JP2014525117A - 絶縁型高温超伝導ワイヤ及び該超伝導ワイヤの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は絶縁型高温超伝導ワイヤに関する。線材（１）は非絶縁高温超伝導ワイヤから成り、その幅はその厚さの少なくとも１０倍であり、高温超伝導体はマトリックスに収容されているか又は基板上に取り付けられている。その際、両側に非導電性の絶縁層（２，２′）が設けられ、これら両方の絶縁層（２，２′）は、線材（１，１′）に対し張り出した２ｍｍ〜２００ｍｍの値の絶縁体周縁幅を有している。本発明はさらに、絶縁型高温超伝導ワイヤの有利な製造方法にも関する。これによれば非導電性の絶縁層（２，２′）が、非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材（１）の両側に被着されており、有利にはラミネートされている。本発明によれば絶縁型高温超伝導ワイヤは、ブレークダウン（３）及びフラッシオーバ（４）に十分に保護され、敏感な表面は絶縁層（２，２′）により封止され、周縁部及び面での擦れに対し保護され、絶縁層（２，２′）は均質に被覆され、場合によっては軸線方向に加わる力を、力の作用がエッジではなく線材（１）の面全体に伝達されるようにして良好に阻む。

Description

本発明は、絶縁型超伝導ワイヤ及び該超伝導ワイヤの製造方法に関する。

超伝導体とは、臨界温度Ｔ_Cよりも低い温度では測定可能な抵抗をもたない材料のことである。さらに超伝導材料は臨界電流Ｉ_Cも有しており、この電流よりも大きい電流であれば材料は常伝導体となり、この電流よりも小さい電流であれば材料は超伝導体となる。Ｉ_Cは、温度と外部磁界に左右される。

２０Ｋよりも高い臨界温度をもつ材料は、高温超伝導体（ＨＴＳ）と呼ばれる。第２世代の高温超伝導体（２Ｇ ＨＴＳ）はその構造が薄いことから、絶縁に殊に適している。これらの高温超伝導体は、有利にはイットリウム・バリウム・銅酸化物（ＹＢＣＯ）から成る厚さ１〜１０μｍの超伝導層を有しており、この超伝導層が厚さ１０〜２００μｍの導電性基板上に取り付けられる。この導電性基板は例えば、ハステロイＣ２７６として知られるニッケル・クロム・モリブデン合金から成るか、又はニッケル・タングステン合金から成る。Super Power Inc.によればそのインターネットサイトhttp://www.superpowerinc.com/content/2g-hts-wireに、第２世代のＨＴＳ線材の構造が開示されている。

W. SchmidtとH. -P. Kraemerによる２００９年の高温超伝導体の適用事例に関する第４回ブラウンシュバイクセミナーの講演（http://www.tu-braunschweig.de/Medien-DB/iot/8- supraleitende-strombegrenzer-aus-ybco-bandleitern-h-p-kraemer.pdfの講演記録第１２頁を参照）によれば、抵抗型限流器の超伝導コンポーネントにおいて、第２世代の高温超伝導ワイヤが典型的にはフラットなバイファイラー巻きのパンケーキコイルとして配置される。

このようなバイファイラー巻きコイルの絶縁について考える上で、以下の物理的な作用に留意しなければならない：
−コイルの巻線を電流が流れるとローレンツ力が発生し、これは半径方向に対称に作用を及ぼす。その際、コイル構造において軸線方向に不可避の最小の非対称性が発生するが、これは不安定化の作用を及ぼし（互いに逆向きの軸線方向で隣り合う導体における力の作用）、これについては非対称性が大きくなるにつれて力も強まる、ということが成り立つ。
−交流周波数を加えると導体は２倍の周波数で振動し、つまり５０Ｈｚの商用周波数を加えると、導体に１００Ｈｚの振動が発生する。
−窒素槽中でクエンチングすると付加的にガスが発生し、導体に圧力が及ぼされる。液体窒素が蒸発するときに約７００倍の体積のガスが発生し、つまり絶縁体の下に浸入した液体は、クエンチングの際に絶縁体を膨張させ破損させるおそれがある。

バイファイラー巻きコイルの場合、電圧値に適合された実効厚を有する高圧絶縁体が必要とされる。高温超伝導体のための公知の絶縁方法は巻き付け、ラッカー塗装あるいは同時押し出し成形であるが、全体として問題となるのは第２世代の高温超伝導体は鋭いエッジをもつことである。既述の１００Ｈｚの振動に起因して、エッジ領域で薄い絶縁層が鋭いエッジにより擦り剥けて損傷してしまうリスクが生じる。

線材のエッジが鋭く折れ曲がっていることから、ごく薄い絶縁層を用いることによってしか巻き付けを行えない。この場合、オーバラップは避けられず、そのことによって厚さの不規則な導体が出来上がってしまう。この点については一例として、American Superconductor社のデータシートAmperium Wire Insulation (09/2010)を参照されたい（インターネットではhttp://www.amsc.com/products/htswire/InsulatedWire.htmlを参照）。

ラッカー塗装による絶縁も製造が難しい。その理由は、例えば導体の厚さが１００μｍの場合、１００μｍのラッカー層は実現不可能だからである。

高温超伝導体の同時押し出し成形は、WO 01/61712 A1及びWO 03/073439 A1により公知である。

したがって本発明の課題は、従来技術の欠点及び制約を克服することにある。

殊に、第２世代の高温超伝導体の線材のための絶縁体を、十分に厚く滑らかで均質な絶縁層から製造できるようにし、それによって必要な電圧耐性をもたせ、品質管理にあたり取り付け前に亀裂、孔、外部からの混入による欠陥に関して絶縁体の高電圧耐性についてテストできるようにすることにある。そしてこのような絶縁体によって、高温超伝導ワイヤの周縁部（エッジ）がいっそう良好に保護されるようにし、例えばそれが既述の軸線方向のローレンツ力にはじかには晒されないようにすべきである。

この課題は、絶縁型高温超伝導体に関しては請求項１の特徴により解決され、その製造方法に関しては請求項７のステップにより解決される。

本発明によれば、絶縁型高温超伝導ワイヤは、非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材を有しており、この線材の幅はその厚さの少なくとも１０倍であり、高温超伝導体はマトリックスに収容されており、又は基板上に取り付けられており、線材の両側に、非導電性の絶縁層有利にはポリマーシート殊に有利にはポリイミドから成る絶縁層が設けられており、有利にはラミネートされている。

以下では、
Ｂ 絶縁型高温超伝導ワイヤの幅、
Ｄ 絶縁型高温超伝導ワイヤの厚さ、
ｂ 非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材の幅、
ｄ 非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材の厚さ
をそれぞれ表す。

２つの絶縁層は、非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材上に、以下のように取り付けられている。すなわち要求されている高電圧耐性において線材に対して張り出している絶縁体周縁幅（Ｂ−ｂ）が、沿面放電区間を介したフラッシオーバを排除するのに十分であるように、そしてこのようなフラッシオーバを、張り出し部分の接着がガスの発生によって破損しあるいは完全に剥がれてしまうようなことがあっても排除するのに十分であるように、線材上に取り付けられている。

１つの格別有利な実施形態によれば２つの絶縁層は、非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材上に、以下のようにして取り付けられている。すなわち要求された高電圧耐性において、
−隣り合う２つの絶縁層においてブレークダウンないしは絶縁破壊が発生しないよう、それら２つの絶縁層の厚さＤ−ｄが隣り合う２つの線材間で十分であるようにする。
−絶縁層と線材との間の粘着（接着）は、線材も絶縁層もクエンチングによる絶縁剥離によって劣化しないように選定される。
−張り出して二重になっている絶縁体周縁部が上述のローレンツ力をしっかりと抑制できるようにする。

１つの格別有利な実施形態によれば、２つの絶縁層２，２′を合わせた厚さＤ−ｄは、２０μｍ〜２ｍｍの範囲の値をとる。

線材に対し張り出した絶縁体周縁幅Ｂ−ｂは２ｍｍ〜２００ｍｍであり、好もしくは２ｍｍ〜４０ｍｍであり、この幅を線材に関して対称にすることができ、つまり各々の側で同じ幅にしてもよいし、あるいは非対称することもでき、つまり各々の側で異なる幅であってもよい。１つの格別有利な実施形態によれば、線材に対して張り出した絶縁体周縁幅は線材に関して対称であり、サイズ（Ｂ−ｂ）／２は各々の側で１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲の値を有し、好ましくは１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲の値を有する。

さらに本発明による方法は、本発明による絶縁型高温超伝導ワイヤの製造方法にも関する。これによれば非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材の両側に、それぞれ非導電性の絶縁層が取り付けられる。ここで線材の幅は線材の厚さの少なくとも１０倍であり、高温超伝導体がマトリックスに収容されているか又は基板上に取り付けられている。

１つの格別有利な実施形態によれば、線材の一方の側に１つの絶縁層がラミネートされ、又は線材の両側にそれぞれ１つの絶縁層がラミネートされる。１つの有利な実施形態によればこのラミネートは、１００℃〜２５０℃の範囲の反応温度において熱接着剤又は熱封止接着剤により行われ、接着剤はそれぞれ少なくとも１つの絶縁層において線材の側に層として被着される。

本発明による方法は殊に以下の利点ならびに格別な効果を有する。すなわち、
−本発明に従って絶縁された高温超伝導ワイヤは、ブレークダウン及びフラッシオーバに対し十分に保護されている。
−線材の敏感な表面はそれぞれ絶縁層によって封止されており、周縁部分においても面部分においても擦れに対し保護されている。
−ラミネートは均質な被覆となり、したがって場合によっては軸線方向に加わる力を良好に阻むものとなる。
−絶縁体を巻回するのとは異なり、単位面積あたりただ１つの絶縁層だけで十分に高い絶縁を得ることができる。
−巻回する場合とは異なり、本発明の場合には導体を変形してしまうおそれのある機械的な残留応力は発生しない。
−ラミネートは同時押し出し成形よりも手間がかからず、エッジの鋭い薄い線材であっても簡単に被着させることができる。

例えばツイン配置のような特定の適用事例では、絶縁体は一方の方向だけにしか必要ない。したがってこの場合には、線材の両側に被着されるシートが同一でなくてもよく、殊にそれらの材料及び厚さに関して同一でなくてもよい。

１つの特別な形態によれば、絶縁層は線材の上に固着されない。この場合には、両方のシートのうち一方だけが接着剤から成る層によって覆われれば十分である。

本発明によれば、第１世代のかなり厚い非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材も使用することができる。この実施形態の場合、導体のために溝を設けて絶縁層に事前に構造を付与しておくのが有利である。

次に、実施例ならびに図面に基づき本発明について詳しく説明する。

絶縁型高温超伝導体ワイヤの概略図 絶縁型高温超伝導ワイヤの断面図 上下に配置された２つの絶縁型高温超伝導ワイヤを高電圧によるブレークダウンとともに示す断面図 上下に配置された２つの絶縁型高温超伝導ワイヤをフラッシュオーバ発生時の沿面放電区間とともに示す断面図

図１には、絶縁型高温超伝導ワイヤの斜視図が示されている。この図によれば、非絶縁高温超伝導ワイヤから成る１本の線材１の両側に、それぞれ絶縁層２，２′が取り付けられている。ここでは例示のために、これら２つの絶縁層２のうち一方の一部分が線材１から剥がされて描かれている。

ここで用いた線材１は５０〜１５０μｍの厚さであり、超伝導のイットリウム・バリウム・銅酸化物（ＹＢＣＯ）から成る１〜３μｍの薄い層を有している。この層を、ニッケル・クロム・モリブデン合金ハステロイＣ２７６から成る基板上に取り付けた。絶縁層２，２′としてポリマーであるポリイミドを用い、これをポリエステル樹脂のヒートシール接着剤によって被着した。ここではラミネートのための反応温度として、約１３０℃の値を選択した。

図２には、絶縁型高温超伝導ワイヤの断面図が示されている。非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材１の両側には、それぞれシート状の絶縁層２，２′が設けられている。ここでは２つの絶縁層２，２′のうち少なくとも一方の層において線材１と向き合った側が、接着剤から成る層で覆われているが、このことはその層の厚さが僅かであることから図示されていない。

図３には、上下に配置された２つの絶縁型高温超伝導ワイヤが示されている。２つの絶縁層２，２′を合わせた厚さＤ−ｄは、高電圧が加わったときに隣り合う２つの絶縁層２′，２″間で絶縁破壊ないしはブレークダウン３が発生するのを排除できるように選定されている。

図４には、上下に配置された２つの絶縁型高温超伝導ワイヤの断面図が示されている。この場合、線材１に関して各々絶縁層２，２′の両側で張り出している左右対称の周縁幅（Ｂ−ｂ）／２は、それぞれ４ｍｍである。この値は、隣り合う２つの線材１，１′間に長さＢ−ｂの沿面放電区間４が形成されてフラッシオーバが発生してしまうのを排除できるように選定され、しかも、張り出した周縁幅部分の接着がガスの発生によって損なわれるか又は完全に離れてしまったとしても、そのようなフラッシオーバを排除できるように選定される。

Claims (12)

1. 非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材（１）を含み、該線材（１）の幅は該線材（１）の厚さの少なくとも１０倍であり、高温超伝導体がマトリックスに収容されている、又は基板上に取り付けられている、
   絶縁型高温超伝導ワイヤにおいて、
   前記線材（１）の両側にそれぞれ非導電性の絶縁層（２，２′）が設けられており、該２つの絶縁層（２，２′）は、前記線材（１，１′）に対して張り出した絶縁体周縁幅を有し、該絶縁体周縁幅は２ｍｍ〜２００ｍｍの値をとることを特徴とする、
   絶縁型高温超伝導ワイヤ。
2. 前記２つの絶縁層（２，２′）を合わせた厚さは２０μｍ〜２ｍｍである、請求項１記載の絶縁型高温超伝導ワイヤ。
3. 前記２つの絶縁層（２，２′）の少なくとも一方は、前記線材（１）の一方の側にラミネートされている、請求項１又は２記載の絶縁型高温超伝導ワイヤ。
4. 前記２つの絶縁層（２，２′）の少なくとも一方は、前記線材（１）の側で接着剤から成る層により覆われている、請求項３記載の絶縁型高温超伝導ワイヤ。
5. 前記２つの絶縁層（２，２′）の少なくとも一方は少なくとも１つのポリマーから成る、請求項１から４のいずれか１項記載の絶縁型高温超伝導ワイヤ。
6. 前記２つの絶縁層（２，２′）の少なくとも一方はポリイミドから成る、請求項５記載の絶縁型高温超伝導ワイヤ。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の絶縁型高温超伝導ワイヤの製造方法において、
   それぞれ１つの非導電性の絶縁層（２，２′）を、非絶縁高温超伝導ワイヤから成る線材（１）の両側に取り付けるステップを有しており、
   前記線材（１）の幅を前記線材（１）の厚さの少なくとも１０倍とし、
   高温超伝導体をマトリックスに収容し、又は基板上に取り付け、
   前記２つの絶縁層（２，２′）に、前記線材（１，１′）に対して張り出した絶縁体周縁幅を設け、該絶縁体周縁幅を２ｍｍ〜２００ｍｍの値とすることを特徴とする、
   絶縁型高温超伝導ワイヤの製造方法。
8. 前記絶縁層（２，２′）の厚さを、合わせて２０μｍ〜２ｍｍの厚さになるよう選定する、請求項７記載の方法。
9. 前記２つの絶縁層（２，２′）の少なくとも一方を、前記線材（１）の一方の側にラミネートする、請求項７又は８記載の方法。
10. 前記ラミネートを、熱接着剤又は熱封止接着剤により１００℃〜２５０℃の範囲の反応温度で行い、該ラミネートのために、前記少なくとも１つの絶縁層（２，２′）における前記線材（１）の側を、熱接着剤又は熱封止接着剤から成る層で覆う、請求項９記載の方法。
11. 前記絶縁層（２，２′）として、少なくとも１つのポリマーから成るシートを用いる、請求項７から１０のいずれか１項記載の方法。
12. 前記絶縁層（２，２′）としてポリイミドから成るシートを用いる、請求項１１記載の方法。

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