CN110678940A - 超导线和超导线圈 - Google Patents

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永石龙起
小西昌也
大木康太郎
山口高史
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吉原健彦
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Abstract

一种超导线具有带状形状，并且包括超导层。对于超导线中具有1m的长度且4mm的宽度的单元区域，将温度从77K升高至300K所需的热量大于或等于200J且小于或等于500J。

Description

超导线和超导线圈
技术领域
本发明涉及超导线和超导线圈。
背景技术
传统上，已知日本专利特许公开No.2015-28912号公报(PTL 1)中公开的超导线。PTL 1中描述的超导线包括：基板；超导层，其设置在基板的主表面上使中间层插在其间；保护层，其形成在超导层上；稳定化层，其由铜制成；以及金属层，其由比铜软的金属形成。
引用列表
专利文献
PTL 1:日本专利特许公开No.2015-28912
发明内容
根据本公开的一方面的超导线具有带状形状，并且包括超导层。对于超导线中具有1m的长度且4mm的宽度的单元区域，将温度从77K升高至300K所需的热量大于或等于200J且小于或等于500J。
附图说明
图1是根据实施例的超导线的示意性剖视图。
图2是例示了用于测量将超导线中的单位区域的温度从77K升高至300K所需的热量的方法的过程图。
图3是例示了用于测量将超导线中的单位区域的温度从77K升高至300K所需的热量的方法的示意图。
图4是在与超导线圈的线圈轴线垂直的横截面中的根据实施例的超导线圈的示意性剖视图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
在PTL 1中公开的超导线中，由比铜软的金属形成的金属层设置在最外周。因此，当缠绕超导线以形成超导线圈时，超导线的相邻绕组的金属层之间具有良好的粘附性，这样可减小超导线的绕组之间的接触电阻。另外，在PTL 1中，如果在使用超导线圈的同时发生失超(quench)，则电流流过超导线的相邻绕组的金属层，从而抑制了局部发热，这样可保护超导线。
然而，上述超导线旨在发生失超时保护超导线，但难以抑制发生失超本身。
已鉴于如上所述的常规技术的问题制成了根据本公开的超导线和超导线圈。更具体地，提供了可抑制失超发生的超导线和超导线圈。
[本公开的有利效果]
根据依据本公开的超导线和超导线圈，可抑制失超的发生。
[对本公开的实施例的描述]
首先，将以列表形式描述本公开的实施例。
(1)根据本公开的一方面的超导线具有带状形状，并且包括超导层。对于超导线中具有1m的长度且4mm的宽度的单元区域，将温度从77K升高至300K所需的热量大于或等于200J且小于或等于500J。
利用这种构造，由于即使在超导线例如具有局部缺陷并且在缺陷部分处电阻值增加并且产生热的情况下，在超导线的单位区域中将温度从77K升高至300K所需的热量也具有相对大的值，可在某种程度上抑制超导线的温度升高。这样可抑制由于产生热而导致的超导线温度突然升高，并且可最终抑制失超的发生和诸如超导线烧坏这样的故障发生。应该注意，上述单位区域旨在限定上述热量。根据本公开的一方面的超导线可具有小于1m的长度或小于4mm的宽度。
(2)超导线在77K的温度处的平均导热率大于或等于100W/(m·K)。
在这种情况下，即使如上所述由于缺陷等导致电阻值局部增大并且如上所述产生热，热也可立即扩散到超导线的其他部分。这样可抑制超导线中的局部温度升高。应该注意，例如，当超导线具有由多个组件构成的堆叠结构时，可通过计算热导率与每个组件厚度的乘积，将相应组件的乘积相加并且用该结果除以整个超导线的厚度来定义本文中使用的平均热导率。
(3)超导线包括基板层、超导层和涂覆层。基板层具有第一表面和与第一表面相反的第二表面。超导层具有第三表面和与第三表面相反的第四表面。超导层设置在基板层上，使得第三表面面对第二表面。涂覆层设置在第一表面上和第四表面上。涂覆层包括导体层。
在这种情况下，可通过调节超导线的基板层和涂覆层的材料和厚度来调节热量和平均导热率。
(4)根据本公开的一方面的超导线圈包括上述超导线和绝缘体。超导线被缠绕成螺旋形状，使在超导线的绕组之间插有空间。该空间被绝缘体填充。
由此，通过使用其中抑制失超发生的超导线，可实现可靠的超导线圈。
[本公开的实施例的细节]
接下来，将描述实施例的细节。应该注意，将用相同的参考标号指定下图中的相同或对应部件，并且将不再重复对其的描述。另外，以下描述的实施例的至少部分可被任意地组合。
(第一实施例)
(超导线的配置)
图1是根据本实施例的超导线100的示意性剖视图。图1示出了带状形状的超导线的在与超导线的纵向方向垂直的方向上的横截面。如图1中所示，根据本实施例的超导线100具有基板层1、超导层2和作为涂覆导体层的涂覆层3。
基板层1优选地具有带状形状，其厚度小于其在纵向方向上的长度。基板层1具有第一表面1a和第二表面1b。第二表面1b是与第一表面1a相反的表面。基板层1可由多个层构成。更具体地，基板层1可包括基板11和中间层12。基板11位于第一表面1a侧，并且中间层12位于第二表面1b侧。
基板11可由多个层构成。例如，基板11由第一层11a、第二层11b和第三层11c构成。例如，不锈钢被用于第一层11a。例如，铜(Cu)被用于第二层11b。例如，镍(Ni)被用于第三层11c。
中间层12是用作在基板11上形成超导层2的缓冲的层。中间层12优选地具有一致的晶体取向。此外，对于中间层12，使用相对于超导层2的材料具有小晶格常数失配的材料。更具体地，对于中间层12，例如，使用氧化铈(CeO2)或氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
超导层2是包含超导体的层。用于超导层2的材料例如是稀土类氧化物超导体。例如，用于超导层2的稀土类氧化物超导体是REBCO(REBa2Cu3Oy，其中，RE代表诸如钇(Y)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、钬(Ho)或镱(Yb)这样的稀土元素)。
超导层2具有第三表面2a和第四表面2b。第四表面2b是与第三表面2a相反的表面。超导层2设置在基板层1上。更具体地，超导层2设置在基板层1上，使得第三表面2a面对第二表面1b。基板层1和超导层2构成线部分10。
涂覆层3是涂覆基板层1和超导层2的层。涂覆层3设置在基板层1的第一表面1a和超导层2的第四表面2b上。另外，从另一角度来看，形成涂覆层3以覆盖基板层1和超导层2的外周边。
涂覆层3包括：稳定层31，其作为形成在超导层2和基板层1的第一表面1a上的第一导体层；以及保护层32，其作为形成在稳定层31上的第二导体层。稳定层31形成在超导层2的第四表面2b上，基板层1的第一表面1a上以及超导层2和基板层1的侧表面上。也就是说，稳定层31被形成为覆盖线部分10的外周边。稳定层31保护超导层2，耗散在超导层2中局部产生的热，并且用作在超导层2中出现失超(从超导状态转变为正常导电状态的现象)时将电流旁路的导体。另外，例如，当使用镀敷法形成保护层32时，稳定层31还具有保护超导层2不受镀敷法所使用的镀敷溶液影响的功能。用于稳定层31的材料是例如银(Ag)。
稳定层31可具有单层结构，或者可具有多层结构。另外，稳定层31可采用任何构造，只要其与超导层2和基板11的第一表面1a的粘附性可得以改善即可。稳定层31可包括通过蒸发法或溅射法形成的层，或者可包括通过镀敷法形成的层。
例如，可通过形成由银制成的层作为稳定层31并此后进行热处理来改善稳定层31与超导层2之间的粘附或稳定层31与基板11之间的粘附。
保护层形成在稳定层31上。保护32保护稳定层31和线部分10。另外，保护层32还可用作在超导层2中发生失超时将电流旁路。保护层32被形成为覆盖由基板层1和超导层2构成的线部分的外周边的至少部分，其间插有稳定层31。在图1中，保护层被形成为覆盖线部分的整个外周边。
在图1中示出的超导线100中，对于具有1m的长度且4mm的宽度的单元区域，将温度从77K升高至300K所需的热量大于或等于200J且小于或等于500J。随后，将描述测量热量的方法。
另外，超导线在77K的温度处的平均导热率大于或等于100W/(m·K)。可根据构成超导线100的材料层在77K的温度处的热导率以及相应材料层的厚度来计算平均热导率。
例如，可通过调节基板11的构造和涂覆层3的构造来实现如上所述的热量和平均导热率。
(热量测量方法)
图2是例示了用于测量将超导线100中的单位区域的温度从77K升高至300K所需的热量的方法的过程图。图3是例示了用于测量将超导线100中的单位区域的温度从77K升高至300K所需的热量的方法的示意图。将使用图2和图3描述测量超导线中的热量的方法。
在用于测量超导线100中的热量的方法中，首先，执行在室温下测量电阻的步骤(S10)，如图2中所示。在该步骤(S10)中，可使用与通常用于测量电阻的四端子方法相似的方法。具体地，如图3中所示，准备例如被切割成具有150mm长度的超导线的样品200，并且将电流端子53焊接到样品200的两端。另外，将电压端子54焊接到样品的中间部分，例如，端子之间的间隔为100mm。电流端子53连接到电流测量单元55。电压端子54连接到电压测量单元56。然后，对于具有如上所述连接的端子的样品200，测量在室温(300K)下的电阻值。
随后，执行测量液氮中的电阻的步骤(S20)。具体地，将具有如上所述连接的电流端子53和电压端子54的样品200浸入被保持在如图3中所示的容器51内的液氮52中，并进行冷却。通过用比施加到冷却至77K的样品200的样品线的临界电流值(Ic)足够高的电流测量电压端子54之间的电压值来测量电压端子54之间的电阻值，77K是液氮52的温度。在这种情形下，要施加的电流可具有例如是临界电流值的约三倍的值。然后，当所测得的电阻值变得等于室温下的电阻值时，停止施加电流。应该注意，在停止施加电流的时间点，样品的温度被认为等于室温，即步骤(S10)中的用于测量的温度条件。
在该步骤(S20)中，测量从开始施加电流时到停止施加电流时的时间以及从开始施加电流时到停止施加电流时的时间期间的电流值。这里，如果直到电阻值变为等于室温下的值为止所花费的时间长于50毫秒，则要施加到样品200的电流的值增加，以致使在较短时间内电阻值增大至室温下的电阻值。例如，可确定电流的值，使得直到电阻值增大至室温下的电阻值为止所花费的时间为几毫秒至大约20毫秒。上述时间被设置为短的原因在于，如果时间如上所述是几毫秒至20毫秒，则作为每单位时间和单位面积通过液氮52从样品200中去除的热量的冷却量可被认为等于液氮的临界热通量qc。
随后，执行计算热量的步骤(S30)。在该步骤(S30)中，具体地，如下所述地计算热量。
以上步骤(S20)中确定的数据，即，在从开始施加电流到停止施加电流的温度升高过程中的电流时间上的改变、电压端子54之间的电压改变以及从开始施加电流到停止施加电流的时间被分别定义为I(t)、V(t)和t300K。使用这些参数，用下式(1)表示在升温过程中供应给样品200的热量Q。
[式1]
另外，用下式(2)表示在升温过程中通过液氮冷却的热量Qcool，其中，S代表样品200的(电压端子54之间的)表面积。
[式2]
Qcool＝qc×t300K×S (2)
基于这些等式，用下式(3)表示在样品200的单位区域中将温度从77K升高至300K所需的热量Q77-300，其中，L代表电压端子之间的间隔(单位：m)，并且W代表线宽度(单位：mm)。应该注意，单位区域是样品200中的具有1m的长度和4mm的宽度的区域。
[式3]
Figure BDA0002278966060000082
(制造超导线的方法)
以下，将描述根据本实施例的制造超导线100的方法。可使用任何方法作为制造超导线100的方法。例如，制造超导线100的方法包括基板制备步骤(S100)、中间层形成步骤(S200)、超导层形成步骤(S300)和涂覆层形成步骤(S400)。
步骤(S100)是制备基板11的步骤。在制备基板11的步骤中，使用任何常规已知方法形成基板11。例如，制备由诸如不锈钢这样的金属制成的带构成的第一层11a，并且在第一层11a上依次形成第二层11b和第三层11c。作为形成这些层的方法，可使用诸如镀敷法或溅射法这样的任何方法。
步骤(S200)是形成中间层的步骤。在该步骤(S200)中，在基板11的第三层11c上形成中间层12。作为形成中间层12的方法，可使用诸如镀敷法或溅射法这样的任何方法。由此，得到由基板11和中间层12构成的基板层1。
在步骤(S300)中，在中间层12上形成超导层2。在该步骤(S300)中，使用任何常规已知方法形成超导层2。由此，得到线部分10。
步骤(S400)是形成涂覆层3作为涂覆导体层的步骤，并且包括形成稳定层31的步骤和形成保护层32的步骤。在形成稳定层31的步骤中，至少在超导层2的第四表面2b上以及基板层1的第一表面1a上形成作为第一导体层的稳定层31。在形成稳定层31的步骤中，可形成稳定层31以覆盖线部分10的整个侧表面。作为形成稳定层31的方法，可使用诸如溅射法或镀敷法这样的任何方法。
作为形成保护层32的步骤，例如，可使用镀敷法在稳定层31上形成保护层。作为形成保护层32的方法，可使用任何方法来代替上述镀敷法。由此，可获得图1中示出的超导线。
(超导线的功能和作用)
根据依据本实施例的超导线，在超导线100的单位区域中使温度从77K升高至300K所需的热量Q77-300具有相对大的值。因此，例如，即使当超导线100具有局部缺陷并且在该缺陷的部位处的电阻值增大时，也能一定程度上抑制由于缺陷的部分处的热而导致超导线100的温度升高。这样可抑制由于产生热而导致的超导线100的温度突然升高，并且可最终抑制诸如超导线100被烧坏这样的故障发生。
另外，超导线在77K的温度处的平均导热率大于或等于100W/(m·K)。因此，即使当超导线100的电阻值由于缺陷等而局部增大并且产生热时，热可立即扩散到超导线100的其它部分。这样可抑制超导线100中的局部温度升高。
如图1中所示，超导线10C包括基板层1、超导层2和涂覆层3。基板层1具有第一表面1a和与第一表面1a相反的第二表面1b。超导层2具有第三表面2a和与第三表面2a相反的第四表面2b。超导层2设置在基板层1上，使得第三表面2a面对第二表面1b。涂覆层3设置在第一表面1a上和第二表面2b上。在这种情况下，可通过调节超导线100的基板层1和涂覆层3的材料和厚度来调节热量Q77-300和平均导热率。
(第二实施例)
以下，将参照附图描述根据本实施例的制造超导线圈300的构造。图4是在与超导线圈的线圈轴线垂直的横截面中的根据本实施例的超导线圈300的剖视图。如图4中所示，根据本实施例的超导线圈300具有超导线100和绝缘体150。
超导线100是以上在第一实施例中描述的超导线100，并且具有以线圈轴线为中心的螺旋形状。即，超导线100缠绕线圈轴线。缠绕超导线100，在超导线100的绕组之间插有空间。
超导线100的绕组之间的空间被填充有绝缘体150。由此，超导线100的绕组彼此绝缘并且相对于彼此固定。从另一个角度看，超导线100被绝缘体150夹在中间。
例如，热固性树脂用于绝缘体150。用于绝缘体150的热固性树脂优选地具有低粘度，使得处于被固化之前的状态的热固性树脂可被引入超导线100的绕组之间的空间中。例如，用于绝缘体150的热固性树脂是环氧树脂。
(制造超导线圈的方法)
可采用任何方法作为制造超导线圈300的方法。例如，将超导线100缠绕线圈轴线，然后将要成为绝缘体的树脂150引入超导线100的绕组之间的空间中。此后，执行树脂固化处理。作为固化处理，例如执行热处理。应该注意，未示出的电极端子等可连接到超导线100。由此，得到图4中示出的超导线圈300。
(超导线圈的功能和作用)
在图4中示出的超导线圈300中，可通过使用在其中抑制失超发生的超导线100来实现可靠的超导线圈300。
(示例)
为了确认本发明的效果，进行下述实验。
(样品)
示例的样品：
使用其中将具有1m的长度和4mm的宽度的单位区域的温度从77K升高至300K所需的热量分别为200J、300J、400J和500J的超导线作为示例的样品。
比较例的样品：
使用其中将具有1m的长度和4mm的宽度的单位区域的温度从77K升高至300K所需的热量分别为150J和550J的超导线作为比较例的样品。
对于上述示例和比较例的样品中的每个，切出长度为150mm的测试件，并且将通过四端子方法进行测量的电流端子和电压端子放置在测试件上，如第一实施例中的测量热量的情况下一样。对于示例和比较例的样品中的每个，制备十个测试件。
<实验>
实验1：
示例和比较例的样品中的每个被冷却至液氮温度，使对应于临界电流值的电流从中经过，并且确认没有发生失超。
实验2：
对于在上述实验1中确认没有发生失超的示例和比较例的样品中的每个，在电压端子之间的中心部分中的超导线的表面上形成模仿缺陷。具体地，用划线器形成触及超导层的缺陷以具有在超导线的纵向方向上为0.1mm并且在超导线的宽度方向上为2mm的平面大小。
然后，将有缺陷的测试件再次冷却至液氮温度，使对应于临界电流值的电流从中通过，并且确认是否发生失超。
<结果>
关于示例的样品，在实验2中在所有样品中也均未发生失超，并且未发生样品等的受损。相反，关于比较例的样品，在所有样品中都发生失超，并且样品在缺陷附近被烧坏。
尽管以上描述了本发明的实施例和示例，但是也可能对上述实施例进行各种修改。另外，本公开的范围不限于上述实施例。本发明的范围由权利要求书的范围限定，并且旨在包括与权利要求书的范围等同的范围和含义内的任何修改形式。
参考符号列表
1：基板层；1a：第一表面；1b：第二表面；2：超导层；2a：第三表面；2b：第四表面；3：涂覆层；10：线部分；11：基板；11a：第一层；11b：第二层；11c：第三层；12：中间层；31：稳定层；32：保护层；51：容器52：液氮；53：电流端子；54：电压端子；55：电流测量单元；56：电压测量单元；100：超导线；150：绝缘体；200：样品；300：超导线圈。

Claims (4)

1.一种具有带状形状的超导线，包括超导层，其中
对于所述超导线中具有1m的长度且4mm的宽度的单元区域，将温度从77K升高至300K所需的热量大于或等于200J且小于或等于500J。
2.根据权利要求1所述的超导线，其中
所述超导线在77K的温度处的平均导热率大于或等于100W/(m·K)。
3.根据权利要求1或2所述的超导线，其中
所述超导线包括基板层，所述基板层具有第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，
所述超导层具有第三表面和与所述第三表面相反的第四表面，并且被设置在所述基板层上使得所述第三表面面对所述第二表面，并且
所述超导线还包括设置在所述第一表面上和所述第四表面上的涂覆层。
4.一种超导线圈，包括：
根据权利要求1至3中的任一项所述的超导线；以及
绝缘体，其中
所述超导线被缠绕成具有螺旋形状，在所述超导线的绕组之间插有空间，并且
所述空间被所述绝缘体填充。
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