JP2016186905A - 超電導線材及びそれを用いた超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】過電流による損傷を抑制しつつ、遮蔽電流を減衰させて通電電流の電流密度を高めることができる超電導線材及びそれを用いた超電導コイルを提供する。【解決手段】超電導線材１１は、基板１２上に中間層１３を介して希土類系酸化物の超電導体による超電導層１４が設けられ、該超電導層１４上に保護層１５及び安定化層１６が設けられてテープ状に形成されている。少なくとも前記超電導層１４には長さ方向ｘに延びるスリット１７が形成され、そのスリット１７には導電性材料１８が挿入されている。この導電性材料は、電気抵抗率が１０−４〜１０−６Ωｍの導電性金属であり、融点が５０〜３００℃の低融点金属であることが好ましい。前記スリット１７は、超電導線材１１がその幅Ｄ方向に等間隔に分割されるように形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に希土類系酸化物の超電導体による超電導層を有するテープ状の超電導線材及びその超電導線材をコイル状に巻回して形成された超電導コイルに関する。

近年、超電導コイルは高性能化が重要であるが、テープ状をなす超電導線材においては、コイルの径方向すなわち超電導線材のテープ面に対して垂直方向に磁界が作用し、その磁界の変化を妨げる方向に遮蔽電流が流れる。この遮蔽電流は、コイルの発生磁界分布に影響を与えるとともに、熱損失の発生を引き起こす。また、遮蔽電流のループが大きいと遮蔽電流の減衰時間が長くなり、磁界分布の時間変化にも影響する。従って、このような遮蔽電流を抑制することが、磁界の安定性を果たすために重要である。

この種の超電導線材が、例えば特許文献１に示されている。すなわち、この超電導線材では、その長さ方向に延びるスリット状の溝により超電導線材を細分化して並列導体を形成したものである。このスリット状の溝には電気絶縁材料が充填され、並列導体間が電気的に絶縁分離されている。

特許第４６５７９２１号公報

前述した特許文献１に記載されている従来構成の超電導線材では、スリット状の溝に電気絶縁材料が充填されていることから、スリット状の溝により分割された並列導体間が電気的に絶縁されている。このため、超電導線材に通電電流が流れたとき、スリット状の溝によって細分化された各並列導体には許容される電流値を超えるような過剰な電流が流れる場合がある。そのような過電流が超電導線材のいずれかの並列導体に流れると、その並列導体が過電流によって損傷を受けるおそれがあるという問題があった。

そこで、本発明の目的とするところは、過電流による損傷を抑制しつつ、遮蔽電流を減衰させて通電電流の電流密度を高めることができる超電導線材及びそれを用いた超電導コイルを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の超電導線材は、基板上に中間層を介して希土類系酸化物の超電導体による超電導層を形成し、該超電導層上に保護層を形成したテープ状の超電導線材であって、少なくとも超電導層には長さ方向に延びるスリットを形成するとともに、そのスリットには導電性材料を挿入したことを特徴とする。

前記スリットは、超電導線材がその幅方向に等間隔に分割されるように形成されることが好ましい。
前記スリットは、超電導層及び中間層が分割されるように形成されることが好ましい。

前記導電性材料は、電気抵抗率が１０^−４〜１０^−６Ωｍの導電性金属であることが好ましい。
前記導電性材料は、融点が５０〜３００℃の低融点金属であることが好ましい。

超電導コイルは、前記超電導線材をコイル状に巻回して形成したものである。
前記超電導線材はその保護層上に導電性の安定化層が形成され、超電導線材をコイル状に巻回した状態で内周側の超電導線材の安定化層と外周側の超電導線材の安定化層との間が導通されるように構成されることが好ましい。

本発明の超電導線材によれば、過電流による損傷を抑制しつつ、遮蔽電流を減衰させて通電電流の電流密度を高めることができるという効果を奏する。

（ａ）は実施形態の超電導線材を模式的に示す断面図、（ｂ）は超電導線材の一部を示す平面図。 超電導線材の要部を拡大して示す断面図。 テープ状の超電導線材をコイル状に巻回して得られた超電導コイルとしてのシングルパンケーキコイルを示す斜視図。 シングルパンケーキコイルを上下に積層した状態の超電導コイルを示す斜視図。 （ａ）は超電導線材をスリットで４分割したときの臨界電流に対する通電電流の比と遮蔽磁場との関係を示す図、（ｂ）は超電導線材をスリットで２分割したときの臨界電流に対する通電電流の比と遮蔽磁場との関係を示す図及び（ｃ）は超電導線材をスリットで分割しなかったときの臨界電流に対する通電電流の比と遮蔽磁場との関係を示す図。 超電導線材をスリットで２分割したときの遮蔽磁場（Ｔ）と時間（ｓ）との関係を示すグラフ。 超電導線材をスリットで４分割したときの遮蔽磁場（Ｔ）と時間（ｓ）との関係を示すグラフ。 スリットに導電性材料を装填した場合（実施例９）の超電導線材に通電したときの電流（Ａ）と電圧（ｍＶ）との関係を示すグラフ。 スリットに何も装填しない場合（比較例４）の超電導線材に通電したときの電流（Ａ）と電圧（ｍＶ）との関係を示すグラフ。 超電導線材を３つのスリットにより４分割した場合の各分割体の臨界電流を示すグラフ。 保護層上に安定化層を形成した超電導線材をコイル状に巻回した超電導コイルを示す部分断面図。 実施例１０と比較例５の超電導コイルにおける遮蔽磁場（Ｔ）と時間（ｓ）との関係を示すグラフ。 実施例１０の超電導線材で形成したシングルパンケーキコイルについてのコイル中心磁界（ｍＴ）と時間（秒）との関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、超電導線材１１は、基板１２上に中間層１３を介して超電導層１４が形成され、その超電導層１４上に保護層１５が形成されて、一定幅及び一定厚さを有するテープ状に構成される。さらに、前記保護層１５の外周部には安定化層１６が被覆されることが好ましい。

超電導層１４上に保護層１５や安定化層１６を形成することにより、超電導層１４を保護できるとともに、過電流を超電導層１４から保護層１５や安定化層１６に流すことができる。しかも、超電導線材１１をコイル状に巻回して形成される図３の超電導コイル２０において、隣接する超電導線材１１の保護層１５間や安定化層１６間の導通を図ることができ、クエンチが生じたときの発熱を抑えて超電導線材１１の損傷を抑制できる。

前記基板１２は、ニッケル合金（ハステロイ）、銀、銀合金等の金属により、例えば厚さ５０〜１００μｍ、幅４〜１０ｍｍに形成される。中間層１３は、ガドリニウム・ジルコニウム酸化物（Ｇｄ・Ｚｒ酸化物）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、バリウム・ジルコニウム酸化物（Ｂａ・Ｚｒ酸化物）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の化合物により、例えば厚さ５０〜５００ｎｍ、幅４〜１０ｍｍに形成される。

超電導層１４は、希土類系酸化物超電導体のＣＶＤ法（化学蒸着法）により、例えば厚さ１〜２μｍ、幅４〜１０ｍｍに形成される。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。前記ＲＥは希土類元素を表す。この超電導層１４として具体的には、イットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、ランタン・バリウム・銅酸化物（Ｌａ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）等が挙げられる。

保護層１５は、銀等の金属のスパッタリング等により、例えば厚さ５〜１５μｍ、幅４〜１０ｍｍに形成される。安定化層１６は、銅等の金属のメッキ等により、例えば厚さ約５０μｍに形成される。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、前記超電導線材１１には、中間層１３、超電導層１４及び保護層１５に、長さ方向ｘに延びるスリット１７（分離溝）が例えば超電導線材１１にレーザ光を照射することにより形成される。このスリット１７は、少なくとも超電導層１４に形成され、さらに中間層１３、保護層１５及び安定化層１６の少なくとも一層にも形成される。スリット１７は超電導線材１１の長さ方向の端部まで延びるように形成することが好ましい。なお、スリット１７は、スリッターや刃物等で形成することもできる。

図２に示すように、スリット１７の幅ｄは、２０〜５０μｍであることが好ましい。スリット１７の幅ｄが２０μｍより狭い場合には、幅ｄが狭くなり過ぎてスリット１７による超電導線材１１の分割機能を十分に発揮できず、遮蔽電流の減衰が不十分になる。その一方、幅ｄが５０μｍより広い場合には、幅ｄが広くなり過ぎて超電導線材１１の超電導特性が低下するとともに、超電導線材１１の取扱性が悪くなって好ましくない。

また、前記スリット１７は、超電導線材１１をその幅Ｄ方向に等間隔に分割して同一幅の分割体１１ａ、１１ｂを形成するように設けることが好ましい。例えば、超電導線材１１の幅Ｄ方向の中央位置にスリット１７を形成し、同一幅Ｄ１、Ｄ２の２つの分割体１１ａ、１１ｂを形成する。複数のスリット１７を形成する場合には、同一幅の分割体が形成されるようにスリット１７を設けることが好ましい。スリット１７の数は遮蔽電流の減衰、分割体１１ａ、１１ｂの強度等の観点から１〜３が好ましく、すなわち２〜４の分割体１１ａ、１１ｂが形成されるように設定することが好ましい。

前記スリット１７には導電性材料１８が挿入され、遮蔽電流を減衰させるとともに、スリット１７による分割体１１ａ、１１ｂ間の導通性を図るように構成される。この導電性材料１８としては、例えばビスマス・鉛・スズ・インジウム合金（Ｂｉ５３．５質量％、Ｐｂ１７質量％、Ｓｎ１９質量％及びＩｎ１０．５質量％、融点６０℃、電気抵抗率１×１０^−４Ωｍ）、ビスマス・鉛・スズ合金（Ｂｉ５０質量％、Ｐｂ２８質量％及びＳｎ２２質量％、融点１００℃、電気抵抗率１０^−５Ωｍ）、ビスマス・錫合金（Ｂｉ５８質量％、Ｓｎ４２質量％、融点１３８℃、電気抵抗率１×１０^−５Ωｍ）、共晶ハンダの錫・鉛合金（電気抵抗率１×１０^−６Ωｍ）、銅・ニッケル合金（Ｃｕ６７質量％、Ｎｉ３３質量％、電気抵抗率５×１０^−６Ωｍ）、錫・鉛・銀合金（Ｓｎ６２質量％、Ｐｂ３６質量％、Ａｇ２質量％、融点１７９℃）、錫（融点２３２℃、電気抵抗率５×１０^−７Ωｍ）等が用いられる。なお、スリット１７に挿入された導電性材料１８の接続抵抗は、導電性材料１８の電気抵抗率の１０％程度である。

この導電性材料１８の電気抵抗率は、１０^−４〜１０^−６Ωｍであることが好ましい。この電気抵抗率が１０^−６Ωｍよりも小さい場合には、超電導線材１１にスリット１７を設けて遮蔽電流の減衰を図ることが難しくなる。その一方、電気抵抗率が１０^−４Ωｍより大きい場合には、遮蔽電流を減衰させることはできるが、スリット１７における電気絶縁性が高くなり、分割体１１ａ、１１ｂ間の導通が妨げられ、過電流により超電導線材１１が損傷を受けやすくなって好ましくない。

また、導電性材料１８は、融点が５０〜３００℃の低融点金属であることが好ましく、融点が５０〜２００℃の低融点金属であることがさらに好ましい。この融点が５０℃を下回る場合には、外部環境や通電時に超電導線材１１が温度上昇したときに溶融してスリット１７が狭められ、分割体１１ａ、１１ｂ間が導通するおそれがあって好ましくない。一方、融点が３００℃を上回る場合には、導電性材料１８を溶融してスリット１７に挿入する作業が困難になって好ましくない。

図３に示すように、超電導コイル２０としてのシングルパンケーキコイル２１は、前述したテープ状の超電導線材１１をコイル状（渦巻状）に巻回して形成される。この超電導コイル２０としては、シングルパンケーキコイル２１のほか、ダブルパンケーキコイル、ソレノイドコイルのいずれであってもよい。なお、ダブルパンケーキコイルは、超電導線材１１が巻回されて形成されたコイルが図示しない中間枠を介して上下２段に積層されて形成される。

また、図４に示すように、超電導コイル２０は、例えばシングルパンケーキコイル２１を複数段、例えば１０〜１５段上下に積層して形成される。各シングルパンケーキコイル２１は直列に接続される。この超電導コイル２０において、超電導線材１１の端部には図示しない電極が設けられ、それらの電極から超電導線材１１に通電されるようになっている。

図４の矢印に示すように、超電導コイル２０に通電したときに各シングルパンケーキコイル２１の周りには超電導コイル２０を囲むように磁力線ｍが発生し、超電導コイル２０に磁場が作用する。この磁場はテープ状の超電導線材１１に対して垂直方向に形成され、その磁場に逆らう方向の磁場を生ずるように遮蔽電流が流れる。

次に、本実施形態の超電導線材１１及び超電導コイル２０につき作用を説明する。
図２〜図４に示すように、超電導線材１１にはその幅Ｄ方向の中央位置で長さ方向ｘに延びるスリット１７が形成され、そのスリット１７には導電性材料１８が挿入されている。この超電導線材１１がコイル状に巻回されて超電導コイル２０が形成される。

そして、図４に示すように、超電導コイル２０に通電すると、超電導線材１１には通電電流によって磁場が形成され、その磁場に逆らうように遮蔽電流が流れる。このとき、本実施形態ではスリット１７によって超電導線材１１が分割されていることから、その分割数が多いほど遮蔽電流が減衰し、エネルギー損失（電流損失）が抑制される。

この点を検討するため、シングルパンケーキコイル２１の積層数を変えた超電導コイル２０に通電して遮蔽磁場の変化を有限要素法により解析し、その結果を図５（ａ）〜（ｃ）に示した。図５（ａ）は超電導線材１１をスリット１７で４分割した場合、図５（ｂ）は超電導線材１１をスリット１７で２分割した場合、図５（ｃ）は超電導線材１１にスリット１７を形成しなかった場合を示す。また、各図におけるαはシングルパンケーキコイル２１の積層数が最も多く、β、γと順に積層数が少なくなり、δの積層数が最も少ない。そして、臨界電流に対する通電電流の比（Ｉ／Ｉｃ、負荷率）と遮蔽磁場の強さを、前記有限要素法に従って解析した結果を図５（ａ）〜（ｃ）に示した。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、いずれの場合にも、負荷率の絶対値が大きくなると遮蔽電流が減衰し、遮蔽磁場が小さくなる傾向を示す。さらに、超電導線材１１をスリット１７で４分割した場合が曲線によって囲まれる部分の面積すなわちエネルギー損失が最も少なく、次いで超電導線材１１をスリット１７で２分割した場合にエネルギー損失が大きく、超電導線材１１をスリット１７で分割しなかった場合にエネルギー損失が最も大きくなった。言い換えれば、超電導線材１１の分割数が多いほどエネルギー損失が少なくなる結果が得られた。

また、超電導線材１１にスリット１７を形成し、そのスリット１７に導電性材料１８を装填した場合、遮蔽電流はスリット１７が設けられていない場合に比べて減衰が早くなり、スリット１７に電気絶縁材料を充填した場合と同様の挙動が得られる。

例えば、図６に示すように、超電導コイル２０に通電を開始した後電流のホールド時において、超電導線材１１にスリット１７を形成した場合（後述する実施例１〜４）にはスリット１７を形成しない場合（比較例１）に比べて時間の経過とともに遮蔽磁場を次第に減衰させることができた。

次に、図２に示すように、超電導コイル２０に過電流が流れたとき、各分割体１１ａ、１１ｂ間がスリット１７に挿入された導電性材料１８で導通されていることにより、超電導層１４から保護層１５へ流れた電流が隣接する分割体１１ａ、１１ｂの保護層１５へ流れ込む。そのため、保護層１５の電流密度の上昇が分割体１１ａ、１１ｂ間を電気絶縁材料で絶縁したときに比べて小さくなり、その結果超電導線材１１の温度上昇が抑えられる。従って、超電導線材１１は焼損に到ることが回避される。

以上詳述した実施形態によって得られる効果を以下にまとめて記載する。
（１）この実施形態の超電導線材１１では、少なくとも超電導層１４には長さ方向ｘに延びるスリット１７が形成されるとともに、そのスリット１７には導電性材料１８が挿入されている。この超電導線材１１に生ずる遮蔽電流は、スリット１７によって超電導線材１１が分割されることから減衰するとともに、スリット１７に装填される導電性材料１８の電気抵抗率に応じて減衰する。

さらに、超電導コイル２０に過電流が流れたときには、その過電流をスリット１７内の導電性材料１８を介して分割体１１ａ、１１ｂ間に流すことができ、超電導線材１１の過熱を抑制することができる。

従って、この実施形態の超電導線材１１によれば、過電流による損傷を抑制しつつ、遮蔽電流を減衰させて通電電流の電流密度を高めることができる。
（２）前記スリット１７は、超電導線材１１がその幅Ｄ方向に等間隔に分割されるように形成される。このため、過電流による損傷の抑制効果を高めることができると同時に、遮蔽電流の減衰効果を向上させることができる。

（３）前記スリット１７は、超電導層１４及び中間層１３が分割されるように形成されている。従って、超電導線材１１の基板１２上に中間層１３を介して超電導層１４を形成した後に超電導層１４及び中間層１３にスリット１７を形成し、そのスリット１７により超電導層１４を容易に分割することができる。

（４）前記導電性材料１８は、電気抵抗率が１０^−４〜１０^−６Ωｍの導電性金属である。この場合には、超電導線材１１への通電時に生ずる遮蔽電流を有効に減衰させることができる。

（５）前記導電性材料１８は、融点が５０〜３００℃の低融点金属である。このため、導電性材料１８を溶融させてスリット１７内に挿入する作業を容易かつ速やかに行うことができる。

（６）超電導コイル２０は、前記超電導線材１１をコイル状に巻回して形成したものである。従って、超電導コイル２０は超電導線材１１の前記効果を発揮でき、遮蔽電流の影響を抑制して電力機器の性能を向上させることができる。

（７）前記超電導線材１１はその保護層１５上に導電性の安定化層１６が形成され、超電導線材１１をコイル状に巻回した状態で内周側の超電導線材１１の安定化層１６と外周側の超電導線材１１の安定化層１６との間が導通されるように構成されている。このため、超電導コイル２０の使用時にクエンチが発生したとき、超電導線材１１の発熱を抑えることができ、超電導コイル２０の損傷を回避することができる。

以下に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１〜４及び比較例１、２）
下記に示す超電導線材１１を使用し、常法に従ってシングルパンケーキコイル２１を作製し、そのシングルパンケーキコイル２１を積層して超電導コイル２０を製造した。

（超電導線材１１）
超電導線材１１の基板１２として、ニッケル合金（ハステロイ）により厚さ５０μｍのものを用いた。その基板１２上には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）により厚さ８０ｎｍの中間層１３を形成した。中間層１３上には、イットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）により厚さ１．２μｍの超電導層１４を形成した。超電導層１４上には、銀（Ａｇ）により厚さ８μｍの保護層１５を形成した。この超電導線材１１の幅は４ｍｍとした。

そして、実施例１では、超電導線材１１の幅Ｄ方向の中央位置で超電導線材１１の長さ方向ｘに延びる幅ｄが４０μｍのスリット１７を、中間層１３、超電導層１４及び保護層１５を分割するように形成し、超電導線材１１を均等に２分割した。そのスリット１７には、導電性材料１８としてビスマス・鉛・錫・インジウム合金（Ｂｉ５３．５質量％、Ｐｂ１７質量％、Ｓｎ１９質量％、Ｉｎ１０．５質量％）を装填（充填）した。このビスマス・鉛・錫・インジウム合金の電気抵抗率は、接続抵抗を含めて約１×１０^−４Ωｍであった。

実施例２では、前記実施例１において、導電性材料１８として電気抵抗率が接続抵抗を含めて約１×１０^−５Ωｍのビスマス・錫合金（Ｂｉ５８質量％、Ｓｎ４２質量％）を使用し、そのビスマス・錫合金をスリット１７に装填した。実施例３では、実施例１において、導電性材料１８として電気抵抗率が接続抵抗を含めて約１×１０^−６Ωｍの共晶ハンダの錫・鉛合金を使用し、その錫・鉛合金をスリット１７に装填した。実施例４では、実施例１において、導電性材料１８として電気抵抗率が接続抵抗を含めて約５×１０^−７Ωｍの錫（Ｓｎ）を使用し、その錫をスリット１７に装填した。

一方、比較例１では、前記実施例１において、超電導線材１１にスリット１７を形成しなかった。比較例２では、前記実施例１において、スリット１７を空間として電気的絶縁を図った。

（超電導コイル２０）
前記実施例１〜４及び比較例１、２の超電導線材１１をそれぞれ常法に従ってコイル状に２５０ターン巻回し、内径１００ｍｍのシングルパンケーキコイル２１を作製した。得られたシングルパンケーキコイル２１をその軸線方向に１２段積層して、実施例１、２及び比較例１、２の超電導コイル２０を作製した。

得られた超電導コイル２０に液体窒素中で１１５．８Ａの電流を通電（チャージ）し、その後超電導コイル２０の中心部において磁場強度が３Ｔとなるように電流を保持（ホールド）した。そして、チャージ時及びホールド時における遮蔽磁場（Ｔ）を、高速多重極法を組合せた非線形有限要素法に基づいて解析し、経過時間（ｓ）との関係を図６に示した。

なお、高速多重極法を組合せた非線形有限要素法は、超電導線材部分は有限要素法を用い、超電導線材以外のスリット１７の部分は積分方程式を用いてシミュレーションを行ったものである。

図６に示すように、実施例１では、電流のホールド時において、時間の経過とともに遮蔽磁場（磁界）が次第に減衰するように変化した。実施例２では、電流のホールド時に、時間の経過に伴って実施例１ほどではないが、遮蔽磁場が漸減するように変化した。実施例３では、電流のホールド時に、時間の経過に伴って実施例２ほどではないが、遮蔽磁場が漸減するように変化した。実施例４では、電流のホールド時に、長時間経過すると遮蔽磁場が僅かずつ減衰するように変化した。

一方、比較例１では超電導線材１１にスリット１７を形成しなかったことから、電流のホールド時における遮蔽磁場の変化は緩やかであった。比較例２では超電導線材１１のスリット１７を電気絶縁状態としたことから、チャージ時に遮蔽磁場が大きく増大する変化を示すとともに、電流のホールド時における遮蔽磁場は漸減する変化を示した。

（実施例５〜８及び比較例３）
実施例５〜８及び比較例３では、超電導線材１１の幅Ｄ方向に超電導線材１１の長さ方向ｘに延びる幅ｄが４０μｍの３つのスリット１７を等間隔に設け、超電導線材１１を均等に４分割した。この超電導線材１１を用いて実施例１と同様にして超電導コイル２０を作製した。得られた超電導コイル２０について実施例１と同様にして、チャージ時及びホールド時における遮蔽磁場（Ｔ）を解析し、経過時間（ｓ）との関係を図７に示した。

その結果、図７に示すように、実施例５は実施例１と、実施例６は実施例２と、実施例７は実施例３と、実施例８は実施例４と同様な遮蔽磁場の減衰傾向を示した。但し、実施例５〜７では、遮蔽磁場の減衰の絶対値は、それぞれ実施例１〜３より大きくなった。

（実施例９及び比較例４）
これらの実施例９及び比較例４では、過電流による超電導線材１１の損傷について検討した。

実施例９及び比較例４において、超電導線材１１は前記実施例１と同じ構成の超電導線材１１で、長さ８００ｍｍのものを使用した。この超電導線材１１には、ＹＡＧレーザからのレーザ光により３本のスリット１７を等間隔で形成し、超電導線材１１を４分割にした。実施例９では、超電導線材１１のスリット１７に導電性材料１８としてビスマス・錫合金（Ｂｉ５８質量％、Ｓｎ４２質量％）を装填し、保護層１５の銀に接合させた。一方、比較例４では、超電導線材１１のスリット１７は空間のままとし、電気的に絶縁状態とした。

そして、超電導線材１１を液体窒素中に置き、０．５Ａ／ｓの掃引速度で超電導線材１１に通電したときの電流（Ａ）−電圧（Ｖ）特性を測定した。実施例９の結果を図８に示し、比較例４の結果を図９に示した。なお、図８及び図９において、実線は実施例９及び比較例４を示し、破線はスリット１７を形成する前の状態を示す。

図８に示すように、実施例９では通電電流の増大に伴って電圧が０．５ｍＶ近くまで上昇しても超電導線材１１は焼損することはなかった。その一方、図９に示すように、比較例４では臨界電流を超える通電によって電圧が発生し、その電圧が０．２５ｍＶを超えたときに超電導線材１１が焼損した（図９の×印）。ここで、１μＶ／cmの臨界電流定義によれば、長さ８００ｍｍの超電導線材１１では、０．０８ｍＶの電圧が発生した時点が臨界電流と定義される。

実施例９と比較例４とを比較すれば、比較例４では超電導線材１１のスリット１７を電気絶縁状態にすると超電導線材１１が損傷を受けるのに対し、実施例９では超電導線材１１のスリット１７に導電性材料１８を装填することにより、過電流による超電導線材１１の損傷を抑制することができた。

この点をさらに確認するために、次のような試験を行った。
前記実施例９及び比較例４の超電導線材１１から長さ５０ｍｍの超電導線材１１を切り出し、その超電導線材１１に長さ方向ｘに延びる３つのスリット１７を幅Ｄ方向に等間隔で形成し、超電導線材１１を４分割して分割体１、分割体２、分割体３及び分割体４を作製し、各分割体１〜分割体４の臨界電流を測定した。その結果を図１０に示した。

そして、前記分割体１〜分割体４に通電すると、図１０に示すように、分割体３の臨界電流値が最も低いことから、電流は分割体３に流れた後にその他の分割体１、分割体２及び分割体４に流れる。そして、臨界電流値が最も高い分割体１に流れる電流値がその臨界電流値を超えると、超電導線材１１に過電流が流れて電圧が発生する。

このとき、各分割体１〜４間が導電性材料１８で導通されていると、超電導層１４から保護層１５へ流れた電流は隣接する分割体の保護層１５へ流れることから、保護層１５の電流密度の上昇が分割体間を絶縁したときより小さくなって超電導線材１１の温度上昇が小さくなり、超電導線材１１の焼損が防止されるものと考えられる。その一方、分割体間がスリット１７で絶縁されていると、各分割体に全ての電流が流れ、温度上昇によって分割体が焼損する結果を招くものと考えられる。

（実施例１０及び比較例５）
実施例１０及び比較例５では、超電導線材１１として保護層１５上に安定化層１６を形成した。超電導線材１１は、実施例１の超電導線材１１において超電導層１４の厚さを１μｍとした。実施例１０の超電導線材１１では、実施例１と同様のスリット１７を３本形成し、超電導線材１１を４分割した。各スリット１７に導電性材料１８として電気抵抗率が接続抵抗を含めて約１×１０^−５Ωｍのビスマス・鉛・錫合金（Ｂｉ５０質量％、Ｐｂ２８質量％、Ｓｎ２２質量％）を装填した。

そして、保護層１５上に安定化層１６として銅・ニッケル合金（Ｃｕ６７質量％、Ｎｉ３３質量％）製で厚さ１２．５μｍの箔（電気抵抗率が５×１０^−６Ωｍ）を貼り付け、安定化層１６の端部を導電性材料１８としてのハンダによる接合部２２で接合し、実施例１０の超電導線材１１を得た。すなわち、安定化層１６の端部にスリット１７を形成し、そのスリット１７に接合部２２が形成されている。

一方、比較例５の超電導線材１１では、前記スリット１７を形成しなかった。
図１１に示すように、実施例１０及び比較例５の超電導線材１１をそれぞれコイル状に巻回して超電導コイル２０を作製した。そして、実施例１と同様にして、チャージ時及びホールド時における遮蔽磁場（Ｔ）を解析し、経過時間（ｓ）との関係を図１２に示した。

図１２に示すように、実施例１０では超電導線材１１にスリット１７を形成したことから、電流のホールド時において、超電導線材１１にスリット１７を形成しなかった比較例５に比べて、時間の経過とともに遮蔽磁場が次第に大きく減衰するように変化した。

また、前記実施例１０の超電導線材１１を用い、常法に従って内径１００ｍｍ、巻数２５０回で使用温度が４０Ｋのシングルパンケーキコイル２１を作製した。このシングルパンケーキコイル２１について通電試験を行い、その結果を図１３に示した。図１３において、実線はコイル電圧、破線はコイル電流、一点鎖線はコイル中心磁界を示す。

この図１３に示すように、通電電流量を増大し、コイル電流が臨界電流付近に到るとコイルの中心磁界は増大傾向が鈍化し、さらに電流量を増大すると突然中心磁界が小さくなり、同時にコイル電圧が急上昇した。そして、電流量を臨界電流よりも１００Ａ程度大きくなるまで増大した。

そのシングルパンケーキコイル２１について同様の通電試験を再度実施した。その結果、最初の通電試験結果と同様の結果が得られ、過剰な通電によるシングルパンケーキコイル２１の特性低下は認められなかった。これは、過剰な通電を行ったとき、電流が超電導線材１１の安定化層１６を介して隣接する超電導線材１１の安定化層１６へ流れ込み、超電導線材１１の発熱が抑えられ、シングルパンケーキコイル２１の損傷が防止されたためと考えられる。

なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・前記スリット１７を、超電導線材１１の超電導層１４のみに形成したり、中間層１３、超電導層１４及び保護層１５に形成したり、中間層１３、超電導層１４、保護層１５及び安定化層１６に形成したりしてもよい。

・前記スリット１７は、超電導線材１１の基板１２上に中間層１３及び超電導層１４を成膜した後、超電導層１４及び中間層１３にスリット１７を形成し、超電導層１４上に導電性材料１８としての銀又は銀合金により保護層１５を形成し、その銀又は銀合金が前記スリット１７に流入するように構成してもよい。

・前記超電導線材１１のスリット１７には導電性材料１８が挿入されておればよく、スリット１７全体に満たされていなくてもよい。
・前記超電導コイル２０としてのダブルパンケーキコイル又はソレノイドコイルを形成する超電導線材１１に、実施形態と同様のスリット１７を形成してもよい。

１１…超電導線材、１２…基板、１３…中間層、１４…超電導層、１５…保護層、１６…安定化層、１７…スリット、１８…導電性材料、２０…超電導コイル。

Claims (7)

1. 基板上に中間層を介して希土類系酸化物の超電導体による超電導層を形成し、該超電導層上に保護層を形成したテープ状の超電導線材であって、
   少なくとも超電導層には長さ方向に延びるスリットを形成するとともに、そのスリットには導電性材料を挿入したことを特徴とする超電導線材。
2. 前記スリットは、超電導線材がその幅方向に等間隔に分割されるように形成されている請求項１に記載の超電導線材。
3. 前記スリットは、超電導層及び中間層が分割されるように形成されている請求項１又は請求項２に記載の超電導線材。
4. 前記導電性材料は、電気抵抗率が１０^−４〜１０^−６Ωｍの導電性金属である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導線材。
5. 前記導電性材料は、融点が５０〜３００℃の低融点金属である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超電導線材。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超電導線材をコイル状に巻回して形成したことを特徴とする超電導コイル。
7. 前記超電導線材はその保護層上に導電性の安定化層が形成され、超電導線材をコイル状に巻回した状態で内周側の超電導線材の安定化層と外周側の超電導線材の安定化層との間が導通されるように構成されている請求項６に記載の超電導コイル。