JP2014167887A - 酸化物超電導線材の接続構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】端部において水分の浸入による超電導特性の低下を防ぐ酸化物超電導線材の接続構造体の提供を目的とする。
【解決手段】テープ状の基材と中間層と酸化物超電導層とを備えた酸化物超電導積層体と、少なくとも前記酸化物超電導層を覆う安定化層とからなる一対の酸化物超電導線材の接続構造体であって、端部同士を隣接して対向配置された前記一対の酸化物超電導線材と、前記一対の酸化物超電導線材と同等の積層構造を有し前記一対の酸化物超電導線材の端部間を跨るよう橋渡しして配置された接続用酸化物超電導線材と、前記一対の酸化物超電導線材と前記接続用酸化物超電導線材を接合する導電性接合材と、前記導電性接合材によって接合された部分の一対の酸化物超電導線材及び前記接続用酸化物超電導線材、並びにその長手方向両側部分の一対の酸化物超電導線材の外周を接合層を介して覆う被覆部材と、を有することを特徴とする酸化物超電導線材の接続構造体。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸化物超電導線材の接続構造体及びその製造方法に関する。

近年Ｂｉ系超電導線材Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ（Ｂｉ２２２３）やＲＥ−１２３系超電導線材ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（ＲＥ１２３：ＲＥはＹやＧｄなどを含む希土類元素）といった酸化物超電導線材の開発が進んでいる。これら酸化物超電導線材は、臨界温度が９０〜１００Ｋ程度であり、液体窒素温度以上で超電導性を示すため、実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体あるいは超電導コイル等として使用することが要望されている。

Ｂｉ系の超電導線材は、Ｂｉ系の超電導層をＡｇのシース材で被覆した状態となるようにＰｏｗｄｅｒ Ｉｎ Ｔｕｂｅ法（ＰＩＴ法）などにより製造された構造となっている。一方、ＲＥ−１２３系超電導線材は、テープ状の金属基材上に中間層を介し成膜法により酸化物超電導層を積層し、さらに前記酸化物超電導層上に薄い銀の保護層を形成し、その上に銅などの良導電性金属材料からなる安定化層を設けた構造が採用されている。

ところで、ＲＥ−１２３系酸化物超電導線材は水分と接触すると水分と反応し超電導特性が低下することが知られている。したがって、酸化物超電導線材に水分を付着させることが無いように保管及び使用することが求められる。しかしながら、長期間の使用において室温と低温のヒートサイクルに伴う結露などで水分が付着する虞があるため、酸化物超電導線材の長期的信頼性を確保するためには、酸化物超電導層の全周を何らかの層で保護する構造を採用する必要がある。例えば、金属基材上に中間層と酸化物超電導層を積層したテープ状の酸化物超電導積層体を備え、両縁部を折り曲げた横断面Ｃ型形状の金属テープで前記酸化物超電導積層体を覆い重なり部を半田付けすることで、前記酸化物超電導積層体を外部から遮断した構造が知られている（特許文献１）。

また、ＲＥ−１２３系の酸化物超電導線材を実用機器に応用するために、酸化物超電導線材を接続する技術が要望されている。例えば、特許文献１に記載の酸化物超電導線材の端部近傍の安定化層同士を半田付けすることにより接続構造体を構成することができる。

特開２０１２−１６９２３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の酸化物超電導線材は、線材の横断面外周部が金属テープにより覆われて水分の浸入を防ぐことができるが、端部は酸化物超電導層が露出しており、この酸化物超電導線材同士を接続する接続構造体は、端部からの水分浸入により、超電導特性が劣化する虞があった。

本発明は、以上のような実情に鑑みなされたものであり、各酸化物超電導線材の端部からの水分浸入による超電導特性の低下を防ぐ酸化物超電導線材の接続構造体を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため本発明の酸化物超電導線材の接続構造体は、テープ状の基材と中間層と酸化物超電導層とを備えた酸化物超電導積層体と、少なくとも前記酸化物超電導層を覆う安定化層とからなる一対の酸化物超電導線材の接続構造体であって、端部同士を隣接して対向配置された前記一対の酸化物超電導線材と、テープ状の基材と中間層と酸化物超電導層とを備えた酸化物超電導積層体と、少なくとも酸化物超電導層の主面を覆う安定化層とからなり、前記一対の酸化物超電導線材の端部間を跨るよう橋渡しして配置された接続用酸化物超電導線材と、前記一対の酸化物超電導線材と前記接続用酸化物超電導線材を接合する導電性接合材と、前記導電性接合材によって接合された部分の一対の酸化物超電導線材及び前記接続用酸化物超電導線材、並びにその長手方向両側部分の一対の酸化物超電導線材の外周を接合層を介して覆う被覆部材と、を有することを特徴とする。

本発明の接続構造体は、導電性接合材により接合された部分と、その長手方向両側部分の線材外周を接合層を介して被覆部材により覆っているため、各酸化物超電導線材の端部からの水分浸入を抑制し、超電導特性の低下を抑制できる。
加えて、本発明の接続構造体の被覆部材は、接続用酸化物超電導線材と、接続用酸化物超電導線材に接する部分の全体を覆うように設けられるため、接続構造体の側面に接合層を構成する接合材料がはみ出して形成されることがない。即ち、本発明の接続構造体は、一対の酸化物超電導線材に対し、幅寸法を肥大化させることがなく、接続部をコンパクトに形成することが可能となり、螺旋巻きして超電導ケーブルに加工する場合や、巻回して超電導コイルに加工する場合に、接続部の肥大化による巻き線が不均一となる事を抑制できる。

また、本発明の酸化物超電導線材は、前記接続用酸化物超電導線材の端部から前記被覆部材の端部までの長手方向に沿う長さが５ｍｍ以上であることを特徴とする。

被覆部材の端部は、一対の酸化物超電導線材の外周に沿って形成され、当該外周を接合層を介し覆う。接続用酸化物超電導線材の端部から前記被覆部材の端部までの長手方向に沿う長さが５ｍｍ以上であることにより、被覆部材の端部と一対の酸化物超電導線材の外周とを確実に接合する接合層の長さを十分に確保することができ、接続用酸化物超電導線材端部側への水分浸入を抑制し超電導特性の低下を抑制できる。

また、本発明の酸化物超電導線材は、前記一対の酸化物超電導線材と前記接続用酸化物超電導線材の互いの安定化層同士が対向して配置され、当該安定化層同士が前記導電性接合材を介し電気的かつ機械的に接合されていることを特徴とする。

一対の酸化物超電導線材と接続用酸化物超電導線材の互いの安定化層同士を対向して配置することによって、接続部での電気抵抗が低い接続構造体を構成することができる。加えて接続する一対の酸化物超電導線材同士が同方向に積層されて配置されているため、接続部分で一対の酸化物超電導線材の表裏の逆転がなく、取扱いが容易となる。

本発明の酸化物超電導線材の接続構造体の製造方法は、テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層と少なくとも前記酸化物超電導層を覆う安定化層とを積層してなる一対の酸化物超電導線材と、テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層と少なくとも前記酸化物超電導層の主面を覆う安定化層とを積層してなる接続用酸化物超電導線材を用い、前記一対の酸化物超電導線材の端部同士を隣接して対向配置し、前記端部間を跨るように前記接続用酸化物超電導線材を橋渡しして対向配置するとともに、前記一対の酸化物超電導線材と前記接続用酸化物超電導線材を導電性接合材により接合する工程と、前記接続用酸化物超電導線材とこれに対向する部分の一対の酸化物超電導線材全体を接合層を介し被覆部材により覆う工程と、前記被覆部材の長手方向両端部を前記一対の酸化物超電導線材の外周に沿うように成形し前記接合層を介して一対の酸化物超電導線材の外周を覆う工程と、を有することを特徴とする。

本発明の接続構造体の製造方法は、各酸化物超電導線材の端部を含む全体を被覆部材により覆ったのち、記被覆部材の長手方向両端部を前記一対の酸化物超電導線材の外周に沿うように成形し、接合層を介して一対の酸化物超電導線材の外周を覆うため、当該外周を確実に覆うことが可能となり、接続用酸化物超電導線材の端部側への水分浸入を抑制し、超電導特性の低下を抑制する接続構造体を製造できる。
加えて、本発明の接続構造体の製造方法は、接続用酸化物超電導線材とそれに対向する一対の酸化物超電導線材全体を覆う工程を有するため、一対の酸化物超電導線材に対し幅寸法を肥大化させない接続構造体を製造できる。

本発明の接続構造体の製造方法は、前記接合層が半田からなり、前記被覆部材の長手方向両端部を前記一対の酸化物超電導線材の外周に沿うように成形した後に、前記接合層を加熱し溶融、凝固させて被覆部材と一対の酸化物超電導線材との隙間を閉じる工程を有することを特徴とする。

上記の工程を有することにより、接合層として半田を用いて一対の酸化物超電導線材の外周を確実に覆うことが可能となる。

本発明の接続構造体は、導電性接合材により接合された部分と、その長手方向両側部分の線材外周を接合層を介して被覆部材により覆っているため、各酸化物超電導線材の端部からの水分浸入を抑制し、超電導特性の低下を抑制できる。
加えて、本発明の接続構造体の被覆部材は、接続用酸化物超電導線材と、接続用酸化物超電導線材に接する部分の全体を覆うように設けられるため、接続構造体の側面に接合層を構成する接合材料がはみ出して形成されることがない。即ち、本発明の接続構造体は、一対の酸化物超電導線材に対し、幅寸法を肥大化させることがなく、接続部をコンパクトに形成することが可能となり、螺旋巻きして超電導ケーブルに加工する場合や、巻回して超電導コイルに加工する場合に、接続部の肥大化による巻き線が不均一となる事を抑制できる。

本発明に係る接続構造体に適用される酸化物超電導線材の断面図を示す。 本発明に係る接続構造体の一実施形態を模式的に示す断面図である。 本発明に係る接続構造体の一実施形態を示す模式図であり、図３（ａ）は、接続構造体の側面図を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａでの断面図を示し、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂでの断面図を示す。 本発明に係る接続構造体における被覆部材の被覆手順を示し、図４（ａ）は、一対の酸化物超電導線材と接続用酸化物超電導線材を接続した状態の斜視図であり、図４（ｂ）は、被覆部材を接続用酸化物超電導線材側に配置した状態の斜視図であり、図４（ｃ）は、被覆部材により各酸化物超電導線材の周面を覆った状態の斜視図であり、図４（ｄ）は、接続用酸化物超電導線材の端部を覆う被覆部材を一対の酸化物超電導線材の周面に沿わせた状態の斜視図である。

以下、本発明に係る酸化物超電導線材の接続構造体の一実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（酸化物超電導線材）
図１は、本発明に係る酸化物超電導線材１の端部１ａを示す模式図である。図１を基に、酸化物超電導線材１の各構成要素に関して詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
酸化物超電導線材１は、テープ状の基材１０と中間層１１と酸化物超電導層１２とを備えた酸化物超電導積層体１５と、この酸化物超電導積層体１５の側面及び酸化物超電導層側の主面とを覆う第１及び第２の安定化層１３、１４とからなる。

基材１０は、通常の酸化物超電導線材の基材として使用し得るものであれば良く、可撓性を有する長尺のテープ状であることが好ましい。また、基材１０に用いられる材料は、機械的強度が高く、耐熱性があり、線材に加工することが容易な金属を有しているものが好ましく、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耐熱性金属材料、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材料などが挙げられる。中でも、市販品であれば、ハステロイ（商品名、米国ヘインズ社製）が好適である。このハステロイの種類には、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等が挙げられ、ここではいずれの種類も使用できる。また、基材１０として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材等を適用することもできる。基材１０の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は１０〜５００μｍ、好ましくは２０〜２００μｍである。

中間層１１は、拡散防止層、ベッド層、配向層、及びキャップ層がこの順に積層された構造を適用することができる。
拡散防止層は、この層よりも上面に他の層を形成する際に加熱処理した結果、基材１０や他の層が熱履歴を受ける場合に、基材１０の構成元素の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層１２側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層の具体的な構造としては、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、不純物の混入を防止する効果が比較的高いＡｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、又はＧＺＯ（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）等から構成される単層構造あるいは複層構造が望ましい。

ベッド層は、基材１０と酸化物超電導層１２との界面における構成元素の反応を抑え、この層よりも上面に設ける層の配向性を向上させるために用いられる。ベッド層の具体的な構造としては、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、耐熱性が高いＹ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、などの希土類酸化物から構成される単層構造あるいは複層構造が望ましい。

配向層は、その上に形成されるキャップ層や酸化物超電導層１２の結晶配向性を制御したり、基材１０の構成元素が酸化物超電導層１２へ拡散することを抑制したり、基材１０と酸化物超電導層１２との熱膨張率や格子定数といった物理的特性の差を緩和したりする機能等を有するものである。配向層の材料には、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）等の金属酸化物を用いると、後述するイオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と呼ぶことがある。）において、結晶配向性の高い層が得られ、キャップ層や酸化物超電導層１２の結晶配向性をより良好なものとすることができるため、特に好適である。

キャップ層は、酸化物超電導層１２の結晶配向性を配向層よりも強く制御したり、酸化物超電導層１２を構成する元素の中間層１１への拡散や、酸化物超電導層１２の積層時に使用するガスと中間層１１との反応を抑制したりする機能等を有するものである。キャップ層の材料には、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、ＣｅＯ_２、ＬａＭｎＯ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＹＳＺ、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物が酸化物超電導層１２との格子整合性の観点から好適である。
そのなかでも、中間層１１の配向度よりもさらに配向度の優れた層を得られることから、ＣｅＯ_２、ＬａＭｎＯ_３が特に好適である。
ここで、キャップ層にＣｅＯ_２を用いる場合、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。

酸化物超電導層１２は、超電導状態の時に電流を流す機能を有するものである。酸化物超電導層１２に用いられる材料には、通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、例えば、ＲＥ−１２３系超電導体、Ｂｉ系超電導体などの銅酸化物超電導体などが挙げられる。ＲＥ−１２３系超電導体の組成は、例えば、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_{（７−ｘ）}（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素、ｘは酸素欠損を表す。）が挙げられ、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_{（７−ｘ）}）、Ｇｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_{（７−ｘ）}）が挙げられる。Ｂｉ系超電導体の組成は、例えば、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_ｎ−１Ｃｕ_ｎＯ_{４＋２ｎ＋δ}（ｎはＣｕＯ_２の層数、δは過剰酸素を表す。）が挙げられる。この銅酸化物超電導体は、母物質が絶縁体であるが、酸素を取り込むことで超電導体となり、超電導特性を示す性質を持っている。ここで、本発明に用いられる酸化物超電導層１２の材料は、銅酸化物超電導体であり、以下、特に指定がなければ、酸化物超電導層１２に用いる材料を銅酸化物超電導体とする。

上述の基材１０、中間層１１、酸化物超電導層１２によって、酸化物超電導積層体１５を構成する。図１に示すように、この酸化物超電導積層体１５の酸化物超電導層１２の上面には第１の安定化層１３が形成され、更に当該第１の安定化層１３の上面並びに、酸化物超電導積層体１５の側面及び基材側裏面には、第２の安定化層１４が半田層２４を介し形成され、酸化物超電導線材１が構成されている。

第１の安定化層１３は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、酸化物超電導層１２とこの層よりも上面に設ける層との間で起こる化学反応を抑制し、一方の層の元素の一部が他方の層側に侵入して組成がくずれることにより起こる超電導特性が低下するのを防いだりするなどの機能を有するものである。また、酸化物超電導層１２に酸素を取り込ませやすくするために、加熱時には酸素を透過しやすくさせる機能も有する。このため、第１の安定化層１３には、少なくともＡｇ又はＡｇ合金が用いられる。本実施形態に用いられる第１の安定化層１３の材料はＡｇであり、以下、特に指定がなければ、第１の安定化層１３に用いる材料をＡｇとする。
なお、図１の第１の安定化層１３は、酸化物超電導層１２の上面のみに設けられているが、スパッタ法などの成膜法により第１の安定化層１３を形成した場合、基材１０、中間層１１、酸化物超電導層１２の側面側並びに基材１０の裏面側にＡｇ粒子が回り込んでＡｇの薄い層が形成されることとなり、係る構成を有していても良い。

酸化物超電導線材１の外周に形成されている第２の安定化層１４は、良導電性の金属材料からなり、酸化物超電導層１２が何らかの原因で超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、第１の安定化層１３とともに、酸化物超電導層１２の電流が転流するバイパスとして機能する。第１の安定化層１３はその機能により第２の安定化層１４の一部とみなすことができる。

第２の安定化層１４を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなるものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅製が好ましい。また、酸化物超電導線材１を超電導限流器に使用する場合、第２の安定化層１４は、クエンチが起こり常電導状態に転移した時に発生する過電流を瞬時に抑制するために用いられる。この用途の場合、第２の安定化層１４に用いられる材料は、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金等の高抵抗金属が挙げられる。
第２の安定化層１４の厚さは特に限定されず、適宜調整可能であるが、１０〜３００μｍとすることができる。

第２の安定化層１４の形成方法は特に限定されないが、本実施形態においては、銅などの良導電性材料よりなる金属テープを横断面Ｃ字型をなすように成形し半田層２４を介し酸化物超電導積層体１５の酸化物超電導層１２側の面、側面及び基材１０側裏面の幅方向端部を被覆して形成される。金属テープの被覆に用いる半田層２４を構成する半田は、特に限定されるものではなく従来公知の半田を使用可能である。例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金などのＳｎを主成分とする合金よりなる鉛フリー半田、Ｐｂ−Ｓｎ系合金半田、共晶半田、低温半田などが挙げられ、これらの半田を一種又は二種以上組み合わせて使用することができる。これらの中でも、融点が３００℃以下の半田を用いることが好ましい。これにより、３００℃以下の温度で金属テープと第１の安定化層１３を半田付けすることが可能となるので、半田付けの熱により酸化物超電導層１２の特性が劣化することを抑止できる。

第２の安定化層１４は、基材１０において中間層１１を形成していない側の裏面中央部を除いた酸化物超電導積層体１５の周面を横断面Ｃ字型をなすように覆っている。第２の安定化層１４は、金属テープをロール等でフォーミングし酸化物超電導積層体１５の周囲に被着させ構成することができる。第２の安定化層１４により覆われていない基材１０の裏面側の中央部は半田層２４の埋込部２４ａにより覆われ、埋込部２４ａは第２の安定化層１４の端縁同士が形成する凹部を埋めるように形成されている。

酸化物超電導線材１の外周が、半田層２４を介し金属テープ等からなる第２の安定化層１４及び半田層２４の埋込部２４ａで覆われていることで、酸化物超電導線材１の側面からの水分の浸入を防ぎ、酸化物超電導層１２の劣化を防ぐことができる。
また、上述したように金属テープをフォーミングし酸化物超電導積層体１５の周面を覆うように第２の安定化層１４を形成する他に、酸化物超電導積層体１５の外周全体にめっきを施すことにより第２の安定化層１４とを一体的に形成しても良い。この場合、めっき層の厚さは、１０μｍ以上とすることで、ピンホールのないめっき層を形成することが可能となり、水分の浸入を確実に防ぐことができる。

ここでは上述したように、第２の安定化層１４として金属テープ又はめっき層を形成する酸化物超電導線材１を例示した。しかしながら本発明の酸化物超電導線材はこれに限定されるものではなく、例えば第２の安定化層１４を有さない、即ち第１の安定化層１３のみにより、安定化層としての役割を果たす構成であっても良い。

（接続構造体）
以下、本発明に係る接続構造体の第１実施形態である第１及び第２の酸化物超電導線材４、５を接続用酸化物超電導線材６を介し接続した接続構造体３０について図２に基づいて説明する。
なお、本実施形態の接続構造体３０において接続される、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５並びに接続用酸化物超電導線材６は、図１を基に説明した酸化物超電導線材１と同形態である。
なお、接続用酸化物超電導線材６は、後述する被覆部材２５によって外部から封止された構造となる。したがって、接続用酸化物超電導線材６の第２の安定化層６は当該接続用酸化物超電導線材６の酸化物超電導層１２への水分浸入を防ぐ役割を果たす必要がなく、酸化物超電導層１２の主面上にのみ形成された構成であっても良い。

図２に示すように、接続構造体３０は、第１の酸化物超電導線材４及び第２の酸化物超電導線材５を導電性接合材２２を介し接続用酸化物超電導線材６で接続した構造体である。
第１及び第２の酸化物超電導線材４、５は、基材１０に対し酸化物超電導層１２を形成した側を揃えて、接続しようとする端部４ａ、５ａ同士を隣接して配置されている。また、接続用酸化物超電導線材６と第１及び第２の酸化物超電導線材４、５は、互いの酸化物超電導層１２が形成されている側同士を対向して配置されている。さらに、接続用酸化物超電導線材６は、前記隣接された端部４ａ、５ａを跨るように橋渡ししている。
第１の酸化物超電導線材４の第２の安定化層１４と接続用酸化物超電導線材６の第２の安定化層１４が導電性接合材２２により接合され、前記第２の酸化物超電導線材５の第２の安定化層１４と接続用酸化物超電導線材６の第２の安定化層１４が導電性接合材２２により接合されている。
なお、本実施形態において、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の端部４ａ、５ａ同士は接触して配置されているが、端部４ａ、５ａ同士は離間して配置されていても良い。

接続構造体３０は、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５と接続用酸化物超電導線材６を接続した部分を被覆部材２５により覆う構造を有する。被覆部材２５は、接続用酸化物超電導線材６側から、両端部６ａ、６ａを含む前記接続用酸化物超電導線材６の全長と第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の側面並びに裏面を接合層２３を介し覆っている。

図３（ａ）に接続構造体３０の側面を示す。図３（ａ）に示すように被覆部材２５は本体部２５ｃと周覆部２５ｅとから構成され、各部によって各酸化物超電導線材４、５、６の外周を覆っている。
より具体的には、被覆部材２５の本体部２５ｃは、接続用酸化物超電導線材６並びに第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の外周を覆い、被覆部材２５の長手方向端部２５ａに形成されている周覆部２５ｅは、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の外周部に沿ってこれを囲むように形成され当該外周部を覆っている。また、周覆部２５ｅであって、接続用酸化物超電導線材６の端部６ａ近傍には、接続用酸化物超電導線材６の厚み分の傾斜面を構成し、前記接続用酸化物超電導線材６の端部６ａを覆っている。

図３（ｂ）、図３（ｃ）に図３（ａ）に示すＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿う断面をそれぞれ示す。
図３（ｂ）に示すように被覆部材２５の長手方向端部２５ａにおいて、被覆部材２５の周覆部２５ｅは、第１の酸化物超電導線材４の外周に沿って形成され、接合層２３の端部被覆部２３ｃを介し当該外周を覆っている。したがって、接続用酸化物超電導線材６の端部６ａに水分が浸入することを抑制している。
また、図３（ｃ）に示すように、被覆部材２５の本体部２５ｃは、接合層２３の外周部２３ａを介し第１の酸化物超電導線材４と接続用酸化物超電導線材６の外周を覆っている。

図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、被覆部材２５の縁部２５ｂ、２５ｂ同士は、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の基材１０側裏面において離間し隙間を形成して配置されている。被覆部材２５により覆われていない基材１０の裏面側の中央部は接合層２３の埋込部２３ｄにより覆われ、埋込部２３ｄは被覆部材２５の縁部２５ｂ、２５ｂ同士が形成する凹部を埋めるように形成されている。
なお、本実施形態の接続構造体３０は、被覆部材２５の縁部２５ｂ、２５ｂ同士を基材１０側裏面において隙間を形成して配置し、当該隙間を接合層２３の埋込部２３ｄにより埋め込む構造を有するが、本発明は係る構造に限定されるものではなく、被覆部材２５の縁部２５ｂ、２５ｂ同士を基材１０側裏面において重ね合わせ、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の全周を完全に被覆しても良い。

図２に示すように、接合層２３は、各酸化物超電導線材４、５、６と被覆部材２５との間を完全に満たしていることが好ましい。しかしながら、接合層２３のうち接続用酸化物超電導線材６の端部６ａの近傍であり、被覆部材２５の傾斜面の内部に形成される充填部２３ｂは、接続用酸化物超電導線材６により形成される段差のため、内部に空隙を形成する場合がある。
図２及び図３（ｂ）、（ｃ）を基に説明したように、被覆部材２５の長手方向端部２５ａ、２５ａ並びに縁部２５ｂ、２５ｂは、接合層２３を介し第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の外周に被着しているため、充填部２３ｂの内部に空隙が生じたとしても、係る空隙は孤立して形成され、外部からの水分浸入の経路となる事はない。

図２を基に、接続構造体３０に流れる電流の主な経路と、各部の長さを説明する。
超電導状態において第１の酸化物超電導線材４から第２の酸化物超電導線材５に接続構造体３０を介し流れる電流の主な経路は、まず第１の酸化物超電導線材４において酸化物超電導層１２から第１及び第２の安定化層１３、１４を通過し、第１の酸化物超電導線材４と接続用酸化物超電導線材６とを接合する導電性接合材２２に達する。さらに、接続用酸化物超電導線材６の第２の安定化層１４、第１の安定化層１３を介し同接続用酸化物超電導線材６の酸化物超電導層１２に達する。同様に、接続用酸化物超電導線材６から、導電性接合材２２を介し第２の酸化物超電導線材５に流れる。

導電性接合材２２により接合される領域の長手方向の長さＨ_２２は、１０００ｍｍ以下が望ましく、２００ｍｍ以下であることがより好ましい。
第１の酸化物超電導線材４と接続用酸化物超電導線材６が導電性接合材２２により接合される領域の長手方向の長さＨ_２２を大きくすることで、第１の酸化物超電導線材４から導電性接合材２２を介し接続用酸化物超電導線材６に流れる電流の経路において、電流方向に対する導電性接合材２２の断面積を大きくすることができる。第２の酸化物超電導線材５と接続用酸化物超電導線材６との間でも同様であり、全体として接続構造体３０の接続部分における抵抗値を抑制することができる。したがって、導電性接合材２２により接合される領域の長手方向の長さＨ_２２は、長いほうが接続部分の電気抵抗の観点において好ましく、具体的には、１０ｍｍ以上であることが望ましく、３０ｍｍ以上であることがより好ましい。しかしながら、導電性接合材２２により接合される領域の長手方向の長さＨ_２２が１０００ｍｍを超える場合は、接続部分が長くなりすぎて、接続構造体３０の屈曲性が悪くなる。

周覆部２５ｅの長手方向に沿う長さＬ（図２参照）、即ち、接続用酸化物超電導線材６の端部６ａから、被覆部材２５の長手方向端部２５ａ、２５ａまでの距離は、前記長手方向端部２５ａ、２５ａが前記端部被覆部２３ｃ、２３ｃにより接合されていれば特に限定されるものではないが、作業性を考慮すると５ｍｍ以上であることが望ましい。
被覆部材２５の端部２５ａに構成される周覆部２５ｅは、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の外周に沿って形成され、当該外周を接合層２３を介して覆う。この周覆部２５ｅの長手方向に沿う長さＬが５ｍｍ以上であることにより、周覆部２５ｅと第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の外周に接合する接合層２３の長さを十分に確保することができ、接続用酸化物超電導線材６の端部６ａ側への水分浸入を抑制し超電導特性の低下を抑制できる。

第１及び第２の酸化物超電導線材４、５と接続用酸化物超電導線材６とを接合する導電性接合材２２として半田を使用することができる。導電性接合材２２としての半田を使用する場合は、従来公知の半田を使用可能であるが、加熱時に、第２の安定化層１４を接合する半田層２４（図１参照）の溶融を防ぐために、当該半田層２４の半田より融点が低いものを使用することが望ましい。
また、被覆部材２５を各酸化物超電導線材４、５、６と被着する際に用いる接合層２３は、半田層２４の半田より融点が低いものを用いる事が好ましく、その他にも接着剤等が使用可能である。
なお、本実施形態に用いられる導電性接合材２２並びに接合層２３の材料は半田であり、以下、特に指定がなければ、導電性接合材２２並びに接合層２３に用いる材料を半田であるとする。
被覆部材２５は、Ｃｕ、ステンレス等からなる金属テープを用いる事ができる。特にＣｕは、半田との密着性が良いため、接合層２３として半田を用いる場合は、被覆部材２５としてＣｕ製の金属テープを用いることが望ましい。

本実施形態の接続構造体３０は、各酸化物超電導線材４、５、６の端部４ａ、５ａ、６ａを含む接続部全体が、被覆部材２５により覆われているため、各酸化物超電導線材４、５、６の端部４ａ、５ａ、６ａからの水分浸入を抑制し、超電導特性の低下を抑制できる。
加えて、本実施形態の接続構造体３０は、１枚のテープ状の被覆部材２５により各酸化物超電導線材４、５、６の側面を覆う構造を有するため、接続構造体３０の側面に被覆部材２５の接合部を形成することが無く、接合層２３を構成する半田等の接合材料がはみ出すことがない。即ち、接続構造体３０は、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５に対し、幅寸法が肥大化することがなく、接続部をコンパクトに形成することが可能となり、螺旋巻きして超電導ケーブルに加工する場合や、巻回して超電導コイルに加工する場合に、接続部の肥大化による巻き線が不均一となる事を抑制できる。
さらに、接続する第１及び第２の酸化物超電導線材４、５が積層方向を揃えて配置されているため、接続部分で第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の表裏の逆転がない。

（接続構造体の製造手順）
接続構造体３０を形成する手順の一例について、図２並びに図４を基に説明する。
まず、図２に示すように、第１及び第２の酸化物超電導線材並びに接続用酸化物超電導線材６を配置し導電性接合材２２により接合する。
具体的には、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５を、接続しようとする端部４ａ、５ａ同士を隣接して配置する。このとき、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５は、基材１０、１０に対し酸化物超電導層１２、１２を形成した側を揃えて配置する。次に、隣接された第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の端部４ａ、５ａに跨るように、接続用酸化物超電導線材６を橋渡しする。このとき、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５に対し接続用酸化物超電導線材６は、酸化物超電導層１２が積層される側を対向させて重ね合わせる。さらに、導電性接合材２２により第１の酸化物超電導線材４と接続用酸化物超電導線材６の重ね合わせ部並びに第２の酸化物超電導線材５と接続用酸化物超電導線材６の重ね合わせ部を導電性接合材２２により接合する。

第１及び第２の酸化物超電導線材４、５と接続用酸化物超電導線材６は、基材１０、１０に対し酸化物超電導層１２、１２が積層される側同士を対向させて重ね合わせることが望ましい。このように重ね合わせることで、接続部での電気抵抗が低い接続構造体３０を構成することができる。加えて接続する第１の酸化物超電導線材４と第２の酸化物超電導線材５とが同方向に積層されて配置されているため、接続部分で第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の表裏の逆転がなく、取扱いが容易となる。
このように接合することにより、図４（ａ）に示す状態とする。

次に、図４（ｂ）に示すように接続用酸化物超電導線材６側から、金属テープ２５Ａを被せる。なお、後工程において当該金属テープ２５Ａが各酸化物超電導線材４、５、６を被覆し、被覆部材２５となる。
金属テープ２５Ａの片面上には、Ｓｎめっき等の手法により、Ｓｎ半田からなる接合層２３が形成されている。この接合層２３が形成された面が、各酸化物超電導線材４、５、６と接する面（内側面）となるように金属テープ２５Ａを被せる。なお、接合層２３は、金属テープ２５Ａの両面に形成されていても良い。
更に、矢印Ａ、Ｂに示すように、金属テープ２５Ａの縁部２５ｂ、２５ｂを各酸化物超電導線材４、５、６の外周に巻きつけるように折り曲げて成形し、図４（ｃ）に示す状態とする。これにより、金属テープ２５Ａは、接続用酸化物超電導線材６の基材１０側の裏面と両側面並びに、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の両側面と基材１０側の裏面の幅方向端部近傍を覆うように成形される。即ち、金属テープ２５Ａの縁部２５ｂ、２５ｂ同士は、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の基材１０側裏面において、所定の隙間を形成する。

次に、図４（ｃ）に示す矢印Ｃ、Ｄの方向に金属テープ２５Ａを押し付けるように力を加え金属テープ２５Ａの長手方向端部２５ａを第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の外周に沿わせた形状に成形し周覆部２５ｅ、２５ｅを形成する。
次いで、加熱することで金属テープ２５Ａの内側面に形成された半田からなる接合層２３を溶融させて、金属テープ２５Ａと各酸化物超電導線材４、５、６との間を隙間なく満たす。接合層２３を構成する半田を凝固させた後には、金属テープ２５Ａは、接合層２３を介し各酸化物超電導線材４、５、６を覆った構成となる。
次いで、第１及び第２の酸化物超電導線材４、５の基材１０側裏面において、金属テープ２５Ａ（被覆部材２５）の縁部２５ｂ、２５ｂ同士の隙間を溶融した半田を用いて埋め込み、埋込部２３ｄ（図３（ｂ）、（ｃ）参照）を形成する。
以上の工程を経て、図４（ｄ）に示す接続構造体３０を形成することができる。

以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（試料の作製）
まず、ハステロイＣ−２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ１０００ｍｍのテープ状の基材の表面を平均粒径３μｍのアルミナを使用し研磨した。次に、前記基材の表面をアセトンにより脱脂、洗浄した。
この基材の主面上にスパッタ法によりＡｌ_２Ｏ_３（拡散防止層；膜厚１００ｎｍ）を成膜し、その上に、イオンビームスパッタ法によりＹ_２Ｏ_３（ベッド層；膜厚３０ｎｍ）を成膜した。
次いで、このベッド層上に、イオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）によりＭｇＯ（金属酸化物層；膜厚５〜１０ｎｍ）を形成し、その上にパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により５００ｎｍ厚のＣｅＯ_２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ_２層上にＰＬＤ法により２．０μｍ厚のＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（酸化物超電導層）を形成した。
さらに酸化物超電導層側からスパッタ法により酸化物超電導層上に２μｍ厚のＡｇからなる第１の安定化層を形成し、さらに、５００℃で１０時間、酸素雰囲気中において酸素アニール処理を行い、２６時間の炉冷却後に取り出した。

上述の手順を経て得た線材の外周を半田層を介して金属テープにより被覆し、図１に示す酸化物超電導線材１と同構造の酸化物超電導線材を作製した。
まず、両面に厚さ２μｍのＳｎめっき（融点２３０℃、半田層）が形成された幅２０ｍｍ、厚さ２０μｍ、長さ１０００ｍｍのＣｕからなる金属テープを用意する。この金属テープのＳｎめっきが施された面上に、前記酸化物超電導線材を長手方向を一致させ、しかも第１の安定化層が下になるように載置し、加熱・加圧ロールに通過させて金属テープ上のＳｎを溶融させて半田層を形成し、酸化物超電導線材の第１の安定化層と金属テープを接合させた。
次に、金属テープの幅方向両端側を曲げてコ字型に加工し、さらに金属テープの両端側を基材裏面側に折り曲げて横断面略Ｃ字型をなすよう成形した。
次に、再度、加熱・加圧ロールに通過させて、金属テープ上のＳｎを溶融させて半田層を形成し、酸化物超電導線材の側端部及び基材側の一部を金属テープと接合させた。この加熱・加圧ロールによる加熱・加圧処理により、金属テープ（第２の安定化層）とその内側に設けた酸化物超電導線材との間の隙間をＳｎで埋め、図１の酸化物超電導線材１と同構造の酸化物超電導線材を得た。
上述の手順を経て得た酸化物超電導線材を各実施例及び比較例において３本用意し、うち１本を長さ１００ｍｍに切断し、他２本である一対の酸化物超電導線材を接続する際に用いる接続用酸化物超電導線材とした。

（比較例１）
上述の一対酸化物超電導線材の端部同士を接触して隣接させ、当該端部を跨るように接続用酸化物超電導線材を橋渡しし、各酸化物超電導線材を半田（導電性接合材）により接続し、比較例１の接続構造体を作製した。

（実施例１、２、３）
上述の比較例１の接続構造体に更に被覆部材を被着させた図２に示す接続構造体と同形態の実施例１の接続構造体を作製した。
被覆部材として、両面に厚さ２μｍのＳｎめっき（融点２３０℃、半田層）が形成された幅２０ｍｍ、厚さ２０μｍのＣｕからなるテープを用意した（テープの長さは実施例１〜３でそれぞれ異なる）。この被覆部材を用いて、接続用酸化物超電導線材側から、両端部を含む前記接続用酸化物超電導線材の全長と一対の酸化物超電導線材を覆った（図３（ｃ）の状態）。更に、被覆部材の長手方向両端部を成形することにより周覆部を形成し、加熱することで被覆部材の内側のＳｎめっきを溶融し接合層を形成した。さらに、一対の酸化物超電導線材の幅方向端部同士の隙間に半田を供給し、凹部を埋め、図３（ｂ）、（ｃ）における接合層の埋込部２３ｄを形成した。以上の工程を経ることにより実施例１〜３の接続構造体（図２及び図３（ｄ）の接続構造体３０）を作製した。
実施例１〜３は、それぞれ被覆部材としてのテープの長さが異なる。これによって、被覆部材の周覆部の長さ（図２の接続構造体３０における長さＬ）が異なる。実施例１の接続構造体は、長さＬ＝５ｍｍ、実施例２の接続構造体は、長さＬ＝１０ｍｍ、実施例３の接続構造体は、長さＬ＝１５ｍｍである。

（プレッシャークッカー試験）
比較例１並びに実施例１〜３に対し、高温（１２１℃）・高湿（１００％）・高圧力（２気圧）下に２４時間〜１００時間放置するプレッシャークッカー試験を行い、その前後での臨界電流値及び接続抵抗値の比を測定した。放置前の臨界電流値（Ｉｃ_０）に対する放置後の臨界電流値（Ｉｃ）の比をＩｃ／Ｉｃ_０として、表１に測定結果を示す。
なお、各実施例及び比較例は２個のサンプルを用意し測定を行い、各サンプルの平均値をとった。
このような過酷な試験条件において、Ｉｃ／Ｉｃ_０≧０．９５であれば、実使用において殆ど劣化は起こらないものと考えられる。

表１において、Ｉｃ／Ｉｃ_０が１．０を超えるものは、測定の誤差に起因するものであると考えらえる。
実施例１〜３においては、Ｉｃ／Ｉｃ_０≧０．９５であり１００時間のプレッシャークッカー試験により、臨界電流値の低下はみられなかった。一方比較例１においては、プレッシャークッカー試験を２４時間行った時点での測定結果において臨界電流値が著しく劣化している。
これらの結果から５ｍｍ以上の周覆部を構成して被覆部材を設けることにより、各接続構造体に水分が浸入することを抑制でき、超電導特性の低下を抑制することができることを確認した。

１…酸化物超電導線材、１ａ、４ａ、５ａ、６ａ…端部、４…第１の酸化物超電導線材、５…第２の酸化物超電導線材、６…接続用酸化物超電導線材、１０…基材、１１…中間層、１２…酸化物超電導層、１３…第１の安定化層、１４…第２の安定化層、１５…酸化物超電導積層体、２２…導電性接合材、２３…接合層、２４…半田層、２５…被覆部材、２５Ａ…金属テープ、２５ａ…長手方向端部、２５ｂ…縁部、２５ｃ…本体部、２５ｅ…周覆部、３０…接続構造体、Ｈ_２２…長さ、Ｌ…長さ

Claims (5)

1. テープ状の基材と中間層と酸化物超電導層とを備えた酸化物超電導積層体と、
   少なくとも前記酸化物超電導層を覆う安定化層とからなる一対の酸化物超電導線材の接続構造体であって、
   端部同士を隣接して対向配置された前記一対の酸化物超電導線材と、
   テープ状の基材と中間層と酸化物超電導層とを備えた酸化物超電導積層体と、少なくとも酸化物超電導層の主面を覆う安定化層とからなり、前記一対の酸化物超電導線材の端部間を跨るよう橋渡しして配置された接続用酸化物超電導線材と、
   前記一対の酸化物超電導線材と前記接続用酸化物超電導線材を接合する導電性接合材と、
   前記導電性接合材によって接合された部分の一対の酸化物超電導線材及び前記接続用酸化物超電導線材、並びにその長手方向両側部分の一対の酸化物超電導線材の外周を接合層を介して覆う被覆部材と、を有することを特徴とする酸化物超電導線材の接続構造体。
2. 前記接続用酸化物超電導線材の端部から前記被覆部材の端部までの長手方向に沿う長さが５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材の接続構造体。
3. 前記一対の酸化物超電導線材と前記接続用酸化物超電導線材の互いの安定化層同士が対向して配置され、当該安定化層同士が前記導電性接合材を介し電気的かつ機械的に接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸化物超電導線材の接続構造体。
4. テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層と少なくとも前記酸化物超電導層を覆う安定化層とを積層してなる一対の酸化物超電導線材と、テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層と少なくとも前記酸化物超電導層の主面を覆う安定化層とを積層してなる接続用酸化物超電導線材を用い、
   前記一対の酸化物超電導線材の端部同士を隣接して対向配置し、前記端部間を跨るように前記接続用酸化物超電導線材を橋渡しして対向配置するとともに、前記一対の酸化物超電導線材と前記接続用酸化物超電導線材を導電性接合材により接合する工程と、
   前記接続用酸化物超電導線材とこれに対向する部分の一対の酸化物超電導線材全体を接合層を介し被覆部材により覆う工程と、
   前記被覆部材の長手方向両端部を前記一対の酸化物超電導線材の外周に沿うように成形し前記接合層を介して一対の酸化物超電導線材の外周を覆う工程と、を有することを特徴とする酸化物超電導線材の接続構造体の製造方法。
5. 前記接合層が半田からなり、
   前記被覆部材の長手方向両端部を前記一対の酸化物超電導線材の外周に沿うように成形した後に、前記接合層を加熱し溶融、凝固させて被覆部材と一対の酸化物超電導線材との隙間を閉じる工程を有することを特徴とする請求項４に記載の酸化物超電導線材の接続構造体の製造方法。

Images