(57)【要約】【課題】先に提案した垂直磁界の低減化構造を改良して臨界電流特性のさらなる向上化が図れるようにした安全性，信頼性の高い超電導電流リードを提供する。【解決手段】円筒状支持部材１０の周上に電流経路となるテープ状の酸化物超電導線材からなる複数のユニット導体６を分散配列し、かつ該ユニット導体６はその超電導線材のテープ面が円筒座標系の周方向と平行になるよう配置した超電導電流リード４において、前記の円筒状支持部材１０を磁性材製とし、ユニット導体６の外周側，および周上に並ぶユニット導体の間にそれぞれ磁性材で作られた円筒状磁性部材１１，および磁性接続片１２を配置し、これら各部材の間を相互連結して各ユニット導体６の周囲に閉磁路を形成し、通電によりユニット導体６に発生する自己磁界を該導体から周囲の磁性部材に引き寄せてユニット導体を通る垂直磁界の低減化、臨界電流特性の向上化を図る。【選択図】図１
2011176018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状支持部材の周上に電流経路となるテープ状の酸化物超電導線材からなる複数のユニット導体を分散配列し、かつ該ユニット導体はその超電導線材のテープ面が円筒座標系の周方向と平行になるよう配置した超電導電流リードにおいて、
前記の円筒状支持部材を磁性材製とし、ユニット導体の外周側，および周上に並ぶユニット導体の間にそれぞれ磁性材で作られた円筒状磁性部材，および磁性接続片を配置し、これら各部材を組み合わせて各ユニット導体の周囲に閉磁路を形成したことを特徴とする超電導電流リード。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導電流リードにおいて、ユニット導体の内周側に配した磁性材製の円筒状支持部材，外周側に配した円筒状磁性部材，および周上に並ぶユニット導体の間に配した磁性接続片の相互間を結合して一体に組み立てたことを特徴とする超電導電流リード。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超電導電流リードにおいて、閉磁路を構成する各部材の材質が鉄，ニッケル，コバルト，マンガン等の強磁性材，またはその合金であることを特徴とする超電導電流リード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、極低温に冷却した状態で運転する超電導マグネット等の超電導機器へ外部電源より電流を供給する超電導電流リードに関する。
【背景技術】
【０００２】
よく知られているように、超電導マグネットは物性研究用や磁気共鳴装置などに適用され、将来的には磁気浮上列車，核融合用炉などへの応用が期待されている。
【０００３】
ところで、極低温中に置かれた超電導機器に室温側の外部電源から電流リードを介して電流を供給するには、電流リードを伝熱経路として極低温領域に侵入する熱量をできるだけ小さく抑えることが必須の条件となる。例えば、クライオスタットの冷媒に用いる液体ヘリウムは非常に高価であり、また、１Ｗの熱侵入により蒸発した液体ヘリウムを再液化するために要する冷凍機の入力は理想的な状態でも４００Ｗ程度で、実用的には冷凍機の入力が１０００Ｗにも達する。
【０００４】
このために、電流リードを伝熱経路として室温側からクライオスタット内の極低温側に侵入する熱量が多くなると液体ヘリウムの使用量が多くなってランニングコストが嵩むほか、冷凍機が大型，大容量化する。したがって、超電導機器用の電流リードには室温側からの熱侵入量を極力低く抑える機能が要求される。
【０００５】
一方、現在開発が進んでいるビスマス系，イットリウム系の酸化物超電導材は、液体窒素温度（〜７７Ｋ）温度まで超電導状態を保持できてジュール発熱がなく、かつこの温度領域での熱伝導率は銅の１／１００以下と極めて小さいことから、この酸化物超電導材を採用した超電導電流リードの開発が進められている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
図３は前記の酸化物超電導材を採用した超電導電流リードを超電導マグネットに適用した設置例を表す図であり、１は超電導マグネット（超電導機器）、２は室温側の外部電源に接続する常温側端子であり、この常温側端子２と超電導マグネット１から引き出したフィーダ１ａとの間には、銅などの良導電性金属を材料とする常温側の電流リード３と、超電導材で作られた低温側の電流リード４が直列に接続されている。なお、超電導マグネット１はクライオスタット５に収容して極低温冷媒（例えば液体ヘリウム）に浸漬されており、図示例ではクライオスタット５の内部で蒸発したヘリウムガスを低温側の超電導電流リード４，および低温側の電流リード３の内部に流して各電流リードを低温状態に冷却するようにしている。
【０００７】
また、前記した低温側の超電導電流リード４について、ビスマス系，イットリウム系などの酸化物超電導体を安定化材の銀シースで被覆したテープ状の超電導線材を複数積層してなる導体ユニットを、円筒状の支持部材の外周面上に分散配列して一体化した構成の電流リードが知られており（特許文献１参照）、その模式構成（横断面図）を図４に示す。図４（ａ），（ｂ）において、６は電流経路となるテープ状超電導線材６ａを複数積層してなるユニット導体、７はＦＲＰ，ステンレス鋼などで作られた円筒状の支持部材であり、該円筒状支持部材７の周面上には前記ユニット導体６の素線である酸化物超電導線材６ａのテープ面が円筒座標系の周方向と平行になるように配列して固着されている。
【０００８】
ところで、前記した酸化物超電導線の臨界電流特性には磁場の依存性があり、小電流の範囲では殆ど問題となることはないが、通電電流が高くなると超電導線に生じる自己磁界のうちテープ面と垂直な磁界成分の影響を受けて臨界電流値密度（Ｊｃ）が著しく低下することが知られている。そこで、図４に示した構成の超電導電流リードについて、自己磁界による臨界電流値の劣化を低減するよう改良した超電導リードがこの発明の出願人から先に提案されており（特許文献２，特許文献３参照）、次にその模式構成（横断面図）を図５，図６に示す。
（１）まず、特許文献２に開示されている超電導リードを図５に示す。ＦＲＰ，ステンレス鋼，ニッケル合金，チタン合金などの金属材料で作られた円筒状の支持部材７の周面上には、図４と同様に複数のテープ状超電導線材を積層したユニット導体６を、その超電導線材のテープ面が円筒座標系における周方向と平行に並ぶように分散配置した上で、さらにユニット導体６の外周側に例えば鉄で作られた円筒状の磁性部材８を配置している。
【０００９】
上記のようにユニット導体６の外周側に円筒状の磁性部材８を配置することで、ユニット導体６の通電電流により生じる自己磁界の磁力線が透磁率の高い外周側の円筒状磁性部材８に引き寄せられる。これにより、ユニット導体６の外周側に磁性部材８を設けてない図４の構成と比べて、ユニット導体６を通る自己磁界の垂直成分を低減する効果が得られる。
（２）また、図６は前記の特許文献３に開示されている超電導リードの模式構成図である。この超電導リードでは、図４と同様に円筒状支持部材７の周面上に複数枚のテープ状の超電導線材を積層したユニット導体６を、その超電導線材のテープ面が円筒座標系における周方向と平行に並ぶように配置した上で、さらに周上に並ぶユニット導体６の相互間に導体の長手方向に沿って断面矩形状の磁性片（例えば、鉄材）９を介在配置している。
【００１０】
この構成により、ユニット導体６の通電電流により生じる自己磁界の磁力線がユニット導体６を左右から挟んでその側方に配した磁性片９に引き寄せられる。これにより、ユニット導体６を通る垂直磁界成分の低減効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平４−２１８２１５号公報（図１）
【特許文献２】特開平１０−１８８６９１号公報（図６）
【特許文献３】特開平１１−２６０１６２号公報（図２）
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】保川  幸雄、外２名、"超電導電流リード技術"、[on line]、富士時報、vol.72 No.10 1999、［平成２２年１月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ:http://www.fujielectric.co.jp/company/jihou_archives/pdf/72-10/FEJ-72-10-566-1999.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
先記のように円筒状支持部材の周面にテープ状の超電導線材からなるユニット導体を分散配列した図４の超電導電流リードに対して、特許文献２，あるいは特許文献３に開示されている垂直磁界の低減構造を採用することにより、ユニット導体の通電により発生する自己磁界の垂直成分に起因する臨界電流値の低下をある程度抑えることが期待されるものの、大容量の超電導機器に適用する超電導電流リードでは、超電導状態で大電流の通電を確保するために、自己磁界の影響による臨界電流値の劣化をさらに低減してより安定した通電性能を確保することが要求される。
【００１４】
そこで、発明者等は図４の超電導電流リードを比較例として、図５，図６に示した超電導電流リードによる垂直磁界の低減効果を評価，確認するために磁界解析を行ったところ次記のような結果を得た。すなわち、図７，図８，図９は、それぞれ図４，図５，図６の超電導電流リードについて、通電電流が同一の条件でユニット導体６に生じる自己磁界の等磁気ポテンシャルをコンター図として表したものである。なお、各図の右側に表示した数値はコンター図中の各パターンに対応した磁界強度（単位：Ｔ（テスラ））で、その磁界の向きを正，負の値で表している。
【００１５】
ここで、図４の電流リード（磁性部材無し）に対する解析結果では、図７で示すようにテープ状のユニット導体６のテープ面と垂直な磁界の最大値は０．０３９Ｔを超えており、その高磁界域がユニット導体６の左右両側縁部位に集中していることが判る。
【００１６】
また、図５の電流リードに対する図８の解析結果では、ユニット導体６のテープ面に垂直な磁界ポテンシャルの最大値は０．０３９Ｔよりも若干低く、図７の解析結果と比べてユニット導体６を通る垂直磁界成分の分布が多少改善されているものの、ユニット導体６の外周側に配した円筒状の磁性部材８からの漏れ磁界が大きいために、ユニット導体６を通る垂直磁界の低減効果は低いことが判明した。
【００１７】
一方、図６の電流リードに対する図９の解析結果によれば、ユニット導体６のテープ面に垂直な磁界ポテンシャルは最大で０．０３４Ｔに低減しており、図５の構成に対応する図７の解析結果と比べて、各ユニット導体６の相互間に配置した磁性片９がユニット導体６の左右側縁部位に集中する垂直磁界の低減化に有効に寄与していることが認められる。
【００１８】
ところで、大容量の超電導機器に適用する通電容量の大きな超電導電流リードには、安全性と信頼性の面から高い臨界電流値の確保が要求されることから、図５，図６で述べた自己磁界の垂直磁界低減機能についてもさらなる改善が望まれる。
【００１９】
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は先に提案した特許文献２，特許文献３による垂直磁界の低減化構造を改良して臨界電流特性のさらなる向上化が図れるようにした安全性，信頼性の高い超電導電流リードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記の目的を達成するために、この発明によれば、円筒状支持部材の周上に電流経路となるテープ状の酸化物超電導線材からなる複数のユニット導体を分散配列し、かつ該ユニット導体はその超電導線材のテープ面が円筒座標系の周方向と平行になるよう配置した超電導電流リードにおいて、
前記の円筒状支持部材を磁性材製とし、ユニット導体の外周側，および周上に並ぶユニット導体の間にそれぞれ磁性材で作られた円筒状磁性部材，および磁性接続片を配置し、これら各部材を組み合わせて各ユニット導体の周囲に閉磁路を形成する（請求項１）。
【００２１】
また、前記構成においては、
（１）ユニット導体の内周側に配した磁性材製の円筒状支持部材，外周側に配した円筒状磁性部材，およびユニット導体の間に配した磁性接続片の相互間を結合して一体に組み立てるものとする（請求項２）。
（２）前記閉磁路を構成する各磁性部材の材質は、鉄，ニッケル，コバルト，マンガン等の強磁性体，またはその合金である（請求項３）。
【発明の効果】
【００２２】
上記したこの発明の超電導電流リードによれば、周上に配列したユニット導体に対して、その内周側，外周側，および隣り合うユニット導体の間に配して相互結合した磁性部材で各ユニット導体を包囲する閉磁路を形成している。これにより、周囲への漏れ磁界の発生無しにユニット導体の通電により発生する自己磁界を、該ユニット導体からその導体を包囲する前記磁性部材側に引き寄せてユニット導体の内部を通る垂直磁界成分を大幅に低減することができ、その結果としてユニット導体の臨界電流値に関与する自己磁界の影響が大幅に低減されて超電導電流リードの臨界電流特性が向上する。
【００２３】
また、従来構造と比べてユニット導体の本数，あるいはユニット導体を構成するテープ状超電導線材の層数を減らすことが可能となるので、安全性，信頼性の高い大容量の超電導電流リードを安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施例による超電導電流リードの模式断面図である。
【図２】図１の実施例に対する磁界解析結果を表す等磁気ポテンシャルのコンター図である。
【図３】超電導マグネットに適用した超電導電流リードの設置例を表す図である。
【図４】超電導電流リードの従来構造を表す模式断面図である。
【図５】特許文献２に開示されている超電導電流リードを表す模式断面図である。
【図６】特許文献３に開示されている超電導電流リードを表す模式断面図である。
【図７】図４の超電導電流リードに対応した磁界解析結果を表す等磁気ポテンシャルのコンター図である。
【図８】図５の超電導電流リードに対する磁界解析結果を表す等磁気ポテンシャルのコンター図である。
【図９】図６の超電導電流リードに対する磁界解析結果を表す等磁気ポテンシャルのコンター図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、この発明に実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。
【００２６】
すなわち、図示実施例の超電導電流リード４は、図４〜図６に示した従来構造と基本的に同様に、通電経路となる複数のユニット導体６が円筒状支持部材の周上に分散配列されているが、図示実施例ではユニット導体６を支持する内周側の円筒状支持部材１０が磁性材で作られている。また、ユニット導体６の外周側には磁気ヨークとして機能する円筒状の磁性部材１１を配置し、さらに周上に並ぶ各ユニット導体６の相互間に磁性接続片１２を配置した上で、前記の磁性部材同士の間を相互連結して各ユニット導体６の周囲に閉磁路を構成している。なお、内周側の円筒状支持部材１０，外周側の円筒状磁性部材１１，および磁性接続片１２の材質は、鉄，ニッケル，コバルト，マンガン等の強磁性体，またはその合金とする。
【００２７】
上記の構成により、通電によりユニット導体６に発生した自己磁界の磁力線が、該ユニット導体６を取り巻いて閉磁路を形成するように構築した高透磁率の磁性部材に引き寄せられので、ユニット導体６の内部の自己磁界が大幅に低減される。
【００２８】
次に、図１の構造に対する磁界解析結果（通電条件は先記の図７〜図９と同じ）を、図２の等磁気ポテンシャル線図（コンター図）に示す。図２の磁界解析結果から明らかなように、自己磁界の高磁界領域はユニット導体６から周囲の磁性部材（閉磁路）に移行し、特にユニット導体６を挟んでその左右側方に配した磁性接続片１２には、ハッチングを付して表した領域に高磁界が集中するようになる。
【００２９】
これにより、ユニット導体６の内部を通るテープ面と垂直な磁界は最大で約０．０２９Ｔとなり、図８，図９に示した従来構造の解析結果と比べて、自己磁界の垂直成分は図８との比で約２５％、図９との比で約１５％低減していることが判る。
【００３０】
その結果、ユニット導体６の臨界電流値に関与する自己磁界の影響が大幅に低減されて臨界電流特性が大幅に向上する。また、臨界電流特性の改善により、従来構造と比べてユニット導体６の本数，あるいはユニット導体６を構成するテープ状超電導線材の層数を減らすことが可能となるので、安全性，信頼性の高い大容量の超電導電流リード４を安価に製作することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１：超電導マグネット（超電導機器）
４：超電導電流リード
６：ユニット導体
６ａ：テープ状の酸化物超電導線材
１０：磁性材の円筒状支持部材
１１：外周側の円筒状磁性部材
１２：磁性接続片
【図１】
2011176018.tif 000003
【図３】
2011176018.tif 000004
【図４】
2011176018.tif 000005
【図５】
2011176018.tif 000006
【図６】
2011176018.tif 000007
【図２】
2011176018.tif 000008
【図７】
2011176018.tif 000009
【図８】
2011176018.tif 000010
【図９】
2011176018.tif 000011