JP2020167115A - 酸化物超電導線材 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層の絶縁性能の低下を抑制できる酸化物超電導線材を提供する。【解決手段】酸化物超電導線材１０は、基材１および超電導層３を有する超電導積層体５と、超電導積層体５を覆う安定化層６と、安定化層６を覆う絶縁層７と、を備える。絶縁層７は、絶縁テープ８を安定化層６の外面６ａに巻き付けることにより形成される。安定化層６の外面６ａの表面粗さＲｚは２．５μｍ〜１０μｍである。絶縁層７の厚さは１５μｍ〜５０μｍである。【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物超電導線材に関する。

酸化物超電導線材は、例えば、基材と、中間層と、酸化物超電導層と、保護層とを有する超電導積層体の外周面に安定化層が形成されて構成される。酸化物超電導線材は、安定化層の外周面に絶縁層が形成されることがある。絶縁層は、例えば、絶縁テープで構成される（例えば、特許文献１を参照）。

特許第５５０１５４１号公報

しかしながら、前述の酸化物超電導線材では、絶縁テープが破損、位置ずれすることなどにより、絶縁層の絶縁性能が低くなる可能性があった。

本発明の一態様は、上記事情に鑑みてなされたものであり、絶縁層の絶縁性能の低下を抑制できる酸化物超電導線材を提供することを課題とする。

本発明の一態様は、基材および超電導層を有する超電導積層体と、前記超電導積層体を覆う安定化層と、前記安定化層を覆う絶縁層と、を備え、前記絶縁層は、絶縁テープを前記安定化層の外面に巻き付けることにより形成され、前記安定化層の外面の表面粗さＲｚは、２．５μｍ〜１０μｍであり、前記絶縁層の厚さは、１５μｍ〜５０μｍである、酸化物超電導線材を提供する。

安定化層の外面の表面粗さＲｚは２．５μｍ以上であるため、前記外面の突起（微小突起）が絶縁テープに当接することによってずれ止め突起として作用し、絶縁テープに位置ずれが起こりにくくなる。よって、絶縁層は高い絶縁性能（絶縁耐性）を確保できる。前記外面の表面粗さＲｚは１０μｍ以下であるため、前記突起の突出高さを抑制し、前記突起の圧迫による絶縁テープの破損、および局所的な薄膜化を防ぐことができる。よって、絶縁層の絶縁耐性の低下を抑制できる。

絶縁層の厚さは１５μｍ以上であるため、絶縁層を構成する絶縁テープに十分な機械的強度（例えば、引張強度）を与えることができる。そのため、絶縁層の形成にあたって、絶縁テープを破損しにくくすることができる。よって、絶縁層は高い絶縁性能（絶縁耐性）を確保できる。絶縁層の厚さは５０μｍ以下であるため、この酸化物超電導線材を用いた超電導コイルにおける電流密度の低下を抑制することができる。

前記安定化層の外面の表面粗さＲａは、０．３μｍ〜１μｍであることが好ましい。

前記絶縁テープは、ポリイミドで形成されることが好ましい。

前記絶縁層は、前記絶縁テープを前記安定化層の外面に二重ラップ巻きにより巻き付けることにより形成されることが好ましい。

本発明の一態様によれば、絶縁層の絶縁性能の低下を抑制できる。

一実施形態の酸化物超電導線材を模式的に示す断面図である。 絶縁層を形成する方法の一例を説明する模式図である。 図１の酸化物超電導線材を用いた超電導コイルの斜視図である。 図１の酸化物超電導線材を用いた超電導コイルを模式的に示す断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。

［酸化物超電導線材］（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の酸化物超電導線材１０を模式的に示す断面図である。酸化物超電導線材１０は、超電導積層体５と、安定化層６と、絶縁層７とを備える。超電導積層体５は、基材１上に中間層２を介して酸化物超電導層３および保護層４が形成された構造を有する。詳しくは、超電導積層体５は、テープ状の基材１の一方の面に、中間層２と酸化物超電導層３と保護層４がこの順に積層された構成を有する。

Ｙ方向は、酸化物超電導線材１０の厚さ方向であり、基材１、中間層２、酸化物超電導層３、保護層４等の各層が積層される方向である。Ｘ方向は、酸化物超電導線材１０の幅方向であり、酸化物超電導線材１０の長手方向および厚さ方向に直交する方向である。

基材１は、テープ状であり、例えばハステロイ（登録商標）等の金属で形成されている。
中間層２は、例えば、基材１側から、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を備える。拡散防止層は、基材１の成分の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層３側に混入することを抑制する機能を有する。ベッド層は、基材１と酸化物超電導層３との界面における反応を低減し、その上に形成される層の配向性を向上させる。配向層は、キャップ層の結晶配向性を制御する。キャップ層は、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなる。

酸化物超電導層３は、酸化物超電導体から構成される。酸化物超電導体としては、特に限定されないが、例えば一般式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｘ（ＲＥ１２３）で表されるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体が挙げられる。希土類元素ＲＥとしては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちの１種又は２種以上が挙げられる。

保護層４は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、酸化物超電導層３と保護層４の上に設けられる層との間で起こる化学反応を抑制する等の機能を有する。保護層４の材質としては、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、金と銀との合金、その他の銀合金、銅合金、金合金などが挙げられる。

基材１、中間層２、酸化物超電導層３および保護層４の構成は、公知技術を適用できる。

安定化層６は、超電導積層体５の外面全体を覆って形成されている。安定化層６は、酸化物超電導層３が常電導状態に転移した時に発生する過電流を転流させるバイパス部としての機能を有する。安定化層６の構成材料としては、銅、銅合金（例えばＣｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金等）、アルミニウム、アルミニウム合金、銀等の金属が挙げられる。安定化層６は、めっき（例えば電解めっき）によって形成することができる。

安定化層６の外面６ａの表面粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に規定されている最大高さ）は、２．５μｍ〜１０μｍである。安定化層６の外面６ａの表面粗さＲｚは２．５μｍ以上であるため、外面６ａの突起（微小突起）が絶縁テープ８（後述）に当接することによってずれ止め突起として作用し、絶縁テープ８に位置ずれが起こりにくくなる。よって、絶縁層７は高い絶縁性能（絶縁耐性）を確保できる。例えば、絶縁テープ８が二重ラップ巻き（図２参照）されている場合には、絶縁テープ８の幅方向の位置がずれると、その部分で絶縁テープ８が一重となって絶縁耐性が低下したり、安定化層６が露出してしまうことが考えられるが、外面６ａの表面粗さＲｚを前記範囲とすることで、このような絶縁耐性の低下や安定化層６の露出を抑制できる。

安定化層６の外面６ａの表面粗さＲｚ（最大高さ）は１０μｍ以下であるため、外面６ａの突起の突出高さを抑制し、外面６ａの突起の圧迫による絶縁テープ８の破損、および局所的な薄膜化を防ぐことができる。よって、絶縁層７の絶縁耐性の低下を抑制できる。
安定化層６は、外面６ａに研磨紙などにより研磨を施すことで表面粗さＲｚを前述の範囲にすることができる。

安定化層６の外面６ａの表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に規定されている算術平均粗さ）は、０．３μｍ〜１μｍが好ましい。安定化層６の外面６ａの表面粗さＲａが０．３μｍ以上であると、絶縁テープ８に位置ずれが起こりにくくなるため、絶縁層７は高い絶縁性能（絶縁耐性）を確保できる。安定化層６の外面６ａの表面粗さＲａは１μｍ以下であると、外面６ａの突起の突出高さを抑制できるため、絶縁テープ８の破損、および局所的な薄膜化を抑制し、絶縁耐性が低下するのを回避できる。
安定化層６は、外面６ａに研磨紙などにより研磨を施すことで表面粗さＲａを前述の範囲にすることができる。

絶縁層７は、安定化層６の外面６ａの全体を覆って形成されている。絶縁層７は、絶縁性材料（例えば、絶縁性の樹脂）で構成される。絶縁性の樹脂としては、ポリイミド、フッ素樹脂、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリウレタン、ポリエステル、ポリビニルブチラール、およびポリビニルホルマールなどが挙げられる。なかでも、ポリイミドおよびフッ素樹脂は、電気絶縁性等の特性に優れるため好ましい。

絶縁層７は、前記絶縁性材料で構成される絶縁テープ８を用いて形成される。絶縁層７は、例えば、絶縁テープ８が安定化層６の外面６ａに巻き付けられて構成される。絶縁テープ８の巻き形態としては、ラップ巻き、突合せ巻きなどが挙げられる。絶縁テープ８は、安定化層６の外面６ａに縦添えして形成してもよい。ラップ巻きは、テープの側縁を含む領域が互いに重なるように巻き付ける巻き方である。突合せ巻きとは、テープが互いに重ならないように側縁どうしを突き合わせて巻き付ける巻き方である。

図２は、絶縁層７を形成する方法の一例を説明する模式図である。図２に示すように、この例の方法では、絶縁テープ８のラップ巻きにより絶縁層７を形成する。絶縁テープ８は、側縁８ａを含む重ね領域８ｂが互いに重なるように安定化層６の外面６ａに巻きつけられる。重ね領域８ｂは、例えば、絶縁テープ８の幅の約１／２に相当する領域である。絶縁テープ８は、既に安定化層６に巻き付けられた絶縁テープ８の重ね領域８ｂに重ねられつつ巻き付けられる。一方の側縁８ａを含む第１の重ね領域８ｂ（８ｂ１）は前の周回の重ね領域８ｂに重ねられるため、この領域では絶縁テープ８は二重に積層される。他方の側縁８ａを含む第２の重ね領域８ｂ（８ｂ２）には、後の周回の重ね領域８ｂが重ねられるため、この領域でも絶縁テープ８は二重に積層される。よって、絶縁テープ８は、ほぼ全幅にわたって二重の積層構造を有する絶縁層７となる。このようなラップ巻きを「二重ラップ巻き」という。二重ラップ巻きは、絶縁テープ８間に隙間が生じにくく、しかも絶縁テープ８の積層厚さを抑えることができる。そのため、絶縁層７に高い絶縁性能（絶縁耐性）を確保し、かつ、超電導コイルにおける電流密度の低下を抑制することができる。

絶縁テープ８を安定化層６の外面６ａに巻き付ける際には、絶縁テープ８に０．１〜０．３ｋｇｆ（０．９８〜２．９４Ｎ）の引張張力を加えながら、絶縁テープ８を安定化層６の外面６ａに巻回することが好ましい。引張張力を０．１ｋｇｆ以上とすることで絶縁テープ８を安定化層６の外面６ａとの間に隙間がないように巻回することができる。また、引張張力を０．３ｋｇｆ以下とすることで絶縁テープ８は破損しにくくなる。

図１に示すように、絶縁層７の厚さＴ１は１５μｍ〜５０μｍである。絶縁層７の厚さＴ１は１５μｍ以上であるため、絶縁層７を構成する絶縁テープ８に十分な機械的強度（例えば、引張強度）を与えることができる。そのため、絶縁層７の形成にあたって、絶縁テープ８を破損しにくくすることができる。よって、絶縁層７は高い絶縁性能（絶縁耐性）を確保できる。絶縁層７の厚さＴ１は５０μｍ以下であるため、酸化物超電導線材１０を用いた超電導コイルにおける電流密度の低下を抑制することができる。

絶縁テープ８の厚さは７．５μｍ以上が好ましい。これによって、絶縁テープ８に十分な機械的強度（例えば、引張強度）を与えることができる。そのため、絶縁層７の形成にあたって、絶縁テープ８を破損しにくくし、絶縁層７に高い絶縁性能（絶縁耐性）を確保できる。絶縁テープ８の厚さは２５μｍ以下が好ましい。これによって、酸化物超電導線材１０を用いた超電導コイルにおける電流密度の低下を抑制することができる。

［超電導コイル］
図３は、酸化物超電導線材１０を用いた超電導コイル１００の斜視図である。図４は、超電導コイル１００を模式的に示す断面図である。図４は、図３のＩ−Ｉ断面を示す図である。
図３に示すように、超電導コイル１００は、酸化物超電導線材１０が厚さ方向に積層されて多数回巻回されて構成されたパンケーキ型の多層巻きコイルである。図４に示すように、超電導コイル１００は、酸化物超電導線材１０と金属テープ２０とが積層された積層体３０と、含浸樹脂層４０とを備える。
含浸樹脂層４０は、積層体３０に含浸されるとともに、積層体３０の外表面を覆っている。含浸樹脂層４０を構成する樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。

超電導コイル１００は、例えば、樹脂（エポキシ樹脂等）を塗布した酸化物超電導線材１０と金属テープ２０とを共巻きによりコイル化した後、加熱等により前記樹脂を硬化させる方法により製造することができる。超電導コイル１００の製造方法としては、酸化物超電導線材１０と金属テープ２０とを共巻きによりコイル化した後、このコイルに減圧下で前記樹脂を含浸させ、加熱等により前記樹脂を硬化させる方法をとってもよい。

［実施形態の酸化物超電導線材が奏する効果］
絶縁層が絶縁テープで構成される酸化物超電導線材では、電流密度を低下させずに高い絶縁性能を得るのは難しい場合があった。しかし、実施形態の酸化物超電導線材１０では、安定化層６の外面６ａの表面粗さＲｚを２．５μｍ〜１０μｍとすることによって、絶縁テープ８の位置ずれ（例えば絶縁テープ８の幅方向の位置ずれ）を生じにくくし、かつ、絶縁テープ８の破損および局所的薄膜化を抑制できる。

実施形態の酸化物超電導線材１０は、絶縁層７の厚さを１５μｍ〜５０μｍとすることによって、電流密度を低下させることなく、絶縁テープ８に十分な強度を与えて破損しにくくすることができる。このように、実施形態の酸化物超電導線材１０では、安定化層６の外面６ａの表面粗さＲｚおよび絶縁層７の厚さを前述の範囲とすることによって、電流密度を良好とし、かつ、絶縁層７において優れた絶縁性能を確保することができる。

以下、酸化物超電導線材の試験結果について説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。

（試験例１〜５）
酸化物超電導線材を次のようにして作製した。ハステロイで構成されたテープ状の基材（厚さ７５μｍ）の一方の面に中間層を形成した。中間層は、拡散防止層、ベッド層、配向層およびキャップ層をこの順に積層した構成である。中間層の上に、ＧｄＢＣＯで構成される酸化物超電導層を形成した。酸化物超電導層の上に、Ａｇで構成される保護層を形成して超電導積層体を得た。超電導積層体の外面に、銅で構成される安定化層（厚さ２０μｍ）を電界めっきにより形成し、幅４ｍｍの超電導線材本体を得た。

研磨紙を用いて安定化層の外面に研磨を施すことによって、この外面の表面粗さＲｚ（最大高さ）、および表面粗さＲａ（算術平均粗さ）を表１に示す範囲とした。

安定化層の外面に、絶縁テープ（ポリイミドテープ。厚さ１２．５μｍ）を二重ラップ巻き（図２参照）により巻き付けることによって絶縁層（厚さ２５μｍ）を形成した。これにより、酸化物超電導線材を得た。

前記酸化物超電導線材と、銅で構成される金属テープ（厚さ２０μｍ、幅３ｍｍ）とを共巻きによりコイル化した。この際、酸化物超電導線材に加えた張力は５ｋｇｆ（４９Ｎ）であった。酸化物超電導線材と金属テープとの間に高電圧（ＤＣ１ｋＶ）を加え、絶縁が保たれているか否かを調べた。結果を「絶縁性」として表１に示す。絶縁が保たれた場合を「〇（Ｇｏｏｄ）」とし、絶縁性が低くなった場合を「△（Ｎｏｔ Ｖｅｒｙ Ｇｏｏｄ）」とする。
コイル化のため酸化物超電導線材をロール間で搬送する際に、酸化物超電導線材に絶縁テープのずれが生じているか否かを目視にて確認した。結果を「テープずれ」として表１に示す。絶縁テープのずれが起こらなかった場合を「〇（Ｇｏｏｄ）」とし、絶縁テープのずれが起きた場合を「△（Ｎｏｔ Ｖｅｒｙ Ｇｏｏｄ）」とする。

表１に示すように、試験例１〜４では絶縁が維持できたことが確認された。試験例５では、電圧低下（絶縁層の絶縁破壊）が起こった。試験例２〜５ではテープずれは起こらなかった。試験例１においては、テープずれが確認された。このように、安定化層の表面粗さＲｚが２．５〜１０μｍである試験例２〜４では、絶縁性が確保され、かつテープずれは起こらなかった。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、超電導コイルの形状は特に限定されない。超電導コイルは、円環状に限らず、レーストラック状、矩形状などであってもよい。絶縁層は、安定化層の外面の少なくとも一部を覆っていればよいが、全体を覆うのが好ましい。

１…基材、３…酸化物超電導層、５…超電導積層体、６…安定化層、６ａ…外面、７…絶縁層、８…絶縁テープ、１００…超電導コイル。

Claims (4)

1. 基材および超電導層を有する超電導積層体と、
   前記超電導積層体を覆う安定化層と、
   前記安定化層を覆う絶縁層と、を備え、
   前記絶縁層は、絶縁テープを前記安定化層の外面に巻き付けることにより形成され、
   前記安定化層の外面の表面粗さＲｚは、２．５μｍ〜１０μｍであり、
   前記絶縁層の厚さは、１５μｍ〜５０μｍである、酸化物超電導線材。
2. 前記安定化層の外面の表面粗さＲａは、０．３μｍ〜１μｍである、請求項１記載の酸化物超電導線材。
3. 前記絶縁テープは、ポリイミドで形成される、請求項１または２に記載の酸化物超電導線材。
4. 前記絶縁層は、前記絶縁テープを前記安定化層の外面に二重ラップ巻きにより巻き付けることにより形成される、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の酸化物超電導線材。

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