JP2008060074A - 複合化超電導線材、複合化超電導線材の製造方法及び超電導ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】鉛（Ｐｂ）フリーの半田を使用した半田槽に、薄膜超電導線材と導電テープとを浸漬させることにより、薄膜超電導線材と導電テープとを貼り合わせて形成することが可能な複合化超電導線材、複合化超電導線材の製造方法及び超電導ケーブルを提供する。
【解決手段】Ｓｎ（錫）系合金及びＢｉ（ビスマス）を含有する半田を含む半田槽に、薄膜超電導線材と導電テープとを浸漬させることにより、薄膜超電導線材と導電テープとを貼り合わせて、複合化超電導線材を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、導電テープと超電導線材を複合した複合化超電導線材と、複合化超電導線材の製造方法、及び該複合化超電導線材を用いた超電導ケーブルに関する。

高温超電導ケーブルの線材として、Ｂｉ系銀シース線材と薄膜超電導線材が知られている。また、薄膜超電導線材として、代表的なＹ系超電導線材（以下、Ｙ系線材と呼ぶ）が知られている。Ｂｉ系銀シース線材は、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点があった。一方、Ｙ系線材は、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。

上記Ｙ系線材を電力機器へ安定して使用するためには、事故時の過電流にも耐えうる構造とする必要がある。そのため、超電導層の上に安定化層として銀層を形成し、その銀層上に導電テープを複合させて事故電流を分担させる必要があった。

導電テープと薄膜超電導線材とを複合させる方法として、特許文献１では、２つの導電テープの間に超電導テープを挟み、溶融半田槽の中を、圧力を制御して加えながら通すことにより、積層テープを形成した、超電導磁石及び超電導スイッチに用いるのに適した超電導テープの加工装置及び加工方法が提案されている。
特開平６−２０３６７１号公報

上述したように、Ｙ系線材には、安定化層として通常は、銀等がスパッタリングされているが、その厚みは、数ミクロンから数１０ミクロンである。その為、半田付けをする際に、熱をかけすぎると、銀である安定化層が半田に侵食され、超電導層が露出され、超電導の特性が低下してしまうという問題点があった。

また、安定化層が半田に侵食されることにより、十分な接着強度が得られずに、剥離してしまう現象が生じてしまうという問題点があった。また、環境上の問題として鉛の使用規制があり、近い将来鉛入り半田を使用できなくなるという問題点もあった。

そこで、本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、鉛（Ｐｂ）フリーの半田を使用した半田槽に、薄膜超電導線材と導電テープを浸漬させることにより、薄膜超電導線材と導電テープを貼り合わせて形成することが可能な複合化超電導線材、複合化超電導線材の製造方法及び超電導ケーブルを提供することを目的とする。

発明者は上述した従来の問題点について鋭意研究を重ねた。その結果、Ｓｎ（錫）系合金にＢｉ（ビスマス）を含んだ半田を使用し、１６０〜２００℃に浸漬温度を設定した半田槽に、薄膜超電導線材と導電テープとを浸漬させることにより、薄膜超電導線材と導電テープとを貼り合わせて形成した、複合化超電導線材を安定して作製できることが判明した。

本発明の第１の態様にかかる複合化超電導線材は、基板と、超電導層と、安定化層とをこの順に含む薄膜超電導線材と、前記安定化層上に少なくともＳｎとＢｉを含む鉛フリーの半田を介して形成された導電テープ材とを有する複合化超電導線材である。
なお、基板の種類によっては基板上に中間層を形成した後に超電導層を形成する必要があるが、中間層の働きとしては基板と超電導層が相互拡散して超電導薄膜の組成が化学量論組成からずれるのを防ぐために設けられるため、必ずしも形成する必要がある訳ではない。また、本発明における鉛フリーの半田とは、２元系では、Ｓｎ−Ｂｉ半田であり、３元系以上では、Ｐｂを含まない金属、ＳｎおよびＢｉからなる合金半田のことである。

本発明の第２の態様にかかる複合化超電導線材は、本発明の第１の態様にかかる複合化超電導線材において、前記半田は、前記Ｂｉの含有量が５５〜６０重量％であることを特徴とする。

本発明の第３の態様にかかる複合化超電導線材は、本発明の第２の態様にかかる複合化超電導線材において、前記半田は、Ａｇを０．５〜１重量％含有していることを特徴とする。

本発明の第１の態様にかかる複合化超電導線材の製造方法は、基板と、超電導層と、安定化層とをこの順に含む薄膜超電導線材を準備する工程と、前記薄膜超電導線材と導電テープ材とを隣接させる工程と、前記薄膜超電導線材と前記導電テープ材とが隣接している、前記薄膜超電導線材と前記導電テープ材とからなる隣接領域の少なくとも一部を、半田槽中の溶融した半田に浸漬させて、前記薄膜超電導線材と前記導電テープ材とを貼り合わせて、半田によって接着形成させた複合化超電導線材を形成する工程と、前記複合化超電導線材を、前記半田槽の外に搬送する搬送工程とを備え、前記半田は、少なくともＳｎとＢｉからなる鉛フリーの半田であることを特徴とする。

本発明の第２の態様にかかる複合化超電導線材の製造方法は、本発明の第１の態様にかかる複合化超電導線材の製造方法において、前記半田に前記隣接領域の少なくとも一部を浸漬させる際の浸漬温度は、１６０〜２００℃であり、前記半田に前記隣接領域の少なくとも一部を浸漬させる時間である浸漬時間と前記浸漬温度との関係は、
浸漬温度≧−１０／３×浸漬時間＋２１０（３ｓｅｃ≦浸漬時間≦１５ｓｅｃ）
浸漬温度≦−４／３×浸漬時間＋２８０（６０ｓｅｃ≦浸漬時間≦９０ｓｅｃ）
であることを特徴とする。

本発明の第３の態様にかかる複合化超電導線材の製造方法は、本発明の第１または２の態様にかかる複合化超電導線材の製造方法において、前記半田は、前記Ｂｉの含有量が５５〜６０％であることを特徴とする。

本発明の第４の態様にかかる複合化超電導線材の製造方法は、本発明の第３の態様にかかる複合化超電導線材の製造方法において、前記半田は、Ａｇを０．５〜１重量％含有していることを特徴とする。

本発明の第１の態様にかかる超電導ケーブルは、円筒形状物と、前記複合化超電導線材と、前記複合化超電導線材の外周に配置された電気絶縁層と、前記電気絶縁層の外側に配置された保護層と、前記保護層の外側に配置された断熱管とを有していることを特徴とする。

本発明によれば、安定化層を半田に侵食されることなく、安定した複合化超電導線材を作製することが可能である。即ち、品質の良い複合化超電導線材を作製することが可能である。また、鉛フリーの半田を使用することにより環境的に安全な生産工程及び製品を提供できる。

本発明の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施態様は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれらと均等なもので置換した実施態様を採用することが可能であるが、これらの実施態様も本発明の範囲に含まれる。

図１は、本発明の実施形態に係る複合化超電導線材の断面斜視図である。図１に示すように、薄膜超電導線材１６は、基板１１の上に中間層１２が形成され、中間層１２の上に超電導層１３が形成され、超電導層１３の上に安定化層（銀）１４が形成されている。

複合化超電導線材１０は、薄膜超電導線材１６の安定化層（銀）１４と導電テープ１５とが半田接着されて形成されている。図１では、図示しないが、安定化層１４と導電テープ１５の間には、鉛フリーの半田からなる半田層が存在しており、導電テープ１５はこの半田層を介して薄膜超電導線材１６の安定化層（銀）１４上に接着形成されている。

図２は、本発明の実施形態に係る複合化超電導線材の製造方法を説明するための概念図である。図２に示すように、供給スプール２１から供給された導電テープ１５は、遊動滑車２４を経由して滑車２６に送られ、更に滑車２６を経由して、滑車２７に送られる。

また、供給スプール２２から供給された薄膜超電導線材１６は、遊動滑車２５を経由して滑車２６に送られ、更に滑車２６を経由して、滑車２７に送られる。このとき、滑車２６と滑車２７との間において、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５とは、隣接するように同速度で送られる。ここで、滑車２６と滑車２７との間の薄膜超電導線材１６と導電テープ１５とが隣接した領域を隣接領域と呼ぶ。

本装置では、隣接領域が、溶融した半田３６に浸かるように半田槽３５が設置されている。溶融した半田３６に、隣接領域を浸漬させて、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５とを貼り合わせて、接着させた複合化超電導線材１０は、遊動滑車２８を経由して、巻き取りスプール２３に巻き取られる。なお、このときの浸漬している隣接領域の長手距離を浸漬距離とする。

また、溶融した半田３６に、隣接領域が浸かっている時間（以下、浸漬時間と呼ぶ）は、供給スプール２１、２２の供給回転速度、及び巻き取りスプール２３の巻き取り回転速度と、浸漬距離を制御することにより調整する。

ここで、半田槽３５の浸漬温度を１６０〜２００℃に設定する。また、半田３６として、少なくともＳｎとＢｉからなる鉛フリーの半田を使用する。

上述した方法により、安定化層１４が銀からなり、スパッタリング等で厚さが５〜１０μｍであっても、安定化層１４が半田３６によって侵食されないため、超電導層１３も露出せず、よって、超電導特性の低下を伴わずに、安定した複合化超電導線材１０を作製することができる。即ち、品質の良い複合化超電導線材１０を作製することができる。また、鉛フリーの半田３６を使用することにより環境的に好ましい生産工程及び製品を提供できる。

図３は、本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの斜視図である。超電導ケーブル４０は、金属製（例えば銅製）の円筒形状物４１（フォーマ）の周りに超電導線材１０をらせん状に巻き付けて、その上に電気絶縁層４２（材質は紙若しくは半合成紙）、次いで保護層４３（例えば、導電性の紙あるいは銅の編組線からなる）から形成されるケーブルコアを可撓性のある金属製（例えば、ステンレス製またはアルミニウム製）二重断熱管、即ち、内管４４と外管４６及び内管４４と外管４６の間に配置された断熱材４５からなる二重断熱管の中に収納されている。

図４は、本発明の他の実施形態に係る超電導ケーブルの斜視図である。図４に示す超電導ケーブルの構造は、金属製（例えば銅製）の円筒形状物４１の周りに超電導線材１０がらせん状に巻き付けられ、その上に電気絶縁層４２（材質は紙若しくは半合成紙）、次いで超電導シールド層４７、その上に保護層４３（例えば、導電性の紙あるいは銅の編組線からなる）が形成されたケーブルコアが可撓性のある金属製（例えば、ステンレス製またはアルミニウム製）二重断熱管の中に配置された構造である。二重断熱管は内管４４と外管４６及び内管４４と外管４６の間に配置された断熱材４５からなる。また、二重断熱管の外側に更に防食層を設けてもよい。ここで、超電導シールド層４７をなす導体は特に限定はされないが、好ましくは超電導線材１０と同様の超電導線材を用いることが望ましい。図３では超電導シールド層を有していないが、図４と同様に超電導シールド層４７を有していることが望ましい。超電導シールド層４７を有することにより、漏れ磁界が非常に小さい超電導ケーブル４０を形成することができる。

次に、本発明の好適な実施例を説明する。

Ｓｎ系合金にＢｉを５８％含んだＳｎ−５８Ｂｉ（液相線温度１３９℃）を半田３６として使用し、図２に示すように、導電テープ１５と薄膜超電導線材１６を複合化した。具体的には、供給スプール２１から供給された導電テープ１５は、遊動滑車２４を経由して滑車２６に送られ、更に滑車２６を経由して、滑車２７に送られた。また、供給スプール２２から供給された薄膜超電導線材１６は、遊動滑車２５を経由して滑車２６に送られ、更に滑車２６を経由して、滑車２７に送られた。このとき導電テープ１５および薄膜超電導線材１６は同速度で送った。また、滑車２６と滑車２７との間の薄膜超電導線材１６と導電テープ１５とが隣接した隣接領域が、溶融した半田３６に浸かるように半田槽３５を設置した。半田槽３５内の溶融した半田３６に、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の隣接領域を浸漬させて、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５とを半田３６を介して貼り合わせて、複合化超電導線材１０を形成した。その後、複合化超電導線材１０を、遊動滑車２８を経由して、巻き取りスプール２３に巻き取った。このときの薄膜超電導線材１６、導電テープ１５および複合化超電導線材１０の張力設定は、トルク管理によって行っており、供給スプール２１と巻き取りスプール２３の巻き取り径が変化しても、薄膜超電導線材１６、導電テープ１５および複合化超電導線材１０が弛まない程度に設定している。

また、ここで用いた薄膜超電導線材１６は、図１に示すように、基板１１（ハステロイ）の上に中間層１２(ＣｅＯ２)が形成され、中間層１２の上に超電導層１３（ＹＢＣＯ）が形成され、超電導層１３の上に安定化層(銀)１４が形成されている。なお、用いた薄膜超電導線材１６の幅は１０ｍｍであり、各層の厚さは、基板１１が１００μｍ、中間層１２が１μｍ、超電導層１３が１μｍ、安定化層１４が１０μｍであった。また、導電テープ１５は厚さ１００μｍの無酸素銅からなるテープを用いた。

以上の条件下において、半田槽３５の浸漬温度が２００℃、１６０℃のときの浸漬時間を１〜１００秒に変化させたときの臨界電流（Ｉｃ）、半田接着状態および外観を調べた。その結果を表１に示す。なお、本実施例においては、導電テープ１５および薄膜超電導線材１６の浸漬距離を２５０ｍｍに設定し、供給速度を変化させて導電テープ１５および薄膜超電導線材１６の浸漬時間を設定した。また、半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃは全て１００Ａであった。

半田槽３５における薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の浸漬温度が２００℃と１６０℃のときに、浸漬時間を１〜１００秒に変化させたときの各浸漬時間における複合化超電導線材１０のＩｃの測定を行った。その結果、浸漬温度が２００℃のときには、７５秒以上の浸漬時間の場合には、Ｉｃは半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃよりも低い値となった。半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃを基準としたときの複合化超電導線材１０のＩｃの劣化率は、浸漬温度が７５秒では２％、９０秒では１０％、１００秒では１５％となり、浸漬時間が７５秒を超えて長くなるほど劣化率は大きくなった。同様に浸漬温度が１６０℃のときには、浸漬時間が１００秒以上となったときに、半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃを基準としたときの複合化超電導線材１０のＩｃの劣化率は、２％となり、表１には示さないが、浸漬時間が１００秒を超えて長くなるほど劣化率は大きくなった。

また、半田槽３５における薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の浸漬温度が２００℃と１６０℃のときに、浸漬時間を１〜１００秒に変化させたときの薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の半田接着状態と複合化超電導線材１０の外観に関しても調べた。半田接着状態は、接着している導電テープを剥がす事によって評価した。表２中の半田接着状態が×と表示されている状態は接着状態が不均一であり、接着部がまだら状態になっているか、半田が接着面に適正に塗布されていない状態であり、○と表示されている状態は剥がした面の半田の塗布状態が一様であるという状態である。その結果、浸漬温度が２００℃のときには、浸漬時間を１秒として薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、半田密着性は悪く、浸漬時間が３秒以上で密着性が最適となった。同様に浸漬温度が１６０℃のときには、浸漬時間が３秒以下となったときに、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、半田密着性は悪く、浸漬時間が１５秒以上で密着性が最適となった。

更に、複合化超電導線材１０の外観に関しては、目視によって判断をしており、表２中の×と表示されている状態は導電テープの表面が平滑でなく、光沢がない状態であり、○と表示されている状態は表面が平滑で光沢がある状態である。半田接着状態と同様に、浸漬温度が２００℃のときには、浸漬時間を１秒として薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、外観は悪く、浸漬時間が３秒以上で良好な外観となった。また、浸漬時間を１００秒としたときは、安定化層１４の端部が剥がれてしまい、超電導層１３が露出してしまった。浸漬温度が１６０℃のときには、浸漬時間が３秒以下となったときに、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、外観は悪く、浸漬時間が１５秒以上で良好な外観となった。
以上のように、浸漬温度が２００℃の場合には、３〜６０秒の時間範囲において、超電導の特性（臨界電流）低下も見られず、安定した半田接着状態と外観を有した複合化超電導線材１０を得ることができ、浸漬温度が１６０℃の場合には、１５〜９０秒の時間範囲において、超電導の特性（臨界電流）低下も見られず、安定した半田接着状態と外観を有した複合化超電導線材１０を得ることができた。

なお、ここでのＩｃ値は、出来上がった複合化超電導線材１０から１０ｃｍ長の試験片を切り出し、液体窒素中において直流四端子法によって評価を行った。このときのＩｃの定義は、１μＶ／ｃｍとした。また、ここでの浸漬温度は熱伝対を用いて測定を行った半田槽３５内の半田３６の温度である。

次に、半田槽３５の浸漬温度を１５５〜２１０℃と変化させたときの臨界電流（Ｉｃ）、半田接着状態および外観を調べた。本実施例では、Ｓｎ系合金にＢｉを５８％含んだＳｎ−５８Ｂｉ（液相線温度１３９℃）を半田３６として使用し、図２に示すように、導電テープ１５と薄膜超電導線材１６を複合化した。なお、複合化の方法、複合化の条件、薄膜超電導線材１６および導電テープ１５の構成に関しては、実施例１と同様である。この結果を表２に示す。また、本実施例においては、導電テープ１５および薄膜超電導線材１６の供給速度を１ｍ／ｍｉｎ、浸漬距離を２５０ｍｍに設定し、浸漬時間を１５秒とした。半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃは全て１００Ａであった。

半田槽３５における薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の浸漬温度を１５５〜２１０℃と変化させ、各浸漬温度における複合化超電導線材１０のＩｃの測定を行った。その結果、２０５℃および２１０℃の２００℃を超えた浸漬温度の場合には、Ｉｃは半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃよりも低い値となった。半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃを基準としたときの複合化超電導線材１０のＩｃの劣化率は、２０５℃では２％、２１０℃では１０％となり、浸漬温度が２００℃を超えて高くなるほど劣化率は大きくなった。また、半田槽３５における薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の浸漬温度を１５５〜２１０℃と変化させたときの薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の半田接着状態と複合化超電導線材１０の外観に関しても調べた。半田接着状態の確認方法は実施例１と同様であり、表２中の×および○と表示されている状態に関しても実施例１と同様の状態を示す。表２のように、１６０℃よりも低い温度である１５５℃において薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、半田密着性は悪く、浸漬温度が１９５〜２００℃で密着性が最適となった。また、複合化超電導線材１０の外観の確認方法に関しても、実施例１と同様であり、表２中の×および○と表示されている状態に関しても実施例１と同様の状態を示す。複合化超電導線材１０の外観は、表２に示すように１６０℃よりも低い温度である１５５℃において薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、複合化超電導線材１０の外観は悪く、浸漬温度が１６０℃以上で良好な外観となった。また、浸漬温度を２１０℃以上としたときは、安定化層１４の端部が剥がれてしまい、超電導層１３が露出してしまった。
以上のように、浸漬時間を１５秒としたとき、１６０〜２００℃の温度範囲において、超電導の特性（臨界電流）低下も見られず、安定した半田接着状態と外観を有した複合化超電導線材１０を得ることができた。また、浸漬時間を６０秒とした場合にも、表２と同様の結果が得られた。

実施例１および実施例２の結果より、本発明の半田３６の最適領域を図５に示すように浸漬温度と浸漬時間の関係として表した。図５の縦軸は半田槽３５の浸漬温度であり、横軸は導電テープ１５および薄膜超電導線材１６の浸漬時間である。浸漬時間が３〜１５秒の場合、実施例１より、半田接着状態および外観に関して浸漬温度が１６０℃の場合と２００℃の場合で適正な浸漬時間が異なっていた。そこで、浸漬温度２００℃の場合の浸漬時間３秒と浸漬時間１６０℃の場合の浸漬時間１５秒の２点より最適領域の概算を行うため、１次関数を用いて半田３６の最適領域を仮定した。このときの１次関数は（浸漬温度＝−１０／３×浸漬時間＋２１０）となった。このときの１次関数をＡとすると、図５の破線Ａとなり、浸漬時間３〜１５秒での最適領域は（浸漬温度≧−１０／３×浸漬時間＋２１０）と仮定できる。また、同様に浸漬温度２００℃の場合の浸漬時間６０秒と浸漬温度１６０℃の場合の浸漬時間９０秒の２点より１次関数を用いて半田３６の最適領域を仮定したところ、このときの１次関数は（浸漬温度＝−４／３×浸漬時間＋２８０）となった。このときの１次関数をＢとすると、図５の一点鎖線Ｂとなり、浸漬時間６０〜９０秒での最適領域は（浸漬温度≦−４／３×浸漬時間＋２８０）と仮定できる。

上述の最適領域の仮定に基づき、浸漬温度が１８０℃の場合の浸漬時間を１〜１００秒に変化させたときの臨界電流（Ｉｃ）、半田接着状態および外観を調べた。本実施例では、Ｓｎ系合金にＢｉを５８％含んだＳｎ−５８Ｂｉ（液相線温度１３９℃）を半田３６として使用し、図２に示すように、導電テープ１５と薄膜超電導線材１６を複合化した。なお、複合化の方法、複合化の条件、薄膜超電導線材１６および導電テープ１５の構成に関しては、実施例１と同様である。この結果を表３に示す。なお、本実施例においては、導電テープ１５および薄膜超電導線材１６の浸漬距離を２５０ｍｍに設定し、供給速度を変化させて導電テープ１５および薄膜超電導線材１６の浸漬時間を設定した。また、半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃは全て１００Ａであった。

半田槽３５における薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の浸漬温度が１８０℃のときに、浸漬時間を１〜１００秒に変化させたときの各浸漬時間における複合化超電導線材１０のＩｃの測定を行った。その結果、９０秒以上の浸漬時間の場合には、Ｉｃは半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃよりも低い値となり、浸漬時間が７５秒までが超電導特性が良好となった。半田浸漬を行う前の薄膜超電導線材１６のＩｃを基準としたときの複合化超電導線材１０のＩｃの劣化率は、浸漬温度が９０秒では２％、１００秒では１０％となり、浸漬時間が９０秒を超えて長くなるほど劣化率は大きくなった。更に、半田槽３５における薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の浸漬温度が２００℃と１６０℃のときに、浸漬時間を１〜１００秒に変化させたときの薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の半田接着状態と複合化超電導線材１０の外観に関しても調べた。半田接着状態の確認方法は実施例１と同様であり、表３中の×および○と表示されている状態に関しても実施例１と同様の状態を示す。表３に示すように、浸漬時間を１、３秒として薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、半田密着性は悪く、浸漬時間が９秒以上で密着性が最適となった。同様に浸漬温度が１６０℃のときには、浸漬時間が３秒以下となったときに、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、半田密着性は悪く、浸漬時間が１５秒以上で密着性が最適となった。また、複合化超電導線材１０の外観の確認方法に関しても、実施例１と同様であり、表３中の×および○と表示されている状態に関しても実施例１と同様の状態を示す。複合化超電導線材１０の外観は、表３に示すように浸漬時間が１秒、３秒の場合において、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、複合化超電導線材１０の外観は悪く、浸漬時間が９秒以上で良好な外観となった。

実施例３の結果より、図５に示した本発明の半田３６の最適領域に関して、浸漬時間３〜１５秒では（浸漬温度≧−１０／３×浸漬時間＋２１０）が最適領域となり、浸漬時間６０〜９０秒では（浸漬温度≦−４／３×浸漬時間＋２８０）が最適領域であることが言える。また、浸漬時間１５〜６０秒に関しては、実施例２で確認したように、浸漬温度１６０〜２００℃の範囲が適正領域となる。

次に、表４に示すように組成の異なるＳｎとＢｉとの半田合金、とＳｎ、Ｂｉ、及びＡｇからなる半田合金を半田３６として使用したときの、薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の半田接着状態、複合化超電導線材１０の臨界電流（Ｉｃ）、外観、曲げ試験の調査を行った。このときの結果を表４に示す。このときの半田槽３５の浸漬温度は１６０℃とした。なお、複合化の方法、複合化の条件、薄膜超電導線材１６および導電テープ１５の構成に関しては、実施例１と同様である。なお、本実施例においては、導電テープ１５および薄膜超電導線材１６の供給速度を１ｍ／ｍｉｎ、浸漬距離を２５０ｍｍに設定し、浸漬時間を１５秒とした。

薄膜超電導線材１６と導電テープ１５の半田接着状態、複合化超電導線材１０のＩｃ、外観および曲げ性に関して調べた。半田接着状態、Ｉｃおよび外観については、実施例１と同一方法によって調べており、表２中の×および○と表示されている状態に関しても実施例１と同様の状態を示す。また、曲げ性の確認に関しては、長さ１０ｍｍの複合化超電導線材１０を直径２０ｍｍの円柱の円周方向へ超電導層１３を外向きにした状態で巻きつけ、その後複合化超電導線材１０を真っすぐな状態に戻し、次に超電導層１３を内向きにした状態で再度複合化線材１０を円柱に巻きつけ、その後複合化超電導線材１０を真っすぐな状態に戻す、というサイクルを1回として、繰り返し複合化超電導線材１０の曲げを行った。表４中の×と表示されている状態はこのときの曲げ回数が５回未満で導電テープ１５と薄膜超電導線材１６間が剥離した状態であり、○と表示されている状態は曲げ回数が１０回以上でも導電テープ１５と薄膜超電導線材１６間が剥離なしという状態、◎と表示されている状態は曲げ回数が５０回以上でも導電テープ１５と薄膜超電導線材１６間が剥離なしという状態である。表４のように、半田槽３５における半田３６の組成でＳｎとＢｉとの半田合金からなる鉛フリーの半田の場合の半田組成を変化させたところ、Ｓｎ−５５Ｂｉ，Ｓｎ−５８Ｂｉ，Ｓｎ−６０Ｂｉの組成からなる半田を用いて薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、Ｉｃの劣化なしに、半田接着状態、外観および曲げ性ともに良好であった。しかし、Ｓｎ−５０Ｂｉに関しては、Ｉｃは劣化しなかったが、半田接着状態、外観および曲げ性ともに不良となった。また、Ｓｎ−４０ＢｉおよびＳｎ−６５Ｂｉに関しては、液相線温度が浸漬温度の１６０℃よりも高いため、実施不可であった。

また、ＳｎとＢｉとの半田合金からなる半田の場合と同様に、半田槽３５における半田３６の組成でＳｎ、Ｂｉ、及びＡｇからなる半田合金の場合の半田組成を表４のように変化させたところ、Ｓｎ−５７Ｂｉ−０．５ＡｇおよびＳｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇの組成からなる半田を用いて薄膜超電導線材１６と導電テープ１５を浸漬した場合は、Ｉｃの劣化なしに、半田接着状態、外観および曲げ性ともに良好であった。しかし、Ｓｎ−５７Ｂｉ−２Ａｇに関しては、Ｉｃは劣化せず、半田接着状態および外観も良好であったが、曲げ性に関しては不良となった。なお、実施例２においては、Ｓｎ、Ｂｉ、及びＡｇからなる半田合金の組成に関しては、Ａｇが０．５〜１ｗｔ％であるときに、Ｂｉは５７ｗｔ％のみを記載しているが、Ｂｉの組成割合に関しては、５５〜６０ｗｔ％の範囲内であればよく、Ｓｎに関しては、ＢｉとＡｇの総重量割合によって変動する。

以上のことから、半田３６として、Ｂｉの含有量が５５〜６０％である、少なくともＳｎとＢｉからなる鉛フリーの半田を使用することにより、超電導特性（臨界電流）の低下も見られない、安定した半田接着状態と外観を有した複合化超電導線材１０を得ることができた。更に半田３６に０．５〜１％の銀（Ａｇ）を添加することによって、繰り返し曲げしても、（塑性変形の度合いが小さな）機械的特性が向上した複合化超電導線材１０を得ることができた。

本実施例の薄膜超電導線材は、超電導層がＹＢＣＯであるＹ系としたが、これに限られることなく、Ｙ、Ｎ ｄ 、Ｓ ｍ 、Ｅ ｕ 、Ｇ ｄ 、Ｄ ｙ 、Ｈ ｏ 、Ｅ ｒ 、Ｔ ｍ 、Ｙ ｂ 、Ｌ ｕ から選ばれる１種類または２種類以上の元素からなるＲＥ系薄膜超電導線材に関しても適用可能である。また、導電テープに関しても、無酸素銅（ＪＩＳ Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（ＪＩＳ Ｃ１１１０）等のほぼ純銅からなる材料の他、ＣｕにＣｒ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｍｇなどを１％未満添加した銅合金やアルミ等を用いてもよい。なお、銅合金を利用した場合は、電気伝導が純銅に比べて８０％と低くなるが、機械特性が良く、引張り破断応力の強度が１．２〜２倍程度となる。

本発明の実施形態に係る複合化超電導線材の断面斜視図である。 本発明の実施形態に係る複合化超電導線材の製造方法を説明するための概念図である。 本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る超電導ケーブルの斜視図である。 本発明の半田の浸漬温度と浸漬時間からなる最適領域を示すグラフである。

符号の説明

１０ 複合化超電導線材
１１ 基板
１２ 中間層
１３ 超電導層
１４ 安定化層(銀)
１５ 導電テープ
１６ 薄膜超電導線材
２１、２２ 供給スプール
２３ 巻き取りスプール
２４、２５、２８ 遊動滑車
２６、２７ 滑車
３５ 半田槽
４０ 超電導ケーブル
４１ 円筒形状物（フォーマ）
４２ 電気絶縁層
４３ 保護層
４４ 内管
４５ 断熱材
４６ 外管
４７ 超電導シールド層

Claims (8)

1. 基板と、超電導層と、安定化層とをこの順に含む薄膜超電導線材と、
   前記安定化層上に少なくともＳｎとＢｉを含む鉛フリーの半田を介して形成された導電テープ材と
   を有する複合化超電導線材。
2. 前記半田は、前記Ｂｉの含有率が５５〜６０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の複合化超電導線材。
3. 前記半田は、Ａｇを０．５〜１重量％含有していることを特徴とする請求項２に記載の複合化超電導線材。
4. 基板と、超電導層と、安定化層とをこの順に含む薄膜超電導線材を準備する工程と、
   前記薄膜超電導線材と導電テープ材とを隣接させる工程と、
   前記薄膜超電導線材と前記導電テープ材とが隣接している、前記薄膜超電導線材と前記導電テープ材とからなる隣接領域の少なくとも一部を、半田槽中の溶融した半田に浸漬させて、前記薄膜超電導線材と前記導電テープ材とを貼り合わせて、半田によって接着形成させた複合化超電導線材を形成する工程と、
   前記複合化超電導線材を、前記半田槽の外に搬送する搬送工程と
   を備え、
   前記半田は、少なくともＳｎとＢｉからなる鉛フリーの半田であることを特徴とする複合化超電導線材の製造方法。
5. 前記半田に前記隣接領域の少なくとも一部を浸漬させる際の浸漬温度は、１６０〜２００℃であり、前記半田に前記隣接領域の少なくとも一部を浸漬させる時間である浸漬時間と前記浸漬温度との関係は、
   浸漬温度≧−１０／３×浸漬時間＋２１０（３ｓｅｃ≦浸漬時間≦１５ｓｅｃ）
   浸漬温度≦−４／３×浸漬時間＋２８０（６０ｓｅｃ≦浸漬時間≦９０ｓｅｃ）
   であることを特徴とする請求項４に記載の複合化超電導線材の製造方法。
6. 前記半田は、前記Ｂｉの含有率が５５〜６０重量％であることを特徴とする請求項４又は５に記載の複合化超電導線材の製造方法。
7. 前記半田は、Ａｇを０．５〜１重量％含有していることを特徴とする請求項６に記載の複合化超電導線材の製造方法。
8. 円筒形状物と、
   前記円筒形状物の外周に配置された請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の前記複合化超電導線材と、
   前記複合化超電導線材の外周に配置された電気絶縁層と、
   前記電気絶縁層の外側に配置された保護層と、
   前記保護層の外側に配置された断熱管と
   を有している超電導ケーブル。
   

Images