JPH0817621A - 超電導電流リード - Google Patents
超電導電流リードInfo
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
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Abstract
するＲＥＢａ2 Ｃｕ3 ＯX 系バルク超電導体と、その両
端に接続された導線とにより構成される超電導電流リー
ド。 【効果】 限られた形状の超電導体の電流経路を長くと
ることができ、熱侵入量の小さいコンパクトな電流リー
ドが提供できる。
Description
冷凍機で冷却して使用する超電導機器に使用される電流
リードに関するものである。
体ヘリウム温度（４．２Ｋ）近くにまで冷却され使用さ
れている。これらの機器の大きな問題点の１つに室温か
らの熱侵入が挙げられる。熱は様々な部分から侵入して
くるが、とりわけ超電導機器に電流を供給する導線から
の熱侵入が最も大きい。電流リードは、電流を供給する
ための断面積（電流容量）を確保しながら、液体ヘリウ
ムからのガス潜熱を利用できるよう形状最適化するなど
の工夫がなされている導体である。
して銅が用いられてきたが、最近これを酸化物超電導材
料で置き換える試みがなされている。酸化物超電導材料
の中には、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2
Ｃｕ3 Ｏ10系、Ｔｌ2 Ｂａ2Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10あるい
は、Ｈｇ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ8 系等、臨界温度が液
体窒素温度（７７Ｋ）を超えるものが発見され、液体窒
素温度から液体ヘリウム温度の空間にこれらを利用する
ものである。電流リードが酸化物超電導体に置きかわる
ことは次の２つの利点がある。１つは超電導状態では電
気抵抗がゼロであるためにジュール熱が生じないことで
あり、もう１つは銅に比較して熱伝導率が低いことにあ
る。
としては極めて有望な材料であるが、この材料として用
いられるためには、ある一定以上の臨界電流密度および
長さが必要である。特に、超電導電流リードは電流リー
ド自体からのジュール熱がないために、熱侵入の観点か
ら温度勾配の方向に対して電流経路は長いほうが有利に
なる。焼結法で作製されたＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ
10系材料は長い形状の材料が比較的容易に製造できるた
め、冷凍機で動作する超電導マグネットに利用されつつ
ある。しかしながら、焼結体であることとピンニング力
があまり大きくないＢｉ系材料を用いていることから、
導体断面積を大きくとらざるを得ず、また強磁場では臨
界電流密度が著しく劣化することから、コンパクトな電
流リードの母体となる材料として適さない。
考えた場合、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導材料は優れた
特性を有する。Ｙの位置は他のＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅ
ｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕからなる群から選ばれた１種以上
の元素で置換してもよく、以下ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx と
表記する。ただし、この材料系の場合、結晶粒界が著し
く臨界電流密度を低下させるため、結晶粒が高度に配向
している必要がある。現在の技術では、配向したＲＥＢ
ａ2 Ｃｕ3 Ｏx を製造する方法として、格子定数の近い
基板上に成膜させる方法と溶融法が挙げられる。しか
し、前者の場合、気相法を用いるため成膜速度の問題か
ら断面積の大きな材料の作製が難しく、臨界電流密度は
大きくとれても、電流リードに不可欠な臨界電流が大き
くとれない欠点がある。
７、特願平２−４０２２０４）で代表されるような溶融
法を用いることによって、臨界電流密度が高く、比較的
大型の材料が実際得られる。溶融法は、一度ＲＥ2 Ｂａ
ＣｕＯ5 相とＢａ−Ｃｕ−Ｏを主成分とした液相が共存
する温度領域まで昇温し、これをＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx
が生成する包晶温度直上まで冷却し、この温度から徐冷
を行うことにより、結晶成長させ大きな結晶粒を得る手
法である。この手法により、現在、約２０ｃｍ2 以上の
結晶粒をもったバルク超電導材料を作製することができ
る。この材料の臨界電流密度は７７Ｋ，１Ｔで１０００
０Ａ／ｃｍ2 であり、上述のＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3
Ｏ10系材料に比べて臨界電流密度が優れている。
法では得られる形状がバルク状であるために、１次元的
電流経路を長くとることに限界がある。そこで、本発明
は、長さが限定されているが臨界電流の高いＲＥＢａ2
Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体に切り込み加工を施し、長
い電流経路を付与されたコンパクトな電流リードを提供
する。
するものであって、ミアンダ構造を有する配向したＲＥ
Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体（ＲＥはＹ，Ｌａ，
Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕからなる群から選ば
れた１種以上の元素）とその両端に接続された導線によ
り構成される導体で、ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx の電流経路
が常にａｂ面と平行であることを特徴とする超電導電流
リードである。また、配向したＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系
バルク超電導体とその両端に接続された導線により構成
される導体で、ＲＥＢａ2 Ｃｕ3Ｏx の電流経路が９０
度の角度を有して屈曲し、かつ電流経路が常にａｂ面と
平行であることを特徴とする超電導電流リードである。
また、これらの超電導電流リードであって、導線に接続
されるＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体の断面積
が中央部より大きくなっていること、熱伝導性の悪い材
料で気密に封じられていることも特徴とする。
Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体１に切り込み加工２を施
し、図１、図２（ａ），（ｂ）に示されるような２次元
的な電流経路をとらせる手段を設けたものである。この
ようなシグザグな電流経路をとらせることにより、熱伝
導が低く、磁場中においても電流容量が大きいコンパク
トな電流リードができる。これは、真空中あるいは減圧
中で使用されるような冷凍機動作型の超電導マグネット
に使用される電流リードとして特に有用である。
導材料は結晶粒界が著しく臨界電流密度を低下させるた
め、電流経路を横切るような結晶粒界がある構造では、
高い性能を有する電流リードにはならない。したがっ
て、使用されるＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx は配向している必
要がある。また、この材料は、ｃ軸（単位格子の最長
軸）方向には臨界電流密度が小さいこと、およびこの軸
の直角の面（ａｂ面）の強度が著しく小さいために、図
３ないし図５に示してあるように、長手方向すなわち電
流経路がａｂ面に平行になっている必要がある。
る。この構造には３つの利点がある。第１は、隣合う電
流経路を流れる電流は反対向きであるためにインダクタ
ンスを小さくできる点である。第２はコンパクト化が可
能であることである。特にＱＭＧ法で作製したＲＥＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体は臨界電流密度が高く、
断面積を小さくでき、相当コンパクト化が図れる。そし
て、第３は形状付与が容易であることである。実際、平
板状の試料をダイヤモンドカッターで容易に作製するこ
とができる。
抗や導線とＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx の接触抵抗に起因する
ジュール熱等によって温度上昇があり、超電導体の断面
積が等しい場合はこの近傍から常電導転移（クエンチ）
を起こすおそれがある。この材料は熱伝導が小さいた
め、常電導転移部分で発熱が局所的に起こり、焼損の危
険性が大きくなる。この危険性を小さくするには、導線
との接続部分近傍の断面積を大きくとり、クエンチが起
こっても中央部から電流リード全体に起こるようにする
必要がある。
０度であるため、経路間に電磁力が作用することから、
強度の点から不利な構造である。したがって、電流経路
の隙間をＦＲＰ等の熱伝導の悪い材料で埋めて使用する
形態も考えられる。図２のような構造はミアンダ構造に
比較して電流経路は長くとれないが、電流経路が直交し
ていることから、電磁力はかからない構造であり、板状
試料から容易に加工することが可能である。
ムガスを積極的に利用するために、ガスの温度勾配の方
向に電流が流れる必要があった。しかし、前述したよう
な冷凍機で動作する超電導マグネットに用いられる電流
リードの場合、必ずしも１方向に長くする必要はない。
このようなマグネットの場合、電流リードは１０Ｋ−８
０Ｋの真空空間に設置され、冷凍機からの伝導冷却によ
って冷却されるために、温度勾配は電流リード導体に沿
ってつく。したがって、ミアンダ構造のような２次元的
な構造を有していても伝導経路が長くなることによる効
果は十分ある。
中で用いられる場合は隣合う経路間でガスによる熱伝達
があるため、ステンレス、キュプロニッケル、ＦＲＰの
ような熱伝導の悪い材料で真空あるいは減圧状態で封じ
られて用いられる方が効果は大きい。
Ｏx バルク超電導体に限定した理由は、Ｂｉ系焼結材料
では臨界電流密度が小さいため、断面積を大きくとらざ
るを得ず、本発明の大きな効果であるコンパクト性が得
られないからであり、気相法で作製したような薄膜材料
では臨界電流を大きくとることができないからである。
臨界電流を大きくとるため、積層させて並列させる方法
も考えられるが、相対的に基盤の厚さが大きいため基盤
の熱伝導が無視し得なくなる。
い。理由はこの厚さがおおよそ薄膜とバルクの境界であ
ることと、一般に超電導マグネットは１００Ａ以上の電
流容量を必要とするが、この材料の７７Ｋの臨界電流密
度がゼロ磁場で１０００００Ａ／ｃｍ2 程度であるから
である。また、実際問題としてこれ以上薄くすることは
現実的ではない。
バルク超電導体から図３、図４および図５で示されるよ
うな電流リードを作製した。これらを電流リードＡ（図
３）、電流リードＢ（図４）および電流リードＣ（図
５）とする。電流リードＢの切り込み部分２を含めて、
加工はすべてダイヤモンドカッターを用いて行った。そ
れぞれの電流リードを構成している材料は全体にわたっ
て大傾角粒界がなく、マトリクスのＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx
相内にＹ2 ＢａＣｕＯ5 相が平均２μｍ以下で均一に分
散している組織を有する。結晶方位は図３から図５に示
したように試料の最も広い面がａｂ面、すなわち電流の
流れる方向がａｂ面に平行である。また、この材料の臨
界電流密度は７７Ｋ，１Ｔで２５０００Ａ／ｃｍ2 であ
る。なお図中３は電流の流れる方向を示す。
電導体の臨界電流密度を測定するための臨界電流密度測
定ホルダーに適用した。臨界電流密度は図６に示したよ
うなクライオスタットを構成して測定される。図６は電
流リードＡを設置した時の図を示したもので（ａ）は全
体図、（ｂ）はＸ部分の拡大図である。使用した試料ホ
ルダー１１は６つの試料の測定が可能であり、プラス側
を共通にして２ｍｍ径の通電用銅線が合計７本キュプロ
ニッケルパイプの心棒１６に沿って外部から測定部まで
入っている（図の中では、銅線は省略している）。この
径の銅線であれば、通常２００Ａまでの通電が可能であ
る。
テンレスデュワー１２にフランジ１３で固定され、試料
ホルダー１１に設置した超電導試料に通電しながら、臨
界電流密度を測定する。デュワー１２は真空１７と液体
窒素１４によって熱的にシールドされ、通電用銅線がな
い場合の液体ヘリウム１５のレベルが２００ｍｍから０
ｍｍになるまでの蒸発速度は、０．００７リットル／分
である（以下、蒸発速度とは液体ヘリウムのレベルが２
００ｍｍから０ｍｍまでの平均の蒸発速度をいう）。こ
れに対して、２ｍｍ径の通電用銅線が７本デュワーの外
から試料ホルダー１１まで入った場合の液体ヘリウムの
蒸発量は、０．０８リットル／分であった。したがっ
て、９０％以上の熱が通電用銅線を通じての熱伝導によ
って侵入してくることがわかった。
ドＡ、電流リードＢ、電流リードＣを挿入・接続した場
合の電流リード両端の電圧および液体ヘリウムの蒸発量
を測定した。接続方法はＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx の電流リー
ド１８両端の電極部分１９（長さ約１ｃｍ）にＲＦスパ
ッタリング装置で銀を１μｍ成膜させ、これを長さ５ｃ
ｍの銅編み線２０を介して通電用銅線に半田づけするこ
とによって行った。銅線とＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 電流リー
ド１８の間に銅編み線２０を介する理由は、間にフレキ
シブルな銅編み線を入れることによって、冷却による熱
収縮歪みを解放するためである。
ても、電流リードは銅線からの熱伝導と液体ヘリウムか
らの蒸発ガスによって５０Ｋ以下に冷却された。図６に
おいて２１が液体ヘリウムのレベルがゼロの位置であ
る。試料ホルダー１１の試料設置部分を銅ブロック２２
で短絡し、それぞれの電流リードに２００Ａの直流電流
を流した。すべての電流リードの両端には電圧は検出さ
れなかった。
流リードを設置した場合の液体ヘリウムの蒸発量を示し
た。表に示したとおり、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx の電流リー
ドを挿入した場合は、挿入しない場合に比較して熱侵入
が抑えられ、電流経路が長くなるにしたがってその効果
が大きくなることがわかった。
ｍｍＨｇまで排気をしてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 電流リード
を用いなかった場合と電流リードＡを７本挿入した場
合、電流リードＢを７本挿入した場合および電流リード
Ｃを７本挿入した場合の液体ヘリウムの蒸発量を測定し
た。ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 電流リードを用いなかった場
合、液体ヘリウムの蒸発量が大きく、３７．８ｍｍＨｇ
まで圧力が低下する前に液体ヘリウムの液面が０ｍｍに
なってしまった。一方、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 電流リード
を用いた場合、減圧の結果ラムダ点に達し、この場合、
液体ヘリウムの液面近傍は２．２Ｋに到達した。表２に
平均の液体ヘリウムの消費量を示す。電流リードＡと電
流リードＢおよび電流リードＣ間で大きな差が認められ
た。ミアンダ構造をとって電流経路を長くとったもの
は、液体ヘリウムの消費量は低減され、電流リードから
の熱侵入が大幅に低減されたことがわかった。
ａ2 Ｃｕ3 Ｏx 電流リードを１気圧のヘリウムガスで密
封したものを作製し、実施例１と同様な実験を行った。
銅線部分とＦＲＰはスタイキャスト１２６６と呼ばれる
エポキシ樹脂でシールした。したがって、低温に冷却さ
れると、電流リードの周囲は減圧状態になる。表３に電
流リードＡ，Ｂ，Ｃそれぞれ７本設置した場合の液体ヘ
リウムの消費量を示す。電流リードＡの場合は、密封し
ない場合に比較して消費量が大きくなったが、電流リー
ドＢとＣの場合は実施例１の場合に比較して、消費量が
低減することがわかった。
る切り出し方をした試料の液体窒素温度における臨界電
流を測定した。測定した試料は実施例１で用いた電流リ
ードＡからＣおよび図７から図９に示したような試料で
あり、それぞれ電流リードＤ，Ｅ，Ｆとする。すべての
電流リードに使用されたＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx は大傾角粒
界のない配向した材料である。電流リードＤは、電流リ
ードＣと同じ形状であるが結晶方位が異なる。電流リー
ドＥは、電流リードＢと同一形状であるが、切り出し方
位が異なる。電流リードＦは、電流リードＣと結晶方位
は同じであるが、電流リードＣに比較して電極部分の断
面積が細く、中心部の断面積と同じに切り出されたもの
である。
は両端１ｃｍの部分で実施例１に示したものと同様な方
法で形成した。電圧端子はその内側５ｍｍの部分につけ
た。電流リードＡからＣまでは、電源の測定限界である
５００Ａまで電圧は発生せず、すなわち臨界電流が５０
０Ａ以上であった。電流リードＤは３９０Ａの電流を印
加したところで、ミアンダ構造の中央部の図７の４の部
分で破損してしまった。破損はａｂ面での劈開割れであ
ったが、これは電流経路間の電磁力によるものであった
と考えられる。電流リードＥの場合は破壊は起こらなか
ったが、４００Ａ通電したところで臨界電流に達した。
これは、電流経路が臨界電流の低いｃ軸方向になってい
るためと考えられる。電流リードＦの場合は、４８０Ａ
通電したところで、電流端子近傍の図９の５の部分で焼
損してしまった。これは、電流端子部分の温度が接触抵
抗によるジュール熱により温度上昇を起こし、局所的に
クエンチしてしまったためと考えられる。
密度の高いＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体に結
晶方位を規定して切り込み加工を施し、図１または図２
に示されるようなジグザグな電流経路をとらせることに
より、電流経路が長く熱侵入量の小さい電流リードが製
造できる。これは、真空中あるいは減圧中で使用される
電流リードとして特に有用である。
る電流リードを説明する図
の概略図で（ａ）は全体図、（ｂ）はＸ部分の拡大図
Claims (4)
- 【請求項１】 ミアンダ構造を有する配向したＲＥＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体（ＲＥはＹ，Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕからなる群から選ば
れた１種以上の元素）とその両端に接続された導線によ
り構成される導体で、ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx の電流経路
が常にａｂ面と平行であることを特徴とする超電導電流
リード。 - 【請求項２】 配向したＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク
超電導体（ＲＥはＹ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，
Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙ
ｂ，Ｌｕからなる群から選ばれた１種以上の元素）とそ
の両端に接続された導線により構成される導体で、ＲＥ
Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏx の電流経路が９０度の角度を有して屈
曲し、かつ電流経路が常にａｂ面と平行であることを特
徴とする超電導電流リード。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の超電導
電流リードであって、導線に接続されるＲＥＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏx 系バルク超電導体の断面積が中央部より大きくな
っていることを特徴とする超電導電流リード。 - 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれかに記載
の超電導電流リードであって、熱伝導性の悪い材料で気
密に封じられていることを特徴とする超電導電流リー
ド。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11529195A JP3766448B2 (ja) | 1994-04-26 | 1995-04-18 | 超電導電流リード |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-109197 | 1994-04-26 | ||
| JP10919794 | 1994-04-26 | ||
| JP11529195A JP3766448B2 (ja) | 1994-04-26 | 1995-04-18 | 超電導電流リード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0817621A true JPH0817621A (ja) | 1996-01-19 |
| JP3766448B2 JP3766448B2 (ja) | 2006-04-12 |
Family
ID=26448990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11529195A Expired - Lifetime JP3766448B2 (ja) | 1994-04-26 | 1995-04-18 | 超電導電流リード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3766448B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011146292A (ja) * | 2010-01-15 | 2011-07-28 | Swcc Showa Cable Systems Co Ltd | 酸化物超電導電流リード |
| US10741743B2 (en) | 2015-09-16 | 2020-08-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Oxide superconductor and method for manufacturing the same |
| US12566226B2 (en) | 2021-07-06 | 2026-03-03 | Koninklijke Philips N.V. | Electrical connection for use in cryogenic applications |
-
1995
- 1995-04-18 JP JP11529195A patent/JP3766448B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011146292A (ja) * | 2010-01-15 | 2011-07-28 | Swcc Showa Cable Systems Co Ltd | 酸化物超電導電流リード |
| US10741743B2 (en) | 2015-09-16 | 2020-08-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Oxide superconductor and method for manufacturing the same |
| US11417820B2 (en) | 2015-09-16 | 2022-08-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Oxide superconductor and method for manufacturing the same |
| US12566226B2 (en) | 2021-07-06 | 2026-03-03 | Koninklijke Philips N.V. | Electrical connection for use in cryogenic applications |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3766448B2 (ja) | 2006-04-12 |
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