JP2012212540A - 酸化物超電導導体及びそれを備えた酸化物超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、冷媒による酸化物超電導層の冷却効果を高め、超電導特性の安定性を高めることができる酸化物超電導導体の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の酸化物超電導導体は、基材３と該基材の一面側に設けられる中間層５と酸化物超電導層６と安定化層７を備えて酸化物超電導積層体９が構成され、該酸化物超電導積層体の外周面を覆う被覆層１０が形成されて被覆酸化物超電導導体が構成されるとともに、前記基材３の他面側に、前記基材３の長さ方向一端側から他端側にかけて延在する冷却溝３ａが形成され、前記冷却溝の開口部を前記被覆層１０が覆うことにより前記冷却溝３ａに沿って主冷媒通路３ｃが形成されてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属製の基材上に中間層と酸化物超電導層と安定化層を備えた積層構造の酸化物超電導導体及びその酸化物超電導導体を備えた酸化物超電導コイルに関する。

ＲＥ−１２３系の酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度で超電導性を示し、電流損失が低いため、電力供給用の導体あるいはコイル用の導体として応用開発がなされている。このＲＥ−１２３系の酸化物超電導体を線材に加工するための方法の一例として、強度が高く、耐熱性があり、線材に加工することが容易な金属を長尺のテープ状に加工し、このテープ状の金属基材上に酸化物超電導層を形成する技術が提供されている。

また、酸化物超電導体の結晶は電気的異方性を有しているので、金属基材テープ上に酸化物超電導層を形成する場合、結晶の配向制御を行う必要があり、その方法の一例として、金属基材上に中間層を介し酸化物超電導層を積層する技術が実施されている。この中間層を利用する技術の一例として、イオンビームアシスト成膜法（ＩＢＡＤ法：Ion Beam Assisted Deposition）が知られており、このＩＢＡＤ法により高い２軸配向性を示す中間層を基材上に成膜することができ、この中間層上に酸化物超電導層を形成することにより、超電導特性に優れた酸化物超電導導体を得ることができる。

上述の積層構造の酸化物超電導導体を巻胴に巻き付けて超電導コイルを構成する場合、酸化物超電導導体の外周を覆うように絶縁層を形成し、この絶縁処理済みの酸化物超電導導体を巻胴に多層巻きして超電導コイルを得ることができる。また、巻胴に巻回した酸化物超電導導体とその周囲を囲むように樹脂製の接着剤などを含浸させて酸化物超電導導体を巻胴上に固定することがなされている。

巻胴に巻回した酸化物超電導導体を含浸樹脂で固定した構造の酸化物超電導コイルは、それ自身を液体窒素などの冷媒に浸漬して全体を冷却するか、冷凍機などの冷却装置を用いて伝導冷却を行い、超電導が発現する温度以下に冷却し使用されている。
このように酸化物超電導導体を冷却する場合に好適な構造として、酸化物超電導導体に絶縁テープをスパイラル状に巻き付けた構造において、表面中央部に溝を設けた絶縁テープであって、溝の底部に貫通穴を所定の間隔で複数形成した絶縁テープを用意し、この絶縁テープを酸化物超電導導体の外周に巻き付けた構造が知られている。（特許文献１参照）
また、酸化物超電導導体の冷却構造の他の例として、ローターの回転軸の外面に凹部型の溝を形成し、該溝に冷媒循環パイプを敷設し、ローターの一部に固定した超電導コイルを冷媒循環パイプからの伝熱で冷却する構造の超電導モータが提案されている。（特許文献２参照）

特開平８−１９０８２２号公報 特開２００６−１８７０５１号公報

前記特許文献１に記載の絶縁テープを利用した酸化物超電導導体の冷却構造にあっては、酸化物超電導導体の周囲に存在する液体窒素などの冷媒を絶縁テープの貫通穴を介し超電導導体の表面側まで導くことができるので、酸化物超電導導体の冷却効率を高めることができる構造であると言える。しかし、特許文献１に記載の構造では、酸化物超電導導体に対し冷媒が直接触れる領域が貫通穴の部分に限られ、酸化物超電導導体を冷媒で直接冷却できる面積が小さいので、冷却効率の面においては不足な問題がある。
また、特許文献２に記載の構造は、冷媒循環パイプを収容したロータの溝からの伝熱により間接的に超電導コイルを冷却する構造であるので、上述のような酸化物超電導層を基材上に積層したタイプの酸化物超電導導体の冷却構造について、応用できるような技術的な開示や示唆は見られない。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、基材上に中間層と酸化物超電導層を積層した構造の酸化物超電導導体において冷媒による酸化物超電導層の冷却効果を高め、超電導特性の安定性を高めることができる構造の酸化物超電導導体の提供を目的とする。
本発明は、基材上に中間層と酸化物超電導層と安定化層を備えた構造の酸化物超電導導体を用いて酸化物超電導コイルを構成した場合、冷媒による酸化物超電導層の冷却効果を高めることができ、超電導特性の安定性を高めることができる酸化物超電導コイルの提供を目的とする。

本発明の酸化物超電導導体は、上記課題を解決するために、基材と該基材の一面側に設けられる中間層と酸化物超電導層と安定化層を備えて酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体の外周面を覆う被覆層が形成されて被覆酸化物超電導導体が構成されるとともに、前記基材の他面側に、前記基材の長さ方向一端側から他端側にかけて延在する冷却溝が形成され、前記冷却溝の開口部を前記被覆層が覆うことにより前記冷却溝に沿って主冷媒通路が形成されてなることを特徴とする。
酸化物超電導層を一面側に備えた基材の他面側に基材全長に至る冷却溝に沿って主冷媒通路を設けたので、この主冷媒通路に液体窒素などの冷媒を供給することで、基材をその全長にわたり冷媒で直接冷却できる。このため、酸化物超電導層を全長にわたり基材を介し冷却することができ、基材上の酸化物超電導層を全長にわたり均一に冷却できる。また、基材と中間層と酸化物超電導層と安定化層を備えた積層構造の酸化物超電導導体について、基材と酸化物超電導層は中間層を介し密着されているので、主冷媒通路に供給した冷媒で基材を直接冷却できることで、基材と中間層を介し酸化物超電導層も効率良く冷却することができる。更に、被覆層を備えた酸化物超電導導体であるならば、巻胴に巻回して超電導コイルを形成する場合にそのままの状態で巻胴に巻回することができ、超電導コイル用として有効に利用できる。

本発明の酸化物超電導導体において、前記基材の他面側に該基材の幅方向に沿って延在し、前記冷却溝に連通する補助冷却溝が前記基材の長手方向に沿って間欠的に複数形成され、前記補助冷却溝の開口部を前記被覆層が覆うことにより前記補助冷却溝に沿って補助冷媒通路が形成されてなる構造を採用しても良い。
基材長手方向の冷却溝からなる主冷媒通路に加え、基材幅方向の補助冷却溝からなる補助冷媒通路を設けるならば、主冷媒通路を介して補助冷媒通路に供給される冷媒を用い、補助冷媒通路に沿って基材幅方向の隅々まで基材を直接冷却できる。このため、基材長さ方向全長に加え、基材幅方向のいずれの位置においても基材を直接冷却できる領域を拡大できる結果、基材を介して行う酸化物超電導層の冷却効率を向上できる。このため、酸化物超電導層の長さ方向と幅方向のいずれの位置において常電導状態への転位などに起因して発熱を生じようとしても、酸化物超電導層を直近から冷媒で直に低温に冷却でき、発熱を抑制できるので、超電導特性の安定性向上に寄与する。

本発明の酸化物超電導導体において、前記安定化層の前記基板側と反対側の面に、前記安定化層の長さ方向に沿って延在する第２の冷却溝が形成され、該第２の冷却溝の開口部を前記被覆層が覆って前記安定化層の第２の冷却溝に沿う第２の冷媒通路が形成されてなる構造を採用しても良い。
安定化層に第２の冷却溝を形成し、被覆層で覆って第２の冷媒通路とすることにより、安定化層自体を冷媒によって直接冷却できる構造を提供できる。このため、冷媒による基材側からの直接冷却に加え、冷媒による安定化層側からの直接冷却も可能となり、酸化物超電導積層体の冷却効率が向上する。

本発明の酸化物超電導コイルは、先のいずれか一項に記載の酸化物超電導導体が巻胴に巻回され、前記冷却溝が前記酸化物超電導導体の巻回始端から巻回終端に至るように延在されてなる構造とすることができる。
酸化物超電導コイルを構成する酸化物超電導導体に形成した冷却溝を巻回始端から巻回終端に至るように形成するならば、巻胴に巻き付けた酸化物超電導導体の全長にわたり、冷媒で直接冷却できるので、巻胴に巻き付けて熱がこもりやすい構造となった場合であっても冷媒を用いた効率の良い冷却が可能となる。また、巻胴に巻き付けた外周側の酸化物超電導導体は勿論、内層側の酸化物超電導導体も冷媒により直接冷却できるので、多層巻きした構造の超電導コイルであっても、外層側と内層側のいずれの酸化物超電導導体も冷媒により強制冷却ができる。

本発明によれば、基材の一面側に中間層と酸化物超電導層と安定化層とを具備して構成される酸化物超電導積層体を被覆層で覆い、基材の他面側に設けた冷却溝の開口部を被覆層で覆って主冷媒通路を設けたので、主冷媒通路に液体窒素などの冷媒を供給することで基材を直接冷却することができ、基材に沿って形成されている酸化物超電導層を基材側から冷媒により効率良く冷却できる。その結果、酸化物超電導層を冷媒により常に効率良く冷却できるので酸化物超電導導体の超電導特性安定化に寄与する。

図１は本発明に係る酸化物超電導導体の第１実施形態を示すもので、図１（Ａ）は部分断面図、図１（Ｂ）は横断面図。 図２は本発明に係る酸化物超電導導体の第２実施形態を示す部分断面図。 図３は本発明に係る酸化物超電導導体の第３実施形態を示す部分断面図。 図４は本発明に係る酸化物超電導導体を備えた超電導コイルの第１実施形態を示す部分断面図。 図５は本発明に係る酸化物超電導導体についてＰＬＤ法を用いて基材上に酸化物超電導層を形成する工程の一例を示す説明図。

以下、本発明に係る酸化物超電導導体の第１実施形態について図面に基づいて説明するが、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。
本実施形態の超電導コイル用酸化物超電導導体１は、図１（Ａ）に示す如く金属製のテープ状の基材３の上面側（一面側）に、中間層５と酸化物超電導層６と安定化層７、８がこの順で積層されてなる酸化物超電導積層体９を内部に備え、該酸化物超電導積層体９の周面を樹脂等の絶縁材料からなる被覆層１０で覆ってなる構造とされている。

前記酸化物超電導積層体９は、より詳細には、基材３の上面側に、拡散防止層とベッド層の少なくとも一方を備えた下地層１４と、結晶を２軸配向制御した配向層１５と、キャップ層１６とを備えてなる中間層５が積層され、その上にＲＥ１２３系の酸化物超電導層６とＡｇからなる安定化層７とＣｕからなる安定化層８を積層して構成されている。なお、下地層１４は必須の構成要素ではなく、場合によっては略しても良い。
図１に示す酸化物超電導導体１は、Ａｇの安定化層７の上に厚いＣｕの安定化層８を積層した例を示しており、酸化物超電導積層体９の全周に樹脂テープなどの絶縁材を巻き付けて絶縁性の被覆層１０が形成され、被覆酸化物超電導導体とされている。
図１（Ａ）に示す構造として被覆層１０で絶縁処理した酸化物超電導導体１を巻胴などに巻き付けることで超電導コイルなどの用途に用いることができるが、超電導コイルについては後に詳述する。

以下に酸化物超電導導体１の各要素について説明する。
前記基材３は、通常の超電導線材の基材として使用することができ、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であり、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金等の各種高強度高耐熱性の金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材３の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１００〜５００μｍの範囲とすることができる。

前記テープ状の基材３において中間層５と酸化物超電導層６を形成していない側の面（他面）には、基材３の長さ方向に延在するように横断面Ｖ字型の冷却溝３ａが複数本（図１に示す形態では５本）所定の間隔で形成されている。図１に示す形態において冷却溝３ａは基材３の厚さの半分程度を若干超える深さ（高さ）に形成され、冷却溝３ａの開口部３ｂ側を幅広に、奥側を幅狭になるように基材３の裏面に沿って形成されている。各冷却溝３ａはそれぞれ基材３の全長に形成されているが、酸化物超電導導体１において冷却溝３ａの開口部３ｂを覆うように被覆層１０が形成されているので、冷却溝３ａの内側に基材３の全長にわたり主冷媒通路３ｃが形成されている。
基材３の他面側に形成する冷却溝３ａは横断面Ｖ字状に限るものではなく、横断面逆Ｖ字状、矩形状、半円状、半楕円状など、その断面形状は問わない。冷却溝３ａの幅についても特に制限はないが、基材３の機械的強度を必要以上に低下させないような深さと幅に形成すればよい。また、基材３の他面に形成する冷却溝３ａの数についても特に制限はない。
基材３に冷却溝３ａを形成する方法は、超硬合金製の切削バイトなどの工具を用いて基材３を切削するスクラッチ加工などによる形成方法、裁断加工、レーザービームによる蝕刻加工、薬液を用いたエッチング加工等、いずれの加工方法を用いても良い。

下地層１４は、通常は拡散防止層とベッド層の複層構造とされるが、どちらか一方からなる層構造でも良く、更に、以下に説明する拡散防止層やベッド層の構成材料を組み合わせた３層以上の複層構造であっても良い。
拡散防止層は、基材３の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）等から構成され、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。
ベッド層は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層は、例えば、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などの希土類酸化物であり、組成式（α_１Ｏ_２）_２ｘ（β_２Ｏ_３）_{（１−ｘ）}で示されるものが例示できる。より具体的には、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等を例示することができる。このベッド層１２は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。

配向層１５は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層されるキャップ層１６の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から選択される。配向層１５の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物を例示することができる。
この配向層１５をＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１５゜以下）で成膜するならば、その上に形成するキャップ層１６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができ、これによりキャップ層１６の上に成膜する酸化物超電導層６の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できる酸化物超電導層６を得るようにすることができる。
例えば、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ又はＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）からなる配向層１５は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標であるΔφ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。

キャップ層１６は、上述のように面内結晶軸が配向した配向層１５の表面に成膜されることによってエピタキシャル成長し、その後、横方向に粒成長して、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料、であれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、ＬａＭｎＯ_３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ_２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
例えばＣｅＯ_２によって構成される。キャップ層１６は、上述のように自己配向していることにより、配向層１５よりも更に高い面内配向度、例えばΔφ＝４〜６゜程度を得ることができる。
例えば、ＣｅＯ_２層は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができる。ＣｅＯ_２層の膜厚は、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましいが、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５０〜５０００ｎｍの範囲とすることができる。

酸化物超電導層６は希土類系の公知のもので良く、具体的には、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものを例示できる。この酸化物超電導層６として、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）などを例示することができる。
酸化物超電導層６は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザー蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等で積層することができ、なかでも生産性の観点から、ＰＬＤ（パルスレーザー蒸着）法、ＴＦＡ−ＭＯＤ法（トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法）又はＣＶＤ法を用いることができる。

前記酸化物超電導層６の上に積層されている第１番目の安定化層７はＡｇなどの良電導性かつ酸化物超電導層６と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。Ａｇの安定化層７を成膜するには、スパッタ法、真空蒸着法、レーザー蒸着法、電子ビーム蒸着法物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）などの成膜法を採用し、その厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
第２番目の安定化層８は酸化物超電導層６の安定化のために設けられ、酸化物超電導層６が常電導状態に転移することを防止するために電流のバイパス路として設けられているので、ＣｕやＡｌまたはそれらの合金などの良導電性の金属材料から形成される。なお、酸化物超電導導体１を限流器などの目的に適用する場合は安定化層８として高抵抗材料を用いることが好ましいので、ＮｉＣｒなど、ＣｕやＡｇ、Ａｌに対して高抵抗の金属材料から構成することができる。
安定化層８は安定化層７よりも厚く形成して電流のバイパス路として十分な容量を確保するため、１００〜５００μｍ程度の厚さに形成する。その場合、半田や導電性接着剤による貼り付け法あるいはめっき法などを用いて安定化層７の上に形成することができる。

前記被覆層１０は、ポリイミドなどの樹脂製の絶縁材料からなり、ポリイミドテープを酸化物超電導積層体９の外周にスパイラル状に巻き付けるなどの方法により形成されている。なお、被覆層１０の外周に更にプリプレグテープなどの層間接着材を介在させた構造としても良く、プリプレグテープを巻き付けたものを後述する如くコイル加工して超電導コイルとしても良い。
前記被覆層１０を構成する樹脂として具体的には、ポリイミド樹脂の他に、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、ケイ素樹脂、シリコン樹脂、アルキッド樹脂、ビニル樹脂等を例示できる。被覆層１０による被覆の厚さは特に限定されず、被覆対象部位等に応じて、適宜調節すれば良い。被覆層１０は、その材質に応じて公知の方法で形成すれば良く、例えば、原料を塗布して、これを硬化させれば良い。また、テープ状に代わりシート状のものが入手できる場合には、これを使用して被覆しても良い。

図１に示す構造の酸化物超電導導体１において、基材３の他面側に複数の冷却溝３ａに沿って被覆層１０に覆われた主冷媒通路３ｃが形成されているので、酸化物超電導導体１を液体窒素などの冷媒に浸漬して使用する場合、被覆層１０が絶縁材料製のテープを巻回してなる構成の場合は被覆層１０の隙間から主冷媒通路３ｃに冷媒を流入できるので、主冷媒通路３ｃに存在している冷媒が基材３をその他面側から直接冷却する。このため、酸化物超電導層６に通電している際、何らかの原因で酸化物超電導層６の一部が常電導状態に転移しようとして発熱を生じるおそれがあっても酸化物超電導層６に近接している基材３側から積極的に冷却できる結果、発熱を抑えることができ、超電導特性を安定化することができる。
また、被覆層１０として、冷媒が通過できない構造を採用した場合、例えば、被覆層１０を緻密な構造などとしたり、プリプレグテープなどの巻き付けにより層間接着した場合、酸化物超電導導体１の一端側に開口している主冷媒通路３ｃの一端部側から強制的に冷媒循環ポンプ等により液体窒素などの冷媒を流入させ、酸化物超電導導体１の反対側の端部から強制的に液体窒素などの冷媒を引き抜く構成を採用し、冷媒循環ポンプにより主冷媒通路３ｃを介して冷媒を循環させる強制循環型の冷却ができる構造とすることが好ましい。

この強制循環型の冷却構造を採用すると、被覆層１０が冷媒を通過させない緻密な構造であっても、酸化物超電導導体１の基材３の全長にわたり主冷媒通路３ｃに冷媒を循環させて強制冷却することができ、酸化物超電導導体１の全長にわたり酸化物超電導層６の冷却を確実に行うことができる。
図１に示す冷却溝３ａからなる主冷媒通路３ｃを備えた酸化物超電導導体１の構造であるならば、被覆層１０を介し冷媒を浸漬させる構造あるいは強制循環型の構造のいずれの構造を採用しても、基材３に形成した冷却溝３ａに沿って存在する冷媒が酸化物超電導導体１の全長にわたり基材３を介して酸化物超電導層６を冷却するので、超電導特性の安定性に優れた酸化物超電導導体１を提供することができる。
また、基材３上に形成されている中間層５はいずれも成膜法で形成され、上述した如く薄いものであるため、基材３を冷媒で直接冷却できることは、酸化物超電導層６を冷媒で効率良く冷却できることを意味するので、図１に示す構造によれば、酸化物超電導層６の冷却効率も良好にすることができる。

図２は本発明に係る酸化物超電導導体の第２実施形態の構造を示すもので、この第２実施形態の構造において、先の第１実施形態の構造と同一の構成要素については同一符号を付してそれら同一構成要素の説明を略する。
第２実施形態の酸化物超電導導体２０において、図１（Ａ）に示す酸化物超電導導体１と異なるのは、酸化物超電導積層体９を構成する基材３０の他面側に、主冷媒通路３ｃに加え、補助冷媒通路３ｄを形成している点にある。その他、酸化物超電導積層体９における中間層５、酸化物超電導層６、安定化層７、８、被覆層１０の構成については第１実施形態の構造と同等構造である。

第２実施形態の基材３０において、その長さ方向に沿って冷却溝３ａが複数形成されている点については同等であるが、基材３０においては、基材３０の長さ方向に所定の間隔で横断面矩形状の複数の補助冷却溝３ｅが、個々に基材３の幅方向一端縁から他端縁に達するように形成されている。補助冷却溝３ｅは基材３０の厚さの半分程度の深さを有し、主冷媒通路３ｃと同程度か若干幅広の大きさの横断面矩形状に形成されている。これら補助冷却溝３ｅは基材３０の他面側において主冷却溝３ａと複数箇所において９０゜交差するように形成され、主冷却溝３ａと補助冷却溝３ｅはそれらの交差部分において連通されている。各補助冷却溝３ｅの開口部は被覆層１０により覆われているので被覆層１０の内側に補助冷却溝３ｅと被覆層１０により区画されて補助冷媒通路３ｄが形成されている。

補助冷却溝３ｅを形成する場合の間隔や方向は特に制限するものではないが、図２に示す例では主冷媒通路３ｃと補助冷媒通路３ｄでもって平面視格子状になるように配置している。主冷媒通路３ｃと補助冷媒通路３ｄは酸化物超電導導体２０に必要とされる冷却能力に合わせた間隔で基材３の強度を必要以上に低下させないように形成すればよい。勿論、補助冷媒通路３ｄは、主冷媒通路３ｃに直交している必要はなく、主冷媒通路３ｃに対し傾斜して延在する形状でも良く、補助冷媒通路３ｄは基材３の幅方向両端に達している必要はなく、幅方向両端の手前まで延在されている形状、途中で分岐されている形状、途中でカーブした形状などのいずれの形状であっても、幅方向に延在している形状であれば実現可能である。

図２に示す構造の酸化物超電導導体２０においても、先の第１実施形態の酸化物超電導導体１と同様、冷媒を主冷却溝３ａに流入させて基材３０を冷媒により直接冷却することができる。また、図２に示す構造によれば、主冷却溝３ａに存在する冷媒を複数の補助冷媒通路３ｄ側にも導くことができ、各補助冷媒通路３ｄは基材３０の幅方向両端側まで延在されているので、基材３０の幅方向両端側まで冷媒で直に冷却することができる。よって、冷媒が基材３０に接触する面積を先の第１実施形態の構造よりも増大できるので、冷媒によって基材３０を冷却する場合の冷却効率が高くなる。従って、冷媒により基材３０を介して酸化物超電導層６を冷却する場合の冷却効率について、先の第１実施形態の構造よりも高くすることができる。

図３は本発明に係る酸化物超電導導体の第３実施形態の構造を示すもので、この第３実施形態の構造において、先の第２実施形態の構造と同一の構成要素については同一符号を付してそれら同一構成要素の説明を略する。
第３実施形態の酸化物超電導導体２５において、図２に示す酸化物超電導導体２０と異なるのは、酸化物超電導積層体９を構成するＣｕの安定化層１８の上面側に第２の冷却溝１８ａが安定化層１８の長さ方向に延在するように複数設けられている点にある。その他、酸化物超電導積層体９における中間層５、酸化物超電導層６、安定化層７、８、被覆層１０、基材３０などの構造については第２実施形態の構造と同等である。

本実施形態の構造において、安定化層１８の上面側（安定化層１８において酸化物超電導層６に近い側と反対側）には、被覆層１０が設置され、安定化層１８の上面に形成されている第２の冷却溝１８ａの開口部を被覆層１０が覆っているので第２の冷却溝１８ａに沿って安定化層１８の冷却溝１８ａと被覆層１０との間に酸化物超電導積層体９の全長にわたる第２の冷媒通路１８ｃが形成されている。

図３に示す第３実施形態の酸化物超電導導体２５においても、先の第２実施形態の酸化物超電導導体２０と同様、冷媒を主冷却溝３ａと補助冷却溝３ｄに流入させて基材３０を冷媒により広範囲にわたり効率良く冷却することができる。
また、図３に示す構造によれば、主冷媒通路３ｃと補助冷媒通路３ｄに加え、安定化層１８側の第２の冷媒通路１８ｃにも冷媒を導入することができ、第２の冷媒通路１８ｃは酸化物超電導導体２５の全長にわたり形成されているので、酸化物超電導層６をその全長にわたり安定化層１８側からも冷却できる。
本実施形態の構造によれば、基材３０側と安定化層１８側の両方から酸化物超電導層６を冷却できるので、冷却効率が一層向上し、酸化物超電導層６の安定性をより高めることができる。
なお、図３に示す如くＡｇの安定化層７の上にＣｕの安定化層１８を設ける構造とは異なり、酸化物超電導積層体９の全周にめっきで安定化層を形成するか、あるいは、金属テープで全周を囲み、安定化層を設けた構造とする場合、全周に設けた安定化層の外面に更に冷却溝を形成して冷却溝の部分を冷媒の流路として構成してもよい。この構造の場合、基材３０の外側に安定化層が配置されるので、基材３０の外側の安定化層の外面に冷却溝を設けて冷媒の流路とすることができる。金属テープで酸化物超電導積層体９を囲む場合は、基材３０と基材３０上の安定化層の外面の両方に冷却溝を設けることができる。
また、上述の実施形態においては基材３の上に中間層５を介し酸化物超電導層６を積層した構造に適用したが、Ｎｉ−Ｗ合金の圧延材などのような配向性基材上に中間層と酸化物超電導層を積層する構造の酸化物超電導積層体に対し、先の実施形態の冷却溝を設けた構造を採用できる。Ｎｉ−Ｗ合金の圧延材などのような配向性基材において裏面側に冷却溝を設けることで上述の構造と同等の冷却効果を得ることができる。

図４は上述の第１実施形態の酸化物超電導導体１を巻胴に巻回してなる酸化物超電導コイルの第１実施形態を示す。
本実施形態の酸化物超電導コイル３３において、巻胴３４が胴部３５と鍔板３６とからなり、胴部３５の外周に先の第１実施形態の酸化物超電導導体１が多層巻きとなるように巻回されている。図４では図示の簡略化のために層構造として４層のみ示しているが実際のコイルにおいては、目的の巻き数となるように必要な積層数とされる。
また、巻胴３４に巻回されている酸化物超電導導体１において、その巻回始端１Ａと巻回終端１Ｂに冷媒循環用の接続管３８、３９が接続され、これら接続管３８、３９が冷媒供給装置４０に接続されている。接続管３８、３９の先端部はそれぞれ酸化物超電導導体１の主冷媒通路３ｃに接続されていて、冷媒供給装置４０からの冷媒を巻回始端１Ａあるいは巻回終端１Ｂの主冷媒通路３ｃから酸化物超電導導体１の内部に導入し、巻回終端１Ｂあるいは巻回始端１Ａから排出することで、酸化物超電導導体１の主冷媒通路３ｃに冷媒を強制循環させつつ酸化物超電導導体１を強制冷却できるように構成されている。

図４に示す構成の酸化物超電導コイル３３であるならば、巻胴３４に巻き付けた酸化物超電導導体１において巻胴３４の内層側と外層側のいずれの酸化物超電導導体１であっても支障なく冷却ができる。
例えば、図４に示す構成の酸化物超電導コイル３３を単に冷媒に浸漬して冷却した場合は、多層巻きした酸化物超電導導体１において内層側の酸化物超電導導体１は外層側の酸化物超電導導体１よりも冷媒に遠く、熱がこもり易いので冷却効率の面からみると不利になり易い。しかし、図４に示す構造であるならば、内層側と外層側を問わずにその両方に主冷媒通路３ｃを介して冷媒を強制循環できるので、超電導コイル３３の全体を効率良く均一に冷却できる効果がある。
また、図４に示す構造の巻胴３４に対し、第２実施形態の酸化物超電導導体２０あるいは第３実施形態の酸化物超電導導体２５を適用して酸化物超電導コイルを構成することもできるのは勿論である。

以上説明した酸化物超電導導体１、２０、２５において基材３の他面側に冷却溝３ａ、３ｄを形成するには、基材３の一面側に中間層５、酸化物超電導層６、安定化層７を形成した後、あるいは、安定化層８を形成した後、基材３の他面側に切削などの機械加工あるいはレーザービームによる溝加工などを行って冷却溝３ａ、３ｄを形成することが好ましい。この理由について以下に説明する。

基材３の一面側に積層する下地層１４、配向層１５、キャップ層１６、酸化物超電導層６は、いずれも上述した如くスパッタ法などの成膜法により形成されている。しかも、配向層１５、キャップ層１６、酸化物超電導層６はいずれについてもそれらの結晶配向性を厳密に整え、結晶欠陥のない高品質の膜として成膜する必要がある。
図５にこれらの層のうち、キャップ層１６、あるいは、酸化物超電導層６の成膜に用いることができるパルスレーザー蒸着装置（ＰＬＤ装置）の一例を示す。

この例のＰＬＤ装置Ａは、真空ポンプなどの減圧装置５０に接続された減圧容器５１を備え、その内部に設置されたターゲット５２に減圧容器外部に設置されているレーザービームの照射装置５３からパルスレーザービームを照射できるように構成されている。また、減圧容器５１の内部に、供給リール５５と巻取リール５６とこれらの中間位置に転向搬送リール５７、５８とが設置され、供給リール５５から転向搬送リール５７、５８を介して基材３を巻取リール５６側に移動することができ、この移動中にターゲット５２から発生させた粒子を基材３の表面側に堆積させて成膜できるように構成されている。
なお、転向搬送リール５７、５８は図５では略しているが図５の紙面厚さ方向に同じ構成のものが複数配列されていて（例えば５列等）、基材３は複数の転向搬送リール５７、５８間を複数回ターンしながら最終的に巻取リール５６に至るように構成されている。更に、転向搬送リール５７、５８間を複数回ターンしている基材３を目的の成膜温度に加熱するためのヒータ５９を内蔵したヒータ装置６０が転向搬送リール５７、５８の間に設けられている。

図５に示す構成のＰＬＤ装置Ａは、基材３をキャップ層１６あるいは酸化物超電導層６の成膜温度に好適な温度に加熱しながら成膜するが、キャップ層１６あるいは酸化物超電導層６の成膜温度は膜種によっても異なるが、通常のもので５００〜９００℃の範囲であって極めて高温であるので、基材３は供給リール５５から巻取リール５６側に移動する間に常温〜９００℃までの間の熱履歴を複数回受ける。勿論、１つのＰＬＤ装置でキャップ層１６を形成し、他のＰＬＤ装置で酸化物超電導層６を形成する場合、基材３が受ける熱履歴は相当な数に達する。
ここで、基材３の他面側に冷却溝３ａあるいは補助冷却溝３ｄを形成した基材３を用いてこれらの成膜を行うと、これらの溝形成によって部分的に肉薄構造となっている基材３に温度分布が生じて成膜に悪影響を及ぼすとともに、基材３が熱膨張や熱収縮により大きく変形するので、基材３上に積層した膜に大きな熱応力やストレスを加える結果、形成した膜に損傷を与えるおそれがある。また、この事情は、スパッタなどの成膜法により下地層１４あるいは安定化層７を形成する場合も同様であるので、基材３の裏面側に冷却溝３ａあるいは補助冷却溝３ｄを予め形成するのは、各層に影響を与えないように安定化層７を形成した後に行うことが好ましい。

なお、安定化層８については、Ｃｕのテープ導体を半田付け法やロール貼り合わせ法などによりＡｇの安定化層７の上に一体化して形成することができる他、めっきなどの方法により形成することができ、いずれにおいても各層を高温成膜する場合の温度より低温で形成できるので、基材３の裏面側に冷却溝３ａあるいは補助冷却溝３ｄを形成するのは、安定化層７を形成後であって、安定化層８の形成前あるいは形成後のいずれかにおいて行えばよい。

以上説明したように、基材３上への各層の成膜後に基材裏面側に冷却溝３ａあるいは補助冷却溝３ｅを形成するならば、既に形成した下地層１４、配向層１５、キャップ層１６、酸化物超電導層６、安定化層７のいずれについても上述の成膜時の問題や熱的負荷をかけることなく冷却溝３ａあるいは補助冷却溝３ｄを形成できる。
よって、基材３の裏面側に冷却溝３ａあるいは補助冷却溝３ｄを形成するのは、安定化層７を形成後であって、安定化層８の形成前あるいは形成後のいずれかにおいて行うという上述の製造手順によれば、積層構造の酸化物超電導導体１を構成するための各層に悪影響を及ぼすことなく冷却溝３ａあるいは補助冷却溝３ｄを形成できる。

「実施例１」
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１０ｍのテープ状の基材を用意し、このテープ状基材の表面にＡｌ_２Ｏ_３からなる厚さ１００ｎｍの拡散防止層を形成し、更にその上にイオンビームスパッタ法を用いてＹ_２Ｏ_３からなる厚さ３０ｎｍのベッド層を形成した。イオンビームスパッタ法の実施にあたりテープ状の基材はスパッタ装置の内部においてリールに巻回しておき、一方のリールから他方のリールに繰り出す間に成膜できるようにしてテープ状基材の全長にわたり、拡散防止層とベッド層を形成した。次に、イオンビームアシスト蒸着法によりベッド層上に厚さ１０ｎｍのＭｇＯの配向層を形成した。この場合、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対し、４５゜とした。

続いてパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）を用いてＭｇＯの配向層上にＣｅＯ_２の厚さ５００ｎｍのキャップ層を形成した。更に、このキャップ層上にパルスレーザー蒸着法によりＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの厚さ１μｍの酸化物超電導層を形成した。
次に、スパッタ法により酸化物超電導層上に厚さ１０μｍのＡｇの安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行った。以上の工程により、テープ状の長尺の基材上に拡散防止層とベッド層と配向層とキャップ層と酸化物超電導層と第１の安定化層を備えた構造の酸化物超電導導体を形成した。
次いで、第１の安定化層の上面に厚さ１００μｍのＣｕテープを半田付けして酸化物超電導積層体を形成した。この後、酸化物超電導積層体をリールから繰り出しながら超硬合金製の切削バイトにより基材裏面側に深さ６０μｍ、幅６０μｍのＶ字状の冷却溝を基材裏面の長さ方向に沿って５本、等間隔で基材に平行に配列形成した。
この溝加工後の酸化物超電導積層体の全周に幅１０ｍｍのポリイミドテープをスパイラル状に重ね巻きして絶縁性の被覆層を有する酸化物超電導導体を形成した。

この酸化物超電導積層体を直径１０ｃｍの巻胴に巻き付けてコイル状に加工して酸化物超電導コイルを得た。コイルは３段のパンケーキ構造とし、２段目のコイルに熱電対を取り付け、線材の温度を計測できるようにした。この酸化物超電導コイルを液体窒素に浸漬し、被覆層の内側に冷媒を含浸させて基材の主冷却溝に沿って液体窒素を流入させた状態の酸化物超電導コイルに通電試験を行った。また、基材に冷却溝を設けていない構造の酸化物超電導導体を用いて得た前記同等構造の酸化物超電導コイルを作成し、同様に液体窒素に浸漬して冷却した。
これらの対比から、基材に冷却溝を設けた超電導コイルと冷却溝を設けていない超電導コイルにおいて、基材に冷却溝を設けた酸化物超電導コイルの方の冷却速度が５％早くなり、また、冷却溝を設けた酸化物超電導コイルの方が到達温度も３Ｋ低くなった。この結果から基材に冷却溝を設けた場合の優れた冷却効果を確認できた。

本発明は、例えば超電導コイル、超電導限流器用コイルなど、各種の超電導機器に用いられる酸化物超電導導体とそれを用いた超電導コイルに利用することができる。

１、２０、２５…酸化物超電導導体、３、３０…基材、３ａ…冷却溝、３ｂ…開口部、３ｃ…主冷媒通路、３ｄ…補助冷却溝、３ｅ…補助冷媒通路、５…中間層、６…酸化物超電導層、７…安定化層、８…安定化層、９…酸化物超電導積層体、１０…被覆層、１４…下地層、１５…配向層、１６…キャップ層、１８…安定化層、１８ａ…第２の冷却溝、１８ｃ…第２の冷媒通路。

Claims (4)

1. 基材と該基材の一面側に設けられる中間層と酸化物超電導層と安定化層を備えて酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体の外周面を覆う被覆層が形成されて被覆酸化物超電導導体が構成されるとともに、前記基材の他面側に、前記基材の長さ方向一端側から他端側にかけて延在する冷却溝が形成され、前記冷却溝の開口部を前記被覆層が覆うことにより前記冷却溝に沿って主冷媒通路が形成されてなることを特徴とする酸化物超電導導体。
2. 前記基材の他面側に該基材の幅方向に沿って延在し、前記冷却溝に連通する補助冷却溝が前記基材の長手方向に沿って間欠的に複数形成され、前記補助冷却溝の開口部を前記被覆層が覆うことにより前記補助冷却溝に沿って補助冷媒通路が形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導導体。
3. 前記安定化層の前記基板側と反対側の面に、前記安定化層の長さ方向に沿って延在する第２の冷却溝が形成され、該第２の冷却溝の開口部を前記被覆層が覆って前記安定化層の第２の冷却溝に沿う第２の冷媒通路が形成されてなることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の酸化物超電導導体。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸化物超電導導体が巻胴に巻回され、前記冷却溝が前記酸化物超電導導体の巻回始端から巻回終端に至るように延在されてなることを特徴とする酸化物超電導コイル。

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