JP5925827B2 - 超電導電流リード - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物超電導線材を用いた超電導電流リードに関し、特に、超電導線材及び金属電極が補強部材に収容されてなる超電導電流リードに関する。
近年、超電導ケーブルや超電導マグネット等、超電導を利用した超電導応用機器について、実用化に向けてさかんに研究、開発が行われている。一般に、超電導応用機器は低温部（低温容器）に設置され、常温部に設置された外部機器（例えば電源）と、電流リードを介して接続される。
超電導応用機器の運転は、極低温環境下で行われるため、低温部の断熱性が極めて重要となる。低温部の断熱性が悪く、低温部への熱侵入が大きいと、超電導応用機器の冷却効率が低下して超電導状態を維持するための冷却コストが増大することとなり、場合によっては超電導応用機器を運転できなくなってしまうためである。この低温部への熱侵入の経路としては、低温容器を伝熱する経路、電流リードを伝熱する経路が考えられる。
低温容器を介した熱侵入を防止するための手法としては、液体窒素等の冷媒及び超電導応用機器を収容する冷媒槽と、冷媒槽の外側に設けられる真空槽とを有する二重構造の低温容器が知られている。この低温容器によれば、真空断熱により低温部への熱侵入が低減される。
電流リードを介した熱侵入を防止するための手法としては、酸化物超電導体を用いた超電導電流リードが提案されている。酸化物超電導体は、液体窒素温度以下では電気抵抗がゼロ、かつ熱伝導率が小さい（銅の約１０分の１）。そのため、超電導電流リードにおいては、通電時にジュール熱の発生はなく、低温部への伝熱量も極めて小さくなる。したがって、超電導電流リードによれば、低温部への熱侵入が低減される。
一般に、超電導電流リードは、テープ状の超電導線材、超電導線材の一端部（高温側）に配置される第１の金属電極、及び超電導線材の他端部（低温側）に配置される第２の金属電極を備える。超電導線材と第１の金属電極及び第２の金属電極は、例えば半田付けにより接合される。
超電導線材、第１の金属電極、及び第２の金属電極とからなるリード本体は、補強部材内に位置決めした状態で収容されるとともに支持される（例えば特許文献１）。補強部材は、低熱伝導性の材料（例えば繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）、ステンレス合金、ニッケル基合金、チタン合金等）で構成される。このように、リード本体が補強部材内に収容される場合、超電導線材は直線状に保持されるのが一般的である。
しかしながら、上述した従来の超電導電流リードを極低温環境下で用いると、それぞれの構成部材が熱収縮するため、以下のような不具合が生じる。
例えば、超電導線材の熱収縮率が補強部材の熱収縮率よりも大きい場合、超電導線材の方が大きく収縮するため、超電導線材と金属電極との接合部（半田付け部分）に過大な負荷が生じ、損傷する虞がある。そして、接合部が損傷すると接続抵抗が大きくなるため、大電流を流すことが困難となる。
一方、超電導線材の熱収縮率が補強部材の熱収縮率よりも小さい場合、超電導線材に撓みが生じるだけであり、一見、超電導線材と金属電極との接合部に過大な負荷は生じないように考えられる。しかし、超電導線材の熱伝導率と補強部材の熱伝導率は異なるため、冷却の進行度合いも異なる。すなわち、熱伝導率の高い超電導線材の方が冷却の進行が速く、冷却初期の収縮量は補強部材よりも超電導線材の方が大きくなる。したがって、やはり超電導線材と金属電極との接合部には過大な負荷が生じることとなる。特に、酸化物超電導線材は、一般的に、熱伝導率の高いＡｇやＣｕからなる安定化層を有するため、かかる問題は顕著となる。
本発明の目的は、冷却時の熱収縮により超電導線材と金属電極との接合部が損傷するのを防止できる信頼性の高い超電導電流リードを提供することである。
本発明の超電導電流リードの一つの態様は、
金属基板上に中間層、超電導層、安定化層が順に積層されたテープ状の超電導線材と、前記超電導線材の両端部に接合される金属電極と、
前記超電導線材と前記金属電極とを含むリード本体を、前記リード本体の長手方向で所定の電極間距離となるように収容する補強部材と、
を備え、
前記補強部材は、前記長手方向に直交する方向において軸線を挟んで対向する位置に貫通して形成される貫通孔を有し、
前記金属電極は、前記貫通孔に対する位置に貫通して形成される電極側挿入孔を有し、
ピンが前記貫通孔及び前記電極側挿入孔に挿通されることにより、前記金属電極は、前記補強部材に対して前記長手方向に摺動可能に取り付けられ、
前記貫通孔の前記長手方向の長さが、前記ピンの前記長手方向の長さより長い、
構成を採る。
金属基板上に中間層、超電導層、安定化層が順に積層されたテープ状の超電導線材と、前記超電導線材の両端部に接合される金属電極と、
前記超電導線材と前記金属電極とを含むリード本体を、前記リード本体の長手方向で所定の電極間距離となるように収容する補強部材と、
を備え、
前記補強部材は、前記長手方向に直交する方向において軸線を挟んで対向する位置に貫通して形成される貫通孔を有し、
前記金属電極は、前記貫通孔に対する位置に貫通して形成される電極側挿入孔を有し、
ピンが前記貫通孔及び前記電極側挿入孔に挿通されることにより、前記金属電極は、前記補強部材に対して前記長手方向に摺動可能に取り付けられ、
前記貫通孔の前記長手方向の長さが、前記ピンの前記長手方向の長さより長い、
構成を採る。
本発明によれば、冷却時の熱収縮により超電導線材と金属電極との接合部が損傷するのを防止できる信頼性の高い超電導電流リードを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る超電導電流リード１０を用いた超電導磁石装置１を示す図である。図２は、超電導リード１０の外観図である。図３は、超電導線材１１の構成を模式的に示す斜視図である。図４は、超電導電流リードをＺ方向先端側から見た平面図である。図５は、図４におけるＩ−Ｉ矢視断面図である。図６は、図４におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。図７は、超電導電流リードをＹ方向基端側から見た正面図である。図８は、図７におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
図１に示すように、超電導磁石装置１は、超電導電流リード１０、常電導電流リード１９、超電導コイル２０、電源３０、及び低温容器４０等を備える。
低温容器４０は、内側の容器４１と外側の真空槽４２とからなる二重構造を有する。容器４１は冷凍機（図示略）に接続される。真空槽４２は真空ポンプ（図示略）に接続され、内部を真空状態に保持される。
超電導コイル２０は、超電導線材を巻線したコイルである。超電導コイル２０は、低温部となる容器４１内に配置される。超電導コイル２０は、超電導電流リード１０と接続するためのコイル電極２１を有する。
電源３０は、常温部となる低温容器４０外に配置される。電源３０は、常電導電流リード１９及び超電導電流リード１０を介して、超電導コイル２０に電流を供給する。常電導電流リード１９は、例えば銅線である。
超電導電流リード１０は、超電導線材１１、第１の電極１２、第２の電極１３、及び補強部材１４を有する。超電導電流リード１０は、容器４１内に配置される。超電導線材１１の高温側となる一端部は第１の電極１２に接続され、低温側となる他端部は第２の電極１３に接続される。なお、本実施の形態では、超電導線材１１を１本用いた超電導電流リード１０について説明するが、本発明は、超電導線材１１を複数本有する超電導電流リードに適用してもよい。
超電導線材１１は、図３に示すように、超電導層１１３を有するテープ状の線材である。超電導線材１１は、例えばテープ状の金属基板１１１上に、中間層１１２、超電導層１１３、安定化層１１４が順に形成された積層構造を有する。
金属基板１１１は、Ｎｉ合金（例えばハステロイ（登録商標））、Ｗ−Ｍｏ系、Ｆｅ−Ｃｒ系（例えばオーステナイト系ステンレス）、又はＦｅ−Ｎｉ系の材料に代表される低磁性の無配向金属基板である。
中間層１１２は、例えば金属基板１１１からの元素の拡散が超電導層１１３に及ぶのを防止するための第１の中間層（拡散防止層）と、超電導層１１３の結晶を一定の方向に配向させるための第２の中間層（配向層）など、複数の中間層を有する。第１の中間層は、例えばガリウムドープ酸化亜鉛層（ＧＺＯ）又はイットリウム安定化ジルコニア層（ＹＳＺ）で構成される。第１の中間層の成膜には、例えばイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ：Ion Beam Assisted Deposition）を適用できる。第２の中間層は、例えば酸化セリウム層（ＣｅＯ２）で構成される。第２の中間層の成膜には、例えばＲＦスパッタ法を適用できる。
超電導層１１３は、例えばＲＥ系超電導体（ＲＥ：Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ及びＹｂから選択される１又は２種以上の希土類元素）等の酸化物超電導体で構成される。ＲＥ系超電導体としては、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７で表されるイットリウム系超電導体が代表的である。超電導層１１３の成膜には、有機金属体積法（ＭＯＤ：Metal-organic deposition）、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ：Pulsed Laser Deposition）、スパッタ法、又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を適用できる。
超電導層１１３には、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｅのうち少なくとも１つを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子が磁束ピンニング点として分散していることが好ましい。この場合、超電導層１１３の成膜法としては、三フッ化酢酸塩（ＴＦＡ）を用いたＴＦＡ−ＭＯＤ法が好適である。例えば、ＴＦＡを含むＢａ溶液中に、Ｂａと親和性の高いＺｒ含有ナフテン酸塩等を混合することにより、ＲＥ系超電導体からなる超電導層１１３に、Ｚｒを含む酸化物粒子（ＢａＺｒＯ３）を磁束ピンニング点として分散させることができる。なお、超電導層１１３中に磁束ピンニング点を分散する手法は、公知の技術を適用することができる（例えば特開２０１２−０５９４６８号公報）。
超電導層１１３中に磁束ピンニング点を分散させることにより、超電導線材１１が湾曲した状態で用いられても、磁場の影響を受けにくく、安定した超電導特性が発揮される。
安定化層１１４は、超電導層１１３を保護するとともに、超電導状態が部分的に破れて抵抗が発生（常電導転移）した場合に電流を迂回させるための層である。安定化層１１４は、電気抵抗率が低く、熱伝導率の高い材料で構成されるのが好ましく、例えばＡｇ又はＣｕで構成される。安定化層１１４の成膜には、例えばスパッタ法を適用できる。
超電導線材１１の熱収縮率は、主として金属基板１１１に依存する。室温から７７Ｋに冷却した際のハステロイの熱収縮率は、０．２０４％である。また、超電導線材１１の熱伝導率は、主として金属基板１１１及び安定化層１１４に依存する。７７Ｋにおけるハステロイの熱伝導率は５．１６４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、Ａｇの熱伝導率は２３７．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
第１の電極１２（高温側電極）及び第２の電極１３（低温側電極）は、銅又は銅合金等の金属材料で構成される。第１の電極１２は、容器４１の底面近傍に配置され、導体引出部（図示略）を介して常電導電流リード１９に接続される。第１の電極１２の近傍の温度は、例えば７７Ｋである。第２の電極１３は、超電導コイル２０の近傍に配置され、超電導コイル２０のコイル電極２１に接続される。第２の電極１３の近傍の温度は、例えば４．２Ｋである。
第１の電極１２及び第２の電極１３は、それぞれ長手方向（Ｘ方向）における一方の端面に、超電導線材１１を固定するための固定溝１２ａ、１３ａを有する。固定溝１２ａ、１３ａの幅方向（Ｙ方向）両端は、開放されていてもよいし、閉塞されていてもよい。固定溝１２ａ、１３ａの高さ（Ｚ方向）は、超電導線材１１の厚みよりも若干大きく設定される。固定溝１２ａ、１３ａの深さ（Ｘ方向）は、超電導線材１１と強固に接合し、接続抵抗が充分小さく、かつ支持できる程度であればよい。
第１の電極１２の固定溝１２ａには、超電導線材１１の一方の端部が固定溝１２ａの底部に突き当たるまで挿入される。第２の電極１３の固定溝１３ａには、超電導線材１１の他方の端部が固定溝１３ａの底部に突き当たるまで挿入される。超電導線材１１と固定溝１２ａ、１３ａの隙間には溶融半田が充填される。すなわち、超電導線材１１の両端部のそれぞれと、第１の電極１２及び第２の電極１３は、半田付けにより接合され、電気的に接続される。
この超電導電流リード１０においては、固定溝１２ａ、１３ａに超電導線材１１が挿入されて接合されるので、リード本体の組立工程が極めて容易であり、また超電導電流リード１０の小型化を図る上でも有用である。
補強部材１４は、超電導線材１１と第１の電極１２と、第２の電極１３とを含むリード本体を、所定の電極間距離（第１の電極１２及び第２の電極１３間の距離であり、例えば、図５にＬｅで示す）を空けて、電極１２、１３同士が長手方向に移動自在となるように、収容する。
補強部材１４は、第１の電極１２及び第２の電極１３間に跨がって架設された筒状をなしており、超電導線材１１を覆っている。ここでは、補強部材１４は、中空の直方体部材であり、図６及び図７に示すように、天面が開口した収容部１４２及び開口を閉塞する蓋部１４１を有する。収容部１４２にリード本体が収容された後、収容部１４２の開口を閉塞するように蓋部１４１が接着される。
なお、補強部材１４は、超電導線材１１よりも熱伝導率が低い材料で構成されている。これにより、補強部材１４を介して外部から侵入する熱量（熱侵入量）を低減することができる。補強部材１４の材料としては、熱侵入量を低減する観点からは、繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）が好適である。７７ＫにおけるＧＦＲＰの熱伝導率は０．３９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、超電導線材１１の熱伝導率よりも著しく小さい。一方、超電導線材１１が破損したときに超電導磁石装置１を保護する観点からは、バイパスとして機能するステンレス合金、ニッケル基合金、チタン合金等が好適である。７７Ｋにおけるステンレス合金（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）の熱伝導率は７．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、超電導線材１１の熱伝導率よりも小さい。
補強部材１４は、リード本体を、収容部１４２内に収容し、リード本体の第１の電極１２、第２の電極１３が所定の電極間距離を空けた状態で、リード本体の長手方向、つまり、超電導線材１１の長手方向に摺動自在に支持している。
具体的には、補強部材１４の両端部には、図２、図７及び図８に示すように、貫通孔１４５、１４７が形成されている。
貫通孔１４５、１４７は、補強部材１４の長手方向（Ｘ、―Ｘ方向）に直交する方向において、軸線（電流リードの軸線であり、且つ、中心線）を挟んで対向する位置に貫通して形成されている。これら貫通孔１４５、１４７内に、第１の電極１２及び第２の電極１３の側面（ここでは両側面）から突出した突起１２２、１３２（図２、図８参照）が、移動自在に配置されている。
突起１２２、１３２は、それぞれ貫通孔１４５、１４７よりも外径が小さい。ここでは突起１２２、１３２と貫通孔１４５、１４７の双方における長手方向（Ｘ、―Ｘ方向）の長さが、突起１２２、１３２の方が短い。本実施の形態では、突起１２２、１３２は断面円形、貫通孔１４５、１４７は円形であるため、突起１２２、１３２の外径が、貫通孔１４５、１４７の直径よりも小さくなるように形成されている。この長さ（径）の差の分だけ、第１の電極１２及び第２の電極１３は、長手方向に摺動自在となっている。
突起１２２、１３２は、電極側挿入孔１２４、１３４に固定ピン１５Ａ、１５Ｂの両端部で形成されている。電極側挿入孔１２４、１３４は、貫通孔１４５、１４７に対する位置に貫通して形成される。電極側挿入孔１２４、１３４は、軸線（電流リードの軸線であり、且つ、中心線）を挟んで対向する位置に貫通して形成され、挿入される固定ピン１５Ａ、１５Ｂを一体手的に固定する。
固定ピン１５Ａ、１５Ｂは、貫通孔１４５、１４７及び電極側挿入孔１２４、１３４に挿通されている。詳細には、固定ピン１５Ａ、１５Ｂは、電極側挿入孔１２４、１３４に圧入されており、固定ピン１５Ａ、１５Ｂの両端部は、それそれ、第１の電極１２、第２の電極１３のそれぞれの両側面から突出し、且つ、貫通孔１４５、１４７内に位置している。
これら貫通孔１４５、１４７に位置する固定ピン１５Ａ、１５Ｂの両端部が、それぞれ突起１２２、１３２を構成する。
突起１２２、１３２を、貫通孔１４５、１４７内に配置することによって、超電導線材１１と金属製の第１の電極１２、第２の電極１３とを含むリード本体は、補強部材１４に対して、第１の電極１２、第２の電極１３を長手方向に摺動可能にした状態で位置決めされて収納される。なお、補強部材１４において、収容部１４２及び蓋部１４１には、貫通孔１４５、１４７が形成された部位を除いて、部分的に開口が形成されていてもよい。突起１２２、１３２を、貫通孔１４５、１４７内に配置することによって、第１の電極１２及び第２の電極１３は、補強部材１４に摺動可能に取り付けられた状態となる。
突起１２２、１３２を、貫通孔１４５、１４７内に配置することによって、超電導線材１１と金属製の第１の電極１２、第２の電極１３とを含むリード本体は、補強部材１４に対して、第１の電極１２、第２の電極１３を長手方向に摺動可能にした状態で位置決めされて収納される。なお、補強部材１４において、収容部１４２及び蓋部１４１には、貫通孔１４５、１４７が形成された部位を除いて、部分的に開口が形成されていてもよい。突起１２２、１３２を、貫通孔１４５、１４７内に配置することによって、第１の電極１２及び第２の電極１３は、補強部材１４に摺動可能に取り付けられた状態となる。
固定ピン１５Ａ、１５Ｂは、耐久性に優れるステンレス製であることが好ましい。また、固定ピン１５Ａ、１５Ｂは、中空ピンであることが好ましい。これにより、固定ピン１５Ａ、１５Ｂを熱伝達経路とする熱侵入を低減することができる。また、固定ピン１５Ａ、１５Ｂは、薄板を円筒状に巻いて形成したスプリングピンであることが好ましい。これにより、固定ピン１５Ａ、１５Ｂを熱伝達経路とする熱侵入を低減することができるだけでなく、第１の金属電極１２、第２の金属電極１３の電極側挿入孔１２４、１３４に内圧が作用するので、固定ピン１５Ａ、１５Ｂの抜け落ちを効果的に防止することができる。固定ピン１５Ａ、１５Ｂがスプリングピンのとき、両端部の径は、電極側挿入孔１２４、１３４内に圧入される部分の径と略同じとする。
突起１２２、１３２を固定ピン１５Ａ、１５Ｂで構成する場合、固定ピン１５Ａ、１５Ｂの径は、小径であれば、固定ピン１５Ａ、１５Ｂを熱伝達経路とする熱侵入を低減できる。加えて、この固定ピン１５Ａ、１５Ｂの径は、所定の強度を有する範囲で、貫通孔１４５、１４７の径とで、第１の電極１２、第２の電極１３の摺動距離を規定する。
図９は、図８において電極の移動を示す図であり、図１０は、図５において電極の移動を示す図であり、図１０Ａ、図１０Ｂは、図９Ａ、図９Ｂで示すそれぞれの状態に対応する。図９及び図１０においては、第１の電極１２、第２の電極１３のそれぞれが互いに最も接近した状態と、最も離れた状態とを示している。
図９及び図１０に示すように、第１の電極１２、第２の電極１３のそれぞれは、補強部材１４に対して、貫通孔１４５、１４７内における第１の電極１２、第２の電極１３の突起１２２、１３２における電極１２、１３同士の近付く方向及び離間する方向（長手方向）への移動距離Ｌ分、摺動可能となっている。
すなわち、第１の電極１２、第２の電極１３は、それぞれ摺動可能距離（長手方向、或いは、Ｘ方向及び−Ｘ方向の距離に相当）Ｌを摺動可能となっており、リード本体として最も短い全長と最も長い全長の差は２Ｌとなる。
差２Ｌがリード本体の摺動可能距離であり、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さ（ここでは直径）と、第１の電極１２、第２の電極１３側の固定ピン１５Ａ、１５Ｂ（突起１２２、１３２）の長手方向の長さ（ここでは直径）との差の合計である。つまり、差２Ｌは、２つの電極１２、１３の摺動距離Ｌの合計の距離である。貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さ（ここでは直径）は、第１の電極１２、第２の電極１３側の固定ピン１５Ａ、１５Ｂ（突起１２２、１３２）の長手方向の長さ（ここでは直径）より大きい。なお、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さは、少なくとも前記ピンの前記長手方向の長さより長い（大きい）必要があり、好ましくは、前記差２Ｌの摺動可能距離が、電極１２、１３間の離間距離が最も長いときの最長離間距離の５％以上の距離の長さである。
ここでは、超電導電流リード１０は、第１の電極１２、第２の電極１３間距離が最も短いときの全長Ｎから、電極１２、１３間の距離が最も長いときの全長Ｍ（Ｎ＋最大差２Ｌ）までの長さで変化する。
このように実施の形態の電流リード１０によれば、リード本体の第１の電極１２及び第２の電極１３は、補強部材１４に対して、所定の離間距離をあけた状態から、貫通孔１４５、１４７と固定ピン１５Ａ、１５Ｂの間の長手方向の直径の差（差２Ｌ）の長さ分、長手方向に摺動可能となっている。これにより、冷却時の熱収縮が生じても、第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３が補強部材１４に対して摺動して、超電導線材１１と金属第１の電極１２、第２の電極１３との接合部に負荷がかかることがない。よって、当該接合部の損傷を防止して、信頼性の高い超電導電流リードを提供できる。
また、補強部材１４に対して、第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３を、固定ピン１５Ａ、１５Ｂを圧入するという極めて簡単な作業により、超電導電流リード１０の長手方向、言い換えれば、電極１２、１３同士が離間する方向に沿って、摺動自在に取り付けることができる。
なお、本実施の形態の超電導電流リード１０では、超電導線材１１は、第１の電極１２及び第２の電極１３間で撓みを有する。超電導線材１１は、第１の電極１２及び第２の電極１３間の離間距離が少なくとも最小のとき、撓みを有している。ここでは、超電導線材１１は、第１の電極１２及び第２の電極１３間の離間距離が最小のときに加えて、最大のときにも撓みを有するようにしている（図１０Ａ、図１０Ｂ参照）。これにより、超電導線材１は、第１の電極１２及び第２の電極１３間において撓んだ状態で配置され、第１の電極１２及び第２の電極１３間において、直線状にならないように架設された状態になっている。
このように、超電導電流リード１０において、補強部材１４がＧＦＲＰやステンレス合金等で構成される場合、超電導線材１１の熱収縮率は補強部材１４の熱収縮率よりも小さい。この場合、熱伝導率の高い超電導線材１１の方が冷却の進行が速く、冷却初期の収縮量は補強部材１４よりも超電導線材１１の方が大きくなるため、超電導線材１１に撓みが形成されていなければ、超電導線材１１と第１の電極１２及び第２の電極１３との接合部に過大な負荷が生じる。
超電導電流リード１０によれば、第１の電極１２、第２の電極１３の摺動によって、冷却時に超電導線材１１に生じる熱収縮が吸収できることに加えて、超電導線材１１に形成された撓みによっても熱収縮が吸収できる。したがって、超電導線材１１と第１の電極１２及び第２の電極１３との接合部に過大な負荷が生じることはなく、高い信頼性が確保される。
また、超電導線材１１の熱収縮率が補強部材１４の熱収縮率よりも大きい場合は、冷却初期だけでなく、運転中の極低温環境下においても、熱収縮量の差によって超電導線材１１と第１の電極１２及び第２の電極１３との接合部に過大な負荷が生じる。この場合も、第１の電極１２、第２の電極１３の摺動によって、超電導線材１１に生じる熱収縮を吸収し、加えて、超電導線材１１に撓みでも、超電導線材１１に生じる熱収縮を吸収できる。したがって、超電導線材１１と第１の電極１２及び第２の電極１３との接合部に過大な負荷が生じるのを防止することができる。
なお、第１の電極１２、第２の電極１３の補強部材１４に対する、長手方向に摺動可能な摺動可能領域は、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さ（ここでは直径）と、固定ピン１５Ａ、１５Ｂの長手方向の長さ（ここでは直径）との差で設定される。本実施の形態の超電導電流リード１０は、突起１２２、１３２の直径＜補強部材１４の貫通孔１４５、１４７の直径としたが、貫通孔１４５、１４７を図１１の超電導電流リード１０Ａに示すように、長手方向に延在する長穴である貫通孔１４５Ａ、１４７Ａにしてもよい。
図１１に示す超電導電流リード１０Ａは、超電導電流リード１０と同様の構成において、貫通孔１４５、１４７の形状のみ異なる。超電導電流リード１０Ａにおいて、第１の電極１２、第２の電極１３の突起１２２、１３２が挿入される補強部材１４の貫通孔１４５Ａ、１４７Ａは、超電導電流リード１０Ａの長手方向に延在する長穴で形成している。なお、超電導電流リード１０Ａも超電導電流リード１０と同様の作用効果を得ることが出来る。
また、本実施の形態の超電導電流リード１０では、補強部材１４の貫通孔１４５、１４７内に配置される突起１２２、１３２を固定ピン１５Ａ、１５Ｂの両端部でそれぞれ構成したが、これに限らず、図１２の電極１３０に示すように、両側面のそれぞれに固定ピン１３４Ａ、１３４Ａを圧入して形成してもよい。電極１３０は、超電導電流リード１０の電極１３と固定ピン１３４Ａ、１３４Ａとの関係以外の構成は、同様の構成である。
また、突起１２２、１３２を構成する固定ピンは、ボルトも含み、ボルトの場合、ボルトを、第１の電極１２、第２の電極１３にそれぞれ挿入し、且つ、ボルトの両端部を、超電導電流リード１０の固定ピン１５Ａ、１５Ｂと同様に配置する。つまり、ボルトの両端部を、突起１２２、１３２とし、貫通孔１４５、１４７内に配置する構成となる。
［実施例１］
実施例１では、ＹＢＣＯからなる超電導層を有する２本の超電導線材（１本１００［Ａ］＠７７Ｋ、自己磁場中）を用意し、この両端部に、表面に錫めっき処理が施された無酸素銅製の金属電極を接合し、さらにＧＦＲＰ製の補強部材に、撓みの有る状態で収容して、実施の形態１と同様の構成の超電導電流リードを作製した。電極間距離Ｌｅ（図５参照）は最長離間時で１００ｍｍとし、第１の電極１２、第２の電極１３はそれぞれ補強部材１４に対して摺動する。なお、前記差２Ｌの摺動可能距離が、電極１２、１３の最長離間距離１００ｍｍの５％の距離である５ｍｍとなるように形成した。尚、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さは３．５ｍｍ、ピンの長手方向の長さは１ｍｍである。
［実施例２］
実施例１では、ＹＢＣＯからなる超電導層を有する２本の超電導線材（１本１００［Ａ］＠７７Ｋ、自己磁場中）を用意し、この両端部に、表面に錫めっき処理が施された無酸素銅製の金属電極を接合し、さらにＧＦＲＰ製の補強部材に、撓みの有る状態で収容して、実施の形態１と同様の構成の超電導電流リードを作製した。電極間距離Ｌｅは最長離間時で１００ｍｍとし、第１の電極１２、第２の電極１３はそれぞれ補強部材１４に対して摺動する。なお、前記差２Ｌの摺動可能距離が、電極１２、１３の最長離間距離１００ｍｍの０．２％の距離である０．２ｍｍとなるように形成した。尚、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さは１．１ｍｍ、ピンの長手方向の長さは１ｍｍである。
実施例１では、ＹＢＣＯからなる超電導層を有する２本の超電導線材（１本１００［Ａ］＠７７Ｋ、自己磁場中）を用意し、この両端部に、表面に錫めっき処理が施された無酸素銅製の金属電極を接合し、さらにＧＦＲＰ製の補強部材に、撓みの有る状態で収容して、実施の形態１と同様の構成の超電導電流リードを作製した。電極間距離Ｌｅ（図５参照）は最長離間時で１００ｍｍとし、第１の電極１２、第２の電極１３はそれぞれ補強部材１４に対して摺動する。なお、前記差２Ｌの摺動可能距離が、電極１２、１３の最長離間距離１００ｍｍの５％の距離である５ｍｍとなるように形成した。尚、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さは３．５ｍｍ、ピンの長手方向の長さは１ｍｍである。
［実施例２］
実施例１では、ＹＢＣＯからなる超電導層を有する２本の超電導線材（１本１００［Ａ］＠７７Ｋ、自己磁場中）を用意し、この両端部に、表面に錫めっき処理が施された無酸素銅製の金属電極を接合し、さらにＧＦＲＰ製の補強部材に、撓みの有る状態で収容して、実施の形態１と同様の構成の超電導電流リードを作製した。電極間距離Ｌｅは最長離間時で１００ｍｍとし、第１の電極１２、第２の電極１３はそれぞれ補強部材１４に対して摺動する。なお、前記差２Ｌの摺動可能距離が、電極１２、１３の最長離間距離１００ｍｍの０．２％の距離である０．２ｍｍとなるように形成した。尚、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さは１．１ｍｍ、ピンの長手方向の長さは１ｍｍである。
［参照例１］
実施例１と同様の電流リードにおいて、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さ、つまり、貫通孔１４５、１４７の直径を、固定ピン１５Ａ、１５Ｂの長手方向の長さ（固定ピン１５Ａ、１５Ｂの直径）と同じにし、２本の超電導線材１１を撓ませずに、補強部材１４に収容した。このときの、第１の電極１２、第２の電極１３の電極間距離Ｌｅは、１００ｍｍとした。
［参照例２］
参照例２では、実施例１と同様の構成を有する超電導電流リードにおいて、第１の電極１２、第２の電極１３の離間距離が最長の際に、超電導線材１１を撓ませずに補強部材１４に摺動自在に固定した。最長の電極間距離は１００ｍｍとしている。なお、前記差２Ｌの摺動可能距離が、電極１２、１３の最長離間距離１００ｍｍの０．２％の距離である０．２ｍｍとなるように形成した。尚、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さは１．１ｍｍ、ピンの長手方向の長さは１ｍｍである。
実施例１と同様の電流リードにおいて、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さ、つまり、貫通孔１４５、１４７の直径を、固定ピン１５Ａ、１５Ｂの長手方向の長さ（固定ピン１５Ａ、１５Ｂの直径）と同じにし、２本の超電導線材１１を撓ませずに、補強部材１４に収容した。このときの、第１の電極１２、第２の電極１３の電極間距離Ｌｅは、１００ｍｍとした。
［参照例２］
参照例２では、実施例１と同様の構成を有する超電導電流リードにおいて、第１の電極１２、第２の電極１３の離間距離が最長の際に、超電導線材１１を撓ませずに補強部材１４に摺動自在に固定した。最長の電極間距離は１００ｍｍとしている。なお、前記差２Ｌの摺動可能距離が、電極１２、１３の最長離間距離１００ｍｍの０．２％の距離である０．２ｍｍとなるように形成した。尚、貫通孔１４５、１４７の長手方向の長さは１．１ｍｍ、ピンの長手方向の長さは１ｍｍである。
実施例１、実施例２，参照例１及び参照例２に係る超電導電流リードについて、極低温環境下（７７）における臨界電流特性を評価した。具体的には、超電導電流リードの金属電極に熱伝導板を取り付け、伝導冷却により超電導電流リード全体を冷却し、臨界電流値Ｉｃを測定した。なお、外部磁場は０Ｔ（自己磁場中）とした。評価結果は、実施例１及び実施例２の超電導特性は、２００［Ａ］であり、参照例１の超電導特性は１００［Ａ］であり、参照例２の超電導特性は、１５０［Ａ］であった。また、各超電導電流リードの接続抵抗は、実施例１、実施例２が最も低く、次いで、参照例２、参照例１の順に高くなった。このように、各超電導電流リードを比較すると、実施例１、２の超電導特性が最も高い。すなわち、電極１２、電極１３が摺動し、且つ、超電導線材１１に撓みがある実施例１、２の構成が、冷却時に超電導線材が熱収縮しても、超電導線材と金属電極との接合部の接続抵抗を低減し、接合部自体の損傷を防止して高い信頼性を確保できることが判った。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
以上、本発明の実施の形態について説明した。なお、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。つまり、上記装置の構成や各部分の形状についての説明は一例であり、本発明の範囲においてこれらの例に対する様々な変更や追加が可能であることは明らかである。
本発明に係る超電導電流リードは、冷却時の熱収縮により超電導線材と金属電極との接合部が損傷するのを防止できる信頼性の高い効果を有し、超電導応用機器の分野に適用できるものとして有用である。
１ 超電導磁石装置
１０、１０Ａ 超電導電流リード
１１ 超電導線材
１２ 第１の電極（金属電極）
１２ａ、１３ａ 固定溝
１３ 第２の電極（金属電極）
１４ 補強部材
１５Ａ、１５Ｂ、１３４Ａ 固定ピン（ピン）
１９ 常電導電流リード
２０ 超電導コイル
３０ 電源
４０ 低温容器
１１１ 金属基板
１１２ 中間層
１１３ 超電導層
１１４ 安定化層
１２２、１３２ 突起
１２４ １３４ 電極側挿入孔
１３０ 電極
１４１ 蓋部
１４２ 収容部
１４５、１４５Ａ、１４７、１４７Ａ 貫通孔
１０、１０Ａ 超電導電流リード
１１ 超電導線材
１２ 第１の電極（金属電極）
１２ａ、１３ａ 固定溝
１３ 第２の電極（金属電極）
１４ 補強部材
１５Ａ、１５Ｂ、１３４Ａ 固定ピン（ピン）
１９ 常電導電流リード
２０ 超電導コイル
３０ 電源
４０ 低温容器
１１１ 金属基板
１１２ 中間層
１１３ 超電導層
１１４ 安定化層
１２２、１３２ 突起
１２４ １３４ 電極側挿入孔
１３０ 電極
１４１ 蓋部
１４２ 収容部
１４５、１４５Ａ、１４７、１４７Ａ 貫通孔
Claims (6)
- 金属基板上に中間層、超電導層、安定化層が順に積層されたテープ状の超電導線材と、前記超電導線材の両端部に接合される金属電極と、
前記超電導線材と前記金属電極とを含むリード本体を、前記リード本体の長手方向で所定の電極間距離となるように収容する補強部材と、
を備え、
前記補強部材は、前記長手方向に直交する方向において軸線を挟んで対向する位置に貫通して形成される貫通孔を有し、
前記金属電極は、前記貫通孔に対する位置に貫通して形成される電極側挿入孔を有し、
ピンが前記貫通孔及び前記電極側挿入孔に挿通されることにより、前記金属電極は、前記補強部材に対して前記長手方向に摺動可能に取り付けられ、
前記貫通孔の前記長手方向の長さが、前記ピンの前記長手方向の長さより長いことを特徴とする超電導電流リード。 - 前記ピンは、中空ピンであることを特徴とする請求項１に記載の超電導電流リード。
- 前記ピンは、薄板を円筒状に巻いて形成されるスプリングピンであることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導電流リード。
- 前記補強部材は、繊維強化プラスチックで構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超電導電流リード。
- 前記超電導層がＴＦＡ−ＭＯＤ法により形成され、
前記超電導層中に、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｅのうち少なくとも１つを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子が磁束ピンニング点として分散していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超電導電流リード。 - 前記安定化層が、Ａｇで構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超電導電流リード。
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