JP4901585B2 - 酸化物超電導電流リード - Google Patents

Description

本発明は、超電導を応用した低温機器に用いる酸化物超電導電流リードに関する。

超電導応用機器、例えば、超電導マグネットを運転する場合、マグネットを超電導状態とするために極低温に冷却する必要があり、この冷却方法として２つの方式が知られている。即ち、液体ヘリウムや液体窒素等の冷媒に浸漬する方式（浸漬冷却方式）と冷凍機や冷媒からの熱伝導を利用する方式（伝導冷却方式）である。この冷却したマグネットを励磁するためには、超電導コイルに電流を流さなければならず、電源から電流を供給するための電流リードが必要である。この場合、電流リードに、電気抵抗が低くかつ熱伝導率の大きい銅などの金属を使用すると、電流リード自体のジュール発熱に加え外部からの熱侵入により超電導マグネットの冷却効率が悪くなるという問題があった。特に、冷凍機を用いた伝導冷却方式の場合にこの傾向は顕著であり、冷却が不可能となる場合も生ずる。

この問題を解決するために、電気抵抗が低く、かつ熱伝導率の小さい酸化物超電導体を電流リードとして使用することにより、電流を供給しつつ、熱侵入量を低く抑えることが可能となった。この場合、超電導電流リードに使用される超電導体として、酸化物超電導体のバルク体や、超電導体部分の臨界電流密度（Ｊｃ）の高い銀あるいは銀合金により被覆された銀シース線材が用いられてきており、銀マトリックス中に超電導フィラメントの多数本を配置したテープ状の電流リードが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

前者の酸化物超電導体のバルク体を電流リードに使用した場合、バルク体が脆く、かつ機械的強度が小さいため、その製作及び使用上の間題を生ずる。また、後者の銀あるいは銀合金シース線材は、結晶の配向性を高めるためには圧延加工を施してテープ状に形成する必要があり、そのため、ある程度の厚さの銀あるいは銀合金シースが必要となり、シース材が熱伝導率の非常に高い銀あるいは銀合金であるため、電流リード自体の熱伝導率が大きくなる結果をもたらすという難点がある。

一方、電流リードとして、金属基板上に酸化物超電導層を設けたテープ状の超電導体を用いることが検討されており、酸化物超電導体と銀テープを交互に積層したテープ状の超電導電流リードが知られている（例えば、特許文献２及び３参照。）。この場合においても、電流リード自体の熱伝導率が大きくなるという問題がある。

さらに、金属基板上に形成された中間層と、中間層の上に形成された酸化物超電導層と、酸化物超電導層の上に形成された安定化層を有するテープ状酸化物超電導線材（以後、コーテッドコンダクターと称する。）が知られている（例えば、特許文献４参照。）。

このコーテッドコンダクターは、高い臨界電流値を有する上、金属基板として通常使用されているＮｉ基合金基板は、銀あるいは銀合金と比較すると、その熱伝導率は１／４程度と小さく、また、このＮｉ基合金基板の機械的強度は非常に大きいこともあり、このコーテッドコンダクターは、酸化物超電導電流リードへの適用に非常に適した線材であるといえる。

しかしながら、この場合、酸化物超電導体のＪｃを向上させるためには結晶粒のｃ軸を膜面（テープ面）に垂直に配向させる必要があり、また、コーテッドコンダクターは磁界印加角度依存性が非常に高いため、テープ面に垂直方向の磁界が印加されると、テープ面に対して平行（超電導結晶粒のａ−ｂ面に平行）方向に磁界を印加した場合と比較して、Ｊｃが極端に低下するという問題がある（例えば、７７Ｋ、１Ｔにおいて、１／４〜１／３程度まで低下する）。

特開平９−１１５３５６号公報 特開平５−２４３０４４号公報 特開平６−２８９３０号公報 特開２００４−１７１８４１号公報

以上述べたように、コーテッドコンダクターは、電流リードへの適用に非常に適した線材であるが、テープ状の酸化物超電導体を用いた超電導マグネットの端末部分と電源の接続部分の構造及び位置関係から電流リードとして使用した場合に、電流リードのテープ面が超電導マグネットにより印加される磁界方向に対して垂直とならざるを得ない場合があり、この場合には、上述のように、Ｊｃが極端に低下するという問題があった。さらに、コーテッドコンダクターのみで電流リードを形成したときには機械的強度をさらに向上させる必要があり、この場合には、同時に熱伝導量を低減させる必要があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、電流リードの機械的強度の向上、熱伝導量の低減及び磁界印加角度依存性の低減を達成することのできる超電導電流リードを提供することをその目的としている。

以上の問題を解決するために、本発明の酸化物超電導電流リードは、酸化物超電導機器と電力供給源とを接続するための電流リードであって、この電流リードは、平板上の電極の一端にフランジを備えた低抵抗金属からなる一対の電極部材と、この電極部材の一対をフランジを対向させて配置し、フランジ間を結合する低熱伝導率材料からなる支持部材と、両電極に電気的に接続されたテープ状の酸化物超電導線材とを備え、このテープ状の酸化物超電導線材を、酸化物超電導機器により生成される磁界方向がテープ状の酸化物超電導線材のテープ面に平行となるように支持部材上に配置されるようにしたものである。

このように配置することによって、磁界印加角度依存性によるＪｃの極端な低下を防止することができる。このため、平板上の両電極とテープ状の酸化物超電導線材とを、両電極面とテープ面とが平行又は直角になるように配置することが行われる。この場合、テープ状の酸化物超電導線材の安定化層を、支持部材に密着あるいは接合して配置することが好ましい。

テープ状の酸化物超電導線材としては、基板上に中間層を介して超電導層及び安定化層を順次設けたＢｉ系やＹ系の超電導線材、例えば、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｙ（ここでＲＥは、Ｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｅｒ、Ｙｂから選択されたいずれか１種又は２種以上の元素を示す。）構造を有するもの、特にＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｙ（ＹＢＣＯ）超電導体により形成することが好適する。

上記のテープ状の酸化物超電導線材は、幅が１．０〜５．０ｍｍの範囲内にあり、かつ、酸化物超電導層の厚さが０．５〜３．０μｍの範囲内にあることが好ましい。この幅が１．０ｍｍ未満であると、酸化物超電導電流リードとしての通電容量を確保することが難しく、５．０ｍｍを超えると円柱状支持部材を使用した場合に支持部材に密着あるいは接合させることが困難となる。また厚さが０．５μｍ未満であると酸化物超電導電流リードとしての通電容量を確保することが難しく、３．０μｍを超えると酸化物超電導層の密度低下やクラック等の問題が発生する。

一方、安定化層の厚さは、０．０１〜０．２ｍｍの範囲内であることが好ましい。安定化層の厚さが０．０１ｍｍ未満であると、過電流や温度上昇等により超電導状態から常電導状惑に遷移したときに酸化物超電導層から安定化層に電流が分流して酸化物超電導層の焼損を防ぐ効果が喪失し、安定化材としての役割を果たすことが難しく、一方、厚さが０．２ｍｍを超えると熱侵入量が大きくなり、電流リードとしての性能が低下する。

また、両電極部材のフランジ及び支持部材は、電流リードの軸線に対する垂直な断面において、その外形が円形であり、かつ同径とすることによって、支持部材に密着あるいは接合して配置されるテープ状の酸化物超電導線材と両電極との半田等による接合を容易に行うことができる。支持部材は、円柱体又は円筒体のいずれの形状であってもよいが、電極部材を銅又は銅基合金により形成し、一方、支持部材を、ＧＦＲＰ、ステンレス合金、ニッケル基合金又はチタン合金等の非磁性体で、かつ低熱伝導率材料により形成することができる。

以上のことから、本発明の酸化物超電導電流リードのより好ましい実施態様として、酸化物超電導機器と電力供給源とを接続するための電流リードであって、この電流リードは、平板上の電極の一端に円形のフランジを備えた低抵抗金属からなる一対の電極部材と、この電極部材の一対をフランジを対向させて配置し、フランジ間を結合する両電極部材のフランジと同径の円柱体又は円筒体からなる非磁性体で、かつ低熱伝導率材料からなる支持部材と、両電極に電気的に接続されたテープ状の酸化物超電導線材とを備え、酸化物超電導機器により生成される磁界方向がテープ状の酸化物超電導線材のテープ面に平行となるように、両電極面とテープ面とが平行又は直角に配置されるとともに、テープ状の酸化物超電導線材の安定化層が支持部材上に密着あるいは接合して配置することができる。

本発明によれば、電流リードを、低熱伝導率材料からなる支持部材の両側に低抵抗金属からなる一対の電極部材を設け、この支持部材上に両電極を電気的に接続するテープ状の酸化物超電導線材とを備えた構成としたことにより、機械強度が大きく、かつ熱侵入量が小さい上、その配置を使用環境に合わせて変えることにより、磁界印加角度依存性の影響を低減させて自由に設置可能な酸化物超電導電流リードが得られる。

図１は、本発明の電流リード１を示したもので、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）はその正面図を示す。電流リード１は、銅又は銅基合金からなる一対の電極部材２、３と、電極部材の一対をフランジを対向させて配置しフランジ間を結合する支持部材４と、電極部材２、３間を電気的に接続するテープ状の酸化物超電導線材５、６とから構成されている。

電極部材２、３は、低抵抗金属からなり、酸化物超電導機器及び電力供給源との接続用の貫通孔２ａ、３ａを設けた平板上の電極２ｂ、３ｂと、それぞれ一端に円形のフランジ２ｃ、３ｃとを備えている。支持部材４は、電極部材２、３のフランジ２ｃ、３ｃと結合され、フランジ２ｃ、３ｃと同径の円柱体又は円筒体からなるＧＦＲＰやステンレス合金等の非磁性体で、かつ低熱伝導率材料から形成されている。

テープ状の酸化物超電導線材５、６は、図１（ａ）の矢印で示すように、半田等により電極部材２、３と電気的に接続され、テープ面が酸化物超電導機器により生成される磁界方向と平行となるように、即ち、平板上の電極２ｂ、３ｂとテープ面とが平行に配置されるように、テープ状の酸化物超電導線材５、６の安定化層が支持部材４に密着あるいは接合されている。

図２は、テープ状の酸化物超電導線材５´、６´のテープ面が、酸化物超電導機器により生成される磁界方向と垂直となるように、テープ状の酸化物超電導線材５´、６´の安定化層が支持部材４に密着あるいは接合されている電流リード１´の比較例を示したもので、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）はその正面図を示す。尚、同図において図１と同一部分は同符号で示した。

以下、本発明の実施例について説明する。

外径２０ｍｍ、内径１８ｍｍのＧＦＲＰ製の円筒状の支持部材の両端に、外径２０ｍｍの円形のフランジを備えた無酸素銅からなる電極部材を結合し、テープ状の酸化物超電導線材の４本を２本を１組とし隣接して、テープ状の酸化物超電導線材の安定化層を支持部材上に密着して、図１に示すように、半田により電極部材と電気的に接続した。

上記のテープ状の酸化物超電導線材は、ハステロイ基板上に、第１中間層としてＣｅ−Ｇｄ−Ｏ系酸化物層及び第２中間層としてＣｅ−Ｚｒ−Ｏ系酸化物層をＭＯＤ法により、さらに、第３中間層としてＣｅＯ_２酸化物層をＲＦスパッタ法により成膜した３層構造の中間層の上に、ＹＢＣＯ超電導層をＴＦＡ−ＭＯＤ法により膜厚１μｍに成膜して製造したもので、厚さ０．２ｍｍ、幅４．５ｍｍである。この電流リード１の臨界電流値（Ｉｃ）は、７７Ｋ、０Ｔで３０８Ａであった。

上記のようにして製造した電流リード１を、図１に示すように、磁界方向がテープ面に平行（平板上の電極面と平行）に、即ち、ＹＢＣＯ超電導層の（ａ−ｂ）面に平行に７７Ｋで１Ｔの磁界を印加した結果、そのＩｃは１２３Ａの値を示した。

比較例
テープ状の酸化物超電導線材の安定化層を支持部材上に密着して、図２に示すように、半田により電極部材と電気的に接続した他は、実施例と同様にして電流リード１´を製造した。
この電流リード１´の臨界電流値（Ｉｃ）は、７７Ｋ、０Ｔで３０２Ａであった。

上記のようにして製造した電流リード１´を、図２に示すように、磁界方向がテープ面に垂直（平板上の電極面と平行）に、即ち、ＹＢＣＯ超電導層の（ａ−ｂ）面に垂直に７７Ｋで１Ｔの磁界を印加した結果、そのＩｃは４５Ａの値を示した。

本発明による酸化物超電導電流リードは、電源から超電導応用機器へ電流を供給するための電流リードに使用することができる。

本発明の酸化物超電導電流リードの磁界方向がテープ状の酸化物超電導線材のテープ面に平行な場合の一実施例を示す平面図（ａ）、側面図（ｂ）、正面図（ｃ）である。 酸化物超電導電流リードの磁界方向がテープ状の酸化物超電導線材のテープ面に垂直な場合の比較例を示す平面図（ａ）、側面図（ｂ）、正面図（ｃ）である。

符号の説明

１、１´‥‥‥電流リード
２、３‥‥‥電極部材
２ａ、３ａ‥‥‥貫通孔
２ｂ、３ｂ‥‥‥平板上の電極
２ｃ、３ｃ‥‥‥フランジ
４‥‥‥支持部材
５、６、５´、６´‥‥‥テープ状の酸化物超電導線材

Claims (11)

1. 酸化物超電導機器と電力供給源とを接続するための電流リードであって、前記電流リードは、平板上の電極の一端にフランジを備えた低抵抗金属からなる一対の電極部材と、この電極部材の一対を前記フランジを対向させて配置し、前記フランジ間を結合する低熱伝導率材料からなる支持部材と、前記両電極に電気的に接続されたテープ状の酸化物超電導線材とを備え、前記テープ状の酸化物超電導線材を、前記酸化物超電導機器により生成される磁界方向が前記テープ状の酸化物超電導線材のテープ面に平行となるように前記支持部材上に配置したことを特徴とする酸化物超電導電流リード。
2. 平板上の両電極とテープ状の酸化物超電導線材とは、両電極面とテープ面とが平行又は直角に配置されていることを特徴とする請求項１記載の酸化物超電導電流リード。
3. テープ状の酸化物超電導線材は、基板上に中間層を介して超電導層及び安定化層を順次設けた超電導線材からなることを特徴とする請求項１又は２記載の酸化物超電導電流リード。
4. テープ状の酸化物超電導線材は、幅が１．０〜５．０ｍｍで、かつ、厚さが０．５〜３．０μｍの範囲内の超電導層を有することを特徴とする請求項３記載の酸化物超電導電流リード。
5. 安定化層の厚さは、０．０１〜０．２ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項３記載の酸化物超電導電流リード。
6. テープ状の酸化物超電導線材の安定化層は、支持部材に密着あるいは接合して配置されていることを特徴とする請求項３乃至５いずれか１項記載の酸化物超電導電流リード。
7. 両電極部材のフランジ及び支持部材は、電流リードの軸線に対する垂直な断面において、その外形が円形であり、かつ同径であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の酸化物超電導電流リード。
8. 支持部材は、円柱体又は円筒体からなることを特徴とする請求項７記載の酸化物超電導電流リード。
9. 支持部材は、非磁性体で、かつ低熱伝導率材料からなることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の酸化物超電導電流リード。
10. 電極部材は銅又は銅基合金からなり、一方、支持部材は、ＧＦＲＰ、ステンレス合金、ニッケル基合金又はチタン合金からなることを特徴とする請求項９記載の酸化物超電導電流リード。
11. 酸化物超電導機器と電力供給源とを接続するための電流リードであって、前記電流リードは、平板上の電極の一端に円形のフランジを備えた低抵抗金属からなる一対の電極部材と、この電極部材の一対を前記フランジを対向させて配置し、前記フランジ間を結合する両電極部材のフランジと同径の円柱体又は円筒体からなる非磁性体で、かつ低熱伝導率材料からなる支持部材と、前記両電極に電気的に接続されたテープ状の酸化物超電導線材とを備え、酸化物超電導機器により生成される磁界方向が前記テープ状の酸化物超電導線材のテープ面に平行となるように、前記両電極面とテープ面とが平行又は直角に配置されるとともに、前記テープ状の酸化物超電導線材の安定化層が支持部材上に密着あるいは接合して配置されていることを特徴とする酸化物超電導電流リード。

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