JPH0969427A - 酸化物超電導電流リード - Google Patents
酸化物超電導電流リードInfo
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Abstract
温下で用いられる機器に電流を供給する電流リードにお
いて、酸化物超電導体と常電導導体を接続したものであ
って、大きな電流容量を有し、酸化物超電導材料自体に
かかる熱収縮応力を緩和しうるコンパクトで電流容量の
大きな電流リードを提供する。 【解決手段】 酸化物超電導体の少なくとも一端に、液
体ヘリウム温度での電気比抵抗が７×１０-11 Ωｍ以下
であって長さが伸縮する変形が可能な良導体が接続さ
れ、前記の酸化物超電導体と良導体とが接続されたもの
の両端部が固定・支持されている酸化物超電導電流リー
ド。またこれらが剛体管の中に収められている酸化物超
電導電流リード。
Description
いは冷凍機で冷却し、極低温下で用いられる機器に電流
を供給す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つは周囲か
らの熱侵入である。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
の電流容量（断面積）を確保しながら、液体ヘリウムか
らのガス潜熱を冷却に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。
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であ
る。したがって、酸化物超電導体は電流リードとしては
極めて有望な材料である。
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、熱侵入の観点から電
流経路は長いほうが有利である。したがって一般的な電
流リードの形態としては棒状あるいは管状の導体にな
る。
もろく、長い導体であるほど衝撃あるいは応力が加えら
れた時、破壊しやすくなる。したがって、何らかの形で
補強することが望ましい。補強方法には様々な方法が考
えられるが、最も容易でかつ効果が高い方法は冷却時の
熱衝撃に強く、剛性の高い補強体と複合化する方法であ
る。電流リードの応力には、補強体として熱伝導率の低
いステンレス鋼、キュプロニッケルなどの金属材料やＧ
−１０などの繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が考えら
れる。しかしこれらの補強用材料は冷却した場合の熱収
縮率が酸化物超電導体と異なる。したがって酸化物超電
導体の両端をこれらの補強体で固定した場合、冷却時の
熱収縮による応力のために超電導体の超電導特性を劣化
させたり破壊させたりする危険性がある。
周囲の構造体をフレキシブルに接続することが望まし
く、超電導導体に接続されるリード線には一般的には平
編み銅線が用いられる。しかし電流リードには大電流を
通電するのが一般的であり、電流リードの容量が大きく
なると平編み銅線では十分に低い抵抗が得られず、発熱
要因にもなる。そこで、特殊な例として蛇腹状の銅、銅
合金のベローズ、網線状のフレキシブルホース、ポーラ
スな金属層を用いる（以上特開平５−２１２２８号公
報）、引張りバネを配置する（特開平５−１０９５３１
号公報）、弾撥部を設ける（特開平５−１９８４３２号
公報）こと等が提案されている。
低い銅系の材料が用いられる。一般的な銅線は表１（こ
れについては後に説明する）のＣｕ−１で示されるよう
に、液体ヘリウム温度での電気抵抗が１×１０-10 Ωｍ
程度である。しかしながら超電導線に通電される電流量
は大きく、上記程度の電気抵抗では発熱が大きくなり問
題が生じる場合がある。また一般的に使用される銅線は
加工硬化しており硬く、通電電流が大きくなり、ジュー
ル発熱を抑えるために断面積を大きくすると十分な弾撥
性が得られなくなる欠点があった。この問題は超電導電
流リードを小型化しようとした場合大きくなる。
のような溶融法で作製したＹＢａ2Ｃｕ3 Ｏx 系バルク
材料は酸化物超電導材料の中で特に臨界電流密度が高
く、小型で電流容量の大きな電流リードを構築すること
が可能である。しかしながら酸化物超電導体を小さくす
れば電極部の面積も制限されるため、接続する金属の電
気抵抗はより低いものが必要となる。特に電流リードの
保護のために保護管に収め、かつその中の空間に弾撥部
を設けようとするならば金属線の断面積小さくしなけれ
ばならないが、従来使用されている銅線では電流容量
（低抵抗性）を確保しながら小型化することは難しい。
超電導体と常電導導体を接続したものであって、大きな
電流容量（常電導部の低抵抗性）を有し、酸化物超電導
材料自体にかかる熱収縮応力を緩和しうるコンパクトで
電流容量の大きな電流リードを提供することを目的とす
る。
て、酸化物超電導体の少なくとも一端に、液体ヘリウム
温度での電気比抵抗が７×１０-11 Ωｍ以下であって長
さが伸縮する変形が可能な良導体が接続され、前記の酸
化物超電導体と良導体とが接続されたものの両端部が固
定・支持されていることを特徴とする酸化物超電導電流
リードである。また酸化物超電導体の少なくとも一端
に、液体ヘリウム温度での電気比抵抗が７×１０-11 Ω
ｍ以下であって長さが伸縮する変形が可能な良導体が接
続され、前記の酸化物超電導体と良導体とが接続された
ものが剛体管の中に収められ、前記剛体管の両端に固定
された電極用良導体で支持されていることを特徴とする
酸化物超電導電流リードである。ここにおいて剛体管の
中は乾燥ガスを封入するか真空にすることにより密封状
態になっていることも特徴とする。またこれらの酸化物
超電導電流リードにおいて、良導体は長さ方向に湾曲し
た帯状の薄板を軸対称に複数組み合わせることにより、
長さが伸縮する変形を可能としたこと、良導体は９９．
９％以上の純度を有する銀であること、酸化物超電導体
は配向したＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導体であること
も特徴とする。
導体の少なくとも一端に良導体である金属を接続した構
造にする。図１は本発明の酸化物超電導電流リードの例
を示すものであって１が酸化物超電導体、２が上記の良
導体としての金属板である。この例では金属板は湾曲し
たものが４枚組み合わされているが、これにより長さ方
向に力が加わったときに長さが伸縮する変形が可能とな
っている。このように長さ方向に湾曲した帯状の薄板を
軸対称に複数組み合わせることにより、接続された酸化
物超電導体に曲げ力を及ぼすことなく伸縮変形を可能に
できる。なお３は剛体管であって中心線で切断された断
面で示されており、４は電極用良導体であるが、これら
については後に説明する。
抗が７×１０-11 Ωｍ以下のものである。液体ヘリウム
温度での電気抵抗は金属の種類・純度・組織によって変
わる。良導体である銀、銅、アルミニウム、金は純度を
上げると低温領域の電気抵抗が著しく減少する。また同
じ純度を有する金属でも、転位、空孔、結晶粒界が少な
くなると低温領域での電気抵抗は減少する。また上記の
欠陥が少ない状態では金属は柔らかく、図１のように接
続することによって大きな電流が通電でき、熱収縮等に
よる歪みを緩和することが可能になる。
い金属は、上述したように純度の高い銀、銅、アルミニ
ウム、金を用い、これを高温で十分に焼鈍することによ
って得られる。焼鈍温度は融点の６０％以上の温度が望
ましい。また酸化を防止するために、不活性ガス、還元
性のガス中あるいは真空中でおこなうことが望ましい。
的に利用されている銅線と電気抵抗が同程度であり、柔
らかい分だけ上記の材料としてはより優れている。さら
に焼鈍することによって、極低温での電気抵抗は飛躍的
に減少し、柔らかくすることが可能になる。また半田付
け性も良好であり、９９．９％以上の純度を有する銀は
本発明に用いられる金属として最も適している。
が、上記で説明したような金属部分は低温側に使用する
ことが望ましい。なぜならば、低抵抗性はＲＲＲにもよ
るが、一般的に２０Ｋ以下の低温領域で大きいのであっ
て、液体窒素温度（７７Ｋ）では純度や焼鈍の効果はほ
とんど消失するからである。低温側をフレキシブルにし
ておけば、高温側はフレキシブルにする必要がなく、例
えば図１に示すように金属ブロック（電極用良導体４）
に直接接続することによって、接続抵抗の問題は大幅に
低減可能である。
金属を接続することによって、狭い空間で、酸化物超電
導材料の長さ方向に伸縮でき電気抵抗を低く（電流容量
を大きく）することが可能になる。したがって、図１に
示されているようにステンレス鋼などの剛体管３の中に
収め、その剛体管３の両端に固定された銅などの電極用
良導体４で支持する構造とすることにより、外的な力に
強く、電流容量に比してコンパクトな電流リードが実現
できる。
中に蒸発ヘリウムガスが通るような構造として、ガス冷
却型として用いてもよいが、大気と触れる機会が多い使
用環境の場合、剛体管の中を密封した構造にすることが
望ましい。これは酸化物超電導材料として、水分劣化が
激しいＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系酸化物超電導体を用いた場
合に必要性が大きい。従って剛体管の内部は真空あるい
は乾燥ガスが充填されていることが望ましい。
液体ヘリウム温度での電気抵抗を調べた。試験した材料
は、一般的に利用されている銅線（Ｃｕ−１）と市販さ
れている純度の高い板材である。表１にその結果を示
す。室温および液体窒素温度での電気抵抗は、材料や熱
処理によらずほぼ同程度であったが、液体ヘリウム温度
での電気抵抗は材料や熱処理条件で大きく異なった。通
常市販されている被覆銅線（Ｃｕ−１）では約１×１０
-11 Ωｍであった。
導度は飛躍的に向上した。今回用いた試料は融点の８０
％の温度で２日間、アルゴン気流中で焼鈍したものであ
るが、電気抵抗は約１／２から１／１３以下に減少し
た。このような材料は、液体ヘリウム温度近く、すなわ
ち２０Ｋ以下に冷却されるような電流リードの低温側リ
ード線として優れていると言える。
が減少した材料は、焼鈍前に比較して飛躍的に柔らかく
なった。とりわけ銀およびアルミニウムは効果が大きか
った。これは、空孔、転位、結晶粒界等の欠陥が減少し
たためで、このような材料は前述した熱収縮歪みを緩和
する材料として優れているといえる。
た。この電流リードに使用されている酸化物超電導体１
は、ＱＭＧ法で作製したＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超
電導材料である。この材料の特徴は、材料全体に亙って
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
している組織を有していることであり、臨界電流密度が
極めて高い。用いられた酸化物超電導体の長さは４３ｍ
ｍ、断面積は３×４ｍｍ2 である。
しての銅電極に電気的に接続される。接触抵抗を低減す
るために電極部には銀が成膜され、高温側は銅電極と直
接半田付けされるが、低温側は銅電極に接合されたＳＵ
Ｓ３０４ステンレス鋼の剛体管３（外径１０ｍｍ、厚さ
０．３ｍｍ、長さ８０ｍｍ）の熱収縮歪みを吸収するた
めの良導体２としての軟金属を介して接続される。応力
緩和用の軟金属板は幅３ｍｍ×３５ｍｍの板２枚と幅４
ｍｍ×長さ３５ｍｍの板２枚、計４枚で接続した。剛体
管中はヘリウムガスで密封した。
却されるが高温部は６０Ｋ程度になる。この電流リード
の要求特性は外部磁界５０００ガウスで２００Ａであつ
た。最近研究されている代表的なＢｉ系焼結体の電流リ
ードの臨界電流密度は６２Ｋ、５０００ガウスで約３０
０Ａ／ｃｍ2 であり（Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｓｕｐ
ｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｖ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ
−Ｖｅｒｌａｇ社、ｐ．６４３）、形状をロッド状にし
たとして超電導材料だけで約１０ｍｍ径の断面積が必要
である。したがって、試作した電流リードはこのクラス
の電流リードとしては極めてコンパクトなものである。
これは、臨界電流の大きな酸化物超電導材料を用いたた
めである。今回使用された材料の臨界電流は７７Ｋ、５
０００ガウスで１４３０Ａであり、温度が低くなるとさ
らに大きな電流を通電することが可能である。
抗が、１×１０-10 Ωｍ程度）で、液体ヘリウム中での
発熱の影響を少なくするためには、１ｍｍ2 あたり４５
Ａが限界である。したがって、金属板に実施例１に示し
た液体ヘリウム温度での電気抵抗が１．４８×１０-10
ΩｍのＣｕ−２を用いたとするならば、厚さは０．５ｍ
ｍ程度は必要である。特に図１のような液体ヘリウムに
直接接触しない伝導冷却タイプの電流リードでかつ液体
ヘリウム温度より高い温度になるような場合はこの条件
はさらに厳しくなる。しかしながら、この厚さでは十分
な弾撥性を得ることはできなかった。
抗が１×１０-11 Ωｍ以下の材料を用いると厚さは１／
１０で済むことになる。実際に、Ｃｕ−２およびＡｇ−
ｌａと同じ材質・熱処理条件で厚さ０．３ｍｍの材料を
用いて、図１の電流リードを作製し、外部磁界５０００
ガウスでの臨界電流特性を比較した。
で電流リードの電気抵抗が急激に増加し、通電が不可能
になつた。これは銅板の抵抗が大きいため発熱し、熱が
酸化物超電導体に伝搬し超電導体がクエンチしたためで
ある。また、室温との間で冷却・加熱を繰り返したとこ
ろ、次第に臨界電流が劣化し５回の熱サイクルで臨界電
流が１００Ａ以下になってしまった。これは熱歪みのた
めに、酸化物超電導材と銅板の接触部に力が加わりクラ
ックが生じるなどして、接触抵抗が増加してしまったた
めと考えられる。一方、銀板を用いたものは２００Ａま
で安定的に通電でき、かつ熱サイクルによる劣化および
半年間での経時劣化は認められなかった。
ｌａと同じ材料を用いて試作した。酸化物超電導体とア
ルミニウムの接続部にアルミニウム用の半田を使用した
以外は実施例２と全く同様に作製した。同様な条件下で
臨界電流密度を測定したところ２００Ａでクエンチして
しまった。しかし、使用されたアルミニウムは柔らかく
伸縮変形の能力については予裕があつたので、厚さ０．
４ｍｍのものを使用してさらに実験をおこなった。その
結果、２００Ａまで安定的に通電でき、かつ熱サイクル
による劣化は認められず、一般銅材を使用した以上の効
果が得られることを確認した。
鈍された電気抵抗の極めて小さな金属材料を超電導材料
に接続することにより、より小さな空間で大きな電流を
通電することが可能になり、コンパクトで熱サイクルに
強い酸化物超電導電流リードを作製することができる。
Claims (6)
- 【請求項１】 酸化物超電導体の少なくとも一端に、液
体ヘリウム温度での電気比抵抗が７×１０-11 Ωｍ以下
であって長さが伸縮する変形が可能な良導体が接続さ
れ、前記の酸化物超電導体と良導体とが接続されたもの
の両端部が固定・支持されていることを特徴とする酸化
物超電導電流リード。 - 【請求項２】 酸化物超電導体の少なくとも一端に、液
体ヘリウム温度での電気比抵抗が７×１０-11 Ωｍ以下
であって長さが伸縮する変形が可能な良導体が接続さ
れ、前記の酸化物超電導体と良導体とが接続されたもの
が剛体管の中に収められ、前記剛体管の両端に固定され
た電極用良導体で支持されていることを特徴とする酸化
物超電導電流リード。 - 【請求項３】 剛体管の中は乾燥ガスを封入するか真空
にすることにより密封状態になっていることを特徴とす
る請求項２に記載の酸化物超電導電流リード。 - 【請求項４】 良導体は長さ方向に湾曲した帯状の薄板
を軸対称に複数組み合わせることにより、長さが伸縮す
る変形を可能としたことを特徴とする請求項１ないし３
のいずれかに記載の酸化物超電導電流リード。 - 【請求項５】 良導体は９９．９％以上の純度を有する
銀であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか
に記載の酸化物超電導電流リード。 - 【請求項６】 酸化物超電導体は配向したＲＥＢａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏx 系超電導体であることを特徴とする請求項１な
いし５のいずれかに記載の酸化物超電導電流リード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24396795A JP3711159B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 酸化物超電導電流リード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24396795A JP3711159B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 酸化物超電導電流リード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0969427A true JPH0969427A (ja) | 1997-03-11 |
| JP3711159B2 JP3711159B2 (ja) | 2005-10-26 |
Family
ID=17111718
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24396795A Expired - Lifetime JP3711159B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 酸化物超電導電流リード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3711159B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007266508A (ja) * | 2006-03-29 | 2007-10-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 超電導機器の導体引出構造 |
| JP2008117734A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-05-22 | Toshiba Corp | 高温超電導薄膜線材、超電導電流リードおよびその製造方法 |
| JP2013122981A (ja) * | 2011-12-12 | 2013-06-20 | Hitachi Ltd | 超電導マグネット、超電導線材の接続方法 |
| JP2013229520A (ja) * | 2012-04-26 | 2013-11-07 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 超電導電流リードの製造方法及び超電導電流リード及び超電導マグネット装置 |
| JP2022016296A (ja) * | 2020-07-08 | 2022-01-21 | ジーイー・プレシジョン・ヘルスケア・エルエルシー | 極低温装置用高温超電導電流リードアセンブリ |
-
1995
- 1995-08-30 JP JP24396795A patent/JP3711159B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007266508A (ja) * | 2006-03-29 | 2007-10-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 超電導機器の導体引出構造 |
| JP2008117734A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-05-22 | Toshiba Corp | 高温超電導薄膜線材、超電導電流リードおよびその製造方法 |
| JP2013122981A (ja) * | 2011-12-12 | 2013-06-20 | Hitachi Ltd | 超電導マグネット、超電導線材の接続方法 |
| JP2013229520A (ja) * | 2012-04-26 | 2013-11-07 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 超電導電流リードの製造方法及び超電導電流リード及び超電導マグネット装置 |
| JP2022016296A (ja) * | 2020-07-08 | 2022-01-21 | ジーイー・プレシジョン・ヘルスケア・エルエルシー | 極低温装置用高温超電導電流リードアセンブリ |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3711159B2 (ja) | 2005-10-26 |
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