(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続端部の超電導撚線が電気接続部材である銅管で覆われ、電流が超電導撚線から前記銅管を介して他方の電気部材に流れる構造を有し、かつ動作時に銅管内部の超電導撚線の間隙に冷媒ヘリウムが循環するＮｂ３ＡｌあるいはＮｂ３Ｓｎ系の化合物超電導撚線からなるケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体の接続構造の製造方法において、前記銅管の内壁部に厚さが５０μｍ以下の銀メッキ層を形成して、当該銅管に超電導生成熱処理前の多重撚線を挿入し、次いで前記銅管および前記多重撚線を所定の内径まで減面加工した後に、７８０℃以上の超電導生成熱処理を施すことによって、超電導撚線、銀層、銅管の接触界面部に銀と銅の合金相を形成させるようにしたことを特徴とする強制冷却導体の接続構造の製造方法。
【請求項２】
接続端部の超電導撚線が電気接続部材である銅管で覆われ、電流が超電導撚線から前記銅管を介して他方の電気部材に流れる構造を有し、かつ動作時に銅管内部の超電導撚線の間隙に冷媒ヘリウムが循環するＮｂ３ＡｌあるいはＮｂ３Ｓｎ系の化合物超電導撚線からなるケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体の接続構造の製造方法において、超電導生成熱処理前の多重撚線に厚さ５０μｍ以下の銀又は銅の金属箔を巻き付けて、当該多重撚線を前記銅管に挿入し、次いで前記銅管および前記多重撚線を所定の内径まで減面加工した後に、７８０℃以上の超電導生成熱処理を施すことによって、超電導撚線、銀層、銅管の接触界面部に銀と銅の合金相を形成させるようにしたことを特徴とする強制冷却導体の接続構造の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法で製造され、
接続端部の超電導撚線が電気接続部材である銅管で覆われ、電流が超電導撚線から前記銅管を介して他方の電気部材に流れる構造を有し、かつ動作時に前記銅管内部の超電導撚線の間隙に冷媒ヘリウムが循環するＮｂ３ＡｌあるいはＮｂ３Ｓｎ系の化合物超電導素線からなるケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体の接続構造において、前記超電導撚線と前記銅管内壁の接触界面部に、厚さが５０μｍ以下の銅あるいは銀の金属層が配置され、かつ前記接続端部の銅管内部の冷媒ヘリウムが循環する空隙率が、接続端部以外の空隙率よりも１０〜１５％小さく形成されていることを特徴とする強制冷却導体の接続構造。
【請求項４】
請求項３記載の強制冷却導体の接続構造を有するケーブル・イン・コンジット型強制冷却型超電導コイル。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の製造方法にて製造された強制冷却導体の接続構造を有するケーブル・イン・コンジット型強制冷却型超電導コイル。
【請求項６】
請求項４または５記載の強制冷却型超電導コイルを備えた核融合用超電導コイルシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強制冷却導体の接続構造およびその製造方法、並びに強制冷却型超電導コイルおよび核融合用超電導コイルシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に採用されている核融合装置用などの大型超電導コイルは、全体を構成する個々のコイルに分割して製作した後、全体を組み上げてコイル間を接続する方法がとられる場合が多い。ケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体を巻線して製作される超電導コイルにおいては、接続端部のステンレス鋼等の金属コンジットを銅管に置き換えて、この銅管間を相互にラップ接続する方法がとられることがある。この接続構造は、銅管が接続部の電流パスを担うとともに、内部を強制循環する超臨界圧ヘリウムの気密構造部材の役割を果たすことが特徴である。
図５には、その従来法によるケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体の接続構造の一例が示されている。また、図６には従来法による超電導撚線と銅管の接触界面部の拡大図が示されている。この構造において超電導撚線３を流れる電流は、その外周部を覆う銅管２、銅ブロック６へと分流した後に、他方の導体端部の銅管２から超電導撚線３へと流れる。なお、この種の強制冷却導体の接続構造に関連するものとしては、例えばP.Bruzzone et al.  :  Design and R&D of the Joint for ITER Conductor IEEE Trans.  on Applied Superconductivity Vol.7 No.2 P.461 1997などが挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体の接続部は、電流が超電導撚線から銅管を介して他方の撚線へ流れるため、通電動作時にはジュール発熱を伴う。この発熱が大きい場合には、導体および接続端部の銅管内部を強制循環する超臨界圧ヘリウムの温度が上昇し、冷凍機に大きな熱負荷を与えることになるとともに、場合によっては接続部の超電導状態が常電導に転移する問題が生じる。  すなわち、導体接続部には冷凍機の熱負荷低減および接続部を含めた超電導コイルの超電導安定性の観点から低い電気接続特性が要求される。しかしながら、
超電導撚線から銅管へ電流が流れる領域の電気的な接触形状は、丸型の超電導素線が銅管内壁と点接触している場合が多く、接触面積が小さいことに起因して、両者間の接触電気抵抗は必ずしも低くない。
また、この接触率を大きくするため銅管の内径を小さくするように減面加工すると、撚線と銅管の接触抵抗は低下するが、銅管内部の空隙率が小さくなり、内部を循環する超臨界圧ヘリウムの圧力損失が大きくなるという問題が生じる。すなわち、超電導撚線と銅管の接触抵抗を低減させるには構造上の限界があった。
また、超電導撚線と銅管の接触部は、超電導生成のためのコイル熱処理が施されているため、両者は拡散反応し冶金的に結合しているものの、一般的な熱処理温度である６５０℃〜８００℃の温度範囲では固相反応であり、接合界面の仕上げ荒さや清浄度等の表面状態の影響が大きい。すなわち、接合界面部の電気・機械特性の信頼性が十分でなく、コイル冷却時の熱ひずみや運転時の電磁力で撚線と銅管間の接触電気抵抗が劣化する懸念があった。
本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、上記従来技術の欠点を排除し、機械強度が高くかつ接続電気抵抗が低く、接続部においてジュール発熱が小さく超電導安定性にすぐれた強制冷却導体の接続構造およびその製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、接続端部の超電導撚線が電気接続部材である銅管で覆われ、電流が超電導撚線から前記銅管を介して他方の電気部材に流れる構造を有し、かつ動作時に前記銅管内部の超電導撚線の間隙に冷媒ヘリウムが循環するＮｂ３ＡｌあるいはＮｂ３Ｓｎ系の化合物超電導素線からなるケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体の接続構造において、前記超電導撚線と前記銅管内壁の接触界面部に、厚さが前記銅管の１／５０以下の銅あるいは銀等の低電気抵抗の金属箔を配置し、かつ前記銅管内部の冷媒ヘリウムが循環する空隙率を、接続端部以外の空隙率よりも１０〜１５％小さく形成するようにして初期の目的を達成するようにしたものである。
また本発明は、接続端部の超電導撚線が電気接続部材である銅管で覆われ、電流が超電導撚線から前記銅管を介して他方の電気部材に流れる構造を有し、かつ動作時に銅管内部の超電導撚線の間隙に冷媒ヘリウムが循環するＮｂ３ＡｌあるいはＮｂ３Ｓｎ系の化合物超電導素線からなるケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体の接続構造の製造方法において、前記銅管の内壁部に厚さが５０μｍ以下の銀層を形成して超電導生成熱処理前の多重撚線を挿入し、次いで前記銅管を所定の内径まで減面加工した後に、７８０℃以上の超電導生成熱処理を施すことによって、超電導撚線、銀層、銅管の接触界面部に銀と銅の合金相を形成させるようにしたものである。
また、ケーブル・イン・コンジット型強制冷却型超電導コイルに、前記接続構造あるいは前記製造方法にて製造した接続構造を用いるようにしたものである。また、核融合用超電導コイルシステムに前記強制冷却型超電導コイルを用いるようにしたものである。
すなわち、このように構成された強制冷却導体の接続構造であると、超電導撚線と銅管間の接触電気抵抗を大きく低減することができる。これは金属箔の中間材を配置したことにより、超電導撚線と銅管の接触面積が大幅に増加するためである。
この接触面積が増加するメカニズムについて説明すると、超電導撚線に金属箔を巻き付けて銅管に挿入した後に、減面加工して銅管の内径を小さくすると、銅管内部の超電導撚線も圧密化されてその外径も小さくなる。換言すれば銅管の内周長が短くなるために、その撚線外部に巻き付けられた金属箔も外周長が短くなるような変形力を受ける。金属箔は銅管に比べて厚さが非常に薄く剛性も小さいため、金属箔は銅管側に変形することなしに、超電導撚線の表面部のくぼみにシワがよるように容易に変形する。
結果として、金属箔は撚線表面部に位置する素線の丸型に沿うように変形配置され、超電導撚線と銅管の接触領域は従来の点接触ではなく面接触になり、その接触面積が増加する。なお、ケーブル・イン・コンジット型強制冷却導体の金属コンジット内部の空隙率は３５−４０％であるのに対し、接続端部の導体内部の空隙率１０〜１５％小さくすることで接続端部の金属コンジットを除去した超電導撚線の外径は、銅管を被せて減面加工する際にその外径が小さくなるため、金属箔を配置する効果は必ず発揮される。
また、撚線と銅管の界面に銀メッキ層を配置し、７７９℃以上の熱処理を施すことによって、超電導撚線を構成する銅安定化素線の表面の銅と、銀メッキ層、銅管の３者の接触界面部には、冶金的に銅−銀共晶反応による液相が生成する。液相は界面部の凹部を埋め、その拡散を助長するため拡散反応速度は非常に早くなり、従来の銅相互の固相反応による冶金結合より強固な機械結合が得られるのである。
【０００５】
【実施例】
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１および図２にはその強制冷却導体の接続構造部が断面で示されている。
（実施例１）
超電導生成の反応熱処理を施す前の未熱処理Ｎｂ３Ａｌ素線を１９２本撚線して導体を作製した。Ｎｂ３Ａｌ素線の線径はφ０．８１ｍｍで、導体は素線を３本撚り合わせたものをさらに４本撚り合わせるという工程を繰り返して得られる３×４×４×４の撚線構造を有する多重撚線である。撚線ピッチは各々６５ｍｍ、９０ｍｍ、１５０ｍｍ、２７０ｍｍである。
この導線を長さ３５０ｍｍに切断し、導線外周部に厚さ２０μｍの無酸素銅の箔を長手方向の全域に渡って２回巻き付けた。その後、外径１９．０ｍｍ、内径１６．４ｍｍの銅管内部に挿入して、スエージ装置で外径１５．８８ｍｍ、内径１２．８５ｍｍまで減面加工した。
比較用のサンプルとして、無酸素銅箔を巻き付けない導線のみを銅管に挿入したものを作成した。作製された２種類の反応熱処理前の超電導導体と銅管の複合体を７５０℃で５０時間、真空中で熱処理し、超電導相を生成させるとともに、超電導撚線と銅箔および銅箔と銅管を冶金的に接合させた。これらサンプルにおける銅管内部の空隙率は２２．６％である。
このようにして作成された２種類の接続要素サンプルを液体ヘリウム中で通電試験し、銅管と超電導導体間の接触抵抗を測定した。図３には超電導撚線と銅管の接触抵抗の測定結果が示されている。その結果、ゼロ磁場から４Ｔの全磁場領域において、超電導導体から電気接続部材である銅管への電気接触抵抗が２／３以下に低減できることが明らかとなった。
そこで、この電気抵抗低減の要因を明確にするために測定された接続要素サンプルを切断して、その断面構造を観察した。図４は銅箔を巻き付けたサンプルの断面写真で、その写真から明らかなように、超電導撚線と銅管の界面部に配置された銅箔が減面加工によって導体表面のくぼみに入り込み、結果として導体表面と銅管内面の接触面積を増加させたことが、両者間の電気抵抗の低減に大きく寄与したことがわかった。
これは、銅箔を巻き付ける前の導体は外部からの拘束が無いためにその外径が約１５ｍｍ程度であったが、銅管を被せて減面加工することにより外径が約１２．８ｍｍまで絞られたため、導体外周部に巻き付けられた銅箔の周長が短くなり、結果として導体表面のくぼみに移動したものである。なお、銅箔を巻き付けないサンプルの断面における、超電導導体と銅管の接触部は、丸型の素線が銅管内面に点で接触している状態であった。
（実施例２）
上記実施例１と同様のＮｂ３Ａｌ超電導撚線と銅管を用いて接続サンプルを作製した。ここでは銅管の内壁部に厚さ１０μｍの銀メッキした後に、超電導撚線を挿入し、減面加工と熱処理を施した。熱処理温度は銀−銅の共晶温度である７７９℃以上の８００℃とし、時間は１０ｈとした。超電導撚線と銅管の接触抵抗を測定したところ、４Ｔの外部磁場中での接触抵抗は３５ｎΩであった。その断面構造を観察したところ、銀メッキ層の銀が超電導撚線を構成する素線表面の安定化銅や銅管に拡散しており、十分な拡散反応層が形成されていることが確認できた。
撚線と銅管の接触部の機械強度を評価したところ、銀メッキを施さない従来の撚線と銅管の複合体は接合界面部で破壊したが、銀メッキ処理したものは超電導素線の安定化銅の領域で破壊した。すなわち、銀メッキ処理によって接合界面部の強度は十分に確保できることが確認された。なお、銀メッキ層の厚さを変化させた接続サンプルを種々作製し、その機械強度を評価したところ、８００℃で１０ｈの熱処理条件下では、メッキ厚さが５０μｍ以上のサンプルの場合、界面の部分的に未反応の銀層が残存し、強度の弱い銀層から破壊することがわかった。なお接触電気抵抗に関しては銀層が残存しても、その電気抵抗自身が低いため大きな特性劣化は認められなかった。
【０００６】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、機械強度が高くかつ接続電気抵抗が低く、接続部においてジュール発熱が小さく超電導安定性にすぐれた強度冷却導体の接続構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の強制冷却導体の接続構造の一実施例を示す要部拡大断面図である。
【図２】銅管内壁の銀メッキ層が超電導撚線と銅管の銅と拡散反応して銅−銀の合金層が形成された部の拡大図である。
【図３】本発明の強制冷却導体の接続構造部における接触抵抗の特性図である。
【図４】本発明の実施例で作製されたサンプルの断面写真を示す図である。
【図５】従来の強制冷却導体の接続構造を示す平面図および要部拡大断面図である。
【図６】従来の強制冷却導体の接続構造を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１…純金属中間箔、２…銅管、３超電導撚線、４…銅−銀合金層、５…銀メッキ層、６…銅ブロック。
【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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