JP2011211110A - 超電導電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】超電導電流リードの電流容量を増加させるためには、金属性の電極が大きくなるため、熱容量が増加し、ハンダ付け工程の際に保護層が消失する可能性が高くなる。
【解決手段】本発明に係る超電導電流リード２０は超電導層１３上に保護層１５が形成された高温超電導テープ線材２の保護層側を第一のハンダ４で金属電極３に電気的に接続した電流リードユニット１を第一のハンダ４より融点が低い第二のハンダ５で複数電気的に接続したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導装置に電流を流すために使用される超電導電流リードに関する。

超電導技術の向上に伴い、例えば磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ），単結晶引き上げ装置などが実用化されている。これらの超電導装置には，超電導線を巻き回してなる超電導コイルを使用しており、超電導状態を維持するために極低温に保持するように構成されている。

この超電導コイルに電流を流すためには、外部の電源装置より超電導電流リードを介して電流を供給しているが、超電導コイルを極低温に保持するためには、熱を伝えにくいことが重要である。超電導体は、電気抵抗がほぼゼロであり、熱伝導率が低いため、超電導電流リードの材質として最適である。

従来の超電導電流リードでは、ＹＢＣＯやＢｉ２２２３のバルク材を用いたものもあるが、バルク材は脆く破損しやすいため取り扱いに注意が必要であった。一方、次世代の線材として、金属基板上に中間層を形成し、その上にＹＢＣＯ等のＲＥ１２３系の高温超電導薄膜が形成された高温超電導テープ線材の開発が進められている。

高温超電導テープ線材は金属基板に高強度材料を用いているため、機械強度に優れているという特徴がある。そのため、超電導電流リードに高温超電導テープ線を用いることが検討されている。

しかしながら、超電導電流リードの電流容量を増加させるためには、高温超電導テープ線材を複数用いる必要があり、線材に電流が均等に流れない（偏流）場合があることから、電流容量を増加できない課題があった。これまで、各線材に電流が均等に流れるように組立構造を改良する方法（特許文献１）や線材と電極の接続抵抗を小さくすることで偏流を抑制する方法（特許文献２）が開発されている。

特開２００９−２５９５２０号公報 特開２００９−２３０９１３号公報

高温超電導層が水等と反応させないための保護や、常伝導転移時のバイパス回路を形成させるための安定化のため、高温超電導層の表面に数μm程度の金属保護層が形成されている。この金属保護層が形成された高温超電導テープ線材を用いて超電導電流リードを製作するためには、その端部において抵抗を小さくするために、金属製の電極と高温超電導テープ線材をハンダ付けにて電気的に接続する必要がある。

しかしながら、この金属保護層は金や銀や鉛、錫、インジウム等の金属やそれらの合金で構成されるハンダ材料に溶け込みやすいため、ハンダ付け工程の際に金属保護層が消失してしまい、結果的に電流通電時の電気抵抗が大きくなり、電流リードが焼損する課題が生じる。特に超電導電流リードの電流容量を増加させるためには、金属性の電極が大きくなるため、熱容量が増加し、ハンダ付け工程の際に保護層が消失する可能性が高くなる。

本発明は、この課題を解消することを目的とし、電流容量を増加させてもハンダ付け工程の際に保護層が消失しない構成を提供することにより、超電導電流リードの安定性を向上させることを目的とするものである。

本発明は、超電導層上に保護層が形成された高温超電導テープ線材の保護層側を第一のハンダで金属電極に電気的に接続した電流リードユニットを第一のハンダより融点が低い第二のハンダで複数電気的に接続したことを特徴とする超電導電流リードを提供する。

本発明によれば、高温超電導テープ線材と金属電極をハンダ付けする際に、保護層の消失を防ぐことができるため、超電導電流リードの接続抵抗値の増加を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態の超電導電流リードを示し、（a）はその上面図、（ｂ）は側面図。 高温超電導テープ線材の構成図。 超電導電流リードの主な構成材料の温度と熱伝導率の関係を示す特性図。 保護層の厚みと接続抵抗値の関係を示す特性図。 本発明の第２および第３の実施形態の超電導電流リードを示し、（a）はその上面図、（ｂ）は側面図。 接続長と接続抵抗の関係を示す特性図。 加熱温度と接続抵抗の関係を示す特性図。 本発明の第４の実施形態の超電導電流リードを示し、（a）はその上面図、（ｂ）は側面図。 本発明の第５の実施形態の超電導電流リードを示し、（a）はその上面図、（ｂ）は側面図。

（実施例１）
本発明の実施例１を図１から図４を参照して説明する。図１において、超電導電流リード２０を構成する電流リードユニット１は、高温超電導テープ線材２を３本と銅や銀からなる金属電極３を高温超電導テープ線材２の超電導層と金属電極３が向かい合うように第一のハンダ４で電気的に接続している。次に、電流リードユニット１を４つ積層し、金属電極３を第一のハンダ４より融点が低い第二のハンダ５を用いて電気的に接続し、全体を補強材６で覆っている。

ここで、高温超電導テープ線材２と金属電極３を第一のハンダ４でハンダ接続する箇所に溝１０を設けていることで、電流リードユニット１を複数、例えば４つ積層する場合に、高温超電導テープ線材２の表面が別の電流ユニット１の金属電極３と干渉しない構成となっている。

なお、第一のハンダ４としては、Ｉｎ―Ａｇハンダ(融点１４３℃以下)、Ｐｂ―Ｓｎ―Ａｇハンダ(融点１７９℃以下)、Ｉｎハンダ(Pure Indium)（融点１５７℃以下)が選択適用できる。

また、第二のハンダ５としては、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎハンダ(融点９５℃以下)、Ｉｎ−Ｓｎハンダ（融点１１８℃以下)が選択適用できる。

なお、上記第一のハンダ４および第二のハンダ５は一例であり、第一のハンダの融点が１００℃以上１８０℃以下であり、第二のハンダの融点が第一のハンダの融点以下であれば超電導テープ線材２の保護層が溶けることがない。

また、図２には図１に示した実施例で使用した高温超電導テープ線材２の構成図を示しており、図２において、テープ状基板１１は、テープ状基材１１ａと、その上に形成された面内配向性を有する配向層１１ｂとから形成されている。

このテープ状基板１１の配向層１１ｂの上には中間層１２が蒸着されている。この中間層１２には、希土類酸化物などの酸化物の蒸着膜、たとえばＣｅＯ２やＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）が用いられている。

この中間層２の上には、酸化物超電導層１３が形成されている。そしてこの酸化物超電導層１３の上には、湿分などから酸化物超電導層１３を保護するため、厚さ２μmのAgで構成された保護層１５が形成されている。また、中間層１２と酸化物超電導層１３との間、または配向層１１ｂを有するテープ状基板１１と中間層１２との間に、テープ状基板１１の走行方向と、蒸着源の面の方向とを一致させて成膜したキャップ層を配置してもよい。このようなキャップ層の配置により線材製造方法の多様性を向上させることができる。

上記構成の超電導電流リード２０の熱伝導率は、極低温部への熱侵入量を減らすため、低いほうが望ましい。

図３に超電導電流リード２０に使用されている主な材料の熱伝導率を示す。

図３において高温超電導テープ線材２の保護層１５であるAgが最も熱伝導率が大きく、基板１１や補強材６と比較して、２桁以上大きい値となっている。したがって、熱侵入量を減らすためにはAgから構成された保護層１５の厚さを１０μm以下とすることが望ましい。

しかしながら、保護層１５の厚さを薄くしすぎると、高温超電導テープ線材２と金属電極３を第一のハンダ４で電気的に接続する際に、保護層１５を構成するAgが溶けてしまい、接続抵抗値が増えてしまう。

図４にAgの厚みを変化させて超電導電流リード２０を製作した際の接続抵抗値をAg（保護層１５）の厚みを１０μmとしたときの接続抵抗値で規格化した値を示しているが、Agが０.５μmの場合には、１μm、１０μmの場合と比較すると接続抵抗値が２倍以上と大きい値となった。ここでは、保護層であるAgの厚さが１μmの高温超電導テープ線材２を使用することで超電導電流リード２０の接続抵抗値を低くすることができる。また、Agとハンダの反応では、ハンダ接続時の加熱温度および加熱時間の影響も受ける。本実施例１において、高温超電導テープ線材２を３本４層の計１２本使用しているが、金属電極３を分割することで、融点が高い第一のハンダ４でハンダ接続する際の加熱時間を少なく抑えることができる。

以上の結果より明らかなように本実施例１によれば、Ag（保護層１５）の厚さを１μmとすることで、高温超電導テープ線材２と金属電極３をハンダ付けする際に、保護層であるAgの消失を防ぐことができるため、超電導電流リードの接続抵抗値の増加を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

なお、本実施例では保護層１５を銀で説明したが金においても同様の作用効果をえることができる。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２を図５および図６を参照して説明する。なお実施例１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５に示すように超電導電流リード２０aを構成する電流リードユニット１aは、幅１２mm、厚さ０.１mmの超電導テープ線材２と厚さ２mmの金属電極３を第一のハンダ４にて電気的に接続する際に、図５に示すように接続長を２２mmとしている。

超電導電流リード２０aの接続抵抗値は高温超電導テープ線材２と金属電極３を第一のハンダ４にて電気的に接続する場合には、超電導テープ線材２の抵抗値は、ほぼゼロであるため、金属電極３と第一のハンダ４の抵抗値によりほぼ決まっている。

図６は、高温超電導テープ線材２と金属電極３の接続長と、接続長を５０mmとしたときの接続抵抗値で規格化した接続抵抗の関係を示しているが、接続長が７mm以上では、ほぼ接続抵抗は一定となり接続長を長くしても接続抵抗が大きく減少することはない。しかしながら、実際は、ハンダにて電気接続した箇所全てを均一に接続することは難しいため、電気的に接続されている箇所は、接続長より短くなってしまう場合がある。そのため、接続長は１０mm以上とすることが望ましい。

一方接続長を長くする場合には、金属電極３が大きくなるため、熱容量が大きくなり、ハンダ接続時の加熱時間が長くなってしまい、Agが消失する危険性が高まるため、接続長は３０mm以内とすることが望ましい。本実施例２の場合は、図５に示すように接続長を３０mm以下である２２mmとしているため、接続抵抗値を減らし、かつハンダ接続時のAgの消失の危険性を減らすことができる。

以上の結果より明らかなように本実施例２は、超電導テープ線材２と金属電極３の接続長を７mm以上３０mm以内とすることで、接続抵抗を減らすことができるとともに、高温超電導テープ線材２と金属電極３をハンダ付けする際に、保護層であるAgの消失を防ぐことができるため、超電導電流リードの接続抵抗値の増加を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

（実施例３）
次に、本発明の実施例３を図５および図７を参照して説明する。なお実施例１および２と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この実施例３においては、第一のハンダ４には融点が１４３℃のハンダ（Ｉｎ―Ａｇハンダ）を使用し、第二のハンダ５には融点が９５℃のハンダ（Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎハンダ）を使用している。

図７に高温超電導テープ線材２と金属電極３をハンダ接続する際の加熱温度と接続抵抗値を加熱温度１８５℃の場合の接続抵抗値で規格化した値の関係を示す。図７に示すように加熱温度が２２０℃の場合には、接続抵抗値の値が１８５℃、１９５℃の場合と比較すると１.７倍程度となり、２４０℃の場合には、３０倍近くも大きな接続抵抗値となった。ハンダ接続する際には、金属電極３を加熱する必要があり、その際の温度はハンダの融点よりも高くなることがあるため、加熱温度を１９５℃以下とするためには、金属電極３との温度差の関係からハンダの融点は１８０℃以下であることが望ましい。

また、電流リードユニット１を複数接続する際に、第一のハンダ４が溶けてしまうことを防止する必要があるため、第二のハンダ５の融点は第一のハンダの融点以下であることが望ましい。

本実施例３において、第一のハンダ４には、融点が１４３℃のハンダを使用し、第二のハンダ５には融点が９５℃のハンダを使用しているため、接続抵抗値を減らし、かつハンダ接続時のAgの消失の危険性を減らしている。

以上の結果より明らかなように本発明は、第一のハンダ４には、融点が１４３℃のハンダを使用し、第二のハンダ５には融点が９５℃のハンダを使用することで、接続抵抗を減らすことができるとともに、高温超電導テープ線材２と金属電極３をハンダ付けする際に、保護層であるAgの消失を防ぐことができるため、超電導電流リードの接続抵抗値の増加を防ぐことができ、安定性を向上させることができる。

（実施例４）
次に、本発明の実施例４を図８を参照して説明する。なお実施例１から３と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図８において超電導電流リード２０bを構成する電流リードユニット１bは、高温超電導テープ線材２と金属電極３を囲うように、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の補強材７を取り付け、その内部を含浸材８により樹脂含浸している。

このように繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の補強材７の内部を含浸材８により樹脂含浸することにより、超電導電流リードの機械強度を高めることができる。そして、機械強度が高まることにより、超電導電流リードをマグネットに取り付ける際による特性劣化や、電磁力による特性劣化を防止することができ、安定性を向上させることができる。

（実施例５）
次に、本発明の実施例５を図９を用いて説明する。なお実施例１から４と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図９において、超電導電流リード２０cを構成する電流リードユニット１cは、高温超電導テープ線材２と含浸材８が接着する箇所に離形材９を塗布している。

この離形材９を塗布することによって、超電導電流リード２０cを冷却する際に、高温超電導テープ線材２と含浸材８の熱収縮の違いにより発生する応力を緩和することができるので、高温超電導テープ線材２が特性劣化することが防止でき、超電導電流リード２０cの安定性を向上させることができる。

１、１a、１b、１c電流リードユニット、２高温超電導テープ線材、３金属電極、４第一のハンダ、５第二のハンダ、６補強材、７繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の補強材、８含浸材、９離形材、１０溝、１１テープ状基板、１１ａテープ状基材、１１ｂ配向層、１２中間層、１３酸化物超電導層、１５保護層、２０、２０a、２０b、２０c超電導電流リード。

Claims (7)

1. 超電導層上に保護層が形成された高温超電導テープ線材の保護層側を第一のハンダで金属電極に電気的に接続した電流リードユニットを第一のハンダより融点が低い第二のハンダで複数電気的に接続したことを特徴とする超電導電流リード。
2. 前記保護層の厚みが１μm以上１０μm以下であることを特徴とする請求項１記載の超電導電流リード。
3. 前記金属電極に前記高温超電導テープ線材の厚み以上の溝を設け、この高温超電導テープ線材と前記金属電極を前記第一のハンダで電気的に接続した箇所の厚みが前記金属電極の厚み以下であることを特徴とする請求項１または２記載の超電導電流リード。
4. 前記高温超電導テープ線材と前記金属電極を前記第一のハンダで電気的に接続する接続部の長さが７mm以上３０mm以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の超電導電流リード。
5. 前記第一のハンダの融点が１８０℃以下であり、前記第二のハンダの融点が前記第一のハンダの融点以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の超電導電流リード。
6. 前記高温超電導テープ線材と前記電極を囲って設けられる補強材の内部を樹脂含浸したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の超電導電流リード。
7. 前記超電導テープ線材と前記樹脂が接着する箇所が離形材を配設し離形処理されていることを特徴とする請求項６記載の超電導電流リード。

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