(57)【要約】【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。【選択図】図１
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【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ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−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。
【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ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ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ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−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ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−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ＣｅＯ２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】
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【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】
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【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
【図１】
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【図２】
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