JP2016110816A - 超電導線材の接続構造体および超電導線材の接続構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気抵抗の発生と臨界電流密度Ｊｃの低下を十分に抑制した超電導線材の接続構造体の提供を目的とする。【解決手段】超電導層を有し、前記超電導層の少なくとも一部が互いに対向して配置されたテープ状の一対の超電導線材と、対向して配置された前記超電導層同士を接合する接合層と、を備え、前記接合層が、粒状体が焼結されてなる多孔質の超電導体である、超電導線材の接続構造体。【選択図】図１
Description
本発明は、超電導線材の接続構造体および超電導線材の接続構造体の製造方法に関する。
近年、超電導線材として、Ｂｉ２２１２（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ）、Ｂｉ２２２３（Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ）等のビスマス系超電導線材や、ＲＥ１２３（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ、ＲＥ：希土類元素、例えばイットリウム）等のイットリウム系超電導線材といった、酸化物超電導線材の開発が進められている。酸化物超電導線材としては、テープ状に形成されたものが知られている。
このような超電導線材同士を接続する技術として、超電導層の上に成膜された保護層や安定化層同士を半田接合する方法が知られている。保護層や安定化層同士で接合した場合には、接続部に電気抵抗が生じるため、発熱により臨界電流値Ｉｃの不安定となるといった問題があった。また、接続部に電気抵抗を生じるため、電力貯蔵装置のような永久電流モードを必要とする装置に適用できないという問題があった。
一方で、特許文献１には、超電導層同士を、超電導接合膜を介し接合することでこのような問題を解決する技術が記載されている。この技術では、超電導層同士の間に、超電導体を構成する金属を含む溶液の膜を形成し、加熱処理することにより、超電導接合膜を形成して超電導層同士を接合している。
特許文献１に記載の超電導接合膜は、有機金属塗布熱分解法（Metal Organic Deposition、以下ＭＯＤ法）により形成されている。ＭＯＤ法は、溶液から前駆体を経て結晶化して超電導接合膜を形成する成膜方法であり、異相を析出しやすいことが知られている。一例として超電導体として、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（以下、ＧｄＢＣＯ）を用いた場合には、超電導接合膜に異相であるＧｄ２ＢａＣｕＯ５が析出する。異相は、超電導特性を有さないために、異相が析出すると接続部の臨界電流密度Ｊｃが低下するという問題があった。
本発明は、以上のような実情に鑑みなされたものであり、電気抵抗の発生と臨界電流密度Ｊｃの低下を十分に抑制した超電導線材の接続構造体の提供を目的の一つとする。
上記課題を解決するため、本発明の超電導線材の接続構造体は、超電導層を有し、前記超電導層の少なくとも一部が互いに対向して配置されたテープ状の一対の超電導線材と、対向して配置された前記超電導層同士を接合する接合層と、を備え、前記接合層が、粒状体が焼結されてなる多孔質の超電導体である。
この構成によれば、超電導体の粒状体を焼結することで形成した接合層により、超電導層同士を接合できる。接合層は超電導特性もつため、接続構造体は、接続部において電気抵抗が生ずることを十分に抑制できる。また、接合層は、組成比の整った粒状体を基に形成できるために、異相が析出することがなく、臨界電流密度Ｊｃを高めることができる。
この構成によれば、超電導体の粒状体を焼結することで形成した接合層により、超電導層同士を接合できる。接合層は超電導特性もつため、接続構造体は、接続部において電気抵抗が生ずることを十分に抑制できる。また、接合層は、組成比の整った粒状体を基に形成できるために、異相が析出することがなく、臨界電流密度Ｊｃを高めることができる。
上記の超電導線材の接続構造体は、前記接合層が設けられた接続部を含む超電導線材の外周が金属テープにより覆われていてもよい。
この構成によれば、接続構造体の外周を金属テープで覆うことで、接続部の強度を高めることができる。
この構成によれば、接続構造体の外周を金属テープで覆うことで、接続部の強度を高めることができる。
上記の超電導線材の接続構造体は、前記超電導層と前記接合層との組成が同じであってもよい。
この構成によれば、接合層と超電導層との界面で超電導体の結晶同士を結合させ接合強度を高めることができる。また、同じ組成の超電導体を用いることで、接合層と超電導層との臨界温度を同じとすることができ、接続構造体の温度の制御を複雑に行う必要がない。
この構成によれば、接合層と超電導層との界面で超電導体の結晶同士を結合させ接合強度を高めることができる。また、同じ組成の超電導体を用いることで、接合層と超電導層との臨界温度を同じとすることができ、接続構造体の温度の制御を複雑に行う必要がない。
また、超電導線材の接続構造体に係る製造方法は、超電導層を有する一対の超電導線材を用意し、一対の前記超電導線材の前記超電導層を対向させ、超電導層同士の間に超電導体の粒状体を配置し、前記粒状体を加圧および加熱することで前記粒状体を焼結し、超電導体からなる接合層を形成する。
この構成によれば、超電導層同士の間に粒状体を配置して加圧、加熱することで、超電導層と接合された超電導体からなる接合層を形成できる。また、組成比の整った粒状体を用いることができるため、接合層の超電導体に異相が生じることを抑制できる。
この構成によれば、超電導層同士の間に粒状体を配置して加圧、加熱することで、超電導層と接合された超電導体からなる接合層を形成できる。また、組成比の整った粒状体を用いることができるため、接合層の超電導体に異相が生じることを抑制できる。
上記の超電導線材の接続構造体の製造方法は、前記粒状体を、焼結により分解されるバインダと混合した状態で塗布してもよい。
粒状体とバインダとを混合して超電導層に塗布することで、粒状体が飛散しにくくなり、超電導層同士の間に粒状体を確実に配置して接合層を形成できる。また、バインダは焼結により分解されるため、接合層の超電導特性に悪影響を与えることがない。
粒状体とバインダとを混合して超電導層に塗布することで、粒状体が飛散しにくくなり、超電導層同士の間に粒状体を確実に配置して接合層を形成できる。また、バインダは焼結により分解されるため、接合層の超電導特性に悪影響を与えることがない。
本発明の超電導線材の接続構造体によれば、電気抵抗の発生と臨界電流密度Ｊｃの低下を十分に抑制できる。また、接続構造体は、永久電流モードを必要とする超電導機器に採用できる。
以下、超電導線材の接続構造体の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。また、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本明細書中の各図において、線材の幅方向をＸ方向、長手方向をＹ方向、厚さ方向をＺ方向とする。
本明細書中の各図において、線材の幅方向をＸ方向、長手方向をＹ方向、厚さ方向をＺ方向とする。
＜第１実施形態＞
第１実施形態の超電導線材の接続構造体（以下、接続構造体）３０について説明する。
図１は、接続構造体３０を示す断面模式図である。接続構造体３０は、酸化物超電導層（超電導層）１２を有する一対の酸化物超電導線材（超電導線材）１を接続部５において接続した構造を有する。接続構造体３０は、一対の酸化物超電導線材１と、一対の酸化物超電導線材１の酸化物超電導層１２同士を接合する接合層１４と、を有する。
第１実施形態の超電導線材の接続構造体（以下、接続構造体）３０について説明する。
図１は、接続構造体３０を示す断面模式図である。接続構造体３０は、酸化物超電導層（超電導層）１２を有する一対の酸化物超電導線材（超電導線材）１を接続部５において接続した構造を有する。接続構造体３０は、一対の酸化物超電導線材１と、一対の酸化物超電導線材１の酸化物超電導層１２同士を接合する接合層１４と、を有する。
本実施形態において接続される酸化物超電導線材（超電導線材）１について説明する。
本実施形態では、酸化物超電導線材１として、イットリウム系酸化物超電導線材を例示する。酸化物超電導線材１は、テープ状の基材１０に、中間層１１と酸化物超電導層１２と保護層１３とが、積層された構造を有する。保護層１３は、酸化物超電導線材１の端部１ａ近傍であって、接合層１４が形成される領域には設けられていない。
本実施形態では、酸化物超電導線材１として、イットリウム系酸化物超電導線材を例示する。酸化物超電導線材１は、テープ状の基材１０に、中間層１１と酸化物超電導層１２と保護層１３とが、積層された構造を有する。保護層１３は、酸化物超電導線材１の端部１ａ近傍であって、接合層１４が形成される領域には設けられていない。
基材１０は、酸化物超電導線材１の基材として使用し得るものであれば良く、耐熱性の金属からなるものが好ましい。基材１０は、耐熱性の金属の中でも、合金が好ましく、ニッケル（Ｎｉ）合金又は銅（Ｃｕ）合金がより好ましい。なかでも、市販品であればハステロイ（商品名、ヘインズ社製）が好適であり、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等の何れの種類も使用できる。また、基材１０として、金属結晶の配向をそろえた配向基板を用いても良い。
本実施形態においては、基材１０の形状は、長尺のテープ形状であるが、例えば、シート形状であっても良い。基材１０の厚みは、目的に応じて適宜調整すれば良く、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
本実施形態においては、基材１０の形状は、長尺のテープ形状であるが、例えば、シート形状であっても良い。基材１０の厚みは、目的に応じて適宜調整すれば良く、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
中間層１１は、基材１０の主面上に形成される。中間層１１は、下地層と、配向層およ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。下地層は、拡散防止層およびベッド層の何れか一方又は両方からなる。
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。拡散防止層は、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成され、例えば厚み１０〜４００ｎｍに形成される。
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設けられる。ベッド層は、界面反応性を低減し、その上に形成される膜の配向性を得るため層であり、Ｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等からなり、その厚みは例えば１０〜１００ｎｍである。
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するために設けられる。配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を例示することができる。この配向層はＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法で形成することが好ましい。
キャップ層は、酸化物超電導層１２の結晶配向性を配向層と同等ないしそれ以上に強く制御するために設けられる。キャップ層は、上述の配向層の表面に成膜されて結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなり、具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＬａＭｎＯ３等からなる。キャップ層の膜厚は５０〜５０００ｎｍの範囲に形成できる。
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設けられる。ベッド層は、界面反応性を低減し、その上に形成される膜の配向性を得るため層であり、Ｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等からなり、その厚みは例えば１０〜１００ｎｍである。
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するために設けられる。配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を例示することができる。この配向層はＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法で形成することが好ましい。
キャップ層は、酸化物超電導層１２の結晶配向性を配向層と同等ないしそれ以上に強く制御するために設けられる。キャップ層は、上述の配向層の表面に成膜されて結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなり、具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＬａＭｎＯ３等からなる。キャップ層の膜厚は５０〜５０００ｎｍの範囲に形成できる。
酸化物超電導層１２は酸化物超電導体として公知のもので良く、具体的には、ＲＥ−１２３系と呼ばれるＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（ＲＥは希土類元素であるＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちの１種又は２種以上を表す）を例示できる。この酸化物超電導層１２として、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ）などを例示できる。
酸化物超電導層１２の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
酸化物超電導層１２の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
酸化物超電導層１２は、パルスレーザー蒸着法（Pulsed Laser Deposition、以下ＰＬＤ法）により成膜できる。ＰＬＤ法は、レーザー光をターゲットに照射して叩き出され若しくは蒸発した構成粒子の噴流（プルーム）を中間層１１に向けることで、中間層１１上に酸化物超電導層１２を形成する方法である。
なお、酸化物超電導層１２は、ＰＬＤ法以外に、ＭＯＤ法により成膜しても良い。
なお、酸化物超電導層１２は、ＰＬＤ法以外に、ＭＯＤ法により成膜しても良い。
ＰＬＤ法に用いるターゲットは、以下の工程により製造できる。
まず、製造目的とする酸化物超電導層１２の組成に応じた原料粉末を混合する。原料粉末としては、例えば希土類元素の酸化物粉末、Ｂａの炭酸塩粉末、Ｃｕの酸化物粉末を用いることができる。次に、この原料粉末の混合物を仮焼きし、さらに粉砕して粉砕粉を採取する。次に、粉砕粉とバインダを混合する。バインダとしては、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を用いることができる。次に、例えば円盤状にプレス成形し、焼結してターゲットを得ることができる。
まず、製造目的とする酸化物超電導層１２の組成に応じた原料粉末を混合する。原料粉末としては、例えば希土類元素の酸化物粉末、Ｂａの炭酸塩粉末、Ｃｕの酸化物粉末を用いることができる。次に、この原料粉末の混合物を仮焼きし、さらに粉砕して粉砕粉を採取する。次に、粉砕粉とバインダを混合する。バインダとしては、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を用いることができる。次に、例えば円盤状にプレス成形し、焼結してターゲットを得ることができる。
保護層１３は、酸化物超電導層１２上であって、酸化物超電導線材１の端部１ａ近傍以外の領域に形成されている。保護層１３は、Ａｇ又はＡｇ合金などの良電導性からなり、酸化物超電導層１２との接触抵抗が低くなじみの良い層として形成される。保護層１３は、スパッタ法などの成膜法により積層されて、その厚さは、１〜３０μｍ程度とされる。
酸化物超電導線材１は、全長に亘って酸化物超電導層１２上に保護層１３を形成した後に、端部１ａ近傍の保護層１３を除去して、端部１ａ近傍の酸化物超電導層１２を露出させる。なお、保護層１３の成膜時に端部１ａ近傍をマスキングすることで、端部１ａ近傍に保護層１３を形成しない領域を設けても良い。
酸化物超電導線材１は、全長に亘って酸化物超電導層１２上に保護層１３を形成した後に、端部１ａ近傍の保護層１３を除去して、端部１ａ近傍の酸化物超電導層１２を露出させる。なお、保護層１３の成膜時に端部１ａ近傍をマスキングすることで、端部１ａ近傍に保護層１３を形成しない領域を設けても良い。
接続構造体３０は、接続部５において、一対の酸化物超電導線材１の端部１ａ近傍で露出する酸化物超電導層１２同士が対向して配置されている。対向する酸化物超電導層１２同士は、接合層１４により接合されている。
本実施形態において、一対の酸化物超電導線材１の層構成および各層の厚さ、並びに幅は、同じであるとするが、互いに異なるものであっても良い。
本実施形態において、一対の酸化物超電導線材１の層構成および各層の厚さ、並びに幅は、同じであるとするが、互いに異なるものであっても良い。
接合層１４は、多孔質の超電導体であり、超電導特性を有する。接合層１４を構成する超電導体としては、公知のものであればよいが、酸化物超電導層１２を構成する超電導体と同じイットリウム系の酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（ＲＥは希土類元素））とすることが好ましい。接合層１４の超電導体と酸化物超電導層１２の超電導体を、ともにイットリウム系の酸化物超電導体とすることで、接合層１４と酸化物超電導層１２とは、拡散接合され、接合強度が高くなる。接合層１４と酸化物超電導層１２は、ともにイットリウム系であれば、異なる組成であっても、拡散接合が可能である。
接合層１４の超電導体は、酸化物超電導層１２を構成する酸化物超電導体と同じ組成を有することが、より好ましい。同じ組成の超電導体を用いることで、接合層１４と酸化物超電導層１２との界面で超電導体の結晶同士が結合するため接合強度を高めることができる。また、同じ組成の超電導体を用いることで、接合層１４と酸化物超電導層１２との臨界温度を同じとすることができる。したがって、同温度で超電導特性を発現させることができ、接続構造体３０の温度の制御を複雑に行う必要がない。
また、接合層１４の超電導体は、イットリウム系の酸化物超電導体の他に、ビスマス系の酸化物超電導体、ＭｇＢ２などの超電導体であってもよい。
接合層１４の超電導体は、酸化物超電導層１２を構成する酸化物超電導体と同じ組成を有することが、より好ましい。同じ組成の超電導体を用いることで、接合層１４と酸化物超電導層１２との界面で超電導体の結晶同士が結合するため接合強度を高めることができる。また、同じ組成の超電導体を用いることで、接合層１４と酸化物超電導層１２との臨界温度を同じとすることができる。したがって、同温度で超電導特性を発現させることができ、接続構造体３０の温度の制御を複雑に行う必要がない。
また、接合層１４の超電導体は、イットリウム系の酸化物超電導体の他に、ビスマス系の酸化物超電導体、ＭｇＢ２などの超電導体であってもよい。
接合層１４は、粒状体が焼結されて形成されている。このため、接合層１４の内部には、焼結前の粒状体の粒径に由来する結晶粒が形成されている。接合層１４は、焼結されて形成されているため多孔質となっている。
接続構造体３０の製造方法について説明する。
まず、酸化物超電導線材１を一対用意する。これらの一対の酸化物超電導線材１は、予め端部１ａ近傍において保護層１３が除去され酸化物超電導層１２が露出している。
まず、酸化物超電導線材１を一対用意する。これらの一対の酸化物超電導線材１は、予め端部１ａ近傍において保護層１３が除去され酸化物超電導層１２が露出している。
また、接合層１４を形成するための粒状体を用意する。粒状体としては、酸化物超電導層１２をＰＬＤ法により形成する際に用いた、ターゲットを粉砕して採取した粉末を用いることが好ましい。ターゲットは、原料粉に由来する組成比を有しており、組成比が安定している。ターゲットを粉砕して採取した粉末を用いることで、異相のない接合層１４を形成できる。
また、ターゲットを粉砕した粉末ではなく、ターゲットの製造工程において、原料粉末を仮焼き、粉砕して採取された粉砕粉を粒状体として用いても良い。
さらに、粒状体をバインダと混合して粒状体を含むペーストを得る。粒状体とバインダとを混合しペーストとすることで、粒状体が飛散しにくくなり、取扱いが容易となる。バインダとしては、ターゲットの製造と同様に、ＰＶＢを用いることができる。また、バインダは、エタノールなどの溶媒を適宜添加しペーストの粘度を調整してもよい。
また、ターゲットを粉砕した粉末ではなく、ターゲットの製造工程において、原料粉末を仮焼き、粉砕して採取された粉砕粉を粒状体として用いても良い。
さらに、粒状体をバインダと混合して粒状体を含むペーストを得る。粒状体とバインダとを混合しペーストとすることで、粒状体が飛散しにくくなり、取扱いが容易となる。バインダとしては、ターゲットの製造と同様に、ＰＶＢを用いることができる。また、バインダは、エタノールなどの溶媒を適宜添加しペーストの粘度を調整してもよい。
次に、粒状体を含むペーストを、一方の酸化物超電導線材１の露出する酸化物超電導層１２に塗布する。さらに、他方の酸化物超電導線材１の露出する酸化物超電導層１２を、ペーストが塗布された酸化物超電導層１２に重ね合わせる。これにより、一対の酸化物超電導線材１の酸化物超電導層１２を対向させ、酸化物超電導層１２同士の間に超電導体の粒状体を配置した状態となる。
次に、重ね合わされた一対の酸化物超電導線材１を治具で挟み込み、重ね合わせた部分を加圧し、加圧状態を保持したまま加熱して粒状体を焼結させる。これにより、酸化物超電導層１２同士を接合する接合層１４が形成される。焼結させることにより、ペーストに含まれるバインダは分解されため、接合層１４にバインダの成分は残留しない。したがって、接合層１４は、粒状体の組成をもつ超電導体となる。
なお、焼結を行う前に、一対の酸化物超電導線材を挟み込むように加圧した状態で、焼結温度より低い温度で、加熱しバインダを分解する脱脂工程を行っても良い。
なお、焼結を行う前に、一対の酸化物超電導線材を挟み込むように加圧した状態で、焼結温度より低い温度で、加熱しバインダを分解する脱脂工程を行っても良い。
本実施形態の接続構造体３０によれば、粒状体を焼結することで形成した超電導体からなる接合層１４により、酸化物超電導層同士が接合されている。接続構造体３０の接合層１４は、組成比の整った粒状体を焼結して形成できるために、異相が析出することがなく、接続部５における臨界電流密度Ｊｃの低下を抑制できる。
接続構造体３０は、上述のように電気特性に優れた超電導体を介して接続されているため、接続部５において電気抵抗が生じて発熱することを抑制し、熱による臨界電流値Ｉｃの不安定化を抑制できる。
また、接続構造体３０は、電気抵抗が生じることを十分に抑制しているため、永久電流モードを必要とする超電導機器に採用できる。
接続構造体３０は、上述のように電気特性に優れた超電導体を介して接続されているため、接続部５において電気抵抗が生じて発熱することを抑制し、熱による臨界電流値Ｉｃの不安定化を抑制できる。
また、接続構造体３０は、電気抵抗が生じることを十分に抑制しているため、永久電流モードを必要とする超電導機器に採用できる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態の接続構造体３１について説明する。
図２は、接続構造体３１を示す断面模式図である。第２実施形態の接続構造体３１は、の基本構造は、第１実施形態の接続構造体３０と同様である。接続構造体３１は、短尺の酸化物超電導線材１Ａが一対の酸化物超電導線材１を橋渡しするように配置されている。また、接続構造体３１は、接続部５を含む酸化物超電導線材１の外周が金属テープ１５により覆われている。
なお、上述の第１実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
第２実施形態の接続構造体３１について説明する。
図２は、接続構造体３１を示す断面模式図である。第２実施形態の接続構造体３１は、の基本構造は、第１実施形態の接続構造体３０と同様である。接続構造体３１は、短尺の酸化物超電導線材１Ａが一対の酸化物超電導線材１を橋渡しするように配置されている。また、接続構造体３１は、接続部５を含む酸化物超電導線材１の外周が金属テープ１５により覆われている。
なお、上述の第１実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
接続構造体３１は、一対の酸化物超電導線材１と短尺の酸化物超電導線材１Ａとを有する。一対の酸化物超電導線材１および短尺の酸化物超電導線材１Ａは、端部近傍において保護層１３が除去されている。
接続構造体３１において、一対の酸化物超電導線材１は、各層の積層方向が揃えられて、互いの端部同士が隙間を空けて配置されている。短尺の酸化物超電導線材１Ａは、一対の酸化物超電導線材１と同様の構成を有し、一対の酸化物超電導線材１を橋渡しするように配置されている。酸化物超電導線材１、１Ａの露出する酸化物超電導層１２同士は、互いに対向して配置されて、接合層１４により接合されている。
接続構造体３１において、一対の酸化物超電導線材１は、各層の積層方向が揃えられて、互いの端部同士が隙間を空けて配置されている。短尺の酸化物超電導線材１Ａは、一対の酸化物超電導線材１と同様の構成を有し、一対の酸化物超電導線材１を橋渡しするように配置されている。酸化物超電導線材１、１Ａの露出する酸化物超電導層１２同士は、互いに対向して配置されて、接合層１４により接合されている。
接続構造体３１の酸化物超電導線材１、１Ａの配置は、第１実施形態の接続構造体３０の接続部５を連続して配置したものであると説明できる。このような構造とすることで、接続部分の前後で酸化物超電導線材１の積層方向の逆転がない接続構造体３１を提供することができる。
接続構造体３１は、外周が金属テープ１５により覆われた構造を有する。金属テープ１５は、接続部５を含む酸化物超電導線材１、１Ａの外周に配置されている。金属テープ１５と酸化物超電導線材１、１Ａの外周とは、半田１６により接合されている。
金属テープ１５を構成する金属材料として、良導電性を有するものを用いた場合は、金属テープ１５は、事故時に発生する過電流をバイパスする役割を担う安定化層として機能する。良導電性を有する材料として、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、接続構造体３１を超電導限流器に使用する場合においては、金属テープ１５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を用いる事が良い。
また、接続構造体３１を超電導限流器に使用する場合においては、金属テープ１５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を用いる事が良い。
金属テープ１５の接合工程は、以下の手順により行う。
まず、一対の酸化物超電導線材１と短尺の酸化物超電導線材１Ａとを接合層１４により接合する。次に、接合層１４により接合した酸化物超電導線材１、１Ａを、メッキにより半田１６の層が形成された金属テープ１５の面上に配置する。さらに、金属テープ１５を横断面略Ｃ字型をなすように包み込んで折り曲げ加工し、半田１６を加熱溶融させてロールにより加圧する。以上の工程により、金属テープ１５を酸化物超電導線材１、１Ａの外周に接合できる。
まず、一対の酸化物超電導線材１と短尺の酸化物超電導線材１Ａとを接合層１４により接合する。次に、接合層１４により接合した酸化物超電導線材１、１Ａを、メッキにより半田１６の層が形成された金属テープ１５の面上に配置する。さらに、金属テープ１５を横断面略Ｃ字型をなすように包み込んで折り曲げ加工し、半田１６を加熱溶融させてロールにより加圧する。以上の工程により、金属テープ１５を酸化物超電導線材１、１Ａの外周に接合できる。
第２実施形態の接続構造体３１は、第１実施形態と同様の効果を奏する上に、接続部５を含む酸化物超電導線材１、１Ａの外周に金属テープ１５が接合されていることにより、接続部５を補強して、強度を高めることができる。
以上に、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。
例えば、第１実施形態の接続構造体３０は、接続部５を含む酸化物超電導線材１の外周が、金属テープにより覆われるものであってもよい。
また、上述の製造方法では、成膜した保護層１３を、酸化物超電導線材１の端部１ａ近傍で除去し酸化物超電導層１２を露出させている。保護層１３が成膜されていない酸化物超電導線材１同士を、接合層１４を介し接続し、後工程として保護層１３を成膜しても良い。
また、各実施形態では、酸化物超電導線材１として、酸化物超電導層１２を備えたイットリウム系の超電導線材を用いる場合について説明した。超電導線材の種類は、これに限られるものではなく、図６に示すようなビスマス系の酸化物超電導線材（超電導線材）２００を採用しても良い。酸化物超電導線材２００は、ビスマス系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層２０１をＡｇのシース材２０２で被覆した状態となるようにロール圧延法などにより製造された構造となっている。
酸化物超電導線材２００を接合する場合は、端部近傍のシース材２０２をエッチング等により除去して、酸化物超電導層２０１を露出させた状態で、接合層１４により接合させる。
また、同様に、超電導線材は、ＭｇＢ２からなる超電導層を備えた超電導線材であっても良い。
さらに、接続する超電導線材同士は、異なる種類のものであっても良い。例えば、イットリウム系の酸化物超電導線材１とビスマス系の酸化物超電導線材２００とを接続するものであってもよい。また、イットリウム系の酸化物超電導線材１と、ＭｇＢ２からなる超電導層を備えた超電導線材とを接続するものであってもよい。
酸化物超電導線材２００を接合する場合は、端部近傍のシース材２０２をエッチング等により除去して、酸化物超電導層２０１を露出させた状態で、接合層１４により接合させる。
また、同様に、超電導線材は、ＭｇＢ２からなる超電導層を備えた超電導線材であっても良い。
さらに、接続する超電導線材同士は、異なる種類のものであっても良い。例えば、イットリウム系の酸化物超電導線材１とビスマス系の酸化物超電導線材２００とを接続するものであってもよい。また、イットリウム系の酸化物超電導線材１と、ＭｇＢ２からなる超電導層を備えた超電導線材とを接続するものであってもよい。
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、厚み０．１ｍｍ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Ａｌ２Ｏ３（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Ｙ２Ｏ３（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（ＩＢＡＤ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ＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により２．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（酸化物超電導層）を形成した。次いで酸化物超電導層上にスパッタ法により２μｍ厚のＡｇからなる保護層を形成した。次いで、この試料に対して酸素雰囲気大気圧化で５００℃、１０時間の酸素アニールを行い、２６時間の炉冷却後に取り出した。次いで、基材の裏面側にスパッタ法により１μｍ厚のＡｇを積層した。
以上の工程を経て、酸化物超電導線材を作製した。
＜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、厚み０．１ｍｍ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Ａｌ２Ｏ３（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Ｙ２Ｏ３（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（ＩＢＡＤ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ＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により２．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（酸化物超電導層）を形成した。次いで酸化物超電導層上にスパッタ法により２μｍ厚のＡｇからなる保護層を形成した。次いで、この試料に対して酸素雰囲気大気圧化で５００℃、１０時間の酸素アニールを行い、２６時間の炉冷却後に取り出した。次いで、基材の裏面側にスパッタ法により１μｍ厚のＡｇを積層した。
以上の工程を経て、酸化物超電導線材を作製した。
上述の酸化物超電導線材を３本用意した。それぞれの酸化物超電導線材の長さは、２５ｃｍとした。これらのうち、１本の酸化物超電導線材に関しては両端部からそれぞれ５ｃｍを、残る２本の酸化物超電導線材は、一端から５ｃｍをエッチングして、保護層を除去し、酸化物超電導層を露出させた。エッチングには、アンモニア・過酸化水素混合溶液を用いた。
次に、上述の酸化物超電導層の成膜に用いたターゲットを粉砕して、平均粒径サイズ５μｍのＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（以下、ＧｄＢＣＯ）の粒状体（粉末）を採取した。バインダとしてＰＶＢを用いて、これをエタノールに溶かした溶液１０ｍｌに対して、採取した粒状体を５ｇ添加して、粒状体を含むペーストを作製した。
次に、一端の保護層をエッチングした一対の酸化物超電導線材の露出する酸化物超電導層にペーストを塗布した。さらに、残る酸化物超電導線材を橋渡しするように重ね合わせて、図２に示すように各線材を配置した。
次に、線材と同幅（１０ｍｍ）の溝を設けたアルミナ製のブロックを用意し、溝内に重ね合わせた酸化物超電導線材を収納した。さらに、別途用意した溝幅より若干小さい幅のアルミナ製のブロックで、溝内の酸化物超電導線材の上方に配置し、２．５Ｎ／ｃｍ２の負荷を加えた。負荷を加えた状態で、５００℃、２４時間、大気中の環境で加熱して、脱脂を行い、さらに９５０℃、１６時間、大気中の環境で加熱した。これにより、線材間に挟み込まれた粒状体の焼結がなされて、酸化物超電導体からなる接合層を形成した。
次に、線材と同幅（１０ｍｍ）の溝を設けたアルミナ製のブロックを用意し、溝内に重ね合わせた酸化物超電導線材を収納した。さらに、別途用意した溝幅より若干小さい幅のアルミナ製のブロックで、溝内の酸化物超電導線材の上方に配置し、２．５Ｎ／ｃｍ２の負荷を加えた。負荷を加えた状態で、５００℃、２４時間、大気中の環境で加熱して、脱脂を行い、さらに９５０℃、１６時間、大気中の環境で加熱した。これにより、線材間に挟み込まれた粒状体の焼結がなされて、酸化物超電導体からなる接合層を形成した。
次に、酸素雰囲気大気圧化で５００℃、１０時間の酸素アニールを行い、２６時間の炉冷却後に取り出した。これにより、再度、酸化物超電導層に酸素を供給した。
次いで、２０μｍ厚のＳｎメッキ（半田）が両面に施されたＣｕ製の金属テープの位置面上に接続された３本の酸化物超電導線を配置した。さらに、２９０℃に加熱されたロールを通過させて、酸化物超電導線の外周を包み込むように金属テープを略Ｃ字形に折り曲げた。これにより、接続された３本の酸化物超電導線の外周を金属テープで覆い、接続部を補強した。
以上の工程を経て、図２に示す酸化物超電導線材の接続構造体を作製した。
以上の工程を経て、図２に示す酸化物超電導線材の接続構造体を作製した。
＜評価＞
（臨界電流値Ｉｃ）
上述の接続構造体の接続部において、各線材の酸化物超電導層の間で、超電導特性を持たせた接続ができているかを確認するために、接続部を挟んでＩｃ測定を行った。図４に示すように、接続構造体３１に対し、電源２１、電流計２２、電圧計２３を接続した。電圧計２３の端子間距離は３０ｃｍとした。液体窒素により冷却しながら臨界電流値Ｉｃを測定したところ、臨界電流値Ｉｃは、２６Ａであった。この結果から、接続部において、超電導特性を持たせた接続の実現が確認された。
（臨界電流値Ｉｃ）
上述の接続構造体の接続部において、各線材の酸化物超電導層の間で、超電導特性を持たせた接続ができているかを確認するために、接続部を挟んでＩｃ測定を行った。図４に示すように、接続構造体３１に対し、電源２１、電流計２２、電圧計２３を接続した。電圧計２３の端子間距離は３０ｃｍとした。液体窒素により冷却しながら臨界電流値Ｉｃを測定したところ、臨界電流値Ｉｃは、２６Ａであった。この結果から、接続部において、超電導特性を持たせた接続の実現が確認された。
（機械特性（最小曲げ半径））
次に、金属テープにより補強することによる、機械特性の向上について評価した。
上述の工程で作製した金属テープにより補強したサンプルを２つ用意した（サンプルＮｏ．３、Ｎｏ．４）。また、上述の工程のうち、金属テープで覆い補強する工程を行わなかったサンプルを２つ用意した（サンプルＮｏ．１、Ｎｏ．２）。
これらサンプルに対して、曲げ試験を行った。曲げ試験は、所定の曲率半径を有する曲げ治具に、サンプルを沿わせて曲げて引張応力を印加することで行う。また、曲げ試験前後の臨界電流値Ｉｃを測定し、試験後の臨界電流値Ｉｃが試験前の臨界電流値Ｉｃに対して、９５％以上となる限界の曲げ半径（最小曲げ半径）を測定した。測定結果を表１に示す。
次に、金属テープにより補強することによる、機械特性の向上について評価した。
上述の工程で作製した金属テープにより補強したサンプルを２つ用意した（サンプルＮｏ．３、Ｎｏ．４）。また、上述の工程のうち、金属テープで覆い補強する工程を行わなかったサンプルを２つ用意した（サンプルＮｏ．１、Ｎｏ．２）。
これらサンプルに対して、曲げ試験を行った。曲げ試験は、所定の曲率半径を有する曲げ治具に、サンプルを沿わせて曲げて引張応力を印加することで行う。また、曲げ試験前後の臨界電流値Ｉｃを測定し、試験後の臨界電流値Ｉｃが試験前の臨界電流値Ｉｃに対して、９５％以上となる限界の曲げ半径（最小曲げ半径）を測定した。測定結果を表１に示す。
表１に示すように、金属テープによる補強を行ったサンプルは、最小曲げ半径が比較的小さく、このような補強が効果的であることが確認された。
また、金属テープによる補強を行っていないサンプルも、半径２５ｍｍ以上の範囲であれば、曲げに対して劣化を抑えうることが確認された。
また、金属テープによる補強を行っていないサンプルも、半径２５ｍｍ以上の範囲であれば、曲げに対して劣化を抑えうることが確認された。
１、１Ａ、２００…酸化物超電導線材（超電導線材）、１ａ…端部、５…接続部、１０…基材、１１…中間層、１２、２０１…酸化物超電導層（超電導層）、１３…保護層、１４…接合層、１５…金属テープ、１６…半田、３０、３１…接続構造体（超電導線材の接続構造体）、２０２…シース材
Claims (5)
- 超電導層を有し、前記超電導層の少なくとも一部が互いに対向して配置されたテープ状の一対の超電導線材と、
対向して配置された前記超電導層同士を接合する接合層と、を備え、
前記接合層が、粒状体が焼結されてなる多孔質の超電導体である、超電導線材の接続構造体。 - 前記接合層が設けられた接続部を含む超電導線材の外周が金属テープにより覆われている、請求項１に記載の超電導線材の接続構造体。
- 前記超電導層と前記接合層との組成が同じである請求項１又は２に記載の超電導線材の接続構造体。
- 超電導層を有する一対の超電導線材を用意し、
一対の前記超電導線材の前記超電導層を対向させ、超電導層同士の間に超電導体の粒状体を配置し、前記粒状体を加圧および加熱することで前記粒状体を焼結し、超電導体からなる接合層を形成する、超電導線材の接続構造体の製造方法。 - 前記粒状体を、焼結により分解されるバインダと混合した状態で塗布する、請求項４に記載の超電導線材の接続構造体の製造方法。
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