JP2009259520A - 超電導電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】複数枚の次世代テープ状酸化物超電導線材を積層して通電容量の増大化を図るとともに、各線材に電流が均等に流れるような超電導電流リードを提供する。
【解決手段】低温側リード部５が、複数枚のテープ状超電導線材を積層して集合化した導体ユニット７を支持部材６の周面に配列して敷設し、支持部材両端に配した金属電極９と導体ユニット７との間を導電接合したものにおいて、テープ状線材には、金属基板上に中間層を介してＹ系，Ｈｏ系の酸化物超電導層を成層した次世代テープ状酸化物超電導線材１０を採用し、導体ユニット端部と電極との間に、各テープ状線材の酸化物超電導層側に面を重ね合わせて導電スペーサ１１を介挿し、導電スペーサと酸化物超電導線材および電極との間をハンダ付けし、さらに両端接合部を除いて線材相互間の隙間にＦＲＰ等で作られた低熱伝導性の絶縁スペーサ１２を介挿する。
【選択図】図３

Description

この発明は、超電導エネルギー貯蔵用の超電導コイルや限流器，超電導ケーブル，超電導発電機，超電導変圧器等の超電導装置に適用する通電容量が大きな超電導電流リードの組立構造に関する。

超電導マグネットは、物性研究用や磁気共鳴装置などに利用され、将来的には磁気浮上列車、核融合用磁気閉じこめ装置等への応用に期待されている。ところで、クライオスタットの極低温容器中に置かれた超電導マグネットには、室温側に置かれた励磁電源より電流リードを介して電流を供給する際に、電流リードを伝熱経路として外部から極低温領域に侵入する熱が大きな問題となっている。すなわち、液体ヘリウムは高価な冷媒材であり、また熱侵入により蒸発した液体ヘリウムを再液化するために使用する冷凍機も大きな電力を消費する。そこで、電流リードを通じて熱侵入量が多いと、液体ヘリウムの購入に伴うコストアップを招くばかりか、再液化のための冷凍機が大型化、大容量化してしまうことから、低抵抗で高い導電性を確保しつつ、外部からの伝導熱侵入が低い電流リードの開発が重要な開発課題となっている。

そこで、電流リードの低温側リード部に高温超電導材料を用いて極低温部への伝導熱侵入を低減するようにした高温超電導電流リードが開発されており、その一例として液体ヘリウム中の超電導機器に電流を供給する電流リードの中間部に液体窒素温度に冷却するサーマルアンカを設け、電流リードの低温側には臨界温度が液体窒素の沸点（７７．３Ｋ）以上である超電導体（例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）を使用した超電導電流リードが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、超電導電流リードを低温部、中温部および高温部の導体に分けて構成し、低温部導体は、熱伝導率の低い絶縁基板にＢｉ系の酸化物超電導層を設けたものを使用し、中温部，高温部の導体として酸化物系超電導体からなるコアをＡｇなどの被覆材（シース）で被覆したテープ状線材の複数枚を積層して集合化した構造の超電導電流リードも知られている（例えば、特許文献２参照）。

そのほか、超電導電流リードを、銅線を束ねた高温側リード部とテープ状の超電導線材で構成した低温側リード部とに分け、ここで低温側リード部は例えばＢｉ系のテープ状酸化物超電導線材を複数枚積層して集合化した導体ユニットを、その超電導線材のテープ面が円筒座標系における周方向と平行になるように円筒状の支持部材の周面に配列して構成した大電流容量の超電導電流リードが知られており（例えば、特許文献３参照）、次にその超電導電流リードの具体的な構造を図５〜図７に示す。

図５は超電導コイルへの適用例で、図において１は液体ヘリウムで満たしたクライオスタットの極低温容器、２は超電導コイル、２ａは超電導コイル２の接続端子、３は外部の励磁電源から超電導コイル２に電力を供給する超電導電流リード、３ａ，３ｂは接続端子であり、超電導電流リード３は銅あるいは銅合金等の良導電性金属で構成した高温側リード部４と、テープ状の超電導線材を用いて構成した低温側リード部５とから構成されている。

ここで、前記の低温側リード部５は、図６（ａ），（ｂ）で示すようにＦＲＰ，あるいはステンレス鋼等で作られた円筒状（パイプ状）の支持部材６の周面に超電導導体ユニット７を多数配列して支持部材の軸方向に敷設した構造になる。また、前記導体ユニット７は、例えばＢｉ（ビスマス）系のテープ状超電導線材（銀シース超電導線）８を、その超電導線材のテープ面が円筒座標系における周方向と平行になるように複数枚を積層して支持部材６の周面に形成した凹溝内に敷設している。また、図７（ａ），（ｂ）で示すように、前記支持部材６の両端には銅あるいは銅合金等の金属で作られた電極９を配し、該電極９と各超電導線材８との間をハンダ等で導電接合して低温側リード部５を構成している。

一方、近年になり次世代のテープ状超電導線材として、高電流密度化、低コスト化が可能であると期待されているイットリウム系（Ｙ系）など、希土類金属（Re）系のテープ状酸化物超電導線材の開発が進んでいる。具体的に開発が進められているテープ状酸化物超電導線材は、イットリウム（Ｙ系）、ホルミウム（Ｈｏ系）、ガドリウム（Ｇｄ系）がある。また、例えば、特許文献４に記載されたように、このテープ状酸化物超電導線材は、テープ状の金属基板（ハステロイ等）の板面にＩＢＡＤ法で蒸着した中間層（ＹＳＺ等），ＰＬＤ法で蒸着したキャップ層（ＣｅＯ2）を介してＹ系，Ｈｏ系の酸化物超電導体層を成膜し、さらに金，銀またはその合金の薄膜（保護膜）で酸化物超電導体層を覆った構成となっており、その模式図を図８に示す。
特開昭６４−７６７０７号公報 特開平５−１０９５３０号公報 特開平１０−１８８６９１号公報 特開２００４−７１３５９号公報

ところで、図６，図７に示した低温側リード部５について、そのテープ状超電導線材８を前記の特許文献２で述べたようなテープ状の酸化物超電導線材に置き換えて構成すると、このままでは次記のような通電性の問題があって超電導電流リードの大容量化が困難となる。

すなわち、先記した銀シース超電導線材は電流が各線材の断面全域，および線材相互間の重なり面を通じて流れるので、厚さ方向にテープ状線材を複数枚積層して集合化することにより電流リードの通電容量の増大が可能である。これに対し、図８に示したイットリウム系（Ｙ系）やホルミウム系（Ｈｏ系）等のテープ状酸化物超電導線材は、線材の層内に中間層，キャップ層の絶縁層が成層されていることから、図６のように複数枚の線材を積層しても電極９（図７参照）に導電接合した線材端面から流入した電流は各テープ状線材の超電導層側，つまり線材の片面側のみを流れ、互いに重なり合う積層面を通じて各超電導線材の相互間には電流が横流することはできない。

このために、図８に示したテープ状の酸化物超電導線材を図７の低温側リード部に採用し、このテープ状の酸化物超電導線材を複数枚積層して集合化した導体ユニット７を支持部材６の周面に配列した敷設した上で、その線材の両端を電極９にハンダ接合する場合に、各テープ状線材８の端面と電極９との間のハンダ接合状態にバラツキなどがあると、これに起因して各超電導線材には電流が均等に流れなくなる。

さらに、図７のように、円筒状支持部材６の周面に敷設した導体ユニット７の各テープ状超電導線材８に対して、その両端に配した電極９を断面Ｌ形のリングとして支持部材６に組み付けた構造では、上下に積層したテープ状の各超電導線材８のうち、支持部材６の周面と接する内側の線材はその両端部の線材面が電極９の周面に重なって導電接合（ハンダ付け）されることになる。このことから、図８に示したテープ状酸化物超電導線材の超電導層側を下面に向けて各テープ状線材を上下に積層すると、電流は電極９の周面に接する特定のテープ状線材にのみ集中して流れるようになるため、電流リードの通電容量（臨界電流）をテープ状酸化物超電導線材の積層枚数に比例して高めることが困難となる。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、次世代のテープ状酸化物超電導線材（Ｙ系やＨｏ系等のテープ状酸化物超電導線材）を採用して超電導電流リードの低温側リード部を構成する際に、複数枚を積層して集合化したテープ状の酸化物超電導線材に対してその各線材に電流が均等に流れるよう組立構造を改良して容易に通電容量の増大化が図れるようにした超電導電流リードを提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明によれば、液体ヘリウム，液体窒素等の極低温冷媒，ないしは冷凍機などにより冷却される超電導装置に電力を供給する超電導電流リードであって、その低温側リード部が、複数枚のテープ状超電導線材を積層して集合化した導体ユニットを円筒，または円柱状の支持部材の周面に配列して敷設し、かつ前記支持部材の両端に配した金属電極と前記導体ユニットとの間を導電接合したものにおいて、
前記導体ユニットを構成するテープ状超電導線材には、金属基板上に中間層を介してイットリウム系（Ｙ系），ホルミウム系（Ｈｏ系）等の酸化物超電導層を成層したテープ状の酸化物超電導線材を採用し、その導体ユニットの端部と電極との間には、各テープ状線材の酸化物超電導層側に面を重ね合わせて良導電性金属の導電スペーサを介挿し、該導電スペーサと酸化物超電導線材および電極との間を導電接合し（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成することができる。
（１）前記の導電スペーサを、導体ユニットを構成するテープ状の各超電導線材と個々に対応する重ね合わせ面を形成した段付き形状の銅または銅合金板となし、該導電スペーサの段付き部を超電導線材の端部に重ね合わせ、導電スペーサと超電導線材，電極の間、および導電スペーサの相互間をハンダ接合する（請求項２）。
（２）前記の導電スペーサを、その端面に導体ユニットを構成するテープ状の各超電導線材端部を個別に差し込む凹溝を形成した銅または銅合金のブロックで構成し、前記凹溝に超電導線材の端部を挿入し、導電スペーサと超電導線材および電極の間をハンダ接合する（請求項３）。
（３）前記の超電導電流リードにおいて、導電スペーサとの接合部を除いて、テープ状超電導線材の長手方向に沿った線材相互間の隙間に低熱伝導性の絶縁スペーサを介挿配置する（請求項４）。

上記構成の超電導電流リード（低温側リード部）によれば、複数枚を積層して集合化したテープ状酸化物超電導線材には、その線材端部に重ね合わせて面接合した導電スペーサを介して電極からの電流が各線材に均等に流れるようになる。しかも、各線材と導電スペーサとの間に大きな接合面積（導電面積）が確保できて通電性が向上する。これにより、従来構造で問題となっていた特定な線材への電流の偏り集中が解消され、金属基板に絶縁性の中間層を介して酸化物超電導層を成層した次世代のテープ状酸化物超電導線材を採用して超電導電流リードの大容量化が容易に達成できる。

また、導電スペーサとの接合部を除いて、テープ状超電導線材の長手方向に沿った線材相互間の隙間に低熱伝導性の絶縁スペーサを介挿配置することにより、高温側からの伝導熱侵入増加を抑制しつつ、脆くて割れやすい性質の酸化物超電導層を安全に保護できる。

以下、この発明の実施の形態を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１は超電導コイル装置に適用した超電導電流リード全体の構成図、図２（ａ），（ｂ）は実施例１に対応する低温側リード部の構成断面図，およびその導体ユニットの拡大断面図、図３（ａ），（ｂ）は図２（ａ）の矢視Ｙ−Ｙに沿った低温側リード部の軸方向の断面図，および要部の拡大断面図、図４は実施例２に対応する低温側リード部の要部断面図であり、各図において図５〜図７に対応する部材には同じ符号を付している。

この実施例１の超電導電流リード３は基本的に図５〜図７に示した従来構造と同様であるが、その低温側リード部５の支持部材６の周上に敷設した導体ユニット７を構成するテープ状の超電導線材として、図８で述べたテープ状の酸化物超電導線材１０を採用し、このテープ状酸化物超電導線材１０の複数枚を積層して支持部材６の周面に形成した凹溝内に敷設している。

ここで、テープ状の酸化物超電導線材１０は各線材の超電導層を上に向けて配置した上で、低温側リード部５の両端に配した電極９と各線材１０の両端との間には図３（ａ），（ｂ）で示すように先端部の下面側を厚さ半分ほど切り欠いた段付き形状の導電スペーサ１１を介挿し、該導電スペーサ１１の段付き部１１ａを超電導線材１０の上面端部に重ね合わせた上で、導電スペーサ１１／テープ状酸化物超電導線材１０，導電スペーサ１１／電極９の間、および上下に重なる導電スペーサ１１の相互間をハンダ接合している。

また、上下に並ぶ複数枚の酸化物超電導線材１０の相互間には、線材間の隙間を埋めるように両端の接合部を除いた長手方向の領域にＦＲＰ等で作られた低熱伝導性の絶縁スペーサ１２を介挿し、高温側からの伝導熱侵入を抑えつつ、脆くて割れやすい線材の酸化物超電導層を保護するようにしている。

上記した低温側リード部５の組立構造によれば、複数枚を積層して支持部材６の周面に敷設したテープ状の各酸化物超電導線材１０は、その両端部が長手方向に面と面を重ね合わせて導電接合した導電スペーサ１１を介して電極９に並列接続される。したがって、電極９から導電スペーサ１１を経て各酸化物超電導線材１０に流れる電流は、特定の線材に集中することなく各線材に均等に流れるようになる。これにより、片面しか電流が流れない次世代のテープ状酸化物超電導線材１０（図８参照）を採用し、この線材を複数枚積層して集合化することで、通電容量の大きな高温超電導電流リードを容易に構成できる。

なお、図示例の支持部材６は円筒状であるが、円柱状の支持部材を用いて低温側リード部を構成することもできる。

次に、この発明の請求項３に対応する実施例２の構成を図４に示す。すなわち、先記の実施例１では、導電スペーサ１１をテープ状の各酸化物超電導線材１０と個々に対応させた段付き形状の銅板で構成しているのに対して、この実施例２では導電スペーサ１３が銅のブロック体になる。そして、この導電スペーサ１３の端面には複数枚のテープ状酸化物超電導線材１０と個々に対応する凹溝１３ａがあらかじめ切込み形成されており、低温側リード部５の組立時にテープ状酸化物超電導線材１０の端部を前記凹溝１３ａに一枚ずつ差し込んだ上で、導電スペーサ１３との間をハンダ接合するようにしている。なお、前記接合部を除いて各酸化物超電導線材１０の相互間には、実施例１と同様に線材の長手方向に沿って絶縁スペーサ１２を介挿している。

超電導コイル装置に適用したこの発明の実施例１に係わる超電導電流リードの構成図 図１における低温側リード部の構成図で、（ａ）は図１の矢視Ｘ−Ｘ断面図、（ｂ）は（ａ）における導体ユニットの拡大断面図 図１における低温側リード部の詳細構造図で、（ａ）は図２（ａ）の矢視Ｙ−Ｙに沿った縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図 この発明の実施例２に係わる低温側リード部の要部構造を表す断面図 超電導コイル装置に適用した超電導電流リードの従来構成図 図５における低温側リード部の構成図で、（ａ）は図５の矢視Ｘ−Ｘ断面図、（ｂ）は（ａ）における導体ユニットの拡大断面図 図５における低温側リード部の詳細構造図で、（ａ）は図５（ａ）の矢視Ｙ−Ｙに沿った縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図 次世代のテープ状酸化物超電導線材の模式構造図

符号の説明

１ 極低温容器
２ 超電導コイル
３ 超電導電流リード
４ 高温側リード部
５ 低温側リード部
６ 円筒状支持部材
７ 導体ユニット
９ 電極
１０ テープ状酸化物超電導線材
１１ 段付き形状の導電スペーサ
１１ａ 段付き部
１２ 絶縁スペーサ
１３ ブロック体の導電スペーサ
１３ａ 凹溝

Claims (4)

1. 液体ヘリウム，液体窒素等の極低温冷媒，ないしは冷凍機などにより冷却される超電導装置に電力を供給する超電導電流リードであって、その低温側リード部が、複数枚のテープ状超電導線材を積層して集合化した導体ユニットを円筒，または円柱状の支持部材の周面に配列して敷設し、かつ前記支持部材の両端に配した金属電極と前記導体ユニットとの間を導電接合したものにおいて、
   前記導体ユニットを構成するテープ状超電導線材には、金属基板上に中間層を介してイットリウム系（Ｙ系），ホルミウム系（Ｈｏ系）等の酸化物超電導層を成層したテープ状の酸化物超電導線材を採用し、その導体ユニットの端部と電極との間には、各テープ状線材の酸化物超電導層側の端部に面を重ね合わせて良導電性金属の導電スペーサを介挿し、該導電スペーサと酸化物超電導線材および電極との間を導電接合したことを特徴とする超電導電流リード。
2. 請求項１に記載の超電導電流リードにおいて、導電スペーサが、導体ユニットを構成するテープ状の各酸化物超電導線材と個々に対応する重ね合わせ面を形成した段付き形状の銅または銅合金板であり、該導電スペーサの段付き部を前記超電導線材の端部に重ね合わせ、導電スペーサと超電導線材，電極の間、および導電スペーサの相互間をハンダ接合したことを特徴とする超電導電流リード。
3. 請求項１に記載の超電導電流リードにおいて、導電スペーサが、その端面に導体ユニットを構成するテープ状の各超電導線材端部を個別に差し込む凹溝を形成した銅または銅合金のブロックであり、その凹溝に前記酸化物超電導線材の端部を挿入し、導電スペーサと超電導線材および電極の間をハンダ接合したことを特徴とする超電導電流リード。
4. 請求項１ないし３のいずれかの項に記載の超電導電流リードにおいて、導電スペーサとの接合部を除いて、テープ状酸化物超電導線材の長手方向に沿った線材相互間の隙間に低熱伝導性の絶縁スペーサを介挿配置したことを特徴とする超電導電流リード。

Images