JPH0888117A

JPH0888117A - 冷凍機冷却型超電導コイル装置用電流リード

Info

Publication number: JPH0888117A
Application number: JP22445094A
Authority: JP
Inventors: Kengo Okura; 健吾大倉; Kenichi Sato; 謙一佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-09-20
Filing date: 1994-09-20
Publication date: 1996-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】冷凍機冷却型超電導コイルシステムにおい
て、冷却・昇温のヒートサイクルに対して超電導特性が
劣化しない電流リードを提供する。【構成】超電導コイルが冷凍機により冷却される超電
導コイル装置において、第１の温度まで冷却されて外部
からの電流を超電導コイルに引込むための端子と、上記
第１の温度より低い第２の温度まで冷却される超電導コ
イルとの間を電気的に接続する電流リード。この電流リ
ードは、銀合金からなる安定化材に酸化物超電導体が被
覆されてなるテープ状超電導線と、銀からなる安定化材
に酸化物超電導体が被覆されてなるテープ状多芯超電導
線とを直列に接続してなる。該テープ状超電導線は端子
側に設けられ、該テープ状多芯超電導線は超電導コイル
側に設けられる。また、該テープ状超電導線の代わり
に、酸化物超電導体からなるバルク材を用いてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導コイルを冷凍機
によって冷却するシステムに用いる電流リードに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超電導マグネットシステム等の超電導コ
イルを用いたシステムにおいて、超電導コイルを冷却し
て通電する場合、次の二通りの方式が主として用いられ
る。

【０００３】（１）コイルを冷媒中に浸漬して冷却す
る方式（２）コイルを冷凍機で熱伝導冷却する方式第４８回１９９２年度秋季低温工学・超電導学会要旨集
ｐ３０１は、（２）の方式による伝導冷却型Ｎｂ₃ Ｓｎ
超電導マグネットシステムについて開示する。図５に示
すように、このシステムでは、ＧＭ冷凍機２０により、
Ｎｂ₃ Ｓｎコイル２５を冷却する。Ｎｂ₃ Ｓｎコイル２
５は、冷凍機の２段ステージ２２にボルトで留められ
る。そして、冷凍機の熱負荷低減のため、冷凍機の１段
ステージ２１から２段ステージ２２まで、Ｂｉ系酸化物
超電導バルクからなる電流リード２４が用いられる。こ
の電流リードは、円筒状のＢｉ系酸化物バルクの両端に
銅製の電極をハンダ付けして構成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図５に示す装置におい
て、電流リード２４は、１段ステージ２１と２段ステー
ジ２２の両電極間に固定されタイトに取付けられてい
る。一方、電流リードを構成するＢｉ系酸化物バルク
は、もろく、割れやすい性質を有している。バルク内に
亀裂が生じると、その超電導特性は劣化する。このた
め、タイトに取付けられたＢｉ系酸化物バルクの電流リ
ードは、冷却・昇温を繰返すと破壊されやすく、好まし
い超電導特性を長期間安定して維持することが困難であ
る。

【０００５】本発明の目的は、冷凍機冷却型超電導コイ
ルシステムにおいて、冷却・昇温のヒートサイクルに対
して臨界電流（Ｉｃ）等の超電導特性が劣化しない電流
リードを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の電流リードは、
超電導コイルが冷凍機により冷却される超電導コイル装
置において、第１の温度まで冷却されて外部からの電流
を超電流コイルに引込むための端子と、第１の温度より
低い第２の温度まで冷却される超電導コイルとの間を電
気的に接続する電流リードであって、銀合金からなる安
定化材に酸化物超電導体が被覆されてなるテープ状超電
導線と、銀からなる安定化材に酸化物超電導体が被覆さ
れてなるテープ状多芯超電導線とを直列に接続してな
り、かつ上記テープ状超電導線が上記端子側に設けら
れ、上記テープ状多芯超電導線が上記超電導コイル側に
設けられることを特徴とする。

【０００７】この発明において、シースのための銀合金
には、たとえばＡｕ−Ａｇ合金、Ｃｕ−Ａｇ合金、Ｐｔ
−Ａｇ合金、Ｍｎ−Ａｇ合金、Ｓｂ−Ａｇ合金等を用い
ることができる。銀合金におけるＡｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｍ
ｎ、Ｓｂ等の元素の含有量は、たとえば０．１〜５重量
％、好ましくは１〜５重量％とすることができる。これ
らの範囲における元素の添加によって、熱伝導率を銀シ
ースの場合よりも低く抑えることができる。一方、添加
元素の含有量をあまり高くすると、酸化物超電導テープ
の製造に際して添加元素が酸化物超電導体に移行し、組
成ずれを引起こして超電導特性を劣化させる恐れがあ
る。銀合金を用いたテープ状酸化物超電導線は、単芯線
でも多芯線であってもよい。銀合金シースを施した酸化
物超電導テープにより、電流リードの熱伝導率を低く抑
えることができる。

【０００８】この発明において、銀合金シース酸化物超
電導テープは、銀シース多芯酸化物超電導線に接続され
る。接続は、Ｓｎ−Ｐｂ等からなるハンダを用いて行な
うことができる。ハンダを用いて接続する場合、テープ
面同志をハンダ付けして接続することができる。また、
ハンダを用いずに接合することもできる。この場合、銀
合金シース線と銀シース線の安定化材シースをそれぞれ
剥がし、それぞれの線において酸化物超電導体を露出さ
せた後、露出させた超電導体同士を重合わせて焼結処理
を施すことにより接合してもよい。このとき、超電導体
同士が重合わされた部分に圧延またはプレス等の塑性加
工を施した後、焼結処理を施すか、圧力をかけながら焼
結処理を施すことが好ましい。また、接合のため超電導
体同士を重合わせた部分を安定化材で覆うことも望まし
い。

【０００９】銀シース酸化物超電導多芯線は、銀合金シ
ース酸化物超電導線よりもさらにフレキシブルであり、
Ｉｃ等の超電導特性の劣化も小さく、特に磁場下におい
て超電導特性の劣化が少ない。

【００１０】なお、電流量をかせぐため、銀合金シース
酸化物超電導テープ、銀シース酸化物超電導テープと
も、図３に示すように複数本のテープを束ねて多層に重
ねてもよいし、図４に示すようにフレキシブルな円筒体
１１（たとえばＦＲＰ等からなるチューブ）に、複数本
のテープ１２を巻付けてコンパクトな形状にしてもよ
い。

【００１１】また、本発明に従う電流リードは、超電導
コイルが冷凍機により冷却される超電導コイル装置にお
いて、第１の温度まで冷却されて外部からの電流を超電
導コイルに引込むための端子と、第１の温度より低い第
２の温度まで冷却される超電導コイルとの間を電気的に
接続する電流リードであって、酸化物超電導体からなる
バルク材と、銀からなる安定化材に酸化物超電導体が被
覆されてなるテープ状多芯超電導線とを直列に接続して
なり、かつ上記バルク材が上記端子側に設けられ、上記
テープ状多芯超電導線が上記超電導コイル側に設けられ
ることを特徴とする。

【００１２】この発明では、上述した銀合金シース酸化
物超電導テープの代わりに、酸化物超電導体からなるバ
ルク材を用いる。このバルク材には、たとえばイットリ
ウム系、ビスマス系またはタリウム系酸化物超電導体か
らなるロッドを用いることができる。バルク材は、たと
えば酸化物超電導体材料を溶融しながら棒状に引きのば
して作製することができる。

【００１３】電流リードに可撓性を付与するため、バル
ク材に銀シース多芯酸化物超電導線が接続される。接続
にあたっては、両者をたとえばＳｎ−Ｐｂからなるハン
ダで接合できる。ハンダを用いる場合、テープ面とバル
ク面とをハンダ付けして接合することができる。一方、
ハンダを用いずに接合することもできる。この場合、銀
シース多芯線の安定化材を剥がし超電導体を露出させた
後、露出した超電導体をバルク超電導体に重ね、焼結処
理を施して接合することができる。焼結処理に際して、
超電導体を重ねた部分に圧力をかけることがより好まし
い。

【００１４】本発明に用いられるテープ状超電導線は、
一般に、酸化物超電導体の原料粉末の焼成および粉砕、
粉末の安定化材シースへの充填、塑性加工ならびに焼結
のプロセスを経て製造される。このプロセスは、一般に
パウダー・イン・チューブ法と呼ばれる。原料粉末の調
製では、超電導体を構成する元素の酸化物または炭酸化
物の粉末が所定の配合比で混合され、かつ焼結された
後、焼結物が粉砕されて原料粉末を得る。粉末を充填す
るシースは、たとえば銀または銀合金からなる。塑性加
工には、伸線加工および圧延加工が用いられる。圧延加
工の後、テープ状にされた線材は、たとえば約８４０℃
〜８５０℃の温度において焼結が施され、シース材中の
超電導体が、高い配向性および高い臨界電流密度を得る
ようになる。多芯線を製造する場合、伸線加工の後得ら
れた複数の線材が合わされ、塑性加工および焼結に供さ
れる。上述したプロセスにおいて、塑性加工と焼結の組
合せにより、高い配向性を有するほぼ単一の超電導相を
生成することができる。このプロセスより製造されたテ
ープ状超電導線のフィラメントは、テープ線の長手方向
にわたってほぼ均一な超電導相を有し、超電導相のｃ軸
は、テープ線の厚み方向にほぼ平行に配向している。ま
た、フィラメントにおける結晶粒は、テープ線の長手方
向に延びるフレーク状であり、結晶粒同士は強く結合し
ている。フレーク状の結晶粒は、テープ線の厚み方向に
積層される。用いられるテープ状超電導線のサイズは、
特に限定されるものではないが、一般に幅が１．０ｍｍ
〜１０ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜６ｍｍ、厚みが０．０
５ｍｍ〜１ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．４ｍｍで
ある。このようなサイズにおいて、上述した構造のフィ
ラメントを有するテープ線は、たとえば、４×１０³ 〜
３．０×１０⁴ Ａ／ｃｍ²の臨界電流密度を保持するこ
とができる。

【００１５】上述したテープ状超電導線において、酸化
物超電導体としては、たとえば、イットリウム系、ビス
マス系またはタリウム系酸化物超電導体が用いられる。
ビスマス系セラミックス超電導体は、高い臨界温度、高
い電流密度、低い毒性および線材化の容易さといった点
から好ましい。ビスマス系酸化物超電導体の２２２３相
は１０８Ｋの臨界温度を有する。

【００１６】

【作用】本発明の電流リードでは、銀合金シース酸化物
超電導テープまたは酸化物超電導体のバルク材からなる
第１の部分で熱伝導率を小さくし、銀シース多芯酸化物
超電導テープからなる第２の部分で可撓性を獲得してい
る。このような熱伝導率の小さい第１の部分を、外部か
らの電流を引込むための端子側に設けることで、外部か
らの熱の侵入はより効果的に抑制される。第１の部分は
第２の部分よりも小さく短いものであっても、外部から
侵入する熱量を効果的に小さくすることができる。超電
導コイル装置において上記端子の温度は、第１の部分が
超電導状態となり得る臨界温度以下に設定すればよい。

【００１７】一方第２の部分は、電流リードに可撓性を
付与し、冷却・昇温のヒートサイクルによって電流リー
ドに生ずる応力を吸収する。上述した第１の部分の一端
は、端子（電極）にハンダ等によって固定されるが、他
端は可撓性を有する第２の部分に接続されるためフリー
な状態にあり、ヒートサイクルによって生じる第１の部
分の内部応力も第２の部分によって吸収される。また、
銀シース多芯超電導線からなる第２の部分は、磁場下に
おいても超電導特性の劣化が小さい。このように、本発
明の電流リードは、ヒートサイクルによって破壊されに
くく、長期間その超電導特性を保持し安定して動作させ
ることができる。

【００１８】また、銀シース超電導線には、高い臨界電
流密度（Ｊｃ）を有するものが容易に得られる。高いＪ
ｃを有する線材であれば、銀の断面積を小さくしても発
熱しないため、熱侵入量は、同量の電流を流すことがで
きる銅線よりもはるかに小さくできる。さらに、本発明
では長い銀シース超電導線を用いることができる。長い
銀シース超電導線を用いれば、超電導コイルに至る熱侵
入量をより低減することができる。

【００１９】なお、銀合金シース超電導線と銅電極のよ
うな端子とをハンダで接続したり、銀合金シース超電導
線と銀シース超電導線とをハンダで接続しても、これら
の間の接触抵抗は１０^-6Ω未満の小さい値にすることが
できる。したがって、本発明に従う電流リードに大電流
を流しても、ジュール発熱により局部的な温度の上昇が
生じることはない。

【００２０】以上説明したとおり、本発明によれば、非
常に熱侵入が小さい電流リードを提供することができ
る。

【００２１】

【実施例】本発明に従う電流リードを用いて、図１に示
す超電導コイル装置を作動させた。装置１０において、
輻射シールド１で囲まれた容器内はＧＭ冷凍機２によっ
て冷却される。冷凍機の第１ステージ３には、外部から
電流を引込むための１対の銅電極４ａ、４ｂが設けられ
ている。冷凍機の第２ステージ５の先端には、（Ｂｉ，
Ｐｂ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀を超電導体として用い
た銀シース超電導マグネット６が取付固定されている。
マグネットのサイズ仕様は、外径１０８ｍｍ、内径４０
ｍｍ、高さ１１３ｍｍである。

【００２２】銅電極４ａ、４ｂとマグネット６との間を
電流リード７、８でそれぞれ接続する。電流リードの作
製にあたり、まず、金を１重量％含有するＡｕ−Ａｇ合
金の安定化材で（Ｂｉ，Ｐｂ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ
₁₀酸化物超電導体フィラメントを覆ったテープ状単芯超
電導線（厚み０．２ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）
を１０本準備した。超電導線は、上述した通常のパウダ
ー・イン・チューブ法に従って調製されたものである。
この銀合金シーステープ状超電導線を５本その厚み方向
に積層したものを２組作成した。積層は、一枚毎テープ
面をハンダ付けで接合することにより行なった。得られ
た銀合金シース積層テープ７ａ、８ａを、図１に示すと
おり、銅電極４ａ、４ｂにそれぞれハンダ付けした。

【００２３】次に、銀からなる安定化材で（Ｂｉ，Ｐ
ｂ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀酸化物超電導体フィラメ
ントを覆ったテープ状６１多芯超電導線（厚み０．２ｍ
ｍ、幅３ｍｍ、長さ３００ｍｍ）を５本その厚み方向に
重ねたものを２組準備した。超電導線は、上述した通常
のパウダー・イン・チューブ法に従って調製されたもの
である。図１に示すように、得られた銀シース積層テー
プ７ｂ、８ｂを配線した。超電導マグネットの端子（図
示せず）および銀合金シース積層テープ７ａ、８ａに
は、それぞれハンダ付けによって接続した。図２は、銀
合金シース積層テープ７ａ（８ａ）が、銀シース積層テ
ープ７ｂ（８ｂ）にハンダ付けされた構造を示してい
る。

【００２４】このようにして、銀合金シース積層テープ
７ａ、８ａと銀シース積層テープ７ｂ、８ｂとからなる
電流リード７、８によって、銅電極４ａ、４ｂと超電導
マグネット６とは電気的に接続された。

【００２５】超電導マグネットを構成する超電導コイル
を、冷凍機により約１０時間かけて冷却した。コイル
は、冷凍機の冷却能力から判断して、１４Ｋまで正常に
冷却され、本発明の電流リードからの熱侵入が少ないこ
とがわかった。さらに、コイル定格の１５３Ａまで通電
し保持した。このとき、コイル温度は１８Ｋまで上昇し
たが飽和した。電流リードの発熱によるコイルへの異常
な熱侵入はなく、コイルへ安定して通電できることがわ
かった。定格通電時の各部分の温度分布を図１に示して
いる。コイルと電極の間は、５９Ｋ〜１８Ｋの範囲の温
度に維持されている。

【００２６】一方、図１に示す銀合金シース積層テープ
７ａ、８ａの代わりに、イットリウム系またはビスマス
系酸化物超電導体（ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ または（Ｂｉ，
Ｐｂ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀）のバルクからなるロ
ッド（ロッド径１０ｍｍφ、長さ１２ｃｍ）を用いて
も、ほぼ同様の結果が得られた。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電流リー
ドは、昇温、降温のヒートサイクルによって破壊される
ことなく安定に超電導特性を保持することができる。ま
た、本発明の電流リードを介する熱侵入は小さい。この
ような電流リードは、冷凍機によって冷却する超電導マ
グネットシステム等において、熱侵入を抑制して大電流
を供給する電流リードとして利用すると効果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う電流リードを用いた超電導コイル
システムを示す模式図である。

【図２】本発明に従う電流リードにおいて、銀合金シー
ス線と、銀シース線とがハンダ付けされた構造を示す斜
視図である。

【図３】本発明に従う電流リードにおいて、リードを構
成するテープ状酸化物超電導線が積層された構造を示す
斜視図である。

【図４】本発明に従う電流リードにおいて、リードを構
成するテープ状酸化物超電導線が円筒状のフォーマーに
巻付けられてコンパクト化された状態を示す断面図であ
る。

【図５】超電導コイルを用いるシステムにおいて従来の
電流リードを説明するための模式図である。

【符号の説明】

１輻射シールド２ＧＭ冷凍機３第１ステージ４ａ、４ｂ銅電極５第２ステージ６超電導マグネット７、８電流リード７ａ、８ａ銀合金シース積層テープ７ｂ、８ｂ銀シース積層テープ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導コイルが冷凍機により冷却される
超電導コイル装置において、第１の温度まで冷却されて
外部からの電流を前記超電流コイルに引込むための端子
と、前記第１の温度より低い第２の温度まで冷却される
前記超電導コイルとの間を電気的に接続する電流リード
であって、銀合金からなる安定化材に酸化物超電導体が被覆されて
なるテープ状超電導線と、銀からなる安定化材に酸化物
超電導体が被覆されてなるテープ状多芯超電導線とを直
列に接続してなり、かつ前記テープ状超電導線が前記端
子側に設けられ、前記テープ状多芯超電導線が前記超電
導コイル側に設けられることを特徴とする、冷凍機冷却
型超電導コイル装置用電流リード。
【請求項２】超電導コイルが冷凍機により冷却される
超電導コイル装置において、第１の温度まで冷却されて
外部からの電流を前記超電導コイルに引込むための端子
と、前記第１の温度より低い第２の温度まで冷却される
前記超電導コイルとの間を電気的に接続する電流リード
であって、酸化物超電導体からなるバルク材と、銀からなる安定化
材に酸化物超電導体が被覆されてなるテープ状多芯超電
導線とを直列に接続してなり、かつ前記バルク材が前記
端子側に設けられ、前記テープ状多芯超電導線が前記超
電導コイル側に設けられることを特徴とする、冷凍機冷
却型超電導コイル装置用電流リード。