説明

酸化物超電導電流リード

【課題】可撓性及び機械的特性に優れ、熟伝導量を低減させた酸化物超電導電流リードを提供する。
【解決手段】SUS等からなる可撓性を有するコルゲート管等のパイプ状の支持部材(フォーマー)2の両側に、それぞれセラミック等の電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材3a、3bを介して接続された電極4a、4bと、支持部材2の外周にカプトンテープ等の絶縁テープを介して並列に非固定状態で巻回された複数本のテープ状の酸化物超電導線材5により電流リード1が構成される。テープ状の酸化物超電導線材5の基板面を外側にして支持部材2の外周に巻回することにより、曲げ歪が印加されたときの超電導特性の低下を抑制することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導を応用した低温機器、例えば、超電導マグネットに電源から電流を供給するための超電導電流リードに関する。
【背景技術】
【0002】
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、電流リードは導電体であることが必要であるが、電気抵抗が小さくかつ熱伝導率の大きいCuやAl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り、超電導状態を維持するためには冷却コストが膨大に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。
【0003】
この問題を解決するためには、超電導マグネットに用いる電流リードとして、導電性と低熱伝導性を両立させる必要があり、超電導マグネットでは電流リード部分も液体窒素温度以下に冷却されるため、電気抵抗及び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る。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、Bi(2223)系あるいはBi(2212)系等のBi系とYBaCuに代表されるRe系酸化物超電導体のバルク体を棒状あるいは円筒状に成型したものや、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。)。
【0004】
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。即ち、バルク体自身には可撓性がなく一定以上の曲げ歪を与えると破損するという問題があり、そのため、電流リードの取り付け方向は直線方向に限られるほか、取り付け作業の際のハンドリングやマグネット運転時の振動による歪の印加を避けるために、平編み線を電極部分に設けるなど歪がバルク体に伝わらない構造とする必要があった。
【0005】
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。
【0006】
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と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。
【0007】
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が知られており(例えば、特許文献4参照。)、このテープ状酸化物超電導線材は、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、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。
【0008】
【特許文献1】特開平9−115356号公報
【特許文献2】特開平5−243044号公報
【特許文献3】特開平6−28930号公報
【特許文献4】特開2004−171841号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
以上述べたように、テープ状酸化物超電導線材は、電流リードへの適用に非常に適した線材であるが、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、このため、金属基板上に中間層を介して酸化物超電導体の薄層が形成されており、超電導マグネットへ大電流を供給するためには補強テープとの積層構造やフォーマー等の補強部材の外周に巻回する必要がある。この場合、前者の場合には製造工程が複雑となる上、電流リード自体の熱伝導率が大きくなり易いという問題があり、一方、後者の場合には、フォーマーの可撓性を向上させる必要がある上、フォーマー等の補強部材の外周に巻回されたテープ状酸化物超電導線材に印加される歪により超電導特性が低下し易いという問題がある。
【0010】
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、可撓性及び機械的特性に優れ、熟伝導量を低減させるとともに超電導特性に優れた酸化物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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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、可撓性を有するパイプ状の支持部材の両側に、それぞれ電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材を介して接続された電極と、支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に巻回され、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、テープ状の酸化物超電導線材のスパイラルピッチが支持部材の軸方向長さよりも小さくしたものである。
【0012】
上記の酸化物超電導電流リードは、電流リードに0.5%の曲げ歪が印加されたときに、臨界電流値の低下が5%以下であるか、及び/又は電流リードの通電電流が1000Aのときに、熱侵入量が0.5W以下となるように構成することが好ましい。
【0013】
また、本発明においては、テープ状の酸化物超電導線材は、曲げ歪が印加されたときに超電導体の臨界電流値の低下を抑制するために、可撓性を有するパイプ状の支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に巻回されるが、この場合、テープ状の酸化物超電導線材の所定の複数本を並列に配置して支持部材の外周に巻回することにより、必要とする定格電流を容易に得ることができる。
【0014】
テープ状の酸化物超電導線材としては、ハステロイ等のNi系合金基板上に中間層を介して積層された超電導層を備えたReBaCu7−y系酸化物超電導線材材(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。以下同じ。)を用いることができ、特にYBaCu7−y(YBCO)超電導体により形成することが好適する。
【0015】
本発明の好ましい一実施態様として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、可撓性を有するパイプ状の支持部材の両側に、それぞれ電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材を介して接続された電極と、支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に複数本並列に巻回され、両電極に電気的に接続されたテープ状のRe系酸化物超電導線材とを備え、テープ状の酸化物超電導線材のスパイラルピッチを支持部材の軸方向長さよりも小さくするとともに、電流リードに0.5%の曲げ歪を印加したときに、臨界電流値の低下が5%以下であり、かつ、電流リードの通電電流が1000Aのときに、熱侵入量が0.5W以下であるようにしたものである。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、テープ状の酸化物超電導線材が、両端に低熱伝導部材を配した可撓性を有するパイプ状の支持部材の外周に、移動可能に、かつ、そのスパイラルピッチが支持部材の軸方向長さよりも小さくなるように巻回されているため、可撓性及び機械的特性に優れ、熱侵入量を低減させるとともに電流容量の大きな電流リードを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
図1は、本発明の酸化物超電導電流リード1を示したもので、同図(a)はその平面図、同図(b)は正面図を示す。
【0018】
電流リード1は、可撓性を有するパイプ状の支持部材(フォーマー)2の両側に、それぞれセラミック等の電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材3a、3bを介して接続された電極4a、4bと、支持部材2の外周に巻回されたテープ状の酸化物超電導線材5とを備えている。同図においては、1本のテープ状の酸化物超電導線材5が支持部材2の外周に巻回された状態を示しているが、上述のように、必要とする定格電流を得るために、通常はテープ状の酸化物超電導線材5の複数本が並列に巻回される。
【0019】
パイプ状の支持部材2は、77K(液体窒素温度)以下の環境で使用されることから、可撓性及び機械的強度を確保するために、断面円形のコルゲート管、スパイラルチューブ又は円筒状の網目構造のSUS、Cu、Al又はAg等の金属部材により形成され、短絡を防ぐため、外周がカプトンテープ等の絶縁テープ(図示せず)により絶縁されており、この絶縁テープの上にテープ状の酸化物超電導線材5が巻回される。テープ状の酸化物超電導線材5は、その両端部が電極4a、4bと電気的に接続されているが、絶縁テープ上で移動可能に、即ち、非接着状態(非固定状態)で巻回されている。支持部材2は、低熱伝導部材3a、3bに設けた円柱状の凸状部6a、6bと嵌合されており、一方、低熱伝導部材3a、3bに設けた円柱状の凸状部7a、7bは、両電極4a、4bの凹状部(図示せず)と嵌合されている。
【0020】
この場合、テープ状の酸化物超電導線材5の基板面を外側にして支持部材2の外周に巻回することにより、曲げ歪が印加されたときの超電導特性の低下を抑制することができる。
【0021】
図1に示すように、テープ状の酸化物超電導線材5は、そのスパイラルピッチPが支持部材2の軸方向長さLよりも小さくなるように支持部材2の外周に移動可能に巻回されており、これにより、電流リード1に曲げ歪が印加されたときの超電導層に付加される歪量を軽減することが可能となる。即ち、支持部材2に曲げ歪が加えられた場合、中心軸を中立軸として曲げの内側には圧縮歪が、外側には引張歪が印加される。従って、テープ状の酸化物超電導線材5が支持部材2上で移動不可能な場合には、支持部材2に巻回されたテープ状の酸化物超電導線材5も同様に圧縮及び引張歪が印加されることになり超電導特性の低下を招くことになる。これに対して、図1に示す電流リードにおいては、テープ状の酸化物超電導線材5は絶縁テープ上に移動可能に巻回されており、電流リード1に曲げ歪が印加されたときには、線材5は絶縁テープ上を滑ってスパイラルピッチP内で圧縮及び引張歪を相殺して吸収する。このためには、スパイラルピッチPを支持部材2の軸方向長さLよりも小さくする必要があり、L<Pの場合には、(圧縮及び引張歪側のテープ長さが同一であるような特殊な場合を除いて)圧縮及び引張歪を相殺して吸収することができず、線材5に残留歪が発生して超電導特性の低下を招く。
【0022】
図2は、図1と同様の可撓性を有する断面円形の支持部材2と、この支持部材2より大径の円柱体(又は円筒体)からなる電極4cを、円錐台形状を有する電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材3cにより、それぞれの外表面が接続するようにしたものである。図2では2本のテープ状の酸化物超電導線材5a、5bを、理解し易いように離間して図示しているが、このような端部構造とすることによって、隣接する線材5a、5bの端部の線間を広げ、半田付け作業を容易に行うことができる。
【実施例】
【0023】
実施例1
肉厚1.2mmのコルゲート管の両端部に、コルゲート管の外径と同径の小径を有し大径30.5mm、高さ30mmの円錐台状のスぺーサーを取り付け、これらのスペーサーに外径30.5mmのCu製の電極を取り付けた。上記のコルゲート管の外側にカプトンテープを貼り付けた所定長さのフォーマーの外周に、基板上に中間層を介して超電導層を設けた所定本数のテープ状の超電導線材を超電導層を内側にして所定のピッチでスパイラル状に並列に巻回し、その両端部の超電導層を電極に半田接合した。
【0024】
テープ状の超電導線材は、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法により成膜した厚さ0.15mmのものを使用した。この超電導線材の臨界電流値は、液体窒素中で90Aであった。
【0025】
以上のようにして製造した酸化物超電導電流リードの液体窒素温度での臨界電流値(Ic)、0.5及び1.0%の曲げ歪を加えたときのIc及びその低下率、1000A通電時の熱侵入量を、超電導線の本数、フォーマーの材質、外径及び長さ、スパイラルピッチ並びにスペーサーの材質とともに表1に示す。
【0026】
【表1】

【0027】
実施例2
超電導線の本数、フォーマーの外径、スパイラルピッチを変更し、スペーサー及び電極の外径をフォーマーの外径と同径とした他は実施例1と同様にして
酸化物超電導電流リードを製造し、液体窒素温度での臨界電流値(Ic)、0.5及び1.0%の曲げ歪を加えたときのIc及びその低下率、1000A通電時の熱侵入量を測定した。結果を表1に示した。
実施例3
超電導線の本数、フォーマーの材質及び外径、スパイラルピッチ及びスペーサーの材質を変更し、スペーサー及び電極の外径をフォーマーの外径と同径とした他は実施例1と同様にして酸化物超電導電流リードを製造し、液体窒素温度での臨界電流値(Ic)、0.5及び1.0%の曲げ歪を加えたときのIc及びその低下率、1000A通電時の熱侵入量を測定した。結果を表1に示した。
実施例4
超電導線の幅及び本数、フォーマーの長さを変更した他は実施例1と同様にして酸化物超電導電流リードを製造し、液体窒素温度での臨界電流値(Ic)、0.5及び1.0%の曲げ歪を加えたときのIc及びその低下率、1000A通電時の熱侵入量を測定した。結果を表1に示した。
比較例1
スパイラルピッチをフォーマーの長さよりも長くした他は実施例1と同様にして酸化物超電導電流リードを製造し、液体窒素温度での臨界電流値(Ic)、0.5及び1.0%の曲げ歪を加えたときのIc及びその低下率、1000A通電時の熱侵入量を測定した。結果を表2に示す。
【0028】
【表2】

【0029】
比較例2
超電導線の本数、フォーマーの材質及び外径、スパイラルピッチ、スペーサーの材質を変更し、スペーサー及び電極の外径をフォーマーの外径と同径とした他は実施例1と同様にして酸化物超電導電流リードを製造し、液体窒素温度での臨界電流値(Ic)、0.5及び1.0%の曲げ歪を加えたときのIc及びその低下率、1000A通電時の熱侵入量を測定した。結果を表2に示した。
【産業上の利用可能性】
【0030】
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。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の酸化物超電導電流リードの一実施例を示す平面図(a)、正面図(b)である。
【図2】本発明の酸化物超電導電流リードの他の実施例の一部を示す正面図である。
【符号の説明】
【0032】
1‥‥‥電流リード
2‥‥‥支持部材
3a、3b、3c‥‥‥低熱伝導部材
4a、4b、4c‥‥‥電極
5、5a、5b‥‥‥酸化物超電導線材
6a、6b‥‥‥凸状部
7a、7b‥‥‥凸状部
P‥‥‥スパイラルピッチ
L‥‥‥支持部材の軸方向長さ

【特許請求の範囲】
【請求項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、可撓性を有するパイプ状の支持部材の両側に、それぞれ電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材を介して接続された電極と、前記支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に巻回され、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のスパイラルピッチが前記支持部材の軸方向長さよりも小さいことを特徴とする酸化物超電導電流リード。
【請求項2】
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、可撓性を有するパイプ状の支持部材の両側に、それぞれ電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材を介して接続された電極と、前記支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に巻回され、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のスパイラルピッチを前記支持部材の軸方向長さよりも小さくするとともに、前記電流リードに0.5%の曲げ歪を印加したときに、臨界電流値の低下が5%以下であることを特徴とする酸化物超電導電流リード。
【請求項3】
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、可撓性を有するパイプ状の支持部材の両側に、それぞれ電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材を介して接続された電極と、前記支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に巻回され、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のスパイラルピッチを前記支持部材の軸方向長さよりも小さくするとともに、前記電流リードの通電電流が1000Aのときに、熱侵入量が0.5W以下であることを特徴とする酸化物超電導電流リード。
【請求項4】
テープ状の酸化物超電導線材は、可撓性を有するパイプ状の支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に複数本並列に巻回されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の酸化物超電導電流リード。
【請求項5】
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積層された超電導層を備えたReBaCu7−y系酸化物超電導線材材(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。以下同じ。)であることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の酸化物超電導電流リード。
【請求項6】
テープ状の酸化物超電導線材は、基板面を外側にして可撓性を有するパイプ状の支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に巻回されていることを特徴とする請求項5記載の酸化物超電導電流リード。
【請求項7】
可撓性を有するパイプ状の支持部材は、コルゲート管、スパイラルチューブ又は円筒状の網目構造のパイプ状の金属部材からな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。
【請求項8】
金属部材は、SUS、Cu、Al又はAg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。
【請求項9】
電極は、可撓性を有するパイプ状の支持部材より大径の円柱体又は円筒体からなり、前記電極及び支持部材の外周面とは、円錐台形状を有する電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材の表面と接続していることを特徴とする請求項7又は8記載の酸化物超電導電流リード。
【請求項10】
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、可撓性を有するパイプ状の支持部材の両側に、それぞれ電気的絶縁材料からなる低熱伝導部材を介して接続された電極と、前記支持部材の外周に絶縁材を介して移動可能に複数本並列に巻回され、前記両電極に電気的に接続されたテープ状のRe系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のスパイラルピッチを前記支持部材の軸方向長さよりも小さくするとともに、前記電流リードに0.5%の曲げ歪を印加したときに、臨界電流値の低下が5%以下であり、かつ、前記電流リードの通電電流が1000Aのときに、熱侵入量が0.5W以下であることを特徴とする酸化物超電導電流リード。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2008−305765(P2008−305765A)
【公開日】平成20年12月18日(2008.12.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−154372(P2007−154372)
【出願日】平成19年6月11日(2007.6.11)
【出願人】(306013120)昭和電線ケーブルシステム株式会社 (218)
【Fターム(参考)】