JP5266852B2 - Superconducting current lead - Google Patents
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Description
この発明は、超電導エネルギー貯蔵用の超電導コイルや限流器,超電導ケーブル,超電導発電機,超電導変圧器等の超電導装置に適用する通電容量が大きな超電導電流リードの組立構造に関する。 The present invention relates to an assembly structure of a superconducting current lead having a large energizing capacity applied to a superconducting device such as a superconducting coil for storing superconducting energy, a current limiting device, a superconducting cable, a superconducting generator, and a superconducting transformer.
超電導マグネットは、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への応用に期待されている。ところで、クライオスタットの極低温容器中に置かれた超電導マグネットには、室温側に置かれた励磁電源より電流リードを介して電流を供給する際に、電流リードを伝熱経路として外部から極低温領域に侵入する熱が大きな問題となっている。すなわち、液体ヘリウムは高価な冷媒材であり、また熱侵入により蒸発した液体ヘリウムを再液化するために使用する冷凍機も大きな電力を消費する。そこで、電流リードを通じて熱侵入量が多いと、液体ヘリウムの購入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、大容量化してしまうことから、低抵抗で高い導電性を確保しつつ、外部からの伝導熱侵入が低い電流リードの開発が重要な開発課題となっている。 Superconducting magnets are used for physical property research and magnetic resonance devices, and are expected to be applied to magnetic levitation trains and magnetic confinement devices for nuclear fusion in the future. By the way, when a current is supplied to the superconducting magnet placed in the cryostat container of the cryostat through the current lead from the excitation power source placed on the room temperature side, the current lead is used as a heat transfer path from the outside in the cryogenic region. The heat that invades is a big problem. That is, liquid helium is an expensive refrigerant material, and a refrigerator used to re-liquefy liquid helium evaporated by heat penetration also consumes a large amount of power. Therefore, a large amount of heat penetration through the current leads not only increases the cost associated with the purchase of liquid helium, but also increases the size and capacity of the refrigerating machine, resulting in low resistance and high conductivity. The development of current leads with low conduction heat intrusion from the outside is an important development issue.
そこで、電流リードの低温側リード部に高温超電導材料を用いて極低温部への伝導熱侵入を低減するようにした高温超電導電流リードが開発されており、その一例として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に液体窒素温度に冷却するサーマルアンカを設け、電流リードの低温側には臨界温度が液体窒素の沸点(77.3K)以上である超電導体(例えばY−Ba−Cu−O)を使用した超電導電流リードが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、超電導電流リードを低温部、中温部および高温部の導体に分けて構成し、低温部導体は、熱伝導率の低い絶縁基板にBi系の酸化物超電導層を設けたものを使用し、中温部,高温部の導体として酸化物系超電導体からなるコアをAgなどの被覆材(シース)で被覆したテープ状線材の複数枚を積層して集合化した構造の超電導電流リードも知られている(例えば、特許文献2参照)。 Therefore, a high-temperature superconducting current lead has been developed that uses a high-temperature superconducting material at the low-temperature lead part of the current lead to reduce conduction heat intrusion into the cryogenic part, and one example is superconducting equipment in liquid helium. A thermal anchor that cools to the temperature of liquid nitrogen is provided in the middle portion of the current lead that supplies current, and a superconductor (for example, Y-Ba) having a critical temperature equal to or higher than the boiling point (77.3 K) of liquid nitrogen is provided on the low temperature side of the current lead. A superconducting current lead using -Cu-O) is known (for example, see Patent Document 1). In addition, the superconducting current lead is divided into a low temperature part, a medium temperature part, and a high temperature part conductor, and the low temperature part conductor uses a Bi-based oxide superconducting layer provided on an insulating substrate having a low thermal conductivity. There is also known a superconducting current lead having a structure in which a core made of an oxide-based superconductor is covered with a coating material (sheath) such as Ag as a conductor in a middle temperature part and a high temperature part, and is laminated and assembled. (For example, refer to Patent Document 2).
そのほか、超電導電流リードを、銅線を束ねた高温側リード部とテープ状の超電導線材で構成した低温側リード部とに分け、ここで低温側リード部は例えばBi系のテープ状酸化物超電導線材を複数枚積層して集合化した導体ユニットを、その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円筒状の支持部材の周面に配列して構成した大電流容量の超電導電流リードが知られており(例えば、特許文献3参照)、次にその超電導電流リードの具体的な構造を図5〜図7に示す。 In addition, the superconducting current lead is divided into a high temperature side lead portion bundled with a copper wire and a low temperature side lead portion composed of a tape-like superconducting wire, where the low temperature side lead portion is, for example, a Bi-based tape-like oxide superconducting wire. A conductor unit in which a plurality of conductors are assembled and arranged on the circumferential surface of a cylindrical support member so that the tape surface of the superconducting wire is parallel to the circumferential direction in the cylindrical coordinate system. A superconducting current lead is known (see, for example, Patent Document 3). Next, a specific structure of the superconducting current lead is shown in FIGS.
図5は超電導コイルへの適用例で、図において1は液体ヘリウムで満たしたクライオスタットの極低温容器、2は超電導コイル、2aは超電導コイル2の接続端子、3は外部の励磁電源から超電導コイル2に電力を供給する超電導電流リード、3a,3bは接続端子であり、超電導電流リード3は銅あるいは銅合金等の良導電性金属で構成した高温側リード部4と、テープ状の超電導線材を用いて構成した低温側リード部5とから構成されている。
FIG. 5 shows an example of application to a superconducting coil. In the figure, 1 is a cryostat cryogenic container filled with liquid helium, 2 is a superconducting coil, 2a is a connection terminal of the
ここで、前記の低温側リード部5は、図6(a),(b)で示すようにFRP,あるいはステンレス鋼等で作られた円筒状(パイプ状)の支持部材6の周面に超電導導体ユニット7を多数配列して支持部材の軸方向に敷設した構造になる。また、前記導体ユニット7は、例えばBi(ビスマス)系のテープ状超電導線材(銀シース超電導線)8を、その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複数枚を積層して支持部材6の周面に形成した凹溝内に敷設している。また、図7(a),(b)で示すように、前記支持部材6の両端には銅あるいは銅合金等の金属で作られた電極9を配し、該電極9と各超電導線材8との間をハンダ等で導電接合して低温側リード部5を構成している。
Here, as shown in FIGS. 6A and 6B, the low temperature
一方、近年になり次世代のテープ状超電導線材として、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)など、希土類金属(Re)系のテープ状酸化物超電導線材の開発が進んでいる。具体的に開発が進められているテープ状酸化物超電導線材は、イットリウム(Y系)、ホルミウム(Ho系)、ガドリウム(Gd系)がある。また、例えば、特許文献4に記載されたように、このテープ状酸化物超電導線材は、テープ状の金属基板(ハステロイ等)の板面にIBAD法で蒸着した中間層(YSZ等),PLD法で蒸着したキャップ層(CeO2)を介してY系,Ho系の酸化物超電導体層を成膜し、さらに金,銀またはその合金の薄膜(保護膜)で酸化物超電導体層を覆った構成となっており、その模式図を図8に示す。
ところで、図6,図7に示した低温側リード部5について、そのテープ状超電導線材8を前記の特許文献2で述べたようなテープ状の酸化物超電導線材に置き換えて構成すると、このままでは次記のような通電性の問題があって超電導電流リードの大容量化が困難となる。
By the way, if the tape-like
すなわち、先記した銀シース超電導線材は電流が各線材の断面全域,および線材相互間の重なり面を通じて流れるので、厚さ方向にテープ状線材を複数枚積層して集合化することにより電流リードの通電容量の増大が可能である。これに対し、図8に示したイットリウム系(Y系)やホルミウム系(Ho系)等のテープ状酸化物超電導線材は、線材の層内に中間層,キャップ層の絶縁層が成層されていることから、図6のように複数枚の線材を積層しても電極9(図7参照)に導電接合した線材端面から流入した電流は各テープ状線材の超電導層側,つまり線材の片面側のみを流れ、互いに重なり合う積層面を通じて各超電導線材の相互間には電流が横流することはできない。 That is, since the current flows in the above-described silver sheath superconducting wire through the entire cross-section of each wire and through the overlapping surface between the wires, the current leads can be obtained by stacking and assembling a plurality of tape-like wires in the thickness direction. The current carrying capacity can be increased. In contrast, the yttrium-based (Y-based) or holmium-based (Ho-based) tape-shaped oxide superconducting wire shown in FIG. 8 has an intermediate layer and a cap layer insulating layer formed in the wire layer. Therefore, even if a plurality of wires are laminated as shown in FIG. 6, the current flowing from the end surface of the wire conductively joined to the electrode 9 (see FIG. 7) is only on the superconducting layer side of each tape-like wire, that is, on one side of the wire. The current cannot flow between the superconducting wires through the laminated surfaces that overlap each other.
このために、図8に示したテープ状の酸化物超電導線材を図7の低温側リード部に採用し、このテープ状の酸化物超電導線材を複数枚積層して集合化した導体ユニット7を支持部材6の周面に配列した敷設した上で、その線材の両端を電極9にハンダ接合する場合に、各テープ状線材8の端面と電極9との間のハンダ接合状態にバラツキなどがあると、これに起因して各超電導線材には電流が均等に流れなくなる。
For this purpose, the tape-shaped oxide superconducting wire shown in FIG. 8 is employed in the low-temperature side lead portion of FIG. 7 to support a
さらに、図7のように、円筒状支持部材6の周面に敷設した導体ユニット7の各テープ状超電導線材8に対して、その両端に配した電極9を断面L形のリングとして支持部材6に組み付けた構造では、上下に積層したテープ状の各超電導線材8のうち、支持部材6の周面と接する内側の線材はその両端部の線材面が電極9の周面に重なって導電接合(ハンダ付け)されることになる。このことから、図8に示したテープ状酸化物超電導線材の超電導層側を下面に向けて各テープ状線材を上下に積層すると、電流は電極9の周面に接する特定のテープ状線材にのみ集中して流れるようになるため、電流リードの通電容量(臨界電流)をテープ状酸化物超電導線材の積層枚数に比例して高めることが困難となる。
Further, as shown in FIG. 7, with respect to each tape-shaped
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、次世代のテープ状酸化物超電導線材(Y系やHo系等のテープ状酸化物超電導線材)を採用して超電導電流リードの低温側リード部を構成する際に、複数枚を積層して集合化したテープ状の酸化物超電導線材に対してその各線材に電流が均等に流れるよう組立構造を改良して容易に通電容量の増大化が図れるようにした超電導電流リードを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to adopt a next-generation tape-shaped oxide superconducting wire (ta-based oxide superconducting wire such as Y-based or Ho-based), and a superconducting current lead. When constructing the low temperature side lead part, the assembly structure is improved so that the current flows evenly to each of the tape-shaped oxide superconducting wires assembled by laminating multiple sheets, and the current carrying capacity can be easily increased. It is an object of the present invention to provide a superconducting current lead that can be increased.
上記目的を達成するために、この発明によれば、液体ヘリウム,液体窒素等の極低温冷媒,ないしは冷凍機などにより冷却される超電導装置に電力を供給する超電導電流リードであって、その低温側リード部が、複数枚のテープ状超電導線材を積層して集合化した導体ユニットを円筒,または円柱状の支持部材の周面に配列して敷設し、かつ前記支持部材の両端に配した金属電極と前記導体ユニットとの間を導電接合したものにおいて、
前記導体ユニットを構成するテープ状超電導線材には、金属基板上に中間層を介してイットリウム系(Y系),ホルミウム系(Ho系)等の酸化物超電導層を成層したテープ状の酸化物超電導線材を採用し、その導体ユニットの端部と電極との間には、各テープ状線材の酸化物超電導層側に面を重ね合わせて良導電性金属の導電スペーサを介挿し、該導電スペーサと酸化物超電導線材および電極との間を導電接合し(請求項1)、具体的には次記のような態様で構成することができる。
(1)前記の導電スペーサを、導体ユニットを構成するテープ状の各超電導線材と個々に対応する重ね合わせ面を形成した段付き形状の銅または銅合金板となし、該導電スペーサの段付き部を超電導線材の端部に重ね合わせ、導電スペーサと超電導線材,電極の間、および導電スペーサの相互間をハンダ接合する(請求項2)。
(2)前記の導電スペーサを、その端面に導体ユニットを構成するテープ状の各超電導線材端部を個別に差し込む凹溝を形成した銅または銅合金のブロックで構成し、前記凹溝に超電導線材の端部を挿入し、導電スペーサと超電導線材および電極の間をハンダ接合する(請求項3)。
(3)前記の超電導電流リードにおいて、導電スペーサとの接合部を除いて、テープ状超電導線材の長手方向に沿った線材相互間の隙間に低熱伝導性の絶縁スペーサを介挿配置する(請求項4)。
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a superconducting current lead for supplying power to a superconducting device cooled by a cryogenic refrigerant such as liquid helium or liquid nitrogen, or a refrigerator, etc. A metal electrode in which a lead unit is laid and arranged on the circumferential surface of a cylindrical or columnar support member, and the conductor units are formed by laminating a plurality of tape-shaped superconducting wires and assembled to each other. In what is conductively joined between the conductor unit and
The tape-shaped superconducting wire constituting the conductor unit includes a tape-shaped oxide superconducting layer in which an yttrium-based (Y-based), holmium-based (Ho-based) oxide superconducting layer is formed on a metal substrate via an intermediate layer. A wire rod is used, and between the end of the conductor unit and the electrode, a surface of the tape-shaped wire rod is superposed on the oxide superconducting layer side and a conductive spacer made of a highly conductive metal is inserted, and the conductive spacer and The oxide superconducting wire and the electrode are conductively bonded (claim 1), and specifically, can be configured in the following manner.
(1) The conductive spacer is formed of a stepped copper or copper alloy plate formed with a superposed surface corresponding to each tape-shaped superconducting wire constituting the conductor unit, and a stepped portion of the conductive spacer. Are superposed on the end of the superconducting wire, and solder bonding is performed between the conductive spacer, the superconducting wire, the electrodes, and between the conductive spacers.
(2) The conductive spacer is composed of a copper or copper alloy block formed with a concave groove into which the end of each tape-like superconducting wire constituting the conductor unit is individually inserted on the end face, and the superconducting wire is formed in the concave groove. Are inserted, and solder bonding is performed between the conductive spacer, the superconducting wire, and the electrode.
(3) In the above-mentioned superconducting current lead, a low thermal conductive insulating spacer is interposed in the gap between the wires along the longitudinal direction of the tape-shaped superconducting wire, except for the joint with the conductive spacer. 4).
上記構成の超電導電流リード(低温側リード部)によれば、複数枚を積層して集合化したテープ状酸化物超電導線材には、その線材端部に重ね合わせて面接合した導電スペーサを介して電極からの電流が各線材に均等に流れるようになる。しかも、各線材と導電スペーサとの間に大きな接合面積(導電面積)が確保できて通電性が向上する。これにより、従来構造で問題となっていた特定な線材への電流の偏り集中が解消され、金属基板に絶縁性の中間層を介して酸化物超電導層を成層した次世代のテープ状酸化物超電導線材を採用して超電導電流リードの大容量化が容易に達成できる。 According to the superconducting current lead (low temperature side lead portion) having the above-described configuration, the tape-shaped oxide superconducting wire assembled by laminating a plurality of sheets is connected to the end of the wire through a conductive spacer surface-bonded. The electric current from the electrodes flows evenly through the wires. In addition, a large bonding area (conductive area) can be ensured between each wire and the conductive spacer, and the conductivity is improved. This eliminates the concentration of current bias on specific wires, which has been a problem with conventional structures, and is a next-generation tape-shaped oxide superconductor in which an oxide superconductor layer is formed on a metal substrate via an insulating intermediate layer. Large capacity of the superconducting current lead can be easily achieved by using the wire.
また、導電スペーサとの接合部を除いて、テープ状超電導線材の長手方向に沿った線材相互間の隙間に低熱伝導性の絶縁スペーサを介挿配置することにより、高温側からの伝導熱侵入増加を抑制しつつ、脆くて割れやすい性質の酸化物超電導層を安全に保護できる。 In addition, the heat conduction penetration from the high temperature side is increased by placing low thermal conductivity insulating spacers in the gaps between the wires along the longitudinal direction of the tape-shaped superconducting wire, excluding the junction with the conductive spacer. It is possible to safely protect an oxide superconducting layer that is brittle and easily cracked.
以下、この発明の実施の形態を図1〜図4に示す実施例に基づいて説明する。なお、図1は超電導コイル装置に適用した超電導電流リード全体の構成図、図2(a),(b)は実施例1に対応する低温側リード部の構成断面図,およびその導体ユニットの拡大断面図、図3(a),(b)は図2(a)の矢視Y−Yに沿った低温側リード部の軸方向の断面図,および要部の拡大断面図、図4は実施例2に対応する低温側リード部の要部断面図であり、各図において図5〜図7に対応する部材には同じ符号を付している。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below based on the examples shown in FIGS. 1 is a configuration diagram of the entire superconducting current lead applied to the superconducting coil device, FIGS. 2A and 2B are configuration cross-sectional views of the low-temperature side lead portion corresponding to Example 1, and an enlarged conductor unit thereof. 3 (a) and 3 (b) are cross-sectional views in the axial direction of the low-temperature lead portion along the line YY in FIG. 2 (a), and an enlarged cross-sectional view of the main part. FIG. It is principal part sectional drawing of the low temperature side lead part corresponding to Example 2, and the same code | symbol is attached | subjected to the member corresponding to FIGS. 5-7 in each figure.
この実施例1の超電導電流リード3は基本的に図5〜図7に示した従来構造と同様であるが、その低温側リード部5の支持部材6の周上に敷設した導体ユニット7を構成するテープ状の超電導線材として、図8で述べたテープ状の酸化物超電導線材10を採用し、このテープ状酸化物超電導線材10の複数枚を積層して支持部材6の周面に形成した凹溝内に敷設している。
The superconducting current lead 3 of the first embodiment is basically the same as the conventional structure shown in FIGS. 5 to 7, but constitutes a
ここで、テープ状の酸化物超電導線材10は各線材の超電導層を上に向けて配置した上で、低温側リード部5の両端に配した電極9と各線材10の両端との間には図3(a),(b)で示すように先端部の下面側を厚さ半分ほど切り欠いた段付き形状の導電スペーサ11を介挿し、該導電スペーサ11の段付き部11aを超電導線材10の上面端部に重ね合わせた上で、導電スペーサ11/テープ状酸化物超電導線材10,導電スペーサ11/電極9の間、および上下に重なる導電スペーサ11の相互間をハンダ接合している。
Here, the tape-shaped
また、上下に並ぶ複数枚の酸化物超電導線材10の相互間には、線材間の隙間を埋めるように両端の接合部を除いた長手方向の領域にFRP等で作られた低熱伝導性の絶縁スペーサ12を介挿し、高温側からの伝導熱侵入を抑えつつ、脆くて割れやすい線材の酸化物超電導層を保護するようにしている。
Also, between the plurality of
上記した低温側リード部5の組立構造によれば、複数枚を積層して支持部材6の周面に敷設したテープ状の各酸化物超電導線材10は、その両端部が長手方向に面と面を重ね合わせて導電接合した導電スペーサ11を介して電極9に並列接続される。したがって、電極9から導電スペーサ11を経て各酸化物超電導線材10に流れる電流は、特定の線材に集中することなく各線材に均等に流れるようになる。これにより、片面しか電流が流れない次世代のテープ状酸化物超電導線材10(図8参照)を採用し、この線材を複数枚積層して集合化することで、通電容量の大きな高温超電導電流リードを容易に構成できる。
According to the assembly structure of the low-temperature-
なお、図示例の支持部材6は円筒状であるが、円柱状の支持部材を用いて低温側リード部を構成することもできる。
In addition, although the supporting
次に、この発明の請求項3に対応する実施例2の構成を図4に示す。すなわち、先記の実施例1では、導電スペーサ11をテープ状の各酸化物超電導線材10と個々に対応させた段付き形状の銅板で構成しているのに対して、この実施例2では導電スペーサ13が銅のブロック体になる。そして、この導電スペーサ13の端面には複数枚のテープ状酸化物超電導線材10と個々に対応する凹溝13aがあらかじめ切込み形成されており、低温側リード部5の組立時にテープ状酸化物超電導線材10の端部を前記凹溝13aに一枚ずつ差し込んだ上で、導電スペーサ13との間をハンダ接合するようにしている。なお、前記接合部を除いて各酸化物超電導線材10の相互間には、実施例1と同様に線材の長手方向に沿って絶縁スペーサ12を介挿している。
Next, FIG. 4 shows the configuration of
1 極低温容器
2 超電導コイル
3 超電導電流リード
4 高温側リード部
5 低温側リード部
6 円筒状支持部材
7 導体ユニット
9 電極
10 テープ状酸化物超電導線材
11 段付き形状の導電スペーサ
11a 段付き部
12 絶縁スペーサ
13 ブロック体の導電スペーサ
13a 凹溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記導体ユニットを構成するテープ状超電導線材には、金属基板上に中間層を介して酸化物超電導層を成層したテープ状の酸化物超電導線材を採用し、その導体ユニットの端部と電極との間には、各テープ状線材の酸化物超電導層側の端部に面を重ね合わせて導電スペーサを介挿し、該導電スペーサと酸化物超電導線材および電極との間を導電接合したことを特徴とする超電導電流リード。 A superconducting current lead for supplying power to the superconducting device which is more cooled to cryogenic refrigerant, or refrigerator, the cold side lead section, the conductor unit which is aggregated by stacking a plurality of tape-shaped superconducting wires In the cylindrical or columnar support member arranged and laid on the peripheral surface, and conductively bonded between the metal electrode and the conductor unit disposed on both ends of the support member,
Wherein the tape-shaped superconducting wires constituting the conductor units, the tape-shaped oxide superconducting wire obtained by stratification of oxides superconducting layer via an intermediate layer on a metal substrate is adopted, the end portion and the electrodes of the conductor unit In between, the surface is overlapped with the end portion of each tape-shaped wire on the oxide superconducting layer side, a conductive spacer is inserted, and the conductive spacer is electrically connected to the oxide superconducting wire and the electrode. Superconducting current lead.
A superconducting current lead according to any one of claims 1 to 3, with the exception of the junction between the conductive spacer, the insulation spacer in a gap between the wires mutually in the longitudinal direction of the tape-shaped oxide superconducting wire A superconducting current lead characterized by being disposed.
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