JP5278109B2

JP5278109B2 - 酸化物超電導体通電素子

Info

Publication number: JP5278109B2
Application number: JP2009082956A
Authority: JP
Inventors: 英一手嶋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010238792A

Description

本発明は、電流リードや限流器、永久電流スイッチ等に使用する酸化物超電導体通電素子に関する。

酸化物超電導体は、電気抵抗がゼロの状態で大電流を流すことができるため、電流リードや限流器、永久電流スイッチ等の通電素子に用いられる。酸化物超電導体を用いた通電素子は、主に酸化物超電導体と、半田等で酸化物超電導体の両端に電気的に接続された電極端子と、樹脂等で酸化物超電導体に接着された支持体（補強部材）とから構成される。

このような通電素子として、例えば、特許文献１には、金属電極に設けられた設置溝へ酸化物超電導体の端部を填め込み、その上に前記設置溝に見合うサイズの偏流抑制部材（接続補助体）を設置して接合された酸化物超電導体電流リードが開示されている。このような構造にすることによって、金属電極と酸化物超電導体とが全て面接触の状態で電気的に接合されるので、この部分の接触抵抗値を下げることができる。

特開２００４−３０４１６３号公報

酸化物超電導体には、RE-Ba-Cu-O（REはY又は希土類元素から選ばれた少なくとも１つの元素）系酸化物超電導体、Bi系酸化物超電導体等があるが、これらの酸化物超電導体は脆性材料のセラミックスの一種であり、機械的に脆い性質がある。通電素子として完成した状態では、酸化物超電導体は支持体によって補強されているが、通電素子として完成する前の組立作業中では、酸化物超電導体は支持体によって補強されておらず、ダメージを受け易い。

例えば、図３に示すような構造の酸化物超電導体３１では、所望の臨界電流特性が得られないことが多い。そこで、本発明者らが鋭意調査した結果、接続補助体３３を設置溝に填め込む際に、酸化物超電導体３１が押し込まれてダメージを受け易いという問題があることが判明した。

酸化物超電導体の中でも、溶融法で製造された単結晶状のREBa₂Cu₃O_x相（１２３相）中にRE₂BaCuO₅相（２１１相）が微細分散した酸化物超電導バルク体は、臨界電流密度が高いので、同じ電流容量に対して必要な酸化物超電導体の断面積を小さくできるが、断面積が小さい場合には、機械的強度も小さくなるため、よりダメージを受け易い。特に、酸化物超電導体の厚さが１ｍｍ以下の場合には、組立作業中のハンドリングも困難になり、更にダメージを受け易くなる。

そこで、本発明は、上記の問題を解決するために、組立中において酸化物超電導体がダメージを受けにくく、接触抵抗が小さい酸化物超電導体通電素子を提供することを目的とする。

本発明の酸化物超電導体通電素子は、以下のとおりである。
（１）単結晶状のREBa ₂ Cu ₃ O _x 相（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上）中にRE ₂ BaCuO ₅ 相が微細分散した酸化物超電導体と、該酸化物超電導体の両端に半田を介して電気的に接続された電気良導体からなる電極端子とを備えた酸化物超電導体通電素子であって、
前記電極端子には、前記酸化物超電導体を設置するための設置溝が設けられており、前記設置溝の幅よりも大きい幅の導電性の接続補助体が電極端子ごとに別々に前記設置溝の開口部側で前記電極端子と接続され、さらに前記酸化物超電導体と前記電極端子又は前記接続補助体との接続部分を覆うようにガラス繊維強化プラスチックの支持体が接続されており、前記酸化物超電導体の厚さが１ｍｍ以下、かつ前記設置溝の深さに比べて０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ小さいことを特徴とする酸化物超電導体通電素子。

本発明によれば、組立中において酸化物超電導体がダメージを受けにくく、接触抵抗が小さい酸化物超電導体通電素子を提供することができる。

本発明の実施形態における酸化物超電導体通電素子の構造の一例を示す図である。本発明の実施形態における酸化物超電導体通電素子の構造の他の一例を示す図である。従来の酸化物超電導体通電素子の構造の一例を示す図である。

以下に、本発明の実施形態について図に沿って説明する。
図１は、本実施形態における酸化物超電導体通電素子の構造の一例を示す図である。
図１に示すように、酸化物超電導体１は、例えば、単結晶状のREBa₂Cu₃O_x相（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上）中にRE₂BaCuO₅相が微細分散した酸化物超電導体であり、酸化物超電導体１の両端に、外部に接続するための電極端子２が半田等（図１では省略されている）により電気的に接合されている。酸化物超電導体１は電極端子２に設けられた設置溝内に填め込まれ、接続補助体３は設置溝の開口部側に蓋をするように電気的に接続される。さらに酸化物超電導体１は、樹脂等（図１では省略されている）で支持体４に接着されることにより補強されている。支持体４は、酸化物超電導体１を覆うように接着されているだけでなく、酸化物超電導体１と、電極端子２又は接続補助体３との接続部分を覆うように接着されている。

図１に示すような構造では、接続補助体３を接続する際に、酸化物超電導体１が押し込まれることがないため、酸化物超電導体１にダメージを与えない。特に、酸化物超電導体の厚さが１ｍｍ以下で機械的強度が小さい場合には、本実施形態の構造が有効である。更に、酸化物超電導体１の厚さを、電極端子２に設けられた設置溝の深さに比べて０〜０．５ｍｍ小さくすることにより、酸化物超電導体１と電極端子２や接続補助体３とを電気的に接続するための半田等の量を必要最小限にすることができ、接触抵抗を小さくすることができる。

図２は、本実施形態における酸化物超電導体通電素子の構造の別の例を示す断面図である。
図２では、接続補助体３の長さを長くして、接続補助体３を半田等で接続するだけでなく、ボルト５を用いて機械的にも固定している。ボルト５による固定を併用することにより、接続補助体３を所定の位置により強固に接続することが可能となる。なお、図１に示すような構造においても、ボルト５を併用してもよい。

（実施例１）
まず、溶融法で作製した直径４６ｍｍ、厚さ１５ｍｍで、２５mol％の２１１相が１２３相中に微細分散したDy-Ba-Cu-O系単結晶状酸化物超電導バルク体から長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの薄板状の酸化物超電導体１を切り出した。次に、電極端子２として、幅２０ｍｍ、厚さ４ｍｍ、長さ７５ｍｍの無酸素銅製の板材を準備した。また、電極端子２の片端部から幅２０ｍｍ、長さ５ｍｍ、高さ１．５ｍｍの板形状部を切り取り、片端部に高さ２．５ｍｍの段差部を設け、その中央部に幅６ｍｍ、長さ５ｍｍ、深さ１ｍｍの設置溝を設けた。

次に、接続補助体３として、電極端子２の片端部から切り出した板形状部と同じ大きさ、幅２０ｍｍ、長さ５ｍｍ、高さ１．５ｍｍの無酸素銅製の板材を準備した。酸化物超電導体１の表面に銀を１μｍ程度被覆した後、酸化物用の半田（商品名:セラソルザ１４３）で超音波半田ごてを用いて、電極端子２の設置溝に酸化物超電導体１を電気的に接続し、その後、接続補助体３を同じく半田付けした。最後に、ガラス繊維強化プラスチックス（ＧＦＲＰ）で酸化物超電導体１の両側からエポキシ系樹脂を用いて接着固定し、図１のような構造の酸化物超電導体通電素子を作製した。

比較のため、図３のような構造の通電素子も作製した。比較用の通電素子では、電極端子３２の片端部に段差を設けず、幅６ｍｍ、長さ５ｍｍ、深さ２．５ｍｍの溝を設け、接続補助体３３としては設置溝に見合うサイズとして、幅５．５ｍｍ、長さ５ｍｍ、高さ１．５ｍｍとした。

それぞれ１０本ずつ作製し、液体窒素中にて通電試験を実施した。本実施例の酸化物超電導体通電素子では１０本とも２５０Ａ通電可能であったが、比較用の通電素子では１０本のうち、３本において２５０Ａ通電ができなかった。通電不能だった３本について、酸化物超電導体と電極端子との接続部を研削し、酸化物超電導体の表面性状を観察したところ、接続補助体の接続部分付近において酸化物超電導体にクラックが観察された。なお、通電可能だった通電素子について、接触抵抗を測定したところ、本実施例及び比較例のどちらの場合でも０．３μΩと低い値であった。本実験により、本実施例の構造の酸化物超電導体通電素子ではすべて、組立中の酸化物超電導体へのダメージが小さく、接触抵抗が小さいことが確認できた。

（実施例２）
まず、溶融法で作製した直径４６ｍｍ、厚さ１５ｍｍで、２０mol％の２１１相が１２３相中に微細分散し、初期原料に１０質量％添加した銀が微細分散したGd-Ba-Cu-O系単結晶状酸化物超電導バルク体から長さ４０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの薄板状の酸化物超電導体１を切り出した。次に、電極端子２として、幅２０ｍｍ、厚さ６ｍｍ、長さ７５ｍｍの無酸素銅製の板材を準備した。電極端子２の片端部から幅２０ｍｍ、長さ１５ｍｍ、高さ２．６ｍｍの板形状部を切り取り、片端部に高さ３．４ｍｍの段差部を設け、その中央部に幅１１ｍｍ、長さ１５ｍｍ、深さ０．８ｍｍの設置溝を設けた。

次に、接続補助体３として、電極端子２の片端部から切り出した板形状部と同じ大きさ、幅２０ｍｍ、長さ１５ｍｍ、高さ２．６ｍｍの無酸素銅製の板材を準備した。接続補助体３と電極端子２とには、それぞれを固定できるようＭ２サイズ用のボルト穴を設けた。酸化物超電導体１の表面に銀を２μｍ程度被覆した後、酸化物用の半田（商品名:セラソルザ１２３）で超音波半田ごてを用いて、電極端子２の設置溝に酸化物超電導体１を電気的に接続した。その後、接続補助体３を同じく半田付けし、ボルト５としてＭ２ボルトを用いて固定した。最後に、ガラス繊維強化プラスチックス（ＧＦＲＰ）で酸化物超電導体の両側からエポキシ系樹脂を用いて接着固定し、図２のような構造の酸化物超電導体通電素子を作製した。

比較のため、図３のような構造の通電素子も作製した。比較用の通電素子では、電極端子３２の片端部に段差を設けず、幅１１ｍｍ、長さ５ｍｍ、深さ３．４ｍｍの溝を設け、接続補助体３３としては設置溝に見合うサイズとして、幅１０．５ｍｍ、長さ５ｍｍ、高さ２．６ｍｍとした。

それぞれ６本ずつ作製し、液体窒素中にて通電試験を実施した。本実施例の酸化物超電導体通電素子では６本とも５００Ａ通電可能であったが、比較用の通電素子では６本のうち、２本において５００Ａ通電ができなかった。通電不能だった２本について、酸化物超電導体と電極端子との接続部を研削し、酸化物超電導体の表面性状を観察したところ、接続補助体の接続部分付近において酸化物超電導体にクラックが観察された。通電可能だった通電素子について、接触抵抗を測定したところ、本実施例及び比較例のどちらの場合でも０．１μΩと低い値であった。本実験により、本実施例の構造の酸化物超電導体通電素子ではすべて、組立中の酸化物超電導体へのダメージが小さく、接触抵抗が小さいことが確認できた。

本発明によれば、組立中に酸化物超電導体がダメージを受けにくく、接触抵抗が低い酸化物超電導体通電素子を提供することができるので、酸化物超電導体の工業上の利用範囲が拡大する。

１酸化物超電導体
２電極端子
３接続補助体
４支持体

Claims

単結晶状のREBa ₂ Cu ₃ O _x 相（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上）中にRE ₂ BaCuO ₅ 相が微細分散した酸化物超電導体と、該酸化物超電導体の両端に半田を介して電気的に接続された電気良導体からなる電極端子とを備えた酸化物超電導体通電素子であって、
前記電極端子には、前記酸化物超電導体を設置するための設置溝が設けられており、前記設置溝の幅よりも大きい幅の導電性の接続補助体が電極端子ごとに別々に前記設置溝の開口部側で前記電極端子と接続され、さらに前記酸化物超電導体と前記電極端子又は前記接続補助体との接続部分を覆うようにガラス繊維強化プラスチックの支持体が接続されており、前記酸化物超電導体の厚さが１ｍｍ以下、かつ前記設置溝の深さに比べて０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ小さいことを特徴とする酸化物超電導体通電素子。