(57)【要約】【課題】長尺で高性能な酸化物超電導導体通電素子を提供できるようにする。【解決手段】２つ以上の酸化物超電導体を電気的に接合した酸化物超電導導体と、前記酸化物超電導導体の両端に電気的に接合した電極端子と、前記酸化物超電導導体を構成する酸化物超電導体間の接合部に接続した伝熱体とからなることを特徴とする酸化物超電導導体通電素子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の酸化物超電導体を電気的に接合した酸化物超電導導体と、前記酸化物超電導導体の両端に電気的に接合した電極端子と、前記酸化物超電導導体を構成する酸化物超電導体間の接合部に接続した伝熱体とからなることを特徴とする酸化物超電導導体通電素子。
【請求項２】
前記伝熱体が、片側又は両側の電極端子と接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導導体通電素子。
【請求項３】
前記伝熱体が、前記酸化物超電導体の表面上に形成された皮膜であることを特徴とする請求項２に記載の酸化物超電導導体通電素子。
【請求項４】
前記酸化物超電導導体通電素子が電流リードであって、かつ前記伝熱体が片側の電極端子とのみ接続されてなることを特徴とする請求項２又は３に記載の酸化物超電導導体通電素子。
【請求項５】
前記伝熱体の断面積ＳA、前記伝熱体の皮膜が形成された酸化物超電導体の断面積をＳB、前記伝熱体の熱伝導率をｋA、前記伝熱体の皮膜が形成された酸化物超電導体の熱伝導率をｋBとすると、前記伝熱体の断面積ＳAがＳA≦ＳB×（ｋB／ｋA）であることを特徴とする請求項３に記載の酸化物超電導導体通電素子。
【請求項６】
前記酸化物超電導体が、単結晶状のREBa2Cu3Ox相（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上、xは６．８以上で７以下）中にRE2BaCuO5相が微細分散した酸化物超電導体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸化物超電導導体通電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電流リードや限流器、永久電流スイッチ、通電マグネット等に使用する酸化物超電導体を用いた酸化物超電導導体通電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物超電導体は、電気抵抗がゼロで大電流を流せるので、電流リードや限流器、永久電流スイッチ、通電マグネット等の通電素子に用いられる。特許文献１に、超電導マグネット、超電導電流リードなどへの超電導導体の応用のためにはより長い導体を得ることが必要である。ところが、現状の超電導体の寸法は期待されるものよりはるかに短いと記載されているように、超電導導体の長さが短いという問題があった。酸化物超電導体通電素子において、酸化物超電導導体部を長尺化することは、電流リードでは熱侵入の低下、限流器や永久電流スイッチでは常電導抵抗値の増大、通電マグネットでは磁場強度の増大という高性能化に繋がる。
【０００３】
酸化物超電導体を線材化して長尺化することについては、特許文献１には、金属シースを用いた線材では熱伝導率が大きすぎるため電流リードとして利用できないという問題点があったと記載されている。これらの問題に対して、図８に示すように、特許文献１では、酸化物超電導体同士を接合して長尺化することが提案されている。さらに、特許文献１には、接合部に貴金属を分散させており、接合面での超電導粒子同士の接合が良好になり低抵抗が実現できると記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１５９９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、２つ以上の酸化物超電導体を接合して１つの酸化物超電導導体を形成することにより、酸化物超電導導体部の長尺化は可能になる。しかしながら、酸化物超電導体同士の接合部は、低抵抗とはいえ、電気抵抗が存在し、通電する際にジュール発熱が生じる。このジュール発熱の影響により十分な超電導特性が得られず、通電素子としての機能が損なわれるという問題点があった。例えば、特許文献１では、接合面の貴金属量を最適化した状態でも、接合面がない場合に比べて臨界電流密度が約１／２であることが示されている。
【０００６】
本発明は前述の問題点に鑑み、長尺で高性能な酸化物超電導導体通電素子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】
【０００７】
本発明の酸化物超電導導体通電素子は、以下のとおりである。
（１）２つ以上の酸化物超電導体を電気的に接合した酸化物超電導導体と、前記酸化物超電導導体の両端に電気的に接合した電極端子と、前記酸化物超電導導体を構成する酸化物超電導体間の接合部に接続した伝熱体とからなることを特徴とする酸化物超電導導体通電素子。
（２）前記伝熱体が、片側又は両側の電極端子と接続されてなることを特徴とする（１）に記載の酸化物超電導導体通電素子。
（３）前記伝熱体が、前記酸化物超電導体の表面上に形成された皮膜であることを特徴とする（２）に記載の酸化物超電導導体通電素子。
（４）前記酸化物超電導導体通電素子が電流リードであって、かつ前記伝熱体が片側の電極端子とのみ接続されてなることを特徴とする（２）又は（３）に記載の酸化物超電導導体通電素子。
（５）前記伝熱体の断面積ＳA、前記伝熱体の皮膜が形成された酸化物超電導体の断面積をＳB、前記伝熱体の熱伝導率をｋA、前記伝熱体の皮膜が形成された酸化物超電導体の熱伝導率をｋBとすると、前記伝熱体の断面積ＳAがＳA≦ＳB×（ｋB／ｋA）であることを特徴とする（３）に記載の酸化物超電導導体通電素子。
（６）前記酸化物超電導体が、単結晶状のREBa2Cu3Ox相（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上、ｘは６．８以上で７以下）中にRE2BaCuO5相が微細分散した酸化物超電導体であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の酸化物超電導導体通電素子。
なお、本発明では、２つ以上の酸化物超電導体を接合して１つの導体にしたものを酸化物超電導導体として表記する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡便な手段で通電素子中の酸化物超電導導体部の実質的な長さを長尺化できるので、長尺で高性能な酸化物超電導導体通電素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態について、図に沿って説明する。
図１は、本発明における酸化物超電導導体通電素子の構造の一例を示す断面図である。図１において、２つの酸化物超電導体１ａ及び酸化物超電導体１ｂとが電気的に接合され、１つの酸化物超電導導体１を形成している。この酸化物超電導導体１の両端に、外部に接続するための電極端子２が半田等（図では省略されている）で電気的に接合されている。図１に示すように、２つの酸化物超電導体１ａ、１ｂを接合することにより、１つの酸化物超電導体を用いて作製する酸化物超電導体通電素子よりも、酸化物超電導導体部が長尺化し、その結果、酸化物超電導導体通電素子の高性能化が図れる。
【００１０】
２つの酸化物超電導体の接合方法としては、例えば、各々の酸化物超電導体の接合面に銀を１μｍ程度成膜し、銀成膜面同士を半田で接合する方法や、各々の酸化物超電導体の接合面に銀ペーストを塗布し、塗布面を密着させた状態で加熱して接合する方法等があり、これらの方法により接合面の電気抵抗を非常に小さくすることができる。しかし、非常に小さいとはいえ、接合抵抗が存在し、通電する際に接合面にジュール発熱が生じる。接合面に生じたジュール発熱は、酸化物超電導導体通電素子の機能を損なうおそれがある。図１では、２つの酸化物超電導体１ａ、１ｂ同士の接合面３を囲むように伝熱体４を接合部に接続している。この伝熱体４の他端を、図示していない冷却設備、例えば、液体窒素等の冷媒や冷凍機のコールドヘッドに接続する。通電する際に接合面３の電気抵抗によって生じるジュール発熱は、伝熱体４を伝わって冷却設備側に抜熱されるので、接合面３に生じるジュール発熱によって通電素子の機能が損なわれることはない。
【００１１】
本発明に用いる伝熱体４としては、銅、銀、アルミニウム等の金属、あるいは窒化珪素、炭化珪素等のセラミックスのような熱伝導率が高い材料が好ましい。さらに、伝熱体４を薄板状や細線状にして、電極端子２よりも断面積を小さくすることが好ましい。例えば、電流リードの応用の場合、伝熱体４の断面積を電極端子２の断面積よりも小さくすることにより、熱侵入量をあまり大きくすることなしに、２つの酸化物超電導体１ａ、１ｂ間の接合面３に生じるジュール発熱を効果的に逃がすことができる。また、伝熱体４を皮膜として酸化物超電導体の表面に形成するようにしてもよい。
【００１２】
本発明に用いる酸化物超電導体は、酸化物超電導体であれば特に材料系を制限するものではなく、RE-Ba-Cu-O（REはY又は希土類元素から選ばれた少なくとも１つの元素）系酸化物超電導バルク体、Bi系酸化物超電導バルク体等でもよい。しかしながら、酸化物超電導バルク体の中でも、溶融法で製造された単結晶状のREBa2Cu3Ox相（１２３相）中にRE2BaCuO5相（２１１相）が微細分散した酸化物超電導バルク体は、臨界電流密度が高く、通電素子応用に適した材料であるが、単結晶状に結晶成長させる際に精密な温度制御が必要なので大型化が難しい。したがって、RE-Ba-Cu-O系溶融バルク体を用いた通電素子については、本発明による長尺化の効果が特に顕著であるので、RE-Ba-Cu-O系溶融バルク体は、本発明にとって特に好ましい材料である。なお、図１では、同じ大きさの酸化物超電導体１ａ、１ｂを電気的に接合したが、接合する酸化物超電導体の形状やサイズ、材料系は異なったものでもよい。
【００１３】
図２は、本発明における酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。図２では、伝熱体４の他端が片側の電極端子２に接続している。このような構造にすることにより、通電する際に２つの酸化物超電導体１ａ、１ｂ間の接合面３の電気抵抗によって生じるジュール発熱は、伝熱体４を伝わって電極端子２側に抜熱されるので、接合面３に生じるジュール発熱により通電素子に機能が損なわれることはない。なお、図２に示す構造で、伝熱体４が金属のような電気良導体の場合、伝熱体４が電流の経路になる可能性があるが、本発明の通電素子は酸化物超電導導体通電素子なので、使用時には電気抵抗がほぼゼロの酸化物超電導導体１の部分を電流が流れる。このため、機能に影響はない。さらに、伝熱体４を冷凍機や冷媒等の冷却設備に接続する手間が省け、通電素子の取り付けも容易になる。
【００１４】
図３は、本発明における酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。図３では、図２に示す構造に酸化物超電導導体通電素子を補強するための支持体５が加えられている。２つ以上の酸化物超電導体を電気的に接合して１つの長尺化した酸化物超電導導体を形成した場合、長尺化により機械的強度が低下するおそれがあるので、支持体５により補強することが好ましい。支持体５としては、ＧＦＲＰやＣＦＲＰ等の繊維強化プラスチックスが高剛性であり、両端の電極端子２を電気的に絶縁できるので好ましい。
【００１５】
図４は、本発明における酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。図４に示すように、伝熱体４は酸化物超電導体１ｂの表面に形成された金属皮膜である。伝熱体４を酸化物超電導体１ｂの表面に形成した金属皮膜とすることにより、伝熱体４を支持体５の内部に容易に収納でき、素子全体の構成が簡素化される。本発明の酸化物超電導導体通電素子において、通電素子が電流リードの場合には、金属皮膜を伝わる熱が熱侵入量の増大をもたらすので、金属皮膜は片側の酸化物超電導体だけに形成することが好ましい。なお、この場合、伝熱体４として金属皮膜を設けた酸化物超電導体１ｂは、高温側の電極端子２に接続されている方が、高温側の電極端子２からの熱侵入を防げることから望ましい。
【００１６】
さらに、金属皮膜を伝わる熱侵入量が金属皮膜を形成した酸化物超電導体１ｂを伝わる熱侵入量を超えないようにすることがより好ましい。即ち、伝熱体４の断面積ＳA、伝熱体４の金属皮膜が形成された酸化物超電導体１ｂの断面積をＳB、伝熱体４の熱伝導率をｋA、伝熱体４の金属皮膜が形成された酸化物超電導体１ｂの熱伝導率をｋBとすると、ＳA≦ＳB×（ｋB／ｋA）という条件を満足することが好ましい。例えば、伝熱体４としての金属皮膜の使用温度範囲の平均熱伝導率が８００Ｗ／ｍ・Ｋ、酸化物超電導体１ｂの使用温度範囲の平均熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋの場合、厚さ１ｍｍの酸化物超電導体１ｂの表面片側に金属皮膜を形成すると、１２．５μｍ以下の厚さにすることが好ましい。
【００１７】
図５は、本発明における酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。図２〜図４では、伝熱体４は片側の電極端子２に接続していたが、図５では、伝熱体４は両側の電極端子２に接続している。酸化物超電導導体通電素子が電流リードの場合には、熱侵入量を低減するために伝熱体４を片側の電極端子２だけに接続した方が好ましいが、限流器、永久電流スイッチ、通電マグネットなどに応用する場合は、熱侵入量を低減する必要はなく、酸化物超電導体１ａ、１ｂ間の接合面３に生じるジュール発熱の抜熱だけを考慮すればよいので、伝熱体４を両端の電極端子２に接続した方が好ましい。
【００１８】
図６は、本発明における酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。図１〜図５では、２つの酸化物超電導体１ａ、１ｂを電気的に接合して１つの酸化物超電導導体１を形成したが、図６のように、３つ以上の酸化物超電導体も同様に電気的に接合し、より長尺化した酸化物超電導導体１を形成することができる。この場合、最も低温側に位置する酸化物超電導体１ａを除いた２つの酸化物超電導体１ｂ、１ｃに伝熱体４を設けることが、高温側の電極端子２からの侵入熱を防ぐ観点から好ましい。
【００１９】
図７は、本発明における酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。図１〜図６では、２つ以上の酸化物超電導体を通電方向に一方向に電気的に接合したが、図７に示すように、通電方向と直角方向に酸化物超電導体を積層して接合することもできる。積層方向に接合する方法は、限流器、永久電流スイッチ、通電マグネットのような応用において、ミアンダ構造や蚊取線香状構造の酸化物超電導体を電気的に接合する際に、コンパクトで高性能化を図れるので好ましい方法である。なお、図７に示すような構造の場合、伝熱体４は、各接合面３の電気的な短絡を防ぐために、電気絶縁性の材料が好ましい。伝熱体４に電気良導体を用いる場合には、抜熱するための冷却設備に接続する際に、絶縁性の伝熱性テープ等を介して接続することが好ましい。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
まず、溶融法により直径４６ｍｍ、厚さ１５ｍｍで、３０ｍｏｌ％の２１１相と初期原料に５ｍａｓｓ％添加した銀が１２３相中に微細分散したGd-Ba-Cu-O系単結晶状酸化物超電導体を作製した。そして、この酸化物超電導体から、長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ２ｍｍの棒状の試料を２個切り出し、接合面に銀を成膜した後に半田にて接合して１つの酸化物超電導導体１を作製した。次に、この酸化物超電導導体１の両端を銅製の電極端子２と半田により接合した。そして、伝熱体４である厚さ０．１ｍｍの銀箔で銀ペーストを用いて酸化物超電導体同士の接合面３を囲むように接合部に接続し、さらに、片側の電極端子２と接続して、図２に示すような構造の酸化物超電導導体通電素子Ａを作製した。比較のため、長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ２ｍｍの棒状の試料１個を用いて、図９に示すような構造の酸化物超電導体通電素子Ｂを作製した。
【００２１】
酸化物超電導導体通電素子Ａの場合、２つの酸化物超電導体１ａ、１ｂ間の接合部３の通電方向長さが５ｍｍ、酸化物超電導体と電極端子２と間の接合部の通電方向長さが５ｍｍであったので、酸化物超電導導体通電素子Ａの酸化物超電導導体１の有効長である両電極端子間の距離は６５ｍｍとなった。
【００２２】
一方、酸化物超電導体通電素子Ｂの場合、酸化物超電導体と電極端子と間の接合部の通電方向長さが５ｍｍであったので、酸化物超電導体通電素子Ｂの酸化物超電導導体の有効長である両電極端子間の距離は３０ｍｍとなった。
【００２３】
なお、熱侵入量は有効長に反比例し、常電導抵抗値は有効長に比例する。以上の結果から、酸化物超電導導体通電素子Ａは、酸化物超電導体通電素子Ｂに比べて、電流リードとして用いた場合、熱侵入量が半分以下になり、また限流器や永久電流スイッチとして用いた場合、常電導抵抗値が２倍以上になることが確認できた。
【００２４】
さらに、酸化物超電導導体通電素子Ａ及び酸化物超電導体通電素子Ｂの片端を冷却容器中の液体ヘリウムに浸漬させた状態で蒸発ガス流量を測定したところ、酸化物超電導導体通電素子Ａは、酸化物超電導体通電素子Ｂに比べて、蒸発ガス流量が４０％低下した。蒸発ガス流量が半分以下にならなかった理由は、輻射によるバックグランドの熱侵入量が存在するためである。したがって、本発明により、簡便な手段で、長尺で高性能な酸化物超電導導体通電素子を提供することができる。
【００２５】
（実施例２）
まず、溶融法により直径４６ｍｍ、厚さ１５ｍｍで、２５ｍｏｌ％の２１１相が１２３相中に微細分散したDy-Ba-Cu-O系単結晶状酸化物超電導体を作製した。そして、この酸化物超電導体から、長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの棒状の試料を２個切り出し、接合面３に銀ペーストを塗布し、密着させた状態で加熱し、長さ７５ｍｍの酸化物超電導導体１を作製した。この酸化物超電導導体１の接合面３から片側の半分部分（片側の酸化物超電導体部分）の表面に銀を厚さ１０μｍ成膜し、伝熱体４となる金属皮膜を形成した。次に、酸化物超電導導体１の両端を銅製の電極端子２と半田接続し、ガラス繊維強化プラスチックス（ＧＦＲＰ）で酸化物超電導導体１の両側から接着固定して、図４に示すような構造の酸化物超電導導体通電素子Ｃを作製した。比較のため、伝熱体となる金属皮膜を形成する手順を省略して酸化物超電導導体通電素子Ｃと同じように作製し、図１０に示すような伝熱体がない構造の酸化物超電導導体通電素子Ｄを作製した。
【００２６】
酸化物超電導導体通電素子Ｃ及び酸化物超電導導体通電素子Ｄについて、通電素子全体を液体窒素に浸漬させた状態で通電したところ、どちらの通電素子も５００Ａ通電できた。次に、両端の電極端子部のみを液体窒素で冷却し、通電素子中央部を両端の電極端子からの伝導冷却により冷却した状態で通電したところ、酸化物超電導導体通電素子Ｃは５００Ａ通電できたが、酸化物超電導導体通電素子Ｄについては、３００Ａ通電した際に素子が溶断し、それ以上通電できなかった。
【００２７】
以上の結果から、本発明における伝熱体は、冷却条件が厳しい条件下でも、酸化物超電導体接合面に生じるジュール発熱を有効に抜熱することが確認できた。したがって、本発明により、簡便な手段で、長尺で高性能な酸化物超電導導体通電素子を提供することができる。
【００２８】
（実施例３）
まず、溶融法により直径６５ｍｍ、厚さ１５ｍｍで、２０ｍｏｌ％の２１１相と初期原料に１０ｍａｓｓ％添加した銀が１２３相中に微細分散した（0.9Gd-0.1Dy）-Ba-Cu-O系単結晶状酸化物超電導体を作製した。そして、この酸化物超電導体から、外径６０ｍｍ程度の蚊取線香状の酸化物超電導体を８枚切り出した。２枚の蚊取線香状酸化物超電導体を電流通電方向が同じ回転向きになるように積層し、蚊取線香状の中心部分で半田にて接合し、中心部分の半田接合部に薄い絶縁性ポリイミドフィルムを介して伝熱体４である厚さ０．１ｍｍのアルミ箔を接着剤にて接続した。２枚ずつ接合した４組を蚊取線香状酸化物超電導体の外側で半田にて接合した後、外側の半田接合部に薄い絶縁性ポリイミドフィルムを介して伝熱体４である厚さ０．１ｍｍのアルミ箔を接着剤にて接続し、８枚が積層した酸化物超電導導体１を作製した。この酸化物超電導導体１の両端を銅製の電極端子２と半田接合した。その後、素子全体をガラス繊維強化プラスチックス（ＧＦＲＰ）とエポキシ系樹脂（商品名:スタイキャスト２８５０ＦＴ）を用いて補強した、図７に示す構造に似た酸化物超電導導体通電素子Ｅを作製した。
【００２９】
酸化物超電導導体通電素子Ｅの電極端子部及び各伝熱体を冷凍機のコールドヘッドと接続した。接続に際しては、コールドヘッド部と電気的に絶縁されるように、ポリイミドフィルムを挟んで接続した。この状態で冷凍機により７０Ｋに冷却し、通電したところ、５００Ａ通電でき、１Ｔ以上の磁場を発生することが確認できた。したがって、本発明により、簡便な手段で、長尺で高性能な酸化物超電導導体通電素子を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明によれば、簡便な手段で、長尺で高性能な酸化物超電導導体通電素子を提供することができるので、酸化物超電導体の工業上の利用範囲が拡大する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の酸化物超電導導体通電素子の構造の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の酸化物超電導導体通電素子の構造の別の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明の酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。
【図４】本発明の酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。
【図５】本発明の酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。
【図６】本発明の酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。
【図７】本発明の酸化物超電導導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。
【図８】従来の酸化物超電導導導体の構造例を示す断面図である。
【図９】比較例の酸化物超電導体通電素子の構造を示す断面図である。
【図１０】比較例の酸化物超電導導体通電素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  酸化物超電導導体
２  電極端子
３  接合面
４  伝熱体
５  支持体
【図１】
2008251720.tif 000003
【図２】
2008251720.tif 000004
【図３】
2008251720.tif 000005
【図４】
2008251720.tif 000006
【図５】
2008251720.tif 000007
【図６】
2008251720.tif 000008
【図７】
2008251720.tif 000009
【図８】
2008251720.tif 000010
【図９】
2008251720.tif 000011
【図１０】
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