JP3711159B2

JP3711159B2 - 酸化物超電導電流リード

Info

Publication number: JP3711159B2
Application number: JP24396795A
Authority: JP
Inventors: 圭一木村; 和雄渡辺; 智淡路
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: JPH0969427A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体ヘリウムあるいは冷凍機で冷却し、極低温下で用いられる機器に電流を供給する電流リードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ほとんどすべての超電導機器は液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）近くにまで冷却され使用されている。これらの機器の大きな問題点の１つは周囲からの熱侵入である。熱は様々な部分から侵入してくるが、とりわけ超電導機器に電流を供給する導線からの熱侵入が最も大きい。電流リードは、電流を供給するための電流容量（断面積）を確保しながら、液体ヘリウムからのガス潜熱を冷却に利用できるよう形状最適化するなどの工夫がなされている導体である。
【０００３】
これまで利用されている電流リードは主として銅が用いられてきたが、最近これを酸化物超電導材料で置き換える試みがなされている。酸化物超電導材料の中には、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀系、Ｔｌ₂ Ｂａ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀あるいは、Ｈｇ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₈ 系等、臨界温度が液体窒素温度（７７Ｋ）を超えるものが発見され、液体窒素温度から液体ヘリウム温度の空間にこれらを利用するものである。
【０００４】
電流リードが酸化物超電導体に置き換わることは次の２つの利点がある。１つは超電導状態では電気抵抗がゼロであるためにジュール熱が生じないことであり、もう１つは銅に比較して熱伝導率が低いことである。したがって、酸化物超電導体は電流リードとしては極めて有望な材料である。
【０００５】
酸化物超電導材料が電流リードとして用いられるためには、ある一定以上の臨界電流密度および長さが必要である。特に超電導電流リードは電流リード自体からのジュール熱がないために、熱侵入の観点から電流経路は長いほうが有利である。したがって一般的な電流リードの形態としては棒状あるいは管状の導体になる。
【０００６】
しかしながら、酸化物超電導体は一般的にもろく、長い導体であるほど衝撃あるいは応力が加えられた時、破壊しやすくなる。したがって、何らかの形で補強することが望ましい。補強方法には様々な方法が考えられるが、最も容易でかつ効果が高い方法は冷却時の熱衝撃に強く、剛性の高い補強体と複合化する方法である。電流リードの応力には、補強体として熱伝導率の低いステンレス鋼、キュプロニッケルなどの金属材料やＧ−１０などの繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が考えられる。しかしこれらの補強用材料は冷却した場合の熱収縮率が酸化物超電導体と異なる。したがって酸化物超電導体の両端をこれらの補強体で固定した場合、冷却時の熱収縮による応力のために超電導体の超電導特性を劣化させたり破壊させたりする危険性がある。
【０００７】
この問題を回避するには酸化物超電導体と周囲の構造体をフレキシブルに接続することが望ましく、超電導導体に接続されるリード線には一般的には平編み銅線が用いられる。しかし電流リードには大電流を通電するのが一般的であり、電流リードの容量が大きくなると平編み銅線では十分に低い抵抗が得られず、発熱要因にもなる。そこで、特殊な例として蛇腹状の銅、銅合金のベローズ、網線状のフレキシブルホース、ポーラスな金属層を用いる（以上特開平５−２１２２８号公報）、引張りバネを配置する（特開平５−１０９５３１号公報）、弾撥部を設ける（特開平５−１９８４３２号公報）こと等が提案されている。
【０００８】
一般的に通電用の導線としては電気抵抗が低い銅系の材料が用いられる。一般的な銅線は表１（これについては後に説明する）のＣｕ−１で示されるように、液体ヘリウム温度での電気抵抗が１×１０^-10 Ωｍ程度である。しかしながら超電導線に通電される電流量は大きく、上記程度の電気抵抗では発熱が大きくなり問題が生じる場合がある。また一般的に使用される銅線は加工硬化しており硬く、通電電流が大きくなり、ジュール発熱を抑えるために断面積を大きくすると十分な弾撥性が得られなくなる欠点があった。この問題は超電導電流リードを小型化しようとした場合大きくなる。
【０００９】
ＱＭＧ法（特公平４−４０２８９号公報）のような溶融法で作製したＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系バルク材料は酸化物超電導材料の中で特に臨界電流密度が高く、小型で電流容量の大きな電流リードを構築することが可能である。しかしながら酸化物超電導体を小さくすれば電極部の面積も制限されるため、接続する金属の電気抵抗はより低いものが必要となる。特に電流リードの保護のために保護管に収め、かつその中の空間に弾撥部を設けようとするならば金属線の断面積小さくしなければならないが、従来使用されている銅線では電流容量（低抵抗性）を確保しながら小型化することは難しい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は酸化物超電導体と常電導導体を接続したものであって、大きな電流容量（常電導部の低抵抗性）を有し、酸化物超電導材料自体にかかる熱収縮応力を緩和しうるコンパクトで電流容量の大きな電流リードを提供することを目的とする。
【００１１】
本発明は前記課題を解決するものであって、酸化物超電導体の低温側の一端に、融点の 60% 以上の温度で焼鈍され、液体ヘリウム温度での電気比抵抗が7×10^-11Ωm以下であって長さが伸縮する変形が可能な金属が接続され、前記の酸化物超電導体と金属とが接続されたものの両端部が固定・支持されていることを特徴とする酸化物超電導電流リードである。また酸化物超電導体の低温側の一端に、融点の 60% 以上の温度で焼鈍され、液体ヘリウム温度での電気比抵抗が7×10^-11Ωm以下であって長さが伸縮する変形が可能な金属が接続され、前記の酸化物超電導体と金属とが接続されたものが剛体管の中に収められ、前記剛体管の両端に固定された電極用良導体で支持されていることを特徴とする酸化物超電導電流リードである。ここにおいて剛体管の中は乾燥ガスを封入するか真空にすることにより密封状態になっていることも特徴とする。またこれらの酸化物超電導電流リードにおいて、金属は長さ方向に湾曲した帯状の薄板を軸対称に複数組み合わせることにより、長さが伸縮する変形を可能としたこと、金属は99.9%以上の純度を有する銀であること、酸化物超電導体は配向したREBa₂Cu₃O_x系超電導体であることも特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の電流リードは酸化物超電導体の低温側の一端に良導体である金属を接続した構造にする。図1は本発明の酸化物超電導電流リードの例を示すものであって1が酸化物超電導体、2が上記の良導体としての金属板である。この例では金属板は湾曲したものが4枚組み合わされているが、これにより長さ方向に力が加わったときに長さが伸縮する変形が可能となっている。このように長さ方向に湾曲した帯状の薄板を軸対称に複数組み合わせることにより、接続された酸化物超電導体に曲げ力を及ぼすことなく伸縮変形を可能にできる。なお3は剛体管であって中心線で切断された断面で示されており、4は電極用良導体であるが、これらについては後に説明する。
【００１３】
上記金属は液体ヘリウム温度での電気比抵抗が７×１０^-11 Ωｍ以下のものである。液体ヘリウム温度での電気抵抗は金属の種類・純度・組織によって変わる。良導体である銀、銅、アルミニウム、金は純度を上げると低温領域の電気抵抗が著しく減少する。また同じ純度を有する金属でも、転位、空孔、結晶粒界が少なくなると低温領域での電気抵抗は減少する。また上記の欠陥が少ない状態では金属は柔らかく、図１のように接続することによって大きな電流が通電でき、熱収縮等による歪みを緩和することが可能になる。
【００１４】
低温領域での電気抵抗が低く、かつ柔らかい金属は、上述したように純度の高い銀、銅、アルミニウム、金を用い、これを高温で十分に焼鈍することによって得られる。焼鈍温度は融点の６０％以上の温度が望ましい。また酸化を防止するために、不活性ガス、還元性のガス中あるいは真空中でおこなうことが望ましい。
【００１５】
９９．９％以上の純度を有する銀は、一般的に利用されている銅線と電気抵抗が同程度であり、柔らかい分だけ上記の材料としてはより優れている。さらに焼鈍することによって、極低温での電気抵抗は飛躍的に減少し、柔らかくすることが可能になる。また半田付け性も良好であり、９９．９％以上の純度を有する銀は本発明に用いられる金属として最も適している。
【００１６】
電流リードの両端には温度勾配が生じるが、上記で説明したような金属部分は低温側に使用することが望ましい。なぜならば、低抵抗性はRRRにもよるが、一般的に20K以下の低温領域で大きいのであって、液体窒素温度(77K)では純度や焼鈍の効果はほとんど消失するからである。低温側をフレキシブルにしておけば、高温側はフレキシブルにする必要がなく、例えば図1に示すように金属ブロック(電極用良導体4)に直接接続することによって、接続抵抗の問題は大幅に低減可能である。
【００１７】
上記のように、良く焼鈍された純度の高い金属を接続することによって、狭い空間で、酸化物超電導材料の長さ方向に伸縮でき電気抵抗を低く（電流容量を大きく）することが可能になる。したがって、図１に示されているようにステンレス鋼などの剛体管３の中に収め、その剛体管３の両端に固定された銅などの電極用良導体４で支持する構造とすることにより、外的な力に強く、電流容量に比してコンパクトな電流リードが実現できる。
【００１８】
この形の酸化物超電導導体は、剛体管３の中に蒸発ヘリウムガスが通るような構造として、ガス冷却型として用いてもよいが、大気と触れる機会が多い使用環境の場合、剛体管の中を密封した構造にすることが望ましい。これは酸化物超電導材料として、水分劣化が激しいＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系酸化物超電導体を用いた場合に必要性が大きい。従って剛体管の内部は真空あるいは乾燥ガスが充填されていることが望ましい。
【００１９】
【実施例】
実施例１
銅、銀、アルミニウムについて、室温、液体窒素温度、液体ヘリウム温度での電気抵抗を調べた。試験した材料は、一般的に利用されている銅線(Cu-1)と市販されている純度の高い板材である。表1にその結果を示す。室温および液体窒素温度での電気抵抗は、材料や熱処理によらずほぼ同程度であったが、液体ヘリウム温度での電気抵抗は材料や熱処理条件で大きく異なった。通常市販されている被覆銅線(Cu-1)では約 1 × 10 ^-10 Ω mであった。
【００２０】
【表１】

【００２１】
高温で焼鈍すると同程度の純度でも電気伝導度は飛躍的に向上した。今回用いた試料は融点の８０％の温度で２日間、アルゴン気流中で焼鈍したものであるが、電気抵抗は約１／２から１／１３以下に減少した。このような材料は、液体ヘリウム温度近く、すなわち２０Ｋ以下に冷却されるような電流リードの低温側リード線として優れていると言える。
【００２２】
さらにこれらのうちで焼鈍され、電気抵抗が減少した材料は、焼鈍前に比較して飛躍的に柔らかくなった。とりわけ銀およびアルミニウムは効果が大きかった。これは、空孔、転位、結晶粒界等の欠陥が減少したためで、このような材料は前述した熱収縮歪みを緩和する材料として優れているといえる。
【００２３】
実施例２
図１に示したような酸化物超電導電流リードを作製した。この電流リードに使用されている酸化物超電導体１は、ＱＭＧ法で作製したＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系バルク超電導材料である。この材料の特徴は、材料全体に亙って大傾角粒界がなく、マトリクスのＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 相内にＹ₂ ＢａＣｕＯ₅ 相が平均２μｍ以下で均一に分散している組織を有していることであり、臨界電流密度が極めて高い。用いられた酸化物超電導体の長さは４３ｍｍ、断面積は３×４ｍｍ² である。
【００２４】
この酸化物超電導体１は電極用良導体４としての銅電極に電気的に接続される。接触抵抗を低減するために電極部には銀が成膜され、高温側は銅電極と直接半田付けされるが、低温側は銅電極に接合されたＳＵＳ３０４ステンレス鋼の剛体管３（外径１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、長さ８０ｍｍ）の熱収縮歪みを吸収するための良導体２としての軟金属を介して接続される。応力緩和用の軟金属板は幅３ｍｍ×３５ｍｍの板２枚と幅４ｍｍ×長さ３５ｍｍの板２枚、計４枚で接続した。剛体管中はヘリウムガスで密封した。
【００２５】
電流リードの低温部は１０Ｋ以下にまで冷却されるが高温部は６０Ｋ程度になる。この電流リードの要求特性は外部磁界５０００ガウスで２００Ａであつた。最近研究されている代表的なＢｉ系焼結体の電流リードの臨界電流密度は６２Ｋ、５０００ガウスで約３００Ａ／ｃｍ² であり（ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙＶ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ社、ｐ．６４３）、形状をロッド状にしたとして超電導材料だけで約１０ｍｍ径の断面積が必要である。したがって、試作した電流リードはこのクラスの電流リードとしては極めてコンパクトなものである。これは、臨界電流の大きな酸化物超電導材料を用いたためである。今回使用された材料の臨界電流は７７Ｋ、５０００ガウスで１４３０Ａであり、温度が低くなるとさらに大きな電流を通電することが可能である。
【００２６】
一般の銅線（液体ヘリウム温度での電気抵抗が、１×１０^-10 Ωｍ程度）で、液体ヘリウム中での発熱の影響を少なくするためには、１ｍｍ² あたり４５Ａが限界である。したがって、金属板に実施例１に示した液体ヘリウム温度での電気抵抗が１．４８×１０^-10 ΩｍのＣｕ−２を用いたとするならば、厚さは０．５ｍｍ程度は必要である。特に図１のような液体ヘリウムに直接接触しない伝導冷却タイプの電流リードでかつ液体ヘリウム温度より高い温度になるような場合はこの条件はさらに厳しくなる。しかしながら、この厚さでは十分な弾撥性を得ることはできなかった。
【００２７】
一方、例えば、Ａｇ−ｌａと同様な電気抵抗が１×１０^-11 Ωｍ以下の材料を用いると厚さは１／１０で済むことになる。実際に、Ｃｕ−２およびＡｇ−ｌａと同じ材質・熱処理条件で厚さ０．３ｍｍの材料を用いて、図１の電流リードを作製し、外部磁界５０００ガウスでの臨界電流特性を比較した。
【００２８】
銅を用いたものは１５０Ａ通電したところで電流リードの電気抵抗が急激に増加し、通電が不可能になつた。これは銅板の抵抗が大きいため発熱し、熱が酸化物超電導体に伝搬し超電導体がクエンチしたためである。また、室温との間で冷却・加熱を繰り返したところ、次第に臨界電流が劣化し５回の熱サイクルで臨界電流が１００Ａ以下になってしまった。これは熱歪みのために、酸化物超電導材と銅板の接触部に力が加わりクラックが生じるなどして、接触抵抗が増加してしまったためと考えられる。一方、銀板を用いたものは２００Ａまで安定的に通電でき、かつ熱サイクルによる劣化および半年間での経時劣化は認められなかった。
【００２９】
実施例３
実施例２と同様な電流リードを厚さ０．３ｍｍのＡｌ−ｌａと同じ材料を用いて試作した。酸化物超電導体とアルミニウムの接続部にアルミニウム用の半田を使用した以外は実施例２と全く同様に作製した。同様な条件下で臨界電流密度を測定したところ２００Ａでクエンチしてしまった。しかし、使用されたアルミニウムは柔らかく伸縮変形の能力については予裕があつたので、厚さ０．４ｍｍのものを使用してさらに実験をおこなった。その結果、２００Ａまで安定的に通電でき、かつ熱サイクルによる劣化は認められず、一般銅材を使用した以上の効果が得られることを確認した。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、純度の高い良く焼鈍された電気抵抗の極めて小さな金属材料を超電導材料に接続することにより、より小さな空間で大きな電流を通電することが可能になり、コンパクトで熱サイクルに強い酸化物超電導電流リードを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物超電導電流リードの例を示す図
【符号の説明】
１酸化物超電導体
２良導体
３剛体管
４電極用良導体

Claims

酸化物超電導体の低温側の一端に、融点の 60% 以上の温度で焼鈍され、液体ヘリウム温度での電気比抵抗が7×10^-11Ωm以下であって長さが伸縮する変形が可能な金属が接続され、前記の酸化物超電導体と金属とが接続されたものの両端部が固定・支持されていることを特徴とする酸化物超電導電流リード。
酸化物超電導体の低温側の一端に、融点の 60% 以上の温度で焼鈍され、液体ヘリウム温度での電気比抵抗が7×10-11Ωm以下であって長さが伸縮する変形が可能な金属が接続され、前記の酸化物超電導体と金属とが接続されたものが剛体管の中に収められ、前記剛体管の両端に固定された電極用良導体で支持されていることを特徴とする酸化物超電導電流リード。
剛体管の中は乾燥ガスを封入するか真空にすることにより密封状態になっていることを特徴とする請求項2に記載の酸化物超電導電流リード。
金属は長さ方向に湾曲した帯状の薄板を軸対称に複数組み合わせることにより、長さが伸縮する変形を可能としたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の酸化物超電導電流リード。
金属は99.9%以上の純度を有する銀であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の酸化物超電導電流リード。
酸化物超電導体は配向したREBa₂Cu₃O_x系超電導体であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の酸化物超電導電流リード。