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発明の名称 圧着用スリーブ材および接続体
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−104027
公開日 平成6年(1994)4月15日
出願番号 特願平4−247551
出願日 平成4年(1992)9月17日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 服巻 孝 / 鴨志田 陸男 / 佐藤 知絵 / 中村 満夫 / 斉藤 利幸
要約 目的


構成
接続用安定化材のCuは外径¢9mmで、穴径¢2.2mm の、全体のHvを約40に調整したスリーブ材を用いた。被接続の超電導線7,8はNb−Ti系で直径1.0mm のもので、フィラメント9,10は直径0.078mm が24本、接続補助フィラメント11は、直径0.035mm の1060本を用いた。フィラメント11をフィラメント9,10の周りに包み込むように配置した後押圧し、Cuスリーブの板厚を6.4mm に成型した。
特許請求の範囲
【請求項1】安定化材中に複数のフィラメントが埋設されている超電導線を薬品で安定化材を溶かし、その結果、露出された前記フィラメント同士を圧着用スリーブで圧着するスリーブ材において、前記フィラメントを包み込む前記スリーブ材の硬度Hv30〜60にあらかじめ処理したことを特徴とする圧着用スリーブ材。
【請求項2】請求項1において、前記スリーブ材は、前記フィラメントと接触する部分の穴径の2倍の範囲を硬度Hv30〜60にコントロールし、その周りが硬度Hv60より高い硬度の硬度勾配を有する圧着用スリーブ材。
【請求項3】請求項1において、前記スリーブ材は前記フィラメントと接触する部分の穴径の2倍の範囲をアルミニウム材とし、その外側を銅材で複合化した圧着用スリーブ材。
【請求項4】請求項1において、前記スリーブ材は穴径の3倍以上の外径形状を有する圧着用スリーブ材。
【請求項5】請求項1,2または3において、前記圧着用スリーブにより、前記フィラメントを圧着し接続した接続体。
【請求項6】請求項1,2または3に記載の前記圧着用スリーブにより、前記フィラメントと前記フィラメントを包み込む他の接続補助用のフィラメントを同時に圧着し、接続した接続体。
【請求項7】請求項4または5において、前記圧着用スリーブで圧着し接続した接続体は、10-12Ω以下の接続抵抗を有し、前記超電導線の臨界電流値の80%以上の臨界電流値を有する接続体。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属系の超電導線のフィラメント同士を接続するための圧着用スリーブに関する。
【0002】
【従来の技術】接続用超電導線は多数の超電導素線(以下、フィラメント)を銅(Cu)やアルミニウム(Al)のような安定化材料中に埋設し、所望の外径まで伸線加工を施したものを集積した超電導ファインマルチ線が使用されている。従来から知られている接続にはんだ付法,ろう付法,圧着法,溶接法等が試みられているが、いずれも接続部の電気抵抗が大きく、かつ通電時の発熱量が多くなるので、実用上問題があった。
【0003】超電導フィラメントの接続にはこれを改善するため特開昭59−16207 号公報に記載のように露出されたフィラメントが相互に重ねられて圧着用スリーブ内に収納されると共に、圧着用スリーブを介して押し圧することにより電気的導通状態にする方法が採られている。この接続方法は、接続すべき超電導線の安定化材を除去して露出させた超電導体フィラメントを、相互に重ねて接続用のスリーブ内に収納すると共にスリーブを介して圧着し、収納された超電導体フィラメントを相互に圧着,接続するものである。
【0004】しかし、この接続方法では、互いに接続しようとするフィラメントは、その外面の重なり合う部分しか接触せず、高い臨界電流値を確保するのが難しい。また、接続用のスリーブの硬さには考慮されておらず、フィラメントがスリーブにより断線すると言う問題があった。
【0005】更に超電導体のフィラメントの充填率を向上させるために特開昭62−234880号公報の超電導線の接合方法が提案されている。この方法は露出された芯線のそれぞれに連結用超電導線の露出された複芯を挾み合わせ、挾み合わせ部を一体に金属リングにより覆い、この金属リングを圧着して接合することを特徴とする。その例は連結用超電導線のフィラメントの先端部を超電導線の各安定化材の端部まで覆うように延材させ、この延材したフィラメントの先端に金属リングの端部が位置するようにして圧着している。この例のように超電導素線(フィラメント)が非常に少ない場合は、連結用超電導フィラメントを適用することは充填率を向上させるために有効である。しかし、接続用のスリーブの硬さは考慮されておらず、フィラメントがスリーブにより断線すると言う欠点があった。また、硬いスリーブのためフィラメント同士の密着性はまだ十分とは言えなかった。このような原因から接続抵抗値がばらつく問題があり、永久電流超電導線になっていない欠点があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術はフィラメントを押し圧する安定化材自身の硬さについて考慮されておらず、そのため真の超電導線同士の接続が達成されず、それに伴う永久的な電気特性にも問題があった。つまり、フィラメントをスリーブで押し圧して固定しているが、フィラメント同士の近接効果や分流損失等の防止を達成する接続までに至っていない。
【0007】本発明の目的は、フィラメント同士を近接させ、充填率を向上させた接続用安定化スリーブを提供することであり、さらにそのスリーブを使用して電流減衰率が著しく小さく長期安定した接続体等を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明は、安定化材中に複数の超電導素線(フィラメント)が埋設されている超電導線を薬品で安定化材を溶かし、その結果、露出されたフィラメント同士を圧着用スリーブで圧着するスリーブ材において、フィラメントを包み込む前記スリーブ材の硬度Hv30〜60にあらかじめ処理した圧着用スリーブ材を提供する。
【0009】前記圧着用スリーブ材は、フィラメントと接触する部分の穴径の2倍の範囲を硬度Hv30〜60にコントロールし、その周りがHv60より高い硬度になるように硬度勾配を有した圧着用スリーブ材である。
【0010】また、本発明は、前記スリーブ材はフィラメントと接触する部分の穴径の2倍の範囲をアルミニウム材とし、その外側を銅材で複合化した圧着用スリーブ材を提供する。スリーブ材の形状としては、穴径の約3倍以上を有することが必要である。その理由は、フィラメントの反発力を拘束するための必要量である。
【0011】更に、本発明は、前述した本発明の圧着用スリーブにより、前記フィラメント同士を圧着し接続した接続体を提供する。
【0012】また、本発明の圧着用スリーブにより、前記フィラメント同士と前記フィラメント同士を包み込む他の接続補助用のフィラメントを同時に圧着し、接続した接続体を提供する。
【0013】そして本発明の圧着用スリーブで圧着し接続した接続体は、10-12Ω以下の接続抵抗を有し、かつ前記超電導線の臨界電流値の80%以上の臨界電流値を有している接続体であることも本発明の特徴としている。
【0014】
【作用】本発明の超電導線の接続部分は、軟らかい圧着用スリーブにより超電導フィラメント同士が安定化材の中心部に集まり、フィラメント同士の接触と充填率が向上して密に接続されているため、フィラメント同士の近接効果が十分に得られる。圧着用スリーブとはどう言う作用をするか考えて見る。接続したいフィラメントとフィラメント、それを包み込む接続補助のフィラメントを圧着スリーブ中に挿入する。いま上下方向からの押し圧で圧着する方法を試みる。圧着用スリーブの中には安定化材中に複数の超電導素線が埋設されている超電導線が数mmは入り、フィラメントと一緒に押し圧され接続される。
【0015】超電導線の線径は種々あるが¢1.0mm、フィラメントは¢0.06mm、圧着用安定化材としてCuスリーブ(穴径:2.2mm )と仮定して考える。硬さの高い順序はフィラメント,超電導線,Cuスリーブとなる。Cuスリーブは線引き加工されており硬さは約110Hvである。硬度Hv110を有するCuスリーブが押し圧され、まず¢1.0mm の超電導線に接触する。超電導線は安定化Cuの中に超電導素線が埋設されており、なかなか潰れ難い。しかし、押し圧の増加と共に僅かに潰れ、Cuスリーブはこの系では最も軟らかいため横方向に延びながら次にフィラメントに接触し、フィラメント同士を押圧する。
【0016】Cuスリーブの内面はフィラメントを押し圧しながら塑性変形し段々に硬さは増加する。硬さが高くなったCuはフィラメントをスリーブの中心に向かって押圧する。そして押圧の進行と共に数mm入っている¢1.0mm の超電導線と近傍のフィラメントに大きな剪断応力が作用することになる。フィラメントの線径は0.06mm と小さく、硬くなったCuにより断線に追い込まれる現象が現われる。かと言ってフィラメントが断線しないように押圧を少なくするとフィラメントの充填率の低下及び部品として使用中にフィラメントが動き、接続抵抗を発生する原因となる。
【0017】そこでフィラメントを断線しないように、かつフィラメント同士の接触を向上させ、Cuスリーブ中のフィラメントの充填率を向上させるためには、Cuスリーブの硬さを制御することが必要であると考えた。ダイスにより線引きされて作製するCuスリーブは加工のため硬化している。Cuは300℃以上で再結晶を生じ、軟化して硬さを低下させる。熱処理温度により硬さを変化させ、種々の硬さのものについて圧着を試みた結果、Cuスリーブ内面の硬さはHv30〜60の範囲が良いことが判明した。硬さが従来硬さの約半分になると安定化Cuの伸び率は2倍以上になることも分かり、この伸びの増加により超電導フィラメントの剪断応力を緩和し、圧着端子自らが変形しながらフィラメント同士の接触を推し進めていく現象が明らかになった。
【0018】Cuスリーブの硬さは全体がHv30〜60になっている必要は無く、むしろフィラメントと接触する範囲だけが軟らかく、その外周は硬い方がより好ましい。すなわち、軟らかい内面でフィラメントを押圧してフィラメントを包み込み、外周の硬いCuでフィラメントの反発力を拘束するようにする。このようにスリーブの内面と外周の硬さを変えるには、Cu材の場合は、あなの開いた内面にレーザ,高周波,電子ビーム等により集中加熱して熱処理することにより達成される。また、内面にHv30〜50硬度のAl等を内面クラッド(外面はCu等)した複合材を適用しても、本発明は達成できる。
【0019】内面の軟らかい範囲は、挿入するフィラメントの量によるが実験の結果、穴径の約2倍の範囲相当が適当であることが分かった。すなわち、例えば、¢2.2mmの穴径の場合は、¢4.4mm の範囲を軟化させておけば良いことになる。その外周の径はスリーブ内径の約3倍以上が必要で、良好な拘束力が得られる。更に安定化させるためには4倍程の形状を適用した方がより好ましい。
【0020】低抵抗接続を達成するためには、フィラメント同士の密着性を密にする必要がある。安定化材の中空部にフィラメントを挿入して、二つ割りの金型等を用いて上下から加圧し、加圧力と充填率の関係を調査した。そして得られた継手を4端子法による臨界電流値を測定したところ、フィラメントの充填率は80%以上になっていれば臨界電流値の高い値が得られることが分かった。より安定した臨界電流値を得たい場合は充填率を90%程度とするのが良い。
【0021】以上の本発明で作製した接続部の電流減衰試験を実施したところ、30000s経過後にも電流の減衰は殆んどみられず、計算結果から10-13Ω 以下を示した。
【0022】このようにフィラメントの充填率を向上させ、低抵抗接続を達成するためには接続用安定化スリーブの材質が重要である。今までにCu及びAlについて述べたが、その他にAu,Ag等も適用出来、その純度は99.9% 以上の高純度である必要がある。
【0023】
【実施例】以下、本発明の圧着用スリーブ材及び接続体について実施例を示す。
【0024】圧着用スリーブ材の基本的な構造を示す。図1はスリーブ1の全面をHv40〜50(軟化)に調整したスリーブ2で、その中心に超電導線を挿入する穴3が設けてある。図2はスリーブ1の軟化層2とその外周4によって構成されている。図3はスリーブ1の軟化層にHv30〜60に相当するAl材5をCu材6にクラッドしたスリーブからなる。
【0025】図4は軟化したCuスリーブを用いた基本的な接続体を示す。図4(a)は接続前の断面状態を表わす。被接続の超電導線7及び8を軟化したCuスリーブ2の穴3に3mm程挿入する。その先は硝酸中で安定化Cuを除去したフィラメント(超電導素線)であり、超電導線7のフィラメント9及び超電導線8のフィラメント10が設置されている。その周りに包み込むように接続補助フィラメント11を配列させる。図4(b)は押圧後の断面状態を表わす。すなわち、超電導線7,8は軟化したスリーブ2で固定され、フィラメントの9,10および接続補助フィラメントの11も軟化安定化スリーブ2によって中心部に接続・固定される。
【0026】(実施例1)接続用安定化材のCuは外径¢9mmで、穴径¢2.2mm の、全体のHvを約40に調整したスリーブ材を用いた。被接続の超電導線はNb−Ti系で直径1.0mmのもので、フィラメントは直径0.075mmが24本、接続補助フィラメント11は、直径0.035mm の1060本を用いた。図4(a)のように配置した後押圧を加え、Cuスリーブの板厚を6.4mm に成型した。
【0027】(実施例2)接続用安定化材のCuは外径¢9.0,肉厚4.4mm,その内側の軟化層にHv40のAlをクラッドし、穴径2.2mm のものを用いた。被接続の超電導線並びにフィラメントの条件及び成型厚は実施例1と同様である。
【0028】(実施例3)接続用安定化材のCuは外径¢9mm,穴径¢2.2mm で、全体のHvを約40に調整したスリーブ材を用いた。被接続の超電導線は安定化銅中のNb−Ti系で直径1.0mmのもの(フィラメントは直径0.075mmが24本)と安定化Cu−Ni系中のNb−Ti系で直径1.0mmのもの(フィラメントは直径0.030mmの600本)を、接続補助フィラメント(直径0.035mmの1060本)11で包み込み、接続用スリーブ中に挿入して接続した。接続は図4(a)のように配置した後押圧を加え、Cuスリーブの板厚を6.4mm に成型した。
【0029】(比較例)接続用安定化材はCuで外径¢9.0mm,穴径2.4mmで全体のスリーブのHvは約110のものを用いた。被接続の超電導線並びにフィラメントの条件及び成型厚は実施例1と同様である。
【0030】以上の実施例及び比較例で用いた接続用スリーブ材と被接続の超電導線を組合わせ、押圧によって成型した接続体を断面顕微鏡組織観察した。実施例1で作製した接続体の断面を図5に示す。図5(a)は超電導線材7,8がスリーブに入ってる部分を、図5(b)はスリーブの中央部の接続状態を示す。
【0031】(a)に見られるように超電導線材7,8の周りに本発明のスリーブの安定化Cu1が周り込んでいる。超電導線同士もより近接し、空隙部分12は非常に少なくなっている。また外周部の接続補助フィラメント11はスリーブの内面に入り込み、より固定されていることが分かる。(b)ではフィラメント同士9及び10が近接し、その周りに接続補助フィラメント11が良好に近接しており空隙部分は非常に少なくフィラメント9とフィラメント10が良好に接続しているようすが明らかである。ここでも外周の接続補助のフィラメント11は軟化した安定化スリーブの内面に入り込み、固定化されていることも分かる。また、接続部のフィラメントの充填率は約90%であった。図5(a)近くのフィラメントは押圧により断線する様子は見られず、良好な接続をしていた。
【0032】図6に比較例で作製した接続体の断面を示す。図6(a)は超電導線材7及び8が安定化スリーブに入っている部分を、図6(b)はスリーブの中央部の接続状態を示す。(a)において超電導線7と8の周りに空隙部分12が見られ、フィラメントとフィラメントの間にも空隙12が形成されている。(b)でもフィラメント9とフィラメント10の間に実施例1と比べると空隙部分12が多く存在していることが明らかである。外周部の接続補助フィラメント11はスリーブの内面には余り入り込んではいない。すなわち、接続用安定化スリーブが硬く、かつ押圧により更に硬さが増加し、スリーブへの入り込みが少ないと考える。また、接続部のフィラメントの充填率は約70%であり、本発明と比較して大きく劣った。またフィラメントの充填率を向上させるために押圧を増したものは、図6(a)近くのフィラメント(接続用フィラメントと接続補助用フィラメントを含む)に剪断応力が作用し、断線しているフィラメントも観察され、十分な接続とは言えなかった。
【0033】以上の実施例及び比較例で接続した接続体について液体He中で無磁界(0T)及び磁界中(1.0T )の時の臨界電流値を測定した。その結果を図7に示す。測定はホルダーをU型とし、電圧端子間距離を15mmで測定した。図7から分かるように本発明の実施例で臨界電流値は夫々異なるが、超電導線の製造のばらつきから来るものである。また同じ実施例の中でもばらつきが若干見られるが、これは同じ磁界中の中で測定を繰り返して行ったことによる。いずれにしても比較例と比べいずれも臨界電流は高く、また、ばらつきの程度も小さい。これらの結果から本発明の接続用安定化スリーブ材を用い、そして圧着して接続した接続体は、著しく優れていることが分かる。
【0034】また、接続体の永久電流スイッチを設置した永久電流回路を作成し、接続部の減衰試験を行った。結果を図8に示す。図8から実施例の中でも電流の減衰がほとんど見られないのは実施例1及び2のものであり、実施例3のものは実施例1,2に比べ僅かに減衰しているが、永久電流モードを示していることから本発明の目標を達成している。本発明の電流減衰傾向から式に代入し計算すると、実施例1及び2の継手は<10-13Ωで、実施例3のものは<10-12Ωでありいずれも低抵抗継手であることが明らかになった。
【0035】その他の接続用安定化スリーブ材として、図2に示したようにCu材の中心部分をHv40程度に、その外周をHv90程度に調整した安定化スリーブ材を用いても、その接続体はフィラメントの接触を良くし、充填率が向上し、接続部分は<10-12 Ωであることを確認している。
【0036】更に、フィラメント同士を軟らかく接触させるにはフィラメントとフィラメントの間に安定化材を配置(芯材)して圧着することも本発明の範疇である。なお芯材としてはAl,Cu,Ag,Au,Pb−Sn,In,Bi系等も適用できる。
【0037】
【発明の効果】本発明の圧着用スリーブ及び接続体によれば、超電導フィラメント同士をより密に接触させて充填率を向上させるため、接続部は臨界電流値も大きく、永久電流モードになるので長時間安定して製品に適用することができる。




 

 


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