JP2019149344A - 高温超電導線材及び高温超電導コイル - Google Patents

Abstract

【課題】交流損失（ヒステリシス損失）の低減及びクエンチ耐性の強化を図ることが可能な高温超電導線材及びそれを用いた高温超電導コイルを提供する。【解決手段】テープ形状の基板１１と、基板１１上に形成された高温超電導層１３と、高温超電導層１３を被覆する金属層１５をそれぞれ備える２本の部分線材１０、１０を互いに電気的に絶縁されない状態で線材の厚さ方向に高温超電導層１３同士が対向する向きに金属層１５同士を面接触させて重ね合わせて形成された高温超電導線材１、２であって、２本の部分線材１０、１０の高温超電導層１３、１３には、当該高温超電導層１３、１３の長手方向に伸び、当該高温超電導層１３、１３を幅方向に分断する溝１６、１６がそれぞれ設けられており、溝１６、１６により高温超電導層１３、１３に電流流路１７、１７がそれぞれ形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、高温超電導線材及び高温超電導コイルに関する。

モーターや変圧器等に用いられる超電導コイル等の超電導線材を用いた超電導機器では、主に次の２つの理由により、交流損失が深刻な問題となっている。
第一の理由は、交流損失により失われた電力が熱に変換されてしまい、極低温に冷却されなければならない超電導機器の温度を上げてしまうことである。システムの消費電力全体に占める交流損失による電力の損失の割合は大きくないとしても、それが熱になりシステムに必要な冷却機構の能力を引き上げなければならなくなると、必要とされる冷却機構の導入コストやランニングコストが高くなってしまう。これは実用上の観点から深刻な問題になる。

第二の理由は、金属などの常電導体を用いた機器と比べて、超電導機器では発生する交流損失が大きくなることである。常電導体を用いたモーター等の機器でもヒステリシス損失（いわゆる鉄損）や渦電流損失（いわゆる銅損）といった交流損失は存在している。
しかし、超電導機器の場合、超電導体自身がヒステリシス損失等の交流損失をもたらす。また、超電導機器では、機器の周辺部材も含めて極低温まで冷却された結果、その電気伝導度が文字通り桁違いに増大し、渦電流損失はそれに比例して増大してしまう。そして、それらの事情により、超電導機器では、交流損失の量が常電導体の機器と比べて大きくなる。

超電導線材の中でも高温超電導線材（特にＲＥＢＣＯ線材）では、交流損失のうち、特にヒステリシス損失を生じやすいという問題がある。
その主な理由は、高温超電導線材の高温超電導層が曲げる力に弱い酸化物で形成されているため、通常、高温超電導層が、厚さがμｍオーダーであるのに対して幅がｍｍオーダーとなるような扁平な断面形状に形成されるためである。

以下、高温超電導線材を用いて例えばダブルパンケーキコイルＤＰを形成した場合を例示して、簡単に説明する。
図１３は、ダブルパンケーキコイルＤＰのあるターンにおける従来の高温超電導線材１００の高温超電導層１０１をコイルの径方向（高温超電導線材や高温超電導層の厚さ方向）から見た図である。

なお、高温超電導線材でコイル（ダブルパンケーキコイル、ソレノイドコイルやレイヤー巻きコイル等）を形成した場合、線材や高温超電導層等の「厚さ方向」はコイルの径方向（図１３では紙面に直交する方向）と同じ方向になり、線材や高温超電導層等の「幅方向」はコイルの厚さ方向（図１３では図中上下方向）と同じ方向になる（コイルの厚さ方向と線材等の厚さ方向は向きが異なるため注意を要する。）。

また、以下、コイルの厚さ方向の両端側（図１３では上側の高温超電導線材１００や高温超電導層１０１における上側や下側の高温超電導線材１００や高温超電導層１０１における下側）を、コイル及びそれを構成する高温超電導線材や高温超電導層の「外側」といい、コイルの厚さ方向の中央側（図１３では上側の高温超電導線材１００や高温超電導層１０１における下側や下側の高温超電導線材１００や高温超電導層１０１における上側）を、コイル及びそれを構成する高温超電導線材や高温超電導層の「内側」という。
また、シングルパンケーキコイルのように高温超電導線材がコイルの厚さ方向に１本しか巻かれていない場合は、高温超電導線材の幅方向（コイルの厚さ方向）の両端側が「外側」になり、幅方向（コイルの厚さ方向）の中央側が「内側」になる。

マクスウェル方程式によると、コイルの内側に流れる電流が増加すると、その外側に同じ方向の電流を誘起する電場が形成される。
そのため、図１３に示すように、ダブルパンケーキコイルＤＰを構成する高温超電導線材１００の高温超電導層１０１に電流Ｉを流す場合、流れる電流Ｉが増加すると、２本の高温超電導線材１００の各高温超電導層１０１のそれぞれ外側に、電流Ｉと同じ方向に流れる遮蔽電流Ｉｓが誘起される。
そのため、２本の高温超電導線材１００の各高温超電導層１０１のそれぞれ外側半分の領域（図中の上側の高温超電導層１０１の上側半分及び図中の下側の高温超電導層１０１の下側半分）に電流が流れるようになり、その領域（すなわち外側の領域）に遮蔽電流帯ができる。なお、２本の高温超電導線材１００の各高温超電導層１０１のそれぞれ内側半分の領域にはほとんど電流が流れなくなる。

そして、このように各高温超電導層１０１内で電流の偏りすなわち遮蔽電流Ｉｓが生じている所に外部磁場が変化すると、遮蔽電流Ｉｓによって磁気モーメントが発生し、その仕事によって熱が生じる。この熱による損失がヒステリシス損失と呼ばれている。
そして、高温超電導線材では、上記のように、高温超電導層が扁平な断面形状に形成され、その幅方向がコイルの厚さ方向を向くように配置せざるを得ない。そのため、高温超電導線材では、高温超電導層の外側に遮蔽電流帯が生じやすくなり、ヒステリシス損失が発生しやすくなる。

そこで、従来から、高温超電導層内でのヒステリシス損失の発生を抑制することを目的として、高温超電導層の位置替え（いわゆる転位。Ｒｏｅｂｅｌケーブル等ともいう。）を行うように構成された高温超電導線材が種々開発されている（例えば特許文献１〜４等参照）。
これらは、主に、２本の高温超電導線材の位置を物理的に入れ替えて高温超電導層の蛇行状態を作ることで、高温超電導層内に上記のような遮蔽電流帯を形成されにくくして、交流損失（ヒステリシス損失）の低減が図られている。

特許第４６５７９２１号公報 特開２００４−６３２２５号公報 特開２００５−８５６１２号公報 特許第５５９７７１１号公報

しかしながら、上記の各特許文献に記載された高温超電導線材には、以下のような問題がある。
特許文献１や特許文献２に記載されているように、高温超電導線材を転位させるために高温超電導線材や高温超電導層の一部を蛇行させるように形成する場合、高温超電導線材をその幅方向に曲げることは困難であり、無理に曲げると高温超電導層が破壊されてしまう可能性もある。そのため、通常、基板上に形成した高温超電導層を基板等とともに切り抜いて蛇行線を形成する。
しかし、このような切り抜き加工を行わなければならなくなると高温超電導線材やコイルの製造工程が煩雑になる上、切り抜かれた部分が無駄になり歩留まりが悪くなる等の問題が生じ得る。

また、特許文献３や特許文献４に記載されている技術は、高温超電導層（電流流路）を高温超電導線材の中でいわばジグザグに蛇行させるように構成することで上記の転位と同じ効果を導き出そうという発明である。
しかし、これらの方法では、電流流路は進行方向が替わるごとに電流が常電導体の領域を通過しなければならなくなるが、これでは大きなジュール損失が発生してしまう等の問題が生じ得る。

一方、よく知られているように、高温超電導線材を巻回して形成された超電導コイル（本願では高温超電導線材で形成されているため、以下、高温超電導コイルという。）に、事故等で大電流が流れるなどすると高温超電導線材の一部にクエンチ（quench）が発生して抵抗状態になる場合がある。
そして、その部分での発熱により高温超電導線材の温度が上昇して抵抗部分が広がっていき、高温超電導コイルが焼損する等の大きな事故につながってしまう場合がある。
そのため、高温超電導線材や高温超電導コイルには、クエンチが生じにくいものであることが望まれている。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、交流損失（ヒステリシス損失）の低減及びクエンチ耐性の強化を図ることが可能な高温超電導線材及びそれを用いた高温超電導コイルを提供することを目的とする。

前記の問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
テープ形状の基板と、前記基板上に形成された高温超電導層と、前記高温超電導層を被覆する金属層をそれぞれ備える２本の部分線材を互いに電気的に絶縁されない状態で線材の厚さ方向に前記高温超電導層同士が対向する向きに前記金属層同士を面接触させて重ね合わせて形成された高温超電導線材であって、
２本の前記部分線材の前記高温超電導層には、当該高温超電導層の長手方向に伸び、当該高温超電導層を幅方向に分断する溝がそれぞれ設けられており、前記溝により前記高温超電導層に電流流路がそれぞれ形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高温超電導線材において、
前記高温超電導層の前記電流流路は、前記溝により当該高温超電導層の幅方向に蛇行するように形成されており、
２本の前記部分線材は、前記高温超電導層の前記電流流路が互いに前記幅方向の反対側に位置するようにそれぞれ蛇行する状態で重ね合わされていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の高温超電導線材において、前記部分線材の前記高温超電導層には、前記電流流路がそれぞれ複数本ずつ形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の高温超電導線材において、２本の前記部分線材で前記電流流路の本数が同数であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の高温超電導線材において、前記溝は、前記高温超電導層の長手方向に対して平行な部分と斜めの部分とを有し、前記平行な部分の長さが１ｍ以下とされていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の高温超電導線材において、
前記高温超電導層の前記電流流路は、前記溝により複数の直線状に形成されており、かつ、２本の前記部分線材で前記電流流路の本数が同数とされており、
前記溝により、前記高温超電導層とともに、当該高温超電導層を被覆する金属層も分断されて金属条とされていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の高温超電導線材において、２本の前記部分線材は、一方の前記部分線材の前記金属条と他方の前記部分線材の前記金属条とが１対１で電気的に接触する位置関係になるように前記金属層同士が面接触する状態で重ね合わされていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６又は請求項７に記載の高温超電導線材において、前記電流流路の１本分の幅の、前記電流流路の長手方向における平均値が１ｍｍ以下とされていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の高温超電導線材において、重ね合わされた２本の前記部分線材が、その周囲を絶縁テープで被覆されて一体化されていることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、高温超電導コイルにおいて、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載された高温超電導線材を巻回して形成されていることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の高温超電導コイルにおいて、絶縁部材を介して前記高温超電導線材と導線とが共巻きされていることを特徴とする。

本発明によれば、交流損失（ヒステリシス損失）の低減及びクエンチ耐性の強化を図ることが可能となる。

（Ａ）第１の実施形態に係る高温超電導線材の構成を表す断面図であり、（Ｂ）高温超電導層の構成を表す図である。 第１の実施形態の部分線材１本のみで形成されたダブルパンケーキコイル等を表す図である。 第１の実施形態に係る高温超電導線材で形成されたダブルパンケーキコイル等を表す図である。 高温超電導層の電流流路から溢れた電流が各バイパス部に流れ出す状態を表すイメージ図である。 図１に示した高温超電導線材で形成されたシングルパンケーキコイル等を表す図である。 高温超電導層に電流流路を複数本ずつ設けた高温超電導線材の構成例を表す図である。 図５に示した高温超電導線材で形成されたシングルパンケーキコイル等を表す図である。 図６に示した構成例の変形例を表す図である。 （Ａ）、（Ｂ）第２の実施形態に係る高温超電導線材の形成過程を表す断面図であり、（Ｃ）第２の実施形態に係る高温超電導線材の構成を表す断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）第２の実施形態に係る高温超電導線材の変形例を表す断面図である。 各実施形態に係る高温超電導線材で形成されたダブルパンケーキコイルを表す図である。 高温超電導線材、導線及びそれらを共巻きして形成された高温超電導コイル等を表す図である。 従来の高温超電導線材で形成されたダブルパンケーキコイル等を表す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る高温超電導線材及び高温超電導コイルについて説明する。ただし、以下に述べる各実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の各実施形態や図示例に限定するものではない。

［高温超電導線材］
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係る高温超電導線材の構成について説明する。図１（Ａ）は、本実施形態に係る高温超電導線材の構成を表す断面図である。
本実施形態では、高温超電導線材１は、基板１１と、基板１１上に形成された高温超電導層１３とをそれぞれ備える２本の部分線材１０、１０を、互いに電気的に絶縁されない状態で線材の厚さ方向（図１（Ａ）では図中上下方向）に重ね合わせて形成されている。

具体的には、各部分線材１０、１０はそれぞれ、基板１１の一方側の面に、中間層１２と、高温超電導層１３と、保護層１４が積層されて構成されており、さらに、その積層体を安定化層１５で被覆して形成されている。
なお、以下では、便宜的に、図１（Ａ）における図中下側の部分線材１０や各部材を符号にＡを付して表し、図中上側の部分線材１０や各部材を符号にＢを付して表す場合がある。

基板１１は、ハステロイ（登録商標）に代表されるニッケル基合金やステンレス鋼等が用いられており、テープ形状に形成されている。
中間層１２は、高温超電導層１３の下地となる層であり、熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基板１１と高温超電導層１３を構成する超電導体との中間的な値を示す材料（例えばＬａＭｎＯ_３（ＬＭＯ）等）が用いられる。

高温超電導層１３は、例えば液体窒素温度（７７Ｋ）以上の臨界温度を有するイットリウム系超電導体（化学式はＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-y（ｙは酸素不定比量）で表される。）等の高温超電導体で構成されている。
保護層１４は、高温超電導層１３の表面を覆う金属層であり、例えば銀が用いられている。
安定化層１５は、高温超電導層１３を含む積層体を被覆する金属層であり、例えば銅が用いられている。

そして、本実施形態では、以上のように構成された部分線材１０が２本すなわち部分線材１０Ａ、１０Ｂが、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂが形成された基板１１Ａ、１１Ｂの面同士が対向する向きで重ね合わされている。
また、本実施形態では、２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂは、安定化層１５Ａ、１５Ｂ同士が面接触する状態で重ね合わされている。

安定化層１５Ａ、１５Ｂは、互いに電気的に絶縁されない状態であればよく、貼り合わされていてもよく、貼り合わされていなくてもよい。
例えば、本実施形態の高温超電導線材１でコイルを形成する場合に、２本の部分線材１０、１０を共巻きするようにして（ただし後述するように高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの蛇行する電流流路１７Ａ、１７Ｂが互いに幅方向の反対側に位置するようにして）コイル巻枠に巻回すれば、２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂを積極的に貼り合わさなくても、部分線材１０Ａ、１０Ｂの安定化層１５Ａ、１５Ｂ同士が面接触する状態を形成することができ、部分線材１０Ａ、１０Ｂを互いに電気的に絶縁されない状態で重ね合わせることができる。

逆に、安定化層１５Ａ、１５Ｂを例えば半田付けする等して電気的に接続するようにして貼り合わせると、安定化層１５Ａ、１５Ｂ同士の間の界面抵抗が非常に小さい状態で両者を貼り合わせることが可能となる。
また、これ以外にも、例えば、重ね合わせた部分線材１０Ａ、１０Ｂの外側を絶縁材で被覆するように構成することが可能である。また、例えば、高温超電導線材１でコイルを形成する際に、高温超電導線材１と絶縁テープとを共巻きするようにしてコイル巻枠に巻回して、隣接する高温超電導線材１のターン間に絶縁層が介在させるように構成することも可能である。

図１（Ｂ）は、高温超電導層の構成を表す図である。
なお、図１（Ｂ）以下の各図では、高温超電導線材のうち高温超電導層の部分のみが示されており、高温超電導層を線材（部分線材）の厚さ方向から見た状態が示されている。また、本実施形態に係る高温超電導線材１を線材の厚さ方向から見た場合、本来は、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂが重なって見えるはずであるが、その状態では見づらくなるため、図１（Ｂ）では、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの図中の位置を左右にずらして記載されている（高温超電導層１３Ａ、１３Ｂが重なった状態は例えば後述する図３における２本の高温超電導線材１のうちのいずれか１本を参照されたい。）。

本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、部分線材１０の高温超電導層１３には、高温超電導層１３の長手方向に伸び、高温超電導層１３を幅方向に分断する溝１６がそれぞれ設けられている。
そして、この溝１６により、高温超電導層１３にそれぞれ電流流路１７が形成されている。本実施形態では、電流流路１７と分断された残りの部分（以下、バイパス部１８という。）とが溝１６の部分で完全には電気的に絶縁されない状態とされる。この点については後で説明する。

また、本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、高温超電導層１３の電流流路１７は、溝１６により当該高温超電導層１３の幅方向に蛇行するように形成されている。
そして、２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂは、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの電流流路１７Ａ、１７Ｂが互いに幅方向の反対側に位置するようにそれぞれ蛇行する状態で重ね合わされている。

すなわち、本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、部分線材１０Ａの高温超電導層１３Ａの電流流路１７Ａが高温超電導層１３Ａの幅方向の図中左側（又は図中右側）に蛇行している部分に対応する部分線材１０Ｂの高温超電導層１３Ｂの部分では、電流流路１７Ｂは高温超電導層１３Ｂの幅方向の図中右側（又は図中左側）に蛇行している。
別の言い方をすれば、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの電流流路１７Ａ、１７Ｂが交差する部分（電流流路１７Ａ、１７Ｂが幅方向の反対側に移行する部分）を除き、部分線材１０Ａの高温超電導層１３Ａの電流流路１７Ａは部分線材１０Ｂの高温超電導層１３Ｂのバイパス部１８Ｂと対向し、部分線材１０Ｂの高温超電導層１３Ｂの電流流路１７Ｂは部分線材１０Ａの高温超電導層１３Ａのバイパス部１８Ａと対向するように配置される。

このように、本実施形態では、部分線材１０Ａ、１０Ｂの高温超電導層１３Ａ、１３Ｂには、電流流路１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ１本ずつ形成されている。なお、これに対する変形例については後で説明する。
また、本実施形態では、上記のように溝１６Ａ、１６Ｂは高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの長手方向に対して平行な部分１６ａと斜めの部分１６ｂとを有している（図１（Ｂ）参照）。そして、長手方向に平行な部分１６ａの長さが１ｍ以下とされている。なお、図１（Ｂ）や後述する各図では高温超電導層１３の幅に比べて長手方向に平行な部分１６ａの長さが相対的に非常に短く表されている。

［作用］
［ヒステリシス損失の低減について］
次に、本実施形態に係る高温超電導線材１の作用としてのヒステリシス損失の低減作用について説明する。

まず、高温超電導層に溝が形成されていない従来の高温超電導線材１００（部分線材の重ね合わせではない。）でダブルパンケーキコイルＤＰを形成した場合について考察する。ここで、ダブルパンケーキコイルＤＰは絶縁素材などによってターン間が電気的に絶縁、もしくは高い電気抵抗によって隔てられていることを想定する。
図１３に示したように、従来の高温超電導線材１００でダブルパンケーキコイルＤＰを形成した場合、２本の高温超電導線材１００に同方向に電流Ｉを流す際に流れる電流Ｉが増加すると、２本の高温超電導線材１００の各高温超電導層１０１のそれぞれ外側に、電流Ｉと同じ方向に流れる遮蔽電流Ｉｓが誘起される。そのため、前述したように、各高温超電導層１０１の外側に遮蔽電流帯が形成され、結果的に流れる電流Ｉがそれぞれ高温超電導層１０１の外側に集中する。そして、この性質により、コイルの電流Ｉもしくはコイルに印加される外部磁場が時間的に変化した時、ヒステリシス損失が発生した。

また、図２は、本実施形態の部分線材１０と同様に、高温超電導線材１０^＊を、高温超電導層１３^＊に溝１６^＊を形成して電流流路１７^＊を蛇行させるように形成するが、本実施形態とは異なり線材の厚さ方向に重ね合わせない状態の高温超電導線材１０^＊（すなわち本実施形態の部分線材１本のみ）でダブルパンケーキコイルＤＰを形成した場合の、ダブルパンケーキコイルＤＰのあるターンにおける高温超電導層１３^＊をコイルの径方向から見た図である。
高温超電導線材１０^＊は本実施形態に係る高温超電導線材１の部分線材１０と構造上は同じであるが、他の高温超電導線材１０^＊と重ね合わされていない点で本実施形態に係る部分線材１０とは異なるため、図２では、高温超電導線材１０^＊及びそれを構成する各部材の符号に、本実施形態と区別するために＊を付して表す。

この場合も、２本の高温超電導線材１０^＊に同方向に電流Ｉを流す際、流れる電流Ｉが増加すると、２本の高温超電導線材１０^＊の各高温超電導層１３^＊のそれぞれ外側に遮蔽電流Ｉｓが流れる。この場合は、図２に示すように、各高温超電導層１３^＊の電流流路１７^＊の外側にバイパス部１８^＊が形成されているため、外側のバイパス部１８^＊の部分に環をなすように流れる遮蔽電流Ｉｓが誘起される。
このように、高温超電導線材１０^＊を本実施形態に係る部分線材１０と同じ構造に形成しても、それらが重ね合わされていなければ（すなわち本実施形態の部分線材１本だけでは）、やはり高温超電導層１３^＊の外側に遮蔽電流Ｉｓが誘起され、それによってヒステリシス損失が生じてしまう。

それに対し、本実施形態に係る高温超電導線材１は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、高温超電導層１３に幅方向に蛇行する電流流路１７がそれぞれ形成された２本の部分線材１０、１０が線材の厚さ方向に重ね合わされて形成されている。
しかも、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの電流流路１７Ａ、１７Ｂが互いに幅方向の反対側に位置するようにそれぞれ蛇行する状態で２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂが重ね合わされている。

そのため、本実施形態に係る高温超電導線材１を用いてダブルパンケーキコイルＤＰを形成した場合、図３に示すように、図中上下のいずれの高温超電導線材１においても、一方の部分線材１０Ａ（図中の破線参照。図３では奥側にある。）で高温超電導層１３Ａの内側の電流流路１７Ａに電流Ｉが流れる際には、他方の部分線材１０Ｂ（図中の実線参照。図３では手前側にある。）では高温超電導層１３Ｂの外側の電流流路１７Ｂに電流Ｉが流れる状態になる。
また、逆に、他方の部分線材１０Ｂで高温超電導層１３Ｂの内側の電流流路１７Ｂに電流Ｉが流れる際には、一方の部分線材１０Ａでは高温超電導層１３Ａの外側の電流流路１７Ａに電流Ｉが流れる状態になる。

前述したように、マクスウェル方程式によれば、コイルの内側に流れる電流が増加すると、その外側に同じ方向の電流を誘起する電場が形成される。すなわち１本の部分線材１０だけに着目した場合、当該部分線材１０の高温超電導層１３の内側の電流流路１７に流れる電流が増加すると、その外側のバイパス部１８に同じ方向の電流を流そうとする電場が形成される（これは、電流流路１７に流れる電流がその外側のバイパス部１８に作る磁場を打ち消すようにバイパス部１８に遮蔽電流Ｉｓが誘起される、と解釈することもできる。）。

しかし、本実施形態に係る高温超電導線材１（図３参照）では、上記のように、一方の高温超電導層１３で内側の電流流路１７に電流が流れる際、他方の高温超電導層１３で外側の電流流路１７に電流が流れる。
そのため、一方の高温超電導層１３で内側の電流流路１７に流れる電流が増加すると、その外側のバイパス部１８に電流を誘起する電場が形成されたとしても、他方の高温超電導層１３で外側の電流流路１７に電流が流れていることによってこの電場が緩和される。

そのため、一方の高温超電導層１３で内側の電流流路１７に電流が増加しても、その外側のバイパス部１８で遮蔽電流Ｉｓが誘起されることが抑制され、遮蔽電流Ｉｓが発生しなくなる。あるいは遮蔽電流Ｉｓが発生してもその量が非常に小さく抑制される。
また、あるターンの高温超電導線材１で形成される上記の電場に対しては、他のターンの高温超電導線材１で外側の電流流路１７に流れる電流からもそれを緩和する作用が働く。

そのため、本実施形態では、高温超電導層１３の外側のバイパス部１８での遮蔽電流Ｉｓが抑制される。そして、高温超電導層１３での電流流路１７が内側や外側に蛇行しているため、高温超電導層１３内で遮蔽電流帯が形成されにくくなり、ヒステリシス損失の発生が抑制される。
このように、本実施形態に係る高温超電導線材１によれば、ヒステリシス損失（交流損失）の低減を図ることが可能となる。

［クエンチ耐性の強化について］
次に、本実施形態に係る高温超電導線材１の作用として、クエンチ耐性を強化することが可能となる点について説明する。
本実施形態では、図１（Ｂ）等に示したように、高温超電導層１３が溝１６で分断（２分割）されているため、例えば図１３に示した従来の高温超電導線材１００のように高温超電導層１０１に溝が設けられていない場合に比べて、高温超電導層の臨界電流値が半分になる。

しかし、本実施形態に係る高温超電導線材１は、そのような高温超電導層１３を備える部分線材１０を２本重ね合わせて形成されているため、高温超電導線材１全体で見た場合には、高温超電導層１３の臨界電流値（合計値）は、溝１６が設けられていない高温超電導層１０１の臨界電流値と同じ電流値になる。
すなわち、１本の高温超電導線材として見た場合、本実施形態に係る高温超電導線材１の臨界電流値は、従来の高温超電導線材１００の臨界電流値と同じ電流値になる。

一方、従来の高温超電導線材１００では、高温超電導層１０１に臨界電流値を上回る電流Ｉが流れると、それまで電圧値が０であった高温超電導層１０１にその電流Ｉに対応する電圧Ｖが発生する。そのため、電流Ｉと電圧Ｖの積に相当する熱が発生して温度が上昇する。そして、温度が上がると高温超電導層１０１の臨界電流が下がりクエンチが発生して抵抗状態になり、電流Ｉに対応する電圧Ｖが大きくなって発熱がさらに大きくなる。
このようにして、従来の高温超電導線材１００では、高温超電導層１０１に臨界電流を超える電流が流れると加速度的に発熱が発生する。そして、高温超電導層１０１が高温になると、最終的には焼損に至る場合もある。

それに対し、本実施形態に係る高温超電導線材１は、図１（Ｂ）や図３に示したように、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの電流流路１７Ａ、１７Ｂが互いに幅方向の反対側に位置するようにそれぞれ蛇行する状態で２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂが重ね合わされている。
そのため、図３に示したように、２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂの高温超電導層１３Ａ、１３Ｂにおいて、一方の部分線材１０の高温超電導層１３の内側に電流流路１７がある所では他方の部分線材１０の高温超電導層１３の内側にはバイパス部１８がある。また、一方の部分線材１０の高温超電導層１３の外側に電流流路１７がある所では他方の部分線材１０の高温超電導層１３の外側にはバイパス部１８がある。

また、部分線材１０の高温超電導層１３の内側に電流流路１７がある場合には同じ高温超電導層１３の外側にバイパス部１８があり、高温超電導層１３の外側に電流流路１７がある場合には同じ高温超電導層１３の内側にバイパス部１８がある。
そのため、本実施形態では、図４にイメージ的に示すように、高温超電導層１３の電流流路１７（図中のα参照）に臨界電流値を上回る電流Ｉが流れると、電流流路１７から溢れた電流が、同じ高温超電導層１３の隣接するバイパス部１８（図中のβ参照）やもう一方の部分線材１０の高温超電導層１３のバイパス部１８（図中のγ参照）に流れ出す。

なお、本実施形態では、部分線材１０の基板１１や保護層１４、安定化層１５は金属製であり導電性であるが、超電導体（高温超電導層１３）で形成されているバイパス部１８に比べると電気抵抗が高いため、電流流路１７から溢れた電流はバイパス部１８に流れ出すようになる。
また、電流流路１７から溢れた電流がいずれのバイパス部１８に流れ出すかは、電流流路１７とバイパス部１８との間の電気抵抗による。電流流路１７と同じ高温超電導層１３の隣接するバイパス部１８との間の電気抵抗は、それらの間の溝１６における電気抵抗であり、電流流路１７ともう一方の部分線材１０の高温超電導層１３のバイパス部１８との間の電気抵抗は、それらの間に介在する安定化層１５等の電気抵抗である。そして、電流流路１７から溢れた電流は電気抵抗に応じてそれぞれのバイパス部１８に配分される。なお、電気抵抗があるため、電流が電流流路１７からバイパス部１８に流れ出す際にジュール損失は生じるが、クエンチに至るような急激な発熱にはならない。

このように、本実施形態では、高温超電導層１３の電流流路１７に臨界電流値を上回る電流Ｉが流れても、電流流路１７から溢れた電流が電流流路１７に隣接するバイパス部１８やもう一方の部分線材１０の高温超電導層１３のバイパス部１８に流れ出す。
そのため、本実施形態に係る高温超電導線材１では、クエンチが生じにくくなり、クエンチ耐性の強化を図ることが可能となる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る高温超電導線材１によれば、高温超電導層１３に、その長手方向に伸び当該高温超電導層１３を分断する溝１６が設けられており、溝１６により高温超電導層１３に電流流路１７が形成されている２本の部分線材１０、１０を互いに電気的に絶縁されない状態で線材の厚さ方向に重ね合わせて形成されている。
そして、高温超電導層１３の電流流路１７が、溝１６により高温超電導層１３の幅方向に蛇行するように形成されており、２本の部分線材１０、１０が、高温超電導層１３、１３の電流流路１７、１７が互いに幅方向の反対側に位置するようにそれぞれ蛇行する状態で重ね合わされるように構成した。

そのため、各部分線材１０、１０の高温超電導層１３、１３の外側のバイパス部１８での遮蔽電流Ｉｓの発生が抑制されるとともに、電流が高温超電導層１３の内側や外側に分散されて流れるようになる。
そのため、本実施形態に係る高温超電導線材１では、高温超電導層１３内で遮蔽電流帯が形成されにくくなり、ヒステリシス損失の発生が抑制されるため、ヒステリシス損失（交流損失）の低減を図ることが可能となる。

また、高温超電導層１３の電流流路１７に臨界電流値を上回る電流Ｉが流れても、電流流路１７から溢れた電流が電流流路１７に隣接するバイパス部１８やもう一方の部分線材１０の高温超電導層１３のバイパス部１８に流れ出す。
そのため、本実施形態に係る高温超電導線材１では、クエンチが生じにくくなり、クエンチ耐性の強化を図ることが可能となる。

なお、例えば、従来の高温超電導線材１００（図１３参照）では、高温超電導層１０１に欠陥が存在し、その欠陥のために高温超電導層１０１に電流が流れない場合や電流がほとんど流れないような場合、その高温超電導線材１００は実用上使い物にならないため廃棄せざるを得ない。
それに対し、本実施形態に係る高温超電導線材１では、一方の部分線材１０の高温超電導層１３の電流流路１７にこのような欠陥が存在しても、当該電流流路１７を流れてきた電流が他方の部分線材１０の高温超電導層１３のバイパス部１８（あるいは当該電流流路１７に近接する同じ部分線材１０のバイパス部１８）に流れ出して電流をバイパスさせることができる。

このように、本実施形態に係る高温超電導線材１では、従来の高温超電導線材１００では線材を廃棄せざるを得なくなるような欠陥が仮に一方の部分線材１０の高温超電導層１３に存在していても、高温超電導層１３を流れる電流が適切にバイパスされるため、通電を継続することが可能となる。すなわち、本実施形態に係る高温超電導線材１は、一方の部分線材１０の高温超電導層１３に欠陥があっても高温超電導線材１として使用することが可能である。

なお、本実施形態のように（図１（Ａ）参照）、２本の部分線材１０、１０を、高温超電導層１３、１３が形成された基板１１、１１の面同士が対向する向きで金属層（安定化層１５、１５）同士を面接触させて重ね合わせるように構成すれば、２本の部分線材１０、１０の高温超電導層１３、１３の間には保護層１４や安定化層１５のみが介在する状態になり、比較的厚い基板１１等が介在しない状態になる。
そのため、上記のように、電流流路１７から電流が溢れた際に、溢れた電流がもう一方の部分線材１０の高温超電導層１３のバイパス部１８に流れ出しやすくなり、的確にクエンチを生じにくくすることが可能となる。

また、本実施形態では（図１（Ｂ）等参照）、部分線材１０の高温超電導層１３に設けられた溝１６の長手方向に平行な部分１６ａの長さが１ｍ以下とされている。本実施形態では、上記のように、高温超電導層１３の電流流路１７から溢れた電流が溝１６を介して隣接するバイパス部１８に流れ出す場合がある。
しかし、これは、電流流路１７に臨界電流値を超える電流が流れた場合（あるいは欠陥がある場合）であり、通常の状態では、電流Ｉは切れ目のない高温超電導層で構成される電流流路１７のみを流れ、バイパス部１８には流れ出さない。

そして、上記の状態を形成するためには、溝１６がある程度の電気抵抗を有していることが必要であるが、溝１６の長さ、特にその長手方向に平行な部分１６ａの長さが長くなればなるほど溝１６の電気抵抗は小さくなるため、溝１６を長く形成する場合は溝１６の電気絶縁度を高めるように構成しなければならなくなる。
しかし、溝１６の電気絶縁度を高め過ぎると、今度は、電流流路１７から溢れた電流が溝１６を介して隣接するバイパス部１８に流れ出すことができなくなってしまう。

本実施形態に係る高温超電導線材１を用いてダブルパンケーキコイルＤＰ等を形成するような場合を考えた場合、溝１６の長手方向に平行な部分１６ａの長さが１ｍまでであれば、実用上、溝１６の電気絶縁度を高める特別な処理をしなくても上記のように通常の状態では電流Ｉが電流流路１７のみを流れる状態を形成することが可能となり、また、電流Ｉが電流流路１７から溢れた場合には溢れた電流が溝１６を介して隣接するバイパス部１８に流れ出すことが可能な状態を形成することが可能となる。

［高温超電導層に電流流路を複数本形成することについて］
ところで、本実施形態では、高温超電導線材１を用いてダブルパンケーキコイルＤＰを形成する場合について説明した。そして、上記の高温超電導線材１（図１（Ａ）、（Ｂ）等参照）は、それを用いてソレノイドコイルやレイヤー巻きコイル等を形成する場合も、前述したダブルパンケーキコイルＤＰを形成する場合と同様に機能して、上記のような有益な作用効果を発揮し得る。
しかし、上記の高温超電導線材１を用いてシングルパンケーキコイルＳＰを形成する場合は、上記のような有益な作用効果を発揮させることが難しくなる。

上記の高温超電導線材１を用いてシングルパンケーキコイルＳＰを形成すると、前述したように、高温超電導線材１の幅方向（コイルの厚さ方向）の両端側が外側になり、高温超電導線材１の幅方向（コイルの厚さ方向）の中央側が内側になる（図５参照）。そして、この状態で各部分線材１０Ａ、１０Ｂの高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの電流流路１７Ａ、１７Ｂに流れる電流Ｉが増加すると、前述したようにマクスウェル方程式によるとコイルの内側に流れる電流が増加するとその外側に同じ方向の電流を誘起する電場が形成される。
そのため、図５に示すように、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの外側に、電流Ｉと同じ方向に流れる遮蔽電流Ｉｓが誘起される。そのため、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの外側に遮蔽電流帯が形成され、流れる電流Ｉがそれぞれ高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの外側に集中するためヒステリシス損失が発生してしまう。

そこで、このように本実施形態に係る高温超電導線材１を用いてシングルパンケーキコイルＳＰを形成する場合、部分線材１０Ａ、１０Ｂの高温超電導層１３Ａ、１３Ｂに設ける電流流路１７Ａ、１７Ｂを複数本ずつ（なお部分線材１０Ａ、１０Ｂで電流流路１７Ａ、１７Ｂの本数は同数）とするように構成すれば、上記の問題を解消することが可能となる。

この場合、高温超電導線材１は、図１（Ａ）に示した上記の高温超電導線材１と同様に部分線材１０Ａ、１０Ｂを重ね合わせて構成されるが、例えば図６に示すように、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂを長手方向に伸びる溝１９Ａ、１９Ｂで幅方向に複数の領域（図６では２つの領域）に分断する。そして、各領域に前述した溝１６Ａ、１６Ｂをそれぞれ設けて幅方向に蛇行する電流流路１７Ａ、１７Ｂやバイパス部１８Ａ、１８Ｂを形成する。
例えばこのように構成することで、部分線材１０Ａ、１０Ｂの高温超電導層１３Ａ、１３Ｂに電流流路１７Ａ、１７Ｂを複数本ずつ設けることができる。

そして、このように構成した高温超電導線材１を用いてシングルパンケーキコイルＳＰを形成すると、図７に示すように、高温超電導線材１の部分線材１０Ａ、１０Ｂの各高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの外側だけでなく内側にも電流Ｉが流れる状態を形成することができる。
そのため、各高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの内側や外側に電流Ｉが拡散して流れるようになり、電流Ｉが増加しても各高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの外側に遮蔽電流帯が形成されにくくなるため、ヒステリシス損失の発生が抑制される。そのため、ヒステリシス損失（交流損失）の低減を図ることが可能となる。

また、図６や図７に示した構成においても、高温超電導層１３の電流流路１７に臨界電流値を上回る電流Ｉが流れた場合には、電流流路１７から溢れた電流が電流流路１７に隣接するバイパス部１８やもう一方の部分線材１０の高温超電導層１３のバイパス部１８に流れ出す。そのため、本実施形態に係る高温超電導線材１では、クエンチが生じにくくなり、クエンチ耐性の強化を図ることが可能となる。

なお、仮に一方の部分線材１０の高温超電導層１３に欠陥が存在していても、高温超電導層１３を流れる電流が上記のように適切にバイパスされ、通電を継続することが可能となるため、高温超電導線材１として使用することが可能となる。

なお、図６等では、溝１９Ａ、１９Ｂで高温超電導層１３Ａ、１３Ｂを２つの領域に分断する場合を示したが、さらに多くの領域に分断するように構成することも可能である。
また、図６等では、溝１９で高温超電導層１３を分断して形成される複数の領域（図６では２つの領域）で、電流流路１７が互いに幅方向の同じ側に蛇行するように構成した場合を示したが、必ずしもこのように構成する必要はなく、例えば図８に示すように、複数の領域（図８では２つの領域）で、電流流路１７が互いに幅方向の反対側に蛇行するように構成することも可能である。この場合、図８に示すように、高温超電導層１３に溝１９を設ける必要はない。

さらに、図６や図８等では、複数の領域で電流流路１７が線材の長手方向で互いに同じ周期で蛇行するように構成する場合を示したが、必ずしもこのように構成する必要はない。
ただし、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの対応する領域（重なり合う領域）では、電流流路１７Ａ、１７Ｂは互いに線材の幅方向の反対側に位置するようにそれぞれ蛇行するように構成される。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る高温超電導線材の構成について説明する。
なお、以下では、第１の実施形態に係る高温超電導線材１と同じ機能を有する部材に関しては第１の実施形態で用いた符号と同じ符号を用いて説明する。また、本実施形態においても、便宜的に、一方の部分線材１０や各部材を符号にＡを付して表し、他方の部分線材１０や各部材を符号にＢを付して表す場合がある。

本実施形態に係る高温超電導線材２も、各部分線材１０はそれぞれ、基板１１の一方側の面に、中間層１２と、高温超電導層１３と、保護層１４が積層されて構成されており、さらに、その積層体を安定化層１５で被覆して形成される。各部材の詳しい内容は第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。

本実施形態では、第１の実施形態とは異なり、各部分線材１０の高温超電導層１３の長手方向に伸びる電流流路１７は、溝１６により複数本（なお部分線材１０Ａ、１０Ｂで電流流路１７Ａ、１７Ｂの本数は同数）で、かつ直線状に形成されている。
そして、溝１６により、高温超電導層１３とともに、高温超電導層１３を被覆する安定化層１５（金属層）も分断されて金属条２０とされている。

具体的には、図９（Ａ）に示すように、上記と同様にして部分線材１０を形成し（なお高温超電導層１３はまだ溝１６で分断されていない。）、図９（Ｂ）に示すように、安定化層１５の一面側からレーザーを照射する等して溝１６を形成して、安定化層１５と保護層１４、高温超電導層１３、中間層１２をともに分断する。なお、基板１１は分断されない。
上記の一面側の安定化層１５は、分断されて複数の金属条２０になる。このようにして、部分線材１０に複数本の直線状の電流流路１７（すなわち分断された高温超電導層１３）が形成される。

そして、図９（Ｃ）に示すように、このように形成された部分線材１０、１０が互いに電気的に絶縁されない状態で線材の厚さ方向に重ね合わせて高温超電導線材２が形成される。
その際、本実施形態においても、図９（Ｃ）に示すように、部分線材１０Ａ、１０Ｂが、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂが形成された基板１１Ａ、１１Ｂの面同士が対向する向きで重ね合わされており、また、２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂは、分断された側の安定化層１５Ａ、１５Ｂ同士が面接触する状態で重ね合わされていることが望ましい。これらの作用効果は第１の実施形態で説明した通りである。
また、本実施形態では、図９（Ｃ）に示すように、２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂは、一方の部分線材１０Ａの金属条２０Ａと他方の部分線材１０Ｂの金属条２０Ｂとが１対１で電気的に接触する位置関係になるように安定化層１５Ａ、１５Ｂ（金属条２０Ａ、２０Ｂ）同士が面接触する状態で重ね合わされている。

［作用］
［ヒステリシス損失の低減について］
次に、本実施形態に係る高温超電導線材２の作用としてのヒステリシス損失の低減作用について説明する。
本実施形態では、上記のように、溝１６、１６により各部分線材１０、１０の高温超電導層１３、１３が線材の幅方向に分断されて複数本の直線状の電流流路１７、１７がそれぞれ形成されている。

このような高温超電導線材２を用いて超電導コイルを形成した場合、直線状の電流流路１７が隣接する電流流路１７と電気的に絶縁されており、かつ各々の電流流路１７に生じる誘導電圧の積算値が一様であるとき、電流Ｉは各々の電流流路１７の幅に応じて均等に配分されて流れる。
そのため、各高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの幅方向の内側や外側に電流Ｉが拡散して流れるようになり、電流Ｉが増加しても各高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの幅方向の外側に遮蔽電流帯が形成されにくくなるため、ヒステリシス損失の発生が抑制される。そのため、ヒステリシス損失（交流損失）の低減を図ることが可能となる。

このような条件が満たされているとき、高温超電導層１３を溝１６で幅方向にＮ本に等分割（細線化）すると、理論上、高温超電導層１３全体で生じるヒステリシス損失は１／Ｎに減少する。しかし、各電流流路１７同士が電気的に接続されていると、結局、高温超電導層１３の幅方向の外側に位置する電流流路１７に電流Ｉの多くが流れる状態になり、結果的に高温超電導層１３の外側に遮蔽電流帯が形成されたのと同じような状況となってヒステリシス損失が発生してしまう。
そのため、各電流流路１７間ができるだけ電気的に絶縁されるように構成することが望ましい。

また、上記のように電流流路１７間の電気的な絶縁を図るために、図９（Ｂ）、（Ｃ）では、安定化層１５を分断して金属条２０を形成する際に、部分線材１０の幅方向（図中の左右方向）の両端の金属条２０と、金属条２０とされなかった残りの安定化層１５との間にも溝１６を形成する場合を示した。
しかし、このように形成せず、例えば図１０（Ａ）に示すように、幅方向の両端の金属条２０と残りの安定化層１５との間に溝１６を形成しない場合、残りの安定化層１５の部分を介して両端の金属条２０が電気的に接続されるため、両端の金属条２０の部分の各電流流路１７が電気的に絶縁されない状態（あるいは絶縁の程度が低い状態）が形成されてしまう可能性がある。

そのため、このような場合は、図１０（Ｂ）に示すように、残りの安定化層１５の部分に溝２１を形成して残りの安定化層１５を線材の幅方向に分断するように構成することが可能である。また、図示を省略するが、各安定化層１５の幅方向の両端部分をそれぞれ切断して除去するように構成すれば、両端の金属条２０の部分の各電流流路１７間の電気的な絶縁を図ることが可能となる。
また、この状態で、分断された残りの安定化層１５に他の導電体が接触すると、導電体を介して残りの安定化層１５が導通してしまい、両端の金属条２０の部分の各電流流路１７間の電気的な絶縁が図れなくなる可能性がある。そのため、この場合は、図１０（Ｃ）に示すように、重ね合わされた２本の部分線材１０、１０の周囲を絶縁テープ２２で被覆してそれらを一体化するように構成することが望ましい。この点は、図９（Ｃ）に示した高温超電導線材２の場合も同様であり、前述した第１の実施形態に係る高温超電導線材１の場合も同様である。

［クエンチ耐性の強化について］
また、本実施形態に係る高温超電導線材２においても、クエンチ耐性を強化することが可能となる。
前述したように、従来の高温超電導線材１００（図１３参照）では、高温超電導層１０１に臨界電流値を上回る電流が流れた場合に、大きな電流が高温超電導層１０１を流れることになるためクエンチが発生し、高温超電導層１０１が加速度的に発熱して、焼損に至る場合があった。

そして、上記の第１の実施形態では、一方の部分線材１０の電流流路１７に臨界電流値を上回る電流が流れると、当該電流流路１７から溢れた電流が、電流流路１７に隣接するバイパス部１８や他方の部分線材１０のバイパス部１８に流れ出すことができる。
このように、第１の実施形態では、電流流路１７に臨界電流値を上回る電流が流れた場合に、電流が当該電流流路１７から溢れること（バイパス部１８に流れ出すこと）ができるため、各電流流路１７でクエンチが生じにくくなり、クエンチ耐性を強化することができた。

本実施形態においても同様に、一方の部分線材１０の電流流路１７に臨界電流値を上回る電流が流れると、電流が、当該電流流路１７から、金属条２０同士が接触しているもう一方の部分線材１０の電流流路１７（図９（Ｃ）や図１０（Ｂ）、（Ｃ）において電流流路１７の図中上下方向の位置にある他の部分線材１０の電流流路１７）に流れ出すことができる。
そのため、本実施形態においても、電流流路１７に臨界電流値を上回る電流が流れた場合には、電流が当該電流流路１７から溢れることができるため、各電流流路１７でクエンチが生じにくくなり、クエンチ耐性を強化することが可能となる。

しかし、第１の実施形態では、電流流路１７から溢れた電流が流れ込むバイパス部１８には、通常時には電流が流れていないため、バイパス部１８にはいわば電流を受け入れる余力が十分にあったが、本実施形態の場合には、電流流路１７から溢れた電流が流れ込むもう一方の部分線材１０の電流流路１７にも既に電流が流れている。
そのため、もう一方の部分線材１０の電流流路１７の電流を受け入れる余力について、以下、考察する。

高温超電導線材の臨界電流値がその長手方向の各所において一定であったとしても、高温超電導線材を用いてコイルを形成すると、高温超電導線材は、コイルの径方向の内部では径方向の外部より強い磁場にさらされるため、コイルの径方向内部の方が臨界電流値が小さくなる。
そのため、コイルを形成する高温超電導線材に流す定格電流を決める際には、臨界電流値が最も小さくなる部分（すなわち径方向内部）での臨界電流値を基準とし、そこから例えば４割程度の余裕を見て決められる。最も小さくなる部分の臨界電流値が１３０Ａであるとき、定格電流は８０Ａ等に設定される。

そして、コイルの径方向の外部の高温超電導線材では臨界電流値がより大きな値になるため、ある境界よりも径方向の外部で臨界電流値は定格電流の２倍を超える状態になっている。
そのため、本実施形態の場合に、上記のように電流流路１７から溢れた電流が流れ込むもう一方の部分線材１０の電流流路１７にも電流（定格電流）が流れていても、その電流流路１７には電流を受け入れる余力がある。

そのため、本実施形態においても、電流流路１７に臨界電流値を上回る電流が流れた場合には、電流が当該電流流路１７から溢れて、もう一方の部分線材１０の電流流路１７に流れ出すことができる。
そのため、各電流流路１７でクエンチが生じにくくなり、クエンチ耐性を強化することが可能となる。

なお、本実施形態では、電流流路１７から溢れた電流Ｉが同じ部分線材１０の隣接する電流流路１７には流れ出さないように構成される。
電流流路１７から溢れた電流Ｉが同じ部分線材１０の隣接する電流流路１７に流れ出すことが許容されるように構成されていると、電流流路１７を流れる電流Ｉが隣接する外側の電流流路１７に移動していき、結局、高温超電導層１３の幅方向の外側に遮蔽電流帯が形成されてしまい、ヒステリシス損失が発生するおそれがあるためである。

また、本実施形態では、図９（Ｃ）や図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、２本の部分線材１０Ａ、１０Ｂは、一方の部分線材１０Ａの金属条２０Ａと他方の部分線材１０Ｂの金属条２０Ｂとが１対１で電気的に接触する位置関係になるように安定化層１５Ａ、１５Ｂ（金属条２０Ａ、２０Ｂ）同士が面接触する状態で重ね合わされている。
上記のクエンチ耐性の強化を考える場合、１本の金属条２０がもう一方の部分線材１０の複数の金属条２０と電気的に接触するように（すなわち１対多又は多対多）構成した方が、電流流路１７から溢れた電流が他の複数の電流流路１７に流れ出すようになるため、クエンチ耐性の強化の点ではよい。

しかし、このように構成すると、電流流路１７を流れる電流Ｉが金属条２０を介して幅方向のより外側の電流流路１７に移動していき、結局、高温超電導層１３の幅方向の外側に遮蔽電流帯が形成されてしまい、ヒステリシス損失が発生するおそれがある。
そのため、本実施形態のように、一方の部分線材１０Ａの金属条２０Ａと他方の部分線材１０Ｂの金属条２０Ｂとが１対１で電気的に接触する位置関係になるように面接触させるように構成することが望ましい。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る高温超電導線材２によれば、高温超電導層１３に、その長手方向に伸び当該高温超電導層１３を分断する溝１６が設けられており、溝１６により高温超電導層１３に電流流路１７が形成されている２本の部分線材１０、１０を互いに電気的に絶縁されない状態で線材の厚さ方向に重ね合わせて形成されている。
そして、電流流路１７は、溝１６により複数本（なお部分線材１０Ａ、１０Ｂで電流流路１７Ａ、１７Ｂの本数は同数）で、かつ直線状に形成されている。そして、溝１６により、安定化層１５（金属層）も分断されて金属条２０とされている。

そのため、本実施形態に係る高温超電導線材２を用いてコイルを形成し、高温超電導線材２の部分線材１０Ａ、１０Ｂの各電流流路１７Ａ、１７Ｂにそれぞれ電流Ｉを流すと、高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの幅方向の外側だけでなく幅方向の内側にも電流Ｉが流れる状態になり、幅方向の内側や外側に電流Ｉが拡散して流れるようになるため、電流Ｉが増加しても各高温超電導層１３Ａ、１３Ｂの幅方向の外側に遮蔽電流帯が形成されにくくなる。そのため、ヒステリシス損失の発生が抑制され、ヒステリシス損失（交流損失）の低減を図ることが可能となる。

また、電流流路１７に欠陥があった場合、本実施形態に係る高温超電導線材２は非常に優れた作用効果を発揮し得る。
特許文献１や特許第４７７７７４９号公報には、前述した図９（Ｂ）に示した構成に近い構成が記載されているが、これらの高温超電導線材では、本実施形態のように、それらと似た構成を有する上記の部分線材１０、１０を線材の厚さ方向に重ね合わせて高温超電導線材２を形成するようにはなっていない。

いま、例えば、高温超電導層１３を構成する超電導体に大きさが０．５ｍｍの欠陥がある場合を考える。高温超電導層１３の幅が例えば４ｍｍであれば、このような欠陥があっても大きな問題にはならない。
しかし、上記のように高温超電導層１３を溝１６で分断して、電流流路１７の幅が１ｍｍ程度になると深刻な影響を与えるようになり、その電流流路１７に電流を流せなくなる場合がある。そして、そのような欠陥が高温超電導層１３に一定確率であるとすると、高温超電導線材２の長さが長くなればなるほど電流を流せなくなる電流流路１７の数が増える。

特許文献１等に記載された高温超電導線材では、このように電流を流せなくなる電流流路の数が増えると、最悪の場合、全ての電流流路に電流が流せなくなり、高温超電導線材を使用することができなくなる。
また、そこまで至らないとしても、少なくとも電流を流せない電流流路の数が増えるほど、高温超電導層の臨界電流値が小さくなる。そのため、例えばそのような高温超電導線材を用いてコイルを形成すると、前述したように特にコイルの径方向の内部で臨界電流値が定格電流より小さくなってしまい、コイルに使えない線材になってしまう等の問題が生じ得る。

それに対し、本実施形態に係る高温超電導線材２では、電流流路１７に欠陥があり、電流流路１７の当該部分に電流が流れない場合、その部分では電流が電流流路１７から溢れてもう一方の部分線材１０の電流流路１７を流れるようになる。
前述したように、コイルの径方向の最も内部の高温超電導線材２の電流流路１７に上記のような欠陥があると、電流流路１７から溢れた電流がもう一方の部分線材１０の電流流路１７に流れ出すと、その電流流路１７を流れる電流が臨界電流値を超えてしまう可能性がある。

しかし、前述したように、コイルの径方向のある境界より外部では電流流路１７の臨界電流値が定格電流の２倍を超える状態になっている。そのため、その部分に欠陥があり、電流流路１７から溢れた電流がもう一方の部分線材１０の電流流路１７に流れ出しても、その電流流路１７を流れる電流は臨界電流値を超えない。
そのため、本実施形態に係る高温超電導線材２では、高温超電導層１３（電流流路１７）に欠陥があっても、コイルに使えなくなる割合が、特許文献１等に記載された高温超電導線材等に比べて格段に低くなる。

このように、本実施形態に係る高温超電導線材２は、特許文献１等に記載された高温超電導線材等に比べてコイルに使用することができる割合が非常に高くなるといった、実用上、非常に優れた作用効果を有している。
そして、上記のようにこの優れた作用効果は、電流流路１７の１本分の幅の、電流流路１７の長手方向における平均値（すなわち電流流路１７の長手方向の任意の各点における幅の平均値）が１ｍｍ以下とされているような場合に顕著に現れる。すなわち、電流流路１７の１本分の幅の平均値が１ｍｍ以下になると上記のように欠陥の影響が強く現れるようになるが、本実施形態に係る高温超電導線材２では、そのような欠陥がある場合でも、非常に高い割合でコイルに使用することが可能となる。

なお、電流流路１７の幅あるいはその平均値は、全ての電流流路１７において必ずしも同じである必要はない（すなわち例えば図９（Ｃ）等に記載されているように溝１６によって等分割されている必要はない）。
すなわち、等分割以外の分割の仕方であってもよく、電流流路１７の幅あるいはその平均値に違いがあってもよい。

［高温超電導線材で形成されたコイルについて］
次に、本実施形態に係る高温超電導線材１、２を用いて形成される高温超電導コイルについて説明する。
第１の実施形態や第２の実施形態に係る高温超電導線材１、２を渦巻き状に巻回して高温超電導コイル３０を形成することができる。

なお、以下、高温超電導線材１、２と記載する場合、第１の実施形態に係る高温超電導線材１又は第２の実施形態に係る高温超電導線材２であることを意味し、高温超電導線材１と高温超電導線材２のいずれでもよいことを表す。
また、以下では、高温超電導コイル３０を上下に並べてダブルパンケーキコイル５０として形成する場合について説明するが、本発明は、高温超電導コイル３０がダブルパンケーキコイルとして構成される場合に限定されず、ソレノイドコイルやレイヤー巻きコイル、シングルパンケーキコイル等として形成される場合にも適用される。

高温超電導線材１、２を用いてダブルパンケーキコイル５０を形成する場合、例えば図１１に示すように、コイル巻枠５１の上部に、同一平面内に高温超電導線材１、２を巻回して高温超電導コイル３０を形成し（上部パンケーキコイル５２）、コイル巻枠５１の下部に、同一平面内に高温超電導線材１、２を巻回して高温超電導コイル３０を形成する（下部パンケーキコイル５３）。
また、コイル巻枠５１に高温超電導線材１、２を巻回する際、最も内部のターンで上部パンケーキコイル５２の高温超電導線材１、２と下部パンケーキコイル５３の高温超電導線材１、２とを電気的に接続する橋渡し部５４が設けられる。また、上部パンケーキコイル５２と下部パンケーキコイル５３とで、高温超電導線材１、２に同じ方向に電流が流れるように巻回される。
例えば、以上のようにして高温超電導線材１、２を用いて高温超電導コイル３０やダブルパンケーキコイル５０を形成することができる。

ところで、前述した高温超電導線材１、２の高温超電導層１３や電流流路１７の欠陥は、経時的に（すなわち高温超電導線材１、２を用いた高温超電導コイル３０を使用するごとに）増えていく場合がある。そして、上記の各実施形態に係る高温超電導線材１、２を用いても、高温超電導層１３や電流流路１７の欠陥が増え過ぎるなど異常な状態になるとクエンチが発生したり高温超電導コイル３０が焼損したりする事態が生じる可能性がある。
そして、高温超電導コイル３０でクエンチが生じる前にクエンチに至る兆候を検出することができれば、実際にクエンチが発生したり高温超電導コイル３０の焼損が発生する前に高温超電導線材１、２を交換する等の措置を取ることができる。

一方、高温超電導コイル３０では、高温超電導線材１、２で欠陥が増加するなどクエンチが発生しやすい状態になると、高温超電導線材１、２の両端間（例えばダブルパンケーキコイル５０の場合は上部パンケーキコイル５２と下部パンケーキコイル５３からそれぞれ取り出された端部間）の抵抗電圧Ｖが上昇することが分かっている。
また、本発明者らの研究では、上記の抵抗電圧Ｖには分水嶺のような値があり、その値以下の状態では、高温超電導コイル３を使用し続けてもそれを形成する高温超電導線材１、２の温度が上昇してもある温度で安定し、温度はそれ以上上昇しない。しかし、上記の抵抗電圧Ｖがその値を超えた状態で高温超電導コイル３を使用すると、高温超電導線材１、２の温度が加速度的に上昇してクエンチに至ることが分かっている。

そのため、高温超電導コイル３０でクエンチが生じる前にクエンチに至る兆候を検出するためには、高温超電導コイル３０を形成する高温超電導線材１、２の両端間の抵抗電圧Ｖを検出するように構成し、抵抗電圧Ｖが、設定された基準値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}（例えば上記の分水嶺の値）に達したか否かによって、クエンチに至る兆候が生じたか否かを判断するように構成することが可能である。
そして、抵抗電圧Ｖが、設定された基準値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}に達した場合には、高温超電導コイル３０の使用を中止し、高温超電導線材１、２を交換する等の措置を取れば、高温超電導コイル３０でクエンチや焼損が生じることを的確に防止することができる。

しかし、上記のように単に高温超電導コイル３０の高温超電導線材１、２の両端間の電圧ｖを検出すると、検出される電圧ｖには、上記の抵抗電圧Ｖのほかに、外部磁場の変動によって発生する誘導電圧や自己磁界変動に伴う誘導電圧等が重畳されている。
そして、誘導電圧は一般的に上記の抵抗電圧よりも一桁から数桁大きいため、検出された電圧ｖのみから抵抗電圧Ｖを識別することは容易ではない。

そこで、高温超電導コイル３０を形成する際に、絶縁部材を介して高温超電導線材１、２と導線とが共巻きされるように構成することが可能である。
具体的には、例えば、図１２に示すように、導線としての銅条３１に絶縁部材としての絶縁テープ３２（例えばポリイミドテープ等）を銅条３１の面が露出しない状態に巻き付けたもの（以下、絶縁被覆銅条３３という。）を、高温超電導線材１、２と共巻きして高温超電導コイル３０を形成する。

そして、クエンチの兆候検出時には、上記のように高温超電導線材１、２の両端間の電圧ｖ_１，２を検出するととともに、それと共巻きした絶縁被覆銅条３３（銅条３１）の両端間の電圧ｖ_３３も検出する。
上記のように構成すると、高温超電導線材１、２で形成されたコイルと共巻きコイル（絶縁被覆銅条３３で形成されたコイル）が同じ空間を占めているため、２つのコイルの外部磁場の変動による誘導電圧や自己磁界変動に伴う誘導電圧等が高い精度で一致する。
そのため、高温超電導線材１、２について検出された電圧ｖ_１，２と絶縁被覆銅条３３について検出された電圧ｖ_３３との差を算出することで、誘導電圧等が重畳されていない抵抗電圧Ｖのみを検出することが可能となる。

また、上記のように差の算出処理を行って抵抗電圧Ｖを検出する代わりに、例えば、図１２の上部パンケーキコイル５２で共巻きした高温超電導線材１、２と絶縁被覆銅条３３の端部をそれぞれ露出させ、高温超電導線材１、２の高温超電導層１３（電流流路１７）と絶縁被覆銅条３３の銅条３１とを電気的に接続する（図示省略）。すなわちそれらを直列につなぐ。
このように構成すると、共巻きされ直列につながれた高温超電導線材１、２と絶縁被覆銅条３３によって形成される経路はいわゆる無誘導巻き状態になり、この経路では、コイルを貫く磁束に時間変化が生じても誘導電圧は発生しない。

そのため、この経路の電圧、すなわち上記の場合は下部パンケーキコイル５３の高温超電導線材１、２と絶縁被覆銅条３３の両端間の電圧が、すなわち上記の抵抗電圧Ｖということになる。
そのため、上記の経路の電圧を検出することで、誘導電圧等が重畳されていない抵抗電圧Ｖのみを検出することが可能となる。

そして、以上のように、高温超電導コイル３０を形成する際に、絶縁部材（絶縁テープ３２）を介して高温超電導線材１、２と導線（銅条３１）とを共巻きするように構成して、上記のようにして抵抗電圧Ｖを検出することで、検出した抵抗電圧Ｖの値に基づいて高温超電導コイル３０でクエンチに至る兆候が生じたか否かを的確に判断することが可能となる。
そして、抵抗電圧Ｖに基づいて高温超電導コイル３０でクエンチに至る兆候が生じたと判断される場合（すなわち抵抗電圧が基準値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}に達した場合）に、高温超電導コイル３０の使用を中止し、高温超電導線材１、２を交換する等の措置を取れば、高温超電導コイル３０でクエンチや焼損が生じることを的確に防止することが可能となる。

なお、本発明が上記の実施形態等に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜変更可能であることは言うまでもない。

１、２ 高温超電導線材
１０ 部分線材
１１ 基板
１３ 高温超電導層
１５ 安定化層（金属層）
１６、１９、２１ 溝
１６ａ 平行な部分
１６ｂ 斜めの部分
１７ 電流流路
２０ 金属条
２２ 絶縁テープ
３０ 高温超電導コイル
３１ 銅条（導線）
３２ 絶縁テープ（絶縁部材）

Claims (11)

1. テープ形状の基板と、前記基板上に形成された高温超電導層と、前記高温超電導層を被覆する金属層をそれぞれ備える２本の部分線材を互いに電気的に絶縁されない状態で線材の厚さ方向に前記高温超電導層同士が対向する向きに前記金属層同士を面接触させて重ね合わせて形成された高温超電導線材であって、
   ２本の前記部分線材の前記高温超電導層には、当該高温超電導層の長手方向に伸び、当該高温超電導層を幅方向に分断する溝がそれぞれ設けられており、前記溝により前記高温超電導層に電流流路がそれぞれ形成されていることを特徴とする高温超電導線材。
2. 前記高温超電導層の前記電流流路は、前記溝により当該高温超電導層の幅方向に蛇行するように形成されており、
   ２本の前記部分線材は、前記高温超電導層の前記電流流路が互いに前記幅方向の反対側に位置するようにそれぞれ蛇行する状態で重ね合わされていることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導線材。
3. 前記部分線材の前記高温超電導層には、前記電流流路がそれぞれ複数本ずつ形成されていることを特徴とする請求項２に記載の高温超電導線材。
4. ２本の前記部分線材で前記電流流路の本数が同数であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の高温超電導線材。
5. 前記溝は、前記高温超電導層の長手方向に対して平行な部分と斜めの部分とを有し、前記平行な部分の長さが１ｍ以下とされていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の高温超電導線材。
6. 前記高温超電導層の前記電流流路は、前記溝により複数の直線状に形成されており、かつ、２本の前記部分線材で前記電流流路の本数が同数とされており、
   前記溝により、前記高温超電導層とともに、当該高温超電導層を被覆する金属層も分断されて金属条とされていることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導線材。
7. ２本の前記部分線材は、一方の前記部分線材の前記金属条と他方の前記部分線材の前記金属条とが１対１で電気的に接触する位置関係になるように前記金属層同士が面接触する状態で重ね合わされていることを特徴とする請求項６に記載の高温超電導線材。
8. 前記電流流路の１本分の幅の、前記電流流路の長手方向における平均値が１ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の高温超電導線材。
9. 重ね合わされた２本の前記部分線材が、その周囲を絶縁テープで被覆されて一体化されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の高温超電導線材。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載された高温超電導線材を巻回して形成されていることを特徴とする高温超電導コイル。
11. 絶縁部材を介して前記高温超電導線材と導線とが共巻きされていることを特徴とする請求項１０に記載の高温超電導コイル。

Images