JP2779210B2 - 電流リード用導体 - Google Patents

電流リード用導体

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JP2779210B2 JP1151030A JP15103089A JP2779210B2 JP 2779210 B2 JP2779210 B2 JP 2779210B2 JP 1151030 A JP1151030 A JP 1151030A JP 15103089 A JP15103089 A JP 15103089A JP 2779210 B2 JP2779210 B2 JP 2779210B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電流供給源から液体He等で冷却された超電
導マグネット等の超電導素子へ電流を供給する為に用い
られる電流リード用導体に関する。
〔従来の技術及びその課題〕
超電導を利用したマグネット、送電ケーブル又はSQUI
Dやジョセフソン素子等を組込んだ電子機器等は液体He
等により冷却して用いられるもので、これら電子機器等
への電流の供給は、運転開始又は運転中に外部電源より
電流リード用導体を通してなされる。
ところで電流リード用導体には従来、銅材が用いられ
ているが超電導マグネット等では大電流を必要とし、従
って電流リード用導体はサイズを太くして、ジュール発
熱の低減や過電流による溶断防止が計られている。しか
しながら電流リード用導体を太くすると外部からの流入
熱量が増加し、その結果He等の冷媒の蒸発量が増え冷却
コストが増大するという問題があった。
このようなことから、近年第3図に示したような液体
窒素温度で超電導を示す酸化物超電導体5に電気良伝導
体からなる支持体6を被覆した電流リード用導体が提案
された(特開昭63−245910)。
この電流リード用導体においては、電流は液体He等で
冷却された超電導素子側では主に酸化物超電導体を通
り、又常温の電流供給源側では金属被覆層を通って供給
されるもので、酸化物超電導体は、液体He等で冷却され
た超電導素子側では抵抗ゼロの為通電によるジュール発
熱がなく、又酸化物超電導体は熱伝導性が低い為外部か
らの熱流入が少なく、電流リード用導体としては優れた
特性を有するものである。しかしながら電流リード用導
体は長さが数10cmと短い上、一端が常温、他端が極低温
に冷却され、しかもこの温度間でのヒートサイクルが何
回も繰り返される為に熱歪により酸化物超電導体内にク
ラックが生じたり、或いは、酸化物超電導体と金属被覆
層とが剥離したりして通電抵抗が増大して電流リード用
導体が焼損し又は性能が経時的に劣化する等耐久性に劣
るという問題があった。
更に上記酸化物超電導体は層状ペロブスカイト型結晶
構造の為結晶異方性が強く、電流はCu−O原子を含むab
面に流れ易く、従って通電方向に対し垂直な方向にC軸
を配向させるのが高いJcを得るのに必要な要件である。
しかしながら前記の従来の酸化物超電導体は結晶配向が
ランダムな為に、十分に高いJc値が得られず、電流供給
に長時間を要し、又電流供給を早めるとジュール熱が発
生する。その結果液体Heが大量に蒸発してしまうという
問題があった。
〔課題を解決するための手段〕
本発明はかかる状況に鑑み鋭意研究を進めた結果なさ
れたものでその目的とするところは、耐久性に優れ且つ
液体He等の冷媒の蒸発量を低減し得る電流リード用導体
を提供することにある。
即ち本発明は、電流供給源から超電導素子へ電流を供
給する為の金属導体からなる電流リード用導体であっ
て、少なくとも超電導素子に接続される側の部分では金
属導体中に酸化物超電導体の粒状物が分散されているこ
とを特徴とするものである。
本発明の電流リード用導体は金属導体からなり且つ少
なくとも超電導素子に接続される側の上記金属導体中に
酸化物超電導体が粒状に分散したものである。
而して上記金属導体には、良導電性のCu、Al、Au、Ag
等又はこれらの合金が適用される。又上記金属導体中に
分散させる酸化物超電導体としては、臨界温度(Tc)が
〜93KのYBa2Cu3O7−δ又は上記Yを他の希土類元素で置
換したもの、Tcが90〜110KのBi2Sr2CaCu2O8、Bi2Sr2Ca2
Cu3O10、Tcが100〜125KのTl2Ba2CaCu2O8、Tl2Ba2Ca2Cu3
O10、TlBa2Ca2Cu3O8.5等であり、更に上記各々の酸化物
超電導体を構成する金属元素の一部をPb、In、Sb、アル
カリ金属等で置換したもの、又はOの一部をFで置換し
たもの等が含まれる。
以下に本発明の電流リード用導体の構成を図を参照し
て説明する。
第1図イ〜ホは本発明の電流リード用導体の実施例を
示すそれぞれ縦断面図で、図の右端部が電流供給源に接
続され、左端部が超電導素子に接続される。電流リード
用導体は断面円型で図中1は金属導体、2は分散された
酸化物超電導体粒状物である。
同図イに示した電流リード用導体は、超電導素子と接
続される側の金属導体1の中に酸化物超電導体粒状物2
を分散させた構造のものである。同図ロ、ハに示した電
流リード用導体は、その外径を超電導体素子側から電流
供給源に向けてそれぞれ段階的に又はテーパー状に太く
して長手方向の抵抗を均一化してジュール熱の発生を低
減し、更に超電導体素子への熱流入を抑制するようにし
たものである。同図ニに示した電流リード用導体は、上
記図ハに示した電流リード用導体に補強等の目的でSU
S、Cu−Ni系合金、Al−Mg−Cu系合金等の金属支持体3
を外被したもの、又同図ホに示した電流リード用導体は
上記図ニに示した電流リード用導体の電流供給源側に導
電性金属片4を接合して接続性を改善したものである。
第2図イ〜ハは、本発明の電流リード用導体における
金属導体1中の酸化物超電導体粒状物2の分布形態の例
を示す縦断面図である。同図イに示した電流リード用導
体は単結晶の酸化物超電導体粒状物2が、又同図ロ、ハ
に示した電流リード用導体は、一方向に配向した多結晶
体の粒状物2がそれぞれ金属導体1内にC軸配向して分
散したものである。上記粒状物としては、ウィスカー、
ファイバー、造粒体等も含まれる。
本発明において金属導体1中に分散させる酸化物超電
導体粒状物2の量は、使用条件つまり冷却条件や磁場の
強さによって決められるものであり、通電量は電流リー
ド用導体のJcを超えない値とする必要がある。
本発明において金属導体1中に酸化物超電導体粒状物
2を分布させる方法としては上記酸化物超電導体粒状物
2をマトリックスの金属粉末と混合する粉末冶金方法、
上記酸化物超電導体粒状物2を金属融液に分散させ凝固
させる方法、酸化物超電導体及びマトリックス金属の板
状体を積層し圧延して酸化物超電導板状体を金属板状体
間で粉砕して分散させる塑性加工方法等が適用させる。
上記酸化物超電導体粒状物は、酸化物超電導体となし
得る原料物質を焼成し粉砕する方法、共沈法、気相法、
急冷法等により合成することができ、又単結晶粒状物
は、粗大な多結晶粒を粉砕することにより効率よく製造
することができる。
酸化物超電導体粒状物に金属をコーティングしておく
と上記酸化物超電導体粒状物とマトリックス金属との接
合性を向上せしめることができる。上記コーティング法
としては、スパッタリング法、CVD法等の気相成長法、
メカニカルアロイイング等の固相法又は融液法が適用さ
れる。
本発明において、酸化物超電導体粒状物を接続部とな
るその端部に少なく分散させることにより接続用金属を
複合するような必要がなく、依って電流リード用導体の
構造が簡素化され、又接触抵抗に伴う発熱も低く抑える
ことができる。
本発明の電流リード用導体は、分散させた酸化物超電
導体の臨界温度(Tc)より低い温度の冷媒例えば液体窒
素等により冷却して用いることによりその効果が一層発
現される。
〔作用〕
本発明の電流リード用導体は、金属導体の少なくとも
超電導素子に接続される側に酸化物超電導体粒状物を分
散させたものなので、超電導体素子側では金属導体内部
の超電導体粒状物が液体He等の冷媒により冷却されて電
気抵抗が零となってジュール発熱が抑制され、又酸化物
超電導体は熱電導性が悪いので外部からの熱流入が阻止
され、依って液体He等の冷媒の蒸発が低減される。又電
流供給源側では電流は金属層を流れるので十分な通電量
が得られ、特に常温で絶縁体となる酸化物超電導体粒状
物を電流供給源側に分散させない電流リード用導体はよ
り一段と高い通電量が確保される。
又超電導素子側と電流供給源側との間の温度差により
生じる熱歪は金属層に吸収されるので超電導体粒状物に
クラックが生じてJcが低下するようなことがなく、更に
金属層が連続して形成されているので機械的特性、特に
可撓性や靱性が向上する。
〔実施例〕
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例1 平均粒径7μmのYBa2Cu3O7−δの仮焼成粉を930℃12
H加熱して、直径約50μmの粒状体となし、次いでこれ
を粉砕して平均径約20μmの偏平粉を作製した。この偏
平粉に平均粒径3μmのAg粉を50wt%配合し、これにポ
リビニルアルコールとプチルセロソルブを添加し混練し
たのち、この混練体を10mmφの棒材に押出し、この棒材
を酸素気流中にて890℃2H予備焼結した。次いで上記焼
結棒材をAgシースで真空封止したのち、Ar+1.5vol%O2
の1000気圧雰囲気下で880℃×10HのHIP処理を施した。
しかるのちAgシースを剥ぎとり、機械加工により断面6
×4mmの角材に仕上げ、次いでこの角材を酸素気流中に
て600℃12H加熱処理して電流リード用導体を製造した。
実施例2 実施例1において混練体を押出し加工せずに成形型に
入れて10mmφの棒材に成形した他は実施例1と同じ方法
により電流リード用導体を製造した。
実施例3 平均粒径30μmのBi2Sr2Ca1.1Cu2.3Oxの仮焼成粉を内
径18mmのAgパイプに充填し、これをスエージャー及びド
ローベンチにより縮径加工し、更に圧延により厚さ0.45
mm(内側厚さ0.3mm)のテープ材となした。しかるのち
このテープ材を大気中にて900℃30分間、引続き840℃12
H加熱処理し、次いでこれを20mm長さのチップに切断
し、このチップを内径18mmのAgパイプに、チップの長さ
方向がAgパイプの長さ方向に揃うようにして充填した。
しかるのちこのAgパイプに実施例1と同じ条件でHIP処
理を施し、次いでAgパイプを除去し機械加工により断面
6×4mmの角材に仕上げ、次いでこの角材を大気中にて8
20℃12H加熱処理して電流リード用導体を製造した。
実施例4 HoBa2Cu3Oxの仮焼成粉をPtルツボ内にて1150℃に加熱
して溶融し、この溶融体を急冷凝固せしめたのち、1050
℃に再加熱して50℃/cmの温度勾配の炉中を1mm/2Hの速
度で移動して一方向凝固処理を施した。しかるのちこの
一方向凝固処理材を粉砕して粒径1mmの粒状体となし、
この粒状体にAg粉を40wt%混合し、この混合体をAg容器
に振動を付与しつつ充填し、しかるのちこのAg容器を真
空封止し、次いでAr+2.5vol%O2の800気圧雰囲気下で8
90℃×24HのHIP処理を施した。次いでAg容器を除去し内
部のHIP処理した混合体を機械加工により断面6×4mmの
角材に仕上げ、次いでこの角材を酸素気流中にて600℃1
2H加熱処理して電流リード用導体を製造した。
実施例5 平均粒径2.5μmのErBa2Cu3O7−δの仮焼成粉を平均
粒径1μmのAg粉と重量比で7:3の割合で配合し、これ
をCIP形成後予備焼結して外径19mmのAg−10%Pd合金パ
イプに充填した。次いでこのパイプをスエージャーとド
ローベンチにより外径4mmに縮径加工後圧延して巾5.5mm
厚さ1mmのテープに仕上げた。内部の超電導体とAg粉の
予備焼結体の断面寸法は4.5mm×0.7mmであった。而して
このテープをN2+5vol%O2雰囲気中で900℃12H加熱後、
酸素雰囲気中で600℃24H加熱処理して、電流リード用導
体を製造した。
比較例1 実施例5において、Ag−10wt%Pd合金パイプにErBa2C
u3O7−δの仮焼成粉のみを充填した他は実施例5と同じ
方法により、電流リード用導体を製造した。
比較例2 0.5mmφの純銅線を1200本撚合わせた撚線を電流リー
ド用導体となした。 欺くの如くして得られた各々の電
流リード用導体について、実施例1〜4の導体は400mm
長さに切断し、これに200mm長さの純銅棒をPb−30%Sn
−15%In半田を用いて持続して電流リードとなし、又実
施例5と比較例1の導体は長さ600mmに切断しこれを8
本束ねて、又比較例2の導体は長さ600mmに切断してそ
れぞれ電流リード用導体となした。
而して上記各々の電流リード用導体について、酸化物
超電導体粒状物が分散した側を液体Heに周期的に120回
出し入れするヒートサイクル試験を施したのち、この電
流リード用導体を液体Heにて冷却したNb−Ti製直流超電
導マグネットに取付けて4.2K0.6T800Aの条件にて通電
し、通電時の液体Heの蒸発量を測定した。又各々の電流
リード用導体の結晶配向性をX線回析法により求めた。
結果は第1表に製造条件を併記して示した。尚、液体He
の蒸発量は電流リードを取付けない無通電時の液体Heの
蒸発量を上記通電時の蒸発量から差引いて表わした。
第1表より明らかなように本発明品(1〜5)は、比
較品(7)に較べてHeの蒸発量が半分以下と極めて少な
いものであった。本発明品のうち結晶配向性が高いもの
(1,3,4)は、無配向のもの(2)に較べてHe蒸発量が
少なくなっており、これは結晶配向によりJcが向上した
ことに起因している。本発明品のうちNo5のHe蒸発量が
比較的多かった理由は、結晶配向性が低かったことの他
に、電流供給源側にも酸化物超電導体を分散させた為に
電流供給源側での抵抗が増加したことに起因する。
これに対し比較品のNo6は、電流リードの内層全体が
酸化物超電導体であった為に通電前のヒートサイクルで
上記酸化物超電導体内にクラックが生じJcが低下して通
電により焼損してしまった。又No7は銅撚線を用いた為
に液体He側でも抵抗を有しジュール熱が発生して液体He
が大量に蒸発した。
〔効果〕
以上述べたように本発明の電流リード用導体は、耐久
性に優れ且つ液体He等の冷媒の蒸発を少なく抑えること
ができ、工業上顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図イ〜ホは、本発明の電流リード用導体の実施例を
示す縦断面図、第2図イ〜ハは本発明の電流リード用導
体における金属導体中の酸化物超電導体粒状物の分散形
態の例を示す縦断面図、第3図は従来の電流リード用導
体の縦断面図である。 1……金属導体、2……酸化物超電導体粒状物。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−123405(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01F 6/00,6/04

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電流供給源から超電導素子へ電流を供給す
    る為の金属導体からなる電流リード用導体であって、少
    なくとも超電導素子に接続される側の部分では金属導体
    中に酸化物超電導体の粒状物が分散されていることを特
    徴とする電流リード用導体。
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