JP2014099323A - 薄膜超電導線材および超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜超電導線材の基板上に成膜形成した超電導薄膜層の分割パターンを改良して通電容量の最適化，交流損失の低減化が図れるようにした薄膜超電導線材を提供する。
【解決手段】基板１面上に成膜形成した超電導薄膜層３を基板１の幅方向で複数の分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃに分割して並列化した薄膜超電導線材において、前記分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの幅ａ，ｂ，ｃを、超電導線材に変動電流を通電した際の"表皮効果"などによって各分割薄膜部に流れる電流分布の比率に合わせて設定することで、超電導線材の電流容量と臨界電流との整合化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導変圧器などの電力機器に適用するイットリウム系超電導体で代表される薄膜超電導線材、およびその超電導線材を用いた超電導コイルに関する。

超電導変圧器、超電導マグネットなどの超電導機器に適用する次世代の超電導線材として、電流容量の増大、製造コストの低減化などの観点からイットリウム系（Ｙ系）の高温酸化物超電導体が注目されている。

次に、Ｙ系酸化物超電導体による薄膜超電導線材の模式構造を図３に示す。図において、１はステンレスやハステロイなどの高剛性金属材になるテープ状の基板、２は基板１の片面上に蒸着した絶縁物の中間層、３は中間層２の上に蒸着して成膜形成したＹ系の超電導薄膜層、４は安定化層として超電導層３の上に蒸着した銀層、５は銀層４の上にラミネートしたテープ状の保護金属層（例えば、銅材層）である。なお、前記基板１の厚さは１００μｍ程度、中間層２，超電導薄膜層３，および銀層４の厚さは1μｍ程度である。

周知のように超電導線材は、超電導状態では電気抵抗が略ゼロでジュール損失は発生しないため効率は極めて高いが、変動電流（交番電流）や変動磁界の環境下で使用する超電導機器に適用すると、通電電流および自己磁界の変動に伴って超電導体に特有の交流損失（主としてヒステリシス損失）が発生する。

したがって、超電導線材の高効率化を図るには交流損失の低減が必須であり、そのために前記したＹ系薄膜超電導線材について、その超電導薄膜層を基板の幅方向で複数に分割，細線化して交流損失を低減するようにした薄膜超電導線材、およびその製造方法が特許文献１，２などに開示されており、その一例の模式断面構造を図４に示す。なお、図４は図３における基板１と超電導薄膜層３のみを示し、中間層２，安定化金属層４および保護金属層５は省略している。

図４において、超電導薄膜層３は基板１の幅方向に分割して並列に形成した断面矩形状の分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃに等分割されており、ａ，ｂ，ｃは各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの幅、ｄは各分割薄膜部相互間に形成した溝部の間隙である。

再公表特許ＷＯ２００５／００８６８７号公報 特開２０１１−９６５６６号公報

ところで、導体に変動電流を通電すると、"表皮効果"により電流が導体表面に集中して通流することが知られている。この"表皮効果"は、変動電流の周波数や導体の断面形状，抵抗などに依存して電流の集中する度合いは変わるが、基本的には導体の表面に電流が集中する。超電導導体では、この"表皮効果"だけではなく、超電導特性も考慮する必要があるが、電流が集中するのが導体表面であることは常電導導体と同じである。

図４に示した薄膜超電導線材のように、超電導薄膜層３を基板１の幅方向に三分割して細線化した超電導線材に変動電流を通電すると、"表皮効果"などにより左右両端に並ぶ分割薄膜部３ａ，３ｃに多く集中して電流が流れ、中央に並ぶ分割薄膜部３ｂには両端の分割薄膜部３ａ，３ｃより少ない電流が流れるような電流分布となる。なお、発明者等が試算，解析したところ、この薄膜超電導線材に通電する変動電流（交流）の振幅を１００％とした場合の前記の各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃに分流する電流の比率はそれぞれ３６％，２８％，３６％であった。

一方、Ｙ系の超電導薄膜層３を幅方向に分割，分離した各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの臨界電流密度（Ｊc）は同じあり、その分割幅ａ，ｂ，ｃが等幅であれば各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの臨界電流も同じ値である。すなわち、図３に示した超電導線材の臨界電流を１００％とすれば、図４における各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの臨界電流はそれぞれ３３.３％で、超電導線材全体の臨界電流値を１００Ａとすれば、３分割した各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの臨界電流値はそれぞれ３３.３Ａとなる。

しかしながら、前記のように超電導線材に変動電流を通電した際の"表皮効果"などにより、各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃに流れる電流分布が不均等になって左右の分割薄膜部３ａ，３ｃに多く集中して電流が流れるために、超電導線材の通電容量（超電導状態での許容通電容量）が左右両端に並ぶ分割薄膜部３ａ，３ｃの臨界電流値によって制約されることになる。

すなわち、超電導線材に通電する電流の負荷率（通電電流と臨界電流との比率）が低ければ、各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃに分流する電流はいずれも臨界電流値以下で超電導状態での通電に問題はないが、電流の負荷率を高めて臨界電流値に近い電流を通電すると、"表皮効果"などにより両端部に並ぶ分割薄膜部３ａ，３ｃに多く集中して流れる電流が前記した臨界電流値を超えてしまい、その結果として両端の分割薄膜部３ａ，３ｃがクエンチを引き起こして超電導状態から常電導状態に転移するため、超電導線材として所定の通電容量を確保できなくなるおそれがある。

また、先記の特許文献２にはＹ系超電導線材の超電導層を複数の分割薄膜部に分割加工する加工方法が開示されているが、超電導コイルなどに適用する長大な長さの薄膜超電導線材について、その基板上に成膜した超電導薄膜層をレーザー加工法などにより狭溝間隔で複数の分割薄膜部を高精度にスクライブ加工することは技術的にも極めて困難であり、左右に並ぶ分割薄膜部の相互間が機械的には分割されていても、レーザースクライブ加工などに伴って生じる金属材の残滓などにより電気的には完全に分割されずに隣接する分割薄膜部の間が低い抵抗で繋がっていることが多い。そのほか、超電導線材をコイル化したときの線材の撓み変形により、隣接する分割薄膜部同士が接触して電気的に繋がったり、薄膜層に応力が加わったりして超電導特性が低下することも考えられる。

そのために、超電導薄膜層の分割，多芯化による交流損失の低減効果が十分発揮できなくなるほか、 "表皮効果"などによる不均等な電流分布に依存して超電導線材の通電容量が制約を受けるようになる。さらに、変動電流の通電に伴う変動磁界は超電導層の各分割薄膜部に印加されるため、超電導線材の通電容量にあまり寄与しない基板中央の分割薄膜部（図４における中央の分割薄膜部３ｂ）にも交流損失（ヒステリシス損失）が発生するという課題がある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は薄膜超電導線材の基板に成膜形成した超電導薄膜層の分割パターンを改良して通電容量の最適化、交流損失の低減化が図れるようにした薄膜超電導線材、およびその超電導線材を用いた超電導コイルを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明によれば、基板面上に成膜形成した超電導薄膜層を基板の幅方向で複数の分割薄膜部に分割して並列化した薄膜超電導線材において、
前記分割薄膜部の幅を該分割薄膜部に流れる電流分布の比率に合わせて設定するものとする。

また、前記薄膜超電導線材の実施態様として、基板上の中央部に空白域を残して、超電導分割薄膜部を基板の両端部に振り分けて形成配置する。

そして、前記の薄膜超電導線材をコイルの軸方向に複数ターン巻回し、さらにコイルの半径方向に複数層巻回して超電導コイルを形成する。

上記構成の薄膜超電導線材によれば、基板面上の幅方向に分割形成した超電導薄膜層の各分割薄膜部の幅を、該薄膜部に流れる変動電流の電流分布比率に合わせて設定することにより、各分割薄膜部に分流する通電電流の比率と臨界電流との整合が図れ、その結果として薄膜超電導線全体の通電容量を最適化できる。

また、薄膜超電導線の基板上の中央部を空白域として残し、超電導分割薄膜部を基板の両端部に振り分けて配置形成することにより、確実に超電導部を分割でき、前記空白域での交流損失発生をゼロにして薄膜超電導線全体の交流損失を低減できる。

また、この薄膜超電導線材をコイル化して超電導変圧器などの超電導機器に適用することで、超電導機器の低交流損失，高効率化が図れる。

本発明の実施例による薄膜超電導線材の模式断面図である。 本発明の異なる実施例による薄膜超電導線材の模式断面図である。 イットリウム系酸化物超電導体による薄膜超電導線材の基本的な模式構造図である。 図３の薄膜超電導線材を基に、その超電導薄膜層を分割，細線化した従来における薄膜超電導線材の模式断面図である。

以下、この発明による超電導線材の実施の形態を図１、および図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図４に対応する部材には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図１に本発明の薄膜超電導線材の実施例の模式断面図を示す。この薄膜超電導線材は、基本的には図３と同様に基板１、中間層２、薄膜超電導層３、安定化金属層４，保護金属層５とから構成されている。なお、図１では中間層２，安定化金属層４および保護金属層５の表示を省略し、基板１と分割形の薄膜超電導層３とで超電導線材の断面構造を模式的に示している。

すなわち、基板１の片面上に成膜形成した超電導薄膜層３は、図４と同様に基板１の幅方向に間隙ｄ隔てて並ぶ分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃに三分割されているが、この実施例では各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの幅ａ，ｂ，ｃは等幅ではなく、次記のように "表皮効果"などによる電流分布の比率（３６％，２８％，３６％）に合わせて設定し、具体的には超電導層３の全幅を１００％として、各分割薄膜部の幅ａ，ｂ，ｃがそれぞれ３６％，２８％，３６％に設定されている。したがって各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの臨界電流値は、前記幅ａ，ｂ，ｃの割合に対応してそれぞれ３６％，２８％，３６％となる。

これにより、超電導層全体の臨界電流を１００Ａとして、各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの臨界電流値を図１の実施例と図４の分割パターンと対比して表すと次のようになる。

すなわち、図４の分割パターンでは、各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの臨界電流値はいずれも３３.３Ａであるのに対して、
図１では、各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの幅比率に対応して両端に並ぶ分割薄膜部３ａ，３ｃの臨界電流値は３６Ａ、中央の分割薄膜部３ｂの臨界電流値は２８Ａとなる。

一方、この超電導線材に通電する変動電流（交流）を１００Ａとして、超電導状態での通電を条件に、"表皮効果"などによる電流分布の比率を加味して各分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの電流を比例計算すると次のようになる。

すなわち、図４の分割パターンでは、分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃの電流はそれぞれ３３.３Ａ，２５.９Ａ，３３.３Ａで、その合計電流が９２.５Ａであるのに対して、
図１の分割パターンでは、分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃに通流する電流はそれぞれ３６Ａ，２８Ａ，３６Ａで、その合計電流は１００Ａである。

上記した通電電流の分流比率から判るように、超電導薄膜層３を多芯に分割する以前の薄膜超電導線材（図３）の諸元が同じであっても、超電導薄膜層３を幅方向に分割する際に、その分割パターンを図４のように等分割とするか、図１の実施例のように電流分布に合わせて設定するかによって、超電導線材の電流容量（超電導状態を維持して通流可能な許容電流容量）を従来（図４）の９２.５Ａから１００Ａに高めて超電導線材の電流容量を無駄なく確保することができる。

なお、上記のような、超電導薄膜層３が基板１の幅方向に分割薄膜部３ａ，３ｂ，３ｃに三分割され、電気的に分離して並列化された薄膜超電導線材は、具体的には図１に表示していないが、基板１、中間層２、薄膜超電導層３、安定化金属層４および保護金属層５のうち、例えば薄膜超電導層３と安定化金属層４と保護金属層５とを共に基板１の幅方向に三分割することにより構成することができ、さらに中間層２も含めて三分割するようにしてもよい。

また、図１の図示実施例では、超電導薄膜層３を幅方向に３分割した例を示したが、この分割数はこれに限定されるものではなく、例えば４分割，あるいは５分割する薄膜超電導線材にも同様に実施できる。

また、この薄膜超電導線材をコイルの軸方向に複数ターン巻回し、さらにコイルの半径方向に複数層巻回してコイル化した超電導コイルを、超電導変圧器などの超電導機器に適用することで、超電導機器の交流損失低減，高効率化が図れる。

次に、本発明の異なる実施例を図２に示す。なお、図２は図１と同様に、基板１と超電導薄膜層３との模式図で超電導薄膜層の分割パターンを略示している。すなわち、この実施例においては先記実施例１（図１）における中央の分割薄膜部３ｂを削除して基板１の面上中央部に空白域３ｅを形成し、基板１の左右両端部には図１と同様に"表皮効果"などによる電流分布に合わせて分割幅ａ，ｃを設定した分割薄膜部３ａ，３ｃを形成している。

上記の分割パターンによれば、中央の分割薄膜部３ｂを削除した分だけ図１と比べて超電導線材全体の電流容量は多少減少するものの、通電容量への寄与が低い中央の分割薄膜部３ｂに発生する交流損失を無くすことができ、その結果として超電導線材の交流損失を大幅に低減できる。また、基板上の中央部を空白域３ｅとしたことで、基板１の左右両端に並ぶ分割薄膜部３ａと３ｃとの間の間隙が拡大するので、これにより超電導線材の多芯化（レーザー・スクライブ加工）、コイル化する製造工程で基板上の左右端部に分離形成した分割薄膜部３ａと３ｃと間の不要な電気的接触を防止できる。

なお、この実施例における左右両端の分割薄膜部３ａ，３ｃをさらに分割，多芯化してさらなる交流損失の低減を図ることも可能である。

１：薄膜超電導線材の基板
２：中間層
３：超電導薄膜層
３ａ，３ｂ，３ｃ：分割薄膜部
３ｅ：空白域
４：安定化金属層
５：保護金属層
ａ，ｂ，ｃ：幅
ｄ：分割薄膜部相互間の間隙

Claims (3)

1. 基板面上に成膜形成した超電導薄膜層を基板の幅方向で複数の分割薄膜部に分割して並列化した薄膜超電導線材において、
   前記分割薄膜部の幅を該分割薄膜部に流れる電流分布の比率に合わせて設定したことを特徴とする薄膜超電導線材。
2. 請求項１に記載の薄膜超電導線材において、基板上の中央部を空白域として残し、超電導分割薄膜部を基板の両端部に振り分けて形成配置したことを特徴とする薄膜超電導線材。
3. 請求項１または２に記載の薄膜超電導線材を用い、コイル軸方向に複数ターン巻き回し、かつ、半径方向に1または複数層巻き回してなることを特徴とする超電導コイル。

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