JP5115245B2 - 超電導電流リード - Google Patents

Description

この発明は、超電導電流リードに関し、特に、極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給し、低温側の少なくとも一部に、イットリウム系（Ｙ系）またはホルミウム系（Ho系）酸化物超電導材料からなるテープ状高温超電導線材を用いた高温超電導導体部を備えた超電導電流リードに関する。

超電導応用機器としては、超電導エネルギー貯蔵装置、限流器、超電導ケーブル、超電導発電機、超電導変圧器などがある。超電導マグネット（または超電導コイル）としては、上記応用機器以外に、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にも応用されつつある。

極低温中に置かれる超電導コイルには、室温に置かれた電源から電流を供給する電流リードや、その他、超電導コイルを収容する極低温容器における室温側の構成部材から極低温領域に熱が侵入するが、この熱を、如何に低減するかが重要な問題となっている。極低温冷却剤として、例えば、液体ヘリウムを使用する場合には、液体ヘリウムが１リットル当たり1000円もする高価な液体であるので、そのコストが問題となる。

また、１Wの熱侵入により蒸発する液体ヘリウムを冷凍機により再液化するために必要な冷凍機入力は、理想的な状態でも400W近くあり、実際上は1000Wに達する。そのため、電流リードを介しての熱侵入量が多いと液体ヘリウム購入等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、大容量化する問題が生ずる。

そこで、低熱侵入型の電流リードの開発が重要な開発課題となっている。高温超電導材料の発見に伴い、電流リードの低温側に高温超電導材料を用い、極低温部への熱侵入量を低減するいわゆる高温超電導電流リードが開発されて来ている。例えば、特許文献１は、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を液体窒素温度に冷却するサーマルアンカとし、電流リードの液体窒素によるサーマルアンカをとった部分以下のリード部分の材料として臨界温度が液体窒素の沸点（７８Ｋ）以上である超電導体（例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）を使用する技術を開示している。

また、特許文献２は、超電導電流リードを異なる複数種、例えば３種類の導体、すなわち、低温部、中温部および高温部で構成し、これらをそれぞれ接続部材で長さ方向に接続する構成を開示している。これらの低温部、中温部および高温部は、それぞれ形状、超電導特性（臨界電流密度（Ｊｃ）、臨界温度、Ｊｃより大きい通電時での抵抗値、およびこれらの磁場変化、温度変化等の特性）や構成法が異なっている。

これらの低温部、中温部および高温部の各導体の材料の例としては下記を開示する。低温部の導体は、補強材として熱伝導率の低い絶縁基板にＡｇの薄い層を介して４．２Ｋ磁場中で臨界電流密度の高いＢｉ系の酸化物超電導体の層を設けたものを使用し、中温部の導体としては、酸化物系超電導体からなるコアを被覆材で被覆したテープ状線材を積層集合化したもので、コアとしては７７Ｋでの臨界電流密度（Ｊｃ）が高いＹ系の酸化物超電導体を、被覆材としては熱侵入を抑えるため、Ａｕに少量のＰｄを添加した合金を用い、高温部の導体としては、中温部と同様にテープ状線材を積層集合化したものであって、コアとして臨界温度の高いＴｌ系の酸化物超電導体を用い、被覆材として抵抗の小さいＡｇを用いることを開示している。このように、超電導マグネット近傍では熱伝導率の小さな材料を用いることにより、伝導による侵入熱を低減している。

さらに、特許文献３に開示されたものは、銀シース酸化物超電導体と、この酸化物超電導体と複合化される支持部材として、ＦＲＰ、あるいは銀、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、それらの合金等からなるパイプとを備え、酸化物超電導体とこのパイプとを接着剤層により接着するか、あるいはテフロン（登録商標）テープなどによって巻き付けて固定し、これにより熱膨張および熱収縮に際し酸化物超電導体と支持部材とが一体的に動くようにして応力に対して安定した超電導特性を発揮するようにしたものである。この場合、酸化物超電導体はリード線の長さ方向に平行に、あるいは螺旋状に配置されている。

また、特許文献４に開示された超電導電流リードは、円筒状の支持部材上に、Bi系のテープ状酸化物超電導線材を単体でもしくは積層してユニットとしたもの（特許文献４の図３参照）を複数個、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配置するもので、これにより、自己電流により発生する自己磁界の主成分が超電導線材のテープ面と平行となり、テープ面と垂直な磁界成分が小さくなるため自己磁界による臨界電流値の低下を小さくすることができる構成となっている。なお、超電導電流リードの高温側は、銅線を複数本束ねてなる銅製リードにより構成する場合が通例である。

図４は、上記のような従来の超電導電流リードを用いた超電導磁石装置の一例の模式的構成を示す図、図５は図４におけるＰ−Ｐ断面図である。図４において、１は超電導コイルへ通電するための高温超電導電流リード、２は超電導コイル、３は極低温容器、１１は電流リードにおける高温側銅リード部、１２は低温側超電導部である。また、図５において、２２は前記特許文献４の図に示されたようなユニット導体、２３は円筒状支持部材である。図４および図５に示す低温側超電導部１２においては、円筒状支持部材２３の外周部に設けた複数個の溝に、例えばBi系のテープ状酸化物超電導線材を積層してユニットとしたユニット導体２２が、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配置されている。

上記のようなBi系のテープ状酸化物超電導線材では、電流が線材断面全体を流れるため、厚さ方向に何枚でも積層することが可能であり、超電導電流リードの大電流化、即ち大容量化は容易である。

ところで、近年、テープ状の次世代超電導線材として、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）やホルミウム系（Ho系）のテープ状酸化物超電導線材の開発が各所で行なわれている。例えば、特許文献５に開示されるように、ハステロイ等の金属基板に、イオンビーム蒸着法（IBAD法）により蒸着した中間層を設け、その上に絶縁層であるキャップ層を生成させ、さらにその上に酸化物超電導体膜を生成させたテープ状酸化物超電導線材が知られている。なお、酸化物超電導体膜の上を、金，銀またはその合金の薄膜で覆う構成も知られている。
特開昭６４−７６７０７号公報 特開平５−１０９５３０号公報 特開平４−２１８２１５号公報 特開平１０−１８８６９１号公報 特開２００４−７１３５９号公報

上記のような、イットリウム系（Y系）やホルミウム系（Ho系）のテープ状酸化物超電導線材の場合には、テープ内に絶縁層であるキャップ層があるため、電流は超電導層側のみに流れることとなる。従って、テープ状に線材を複数枚積層した場合には、特定のテープしか電流が流れず、テープ間を電流が渡ることができないために大電流化が困難となる。

この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、超電導電流リードの低温側超電導リード部にイットリウム系（Y系）やホルミウム系（Ho系）のテープ状酸化物超電導線材を使用した場合であっても、簡単な構成で容易に大電流化が可能な超電導電流リードを提供することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給し、低温側の少なくとも一部に、イットリウム系（Ｙ系）またはホルミウム系（Ho系）酸化物超電導材料からなるテープ状高温超電導線材を用いた高温超電導導体部を備えた超電導電流リードにおいて、前記高温超電導導体部は、低熱伝導性金属材料からなる円筒状または円柱状の支持部材と、この支持部材の円筒外周部または円柱外周部にスリット状に形成した複数個の溝内に挿入された前記テープ状高温超電導線材とからなり、前記複数個のスリット状の溝は、支持部材の外周部断面において放射状に、かつ軸方向に平行に延在するように設けられ、前記溝内に挿入された複数個のテープ状高温超電導線材は、支持部材の溝から延出させた軸方向両端部において、電気的に並列接続したことを特徴とする（請求項１の発明）。

また、前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載のものにおいて、前記テープ状高温超電導線材は、金属基板を挟んで両主面に、それぞれテープ状高温超電導線材を配設してなるテープ状積層超電導線材としたものとする（請求項２の発明）。

この発明によれば、超電導電流リードの低温側超電導リード部にイットリウム系（Y系）やホルミウム系（Ho系）のテープ状酸化物超電導線材を用いても、電流が並列化されたテープ状酸化物超電導線材に均等に流れるため、高温超電導電流リードの大電流化が可能となる。また、前記請求項２の発明のように、テープ状積層超電導線材を用いることにより、さらに大電流化が可能となる。

図１〜図３に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。図１は本発明の実施形態に係る超電導電流リードを用いた超電導磁石装置の一例の模式的構成図、図２は図１におけるＰ−Ｐ断面図およびその一部拡大断面図、図３は図２とは異なる実施形態に係る断面図およびその一部拡大断面図である。

図１ないし図３において、１は高温超電導電流リード、２は超電導コイル、３は極低温容器、５は高温超電導導体部、５１は支持部材、５２，５２ａはテープ状高温超電導線材、５３は金属基板、５４はテープ状高温超電導線材における超電導膜面を示し、図４および５に示した部材と同一機能を有する部材には同一符号を付し、各部材や図４で説明した超電導磁石装置全体構成に関する重複説明は省略する。

本発明の第１の実施形態によれば、図１における高温超電導導体部５は、図２に示すように、低熱伝導性金属材料からなる円筒状の支持部材５１と、この支持部材５１の円筒外周部にスリット状に形成した多数個（図２では１８０個）の溝内に挿入されたテープ状高温超電導線材５２とからなり、多数個のスリット状の溝は、支持部材５１の外周部断面において放射状に、かつ支持部材の軸方向に平行に延在するように設けられる。そして、前記溝内に挿入された多数個のテープ状高温超電導線材５２は、支持部材５１の溝から延出した軸方向両端部において、図示しない電極部材に電気的に並列接続される。

上記支持部材５１は、常温部からの熱侵入を低減するために低熱伝導性金属材料で製作され、低熱伝導性金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金、ＦＲＰ等が使用される。テープ状高温超電導線材５２としては、前述のように、イットリウム系（Ｙ系）またはホルミウム系（Ho系）酸化物超電導材料からなるテープ状高温超電導線材を用いる。

支持部材５１とテープ状高温超電導線材５２とは、前記溝内において接着材により接着される。なお、前記図示しない電極部材は、例えば銅製とし、図２に示す支持部材５１と同様に、放射状の多数個のスリット状の溝を有するものとし、支持部材の軸方向両端部においてテープ状高温超電導線材５１が溝内に挿入されており、前記電極部材と高温超電導線材とを、例えば、はんだ接合することにより、前記電気的並列接続が行なわれる。

次に、図３の異なる実施形態について述べる。電流リードの大容量化により、テープ状酸化物超電導線材の採用枚数を増大する場合には、図３に示すように、２枚のテープ状酸化物超電導線材５２ａを、電流の流れない金属基板５３側を背中合わせにしたテープ状積層超電導線材とする。前記金属基板５３の材料としては、例えば、ハステロイやステンレス等が好適である。

図３の実施形態における支持部材５１の軸方向両端部においては、電流の流れる超電導膜面５４側を図示しない電極部材にハンダ等で接続する。このように、テープ状酸化物超電導線材を２枚１組で１ユニットとし、ユニット数を増大することにより、高温超電導電流リードのより一層の大電流化が可能となる。

本発明の実施の形態に係る超電導電流リードを用いた超電導磁石装置の一例の模式的構成を示す図。 図１におけるＰ−Ｐ断面図および一部拡大断面図。 図２とは異なる実施の形態に係る断面図および一部拡大断面図。 従来の超電導電流リードを用いた超電導磁石装置の一例の模式的構成図。 図４におけるＰ−Ｐ断面図および一部拡大断面図。

符号の説明

１：高温超電導電流リード、２：超電導コイル、３：極低温容器、５：高温超電導導体部、５１：支持部材、５２，５２ａ：テープ状高温超電導線材、５３：金属基板。

Claims (2)

1. 極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給し、低温側の少なくとも一部に、イットリウム系（Ｙ系）またはホルミウム系（Ho系）酸化物超電導材料からなるテープ状高温超電導線材を用いた高温超電導導体部を備えた超電導電流リードにおいて、
   前記高温超電導導体部は、低熱伝導性金属材料からなる円筒状または円柱状の支持部材と、この支持部材の円筒外周部または円柱外周部にスリット状に形成した複数個の溝内に挿入された前記テープ状高温超電導線材とからなり、前記複数個のスリット状の溝は、支持部材の外周部断面において放射状に、かつ軸方向に平行に延在するように設けられ、前記溝内に挿入された複数個のテープ状高温超電導線材は、支持部材の溝から延出させた軸方向両端部において、電気的に並列接続したことを特徴とする超電導電流リード。
2. 請求項１に記載のものにおいて、前記テープ状高温超電導線材は、金属基板を挟んで両主面に、それぞれテープ状高温超電導線材を配設してなるテープ状積層超電導線材としたことを特徴とする超電導電流リード。