JP5531664B2 - 超電導電流リード - Google Patents

Description

この発明は、極低温に冷却した状態で運転する超電導マグネット等の超電導機器に適用して外部電源より電流を供給する超電導電流リードに関する。

よく知られているように、超電導マグネットは物性研究用や磁気共鳴装置などに適用され、将来的には磁気浮上列車，核融合用炉などへの応用が期待されている。

ところで、極低温中に置かれた超電導機器に室温側の外部電源から電流リードを介して電流を供給するには、電流リードを伝熱経路として極低温領域に侵入する熱量をできるだけ小さく抑えることが必要である。例えば、クライオスタットの冷媒に用いる液体ヘリウムは非常に高価であり、また、１Ｗの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要する冷凍機の入力は理想的な状態でも４００Ｗ程度で、実用的には冷凍機の入力が１０００Ｗにも達する。

このために、電流リードを伝熱経路として室温側からクライオスタットの極低温側に侵入する熱量が多くなると、液体ヘリウムの使用量が多くなってランニングコストが嵩むほか、冷凍機が大型，大容量化する。したがって、超電導機器用の電流リードには室温側からの熱侵入量を極力低く抑えつつ、大電流の通電性能が要求される。

一方、現在開発が進んでいるビスマス系，イットリウム系の酸化物超電導材は、液体窒素温度（〜７７Ｋ）まで超電導状態を保持してジュール発熱なしに大電流を通流するこができ、かつこの温度領域での熱伝導率は銅の１／１００以下と極めて小さいことから、この酸化物超電導材を応用した超電導電流リードの開発が進められている（例えば、非特許文献１参照）。

図３は前記の酸化物超電導材を採用した超電導電流リードを超電導マグネットの給電用に適用した設置例を表す図であり、１は超電導マグネット（超電導機器）、２は室温側の外部電源に接続する常温側端子であり、この常温側端子２と超電導マグネット１から引き出したフィーダ１ａとの間には、銅などの良導電性金属を材料とする常温側の電流リード３と、前記の酸化物超電導体で作られた低温側の電流リード４が直列に接続されている。なお、超電導マグネット１はクライオスタット５に収容して極低温冷媒（例えば液体ヘリウム）に浸漬されており、図示例ではクライオスタット５の内部で蒸発したヘリウムガスを低温側の超電導電流リード４，および常温側の電流リード３の内部に流して各電流リードを低温状態に冷却するようにしている。

一方、前記の超電導電流リード４について、ビスマス系，イットリウム系などの酸化物超電導体を安定化材の銀シースで被覆したテープ状の超電導線材を複数積層しなるユニット導体の複数を、ステンレス鋼，ニッケル合金，チタン合金などの低伝熱性金属を材料として作られた円筒状の筒型支持部材の外周面上に分散配置して一体化した組立構造になる超電導電流リードが知られており（特許文献１参照）、次にその構成（横断面図）を図４に示す。

図４（ａ），（ｂ）において、６は電流経路となるテープ状の超電導線材６ａを複数枚積層してなるユニット導体、７はステンレス鋼，ニッケル合金，チタン合金などの低熱伝導率の金属材で作られた筒型支持部材であり、該筒型支持部材７の外周面にはテープ状超電導線材６ａをそのテープ面が円筒座標系の周方向と平行になるような向きに揃えてなる複数のユニット導体６を分散配列し、さらに筒型支持部材７と各ユニット導体６との間の伝熱抵抗を低く抑えるために、次記のような手法でユニット導体６を筒型支持部材７の周面にはんだ付けし、超電導体が常電導転移（クエンチ）した際に発生するジュール発熱を熱容量の大きな筒型支持部材７に逃がして超電導電流線材６ａの過度な温度上昇を抑えるようにしている。

すなわち、前記筒型支持部材７の周面にはその軸方向に沿ってユニット導体６の外形寸法に対応した凹溝７ａを導体の配列数に合わせて割り出し形成しておき、この凹溝７ａの内面にはんだ濡れ性の良い金属薄膜８（金，銀，銅，錫，亜鉛などの金属薄膜）を蒸着法，もしくはスパッタリング法により成膜した上で、この金属薄膜８にユニット導体６をはんだ付け接合して超電導電流リード４を組み立てる。なお、実際の組立作業では、筒型支持部材７の凹溝７ａに前記の金属薄膜８を成膜した状態で、ユニット導体６を一本ずつ凹溝７ａに嵌入して順にはんだ付け作業を進めるようにしている。

特開２００２−６４０１４号公報

保川 幸雄、外２名、"超電導電流リード技術"、[on line]、富士時報、vol.72 No.10 1999、［平成２２年１月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ： HYPERLINK "http://www.fujielectric.co.jp/company/jihou#archives/pdf/72-10/FEJ-72-10-566-1999.pdf" http://www.fujielectric.co.jp/company/jihou#archives/pdf/72-10/FEJ-72-10-566-1999.pdf＞

ところで、図４に示した従来の構造では、組立工程で筒型支持部材７の周面にユニット導体６をはんだ付け接合する際に、次記のようなトラブルが生じる問題がある。

すなわち、前記のようにユニット導体６を筒型支持部材７の周面にはんだ付けするには、金属薄膜８，およびユニット導体６をはんだ溶融温度より高い温度に加熱してはんだ付け作業を行うことになる。このために、周方向に沿って並ぶ各凹溝７ａにユニット導体６を一本ずつ順にはんだ付け接合する工程で、隣接する凹溝７ａにユニット導体６が先にはんだ付け接合が済んでいると、次のユニット導体６をはんだ付け接合する際に、筒型支持部材７を伝熱経路としてはんだ付けが済んでいるユニット導体６のはんだ接合面の温度がはんだ溶融温度よりも高温に上昇してはんだが再溶融し、そのためにはんだ接合部が剥離するおそれがある。

このようなトラブルが生じた場合には、剥離したユニット導体６を再度はんだ付けする補修作業が必要となる。なお、このような工程上での不具合を防ぐために、筒型支持部材７に対してその周上に配列する全てのユニット導体６を一括して同時にはんだ付けする方法も考えられるが、この工法を適用するには筒型支持部材７を収容する大形の加熱炉設備を用いる必要があるなどの課題があって実際上は困難である。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、ユニット導体のはんだ付け作業に伴う熱的干渉を防いで、はんだ接合部の再溶融，剥離のトラブルのおそれなしに、ユニット導体と支持部材を個別にはんだ付け接合して組み立てられるように筒型支持部材の構造を改良した高信頼性の超電導電流リードを提供することにある。

前記の目的を達成するために、この発明によれば、筒型支持部材の周上に電流経路となるテープ状の酸化物超電導線材からなる複数のユニット導体を分散配列し、かつ該ユニット導体はその超電導線材のテープ面が円筒座標系の周方向と平行になるような向きに配置し、この筒型支持部材にあらかじめ成膜したはんだ濡れ性の良い金属薄膜にユニット導体をはんだ付け接合した構成になる超電導電流リードにおいて、
前記の筒型支持部材を各ユニット導体と個々に対応する複数のセグメントに分割し、かつセグメントごとにユニット導体をはんだ付け接合し、このセグメントを周方向に組み合わせて超電導電流リードを組立ててなるものとし（請求項１）、その筒型支持部材のセグメントは具体的に次記のような態様で構成するものとする。
（１）前記筒型支持部材のセグメントは、円筒座標系の軸方向に垂直な断面形状が台形で、その長辺側には円筒座標系の軸方向に沿ってユニット導体を収容する凹溝を形成した構造になり、前記凹溝の内面にはんだ濡れ性の良い金属薄膜を成膜する（請求項２）。
（２）前記セグメントの材質は、ステンレス鋼，ニッケル，チタン、またはその合金のいずれかである（請求項３）。
（３）前記金属薄膜の材質は、金，銀，銅，錫，亜鉛、またはその合金のいずれかで、蒸着，ないしスパッタリング法によりセグメントに成膜する（請求項４）。

上記構成の超電導電流リードによれば、支持部材にユニット導体をはんだ付け接合する工程では、筒型支持部材の各セグメントを単位としてユニット導体とセグメントを個別にはんだ付け接合して作業を進めることが可能となる。これにより、従来構造で問題となっていたユニット導体のはんだ付け接合に伴う熱的干渉、および熱的干渉に起因して隣接するはんだ接合済みのはんだ接合部が再溶融，剥離するトラブルを解消し、さらに大形の加熱炉を用いることなしに、信頼性の高い超電導電流リードを製作することができる。

この発明の実施例による超電導電流リードの組立構造を表す構成図であって、（ａ）は略示横断面図、（ｂ）は（ａ）におけるセグメントの外形斜視図である。 図１と異なる応用実施例の構成図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれセグメントの断面形状が異なる組立構造を表す略示横断面図である。 超電導マグネットに適用した超電導電流リードの設置例を表す図である。 特許文献１に開示されている超電導電流リードの従来構造図であって、（ａ）は略示横断面図、（ｂ）は（ａ）における要部の拡大断面図である。

以下、この発明における実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

図示実施例の超電導電流リード４の構造は、基本的に従来と同様に通電経路となる複数のユニット導体６が筒型支持部材７の周上に分散配列されているが、実施例の構造では筒型支持部材７を周方向でユニット導体６の配列数に対応する複数のセグメント７ｂに分割しておき、このセグメント７ｂにユニット導体６を個別にはんだ付け接合した上で、セグメント７ｂを組み合わせて超電導電流リード４を組み立てるようにしている。

すなわち、図１（ａ），（ｂ）に示す実施例では、セグメント７ｂは円筒座標系の軸方向に垂直な断面形状が台形で、台形の長辺側には円筒座標系の軸方向に沿ってユニット導体６を挿入する凹溝７ａが彫り込まれた構造になり、後記のようにセグメント７ｂにユニット導体６を個別にはんだ付け接合した上で、このセグメント７ｂを周方向に組み合わせて筒型の超電導電流リード４を構築する。

ここで、セグメント７ｂは、ステンレス鋼，ニッケル，チタン、またはその合金の低熱伝導性金属で作られており、かつこのセグメント７ｂに形成した凹溝７ａの内面には、あらかじめ金，銀，銅，錫，亜鉛、またはその合金を材料とするはんだ濡れ性の良い金属薄膜８を蒸着，ないしスパッタリング法により成膜しておく。

そして、このセグメント７ｂにユニット導体６をはんだ接合する工程では、筒型支持部材７の各セグメント７ｂを個々に分けた状態で、このセグメント７ｂの凹溝７ａにユニット導体６を挿入セットしてはんだ付けを行う。このはんだ付け作業を各セグメント７ｂについて行った後に、セグメント７ｂを周方向に組み合わせて筒型支持部材７を構築する。なお、各セグメント７ｂの相互間を結合するには例えば接着剤を用いるか、あるいは筒型支持部材の組立体にバインドテープを巻き付けるなどの適宜な方法を使用できる。

上記のように筒型支持部材７を、その周上に分散配列するユニット導体６の数に対応したセグメント７ｂに分割した上で、個々のセグメント７ｂごとにユニット導体６をはんだ付け接合し、その後にセグメント７ｂ同士を組み合わせて筒型支持部材７を構築することにより、従来構造で問題となっていた隣接するユニット導体への熱的干渉、およびこの熱的干渉に起因するはんだ接合部の再溶融，剥離などのトラブルを解消して信頼性の高い超電導電流リードを製作することができる。

次に、筒型支持部材７のセグメント７ｂの円筒座標系の軸方向に垂直な断面形状を変えた応用実施例を図２（ａ），（ｂ）に示す。すなわち、先記した図１の実施例ではセグメント７ｂの円筒座標系の軸方向に垂直な断面形状が台形であるのに対して、図２（ａ）の断面形状は内周側，外周側の各辺が共に円弧状の台形に形成されている。また、図２（ｂ）では外周側の辺が円弧状，内周側の辺が図１と同様に直線状の台形に形成されている。なお、これら断面形状は超電導電流リード４の使用形態に合わせて適宜に選択することができる。

４：超電導電流リード
６：ユニット導体
６ａ：テープ状の酸化物超電導線材
７：筒型支持部材
７ａ：凹溝
７ｂ：セグメント
８：はんだ濡れ性の良い金属薄膜

Claims (4)

1. 筒型支持部材の周上に電流経路となるテープ状の酸化物超電導線材からなる複数のユニット導体を分散配列し、かつ該ユニット導体はその超電導線材のテープ面が円筒座標系の周方向と平行になるような向きに配置し、この筒型支持部材にあらかじめ成膜したはんだ濡れ性の良い金属薄膜にユニット導体をはんだ付け接合した構成になる超電導電流リードにおいて、
   前記の筒型支持部材を各ユニット導体と個々に対応する複数のセグメントに分割し、かつセグメントごとにユニット導体をはんだ付け接合し、このセグメントを周方向に組み合わせて組立ててなることを特徴とする超電導電流リード。
2. 請求項１に記載の超電導電流リードにおいて、筒型支持部材のセグメントは、円筒座標系の軸方向に垂直な断面形状が台形で、その長辺側には円筒座標系の軸方向に沿ってユニット導体を収容する凹溝を形成した構造になり、前記凹溝の内面にはんだ濡れ性の良い金属薄膜を成膜したことを特徴とする超電導電流リード。
3. 請求項１または２に記載の超電導電流リードにおいて、筒型支持部材のセグメントの材質が、ステンレス鋼，ニッケル，チタン、またはその合金のいずれかであることを特徴とする超電導電流リード。
4. 請求項１または２に記載の超電導電流リードにおいて、筒型支持部材のセグメントに成膜した金属薄膜の材質が金，銀，銅，錫，亜鉛、またはその合金のいずれかで、蒸着，ないしスパッタリング法により成膜したことを特徴とする超電導電流リード。

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