷却性能が不十分である。冷却性能をより重視し撚線４ａが冷媒液に直接露出する形式の超電導コイル装置の導体接続部２に実施する場合を説明する。
【００４９】
図１７に示すように、超電導導体３ｃの端部において、超電導撚線４ａと超電導撚線４ａに密着縮径加工された通電用管６ａの構成は実施の形態１に示した図３と同様である。このように構成された導体接続部２では、超電導撚線４ａと通電用管６ａの間に施工するはんだを通電用管６ａの両端から実施することができ、導体接続部２の全長にわたりより確実にはんだを浸透させることができる。
【００５０】
このような構成の超電導コイル装置は、所定の容器内に貯液された静止液体冷媒に直接沈められる超電導撚線４ａを有する超電導導体３ｃが、複数条直列に接続されてなる超電導コイル装置において、複数条の超電導導体３ｃは、端部に形成された導体接続部２に各々通電用管６ａを有しており、通電用管６ａは、導体で作製されて管状をなし、超電導撚線４ａの端部を全体にわたって覆うとともに超電導撚線４ａに対して密着縮径加工されており、複数条の超電導導体３ｃは、通電用管６ａの外部表面を相互に電気的に接続されて、１条の超電導コイルを形成しており、通電用管６ａの内周面と超電導撚線４ａの外周面とが溶融接続金属としてのはんだ８ａにより機械的及び電気的に接続されており、通電用管６ａの内周面には、溶融したはんだ８ａが通電用管６ａの内周面と超電導撚線４ａの外周面との間の接触界面に選択的に浸透するよう案内する溶融接続金属導入溝１５ａが通電用管６ａの軸線に沿って形刻されている。
【００５１】
そのため、撚線４ａのみからなる超電導導体３ｃを使用する超電導コイルの導体接続部２において、通電用管６ａの両端からはんだ付けを施工するようにしたので、はんだが導体接続部２の全長に確実に浸透し、結果としてはんだ付け品質が向上する効果がある。
【００５２】
実施の形態９．
図１８はこの発明の実施の形態９の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。上記実施の形態１では、導体接続部２の超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間のはんだ接続施工の雰囲気について述べなかったが、はんだ接続施工時の雰囲気を水素を含む不活性ガス、例えば水素添加窒素ガスとすると、はんだの濡れが良好となる。
【００５３】
図１８に本実施の形態を説明する図を示す。超電導コイルの端部は気密室１８に設置され、他の端部は図示しないが、気密に閉塞されている。気密室は真空ポンプ１９により初期の大気状態から真空引きされ、次に容器２０から水素添加窒素ガスが気密室内に導入される。この結果、通電用管６ａの内部が水素添加窒素ガス雰囲気となる。この状態のままヒータ１４により通電用管６ａをはんだ溶融温度以上の温度に加熱すると、水素の還元作用により、通電用管６ａと超電導撚線４ａの接続する面の銅表面の酸化膜が除去され、気密室１８に設けられた図示しない気密グローブにより作業者が気密室１８の外部からはんださし作業することにより、銅管内面へのはんだ材の浸透が良く、良好なはんだ付けができる。
【００５４】
このように本実施の形態９では、超電導コイルの導体接続部２のはんだ施工において、水素を含む不活性ガス雰囲気中ではんだ付けするようにしたので、はんだの浸透を阻害する酸化膜が表面から除去され、はんだの浸透性が向上し、結果としてはんだ付け品質が向上する効果がある。
【００５５】
実施の形態１０．
図１９はこの発明の実施の形態１０の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。上記実施の形態９では、端子間内部にガスを流さない場合について述べたが、はんだ接続施工時に水素を含む不活性ガスを通電用管内部に流すと、はんだの濡れが良好となる。
【００５６】
図１９に本実施の形態を説明する図を示す。超電導コイルの導体接続のためのはんだ付けをしようとする端部の反対側の端部は、水素添加窒素ガス容器２０に接続され、はんだ付けする通電用管６ａの端部から水素添加窒素ガスが大気に放出される。この結果、超電導導体３ａ内部と通電用管６ａ内部が水素添加窒素ガス雰囲気となる。この状態のままヒータ１４により通電用管６ａをはんだ溶融温度以上の温度に加熱すると、水素の還元作用により、通電用管６ａと超電導撚線４ａの接続する面の銅表面の酸化膜が除去され、はんだを通電用管端部から差すことにより銅管内面へのはんだ材の浸透が良く、良好なはんだ付けが得られることは実施の形態９と同じであるが、気密雰囲気室と真空ポンプが不要で、はんだ付け施工のための設備が簡易で、安価に施工できる。
【００５７】
このように本実施の形態１０では、超電導コイルの導体接続部２のはんだ施工において、水素を含む不活性ガスを通電用管内に流すようにしたので、はんだ付け施工のための設備が簡易で安価に施工できる効果がある。
【００５８】
実施の形態１１．
図２０はこの発明の実施の形態１１の超電導コイル装置を示す加熱パターン図である。上記実施の形態９および実施の形態１０では、導体接続部２の超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間のはんだ接続施工の加熱条件について述べなかったが、はんだ接続施工時の加熱条件を、所定温度到達後、所定時間保持した後にはんださし施工すると、はんだの濡れを良好とすることができる。
【００５９】
図２０に本実施の形態を説明する図を示す。実施の形態９と同様に、超電導コイルの端部を水素添加窒素ガス雰囲気に保つか、または実施の形態１０と同様に通電用管６ａ内部に水素添加窒素ガスを流すことは、それぞれ実施の形態９または実施の形態１０と同様である。いずれの実施の形態でも、通電用管６ａ内部を所定のガス雰囲気にした後、図２０に示すように通電用管６ａを加熱する（予備加熱工程）。加熱温度は、発明者らの実験によれば、銅表面の大気雰囲気下で生成された酸化膜を除去するためには３００℃以上が必要である。保持時問は同じく発明者らの実験によれば、銅表面の酸化膜を除去するために３０秒以上が必要であった。従って３００℃以上に３０秒以上加熱保持すれば銅表面の酸化膜を除去できる。
【００６０】
この加熱保持過程で、水素の還元作用により、通電用管６ａと超電導撚線４ａの接続する面の銅表面の酸化膜が除去され、はんださし作業することにより、銅管内面へのはんだ材の浸透が良く、良好なはんだ付けができる。
【００６１】
このように本実施の形態１１では、超電導コイルの導体接続部２のはんだ施工において、水素を含む不活性ガス雰囲気中または通電用管６ａ内に同ガスを流しつつ、３００℃以上の温度に３０秒以上保持した後はんだ付けするようにしたので、はんだの浸透を阻害する酸化膜が除去され、はんだの浸透性が向上し、結果としてはんだ付け品質が向上する効果がある。
【００６２】
実施の形態１２．
図２１はこの発明の実施の形態１２の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。なお、上記実施の形態１では、導体接続部２の超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間のはんだ接続施工をはんだを差す工法とすることについて述べたが、はんだ接続施工時にはんだを差す替りに通電用管６ａを溶融はんだ槽に浸漬する工法にすると、はんだ付けの品質が向上する。
【００６３】
図２１に本実施の形態を説明する図を示す。図示しない超電導コイル本体部分の端部の通電用管６ａは、ヒータ２３によりはんだ２２が加熱され溶融状態を保持されているはんだ槽２１に浸漬され、通電用管６ａ内部にはんだが導入される。はんだは超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との接触界面を選択的に浸透し、超電導導体３ａと通電用管６ａははんだ付けされる。はんだを差す場合、はんだを加熱溶融し、流動させて浸透させると、固体はんだ表面の酸化膜、溶融したはんだ表面の新たな酸化膜がはんだとともに移動するが、酸化膜は固体であり、流動性が悪いので、有効な接合に寄与しないのみならず、溶融はんだの浸透をブロックするという悪影響がある。これに対して本実施の形態では、はんだ溶融槽の表面下の大気に晒されていないはんだが通電用管６ａ内に浸透するので、このようなはんだ酸化皮膜の侵入を防ぐことができ、良好なはんだ付けができる。
【００６４】
また、図２２に示すように、通電用管６ａ内に水素入り不活性ガス容器２０からガスを供給しつつ溶融はんだ槽に通電用管６ａを浸漬しても良い。
【００６５】
このように本実施の形態１２では、超電導コイルの導体接続部２のはんだ施工において、通電用管６ａを溶融はんだ槽に浸漬する施工とするようにしたので、流動性を阻害する酸化はんだの浸入を防ぐことにより、はんだの浸透性が向上し、結果としてはんだ付け品質が向上する効果がある。
【００６６】
実施の形態１３．
図２３はこの発明の実施の形態１３の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。上記実施の形態１では、導体接続部２の超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間のはんだと通電用管６ａ外面と導体間接続片の間のはんだを同一のものとして説明したが、通電用管６ａ外面と導体間接続片７の間のはんだ材を溶融温度が相対的に低いはんだ材を使用すると、はんだ付けの品質が向上する。
【００６７】
図２３に本実施の形態を説明する導体接続部２の断面図を示す。超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面との間のはんだ層８ａのはんだ付けが融点Ｔ１であるはんだ材を使用して先に施工され、通電用管６ａ外面と導体間接続片７との間のはんだ層９が融点Ｔ２であるはんだ材を使用して後から施工される。
【００６８】
はんだ層８ａのはんだ材と、はんだ層９のはんだ材の組合せとしては、例えば前者用として融点が２３２℃である錫はんだを、後者用として融点が１８３℃である４分６はんだを用いる。この時、Ｔ２＜Ｔ１で且つ通電用管６ａ外面と導体間接続片との間のはんだ付け温度をヒータ２４により厳密に制御することにより、通電用管６ａ外面と導体間接属片７との間のはんだ付け温度はＴ１より低く保持できる。従って通電用管６ａ外面と導体間接続片７との間のはんだ付けの時にはんだ層８ａが溶融し流動することなく、はんだ付けを施工できる。はんだ層８ａが溶融し流動すると、すでになされたはんだ接合がはがれる可能性があるが、これを防ぐことで良好なはんだ付けを保持できる。
【００６９】
このように本実施の形態１３では、超電導コイルの導体接続部２の通電用管６ａと導体間接続片との間のはんだ施工において、超電導撚線４ａと通電用管６ａ内面間のはんだ材より低融点のはんだ材を使用するようにしたので、はんだ接合の剥がれを防止し、はんだ付け品質が向上する効果がある。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る超電導コイル装置は、超電導撚線を金属管内に収納するとともに金属管内に冷媒が流通するコンジット型の超電導導体が、複数条直列に接続されてなる超電導コイル装置において、複数条の超電導導体は、端部に形成された導体接続部に各々通電用管を有しており、通電用管は、導体で作製されて管状をなし、金属管に気密に接続され、金属管から突出する超電導撚線を全体にわたって覆うとともに超電導撚線に対して密着縮径加工されており、複数条の超電導導体は、通電用管の外部表面を相互に電気的に接続されて、１条の超電導コイルを形成しており、通電用管の内周面と超電導撚線の外周面とが溶融接続金属により機械的及び電気的に接続されており、通電用管の内周面には、溶融した溶融接続金属が通電用管の内周面と超電導撚線の外周面との間の接触界面に選択的に浸透するよう案内する溶融接続金属導入溝が通電用管の軸線に沿って形刻されているので、繰返し運転に対しても長期的に安定した状態を保つことができ信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の超電導コイル装置の斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１の超電導コイル装置の超電導導体の斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１の超電導コイル装置の超電導導体の端部の斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１の超電導コイル装置の導体接続部の縦断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う矢視断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１の超電導コイル装置の通電用管の横断面図である。
【図７】この発明の実施の形態１の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。
【図８】この発明の実施の形態２の超電導コイル装置の通電用管の横断面図である。
【図９】この発明の実施の形態２の超電導コイル装置のはんだ導入溝を説明する部分横断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態２の超電導コイル装置のはんだ導入溝を説明する実験データである。
【図１１】この発明の実施の形態３の超電導コイル装置の通電用管の横断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態３の超電導コイル装置の導体接続部の縦断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態４の超電導コイル装置を説明するはんだの特性の特性図である。
【図１４】この発明の実施の形態５の超電導コイル装置を説明するはんだの特性のデータ図である。
【図１５】この発明の実施の形態６の超電導コイル装置を説明するはんだの特性のデータ図である。
【図１６】この発明の実施の形態７の超電導コイル装置を説明するはんだの特性のデータ図である。
【図１７】この発明の実施の形態８の超電導コイル装置の通電用管の斜視図である。
【図１８】この発明の実施の形態９の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。
【図１９】この発明の実施の形態１０の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。
【図２０】この発明の実施の形態１１の超電導コイル装置を示す加熱パターン図である。
【図２１】この発明の実施の形態１２の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。
【図２２】この発明の実施の形態１２の超電導コイル装置の導体接続部の他の施工法を示す縦断面図である。
【図２３】この発明の実施の形態１３の超電導コイル装置の導体接続部の施工法を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  超電導コイル、２  導体接続部、３，３ａ，３ｂ  超電導導体、４，４ａ，４ｂ  超電導撚線、５，５ａ，５ｂ  角型金属管、６ａ，６ｂ  通電用管、７導体間接続片、１０ａ，１０ｂ  冷却管、８ａ，８ｂ  はんだ層（溶融接続金属）、９  はんだ層、１５ａ，１５ｂ，１６ａ  はんだ導入溝（溶融接続金属導入溝）、１１，１２  はんだ材（溶融接続金属）、１３  はんだ導入孔、１４，２３，２４  加熱ヒータ、１８  気密室、１９  真空ポンプ、２０  水素入り不活性ガス容器、２１  はんだ溶融槽、２２  溶融はんだ、２５  気密箱。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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