JP2005100683A - 酸化物超電導体通電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造で酸化物超電導体と電極端子の接合部を十分に補強でき、冷却時に破損しにくい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電気的に接合した電極端子と、該酸化物超電導体と該電極端子との接合部を被覆する接合部被覆体からなる酸化物超電導体通電素子であって、該接合部被覆体が接着部材を介して該酸化物超電導体と該電極端子の接合部を密着被覆している。
【選択図】 図１

Description

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。

酸化物超電導体を電流リード等の通電素子に応用する場合、通電素子としての機械強度を改善することが重要であり、様々な補強手段が提案されている。主な手段として、（Ａ）酸化物超電導体と、酸化物超電導体を支持する支持体との複合体を用いて通電素子を形成する手段と、（Ｂ）支持体との複合体でない酸化物超電導体を用いて通電素子を形成し、その後被覆層を設けて補強する手段がある。

まず最初に、上記（Ａ）の、酸化物超電導体と、酸化物超電導体を支持する支持体との複合体で通電素子を形成する手段の例として、例えば、特許文献１には、酸化物超電導体と絶縁体や非磁性金属体からなる支持体との複合体よりなる電流リードが提案されており、特許文献２には、酸化物超電導体と電気良導体からなる支持体との複合体よりなる電流リードが提案されている。

酸化物超電導体と支持体との複合体にて通電素子を形成した場合には、冷却した際に酸化物超電導体と支持体の間に熱膨張率差による熱応力が作用するので、特許文献３に「支持部材の線膨張係数は、酸化物超電導体の線膨張係数にできるだけ近いことが好ましい」と記載があるように、支持体の熱膨張率を酸化物超電導体の熱膨張率にできるだけ近くすることが提案されている。

しかし、特許文献１や特許文献２に記載の電流リードのような構造では、外部と接続するための電極端子がなく、外部との接続が難しいという問題があった。

さらに、外部と接続するための電極端子を取り付けることが難しく、仮に電極端子を取り付けることができたとしても、電極端子と酸化物超電導体の接合部で酸化物超電導体が破損するという問題があった。

次に、上記（Ｂ）の、酸化物超電導体を用いて通電素子を形成し、その後被覆層を設けて補強する手段の例として、例えば、特許文献４には、酸化物超電導体の両端に低抵抗金属で被覆した部分を設けた後、金属被覆されていない部分を高電気抵抗物質又は絶縁物質で外周被覆して機械的強度を向上させた電流リードが提案されている。

特許文献４に記載の電流リードのような構造にすると、酸化物超電導体の両端部の金属被覆部に外部と接続するための電極端子を付け易く、外部との接続が容易になる。しかし、酸化物超電導体と電極端子の接合部が被覆されていないため、電極端子との接合部付近で酸化物超電導体が破損するという問題があった。

しかしながら、酸化物超電導体と電極端子との接合部を十分に補強することは難しかった。

例えば、特許文献５には、従来の補強技術として、樹脂を塗布する方法とＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）で被覆する方法が挙げられており、樹脂塗布補強に関しては、「酸化物超電導体と樹脂との熱膨張率が異なるため冷却したときに、応力が集中する電極との接続部領域において、酸化物超電導体側あるいは樹脂側に亀裂が発生し、超電導特性を劣化させたり、強度低下を引き起こしていた」、また、ＦＲＰによる被覆補強に関しては、「ＦＲＰで酸化物超電導体を密着被覆すると前記同様冷却時に熱膨張率の相違により酸化物超電導体に熱応力がかかり、酸化物超電導体に亀裂を発生させるために、密着被覆して強固に固定することができず、酸化物超電導体に満足な補強を施すことができない」と記載されている。

そこで、特許文献５では、有効な補強手段として、酸化物超電導体及び電極端子の表面に補強繊維層を介在させ、補強繊維層の表面に樹脂層を形成させることが提案されている。補強繊維層の表面部分に樹脂が含浸しており、ＦＲＰのような構造となるため、強度向上に寄与していると考えられている。

特開昭６３−２４５９０９号公報 特開昭６３−２４５９１０号公報 特開平４−２１８２１５号公報 特開平１−１３３３０８号公報 特開２００１−７６９２４号公報

酸化物超電導体及び電極端子の表面に補強繊維層を介在させ、補強繊維層の表面に樹脂層を形成させるという製作工程は、酸化物超電導体通電素子の製作プロセス的には煩雑になる。被覆層が最終的にＦＲＰのような構造になるのであれば、最初からＦＲＰを用いて被覆層を形成できれば、プロセス的には簡単である。

しかし、上述したように、従来は、ＦＲＰで被覆層を形成すると、酸化物超電導体と電極端子の接合部を十分に補強することができなかった。ＦＲＰのような高強度、高剛性の材料を用いて、酸化物超電導体と電極端子の接合部を十分に、しかも簡単に補強することができれば、工業的な価値も向上する。

そこで、本発明は、上記の問題を解決し、簡単な構造で酸化物超電導体と電極端子の接合部を十分に補強でき、冷却時に破損し難い酸化物超電導体通電素子を提供することを目的とする。

本発明による酸化物超電導体通電素子は、以下のとおりである。

（１） 酸化物超電導体と、該酸化物超電導体の両端に電気的に接合した電極端子と、該酸化物超電導体と該電極端子との接合部を被覆する接合部被覆体からなることを特徴とする酸化物超電導体通電素子。

（２） 前記接合部被覆体が接着部材を介して前記酸化物超電導体と前記電極端の接合部を密着被覆していることを特徴とする（１）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（３） 前記接合部被覆体の熱膨張率の絶対値が、前記酸化物超電導体のａｂ軸方向の熱膨張率の絶対値よりも大きいことを特徴とする（２）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（４） 前記接合部被覆体が熱膨張率に関して異方性のある材料であり、かつ、少なくとも１方向の熱膨張率の絶対値が前記電極端子の熱膨張率の絶対値よりも大きく、前記方向と直角方向の熱膨張率の絶対値が前記電極端子の熱膨張率の絶対値よりも小さいことを特徴とする（３）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（５） 前記接合部被覆体の熱膨張率の絶対値の大きい方向を、前記酸化物超電導体と前記電極端子の通電方向に平行な接合面に対して垂直な方向としたことを特徴とする（４）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（６） 前記接合部被覆体が、繊維強化材料、金属材料、又は、セラミックス材料から選ばれる１種以上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体通電素子。

（７） 前記電極端子が、電気良導体であることを特徴とする（１）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（８） 前記酸化物超電導体が、単結晶状のＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x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）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）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（９） 両端にある２つの前記接合部被覆体が接続体で接続されてなることを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。

（１０） 両端にある２つの前記電極端子が接続体で接続されてなることを特徴とする（１）〜（９）のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。

（１１） 前記酸化物超電導体の表面が前記接着部材で被覆されてなることを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。

（１２） 両端にある２つの前記接合部被覆体を一体化したことを特徴とする（１）〜（１１）のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。

（１３） 前記接合部被覆体が電気導電性材料であることを特徴とする（１２）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（１４） 前記接合部被覆体の電気抵抗率が１０μΩｃｍ以上、１０００Ωｃｍ以下であり、前記酸化物超電導体通電素子が電流リードであることを特徴とする（１３）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（１５） 前記接合部被覆体が樹脂と電気良導体との複合体であることを特徴とする（１４）に記載の酸化物超電導体通電素子。

（１６） 前記電気良導体が炭素繊維であることを特徴とする（１５）に記載の酸化物超電導体通電素子。

本発明により、構造が簡単で、冷却時に破損しにくい酸化物超電導体通電素子を提供できる。

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体通電素子の構造を示す断面図、図２は、酸化物超電導体通電素子の外観図である。

図１及び図２では、酸化物超電導体１の両端に電極端子３を電気的に接合し、酸化物超電導体１と電極端子３の接合部を含む領域を、接着部材２を介して接合部被覆体５で密着被覆した構造を示す。図１や図２のような構造は、２分割した接合部被覆体５で、接合部を上下方向から挟み込むことで製作することができる。

２分割した接合部被覆体５は、接着部材２で接着固定すると共に、ボルト４で機械的に固定することで、より強固に被覆することができる。本発明における酸化物超電導体通電素子は、図１や図２に示すように、外部と接続するための電極端子３を有しているので、外部と接続することが容易になる。

本発明における酸化物超電導体素子は、酸化物超電導体と電極端子との接合部が接合部被覆体により被覆されているので、電極端子との接合部付近で酸化物超電導体が破損し難くなる。

ここで、酸化物超電導体と電極端子と接合部を被覆するとは、酸化物超電導体と電極端子とを接合している部分の境界部を被覆するだけでなく、その接合境界部の酸化物超電導体側の酸化物超電導体表面、及び、その接合境界部の電極端子側の電極端子表面も被覆することを意味する。

従来は、ＦＲＰ等で被覆層を形成すると、熱膨張率の相違により酸化物超電導体に熱応力がかかり、酸化物超電導体と電極端子との接合部を十分補強することができないと考えられていたが、本発明では、接着部材を介して接合部被覆体と酸化物超電導体が接触しているので、接着部材が、酸化物超電導体と接合部被覆体との熱膨張率の相違による熱応力を緩和する緩衝材の役割を担い、十分な強度を得ることができる。

さらに、本発明者らは、酸化物超電導体と電極端子との接合部強度に関して鋭意調査した結果、酸化物超電導体と被覆層との熱膨張率の差による熱応力よりも、酸化物超電導体と電極端子との熱膨張率の差による熱応力が、より重要であることを解明した。

酸化物超電導体通電素子において、酸化物超電導体と電極端子との熱膨張率の差により、酸化物超電導体と電極端子の通電方向（図１中、Ｘ参照）に平行な接合面（図１中、６参照）が、接合面に対して垂直な方向（図１中、Ｙ参照）の電極端子側に向かって歪もうとするため、酸化物超電導体の接合部付近の表面で引張応力が発生する。

酸化物超電導体は、圧縮応力に対しては比較的強いものの、引張応力に対しては非常に弱い。このような熱膨張率の差による電極端子との接合面の熱歪みを抑制するためには、接合部被覆体を密着被覆させた方が好ましい。

接合部被覆体だけで密着被覆しても、ミクロ的にみれば、接合部被覆体と酸化物超電導体や電極端子の接合面には隙間があり、酸化物超電導体に発生する引張応力を抑制するという効果は小さくなる。

従って、酸化物超電導体に発生する引張応力を抑制するという効果を確実にするには、接着部材を介して接合部被覆体を隙間なく密着接合させる必要がある。

本発明における接合部被覆体には、単純に接合部を被覆することで補強するということだけでなく、上述したように、電極端子との接合面の熱歪みを抑制する効果が求められる。

従って、本発明における接合部被覆体としては、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチックス）やＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチックス）等の繊維強化材料、ステンレスやＮｉＣｒ合金、Ｔｉ合金等の金属材料、アルミナや窒化珪素等のセラミックス材料等、強度、剛性のある材料が好ましく、それらの材料を組み合わせて用いてもよい。

また、本発明における接着部材には、エポキシ系等の樹脂材料、導電性ペースト材料等が好ましい。また、本発明における電極端子としては、銅、銀、アルミニウム等の電気良導体が、電極端子自体のジュール発熱を小さくできるので、好ましい。

また、本発明における酸化物超電導体としては、Ｙ系、Ｂｉ系、Ｔｌ系等のいずれの酸化物超電導体でも用いることができる。それらの中でも、通電素子に用いる酸化物超電導体としては、単結晶状のＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x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）中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が微細分散した酸化物超電導体が、磁場中での臨界電流密度が高いので好ましい。

また、接合部被覆体の熱膨張率に関しては、従来の被覆層や支持体の場合、その熱膨張率は、できるだけ酸化物超電導体の熱膨張率に近い方が好ましいとされていたが、本発明の場合、接合部の強度補強が目的なので、接合部被覆体の熱膨張率の絶対値は、酸化物超電導体の熱膨張率の絶対値よりも大きい方が好ましい。

酸化物超電導体は、ａｂ軸方向とｃ軸方向で異方性がある材料であり、単結晶状の酸化物超電導体を用いた場合、超電導電流が流れ易いａｂ軸方向を通電方向に向けることが好ましく、接合部被覆体の熱膨張率の絶対値は、酸化物超電導体のａｂ軸方向の熱膨張率の絶対値よりも大きい方が好ましい。

通電方向の熱膨張率に関しては、接合部被覆体の熱膨張率の絶対値が電極端子の熱膨張率の絶対値よりも大きいと、接合部被覆体と酸化物超電導体の境界部において、より大きな引張応力が発生する恐れがあるので、接合部被覆体の熱膨張率の絶対値は、電極端子の熱膨張率の絶対値よりも小さい方が好ましい。

一方、酸化物超電導体と電極端子の通電方向に平行な接合面に対して垂直な方向の熱膨張率に関しては、上述したような電極端子との接合面の熱歪みを抑制するために、接合部被覆体の熱膨張率の絶対値は、電極端子の熱膨張率の絶対値よりも大きい方が好ましい。

従って、接合部被覆体を熱膨張率に関して異方性のある材料を用いて形成し、少なくとも１方向の熱膨張率の絶対値を電極端子の熱膨張率の絶対値よりも大きく、前記方向と垂直方向の熱膨張率の絶対値を酸化物超電導体のａｂ軸方向の熱膨張率の絶対値よりも大きく、電極端子の熱膨張率の絶対値よりも小さくした方が好ましく、さらに、接合部被覆体の熱膨張率の絶対値が大きい方向を電極端子との接合面が歪む方向に、即ち、接合面に対して垂直な方向に配置し、接合部被覆体の熱膨張率の絶対値が小さい方向を通電方向に配置することが好ましい。

なお、酸化物超電導体通電素子の場合、室温から冷却されて使用されるので、熱収縮することになり、熱膨張率の符号は負になるが、熱膨張率の大小関係は符号のない絶対値で比較することにする。例えば、室温から液体窒素温度に冷却した時の酸化物超電導体のａｂ軸方向の熱膨張率は−０．１６％で、電極端子に銅を使用したとすると、銅の熱膨張率は−０．３２％である。

この場合、接合部被覆体の通電方向の熱膨張率の絶対値は、０．１６％以上で０．３２％以下が好ましく、さらに０．２％以上で０．２５％以下がより好ましい。即ち、熱膨張率としては、−０．３２％以上で−０．１６％以下が好ましく、さらに−０．２５％以上で−０．２％以下がより好ましい。接合部被覆体の通電方向に対して直角方向の熱膨張率は、−０．５％や−０．７％等、−０．３２％以上が好ましい。

本発明における酸化物超電導体通電素子においては、図３に示すように、２つの接合部被覆体５を接続体７で接続してもよい。２つの接合部被覆体５を接続することで、通電素子の機械的強度がさらに向上し、取り扱い易さが改善される。

また、本発明における酸化物超電導体通電素子においては、図４に示すように、２つの電極端子３を接続体８で接続してもよい。２つの電極端子３を接続することで、通電素子の機械的強度がさらに向上し、取り扱い易さが改善される。

また、本発明における酸化物超電導体通電素子においては、図５に示すように、接着部材２を、酸化物超電導体１と接合部被覆体５の接合部以外の酸化物超電導体表面に、例えば、酸化物超電導体表面全面に被覆してもよい。接合面以外の酸化物超電導体表面に被覆することで、通電素子の機械的強度がさらに向上し、取り扱いやすさが改善される。

図３、図４、及び、図５に示す構造は、単独で用いても良いが、それらを組み合わせることで通電素子の機械的強度がさらに向上し、取り扱い易さが改善される。

また、通常、酸化物超電導体の両端に電極端子を接合するため、接合部被覆体は、酸化物超電導体の両端に２箇所設ける必要があるが、本発明の酸化物超電導体通電素子において、図６に示すように、両端にある２つの接合部被覆体を一体化してもよい。

図６に示す構造は、２つの接合部被覆体を最初から一体もので製作しておき、酸化物超電導体と電極端子を電気的に接合した後、一体ものの接合部被覆体を、エポキシ樹脂等の接着部材を介して、酸化物超電導体と電極端子の接合部に密着被覆させたものである。

このように、最初から一体化した接合部被覆体を用いることにより、製作工程を簡略化できる。このように一体化しても、接合部被覆体は、酸化物超電導体と電極端子の接合部を補強するものであり、酸化物超電導体を支持する支持体ではないので、その熱膨張率の絶対値は、上述したように酸化物超電導体のａｂ軸方向の熱膨張率の絶対値よりも大きい方が好ましい。

一体化した接合部被覆体の熱膨張率の絶対値が、酸化物超電導体のａｂ軸方向の熱膨張率の絶対値よりも大きいと、冷却した際に、酸化物超電導体全体に熱膨張率差により圧縮応力が作用することになるが、酸化物超電導体は、引張応力に対しては非常に弱いものの、圧縮応力に対しては比較的強く、さらに、酸化物超電導体と接合部被覆体の間には接着部材が存在し、接着部材が応力緩衝材の役割を担うので、一体化した接合部被覆体を用いても、十分な強度を得ることができ、破損し難い酸化物超電導体素子を得ることが可能となる。

図３で、接合部被覆体５と接合部被覆体５を接続する接続体７を電気導電性材料で製作すれば、あるいは、図４で、電極端子３を接続する接続体８を電気導電性材料で製作すれば、酸化物超電導体のクエンチや破損等の異常事態が発生した場合に、接続体がバイパス回路の役割を担うこともできる。

同じように、図６に示すような、一体化した接合部被覆体５を有する構造において、接合部被覆体を電気導電性材料で製作すれば、酸化物超電導体のクエンチや破損等の異常事態が発生した場合に、接続体がバイパス回路の役割を担うこともできる。

このようなバイパス回路の役割を持たせるためには、接合部被覆体と電極端子との間を密着させる接着部材として、エポキシ系樹脂等の電気絶縁性のものではなく、電気導電性のもの、例えば、銀ペースト等を用いる必要がある。

酸化物超電導体通電素子の中で、電流リードは、大電流を通電するという機能以外に、熱侵入量を抑制するという機能が求められるが、図６に示すような、一体化した接合部被覆体を有する構造とした場合、接合部被覆体を伝わって侵入する熱流も抑制することが好ましい。

電気導電性材料では、電気抵抗率と熱伝導率が反比例の関係にあることが知られており、銅や銀等の電気良導体は、熱の良導体でもあるので、電流リード用の一体化した接合部被覆体の材料としては好ましくない。

銅や銀等の電気良導体の電気抵抗率は、１〜１０μΩｃｍ程度であり、電流リード用の一体化した接合部被覆体の材料の電気抵抗率としては、１０μΩｃｍ以上が好ましい。

しかし、ＧＦＲＰのような電気抵抗率が１０¹²Ωｃｍ程度である絶縁体では、バイパス回路の役割を担うことはできず、電気抵抗率が１０００Ωｃｍ以下の適度な電気導電性を有する材料が好ましい。

従って、電流リード用の一体化した接合部被覆体の材料の電気抵抗率としては、１０μΩｃｍ以上、１０００Ωｃｍ以下が好ましい。このような電気抵抗率を有する材料としては、ステンレス、チタン合金、ニクロム（ＮｉＣｒ）合金等の合金系の金属材料、樹脂と電気良導体との複合体、導電性プラスチックスがある。

樹脂と電気良導体との複合体の例としては、電気絶縁性材料のエポキシ系樹脂と電気良導体の炭素繊維との複合体である炭素繊維強化プラスチックス（ＣＦＲＰ）がある。

（実施例１）
断面積４ｍｍ×３ｍｍ、長さ４０ｍｍの単結晶状のＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x相中にＹ₂ＢａＣｕＯ₅相が微細分散した酸化物超電導体の両端に、無酸素銅製の電極端子を半田付けにて電気的に接合し、厚さ３ｍｍのＧＦＲＰをエポキシ系樹脂であるスタイキャスト２８５０ＦＴ（日本エイブルスティック株式会社製）を用いて、酸化物超電導体と電極端子の接合部を密着被覆することで、図１に示すような接合部被覆体を製作した。

ＧＦＲＰ製の接合部被覆体は上下方向２分割したものを、スタイキャスト２８５０ＦＴで接着固定し、さらにステンレス製のボルトで機械的にも固定した。

室温から液体窒素温度間の熱膨張率は、酸化物超電導体のａｂ軸方向、電極端子、ＧＦＲＰの熱膨張率が小さい方向、及び、ＧＦＲＰの熱膨張率が大きい方向で、それぞれ、−０．１６％、−０．３２％、−０．２４％、及び、−０．７％であった。ＧＦＲＰの熱膨張率の絶対値の小さい方向を通電方向に向け、ＧＦＲＰの熱膨張率の絶対値の大きい方向を酸化物超電導体と電極端子の通電方向に平行な接合面に対して垂直な方向に向けた。

上記構造の酸化物超電導体通電素子を室温状態から液体窒素に浸漬するという急冷工程を１０回繰り返し実施したが、酸化物超電導体にクラック等の破損は見られなかった。急冷工程を実施する前後で、臨界電流を測定したが、急冷工程の前後とも液体窒素温度での臨界電流は２４００Ａと同じであった。

（比較例１）
比較のため、図７に示すような構造の酸化物超電導体通電素子を製作した。酸化物超電導体と電極端子は、実施例１と同じ材料を用いたが、接合部被覆体は上記ＧＦＲＰよりも低収縮性のものを使用し、酸化物超電導体と電極端子との接合部を除く酸化物超電導体の外周部をスタイキャスト２８５０ＦＴで接着固定した。

室温から液体窒素温度間の低収縮性ＧＦＲＰの通電方向、及び、通電方向に対して直角方向の熱膨張率は、それぞれ、−０．１６％、及び、−０．２８％であった。この比較のための通電素子に対しても、実施例１と同様の実験を実施したが、急冷３回目で酸化物超電導体にクラックが見られ、さらに急冷を２回繰り返すと、電極端子の接合部境界で酸化物超電導体が破損した。

（実施例２）
断面積３ｍｍ×３ｍｍ、長さ４０ｍｍの単結晶状のＨｏＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x相中にＨｏ₂ＢａＣｕＯ₅相が微細分散した酸化物超電導体の両端に、錫めっきした無酸素銅製の電極端子を半田付けにて電気的に接合し、厚さ３ｍｍのＮｉＣｒ合金をエポキシ系樹脂であるスタイキャスト２８５０ＦＴと銀ペーストを接着部材として用いて、酸化物超電導体と電極端子の接合部を密着被覆することで、図３に示すような接合部被覆体を有する酸化物超電導体通電素子を製作した。

ＮｉＣｒ製の接合部被覆体は上下方向２分割したものを、スタイキャスト２８５０ＦＴで接着固定し、さらにステンレス製のボルトで機械的にも固定した。接着部材の銀ペーストは、接合部被覆体と電極端子の接合面を接着するために用いた。

また、接合部被覆体を接続する接続体上も同じＮｉＣｒ合金で製作し、ボルト締めにて接続した。室温から液体窒素温度間の熱膨張率は、酸化物超電導体のａｂ軸方向、電極端子、及び、ＮｉＣｒ合金で、それぞれ、−０．１６％、−０．３２％、及び、−０．２３％であった。

上記構造の酸化物超電導体通電素子を室温状態から液体窒素に浸漬するという急冷工程を５０回繰り返し実施した。急冷工程を実施する前後で臨界電流を測定したが、急冷工程の前後とも液体窒素温度での臨界電流は１８００Ａと同じであった。

（実施例３）
断面積４ｍｍ×３ｍｍ、長さ４０ｍｍの単結晶状のＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x相中にＹ₂ＢａＣｕＯ₅相が微細分散した酸化物超電導体の両端に、銀めっきしたアルミニウム製の電極端子を半田付けにて電気的に接合し、厚さ５ｍｍのＧＦＲＰをエポキシ系樹脂であるスタイキャスト２８５０ＧＴ（商品名）を用いて、酸化物超電導体と電極端子の接合部を密着被覆した。

ＧＦＲＰ製の接合部被覆体は上下方向２分割したものを、スタイキャスト２８５０ＧＴで接着固定し、さらにステンレス製のボルトで機械的にも固定した。その後、ステンレス製の電極端子間接続体を半田付けにて電極端子に接続し、図３に示すような酸化物超電導体通電素子を製作した。

室温から液体窒素温度間の熱膨張率は、酸化物超電導体のａｂ軸方向、電極端子、ＧＦＲＰの熱膨張率が小さい方向、及び、ＧＦＲＰの熱膨張率が大きい方向で、それぞれ、−０．１４％、−０．３４％、−０．２％、及び、−０．５５％であった。

ＧＦＲＰの熱膨張率の絶対値の小さい方向を通電方向に向け、ＧＦＲＰの熱膨張率の絶対値の大きい方向を酸化物超電導体と電極端子の通電方向に平行な接合面に対して垂直な方向に向けた。上記構造の酸化物超電導体通電素子を室温状態から液体窒素に浸漬するという急冷工程を５０回繰り返し実施したが、酸化物超電導体にクラック等の破損は見られなかった。

急冷工程を実施する前後で臨界電流を測定したが、急冷工程の前後とも液体窒素温度での臨界電流は２４００Ａと同じであった。

（実施例４）
断面積３ｍｍ×３ｍｍ、長さ４０ｍｍの単結晶状のＧｄＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x相中にＧｄ₂ＢａＣｕＯ₅相が微細分散した酸化物超電導体の両端に、銀製の電極端子を半田付けにて電気的に接合し、厚さ２ｍｍのＧＦＲＰをエポキシ系樹脂であるスタイキャスト２８５０ＦＴを用いて、酸化物超電導体と電極端子の接合部を密着被覆し、さらに、その後、２つの接合部被覆体間の酸化物超電導体表面を同じスタイキャスト２８５０ＦＴで１ｍｍ厚さに塗布することで、図５に示すような酸化物超電導体通電素子を製作した。

室温から液体窒素温度間の熱膨張率は、酸化物超電導体のａｂ軸方向、電極端子、ＧＦＲＰの熱膨張率が小さい方向、及び、ＧＦＲＰの熱膨張率が大きい方向で、それぞれ、−０．１６％、−０．３３％、−０．２２％、及び、−０．６％であった。ＧＦＲＰの熱膨張率の絶対値の小さい方向を通電方向に向け、ＧＦＲＰの熱膨張率の絶対値の大きい方向を酸化物超電導体と電極端子の通電方向に平行な接合面に対して垂直な方向に向けた。

上記構造の酸化物超電導体通電素子を室温状態から液体窒素に浸漬するという急冷工程を５０回繰り返し実施したが、酸化物超電導体通電素子の外観にクラック等の破損は見られなかった。急冷工程を実施する前後で臨界電流を測定したが、急冷工程の前後とも液体窒素温度での臨界電流は１９００Ａと同じであった。

（実施例５）
断面積４ｍｍ×４ｍｍ、長さ６０ｍｍの単結晶状の（Ｄｙ，Ｈｏ）Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x相中に（Ｄｙ，Ｈｏ）₂ＢａＣｕＯ₅相が微細分散した酸化物超電導体の両端に、錫めっきした無酸素銅製の電極端子を半田付けにて電気的に接合し、厚さ３ｍｍのＧＦＲＰをエポキシ系樹脂であるスタイキャスト２８５０ＦＴを用いて、酸化物超電導体と電極端子の接合部を密着被覆することで、図６に示すような一体化した接合部被覆体を有する酸化物超電導体通電素子を製作した。

両端に２個所ある接合部被覆体を一体化したＧＦＲＰ製の接合部被覆体は、上下方向２分割したものを、スタイキャスト２８５０ＦＴで接着固定し、さらにステンレス製のボルトで機械的にも固定した。

室温から液体窒素温度間の熱膨張率は、酸化物超電導体のａｂ軸方向、電極端子、ＧＦＲＰの熱膨張率が小さい方向、及び、ＧＦＲＰの熱膨張率が大きい方向で、それぞれ、−０．１６％、−０．３２％、−０．２４％、及び、−０．７％であった。

ＧＦＲＰの熱膨張率の絶対値の小さい方向を通電方向に向け、ＧＦＲＰの熱膨張率の絶対値の大きい方向を酸化物超電導体と電極端子の通電方向に平行な接合面に対して垂直な方向に向けた。

上記構造の酸化物超電導体通電素子を室温状態から液体窒素に浸漬するという急冷工程を５０回繰り返し実施したが、酸化物超電導体通電素子の外観にクラック等の破損は見られなかった。急冷工程を実施する前後で臨界電流を測定したが、急冷工程の前後とも液体窒素温度での臨界電流は３２００Ａと同じであった。

（実施例６）
断面積４ｍｍ×４ｍｍ、長さ６０ｍｍの単結晶状の（Ｄｙ，Ｈｏ）Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x相中に（Ｄｙ，Ｈｏ）₂ＢａＣｕＯ₅相が微細分散した酸化物超電導体の両端に、錫めっきした無酸素銅製の電極端子を半田付けにて電気的に接合し、厚さ３ｍｍのＣＦＲＰをエポキシ系樹脂であるスタイキャスト２８５０ＦＴと銀ペーストを用いて、酸化物超電導体と電極端子の接合部を密着被覆することで、図６に示すような一体化した接合部被覆体を有する酸化物超電導体通電素子を製作した。

両端に２個所ある接合部被覆体を一体化したＣＦＲＰ製の接合部被覆体は、上下方向２分割したものを、スタイキャスト２８５０ＦＴで接着固定し、さらにステンレス製のボルトで機械的にも固定した。接着部材の銀ペーストは、接合部被覆体と電極端子の接合面を接着するために用いた。

室温から液体窒素温度間の熱膨張率は、酸化物超電導体のａｂ軸方向、電極端子、ＣＦＲＰの熱膨張率が小さい方向、及び、ＣＦＲＰの熱膨張率が大きい方向で、それぞれ、−０．１６％、−０．３２％、−０．２５％、及び、−０．７２％であった。ＣＦＲＰの熱膨張率の絶対値の小さい方向を通電方向に向け、ＣＦＲＰの熱膨張率の絶対値の大きい方向を酸化物超電導体と電極端子の通電方向に平行な接合面に対して垂直な方向に向けた。

上記構造の酸化物超電導体通電素子を室温状態から液体窒素に浸漬するという急冷工程を５０回繰り返し実施したが、酸化物超電導体通電素子の外観にクラック等の破損は見られなかった。急冷工程を実施する前後で臨界電流を測定したが、急冷工程の前後とも液体窒素温度での臨界電流は３１５０Ａと同じであった。

また、実施例５のＧＦＲＰの電気抵抗率は１０¹²Ωｃｍ、実施例６のＣＦＲＰの電気抵抗率は０．８Ωｃｍであった。実施例５と実施例６の酸化物超電導体通電素子を液体窒素に浸漬させた状態で、臨界電流以上の電流を通電することでクエンチさせ、クエンチ直後に電流電源をＯＦＦし、通電電流を遮断した。

この実験で、実施例５の通電素子は、溶断したため再度通電することはできなかったが、実施例６の通電素子は、溶断せず再度通電することができた。

本発明によれば、構造が簡単で、冷却時に破損しにくい酸化物超電導体通電素子を提供できるので、酸化物超電導体の工業上の利用範囲が拡大する。

本発明の酸化物超電導体通電素子の一実施例の構造を示す断面図である。 本発明の酸化物超電導体通電素子の一実施例の外観図である。 本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造を示す断面図である。 本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造を示す断面図である。 本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造を示す断面図である。 本発明の酸化物超電導体通電素子の別の実施例の構造を示す断面図である。 従来の酸化物超電導体通電素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１…酸化物超電導体
２…接着部材
３…電極端子
４…ボルト
５…接合被膜体
６…酸化物超電導体と電極端子の通電方向に平行な接合面
７…接合部被膜体間の接続体
８…電極端子間の接続体
９…被膜体

Claims (16)

1. 酸化物超電導体と、該酸化物超電導体の両端に電気的に接合した電極端子と、該酸化物超電導体と該電極端子との接合部を被覆する接合部被覆体からなることを特徴とする酸化物超電導体通電素子。
2. 前記接合部被覆体が接着部材を介して前記酸化物超電導体と前記電極端子の接合部を密着被覆してい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。
3. 前記接合部被覆体の熱膨張率の絶対値が、前記酸化物超電導体のａｂ軸方向の熱膨張率の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の酸化物超電導体通電素子。
4. 前記接合部被覆体が熱膨張率に関して異方性のある材料であり、かつ、少なくとも１方向の熱膨張率の絶対値が前記電極端子の熱膨張率の絶対値よりも大きく、前記方向と直角方向の熱膨張率の絶対値が前記電極端子の熱膨張率の絶対値よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の酸化物超電導体通電素子。
5. 前記接合部被覆体の熱膨張率の絶対値の大きい方向を、前記酸化物超電導体と前記電極端子の通電方向に平行な接合面に対して垂直な方向としたことを特徴とする請求項４に記載の酸化物超電導体通電素子。
6. 前記接合部被覆体が、繊維強化材料、金属材料、又は、セラミックス材料から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。
7. 前記電極端子が、電気良導体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。
8. 前記酸化物超電導体が、単結晶状のＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x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）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に記載の酸化物超電導体通電素子。
9. 両端にある２つの前記接合部被覆体が接続体で接続されてなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。
10. 両端にある２つの前記電極端子が接続体で接続されてなることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。
11. 前記酸化物超電導体の表面が前記接着部材で被覆されてなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。
12. 両端にある２つの前記接合部被覆体を一体化したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の酸化物超電導体通電素子。
13. 前記接合部被覆体が電気導電性材料であることを特徴とする請求項１２に記載の酸化物超電導体通電素子。
14. 前記接合部被覆体の電気抵抗率が１０μΩｃｍ以上、１０００Ωｃｍ以下であり、前記酸化物超電導体通電素子が電流リードであることを特徴とする請求項１３に記載の酸化物超電導体通電素子。
15. 前記接合部被覆体が樹脂と電気良導体との複合体であることを特徴とする請求項１４に記載の酸化物超電導体通電素子。
16. 前記電気良導体が炭素繊維であることを特徴とする請求項１５に記載の酸化物超電導体通電素子。

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