(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の長さを有する中空部、および前記中空部の少なくとも一端に設けられたテーパ部を有する金属管と、
撚りほぐされた複数の超電導素線が前記テーパ部に沿わされ、かつ、前記中空部の外周に等間隔に位置決めされて前記中空部に接続された超電導撚線とを備え、
前記金属管は、前記複数の超電導素線の間に形成された複数の貫通孔を有することを特徴とする超電導装置用電流リード。
【請求項２】
前記金属管は、銅管であることを特徴とする請求項１記載の超電導装置用電流リード。
【請求項３】
前記金属管は、厚さが０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の超電導装置用電流リード。
【請求項４】
前記金属管は、残留抵抗比が３０以上であることを特徴とする請求項２記載の超電導装置用電流リード。
【請求項５】
前記金属管は、前記テーパ部の長さが２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の超電導装置用電流リード。
【請求項６】
前記金属管は、前記中空部の外周に等間隔に形成された複数の溝を有し、前記複数の超電導素線は、前記複数の溝に位置決めされていることを特徴とする請求項１または２記載の超電導装置用電流リード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導装置用電流リードに関し、特に、交流電流を超電導撚線等の超電導導体に通電するための超電導装置用電流リードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力機器に適用するための交流用超電導線材は、交流損失を低減するため、電気抵抗率がＣｕよりも約３桁高いＣｕ−Ｎｉ合金等を構成材に用いるほか、素線の外径を０．１〜０．２ｍｍまで細くし、ツイストピッチが１〜２ｍｍの短さになるようにしている。このため、素線１本当たりの電流容量は１００Ａ以下であり、キロアンペア（ｋＡ）以上の交流通電を行うための超電導線材には、素線を複数本束ねた多重撚線（超電導撚線）構造が用いられている。
【０００３】
図９（ａ）は従来の超電導装置用電流リードの第１の構成例を示す。図９（ａ）に示すように、幅Ｌ11、厚みＬ12、長さＬ13の平板状で銅製の電流リード１０１の一端から超電導撚線１０２が接続される。超電導撚線１０２は、中心線１０２ａと、この中心線１０２ａを取り囲むようにし、かつ撚り合わせた状態にして一体化された複数本の超電導素線１０２ｂとにより構成されている。接続に際しては、超電導撚線１０２から各超電導素線１０２ｂを解いて平行線状態にし、電流リード１０１の１面に長さＬ14にわたって展開し、この状態で半田付けする。
【０００４】
図９（ａ）の構成による超電導装置用電流リードを用いてｋＡ級の交流通電を行うと、図９（ｂ）に示すように、電流が超電導撚線１０２に局部的に流れ込む通電部１０３が生じ、表皮効果等の影響で半田接続部末端において過大なジュール発熱が生じるという不具合がある。そこで、電流リードの形状を平板状から丸棒状に代え、燃線を周方向に均等に撚って半田接続し、接続部のジュール発熱を低減させることが行われている。この構成例を図１０により説明する。
【０００５】
図１０は従来の超電導装置用電流リードの第２の構成例を示す。図９と異なるところは、銅製で形状が丸棒状を成し、かつ一端にテーパ部１０４ａが形成された電流リード１０４を用いた構成にある。テーパ部１０４ａが設けられていることにより、各超電導素線１０２ｂを電流リード１０４の表面に沿わせ易くなり、接続が容易になる。
【０００６】
図１０のような電流リードに接続された超電導撚線１０２に交流を通電すると、図９のような平板形状の銅製電流リード１０１に比較して、丸棒状の銅製電流リード１０４では、通電可能な電流容量（以下、「交流クエンチ電流」という）が、２０〜３０％向上することが知られている。
しかし、図１０の構成の銅製電流リードにしても、同じ撚線の直流臨界電流値に比較すると交流クエンチ電流は未だ６０〜７０％にとどまっている。この原因は、銅製電流リードと超電導撚線の接続部において、銅製電流リードから超電導線への局部的な電流の流れ込みに起因して発生する“電流集中による接続部のジュール発熱”の低減が不十分なためと考えられる。
【０００７】
これを解決するためには、銅製電流リードの形状を変更し、局部的な流れ込みが起きないように、十分な長さにわたって均一に電流リードから超電導線に電流を流れ込ませ、かつ各素線に均等に電流を配分させる必要がある。その具体例が特開平７−２３０８３５号公報に示されている。この超電導装置用電流リードにおいては、管状のセパレート部材の先端部にはテーパ面が設けられ、超電導撚線からほぐした超電導素線を電流リードの表面に沿わせ易くし、更に、電流リードの円筒部に複数の溝を設けて各超電導素線を電流リードの表面に超電導素線を均等に配置できるようにし、局部的な電流の流れ込みの問題を解決している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の超電導装置用電流リードによると、溝を設けて超電導素線を均等に配置することにより、局部的な電流の流れ込みの問題はかなり改善されたが、接続部におけるジュール発熱の防止策には未だ検討の余地が残されている。更に、超電導装置として不可欠である冷却性についても課題が残されている。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、接続部におけるジュール発熱の防止効果を高め、超電導導体への大電流の交流通電を可能にした超電導装置用電流リードを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、所定の長さを有する中空部、および前記中空部の少なくとも一端に設けられたテーパ部を有する金属管と、撚りほぐされた複数の超電導素線が前記テーパ部に沿わされ、かつ、前記中空部の外周に等間隔に位置決めされて前記中空部に接続された超電導撚線とを備え、前記金属管は、前記複数の超電導素線の間に形成された複数の貫通孔を有することを特徴とする超電導装置用電流リードを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る超電導装置用電流リードを示す。図中、（ａ）は正面図を示し、（ｂ）は側面図を示している。（ａ）に示すように、中空構造の銅管を用いて作られた超電導装置用電流リード１は、管径が同一な円筒部１ａ（中空部）と、この円筒部１ａの片端に形成された絞り構造のテーパ部１ｂから成る。超電導装置用電流リード１の各部の寸法形状については最適値が存在するが、これについては後記する。
【００１２】
超電導装置用電流リード１の表面には、全長に及ぶＶ字溝２が円周方向に所定間隔に設けられている。このＶ字溝２の本数は、超電導装置用電流リード１に接続される超電導撚線の素線数と同数にする。円筒部１ａにおけるＶ字溝２の相互間には、管長方向に所定間隔に貫通孔３が設けられている。貫通孔３は冷却用であり、超電導装置用電流リード１内に供給された液体ヘリウムの通路となる。貫通孔３は、電流リードの内面の冷却性を向上させると共に、開孔処理により余分な銅が削除されるので、電流リード側から接続された超電導撚線への電流の流れ込みを均等にする効果を発揮する。したがって、Ｖ字溝２により超電導素線を均等に配置して得られる局部的な電流の流れ込み防止策との組合せにより、ジュール発熱の防止効果は更に高められる。
【００１３】
図２は図１の超電導装置用電流リード１に接続される超電導撚線の構成を示す。超電導撚線４は、中心に配置したＣｕ−Ｎｉ線５と、このＣｕ−Ｎｉ線５を取り囲むようにし、かつ撚り合わせた状態にして一体化された複数本（例えば、１２本）の超電導素線６とにより構成されている。
図３は図２の超電導撚線４を図１の超電導装置用電流リード１に接続した状態を示す。超電導撚線４は、超電導装置用電流リード１のテーパ部１ｂ側に接続される。接続に際しては、Ｃｕ−Ｎｉ線５から超電導素線６の撚りを解いて平行線状態に展開し、超電導素線６の各１本をＶ字溝２の各１本に対応させながら、順次超電導素線６をＶ字溝２に埋設するように嵌入させ、その状態で半田付けを行う。
【００１４】
【実施例】
本発明者らは、以下の条件により図１に示した構造の超電導装置用電流リードを製作した。
超電導装置用電流リード１の全長を１２０ｍｍ（テーパ部１ｂが２０ｍｍ、円筒部１ａが１００ｍｍ）とし、円筒部１ａの外径を直径１０ｍｍ、その内径を直径８ｍｍとした。また、テーパ部１ｂは、外径１０ｍｍ→外径４ｍｍまで絞り込んでいる。テーパ部１ｂの先端には、超電導装置用電流リード１を液体ヘリウムにより内側から冷却するため、直径２ｍｍの貫通孔を形成した。貫通孔３は直径１ｍｍで円筒部１ａの長さ方向に５ｍｍピッチで合計１８０個を設けた。
【００１５】
このような構成の超電導装置用電流リード１に、図２に示す構成の超電導撚線４を半田付けした。半田付けの際は、撚線の撚りを解き、超電導装置用電流リード１の円周方向に３０度ピッチで、長さ１００ｍｍにわたり、図３に示したようにＶ字溝２に沿って半田付けした。
また、比較例１として、図９の形状の平板状銅製電流リード１０１（幅Ｌ11＝１０ｍｍ、厚さＬ12＝５ｍｍ）に長さＬ14＝１００ｍｍにわたって半田付けしたタイプを作成した。更に、比較例２として、直径が１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍで図１０の形状の丸棒状銅製電流リード１０４に、撚りを解いた超電導素線を電流リード１０４の円周方向に３０度ピッチで長さＬ21＝１２０ｍｍにわたって半田付けしたタイプを作成した。
【００１６】
図４は作成した実施例と、比較例１，２の夫々について超電導撚線の交流クエンチ電流を測定した測定システムを示す。超電導撚線４０は平行配置された一対の電流リード４１ａ，４１ｂにＵ字形に接続されている。超電導撚線４０は外力による形崩れを防止するためＦＲＰ製のホルダ４２に固定されている。超電導撚線４０に近接させて超電導マグネット４３が配設されている。
【００１７】
電源４４から超電導マグネット４３に電力を供給することにより、超電導撚線４０に磁界が付与される。この状態で交流電源４５から電流リード４１ａ，４１ｂに交流を通電し、超電導撚線の交流クエンチ電流を測定した。
図５は図４の測定システムにより測定した交流クエンチ電流の磁界依存性特性を示す。図中、黒丸印の特性が実施例の結果であり、白丸印が比較例１、三角印が比較例２の結果を示している。電流リードを平板状から丸棒状に変更、すなわち比較例１から比較例２に構成を変えることにより、交流クエンチ電流が２０〜３０％向上していることがわかる。また、本発明の実施例では、比較例１の平板状電流リードに比較して交流クエンチ電流が５０〜７０％向上していることがわかる。
【００１８】
このように交流クエンチ電流が向上した理由は、先端が先細りになるテーパ部を有する金属管の外周面に撚りを解いた超電導素線を一定の間隔（同一分枝角度）で円周方向に均等に配置して半田接続したことで、超電導撚線を形成する各素線に均等に電流が流れると共に、電流の流れ込みが局部的に発生しないようにできたことにある。
【００１９】
更に、本発明者らは、図１の構成の超電導装置用電流リードにおける最適条件を見出した。電流リードに銅管を用いた場合の最適条件を列挙すれば、以下の如くである。
（ｉ）銅管の厚さは０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下にする。
銅などの低抵抗金属は交流通電時に表皮効果により表面近傍にしか電流が流れない。表面に流れている電流を１としたとき、深さ方向の電流分布は指数関数的に減少していき、１／ｅまで電流が減衰する深さが「表皮深さ」である。表皮深さＸは、
【００２０】
【数１】
0003644229.tif 000002
【００２１】
（ただし、ρ；電気抵抗率〔Ω・ｍ］、ｆ；周波数［Ｈｚ〕、μ；透磁率〔Ｈ／ｍ〕）
で表される。
極低温における銅のρは、加工履歴、純度等によって大きく変化するが、概ねρ＝１０-11 〜１０-9Ω・ｍの範囲にある。ｆ＝５０Ｈｚにおける表皮深さは、ρ＝１０-10 Ω・ｍのときＸ＝０．７１ｍｍ、ρ＝１０９-9Ω・ｍのときＸ＝２．２５ｍｍである。
【００２２】
また、電流リードの取り扱いおよび強度上の観点から、厚さ０．５ｍｍ未満にすると問題があるため、０．５ｍｍ以上の厚さが必要である。よって、銅管(超電導装置用電流リード１)の厚さは０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下とする。
（ii）銅の残留抵抗比（ＲＲＲ）を３０以上とする。
上記（ｉ）において、ρ＝１０-9Ω・ｍ以下を満足する銅のＲＲＲは、３０である。よって、ＲＲＲを３０以上にする。
（iii）テーパ部１ｂは、長さを２０ｍｍ以上にする。
【００２３】
テーパ部１ｂは、超電導装置用電流リード１から超電導撚線４への電流の流れ込みが特に顕著になる部分であり、テーパ部１ｂのジュール発熱が大きいとクエンチする可能性がある。ジュール発熱Ｗは、次式で求められる。
【００２４】
【数２】
0003644229.tif 000003
【００２５】
（ただし、Ｒ；銅の抵抗〔Ω〕、ｒ；銅〜半田〜超電導線間の接触抵抗〔Ω〕、Ｌ；接続長さ〔ｍ〕、α；（Ｒ／ｒ）1/2 ）
上記の各式における接続長さＬは、概ね２０ｍｍ以上にしないと、無視できないほどのジュール発熱が発生する。
（iv）所定数の貫通孔３を円筒部１ａに設ける。
【００２６】
円筒部１ａに貫通孔３を設けることにより、冷媒に用いる液体ヘリウムが貫通孔３を通して電流リード１の内部へ導くことができ、内面の冷却性を向上させることができる。また、開孔処理により余分な銅を削除できるので、電流リード１から超電導撚線４への電流の流れ込み（長さ方向への）を均等にすることができる。
【００２７】
図６は本発明に係る超電導装置用電流リードの第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、平角状の超電導撚線７を接続するための構成例であり、この超電導撚線７の形状に合わせて偏平状の電流リード８にしている。この形状が異なるのみで、本発明により得られる効果に変わりはない。
図７は図６の平角状超電導撚線の詳細構成を示す。超電導撚線７は、中心線にステンレステープ９が用いられており、このステンレステープ９に複数本の超電導素線１０が巻き付けられた構成を有している。
【００２８】
図８は本発明による超電導装置用電流リードを用いて超電導撚線を相互接続する構成を示す。直流応用の超電導撚線の場合、超電導線の外皮が純銅なので、撚線同士の半田接続における接触抵抗は低く、接続部でのジュール発熱は無視できる。しかし、交流用の超電導線の場合、外皮が純銅より約３桁電気抵抗率の高いＣｕ−Ｎｉ合金のために、半田接続部でのジュール発熱が問題となる。
【００２９】
そこで、図８に示すように、円筒部１１ａ（中空部）両端にテーパ部１１ｂと１１ｃを設けた超電導装置用電流リード１１を用い、テーパ部１１ｂと１１ｃに超電導撚線４ａ，４ｂを半田接続する。このような構成により、接続部におけるジュール発熱を防止することができる。
以上の実施の形態においては、超電導装置用電流リードの形状が管形と偏平形を例に説明したが、本発明は、図示した形状に限定されるものではなく、例えば、三角形、多角形、楕円形等であってもよい。要するに、電流リードから超電導線（超電導撚線）への電流の流れ込みが均等に行われる構成が確保されれば、どのような形状であってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の超電導装置用電流リードによれば、テーパ部が設けられた金属管を用い、この金属管の中空部の長さ方向および円周方向に所定数の貫通孔を設けた構成にしたので、電流リードから超電導線への電流の流れ込みおよび各超電導素線への電流配分が均等になり、電流リードからのジュール発熱が低減され、大幅に交流クエンチ電流を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超電導装置用電流リードを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】図１の超電導装置用電流リード１に接続される超電導撚線の構成を示す。
【図３】図２の超電導撚線を図１の超電導装置用電流リードに接続した状態を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例、比較例１，２の夫々について超電導撚線の交流クエンチ電流を測定するための測定システムを示す接続図である。
【図５】図４の測定システムにより測定した交流クエンチ電流の磁界依存性特性を示す特性図である。
【図６】本発明に係る超電導装置用電流リードの第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図７】図６の平角状超電導撚線の詳細構成を示す断面図である。
【図８】本発明による超電導装置用電流リードを用いて超電導撚線を相互接続する構成を示す正面図である。
【図９】従来の超電導装置用電流リードの第１の構成例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は電流が超電導撚線に局部的に流れ込む様子を示す説明図である。
【図１０】従来の超電導装置用電流リードの第２の構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，８，１１  超電導装置用電流リード
１ａ，１１ａ  円筒部（中空部）
１ｂ，１１ｂ，１１ｃ  テーパ部
２  Ｖ字溝
３  貫通孔
４，４ａ，４ｂ，７  超電導撚線
５  Ｃｕ−Ｎｉ線
６  超電導素線
９  ステンレステープ
【図１】
0003644229.tif 000004
【図２】
0003644229.tif 000005
【図３】
0003644229.tif 000006
【図４】
0003644229.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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