(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
100μm以上の厚さを有するバルク超伝導体を３個以上常伝導接続してなる導体であって、前記バルク超伝導体の超伝導転移温度以下における前記導体の見かけの比抵抗が、前記温度における銅の比抵抗より低いことを特徴とする超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項２】
100μm以上の厚さを有するバルク超伝導体を３個以上常伝導接続してなる導体であって、77Kにおける該導体の見かけの比抵抗が、77Kにおける銅の比抵抗より低いことを特徴とする超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項３】
前記バルク超伝導体の厚さが、200μm以上10mm以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項４】
前記３個以上のバルク超伝導体の一部又は全部が、棒状又は板状の形状を有してなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項５】
前記３個以上のバルク超伝導体の一部が、湾曲及び屈曲のうち、少なくとも何れか一方の状態である棒状又は板状の形状を有してなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項６】
前記３個以上のバルク超伝導体の一部又は全部が、REBa2Cu3O7-x系超伝導体(ここで、REはYを含む希土類元素の１種類又はその組合せ)であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項７】
前記３個以上のバルク超伝導体の一部又は全部が、種結晶から成長させて得られる単結晶状の酸化物系バルク超伝導体であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項８】
前記３個以上のバルク超伝導体の一部又は全部長手方向が、該バルク超伝導体の結晶学的方位においてc軸と垂直方向であることを特徴とする請求項６又は７に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項９】
前記３個以上のバルク超伝導体の常伝導接続の一部又は全部が、隣接する超伝導体の長手方向に略垂直な面同士及び略平行な面同士のうち、少なくとも何れか一方で接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項１０】
前記３個以上のバルク超伝導導体の長手方向における常伝導接続部の一部又は全部を覆うように複数層のバルク超伝導体が配置されてなることを特徴とする請求項９に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項１１】
前記常伝導接続の一部又は全部が、金属を介して隣接するバルク超伝導体を接合してなることを特徴とする請求項９又は１０に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項１２】
前記金属が、銅、銅合金、銀、銀合金、金、金合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金からなる群から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１１記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項１３】
前記金属の厚みが100μm以下であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項１４】
前記バルク超伝導体の長手方向の一部又は全部が、通電方向であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【請求項１５】
前記バルク超伝導体間の距離が10mm以下であることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の低抵抗導体。
【請求項１６】
前記見かけの比抵抗は、RS/nLであることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の低抵抗導体。ただし、Rは前記導体の抵抗値、Sは前記導体の断面積、nは前記バルク超伝導体の数、Ｌは１つの前記バルク超伝導体の長さである。
【請求項１７】
前記バルク超伝導体の１つを介して配設された２つの前記バルク超伝導体の隙間Ｌ1が、前記バルク超伝導体の長さＬの５０％以下であることを特徴とする請求項１〜１６の何れか１項に記載の低抵抗導体。
【請求項１８】
100μm以上の厚さを有するバルク超伝導体を３個以上常伝導体を介して配置し、加圧して接続処理することを特徴とする低抵抗導体の製造方法。
【請求項１９】
前記バルク超伝導体を半田を用いて接続することを特徴とする請求項１８に記載の低抵抗導体の製造方法。
【請求項２０】
100μm以上の厚さを有するバルク超伝導体を３個以上常伝導体を介して配置し、加圧した後、減圧雰囲気又は真空中で熱処理することを特徴とする低抵抗導体の製造方法。
【請求項２１】
前記バルク超伝導体を銅、銅合金、銀、銀合金、金、金合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のペースト又は箔を用いて接続し、しかる後に加熱処理することを特徴とする請求項１８又は２０に記載の低抵抗導体の製造方法。
【請求項２２】
前記バルク超伝導体の表面に、銅、銅合金、銀、銀合金、金、金合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる群から選ばれる１種又は２種以上の被覆を有することを特徴とする請求項１８〜２１の何れか１項に記載の低抵抗導体の製造方法。
【請求項２３】
請求項１〜１７の何れか１項に記載の低抵抗導体を少なくとも一部に配してなることを特徴とする電流リード。
【請求項２４】
前記低抵抗導体の両端部に、銅、アルミニウム、金、又は銀及びこれらの合金からなる電極を接続してなることを特徴とする請求項２３に記載の電流リード。
【請求項２５】
請求項２３又は２４に記載の電流リードを少なくとも一部に配設してなることを特徴とする電力供給用ケーブル。
【請求項２６】
二重管以上の多重管のひとつの空間中心に前記電流リードを配し、他の空間としてその空間中心の周りに冷媒が流れる空間を有すると共に、その外周に断熱層を有することを特徴とする請求項２５に記載の電力供給用ケーブル。
【請求項２７】
前記電流リードに接続した電極同士を電気的に接続すると共に、該接続電極部分を真空断熱層で被覆してなることを特徴とする請求項２５に記載の電力供給用ケーブル。
【請求項２８】
請求項１〜１７の何れか１項に記載の低抵抗導体を巻き回してなることを特徴とするコイル。
【請求項２９】
前記コイルの低抵抗導体の通電方向に垂直な面の断面積が、外周部より内周部の方が大きいことを特徴とする請求項２８に記載のコイル。
【請求項３０】
前記コイルの低抵抗導体に用いられる低抵抗導体が、異なる希土類組成を有する超伝導体を組み合わせてなることを特徴とする請求項２８に記載のコイル。
【請求項３１】
前記巻き回した低抵抗導体の間隙を冷媒流路とすることを特徴とする請求項２８〜３０の何れか１項に記載のコイル。
【請求項３２】
前記低抵抗導体を樹脂及び繊維強化プラスチックのうち、少なくとも何れか一方で補強してなることを特徴とする請求項２８〜３１の何れか１項に記載のコイル。
【請求項３３】
請求項２８〜３２の何れか１項に記載のコイルを用いたことを特徴とする磁場発生装置。
【請求項３４】
請求項２８〜３２の何れか１項に記載のコイルを少なくとも二次側に用いたことを特徴とする変圧器。
【請求項３５】
請求項２８〜３２の何れか１項に記載のコイルを少なくとも二次側に用いたことを特徴とする交流電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実質的に低抵抗の電気伝導体およびその製造方法並びにこれを用いた応用機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気を通す導体として、現在、銅が最も多く使用されている。これは、室温での比抵抗が銀とほぼ同程度で他の物質に比べ最も低く、かつ比較的安価であることによる。導体の比抵抗を下げる方法には、導体を冷却する方法がある。銅の場合、液体窒素温度(77K)に冷却すると、比抵抗は約1/7の約2.5×10-9Ωmとなる。
【０００３】
超伝導線材は、超伝導転移温度以下に冷却する必要はあるものの、電気抵抗がほぼゼロであり、理想の導体である。金属系超伝導線材は、線材としての完成度も高く、MRI等のマグネットとして実用化されているが、極低温への冷却の必要 性から広く普及するにいたっていない。一方、液体窒素温度で超伝導になる酸化物系の超伝導材料には、大別してBi系とY系の2種類がある。Bi系は主に銀シース付きのテープ線材として、また、Y系は金属テープ表面にバッファ層を形成しそ の上に超伝導薄膜を形成したテープ線材の開発が進められている。これらの線材は、高特性が得られた場合、取り扱いの容易な液体窒素で冷却できるため期待が高まっている。そして、これらの線材を用いた電気機器の開発および普及が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Bi系線材は、77Kにおいては、十分な臨界電流密度が得られて おらず、特に磁場中で特性劣化が著しいことや、銀をシース材として使用しているために高価である等の問題がある。Y系線材は、真空中で成膜速度や特性の均 質化等の問題があり、開発途上にある。
【０００５】
一方、比抵抗が十分低く、かつ安価で取り扱いの容易な導体が製造可能であれば、必ずしも電気抵抗がゼロである超伝導線材である必要はない。そこで、本発明は、このような比抵抗が十分に小さい導体を提供することを目的とする。また、このような導体を用いた電力損失が少なく取り扱いが容易な電気機器の提供も目的とする。
【０００６】
また、複数のバルク超伝導体を超伝導接続する技術は、特開平５−２７９０２８号公報、特開平６−４０７７５号公報及び特開平７−１７７７４号公報で開示されているが、本発明は、有限の電気抵抗を有する常伝導体を介して比較的簡便に接合された導体およびその製法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
一例として、主にY系の酸化物超伝導バルク材料では、すでに77Kにおいて高い臨界電流密度が得られている。このような材料に代表される超伝導体を互いに電気的に接続することによって、実質的に低抵抗の導体およびその応用電気機器が得られることを見出した。すなわち、
（１）  100μm以上の厚さを有するバルク超伝導体を３個以上常伝導接続してなる導体であって、前記超伝導体の超伝導転移温度以下における前記導体の見かけの比抵抗が、前記温度における銅の比抵抗より低いことを特徴とする超伝導体を用いた低抵抗導体。
（２）  100μm以上の厚さを有するバルク超伝導体を３個以上常伝導接続してなる導体であって、77Kにおける該導体の見かけの比抵抗が、77Kにおける銅の比抵抗より低いことを特徴とする超伝導体を用いた低抵抗導体。
（３）  前記バルク超伝導体の厚さが、200μm以上10mm以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（４）  前記３個以上のバルク超伝導体の一部又は全部が、棒状又は板状の形状を有してなることを特徴とする（１）〜（３）の何れかに記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（５）  前記３個以上のバルク超伝導体の一部が、湾曲及び屈曲のうち、少なくとも何れか一方の状態である棒状又は板状の形状を有してなることを特徴とする（１）〜（４）の何れかに記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（６）  前記３個以上のバルク超伝導体の一部又は全部が、REBa2Cu3O7-x系超伝導体（ここで、REはYを含む希土類元素の１種類又はその組合せ）であることを特徴とする（１）〜（５）の何れかに記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（７）  前記３個以上のバルク超伝導体の一部又は全部が、種結晶から成長させて得られる単結晶状の酸化物系バルク超伝導体であることを特徴とする（１）〜（６）の何れかに記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（８）  前記３個以上のバルク超伝導体の一部又は全部の長手方向が、該超伝導体の結晶学的方位においてc軸と垂直方向であることを特徴とする（６）又は（７）に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（９）  前記３個以上のバルク超伝導体の常伝導接続の一部又は全部が、隣接する超伝導体の長手方向に略垂直な面同士及び略平行な面同士のうち、少なくとも何れか一方で接合されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（１０）  前記３個以上のバルク超伝導体の長手方向における常伝導接続部の一部又は全部を覆うように複数層の超伝導体が配置されてなることを特徴とする（９）に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
【０００８】
（１１）  前記常伝導接続の一部又は全部が、金属を介して隣接する超伝導体を接合してなることを特徴とする（９）又は（１０）に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（１２）  前記金属が、銅、銅合金、銀、銀合金、金、金合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金からなる群から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする（１１）記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（１３）  前記金属の厚みが100μm以下であることを特徴とする（１１）又は（１２）に記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（１４）  前記バルク超伝導体の長手方向の一部又は全部が、通電方向であることを特徴とする（１）〜（１３）の何れかに記載の超伝導体を用いた低抵抗導体。
（１５）  前記バルク超伝導体間の距離が10mm以下であることを特徴とする（１）〜（１４）の何れかに記載の低抵抗導体。
（１６）  前記見かけの比抵抗は、RS/nLであることを特徴とする（１）〜（１５）の何れかに記載の低抵抗導体。ただし、Rは前記導体の抵抗値、Sは前記導体の断面積、nは前記バルク超伝導体の数、Ｌは１つの前記バルク超伝導体の長さである。
（１７）前記バルク超伝導体の１つを介して配設された２つの前記バルク超伝導体の隙間Ｌ1が、前記バルク超伝導体の長さＬの５０％以下であることを特徴とする（１）〜（１６）の何れかに記載の低抵抗導体。
【０００９】
（１８）  100μm以上の厚さを有するバルク超伝導体を３個以上常伝導体を介して配置し、加圧して接続処理することを特徴とする低抵抗導体の製造方法。
（１９）  前記バルク超伝導体を半田を用いて接続することを特徴とする（１８）に記載の低抵抗導体の製造方法。
（２０）  100μm以上の厚さを有するバルク超伝導体を３個以上常伝導体を介して配置し、加圧した後、減圧雰囲気又は真空中で熱処理することを特徴とする低抵抗導体の製造方法。
（２１）  前記バルク超伝導体を銅、銅合金、銀、銀合金、金、金合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のペースト又は箔を用いて接続し、しかる後に加熱処理することを特徴とする（１８）又は（２０）に記載の低抵抗導体の製造方法。
（２２）  前記バルク超伝導体の表面に、銅、銅合金、銀、銀合金、金、金合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金からなる群から選ばれる１種又は２種以上の被覆を有することを特徴とする（１８）〜（２１）の何れかに記載の低抵抗導体の製造方法。
【００１０】
（２３）  （１）〜（１７）の何れかに記載の低抵抗導体を少なくとも一部に配してなることを特徴とする電流リード。
（２４）  前記低抵抗導体の両端部に、銅、アルミニウム、金、又は銀及びこれらの合金からなる電極を接続してなることを特徴とする（２３）に記載の電流リード。
（２５）  （２３）又は（２４）に記載の電流リードを少なくとも一部に配設してなることを特徴とする電力供給用ケーブル。
（２６）  二重管以上の多重管のひとつの空間中心に前記電流リードを配し、他の空間としてその空間中心の周りに冷媒が流れる空間を有すると共に、その外周に断熱層を有することを特徴とする（２５）に記載の電力供給用ケーブル。
（２７）  前記電流リードに接続した電極同士を電気的に接続すると共に、該接続電極部分を真空断熱層で被覆してなることを特徴とする（２５）に記載の電力供給用ケーブル。
【００１１】
（２８）  （１）〜（１７）の何れかに記載の低抵抗導体を巻き回してなることを特徴とするコイル。
（２９）  前記コイルの低抵抗導体の通電方向に垂直な面の断面積が、外周部より内周部の方が大きいことを特徴とする（２８）に記載のコイル。
（３０）  前記コイルの低抵抗導体に用いられる低抵抗導体が、異なる希土類組成を有する超伝導体を組み合わせてなることを特徴とすることを特徴とする（２８）に記載のコイル。
（３１）  前記巻き回した低抵抗導体の間隙を冷媒流路とすることを特徴とする（２８）〜（３０）の何れかに記載のコイル。
（３２）  前記低抵抗導体を樹脂及び繊維強化プラスチックのうち、少なくとも何れか一方で補強してなることを特徴とする（２８）〜（３１）の何れかに記載のコイル。
（３３）  （２８）〜（３２）の何れかに記載のコイルを用いたことを特徴とする磁場発生装置。
（３４）  （２８）〜（３２）の何れかに記載のコイルを少なくとも二次側に用いたことを特徴とする変圧器。
（３５）  （２８）〜（３２）の何れかに記載のコイルを少なくとも二次側に用いたことを特徴とする交流電源。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、有限の電気抵抗を有する常伝導体を介して比較的簡便に接合された導体およびその製法である。複数のバルク超伝導体を超伝導接続する技術は、特開平５−２７９０２８号公報、特開平６−４０７７５号公報及び特開平７−１７７７４号公報で開示されているが、上記超伝導接続は、結晶そのものを粒界又は弱結合なしに接続するものであり、結晶方位を3次元的に揃えることが必要であ るのに対し、本発明は、超伝導相である結晶の方位を３次元的に揃える必要はない。このため、導体の製造が極めて容易であり、工業上の効用は、極めて大きい。
なお、本発明における低抵抗導体は、超伝導転移温度より上の温度では良導体の性質を示さないが、その場合も含めて、本発明では低抵抗導体と呼ぶこととする。
【００１３】
図１のような長さL(m)、厚さt(m)、幅w(m)の板状の超伝素線を、tに比べ十分 に薄い厚さd(m)の常伝導物質を介して、接続した十分に長い導体を考える。超伝導体1(S1)と超伝導体2(S2)の接続抵抗Rj(Ω)は、S1と常伝導体との接触抵抗Rc1 とS2と常伝導体との接触抵抗Rc2と常伝導体の電気抵抗Rnの和であるから、
Rj＝Rc1＋Rc2＋Rn
で示される。
各超伝導体と常伝導体との接触抵抗率をρc(Ωm2)とすると、
Rc1＋Rc2＝4ρc/Lw
で示される。
また、Rnは、常伝導体の比抵抗をρn(Ωm)とすると、
Rn＝ρn2d/Lw
で示される。
【００１４】
通電電流が超伝導体の臨界電流に比べて十分に小さい、すなわち超伝導体中の電圧降下をゼロとすると仮定した場合、長さnLの導体の抵抗Rは、
R=2nRj
であり、したがって、超伝導体の超伝導転移温度以下におけるこのような導体の長手方向の見かけ上の比抵抗ρ*(Ωm)は、
ρ*=2nRjS/nL
で、見かけ上の断面積(S)が、2twであるから、
ρ*=4Rjtw/L
=8t(2ρc+ρnd)/L2
となる。ただし、ここで、図１中に示す長さ方向の突合せ部分は電気的に接続されていないものとしている。
【００１５】
次に、図２のように、板状の超伝導体を３本並列に接続した導体を同様に考える。２本並列の場合と同様の条件において、このような導体のρ*(Ωm)は、
ρ*=27(2ρc+ρnd)t/4L2
となる。
これらの計算から、見かけ上のρ*は、tに比例し、かつLの二乗に反比例すること、また、dが小さいほどρ*が小さくなることがわかる。
【００１６】
さらに、図３(a)に示すように、L1の隙間を空けながら導体を構成した場合を 同様に考える。この場合のρ*は、
ρ*=8(2ρc+ρnd)t/(L2-L12)
となり、同じ本数の導体で長さを稼ぐことはできるものの、比抵抗は大きくなってしまうことがわかる。また、図３(b)のような導体においても同様の傾向があ ることが分かる。
【００１７】
実際上、機械的強度を保つために、L1はLの50%以下が望ましく、さらに10%以下が望ましい。最も望ましい形態は、実質的にL1がゼロであり、かつ電気的に低抵抗で接合されている状態である。超伝導導体の長手方向における常伝導接続部を覆うように複数層の超伝導体が配置されてなるとの表現は、このように、L1がLに対して十分に小さい導体の配置を意味する。図１〜図３では、矩形の断面を有する棒状の超伝導導体を例に挙げたが、断面形状が矩形である必要は特に無い。
【００１８】
また、L1の隙間に、さらに超伝導体を配置し、電気的な接続をすることは、機械的強度の向上および臨界電流近傍での通電特性の向上になるので望ましい。上述のように、見かけの比抵抗をより小さくするためには、原理的に超伝導体の厚さ(t)をより小さくすればよいことが分かる。実際の超伝導体の厚さとしては、薄片状のY系単結晶超伝導試料の厚さレベルの20μm以上、好ましくは、研削加工により製造可能な100μm以上、さらに好ましくは、容易にスライス切断が可能な200μm以上である。前記超伝導体の厚さの中で、本発明では、バルク超伝導体の厚さを100μm以上とした。また、厚さの上限は特に限定するものではないが、見かけの比抵抗との兼ね合いから、10mm以下が好ましい。
【００１９】
このような導体の断面形状も種々の組み合わせが考えられる。具体例を図４に示す。また、並列本数が多い場合、一本のバルク超伝導体に臨界電流密度(Jc)の低い部分等の欠陥があった時の導体全体に及ぼす特性劣化の度合いは小さくなる。さらに、付き合わせ部にも導通を持たせることにより、見かけ比抵抗をより低下させ得ることは言うに及ばない。
【００２０】
このようにバルク超伝導体を常伝導接続し、超伝導転移温度以下の冷却温度において、導体の見かけの比抵抗が冷却温度における銅の比抵抗より小さくなった場合、このような導体は、低抵抗導体として、種々の利点を持つことになる。特に、冷却の利便性から液体窒素を冷媒として得られる77K近傍でのρ* は、その導体の有用性を示す重要なパラメータとなる。
【００２１】
前述のように、本発明は、有限の電気抵抗を有する常伝導体を介して比較的簡便に接合された導体およびその製法に関するものである。一方、複数のバルク超伝導体を超伝導接続する技術は、ソルダーを介し複数の超伝導体を結晶方位を揃え配置し、熱処理することによりソルダー部分を超伝導体から結晶成長させ、単結晶状の組織を作ることにより接続するものであり、超伝導体の結晶方位を３次元的に揃えることが基本的に必要である。これに対し、本発明は、超伝導相である結晶の方位を３次元的に揃える必要はない。また、ρ*を十分に小さくするこ とによって、実質的に完全超伝導体と同様の効用を得ようとするものである。
【００２２】
このような低抵抗体のρ*を小さくするためには、各超伝導体間の実質的な接 触面積を大きくする必要がある。そのためには、超伝導体の形状を棒状または板状とし、隣接する超伝導体の長手方向に垂直な面同士および／または平行な面同士が接触することが望ましい。また、通電方向を変えるためには、湾曲および屈曲した棒状または板状とすることが必要になる。
【００２３】
低抵抗導体を構成するバルク超伝導材料は、金属シースを有する線状又はテープ状のバルク超伝導体であってもよく、臨界電流を低下させる粒界等を含まない単結晶状の材料である。特に、RE2BaCuO5相が微細分散した高い臨界電流密度を有するREBa2Cu3O7-x系超伝導体が望ましい。このような超伝導体には、c軸と垂直にマイクロクラックが発生しやすいことから、通電方向となる長手方向は、c軸に垂直であることが望ましい。また、長手方向を通電方向とすることによりρ*が低下することは、前記のρ*に関する式から明らかである。
【００２４】
超伝導体と直接接触する金属は、銅、銅合金、銀、銀合金、金、又は金合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金の１種又は２種以上を用いることができ、特に、高温での酸化性が低く、超伝導体との電気的ななじみがよく、かつ接触抵抗の低い、銀、銀合金、金又は金合金の１種又は２種以上が望ましい。
また、上記の接触抵抗の比較的小さな金属の被覆を超伝導体に被覆し、しかる後にしかるべき方法により接続することは、製造工程上有利である。この場合、金属被覆された超伝導体を接合する材料としては、錫及び鉛等を主成分とする半田と銀ペースト等の金属ペーストがある。半田は、室温での局所的な加熱により容易に接合処理できるなど、簡便な作業で処理できる点が優れている。半田接続の場合、接続部の金属層の厚さは、通常100〜50μm程度となる。また、銀ペースト等の接着剤も次の点で優れている。銀ペーストを接着剤として用い、加熱処理により焼結させた場合は、銀そのものの比抵抗が小さいことや、焼結による接合部の金属層が収縮することにより、25μm以下の薄い金属層が得られるため、接続抵抗を半田接続に比べ低減できる。この焼結工程においては、ボイド除去の観点から、減圧雰囲気中又は真空中での加熱処理が望ましい。
【００２５】
超伝導体間の常伝導接続部の厚さは、より薄いことが望ましいが、超伝導体同士が直接接触する場合は、逆に接触抵抗が大きくなる。10mm以下が好ましく、１mm以下がさらに好ましい。実質的には、超伝導体の表面粗度にも関連するが、平均値で100〜2μmが望ましい。さらに望ましくは50〜2μmである。より好ましく は25〜2μmである。
低抵抗導体は、電極等を両端に取り付けることで電流リードとして機能する。電極材料としては、比抵抗が小さい銅、アルミ、銀等が望ましい。
【００２６】
断熱層中に冷却された低抵抗導体を配置することにより、電力供給用ケーブルを構成することができる。ここで、ケーブルとは、低抵抗導体を断熱層が取り囲んでいる導体を意味し、また、少なくとも低抵抗導体の両端に電極を有する導体を電流リードと呼ぶことにする。
【００２７】
また、低抵抗導体を用いコイルを作製する場合、円弧状の超伝導体を繋ぎ合わせてゆく事により、従来の線材と同様の円筒状のコイルを作ることができるが、直線状の超伝導体と360度をｎ等分したある角度の折れ曲がりを有する少ない種 類の部材(最低２種類の部材)によりコイルを作製することは、製造工程上極めて効率がよくなる。図5に折れ曲がり角度45度(n=8)の部材を用いたコイルの一例を示す。この場合、１つの折れ曲がり部材を除いて３種類の超伝導体からなる部材で構成されている。また、一般に強磁場中では、Jcが低下することから、コイルの内側では比較的太い導体を用い、外周部は比較的細い導体を用いることが効率的である。また、希土類元素の組成によって磁場中でのJc特性が異なることから、外周部は低磁界中で高い臨界電流密度を有する材料を用い、内周部では高磁界中で高い臨界電流密度を有する材料を用いるなど、超伝導体の特性に合わせて希土類元素の組成を選択することが望ましい。
【００２８】
コイルに通電した場合、低抵抗導体には電磁気力が働くため、樹脂または繊維強化プラスチック等で補強する必要がある。また、抜熱を効率よく行うために冷媒等が流れる冷却路を設けることが望ましい。
巻き線比の小さい二次側にこのような上記の低抵抗導体からなるコイルを用いることで、二次側に大電流が通電可能な変圧器ができる。また、このような変圧器は、大電流通電が可能な交流電源として機能する。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
Y2O3、BaO2、CuOの各原料粉末を各金属元素のモル比(Y:Ba:Cu)が(13:17:24)になるように混合し、さらにこの混合粉に0.5質量%のPtを添加し、混合した原料粉末を作製した。この原料粉末を900℃、酸素気流中で仮焼した。この仮焼粉をラ バープレス機を用いて、2ton/cm2の圧力で直径55mm、厚さ20mmの円盤状成形体に成形した。
【００３０】
これを大気中で1150℃まで8時間で昇温し、1時間保持した。その後、Sm系の種結晶を用い、1040℃で、盤面の法線がc軸にほぼ一致するように種結晶を配置し た。しかる後、1005℃に30分で降温し、さらに970℃まで220時間かけて徐冷し、結晶成長を行った。続いて、室温まで20時間で冷却した。得られた直径約46mmの円柱状のY系バルク材を、厚さ0.6mmにスライス加工し、さらに幅2.0mm、長さ40mmに加工し、棒状試料を作製した。このようにして得られた材料は、単結晶状のYBa2Cu3O7-x相中に1μm程度のY2BaCuO5相が微細分散した組織を有していた。また、YBa2Cu3O7-x相の結晶方位との関係を図6に示す。
【００３１】
これらの棒状試料表面に、銀を約2μmスパッタにより成膜した後、酸素気流中でアニール処理した。アニール処理の熱処理パターンは、室温から600℃まで6時間で昇温し、1時間保持した後、450℃まで2時間で降温し、さらに380℃まで60時間で降温、室温まで12時間で冷却した。
【００３２】
これらの棒状試料を図７(a)〜(c)に示す断面を有する低抵抗導体を、図１に示した配置で、銀を含有する半田を用いて電気的に接続し、約1ｍの導体を作製し た。このとき、通常の半田付けでは金属層の厚さが100μm程度になったが、加圧しながら半田を固化させることにより、金属層の厚さを約50μmまで低減するこ とができた。そして、それぞれの接続方法により作製された導体に電流導入端子及び電圧端子を取り付けた後、液体窒素中に浸し、超伝導体を超伝導状態にした。
【００３３】
上記３種類の低抵抗導体に500A通電して抵抗を測定したところ、それぞれ1.25×10-5Ω、0.69×10-5Ω、0.75×10-5Ωであり、見かけの抵抗率は3.0×10-11 Ωm、2.5×10-11Ωm、2.7×10-11Ωmであり、銅の液体窒素温度(77K)での抵抗率(2.5×10-9Ωm)に比べ、約２桁低い抵抗率を示すことがわかった。
【００３４】
（実施例２）
原料粉末をY2O3からDy2O3に変えただけで、実施例１で述べた同様の方法によ り、Dy系のバルク材料を作製した。これを厚さ0.6mmにスライス切断した後、図 ６の棒状材料と共に図８(a)及び図８(b)に示すような湾曲及び折れ曲がり形状を有する棒状材料に加工した。これらを実施例１と同様に表面に銀を製膜した後、各部材を組み合わせて、全長約1ｍのL字型の低抵抗導体を作製した。このとき、超伝導体間の接続は、図１に示す要領で半田を用い、実施例１と同様に行った。
このときの接続部は、各銀のコーティング層は5μmで、半田層は約50μmであ った。
【００３５】
上記２種類の低抵抗導体に500A通電して抵抗を測定したところ、それぞれ約1.3×10-5Ωであり、見かけの抵抗率は約3.0×10-11Ωmであり、銅の液体窒素温度(77K)での抵抗に比べ、約２桁低い抵抗率を示すことがわかった。
また、このようなケーブルまたは導体は、電流リードとして機能していることになる。
【００３６】
（実施例３）
実施例１で作製した低抵抗導体の端部に銅電極を接続してから絶縁被覆を施した後、図９(a)のように三重管の中心に挿入した。また、三重管の直列接続でき る端部は、図９(b)に示す構造を有し、周囲とは絶縁された銅電極があり、これ と液体窒素流路を真空断熱層が覆う構造になっている。このようなケーブルを５本直列接続し、さらに負荷および直流電源を接続することで、図１０に示す送電実験回路を作製した。この負荷に500A通電したところ、１本のケーブル内で発生した送電損失は約3.2Wであり、ケーブルの太さ(三重管の外径)を有する銅線の室温での損失(約120W)と比較して、約1/40程度に低減することができた。
【００３７】
（実施例４）
実施例１及び実施例２に記載の方法により、Y系及びDy系の直径約46mmの円柱 状のバルク材を作製した。これらを1.0mmにスライス切断した後、Y系材料から幅1.9mmを、Dy系材料から2.2mmの直線状の棒状材料及び45度の折れ曲がり角度を有する棒状材料を作製し、これらに銀被覆を施した後、実施例１記載のアニール方法により酸素付加処理を行った。それらを半田により電気的に接続した。このとき、半田層の厚さは、約60μmであり、また各銀コーティングの厚さが5μmであ った。内側が幅2.2mmの導体を5回巻いたコイルで、外側が幅1.9mmの導体を用い た8回巻きのパンケーキコイル(最内径62mm、最外径138mm)を、厚さ0.4mmのガラ ス繊維強化プラスチック(FRP)上に図5(a)及び(b)に示した要領で作製した。このFRPには、直径2mmの穴が格子状にあけられており、この穴が液体窒素流路となる。FRPと導体との接着には、数μmのフィラーを20体積%程度含む樹脂を用いた。
このようなパンケーキコイルを31枚積層し、各パンケーキコイルが発生する磁場が強め合う方向に電気的に接続し、高さ約80mmの積層コイルを作製した。このとき、各パンケーキコイルの内側及び外側の端子同士を接続するように、一層毎に渦巻きの方向が逆になるように接続した。
【００３８】
積層コイルに電流導入端子を接続した後、液体窒素に浸し冷却した。500A通電したときに、コイル内の発生電圧は1.5Vであり、中心部で約2.0Tの磁場を発生した。この時、発熱による電圧上昇は無く、長時間通電してもコイルが焼損することは起きなかった。
このように、低抵抗導体を用いることにより、簡便に強力な磁場を発生できることが分かった。
【００３９】
（実施例５）
実施例１に記載の方法により、Y系の直径約46mmの円柱状のバルク材を作製し た。これを1.5mmにスライス切断した後、幅3.0mmの直線状棒状材料及び45度の折れ曲がり角度を有する棒状材料を作製し、これらに銀被覆を施した後、実施例１に記載のアニール方法により、酸素付加処理を行った。それらを図１１(a)、(b)に示すように、半田により電気的に接続し、1層5回巻きのソレノイドコイル(最 内径20mm、最外径26mm)を作製した。このとき、半田層の厚さは約45μmであり、また、各銀コーティングの厚さは3μmであった。これを図１２に示すように、正八角形の断面を有する鉄芯と鎖交させ、トランスの2次巻き線とし、1次側には被覆銅線を500回巻いた。このトランスを液体窒素中に浸し、1次側にピーク値で15Aの正弦波電流を通電し、2次側で約1500Aの正弦波が流れていることを確認した 。これにより、このようなトランスが大電流通電可能な電源として機能することが明らかになった。
【００４０】
（実施例６）
実施例１で作製した単結晶状のYBa2Cu3O7-x相中に1μm程度のY2BaCuO5相が微 細分散した組織を有する棒状材料表面に銀を約2μmスパッタにより成膜した後、これらの棒状試料を図７(a)〜(c)に示す断面を有する低抵抗導体を、図１に示した配置で銀ペーストを用いて接続し、約1mの導体を作製した。この導体を約1.3 ×102Paの減圧下において約900℃で約１時間加熱し、銀ペーストの銀粒子と棒状材料表面の銀の膜とを焼結させた。このときの銀層の厚さは、合計で約25μmで あった。
【００４１】
その後、室温から600℃まで6時間で昇温し、1時間保持した後、450℃まで2時 間で降温し、さらに380℃まで60時間で降温、室温まで12時間で冷却し、酸素ア ニール処理を行った。
それぞれの接続方法により作製された導体に、電流導入端子および電圧端子を取り付けた後、液体窒素中に浸し、超伝導体を超伝導状態にした。
【００４２】
上記３種類の低抵抗導体に500A通電し、抵抗を測定したところ、それぞれ1.25×10-6Ω、0.76×10-6Ω、0.72×10-6Ωであり、見かけの抵抗率は3.0×10-12Ωm、2.8×10-12Ωm、2.7×10-12Ωmであり、銅の液体窒素温度(77K)での抵抗率(2.5×10-9Ωm)に比べ、約3桁低い抵抗率を示すことがわかった。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、実質的に銅の比抵抗より小さい低抵抗の導体およびその製造方法並びにこれを用いた種々の電気機器を提供するものであり、その工業的効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】２本並列に超伝導体を交互に接続した低抵抗導体の例
【図２】３本並列に超伝導体を交互に接続した低抵抗導体の例
【図３】超伝導体を交互にL1の間隔を置いて接続した低抵抗導体の例
(a)  上下に配置した例    (b)  上方に配置した例
【図４】    (a)〜(e)は複数の超伝導体を接続した低抵抗導体の断面模式図
【図５】折れ曲がり部材と棒状部材を組み合わせて接続したコイルの例
(a)  表面から見た様子。黒い部分が２種類(長、短)の棒状超伝導部材を示す。
(b)  裏面から見た様子。黒い部分が折れ曲がり部材。斜線の部材を除いて１種類からできている。
【図６】実施例１で作製した棒状超伝導体
【図７】    (a)  ２本並列に超伝導体を交互に接続した低抵抗導体の断面形状
(b)  ３本並列に超伝導体を交互に接続した低抵抗導体の断面形状
(c)  ３本並列に超伝導体を交互に接続した低抵抗導体の断面形状
【図８】    (a)  折れ曲がり部材の例
(b)  湾曲した部材の例
【図９】    (a)  三重管及び三重管中に配置された導体の断面図
(b)  接続可能な三重管端部の構造
【図１０】送電実験の回路図
【図１１】    (a)  表面から見たトランスに用いた２次側低抵抗コイル
（折れ曲がり部材が見える）
(b)  裏面から見たトランスに用いた２次側低抵抗コイル
（棒状部材が見える）
【図１２】低抵抗導体を用いたトランスの構造
【符号の説明】
１  突合せ部分
２  短い棒状部材
３  長い棒状部材
４  折れ曲がり部材
５  絶縁被覆
６  液体窒素流路
７  真空断熱層
８  低抵抗導体
９  フランジ
１０  Ｏリング
１１  銅リード
１２  液体窒素流路
１３  ケーブル
１４  電源
１５  負荷
１６  折れ曲がり部材
１７  棒状部材
１８  １次巻き線
１９  正八角形の断面を有する鉄芯
２０  低抵抗導体からなる2次巻き線
２１  低抵抗導体からなるコイル間の繋ぎ目
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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