超電導ケーブルの接続構造体及び接続方法
【課題】 超電導特性が劣化することなく、低い接続抵抗を有する超電導ケーブルの接続構造体及び超電導ケーブルの接続方法を提供すること。
【解決手段】 フォーマと、その周囲に配設された超電導線材とを具備する超電導ケーブルの接続構造体であって、前記フォーマは、溶接により接続され、その接続部は、それ以外のフォーマの部分と同径であり、前記超電導線材の接続部は、前記超電導線材の接続端部同士を突合せて配置し、その突合せ部上に半田により接続用超電導線材を接着してなることを特徴とする。
【解決手段】 フォーマと、その周囲に配設された超電導線材とを具備する超電導ケーブルの接続構造体であって、前記フォーマは、溶接により接続され、その接続部は、それ以外のフォーマの部分と同径であり、前記超電導線材の接続部は、前記超電導線材の接続端部同士を突合せて配置し、その突合せ部上に半田により接続用超電導線材を接着してな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、電力ケーブル等に適用可能な酸化物超電導導体の接続方法に係り、特に、超電導ケーブルの接続構造体及び接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導ケーブルは、巻き芯である銅撚り線フォーマに、テープ状の超電導導体線材をスパイラル状に巻きつけて導体を構成し、その上に電気絶縁層を介して、超電導シールドとして超電導線材をスパイラル状に巻きつけた構造を有する。
【０００３】
このような超電導ケーブルを接続する方法としては、通常の電力ケーブルの接続のように導体の接続端部をスリーブに挿入して圧縮する方法が考えられる。しかし、超電導線材は機械的強度が弱く、圧縮すると超電導性が失われてしまうため、超電導ケーブルにはこの方法をそのまま適用することは出来ない。
【０００４】
従来の方法として、図７に示すように、超電導ケーブルのフォーマ２１のみをスリーブ２２に挿入して圧縮し、接続した後、超電導線材２３の接続端部をスリーブ２２に半田付けすることにより接続する方法（例えば、特許文献１参照）も知られているが、この方法では、接続部において、超電導線材の低抵抗の特性を生かすことができないため、接続部の抵抗が大きくなり、冷凍機などの設備が別途必要となるという問題がある。
【０００５】
また、図８に示すように、超電導ケーブルのフォーマ２１のみをスリーブ２２に挿入して圧縮し、接続した後、スリーブ２２をまたいで接続用の超電導線材２４を配置し、超電導線材２３の接続端部を接続用の超電導線材２４に半田付けする方法考えられるが、スリーブ２２の存在のために超電導線材の接続部の径が大きくなり、更にその上に多層の構成材を配置すると、超電導線材の接続部が圧縮されて、超電導特性が劣化してしまうという問題が生ずる。
【特許文献１】特開２００５−２５１５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記問題を解決するためになされ、超電導特性が劣化することなく、低い接続抵抗を有する超電導ケーブルの接続構造体及び超電導ケーブルの接続方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、フォーマと、超電導線材とを具備し、前記超電導線材が前記フォーマ上に積層されて複数の超電導導体層を形成している超電導ケーブルの接続構造体であって、前記超電導導体層のうち、１層目の超電導導体層は、前記超電導線材の接続端部同士が突合せて配置された突合せ部上において接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第１層接続部を有し、前記超電導導体層のうち、２層目の超電導導体層は、前記第１層接続部と長手方向に異なる位置に、接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第２層接続部を少なくとも１箇所有していることを特徴とする超電導ケーブルの接続構造体を提供する。
【０００８】
このような超電導ケーブルの接続構造体において、前記超電導導体層は３層からなり、前記超電導導体層のうち、３層目の超電導導体層は、前記第２層接続部と長手方向に異なる位置に接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第３層接続部を少なくとも１箇所有することが出来る。
【０００９】
また、前記超電導線材は、 前記超電導導体層の接続部は１層につき1箇所形成されており、ケーブルの長手方向において千鳥状に配置することが出来る。
【００１０】
更に、前記超電導線材は、前記超電導線材及び接続用超電導線材は、基板と、超電導薄膜を含む通電層とを有し、前記超電導導体層の接続部は、前記超電導線材の接続端部の通電層と、前記接続用超電導線材の通電層とが、半田により接着してなることが出来る。
【００１１】
本発明の第２の態様は、フォーマと、超電導線材とを具備し、前記超電導線材が前記フォーマ上に積層されて複数の超電導導体層を形成している超電導ケーブルの接続方法において、
（ａ）前記超電導ケーブルの被接続端部の所定領域を露出させる工程、
（ｂ）接続部がそれ以外のフォーマの部分と同径となるように、前記露出したフォーマの先端同士を溶接する工程、
（ｃ）前記超電導線材の被接続端部同士を突合せる工程、
（ｄ）前記被接続端部の突合せ部に半田テープを巻回する工程、
（ｅ）前記突合せ部の半田テープを巻回した部分上に接続用超電導線材を配置する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程にておいて半田テープを巻回した部分を加熱して、前記超電導線材の被接続端部に接続用超電導線材を半田により接着し、１層目の超電導導体層を接続する工程、
（ｇ）前記１層目の超電導導体層の接続部上に、それ以外の絶縁層の部分と同径となるように、絶縁層を形成する工程、
（ｈ）２層目の超電導導体層において、前記１層目の接続部と長手方向に異なる位置で（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を行う工程、
（ｉ）前記（ｈ）工程にておいて半田テープを巻回した部分を加熱して、前記超電導線材の被接続端部に接続用超電導線材を半田により接着し、２層目の超電導導体層を接続する工程を具備することを特徴とする超電導ケーブルの接続方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、先に接続した超電導導体層の接続部と異なる位置に次に接続する超電導導体層の接続部を形成することで、各超電導導体層の超電導特性が劣化することなく、低い接続抵抗を有する超電導ケーブルの接続構造体を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１（ａ）に比較例としての超電導ケーブルの接続構造を示す。図１（ａ）の配置は、３層の超電導線材１１ａ，１１ｂ、１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂを、接続用超電導線材１４，１５，１６により接続し、その接続中心の位置を一致させたものである。この配置は、接続用超電導線材の数を少なくすることが出来るという利点はあるが、１層目を接続した後に２層目を接続する際に、１層目の接続部に熱が加わり、１層目の接続部を損傷させる恐れがあり、また接続部の位置が重なっているため、接続部において順次径が大きくなるという難点がある。
【００１５】
図１（ｂ）〜図１（ｄ）に、本発明の一実施形態に係る超電導ケーブルの接続構造を示す。図１（ｂ）に示す配置は、１層目の超電導導体層２０を形成する超電導線材１１ａ，１１ｂの接続端部を突き合わせて配置された突き合わせ部上に接続用超電導線材１４を電気的に接続した第１層接続部１７と、２層目の超電導導体層２１，３層目の超電導導体層２２の接続部の位置が重なることを避けるため、２層目及び３層目の超電導線材を段切りし、不足の超電導線材１２ｃ，１３ｃをそれぞれ超電導線材１２ａ，１２ｂ間と超電導線材１３ａ，１３ｂ間に配置して、それぞれ２つの接続用超電導線材１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂにより接続し、第２層接続部１８、第３層接続部１９をそれぞれ２箇所に形成したものである。この配置は、第１層と第２層、第２層と第３層の接続部の位置が重ならないため、超電導導体層の超電導特性が劣化しないという利点があり、また、接続部の径が他の部分と同径に出来るという利点がある。
【００１６】
図１（ｃ）に示す配置は、図１（ｂ）に示す配置において、不足の超電導線材１２ｃ，１３ｃを用いる代わりに、接続用超電導線材１５，１６の長さを長くし、２，３層目の超電導線材１２ａと１２ｂ，１３ａと１３ｂを直接、接続用超電導線材１５，１６を用いて接続し、第２層接続部１８、第３層接続部１９をそれぞれ２箇所に形成したものである。この配置によれば、図１（ｂ）と同様に、超電導導体層の超電導特性が劣化しないという利点があり、また、接続部の位置が重ならないため、接続部の径が他の部分と同径に出来るという利点がある。更に、図１（ｂ）の不足の超電導線材１２ｃ、１３ｃに相当するものを配置する必要がなく、部品点数を少なくすることができるという利点がある。
【００１７】
図１（ｄ）に示す配置は、各層の超電導導体層の接続部を１層につき1箇所形成し、各層の接続部の位置を、ケーブルの長手方向において１層目の第１層接続部１７に対して、２層目の第２層接続部１８を左に、３層目の第３層接続部１９を右というように、千鳥状に配置したものである。この配置は、図１（ｂ）、（ｃ）と同様に、超電導導体層の超電導特性が劣化しないという利点があり、また、接続部の位置が重ならないため、接続部の径が他の部分と同径に出来るという利点がある。更に、径方向に隣り合う導体層の接続部の位置が重ならずに、しかも接続用超電導線材の数及び接続部の数が増加することもないので、最も好ましい配置である。なお、図１（ｄ）において第３層接続部１９を右に配置せずに、第１層接続部１７と同じ位置に配置しても、第３層接続部１９と第２層接続部１８が径方向において隣り合わない位置に配置されていることで、同様の利点を得ることができる。
【００１８】
以上のように、図１では、３層の超電導導体層の場合を図示したが、本発明の実施形態においては、２層や４層でもよく、複数層の超電導導体層のうち、内外側で隣り合う層の接続部と重なり合わないように配置すればよい。特に、３層以上の超電導導体層であれば、図１（ｄ）のような千鳥状に配置する構造が、接続部の位置が重ならずに、しかも接続用超電導線材の数及び接続部の数を増加させずに行うことができ、好ましい。
【００１９】
図１のような接続構造体に用いる超電導線材は、ＲＥ系薄膜超電導線材を用いることは勿論、Ｂｉ系やＭｇＢ２などのシース超電導線材を用いてもよい。ここで、ＲＥは希土類元素であり、ＲＥ系超電導材料はＹ、Ｎｄ 、Ｓ ｍ 、Ｅ ｕ 、Ｇ ｄ 、Ｄ ｙ 、Ｈ ｏ 、Ｅ ｒ 、Ｔ ｍ 、Ｙ ｂ 、Ｌ ｕ から選ばれる１種類または２種類以上の元素からなる超電導材料である。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態に係る超電導ケーブルの１層目の超電導導体層の接続構造を示す断面図である。図２において、超電導ケーブルの被接続端部１ａ,１ｂのフォーマ２ａ，２ｂが溶接により接続されている。図２では、フォーマ２ａ，２ｂの端面は逆向きの傾斜面であり、突合されてＶ型断面の凹部が形成され、この凹部が溶接材料２ｃにより埋められている状態を示す。このように、フォーマ２ａ，２ｂの接続された構造体は、どの部分も同径とされている。
【００２１】
溶接されたフォーマ２ａ，２ｂの上に、超電導線材１１ａ,１１ｂが突合わされて配置されており、その突合わせ部の上に、接続用の超電導線材１４が半田層６を介して接着され、接続部１７を形成している。超電導線材１１ａ,１１ｂは、それぞれ基板１１ａ−１,１１ｂ−１上に超電導薄膜を含む通電層１１ａ−２,１１ｂ−２を有しており、基板１１ａ−１,１１ｂ−１がフォーマ２ａ，２ｂに接するように配置されている。接続用超電導線材１４は、超電導線材１１ａ,１１ｂと同様に基板１４−１上に超電導薄膜を含む通電層１４−２を有しており、接続用超電導線材１４の通電層１４−２が通電層１１ａ−２,１１ｂ−２と対向するように配置されている。なお、ここで言う通電層１１ａ−２,１１ｂ−２，１４−２とは、超電導薄膜を有し、電流が主に流れる層のことを指し、基板１１ａ−１,１１ｂ−１，１４−１とは反対側の超電導薄膜上に安定化層を有していてもよい。
【００２２】
なお、図２における超電導線材１１ａ,１１ｂおよび接続用の超電導線材１４は、ＲＥ系薄膜超電導線材を想定している。Ｂｉ系やＭｇＢ２などのシース超電導線材の場合には、基板と通電層といった構成はないため、通電層を対向するように配置する必要はない。
【００２３】
このようにして、１層目の超電導導体層２０は、超電導線材１１ａと超電導線材１１ｂを、接続用超電導線材１４を介して電気的に接続した第１層接続部１７によって接続されている。
【００２４】
以上のように構成された超電導ケーブルの接続構造体では、フォーマ２ａ，２ｂが溶接により接続され、接合部が他の部分と同径とされているため、その上に形成される超電導線材の接続構造が上層から圧縮されて、超電導特性が劣化するという現象は生じない。
【００２５】
図２に示す構成は、フォーマ上の第１層の超電導導体層における超電導線材の接続構造を示しているが、複数層の場合にも、図１のような第２層および第３層の超電導導体層の接続部は同様な構成をとる。
【００２６】
以上のように、超電導線材の層数が増えると、それに伴い、接続箇所が増加し、接続不良の数も増加してしまう。また、接続不良かどうかの判定は、液体窒素中における抵抗を測定しなければわからないので、接続作業の際に判定することは困難である。従って、このような接続不良の判定を簡単な方法で行なうことが望まれている。以下、そのような接続不良の判定方法について説明する。
【００２７】
図３に示すような接続部構造の多くの試料を作成する。試料は、幅１０ｍｍの超電導線材３，４同士を、幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの接続用超電導線材５により半田６を介して接続したもので、距離１２０ｍｍの位置Ａ及びＢに電圧端子をとり、その外側の位置Ｃ及びＤに電流端子が取り出されるようにされている。なお、試料としては、良品と悪品の両者を作成する。悪品は、超電導線材の接着に用いる半田テープを巻回する範囲を少なくしたり、半田テープを巻回する接続部にフラックスを塗らないことにより作成した。
【００２８】
まず、これらの試料の常温時における接続抵抗を４端子法により測定する。即ち、端子ＣＤ間に１〜１００ｍＡの電流を流し、端子ＡＢ間に発生した電圧から常温時の抵抗Ｒを算出する。
【００２９】
次に、試料を液体窒素中に浸漬し、端子ＣＤ間に電流を流し、臨界電流Ｉｃ近くまで徐々に電流値を上げていき、横軸に電流、縦軸に電圧をとった座標にプロットし、傾きが一定の範囲の電流、電圧値から抵抗を算出する。
【００３０】
以上のようにして、接続構造の常温時の抵抗Ｒと液体窒素中の抵抗Ｒ０とを求め、横軸にＲ０を、縦軸にＲをとってプロットしたところ、図４に示す結果を得た。なお、図中、白丸（○）が良品についてのデータで、黒丸（●）が悪品についてのデータである。
【００３１】
図４に示す結果から明らかなように、良品ではＲ及びＲ０がいずれも低いのに対し、悪品ではＲ及びＲ０がいずれも高い。これらの結果から、Ｒが低いとＲ０も低いが、Ｒが高いとＲ０も高いことがわかる。このことは、Ｒを測定するだけで、Ｒ０を測定することなく、良品、悪品の判定をすることが出来ることを意味する。図４に示す結果から、接続構造の常温時の抵抗Ｒが１３００μΩ以下であれば良品、１３００μΩを超えると、悪品であると判定することが出来る。
【００３２】
以上は、幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗についての判定方法であるが、実際の接続構造では、フォーマの周囲に複数本（ｎ本）の超電導線材を配置するので、その場合の接続抵抗は、上記抵抗Ｒをｎで割った値である。
【００３３】
従って、具体的な良品、悪品の判定を行なう際には、幅ｗの超電導線材の接続構造についての室温下での抵抗と、冷却下での抵抗との相関から、良品、悪品の閾値である室温下での抵抗Ｒを求め、接続に使用した幅ｖの超電導線材の本数がｎ本であるとき、室温下での抵抗がＲ／（ｎｖ／ｗ）より小さいときに良品と判定することができる。
【００３４】
以下、本発明の一実施例としての超電導ケーブルの接続方法について、図面を参照して説明する。
【００３５】
図５は、３相の超電導ケーブルの構造を示す図である。図５において、超電導ケーブル１は、その断面中心から外側に積層された、フォーマ２、６層の超電導導体層３、絶縁層７、４層の超電導シールド層８、及び保護層９からなる超電導ケーブルコア１０が断熱管１１内に収納された構造を有している。
【００３６】
断熱管１１は、ステンレスまたはアルミからなる内管１１ａと外管１１ｃとを同心配置し、それらの間にスーパーインシュレーションやアルミ蒸着フィルムなどの絶縁材１１ｂを介在させて構成され、熱絶縁性能を向上させるために、外管と内管の間を真空排気している。
【００３７】
フォーマ２は、エナメル絶縁、ホルマル絶縁などによって絶縁被覆された導体線を多層に撚り合されて構成される。この導体線としては、銅線、アルミ線や強度を目的とした銅合金線を用いることができ、銅線が最も好ましい。超電導線材３は、フォーマ２上に超電導線材を多層に螺旋状に巻回することにより構成される。
【００３８】
超電導導体層３を形成する超電導線材４は、例えば、金属基板４ａ上に中間層４ｂ、ＹＢＣＯ（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ）超電導薄膜４ｃ、安定化層４ｄ、および保護層４ｅを形成したＹＢＣＯ超電導線であり、テープ状のものである。ここで、通電層としては、超電導薄膜４ｃを含んでいればよく、この構造では、少なくとも超電導薄膜４ｃ、安定化層４ｄおよび保護層４ｅを有した層を指す。
【００３９】
絶縁層７は、絶縁紙、絶縁紙とポリプロピレンフィルムとを接合した半合成紙、高分子不織テープなどを超電導導体層３上に巻回することにより構成される。また、超電導シールド層８は、超電導導体層３に用いたものと同様の超電導線材を絶縁層７上に多層にらせん状に巻回することにより構成され、保護層９は、絶縁紙、高分子不織布、金属テープと絶縁紙や高分子不織布の積層などを超電導シールド層８上に巻回することにより構成される。
【００４０】
次に、上記の超電導ケーブル同士を接続するプロセスについて、図２を参照して説明する。なお、図２では、フォーマ２上に１層の超電導線材３が設けられている構成のみを図示している。
【００４１】
超電導ケーブル同士を接続する際、まず、超電導ケーブル端部から超電導ケーブルコア１０を、断熱管１１から一定長さだけ突き出して、露出させる。次いで、接続されるケーブルコア１０の先端から順に段剥ぎする。即ち、ケーブルコア１０の先端のフォーマ２、超電導導体層３、絶縁層７、超電導シールド層８、保護層９の各層を、最も外側の保護層９から順次所定の長さだけ剥ぐことにより、各層を露出させる。なお、フォーマ２の露出長さは、溶接時の銅を溶解する温度に対して、その外側の層である超電導線材３が高温にならない程度の長さ（１５０〜２００ｍｍ）とすることが望ましい。
【００４２】
この場合、超電導シールド層８及び超電導線材３の被接続端部は、所定の冶具に沿わせてカールして後方に逃がしておくとよい。
【００４３】
次いで、図２に示すように、フォーマ２ａ，２ｂの接続端部を例えば４５度の角度で切断し、突き合せ、引き続き、溶接を行う。カットする角度は、４５度に限ることはなく、溶接時に溶融した溶接材料が隙間無く十分に充填する角度で３０〜６０度の範囲で適宜選択することが出来る。カットする角度が大き過ぎる場合には、溶接部の長さが長くなり，小さ過ぎる場合には、溶接金属を溶かしてフォーマ母材に接続する為の溶接トーチが２本のフォーマの間に入らずに十分な溶け込みが出来なくなり、好ましくない。フォーマ２ａ，２ｂの先端を斜めにカットする方法として、グラインダーで切削する方法や金属切断用のこぎりなどで切る方法を挙げることができる。
【００４４】
溶接は、ガス溶接、アーク溶接、抵抗溶接、電子ビーム溶接などの方法を採用することが出来る。溶接は、フォーマ２ａ，２ｂの端部と溶接材料２ｃを溶解して、突き合された接続部、即ち、Ｖ字型断面の部分を埋めることにより行う。
【００４５】
使用する溶接材料２ｃは、フォーマを構成する金属材料の少なくてもひとつを含むことが望ましい。例えば、フォーマ２ａ，２ｂとして銅素線を撚り合せたものを用いた場合、溶接材料２ｃとしては、銅、銅銀合金などを用いることが出来る。
【００４６】
溶接に際しては、熱がフォーマ２ａ，２ｂを伝わって、超電導線材１１ａ，１１ｂ、絶縁層７などに伝わり、これらの層が高熱になることで、超電導線材や絶縁紙が焼損や熱劣化することがないように、フォーマ２ａ，２ｂの先端と超電導線材１１ａ，１１ｂ３，４までの間に、冷却装置を取り付けて冷却してもよい。
【００４７】
なお、溶接は、所定の温度、例えば冷却装置の位置において、１００℃を超えないように監視しつつ行なうのがよく、この温度を超えそうな場合には溶接を中断する。
【００４８】
フォーマ２ａ，２ｂの先端を突合せ溶接した後、溶接部が盛り上がってフォーマの外径より太くなる場合があるが、そのような太い部分は、ヤスリやグラインダーなどを用いて削り、接続部の直径をフォーマ２ａ，２ｂの本体部の直径と一致させて、接続部で段差などが生じないようにする必要がある。
【００４９】
その後、カールされて後方にある超電導線材１１ａ，１１ｂの被接続端部をフォーマ２ａ，２ｂの上に配置し、突合せる。次いで、突合せ部及びその近傍の表面にフラックスを塗布する。フラックスとしては、例えば、ハロゲン無添加の樹脂系のフラックスを用いることが出来る。
【００５０】
そして、フラックスを塗布した上に、例えば厚さ０．１ｍｍの薄い半田テープを巻き付ける。半田テープとしては、例えば、融点１６５℃のＳｎ−４３Ｐｂ−１４Ｂｉを用いることが出来る。
【００５１】
次いで、半田テープを巻き付けた上に、接続用超電導線材１４を配置する。接続用超電導線材１４としては、接続されるべき超電導線材１１ａ，１１ｂと同一のものを用いる。しかし、超電導線材１１ａ，１１ｂに合せてスパイラル状に配置する必要はない。また、接続用超電導線材１４の本数は、超電導線材１１ａ，１１ｂの本数と同じか又はそれ以上とすることが望ましい。本数が多いほうが、隙間が生ずることがなく、また接続抵抗を下げる上で効果的である。
【００５２】
次に、接続用超電導線材１４を配置した構造にテフロン（登録商標）テープを巻き、間に熱電対を挿入し、その上にヒータを巻き、更にその上に断熱材を巻いて、超電導線材１１ａ，１１ｂの接続の準備が完了する。
【００５３】
そして、ヒータの電源をＯＮにし、接続部の加熱を開始し、熱電対により測定される温度が、例えば２００℃に到達した時点、あるいは数秒から数十秒保持した後に、ヒータの電源をＯＦＦとする。このような加熱により半田テープが溶融すると、超電導線材１１ａ，１１ｂの被接続端部と接続用超電導線材１４とが接着され、超電導線材１１ａ，１１ｂの接続が完了する。
【００５４】
次に、図３に示す端子ＣＤ間に電流を流し、端子ＡＢ間に発生した電圧から常温時の抵抗Ｒを算出し、上述した方法で良品、悪品の判定を行なう。悪品と判定された場合には、再度接続作業をやり直すが、良品と判定された場合には、接続部に透明フィルムを巻いて径を調整した後、２層目の超電導線材の接続を行なう。
【００５５】
本発明者らは、以上説明した手順により、３層の超電導線材を接続した試験を行った。ここで用いた超電導線材４（図５における超電導線材４と同様のテープ構造）は、ハステロイ（登録商標）基板上４ａに、中間層４ｂとしてIBAD-Gd2Zr2O7, PLD-CeO2を成膜し、超電導薄膜４ｃとしてＭＯＣＶＤ法によりＹＢＣＯを成膜し、更に、安定化層４ｄとして厚さ20μmのAg層を形成し、更に保護層４ｅとして厚さ100μmのCuを半田付けして形成したＹＢＣＯ線材を用いた。
【００５６】
１層目は、幅２ｍｍの超電導線材を２７本（全幅５４ｍｍ）、２層目は、幅２ｍｍの超電導線材を２８本（全幅５６ｍｍ）、３層目は、幅２ｍｍの超電導線材を２７本（全幅５４ｍｍ）をそれぞれ接続し、各層の室温下での抵抗を求めた。その結果、１層目から順に、２２０μΩ、２２０μΩ、２１０μΩであった。これらを幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗に換算すると、それぞれ１１８８μΩ、１２３２μΩ、１１３４μΩであった。これらの抵抗はいずれも、図４に示す良品、悪品の判定条件である１３００μΩより低く、いずれも良品と判定された。
【００５７】
また、液体窒素中での抵抗を求めた結果、１層目から順に、０．０２μΩ、０．０３μΩ、０．０１μΩであった。これらを幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗に換算すると、それぞれ０．１０８μΩ、０．１６８μΩ、０．０５４μΩであった。
【００５８】
これらの室温下での抵抗Ｒ及び液体窒素中での抵抗Ｒ０を図４の座標にプロットすると、図４において□で表されているように、いずれも良品の範囲にある。
【００５９】
以上のようにして、所定の複数層の超電導線材が接続されるが、その場合の接続部の位置は、図１（ｄ）に示すように、２層目を右に、３層目を左というように、千鳥状に配置することが望ましい。
【００６０】
次に、接続された超電導線材上の、絶縁層が除去されている位置に、空間が形成されることのないようにカーボン紙を巻きつけて径を調整することで、除去されていないそれ以外の絶縁層と同径となるようにカーボン紙で絶縁層を形成した後、超電導線材同士の接続と同様の手順で、絶縁層上で、超電導シールドを接続用超電導シールドを介して接続する。
【００６１】
即ち、図６に示すように、接続されるべきケーブル用超電導シールド８ａ，８ｂを、カールを戻して揃えた後、その間のカーボン紙上に第１の接続用超電導シールド１２ａをスパイラル状に巻く。この際、ケーブル用超電導シールド８ａ、８ｂとスパイラルピッチを合せることが望ましい。次いで、ケーブル用超電導シールド８ａ、８ｂの被接続端部と第１の接続用超電導シールド１２ａの両端とを突き合せる。そして、第２の接続用超電導シールド１２ｂ，１２ｃを突き合せ部に配置し、超電導線材同士の接続と同様にして、接続作業を行なう。常温下での抵抗の測定及び良品、悪品の判定は、超電導線材同士の接続と同様である。
【００６２】
本発明者らは、以上説明した手順により、ケーブル用超電導シールドを接続した試験を行った。ケーブル用超電導シールドは、幅２ｍｍの超電導線材を５２本（全幅１０４ｍｍ）であり、右側のケーブル用超電導シールド８ａと第１の接続用超電導シールド１２ａとの間の接続抵抗は、１１０μΩ、左側のケーブル用超電導シールド８ｂと第１の接続用超電導シールド１２ａとの間の接続抵抗は、１２０μΩであった。これらを幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗に換算すると、それぞれ１１４４μΩ、１２４８μΩであり、いずれも、図４に示す良品、悪品の判定条件である１３００μΩより低く、いずれも良品と判定された。
【００６３】
また、液体窒素中での抵抗を求めた結果、右側のケーブル用超電導シールド８ａと第１の接続用超電導シールド１２ａとの間の接続抵抗は、０．０１μΩであり、左側のケーブル用超電導シールド８ｂと第１の接続用超電導シールド１２ａとの間の接続抵抗も０．０１μΩであった。これらを幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗に換算すると、いずれも０．１０４μΩであった。
【００６４】
これらの室温下での抵抗及び液体窒素中での抵抗は、図４において▽で表されている。
【００６５】
以上のようにして、１層のケーブル用超電導シールドが接続される。なお、多層のケーブル用超電導シールドを設けることも可能であり、そのような場合には、接続部の位置は、超電導線材同士の接続と同様に図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように配置することができ、特に、図１（ｄ）に示すように、２層目を左に、３層目を右というように、千鳥状に配置することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】（ａ）は比較例である。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ本発明の一実施形態に係る超電導ケーブルの多層の超電導線材における接続部の位置の配置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る超電導ケーブルの接続方法により接続された、超電導ケーブルの接続構造体を説明する断面図である。
【図３】本発明の更に他の実施形態に係る超電導ケーブルの接続構造体の良品、悪品の判定のための試料を示す図である。
【図４】良品及び悪品における接続構造の常温時の抵抗Ｒと液体窒素中の抵抗Ｒ０との関係を示す特性図である。
【図５】通常の超電導ケーブルの構造を示す図である。
【図６】超電導シールドの接続部の配置を示す図である。
【図７】従来の超電導ケーブルの接続構造体を示す断面図である。
【図８】従来の超電導ケーブルの接続構造体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
２，２ａ，２ｂ…フォーマ、２ｃ・・・溶接金属、３…複数の超電導導体層，４，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，…超電導線材、１４，１５，１５ａ，１５ｂ，１６，１６ａ，１６ｂ…接続用超電導線材、１７…第１接続部、１８…第２接続部、１９…第３接続部、２０…１層目の超電導導体層、２１…２層目の超電導導体層、２２…３層目の超電導導体層、７…絶縁層、８ａ，８ｂ…超電導シールド、９…保護層、１０…超電導ケーブルコア、１１…断熱管、１１ａ…内管、１１ｂ…断熱材、１１ｃ…外管、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…接続用超電導シールド。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力ケーブル等に適用可能な酸化物超電導導体の接続方法に係り、特に、超電導ケーブルの接続構造体及び接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導ケーブルは、巻き芯である銅撚り線フォーマに、テープ状の超電導導体線材をスパイラル状に巻きつけて導体を構成し、その上に電気絶縁層を介して、超電導シールドとして超電導線材をスパイラル状に巻きつけた構造を有する。
【０００３】
このような超電導ケーブルを接続する方法としては、通常の電力ケーブルの接続のように導体の接続端部をスリーブに挿入して圧縮する方法が考えられる。しかし、超電導線材は機械的強度が弱く、圧縮すると超電導性が失われてしまうため、超電導ケーブルにはこの方法をそのまま適用することは出来ない。
【０００４】
従来の方法として、図７に示すように、超電導ケーブルのフォーマ２１のみをスリーブ２２に挿入して圧縮し、接続した後、超電導線材２３の接続端部をスリーブ２２に半田付けすることにより接続する方法（例えば、特許文献１参照）も知られているが、この方法では、接続部において、超電導線材の低抵抗の特性を生かすことができないため、接続部の抵抗が大きくなり、冷凍機などの設備が別途必要となるという問題がある。
【０００５】
また、図８に示すように、超電導ケーブルのフォーマ２１のみをスリーブ２２に挿入して圧縮し、接続した後、スリーブ２２をまたいで接続用の超電導線材２４を配置し、超電導線材２３の接続端部を接続用の超電導線材２４に半田付けする方法考えられるが、スリーブ２２の存在のために超電導線材の接続部の径が大きくなり、更にその上に多層の構成材を配置すると、超電導線材の接続部が圧縮されて、超電導特性が劣化してしまうという問題が生ずる。
【特許文献１】特開２００５−２５１５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記問題を解決するためになされ、超電導特性が劣化することなく、低い接続抵抗を有する超電導ケーブルの接続構造体及び超電導ケーブルの接続方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、フォーマと、超電導線材とを具備し、前記超電導線材が前記フォーマ上に積層されて複数の超電導導体層を形成している超電導ケーブルの接続構造体であって、前記超電導導体層のうち、１層目の超電導導体層は、前記超電導線材の接続端部同士が突合せて配置された突合せ部上において接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第１層接続部を有し、前記超電導導体層のうち、２層目の超電導導体層は、前記第１層接続部と長手方向に異なる位置に、接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第２層接続部を少なくとも１箇所有していることを特徴とする超電導ケーブルの接続構造体を提供する。
【０００８】
このような超電導ケーブルの接続構造体において、前記超電導導体層は３層からなり、前記超電導導体層のうち、３層目の超電導導体層は、前記第２層接続部と長手方向に異なる位置に接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第３層接続部を少なくとも１箇所有することが出来る。
【０００９】
また、前記超電導線材は、 前記超電導導体層の接続部は１層につき1箇所形成されており、ケーブルの長手方向において千鳥状に配置することが出来る。
【００１０】
更に、前記超電導線材は、前記超電導線材及び接続用超電導線材は、基板と、超電導薄膜を含む通電層とを有し、前記超電導導体層の接続部は、前記超電導線材の接続端部の通電層と、前記接続用超電導線材の通電層とが、半田により接着してなることが出来る。
【００１１】
本発明の第２の態様は、フォーマと、超電導線材とを具備し、前記超電導線材が前記フォーマ上に積層されて複数の超電導導体層を形成している超電導ケーブルの接続方法において、
（ａ）前記超電導ケーブルの被接続端部の所定領域を露出させる工程、
（ｂ）接続部がそれ以外のフォーマの部分と同径となるように、前記露出したフォーマの先端同士を溶接する工程、
（ｃ）前記超電導線材の被接続端部同士を突合せる工程、
（ｄ）前記被接続端部の突合せ部に半田テープを巻回する工程、
（ｅ）前記突合せ部の半田テープを巻回した部分上に接続用超電導線材を配置する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程にておいて半田テープを巻回した部分を加熱して、前記超電導線材の被接続端部に接続用超電導線材を半田により接着し、１層目の超電導導体層を接続する工程、
（ｇ）前記１層目の超電導導体層の接続部上に、それ以外の絶縁層の部分と同径となるように、絶縁層を形成する工程、
（ｈ）２層目の超電導導体層において、前記１層目の接続部と長手方向に異なる位置で（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を行う工程、
（ｉ）前記（ｈ）工程にておいて半田テープを巻回した部分を加熱して、前記超電導線材の被接続端部に接続用超電導線材を半田により接着し、２層目の超電導導体層を接続する工程を具備することを特徴とする超電導ケーブルの接続方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、先に接続した超電導導体層の接続部と異なる位置に次に接続する超電導導体層の接続部を形成することで、各超電導導体層の超電導特性が劣化することなく、低い接続抵抗を有する超電導ケーブルの接続構造体を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１（ａ）に比較例としての超電導ケーブルの接続構造を示す。図１（ａ）の配置は、３層の超電導線材１１ａ，１１ｂ、１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂを、接続用超電導線材１４，１５，１６により接続し、その接続中心の位置を一致させたものである。この配置は、接続用超電導線材の数を少なくすることが出来るという利点はあるが、１層目を接続した後に２層目を接続する際に、１層目の接続部に熱が加わり、１層目の接続部を損傷させる恐れがあり、また接続部の位置が重なっているため、接続部において順次径が大きくなるという難点がある。
【００１５】
図１（ｂ）〜図１（ｄ）に、本発明の一実施形態に係る超電導ケーブルの接続構造を示す。図１（ｂ）に示す配置は、１層目の超電導導体層２０を形成する超電導線材１１ａ，１１ｂの接続端部を突き合わせて配置された突き合わせ部上に接続用超電導線材１４を電気的に接続した第１層接続部１７と、２層目の超電導導体層２１，３層目の超電導導体層２２の接続部の位置が重なることを避けるため、２層目及び３層目の超電導線材を段切りし、不足の超電導線材１２ｃ，１３ｃをそれぞれ超電導線材１２ａ，１２ｂ間と超電導線材１３ａ，１３ｂ間に配置して、それぞれ２つの接続用超電導線材１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂにより接続し、第２層接続部１８、第３層接続部１９をそれぞれ２箇所に形成したものである。この配置は、第１層と第２層、第２層と第３層の接続部の位置が重ならないため、超電導導体層の超電導特性が劣化しないという利点があり、また、接続部の径が他の部分と同径に出来るという利点がある。
【００１６】
図１（ｃ）に示す配置は、図１（ｂ）に示す配置において、不足の超電導線材１２ｃ，１３ｃを用いる代わりに、接続用超電導線材１５，１６の長さを長くし、２，３層目の超電導線材１２ａと１２ｂ，１３ａと１３ｂを直接、接続用超電導線材１５，１６を用いて接続し、第２層接続部１８、第３層接続部１９をそれぞれ２箇所に形成したものである。この配置によれば、図１（ｂ）と同様に、超電導導体層の超電導特性が劣化しないという利点があり、また、接続部の位置が重ならないため、接続部の径が他の部分と同径に出来るという利点がある。更に、図１（ｂ）の不足の超電導線材１２ｃ、１３ｃに相当するものを配置する必要がなく、部品点数を少なくすることができるという利点がある。
【００１７】
図１（ｄ）に示す配置は、各層の超電導導体層の接続部を１層につき1箇所形成し、各層の接続部の位置を、ケーブルの長手方向において１層目の第１層接続部１７に対して、２層目の第２層接続部１８を左に、３層目の第３層接続部１９を右というように、千鳥状に配置したものである。この配置は、図１（ｂ）、（ｃ）と同様に、超電導導体層の超電導特性が劣化しないという利点があり、また、接続部の位置が重ならないため、接続部の径が他の部分と同径に出来るという利点がある。更に、径方向に隣り合う導体層の接続部の位置が重ならずに、しかも接続用超電導線材の数及び接続部の数が増加することもないので、最も好ましい配置である。なお、図１（ｄ）において第３層接続部１９を右に配置せずに、第１層接続部１７と同じ位置に配置しても、第３層接続部１９と第２層接続部１８が径方向において隣り合わない位置に配置されていることで、同様の利点を得ることができる。
【００１８】
以上のように、図１では、３層の超電導導体層の場合を図示したが、本発明の実施形態においては、２層や４層でもよく、複数層の超電導導体層のうち、内外側で隣り合う層の接続部と重なり合わないように配置すればよい。特に、３層以上の超電導導体層であれば、図１（ｄ）のような千鳥状に配置する構造が、接続部の位置が重ならずに、しかも接続用超電導線材の数及び接続部の数を増加させずに行うことができ、好ましい。
【００１９】
図１のような接続構造体に用いる超電導線材は、ＲＥ系薄膜超電導線材を用いることは勿論、Ｂｉ系やＭｇＢ２などのシース超電導線材を用いてもよい。ここで、ＲＥは希土類元素であり、ＲＥ系超電導材料はＹ、Ｎｄ 、Ｓ ｍ 、Ｅ ｕ 、Ｇ ｄ 、Ｄ ｙ 、Ｈ ｏ 、Ｅ ｒ 、Ｔ ｍ 、Ｙ ｂ 、Ｌ ｕ から選ばれる１種類または２種類以上の元素からなる超電導材料である。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態に係る超電導ケーブルの１層目の超電導導体層の接続構造を示す断面図である。図２において、超電導ケーブルの被接続端部１ａ,１ｂのフォーマ２ａ，２ｂが溶接により接続されている。図２では、フォーマ２ａ，２ｂの端面は逆向きの傾斜面であり、突合されてＶ型断面の凹部が形成され、この凹部が溶接材料２ｃにより埋められている状態を示す。このように、フォーマ２ａ，２ｂの接続された構造体は、どの部分も同径とされている。
【００２１】
溶接されたフォーマ２ａ，２ｂの上に、超電導線材１１ａ,１１ｂが突合わされて配置されており、その突合わせ部の上に、接続用の超電導線材１４が半田層６を介して接着され、接続部１７を形成している。超電導線材１１ａ,１１ｂは、それぞれ基板１１ａ−１,１１ｂ−１上に超電導薄膜を含む通電層１１ａ−２,１１ｂ−２を有しており、基板１１ａ−１,１１ｂ−１がフォーマ２ａ，２ｂに接するように配置されている。接続用超電導線材１４は、超電導線材１１ａ,１１ｂと同様に基板１４−１上に超電導薄膜を含む通電層１４−２を有しており、接続用超電導線材１４の通電層１４−２が通電層１１ａ−２,１１ｂ−２と対向するように配置されている。なお、ここで言う通電層１１ａ−２,１１ｂ−２，１４−２とは、超電導薄膜を有し、電流が主に流れる層のことを指し、基板１１ａ−１,１１ｂ−１，１４−１とは反対側の超電導薄膜上に安定化層を有していてもよい。
【００２２】
なお、図２における超電導線材１１ａ,１１ｂおよび接続用の超電導線材１４は、ＲＥ系薄膜超電導線材を想定している。Ｂｉ系やＭｇＢ２などのシース超電導線材の場合には、基板と通電層といった構成はないため、通電層を対向するように配置する必要はない。
【００２３】
このようにして、１層目の超電導導体層２０は、超電導線材１１ａと超電導線材１１ｂを、接続用超電導線材１４を介して電気的に接続した第１層接続部１７によって接続されている。
【００２４】
以上のように構成された超電導ケーブルの接続構造体では、フォーマ２ａ，２ｂが溶接により接続され、接合部が他の部分と同径とされているため、その上に形成される超電導線材の接続構造が上層から圧縮されて、超電導特性が劣化するという現象は生じない。
【００２５】
図２に示す構成は、フォーマ上の第１層の超電導導体層における超電導線材の接続構造を示しているが、複数層の場合にも、図１のような第２層および第３層の超電導導体層の接続部は同様な構成をとる。
【００２６】
以上のように、超電導線材の層数が増えると、それに伴い、接続箇所が増加し、接続不良の数も増加してしまう。また、接続不良かどうかの判定は、液体窒素中における抵抗を測定しなければわからないので、接続作業の際に判定することは困難である。従って、このような接続不良の判定を簡単な方法で行なうことが望まれている。以下、そのような接続不良の判定方法について説明する。
【００２７】
図３に示すような接続部構造の多くの試料を作成する。試料は、幅１０ｍｍの超電導線材３，４同士を、幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの接続用超電導線材５により半田６を介して接続したもので、距離１２０ｍｍの位置Ａ及びＢに電圧端子をとり、その外側の位置Ｃ及びＤに電流端子が取り出されるようにされている。なお、試料としては、良品と悪品の両者を作成する。悪品は、超電導線材の接着に用いる半田テープを巻回する範囲を少なくしたり、半田テープを巻回する接続部にフラックスを塗らないことにより作成した。
【００２８】
まず、これらの試料の常温時における接続抵抗を４端子法により測定する。即ち、端子ＣＤ間に１〜１００ｍＡの電流を流し、端子ＡＢ間に発生した電圧から常温時の抵抗Ｒを算出する。
【００２９】
次に、試料を液体窒素中に浸漬し、端子ＣＤ間に電流を流し、臨界電流Ｉｃ近くまで徐々に電流値を上げていき、横軸に電流、縦軸に電圧をとった座標にプロットし、傾きが一定の範囲の電流、電圧値から抵抗を算出する。
【００３０】
以上のようにして、接続構造の常温時の抵抗Ｒと液体窒素中の抵抗Ｒ０とを求め、横軸にＲ０を、縦軸にＲをとってプロットしたところ、図４に示す結果を得た。なお、図中、白丸（○）が良品についてのデータで、黒丸（●）が悪品についてのデータである。
【００３１】
図４に示す結果から明らかなように、良品ではＲ及びＲ０がいずれも低いのに対し、悪品ではＲ及びＲ０がいずれも高い。これらの結果から、Ｒが低いとＲ０も低いが、Ｒが高いとＲ０も高いことがわかる。このことは、Ｒを測定するだけで、Ｒ０を測定することなく、良品、悪品の判定をすることが出来ることを意味する。図４に示す結果から、接続構造の常温時の抵抗Ｒが１３００μΩ以下であれば良品、１３００μΩを超えると、悪品であると判定することが出来る。
【００３２】
以上は、幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗についての判定方法であるが、実際の接続構造では、フォーマの周囲に複数本（ｎ本）の超電導線材を配置するので、その場合の接続抵抗は、上記抵抗Ｒをｎで割った値である。
【００３３】
従って、具体的な良品、悪品の判定を行なう際には、幅ｗの超電導線材の接続構造についての室温下での抵抗と、冷却下での抵抗との相関から、良品、悪品の閾値である室温下での抵抗Ｒを求め、接続に使用した幅ｖの超電導線材の本数がｎ本であるとき、室温下での抵抗がＲ／（ｎｖ／ｗ）より小さいときに良品と判定することができる。
【００３４】
以下、本発明の一実施例としての超電導ケーブルの接続方法について、図面を参照して説明する。
【００３５】
図５は、３相の超電導ケーブルの構造を示す図である。図５において、超電導ケーブル１は、その断面中心から外側に積層された、フォーマ２、６層の超電導導体層３、絶縁層７、４層の超電導シールド層８、及び保護層９からなる超電導ケーブルコア１０が断熱管１１内に収納された構造を有している。
【００３６】
断熱管１１は、ステンレスまたはアルミからなる内管１１ａと外管１１ｃとを同心配置し、それらの間にスーパーインシュレーションやアルミ蒸着フィルムなどの絶縁材１１ｂを介在させて構成され、熱絶縁性能を向上させるために、外管と内管の間を真空排気している。
【００３７】
フォーマ２は、エナメル絶縁、ホルマル絶縁などによって絶縁被覆された導体線を多層に撚り合されて構成される。この導体線としては、銅線、アルミ線や強度を目的とした銅合金線を用いることができ、銅線が最も好ましい。超電導線材３は、フォーマ２上に超電導線材を多層に螺旋状に巻回することにより構成される。
【００３８】
超電導導体層３を形成する超電導線材４は、例えば、金属基板４ａ上に中間層４ｂ、ＹＢＣＯ（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ）超電導薄膜４ｃ、安定化層４ｄ、および保護層４ｅを形成したＹＢＣＯ超電導線であり、テープ状のものである。ここで、通電層としては、超電導薄膜４ｃを含んでいればよく、この構造では、少なくとも超電導薄膜４ｃ、安定化層４ｄおよび保護層４ｅを有した層を指す。
【００３９】
絶縁層７は、絶縁紙、絶縁紙とポリプロピレンフィルムとを接合した半合成紙、高分子不織テープなどを超電導導体層３上に巻回することにより構成される。また、超電導シールド層８は、超電導導体層３に用いたものと同様の超電導線材を絶縁層７上に多層にらせん状に巻回することにより構成され、保護層９は、絶縁紙、高分子不織布、金属テープと絶縁紙や高分子不織布の積層などを超電導シールド層８上に巻回することにより構成される。
【００４０】
次に、上記の超電導ケーブル同士を接続するプロセスについて、図２を参照して説明する。なお、図２では、フォーマ２上に１層の超電導線材３が設けられている構成のみを図示している。
【００４１】
超電導ケーブル同士を接続する際、まず、超電導ケーブル端部から超電導ケーブルコア１０を、断熱管１１から一定長さだけ突き出して、露出させる。次いで、接続されるケーブルコア１０の先端から順に段剥ぎする。即ち、ケーブルコア１０の先端のフォーマ２、超電導導体層３、絶縁層７、超電導シールド層８、保護層９の各層を、最も外側の保護層９から順次所定の長さだけ剥ぐことにより、各層を露出させる。なお、フォーマ２の露出長さは、溶接時の銅を溶解する温度に対して、その外側の層である超電導線材３が高温にならない程度の長さ（１５０〜２００ｍｍ）とすることが望ましい。
【００４２】
この場合、超電導シールド層８及び超電導線材３の被接続端部は、所定の冶具に沿わせてカールして後方に逃がしておくとよい。
【００４３】
次いで、図２に示すように、フォーマ２ａ，２ｂの接続端部を例えば４５度の角度で切断し、突き合せ、引き続き、溶接を行う。カットする角度は、４５度に限ることはなく、溶接時に溶融した溶接材料が隙間無く十分に充填する角度で３０〜６０度の範囲で適宜選択することが出来る。カットする角度が大き過ぎる場合には、溶接部の長さが長くなり，小さ過ぎる場合には、溶接金属を溶かしてフォーマ母材に接続する為の溶接トーチが２本のフォーマの間に入らずに十分な溶け込みが出来なくなり、好ましくない。フォーマ２ａ，２ｂの先端を斜めにカットする方法として、グラインダーで切削する方法や金属切断用のこぎりなどで切る方法を挙げることができる。
【００４４】
溶接は、ガス溶接、アーク溶接、抵抗溶接、電子ビーム溶接などの方法を採用することが出来る。溶接は、フォーマ２ａ，２ｂの端部と溶接材料２ｃを溶解して、突き合された接続部、即ち、Ｖ字型断面の部分を埋めることにより行う。
【００４５】
使用する溶接材料２ｃは、フォーマを構成する金属材料の少なくてもひとつを含むことが望ましい。例えば、フォーマ２ａ，２ｂとして銅素線を撚り合せたものを用いた場合、溶接材料２ｃとしては、銅、銅銀合金などを用いることが出来る。
【００４６】
溶接に際しては、熱がフォーマ２ａ，２ｂを伝わって、超電導線材１１ａ，１１ｂ、絶縁層７などに伝わり、これらの層が高熱になることで、超電導線材や絶縁紙が焼損や熱劣化することがないように、フォーマ２ａ，２ｂの先端と超電導線材１１ａ，１１ｂ３，４までの間に、冷却装置を取り付けて冷却してもよい。
【００４７】
なお、溶接は、所定の温度、例えば冷却装置の位置において、１００℃を超えないように監視しつつ行なうのがよく、この温度を超えそうな場合には溶接を中断する。
【００４８】
フォーマ２ａ，２ｂの先端を突合せ溶接した後、溶接部が盛り上がってフォーマの外径より太くなる場合があるが、そのような太い部分は、ヤスリやグラインダーなどを用いて削り、接続部の直径をフォーマ２ａ，２ｂの本体部の直径と一致させて、接続部で段差などが生じないようにする必要がある。
【００４９】
その後、カールされて後方にある超電導線材１１ａ，１１ｂの被接続端部をフォーマ２ａ，２ｂの上に配置し、突合せる。次いで、突合せ部及びその近傍の表面にフラックスを塗布する。フラックスとしては、例えば、ハロゲン無添加の樹脂系のフラックスを用いることが出来る。
【００５０】
そして、フラックスを塗布した上に、例えば厚さ０．１ｍｍの薄い半田テープを巻き付ける。半田テープとしては、例えば、融点１６５℃のＳｎ−４３Ｐｂ−１４Ｂｉを用いることが出来る。
【００５１】
次いで、半田テープを巻き付けた上に、接続用超電導線材１４を配置する。接続用超電導線材１４としては、接続されるべき超電導線材１１ａ，１１ｂと同一のものを用いる。しかし、超電導線材１１ａ，１１ｂに合せてスパイラル状に配置する必要はない。また、接続用超電導線材１４の本数は、超電導線材１１ａ，１１ｂの本数と同じか又はそれ以上とすることが望ましい。本数が多いほうが、隙間が生ずることがなく、また接続抵抗を下げる上で効果的である。
【００５２】
次に、接続用超電導線材１４を配置した構造にテフロン（登録商標）テープを巻き、間に熱電対を挿入し、その上にヒータを巻き、更にその上に断熱材を巻いて、超電導線材１１ａ，１１ｂの接続の準備が完了する。
【００５３】
そして、ヒータの電源をＯＮにし、接続部の加熱を開始し、熱電対により測定される温度が、例えば２００℃に到達した時点、あるいは数秒から数十秒保持した後に、ヒータの電源をＯＦＦとする。このような加熱により半田テープが溶融すると、超電導線材１１ａ，１１ｂの被接続端部と接続用超電導線材１４とが接着され、超電導線材１１ａ，１１ｂの接続が完了する。
【００５４】
次に、図３に示す端子ＣＤ間に電流を流し、端子ＡＢ間に発生した電圧から常温時の抵抗Ｒを算出し、上述した方法で良品、悪品の判定を行なう。悪品と判定された場合には、再度接続作業をやり直すが、良品と判定された場合には、接続部に透明フィルムを巻いて径を調整した後、２層目の超電導線材の接続を行なう。
【００５５】
本発明者らは、以上説明した手順により、３層の超電導線材を接続した試験を行った。ここで用いた超電導線材４（図５における超電導線材４と同様のテープ構造）は、ハステロイ（登録商標）基板上４ａに、中間層４ｂとしてIBAD-Gd2Zr2O7, PLD-CeO2を成膜し、超電導薄膜４ｃとしてＭＯＣＶＤ法によりＹＢＣＯを成膜し、更に、安定化層４ｄとして厚さ20μmのAg層を形成し、更に保護層４ｅとして厚さ100μmのCuを半田付けして形成したＹＢＣＯ線材を用いた。
【００５６】
１層目は、幅２ｍｍの超電導線材を２７本（全幅５４ｍｍ）、２層目は、幅２ｍｍの超電導線材を２８本（全幅５６ｍｍ）、３層目は、幅２ｍｍの超電導線材を２７本（全幅５４ｍｍ）をそれぞれ接続し、各層の室温下での抵抗を求めた。その結果、１層目から順に、２２０μΩ、２２０μΩ、２１０μΩであった。これらを幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗に換算すると、それぞれ１１８８μΩ、１２３２μΩ、１１３４μΩであった。これらの抵抗はいずれも、図４に示す良品、悪品の判定条件である１３００μΩより低く、いずれも良品と判定された。
【００５７】
また、液体窒素中での抵抗を求めた結果、１層目から順に、０．０２μΩ、０．０３μΩ、０．０１μΩであった。これらを幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗に換算すると、それぞれ０．１０８μΩ、０．１６８μΩ、０．０５４μΩであった。
【００５８】
これらの室温下での抵抗Ｒ及び液体窒素中での抵抗Ｒ０を図４の座標にプロットすると、図４において□で表されているように、いずれも良品の範囲にある。
【００５９】
以上のようにして、所定の複数層の超電導線材が接続されるが、その場合の接続部の位置は、図１（ｄ）に示すように、２層目を右に、３層目を左というように、千鳥状に配置することが望ましい。
【００６０】
次に、接続された超電導線材上の、絶縁層が除去されている位置に、空間が形成されることのないようにカーボン紙を巻きつけて径を調整することで、除去されていないそれ以外の絶縁層と同径となるようにカーボン紙で絶縁層を形成した後、超電導線材同士の接続と同様の手順で、絶縁層上で、超電導シールドを接続用超電導シールドを介して接続する。
【００６１】
即ち、図６に示すように、接続されるべきケーブル用超電導シールド８ａ，８ｂを、カールを戻して揃えた後、その間のカーボン紙上に第１の接続用超電導シールド１２ａをスパイラル状に巻く。この際、ケーブル用超電導シールド８ａ、８ｂとスパイラルピッチを合せることが望ましい。次いで、ケーブル用超電導シールド８ａ、８ｂの被接続端部と第１の接続用超電導シールド１２ａの両端とを突き合せる。そして、第２の接続用超電導シールド１２ｂ，１２ｃを突き合せ部に配置し、超電導線材同士の接続と同様にして、接続作業を行なう。常温下での抵抗の測定及び良品、悪品の判定は、超電導線材同士の接続と同様である。
【００６２】
本発明者らは、以上説明した手順により、ケーブル用超電導シールドを接続した試験を行った。ケーブル用超電導シールドは、幅２ｍｍの超電導線材を５２本（全幅１０４ｍｍ）であり、右側のケーブル用超電導シールド８ａと第１の接続用超電導シールド１２ａとの間の接続抵抗は、１１０μΩ、左側のケーブル用超電導シールド８ｂと第１の接続用超電導シールド１２ａとの間の接続抵抗は、１２０μΩであった。これらを幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗に換算すると、それぞれ１１４４μΩ、１２４８μΩであり、いずれも、図４に示す良品、悪品の判定条件である１３００μΩより低く、いずれも良品と判定された。
【００６３】
また、液体窒素中での抵抗を求めた結果、右側のケーブル用超電導シールド８ａと第１の接続用超電導シールド１２ａとの間の接続抵抗は、０．０１μΩであり、左側のケーブル用超電導シールド８ｂと第１の接続用超電導シールド１２ａとの間の接続抵抗も０．０１μΩであった。これらを幅１０ｍｍの超電導線材の抵抗に換算すると、いずれも０．１０４μΩであった。
【００６４】
これらの室温下での抵抗及び液体窒素中での抵抗は、図４において▽で表されている。
【００６５】
以上のようにして、１層のケーブル用超電導シールドが接続される。なお、多層のケーブル用超電導シールドを設けることも可能であり、そのような場合には、接続部の位置は、超電導線材同士の接続と同様に図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように配置することができ、特に、図１（ｄ）に示すように、２層目を左に、３層目を右というように、千鳥状に配置することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】（ａ）は比較例である。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ本発明の一実施形態に係る超電導ケーブルの多層の超電導線材における接続部の位置の配置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る超電導ケーブルの接続方法により接続された、超電導ケーブルの接続構造体を説明する断面図である。
【図３】本発明の更に他の実施形態に係る超電導ケーブルの接続構造体の良品、悪品の判定のための試料を示す図である。
【図４】良品及び悪品における接続構造の常温時の抵抗Ｒと液体窒素中の抵抗Ｒ０との関係を示す特性図である。
【図５】通常の超電導ケーブルの構造を示す図である。
【図６】超電導シールドの接続部の配置を示す図である。
【図７】従来の超電導ケーブルの接続構造体を示す断面図である。
【図８】従来の超電導ケーブルの接続構造体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
２，２ａ，２ｂ…フォーマ、２ｃ・・・溶接金属、３…複数の超電導導体層，４，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，…超電導線材、１４，１５，１５ａ，１５ｂ，１６，１６ａ，１６ｂ…接続用超電導線材、１７…第１接続部、１８…第２接続部、１９…第３接続部、２０…１層目の超電導導体層、２１…２層目の超電導導体層、２２…３層目の超電導導体層、７…絶縁層、８ａ，８ｂ…超電導シールド、９…保護層、１０…超電導ケーブルコア、１１…断熱管、１１ａ…内管、１１ｂ…断熱材、１１ｃ…外管、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…接続用超電導シールド。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォーマと、超電導線材とを具備し、前記超電導線材が前記フォーマ上に積層されて複数の超電導導体層を形成している超電導ケーブルの接続構造体であって、
前記超電導導体層のうち、１層目の超電導導体層は、前記超電導線材の接続端部同士が突合せて配置された突合せ部上において接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第１層接続部を有し、
前記超電導導体層のうち、２層目の超電導導体層は、前記第１層接続部と長手方向に異なる位置に、接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第２層接続部を少なくとも１箇所有している
ことを特徴とする超電導ケーブルの接続構造体。
【請求項２】
前記超電導導体層は３層からなり、前記超電導導体層のうち、３層目の超電導導体層は、前記第２層接続部と長手方向に異なる位置に接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第３層接続部を少なくとも１箇所有していることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの接続構造体。
【請求項３】
前記超電導導体層の接続部は１層につき1箇所形成されており、ケーブルの長手方向において千鳥状に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ケーブルの接続構造体。
【請求項４】
前記超電導線材及び接続用超電導線材は、基板と、超電導薄膜を含む通電層とを有し、
前記超電導導体層の接続部は、前記超電導線材の接続端部の通電層と、前記接続用超電導線材の通電層とが、半田により接着してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導ケーブルの接続構造体。
【請求項５】
フォーマと、超電導線材とを具備し、前記超電導線材が前記フォーマ上に積層されて複数の超電導導体層を形成している超電導ケーブルの接続方法において、
（ａ）前記超電導ケーブルの被接続端部の所定領域を露出させる工程、
（ｂ）接続部がそれ以外のフォーマの部分と同径となるように、前記露出したフォーマの先端同士を溶接する工程、
（ｃ）前記超電導線材の被接続端部同士を突合せる工程、
（ｄ）前記被接続端部の突合せ部に半田テープを巻回する工程、
（ｅ）前記突合せ部の半田テープを巻回した部分上に接続用超電導線材を配置する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程にておいて半田テープを巻回した部分を加熱して、前記超電導線材の被接続端部に接続用超電導線材を半田により接着し、１層目の超電導導体層を接続する工程、
（ｇ）前記１層目の超電導導体層の接続部上に、それ以外の絶縁層の部分と同径となるように、絶縁層を形成する工程、
（ｈ）２層目の超電導導体層において、前記１層目の接続部と長手方向に異なる位置で（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を行う工程、
（ｉ）前記（ｈ）工程にておいて半田テープを巻回した部分を加熱して、前記超電導線材の被接続端部に接続用超電導線材を半田により接着し、２層目の超電導導体層を接続する工程
を具備することを特徴とする超電導ケーブルの接続方法。
【請求項１】
フォーマと、超電導線材とを具備し、前記超電導線材が前記フォーマ上に積層されて複数の超電導導体層を形成している超電導ケーブルの接続構造体であって、
前記超電導導体層のうち、１層目の超電導導体層は、前記超電導線材の接続端部同士が突合せて配置された突合せ部上において接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第１層接続部を有し、
前記超電導導体層のうち、２層目の超電導導体層は、前記第１層接続部と長手方向に異なる位置に、接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第２層接続部を少なくとも１箇所有している
ことを特徴とする超電導ケーブルの接続構造体。
【請求項２】
前記超電導導体層は３層からなり、前記超電導導体層のうち、３層目の超電導導体層は、前記第２層接続部と長手方向に異なる位置に接続用超電導線材が前記超電導線材の各々の接続端部と電気的に接続された第３層接続部を少なくとも１箇所有していることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの接続構造体。
【請求項３】
前記超電導導体層の接続部は１層につき1箇所形成されており、ケーブルの長手方向において千鳥状に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ケーブルの接続構造体。
【請求項４】
前記超電導線材及び接続用超電導線材は、基板と、超電導薄膜を含む通電層とを有し、
前記超電導導体層の接続部は、前記超電導線材の接続端部の通電層と、前記接続用超電導線材の通電層とが、半田により接着してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導ケーブルの接続構造体。
【請求項５】
フォーマと、超電導線材とを具備し、前記超電導線材が前記フォーマ上に積層されて複数の超電導導体層を形成している超電導ケーブルの接続方法において、
（ａ）前記超電導ケーブルの被接続端部の所定領域を露出させる工程、
（ｂ）接続部がそれ以外のフォーマの部分と同径となるように、前記露出したフォーマの先端同士を溶接する工程、
（ｃ）前記超電導線材の被接続端部同士を突合せる工程、
（ｄ）前記被接続端部の突合せ部に半田テープを巻回する工程、
（ｅ）前記突合せ部の半田テープを巻回した部分上に接続用超電導線材を配置する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程にておいて半田テープを巻回した部分を加熱して、前記超電導線材の被接続端部に接続用超電導線材を半田により接着し、１層目の超電導導体層を接続する工程、
（ｇ）前記１層目の超電導導体層の接続部上に、それ以外の絶縁層の部分と同径となるように、絶縁層を形成する工程、
（ｈ）２層目の超電導導体層において、前記１層目の接続部と長手方向に異なる位置で（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を行う工程、
（ｉ）前記（ｈ）工程にておいて半田テープを巻回した部分を加熱して、前記超電導線材の被接続端部に接続用超電導線材を半田により接着し、２層目の超電導導体層を接続する工程
を具備することを特徴とする超電導ケーブルの接続方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２４０１００（Ｐ２００９−２４０１００Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８４８８９（Ｐ２００８−８４８８９）
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超電導応用基盤技術研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（３９１００４４８１）財団法人国際超電導産業技術研究センター (144)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超電導応用基盤技術研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（３９１００４４８１）財団法人国際超電導産業技術研究センター (144)
【Ｆターム（参考）】
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