(57)【要約】【課題】接続抵抗を低減できるとともに、所望の接続抵抗を安定的に得ることができる超電導線材の接続部及び超電導電流リードを提供する。【解決手段】超電導線材の接続部は、金属基板上に中間層、超電導層、安定化層が順に積層されたテープ状の超電導線材の端部が半田層を介して金属電極に接続されてなる。金属電極は、超電導線材の端部を収容する収容凹部を有し、収容凹部に超電導線材の端部が挿入されるとともに、超電導線材の金属基板側の第１の面に沿って断面Ｖ字状の楔部材が挿入される。超電導線材は、楔部材によって超電導層側の第２の面が半田層を介して金属電極に押し付けられた状態で固着される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板上に中間層、超電導層、安定化層が順に積層されたテープ状の超電導線材の端部が半田層を介して金属電極に接続されてなる超電導線材の接続部であって、
前記金属電極は、前記超電導線材の端部を収容する収容凹部を有し、
前記収容凹部に前記超電導線材の端部が挿入されるとともに、前記超電導線材の前記金属基板側の第１の面に沿って断面Ｖ字状の楔部材が挿入され、
前記超電導線材は、前記楔部材によって前記超電導層側の第２の面が半田層を介して前記金属電極に押し付けられた状態で固着されることを特徴とする超電導線材の接続部。
【請求項２】
前記収容凹部は、前記超電導線材の前記第２の面が押し付けられる第１の凹部内面と、前記第１の凹部内面に対向する第２の凹部内面を有し、
前記第２の凹部内面は、前記楔部材に線接触する少なくとも１つの段部を有し、
前記楔部材は、前記収容凹部の開口端縁と前記段部によって支持されることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材の接続部。
【請求項３】
前記楔部材の先端角度が１〜５°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導線材の接続部。
【請求項４】
前記半田層の厚さが１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超電導線材の接続部。
【請求項５】
前記楔部材は、前記金属電極と同等の熱収縮性を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超電導線材の接続部。
【請求項６】
低温部に設置される超電導応用機器と常温部に設置される外部機器とを接続するための超電導電流リードであって、請求項１から５のいずれか一項に記載の超電導線材の接続部を備え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】
本発明は、超電導線材の端部に金属電極が接続されてなる超電導線材の接続部に関し、特に、低温部に設置される超電導応用機器と常温部に設置される外部機器を接続するための超電導電流リードに有用な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超電導ケーブルや超電導マグネット等、超電導を利用した超電導応用機器の分野では、実用化に向けてさかんに研究、開発が行われている。一般に、超電導応用機器は低温部（低温容器）に設置され、常温部に設置された外部機器（例えば電源）と、電流リードを介して接続される。
超電導応用機器の運転は、極低温環境下で行われるため、低温部の断熱性が極めて重要となる。低温部の断熱性が悪く、低温部への熱侵入が大きいと、超電導応用機器の冷却効率が低下して超電導状態を維持するための冷却コストが増大することとなり、場合によっては超電導応用機器を運転できなくなってしまうためである。この低温部への熱侵入の経路としては、低温容器を伝熱する経路、電流リードを伝熱する経路が考えられる。
【０００３】
低温容器を介した熱侵入を防止するための手法としては、液体窒素等の冷媒及び超電導応用機器を収容する冷媒槽と、冷媒槽の外側に設けられる真空槽とを有する二重構造の低温容器が知られている。この低温容器によれば、真空断熱により低温部への熱侵入が低減される。
【０００４】
電流リードを介した熱侵入を防止するための手法としては、酸化物超電導体を用いた超電導電流リードが提案されている。酸化物超電導体は、銅などの金属導体に比較して電気抵抗が小さく、かつ熱伝導率が小さい（銅の数１０分の１）。そのため、超電導電流リードにおいては、通電時にジュール熱の発生はなく、低温部への伝熱量も極めて小さくなる。したがって、超電導電流リードによれば、低温部への熱侵入が低減される。
【０００５】
従来の超電導電流リード５０を図１に示す。図１Ａは超電導電流リード５０の全体図である。図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ矢視断面図である。
図１Ａに示すように、超電導電流リード５０は、テープ状の超電導線材５１と、超電導線材５１の一端部（高温側）に配置される第１の金属電極５２、及び超電導線材５１の他端部（低温側）に配置される第２の金属電極５３を備える。図１Ｂに示すように、第１の金属電極５２は超電導線材５１が挿入される凹部５２１を有する。
【０００６】
一般に、接続作業が容易であり、良好な電気特性が得られることから、超電導線材５１と第１の金属電極５２とは半田によって接続される（例えば特許文献１）。具体的には、溶融した半田を金属電極５２の凹部５２１に充填した状態で、凹部５２１に超電導線材５１を挿入し、支持部材（図示略）によって鉛直に支持する。そして、冷却により半田が凝固すると、超電導線材５１は金属電極５２に固着される。つまり、超電導線材５１と金属電極５２とは、半田５６を介して電気的に接続されることになる。超電導線材５１と第２の金属電極５３との接続部も同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２７５６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した超電導線材の接続部においては、超電導線材の超電導層側の面（第１の面）と金属電極との間に介在する半田層の厚さが１ｍｍ程度になるため、接続抵抗が高くなる（例えば０．０８〜０．２０μΩ）。また、半田層の厚さが均一に制御されないため、所望の接続抵抗を安定的に得ることは困難である。さらには、複数の超電導線材を並べて１つの金属電極に接続する場合には、それぞれの接続部間で接続抵抗のばらつきが大きくなり、クエンチの原因となる偏流が生じる虞がある。
【０００９】
本発明の目的は、接続抵抗を低減できるとともに、所望の接続抵抗を安定的に得ることができる超電導線材の接続部及び超電導電流リードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る超電導線材の接続部は、金属基板上に中間層、超電導層、安定化層が順に積層されたテープ状の超電導線材の端部が半田層を介して金属電極に接続されてなる超電導線材の接続部であって、
前記金属電極は、前記超電導線材の端部を収容する収容凹部を有し、
前記収容凹部に前記超電導線材の端部が挿入されるとともに、前記超電導線材の前記金属基板側の第１の面に沿って断面Ｖ字状の楔部材が挿入され、
前記超電導線材は、前記楔部材によって前記超電導層側の第２の面が半田層を介して前記金属電極に押し付けられた状態で固着されることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る超電導電流リードは、低温部に設置される超電導応用機器と常温部に設置される外部機器とを接続するための超電導電流リードであって、上記の超電導線材の接続部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、楔部材によって超電導線材は金属電極に均一な押圧力で押し付けられるので、超電導線材と金属電極との間に介在する半田層は極めて薄く、均一な厚さで形成される。したがって、接続抵抗を低減できるとともに、所望の接続抵抗を安定的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の超電導電流リードにおける超電導線材と電極との接続構造を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る超電導電流リードを用いた超電導磁石装置を示す図である。
【図３】超電導線材の一般的な構成を示す図である。
【図４】超電導電流リードにおける超電導線材と第１の電極及び第２の電極との接続構造を示す図である。
【図５】超電導線材と第１の電極との接続部を分解して示す斜視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図２は、本発明の一実施の形態に係る超電導電流リードを用いた超電導磁石装置を示す図である。図２に示すように、超電導磁石装置１は、超電導電流リード１０、常電導電流リード１５、超電導コイル２０、電源３０、及び低温容器４０等を備える。
【００１５】
低温容器４０は、内側の冷媒槽４１と外側の真空槽４２とからなる二重構造を有する。冷媒槽４１は冷凍機（図示略）に接続され、例えば液体ヘリウムによって内部を極低温（例えば７７Ｋ）に保持される。真空槽４２は真空ポンプ（図示略）に接続され、内部を真空状態に保持される。
【００１６】
超電導コイル２０は、超電導線材を巻線したコイルである。超電導コイル２０は、低温部となる冷媒槽４１内に配置される。超電導コイル２０は、超電導電流リード１０と接続するためのコイル電極２１を有する。
電源３０は、常温部となる低温容器４０外に配置される。電源３０は、常電導電流リード１５及び超電導電流リード１０を介して、超電導コイル２０に電流を供給する。常電導電流リード１５は、例えば銅線である。
【００１７】
超電導電流リード１０は、超電導線材１１、第１の電極１２、及び第２の電極１３を有する。超電導電流リード１０は、冷媒槽４１内に配置される。
超電導線材１１は、超電導層１１３（図３参照）を有するテープ状の線材である。超電導線材１１の高温側となる一端部は第１の電極１２に接続され、低温側となる他端部は第２の電極１３に接続される。
【００１８】
第１の電極１２（高温側電極）は、銅又は銅合金等の金属材料で構成される。第１の電極１２は、冷媒槽４１の底面近傍に配置され、導体引出部（図示略）を介して常電導電流リード１５に接続される。第１の電極１２の近傍の温度は、例えば７７Ｋである。
第２の電極１３（低温側電極）は、銅又は銅合金等の金属材料で構成される。第２の電極１３は、超電導コイル２０の近傍に配置され、超電導コイル２０のコイル電極２１に接続される。第２の電極１３の近傍の温度は、例えば４．２Ｋである。
【００１９】
図３は、超電導線材１１の一般的な構成を示す図である。図３に示すように、超電導線材１１は、テープ状の金属基板１１１上に、中間層１１２、超電導層１１３、安定化層１１４が順に形成された積層構造を有する。
【００２０】
金属基板１１１は、Ｎｉ−Ｃｒ系（例えばハステロイ（登録商標））、Ｗ−Ｍｏ系、Ｆｅ−Ｃｒ系（例えばオーステナイト系ステンレス）、又はＦｅ−Ｎｉ系の材料に代表される低磁性の無配向金属基板である。
【００２１】
中間層１１２は、例えば金属基板１１１からの元素の拡散が超電導層１１３に及ぶのを防止するための第１の中間層（拡散防止層）と、超電導層１１３の結晶を一定の方向に配向させるための第２の中間層（配向層）とを有する。第１の中間層は、例えばガリウムドープ酸化亜鉛層（ＧＺＯ）又はイットリウム安定化ジルコニア層（ＹＳＺ）で構成される。第１の中間層の成膜には、例えばイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ：Ion Beam Assisted Deposition）を適用できる。第２の中間層は、例えば酸化セリウム層（ＣｅＯ２）で構成される。第２の中間層の成膜には、例えばＲＦスパッタ法を適用できる。
【００２２】
超電導層１１３は、例えばＲＥ系超電導体（ＲＥ：希土類元素）等の酸化物超電導体で構成される。ＲＥ系超電導体としては、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７で表されるイットリウム系超電導体が代表的である。超電導層１１３の成膜には、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ：Pulsed Laser Deposition）又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を適用できる。
【００２３】
安定化層１１４は、超電導層１１３を保護するとともに、超電導状態が部分的に破れて抵抗が発生（常電導転移）した場合に電流を迂回させるための層である。安定化層１１４は、例えば銀で構成される。安定化層１１４の成膜には、例えばスパッタ法を適用できる。
超電導線材１１において、金属基板１１１側の面を第１の面１１Ａ、超電導層１１３側（安定化層１１４側）の面を第２の面１１Ｂと称する。
【００２４】
本実施の形態では、超電導線材１１と第１の電極１２及び第２の電極１３とを接続するに際し、断面Ｖ字状（先端が平坦な形状を含む）の楔部材１４を用いる。
図４は、超電導電流リード１０における超電導線材１１と第１の電極１２との接続部を示す図である。図４Ａは超電導電流リード１０の全体図である。図４Ｂは図４ＡのＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。図５は、超電導線材１１と第１の電極１２との接続部を分解して示す斜視断面図である。図５では、半田層１６が省略されている。
なお、図４、図５には超電導線材１１と第１の電極１２との接続部を示しているが、超電導線材１１と第２の電極１３との接続部も同様である。
【００２５】
図４、５に示すように、楔部材１４は、超電導線材１１に当接する第１の楔面１４Ａ及び第１の電極１２に当接する第２の楔面１４Ｂを有する。第２の楔面１４Ｂは、第１の楔面１４Ａに対して、先端角度θで傾斜する。先端角度θは１〜５°であることが好ましい。先端角度θが１°未満の場合は、楔としての機能が発揮されない。また、先端角度θが５°よりも大きい場合は、所定の固定力を得るために第１の電極１２が大きくなる虞がある。すなわち、楔部材１４の先端角度θを１〜５°とすることにより、楔としての機能を喪失することなく、電流リードの小型化を図ることができる。
【００２６】
楔部材１４は、第１の電極１２と同等の熱収縮性を有するのが好ましく、より好ましくは、同じ材料（例えば銅又は銅合金）で構成される。超電導電流リード１０が極低温環境下で用いられると、第１の電極１２と楔部材１４は、それぞれ熱収縮する。このとき、第１の電極１２と楔部材１４の熱収縮性が異なると、接合部が損壊する虞がある。本実施の形態では、楔部材１４が第１の電極１２と同等の熱収縮性を有しているので、極低温環境下において両者は同じように収縮する。したがって、熱収縮性の違いによって楔部材１４と第１の電極１２との接合部が損壊するのを防止できる。
【００２７】
第１の電極１２は、超電導線材１１の端部及び楔部材１４を収容する収容凹部１２１を有する。収容凹部１２１は略直方体状に形成される。収容凹部１２１の寸法は、収容する超電導線材１１及び楔部材１４に応じて適宜設定される。
【００２８】
収容凹部１２１は、収容される超電導線材１１の厚さ方向に対向する第１の凹部内面１２１Ａ、及び第２の凹部内面１２１Ｂを有する。
第１の凹部内面１２１Ａは平坦に形成される。第２の凹部内面１２１Ｂには、深さ方向略中央部に段部１２１Ｃが形成される。この段部１２１Ｃは、段部１２１Ｃの角部と収容凹部１２１の開口端縁を結ぶ稜線が、楔部材１４の第２の楔面１４Ｂと平行になるように形成される。
【００２９】
収容凹部１２１に半田を充填して溶融させた状態で、収容凹部１２１に超電導線材１１の端部が挿入される。このとき、超電導線材１１の第２の面１１Ｂが収容凹部１２１の第１の凹部内面１２１Ａに対向し、超電導線材１１の第１の面１１Ａが収容凹部１２１の第２の凹部内面１２１Ｂに対向する。
【００３０】
また、収容凹部１２１には、超電導線材１１の第１の面１１Ａに沿って楔部材１４が挿入される。楔部材１４を所定の挿入力で収容凹部１２１に押し込む（例えばハンマーによる叩打）ことにより、超電導線材１１の第２の面１１Ｂが半田層１６を介して第１の電極１２に押し付けられる。この状態で、冷却により半田が凝固すると、超電導線材１１は金属電極１２に固着される。
【００３１】
収容凹部１２１に楔部材１４を挿入する際、超電導線材１１の第１の面１１Ａによって第１の楔面１４Ａが支持されるとともに、収容凹部１２１の開口端縁及び段部１２１Ｃの角部によって第２の楔面１４Ｂが支持される。つまり、楔部材１４は安定した状態で収容凹部１２１に挿入され、超電導線材１１に対して均一な押圧力を付与する。
【００３２】
楔部材１４によって超電導線材１１は均一な押圧力で第１の電極１２に押し付けられるので、超電導線材１１と第１の電極１２との間に介在する半田層１６は、極めて薄く（例えば１０〜１００μｍ）、均一な厚さで形成される。したがって、超電導線材１１と第１の電極１２との接続部における接続抵抗は、従来の構造に比較して格段に低減される。また、複数の電流リード１０を作製する場合に、所望の接続抵抗を安定的に得ることができる。
【００３３】
さらには、第２の凹部内面１２１Ｂに設けられる段部１２１Ｃによって楔部材１４の挿入方向が自己調整されるので、楔部材１４をより安定した状態で容易に収容凹部１２１に挿入することができる。
【００３４】
このように、実施の形態に係る超電導電流リード１０に適用される超電導線材の接続部は、金属基板（１１１）上に中間層（１１２）、超電導層（１１３）、安定化層（１１４）が順に積層されたテープ状の超電導線材（１１１）の端部が半田層（１６）を介して金属電極（第１の電極１２、第２の電極１３）に接続された構成を有する。金属電極（１２、１３）は、超電導線材（１１）の端部を収容する収容凹部（１２１）を有する。収容凹部（１２１）に超電導線材（１１）の端部が挿入されるとともに、超電導線材（１１）の金属基板（１１１）側の第１の面（１１Ａ）に沿って断面Ｖ字状の楔部材（１４）が挿入される。超電導線材（１１）は、楔部材（１４）によって超電導層（１１３）側の第２の面（１１Ｂ）が半田層（１６）を介して金属電極（１２、１３）に押し付けられた状態で固着される。
【００３５】
楔部材（１４）によって超電導線材（１１）は金属電極（１２、１３）に均一な押圧力で押し付けられるので、超電導線材（１１）と金属電極（１２、１３）との間に介在する半田層（１６）が極めて薄く、均一になる。したがって、所望の接続抵抗を安定的に得ることができるとともに、接続抵抗を低減することができる。
【００３６】
［実施例］
実施例では、実施の形態で示した構造の超電導電流リードを作製し、複数のサンプルについて超電導線材と金属電極との接続部の評価を行った。具体的には、超電導電流リードを液体窒素中（７７Ｋ）に配置し、臨界電流値（Ｉｃ）の測定、及び超電導線材と低温側電極との接続部の接続抵抗の測定を行った。
また、比較例として、従来の構造（図１参照）の超電導電流リードを作製し、実施例と同様の評価を行った。評価結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示すように、超電導線材と低温側電極との接続部の接続抵抗は、比較例では０．０９６μΩであったのに対して、実施例では０．０１６μΩと約１／６に低減された。接続抵抗に基づいて算出されるジュール発熱量も１／６となり、全体の熱侵入量（熱伝導による熱侵入量＋ジュール発熱量）としては、約１割低減することができた。
また、接続抵抗の標準偏差（サンプル間のばらつき）は、比較例では０．２５であったのに対して、実施例では０．０２０と約１／１０に抑えられていた。
さらに、比較例では設計通りの臨界電流値が得られなかったが、実施例では設計通りの臨海電流値が得られた。
【００３９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、実施の形態では、超電導電流リードにおいて、超電導線材と低温側電極との接続部及び超電導線材と高温側電極との接続部の両方に、本発明に係る超電導線材の接続部を適用しているが、いずれか一方にだけ適用してもよい。
また例えば、収容凹部の第２の凹部内面には、複数の段部を設けるようにしてもよい。
【００４０】
また、本発明は、超電導線材を複数本有する超電導電流リードに適用することもできる。それぞれの超電導線材と金属電極との接続部においては、安定した接続抵抗が得られるので、接続抵抗のばらつきは小さく、クエンチの要因となる偏流が生じるのを防止することができる。
【００４１】
また、本発明は、円筒状のフォーマに複数の超電導線材を螺旋状に巻き付けた構造を有する超電導ケーブルと金属電極との接続部に適用することもできる。
【００４２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４３】
１  超電導磁石装置
１０  超電導電流リード
１１  超電導線材
１１Ａ  第１の面（金属基板側）
１１Ｂ  第２の面（超電導層側）
１１１  金属基板
１１２  中間層
１１３  超電導層
１１４  安定化層
１２  第１の電極（高温側電極）
１２１  収容凹部
１２１Ａ  第１の凹部内面
１２１Ｂ  第２の凹部内面
１２１Ｃ  段部
１３  第２の電極（低温側電極）
１４  楔部材
１４Ａ  第１の楔面
１４Ｂ  第２の楔面
１５  常電導電流リード
１６  半田層
２０  超電導コイル
３０  電源
４０  低温容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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