(57)【要約】　　　（修正有）【課題】電極端子の熱収縮量を小さくした酸化物超電導体通電素子を提供する。【解決手段】酸化物超電導体と、該酸化物超電導体の両端に接続した電極端子からなる酸化物超電導体通電素子において、前記電極端子を電気的良導体と該電気的良導体よりも熱膨張係数が小さい熱収縮調整体との複合材とすることにより、電極端子の熱収縮量を小さくでき、その結果、電極端子の電気良導性を損なわないで、酸化物超電導体に生じる熱応力を低減できる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物超電導体と、該酸化物超電導体の両端に接続した電極端子からなる酸化物超電導体通電素子において、前記電極端子が電気的良導体と熱収縮調整体との複合材であることを特徴とする酸化物超電導体通電素子。
【請求項２】
前記熱収縮調整体が、前記電気的良導体よりも熱膨張係数が小さい部材であることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導体通電素子。
【請求項３】
前記酸化物超電導体通電素子の少なくとも酸化物超電導体及び酸化物超電導体と電極端子との接続部が、補強支持体で補強されてなる請求項１又は２に記載の酸化物超電導体通電素子。
【請求項４】
前記酸化物超電導体通電素子が酸化物超電導体電流リードであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流リードや限流器、永久電流スイッチ等の酸化物超電導体を用いた通電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超電導体は、電気抵抗ゼロで大電流を流せるので、電流リードや限流器、永久電流スイッチ等の通電素子に用いられる。このような酸化物超電導体通電素子は、酸化物超電導体と、外部電源等に接続するための電極端子とから構成される。電極端子部材としては、大電流を流す通電素子であることから、電極端子でのジュール発熱を低くするために電気的良導体である銅や銀、アルミニウム等が用いられる。また、酸化物超電導体は機械的強度が低いので補強支持体で補強され、補強支持体部材としてはＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）等が用いられている。補強支持体部材に関しては、冷却時に酸化物超電導体に発生する熱応力を小さくするために、酸化物超電導体に対して熱膨張係数の近いチタンあるいはチタン系合金を用いることが、特開平９−３０６７２１号公報に提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、補強支持体部材の選定に関しては、酸化物超電導体との熱膨張係数の差が考慮されていたが、電極端子部材の選定に関しては、酸化物超電導体との熱膨張係数の差について考慮されていなかった。しかしながら、酸化物超電導体との熱膨張係数の差に関しては、電気的良導体である銅や銀、アルミニウムの方が、補強支持体部材に比べて大きい。例えば、室温から液体窒素温度までの熱収縮率は、Ｙ系酸化物超電導体のａ・ｂ軸方向では０．１５％程度であるが、ＧＦＲＰ（グラスファイバ−強化プラスチックス）では０．２３％程度、チタン合金では０．１６％程度であるのに対して、銅では０．３％程度と大きく、酸化物超電導体と電極端子間の接合部に大きな熱応力が生じる。しかし、電極端子部材は、電気的良導体でなければならず、酸化物超電導体の熱膨張係数に近い、他の材料に変更することは困難であった。そのため、酸化物超電導体と電極端子部材との間の熱収縮量の差が大きいことは、長期的な使用に際して信頼性が低下するおそれがあった。
本発明は、上記の問題を解決し、電極端子の熱収縮量を小さくした酸化物超電導体電流通電素子を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明による酸化物超電導体通電素子は、酸化物超電導体と、該酸化物超電導体の両端に接続した電極端子からなる酸化物超電導体電流通電素子において、前記電極端子が電気的良導体と熱収縮調整体との複合材であることを特徴とする酸化物超電導体通電素子である。また、このような酸化物超電導体通電素子であって、熱収縮調整体が電極端子部材よりも熱膨張係数が小さい部材であることを特徴とする。また、酸化物超電導体通電素子の少なくとも酸化物超電導体及び酸化物超電導体と電極端子との接続部が、補強支持体で補強されてなることを特徴とする。また、酸化物超電導体通電素子が電流リードであることも特徴とする。
【０００５】
電極端子を銅等の電気良導体と該電気良導体よりも熱膨張係数が小さい熱収縮量調整体との複合材とすることにより、すなわち、熱収縮調整体を電気良導体に埋め込んだものを電極端子とすることにより、電気良導体だけで電極端子を形成した場合に比べて、電極端子の熱膨張係数を小さくなり、電極端子の熱収縮量を小さくできる。その結果、酸化物超電導体に生じる熱応力を低減できる。さらに、本発明の構造の電極端子のジュール発熱に関して、本発明者らが鋭意研究した結果、熱収縮量調整体を電気良導体に埋め込む部位を電気良導体の酸化物超電導体と接続する部位近傍にすることにより、電極端子の電気良導性を損なわないことが分かった。これは、酸化物超電導体と接続する部位近傍では、電気抵抗がゼロの酸化物超電導体の方に電流の大部分が流れるために、電気良導体の方に熱収縮調整体を埋め込んでも電流分布に大きな影響を与えないためと考えられる。
【０００６】
本発明で用いる熱収縮調整体は、ＧＦＲＰ、チタン及びチタン合金、ＣｕＮｉ合金等の電気良導体の合金、ＮｉＣｒ合金等、電極端子に用いる電気良導体である銅や銀、アルミニウムに比べて熱膨張係数が小さい部材が好ましく、酸化物超電導体に比べて熱膨張係数が小さくてもよい。また、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　Ｙ系、Ｂｉ系等、特に制限されるものではないが、ピンニング力の強い酸化物超電導体の方がより強い漏洩磁場中でも動作可能であるので好ましい。ピンニング力の強い酸化物超電導体の例としては、ＱＭＧ材と呼ばれる　もので、単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ相（ＲＥはＹまたは希土類元素及びその組み合わせ）　中にＲＥ２ＢａＣｕＯ５相が微細分散している酸化物超電導体がある。また、本発明に用　いる補強支持体は、熱伝導率が低く、剛性が高く、酸化物超電導体に対して熱膨張係数が近いＧＦＲＰ、チタン合金、ＣｕＮｉ合金等の電気良導体の合金、ＮｉＣｒ合金等が好ましい。
【０００７】
材料力学的教科書によれば、応力と歪みとの間には、次式の関係があることが知られている。
εＸ＝１／Ｅ×（σＸ−ν（σＹ＋σＺ））　　　・・・・・　（１）
ここで、εＸは　Ｘ方向の歪み量、Ｅはヤング率、σＸはＸ方向の応力、σＹはＹ方向の応力、σＺはＺ方向の応力、νはポアソン比、である。Ｘ方向、Ｙ方向を酸化物超電導体のａ軸−ｂ軸方向、Ｚ方向を　ｃ軸方向にとるとする。酸化物超電導体は、ａ軸−ｂ軸方向と、ｃ軸方向に異方性がある材料であるので、σＸ＝σＹとし、ｃ軸方向の熱収縮量は銅とほとんど同じであるので、　σＺ＝０とすると、式１は、次のようになる。
εＸ＝１／Ｅ×（１−ν）×σＸ　　　・・・・・　　（２）
【０００８】
酸化物超電導体の圧縮強度は３００ＭＰａ程度であるが、酸化物は脆性材料であり、強度ばらつきを考慮して、設計強度を１５０ＭＰａとすると、さらにＥ＝１００ＧＰａ、ν＝０．３を代入すると、式２から歪み量として、０．１％が算出される。従って、本発明により電極端子を複合化することで電極端子の熱収縮量を小さくすることで酸化物超電導体への熱応力を小さくする効果があるが、酸化物超電導体と電極端子との熱収縮量の差を０．１％以内になるようにしたほうがより好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は電極端子を電気的良導体と熱収縮調整体との複合体にすることを特徴とするものであり、複合化の方法に関してはどのように複合化しても良いが、特に好ましい例について、以下、本発明の実施の形態で図面に基づいて詳述する。
【００１０】
図１は、本発明に基づいた酸化物超電導体通電素子の一実施形態の（ａ）外観側面図及び構造概略を示す（ｂ）側面図、（ｃ）平面図である。図１では、酸化物超電導体１の両端に電極端子２が接続しており、酸化物超電導体通電素子の機械的強度を改善するために補強支持体３が用いられている。電極端子は電気的良導体である銅と熱収縮調整体４１であるＧＦＲＰとの複合体になっており、主構成材料は銅で、銅と酸化物超電導体との接続部の銅部分にＧＦＲＰが埋め込まれた構造になっている。図１では、電気的良導体である銅の一部に貫通していない穴を設け、その穴に熱収縮調整体を埋め込んである。ＧＦＲＰは銅に比べて熱膨張係数が小さいので、電極端子の熱収縮量を小さくできる。　さらに、ＧＦＲＰを埋め込む部位を銅と酸化物超電導体との接続部分とすることにより、銅端子の電気的良導性を損なうことなく、効果的に電極端子の熱収縮量を小さくできる。
【００１１】
本発明による熱収縮量低減の効果を調べるため、図２（ａ）ないし（ｃ）にそれぞれ示したように、熱収縮調整体を用いず全て銅で作製した電極端子２９と、図１と同様の構造・材質の電極端子２１と、図１と同様の構造であるが熱収縮調整体４２の材質を金属チタンに変えた電極端子２２の３種類に対して、室温から液体窒素温度に冷却した時の熱収縮量を測定した。測定は、図２に示すように、歪みゲージ５を電極端子の内側に貼付し、電極端子を液体窒素に浸漬させて行った。測定の結果、熱収縮量は、電極端子２９では０．３％であったのに対して、電極端子２１では　０．２５％、電極端子２２では０．２％であった。従って、本発明により、電極端子の熱収縮量が小さくできることが確認できた。また、本実験で用いた電極端子で酸化物超電導体電流リードを組み立て、　１０００Ａの通電実験を行ってみたが、どの電極端子も溶断することなく、通電できた。従って、本発明により、電極端子を電気的良導性が損なわれないことを確認することができた。
【００１２】
図３は、本発明に基づいた酸化物超電導体通電素子の別の実施形態を示す構造概略図である。図１では、電気的良導体の一部に貫通していない穴を設け、その穴に熱収縮調整体を埋め込んであるが、図３では、電気的良導体に貫通穴を設け、その穴に熱収縮調整体４３を埋め込んである。このように貫通穴に熱収縮調整体を埋め込んでも、電極端子と酸化物超電導体との接続性を損なうことなく組み立てることができる。
【００１３】
図４は、本発明に基づいた酸化物超電導体通電素子の別の実施形態を示す構造概略図である。図１では、酸化物超電導体との接続部位の上下部分の銅に熱収縮調整体を埋め込んであるが、図４では、酸化物超電導体との接続部位の上下部分の銅だけでなく、横方向の銅にも熱収縮調整体４４を埋め込んである。このような構造にすることにより、電極端子と酸化物超電導体との接続部分全体のマクロ的な熱膨張特性を均一化することができる。
【００１４】
図５と図６は、本発明に基づいた酸化物超電導体通電素子の別の実施形態を示す構造概略図である。図１では、丸形状の熱収縮調整体を銅に埋め込んであるが、図５と図６では、長方形状の熱収縮調整体４５を銅に埋め込んである。図５は、長方形の長手方向が通電方向になるように埋め込んだ例で、図６は、長方形の長手方向が通電方向と直角方向になるように埋め込んだ例である。熱収縮調整体の形状を変化させても、同様の効果を得ることができる。
【００１５】
図７は、本発明に基づいた酸化物超電導体通電素子の別の実施形態を示す構造概略図である。図１では、電気的良導体と酸化物超電導体との接続面と垂直に熱収縮調整体４６を埋め込んであるが、図７では、電気的良導体と酸化物超電導体との接続面と平行で、通電方向に垂直に熱収縮調整体を埋め込んである。
【００１６】
図８は、本発明に基づいた酸化物超電導体通電素子の別の実施形態を示す構造概略図である。図１では、電気的良導体と酸化物超電導体との接続面と垂直に熱収縮調整体４７を埋め込んであるが、図８では、電気的良導体と酸化物超電導体との接続面と平行で、通電方向に平行に熱収縮調整体を埋め込んである。
【００１７】
図９は、本発明に基づいた酸化物超電導体通電素子の別の実施形態の構造概略を示す（ａ）側面図、（ｂ）平面図である。図１〜８までは、電気的良導体に熱収縮調整体を埋め込んであるが、図９では、電気的良導体に熱収縮調整体４８を貼り付けてある。熱収縮調整体を貼り付けることにより、埋め込むことよりも簡便に通電素子を作製することができる。熱収縮調整体を貼り付ける場合には、電気的良導体の酸化物超電導体との接続面部分の厚さを薄くすると好ましい。図９では、電気的良導体の上下面に熱収縮調整体を貼り付けてあるが、側面に貼り付けてもよい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の酸化物超電導体通電素子によれば、電極端子の熱収縮量の小さくした酸化物超電導体通電素子を提供できるので工業上顕著な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物超電導体通電素子の一実施例の（ａ）外観側面図及び、構造概略を示す（ｂ）側面図と（ｃ）平面図
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明の効果を調べるための実験の概略図
【図３】本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造概略を示す側面図
【図４】本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造概略を示す側面図
【図５】本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造概略を示す平面図
【図６】本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造概略を示す平面図
【図７】本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造概略を示す側面図
【図８】本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造概略を示す側面図
【図９】本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造概略を示す（ａ）側面図と（ｂ）平面図
【符号の説明】
１　　酸化物超電導体
２、２１、２２　　電極端子
２９　　電極端子（従来技術）
３　　補強支持体
４１　　ＧＦＲＰ製熱収縮調整体
４２　　金属チタン製熱収縮調整体
４３、４４、４５、４６、４７、４８　　熱収縮調整体（各種形態のもの）
５　　歪みゲージ
【図１】
2004047259.tif 000003
【図２】
2004047259.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004047259.tif 000008
【図７】
2004047259.tif 000009
【図８】
2004047259.tif 000010
【図９】
2004047259.tif 000011