JP5118412B2 - 酸化物超電導素線の集合化導体、及びこの集合化導体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物超電導素線を複数集合化した集合化導体、及びこの集合化導体の製造方法に関する。
近年、超電導線材を用いた電力応用機器として、種々の機器装置の開発が進められている。例えば、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ、以下ＳＭＥＳと略称する）は、他のエネルギー貯蔵装置と比べてエネルギーの貯蔵効率が高い、エネルギーの出し入れ速度が速い等の特徴を有しており、精力的に開発が進められている。また、変圧器に代表される交流コイル、電動機や発電機に代表される超電導回転機、常電導時高抵抗線材を使用した限流器等の開発も進められている。
このような電力応用機器に、ＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎなどの金属系超電導線材を用いた場合は、冷却材として液体ヘリウムを用いて４．２Ｋ又はそれに近い温度まで線材を冷却しなければ超電導状態にならないため、冷却コストが増大し、実用化の弊害となっている。一方、Ｂｉ系やＹ系の酸化物超電導線材は、超電導転移温度が高く、超電導状態にするための冷却材として７７．３Ｋの液体窒素を用いることができるため、冷却コストを大幅に低減可能である。例えば、Ｙ系酸化物超電導テープ線材の場合、典型的なものは、テープ幅が１０ｍｍで、液体窒素により７７．３Ｋまで冷却し、外部磁界０Ｔとした場合の臨界電流が約１００〜３００Ａという超電導特性を有するものが入手可能であり、例えばパンケーキコイル等として利用できる。
また、一般に、ＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎ等の金属系超電導線材の場合は、臨界電流を超える電流が流れると即座に常電導転移を起こし、超電導状態が保てなくなってしまう。そのため、例えばこのような金属系超電導線材を用いてＳＭＥＳを構成した場合、臨界電流を超える電流が流れると即座に常電導転移を起こしてコイルに蓄積されていたエネルギーが放出されてしまう。一方、Ｙ系酸化物超電導テープ線材の場合は、臨界電流を超える電流を流しても磁束流領域と称される電流範囲であれば、常電導転移を生じることなく超電導状態を維持することができる。そこで、このようなＹ系酸化物超電導テープ線材の利点を活かした応用が期待されている。
また、ＳＭＥＳや変圧器等の各種電力応用機器に適用する場合には、さらなる電流の増大が求められている。そこで、超電導線材を複数本並列接続して集合化し、全体として流すことのできる許容電流を増大させることが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−２５６８４１号公報
ところで、複数の超電導素線を並列接続するためには、その接続部分で銅などの常電導材料の電極が用いられ、所定長の超電導素線を得るために複数の超電導素線を直列接続する場合にも、その接続部分で常電導材料の電極が用いられる。また、このような超電導素線を外部の回路と接続するためにも、必ず常電導材料の電極と接続する必要が生じる。そうすると、各超電導素線そのものは超電導状態であって抵抗がゼロであっても、各超電導素線と各電極との接続抵抗にわずかでもばらつきがあると、各超電導素線に流れる電流に偏りが生じ、一部の超電導素線に大きな電流が流れる電流偏流が生じる。
そうすると、偏流により最も大きな電流が流れる超電導素線の臨界電流によって、集合化導体全体に流すことのできる電流が制限されるため、集合化導体の臨界電流は、集合化された超電導素線の臨界電流の合計を下回ってしまうという不都合があった。
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、複数の酸化物超電導線材を用いつつ、電流偏流を低減することができる酸化物超電導素線の集合化導体を提供することを目的とする。そして、このような酸化物超電導素線の集合化導体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、複数の酸化物超電導素線と、複数の酸化物超電導素線の両端にそれぞれ接続される複数の電極との間の接続抵抗を、所定の抵抗値範囲にすることにより、複数の酸化物超電導素線間の電流偏流を低減することができることを見出した。
すなわち、本発明に係る酸化物超電導素線の集合化導体は、並列接続するための複数の酸化物超電導素線と、前記複数の酸化物超電導素線の両端にそれぞれ接続される電極とを備え、前記各酸化物超電導素線の長さをＬ（ｍｍ）、外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での各酸化物超電導素線の臨界電流をＩｃ（Ａ）とした場合、前記各酸化物超電導素線と当該各酸化物超電導素線の両端にそれぞれ接続された電極との接続抵抗Ｒ（Ω）は、当該各酸化物超電導素線の使用温度において、それぞれ以下の式（１）で示す条件を満たし、前記各酸化物超電導素線が、前記両端にそれぞれ接続された電極を介して並列に接続され、集合化されている。
０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（１）
この構成によれば、複数の酸化物超電導線材を用いつつ、電流偏流を低減することができる。
０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（１）
この構成によれば、複数の酸化物超電導線材を用いつつ、電流偏流を低減することができる。
また、前記接続抵抗Ｒ（Ω）は、以下の式（２）で示す条件を満たすことが好ましい。
０．１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦２×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（２）
この構成によれば、電流偏流をさらに低減することができる。
０．１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦２×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（２）
この構成によれば、電流偏流をさらに低減することができる。
また、前記酸化物超電導素線と前記電極とは、ビスマス（Ｂｉ）含有合金を用いたはんだによって、はんだ付けされていることが好ましい。また、前記はんだは、ビスマス（Ｂｉ）と錫（Ｓｎ）との合金であることが好ましい。また、前記はんだは、ビスマス（Ｂｉ）とインジウム（Ｉｎ）との合金としてもよい。
この構成によれば、接続抵抗Ｒのばらつきを低減することができる。
また、前記複数の酸化物超電導素線を、並列に接続する接続部をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、接続部によって、複数の酸化物超電導素線が並列に接続されて集合化導体が構成され、単一の酸化物超電導素線に流せる電流よりも集合化導体に流せる電流を増大させることができる。
また、本発明に係る酸化物超電導素線の集合化導体の製造方法は、複数の酸化物超電導素線の両端部と複数の電極とを、ビスマス（Ｂｉ）を含有するはんだを用いて１００℃〜２００℃の範囲内における所定の温度ではんだ付けすることにより、前記複数の酸化物超電導素線の両端部と複数の電極とを接続し、前記複数の電極を介して前記複数の酸化物超電導素線を並列に接続することにより、前記複数の酸化物超電導素線を集合化し、前記各酸化物超電導素線の長さをＬ（ｍｍ）、外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での各酸化物超電導素線の臨界電流をＩｃ（Ａ）とした場合、前記各酸化物超電導素線と当該各酸化物超電導素線の両端にそれぞれ接続された電極との接続抵抗Ｒ（Ω）を、当該各酸化物超電導素線の使用温度において、それぞれ以下の式（１）で示す条件を満たすように設定するものである。
０．０１×０．０１×１０ −６ ×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０ −６ ×Ｌ／Ｉｃ ・・・（１）
０．０１×０．０１×１０ −６ ×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０ −６ ×Ｌ／Ｉｃ ・・・（１）
この構成によれば、複数の酸化物超電導線材を用いつつ、電流偏流を低減することができる酸化物超電導素線の集合化導体を製造することができる。また、この構成によれば、接続抵抗Ｒのばらつきを低減することができる。
また、前記はんだは、ビスマス（Ｂｉ）と錫（Ｓｎ）との合金であり、前記温度は、１４０℃〜２００℃の範囲内の温度であることが好ましい。また、前記はんだは、ビスマス（Ｂｉ）とインジウム（Ｉｎ）との合金であり、前記温度は、１００℃〜２００℃の範囲内の温度であってもよい。この構成によれば、接続抵抗Ｒのばらつきを低減することができる。
また、前記接続抵抗Ｒ（Ω）は、前記酸化物超電導素線と前記電極との接続面積を調節することにより、設定されることが好ましい。この構成によれば、接続抵抗Ｒ（Ω）を、上述の条件を満たす抵抗値の範囲に設定することが容易である。
このような構成の酸化物超電導素線の集合化導体及びこの集合化導体の製造方法によれば、複数の酸化物超電導素線と、前記複数の酸化物超電導素線の両端にそれぞれ接続される複数の電極とを備え、前記各酸化物超電導素線の長さをＬ（ｍｍ）、外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での臨界電流をＩｃ（Ａ）とした場合、前記酸化物超電導素線それぞれと前記電極それぞれとの接続抵抗Ｒ（Ω）は、０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃとなる条件を満たすことにより、複数の酸化物超電導線材を用いつつ、電流偏流を低減することができる。
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る酸化物超電導素線の集合化導体の構成の一例、及びこの集合化導体の特性を測定するための測定回路を概念的に示した説明図である。また、図２は、図１に示す集合化導体の電極付近における拡大図、及びこの集合化導体の特性を測定するための測定回路を概念的に示した説明図である。
図１に示す集合化導体１は、酸化物超電導素線を集合化して得られる導体の一例であり、例えば、磁気エネルギー貯蔵、変圧器、核融合コイル等の超電導コイルに代表される液体窒素冷却型の超電導マグネット、及び冷凍機冷却型の超電導マグネット等の構成素材として用いられる酸化物超電導線材である。なお、本発明に係る酸化物超電導素線を集合化した適用例としては、パンケーキ状コイル等が挙げられる。
図１に示す集合化導体１は、酸化物超電導素線１１，２１と、酸化物超電導素線１１の両端にそれぞれ接続された電極１２，１３と、酸化物超電導素線２１の両端にそれぞれ接続された電極２２，２３とを備えている。
酸化物超電導素線１１，２１は、例えば、厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍのハステロイ基板の上に、Ｇｄ−Ｚｒ酸化物を中間層として１μｍ堆積し、その上に厚さ０．５μｍのＣｅＯ２層をキャップ層として形成し、その上に厚さ１μｍのＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ超電導膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置により成膜し、最後に保護層としてＡｇ層を成膜して得られたＹ系超電導テープ線材から切り出されて、作成されている。図１、図２は、酸化物超電導素線１１，２１を厚み方向から見て図示している。
電極１２，１３，２２，２３は、例えば銅等の常電導材料によって構成されている。そして、酸化物超電導素線１１と電極１２とは、はんだ１４によってはんだ付けされ、酸化物超電導素線１１と電極１３とは、はんだ１５によってはんだ付けされている。また、酸化物超電導素線２１と電極２２とは、はんだ２４によってはんだ付けされ、酸化物超電導素線２１と電極２３とは、はんだ２５によってはんだ付けされている。
電極１２，１３，２２，２３は、例えば酸化物超電導素線１１，２１を、常電導の回路部に接続するための接続端子であってもよく、例えば複数の酸化物超電導素線を直列に接続して延長するための接続端子であってもよい。
なお、図１に示す集合化導体１では、後述する比較例１、及び実施例１〜３において、電流偏流の低減効果を確認するために、酸化物超電導素線１１の両端すなわち電極１２，１３間に生じる電圧Ｖ１と、酸化物超電導素線２１の両端すなわち電極２２，２３間に生じる電圧Ｖ２とを個別に測定する必要があることから、電極１２と電極２２、及び電極１３と電極２３を、それぞれ分離絶縁しているが、電極１２と電極２２、及び電極１３と電極２３をそれぞれ配線等の導体からなる接続部により接続することで、酸化物超電導素線１１，２１を並列接続する構成としてもむろんよい。また、電極１２と電極２２、電極１３と電極２３をそれぞれ単一の電極として構成し、例えば一の電極の一部を電極１２、残りの一部を電極２２とし、他の一の電極の一部を電極１３、残りの一部を電極２３として用いることで、単一の電極を接続部として用いてもよい。
はんだ１４，１５，２４，２５としては、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｉｎ等、種々のはんだを用いることができる。なお、本明細書において、「はんだ」とは、ＪＩＳ Ｚ ３００１の定義に従い「４５０℃未満の低い融点をもつろう接用溶加材」を指し、「はんだ付」とは「はんだを用いて母材をできるだけ溶融しないで行う溶接方法」を指すこととする。
酸化物超電導素線１１，２１と、電極１２，１３，２２，２３との接続部は、例えば幅１０ｍｍ×長さ１４ｍｍの範囲にされている。なお、酸化物超電導素線１１，２１と、電極１２，１３，２２，２３との接続部の面積は、酸化物超電導素線の長さをＬ（ｍｍ）、外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での臨界電流をＩｃ（Ａ）とした場合に、酸化物超電導素線と電極との接続抵抗Ｒ（Ω）が、以下の式（１）で示す条件を満たすような面積になっていればよく、幅１０ｍｍ×長さ１４ｍｍに限らない。
０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（１）
このように、酸化物超電導素線と電極との接続抵抗Ｒ（Ω）を、酸化物超電導素線と電極との接続部の面積を調節することにより、式（１）で示す条件を満たすように設定する。
このように、酸化物超電導素線と電極との接続抵抗Ｒ（Ω）を、酸化物超電導素線と電極との接続部の面積を調節することにより、式（１）で示す条件を満たすように設定する。
ここで、酸化物超電導素線の長さＬとは、両端に接続された電極間に挟まれた酸化物超電導素線の長さを示し、例えば酸化物超電導素線１１における長さＬとは、図１において、符号Ｘ１で示す位置から符号Ｘ２で示す位置までの酸化物超電導素線１１の長さを意味し、例えば酸化物超電導素線１２における長さＬとは、図１において、符号Ｙ１で示す位置から符号Ｙ２で示す位置までの酸化物超電導素線１２の長さを意味している。
はんだ１４，１５，２４，２５として融点が１３０℃のＢｉ−Ｓｎを用いた場合、はんだ付温度は１４０℃〜２００℃の範囲が望ましく、例えば１５０℃とされる。また、はんだ１４，１５，２４，２５として融点が８０℃のＢｉ−Ｉｎを用いた場合、はんだ付温度は１００℃〜２００℃の範囲が望ましく、例えば１２０℃とされる。このように、はんだ付温度を２００℃以下にすることにより、酸化物超電導素線１１，２１の劣化を低減することができる。はんだ付けの際には、はんだを溶融した後、酸化物超電導素線１１及び電極１２，１３、酸化物超電導素線２１及び電極２２，２３が、それぞれはがれないように両者を固定した状態で冷却することで、安定した接続抵抗が得られる。
このようにして得られた酸化物超電導素線の集合化導体１について、後述する比較例１、及び実施例１〜３に示す実験結果から、以下の知見が得られた。
第１の知見は、以下のものである。すなわち、集合化導体１を冷却して酸化物超電導素線１１，２１を超電導状態にした状態で、電極１２から酸化物超電導素線１１を介して電極１３に至る電流経路Ｌ１と、電極２２から酸化物超電導素線２１を介して電極２３に至る電流経路Ｌ２とを並列に接続して集合化し、この並列回路に電流を流すと、酸化物超電導素線１１，２１の抵抗値はゼロであるから、電流経路Ｌ１を流れる電流Ｉ１と電流経路Ｌ２を流れる電流Ｉ２とは、酸化物超電導素線１１，２１と電極１２，１３，２２，２３との間の各接続抵抗Ｒのバランスによって電流値に差異が生じ、すなわち電流偏流が生じることとなる。
電流偏流をなくすためには、理想的には、各接続抵抗Ｒをすべてゼロにするか、各接続抵抗Ｒを完全に同一にすればよいが、実際の装置において、各接続抵抗Ｒをすべてゼロにしたり、各接続抵抗Ｒを完全に同一にすることは困難である。むしろ、各接続抵抗Ｒをゼロに近づけようとして抵抗値を減少させると、各接続抵抗Ｒ間のばらつきにより、逆に電流偏流が増大することが実験的に確認された。
そして、各接続抵抗Ｒを、磁束流抵抗によって酸化物超電導素線１１，２１に生じる電圧との関係で得られる抵抗値、具体的には、以下の式（３）の条件を満たす抵抗値にすることにより、電流経路Ｌ１，Ｌ２間の電流偏流を抑制することができることを見いだした。これは、従来の金属系超電導線材の偏流防止の対策としては知られていなかった知見である。
Ｒ≧０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（３）
但し、各酸化物超電導素線の長さ：Ｌ（ｍｍ）
外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での臨界電流：Ｉｃ（Ａ）
第２の知見は、以下のものである。
但し、各酸化物超電導素線の長さ：Ｌ（ｍｍ）
外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での臨界電流：Ｉｃ（Ａ）
第２の知見は、以下のものである。
複数の酸化物超電導素線を作成した場合、各酸化物超電導素線の臨界電流Ｉｃにはばらつきが生じるため、全く臨界電流が等しい酸化物超電導素線を作成することは、困難である。また、酸化物超電導素線の抵抗値は、流れる電流が、臨界電流Ｉｃに近づくと僅かながら増大し、臨界電流Ｉｃを超えると急激に増大する性質がある。
ここで、臨界電流がＩｃ１の酸化物超電導素線１１と、臨界電流がＩｃ２の酸化物超電導素線２１とを並列接続した場合、仮に、電極との接続抵抗Ｒがゼロオームであって、この並列回路には、酸化物超電導素線１１，２１自体に生じる抵抗のみしか存在しない理想的な条件を仮定する。そして、臨界電流Ｉｃ１が臨界電流Ｉｃ２より小さいものとする。そうすると、酸化物超電導素線１１，２１を流れる電流は、まず先に酸化物超電導素線１１において、臨界電流Ｉｃ１に近くなる。そうすると、酸化物超電導素線１１でわずかに抵抗が生じて酸化物超電導素線１１を流れる電流が減少し、酸化物超電導素線２１を流れる電流が増大するように、電流が分配される。
このように、上述のような理想的な条件下では、酸化物超電導素線１１，２１を流れる電流は、臨界電流Ｉｃ１の付近で自動的にバランスするので、例え臨界電流Ｉｃ１と臨界電流Ｉｃ２とに差異があっても、酸化物超電導素線１１に流れる電流を臨界電流Ｉｃ１近くまで増大させ、酸化物超電導素線２１に流れる電流を臨界電流Ｉｃ２近くまで増大させることができる結果、酸化物超電導素線１１，２１の並列回路に（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）の電流を流すことができる。
しかし、実際には、このような理想的な条件を実現することは困難であり、酸化物超電導素線と電極との接続抵抗Ｒが存在する。そして、電流経路Ｌ１，Ｌ２の抵抗値は、酸化物超電導素線１１，２１の抵抗値と接続抵抗Ｒとをそれぞれ加算したものとなる。そうすると電流経路Ｌ１，Ｌ２全体の抵抗値に対する酸化物超電導素線１１，２１自体の抵抗値の比率が相対的に小さくなる結果、一方の酸化物超電導素線１１において、流れる電流が臨界電流Ｉｃ１に近くなって酸化物超電導素線１１に抵抗が生じた場合であっても、上述のように酸化物超電導素線１１で臨界電流Ｉｃ１を超えないような電流分配が生じ難くなる。そして、接続抵抗Ｒが増大するほど、相対的に酸化物超電導素線１１自体の抵抗が酸化物超電導素線１１，２１間の電流配分に及ぼす影響が減少する結果、酸化物超電導素線１１，２１の並列回路に流すことのできる電流は、上述のような理想的な条件下において流れる電流（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）よりも減少する。このような事情は、酸化物超電導素線を三本以上並列接続した場合であっても同様である。
本願発明者らは、複数の酸化物超電導素線を並列接続した場合に、各酸化物超電導素線の接続抵抗Ｒを、以下の式（４）の条件を満たす抵抗値にすることにより、並列接続された複数の酸化物超電導素線に流すことのできる合計の電流値を増大させることができることを見いだした。
Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（４）
以上、第１及び第２の知見から、接続抵抗Ｒの値を、式（３）及び式（４）の条件を同時に満たす式（１）で示す範囲に設定することにより、電流経路Ｌ１，Ｌ２間の電流偏流を低減しつつ、酸化物超電導素線１１，２１それぞれについて臨界電流近傍まで電流を増大させることができ、すなわち集合化導体１に流すことのできる許容電流を増大させることができる。
以上、第１及び第２の知見から、接続抵抗Ｒの値を、式（３）及び式（４）の条件を同時に満たす式（１）で示す範囲に設定することにより、電流経路Ｌ１，Ｌ２間の電流偏流を低減しつつ、酸化物超電導素線１１，２１それぞれについて臨界電流近傍まで電流を増大させることができ、すなわち集合化導体１に流すことのできる許容電流を増大させることができる。
ここで、式（１）から明らかなように、接続抵抗Ｒの適切な抵抗値の範囲は、酸化物超電導素線の長さＬ（ｍｍ）、外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での臨界電流Ｉｃ（Ａ）に応じて変化するものであり、絶対値として適切な抵抗値の範囲が存在するわけではない。
なお、集合化導体１は、酸化物超電導素線を二本用いた例を示したが、酸化物超電導素線は複数であればよく、三本以上を集合化してもよい。また、各酸化物超電導素線の長さＬが同じでもよく、異なっていてもよい。さらに、各酸化物超電導素線の長さＬが同じで、各酸化物超電導素線の材質や構造、超電導層の厚み等を変更してもよい。
第３の知見は、以下のものである。すなわち、はんだ１４，１５，２４，２５として、融点が１３０℃のＢｉ−Ｓｎや融点が８０℃のＢｉ−Ｉｎ等、融点の低いビスマス（Ｂｉ）含有合金を用いて、２００℃以下の温度、例えばＢｉ−Ｓｎであれば１４０℃〜２００℃の範囲、例えばＢｉ−Ｉｎであれば１００℃〜２００℃の範囲の温度ではんだを加熱して溶融させた後に冷却してはんだ付けすることにより、単位面積あたりの接続抵抗を再現性よく制御できることを見いだした。これにより、酸化物超電導素線と電極との接続面積を実用的な範囲、例えば幅１０ｍｍ×長さ１００ｍｍ程度以下の範囲に抑えつつ、式（１）の条件を満たす接続抵抗Ｒに設定することが容易となった。
次に、図１に示す酸化物超電導素線の集合化導体１について、サンプルを用いて実験的に電流偏流を測定した実施例と、集合化導体１と同様の構造で、酸化物超電導素線と電極との接続抵抗Ｒが式（１）の条件を満たさないサンプルを用いて実験的に電流偏流を測定した比較例とについて、説明する。
比較例１では、酸化物超電導素線１１と電極１２，１３との間の接続抵抗Ｒ、及び酸化物超電導素線２１と電極２２，２３との間の接続抵抗Ｒが、式（１）の条件を満たさない場合における酸化物超電導素線１１，酸化物超電導素線２１間の電流偏流の評価結果を示す。
外形６０ｍｍの円盤状のＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）製の巻枠（図略）に、電極１２，１３，２２，２３を固定した。そして、電極２２の幅１０ｍｍ×長さ１４ｍｍの範囲にＳｎ−Ｐｂはんだを載せ、２８０℃に加熱した後に酸化物超電導素線２１の一方端部のＡｇ側を溶融したはんだに接触させるようにして固定した。次に、電極１２の幅１０ｍｍ×長さ１４ｍｍの範囲にＳｎ−Ｐｂはんだを載せ、２８０℃に加熱した後に酸化物超電導素線１１の一方端部のＡｇ側を溶融したはんだに接触させるようにして固定した。
そして、酸化物超電導素線１１，２１を図略の巻枠に沿って配置し、電極２３の幅１０ｍｍ×長さ１４ｍｍの範囲にＳｎ−Ｐｂはんだを載せ、２８０℃に加熱した後に酸化物超電導素線２１の他端部のＡｇ側を溶融したはんだに接触させるようにして固定した。次に、電極１３の幅１０ｍｍ×長さ１４ｍｍの範囲にＳｎ−Ｐｂはんだを載せ、２８０℃に加熱した後に酸化物超電導素線１１の他端部のＡｇ側を溶融したはんだに接触させるようにして固定した。
このとき、図１では、説明の関係上、酸化物超電導素線１１，２１の長さが異なっているように図示されているが、実際には電極１２と電極１３との間の酸化物超電導素線１１の長さＬと、電極２２と電極２３との間の酸化物超電導素線２１の長さＬとが、いずれも１２０ｍｍになるように固定した。そして、集合化導体１を室温まで自然冷却してはんだを固着させた。
このようにして得られたサンプルにおいて、酸化物超電導素線１１，２１の自己インダクタンスは、共に約１．０×１０−７Ｈになっている。
また、酸化物超電導素線１１，２１について、温度７７．３Ｋ、外部磁場０Ｔの条件で臨界電流Ｉｃ１，Ｉｃ２を測定したところ、酸化物超電導素線１１の臨界電流Ｉｃ１は、１４３Ａ、酸化物超電導素線２１の臨界電流Ｉｃ２は、１４７Ａとなった。この場合、臨界電流の定義は、「発生電圧を、電極１２，２２と電極１３，２３との間の酸化物超電導素線１１，２１の長さＬ（例えば１２０ｍｍ）で除したときの電界が、０．１μＶ／ｃｍ（＝０．０１μＶ／ｍｍ）となるとき（すなわち発生電圧が１．２μＶとなるとき）の電流値」である。
次に、このようにして得られた集合化導体のサンプルを、液体窒素に浸漬して冷却し、酸化物超電導素線１１，２１を超電導状態にした上で、以下のようにして接続抵抗Ｒと酸化物超電導素線１１，２１間の電流偏流を評価した。
まず、接続抵抗Ｒの測定方法について説明する。図２に示すように、酸化物超電導素線１１上の、はんだ１４の端部から５ｍｍ以内の位置に設けられた測定点Ｐ１と、電極１２の、はんだ１４との界面から５ｍｍ以内の位置に設けられた測定点Ｐ２との間に、直流電流源１０１を用いて所定の測定用電流Ｉｍを流し、電圧計を用いて測定点Ｐ１と測定点Ｐ２との間に生じた電圧Ｖ１を測定する。そうすると、酸化物超電導素線１１と電極１２との接続抵抗Ｒは、Ｖ１／Ｉｍとして得られる。
また、酸化物超電導素線２１上の、はんだ２４の端部から５ｍｍ以内の位置に設けられた測定点Ｐ３と、電極２２の、はんだ２４との界面から５ｍｍ以内の位置に設けられた測定点Ｐ４との間に、直流電流源１０２を用いて所定の測定用電流Ｉｍを流し、電圧計を用いて測定点Ｐ３と測定点Ｐ４との間に生じた電圧Ｖ２を測定する。そうすると、酸化物超電導素線２１と電極２２との接続抵抗Ｒは、Ｖ２／Ｉｍとして得られる。
このように、はんだ１４，２４の端部から測定点Ｐ１，Ｐ３間での距離、及び電極１２，２２とはんだ１４，２４との界面から測定点Ｐ２，Ｐ４までの距離を５ｍｍ以内としたのは、これ以上の距離となると酸化物超電導素線と銅電極との間の接続抵抗よりも銅電極そのものの抵抗が大きくなって、接続抵抗Ｒを精度よく求めることが困難となるからである。
同様にして、酸化物超電導素線１１と電極１３との接続抵抗Ｒ、及び酸化物超電導素線２１と電極２３との接続抵抗Ｒを求めた。そうすると、酸化物超電導素線１１と電極１２，１３との間の接続抵抗Ｒは、３．１８×１０−６Ω、３．８９×１０−６Ωとなった。また、酸化物超電導素線２１と電極２２，２３との間の接続抵抗Ｒは、３．６４×１０−６Ω、３．４８×１０−６Ωとなった。
ここで、酸化物超電導素線１１の長さＬは１２０ｍｍ、臨界電流Ｉｃ１は１４３Ａであるから、５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ＝４．２０×１０−８Ωとなる。そうすると、酸化物超電導素線１１と電極１２，１３との間の接続抵抗Ｒは、５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃの値を大きく超えて、式（１）の条件を満たさない。
また、酸化物超電導素線２１の長さＬは１２０ｍｍ、臨界電流Ｉｃ２は１４７Ａであるから、５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ＝４．１７×１０−８Ωとなる。そうすると、酸化物超電導素線２１と電極２２，２３との間の接続抵抗Ｒもまた５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃの値を大きく超えて、式（１）の条件を満たさない。
次に、電流偏流の評価結果について説明する。まず、図１に示すように、直流電流源１０３を用いて、電流経路Ｌ１と電流経路Ｌ２との並列回路に電流を流し、酸化物超電導素線１１，２１に流れる合計の電流Ｉｔを測定した。直流電流源１０３の出力電流は、６０Ａ／ｍｉｎの速度で徐々に増加させるようにした。そして、このとき酸化物超電導素線１１に生じる電圧Ｖ１１を、酸化物超電導素線１１上の、はんだ１４の端部から５ｍｍ以内の位置に設けられた測定点Ｐ１と、はんだ１５の端部から５ｍｍ以内の位置に設けられた測定点Ｐ５との間で測定した。同様に、このとき酸化物超電導素線２１に生じる電圧Ｖ２１を、酸化物超電導素線２１上の、はんだ２４の端部から５ｍｍ以内の位置に設けられた測定点Ｐ３と、はんだ２５の端部から５ｍｍ以内の位置に設けられた測定点Ｐ６との間で測定した。
酸化物超電導素線１１，２１の自己インダクタンスは共に約１．０×１０−７Ｈであり、自己インダクタンスにより生じる電圧が、酸化物超電導素線１１，２１と電極１２，１３，２２，２３との接続抵抗Ｒにより生じる電圧や、磁束流抵抗により生じる電圧より十分小さくなるようにした。
そして、便宜上、酸化物超電導素線１１に生じる電圧Ｖ１１が１．２μＶとなるときの電流Ｉｔを、電流Ｉｔｃ１、酸化物超電導素線２１に生じる電圧Ｖ２１が１．２μＶとなるときの電流Ｉｔを、電流Ｉｔｃ２として測定した。そうすると、電流Ｉｔｃ１として２３８Ａが得られ、電流Ｉｔｃ２として２２６Ａが得られた。
この場合、酸化物超電導素線１１，２１に電流偏流が無く、酸化物超電導素線１１，２１の臨界電流Ｉｃ１，Ｉｃ２がそれぞれ同時に流れた場合には、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）＝Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）＝１．０となる。このことから、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）の値が１．０より小さくなるほど、電流偏流が大きいことが判る。そこで、以下の説明において、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）とＩｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）とを、偏流の評価値として用いる。
なお、本明細書において、偏流とは、特定の線材に大きな電流が流れ、ある線材には臨界電流に比べてわずかしか電流が流れない場合を意味するものとする。
電流Ｉｔｃ１＝２３８Ａ、電流Ｉｔｃ２＝２２６Ａであるから、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）を計算すると、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）＝０．８２、Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）＝０．７８となり、顕著な偏流が生じていることが確認された。
以上のように、比較例１では、酸化物超電導素線１１と電極１２，１３との間の接続抵抗Ｒ、及び酸化物超電導素線２１と電極２２，２３との間の接続抵抗Ｒが、式（１）の条件を満たさない場合、電流偏流の評価値として、０．８２と０．７８とが得られた。
実施例１では、はんだ１４，１５，２４，２５として融点２８０℃のＳｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５を用いた。また、酸化物超電導素線の長さＬや、酸化物超電導素線と電極との接続面積、はんだの加熱温度を変化させて、接続抵抗Ｒを異ならせた複数のサンプルを作成し、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）の値を算出して電流偏流の評価を行った。なお、本明細書において、はんだの種類（組成）の表記はＪＩＳ Ｚ ３２８２に従うものとする。
まず、比較例１と同様に、酸化物超電導素線１１，２１としてＹ系超電導テープ素線を２本作成し、温度７７．３Ｋ、外部磁場０Ｔの条件で臨界電流Ｉｃ１，Ｉｃ２を測定したところ、酸化物超電導素線１１の臨界電流Ｉｃ１は１５１Ａ、酸化物超電導素線２１の臨界電流Ｉｃ２は１４６Ａとなった。このようにして得られた酸化物超電導素線１１，２１を用いて、比較例１とは、はんだ１４，１５，２４，２５としてＳｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５を用いる以外は同様の構成で、集合化導体１のサンプルを作成した。
このサンプルについて、比較例１と同様にして接続抵抗Ｒを測定すると、酸化物超電導素線１１と電極１２，１３との間の接続抵抗Ｒは、３．６１×１０−８Ω、３．２９×１０−８Ωとなった。また、酸化物超電導素線２１と電極２２，２３との間の接続抵抗Ｒは、３．３７×１０−８Ω、３．５８×１０−８Ωとなった。
ここで、酸化物超電導素線１１の長さＬは１２０ｍｍ、臨界電流Ｉｃ１は１５１Ａであり、０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ＝０．０８×１０−９Ω、５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ＝３．９７×１０−８Ωとなるから、酸化物超電導素線１１と電極１２，１３との間の接続抵抗Ｒは、いずれも式（１）の条件を満たしている。
また、酸化物超電導素線２１の長さＬは１２０ｍｍ、臨界電流Ｉｃ２は１４６Ａであるから、０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ＝０．０８×１０−９Ω、５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ＝４．１１×１０−８Ωとなるから、酸化物超電導素線２１と電極２２，２３との間の接続抵抗Ｒは、いずれも式（１）の条件を満たしている。
そして、比較例１と同様に、臨界電流Ｉｔｃ１，Ｉｔｃ２を測定したところ、臨界電流Ｉｔｃ１は２８３Ａ、臨界電流Ｉｔｃ２は２７３Ａであった。そうすると、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）＝０．９５、Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）＝０．９２となり、集合化導体１全体を流れる電流Ｉｔｃ１，Ｉｔｃ２として、臨界電流Ｉｃ１，Ｉｃ２の合計の９２％以上を確保することができた。
すなわち、式（１）の条件を満たさない比較例１の場合に対し、式（１）の条件を満たす実施例１では、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）の値が増大して、電流偏流を低減できることが確認できた。
図３は、酸化物超電導素線の長さＬや、酸化物超電導素線と電極との接続面積、はんだの加熱温度を変化させて、接続抵抗Ｒを異ならせた複数のサンプルを作成し、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、Ｉｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）の値を算出した結果を示すグラフである。
図３に示すように、０．０１≦Ｒ×Ｉｃ／（０．０１×１０−６×Ｌ）≦５を満足する範囲、すなわち０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃを満足する範囲で、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）とＩｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）とが共に０．９０以上の値となることが確認でき、すなわち式（１）の条件を満たす範囲で効果的に電流偏流を抑制できることが確認できた。
また、より望ましい接続抵抗Ｒの範囲は、０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦２×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃであり、この範囲では、Ｉｔｃ１／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）とＩｔｃ２／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）とが共に０．９５以上の値となることが確認でき、すなわち式（２）の条件を満たす範囲で、より効果的に電流偏流を抑制できることが確認できた。
なお、上記実験結果は、酸化物超電導素線１１，２１としてＹ系超電導テープ線材を用いた場合のものであるが、Ａｇ及びＡｇ基合金シースを用いたＢｉ系酸化物超電導線材を用いても、表面がＹ系超電導テープ線材と同様にＡｇ又はＡｇ基合金であるので、同様な結果が得られる。
実施例２では、実施例１と同様、はんだ１４，１５，２４，２５として融点２８０℃のＳｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５を用い、２８０℃加熱の条件で酸化物超電導素線１１，２１と、電極１２，１３，２２，２３とをはんだ付けしたサンプルを、５個作成した。そして、５個のサンプルにおける酸化物超電導素線と電極との全接続箇所、２０箇所について、比較例１と同様にして、温度７７．３Ｋ、外部磁場０Ｔの条件で接続抵抗Ｒを測定した。
その結果、２０箇所の接続抵抗Ｒすべてについて、５．３８×１０−９Ω≦Ｒ≦４．０３×１０−８Ωの範囲でばらついたものの、式（１）で示す抵抗値範囲である７．９２×１０−１１Ω≦Ｒ≦４．１６×１０−８Ωの条件を満たした。
はんだ１４，１５，２４，２５として融点１３０℃のＢｉ５８Ｓｎ４２を用い、１５０℃に加熱した後に冷却することで、酸化物超電導素線１１，２１と、電極１２，１３，２２，２３とをはんだ付けした以外の条件を、実施例２を同一にして集合化導体１のサンプルを５個作成した。そして、５個のサンプルにおける酸化物超電導素線と電極との全接続箇所、２０箇所について、実施例２と同様にして、温度７７．３Ｋ、外部磁場０Ｔの条件で接続抵抗Ｒを測定した。
その結果、２０箇所の接続抵抗Ｒすべてについて、式（１）で示す０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃの条件を満足し、且つ３．１８×１０−８Ω≦Ｒ≦３．５６×１０−８Ωの範囲内に収まり、実施例２よりも接続抵抗Ｒのばらつき範囲を小さくすることができた。
なお、はんだ付けの加熱温度は、１５０℃に限られず、１４０℃〜２００℃の温度範囲で同様の結果が得られる。
また、はんだ１４，１５，２４，２５として融点８０℃のＩｎ６５Ｂｉ３５を用い、１２０℃に加熱した後に冷却することで、酸化物超電導素線１１，２１と、電極１２，１３，２２，２３とをはんだ付けした以外の条件を、実施例２を同一にして集合化導体１のサンプルを５個作成した。そして、５個のサンプルにおける酸化物超電導素線と電極との全接続箇所、２０箇所について、実施例２と同様にして、温度７７．３Ｋ、外部磁場０Ｔの条件で接続抵抗Ｒを測定した。
その結果、２０箇所の接続抵抗Ｒすべてについて、式（１）で示す０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃの条件を満足し、且つ３．２５×１０−８Ω≦Ｒ≦３．７２×１０−８Ωの範囲内に収まり、実施例２よりも接続抵抗Ｒのばらつき範囲を小さくすることができた。
なお、はんだ付けの加熱温度は、１２０℃に限られず、１００℃〜２００℃の温度範囲で同様の結果が得られる。
１ 集合化導体
１１，２１ 酸化物超電導素線
１２，１３，２２，２３ 電極
１４，１５，２４，２５ はんだ
１１，２１ 酸化物超電導素線
１２，１３，２２，２３ 電極
１４，１５，２４，２５ はんだ
Claims (10)
- 並列接続するための複数の酸化物超電導素線と、
前記複数の酸化物超電導素線の両端にそれぞれ接続される電極とを備え、
前記各酸化物超電導素線の長さをＬ（ｍｍ）、外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での各酸化物超電導素線の臨界電流をＩｃ（Ａ）とした場合、前記各酸化物超電導素線と当該各酸化物超電導素線の両端にそれぞれ接続された電極との接続抵抗Ｒ（Ω）は、当該各酸化物超電導素線の使用温度において、それぞれ以下の式（１）で示す条件を満たし、前記各酸化物超電導素線が、前記両端にそれぞれ接続された電極を介して並列に接続され、集合化されていること
を特徴とする酸化物超電導素線の集合化導体。
０．０１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（１） - 前記接続抵抗Ｒ（Ω）は、以下の式（２）で示す条件を満たすこと
を特徴とする請求項１記載の酸化物超電導素線の集合化導体。
０．１×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦２×０．０１×１０−６×Ｌ／Ｉｃ ・・・（２） - 前記酸化物超電導素線と前記電極とは、ビスマス（Ｂｉ）含有合金を用いたはんだによって、はんだ付けされていること
を特徴とする請求項１又は２に記載の酸化物超電導素線の集合化導体。 - 前記はんだは、ビスマス（Ｂｉ）と錫（Ｓｎ）との合金であること
を特徴とする請求項３記載の酸化物超電導素線の集合化導体。 - 前記はんだは、ビスマス（Ｂｉ）とインジウム（Ｉｎ）との合金であること
を特徴とする請求項３記載の酸化物超電導素線の集合化導体。 - 前記複数の酸化物超電導素線を、並列に接続する接続部をさらに備えること
を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸化物超電導素線の集合化導体。 - 複数の酸化物超電導素線の両端部と複数の電極とを、ビスマス（Ｂｉ）を含有するはんだを用いて１００℃〜２００℃の範囲内における所定の温度ではんだ付けすることにより、前記複数の酸化物超電導素線の両端部と複数の電極とを接続し、前記複数の電極を介して前記複数の酸化物超電導素線を並列に接続することにより、前記複数の酸化物超電導素線を集合化し、
前記各酸化物超電導素線の長さをＬ（ｍｍ）、外部磁界０Ｔにおける０．０１μＶ／ｍｍ基準での各酸化物超電導素線の臨界電流をＩｃ（Ａ）とした場合、前記各酸化物超電導素線と当該各酸化物超電導素線の両端にそれぞれ接続された電極との接続抵抗Ｒ（Ω）を、当該各酸化物超電導素線の使用温度において、それぞれ以下の式（１）で示す条件を満たすように設定すること
を特徴とする酸化物超電導素線の集合化導体の製造方法。
０．０１×０．０１×１０ −６ ×Ｌ／Ｉｃ≦Ｒ≦５×０．０１×１０ −６ ×Ｌ／Ｉｃ ・・・（１） - 前記はんだは、ビスマス（Ｂｉ）と錫（Ｓｎ）との合金であり、
前記温度は、１４０℃〜２００℃の範囲内の温度であること
を特徴とする請求項７記載の酸化物超電導素線の集合化導体の製造方法。 - 前記はんだは、ビスマス（Ｂｉ）とインジウム（Ｉｎ）との合金であり、
前記温度は、１００℃〜２００℃の範囲内の温度であること
を特徴とする請求項７記載の酸化物超電導素線の集合化導体の製造方法。 - 前記接続抵抗Ｒ（Ω）は、前記酸化物超電導素線と前記電極との接続面積を調節することにより、設定されること
を特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の酸化物超電導素線の集合化導体の製造方法。
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