JP2563391B2 - 超電導パワーリード - Google Patents

超電導パワーリード

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、液体ヘリウム等で冷却した超電導線材と外
部機器とを電気的に接続するために用いるリード線に係
り、特に酸化物超電導体を用いた超電導パワーリードに
関する。
(従来の技術) 従来から、MRIや加速器等で実用化されている合金系
あるいは金属間化合物系の超電導線材は、臨界温度が低
いため液体ヘリウムで冷却して使用される。そして、超
電導線材と外部環境とは熱遮蔽されているが、銅等の常
電導金属からなるパワーリードにより超電導線材と外部
機器とは電気的に接続されている。
上記のように、超電導線材は常電導金属からなるパワ
ーリードにより外部機器と接続されているため、この常
電導金属からなるパワーリードを通じて外部の熱が侵入
するとともに、常電導金属への通電時に発生するジュー
ル熱により、冷媒である液体ヘリウムの蒸発が促進され
るという問題があった。
(発明が解決しようとする問題点) このように、液体ヘリウムで冷却した超電導線材と外
部機器とを電気的に接続するためのパワーリードには、
従来、常電導金属が用いられていたため、通電に伴い発
生するジュール熱や、パワーリードを通じての外部から
の熱侵入により冷媒の蒸発が促進されるという問題があ
った。
本発明はこのような従来の難点を解決すべくなされた
もので、通電に伴うジュール熱の発生およびパワーリー
ドを通じての熱侵入を低減させることができる超電導パ
ワーリードを提供することを目的とする。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) すなわち、本発明の超電導パワーリードは、酸化物超
電導条体の両端部に低抵抗金属からなる電極を固着する
とともに、その外周に高電気抵抗物質または絶縁物質に
よる被覆層を設けてなることを特徴としている。
本発明には各種の酸化物超電導体を用いることができ
るが、臨界温度の高い、希土類元素含有のペロブスカイ
ト型の酸化物超電導体を用いた場合に特に実用的効果が
大きい。
上記の希土類元素を含有しペロブスカイト型構造を有
する酸化物超電導体は、超電導状態を実現できるもので
あればよく、LnBa2Cu3O7−δ系(δは酸素欠陥を表し
通常1以下の数、Lnは、Y、La、Sc、Nd、Sm、Eu、Gd、
Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuから選ばれた少なくとも1
種の元素、Baの一部はSr等で置換可能)等の酸素欠陥を
有する欠陥ペロブスカイト型、Sr−La−Cu−O系等の層
状ペロブスカイト型等の広義にペロブスカイト型を有す
る酸化物が例示される。また希土類元素も広義の定義と
し、Sc、YおよびLa系を含むものとする。代表的な系と
してY−Ba−Cu−O系のほかに、YをEu、Dy、Ho、Er、
Tm、Yb、Lu等の希土類で置換した系、Sc−Ba−Cu−O
系、Sc−La−Cu−O系、さらにSrをBa、Caで置換した系
等が挙げられる。
本発明に用いる酸化物超電導体は、たとえば以下に示
す製造方法により得ることができる。
まず、Y、Ba、Cu等のペロブスカイト型酸化物超電導
体の構成元素を充分混合する。混合の際には、Y2O3、Cu
O等の酸化物を原料として用いることができる。また、
これらの酸化物のほかに、焼成後酸化物に転化する炭酸
塩、硝酸塩、水酸化物等の化合物を用いてもよい。さら
には、共沈法等で得たシュウ酸塩等を用いてもよい。ペ
ロブスカイト型酸化物超電導体を構成する元素は、基本
的に化学量論比の組成となるように混合するが、多少製
造条件等との関係でずれていても差支えない。たとえ
ば、Y−Ba−Cu−O系ではY 1molに対しBa 2mol、Cu 3m
olが標準組成であるが、実用上は、Y 1molに対して、Ba
2±0.6mol、Cu 3±0.2mol程度のずれは問題ない。
前述の原料を混合した後、仮焼、粉砕し所望の形状に
した後、850〜980゜C程度で焼成する。仮焼は必ずしも
必要ではない。仮焼および焼成は充分な酸素が供給でき
るような酸素含有雰囲気中で行うことが好ましい。所望
の形状に焼成した後、酸素含有雰囲気中で熱処理して超
電導特性を付与する。上記熱処理は、通常600゜C以下
で徐冷しながら行うようにする。
このようにして得られた酸化物超電導体は、酸素欠陥
δを有する酸素欠陥型ペロブスカイト構造(LnBa2Cu3O
7−δ(δは通常1以下))となる。なお、BaをSr、Ca
の少なくとも1種で置換することもでき、さらにCuの一
部をTiV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn等で置換することも
できる。
この置換量は、超電導特性を低下させない程度の範囲
で適宜設定可能であるが、あまりに多量の置換は超電導
特性を低下させてしまうので80mol%以下、さらに実用
上は20mol%以下程度までとする。
また、本発明に用いる低抵抗金属としては、銅、銀、
白金、金等の導電性に優れた金属が好ましい。
本発明の超電導パワーリードは、上述の酸化物超電導
体および低抵抗金属を用いて、たとえば、次のようにし
て製造することができる。
まず、仮焼または焼成して得た酸化物超電導体、もし
くはその原料を、ボールミル等の公知の手段により粉砕
して酸化物超電導体粉末もしくはその原料粉末を得る。
次いで、この酸化物超電導体粉末もしくはその原料粉末
を銅、銀、白金、金等の低抵抗金属からなる管に充填
し、ダイス、タークスヘッド等を用いて滅面加工した後
850〜980゜Cで熱処理を施す。得られた複合材の低抵抗
金属部のうち両端の電極となる部分以外をエッチング、
切削加工等により除去した後、酸素含有雰囲気中で850
〜980゜Cで焼成し、600゜C以下を1゜C/分程度の割合
で除冷して酸化物超電導体の結晶構造中の酸素空席に酸
素を導入して、超電導特性を向上させる。なお、低抵抗
金属として銀、白金および金を用いた場合以外は、滅面
加工後の熱処理した後低抵抗金属を全て除去してから再
び熱処理を行い、熱処理後、あらためて、両端の電極部
分をめっき法、蒸着法等を用いて低抵抗金属で被覆する
ことが好ましい。
しかる後、酸化物超電導条体のうち金属被覆されてい
ない部分を、エポキシ樹脂あるいは無機繊維材料で補強
した合成樹脂等の高抵抗物質もしくは絶縁物質で被覆し
て、超電導パワーリードの機械的強度を向上させる。
なお、必要に応じて、電極に銅、アルミニウムなどか
らなる端子を、半田付け法、圧着法、冷しばめ法等によ
り取付けてもよい。また、着脱式パワーリードとして用
いる場合には、必要に応じて、電極にインジウム等の低
融点の軟金属をめっきする。
(作 用) 本発明の超電導パワーリードにおいては、ジュール熱
は両電極でのみ発生するため、通電に伴うジュール熱の
発熱量を低減させることができる。また、電極には低抵
抗金属を用いているため、接続部での接触抵抗による発
熱も小さい。さらには、酸化物超電導体の熱伝導率は、
組成にもよるが、Y−Ba−Cu−O系で7〜10Wm-1K-1(9
0K)であり、銅の熱伝導率483Wm-1K-1(100K)に比べて
小さく、特にこれを粉末にして円筒状管内に充填したも
のではさらに小さくなるため、パワーリードを通じての
外部からの熱侵入を低減させることができる。
(実施例) 以下、本発明の実施例について図面を用いて説明す
る。
実施例 酸化物超電導体の原料として、BaCO3粉末2mol%、Y2O
3粉末0.5mol%、CuO粉末3mol%を用い、これらを充分混
合して大気中900゜Cで8時間焼成した後ボールミルを
用いて粉砕して、酸化物超電導体粉末を得、この酸化物
超電導体粉末を外径80mm、内径70mm、長さ200mmの一端
を銀材により封止した銀管に充填した後、銀材により栓
をした。次いで、ダイスを用いて外径が8mmになるまで
滅面加工を施した後、950゜Cで5時間熱処理し、その
後、長さ100mmに切断して切断面にスパッタリングによ
り銀を被着させて素材とし、この素材の両端から20mmを
残して他の銀層を除去した。この中間材を酸素含有雰囲
気中で950゜Cで10時間熱処理した後、600゜C以下を1
゜C/分で徐冷して酸化物超電導体の結晶構造中の酸素空
席に酸素を導入し、超電導特性を向上させた。しかる
後、銀層の除去部分をエポキシ樹脂で被覆して、超電導
パワーリードを得た。
第1図は本実施例の超電導パワーリードを示すもの
で、超電導パワーリード1は、酸化物超電導条体2の両
端に銀からなる電極3を有し、両電極3間の酸化物超電
導条体2はエポキシ樹脂4により被覆されている。
この超電導パワーリードの90Kにおける臨界電流密度
は260A/cm2、熱伝導率は11Wm-1K-1、50Aの通電時におけ
る総発熱量は0.3mWであった。
なお、第1図の超電導パワーリードを着脱式のパワー
リードとして用いる場合には、必要に応じて、第2図に
示すように、電極3の外側にインジウム等の低融点の軟
金属層5を設ける。第2図において、第1図と同一の部
材については、第1図と同じ符号を付してある。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明の超電導パワーリード
は、通電に伴うジュール熱の発生量が少ない。また熱伝
導率も小さいため、液体ヘリウム等の冷媒を用いて使用
する超電導線材と外部機器との接続に用いた場合でも、
外部からの熱侵入を低減させることができる。。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の超電導パワーリードの一実施例を示す
断面模式図、第2図は本発明の超電導パワーリードの一
変型例で着脱式の超電導パワーリードの断面模式図であ
る。 1……超電導パワーリード 2……酸化物超電導条体 3……電極 4……エポキシ樹脂

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化物超電導条体の両端部に低抵抗金属か
    らなる電極を固着するとともに、その外周に高電気抵抗
    物質または絶縁物質による被覆層を設けてなることを特
    徴とする超電導パワーリード。
  2. 【請求項2】低抵抗金属は、銅、銀、白金または金であ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超電導
    パワーリード。
  3. 【請求項3】酸化物超電導体は、希土類元素を含有する
    ペロブスカイト型の酸化物超電導体であることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項または第2項記載の超電導パ
    ワーリード。
  4. 【請求項4】酸化物超電導体は、Ln元素(Lnは、希土類
    元素から選ばれた少なくとも1種の元素)、BaおよびCu
    を原子比で実質的に1:2:3の割合で含有することを特徴
    とする特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれか1
    項記載の超電導パワーリード。
  5. 【請求項5】酸化物超電導体は、LnBa2Cu3O7−δ(δ
    は酸素欠陥を表わす)で表わされる酸素欠陥型ペロブス
    カイト構造を有することを特徴とする特許請求の範囲第
    1項ないし第4項のいずれか1項記載の超電導パワーリ
    ード。
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