JP2016201328A - 超電導線材の接続構造および超電導線材の接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することができる超電導線材の接続構造を提供する。【解決手段】基板１０と、中間層１１と、超電導層１２とが積層形成されてなる２本の超電導線材１を接続するための超電導線材１の接続構造において、２本の超電導線材１の少なくとも一方に外部に通じる溝２１を形成した。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導線材の接続構造および超電導線材の接続方法に関する。

従来から、液体窒素の温度で超電導性を有する高温超電導体を利用した高温超電導線材の開発が行われている。
このような高温超電導線材を用いて超電導機器用の超電導ケーブルや超電導コイルなどを作製する場合、長尺の超電導線材が必要とされるため、複数の超電導線材を順次接続することにより長尺化を図るようにしている。また、超電導線材を、例えば、ＭＲＩやＮＭＲに用いられるコイルに応用するには、永久電流モードで通電するので超電導線材の端を接続してループにする必要がある。

このような超電導線材を接続する技術として、従来、例えば、超電導薄膜の接合箇所に、超電導薄膜を構成する金属を含む溶液の膜を形成し、形成された溶液の膜を加熱処理することにより、接合箇所に超電導接合を形成して高温超電導薄膜線材を接続する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２３５６９９号公報

しかしながら、前記従来の技術においては、超電導薄膜線材の超電導層同士を向い合せて接続する際に、超電導層面を接合した状態で、仮焼成あるいは本焼成を行うため、高温での焼成により接続処理を行うため、酸素抜けが生じ、超電導特性が低下するおそれがあり、しかも、仮焼成の場合、有機溶媒の除去も適正に行うことができないという問題を有している。
また、焼成後に酸素アニール処理を行うが、超電導層に対して適切な量の酸素供給をすることができず、超電導薄膜線材を接続した後の超電導特性を確保することができないという問題を有している。
本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することができる超電導線材の接続構造および超電導線材の接続方法を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明は、基板と、中間層と、超電導層とが積層形成されてなる２本の超電導線材を接続するための超電導線材の接続構造において、前記２本の超電導線材の少なくとも一方に外部に通じる溝を形成したことを特徴とする。
この構成によれば、超電導線材の少なくとも一方に外部に通じる溝を形成することにより、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することが可能となる。

また、本発明は、前記構成において、前記２本の超電導線材は、前記超電導層同士を接合して接続されるものであり、前記溝は、少なくとも一方の前記超電導層に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、少なくとも一方の超電導層に溝を形成することにより、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材の超電導層同士を接続することができる。

また、本発明は、前記構成において、前記超電導層の表面に、接続用超電導層を形成し、前記２本の超電導線材は、前記接続用超電導層同士を接合して接続されるものであり、前記溝は、少なくとも一方の前記接続用超電導層および前記超電導層に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、少なくとも一方の接続用超電導層および超電導層に溝を形成することにより、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材の接続用超電導層同士を接続することができる。

また、本発明は、基板と、中間層と、超電導層とが積層形成されてなる２本の超電導線材を接続するための超電導線材の接続構造において、基板と、中間層と、超電導層とが積層形成されてなる接続用線材を設け、前記２本の超電導線材は、前記接続用線材を介して接続されており、前記２本の超電導線材または前記接続用線材の少なくとも一方に外部に通じる溝を形成したことを特徴とする。
この構成によれば、２本の超電導線材を、接続用線材を介して接続するようにしているので、２本の超電導線材または接続用線材の少なくとも一方に形成した溝により、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することができる。

また、本発明は、前記溝は、前記超電導層に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、超電導層に溝を形成することにより、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材の接続用超電導層同士を接続することができる。

また、本発明は、前記構成において、前記溝は、複数形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、溝を複数形成することにより、熱処理により拡散した酸素をより多く供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することができる。

また、本発明は、前記構成において、前記複数の溝の端から端の間隔は、１００μｍ〜１０００μｍの範囲で形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、溝の端から端の間隔を１００μｍ〜１０００μｍの範囲で形成しているので、超電導特性を低下させることがない。

また、本発明は、前記構成において、前記溝は、前記超電導線材の長手方向に沿って形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、超電導線材の長手方向に形成した溝により、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することができる。

また、本発明は、前記構成において、前記溝は、前記超電導線材の幅方向に沿って形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、超電導線材の幅方向に形成した溝により、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することができる。

また、本発明は、前記構成において、前記溝は、空隙あるいは超電導材料以外の充填物で充填されていることを特徴とする。
この構成によれば、溝に空隙あるいは超電導材料以外の充填物で充填することにより、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することができる。

また、本発明は、前記構成において、前記超電導材料以外の充填物は、Ａｇ、ポリイミド、シアノアクリレート系接着剤、パラフィン、フッ素系樹脂、グリース、シリコーンオイルのうち少なくとも１つであることを特徴とする
この構成によれば、超電導材料以外の充填物により、超電導特性を劣化させることなく、機械強度も強い超電導線材を接続することができる。

また、本発明は、基板と、中間層と、超電導層とが積層形成されてなる２本の超電導線材を接続するための超電導線材の接続方法において、前記２本の超電導線材の少なくとも一方に外部に通じる溝を形成する溝形成処理と、前記２本の超電導線材を接合した状態で焼成する焼成処理と、前記焼成処理後の前記超電導線材を酸素アニールする酸素アニール処理と、を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、超電導線材の少なくとも一方に外部に通じる溝を形成することにより、焼成処理の際に、溝により溶剤を適正に拡散することができ、酸素アニール処理の際に、酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することが可能となる。

本発明によれば、溝により、熱処理の際に溶剤を赤誠に拡散させることができるとともに、この熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導特性を劣化させることなく、超電導線材を接続することが可能となる。

本発明に係る超電導線材の接続構造の第１実施形態を示す概略斜視図である。 超電導線材の接続方法における接続用超電導層の形成処理を示す断面図である。 超電導線材の接続方法における溝形成処理を示す断面図である。 超電導線材の接続方法における本焼成処理を示す断面図である。 溝間隔を変化させた場合の超電導線材のＩｃ特性を測定した結果を示すグラフである。 第１実施形態の変形例を示す断面図である。 第１実施形態の変形例を示す断面図である。 第１実施形態の変形例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態における溝形成処理を示す断面図である。 第２実施形態における本焼成処理を示す断面図である。 本発明の第３実施形態を示す断面図である。 第３の変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る超電導線材の接続構造の第１実施形態を示す概略斜視図である。
図１に示すように、超電導線材１は、基板１０と、中間層１１と、超電導層１２と、保護層１３と、安定化層１４とから構成されている。

基板１０は、テープ状に形成されており、この基板１０としては、例えば、低磁性の無配向金属基板や無配向セラミックス基板が用いられる。
金属の基板１０の材料としては、例えば、強度および耐熱性に優れた、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｒなどの金属またはこれらの合金が用いられる。特に好ましいのは、耐食性および耐熱性の点で優れているステンレス、ハステロイ（登録商標）、その他のニッケル系合金である。また、これら各種金属材料上に各種セラミックスを配してもよい。また、セラミックスの基板１０の材料としては、例えば、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３またはイットリウム安定化ジルコニアなどが用いられる。

中間層１１は、超電導層１２の下地となる層であり、超電導層１２において高い２軸配向性を実現するために基板１０上に形成される層である。この中間層１１は、例えば、熱膨張率や格子定数などの物理的な特性値が基板１０と超電導層１２を構成する超電導体との中間的な値を示すものが用いられる。また、中間層１１は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。

超電導層１２は、中間層１１の表面に形成され、超電導体を主体としている。超電導体としては、例えば、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−λで表されるＲＥ系超電導体が用いられる。ＲＥ系超電導体中のＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂやＬｕなどの単一の希土類元素または複数の希土類元素である。
さらに、保護層１３としては、例えば、Ａｇなどが用いられ、安定化層１４としては、例えば、Ｃｕなどが用いられる。

そして、本実施形態においては、超電導線材１の接続部は、超電導層１２が露出するように構成されており、超電導層１２の表面には、接続用超電導層２０が形成されている。
また、超電導層１２および接続用超電導層２０には、超電導線材１の長手方向に延在する複数の溝２１，２１…が形成されている。この溝２１は、少なくとも超電導層１２に達する深さに形成されるとともに、超電導層１２の一部を残す深さに形成されている。

そして、２本の超電導線材１をそれぞれの接続用超電導層２０が互いに接するとともに、各溝２１が互いに対向するように接合して、各超電導線材１を接続するように構成されている。
この状態で、溝２１は外部に連通するように構成されており、これにより、溝２１を介して、超電導層１２および接続用超電導層２０からの溶剤の拡散および酸素の供給を行う通路を確保することができるように構成されている。

次に、本発明に係る超電導線材１の接続方法について説明する。

（接続用超電導層の形成処理）
図２は、接続用超電導層２０の形成処理を示す断面図である。
まず、超電導線材１の接続部について、接続に必要な長さだけ超電導層１２を露出させる。
そして、接続する２本の超電導線材１の超電導層１２を構成する金属を含む原料溶液を作製する。
次に、２本の超電導線材１の超電導層１２の表面に、原料溶液をＭＯＤ法により塗布する。塗布は、超電導層１２の全面にわたって塗布するものであり、その長さや厚みは、特に限定されず、適宜設定することができる。なお、本実施形態においては、ＭＯＤ法により原料溶液を塗布するようにしているが、これに限定されるものではない。

次に、超電導層１２に原料溶液を塗布した後、仮焼成して、有機溶剤を飛散させることで、図２に示すように、接続用超電導層２０を形成する。仮焼成は、例えば、５００℃に加熱処理することで行われるものであり、この仮焼成により、原料溶液の金属錯体の分解が行われる。
このように仮焼成を行うことにより、超電導層１２の表面に接続用超電導層２０が形成される。

（溝の形成処理）
図３は、溝２１の形成処理を示す断面図である。
図３に示すように、接続用超電導層２０および超電導層１２をレーザを用いて所定の幅、所定の深さおよび所定の間隔で複数の溝２１を形成する。
この溝２１の幅寸法および間隔は、必要に応じて種々設定可能であるが、例えば、幅１０μｍ、間隔５００μｍで形成する。また、溝２１の深さは、少なくとも超電導層１２に達する深さに形成する。

また、溝２１の形成方向は、超電導線材１の長さ方向、幅方向、斜め方向などいずれの方向に形成するようにしてもよいし、溝２１の形状は、直線状でもよいし、曲線状でもよい。
一般に、超電導線材１の通電特性を高めるため、超電導層１２の結晶は、通電方向に揃えて形成されている。そのため、超電導層１２の通電方向である長さ方向に直交する方向に溝２１を形成すると、通電特性が低下してしまうおそれがある。そのため、溝２１は、超電導線材１の長さ方向に沿って形成することが好ましい。

ここで、図４は溝２１と溝２１の間隔を変えて、全面に溝２１を形成した超電導線材１および溝を形成しない超電導線材のＩｃ特性をそれぞれ測定した結果を示すグラフである。
図４において、横軸は、溝２１の間隔を示し、縦軸は、もとの超電導線材１のＩｃ特性値（Ｉ０）と溝２１形成後の超電導線材１のＩｃ特性値（Ｉ）との比を示している。
すなわち、Ｉ／Ｉ０の比が１であれば、もとの超電導線材１の特性値と溝２１形成後の超電導線材１の特性値は同様であることを示し、比が１より低い場合は、もとの超電導線材１の特性値に対して溝２１形成後の超電導線材１の特性値が低くなっていることを示している。

この実験結果によれば、溝２１の間隔が１０００μｍより広くなると、超電導層１２内を拡散する酸素が十分に行き渡らず、特性が回復しない。一方、溝２１の間隔１００μｍより小さいと、電流通路が十分でないため、特性が低下する。したがって、溝２１の間隔は、１００μｍ〜１０００μｍの範囲であることが好ましいことがわかる。

（本焼成処理）
図５は、本焼成処理を示す断面図である。
図５に示すように、超電導線材１の超電導層１２上に形成された接続用超電導層２０を、互いに重ね合わせ、所定の圧力で押し付ける。その後、押し付けた状態のまま、低酸素濃度雰囲気中、例えば、酸素濃度１００ｐｐｍのＡｒ雰囲気中に置き、８００℃程度の温度で本焼成処理を行う。
この本焼成処理により、接続用超電導層２０を結晶化させて接続用超電導層２０を互いに接合する。

（酸素アニール処理）
次に、酸素濃度が１００％の雰囲気で、降温することで、本焼成処理された接続用超電導層２０中に酸素を導入させる。この酸素導入により、接続用超電導層２０に超電導特性が与えられる。
この場合において、本実施形態においては、溝２１を形成するようにしているので、この溝２１を介して接続用超電導層２０および超電導層１２に効率よく酸素を導入することが可能となる。

以上の工程により、超電導層１２の表面に接続用超電導層２０を形成するとともに、各超電導線材１を互いに接続することができる。
その後、必要に応じて、接合された超電導線材１の周囲に、Ａｇ層などの保護層１３やＣｕ層などの安定化層１４が形成されて、超電導線材１の接続が完了する。
この場合に、保護層１３を形成する際に、Ａｇ層が溝２１に充填されるが、超電導特性に影響はない。
なお、溝２１に充填される充填物としては、Ａｇの他、例えば、ポリイミド、シアノアクリレート系接着剤、パラフィン、フッ素系樹脂、グリース、シリコーンオイルの少なくとも１つが用いられる。また、溝２１には何も充填せず、空隙となっていてもよい。

以上述べたように、本実施形態においては、溝２１を形成することにより、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導線材１を超電導特性を劣化させることなく、接続することが可能となる。

なお、前記実施形態においては、接続する超電導線材１の超電導層１２および接続用超電導層２０にそれぞれ溝２１を形成するようにしたが、図６に示すように、一方の超電導線材１のみに溝２１を形成するようにしてもよい。このように構成した場合でも、酸素アニール処理を行う際に、超電導層１２および接続用超電導層２０に酸素を供給することが可能である。
また、前記実施形態においては、２本の超電導線材１を互いに溝２１が対向するように接合するようにしたが、図７に示すように、溝２１をずらして接合するようにしてもよい。

また、前記実施形態においては、２本の超電導線材１の超電導層１２にそれぞれ接続用超電導層２０を形成するようにしたが、例えば、一方の超電導線材１の超電導層１２のみに接続用超電導層２０を形成し、他方の超電導線材１の超電導層１２には、接続用超電導層２０を形成しないようにしてもよい。
この場合は、一方の超電導線材１の超電導層１２に、原料溶液を塗布した後、仮焼成して接続用超電導層２０を形成し、この接続用超電導層２０に溝２１を形成する。他方の超電導線材１は超電導層１２に直接溝２１を形成し、この状態で、２本の超電導線材１を溝２１が互いに対向するように接合し、本焼成および酸素アニール処理を行うようにすればよい。

さらに、接続用超電導層２０の原料溶液を塗布した後、仮焼成を行う前に、溝２１を形成し、超電導線材１同士を接合した状態で、仮焼成および本焼成を行うようにしてもよい。

また、溝２１の長さは、図８に示すように、各超電導線材１の接合部分の長さに対して長く形成するようにしてもよい。これにより、溝２１を介して酸素の通り抜けがしやすくなり、超電導層１２および接続用超電導層２０により効果的に酸素を供給することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態においては、接続用超電導層２０を形成しないで、２本の超電導線材１を接続する場合の形態を示している。なお、前記第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
図９は第２実施形態における溝２１の形成処理を示す断面図である。
図９に示すように、本実施形態において超電導線材１を接続する場合は、２本の超電導線材１の超電導層１２に直接レーザにより複数の溝２１を形成する。溝２１の幅、深さおよび間隔は、前記第１実施形態の場合と同様である。
また、図１０は第２実施形態における本焼成処理を示す断面図である。
図１０に示すように、２本の超電導線材１を互いに溝２１が対向するように接合し、所定の圧力で押し付ける。この状態のまま、高温減圧酸素中で焼成し、超電導層１２同士を融着させる。

次に、酸素濃度が１００％の雰囲気で、降温することで、焼成処理により抜けた酸素を超電導層１２中に導入させる。
この場合において、本実施形態においては、溝２１を形成するようにしているので、この溝２１を介して接続用超電導層２０および超電導層１２に効率よく酸素を導入することが可能となる。

以上述べたように、本実施形態においても前記第１実施形態と同様に、溝２１を形成することにより、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導線材１を超電導特性を劣化させることなく、接続することが可能となる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態においては、２本の超電導線材１を接続用線材３０を用いて接続するようにした形態を示している。なお、前記各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
図１１は本発明の第３実施形態を示す断面図である。
図１１に示すように、本実施形態においては、接続用線材３０は、超電導線材１と同様に、基板１０と、中間層１１と、超電導層１２とを備えている。

本実施形態において超電導線材１を接続する場合は、各超電導線材１に溝２１を形成するとともに、接続用線材３０にも溝２１を形成する。この溝２１は、各超電導線材１および接続用線材３０に形成された接続用超電導層２０に形成するようにしてもよいし、接続用超電導層２０を設けず、超電導層１２に直接形成するようにしてもよい。すなわち、各溝２１は、前記各実施形態で示すいずれの形態で形成するようにしてもよい。
また、接続用線材３０の溝２１は、両端部に至るように形成されている。なお、接続用超電導層２０または超電導層１２に酸素を供給するための通路が確保できれば、これに限定されない。

その後、各超電導線材１を超電導層１２を同じ方向にして並べて配置する。これら各超電導線材１に跨るように接続用線材３０を配置し、各超電導線材１の溝２１と接続用線材３０の溝２１とが互いに対向するようにして接合する。
この状態で、高温減圧酸素中で焼成し、接続用超電導層２０または超電導層１２同士を融着させ、続いて、酸素濃度が１００％の雰囲気で、降温することで、焼成処理により抜けた酸素を超電導層１２中に導入させる。

以上述べたように、本実施形態においても前記各実施形態と同様に、溝２１を形成することにより、熱処理により拡散した酸素を十分に供給することができ、超電導線材１を超電導特性を劣化させることなく、接続することが可能となる。

なお、図１２に示すように、各超電導線材１を接続用線材３０を介して接続する際に、各超電導線材１の端部に間隙３１をもって接続するようにしてもよい。この場合に、中間層１１および超電導層１２の角部を斜めに切欠いた切欠き部３２を形成するようにしてもよい。また、各超電導線材１の端部に間隙３１を設けず、各超電導線材１１の端部を接触させた状態で接続するようにしてもよい。この場合にも、切欠き部３２を形成するようにしてもよい。
このように形成することにより、基板１０から超電導層１２への不純物の拡散を確実に防止することができ、不純物の拡散による超電導性能の低下を確実に防止することができる。

また、本発明は前記各実施形態のものに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々変更が可能である。

１ 超電導線材
１０ 基板
１１ 中間層
１２ 超電導層
１３ 保護層
１４ 安定化層
２０ 接続用超電導層
２１ 溝
３０ 接続用線材

Claims (12)

1. 基板と、中間層と、超電導層とが積層形成されてなる２本の超電導線材を接続するための超電導線材の接続構造において、
   前記２本の超電導線材の少なくとも一方に外部に通じる溝を形成したことを特徴とする超電導線材の接続構造。
2. 前記２本の超電導線材は、前記超電導層同士を接合して接続されるものであり、前記溝は、少なくとも一方の前記超電導層に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材の接続構造。
3. 前記２本の超電導線材は、接続用超電導層を介して接続されるものであり、前記溝は、少なくとも一方の前記超電導層に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材の接続構造。
4. 基板と、中間層と、超電導層とが積層形成されてなる２本の超電導線材を接続するための超電導線材の接続構造において、
   基板と、中間層と、超電導層とが積層形成されてなる接続用線材を設け、前記２本の超電導線材は、前記接続用線材を介して接続されており、前記２本の超電導線材または前記接続用線材の少なくとも一方に外部に通じる溝を形成したことを特徴とする超電導線材の接続構造。
5. 前記溝は、前記超電導層に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の超電導線材の接続構造。
6. 前記溝は、複数形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。
7. 前記複数の溝の端から端の間隔は、１００μｍ〜１０００μｍの範囲で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の超電導線材の接続構造。
8. 前記溝は、前記超電導線材の長手方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。
9. 前記溝は、前記超電導線材の幅方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。
10. 前記溝は、空隙あるいは超電導材料以外の充填物で充填されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。
11. 前記超電導材料以外の充填物は、Ａｇ、ポリイミド、シアノアクリレート系接着剤、パラフィン、フッ素系樹脂、グリース、シリコーンオイルのうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１０に記載の超電導線材の接続構造。
12. 基板と、中間層と、超電導層とが積層形成されてなる２本の超電導線材を接続するための超電導線材の接続方法において、
    前記２本の超電導線材の少なくとも一方に外部に通じる溝を形成する溝形成処理と、
    前記２本の超電導線材を接合した状態で焼成する焼成処理と、
    前記焼成処理後の前記超電導線材を酸素アニールする酸素アニール処理と、
    を備えていることを特徴とする超電導線材の接続方法。

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