JP2005085612A - 超電導テープ導体、超電導テープ導体の製造方法、及び超電導テープ導体を備える装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流外部磁界を印加することにより複数の導体間に発生する結合損失、交流外部磁界の交差により各線材に発生するヒステリシス損失の交流損失を低減すること。
【解決手段】 基板上４に超電導材とバッファ材５とを層状に重ねてなる超電導体片を複数配列し、当該超電導体片にスリットを形成して複数片に分割すると共に当該スリット内に電気抵抗体を充填して隣接する片材間を電気的に接続したテープ線材を形成し、テープ線材を対向させ、両テープ線材の両辺において対向する超電導体片の端部のバッファ材間を常電導体で電気的に接続し、電気的に接続してなる少なくとも２組の電流路を空間で互いに交差させることにより超電導テープ導体を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導テープ導体、超電導テープ導体の製造方法、及び超電導テープ導体を備える装置に、特に、超電導テープ導体の交流損失の低減に関する。

高温超電導体の線材化の技術の開発が行われている線材として、Ｂｉ系銀シース線材とＹ系線材が知られている。Ｂｉ系銀シース線材は、加工がしやすく、また、撚りを施したマルチフィラメント構造とすることができるため長尺化が可能である。しかし、Ｂｉ系銀シース線材では、外部磁界が印加されると、臨界電流密度が急激に低下するという問題がある。

これに対して、Ｙ系線材の場合、外部磁界に対して強く、強磁界内でも高い電流密度を維持することができるため、超電導ケーブル等の交流電力機器への応用が期待されている。この場合、超電導線材に流れる電流容量には限界があるため、電流容量を上げるには超電導線材を複数本束ねた集合導体を構成する必要がある。

このような集合導体とするとき、ケーブルを構成するそれぞれの超電導線材は、隣接する線材の影響により単独に通電した場合よりも大きな結合損失が発生する。この結合損失はジュール熱を発生して温度を上昇させ、冷却系を含めた超電導ケーブル全体の電流密度や安定性などのケーブルとしての性能に好ましくない影響を及ぼすことになる。このような交流損失を低減する方法として、Ｂｉ系銀シース線材では撚りを施すことが行われている。

しかしながら、Ｙ系線材は基板にＹＢＣＯの薄膜を蒸着させた構成であるため加工がしにくく、撚りを施した構造の線材とすることができない。そのため、複数のＹ系線材を常伝導体で接合して形成した構図とせざるを得ないが、この線材に磁界を印加すると、これらの線材が超電導的に結合して結合損失が発生することになる。

また、ＹＢＣＯテープ線材は、基板に薄膜を蒸着させた構成であるため、テープ面に対して外部から垂直交流部磁界が印加されると、ヒステリシス損失が発生する。このヒステリシス損失は、通電損失に比べて非常に大きいことが素線レベルで知られている。交流損失については、例えば、非特許文献１に示されている。
M.Ciszek,O. Tsukamoto, J. Ogawa, and D. Miyagi, "Energy losses in YBCO-123 coated conductors carrying transport current in perpendicular external magnetic field", Advances in Cryogenic Engineering (Materials), vol.48, pp.606-613

高温超電導は液体窒素温度で動作するため、液体ヘリウム温度で動作する低温超電導に比べて冷却コストを抑えることができる。このため、低温超電導では困難とされている電力ケーブル、変圧器、発電器などの電力用機器への高温超電導の応用が期待されている。

この超電導体は、交流磁界を印加すると交流損失と呼ばれる電力損失が発生する。高温超電導を用いた場合、高温超電導で生じる電力損失が、高温超電導を用いることによる冷却コストの低減効果を越える場合には、低温超電導に代えて高温超電導を用いるメリットは無くなる。一方、高温超電導の交流損失を低減することができれば、現状の臨界電流密度であっても冷却コストの低減効果により、低温超電導よりもエネルギー損失を抑えることができ、高温超電導を用いる意義が生じる。

そこで、本発明は、従来の高温超電導の問題点を解決し、交流損失を低減することを目的とする。より詳細には、交流外部磁界を印加することにより複数の導体間で発生する結合損失の交流損失を低減することを目的とし、さらに、交流外部磁界との錯交により各線材に発生するヒステリシス損失の交流損失を低減することを目的とする。

本発明は、交流損失を低減するために、交流外部磁界に錯交する幅を減らすことにより単位体積当たりのヒステリシス損失が減少することを用い、超電導体片の面にスリットを入れ交流外部磁界に錯交する超電導体片の幅を減らすことによりヒステリシス損失を低減する。

単に、超電導体片の線軸方向に対して平行にスリットを入れた構成では、スリットで分割された超電導体片間が電磁気的に結合して結合損失が大きくなり、この結合損失がスリットを入れたことにより得られるヒステリシス損失の低減効果を上回ると、結合損失とヒステリシス損失を合わせた交流損失は、逆に増加することになる。

そこで、本発明は、テープ線材を２枚組み合わせた構成とすることにより擬似的に撚りを形成する。これにより、電流は２枚の導体間を渦状に流れて撚を施したと同様の効果により、結合損失を低減する。さらに、テープ線材に複数のスリットを設ける構成とすることにより、錯交面積を減少させて誘起電圧を下げてヒステリシス損失を低減すると共に、スリットで分割した分割片の間を常電導体で接続することにより、分割片間の電気的結合を抑制して結合損失を低減する。

本発明の超電導テープ導体は主に結合損失を低減する形態として、超電導材からなる超電導体片を複数配列してなる２本のテープ線材を互いに対向させて電気的に接続し、空間で互いに交差する少なくとも２本の電流路を形成する構成を備える。

テープ線材を互いに対向させて電気的に接続する構成により、このテープ線材で形成される少なくとも２本の電流路は空間で互いに交差する。これにより、テープ線材で形成される複数の電流路に擬似的な撚りを施すことができ、結合損失を低減することができる。

さらに、互いに対向させたテープ線材を電気的に接続する構成として、各テープ線材に配列した複数の超電導体片が互いに交差するように対向させ、両テープ線材の両辺において対向する超電導体片の端部同士を電気的に接続する。この構成により、互いに対向させたテープ線材の電気的な接続を行うことができる。

本発明の超電導テープ導体に用いる超電導体片は、テープ線材の長さ方向に対して所定角度に配置する構成とする。この所定角度は、テープ線材の長さ方向に対してそれぞれの角度が補角関係とならない角度としてテープ線材上に配置する。これにより、当該対向配置された超電導体片が空間上で交差して成す角度は各所定角度の和の角度となり、補角関係とならないことで、対向配置時において互いに平行とならないよう構成することができる。

対向して配置する超電導体片は、対向配置したときに互いの超電導体片が平行と成らない限り、テープ線材の長さ方向に対してそれぞれ等角度とすることも異なる角度とすることもできる。２つのテープ線材の導体片の角度を等角度とする場合には、２本のテープ線材の構成を同一とすることができる。

これにより、２本のテープ線材に配置された超電導体片が空間上で平行以外の所定角度で交差させることができ、テープ線材により形成される２本の電流路に擬似的な撚りを施すことができる。

超電導体片は基板上に超電導材を層状に形成し、各超電導材上にバッファ材を重ねて形成し、この各バッファ材を対向させ、対応するバッファ材間をはんだ接続することにより対向する超電導体片の端部同士の電気的接続を行う構成とすることができる。

バッファ材及びはんだは常電導体であって所定の電気抵抗を有する。この電気抵抗により通電損失が発生するが、この通電損失は本発明の構成により低減することができる交流損失よりも小さいため、全体のエネルギー損失を低減することができる。

本発明の超電導テープ導体は、上記形態に加えてヒステリシス損失、及び結合損失を低減する形態として、超電導体片を複数のスリットにより分割した複数の分割片とし、隣接する分割片を当該スリット内に設けられた電気抵抗体により接続する構成とする。超電導体片を複数のスリットで分割することにより、交流外部磁界と錯交する超電導体片の幅を減らし、これによりヒステリシス損失を低減する。

また、隣接する分割片同士をスリット内に設けた電気抵抗体により接続する構成とすることにより、交流外部磁界によって流れる遮蔽電流を各分割片内に制限して、分割片同士が結合して結合損失が生じるのを防ぐ。さらに、一部の分割片に欠陥が発生した場合に、その分割片に流れる電流を電気抵抗体を介して隣接する分割片にバイパスさせ、当該欠陥部分における発熱によるエネルギー損失を防ぐことができる。

スリット内に設けた電気抵抗体は、例えばセリアなど樹脂にタングステンや銀等の金属成分を含ませた素材を用いることができる。含有する金属成分やその含有率を調整することにより、電気抵抗率を調整することができる。

また、超電導体片は、テープ線材の長さ方向に対して所定角度の斜辺部と、テープ線材の端部から対向する縁に向かって延び、内側の斜辺部で連結する縁部とを備えた構成とすることができる。この端部に設けた縁部は、超電導体片の端部同士の接触面積を増大させ、電気抵抗による通電損失を低減させると共に、超電導体片間の物理的な接続を容易としている。

超電導材はＹ系線材としてＹＢＣＯ（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ）を用いることができる。

また、本発明は、超電導テープ導体を備える電力ケーブル、超電導テープ導体を巻回してなるコイルやこのコイルを備える交流電力機器の態様とすることもできる。

本発明の超電導テープ導体の製造方法は、基板上に超電導材を層状に形成してなる超電導体片を複数配列し、当該超電導体片上にバッファ材を層状に重ね、当該超電導体片及びバッファ材にスリットを介して複数の分割片に分割すると共に、当該スリット内に電気抵抗体を充填して隣接する分割片間を電気抵抗を介して接続したテープ線材を形成し、テープ線材を対向させ、両テープ線材の両辺において対向する超電導体片の端部のバッファ材間を常電導体で電気的に接続し、電気的に接続してなる少なくとも２組の電流路を空間で互いに交差させる。

本発明の超電導テープ導体は、テープ線材を互いに対向させて電気的に接続するという簡易な構成であるため、テープ線材であっても容易に撚りを施したと同様の効果を得ることができる。

図１２は、テープ線材を捻ることにより撚りを施した状態を示している。テープ線材１０２は、基板１０４上にバッファ材１０５を介して超電導体片１０３を重ねて形成する。超電導体片１０３は、本発明の超電導テープ導体に用いるテープ線材と同様にスリットを設けることができる。

このテープ線材１０２を捻ることにより、図１２に示すようなピッチＬ／２の撚りが形成され、実際にはこうような捻りによって撚りを形成することは困難である。テープ線材は、例えば線材幅が１０ｍｍ程度，線材厚が数十μｍ程度であるため、このような薄く細長いテープ線材を所定のピッチで捻ることは難しく、撚りを形成したとしても外力等により変形し易く、撚りを安定して維持することは困難である。また、撚りを施した複数のテープ線材を用いて集合線を形成することも容易ではない。

これに対して、本発明のような構成では、テープ線材そのものを捩るといった物理的な力を加えることなく、単に対向させて互いに接続した構成で形成することができるため、構造が簡単であり、外力によって撚りが変形することもない。

また、本発明の超電導テープ導体を用いて形成した電力ケーブルやコイル、このコイルを用いた交流電力機器は、交流損失を低減することにより通電損失分を差し引いたとしても、全体のエネルギー損失を低減させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、交流損失を低減することができ、より詳細には、複数の導体に対して交流外部磁界を印加することにより発生する結合損失の交流損失を低減することができ、さらに、交流外部磁界の交差により各線材に発生するヒステリシス損失の交流損失を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の超電導テープ導体の概略を説明するための図である。

超電導テープ導体１は、図１（ａ）に示すように、２つのテープ線材２（２Ａ，２Ｂ）を組み合わせることにより構成する。テープ線材２は、基板４（４Ａ，４Ｂ）上に複数の超電導体片３（３Ａ，３Ｂ）を形成して成る。超電導テープ導体１は、２つのテープ線材２Ａ，２Ｂをその超電導体片３Ａ，３Ｂが対向するように合わせ、テープ線材２の長さ方向の辺部において両超電導体片３Ａ，３Ｂを電気的に接続することで形成される。

テープ線材２は複数の超電導体片３を備え、これら複数の超電導体片３はテープ線材２の長さ方向に対して所定の角度を有して配置される。超電導体片３を所定の角度で配置した２つのテープ線材２を、その超電導体片３が互いに対向するように合わせることにより、両超電導体片３は空間上で互いに所定角度で交差し、これにより擬似的な撚りを形成する。

図１（ｄ）は、超電導テープ導体１の超電導体片３Ａ，３Ｂ部分を示し、超電導体片３Ａ，３Ｂはテープ線材の内側において互いに交差し、その両辺部分は互いに電気的に接続して接合部分を形成している。図１（ｄ）中に示す矢印は電流の流れる方向を示し、テープ線材２の辺部で互いに電気的に接続された複数の超電導体片は電流路を形成している。図１（ｄ）中に示す矢印は電流の流れる方向を示している。実線の矢印は超電導体片３Ａ（図１（ｄ）では上側の超電導体片）に流れる電流の方向を示し、破線の矢印は超電導体片３Ｂ（図１（ｄ）では下側の超電導体片）に流れる電流の方向を示している。

超電導体片３Ａ，３Ｂは、その端部をテープ線材の辺部で電気的に接続することで一つの電流路が形成される。

上記矢印を付した超電導体片と隣接する超電導体片によって同様の電流路が形成される（図示していない）。これらの電流路は、２つの超電導テープ導体において空間的に互いに交差する。これにより、電流路は、超電導テープ導体を捻って撚りを施したと同様となる。なお、図１（ｄ）中の符号９は、超電導体片３Ａ，３Ｂを電気的に接続する接合部分を形成するために各超電導体片に設けた縁部を示している。

超電導体片３Ａと超電導体片３Ｂとの電気的な接続、及び接合は、バッファ材５及びはんだ６等の常電導材により行う。図１（ｃ）は、本発明の超電導テープ導体１の断面図であり、図１（ｃ）の左方の断面図は超電導テープ導体の長さ方向端部の断面図であり、図１（ｃ）の右方の断面図は超電導テープ導体の長さ方向に沿った辺部の断面図である。

超電導体片３（３Ａ，３Ｂ）の上層（基板４と反対側）には、超電導体片３を保護する保護層となるバッファ材５（５Ａ，５Ｂ）が形成される。ここで、超電導体片としてはＹ系線材として例えばＹＢＣＯ（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ）を用い、バッファ材としては例えばＡｇが用いることができる。

このテープ線材２Ａと２Ｂを、基板４Ａ，４Ｂの面を外側とし、超電導体片３Ａ，３Ｂ及びバッファ材５Ａ，５Ｂが形成される面を内側として合わせ、超電導テープ導体２の長さ方向に沿った辺部においてバッファ材５Ａ，５Ｂの間にはんだ層６を挟んで互いに対向させ貼り合わせる。対向するバッファ材５Ａ，５Ｂの間において、はんだ層６以外の部分にはスペース８が形成される。

また、隣接する超電導体片３及びバッファ材５の間には、例えばセリアなど樹脂に金属成分を含ませた素材から成る電気抵抗体７が設けられ、超電導体片３間を所定の電気抵抗で接続している。この電気抵抗は、電気抵抗体７が含有する金属成分やその含有率により調整することができる。なお、図１（ｃ）中に示す電気抵抗体の幅１５μｍは一例である。

図２は、超電導テープ導体１の超電導体片の交差状態、及びその超電導体片に流れる電流状態を示している。一方のテープ線材２Ａ側の超電導体片３Ａ（図中の実線で示す）と、他方のテープ線材２Ｂ側の超電導体片３Ｂ（図中の破線で示す）とは互いに所定角度で交差する。図２では、超電導体片３Ａに流れる電流を示し、図中の実線の矢印は超電導体片３Ａに流れる電流を示し、図中の破線の矢印は超電導体片３Ｂに流れる電流を示している。隣接する超電導体片に流は、空間的に位相がずれた電流が流れる。

また、この電流路の構成により、交流外部磁界が印加された場合には、隣接する電流路に流れる電流の方向は逆向きとなり、発生する電流を抑制し結合損失を低減する。

次に、本発明の超電導体片の一構成について図３を用いて説明する。本発明の超電導体片３は、複数のスリットを設けることにより複数の分割片に分けた構成とすることができる。この構成とすることにより交流外部磁界に対するヒステリシス損失を低減する。

図３（ａ）は、分割前の超電導体片３及びテープ線材２を示している。図示するテープ線材２は、複数の超電導体片３を長さ方向に沿って配列することにより構成される。ここで、１つの超電導体片３（例えば、図３（ａ）中の模様を施した超電導体片）は、テープ線材２の内部において斜めに形成された斜辺部１０と、テープ線材２の両辺部に形成された縁部９とを備える。隣接する超電導体片３の間は電気抵抗体７により電気的に接続される。ここで、縁部９は、対向する超電導体片間を電気的に接続するための部分であり、この縁部９において、バッファ材及びバッファ材間に設けたはんだ等の常電導体を介して対向する超電導体片間を電気的に接続する。

なお、図３（ａ）の超電導体片３では、超電導体片３の縁部９の長さをＡとし、超電導体片３の幅をＢとし、縁部９の幅（縁部９の外側からテープ線材の内側に向かい、斜辺部７と連接するまでの幅）をＣとしている。

本発明の超電導体片３は、スリット１１により複数の分割片に分けた構成とすることができる。図３（ｂ）は未分割の状態の超電導体片３を示し、図３（ｃ）〜図３（ｅ）はそれぞれ２分割、５分割、１０分割に分割した状態を示している。

図３（ｃ）において、超電導体片３は個のスリット１１により２個の分割片３ａに２分割され、図３（ｄ）において、超電導体片３は４個のスリット１１により５個の分割片３ｂに５分割され、図３（ｅ）において、超電導体片３は９個のスリット１１により１０個の分割片３ｃに１０分割される。なお、分割数は上記分割数に限らず任意とすることができる。

なお、各分割において超電導体片３の縁部９も斜辺部７と同様に分割され、２つのテープ線材２Ａ，２Ｂを対向させて接続する際にこの縁部９同士を重ねる。この縁部９の部分、及び両斜辺部７が重なる部分とにおいて、各バッファ材間をはんだで接続する。この縁部９を設けることにより、両斜辺部７が重なる部分に加えて縁部９も接触部分とし、２つのテープ線材の超電導体片３間の接触面積を拡大する。これにより、接触部分の電気抵抗を低減する効果を奏する。さらに、接合の強度を高めるという効果を奏することもできる。

図４は２つの超電導体片の接続の一形態を説明するための図である。なお、図４では、超電導体片３Ａ，３Ｂを分割して成る分割片の内、それぞれ２つの分割片のみを示している。ここで、超電導体片３の幅をＢとし、各分割片の縁部９の長さをＡ／ｎ，幅をＣとしている。

超電導体片３Ａ，３Ｂの内の互いに対向する各分割片は、縁部９及び斜辺部１０が重なる部分で接触し、この部分間ははんだ等の常電導体で電気的に接続される。また、各分割片において隣接する分割片間は、セリア等の電気抵抗体で所定の電気抵抗を有して接続される。

なお、図４において、ＲL1はこの接触部分での電気抵抗を示し、Ｒｏは隣接する分割片間のスリット１１部分での電気抵抗を示している。

本発明の超電導体片の形態は、図３，４を用いて説明した構成の他に、図５，６に示すような構成とすることもできる。

図５（ａ）は、分割前の超電導体片１３及びテープ線材１２を示している。図示するテープ線材１２は、複数の超電導体片１３を長さ方向に沿って配列することにより構成される。ここで、１つの超電導体片１３は、テープ線材１２の内部において斜めに形成された斜辺部１０のみを備え、隣接する超電導体片１３の間は電気抵抗体７で電気的に接続される。

なお、図５（ａ）の超電導体片１３では、超電導体片１３の辺部の長さをＡとし、幅をＢとしている。

本発明の超電導体片１３は、スリットにより複数の分割片に分けた構成とすることができる。図５（ｂ）は分割した状態を示している。なお、分割数は任意とすることができる。

２つのテープ線材１２Ａ，１２Ｂを対向させて接続する際、対向する超電導体片の分割片１３ｎＡと１３ｎＢとが接続する部分は重なり部分１４であり、この重なり部分１４において、バッファ材間をはんだで接続することで電気的接続が行われる。

図６は２つの超電導体片の接続の他の形態を説明するための図である。なお、図６では、超電導体片１３Ａ，１３Ｂを分割した分割片の内、それぞれ２つの分割片１３ｎＡ，１３ｎＢのみを示している。ここで、超電導体片１３の幅をＢとし、各分割片の辺部分の長さをＡ／ｎとしている。

超電導体片１３Ａ，１３Ｂの内の互いに対向する各分割片１３ｎＡと１３ｎＢは、斜辺部１０の重なり部分で接触し、はんだ等の常電導体で電気的に接続される。また、各分割片において隣接する分割片間は、セリア等の電気抵抗体で所定の電気抵抗を有して接続される。なお、図６において、ＲL2はこの接触部分での電気抵抗を示している。

図７は、上記で説明した２つの超電導体片の接続形態を比較するための図である。図７（ａ）は、斜辺部のみにより分割片を形成する形態である。この形態では、接続する分割片の接触部分は、重なり部１４（図中の斜線を施した三角形形状部分）となる。

一方、図７（ｂ）は、斜辺部と縁部とにより分割片を形成する形態である。この形態では、接続する分割片の接触部分は、重なり部１４（図中の斜線を施した三角形の部分）に加えて縁部９（図中の斜線を施した矩形の部分）となる。

図７（ｂ）の構成によれば、接続する分割片の接触部分の面積を拡大することができ、この部分での接触抵抗を下げ、通電損失を低減することができる。

次に、本発明の超電導体片及び超電導体片を分割してなる分割片の斜辺部分の角度について説明する。

超電導体片、及び超電導体片にスリットを形成して成る複数の分割片を基板上に配列してテープ線材を形成する際、超電導体片及び分割片のテープ線材の長さ方向に対する角度は、対向する超電導体片あるいは分割片が平行とならない限り任意に設定することができる。超電導体片あるいは分割片が平行とならないための一形態として、対向して配置される超電導体片あるいは分割片は、テープ線材の長さ方向に対して各角度が補角関係を除く所定角度とする。

対向して配置される超電導体片あるいは分割片のテープ線材の長さ方向に対する角度は、直角を除く等角度とすることも、あるいは補角関係とならない異なる角度とすることができる。

図８は本発明の超電導体片あるいは分割片の角度を説明するための図である。一方のテープ線材上に形成する超電導体片あるいは分割片がテープ線材の長さ方向に対して成す角度をαとし、他方のテープ線材上に形成する超電導体片あるいは分割片がテープ線材の長さ方向に対して成す角度をβとする例であり、テープ線材の両辺において接続されて形成される電流路は、空間的に位相がずれた４電流路により一周期を形成している。

図８（ａ）〜図８（ｄ）は、各テープ線材上に形成された４つの超電導体片あるいは分割片に内、テープ線材の両辺部分においてそれぞれの端部が対向するものについて電気的に接続して得られる４つの電流路を示している。各図において、実線で示す矢印は一方のテープ線材上に形成した超電導体片あるいは分割片上を流れる電流を示し、破線で示す矢印は対向した配置される他方のテープ線材上に形成した超電導体片あるいは分割片上を流れる電流を示している。

図８（ａ）〜図８（ｄ）に示す電流路は、互いに空間上で交差する。例えば、図９（ａ）は、図８（ａ）の電流路と図８（ｃ）の電流路とを組み合わせた場合の電流路の交差を示し、図９（ｂ）は、図８（ｂ）の電流路と図８（ｄ）の電流路とを組み合わせた場合の電流路をの交差を示している。図９によれば、互いの交差する電流路の交差角度は、超電導体片あるいは分割片がテープ線材の長さ方向に対して成す角度αとβの和の角度となる。

この角度αとβは、互いに補角の関係でない限り平行とならず、互いの電流路を交差させることができる。

このようにして互いの電流路を交差させることにより、超電導体片あるいは分割片に擬似的な撚りを施すことができ、結合損失を低減させることができる。

また、図１０は、本発明の超電導体片あるいは分割片の他の角度を説明するための図である。テープ線材上に形成する超電導体片あるいは分割片の一方をテープ線材の両辺に対して直角とし、他方の超電導体片あるいは分割片をテープ線材の両辺に対して直角以外の角度とする構成例を示している。

テープ線材上の超電導体片あるいは分割片の組み合わせを異ならせることにより、図１０（ａ）あるいは図１０（ｂ）に示すように位相がずれた２つの電流路が形成される。この位相がずれた２つの電流路を、図１０（ｃ）に示すように互いに空間上で交差させることで結合損失を低減させることができる。

以下、本発明による超電導テープ導体の一数値例を示す。

使用する超電導テープ導体の解析パラメータを以下の表１に示す。

上記解析パラメータの超電導テープ導体において、はんだ部分の横断抵抗ＲL1、インダクタンスＬ、０．１Ｔの垂直外部磁界を印加したときの誘導電圧Ｖは以下の表２となる。

また、０．１Ｔの垂直外部磁界を印加したときの結合損失の周波数特性を図１１に示す。

図示する特性は、分割数を増やすことにより結合損失が減少することを示し、結合損失は分割数に比例して減少している。また、結合損失は周波数に比例して増加し１乗の傾きを示している。このことは、この周波数領域では、結合損失において抵抗での損失が支配的で分割片間のインダクタンスの影響はほとんどないことを示している。

ここで、ヒステリシス損失が線材幅に対して比例して減少すると仮定すると、例えば５分割した場合には損失は１／５程度となると予想される。Brandtの式(E.H.Brandt,"Superconductors of finite thickness in a perpendicular magnetic field :Strips and slabs",Physical Review B,Vol.54,No.6,pp.4246-4264,1996.)により臨界電流値を１００Ａとし５分割した超電導体片の線材面に垂直交流外部磁界０．１Ｔ、６０Ｈｚを印加したときのヒステリシス損失は計算上（Brandtの式による）０．０９９［Ｊ／ｍ／cycle］程度となる。

この計算値と図１１の６０Ｈｚ，５分割での結合損失の値４．２×１０^−３［Ｊ／ｍ／cycle］を比較すると、結合損失は交流外部磁界によるヒステリシス損失に比べて十分に小さいことを示している。

したがって、本発明のスリットによる分割と擬似的な撚りを施した超電導テープ導体によれば、結合損失の解析から分割数を増やすことにより結合損失を低減させることができ、ヒステリシス損失と比較しても充分に小さいことが確認される。

また、通電時に電流がはんだ部分に流れることにより通電損失が発生する。無磁界下での波高値９０Ａを通電した場合の損失は、Norrisの楕円モデル（W.t.Noris,J Phys D3489,pp.489-507,1970)によれば超電導部分の通電損失は７．２×１０^−４［Ｊ／ｍ／cycle］であるのに対して、はんだ部分の抵抗により求めた損失は分割数によらず３．７×１０^−６［Ｊ／ｍ／cycle］となり、はんだ部分の通電損失は超電導部分の通電損失に比べて十分に小さい。したがって、擬似的な撚りを施すために、超電導体片を設けたテープ線材をその両端で接続する構成を採用することにより生じる通電損失は、超電導テープ導体による通電損失の低減効果を低下させるものではなく、超電導テープ導体の導体としての有効性を損なうことはないといえる。

本発明の超電導テープ導体は、電力用ケーブルとして構成する他、巻回してコイルとして構成することもできる。また、本発明の超電導テープ導体によるコイルを電動機や発電機、変圧器等の交流電力機器に適用することができる。

電力用ケーブルやコイル、及びコイルを用いた電動機や発電機、変圧器等の交流電力機器に適用することができる。

本発明の超電導テープ導体の概略を説明するための図である。 本発明の超電導テープ導体の超電導体片及びその超電導体片に流れる電流状態を示す図である。 本発明の超電導体片の一構成を説明するための図である。 本発明の２つの超電導体片を接続する一形態を説明するための図である。 本発明の超電導体片の他の構成を説明するための図である。 本発明の２つの超電導体片を接続する他の形態を説明するための図である。 本発明の２つの超電導体片の接続形態を比較するための図である。 本発明の超電導体片あるいは分割片の角度を説明するための図である。 本発明の超電導体片あるいは分割片の角度を説明するための図である。 本発明の超電導体片あるいは分割片の他の角度を説明するための図である。 本発明の超電導テープ導体に垂直外部磁界を印加したときの結合損失の周波数特性を示す図である。 従来のテープ線材を捻ることにより撚りを施した状態を示す図である。

符号の説明

１…超電導テープ導体
２，２Ａ，２Ｂ…テープ線材
３，３Ａ，３Ｂ…超電導体片
４…基板
５…バッファ材
６…はんだ
７…電気抵抗体
８…スペース
９…縁部
１０…斜辺部
１１…スリット
１２…テープ線材
１３…超電導体片
１４…重なり部

Claims (12)

1. 超電導材からなる超電導体片を複数配列してなるテープ線材を互いに対向させて電気的に接続し、空間で互いに交差する少なくと２本の電流路を形成することを特徴とする、超電導テープ導体。
2. 超電導材からなる超電導体片を互いにスリットを介して複数配列してなる２本のテープ線材を対向させ、
   両テープ線材の両辺において対向する超電導体片の端部同士を電気的に接続し、
   前記電気的に接続してなる少なくとも２組の電流路を空間で互いに交差させることを特徴とする、超電導テープ導体。
3. 対向して配置される超電導体片は、テープ線材の長さ方向に対して各角度が補角関係を除く所定角度でテープ線材上に配置し、
   当該対向配置した超電導体片が空間上で交差して成す角度は前記各所定角度の和の角度であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超電導テープ導体。
4. 前記超電導体片は基板上に超電導材を層状に形成し、
   当該各超電導材上に重ねて形成した各バッファ材を対向させ、対応するバッファ材間をはんだ接続することにより対向する超電導体片の端部同士の電気的接続を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の超電導テープ導体。
5. 前記超電導体片は複数のスリットにより分割された複数の分割片を含み、隣接する分割片は当該スリット内に設けられた電気抵抗体により接続されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の超電導テープ導体。
6. 前記電気抵抗体はセリアを含むことを特徴とする、請求項５に記載の超電導テープ導体。
7. 前記超電導体片は、テープ線材の長さ方向に対して所定角度の斜辺部と、前記端部から対向する縁に向かって延び前記斜辺部分で連結する縁部とを備え、
   当該縁部により超電導体片の端部同士の接触面積を増大することを特徴とする、請求項１乃至６の何れか１つに記載の超電導テープ導体。
8. 前記超電導材はＹＢＣＯであることを特徴とする、請求項１乃至７の何れか１つに記載の超電導テープ導体。
9. 基板上に超電導材を層状に形成してなる超電導体片を複数配列し、
   当該超電導体片上にバッファ材を層状に重ね、
   当該超電導体片及びバッファ材はスリットを介して複数の分割片に分割すると共に、当該スリット内に電気抵抗体を充填して隣接する分割材間を電気抵抗を介して接続したテープ線材を形成し、
   前記テープ線材を対向させ、
   両テープ線材の両辺において対向する超電導体片の端部のバッファ材間を常電導体で電気的に接続し、
   前記電気的に接続してなる少なくとも２組の電流路を空間で互いに交差させることにより超電導テープ導体を製造とすることを特徴とする、超電導テープ導体の製造方法。
10. 請求項１乃至８の何れか１つに記載の超電導テープ導体を備える電力ケーブル。
11. 請求項１乃至８の何れか１つに記載の超電導テープ導体を巻回してなるコイル。
12. 請求項１１に記載のコイルを備える交流電力機器。

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