JP6353334B2 - 超電導電流リード - Google Patents

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磁石装置等、超電導を利用した超電導応用機器の分野では、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であり、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。

一般に、超電導電流リードは、テープ状の超電導線材、超電導線材の長さ方向の一端部（高温側）に配置される第１の金属電極、及び超電導線材の長さ方向の他端部（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。特許文献１、２には、超電導線材、第１の金属電極、及び第２の金属電極からなるリード本体を補強部材に収容した超電導電流リードが開示されている。

ところで、超電導磁石装置においては、超電導コイルに電流が流れることによって磁場が発生するため、この磁場によるローレンツ力が超電導電流リードに作用する（図１参照）。ローレンツ力のＺ成分が作用することにより、超電導線材には厚さ方向の曲げ歪み（以下「フラットワイズ曲げ歪み」と称する）が生じる。また、ローレンツ力のＹ成分が作用することにより、超電導線材には幅方向の曲げ歪み（以下「エッジワイズ曲げ歪み」と称する）が生じる。フラットワイズ曲げ歪み及びエッジワイズ曲げ歪みは、超電導特性（例えば通電特性）の低下を招き、超電導線材の破損に繋がる虞がある。通常、フラットワイズ曲げ歪みを抑制するために、超電導線材のテープ面と磁場の向きが直交するように超電導電流リードは配置される。

特許文献３には、ローレンツ力による超電導線材のフラットワイズ曲げ歪みを抑制するために、超電導線材のテープ面と平行に変位規制部材を配置した超電導電流リードが開示されている。特許文献３に記載の超電導電流リードは、磁場の向きが超電導線材の幅方向と一致する場合、すなわち超電導線材に厚さ方向のローレンツ力が生じる場合に有効である。

なお、特許文献１には、補強部材の超電導線材のテープ面に対向する面に緩衝材を配置して、テープ面を支持する構造が開示されているが、ローレンツ力による超電導線材のフラットワイズ曲げ歪みを抑制するものではない。

特開平０７−２９７０２５号公報 特開２０１１−２１１１１０号公報 特開２０１２−９９５７３号公報

しかしながら、特許文献３に記載の超電導電流リードは、磁場の向きが超電導線材の幅方向と一致するように超電導電流リードを配置しなければ、効果的に機能しない。すなわち、超電導線材の厚さ方向にローレンツ力が作用するように超電導電流リードを配置しなければ、少なからずエッジワイズ曲げ歪みが生じてしまう。

このように、特許文献３に記載の超電導電流リードは、磁場の向きを考慮して配置する必要があるという使用上の制約があり、設計又は設置の自由度が低い。また、変位規制部材を備えていない従来の超電導電流リードは、超電導線材に生じるフラットワイズ曲げ歪み及びエッジワイズ曲げ歪みの両方を効果的に抑制することはできない。

本発明の目的は、超電導電流リードの配置態様に関わらず超電導線材に生じる曲げ歪み（フラットワイズ曲げ歪み及びエッジワイズ曲げ歪み）を抑制でき、曲げ歪みに起因する超電導特性（例えば臨界電流値Ｉｃ）の劣化を防止することができる超電導電流リードを提供することである。

本発明に係る超電導電流リードは、
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、
前記超電導線材の長さ方向両端部のそれぞれ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、所定の金属電極間距離となるように位置決めした状態で収容する補強部材と、を備え、
前記補強部材は、前記超電導線材の両テープ面のそれぞれに対向する第１の規制部と、前記超電導線材の幅方向両端面のそれぞれに対向する第２の規制部と、を有し、
前記超電導線材は、前記第１の規制部と前記第２の規制部とで形成される空間に、厚さ方向に撓んだ状態で挟装されていることを特徴とする。

本発明によれば、磁場中に配置されたときに生じうるフラットワイズ曲げ歪みが第１の規制部によって規制されるとともに、エッジワイズ曲げ歪みが第２の規制部によって規制されるので、曲げ歪みに起因して超電導特性が著しく低下するのを防止することができる。したがって、超電導電流リードは、良好な超電導特性を有するものとなる。また、超電導電流リードの配置態様が制約されないので、超電導応用機器の設計又は設置の自由度が格段に向上する。

超電導線材に作用するローレンツ力を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る超電導電流リードを用いた超電導磁石装置を示す図である。 超電導リードの外観図である。 超電導線材の一般的な構成を示す図である。 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７におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。 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５におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視断面図である。 図６におけるＩＸ−ＩＸ矢視断面図である。 第２の実施の形態に係る超電導電流リードの断面図である。 図１０におけるＸＩ−ＸＩ矢視断面図である。

［第１の実施の形態］
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２に示すように、超電導磁石装置１は、超電導電流リード１０、超電導コイル２０、電源３０、常電導電流リード３１、及び低温容器４０等を備える。超電導磁石装置１は、常電導電流リード３１及び超電導電流リード１０を介して超電導コイル２０が通電されることにより、磁力を発生する。

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３１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３１は、例えば銅線である。

図３は、超電導リード１０の外観図である。図４は、超電導線材１１の一般的な構成を示す図である。図５は、超電導電流リード１０をＺ方向先端側から見た平面図である。図６は、図７におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。図７は、超電導電流リード１０をＹ方向基端側から見た正面図である。図８は、図５におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視断面図である。図９は、図６におけるＩＸ−ＩＸ矢視断面図である。図９Ａは補強部材１４の収容部１４Ａに蓋部１４Ｂが取り付けられた状態を示し、図９Ｂは補強部材１４の収容部１４Ａから蓋部１４Ｂが取り外された状態を示す。

図３〜９に示すように、超電導電流リード１０は、超電導線材１１、第１の金属電極１２、第２の金属電極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の金属電極１２に接続され、低温側となる他端部は第２の金属電極１３に接続される。

超電導線材１１は、図４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（ＣｅＯ_２）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、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７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（ＢａＺｒＯ_３）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の金属電極１２（高温側電極）及び第２の金属電極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の金属電極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３１に接続される。第１の金属電極１２の近傍の温度は、例えば７７Ｋである。第２の金属電極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の金属電極１３の近傍の温度は、例えば４．２Ｋである。

第１の金属電極１２は、補強部材１４から外部に引き出される引出部１２１と、補強部材１４内に収容される被収容部１２２を有する。引出部１２１のＹ方向における幅は被収容部１２２の幅よりも狭い。すなわち、引出部１２１と被収容部１２２の連設箇所は段部となっている。また、引出部１２１は、Ｙ方向に貫通して形成された小径（例えば直径１ｍｍ）の内側挿通孔１２１ａを有する。内側挿通孔１２１ａの内径は、固定ピン１５Ａの外径よりも若干大きい。

第２の金属電極１３は、第１の金属電極１２と同様に、引出部１３１と被収容部１３２を有し、引出部１３１と被収容部１３２の連設箇所は段部となっている。また、引出部１３１は、Ｙ方向に貫通して形成された小径の内側挿通孔１３１ａを有する。内側挿通孔１３１ａの内径は、固定ピン１５Ｂの外径よりも若干大きい。

第１の金属電極１２の被収容部１２２及び第２の金属電極１３の被収容部１３２は、それぞれ長さ方向（Ｘ方向）における一方（内側）の端面に、超電導線材１１を固定するための固定溝１２２ａ、１３２ａを有する。固定溝１２２ａ、１３２ａ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１２２ａ、１３２ａ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１２２ａ、１３２ａ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の金属電極１２の固定溝１２２ａには、超電導線材１１の一方の端部が固定溝１２２ａの底部に突き当たるまで挿入される。第２の金属電極１３の固定溝１３２ａには、超電導線材１１の他方の端部が固定溝１３２ａ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１２２ａ、１３２ａ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と第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３は、半田付けにより接合され、電気的に接続される。

このように、超電導電流リード１０においては、固定溝１２２ａ、１３２ａ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。

固定溝１２２ａ、１３２ａの幅方向における開口縁部にはＲ加工等の面取り加工が施されていることが好ましい。これにより、超電導線材１１が撓んだときに、固定溝１２２ａ、１３２ａの開口縁部から受ける負荷が軽減されるので、局所的な負荷によって超電導線材１１が損傷するのを防止できる。

補強部材１４は、超電導線材１１の両端部に第１の金属電極１２と第２の金属電極１３が接合されたリード本体を、所定の電極間距離（第１の金属電極１２と第２の金属電極１３の離間距離）となるように位置決めした状態で収容する。

補強部材１４は、中空の直方体部材であり、天面が開口した収容部１４Ａ及び収容部１４Ａの開口を閉塞する蓋部１４Ｂを有する。収容部１４Ａは、底壁１４１と、底壁１４１の幅方向（Ｙ方向）縁部から垂直に起立する板状の側壁１４２、１４２を有する。蓋部１４Ｂは、上壁１４３を有する。

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。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。

図６に示すように、側壁１４２、１４２の長さ方向の一端部（図６では左端部）は、中央部よりもＹ方向の幅が広く形成される。側壁１４２から幅方向内側に膨出する部分を膨出部１４２ａと称する。膨出部１４２ａの幅（側壁１４２の幅との差分、段部の幅）は、第１の金属電極１２の長さ方向外側への移動を規制できる程度であればよく、例えば２ｍｍである。膨出部１４２ａは、第１の金属電極１２が長さ方向外側に移動するのを規制する。

長さ方向の軸線を挟んで対向する膨出部１４２ａ、１４２ａの離間幅は、第１の金属電極１２の引出部１２１の幅と同じである。また、膨出部１４２ａ、１４２ａは、第１の金属電極１２の内側挿通孔１２１ａより大きくＹ方向に貫通して形成された外側挿通孔１４２ｂ、１４２ｂを有する。

同様に、側壁１４２、１４２の長さ方向の他端部（図５では右端部）は、中央部よりもＹ方向の幅が広く形成される。側壁１４２から幅方向内側に膨出する部分を膨出部１４２ｃと称する。膨出部１４２ｃの幅（側壁１４２の幅との差分、段部の幅）は、第２の金属電極１３の長さ方向外側への移動を規制できる程度であればよく、例えば２ｍｍである。膨出部１４２ｃは、第２の金属電極１３が長さ方向外側に移動するのを規制する。

長さ方向の軸線を挟んで対向する膨出部１４２ｃ、１４２ｃの離間幅は、第２の金属電極１３の引出部１３１の幅と同じである。また、膨出部１４２ｃ、１４２ｃは、第２の金属電極１３の内側挿通孔１３１ａより大きくＹ方向に貫通して形成された外側挿通孔１４２ｄ、１４２ｄを有する。

図８、図９に示すように、底壁１４１の長さ方向中央部（超電導線材１１の裏面に対向する部分）は、両端部よりもＺ方向の厚さが厚く形成される。底壁１４１から厚さ方向内側に膨出する部分を下側規制部１４１ａと称する。下側規制部１４１ａは、補強部材１４にリード本体を収容したときに超電導線材１１の裏面に近接し、超電導線材１１のＺ方向基端側（図８では下側）への過剰なフラットワイズ曲げ歪みを規制する。

同様に、上壁１４３の長さ方向中央部（超電導線材１１の表面に対向する部分）は、両端部よりもＺ方向の厚さが厚く形成される。上壁１４３から厚さ方向内側に膨出する部分を上側規制部１４３ａと称する。上側規制部１４３ａは、補強部材１４にリード本体を収容したときに超電導線材１１の表面に近接し、超電導線材１１のＺ方向先端側（図８では上側）への過剰なフラットワイズ曲げ歪みを規制する。

すなわち、下側規制部１４１ａ及び上側規制部１４３ａは、超電導線材１１に生じるフラットワイズ曲げ歪みを規制する第１の規制部を構成する。なお、本実施の形態では下側規制部１４１ａと上側規制部１４３ａの長さを同じとしているが、下側規制部１４１ａと上側規制部１４３ａの長さは同じでもなくてもよい。

ここで、下側規制部１４１ａと上側規制部１４３ａの離間距離ｄ１は、０．５〜５．０ｍｍであることが好ましい。これにより、常温環境下において超電導線材１１を撓ませた状態で配置することができるとともに、超電導線材１１に生じるフラットワイズ曲げ歪みを超電導特性（特に臨界電流値Ｉｃ）に影響を及ぼさない程度に規制することができる。

下側規制部１４１ａ及び上側規制部１４３ａは、第１の金属電極１２（端部１２２ｃ）及び第２の金属電極１３（端部１３２ｃ）に対して長さ方向に離間して配置されるのが好ましい。このとき、下側規制部１４１ａ及び上側規制部１４３ａと第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３との離間距離ｄ２は、超電導線材１１の線材長Ｌ（電極間距離に同じ）の０．５％以上５％以下であることが好ましい。離間距離ｄ２を超電導線材１１の線材長Ｌの０．５％以上とすることにより、極低温環境下において超電導線材１１が収縮する場合に、超電導線材１１の収縮に伴い第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３が長さ方向内側に移動することができる。したがって、超電導線材１１と第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３との接合部に過大な引張力がかかり、破損するのを防止できる。また、離間距離ｄ２を超電導線材１１の線材長Ｌの５％以下とする（超電導線材１１の線材長Ｌの９０％以上が下側規制部１４１ａと上側規制部１４３ａの間に挟装される）ことにより、超電導線材１１に生じるフラットワイズ曲げ歪みを効果的に規制することができる。

また、下側規制部１４１ａ、上側規制部１４３ａの第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３に対向する端部の角部Ｒは、Ｒ加工等の面取り加工が施されていることが好ましい。これにより、ローレンツ力が作用することによって超電導線材１１が下側規制部１４１ａ又は上側規制部１４３ａに接触したときに、超電導線材１１に局所的な負荷がかかるのを防止できる。したがって、局所的な負荷によって超電導線材１１が破損するのを防止できる。

収容部１４Ａにはリード本体が収容され、所定の電極間距離となるように位置決めされる。具体的には、第１の金属電極１２は、被収容部１２２が膨出部１４２ａの内側に位置するように嵌合される。被収容部１２２の外側端面１２２ｂが補強部材１４の側壁１４２の膨出部１４２ａに係合することになる。第１の金属電極１２の配置位置が、膨出部１４２ａによって規定されるので、補強部材１４の外側挿通孔１４２ｂと第１の金属電極１２の内側挿通孔１２１ａの位置を容易に一致させることができる。

同様に、第２の金属電極１３は、被収容部１３２が膨出部１４２ｃの内側に位置するように嵌合される。被収容部１３２の外側端面１３２ｂが補強部材１４の側壁１４２の膨出部１４２ｃに係合することになる。第２の金属電極１２の配置位置が、膨出部１４２ｃによって規定されるので、補強部材１４の外側挿通孔１４２ｄと第２の金属電極１３の内側挿通孔１３１ａの位置を容易に一致させることができる。

このとき、補強部材１４の側壁１４２、１４２は、超電導線材１１の幅方向両端面に近接して配置される（図６、図９参照）。すなわち、補強部材１４の側壁１４２、１４２は、超電導線材１１に生じるエッジワイズ曲げ歪みを規制する第２の規制部を構成する。

補強部材１４の側壁１４２、１４２と超電導線材１１との離間距離ｄ３は、超電導線材１１の線材長Ｌ（電極間距離に同じ）の１％以下であることが好ましい。これにより、超電導線材１１に生じるエッジワイズ曲げ歪みを、超電導特性（特に臨界電流値Ｉｃ）に影響を及ぼさない程度に規制することができる。

また、補強部材１４が、ステンレス合金等の金属材料で構成される場合、下側規制部１４１ａ、上側規制部１４３ａ、及び側壁１４２、１４２の超電導線材１１と対向する側の表面に絶縁加工を施すのが好ましい。これにより、フラットワイズ曲げ歪み又はエッジワイズ曲げ歪みによって超電導線材１１と補強部材１４とが接触しても、超電導特性は損なわれない。

常温環境下において、超電導線材１１は、第１の金属電極１２と第２の金属電極１３との電極間において撓みを有することが好ましい。リード本体を補強部材１４に収容したときの電極間距離Ｌが、超電導線材１１の露出長寄りも短ければ、超電導線材１１に撓みが形成される。この撓みによって、低温環境下における超電導線材１１の収縮は吸収され、さらには第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３が長さ方向内側に移動するので、超電導線材１１と第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３との接合部に過大な負荷がかかりリード本体が破損するのを確実に防止することができる。

補強部材１４の外側挿通孔１４２ｂと第１の金属電極１２の内側挿通孔１２１ａには、固定ピン１５Ａが圧入される（図３参照）。また、補強部材１４の外側挿通孔１４２ｄと第２の金属電極１３の内側挿通孔１３１ａには、固定ピン１５Ｂが圧入される（図３参照）。これにより、リード本体は補強部材１４内に位置決めした状態で収容される。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が長さ方向に脱落不能に係合されるので、ボルトを用いて固定する場合と同等の引張強度を容易に実現することができる。

なお、補強部材１４の外側挿通孔１４２ｂの内径は、固定ピン１５Ａの外径よりも大きいので、極低温環境下で超電導線材１１が収縮した場合に、第１の金属電極１２は長さ方向内側に若干移動することができる。また、補強部材１４の外側挿通孔１４２ｄの内径は、固定ピン１５Ｂの外径よりも大きいので、極低温環境下で超電導線材１１が収縮した場合に、第２の金属電極１３は長さ方向内側に若干移動することができる。

収容部１４Ａにリード本体が収容された後、収容部１４Ａの開口を閉塞するように蓋部１４Ｂが接着される。超電導線材１１は、下側規制部１４１ａ、上側規制部１４３ａ、及び側壁１４２、１４２で形成される空間に配置されることになる。なお、収容部１４Ａ及び蓋部１４Ｂには、部分的に開口が形成されていてもよい。

このように、実施の形態に係る超電導電流リード１０は、金属基板１１１上に中間層１１２、超電導層１１３、安定化層１１４が順に積層されたテープ状の超電導線材１１と、超電導線材１１の長さ方向両端部のそれぞれに接合される第１の金属電極１２、第２の金属電極１３（金属電極）と、超電導線材１１、第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３とを含むリード本体を、所定の電極間距離となるように位置決めした状態で収容する補強部材１４と、を備える。補強部材１４は、超電導線材１１の両テープ面のそれぞれに対向する下側規制部１４１ａ及び上側規制部１４３ａ（第１の規制部）と、超電導線材１１の幅方向両端面のそれぞれに対向する側壁１４２、１４２（第２の規制部）と、を有する。超電導線材１１は、下側規制部１４１ａ、上側規制部１４３ａ及び側壁１４２、１４２で形成される空間に、下側規制部１４１ａ、上側規制部１４３ａ及び側壁１４２、１４２に近接して配置される。

超電導電流リード１０によれば、磁場中に配置されたときに生じうるフラットワイズ曲げ歪みが下側規制部１４１ａ又は上側規制部１４３ａ（第１の規制部）によって規制されるとともに、エッジワイズ曲げ歪みが側壁１４２、１４２（第２の規制部）によって規制されるので、曲げ歪みに起因して超電導特性が著しく低下するのを防止することができる。したがって、超電導電流リード１０は、良好な超電導特性を有するものとなる。また、超電導電流リードの配置態様が制約されないので、超電導応用機器お設計又は設置の自由度が格段に向上する。

［第２の実施の形態］
図１０は、第２の実施の形態に係る超電導電流リード１０Ａの断面図である。図１０は、第１の実施の形態における図６に対応する。図１１は、図１０におけるＸＩ−ＸＩ矢視断面図である。図１１Ａは補強部材１４の収容部１４Ａに蓋部１４Ｂが取り付けられた状態を示し、図１１Ｂは補強部材１４の収容部１４Ａから蓋部１４Ｂが取り外された状態を示す。

図１０、図１１に示すように、第２の実施の形態に係る超電導電流リード１０Ａは、幅方向に並べて配置される２本の超電導線材１１Ａ、１１Ｂを有する。この点で第１の実施の形態に係る超電導電流リード１０と相違する。その他の構成は第１の実施の形態に係る超電導電流リード１０と同様である。

超電導電流リード１０Ａにおいては、超電導線材１１Ａ、１１Ｂの間に仕切板１４４が配置される。仕切板１４４は、超電導線材１１Ａ，１１Ｂの長さ方向に沿って、超電導線材１１Ａ，１１Ｂの幅方向に対して垂直に配置される。仕切板１４４は、超電導線材１１の表面よりもＺ方向先端側（図１１では上側）に突出するように、下側規制部１４１ａに形成される。

超電導電流リード１０Ａは、幅方向に対称的な構造であるのが好ましいため、ここでは仕切板１４４と超電導線材１１Ａ、１１Ｂとの離間距離ｄ４、ｄ４は同じに設定されるものとする。この場合、仕切板１４４と超電導線材１１Ａ、１１Ｂとの離間距離ｄ４は、補強部材１４と超電導線材１１Ａ、１１Ｂとの離間距離ｄ３と同様に、超電導線材１１の線材長Ｌの１％以下であることが好ましい。

超電導電流リード１０Ａにおいては、補強部材１４の側壁１４２、１４２とともに、仕切板１４４が、超電導線材１１に生じるエッジワイズ曲げ歪みを規制する第２の規制部を構成する。

このように、第２の実施の形態に係る超電導電流リード１０Ａは、金属基板１１１上に中間層１１２、超電導層１１３、安定化層１１４が順に積層されたテープ状の超電導線材１１Ａ、１１Ｂと、超電導線材１１Ａ、１１Ｂの長さ方向両端部のそれぞれに接合される第１の金属電極１２、第２の金属電極１３（金属電極）と、超電導線材１１Ａ、１１Ｂ、第１の金属電極１２及び第２の金属電極１３とを含むリード本体を、所定の電極間距離となるように位置決めした状態で収容する補強部材１４と、を備える。補強部材１４は、超電導線材１１Ａ、１１Ｂの両テープ面のそれぞれに対向する下側規制部１４１ａ及び上側規制部１４３ａ（第１の規制部）と、超電導線材１１Ａ、１１Ｂの幅方向両端面のそれぞれに対向する側壁１４２、１４２、仕切板１４４（第２の規制部）と、を有する。超電導線材１１は、下側規制部１４１ａ、上側規制部１４３ａ、側壁１４２、１４２、及び仕切板１４４で形成される空間に、下側規制部１４１ａ、上側規制部１４３ａ、側壁１４２、１４２、及び仕切板１４４に近接して配置される。

第２の実施の形態に係る超電導電流リード１０Ａによれば、第１の実施の形態に係る超電導電流リード１０と同様の効果が得られる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、第１の実施の形態における超電導線材１１、又は第２の実施の形態における超電導線材１１Ａ、１１Ｂとして、金属基板１１１側を貼り合わせて２枚一組とした超電導線材を適用することもできる。
また、第２の実施の形態のように超電導線材を幅方向に並設する場合、超電導線材の本数は２本に限定されない。超電導電流リードが３本以上の超電導線材を有する場合、隣接する超電導線材の間に、それぞれ仕切板が配置される。

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。

１ 超電導磁石装置
１０ 超電導電流リード
１１ 超電導線材
１１１ 金属基板
１１２ 中間層
１１３ 超電導層
１１４ 安定化層
１２ 第１の金属電極
１３ 第２の金属電極
１４ 補強部材
１４Ａ 収容部
１４Ｂ 蓋部
１４１ 底壁
１４１ａ 下側規制部（第１の規制部）
１４２ 側壁（第２の規制部）
１４３ 上壁
１４３ａ 上側規制部（第１の規制部）
１４４ 仕切板（第２の規制部）
２０ 超電導コイル
３０ 電源
３１ 常電導電流リード
４０ 低温容器

Claims (8)

1. 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、
   前記超電導線材の長さ方向両端部のそれぞれ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、所定の金属電極間距離となるように位置決めした状態で収容する補強部材と、を備え、
   前記補強部材は、前記超電導線材の両テープ面のそれぞれに対向する第１の規制部と、前記超電導線材の幅方向両端面のそれぞれに対向する第２の規制部と、を有し、
   前記超電導線材は、前記第１の規制部と前記第２の規制部とで形成される空間に、厚さ方向に撓んだ状態で挟装されていることを特徴とする超電導電流リード。
2. 前記第１の規制部の離間距離は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下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。
3. 前記金属電極の前記超電導線材が延出する端部と、前記第１の規制部の前記金属電極に近接する端部とが離間することを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導電流リード。
4. 前記金属電極と前記第１の規制部の離間距離が、前記金属電極間距離の０．５％以上５％以下であることを特徴とする請求項３に記載の超電導電流リード。
5. 前記第１の規制部の前記金属電極に近接する端部の角部は、面取り加工が施されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の超電導電流リード。
6. 前記超電導線材が幅方向に複数並設され、
   前記第２の規制部は、前記複数の超電導線材の間に設けられる仕切板を含む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。
7. 前記金属電極は、長さ方向一端面に前記超電導線材が挿入される固定溝を有し、この固定溝に前記超電導線材の端部が接合されることにより、前記金属電極と前記超電導線材とが電気的に接続されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の超電導電流リード。
8. 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、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｂ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７のいずれか一項に記載の超電導電流リード。

Images