JP2010129465A

JP2010129465A - 複合型超電導線

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Publication number: JP2010129465A
Application number: JP2008305056A
Authority: JP
Inventors: Masaya Konishi; 昌也小西; Takeshi Kato; 武志加藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-10

Abstract

【課題】端材等の単長の短い複数本の超電導線材を接続して構成された低コストの長尺の超電導線であって、局部的に不良箇所が存在する超電導線材がある場合や曲げ等の配線加工によって不良箇所が生じた場合にも超電導線として正常に機能し、機器内における配線を設計する際の自由度が狭められることがない超電導線を提供する。
【解決手段】テープ状の基材上に酸化物超電導層と安定化層が形成された超電導線材が複数本直列に配置されてなる超電導線材の列を複数有し、超電導線材の列を構成する各超電導線材の長さ方向の端部の位置が、超電導線材の列毎に相互に相違し、各超電導線材の列を構成する各超電導線材が、隣接する他の超電導線材の列を構成する超電導線材と電気的、機械的に相互に接続されている複合型超電導線。超電導線材の列を２列有している複合型超電導線。
【選択図】図１

Description

本発明はテープ状の基材の表面に酸化物超電導層が形成された超電導線に関し、特に超電導線材が直列に配置された超電導線材の列を複数有する複合型超電導線に関する。

１気圧の窒素の沸点（７７．３Ｋ）以上の高温で電気抵抗が０になる高温超電導体は、既にマグネット用途等に実用化されているが、さらにより広範な用途、例えば大容量の送電線、リニアモーターカー等へも実用化されるためには、長尺の超電導線を製造することが不可欠である。

長尺の超電導線は、例えばテープ状の基材の表面に直接あるいは中間層を介して酸化物超電導体層が形成され、その上に安定化層が形成された超電導線材を製造し、かかる超電導線材を積層させた超電導線を用いたり（非特許文献１）、超電導線を複数本撚り合わせた円筒状の超電導線を用いて製造されている。

そして、このような長尺の超電導線を端材等の単長の短い超電導線材を複数本用いて製造することができれば、超電導線材の歩留まりを向上させることができる。また、何らかの理由で局部的に臨界電流（Ｉｃ）が低いなどの不良箇所が存在する超電導線材であっても、正常な超電導線材と組み合わせることにより超電導線全体として正常な機能を持たせることができれば、超電導線材の歩留まりを向上させることができ、超電導線の製造コストを低減することが可能となる。

前記端材等の単長が短い超電導線材や不良箇所が存在する超電導線材を用いて長尺の超電導線を製造するためには、長尺の超電導線の全長に亘り超電導線としての機能や配線の加工性を確保しつつ、複数本の超電導線材を接続する必要がある。しかし、高温超電導体である酸化物超電導体は金属酸化物の焼結体であるため、金属とは異なり超電導体同士を接合することは困難である。

このため、超電導線材の接続は、例えば図４や図５に示す様な方法によりなされている。図４は、従来技術の超電導線材の第１の接続方法を示す図であり、図５は同じく第２の接続方法を示す図である。

図４と図５において、１０は第１の超電導線材であり、１１はテープ状の基材であり、１２は基材１１上に設けられた中間層であり、１３は中間層１２上に設けられた超電導層であり、１４は超電導層１３上に設けられた安定化層である。また、２０は第２の超電導線材であり、２１はテープ状の基材であり、２２は基材２１上に設けられた中間層であり、２３は中間層２２上に設けられた超電導層であり、２４は超電導層２３上に設けられた安定化層である。また、図４の４０は、はんだからなる接続層であり、図５の５０は接続板である。

図４に示す接続方法は、共に単長が短い第１の超電導線材１０と第２の超電導線材２０の端部同士を、接続層４０を介して重ね合わせて接続して１本の長尺の超電導線を構成する接続方法であり、図５に示す方法は第１の超電導線材１０と第２の超電導線材２０の端部同士を接続板５０を介して接続して１本の長尺の超電導線を構成する接続方法である。
ＡｌｅｘｉｓＰ．Ｍａｌｏｚｅｍｏｆｆ著「ＳｅｃｏｎｄＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＨＴＳＷｉｒｅ：ＡｎＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔ、ＡＷｈｉｔｅＰａｐｅｒ」、ＡｍｅｒｉｃａｎＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ刊（２００４年１２月）

しかしながら、図４に示す接続方法によって接続された超電導線は、接続部を除いて１本の超電導線材で構成されている。また、図５に示した接続方法に接続された超電導線は、接続部も含めて１本の超電導線材で構成されている。このため、使用した超電導線材の中に局部的に臨界電流が低い等の不良箇所が存在する超電導線材がある場合や曲げ等の配線加工によって不良箇所が生じた場合には超電導線として正常な機能を発揮することができない。

また、図４に示す接続方法によって接続された超電導線は、接続部における超電導線の厚さは他の箇所の倍になり、図５に示した接続方法に接続された超電導線は、超電導線の接続板を取り付けた部分に段差が生じる。このように、何れの接続方法においても接続部分において厚みが変化するため、曲げ等の配線加工がし難くなる。これらのため、機器内における配線を設計する際に接続部の配置に注意を払う必要が生じ、設計の自由度が狭められることとなる。

本発明は、前記従来の超電導線の問題に鑑み、端材等の単長の短い複数本の超電導線材を接続して構成された低コストの長尺の超電導線であって、適用した超電導線材の中に局部的に臨界電流が低い等の不良箇所が存在する超電導線材がある場合や曲げ等の配線加工によって不良箇所が生じた場合にも超電導線として正常な機能を発揮することができ、さらに機器内における配線を設計する際の自由度が狭められることがない超電導線を提供することを課題とする。

本発明は、前記の課題を解決するため、複数の超電導線材（単長の超電導線材）を直列に配置されてなる超電導線材の列を複数組合せると共に、各超電導線材の列を構成する超電導線材の接続に工夫を凝らした複合型超電導線としたものである。以下、各請求項の発明を説明する。

請求項１に記載の発明は
テープ状の基材上に酸化物超電導層と安定化層が形成された超電導線材が複数本直列に配置されてなる超電導線材の列を複数有し、
前記超電導線材の列を構成する各超電導線材の長さ方向の端部の位置が、超電導線材の列毎に相互に相違し、
各超電導線材の列を構成する各超電導線材が、隣接する他の超電導線材の列を構成する超電導線材と電気的、機械的に相互に接続されていることを特徴とする複合型超電導線である。

請求項１の発明の超電導線においては、各超電導線材の列は複数本の超電導線材が直列に配置されているため、電気的、機械的に接続させた隣接する列の超電導線材同士の接続の面積を大きくすることができる。このため接続部の電気抵抗を十分に小さくすると共に機械的にも強固に接続することができる。さらに超電導線材の列を構成する各超電導線材の長さ方向の端部の位置が、超電導線材の列毎に相互に相違するため、各超電導線材の列の超電導層を全長に亘って電気的に接続することができ、端材等の単長の短い複数本の超電導線材を接続しながら超電導線として正常な機能を有する長尺の超電導線を提供することができる。

また、超電導線材が複数本直列に配置され、全長に亘って電気的に接続された超電導線材の列を複数有し、各超電導線材が隣接する他の超電導線材の列を構成する超電導線材と相互に電気的に接続されているため、超電導線材の列を構成する超電導線材の中に局部的に臨界電流が低い等の不良箇所が存在する超電導線材がある場合や曲げ等の配線加工によって不良箇所が生じた場合にも、隣接する超電導線材の列を構成する正常な超電導線材が電流を流すバイパスとなるため、超電導線として正常な機能を維持できる超電導線を提供することができる。

また、超電導線材が直列に配置された超電導線材の列同士が長手方向の全長に亘って機械的に接続されているため、図４、図５に示した従来の接続方法のように接続部と接続部以外の部分との間に大きな厚さの違いが生じたり、接続部分に段差が生じることが無い。このため曲げ等の配線加工が困難となることが無く、機器内における配線を設計する際の自由度を狭めることがない超電導線を提供することができる。

なお、請求項１の発明でいう「超電導線材が複数本直列に配置されてなる」とは、超電導線材が長手方向に連続的に配置されていることを指すが、完全に連続的に配置されている場合に限らず、一部に曲げに支障のない程度の僅かな隙間がある場合も含まれる。また、「相互に接続されている」には、超電導線材同士が直接に接続されている場合に限らず、接続用の部材等を介して間接的に接続されている場合も含まれる。

なお、請求項１の発明における超電導線材には、例えば基材と超電導層の間に中間層が形成される等、超電導層や安定化層以外の他の層が形成されている場合も含まれる。

請求項２に記載の発明は、
前記超電導線材の列を２列有していることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導線である。

請求項２の発明においては、超電導線材の列を３列以上とした場合に比べて、超電導線の厚みの増大が抑制されるため、曲げ等の配線加工が困難となることがより抑制され、機器内での配線を設計する際の自由度がより高い超電導線を低コストで提供することができる。

なお、２本の列の超電導線材の向きは特に限定されず、超電導線材を、例えば安定化層同士あるいは基材同士が向き合うように配置してもよいし、基材と安定化層が向き合うように配置してもよい。

請求項３に記載の発明は、
前記２列の超電導線材の列は、一方の超電導線材の列と他方の超電導線材の列とが、超電導線材の安定化層が直接または接続層を介して相互に向き合うように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の複合型超電導線である。

請求項３の発明においては、特に優れた臨界電流を有する超電導線を提供することができる。即ち、２本の超電導線材の列を、安定化層同士が向き合うように配置するため超電導層間の電気抵抗がより小さい複合型超電導線を提供することができる。

また、超電導線材の列同士の電気的、機械的な接続に押圧等の手段を容易に適用することができるため、製造が容易となる。

本発明によれば、端材等の単長の短い複数本の超電導線材を接続して構成された低コストの長尺の超電導線であって、適用した超電導線材の中に局部的に臨界電流が低い等の不良箇所が存在する超電導線材がある場合や曲げ等の配線加工によって不良箇所が生じた場合にも超電導線として正常な機能を発揮することができ、さらに機器内における配線を設計する際の自由度が狭められることがない超電導線を提供することができる。

以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

（第１の実施の形態）
本実施の形態は、複合型超電導線が２本の超電導線材の列を有する例である。図１に、本実施の形態の複合型超電導線の構造を示す。図１の（１）は、超電導線材の列を２列有する複合型超電導線の構成を模式的に示す斜視図であり、図１の（１）において１００は上側（第１）の超電導線材の列であり、２００は下側（第２）の超電導線材の列である。図１の（２）は、下側（第２）の超電導線材の列２００を構成するテープ状の超電導線材２０を模式的に示す拡大図である。なお、上側（第１）の超電導線材の列１００を構成する超電導線材は、図１の（２）に示した超電導線材２０と上下方向の向きが逆になっている。また、本実施の形態においては上側（第１）および下側（第２）の超電導線材の列１００、２００を構成する超電導線材１０同士、２０同士がそれぞれ僅かな隙間を設けて連続的に配置されている。また、基材１１、２１と超電導層１３、２３の間には中間層が設けられているが、図面が煩雑になるため、図示していない。

図１の（１）に示す様に、本実施の形態の複合型超電導線における超電導線材１０、２０は、基材１１、２１上に中間層（図示せず）と超電導層１３、２３と安定化層１４、２４が形成されている。そして、超電導線材１０、２０がそれぞれ複数本直列に配置された上下２本の超電導線材の列１００、２００は、安定化層１４、２４が向き合うように配置されている。そして、上下２本の超電導線材の列１００、２００を構成する各超電導線材１０、２０の端部の長さ方向の位置は相互に相違している。

なお、本実施の形態においては、基材１１、２１はハステロイであり、超電導層１３、２３はＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）であり、安定化層１４、２４は銀であり、接続層４０は鉛フリーはんだである。

本実施の形態の複合型超電導線は、例えば上側（第１）の超電導線材の列１００の超電導線材１０の端部では、主に下側（第２）の超電導線材の列２００の超電導線材２０を通って電流が流れることとなる。この結果、当該部分の電気抵抗は、上側の超電導線材１０から下側の超電導線材２０への接続抵抗となる。しかしながら、上側の超電導線材１０は下側の超電導線材２０とその端部の僅かな隙間を除いてほぼ全長に亘って電気的に接続されているため、実際の接続抵抗は小さくなる。この結果、接続部のない１本の超電導線の臨界電流をＩｃ_０とすると、本実施の形態の２列の超電導線材の列１００、２００を有する複合型超電導線の臨界電流Ｉｃはほぼ２Ｉｃ_０となる。但し、接続部の数が多い場合や接続部の隙間が大きい場合にはＩｃは２Ｉｃ_０より小さくなり、Ｉｃ_０に近づく。

さらに、本実施の形態の複合型超電導線は、上側（第１）の超電導線材の列１００と下側（第２）の超電導線材の列２００の２本の超電導線材の列を有しており、一方の超電導線材の列に何らかの理由で臨界電流が低い不良箇所がある超電導線材が使用されていても、他方の超電導線材の列の正常な超電導線材を通って電流が流れるため、超電導線として正常に機能する。

また、２本の超電導線材の列１００、２００が、超電導線材１０、２０をほぼ連続的に配置した構成であるため、２本の超電導線材の列１００、２００を機械的に接続させた複合型超電導線が長さ方向の位置によって厚さが変化することが無く、曲げ等の配線加工が困難となることが無い。その結果、実際の機器において配線を設計する際の自由度が狭められることがない。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、２本の超電導線材の列を構成する超電導線材の安定化層同士を相対向させ、固相拡散接合により安定化層同士を直接電気的、機械的に接続した複合型超電導線に関する。図２に、本実施の形態の複合型超電導線の製造の様子を示す。

本実施の形態においては安定化層１４、２４に銀を用い、上下２本の超電導線材の列１００、２００の超電導線材１０、２０の相対向する安定化層１４、２４を、２００〜５００℃の温度環境、酸素雰囲気下で、耐熱性に優れたインコネル製の治具（プレス）６０を用いて上下から１０〜９０ＭＰａの押圧力Ｐで押圧し、１〜１０時間保持して、相互の安定化層１４、２４を固相拡散させて接合させている。

このように、適切な条件の下で安定化層を押圧により接続することにより、相互の安定化層を十分に固相拡散させて接続部の抵抗が非常に小さく、機械的に強固に接合された良好な電気的、機械的な接続を行うことができる。

なお、第１、第２の実施の形態においては、２本の超電導線材の列を安定化層同士が向き合うように配置して電気的、機械的に接続する複合型超電導線の例を示したが、超電導線材の基材同士が向き合うように配置したり、基材と安定化層が向き合うように配置して、向き合わせた基材同士、または基材と安定化層を直接あるいは接続層を介して電気的、機械的に接続することもできる。しかし、このように配置した場合には、安定化層が露出するため、安定化層を保護するためのメッキ等による保護層を設けることが好ましい。また、基材と安定化層が向き合うように配置する場合には、銅箔などの薄い層を中間の基材として用いることが好ましい。

（第３の実施の形態）
本実施の形態は、３本の超電導線材の列を有する超電導線の例である。図３に、その要部の長さ方向に直交する断面構造を模式的に示す。図３において、１００、２００はそれぞれ第１、第２の超電導線材の列であり、１１〜２４は前記実施の形態と同じである。３００は第３の超電導線列である。３０は第３の超電導線材の列３００を構成する第３の超電導線材であり、３１はテープ状の基材であり、３２は基材３１上に形成された中間層であり、３３は中間層３２上に形成された超電導層であり、３４は超電導層３３上に形成された安定化層であり、４５は第１、第２、第３の３本の超電導線材の列１００、２００、３００を電気的、機械的に接続する接続部である。このように本発明は超電導線材の列が３列以上あってもよく、より大きい臨界電流を得ることができ、曲げ加工等が少ない機器内において用いることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る複合型超電導線の構造を模式的に示す斜視図である。本発明の第２の実施の形態に係る複合型超電導線の製造の様子を模式的に示す断面図である。本発明の第３の実施の形態に係る複合型超電導線の断面構造を模式的に示す断面図である。従来の第１の接続方法による超電導線材の接続部の構造を示す断面図である。従来の第２の接続方法による超電導線材の接続部の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０第１の超電導線材
１１、２１、３１基材
１２、２２、３２中間層
１３、２３、３３超電導層
１４、２４、３４安定化層
２０第２の超電導線材
３０第３の超電導線材
４０接続層
４５接続部
５０接続板
６０プレス
１００上側（第１）の超電導線材の列
２００下側（第２）の超電導線材の列
３００第３の超電導線材の列

Claims

テープ状の基材上に酸化物超電導層と安定化層が形成された超電導線材が複数本直列に配置されてなる超電導線材の列を複数有し、
前記超電導線材の列を構成する各超電導線材の長さ方向の端部の位置が、超電導線材の列毎に相互に相違し、
各超電導線材の列を構成する各超電導線材が、隣接する他の超電導線材の列を構成する超電導線材と電気的、機械的に相互に接続されていることを特徴とする複合型超電導線。
前記超電導線材の列を２列有していることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導線。
前記２列の超電導線材の列は、一方の超電導線材の列と他方の超電導線材の列とが、超電導線材の安定化層が直接または接続層を介して相互に向き合うように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の複合型超電導線。