超伝導導体の接続方法、接続部材
【課題】接続作業の煩雑さを解消して接続作業時間を短縮すると共に、良好な伝導性を有する超伝導導体の接続方法および接続部材を得る。
【解決手段】この超伝導導体の接続方法は、超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と複数の超伝導素線を内部に収容するコンジットとをそれぞれ具備する二本の超伝導導体のそれぞれの一端のコンジット端部を除去して複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させるステップと、筒状に形成され、かつ超伝導体材料を有する接続部材の両端に、二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部を挿入するステップと、接続部材の外周面から中心軸に向かって圧力を加えてかしめ、接続部材と複数の超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップとを具備することを特徴とする。
【解決手段】この超伝導導体の接続方法は、超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と複数の超伝導素線を内部に収容するコンジットとをそれぞれ具備する二本の超伝導導体のそれぞれの一端のコンジット端部を除去して複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させるステップと、筒状に形成され、かつ超伝導体材料を有する接続部材の両端に、二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部を挿入するステップと、接続部材の外周面から中心軸に向かって圧力を加えてかしめ、接続部材と複数の超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップとを具備することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導導体の接続方法および接続部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導導体の接続方法として、コンジットに収容された超伝導素線を露出し、この露出した超伝導素線の端部を互いにつき合わせ、この突き合わせ面に所定の温度・圧力を加えて接続する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２１９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述の接続方法では、突き合わせ面の平面度、直角度、平滑度、清浄度などを高精度に加工する必要があった。また、超伝導導体の長手方向に圧力を加える必要があることから加圧装置の設置に工夫が必要であった。このため、突き合わせ面での圧力が不足し、良好な伝導性を得られない可能性があった。
上記に鑑み、本発明は、接続作業の煩雑さを解消して接続作業時間を短縮すると共に、良好な伝導性を有する超伝導導体の接続方法および接続部材を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様に係る超伝導導体の接続方法は、超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と複数の超伝導素線を内部に収容するコンジットとをそれぞれ具備する二本の超伝導導体のそれぞれの一端のコンジット端部を除去して複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させるステップと、筒状に形成され、かつ超伝導体材料を有する接続部材の両端に、二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部を挿入するステップと、接続部材の外周面から中心軸に向かって圧力を加えてかしめ、接続部材と複数の超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップとを具備することを特徴とする。
【０００５】
本発明の一態様に係る超伝導導体の接続構造は、超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と、複数の超伝導素線を内部に収容し、その一端から複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させたコンジットとを備えた二本の超伝導導体と、両端に、二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部が挿入され、この超伝導素線の少なくとも一部と一体化した、超伝導体材料を有する接続部材とを具備することを特徴とする。
【０００６】
本発明の一態様に係る超伝導導体の接続部材は、筒状に形成された低抵抗かつ熱伝導性に優れる第１の材料からなる内層と、内層の外周面に配列された超伝導素線と、配列された超伝導素線の外周面を覆う低抵抗かつ熱伝導性に優れる第２の材料からなる外層とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、超伝導導体の接続作業の煩雑さを解消して接続作業時間を短縮すると共に、良好な伝導性を有する超伝導導体の接続方法および接続部材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、この第１の実施形態で使用される超伝導導体１の断面図である。図２は、コンジット２内に収容された超伝導素線３の断面図である。この第１の実施形態では、ケーブル・イン・コンジット型の超伝導導体１を用いる。このケーブル・イン・コンジット型の超伝導導体１は、コンジット２および超伝導素線３を具備する。
【０００９】
コンジット２は、ステンレス鋼などの高強度非磁性体で形成され、所定のピッチで撚り合わされた数百から数千本の超伝導素線３を収容する。また、コンジット２の断面での縦横寸法は、２０×２０ｍｍ（ミリメートル）から５０×５０ｍｍ程度である。
【００１０】
超伝導素線３は、一本の超伝導素線３を中心にして、その周囲に複数本の超伝導素線３をスパイラル状に巻きつけた撚線構造としている。このように、超伝導素線３を撚線構造とすることで可撓性を有し、大電流を流すことが可能となる。
【００１１】
また、図２に示すように、超伝導素線３は、フィラメント３１、安定化材３２および銅パイプ３３を具備する。このフィラメント３１の材料としては、ニオブチタン（NbTi）以下、ニオブチタンと称す）などの合金系超電導体や、ニオブ３アルミ（Nb3Al）（以下、ニオブ３アルミと称す）やニオブ３スズ（Nb3Sn）（以下、ニオブ３スズと称す）などの化合物系超電導体が用いられる。また、フィラメント３１の直径は、数十から数百μｍ（マイクロメートル）である。
【００１２】
安定化材３２中には、複数本のフィラメント３１が埋め込まれている。この安定化材３２の材料としては、高純度の銅やアルミウム等が用いられる。銅パイプ３３は、安定化材３２の外周部を覆っており、その直径は、約１ｍｍ（ミリメートル）である。
【００１３】
なお、図示していないが、フィラメント３１がニオブ３スズの場合、安定化材３２の外周面に、電気抵抗値が高いクロムメッキあるいはニッケルメッキの被覆が形成されている。この被覆は、ブロンズ法や内部拡散法における熱拡散処理時に、スズが銅パイプ３３へ拡散するのを防止する。
【００１４】
コンジット２の内壁と超伝導素線３との間隙には、液体ヘリウムなどの冷却媒体が流通し、超伝導素線３を強制冷却して超伝導状態が維持される。この冷却媒体の流通経路を確保するため、コンジット２内に収容された超伝導素線３の占積率は、数十％以下となっている。
【００１５】
なお、数百から数千本の超伝導素線３の束をフォーミングマシンなどでステンレス鋼等の鋼板と一緒に引き抜きながらコンジットに加工すると共にシール溶接を行うことで、ケーブル・イン・コンジット型の超伝導導体１が形成される。
【００１６】
図３は、この第１の実施形態で使用される超伝導スリーブ４の長手方向の断面図である。図４は、図３に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。この第１の実施形態では、超伝導スリーブ４の形状は、図３、４に示すように円筒形状をしている。
【００１７】
この超伝導スリーブ４は、図３で説明した超伝導素線３をパイプなどの型枠の外周面に、パイプの長手方向に配列し、この配列した超伝導素線３をろう付やはんだ付などにより、機械的あるいは金属的に接合して一体化し、その後、型枠を除去して形成したものである。なお、超伝導素線３は、パイプなどの型枠の外周面に巻きつけて配列してもよい。
【００１８】
また、この超伝導スリーブ４で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料と、接続対象である超伝導導体１で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料は、同一または略同一の組成のものとすることが望ましい。
【００１９】
すなわち、超伝導導体１のフィラメント３１の材料が、ニオブチタンの場合、超伝導スリーブ４のフィラメント３１の材料もニオブチタンとする。また、超伝導導体１のフィラメント３１の材料が、ニオブ３アルミの場合、超伝導スリーブ４のフィラメント３１の材料もニオブ３アルミとする。また、超伝導導体１のフィラメント３１の材料が、ニオブ３スズの場合、超伝導スリーブ４のフィラメント３１の材料もニオブ３スズとする。
【００２０】
このように、超伝導スリーブ４を超伝導素線３で形成しているので、液体ヘリウムなどの冷媒下では超伝導状態に転移し電気抵抗がゼロとなる。このため、超伝導導体１の接続部での電気抵抗を低減できる。なお、図３、４に示す超伝導スリーブ４の形状は、一例であり、この円筒形状に限られず、多角筒や楕円筒など、種々の形状を採用できる。
【００２１】
次に、超伝導導体１の接続方法について説明する。
図５は、超伝導導体１からコンジット２を除去し、超伝導素線３を露出させた状態を示した図である。図６は、超伝導スリーブ４に超伝導素線３を挿入した状態を示した一部断面図である。図７は、図６に示す一点鎖線Ａ―Ｂでの断面図である。なお、超伝導スリーブ４内に挿入されている超伝導素線３Ａの図示は省略した。図８は、固定金具１０および気密容器１１を接続部に取り付けた状態を示した一部断面図である。図９は、第１の実施形態に係る接続方法を示したフローチャートである。なお、ここでは、超伝導導体１Ａおよび超伝導導体１Ｂを接続するものとして、この実施形態の接続方法について説明する。
【００２２】
まず、超伝導導体１Ａのコンジット２Ａおよび超伝導導体１Ｂのコンジット２Ｂを、接続側端部からそれぞれ３０ｍｍから１００ｍｍ切断する（ステップＳ１１）。この切断には、バンドソーなどの切断ツールを用いる。
【００２３】
次に、切断したコンジット２Ａ、２Ｂを除去して、コンジット２Ａ、２Ｂ内に収容された超伝導素線３Ａ、３Ｂの一部を露出させる（ステップＳ１２）。図５は、超伝導導体１Ａ、１Ｂからコンジット２Ａ、２Ｂを除去し、超伝導素線３Ａ、３Ｂの一部を露出させた状態を示した図である。
【００２４】
次に、超伝導スリーブ４および露出させた超伝導素線３Ａ、３Ｂの表面に形成された酸化膜を、硝酸などを用いて除去する（ステップＳ１３）。酸化膜を除去することで、この酸化膜による接続部の電気抵抗の増大を抑制できる。
【００２５】
なお、フィラメント３１の材料がニオブ３スズまたはニオブ３アルミの場合、このステップＳ１３で、安定化材３２の外周面に形成されたクロムメッキあるいはニッケルメッキの被覆を化学的あるいは機械的な手段で剥がし、安定化材３２の外周面を露出させておく。
【００２６】
次に、超伝導スリーブ４に、露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂを挿入する（ステップＳ１４）。図６は、超伝導スリーブ４に、超伝導素線３Ａ、３Ｂを挿入した状態を示した図である。なお、露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂを超伝導スリーブ４へ挿入する際、プレス機などで超伝導素線３Ａ、３Ｂを圧縮し、できる限り間隙を無くしておく。
【００２７】
次に、図示しない加圧装置を用いて、超伝導スリーブ４の内壁と超伝導素線３Ａ、３Ｂとの間に空隙が生じないよう超伝導スリーブ４の外周面から半径方向、すなわち長手方向の中心軸に向かって（図６、図７に示す矢印方向）圧力を加えてかしめて一体化し、所定の寸法に成形する（ステップＳ１５）。
【００２８】
なお、この圧力と共に超音波振動を印加することで、超伝導スリーブ４および超伝導素線３Ａ、３Ｂの接触面に形成された酸化膜を除去してもよい。また、超伝導スリーブ４と超伝導素線３とをろう付またははんだ付により接合すると共に圧力を加えてかしめても良い。
【００２９】
また、フィラメント３１の材料がニオブ３スズまたはニオブ３アルミの場合、超伝導スリーブ４に圧力を加えると共に、図示しない真空容器を用いて、真空中あるいは還元雰囲気で２００時間から２５０時間程度の熱処理を行う。このときの温度は、ニオブ３スズの場合は約６５０℃、ニオブ３アルミの場合は約７５０℃である。この熱処理により、超伝導スリーブ４が、径方向に焼結され超伝導素線３Ａ、３Ｂと一体化される。
【００３０】
次に、超伝導素線３Ａ、３Ｂの露出部分に固定金具１０を取り付ける（ステップＳ１６）。この固定金具１０には、図示しない複数の孔が設けられている。そして、液体ヘリウムなどの冷媒が、この複数の孔を通過することにより、固定金具１０内の超伝導素線３が冷却される。また、固定金具１０は、超伝導スリーブ４と共に機械的あるいは溶接構造で固定される。
【００３１】
次に、超伝導導体１Ａと超伝導導体１Ｂとの接続部および固定金具１０の外周を取り囲む気密容器１１を設ける（ステップＳ１７）。この気密容器１１には、液体ヘリウムなどの冷媒の出入り口管１１１が設けられている。なお、気密容器１１は、コンジット２Ａ、２Ｂとの溶接により固定される。この溶接により気密容器１１は気密性が保たれ、内部に注入される液体ヘリウムが外部に漏れることはない。
【００３２】
なお、この第１の実施形態では、超伝導素線３により超伝導スリーブ４を形成したが、超伝導素線３を用いずに、バルク超伝導体から直接超伝導スリーブ４を形成しても良い。また、テープ状に形成された超伝導素線３を用いても良い。この場合でも、超伝導導体１のフィラメント３１の材料と、超伝導スリーブ４の材料とは同一または略同一の材料とすることが望ましい。
【００３３】
以上のように、この第１の実施形態では、超伝導素線３を露出させ、露出した超伝導素線３を、超伝導スリーブ４の内壁と超伝導素線３Ａ、３Ｂとの間に、空隙が生じないよう超伝導スリーブ４の半径方向に圧力を加えてかしめたので、突き合わせ面を加工する必要がない。
【００３４】
また、超伝導スリーブ４の半径方向に圧力を加えてかしめるため、加圧装置設置に必要な時間を短縮できる。このため、現場での接続作業が必要な大型の超電導コイル、例えば核融合装置で使用されるポロイダルコイルやトロイダルコイルの作成に必要な作業工程を減らし作業時間を短縮できる。また、この超伝導コイルの製作コストを低減できる。
【００３５】
また、液体ヘリウムで冷却することにより、超伝導スリーブ４は超電導転移して、電気抵抗がゼロとなる。このため、印加電流は、電気抵抗がゼロである超伝導スリーブ４のフィラメント３１を流れ良好な電気伝導性を得ることができる。また、コンジット２Ａ、２Ｂから露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂを固定金具１０で固定し、かつ超伝導導体１Ａと超伝導導体１Ｂの端部を気密容器１１で固定したので、通電時に発生するローレンツ力による超伝導導体１の変形を効果的に抑制できる。
【００３６】
また、超伝導素線３の材料にニオブ３スズまたはニオブ３アルミを用いた場合、超伝導スリーブ４をかしめた状態で加熱するので、超伝導スリーブ４と超伝導素線３との接続面において金属が相互拡散する。このため、接続部において良好な電気伝導性を得ることができる。
【００３７】
なお、超伝導素線３の材料としてニオブ３スズまたはニオブ３アルミを用いる場合、図９のステップＳ１５で説明したように長時間の熱処理が必要となる。この場合、拡散法またはブロンズ法による熱拡散処理を行う前の状態で、超伝導素線３Ａ、３Ｂを超伝導スリーブ４でかしめて熱処理を行う。
【００３８】
このように熱処理を行えば、ブロンズ法または拡散法によるニオブ３スズまたはニオブ３アルミの生成熱処理と、超伝導導体１Ａ、１Ｂと超伝導素線３Ａ、３Ｂとの一体化処理を同時に行うことができる。このため、現場での作業工程および作業時間を効率的に削減できる。
【００３９】
（第１の実施形態の変形例１）
ここでは、第１の実施形態の変形例１について説明する。図１０は、第１の実施形態の変形例１で使用される超伝導スリーブ５の長手方向の断面図である。また、図１１は、図１０に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。この変形例１で使用される超伝導スリーブ５は、図２で説明した超伝導素線３を内層５１上に配列し、この配列した超伝導素線３の外周面を外層５２で覆った構造を有する。
【００４０】
内層５１および外層５２は、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料、例えば銅や高純度銅、アルミなど（以下、銅等と称す）で形成される。なお、この変形例１においても、超伝導スリーブ５で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料と、接続対象である超伝導導体１で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料は、同一または略同一の組成とすることが望ましい。
【００４１】
次に、この超伝導スリーブ５の形成方法について説明する。なお、超伝導スリーブ５の接続方法については、第１の実施形態で説明した接続方法と同一であるため重複した説明を省略する。
まず、図示しない銅等の丸棒の外周面上に、この丸棒と略同一長さの超伝導素線３を、丸棒の長手方向に隙間なく配列する。
【００４２】
次に、この配列した超伝導素線３の上に丸棒と同一または同様の材料で形成された外層５２を被せる。次に、丸棒、超伝導素線３および外層５２をスウェージング（Swaging）加工して一体化する。スウェージング加工は、金属材料を圧縮成形する鍛造加工法の一つである。このスウェージング加工により、丸棒、超伝導素線３および外層５２間の空隙を減らすことができ、一体化した際の密度が高まる。
【００４３】
また、スウェージング加工以外にも拡散接合法、熱間等方圧加圧法、熱間圧延法、ろう付法、液相拡散接合法などの加工方法を使用できる。この熱間等方圧加圧法あるいは熱間引き法により超伝導スリーブ５を形成しても、丸棒、超伝導素線３および外層５２間の空隙を減らすことができ、一体化した際の密度が高まる。
【００４４】
次に、ガンドリルなどの孔加工機を用いて、丸棒の中心に孔をあけ、内層５１、超伝導素線３および外層５２から構成される超伝導スリーブ５を形成する。内層５１の肉厚は、超伝導素線３との接続部での電気伝導性を確保するためできるだけ薄いほうが良い。しかし、あまりに肉厚が薄いと、ガンドリルなどの孔加工機で超伝導素線３を傷つける恐れがある。このため、孔加工および接続部での電気伝導性の特性上の観点から、内層５１の肉厚は、０．５ｍｍ前後とするのが好ましい。
【００４５】
以上のように、この第１の実施形態の変形例１に係る超伝導スリーブ５は、超伝導素線３を、内層５１および外層５２で覆った構造を有する。このため、現場での接続作業時に超伝導素線３に傷をつけることがない。その結果、現場での作業性が向上し、接続作業時間を短縮できる。
【００４６】
また、接続対象である超伝導導体１から露出させた超伝導素線３と接する内層５１の材料を、低抵抗で熱伝導性に優れる銅等とすると共に、内層５１の肉厚を薄くしたので、接続部における良好な電気伝導性が期待できる。
その他の効果は、第１の実施形態と同じである。
【００４７】
（第１の実施形態の変形例２）
ここでは、第１の実施形態の変形例２について説明する。図１２は、第１の実施形態の変形例２で使用される超伝導スリーブ６の概念図である。また、図１３は、図１２に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。なお、図１２中の符合ＬＰは、超伝導素線３の巻きつけピッチ（ツイストピッチ）を示している。また、符号Ｌは、超伝導スリーブ６の長手方向の長さである。
【００４８】
この変形例２で使用される超伝導スリーブ６は、図２で説明した超伝導素線３を内層６１の外周面にスパイラル状に巻きつけ、この巻きつけた超伝導素線３の外周面を外層６２で覆った構造を有する。
【００４９】
内層６１および外層６２は、第１の実施形態の変形例１と同様、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料である銅等で形成される。なお、この変形例２においても、超伝導スリーブ５で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料と、接続対象である超伝導導体１で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料は、同一または略同一の組成とすることが望ましい。
【００５０】
次に、この超伝導スリーブ６の形成方法について説明する。なお、超伝導スリーブ６の接続方法については、第１の実施形態で説明した接続方法と同一であるため重複した説明を省略する。
まず、図示しない銅等の丸棒の外周面上に、複数本の超伝導素線３をスパイラル状に隙間無く巻きつける。このとき、各超伝導素線３の巻きつけピッチＬＰは、接続対象である超伝導導体１のコンジット２内に収容される超伝導素線３の巻きつけピッチＬＰと同一または整数倍とする。このため、符号Ｌは、超伝導スリーブ６の長手方向の長さＬもまた、接続対象である超伝導導体１のコンジット２内に収容される超伝導素線３の巻きつけピッチＬＰと同一または整数倍となる。
【００５１】
つまり、超伝導導体１の超伝導素線３の巻きつけピッチが６０ｍｍであれば、超伝導スリーブ６に巻きつける超伝導素線３の巻きつけピッチＬＰおよび超伝導スリーブ６の長手方向の長さＬは、６０ｍｍあるいは１２０ｍｍとする。このように、超伝導素線３を内層６１に巻きつけることで、超伝導導体１と超伝導スリーブ６との接続部で発生する熱を効果的に抑えることができる。
【００５２】
次に、このスパイラル状に巻きつけた超伝導素線３の上に丸棒と同一または同様の材料で形成された外層６２を被せる。次に、丸棒、超伝導素線３および外層６２をスウェージング（Swaging）加工して一体化する。なお、第１の実施形態の変形例１と同様に、スウェージング加工以外にも拡散接合法、熱間等方圧加圧法、熱間圧延法、ろう付法、液相拡散接合法などの加工方法を使用できる。
【００５３】
次に、ガンドリルなどの孔加工機を用いて、丸棒の中心に孔をあけ、内層６１、超伝導素線３および外層６２から構成される超伝導スリーブ６を形成する。なお、内層６１の肉厚は、図１１で説明した内層５１の肉厚と同じ０．５ｍｍ程度とする。
【００５４】
以上のように、この第１の実施形態の変形例２に係る超伝導スリーブ６は、超伝導素線３を内層６１の外周面に超伝導導体１のコンジット２内に収容される超伝導素線３の巻きつけピッチの整数倍のピッチで巻きつけたので、超伝導導体１と超伝導スリーブ６との接続部で発生する渦電流による熱を効果的に抑制できる。また、超伝導スリーブ６の長手方向に対して垂直方向に磁場が印加された場合に誘起される還流電流を効果的に抑制できる。その他の効果は、第１の実施形態の変形例１と同じである。
【００５５】
（第２の実施形態）
ここでは、第２の実施形態について説明する。図１４は、第２の実施形態で使用される超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂに、超伝導素線３Ａ、３Ｂを挿入した状態を示した一部断面図である。図１５は、この実施形態で使用される超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂを超伝導スリーブ８へ挿入する前の状態を示した一部断面図である。図１６は、この実施形態で使用される超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂを超伝導スリーブ８へ挿入した後の状態を示した一部断面図である。なお、図１乃至１２で説明した構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００５６】
この第２の実施形態では、超伝導導体１から露出させた超伝導素線３を結束する超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂ（結束部材）を具備したものである。なお、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂ、８は、第１の実施形態、およびその変形例１、２で説明した超伝導スリーブ４乃至６と同一の構造を有するものである。また、この超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂ、８で使用する超伝導素線３Ａ、３Ｂのフィラメント３１の材料と、接続対象である超伝導導体１で使用する超伝導素線３Ａ、３Ｂのフィラメント３１の材料は、同一または略同一の組成とすることが望ましい。
【００５７】
次に、超伝導導体１の接続方法について説明する。
図１７は、第２の実施形態に係る接続方法を示したフローチャートである。
なお、この第２の実施形態に係る接続方法は、図９で説明したステップＳ１１、Ｓ１２までは同一である。このため、ステップＳ１１、Ｓ１２の作業を終えたものとして説明する。
【００５８】
超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂおよび超伝導素線３Ａ、３Ｂの表面に形成された酸化膜を、硝酸などを用いて除去する（ステップＳ２１）。酸化膜を除去することで、この酸化膜により接続部の電気抵抗が増大することを抑制できる。
【００５９】
なお、フィラメント３１の材料がニオブ３スズまたはニオブ３アルミの場合、このステップＳ１３で、安定化材３２の外周面に形成されたクロムメッキあるいはニッケルメッキの被覆を化学的あるいは機械的な手段で剥がし、安定化材３２の外周面を露出させておく。
【００６０】
次に、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂに、露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂをそれぞれ挿入する（ステップＳ２２）。なお、露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂをプレス機などで一つの塊にまとめてから超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂへそれぞれ挿入すれば作業時間を短縮できる。
【００６１】
次に、図示しない加圧装置を用いて、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂの内壁と超伝導素線３Ａ、３Ｂとの間に空隙が生じないよう超伝導スリーブ７の半径方向、すなわち長手方向の中心軸に向かって（図１３の矢印で示す方向）圧力を加えてかしめ、所定の寸法に成形する（ステップＳ２３）。なお、この圧力と共に超音波振動を印加することで、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂおよび超伝導素線３Ａ、３Ｂとの接触面面に形成された酸化膜を除去してもよい。
【００６２】
次に、超伝導スリーブ８および超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂの表面に形成された酸化膜を、硝酸などを用いて除去する（ステップＳ２４）。酸化膜を除去することで、この酸化膜により接続部の電気抵抗が増大することを抑制できる。
【００６３】
次に、超伝導スリーブ８に、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂを挿入する（ステップＳ２５）。次に、図示しない加圧装置を用いて、超伝導スリーブ８の内壁と超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂとの間に空隙が生じないよう超伝導スリーブ８の半径方向、すなわち長手方向の中心軸に向かって（図１６の矢印で示す方向）に圧力を加えてかしめ、所定の寸法に成形する（ステップＳ２６）。なお、この圧力と共に超音波振動を印加することで、超伝導スリーブ８および超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂの接触面に形成された酸化膜を除去してもよい。
【００６４】
なお、フィラメント３１の材料がニオブ３スズまたはニオブ３アルミの場合、第１の実施形態で説明したように、真空中あるいは還元雰囲気で熱処理を行う。なお、以下の工程は、図９で説明したステップＳ１６、Ｓ１７と同一であるため、重複した説明を省略する。
【００６５】
以上のように、この第２の実施形態では、超伝導導体１から露出させた超伝導素線３を結束する超伝導スリーブ７Ａ，７Ｂを具備したので、超伝導素線３を超伝導スリーブ８に挿入する際の作業性が増し接続作業に必要な時間を短縮できる。その他の効果は第１の実施形態と同じである。また、この第２の実施形態についても、第１の実施形態の変形例１、２で説明したような変形が可能である。
【００６６】
なお、この実施形態では、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂを用いて超伝導素線３を結束するようにしたが、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂの代わりに、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料である銅やアルミ等で形成したスリーブを用いて超伝導素線３を結束するようにしても良い。
【００６７】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、実施形態１、２では、強制冷却式であるケーブル・イン・コンジット型の超伝導導体について説明したが、超伝導導体を液体ヘリウムなどの冷却媒体に浸漬する、強制冷却式でない浸漬タイプの超伝導導体の接続に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施形態で使用される超伝導導体の断面図である。
【図２】超伝導素線の断面図である。
【図３】第１の実施形態で使用される超伝導スリーブの長手方向の断面図である。
【図４】図３に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。
【図５】超伝導導体からコンジットを除去し、超伝導素線を露出させた状態を示した図である。
【図６】超伝導スリーブに、超伝導素線を挿入した状態を示した一部断面図である。
【図７】図６に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。
【図８】固定金具と気密容器を接続部に取り付けた状態を示した一部断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る接続方法を示したフローチャートである。
【図１０】第１の実施形態の変形例１で使用される超伝導スリーブの長手方向の断面図である。
【図１１】図１０に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。
【図１２】第１の実施形態の変形例２で使用される超伝導スリーブの概念図である。
【図１３】図１２に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。
【図１４】第２の実施形態で使用される超伝導スリーブに、超伝導素線を挿入した状態を示した一部断面図である。
【図１５】第２の実施形態で使用される超伝導スリーブを、さらに超伝導スリーブへ挿入する前の状態を示した一部断面図である。
【図１６】第２の実施形態で使用される超伝導スリーブを、さらに超伝導スリーブへ挿入した後の状態を示した一部断面図である。
【図１７】第２の実施形態に係る接続方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００６９】
１…超伝導導体、２…コンジット、３…超伝導素線、４，５，６，７，８…超伝導体スリーブ、１０…固定金具、１１…気密容器、３１…フィラメント、３２…安定化材、３３…銅パイプ、５１，６１…内層、５２，６２…外層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導導体の接続方法および接続部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導導体の接続方法として、コンジットに収容された超伝導素線を露出し、この露出した超伝導素線の端部を互いにつき合わせ、この突き合わせ面に所定の温度・圧力を加えて接続する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２１９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述の接続方法では、突き合わせ面の平面度、直角度、平滑度、清浄度などを高精度に加工する必要があった。また、超伝導導体の長手方向に圧力を加える必要があることから加圧装置の設置に工夫が必要であった。このため、突き合わせ面での圧力が不足し、良好な伝導性を得られない可能性があった。
上記に鑑み、本発明は、接続作業の煩雑さを解消して接続作業時間を短縮すると共に、良好な伝導性を有する超伝導導体の接続方法および接続部材を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様に係る超伝導導体の接続方法は、超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と複数の超伝導素線を内部に収容するコンジットとをそれぞれ具備する二本の超伝導導体のそれぞれの一端のコンジット端部を除去して複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させるステップと、筒状に形成され、かつ超伝導体材料を有する接続部材の両端に、二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部を挿入するステップと、接続部材の外周面から中心軸に向かって圧力を加えてかしめ、接続部材と複数の超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップとを具備することを特徴とする。
【０００５】
本発明の一態様に係る超伝導導体の接続構造は、超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と、複数の超伝導素線を内部に収容し、その一端から複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させたコンジットとを備えた二本の超伝導導体と、両端に、二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部が挿入され、この超伝導素線の少なくとも一部と一体化した、超伝導体材料を有する接続部材とを具備することを特徴とする。
【０００６】
本発明の一態様に係る超伝導導体の接続部材は、筒状に形成された低抵抗かつ熱伝導性に優れる第１の材料からなる内層と、内層の外周面に配列された超伝導素線と、配列された超伝導素線の外周面を覆う低抵抗かつ熱伝導性に優れる第２の材料からなる外層とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、超伝導導体の接続作業の煩雑さを解消して接続作業時間を短縮すると共に、良好な伝導性を有する超伝導導体の接続方法および接続部材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、この第１の実施形態で使用される超伝導導体１の断面図である。図２は、コンジット２内に収容された超伝導素線３の断面図である。この第１の実施形態では、ケーブル・イン・コンジット型の超伝導導体１を用いる。このケーブル・イン・コンジット型の超伝導導体１は、コンジット２および超伝導素線３を具備する。
【０００９】
コンジット２は、ステンレス鋼などの高強度非磁性体で形成され、所定のピッチで撚り合わされた数百から数千本の超伝導素線３を収容する。また、コンジット２の断面での縦横寸法は、２０×２０ｍｍ（ミリメートル）から５０×５０ｍｍ程度である。
【００１０】
超伝導素線３は、一本の超伝導素線３を中心にして、その周囲に複数本の超伝導素線３をスパイラル状に巻きつけた撚線構造としている。このように、超伝導素線３を撚線構造とすることで可撓性を有し、大電流を流すことが可能となる。
【００１１】
また、図２に示すように、超伝導素線３は、フィラメント３１、安定化材３２および銅パイプ３３を具備する。このフィラメント３１の材料としては、ニオブチタン（NbTi）以下、ニオブチタンと称す）などの合金系超電導体や、ニオブ３アルミ（Nb3Al）（以下、ニオブ３アルミと称す）やニオブ３スズ（Nb3Sn）（以下、ニオブ３スズと称す）などの化合物系超電導体が用いられる。また、フィラメント３１の直径は、数十から数百μｍ（マイクロメートル）である。
【００１２】
安定化材３２中には、複数本のフィラメント３１が埋め込まれている。この安定化材３２の材料としては、高純度の銅やアルミウム等が用いられる。銅パイプ３３は、安定化材３２の外周部を覆っており、その直径は、約１ｍｍ（ミリメートル）である。
【００１３】
なお、図示していないが、フィラメント３１がニオブ３スズの場合、安定化材３２の外周面に、電気抵抗値が高いクロムメッキあるいはニッケルメッキの被覆が形成されている。この被覆は、ブロンズ法や内部拡散法における熱拡散処理時に、スズが銅パイプ３３へ拡散するのを防止する。
【００１４】
コンジット２の内壁と超伝導素線３との間隙には、液体ヘリウムなどの冷却媒体が流通し、超伝導素線３を強制冷却して超伝導状態が維持される。この冷却媒体の流通経路を確保するため、コンジット２内に収容された超伝導素線３の占積率は、数十％以下となっている。
【００１５】
なお、数百から数千本の超伝導素線３の束をフォーミングマシンなどでステンレス鋼等の鋼板と一緒に引き抜きながらコンジットに加工すると共にシール溶接を行うことで、ケーブル・イン・コンジット型の超伝導導体１が形成される。
【００１６】
図３は、この第１の実施形態で使用される超伝導スリーブ４の長手方向の断面図である。図４は、図３に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。この第１の実施形態では、超伝導スリーブ４の形状は、図３、４に示すように円筒形状をしている。
【００１７】
この超伝導スリーブ４は、図３で説明した超伝導素線３をパイプなどの型枠の外周面に、パイプの長手方向に配列し、この配列した超伝導素線３をろう付やはんだ付などにより、機械的あるいは金属的に接合して一体化し、その後、型枠を除去して形成したものである。なお、超伝導素線３は、パイプなどの型枠の外周面に巻きつけて配列してもよい。
【００１８】
また、この超伝導スリーブ４で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料と、接続対象である超伝導導体１で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料は、同一または略同一の組成のものとすることが望ましい。
【００１９】
すなわち、超伝導導体１のフィラメント３１の材料が、ニオブチタンの場合、超伝導スリーブ４のフィラメント３１の材料もニオブチタンとする。また、超伝導導体１のフィラメント３１の材料が、ニオブ３アルミの場合、超伝導スリーブ４のフィラメント３１の材料もニオブ３アルミとする。また、超伝導導体１のフィラメント３１の材料が、ニオブ３スズの場合、超伝導スリーブ４のフィラメント３１の材料もニオブ３スズとする。
【００２０】
このように、超伝導スリーブ４を超伝導素線３で形成しているので、液体ヘリウムなどの冷媒下では超伝導状態に転移し電気抵抗がゼロとなる。このため、超伝導導体１の接続部での電気抵抗を低減できる。なお、図３、４に示す超伝導スリーブ４の形状は、一例であり、この円筒形状に限られず、多角筒や楕円筒など、種々の形状を採用できる。
【００２１】
次に、超伝導導体１の接続方法について説明する。
図５は、超伝導導体１からコンジット２を除去し、超伝導素線３を露出させた状態を示した図である。図６は、超伝導スリーブ４に超伝導素線３を挿入した状態を示した一部断面図である。図７は、図６に示す一点鎖線Ａ―Ｂでの断面図である。なお、超伝導スリーブ４内に挿入されている超伝導素線３Ａの図示は省略した。図８は、固定金具１０および気密容器１１を接続部に取り付けた状態を示した一部断面図である。図９は、第１の実施形態に係る接続方法を示したフローチャートである。なお、ここでは、超伝導導体１Ａおよび超伝導導体１Ｂを接続するものとして、この実施形態の接続方法について説明する。
【００２２】
まず、超伝導導体１Ａのコンジット２Ａおよび超伝導導体１Ｂのコンジット２Ｂを、接続側端部からそれぞれ３０ｍｍから１００ｍｍ切断する（ステップＳ１１）。この切断には、バンドソーなどの切断ツールを用いる。
【００２３】
次に、切断したコンジット２Ａ、２Ｂを除去して、コンジット２Ａ、２Ｂ内に収容された超伝導素線３Ａ、３Ｂの一部を露出させる（ステップＳ１２）。図５は、超伝導導体１Ａ、１Ｂからコンジット２Ａ、２Ｂを除去し、超伝導素線３Ａ、３Ｂの一部を露出させた状態を示した図である。
【００２４】
次に、超伝導スリーブ４および露出させた超伝導素線３Ａ、３Ｂの表面に形成された酸化膜を、硝酸などを用いて除去する（ステップＳ１３）。酸化膜を除去することで、この酸化膜による接続部の電気抵抗の増大を抑制できる。
【００２５】
なお、フィラメント３１の材料がニオブ３スズまたはニオブ３アルミの場合、このステップＳ１３で、安定化材３２の外周面に形成されたクロムメッキあるいはニッケルメッキの被覆を化学的あるいは機械的な手段で剥がし、安定化材３２の外周面を露出させておく。
【００２６】
次に、超伝導スリーブ４に、露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂを挿入する（ステップＳ１４）。図６は、超伝導スリーブ４に、超伝導素線３Ａ、３Ｂを挿入した状態を示した図である。なお、露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂを超伝導スリーブ４へ挿入する際、プレス機などで超伝導素線３Ａ、３Ｂを圧縮し、できる限り間隙を無くしておく。
【００２７】
次に、図示しない加圧装置を用いて、超伝導スリーブ４の内壁と超伝導素線３Ａ、３Ｂとの間に空隙が生じないよう超伝導スリーブ４の外周面から半径方向、すなわち長手方向の中心軸に向かって（図６、図７に示す矢印方向）圧力を加えてかしめて一体化し、所定の寸法に成形する（ステップＳ１５）。
【００２８】
なお、この圧力と共に超音波振動を印加することで、超伝導スリーブ４および超伝導素線３Ａ、３Ｂの接触面に形成された酸化膜を除去してもよい。また、超伝導スリーブ４と超伝導素線３とをろう付またははんだ付により接合すると共に圧力を加えてかしめても良い。
【００２９】
また、フィラメント３１の材料がニオブ３スズまたはニオブ３アルミの場合、超伝導スリーブ４に圧力を加えると共に、図示しない真空容器を用いて、真空中あるいは還元雰囲気で２００時間から２５０時間程度の熱処理を行う。このときの温度は、ニオブ３スズの場合は約６５０℃、ニオブ３アルミの場合は約７５０℃である。この熱処理により、超伝導スリーブ４が、径方向に焼結され超伝導素線３Ａ、３Ｂと一体化される。
【００３０】
次に、超伝導素線３Ａ、３Ｂの露出部分に固定金具１０を取り付ける（ステップＳ１６）。この固定金具１０には、図示しない複数の孔が設けられている。そして、液体ヘリウムなどの冷媒が、この複数の孔を通過することにより、固定金具１０内の超伝導素線３が冷却される。また、固定金具１０は、超伝導スリーブ４と共に機械的あるいは溶接構造で固定される。
【００３１】
次に、超伝導導体１Ａと超伝導導体１Ｂとの接続部および固定金具１０の外周を取り囲む気密容器１１を設ける（ステップＳ１７）。この気密容器１１には、液体ヘリウムなどの冷媒の出入り口管１１１が設けられている。なお、気密容器１１は、コンジット２Ａ、２Ｂとの溶接により固定される。この溶接により気密容器１１は気密性が保たれ、内部に注入される液体ヘリウムが外部に漏れることはない。
【００３２】
なお、この第１の実施形態では、超伝導素線３により超伝導スリーブ４を形成したが、超伝導素線３を用いずに、バルク超伝導体から直接超伝導スリーブ４を形成しても良い。また、テープ状に形成された超伝導素線３を用いても良い。この場合でも、超伝導導体１のフィラメント３１の材料と、超伝導スリーブ４の材料とは同一または略同一の材料とすることが望ましい。
【００３３】
以上のように、この第１の実施形態では、超伝導素線３を露出させ、露出した超伝導素線３を、超伝導スリーブ４の内壁と超伝導素線３Ａ、３Ｂとの間に、空隙が生じないよう超伝導スリーブ４の半径方向に圧力を加えてかしめたので、突き合わせ面を加工する必要がない。
【００３４】
また、超伝導スリーブ４の半径方向に圧力を加えてかしめるため、加圧装置設置に必要な時間を短縮できる。このため、現場での接続作業が必要な大型の超電導コイル、例えば核融合装置で使用されるポロイダルコイルやトロイダルコイルの作成に必要な作業工程を減らし作業時間を短縮できる。また、この超伝導コイルの製作コストを低減できる。
【００３５】
また、液体ヘリウムで冷却することにより、超伝導スリーブ４は超電導転移して、電気抵抗がゼロとなる。このため、印加電流は、電気抵抗がゼロである超伝導スリーブ４のフィラメント３１を流れ良好な電気伝導性を得ることができる。また、コンジット２Ａ、２Ｂから露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂを固定金具１０で固定し、かつ超伝導導体１Ａと超伝導導体１Ｂの端部を気密容器１１で固定したので、通電時に発生するローレンツ力による超伝導導体１の変形を効果的に抑制できる。
【００３６】
また、超伝導素線３の材料にニオブ３スズまたはニオブ３アルミを用いた場合、超伝導スリーブ４をかしめた状態で加熱するので、超伝導スリーブ４と超伝導素線３との接続面において金属が相互拡散する。このため、接続部において良好な電気伝導性を得ることができる。
【００３７】
なお、超伝導素線３の材料としてニオブ３スズまたはニオブ３アルミを用いる場合、図９のステップＳ１５で説明したように長時間の熱処理が必要となる。この場合、拡散法またはブロンズ法による熱拡散処理を行う前の状態で、超伝導素線３Ａ、３Ｂを超伝導スリーブ４でかしめて熱処理を行う。
【００３８】
このように熱処理を行えば、ブロンズ法または拡散法によるニオブ３スズまたはニオブ３アルミの生成熱処理と、超伝導導体１Ａ、１Ｂと超伝導素線３Ａ、３Ｂとの一体化処理を同時に行うことができる。このため、現場での作業工程および作業時間を効率的に削減できる。
【００３９】
（第１の実施形態の変形例１）
ここでは、第１の実施形態の変形例１について説明する。図１０は、第１の実施形態の変形例１で使用される超伝導スリーブ５の長手方向の断面図である。また、図１１は、図１０に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。この変形例１で使用される超伝導スリーブ５は、図２で説明した超伝導素線３を内層５１上に配列し、この配列した超伝導素線３の外周面を外層５２で覆った構造を有する。
【００４０】
内層５１および外層５２は、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料、例えば銅や高純度銅、アルミなど（以下、銅等と称す）で形成される。なお、この変形例１においても、超伝導スリーブ５で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料と、接続対象である超伝導導体１で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料は、同一または略同一の組成とすることが望ましい。
【００４１】
次に、この超伝導スリーブ５の形成方法について説明する。なお、超伝導スリーブ５の接続方法については、第１の実施形態で説明した接続方法と同一であるため重複した説明を省略する。
まず、図示しない銅等の丸棒の外周面上に、この丸棒と略同一長さの超伝導素線３を、丸棒の長手方向に隙間なく配列する。
【００４２】
次に、この配列した超伝導素線３の上に丸棒と同一または同様の材料で形成された外層５２を被せる。次に、丸棒、超伝導素線３および外層５２をスウェージング（Swaging）加工して一体化する。スウェージング加工は、金属材料を圧縮成形する鍛造加工法の一つである。このスウェージング加工により、丸棒、超伝導素線３および外層５２間の空隙を減らすことができ、一体化した際の密度が高まる。
【００４３】
また、スウェージング加工以外にも拡散接合法、熱間等方圧加圧法、熱間圧延法、ろう付法、液相拡散接合法などの加工方法を使用できる。この熱間等方圧加圧法あるいは熱間引き法により超伝導スリーブ５を形成しても、丸棒、超伝導素線３および外層５２間の空隙を減らすことができ、一体化した際の密度が高まる。
【００４４】
次に、ガンドリルなどの孔加工機を用いて、丸棒の中心に孔をあけ、内層５１、超伝導素線３および外層５２から構成される超伝導スリーブ５を形成する。内層５１の肉厚は、超伝導素線３との接続部での電気伝導性を確保するためできるだけ薄いほうが良い。しかし、あまりに肉厚が薄いと、ガンドリルなどの孔加工機で超伝導素線３を傷つける恐れがある。このため、孔加工および接続部での電気伝導性の特性上の観点から、内層５１の肉厚は、０．５ｍｍ前後とするのが好ましい。
【００４５】
以上のように、この第１の実施形態の変形例１に係る超伝導スリーブ５は、超伝導素線３を、内層５１および外層５２で覆った構造を有する。このため、現場での接続作業時に超伝導素線３に傷をつけることがない。その結果、現場での作業性が向上し、接続作業時間を短縮できる。
【００４６】
また、接続対象である超伝導導体１から露出させた超伝導素線３と接する内層５１の材料を、低抵抗で熱伝導性に優れる銅等とすると共に、内層５１の肉厚を薄くしたので、接続部における良好な電気伝導性が期待できる。
その他の効果は、第１の実施形態と同じである。
【００４７】
（第１の実施形態の変形例２）
ここでは、第１の実施形態の変形例２について説明する。図１２は、第１の実施形態の変形例２で使用される超伝導スリーブ６の概念図である。また、図１３は、図１２に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。なお、図１２中の符合ＬＰは、超伝導素線３の巻きつけピッチ（ツイストピッチ）を示している。また、符号Ｌは、超伝導スリーブ６の長手方向の長さである。
【００４８】
この変形例２で使用される超伝導スリーブ６は、図２で説明した超伝導素線３を内層６１の外周面にスパイラル状に巻きつけ、この巻きつけた超伝導素線３の外周面を外層６２で覆った構造を有する。
【００４９】
内層６１および外層６２は、第１の実施形態の変形例１と同様、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料である銅等で形成される。なお、この変形例２においても、超伝導スリーブ５で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料と、接続対象である超伝導導体１で使用する超伝導素線３のフィラメント３１の材料は、同一または略同一の組成とすることが望ましい。
【００５０】
次に、この超伝導スリーブ６の形成方法について説明する。なお、超伝導スリーブ６の接続方法については、第１の実施形態で説明した接続方法と同一であるため重複した説明を省略する。
まず、図示しない銅等の丸棒の外周面上に、複数本の超伝導素線３をスパイラル状に隙間無く巻きつける。このとき、各超伝導素線３の巻きつけピッチＬＰは、接続対象である超伝導導体１のコンジット２内に収容される超伝導素線３の巻きつけピッチＬＰと同一または整数倍とする。このため、符号Ｌは、超伝導スリーブ６の長手方向の長さＬもまた、接続対象である超伝導導体１のコンジット２内に収容される超伝導素線３の巻きつけピッチＬＰと同一または整数倍となる。
【００５１】
つまり、超伝導導体１の超伝導素線３の巻きつけピッチが６０ｍｍであれば、超伝導スリーブ６に巻きつける超伝導素線３の巻きつけピッチＬＰおよび超伝導スリーブ６の長手方向の長さＬは、６０ｍｍあるいは１２０ｍｍとする。このように、超伝導素線３を内層６１に巻きつけることで、超伝導導体１と超伝導スリーブ６との接続部で発生する熱を効果的に抑えることができる。
【００５２】
次に、このスパイラル状に巻きつけた超伝導素線３の上に丸棒と同一または同様の材料で形成された外層６２を被せる。次に、丸棒、超伝導素線３および外層６２をスウェージング（Swaging）加工して一体化する。なお、第１の実施形態の変形例１と同様に、スウェージング加工以外にも拡散接合法、熱間等方圧加圧法、熱間圧延法、ろう付法、液相拡散接合法などの加工方法を使用できる。
【００５３】
次に、ガンドリルなどの孔加工機を用いて、丸棒の中心に孔をあけ、内層６１、超伝導素線３および外層６２から構成される超伝導スリーブ６を形成する。なお、内層６１の肉厚は、図１１で説明した内層５１の肉厚と同じ０．５ｍｍ程度とする。
【００５４】
以上のように、この第１の実施形態の変形例２に係る超伝導スリーブ６は、超伝導素線３を内層６１の外周面に超伝導導体１のコンジット２内に収容される超伝導素線３の巻きつけピッチの整数倍のピッチで巻きつけたので、超伝導導体１と超伝導スリーブ６との接続部で発生する渦電流による熱を効果的に抑制できる。また、超伝導スリーブ６の長手方向に対して垂直方向に磁場が印加された場合に誘起される還流電流を効果的に抑制できる。その他の効果は、第１の実施形態の変形例１と同じである。
【００５５】
（第２の実施形態）
ここでは、第２の実施形態について説明する。図１４は、第２の実施形態で使用される超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂに、超伝導素線３Ａ、３Ｂを挿入した状態を示した一部断面図である。図１５は、この実施形態で使用される超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂを超伝導スリーブ８へ挿入する前の状態を示した一部断面図である。図１６は、この実施形態で使用される超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂを超伝導スリーブ８へ挿入した後の状態を示した一部断面図である。なお、図１乃至１２で説明した構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００５６】
この第２の実施形態では、超伝導導体１から露出させた超伝導素線３を結束する超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂ（結束部材）を具備したものである。なお、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂ、８は、第１の実施形態、およびその変形例１、２で説明した超伝導スリーブ４乃至６と同一の構造を有するものである。また、この超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂ、８で使用する超伝導素線３Ａ、３Ｂのフィラメント３１の材料と、接続対象である超伝導導体１で使用する超伝導素線３Ａ、３Ｂのフィラメント３１の材料は、同一または略同一の組成とすることが望ましい。
【００５７】
次に、超伝導導体１の接続方法について説明する。
図１７は、第２の実施形態に係る接続方法を示したフローチャートである。
なお、この第２の実施形態に係る接続方法は、図９で説明したステップＳ１１、Ｓ１２までは同一である。このため、ステップＳ１１、Ｓ１２の作業を終えたものとして説明する。
【００５８】
超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂおよび超伝導素線３Ａ、３Ｂの表面に形成された酸化膜を、硝酸などを用いて除去する（ステップＳ２１）。酸化膜を除去することで、この酸化膜により接続部の電気抵抗が増大することを抑制できる。
【００５９】
なお、フィラメント３１の材料がニオブ３スズまたはニオブ３アルミの場合、このステップＳ１３で、安定化材３２の外周面に形成されたクロムメッキあるいはニッケルメッキの被覆を化学的あるいは機械的な手段で剥がし、安定化材３２の外周面を露出させておく。
【００６０】
次に、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂに、露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂをそれぞれ挿入する（ステップＳ２２）。なお、露出した超伝導素線３Ａ、３Ｂをプレス機などで一つの塊にまとめてから超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂへそれぞれ挿入すれば作業時間を短縮できる。
【００６１】
次に、図示しない加圧装置を用いて、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂの内壁と超伝導素線３Ａ、３Ｂとの間に空隙が生じないよう超伝導スリーブ７の半径方向、すなわち長手方向の中心軸に向かって（図１３の矢印で示す方向）圧力を加えてかしめ、所定の寸法に成形する（ステップＳ２３）。なお、この圧力と共に超音波振動を印加することで、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂおよび超伝導素線３Ａ、３Ｂとの接触面面に形成された酸化膜を除去してもよい。
【００６２】
次に、超伝導スリーブ８および超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂの表面に形成された酸化膜を、硝酸などを用いて除去する（ステップＳ２４）。酸化膜を除去することで、この酸化膜により接続部の電気抵抗が増大することを抑制できる。
【００６３】
次に、超伝導スリーブ８に、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂを挿入する（ステップＳ２５）。次に、図示しない加圧装置を用いて、超伝導スリーブ８の内壁と超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂとの間に空隙が生じないよう超伝導スリーブ８の半径方向、すなわち長手方向の中心軸に向かって（図１６の矢印で示す方向）に圧力を加えてかしめ、所定の寸法に成形する（ステップＳ２６）。なお、この圧力と共に超音波振動を印加することで、超伝導スリーブ８および超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂの接触面に形成された酸化膜を除去してもよい。
【００６４】
なお、フィラメント３１の材料がニオブ３スズまたはニオブ３アルミの場合、第１の実施形態で説明したように、真空中あるいは還元雰囲気で熱処理を行う。なお、以下の工程は、図９で説明したステップＳ１６、Ｓ１７と同一であるため、重複した説明を省略する。
【００６５】
以上のように、この第２の実施形態では、超伝導導体１から露出させた超伝導素線３を結束する超伝導スリーブ７Ａ，７Ｂを具備したので、超伝導素線３を超伝導スリーブ８に挿入する際の作業性が増し接続作業に必要な時間を短縮できる。その他の効果は第１の実施形態と同じである。また、この第２の実施形態についても、第１の実施形態の変形例１、２で説明したような変形が可能である。
【００６６】
なお、この実施形態では、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂを用いて超伝導素線３を結束するようにしたが、超伝導スリーブ７Ａ、７Ｂの代わりに、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料である銅やアルミ等で形成したスリーブを用いて超伝導素線３を結束するようにしても良い。
【００６７】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、実施形態１、２では、強制冷却式であるケーブル・イン・コンジット型の超伝導導体について説明したが、超伝導導体を液体ヘリウムなどの冷却媒体に浸漬する、強制冷却式でない浸漬タイプの超伝導導体の接続に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施形態で使用される超伝導導体の断面図である。
【図２】超伝導素線の断面図である。
【図３】第１の実施形態で使用される超伝導スリーブの長手方向の断面図である。
【図４】図３に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。
【図５】超伝導導体からコンジットを除去し、超伝導素線を露出させた状態を示した図である。
【図６】超伝導スリーブに、超伝導素線を挿入した状態を示した一部断面図である。
【図７】図６に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。
【図８】固定金具と気密容器を接続部に取り付けた状態を示した一部断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る接続方法を示したフローチャートである。
【図１０】第１の実施形態の変形例１で使用される超伝導スリーブの長手方向の断面図である。
【図１１】図１０に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。
【図１２】第１の実施形態の変形例２で使用される超伝導スリーブの概念図である。
【図１３】図１２に示す一点鎖線Ａ−Ｂでの断面図である。
【図１４】第２の実施形態で使用される超伝導スリーブに、超伝導素線を挿入した状態を示した一部断面図である。
【図１５】第２の実施形態で使用される超伝導スリーブを、さらに超伝導スリーブへ挿入する前の状態を示した一部断面図である。
【図１６】第２の実施形態で使用される超伝導スリーブを、さらに超伝導スリーブへ挿入した後の状態を示した一部断面図である。
【図１７】第２の実施形態に係る接続方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００６９】
１…超伝導導体、２…コンジット、３…超伝導素線、４，５，６，７，８…超伝導体スリーブ、１０…固定金具、１１…気密容器、３１…フィラメント、３２…安定化材、３３…銅パイプ、５１，６１…内層、５２，６２…外層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と前記複数の超伝導素線を内部に収容するコンジットとをそれぞれ具備する二本の超伝導導体のそれぞれの一端のコンジット端部を除去して前記複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させるステップと、
超伝導体材料を有する接続部材の両端に、前記二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部を挿入するステップと、
前記接続部材の外周面から中心軸に向かって圧力を加えてかしめ、前記接続部材と前記超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップと
を具備することを特徴とする超伝導導体の接続方法。
【請求項２】
前記二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部を、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料または超伝導体材料の少なくとも一方を有する結束部材でそれぞれ結束するステップを具備し、
前記複数の超伝導素線の少なくとも一部を挿入するステップは、前記結束部材で結束された前記複数の超伝導素線の少なくとも一部を前記接続部材の両端に挿入することを特徴とする請求項１に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項３】
前記接続部材と前記超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップは、真空中または不活性ガス雰囲気中で加熱して行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項４】
前記接続部材と前記超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップは、前記接続部材と前記超伝導素線の少なくとも一部とを、ろう付またははんだ付により接合すると共にかしめることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項５】
前記接続部材は、
筒状に形成された低抵抗かつ熱伝導性に優れる第１の材料からなる内層と、
前記内層の外周面に配列された前記超伝導素線と、
前記配列された超伝導素線の外周面を覆う低抵抗かつ熱伝導性に優れる第２の材料からなる外層と
を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項６】
前記複数本の超伝導素線は、前記内層の外周面にスパイラル状に配列されており、前記接続部材の長手方向の長さが、前記内層の外周面にスパイラル状に配列された超伝導素線の巻きつけピッチの整数倍であることを特徴とする請求項５に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項７】
前記フィラメントの材料は、ニオブ３スズ（Nb3Sn）、ニオブ３アルミ（Nb3Al）またはニオブチタン（NbTi）のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項８】
前記低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料は、銅（Cu）またはアルミ（Al）であることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項９】
超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と、前記複数の超伝導素線を内部に収容し、その一端から前記複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させたコンジットとを備えた二本の超伝導導体と、
両端に、前記二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部が挿入され、この超伝導素線の少なくとも一部と一体化した、超伝導体材料を有する接続部材と
を具備することを特徴とする超伝導導体の接続構造。
【請求項１０】
前記二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部は、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料または超伝導体材料の少なくとも一方を有する結束部材でそれぞれ結束されていることを特徴とする請求項９に記載の超伝導導体の接続構造。
【請求項１１】
筒状に形成された低抵抗かつ熱伝導性に優れる第１の材料からなる内層と、
前記内層の外周面に配列された前記超伝導素線と、
前記配列された超伝導素線の外周面を覆う低抵抗かつ熱伝導性に優れる第２の材料からなる外層と
を有することを特徴とする超伝導導体の接続部材。
【請求項１２】
前記複数本の超伝導素線は、前記内層の外周面にスパイラル状に配列されており、前記接続部材の長手方向の長さが、前記内層の外周面にスパイラル状に配列された超伝導素線の巻きつけピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１１に記載の超伝導導体の接続部材。
【請求項１３】
前記超伝導素線は、拡散接合法、熱間等方圧加圧法、熱間圧延法、ろう付法、液相拡散接合法のうちのいずれかにより前記内層および外層と接合されることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の超伝導導体の接続部材。
【請求項１４】
前記低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料は、銅（Cu）またはアルミ（Al）であることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の超伝導導体の接続部材。
【請求項１】
超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と前記複数の超伝導素線を内部に収容するコンジットとをそれぞれ具備する二本の超伝導導体のそれぞれの一端のコンジット端部を除去して前記複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させるステップと、
超伝導体材料を有する接続部材の両端に、前記二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部を挿入するステップと、
前記接続部材の外周面から中心軸に向かって圧力を加えてかしめ、前記接続部材と前記超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップと
を具備することを特徴とする超伝導導体の接続方法。
【請求項２】
前記二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部を、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料または超伝導体材料の少なくとも一方を有する結束部材でそれぞれ結束するステップを具備し、
前記複数の超伝導素線の少なくとも一部を挿入するステップは、前記結束部材で結束された前記複数の超伝導素線の少なくとも一部を前記接続部材の両端に挿入することを特徴とする請求項１に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項３】
前記接続部材と前記超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップは、真空中または不活性ガス雰囲気中で加熱して行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項４】
前記接続部材と前記超伝導素線の少なくとも一部とを一体化するステップは、前記接続部材と前記超伝導素線の少なくとも一部とを、ろう付またははんだ付により接合すると共にかしめることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項５】
前記接続部材は、
筒状に形成された低抵抗かつ熱伝導性に優れる第１の材料からなる内層と、
前記内層の外周面に配列された前記超伝導素線と、
前記配列された超伝導素線の外周面を覆う低抵抗かつ熱伝導性に優れる第２の材料からなる外層と
を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項６】
前記複数本の超伝導素線は、前記内層の外周面にスパイラル状に配列されており、前記接続部材の長手方向の長さが、前記内層の外周面にスパイラル状に配列された超伝導素線の巻きつけピッチの整数倍であることを特徴とする請求項５に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項７】
前記フィラメントの材料は、ニオブ３スズ（Nb3Sn）、ニオブ３アルミ（Nb3Al）またはニオブチタン（NbTi）のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項８】
前記低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料は、銅（Cu）またはアルミ（Al）であることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の超伝導導体の接続方法。
【請求項９】
超伝導体材料からなるフィラメントを安定化材に埋め込んだ複数の超伝導素線と、前記複数の超伝導素線を内部に収容し、その一端から前記複数の超伝導素線の少なくとも一部を露出させたコンジットとを備えた二本の超伝導導体と、
両端に、前記二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部が挿入され、この超伝導素線の少なくとも一部と一体化した、超伝導体材料を有する接続部材と
を具備することを特徴とする超伝導導体の接続構造。
【請求項１０】
前記二本の超伝導導体から露出させた複数の超伝導素線の少なくとも一部は、低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料または超伝導体材料の少なくとも一方を有する結束部材でそれぞれ結束されていることを特徴とする請求項９に記載の超伝導導体の接続構造。
【請求項１１】
筒状に形成された低抵抗かつ熱伝導性に優れる第１の材料からなる内層と、
前記内層の外周面に配列された前記超伝導素線と、
前記配列された超伝導素線の外周面を覆う低抵抗かつ熱伝導性に優れる第２の材料からなる外層と
を有することを特徴とする超伝導導体の接続部材。
【請求項１２】
前記複数本の超伝導素線は、前記内層の外周面にスパイラル状に配列されており、前記接続部材の長手方向の長さが、前記内層の外周面にスパイラル状に配列された超伝導素線の巻きつけピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１１に記載の超伝導導体の接続部材。
【請求項１３】
前記超伝導素線は、拡散接合法、熱間等方圧加圧法、熱間圧延法、ろう付法、液相拡散接合法のうちのいずれかにより前記内層および外層と接合されることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の超伝導導体の接続部材。
【請求項１４】
前記低抵抗かつ熱伝導性に優れる材料は、銅（Cu）またはアルミ（Al）であることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の超伝導導体の接続部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−１００６１（Ｐ２０１０−１００６１Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７０５８９（Ｐ２００８−１７０５８９）
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９５００９９３８）東芝アイテック株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９５００９９３８）東芝アイテック株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
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