JP2021166126A - 超電導電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】超電導機器内の狭小な空間にも設置することが可能な超電導電流リードを提供する。【解決手段】超電導電流リードは、超電導線材１０と、超電導線材１０の長手方向における第１端部１０ａおよび第２端部１０ｂにそれぞれ接続された第１電極２および第２電極３と、を備える。そして、超電導線材１０のうち、第１端部１０ａから中央部１０ｃに至る第１区間Ａ１の少なくとも一部は第１方向Ｒ１に渦巻状に巻かれ、中央部１０ｃから第２端部１０ｂに至る第２区間Ａ２の少なくとも一部は第１方向Ｒ１とは反対の第２方向Ｒ２に渦巻状に巻かれている。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、超電導電流リードに関する。

特許文献１には、超電導体を用いた超電導電流リードが開示されている。この超電導電流リードは、２本のテープ状の酸化物超電導線材を支持体に無誘導巻きすることで、電流リードの巻線部分で発生する自己磁界による超電導特性の低下を抑制することができる。

特開２００９−２３０９１２号公報

特許文献１では、円筒状または円柱状の支持体に２本の酸化物超電導線材を螺旋状に無誘導巻きしたものであり、電流リード全体の外形も太く長くならざるを得なかった。そのため、超電導機器内の限られた狭小な空間に電流リードを設置しにくいという問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、超電導機器内の狭小な空間にも容易に設置することができる超電導電流リードを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る超電導電流リードは、テープ状の基板に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、をこの順に積層して構成された積層体を有する超電導線材と、前記超電導線材の長手方向における第１端部および第２端部にそれぞれ接続された第１電極および第２電極と、を備え、前記超電導線材のうち、前記第１端部から中央部に至る第１区間の少なくとも一部は第１方向に渦巻状に巻かれ、前記中央部から前記第２端部に至る第２区間の少なくとも一部は前記第１方向とは反対の第２方向に渦巻状に巻かれている。

上記態様によれば、テープ状の酸化物超電導線材を渦巻状に巻回することで、超電導線材の幅と同等の厚さである平型状の電流リードを構成することができる。さらに、第１区間と第２区間とで生じる磁界の向きが逆になることで、磁界を相殺し、実質的な磁場の発生を抑制することが可能となる。

ここで、前記超電導線材には継ぎ目がなくてもよい。

この場合、継ぎ目における電気抵抗値の上昇に伴う熱侵入量の増加を抑制することができる。

また、前記超電導線材の全長が２００ｍｍ以上であってもよい。

この場合、超電導線材を長くすることで、熱侵入量をより効率的に低減することができる。

また、上記態様の超電導電流リードは、前記超電導線材を収容する筐体をさらに備え、前記筐体に形成された溝の内側に前記超電導線材が位置していてもよい。

この場合、第１区間と第２区間とが超電導線材の中央部以外の箇所で接触して短絡が生じてしまうことを防止できる。

また、前記筐体の材質はＧＦＲＰであってもよい。

この場合、低温環境に強く断熱性に優れたＧＦＲＰを用いることで、筐体が低温で割れてしまうことや、筐体を通して熱が侵入してしまうことを抑制できる。

本発明の上記態様によれば、超電導機器内の狭小な空間にも設置することが可能な超電導電流リードを提供することができる。

本実施形態に係る超電導電流リードの斜視図である。 図１ＡのＩ−Ｉ断面矢視図である。 図１Ｂの超電導線材の構造を示す概略図である。 本実施形態の変形例に係る超電導電流リードの斜視図である。 図３ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ断面矢視図である。

以下、本実施形態の超電導電流リードについて図面に基づいて説明する。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、超電導電流リード１は、第１電極２と、第２電極３と、超電導線材１０と、筐体２０と、を備える。第１電極２および第２電極３は、超電導線材１０の長手方向における第１端部１０ａおよび第２端部１０ｂにそれぞれ接続されている。接続の方法は適宜変更してもよいが、例えばはんだ接続を採用可能である。第１電極２および第２電極３は銅などの金属により形成されている。第１電極２および第２電極３は筐体２０から突出している。図１Ａおよび図１Ｂにおいては、第１電極２および第２電極３は筐体２０を挟んで互いに向き合う位置に設けられているが、第１電極２と第２電極３との位置はこれに限らない。たとえば、第１電極２および第２電極３は、筐体２０の任意の位置から突出して設けられていてもよい。

第１電極２および第２電極３のうち、一方は高温側となり、他方は低温側となる。高温側の電極には、外部の電流供給源が接続される。低温側の電極には、電流の供給対象となる装置（給電対象物）が接続される。給電対象物は、例えばＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging)やＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）などの超電導機器が備える超電導コイルなどである。給電対象物の冷却コストを抑制するため、超電導電流リード１には、高温側の電極から低温側の電極になるべく熱を伝えないことが求められる。

（方向定義）
図１Ｂに示すように、超電導線材１０は、筐体２０の内部において渦巻状に巻かれている。この渦巻の中心軸線を中心軸線Ｏといい、中心軸線Ｏに沿う方向を幅方向という。幅方向の一方側（図１Ａにおける上側）を＋Ｚ側といい、他方側（図１Ａにおける下側）を−Ｚ側という。図１Ｂは、図１Ａに示す超電導電流リード１についての、幅方向に直交する断面図である。幅方向は、超電導線材１０の積層方向および長手方向の双方に直交する方向である。

図２に示すように、超電導線材１０は、基板１１、中間層１２、酸化物超電導層１３、および保護層１４をこの順に積層して構成された積層体１５を有している。超電導線材１０の幅方向における寸法は、例えば１２ｍｍ程度である。なお、図２における左右方向が超電導線材１０の幅方向である。
基板１１は、テープ状の金属基板である。金属基板を構成する金属の具体例として、ハステロイ（登録商標）に代表されるニッケル合金、ステンレス鋼、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金などが挙げられる。

中間層１２は、多層構成でもよく、例えば基板１１側から酸化物超電導層１３側に向かう順で、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有してもよい。これらの層は必ずしも１層ずつ設けられるとは限らず、一部の層を省略する場合や、同種の層を２以上繰り返し積層する場合もある。中間層１２は、金属酸化物であってもよい。配向性に優れた中間層１２の上に酸化物超電導層１３を成膜することにより、配向性に優れた酸化物超電導層１３を得ることが容易になる。

酸化物超電導層１３は、酸化物超電導体から構成される。酸化物超電導体としては、例えば一般式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＲＥ１２３）等で表されるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体が挙げられる。希土類元素ＲＥとしては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちの１種又は２種以上が挙げられる。ＲＥ１２３の一般式において、ｙは７−ｘ（酸素欠損量）である。

保護層１４は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、酸化物超電導層１３と保護層１４の上に設けられる層との間で起こる化学反応を抑制したりする等の機能を有する。
保護層１４を構成する材料としては、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）又はこれらの１種以上を含む合金（例えばＡｇ合金、Ｃｕ合金、Ａｕ合金）が挙げられる。保護層１４は、２種以上の金属又は２層以上の金属層から構成されてもよい。保護層１４は、蒸着法、スパッタ法等により形成することができる。

図２に示すように、積層体１５の外周には安定化層１６が設けられていてもよい。安定化層１６は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、酸化物超電導層１３及び保護層１４を機械的に補強したりする等の機能を有する。

超電導線材１０の少なくとも一部は筐体２０の内部に収容されている。本明細書では、超電導線材１０のうち、長手方向における第１端部１０ａから中央部１０ｃに至る区間を第１区間Ａ１といい、中央部１０ｃから第２端部１０ｂに至る区間を第２区間Ａ２という。図１Ｂに示すように、第１区間Ａ１の少なくとも一部は、第１電極２から中心軸線Ｏまで第１方向Ｒ１に渦巻状に巻かれている。第２区間Ａ２の少なくとも一部は、中心軸線Ｏから第２電極３まで第１方向Ｒ１とは反対の第２方向Ｒ２に渦巻状に巻かれている。第１方向Ｒ１および第２方向Ｒ２は、中心軸線Ｏ回りに周回する方向である。図１Ｂにおいて、第１方向Ｒ１は反時計回りであり、第２方向Ｒ２は時計回りあるが、この関係は逆であってもよい。つまり、第１方向Ｒ１が時計回りで第２方向Ｒ２が反時計回りであってもよい。

図１Ａに示すように、筐体２０は本体部２１および蓋２２を有している。図１Ｂに示すように、本体部２１には溝２１ａが形成されており、溝２１ａの内側に超電導線材１０が位置している。溝２１ａは、幅方向（図１ＡのＺ軸方向）に深さを有しており、幅方向から見て、超電導線材１０の第１区間Ａ１および第２区間Ａ２と同様の渦巻形状となっている。溝２１ａは超電導線材１０の形状を保持するために設けられており、溝２１ａに超電導線材１０を収容することで、第１区間Ａ１と第２区間Ａ２とが中央部１０ｃ以外の箇所で接触して短絡することを防止できる。蓋２２は、超電導線材１０が溝２１ａ内に位置した状態で、溝２１ａを覆うように構成されている。

筐体２０の外形は、超電導線材１０の渦巻の中心（中心軸線Ｏ）と同心の平型の円板状となっている。ただし、筐体２０の外形は適宜変更可能であり、必ずしも超電導線材１０の形状に合わせなくてもよい。筐体２０（本体部２１および蓋２２）の材質としては、樹脂などを採用できる。特に、低温でも割れにくく、熱伝導率が低いＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）が好適である。

次に、以上のように構成された超電導電流リード１の作用について説明する。

上記の通り、超電導線材１０は、第１区間Ａ１のおよび第２区間Ａ２の少なくとも一部において渦巻状に巻かれている。このため、第１端部１０ａから第２端部１０ｂへと、あるいは第２端部１０ｂから第１端部１０ａへと電流が流されると、第１区間Ａ１および第２区間Ａ２は、当該電流に応じた＋Ｚ向きまたは−Ｚ向きの磁界を生じさせる。ここで、第１区間Ａ１と第２区間Ａ２とでは、巻き方向（第１方向Ｒ１および第２方向Ｒ２）が逆になっているため磁界の向きも逆になる。例えば、第１区間Ａ１が＋Ｚ向きの磁界を生じさせる場合には、第２区間Ａ２が−Ｚ向きの磁界を生じさせる。すなわち、超電導線材１０は筐体２０の内部において無誘導巻きされている。

このように、第１区間Ａ１と第２区間Ａ２とで生じる磁界の向きが逆になることで、磁界を相殺し、実質的な磁場の発生を抑制することができる。
また、本実施形態では、テープ状の超電導線材１０を渦巻状に巻回することで、超電導電流リード１を平型状とし、その厚さを超電導線材１０の幅と同等の厚さとすることができる。

以上説明したように、本実施形態の超電導電流リード１は、テープ状の基板１１に、中間層１２と、酸化物超電導層１３と、保護層１４と、をこの順に積層して構成された積層体１５を有する超電導線材１０と、超電導線材１０の長手方向における第１端部１０ａおよび第２端部１０ｂにそれぞれ接続された第１電極２および第２電極３と、を備える。そして、超電導線材１０のうち、第１端部１０ａから中央部１０ｃに至る第１区間Ａ１の少なくとも一部は第１方向Ｒ１に渦巻状に巻かれ、中央部１０ｃから第２端部１０ｂに至る第２区間Ａ２の少なくとも一部は第１方向Ｒ１とは反対の第２方向Ｒ２に渦巻状に巻かれている。このような構成により、超電導電流リード１を平型状として超電導機器内の狭小な空間にも設置可能とし、かつ、実質的な磁場の発生を抑制することが可能となる。

また、超電導電流リード１は、超電導線材１０を収容する筐体２０をさらに備えている。そして、筐体２０に形成された溝２１ａの内側に第１区間Ａ１および第２区間Ａ２が位置することで、第１区間Ａ１および第２区間Ａ２の形状が保持されている。この構成により、第１区間Ａ１と第２区間Ａ２とが中央部１０ｃ以外の箇所で接触して短絡が生じてしまうことを防止できる。

また、低温環境に強く断熱性に優れたＧＦＲＰを筐体２０の材質として用いた場合には、筐体２０が低温で割れてしまうことや、筐体２０を通して熱が侵入してしまうことを抑制できる。

以下、具体的な実施例を用いて、上記実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
表１に示すように、６種類の超電導電流リード１（実施例１〜６）について、熱侵入量を求めた。

表１における「継ぎ目の数」は、超電導線材１０の継ぎ目の数を示している。例えば実施例１では、２つの線材を継ぎ合わせることで１本の超電導線材１０を構成したため、継ぎ目の数が１つである。実施例２〜６では、継ぎ目の無い１本の線材を、超電導線材１０として用いている。表１における「超電導線材の全長」は、第１端部１０ａから第２端部１０ｂまでの超電導線材１０の長さを示している。表１における「熱侵入量」は、以下の数式（１）により算出された値である。超電導線材１０の継ぎ目は接続抵抗による発熱源となるため、熱侵入量の大少に影響する。

数式（１）における各記号の定義は以下の通りである。
Ｑ：熱侵入量[W]
Ｓ：超電導線材１０の長手方向に直交する断面における断面積
Ｌ：超電導線材１０の全長
Ｔ_Ｈ：高温側の電極の温度
Ｔ_Ｌ：低温側の電極の温度
λ：超電導線材１０の熱伝導率
Ｉ：超電導線材１０に流れる電流値
Ｒ：超電導線材１０と電極との接続抵抗

実施例２では、実施例１に対して、超電導線材１０の全長が半分であっても、熱侵入量を小さくすることができた。その原因は、超電導線材１０に継ぎ目がないことであると考えられる。超電導線材１０に継ぎ目がある場合、当該継ぎ目で電気抵抗値が増大することで発熱が生じ、熱侵入量が増大すると考えられる。すなわち、実施例２〜６のように、超電導線材１０に継ぎ目がないことで、熱侵入量をより低減することが可能である。

実施例３〜６では、超電導線材１０の全長が大きいほど熱侵入量が小さくなることが確認された。特に、実施例２、３の比較から、超電導線材１０の全長を１００ｍｍから２００ｍｍに増加させることで、熱侵入量を２／３に低減することができた。

以上の説明の通り、超電導線材１０に継ぎ目がない場合には、継ぎ目における電気抵抗値の上昇に伴う熱侵入量の増加を抑制することが可能である。
また、超電導線材１０の全長を２００ｍｍ以上とすることで、熱侵入量をより効率的に低減することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、超電導線材１０は中心軸線Ｏを中心とした略円弧状に巻かれている。しかしながら、超電導線材１０の渦巻形状は適宜変更可能である。例えば、略矩形あるいは略多角形の渦巻形状であってもよいし、略長丸形あるいは略楕円形の渦巻形状であってもよい。また、超電導線材１０の渦巻形状に合わせて、筐体２０の形状を、例えば矩形状、多角形状、長丸形状、楕円形状などに適宜変更してもよい。

また、前記実施形態では、筐体２０の溝２１ａに超電導線材１０を収容することで、第１区間Ａ１および第２区間Ａ２の形状を保持しつつ短絡を抑制した。しかしながら、溝２１ａを有する筐体２０は無くてもよい。例えば、絶縁体により形成されたシート（絶縁シート）を第１区間Ａ１と第２区間Ａ２との間に挟むことで、第１区間Ａ１と第２区間Ａ２との間で短絡が生じることを防止できる。さらに、絶縁シートを第１区間Ａ１と第２区間Ａ２との間に挟んだ状態で、留め具などによって超電導線材１０を固定すれば、第１区間Ａ１および第２区間Ａ２の形状を保持することも可能である。

また、図３Ａ、図３Ｂに示すように、第１電極２と第２電極３との相対的な位置を変更してもよい。本実施形態の超電導電流リード１によれば、このような設計変更を容易に行うことが可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…超電導電流リード ２…第１電極 ３…第２電極 １０…超電導線材 １０ａ…第１端部 １０ｂ…第２端部 １０ｃ…中央部 １１…基板 １２…中間層 １３…酸化物超電導層 １４…保護層 １５…積層体 ２０…筐体 ２１a…溝 Ａ１…第１区間 Ａ２…第２区間

Claims (5)

1. テープ状の基板に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、をこの順に積層して構成された積層体を有する超電導線材と、
   前記超電導線材の長手方向における第１端部および第２端部にそれぞれ接続された第１電極および第２電極と、を備え、
   前記超電導線材のうち、前記第１端部から中央部に至る第１区間の少なくとも一部は第１方向に渦巻状に巻かれ、前記中央部から前記第２端部に至る第２区間の少なくとも一部は前記第１方向とは反対の第２方向に渦巻状に巻かれている、超電導電流リード。
2. 前記超電導線材には継ぎ目がない、請求項１に記載の超電導電流リード。
3. 前記超電導線材の全長が２００ｍｍ以上である、請求項１または２に記載の超電導電流リード。
4. 前記超電導線材を収容する筐体をさらに備え、
   前記筐体に形成された溝の内側に前記超電導線材が位置している、請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導電流リード。
5. 前記筐体の材質はＧＦＲＰである、請求項４に記載の超電導電流リード。

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