JP6314022B2 - 超電導電流リード及び超電導電流リードの製造方法 - 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構成される超電導電流リード及びこの製造方法に関する。
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（銅の数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。
従来の超電導電流リード５０を図１に示す。図１Ａは超電導電流リード５０の全体図である。図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ矢視断面図である。
図１Ａに示すように、超電導電流リード５０は、テープ状の超電導線材５１と、超電導線材５１の一端部（高温側）に配置される第１の金属電極５２、及び超電導線材５１の他端部（低温側）に配置される第２の金属電極５３を備える。図１Ｂに示すように、第１の金属電極５２は超電導線材５１が挿入される凹部５２１を有する。
一般に、接続作業が容易であり、良好な電気特性が得られることから、超電導線材５１と第１の金属電極５２とは半田によって接続される（例えば特許文献１）。具体的には、溶融した半田を金属電極５２の凹部５２１に充填した状態で、凹部５２１に超電導線材５１を挿入し、支持部材（図示略）によって鉛直に支持する。そして、冷却により半田が凝固すると、超電導線材５１は金属電極５２に固着される。つまり、超電導線材５１と金属電極５２とは、半田５６を介して電気的に接続されることになる。超電導線材５１と第２の金属電極５３との接続部も同様である。また、凹部５２１内に金属電極５２を挿入して、凹部５２１内に半田を充填することで超電導線材５１と金属電極５２とを接続してもよい。
しかしながら、上述した超電導線材の接続部においては、金属電極５２の凹部５２１に溶融した半田を充填して、凹部５２１に超電導線材５１を挿入して鉛直に支持する作業は難しく、熟練の作業が必要となる。これにより、超電導線材の超電導層側の面（第１の面）と金属電極との間に介在する半田層の厚さを所望の厚みにできず、接続抵抗が高くなるという問題がある。また、厚みにばらつきが生じると、金属電極５２において超電導線材５１に対する接続強度が低下する虞も生じる。
つまり、半田層の厚さを均一に制御しにくく、所望の接続抵抗を安定的に得ることが困難となる。特に、複数の超電導線材を並べて１つの金属電極に接続する場合、それぞれの接続部間で接続抵抗のばらつきが大きくなり、クエンチの原因となる偏流が生じる虞がある。
本発明の目的は、接続抵抗を低減して安定的に得ることができるとともに、接続強度が高く、安定した超電導特性を有する信頼性の高い超電導電流リード及び超電導電流リードの製造方法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する金属電極と、
前記超電導線材と前記金属電極とを含むリード本体を収容する補強部材と、
を備え、
前記金属電極は、複数の分割体からなり、且つ、前記複数の分割体の接合面にて前記超電導線材の端部を挟持して前記超電導線材と接合し、
前記補強部材は、前記超電導線材が前記金属電極間において撓みを有するように、所定の電極間距離で前記リード本体を収容している、
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する金属電極と、
前記超電導線材と前記金属電極とを含むリード本体を収容する補強部材と、
を備え、
前記金属電極は、複数の分割体からなり、且つ、前記複数の分割体の接合面にて前記超電導線材の端部を挟持して前記超電導線材と接合し、
前記補強部材は、前記超電導線材が前記金属電極間において撓みを有するように、所定の電極間距離で前記リード本体を収容している、
構成を採る。
本発明の超電導電流リードの製造方法の一つの態様は、
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補強部材に収容して超電導電流リードを製造する超電導電流リードの製造方法において、
前記金属電極は複数の分割体から構成されており、
前記複数の分割体の間に前記超電導線材の端部を配置する配置工程と、
前記複数の分割体によって前記超電導線材を押圧した状態で、前記複数の分割体の接合面にて前記超電導線材を半田にて接続する接続工程と、
前記超電導線材に接合した前記金属電極を、前記補強部材に、前記超電導線材が前記金属電極間において撓みを有するように所定の電極間距離をあけて収容する工程と、
を有するようにした。
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補強部材に収容して超電導電流リードを製造する超電導電流リードの製造方法において、
前記金属電極は複数の分割体から構成されており、
前記複数の分割体の間に前記超電導線材の端部を配置する配置工程と、
前記複数の分割体によって前記超電導線材を押圧した状態で、前記複数の分割体の接合面にて前記超電導線材を半田にて接続する接続工程と、
前記超電導線材に接合した前記金属電極を、前記補強部材に、前記超電導線材が前記金属電極間において撓みを有するように所定の電極間距離をあけて収容する工程と、
を有するようにした。
本発明によれば、接続抵抗を低減して安定的に得ることができるとともに、接続強度が高く、安定した超電導特性を有する信頼性の高い超電導電流リードを提供できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図２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３は、本発明の一実施の形態に係る超電導電流リード１０における超電導線材１１の構成を模式的に示す図である。図４は、本発明の一実施の形態の超電導電流リード１０の斜視図である。
図２に示す超電導磁石装置１は、超電導電流リード１０、常電導電流リード３５、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、低温容器４０外である常温部に配置される。電源３０は、常電導電流リード３５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３５は、例えば銅線である。
超電導電流リード１０は、図２に示すように複数のテープ状の超電導線材１１、第１の電極１２−１、第２の電極１２−２、及び補強部材（ここでは、筒状の補強部材として筒状補強部材と称する）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。超電導電流リード１０では、超電導線材１１の高温側となる一端部は第１の電極１２−１に接続され、低温側となる他端部は第２の電極１２−２に接続される。超電導電流リード１０は、常態時において、第１の電極１２−１、超電導線材１１及び第２の電極１２−２が直線状に並ぶように、形成されている。超電導電流リード１０は、第１の電極１２−１で、所定位置に配置された常電導電流リード３５に接続された導体引出部（図示略）に接続され、第２の電極１２−２で、所定位置に配置された超電導コイル２０のコイル電極２１に接続されている。
超電導電流リード１０では、超電導線材１１を複数本（ここでは２本）備えた構成としたが、これに限らず、超電導線材１１を１本用いた構成としてもよいし、３本以上備えた構成にしてもよい。
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しており、可撓性を有する。
金属基板１１１は、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ系（具体的には、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ系のハステロイ（登録商標）Ｂ、Ｃ、Ｘ等）、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（例えば、非磁性の組成系のもの）等の材料に代表される低磁性の結晶粒無配向・耐熱高強度金属基板である。
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。また、２層以上の構造を有する中間層１１２として、第１の中間層としてのＧＺＯ層と、ＣｅＯ２層との間に、ＩＢＡＤ法によりなるＭｇＯ層、スパッタリング法によりなるＬａＭｎＯ３層を順に積層したものとしてもよい。
超電導層１１３は、例えばＲＥＢａｙＣｕ３Ｏｚ系超電導体（ＲＥは、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であり、ｙ≦２及びｚ＝６．２〜７）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、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｂのうち少なくとも１つを含む５０［ｎｍ］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、主に水分等から超電導層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において、超電導層１１３側（安定化層１１４側）の面を第１面１１ａと称し、金属基板１１１側の面を第２面１１ｂと称する。
第１の電極１２−１（高温側電極）及び第２の電極１２−２（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１２−１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３５に接続される。第１の電極１２−１の近傍の温度は、例えば７７Ｋである。第２の電極１２−２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１２−２の近傍の温度は、例えば４．２Ｋである。
図５は、本発明の一実施の形態の超電導電流リード１０を示す図であり、図５Ａは超電導電流リード１０の平面図、図５Ｂは、同超電導電流リード１０の側面図である。図６は、図５におけるＩＩ−ＩＩ線矢視断面図であり、図７は、図６のＩＩＩ−ＩＩＩ線で示す部分の断面図である。図８は、図５におけるＩＶ−ＩＶ線矢視断面図であり、図９は、電極の構成を示す分解斜視図である。なお、図９では、接合面１２２ａ、１２４ａ間の半田１３は省略している。
図６及び図８に示すように、第１の電極１２−１及び第２の電極１２−２は、それぞれ接続する超電導線材１１の延在方向（超電導電流リードの長手方向でもある）における一方の端面（電極同士の互いに対向する端面）に超電導線材１１が取り付けられている。
なお、第１の電極１２−１と第２の電極１２−２は、本実施の形態では同形状に構成され、超電導線材１１の両端部のそれぞれに、同様の状態で接合されている。これにより、第１の電極１２−１と第２の電極１２−２の構成を電極１２とも称して、超電導線材１１との接続構造とともに説明する。
電極１２（１２−１、１２−２）は、複数に分割される分割体（第１、第２分割体１２２、１２４）を有し、且つ、分割体で超電導線材１１の端部を挟持して超電導線材１１に接合される。電極１２は、超電導線材１１の両端部にそれぞれ接合されることによってリード本体を構成する。
ここでは、電極１２は、図６及び図８に示すように、超電導線材１１の端部が接合する接合面１２２ａ（図８及び図９参照）を有する第１分割体１２２と、第１分割体における接合面１２２ａとともに超電導線材１１を挟持する第２分割体１２４と、を備える。
第１分割体１２２は、第２分割体１２４の接合面１２４ａとともに超電導線材１１を挟む接合面１２２ａを備える接合部１２２１と、筒状補強部材１４に固定される固定部１２２２と、端子接続部１２２３と、を有する。
図８及び図９に示すように、本実施の形態では、電極１２は円柱状であり、接合部１２２１は、第２分割体１２４とともに断面半円状の半割の円柱状に形成されている。この接合部１２２１は、円柱状の固定部１２２２の一端面から突出するように形成され、固定部１２２２の他端面には、端子接続部１２２３が、筒状補強部材１４の外部で露出した状態で突出して形成されている。なお、電極１２は、角柱状で形成してもよく、その場合、接合部１２２１や、第２分割体１２４は、断面矩形状の直方体状に形成される。
本実施の形態では、第１の電極１２−１、第２の電極１２−２は、接合部１２２１と第２分割体１２４とで円柱状に形成され、所定の距離（電極間距離）を空けて互いに対向して配置されている。
そして、第１分割体１２２の接合部１２２１の接合面１２２ａと、第２分割体１２４の接合面１２４ａとの間には、超電導線材１１が配置されている。超電導線材１１は、接合面１２２ａ、１２４ａのそれぞれに半田１３を介して接合されている。
超電導線材１１は、電極１２間で、長手方向に延在するように配置され、電極１２間で架設した状態となっている。なお、本実施の形態では、リード本体が筒状補強部材１４に収容されたときに、超電導線材１１は、第１の電極１２−１と第２の電極１２−２との電極間において撓みを有している（図８参照）。
詳細には、接合面１２２ａに対して、超電導線材１１が、超電導層１１３側（安定化層１１４側）の面である第１面１１ａを対向させている。
ここでは、接合面１２２ａ、１２４ａ間に、複数の超電導線材１１の端部が並列で配置されており、それぞれの超電導線材１１の第１面１１ａが、接合面１２２ａに対向している。そして、これら第１面１１ａが、接合面１２２ａに半田１３を介して接合されて、超電導線材１１と電極１２とが電気的に接続される。この接合構造によって、超電導線材１１からの電流は、第１分割体１２２及び第２分割体１２４との長手方向に垂直な接合面を通ることなく、第１分割体１２２の接合部１２２１、固定部１２２２、端子接続部１２２３の順に導通する。
また、第１分割体１２２と第２分割体１２４は、接合面１２２ａ、１２４ａ間にある超電導線材１１の端部に対して、接合面１２２ａ、１２４ａの全面で互いを押圧した状態で半田１３とともに挟持した状態で固定されている。これにより、第１分割体１２２と第２分割体１２４を備える電極１２と超電導線材１１との接続強度の向上が図られている。
固定部１２２２は、接合部１２２１と端子接続部１２２３との間に介設されている。固定部１２２２は、ここでは、酸化物超電導線材１１を挟持した状態の接合部１２２１及び第２分割体１２４の外径と略同じ或は同じ外径の円柱状に形成されている。固定部１２２２は、筒状補強部材１４に対して、筒状補強部材１４の外部に端子接続部１２２３を露出させた状態で、固定ピン１５を介して固定されている。
端子接続部１２２３は、超電導電流リード１０の端部を構成する。すなわち、第１の電極１２−１における端子接続部１２２３は、常電導電流リード３５（図２参照）に接続された導体引出部（図示略）に導通可能に接続され、第２の電極１２−２における端子接続部１２２３は、超電導コイル２０のコイル電極２１（図１参照）に導通可能に接続される。
筒状補強部材１４は、超電導線材１１を覆う筒状体であり、超電導線材１１の両端部に電極１２がそれぞれ接合されたリード本体を、電極１２間を所定距離空けた状態で収容し、支持する。筒状補強部材１４は、超電導線材１１を覆うように、電極１２（１２−１、１２−２）間に架設されている。
筒状補強部材１４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。
筒状補強部材１４は、超電導線材１１よりも熱伝導率が低いことが望ましい。これにより、外部からの熱侵入量を低減することができる。熱侵入量を低減する観点からは、ＧＦＲＰ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。また、７７ＫにおけるＧＦＲＰの熱収縮率は０．２１３％であり、超電導線材１１の熱収縮率よりも大きい。
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。また、７７Ｋにおけるステンレス合金（ＳＵＳ３０４）の熱収縮率は０．２８１であり、超電導線材１１の熱収縮率よりも大きい。
このように構成された超電導電流リード１０によれば、超電導線材１１の両端部で接合される電極１２は、複数に分割される第１分割体１２２、第２分割体１２４を有し、第１分割体１２２、第２分割体１２４によって超電導線材１１の端部を挟持して、電極１２は、超電導線材１１に接合されている。これにより、第１分割体１２２、第２分割体１２４の間の超電導線材１１の端部は、第１分割体１２２、第２分割体１２４に対して安定した状態で、均一に接合される。これにより、電極１２間における半田１３も極めて薄く、均一になり、この半田１３とともに第１分割体１２２、第２分割体１２４に均一に接合される。よって、所望の接続抵抗を安定的に得ることができるとともに、接続抵抗を低減できる。
次に、図１０を参照して超電導電流リード１０の製造方法について説明する。図１０は、超電導電流リードの製造方法を模式的に示す図である。
先ず、図１０Ａに示すように、電極１２において、第１分割体１２２の接合部１２２１の接合面１２２ａと、第２分割体１２４の接合面１２４ａとの間に超電導線材１１を配置する。なお、図１０では、超電導線材１１、接合面１２２ａ、１２４ａのそれぞれに半田メッキ１３１を施しているが、これに限らず、接合時に接合面１２２ａ、１２４ａの間に充填するようにしてもよい。
そして、図１０Ｂに示すように、第１分割体１２２の接合部１２２１と、第２分割体１２４との間に超電導線材１１を配置する。このとき超電導線材１１は、安定化層１１４（図３参照）側の第１面１１ａを接合面１２２ａ側に向けて、接合面１２２ａと対向させた状態で配置する。
そして、図示しない加熱装置等を用いて、図１０Ｃに示すように、接合面１２２ａ、１２４ａを加熱、詳細には、接合面１２２ａ、１２４ａを加熱間の半田メッキ１３１を加熱して若干溶融する。ここでは、１９５［℃］〜１９７［℃］で加熱する。このとき、第１分割体１２２と第２分割体１２４とは、互いの接合面１２２ａ、１２４ａ間に超電導線材１１を配置した状態で仮止めしている。よって、第２分割体１２４の自重などによって接合面１２２ａ、１２４ａ間が狭くなる。
次いで、押圧治具を用いて、第１分割体１２２の接合面１２２ａと、第２分割体１２４の接合面１２４ａとを所定の圧力で互いに押し付け合わせる。押圧治具は、第１分割体１２２と第２分割体１２４とを、超電導線材１１の挟持方向と同方向で挟むように配置された一対の金属板と、第１分割体１２２と第２分割体１２４を囲むように金属板間に架設される複数（例えば４つ）のボルトとを有する。つまり、所定のトルク（例えば、０．１［Ｎ・ｍ］）で管理してボルト（例えば、直径４［ｍｍ］）を締め付けることで、第１分割体１２２と第２分割体１２４を挟む方向に圧力をかける。これにより、第１分割体１２２の接合面１２２ａと第２分割体１２４の接合面１２４ａとが互いに全面的に均一に押圧し合う。すると、接合面１２２ａ、１２４ａ間で、余剰の半田は外部に流れて、接合面１２２ａ、１２４ａ同士が、超電導線材１１を介して全面的に均一に押圧されながら加熱されて（つまり、半田１３を介して）接合される。これにより、接続強度が高くなり、超電導線材１１が外れにくくなるとともに、接触抵抗を小さくできる。
このように、電極１２−１、１２−２と超電導線材１１の接合は、第１分割体１２２、第２分割体１２４の間に超電導線材１１の端部を配置し（配置工程）、次いで、第１分割体１２２、第２分割体１２４によって超電導線材を押圧した状態で、第１分割体１２２、第２分割体１２４の接合面１２２ａ、１２４ａと超電導線材１１とを半田１３にて接続する（接続工程）。次いで、超電導線材１１に接合した電極１２は、筒状補強部材１４に、所定間隔を開けて収容するとともに、固定ピン１５を介して固定されることによって超電導電流リードを製造する。
なお、超電導電流リード１０において、電極１２は、複数に分割される分割体（ここでは、第１分割体１２２、第２分割体１２４）からなる構成としたが、これに限らず、３つ以上の分割体で構成してもよい。すなわち、超電導電流リードにおいて、複数の分割体の接合面によって超電導線材１１の端部をそれぞれ挟持すれば、電極１２はどのように構成されてもよい。
このような電極の変形例を図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は、本発明の一実施の形態の超電導電流リードの変形例１の要部構成を示す斜視図であり、図１２は、本発明の一実施の形態の超電導電流リードの変形例１の要部構成を示す断面図である。
図１１及び図１２に示す電極１２Ａは、２本の超電導線材１１を、互いの基板側の面、つまり、第２面１１ｂで張り合わせた線材対１１０の端部が接続されている。
電極１２Ａは、線材対１１０の端部を互いの接合面１２２１ａ、１２４１ａで挟持する第１分割体１２２Ａと、第２分割体１２４Ａとを有する。
第１分割体１２２Ａ及び第２分割体１２４Ａは、長手方向に延在する超電導電流リードの中心線に対して対称に形成されている。具体的には、第１分割体１２２Ａ及び第２分割体１２４Ａは、同形状に形成されており、接合面１２２１ａ、１２４１ａは、それぞれ底面の一部を構成し、底面を合わせた際に、合わせた底面を中心に上下で対称形状になるように形成されている。
第１分割体１２２Ａ及び第２分割体１２４Ａの接合面１２２１ａ、１２４１ａは、互いに対向配置されている。接合面１２２１ａ、１２４１ａは、線材対１１０における超電導線材１１のそれぞれを挟持する。第１分割体１２２Ａ及び第２分割体１２４Ａは、互いを接合した際に、接合面１２２１ａ、１２４１ａを含む長手方向に延びる部分で、線材対１１２０（超電導線材１１）を挟持する接合部１２２１Ａを構成する。また、接合部１２２１Ａに連続して、図示しない補強部材に固定される固定部１２２２Ａと、端子接続部１２２３Ａとを構成している。なお、接合部１２２１Ａ及び固定部１２２２Ａの外形を、ここでは、角柱状（具体的には、直方体状）として図示しているが、これに限らず、円柱状に形成してもよい。この場合、接合部１２２１Ａ及び固定部１２２２Ａを構成する第１分割体１２２Ａ、第２分割体１２４Ａの部位は、断面半円状に形成される。
電極１２Ａの接合部１２２１Ａにおいて、線材対１１０において上下に配置された超電導線材１１、１１のそれぞれの第１面１１ａが、第１分割体１２２Ａ及び第２分割体１２４Ａの接合面１２２１ａ、１２４１ａのそれぞれに半田１３Ａを用いて接合されている。
このように線材対１１０の端部が接合された一対の電極１２Ａは、図４で示す超電導電流リード１０と同様に、所定間隔を開けて、電極１２Ａに対応した外径を有し、筒状補強部材１４と同様の材料からなる角筒状の補強部材により、支持された状態で収容される。これにより、電極１２Ａを用いた超電導電流リードが形成される。
また、この電極１２Ａの第１分割体１２２Ａ及び第２分割体１２４Ａは、電極１２の第１分割体１２２及び第２分割体１２４と同様に、接合面１２２ａ、１２４ａで、線材対１１０の超電導線材１１を挟み、互いを押圧しつつ、超電導線材１１に接合されている。例えば、接合面１２２ａ、１２４ａ間に線材対１１０を配置して、上述した押圧治具を、電極１２の製造と同様に設置する。すなわち、線材対１１０を間に配置した第１分割体１２２Ａ、第２分割体１２４Ａを挟むように、上下に一対の金属板を配置して、ボルトを所定のトルク（０．１［Ｎ・ｍ］）で管理して締め付ける。すると、第１分割体１２２Ａ、第２分割体１２４Ａに対し超電導線材１１を挟持する方向に圧力がかかり、接合面１２２ａ、１２４ａは、線材対１１０に押し付けられる。これにより、接合面１２２ａ、１２４ａは、超電導線材１１に対して、接続強度が高くなり、且つ、接続抵抗値が下がった状態で接合されることになる。
このように構成されているため、電極１２Ａを用いた超電導電流リードは、超電導電流リード１０と同様の作用効果を奏する。
なお、電極１２Ａの構成によれば、図１１及び図１２で示したように、超電導線材１１を、第２面１１ｂ側を張り合わせて線材対１１０とした場合、第１面１１ａは、線材対１１０の表裏側でそれぞれ露出し、それぞれに対向配置される接合面１２２ａ、１２４ａに接合される。
ここでは、接合面１２２ａ、１２４ａを有する分割体は、端子接続部に相当する部位を含めて上下で対称、つまり、同形状に形成されている。これにより、線材対１１０と電極１２Ａとに通電しても、偏流が生じることがない。
実施例１として、図４〜図１０で示す実施の形態における超電導電流リード１０を制作した。具体的には、電極１２に２本の超電導線材を並列に配置し、これら超電導線材の端部を接合した。そして、複数のサンプルについて、超電導線材と電極との接続部の評価を行った。具体的には、超電導電流リードを液体窒素中（７７Ｋ）に配置し、超電導線材と低温側電極との接続部の接続抵抗の測定を行い、接続抵抗値は０．８［μΩ］であった。
実施例２として、実施例１で用いた超電導線材と、実施例１と同様の材料からなる補強部材と、図１１及び図１２に示す電極とを用いて、超電導電流リードを製作した。
実施例２では、図１１及び図１２に示す構成において、電極１２Ａに、２本の超電導線材１１、１１を対にして構成した接続対１１を２つ並列に接合した。すなわち、実施例２の超電導電流リードでは、図１１及び図１２に示す電極１２Ａに、並列配置された２つの線材対１１０（超電導線材１１は合計４本）の端部をそれぞれ接合した。そして、実施例１と同様に、超電導線材１１と電極との接続部の評価を行った。超電導線材と低温側電極との接続部の接続抵抗値は、０．４［μΩ］であった。
また、比較例１として、実施例１の超電導線材と同様の超電導線材を２本用いて、図１で示す従来の超電導電流リードを製作した。このとき、電極の外径は、実施例１における電極の外径と同様にした。更に、比較例２として、実施例１の超電導線材と同様の超電導線材を４本用いて、図１で示す従来の超電導電流リードを製作した。そして、これら比較例１、比較例２においても、実施例１、実施例２と同様の評価を行った。比較例１における超電導線材と低温側電極との接続部の接続抵抗値は、２．５［μΩ］であった。また、比較例２における超電導線材と低温側電極との接続部の接続抵抗値は、１．２［μΩ］であった。
この結果、超電導線材１１を２本用いた実施例１と比較例１とを比べると、実施例１の接続抵抗値は、比較例１の接続抵抗値よりも低いことが判った。また、分割した電極である分割体１２２、１２４で超電導線材１１を押圧しながら接続した実施例１は、押圧せずに両者を接続した比較例１よりも接続強度は大きかった。また、超電導線材を４本用いた実施例２と比較例２とを比べると、実施例２の接続抵抗値は、比較例２の接続抵抗値よりも低いことが判った。また、分割した電極である分割体１２２Ａ、１２４Ａ、１２６で超電導線材１１を押圧しながら接続した実施例２は、押圧せずに両者を接続した比較例２よりも接続強度は大きかった。
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及び超電導電流リードの製造方法は、接続抵抗を低減して安定的に得ることができるとともに、接続強度が高く、安定した超電導特性を有する超電導電流リードを提供するものとして有用である。
１ 超電導磁石装置
１０ 超電導電流リード
１１ 超電導線材
１１ａ 第１面
１１ｂ 第２面
１２、１２Ａ 電極
１２−１ 第１の電極（常温側電極）
１２−２ 第２の電極（低温側電極）
１３、１３Ａ 半田
１４ 筒状補強部材
１５ 固定ピン
２０ 超電導コイル
２１ コイル電極
３０ 電源
４０ 低温容器
１１０ 線材対
１１１ 金属基板
１１２ 中間層
１１３ 超電導層
１１４ 安定化層
１２２、１２２Ａ 第１分割体
１２２ａ、１２４ａ、１２２１ａ、１２４１ａ 接合面
１２４、１２４Ａ 第２分割体
１３１ 半田メッキ
１２２１、１２２１Ａ 接合部
１２２２、１２２２Ａ 固定部
１２２３、１２２３Ａ 端子接続部
１０ 超電導電流リード
１１ 超電導線材
１１ａ 第１面
１１ｂ 第２面
１２、１２Ａ 電極
１２−１ 第１の電極（常温側電極）
１２−２ 第２の電極（低温側電極）
１３、１３Ａ 半田
１４ 筒状補強部材
１５ 固定ピン
２０ 超電導コイル
２１ コイル電極
３０ 電源
４０ 低温容器
１１０ 線材対
１１１ 金属基板
１１２ 中間層
１１３ 超電導層
１１４ 安定化層
１２２、１２２Ａ 第１分割体
１２２ａ、１２４ａ、１２２１ａ、１２４１ａ 接合面
１２４、１２４Ａ 第２分割体
１３１ 半田メッキ
１２２１、１２２１Ａ 接合部
１２２２、１２２２Ａ 固定部
１２２３、１２２３Ａ 端子接続部
Claims (5)
- 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する金属電極と、
前記超電導線材と前記金属電極とを含むリード本体を収容する補強部材と、
を備え、
前記金属電極は、複数の分割体からなり、且つ、前記複数の分割体の接合面にて前記超電導線材の端部を挟持して前記超電導線材と接合し、
前記補強部材は、前記超電導線材が前記金属電極間において撓みを有するように、所定の電極間距離で前記リード本体を収容している、
ことを特徴とする超電導電流リード。 - 複数の前記超電導線材を有し、
前記複数の前記超電導線材が、各々の前記分割体の接合面に接続されてな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。 - 前記複数の分割体は、前記超電導線材の端部を互いの接合面で挟持する第１分割体と第２分割体とを有し、
前記第１分割体及び前記第２分割体は、同形状に形成されている、
ことを特徴とする請求項１または２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５０μｍ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又は２のいずれか一項に記載の超電導電流リード。 - 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補強部材に収容して超電導電流リードを製造する超電導電流リードの製造方法において、
前記金属電極は複数の分割体から構成されており、
前記複数の分割体の間に前記超電導線材の端部を配置する配置工程と、
前記複数の分割体によって前記超電導線材を押圧した状態で、前記複数の分割体の接合面にて前記超電導線材を半田にて接続する接続工程と、
前記超電導線材に接合した前記金属電極を、前記補強部材に、前記超電導線材が前記金属電極間において撓みを有するように所定の電極間距離をあけて収容する工程と、
を有する、
ことを特徴とする超電導電流リードの製造方法。
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