変形能に優れた超伝導通電部材
【課題】酸化物超伝導材料を用いた、変形能に優れた超伝導通電材料を提供できるようにする。
【解決手段】渦巻き形状を有する酸化物超伝導体１、２が、弾性変形状態で銅電極３に接続されており、該酸化物超伝導体１、２が、引っ張り、曲げ応力に対し大きな変形が可能である変形能に優れた超伝導通電部材を提供する。
【解決手段】渦巻き形状を有する酸化物超伝導体１、２が、弾性変形状態で銅電極３に接続されており、該酸化物超伝導体１、２が、引っ張り、曲げ応力に対し大きな変形が可能である変形能に優れた超伝導通電部材を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦巻き形状を有する超伝導体を用いた変形能に優れた超伝導通電部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍機冷却による冷媒を必要としない超伝導マグネットが一般に広く普及している。これはＹ系及びＢｉ系に代表される高温酸化物超伝導材料を用いた電流リードによるところが大きい。これらの酸化物超伝導体は、液体窒素の沸点（７７Ｋ）を超える臨界温度を有することから、酸化物超伝導体の高温端（高温領域）を７０Ｋ程度に冷却することで、超伝導マグネットの冷却温度領域である約４Ｋ（１０Ｋ以下）への熱浸入を大幅に抑制することが可能にした。具体的には、酸化物超伝導体の低い熱伝導率と超伝導状態でのゼロ電気抵抗により、高温領域からの熱浸入と導体内での熱発生が、従来の銅リードに比べ格段に抑制されたためである。
【０００３】
電流リードに代表されるこのような酸化物超伝導材料を用いた通電部材は、Ｙ系又は希土類系材料を用いた物として、例えば、特許文献１、非特許文献１等に開示されている。また、Ｂｉ系材料を用いた物として、例えば、特許文献２、非特許文献２等に開示されている。
【０００４】
一方、渦巻き状の酸化物超伝導材料の加工法に関しては、特許文献３に開示されている。この特許文献３は、難加工性の酸化物超電導体を精密加工できる加工方法並びに精密加工された酸化物超電導素子に関するものであり、実施例等に渦巻き形状を有する超電導体の加工法について記載されている。しかしながら、特許文献３の発明の名称に記載されているように、電流リードではなく、磁場発生を目的とするマグネット用の素材としての使用が記載されている。なお、特許文献３には、渦巻き状の酸化物超伝導材料の弾性変形能又はこれを用いた通電部材の変形能等については、何も記載されていない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−４７２５９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０２１２号公報
【特許文献３】特開２００５−１９１５３８号公報
【非特許文献１】H. Teshima, M. Sawamura and H. Hosei, "Properties of a few hundred A class Y-B-C-O bulk current lead usable in magnetic fields", Physica C, Vol.378-381 (2002) p.827-832
【非特許文献２】Proceedings of the 4th International Symposium on Superconductivity （ISS'91） （Advances in Superconductivity IV）, October 14-17, 1991, Tokyo, p.621
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電流リードに代表される通電部材は、多くの場合、装置間又は端子間を電気的に接続するための部品であるので、通電部材その物が柔軟性を有することが望ましい。これは、柔軟性を有することにより、装置組立工程における自由度が増し、作業効率が向上する他、装置の移動に伴う衝撃の緩和や冷却による熱収縮で発生する応力の緩和等、通電部材を組み込んだ装置の信頼性向上をもたらすことができる。
【０００７】
しかしながら、酸化物超伝導材料は、銅等の金属材料に比べ延性、展性、剛性等の加工性が悪く、柔軟性（変形能）に欠けている。
【０００８】
本発明は前述の問題点に鑑み、酸化物超伝導材料を用いた、変形能に優れた超伝導通電材料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】
【０００９】
本発明の要旨は、素材として変形能に乏しい酸化物超伝導材料に対し、変形し易い形状を付与することで、酸化物超伝導材料を組み込んだ通電部材全体として、高い変形能を有する通電部材を提供するものであり、具体的には、以下のとおりである。
（１）渦巻き形状の酸化物超伝導体が弾性変形された状態で電極に接続されてなることを特徴とする変形能に優れた超伝導通電部材。
（２）前記渦巻き形状の酸化物超伝導体の弾性変形率(酸化物超伝導体の最大寸法に対する最大変位の割合)が３％以上であることを特徴とする（１）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（３）前記電極に複数の渦巻き形状の酸化物超伝導体が接続されてなり、前記酸化物超伝導体が互いに磁場を打ち消し合う方向に渦巻き方向が配置されてなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（４）通電方向又は電極間の方向の酸化物超伝導体の長さ又は電極間距離（Ｄ）が、通電方向又は電極間の方向と直交する方向の酸化物超伝導体の寸法（幅又は太さ：Ｗ）に対し、Ｗ＞Ｄであることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（５）通電方向の長さに対し直交する方向（幅又は太さ）の比率（幅／長さ：Ｗ／Ｄ）が１．５〜１０の範囲であることを特徴とする（４）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（６）前記渦巻き形状の酸化物超伝導体が、変形可能な形状を有する部材で覆われてなることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（７）前記酸化物超伝導体を覆う部材が蛇腹状の形状を有することを特徴とする（６）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（８）前記電極が、銅、銅合金、銀又は銀合金のいずれかであることを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（９）前記酸化物超伝導体が、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（ＲＥはＹを含む希土類元素又はそれらの組み合わせ、ｘは酸素欠損量）中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が微細分散した組織を有することを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（１０）前記酸化物超伝導体中に、銀又は銀化合物の１種以上が５〜２５体積％分散してなることを特徴とする（９）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（１１）少なくとも１つの方向に対し、３％以上の弾性変形領域を有することを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（１２）少なくとも１つの角度に対し、５°以上の弾性変形領域を有することを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高い変形能を有する超伝導通電部材を提供することにより、金属系超伝導マグネット及び酸化物系超伝導マグネット等の超伝導マグネットの設計・製造を容易にし、作業性・信頼性向上及びコスト低減等の効果があるとともに、マグネット以外に低温領域で比較的大きな電流を要する機器等に関しても同様の効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、前記課題に鑑み、変形能に乏しい酸化物超伝導体を用いながらも、通電部材全体としては高い柔軟性を有する超伝導通電部材を提供するものである。
【００１２】
酸化物超伝導材料は、基本的に脆性材料であるため、応力に対して割れやクラックの発生が生じやすく、特に、結晶構造が２次元的であるため、所謂ａ−ｂ面間でへき開を起こしやすい。また、酸化物超伝導材料は結晶粒界が超伝導的に弱結合となるため、十分な臨界電流密度特性を得るには、単結晶状の材料又は高度に配向した材料である必要があり、割れの問題が発生しやすい。しかしながら、このような脆性材料においても付与する形状によっては、全体として十分な変形能を与えることができる。
【００１３】
具体的には、薄い板状の酸化物超伝導体をサンドブラスト加工等により、図１に示すような渦巻き形状に加工することで外周端と内周端の位置関係において、ある程度の変位が、弾性変形領域内において可能となる。即ち、渦巻き形状を付与することで、超伝導体に割れ、クラック等の欠陥を発生させることなく、さらに十分な臨界電流密度特性を維持しつつ、変形させることが可能になる。このとき、図１には円に近い形状の渦巻き形状を示したが、四角形、六角形等の多角形の渦巻き形状としてもよい。
【００１４】
例えば、９０Ｋ級の臨界温度を有する希土類（ＲＥ）型酸化物超伝導材料において、高い臨界電流密度特性を有するＱＭＧ材料（単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5が微細分散した材料、ＲＥはＹを含む希土類元素又はそれらの組み合わせ、ｘは酸素欠損量）は、比較的強い圧縮応力下においても、３％の変形を与えた場合、確実に割れやクラックが発生し、特性劣化が起こる。
【００１５】
これに対して、図１に示すような渦巻き形状有する場合は、渦巻きの面内方向においても３％の変形に対して、割れ、クラック等が発生せず特性劣化も起こらない。さらには、渦巻き面と垂直方向においては外周端と内周端のとの変位は、１０％を超えた場合においても特性劣化が起こらない。この時の弾性変形率は、「酸化物超伝導体の最大寸法に対する最大変位の割合」として計算する。
【００１６】
また、図１に示すような渦巻き形状を有する厚さ１ｍｍのＱＭＧ材料の場合、割れやクラックを発生しない状態での最大の弾性変形率は、４２％であった。この最大弾性変形率は、巻き線の断面積が小さくなれば大きくなる傾向にある。しかしながら、断面積を極端に細くした場合、自重又は振動時の自重による加重に耐えられなくなるため、巻き線の断面積は１ｍｍ2超が望ましく、この場合、最大弾性変形率は８０％程度になる。
【００１７】
電流リード等の通電部材においては、その部材内において磁場の発生を避けることが望ましい。その理由としては、磁場の発生によって臨界電流密度特性が低下することや、誘導成分を最小にし、抵抗成分のみの通電部材とすることが電気回路上必要となることが多いからである。このような場合、渦巻きによって発生する磁場を打ち消し合うように、２枚の渦巻き状酸化物超伝導体を電気的に接続した超伝導体を用いることで、磁場の発生を抑制した通電部材が可能となる。
【００１８】
超伝導マグネットを小型軽量化するには、熱の浸入を防ぐ電流リードの熱絶縁特性を向上させるとともに、短尺化されていることが望ましい。即ち、通電方向の通電部材の長さは短いことが望まれる。このような状況は、図２に示すように、２つの銅電極３間に渦巻き状の酸化物超伝導体１、２を配置することによって可能になる。具体的には、通電方向と垂直方向に距離を稼ぐことにより高い熱絶縁性を得ることが可能となると同時に、通電部材全体を通電方向に対して短くすることが可能となる。このような配置においては、酸化物超伝導体の長さ（又は電極間距離）（Ｄ）が、通電方向又は電極間の方向と直交する方向の超伝導体の幅（Ｗ）に対し、より大きい（Ｗ＞Ｄ）ことになる。一方、ＤがＷに対して極端に小さい場合は、曲げ角度が十分に取れない状況になる。そこで、鋭意検討を重ねた結果、Ｗ／Ｄが１．５〜１０の範囲にあることが、より望ましいことを見出した。
【００１９】
通電部材中の酸化物超伝導体を覆う部材は、通電部材全体として高い変形能を付与するために、それ自身に高い変形能を有することが望ましい。例えば、図２の構成では、銅電極３間を結ぶ材料としてステンレス製の蛇腹加工されたベローズパイプ４を用いることで、銅電極３間の相対位置が変化しやすいようになっている。酸化物超伝導材料に渦巻き形状を付与し、かつ銅電極３間に変形しやすい形状のカバーを配置することによって、内部の酸化物超伝導材料を保護しつつ、通電部材全体に高い変形能を付与することが可能となる。なお、電極は銅、銅合金、銀又は銀合金のいずれか１つであることが望ましい。
【００２０】
電極３間を結ぶ酸化物超伝導材料には、Ｂｉ系やＲＥ系の焼結体やテープ線材等も使用可能であるが、磁場中の臨界電流密度特性及び取り扱いやすさの観点から、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5が微細分散したＱＭＧ材料が望ましい。さらには、銀又は銀化合物の粒子が５〜２５mass％分散していることが望ましい。これは、銀又は銀化合物粒子の存在により、酸化物超伝導材料自身の機械的強度の向上が可能となるためである。５％未満ではその効果が不十分であり、また２５％超では、超伝導相自身の体積分率が低下し、臨界電流密度特性を低下させてしまう可能性が高いため望ましくない。
【００２１】
図２に示すような構成を有する電流リード等の通電部材は、全体の長さの３％以上の引っ張りによる変形に対しても劣化はない。また、片持ち曲げ変形においても、図３に示す曲げ角度として５°以上の変形に対しても特性劣化はない。これに対し、例えば、棒状の超伝導材料が銅電極間に配置されている通常の電流リードでは、３％の伸び、及び５°の曲げ変形に対しては、確実に特性劣化が起こる。通電部材全体の最大の伸び率及び曲げ率に関しては、渦巻き状の超伝導の変形能からの制約ではなく、むしろ、カバーの変形能又は電極寸法等の設計上の制約で決まる。図３に示す通電部材の場合、伸び率はカバーの破壊、又は、電極とカバーとの接続部の破壊が律速条件となる。最大曲げ率に関しては、曲げに伴う電極間の接触及び電極とカバーとの接続部の破壊が律速条件となる。使用に際しての実質的な最大伸び率及び最大曲げ率は、それぞれ１５％以下、３０°以下となるよう設計することが望ましい。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
１０質量％の銀を添加した直径５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍのＧｄ系ＱＭＧ材料（単結晶状のＧｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x中にＧｄ2ＢａＣｕＯ5が微細分散した材料）をスライス切断し、直径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの超伝導ウエハーを作製した。ｃ軸はウエハー面の法線とほぼ一致していた。続いて、図１に示す、外径４４ｍｍの渦巻き形状に、サンドブラスト法を用いて加工した。同様にして、２枚作製した後、内周端及び外周端に銀をスパッタ法により製膜した。その後、酸素アニール処理を施し、渦巻き形状を有する酸化物超伝導材料１、２を作製した。
【００２３】
得られた渦巻き形状の酸化物超伝導体１、２を、図２に示すように、銅電極３間に通電により発生する磁場を打ち消し合うように配置した。この時、コイル内周端同士を半田接続するとともに、外周端（約１周分）をそれぞれ銅電極３に半田接続した。さらに、厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製の蛇腹加工されたベローズパイプ４により銅電極３間を覆うように銅電極３と半田接続した。
【００２４】
このようにして得られた通電部材中の酸化物超伝導体の弾性変形率は、１つの超伝導導体の最大寸法（４４ｍｍ）に対し、最大変位が１０ｍｍであり、弾性変形率として２２．７％となり、３％を超えている。また、電極間距離は、２０ｍｍ、超伝導体の幅は、４４ｍｍであり、Ｗ／Ｄは、２．２となり、１．５以上であった。
【００２５】
また、得られた通電部材を液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、５４０Ａの通電容量を有することを確認した。
【００２６】
次に、以上のように作製した通電部材に対し、電極の両端を引っ張る試験を実施した。通電部材の通電方向の長さ８０ｍｍに対して、２．５ｍｍの変位を与えた。このような引っ張り試験の後、液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、通電容量を測定したところ、引っ張り試験前の５４０Ａと同じであった。
【００２７】
さらにまた、片側の銅電極を固定し、もう一端の電極に対し通電方向に対して垂直方向に応力を加え、通電部材に対して曲げ試験を行なった。図３に示すように、６°の曲げを加えた後、液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、通電容量を測定したところ、曲げ試験前の５４０Ａと同じであった。
【００２８】
これらの結果から、この通電部材は、３．１％の引っ張り変形及び６°の曲げ変形に対しても、耐え得ることが明らかになった。
【００２９】
比較材として、棒状（２．０ｍｍ×１．０ｍｍ×４０ｍｍ）の酸化物超伝導体（本実施例と同一組成成分）を、前記渦巻き形状の酸化物超伝導体に換えて作製した通電部材を図４に示す。棒状超伝導体５の両端部各１０ｍｍは、銅電極３中の穴に埋め込まれ、半田接続された。得られた通電部材に対し、同様の引っ張り試験及び曲げ試験をそれぞれ実施したところ、０．５％の引っ張り変形及び１°の曲げ変形に対して、通電部材中の超伝導体は破壊し、ゼロ抵抗での導通が得られない状態にあった。
【００３０】
このことから、棒状の酸化物超伝導材料自体の弾性変形率は、引っ張りに対しては０．５％未満、曲げに対しては１°未満であることが分かった。これらのことから渦巻き形状を付与した酸化物超伝導体を有する通電部材は、高い変形能を有することが確かめられた。
【００３１】
（実施例２）
１４質量％の銀を添加した直径５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍのＧｄ（５０）−Ｄｙ（５０）系ＱＭＧ材料（単結晶状のＧｄ0.5Ｄｙ0.5Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x中にＧｄＤｙＢａＣｕＯ5が微細分散した材料）をスライス切断し、直径５０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの超伝導ウエハーを作製した。ｃ軸はウエハー面の法線とほぼ一致していた。続いて、図１に示す、外径４４ｍｍの渦巻き形状に、サンドブラスト法を用いて加工した。その後、内周端及び外周端に銀をスパッタ法により製膜した。
【００３２】
得られた渦巻き形状の酸化物超伝導体を、図５に示すように、銀電極６間の銀ペースト焼付け接続部７に接続されるように配置した。その後、コイル内周端及び外周端（約１周分）をそれぞれ銀電極６に銀ペーストにより接続した。超伝導体及び銀電極６に対して、約８８０℃で焼付け処理を行なった後、酸素アニール処理を施した。さらに、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３０４製の蛇腹加工されたベローズパイプ４により、銀電極６間を覆うように銀電極６と半田接続した。このようにして得られた通電部材中の酸化物超伝導体の弾性変形率は、１つの超伝導導体の最大寸法（４４ｍｍ）に対し、最大変位が１０ｍｍであり、弾性変形率として２２．７％であり、３％を超えている。また、電極間距離は１０ｍｍ、超伝導体の幅は４４ｍｍであり、Ｗ／Ｄは、４．４となり、１．５以上であった。
【００３３】
また、得られた通電部材を液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、５２０Ａの通電容量を有することを確認した。
【００３４】
次に、以上のように作製した通電部材に対し、銀電極６の両端を引っ張る試験を実施した。通電部材の通電方向の長さ７０ｍｍに対して、２．５ｍｍの変位を与えた。このような引っ張り試験の後、液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、通電容量を測定したところ、引っ張り試験前の５２０Ａと同じであった。
【００３５】
さらにまた、片側の銀電極を固定し、もう一端の電極に対し通電方向に対して垂直方向に応力を加え通電部材に対して曲げ試験を行なった。図３に示すような方法により、５．５°の曲げを加えた後、液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、通電容量を測定したところ、曲げ試験前の５２０Ａと同じであった。
【００３６】
これらのことから、この通電部材は、３．５％の引っ張り変形及び５．５°の曲げ変形に対しても、耐え得ることが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】渦巻き形状を付与したＱＭＧ材料（外周４４．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、内周１４．０ｍｍ）を示す図である。
【図２】渦巻き状ＱＭＧ材料を２枚接続し、銅電極間に配置した通電部材の構成例を示す図である。
【図３】曲げ応力の印加時における通電部材の変形の外観例を示す図である。
【図４】比較材に用いた棒状の超伝導材料及びこれを用いた通電部材の構成例を示す図である。
【図５】一つの渦巻き状ＱＭＧを銀電極間に配置した通電部材の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 渦巻き形状の酸化物超伝導体
２ 渦巻き形状の酸化物超伝導体
３ 銅電極
４ 蛇腹加工されたベローズパイプ
５ 棒状超伝導体
６ 銀電極
７ 銀ペースト焼付け接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦巻き形状を有する超伝導体を用いた変形能に優れた超伝導通電部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍機冷却による冷媒を必要としない超伝導マグネットが一般に広く普及している。これはＹ系及びＢｉ系に代表される高温酸化物超伝導材料を用いた電流リードによるところが大きい。これらの酸化物超伝導体は、液体窒素の沸点（７７Ｋ）を超える臨界温度を有することから、酸化物超伝導体の高温端（高温領域）を７０Ｋ程度に冷却することで、超伝導マグネットの冷却温度領域である約４Ｋ（１０Ｋ以下）への熱浸入を大幅に抑制することが可能にした。具体的には、酸化物超伝導体の低い熱伝導率と超伝導状態でのゼロ電気抵抗により、高温領域からの熱浸入と導体内での熱発生が、従来の銅リードに比べ格段に抑制されたためである。
【０００３】
電流リードに代表されるこのような酸化物超伝導材料を用いた通電部材は、Ｙ系又は希土類系材料を用いた物として、例えば、特許文献１、非特許文献１等に開示されている。また、Ｂｉ系材料を用いた物として、例えば、特許文献２、非特許文献２等に開示されている。
【０００４】
一方、渦巻き状の酸化物超伝導材料の加工法に関しては、特許文献３に開示されている。この特許文献３は、難加工性の酸化物超電導体を精密加工できる加工方法並びに精密加工された酸化物超電導素子に関するものであり、実施例等に渦巻き形状を有する超電導体の加工法について記載されている。しかしながら、特許文献３の発明の名称に記載されているように、電流リードではなく、磁場発生を目的とするマグネット用の素材としての使用が記載されている。なお、特許文献３には、渦巻き状の酸化物超伝導材料の弾性変形能又はこれを用いた通電部材の変形能等については、何も記載されていない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−４７２５９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０２１２号公報
【特許文献３】特開２００５−１９１５３８号公報
【非特許文献１】H. Teshima, M. Sawamura and H. Hosei, "Properties of a few hundred A class Y-B-C-O bulk current lead usable in magnetic fields", Physica C, Vol.378-381 (2002) p.827-832
【非特許文献２】Proceedings of the 4th International Symposium on Superconductivity （ISS'91） （Advances in Superconductivity IV）, October 14-17, 1991, Tokyo, p.621
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電流リードに代表される通電部材は、多くの場合、装置間又は端子間を電気的に接続するための部品であるので、通電部材その物が柔軟性を有することが望ましい。これは、柔軟性を有することにより、装置組立工程における自由度が増し、作業効率が向上する他、装置の移動に伴う衝撃の緩和や冷却による熱収縮で発生する応力の緩和等、通電部材を組み込んだ装置の信頼性向上をもたらすことができる。
【０００７】
しかしながら、酸化物超伝導材料は、銅等の金属材料に比べ延性、展性、剛性等の加工性が悪く、柔軟性（変形能）に欠けている。
【０００８】
本発明は前述の問題点に鑑み、酸化物超伝導材料を用いた、変形能に優れた超伝導通電材料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】
【０００９】
本発明の要旨は、素材として変形能に乏しい酸化物超伝導材料に対し、変形し易い形状を付与することで、酸化物超伝導材料を組み込んだ通電部材全体として、高い変形能を有する通電部材を提供するものであり、具体的には、以下のとおりである。
（１）渦巻き形状の酸化物超伝導体が弾性変形された状態で電極に接続されてなることを特徴とする変形能に優れた超伝導通電部材。
（２）前記渦巻き形状の酸化物超伝導体の弾性変形率(酸化物超伝導体の最大寸法に対する最大変位の割合)が３％以上であることを特徴とする（１）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（３）前記電極に複数の渦巻き形状の酸化物超伝導体が接続されてなり、前記酸化物超伝導体が互いに磁場を打ち消し合う方向に渦巻き方向が配置されてなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（４）通電方向又は電極間の方向の酸化物超伝導体の長さ又は電極間距離（Ｄ）が、通電方向又は電極間の方向と直交する方向の酸化物超伝導体の寸法（幅又は太さ：Ｗ）に対し、Ｗ＞Ｄであることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（５）通電方向の長さに対し直交する方向（幅又は太さ）の比率（幅／長さ：Ｗ／Ｄ）が１．５〜１０の範囲であることを特徴とする（４）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（６）前記渦巻き形状の酸化物超伝導体が、変形可能な形状を有する部材で覆われてなることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（７）前記酸化物超伝導体を覆う部材が蛇腹状の形状を有することを特徴とする（６）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（８）前記電極が、銅、銅合金、銀又は銀合金のいずれかであることを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（９）前記酸化物超伝導体が、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（ＲＥはＹを含む希土類元素又はそれらの組み合わせ、ｘは酸素欠損量）中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が微細分散した組織を有することを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（１０）前記酸化物超伝導体中に、銀又は銀化合物の１種以上が５〜２５体積％分散してなることを特徴とする（９）に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（１１）少なくとも１つの方向に対し、３％以上の弾性変形領域を有することを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
（１２）少なくとも１つの角度に対し、５°以上の弾性変形領域を有することを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高い変形能を有する超伝導通電部材を提供することにより、金属系超伝導マグネット及び酸化物系超伝導マグネット等の超伝導マグネットの設計・製造を容易にし、作業性・信頼性向上及びコスト低減等の効果があるとともに、マグネット以外に低温領域で比較的大きな電流を要する機器等に関しても同様の効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、前記課題に鑑み、変形能に乏しい酸化物超伝導体を用いながらも、通電部材全体としては高い柔軟性を有する超伝導通電部材を提供するものである。
【００１２】
酸化物超伝導材料は、基本的に脆性材料であるため、応力に対して割れやクラックの発生が生じやすく、特に、結晶構造が２次元的であるため、所謂ａ−ｂ面間でへき開を起こしやすい。また、酸化物超伝導材料は結晶粒界が超伝導的に弱結合となるため、十分な臨界電流密度特性を得るには、単結晶状の材料又は高度に配向した材料である必要があり、割れの問題が発生しやすい。しかしながら、このような脆性材料においても付与する形状によっては、全体として十分な変形能を与えることができる。
【００１３】
具体的には、薄い板状の酸化物超伝導体をサンドブラスト加工等により、図１に示すような渦巻き形状に加工することで外周端と内周端の位置関係において、ある程度の変位が、弾性変形領域内において可能となる。即ち、渦巻き形状を付与することで、超伝導体に割れ、クラック等の欠陥を発生させることなく、さらに十分な臨界電流密度特性を維持しつつ、変形させることが可能になる。このとき、図１には円に近い形状の渦巻き形状を示したが、四角形、六角形等の多角形の渦巻き形状としてもよい。
【００１４】
例えば、９０Ｋ級の臨界温度を有する希土類（ＲＥ）型酸化物超伝導材料において、高い臨界電流密度特性を有するＱＭＧ材料（単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5が微細分散した材料、ＲＥはＹを含む希土類元素又はそれらの組み合わせ、ｘは酸素欠損量）は、比較的強い圧縮応力下においても、３％の変形を与えた場合、確実に割れやクラックが発生し、特性劣化が起こる。
【００１５】
これに対して、図１に示すような渦巻き形状有する場合は、渦巻きの面内方向においても３％の変形に対して、割れ、クラック等が発生せず特性劣化も起こらない。さらには、渦巻き面と垂直方向においては外周端と内周端のとの変位は、１０％を超えた場合においても特性劣化が起こらない。この時の弾性変形率は、「酸化物超伝導体の最大寸法に対する最大変位の割合」として計算する。
【００１６】
また、図１に示すような渦巻き形状を有する厚さ１ｍｍのＱＭＧ材料の場合、割れやクラックを発生しない状態での最大の弾性変形率は、４２％であった。この最大弾性変形率は、巻き線の断面積が小さくなれば大きくなる傾向にある。しかしながら、断面積を極端に細くした場合、自重又は振動時の自重による加重に耐えられなくなるため、巻き線の断面積は１ｍｍ2超が望ましく、この場合、最大弾性変形率は８０％程度になる。
【００１７】
電流リード等の通電部材においては、その部材内において磁場の発生を避けることが望ましい。その理由としては、磁場の発生によって臨界電流密度特性が低下することや、誘導成分を最小にし、抵抗成分のみの通電部材とすることが電気回路上必要となることが多いからである。このような場合、渦巻きによって発生する磁場を打ち消し合うように、２枚の渦巻き状酸化物超伝導体を電気的に接続した超伝導体を用いることで、磁場の発生を抑制した通電部材が可能となる。
【００１８】
超伝導マグネットを小型軽量化するには、熱の浸入を防ぐ電流リードの熱絶縁特性を向上させるとともに、短尺化されていることが望ましい。即ち、通電方向の通電部材の長さは短いことが望まれる。このような状況は、図２に示すように、２つの銅電極３間に渦巻き状の酸化物超伝導体１、２を配置することによって可能になる。具体的には、通電方向と垂直方向に距離を稼ぐことにより高い熱絶縁性を得ることが可能となると同時に、通電部材全体を通電方向に対して短くすることが可能となる。このような配置においては、酸化物超伝導体の長さ（又は電極間距離）（Ｄ）が、通電方向又は電極間の方向と直交する方向の超伝導体の幅（Ｗ）に対し、より大きい（Ｗ＞Ｄ）ことになる。一方、ＤがＷに対して極端に小さい場合は、曲げ角度が十分に取れない状況になる。そこで、鋭意検討を重ねた結果、Ｗ／Ｄが１．５〜１０の範囲にあることが、より望ましいことを見出した。
【００１９】
通電部材中の酸化物超伝導体を覆う部材は、通電部材全体として高い変形能を付与するために、それ自身に高い変形能を有することが望ましい。例えば、図２の構成では、銅電極３間を結ぶ材料としてステンレス製の蛇腹加工されたベローズパイプ４を用いることで、銅電極３間の相対位置が変化しやすいようになっている。酸化物超伝導材料に渦巻き形状を付与し、かつ銅電極３間に変形しやすい形状のカバーを配置することによって、内部の酸化物超伝導材料を保護しつつ、通電部材全体に高い変形能を付与することが可能となる。なお、電極は銅、銅合金、銀又は銀合金のいずれか１つであることが望ましい。
【００２０】
電極３間を結ぶ酸化物超伝導材料には、Ｂｉ系やＲＥ系の焼結体やテープ線材等も使用可能であるが、磁場中の臨界電流密度特性及び取り扱いやすさの観点から、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5が微細分散したＱＭＧ材料が望ましい。さらには、銀又は銀化合物の粒子が５〜２５mass％分散していることが望ましい。これは、銀又は銀化合物粒子の存在により、酸化物超伝導材料自身の機械的強度の向上が可能となるためである。５％未満ではその効果が不十分であり、また２５％超では、超伝導相自身の体積分率が低下し、臨界電流密度特性を低下させてしまう可能性が高いため望ましくない。
【００２１】
図２に示すような構成を有する電流リード等の通電部材は、全体の長さの３％以上の引っ張りによる変形に対しても劣化はない。また、片持ち曲げ変形においても、図３に示す曲げ角度として５°以上の変形に対しても特性劣化はない。これに対し、例えば、棒状の超伝導材料が銅電極間に配置されている通常の電流リードでは、３％の伸び、及び５°の曲げ変形に対しては、確実に特性劣化が起こる。通電部材全体の最大の伸び率及び曲げ率に関しては、渦巻き状の超伝導の変形能からの制約ではなく、むしろ、カバーの変形能又は電極寸法等の設計上の制約で決まる。図３に示す通電部材の場合、伸び率はカバーの破壊、又は、電極とカバーとの接続部の破壊が律速条件となる。最大曲げ率に関しては、曲げに伴う電極間の接触及び電極とカバーとの接続部の破壊が律速条件となる。使用に際しての実質的な最大伸び率及び最大曲げ率は、それぞれ１５％以下、３０°以下となるよう設計することが望ましい。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
１０質量％の銀を添加した直径５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍのＧｄ系ＱＭＧ材料（単結晶状のＧｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x中にＧｄ2ＢａＣｕＯ5が微細分散した材料）をスライス切断し、直径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの超伝導ウエハーを作製した。ｃ軸はウエハー面の法線とほぼ一致していた。続いて、図１に示す、外径４４ｍｍの渦巻き形状に、サンドブラスト法を用いて加工した。同様にして、２枚作製した後、内周端及び外周端に銀をスパッタ法により製膜した。その後、酸素アニール処理を施し、渦巻き形状を有する酸化物超伝導材料１、２を作製した。
【００２３】
得られた渦巻き形状の酸化物超伝導体１、２を、図２に示すように、銅電極３間に通電により発生する磁場を打ち消し合うように配置した。この時、コイル内周端同士を半田接続するとともに、外周端（約１周分）をそれぞれ銅電極３に半田接続した。さらに、厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製の蛇腹加工されたベローズパイプ４により銅電極３間を覆うように銅電極３と半田接続した。
【００２４】
このようにして得られた通電部材中の酸化物超伝導体の弾性変形率は、１つの超伝導導体の最大寸法（４４ｍｍ）に対し、最大変位が１０ｍｍであり、弾性変形率として２２．７％となり、３％を超えている。また、電極間距離は、２０ｍｍ、超伝導体の幅は、４４ｍｍであり、Ｗ／Ｄは、２．２となり、１．５以上であった。
【００２５】
また、得られた通電部材を液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、５４０Ａの通電容量を有することを確認した。
【００２６】
次に、以上のように作製した通電部材に対し、電極の両端を引っ張る試験を実施した。通電部材の通電方向の長さ８０ｍｍに対して、２．５ｍｍの変位を与えた。このような引っ張り試験の後、液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、通電容量を測定したところ、引っ張り試験前の５４０Ａと同じであった。
【００２７】
さらにまた、片側の銅電極を固定し、もう一端の電極に対し通電方向に対して垂直方向に応力を加え、通電部材に対して曲げ試験を行なった。図３に示すように、６°の曲げを加えた後、液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、通電容量を測定したところ、曲げ試験前の５４０Ａと同じであった。
【００２８】
これらの結果から、この通電部材は、３．１％の引っ張り変形及び６°の曲げ変形に対しても、耐え得ることが明らかになった。
【００２９】
比較材として、棒状（２．０ｍｍ×１．０ｍｍ×４０ｍｍ）の酸化物超伝導体（本実施例と同一組成成分）を、前記渦巻き形状の酸化物超伝導体に換えて作製した通電部材を図４に示す。棒状超伝導体５の両端部各１０ｍｍは、銅電極３中の穴に埋め込まれ、半田接続された。得られた通電部材に対し、同様の引っ張り試験及び曲げ試験をそれぞれ実施したところ、０．５％の引っ張り変形及び１°の曲げ変形に対して、通電部材中の超伝導体は破壊し、ゼロ抵抗での導通が得られない状態にあった。
【００３０】
このことから、棒状の酸化物超伝導材料自体の弾性変形率は、引っ張りに対しては０．５％未満、曲げに対しては１°未満であることが分かった。これらのことから渦巻き形状を付与した酸化物超伝導体を有する通電部材は、高い変形能を有することが確かめられた。
【００３１】
（実施例２）
１４質量％の銀を添加した直径５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍのＧｄ（５０）−Ｄｙ（５０）系ＱＭＧ材料（単結晶状のＧｄ0.5Ｄｙ0.5Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x中にＧｄＤｙＢａＣｕＯ5が微細分散した材料）をスライス切断し、直径５０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの超伝導ウエハーを作製した。ｃ軸はウエハー面の法線とほぼ一致していた。続いて、図１に示す、外径４４ｍｍの渦巻き形状に、サンドブラスト法を用いて加工した。その後、内周端及び外周端に銀をスパッタ法により製膜した。
【００３２】
得られた渦巻き形状の酸化物超伝導体を、図５に示すように、銀電極６間の銀ペースト焼付け接続部７に接続されるように配置した。その後、コイル内周端及び外周端（約１周分）をそれぞれ銀電極６に銀ペーストにより接続した。超伝導体及び銀電極６に対して、約８８０℃で焼付け処理を行なった後、酸素アニール処理を施した。さらに、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３０４製の蛇腹加工されたベローズパイプ４により、銀電極６間を覆うように銀電極６と半田接続した。このようにして得られた通電部材中の酸化物超伝導体の弾性変形率は、１つの超伝導導体の最大寸法（４４ｍｍ）に対し、最大変位が１０ｍｍであり、弾性変形率として２２．７％であり、３％を超えている。また、電極間距離は１０ｍｍ、超伝導体の幅は４４ｍｍであり、Ｗ／Ｄは、４．４となり、１．５以上であった。
【００３３】
また、得られた通電部材を液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、５２０Ａの通電容量を有することを確認した。
【００３４】
次に、以上のように作製した通電部材に対し、銀電極６の両端を引っ張る試験を実施した。通電部材の通電方向の長さ７０ｍｍに対して、２．５ｍｍの変位を与えた。このような引っ張り試験の後、液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、通電容量を測定したところ、引っ張り試験前の５２０Ａと同じであった。
【００３５】
さらにまた、片側の銀電極を固定し、もう一端の電極に対し通電方向に対して垂直方向に応力を加え通電部材に対して曲げ試験を行なった。図３に示すような方法により、５．５°の曲げを加えた後、液体窒素中（７７Ｋ）で冷却し、通電容量を測定したところ、曲げ試験前の５２０Ａと同じであった。
【００３６】
これらのことから、この通電部材は、３．５％の引っ張り変形及び５．５°の曲げ変形に対しても、耐え得ることが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】渦巻き形状を付与したＱＭＧ材料（外周４４．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、内周１４．０ｍｍ）を示す図である。
【図２】渦巻き状ＱＭＧ材料を２枚接続し、銅電極間に配置した通電部材の構成例を示す図である。
【図３】曲げ応力の印加時における通電部材の変形の外観例を示す図である。
【図４】比較材に用いた棒状の超伝導材料及びこれを用いた通電部材の構成例を示す図である。
【図５】一つの渦巻き状ＱＭＧを銀電極間に配置した通電部材の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 渦巻き形状の酸化物超伝導体
２ 渦巻き形状の酸化物超伝導体
３ 銅電極
４ 蛇腹加工されたベローズパイプ
５ 棒状超伝導体
６ 銀電極
７ 銀ペースト焼付け接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
渦巻き形状の酸化物超伝導体が弾性変形された状態で電極に接続されてなることを特徴とする変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項２】
前記渦巻き形状の酸化物超伝導体の弾性変形率（酸化物超伝導体の最大寸法に対する最大変位の割合）が３％以上であることを特徴とする請求項１に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項３】
前記電極に複数の渦巻き形状の酸化物超伝導体が接続されてなり、前記酸化物超伝導体が互いに磁場を打ち消し合う方向に渦巻き方向が配置されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項４】
通電方向又は電極間の方向の酸化物超伝導体の長さ又は電極間距離（Ｄ）が、通電方向又は電極間の方向と直交する方向の酸化物超伝導体の寸法（幅又は太さ：Ｗ）に対し、Ｗ＞Ｄであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項５】
通電方向の長さに対し直交する方向（幅又は太さ）の比率（幅／長さ：Ｗ／Ｄ）が１．５〜１０の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項６】
前記渦巻き形状の酸化物超伝導体が、変形可能な形状を有する部材で覆われてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項７】
前記酸化物超伝導体を覆う部材が蛇腹状の形状を有することを特徴とする請求項６に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項８】
前記電極が、銅、銅合金、銀又は銀合金のいずれか１つであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項９】
前記酸化物超伝導体が、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（ＲＥはＹを含む希土類元素又はそれらの組み合わせ、ｘは酸素欠損量）中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が微細分散した組織を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項１０】
前記酸化物超伝導体中に、銀又は銀化合物の１種以上が５〜２５体積％分散してなることを特徴とする請求項９に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項１１】
少なくとも１つの方向に対し、３％以上の弾性変形領域を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項１２】
少なくとも１つの角度に対し、５°以上の弾性変形領域を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項１】
渦巻き形状の酸化物超伝導体が弾性変形された状態で電極に接続されてなることを特徴とする変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項２】
前記渦巻き形状の酸化物超伝導体の弾性変形率（酸化物超伝導体の最大寸法に対する最大変位の割合）が３％以上であることを特徴とする請求項１に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項３】
前記電極に複数の渦巻き形状の酸化物超伝導体が接続されてなり、前記酸化物超伝導体が互いに磁場を打ち消し合う方向に渦巻き方向が配置されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項４】
通電方向又は電極間の方向の酸化物超伝導体の長さ又は電極間距離（Ｄ）が、通電方向又は電極間の方向と直交する方向の酸化物超伝導体の寸法（幅又は太さ：Ｗ）に対し、Ｗ＞Ｄであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項５】
通電方向の長さに対し直交する方向（幅又は太さ）の比率（幅／長さ：Ｗ／Ｄ）が１．５〜１０の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項６】
前記渦巻き形状の酸化物超伝導体が、変形可能な形状を有する部材で覆われてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項７】
前記酸化物超伝導体を覆う部材が蛇腹状の形状を有することを特徴とする請求項６に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項８】
前記電極が、銅、銅合金、銀又は銀合金のいずれか１つであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項９】
前記酸化物超伝導体が、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（ＲＥはＹを含む希土類元素又はそれらの組み合わせ、ｘは酸素欠損量）中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が微細分散した組織を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項１０】
前記酸化物超伝導体中に、銀又は銀化合物の１種以上が５〜２５体積％分散してなることを特徴とする請求項９に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項１１】
少なくとも１つの方向に対し、３％以上の弾性変形領域を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【請求項１２】
少なくとも１つの角度に対し、５°以上の弾性変形領域を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変形能に優れた超伝導通電部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１１７８８３（Ｐ２００８−１１７８８３Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９８６０４（Ｐ２００６−２９８６０４）
【出願日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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