JP2022177409A - 超伝導導体および巻線 - Google Patents

Abstract

【課題】損失が低減された超伝導導体を提供する。【解決手段】超伝導導体１０は、互いに撚り合わされた複数の金属素線１１を有する撚り線１と、可撓性を有する基板の表面に形成された超伝導層を有し、撚り線１の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、テープ形状の超伝導線材２と、を備え、金属素線１１の直径は０．３ｍｍ以下であり、撚り線１の直径は５ｍｍ以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、ケーブル状の超伝導導体および当該超伝導導体が巻回されてなる巻線に関する。

電気エネルギーを効率的に生成、伝送、変換、使用および貯蔵するための技術として、高温超伝導（high-temperature superconductivity）が注目されている。例えば高温超伝導材料を用いて作製された線材（以下、高温超伝導線材と呼ぶ）や、それを集合化した超伝導導体を、発電機や電動機（モータ）の電機子巻線に用いることにより、電機子巻線に高電流密度で大電流を流すことが可能となる。これにより、電機子鉄心を削減することが可能となり、発電機や電動機を軽量化することが期待されている。発電機や電動機を軽量化することが可能になると、例えば、航空機の電動化の実現や、大型の浮体式洋上風力発電の導入促進につながる。航空機の電動化が実現されたり、風力発電の導入が促進されたりすると、ＣＯ_２排出量の削減が期待されることから、高温超伝導技術は、脱炭素社会の実現に大きく寄与することが期待されている。

一方で、超伝導線材を交流で用いるときには、交流の磁界によって交流損失が発生する。一般に、超伝導線材に電流が流れる、または、磁界が加わっているときには、超伝導線材中に磁束が磁束量子という形で侵入している。直流電流または直流磁界が印加されている運転条件下においては、磁束量子は移動せず静止しているが、交流電流または交流磁界が印加されている運転条件下においては、超伝導線材の位置において磁束の分布が変化することにより、磁束量子が移動しなければならなくなる。磁束量子が移動する際にはいわば摩擦のようなものが生じ、この摩擦熱に相当するものが交流損失である。特に、巻線（コイル）の交流応用では、巻線に用いられる超伝導線材や超伝導導体に対して横方向（超伝導線材や超伝導導体が長手方向に延びる場合には、長手方向に交差する方向）から加わる交流磁界による交流損失が大きくなる。

超伝導線材において発生するこのような交流損失を低減させるために、これまでに様々な手法が提案されている。例えば特許文献１には、交流損失を低減させる超伝導導体および超伝導導体を備えた超伝導ケーブルが開示されている。

特開２００８－４７５１９号公報

超伝導線材は、１本では数十アンペアから数百アンペアの電流しか流せないことがほとんどである。高温超伝導を用いた機器の社会実装に向けて、複数本の超伝導線材を、高電流密度で大電流を流すことができ、かつ巻線を可能にするために可撓性に優れた超伝導導体に集合化することが求められている。

ところが、実用的な高温超伝導線材のほとんどはテープ形状をしており（以下、超伝導テープ線材とも呼ぶ）、複数本の超伝導テープ線材を集合化して、高電流密度で大電流を流すことができ、かつ可撓性に優れた超伝導導体を構成することは容易ではない。複数本の超伝導テープ線材を単純に重ねただけでは、複数本の超伝導テープ線材の間のインダクタンスが不平衡になり、その結果、交流通電時に電流分布が不均一になり、超伝導導体全体に超伝導状態で流せる電流が減ってしまったり、交流損失が増えてしまったりして、超伝導導体を交流応用に供することはできない。

また、超伝導導体の構成によっては、超伝導線材以外の部材として、例えば芯材等の金属構成部材を含み、そのような超伝導導体を交流で用いるときには、交流の磁界によって、金属構成部材である芯材において渦電流損失が発生する。

このような、超伝導線材において交流損失が発生する点、金属構成部材において渦電流損失が発生する点、および、複数本の超伝導テープ線材を集合化して、高電流密度で大電流を流すことができ、かつ可撓性に優れた超伝導導体を構成することが困難である点が、高温超伝導を用いた機器の社会実装に向けたボトルネックとなっている。

本発明は、損失が低減された超伝導導体を提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、臨界電流の低下が軽減または防止された超伝導導体を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
（項１）
互いに撚り合わされた複数の金属素線を有する撚り線と、
可撓性を有する基板の表面に形成された超伝導層を有し、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、テープ形状の超伝導線材と、
を備え、
前記金属素線の直径は０．３ｍｍ以下であり、前記撚り線の直径は５ｍｍ以下である、超伝導導体。
（項２）
前記超伝導線材の長手方向と前記撚り線の長手方向とのなす角度は、４５度以上９０度未満である、項１に記載の超伝導導体。
（項３）
前記複数の金属素線は同じ向きに撚り合わされている、項１または２に記載の超伝導導体。
（項４）
前記複数の金属素線は同じ撚りピッチで撚り合わされている、項１から３のいずれか一項に記載の超伝導導体。
（項５）
前記撚り線と前記超伝導線材との間に、前記撚り線の周囲を長手方向に沿って覆うように配置された、可撓性を有する平滑化層をさらに備える、項１から４のいずれか一項に記載の超伝導導体。
（項６）
前記平滑化層は、樹脂または金属を用いて形成されており、前記撚り線の周囲を筒状にまたは螺旋状に覆っている、項５に記載の超伝導導体。
（項７）
複数の前記超伝導線材を備え、
複数の前記超伝導線材は、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、項１から６のいずれか一項に記載の超伝導導体。
（項８）
複数の前記超伝導線材は異なる向きで、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、項７に記載の超伝導導体。
（項９）
前記超伝導線材において、
複数の前記超伝導層は、前記基板の長手方向に延伸し、前記基板の短手方向に並列に配置されている、項１から８のいずれか一項に記載の超伝導導体。
（項１０）
前記超伝導線材と、前記撚り線が有する少なくとも一つの前記金属素線とを電気的に接続する常伝導部材をさらに備える、項１から９のいずれか一項に記載の超伝導導体。
（項１１）
前記超伝導線材と、前記撚り線が有する少なくとも一つの前記金属素線とを電気的に接続する常伝導部材をさらに備え、
複数の前記常伝導部材は、隣接する前記常伝導部材間の前記超伝導導体の区間において、前記超伝導導体に対する横方向の磁界の積分値を最小化するように配置されている、項１から１０のいずれか一項に記載の超伝導導体。
（項１２）
互いに撚り合わされた複数の金属素線を有する撚り線と、
可撓性を有する基板の表面に形成された超伝導層を有し、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、テープ形状の超伝導線材と、
前記撚り線と前記超伝導線材との間に、前記撚り線の周囲を長手方向に沿って覆うように配置された、可撓性を有する平滑化層と、
を備える、超伝導導体。
（項１３）
互いに撚り合わされた複数の金属素線を有する撚り線と、
可撓性を有する基板の表面に形成された超伝導層を有し、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、テープ形状の超伝導線材と、
を備え、
前記撚り線の外周に沿った前記超伝導線材の折れ曲がり角度は１２度以下である、超伝導導体。
（項１４）
項１から１３のいずれか一項に記載の超伝導導体が巻回されてなる巻線。

本発明によると、損失が低減された超伝導導体を提供することができる。

本発明に係るケーブル状の超伝導導体において損失が低減する原理を説明するための模式的な図である。 本発明の第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａの構成を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａが備える様々な態様の超伝導テープ線材２の構成を示す図であり、第１の態様の超伝導線材２Ａの構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａが備える様々な態様の超伝導テープ線材２の構成を示す図であり、第２の態様の超伝導線材２Ｂの構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａが備える様々な態様の超伝導テープ線材２の構成を示す図であり、第３の態様の超伝導線材２Ｃの構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る超伝導導体１０Ｂの構成を模式的に示す図である。 様々な態様の超伝導テープ線材２（２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ）の構成を模式的に示す斜視図である。 実施例１において損失の低減効果について検証した結果を示すグラフである。 実施例２において作製した超伝導導体１０Ｃ（１０）の構成を模式的に示す図である。 実施例２において作製した超伝導導体１０Ｃ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。 実施例３において作製した超伝導導体１０Ｄ（１０）の構成を模式的に示す図である。 実施例３において作製した超伝導導体１０Ｄ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。 実施例４において作製した超伝導導体１０Ｅ（１０）の構成を模式的に示す図である。 実施例４において作製した超伝導導体１０Ｅ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。 実施例５において作製した超伝導導体１０Ｆ（１０）の構成を模式的に示す図である。 実施例５において作製した超伝導導体１０Ｆ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。 実施例６において作製した超伝導導体１０Ｇ（１０）の構成を模式的に示す図である。 実施例６において作製した超伝導導体１０Ｇ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。 比較例３として作製した超伝導導体９０の構成を模式的に示す図である。 比較例３において作製した超伝導導体９０の電界－電流特性の測定結果である。

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。

［用語の意味］
以下の説明において用いる用語の意味を説明する。なお、一部の既出用語は、初出箇所でも説明済みであるが、念のため繰り返して説明する。

超伝導線材とは、超伝導材料を用いて作製された線材を意味し、超伝導テープ線材とは、テープ形状の平たい超伝導線材を意味する。例示的な超伝導テープ線材を図３～図５に示す。超伝導導体とは、超伝導線材を集合化して作製された導体を意味する。ケーブル状に集合化された例示的な超伝導導体を、図２および図６に示す。

交流損失とは、超伝導線材を交流で用いるときに、交流の磁界によって発生する損失である。一般に、超伝導線材に電流が流れる、または、磁界が加わっているときには、超伝導線材中に磁束が磁束量子という形で侵入している。直流電流または直流磁界が印加されている運転条件下においては、磁束量子は移動せず静止しているが、交流電流または交流磁界が印加されている運転条件下においては、超伝導線材の位置において磁束の分布が変化することにより、磁束量子が移動しなければならなくなる。磁束量子が移動する際にはいわば摩擦のようなものが生じ、この摩擦熱に相当するものが交流損失である。

起電力とは、超伝導線材の超伝導層に垂直に印加される磁界（厳密には、印加される磁界のうち、超伝導層に垂直な成分）が時間的に変動したときに、電磁誘導により、超伝導線材の中に渦電流を流そうとループ状に作用する「力」である。起電力のループの超伝導線材の長手方向に沿った最長部の長さ（以降、簡略化のため「起電力のループの長さ」と呼ぶ）は、磁界が同じ向きである、より正確には磁界の時間微分が同じ向きである、超伝導線材の長手方向の部分の長さに等しい。なお、起電力が発生しても、導電体や超伝導体が存在しなければ渦電流は流れ得ない。

渦電流とは、電磁誘導による起電力によって、導電体内または超伝導体内にループ状（渦状）に誘導される電流を意味する。渦電流は、持続的渦電流９８および結合電流９９の両方を含む概念である。

渦電流の長さとは、超伝導線材に分布して流れる渦電流の、超伝導線材の長手方向に沿った最長部の長さのことである。渦電流は、起電力のループの長さの内でしか流れ得ない。すなわち、渦電流の長さは起電力のループの長さを超えることはない。

結合電流とは、渦電流の一種であり、結合時定数とは、結合電流の減衰時定数である。結合電流は、その経路で決まる自己インダクタンスＬ_ｃｃと抵抗Ｒ_ｃｃとの比である結合時定数τ_ｃで減衰する。自己インダクタンスＬ_ｃｃは渦電流（結合電流）の長さに比例し、抵抗Ｒ_ｃｃは渦電流（結合電流）の長さに反比例する。したがって、結合時定数τ_ｃは渦電流（結合電流）の長さの２乗に比例する。

［損失低減の原理］
テープ形状の超伝導線材（超伝導テープ線材）を、芯材の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けて、ケーブル状の超伝導導体を作製することを想定する。このようなケーブル状の超伝導導体における損失は、芯材における渦電流損失と、超伝導テープ線材における交流損失とからなる。

本発明に係るケーブル状の超伝導導体では、以下に説明する構成を単独でまたは複数組み合わせて備えることにより、芯材における渦電流損失と、超伝導テープ線材における交流損失とを低減することができる。

図１は、本発明に係るケーブル状の超伝導導体において損失が低減する原理を説明するための模式的な図である。

本発明に係るケーブル状の超伝導導体１０では、芯材として機能する撚り線１の周囲に、テープ形状の超伝導線材２が螺旋状に巻き付けられている。図１において、（Ａ）は、撚り線１の径が太く、テープ形状の超伝導線材２の巻き付け角度θが小さい場合を例示しており、（Ｂ）は、撚り線１の径が細く、テープ形状の超伝導線材２の巻き付け角度θが大きい場合を例示している。なお、理解を容易にするために、図示する超伝導線材２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）は、超伝導層２２が外側に向けて撚り線１に巻き付けられているが、超伝導層２２が内側に向けて撚り線１に巻き付けられていても同様に、損失は低減する。

＜芯材における渦電流損失の低減＞
超伝導テープ線材２において超伝導状態が破壊したときや、例えば外部における何らかの事故に起因して、超伝導状態において流すことができる電流を上回る過電流が超伝導テープ線材２に流れたときに、電流の迂回路（分流路）となるように、芯材は、例えば銅のような電気伝導率が高い（電気抵抗率が低い）金属を用いて形成することが望ましい。

芯材に、中実（solid）な円形断面の単線や、径が比較的太い素線を撚り合わせた撚り線や、互いに絶縁されていない複数の素線を撚り合わせた撚り線を用いて、このような芯材の周囲に長手方向に沿って、超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けて、ケーブル状の超伝導導体１０を作製する。このように作製したケーブル状の超伝導導体１０が横方向の交流磁界にさらされると、大きな渦電流損失が発生する。例示的には、直径が３ｍｍの銅製の中実な芯材では、渦電流損失の実測値は、ピーク値１００ｍＴ、周波数６５．４４Ｈｚの交流磁界のもとで１．４２Ｗ／ｍ程度である。

図１に例示する本発明に係るケーブル状の超伝導導体１０では、芯材に、径が比較的細い素線を撚り合わせた撚り線１を用いる。これにより、芯材における渦電流損失は低減する。例示的には、径が０．３ｍｍの絶縁された素線１１を５０本撚り合わせて作製されている、直径が約３．１ｍｍの撚り線（リッツ線）では、渦電流損失の実測値は、ピーク値１００ｍＴ、周波数６５．４４Ｈｚの交流磁界のもとで６．８７ｍＷ／ｍ程度である。

本発明において、径が比較的細い素線を撚り合わせた撚り線１の素線１１の径とは、後述する実施例での撚り線の素線径である約０．３ｍｍ～約０．１ｍｍを考慮して、例えば約０．３ｍｍ以下とすることができる。同様に、撚り線１の直径とは、後述する実施例での芯材の直径である約２．８ｍｍ～約３．５ｍｍを考慮して、例えば約５ｍｍ以下とすることができる。

＜超伝導テープ線材における交流損失の低減＞
超伝導テープ線材２には、その幅広な形状に起因して、横方向（超伝導テープ線材が長手方向に延びる場合には、長手方向に交差する方向）、かつ、テープの広い面に垂直な方向の交流磁界にさらされると大きな交流損失（例えば、実測値で、ピーク値１００ｍＴ、周波数６５．４４ Ｈｚの交流磁界のもとで３．８２Ｗ／ｍ）が発生する。超伝導テープ線材２を多数本集合化した超伝導導体では、交流損失も線材の本数に比例して大きくなる。

ここで、図１に例示するように、テープ形状の超伝導線材２（超伝導テープ線材）を、芯材の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けると、超伝導テープ線材２の単位長さ（１ｍ）の内での、横方向かつテープ面に垂直な方向の交流磁界にさらされる部分が短くなるので、交流損失は低減する。

さらに望ましくは、芯材の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付ける超伝導テープ線材２をマルチフィラメント化すると、横方向の交流磁界に対する超伝導テープ線材における交流損失はさらに低減する。図１に例示する超伝導線材２は、超伝導層２２がマルチフィラメント化された、図３～５に例示するマルチフィラメント超伝導線材２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）である。絶縁部２３は、複数の超伝導層２２，２２間に配置され、複数の超伝導層２２，２２を電気的に絶縁している。なお、超伝導線材２の態様によっては、超伝導線材２には接続部２４および導電層２５（２５ａ，２５ｂ）が配置されるが、図１ではこれらの構成については図示は省略されている。

特に、芯材の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付ける超伝導テープ線材２を、図４に例示する導電層２５ａを備えた超伝導線材２Ｂとすると、図３に例示する超伝導線材２Ａと比較してロバスト性が向上する。図４を参照して後述するように、導電層２５ａは、超伝導層２２に異常が生じた際に、超伝導層２２を流れる電流を迂回させる分流層として機能する。

交流損失が低減され且つロバスト性が向上する、導電層２５ａを備えた超伝導線材２Ｂを用いて、横方向の交流磁界に対する交流損失をより有効に低減しようとすると、導電層２５ａを介して超伝導線材２Ｂに流れる結合電流９９を速やかに減衰させることが望まれる。結合電流９９を速やかに減衰させるためには結合時定数を短くすることが望まれる。結合時定数は結合電流９９の長さの２乗に比例するので、結合時定数を短くするためには結合電流９９の長さを短くすることが望まれる。

作製しようとするケーブル状の超伝導導体において、図１（Ａ）に例示するように、芯材の直径が比較的大きく超伝導テープ線材２（２Ｂ）の巻き付け角度θが比較的小さいと、結合電流９９の長さが長くなり、結合時定数が大きくなり、横方向の交流磁界に対する交流損失を効果的に低減することはできない。加えて、このようなケーブル状の超伝導導体では、電流密度も低く、巻線を作製するには可撓性も不十分である。

これに対し、本発明に係るケーブル状の超伝導導体１０では、望ましくは、図１（Ｂ）に例示するように結合電流９９の長さが短くなるように、超伝導テープ線材２（２Ｂ）を、比較的小さな直径の芯材に比較的大きな巻き付け角度θで螺旋状に巻く。これにより、結合時定数が短くなり、結合電流９９を速やかに減衰させることができ、芯材の周囲に螺旋状に巻き付けられた状態の超伝導テープ線材２（２Ｂ）における交流損失はさらに低減する。またこれにより、ケーブル状の超伝導導体１０を巻回して巻線を作製する応用のために必要な、高い電流密度と可撓性とを得ることができる。

結合時定数τ_ｃは渦電流（結合電流）の長さの２乗に比例する。よって、超伝導テープ線材２（２Ｂ）内をループ状に流れる結合電流９９の長さが短くなるように、超伝導テープ線材２（２Ｂ）を芯材に巻き付けると、結合時定数は短くなり、結合電流を速やかに減衰させることができ、超伝導テープ線材２（２Ｂ）における交流損失はさらに低減する。本発明に係るケーブル状の超伝導導体１０において、結合電流９９の長さが短くなるような、芯材への超伝導テープ線材２（２Ｂ）の巻き付け方とは、超伝導テープ線材２（２Ｂ）を比較的小さな直径の芯材の周囲に螺旋状に巻き付けることと、超伝導テープ線材２（２Ｂ）を芯材の周囲に螺旋状に巻き付ける際の、超伝導テープ線材２（２Ｂ）の巻き付け角度θを大きくすることとである。これにより、超伝導テープ線材２（２Ｂ）内をループ状に流れる結合電流９９の長さは短くなる。

なお、本発明において、芯材の比較的小さな直径とは、後述する実施例での芯材の直径である約２．８ｍｍ～約３．５ｍｍを考慮して、例えば約５ｍｍ以下とすることができる。同様に、比較的大きな巻き付け角度θとは、後述する実施例での超伝導テープ線材２の巻き付け角度である約５５度を考慮して、例えば約４５度以上とすることができる。

超伝導テープ線材２を芯材の周囲に螺旋状に巻き付けることを想定すると、巻き付け角度θが０度もしくは９０度が一番巻き付けやすく、正確に４５度の場合は、超伝導テープ線材２に捻れが生じ巻き付け難くなる。この巻き付け角度θの値４５度は、境界となる巻き付け角度の値であり、これより小さくなるべく０度に近い方、もしくはこれより大きくなるべく９０度に近い方が巻き付けやすくなる。図１（Ｂ）に例示するように、結合電流９９の長さが短くなるようにするためには、超伝導テープ線材２を、芯材に比較的大きな巻き付け角度θで螺旋状に巻く。すなわち、後述する実施例において５５度と例示するように、境界となる巻き付け角度θの値である４５度よりも大きな角度で、超伝導テープ線材２を芯材の周囲に螺旋状に巻き付けるとよい。

＜臨界電流の低下防止＞
超伝導テープ線材２を、比較的小さな直径（例えば、約５ｍｍ以下）の芯材に比較的大きな巻き付け角度θ（例えば、約４５度以上）で螺旋状に巻き付けると、撚り線１の素線に触れる部分において超伝導テープ線材２が折れ曲がり易くなり、超伝導テープ線材２の臨界電流が低下するおそれがある。

本発明に係るケーブル状の超伝導導体１０では、上記説明した構成を備えることに加えてさらに、以下に挙げる構成ｉ）～ｉｖ）を単独で採用することにより、または複数を組み合わせて採用することにより、撚り線１の外周における凹凸（段差）を小さくする。これにより、上記した損失の低減に加えてさらに、超伝導テープ線材２の臨界電流の低下を防止する。

ｉ）撚り線１を構成する素線の直径を小さくする。直径は約０．３ｍｍ以下とし、好ましくは約０．２ｍｍ以下とする。
ｉｉ）素線を同じ向きに撚り合わせる。
ｉｉｉ）素線を同じ撚りピッチで撚り合わせる。
ｉｖ）撚り線１の周囲（外周）を、可撓性を有する層で覆い平滑化する。層は樹脂または金属を用いて形成する。

［第１の実施形態］
＜超伝導導体＞
図２は、本発明の第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａの構成を模式的に示す図である。（Ａ）は超伝導導体１０Ａの斜視図であり、（Ｂ）は超伝導導体１０Ａの側面図である。図示する態様では、Ｙ軸の方向が撚り線１の長手方向であり、Ｘ軸の方向およびＺ軸の方向が撚り線１の半径方向（短手方向）である。

第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａ（１０）は、互いに撚り合わされた複数の素線１１を有する撚り線１と、可撓性を有する基板の表面に形成された超伝導層を有し、撚り線１の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、テープ形状の超伝導線材２と、を備える。

撚り線１は、複数の素線１１が互いに撚り合わされて形成されている。例示的には、素線１１の直径は約０．３ｍｍ以下であり、撚り線１の直径は約５ｍｍ以下である。好ましくは、素線１１の直径は約０．２ｍｍ以下である。図示する態様では、素線１１の直径は約０．１ｍｍである。素線１１は、例えば銅のような電気伝導率が高い（電気抵抗率が低い）金属を用いて形成されている。好ましくは、素線１１の表面には例えばエナメル等の絶縁物質により絶縁層（図示せず）が形成されており、各々の素線１１は絶縁されている。

超伝導テープ線材２は、テープ形状を有する超伝導線材であり、撚り線１の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている。超伝導テープ線材２は、可撓性を有する基板２１と、基板２１の表面に形成された超伝導層２２とを有している。図示する本実施形態では、超伝導テープ線材２は、超伝導層２２を内側に向けて撚り線１に巻き付けられている。本実施形態では、超伝導層２２は、高温超伝導材料を用いて作製されている。超伝導テープ線材２については、図３～図５を参照して後述する。

第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａ（１０）によると、芯材には、互いに撚り合わされた複数の素線１１を有する撚り線１が用いられており、素線１１の直径は約０．３ｍｍ以下であり、撚り線１の直径は約５ｍｍ以下である。これにより、芯材である撚り線１における渦電流損失を低減する。

超伝導テープ線材２における交流損失を低減するために、好ましくは、超伝導テープ線材２の巻き付け角度、すなわち、超伝導線材２の長手方向と撚り線１の長手方向とのなす角度θは、約４５度以上約９０度未満である。これに加え、超伝導テープ線材２を図３～図５に例示するようにマルチフィラメント化すると、超伝導テープ線材２における交流損失はさらに低減する。

超伝導テープ線材２における臨界電流の低下を防止するために、撚り線１を構成する素線１１の直径は小さい。例示的には、素線１１の直径は約０．３ｍｍ以下であり、好ましくは約０．２ｍｍ以下である。また、好ましくは、複数の素線１１は同じ向きに撚り合わされており、好ましくは、複数の素線１１は同じ撚りピッチで撚り合わされている。

＜超伝導テープ線材＞
図３～図５は、本発明の第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａが備える様々な態様の超伝導テープ線材２の構成を示す図である。図３は、第１の態様の超伝導線材２Ａの構成を模式的に示す斜視図である。図４は、第２の態様の超伝導線材２Ｂの構成を模式的に示す斜視図である。図５は、第３の態様の超伝導線材２Ｃの構成を模式的に示す斜視図である。図示する態様では、Ｙ軸の方向が超伝導線材２の長手方向であり、Ｘ軸の方向が超伝導線材２の短手方向であり、Ｚ軸の方向が超伝導線材２の厚さ方向である。

図３～図５に示す態様の超伝導線材２Ａ，２Ｂ，２Ｃのいずれにおいても、複数の超伝導層２２が基板２１の短手方向に並列に配置されている。図３～図５に示す態様の超伝導線材２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、マルチフィラメント超伝導線材と呼ばれている。

図３に例示する第１の態様の超伝導線材２Ａ（２）は、基板２１と、複数の超伝導層２２と、絶縁部２３と、複数の接続部２４とを備える。

基板２１は、例えばニッケル基合金やステンレス鋼等を用いてテープ形状に形成されている。例示的には、基板２１の材料にはハステロイ（登録商標）を用いることができる。基板２１は可撓性を有しており、図２に示すように超伝導線材２Ａ（２）は螺旋状に巻かれて使用される。

基板２１の表面には、超伝導層２２の下地となる中間層（図示せず）が必要に応じて形成される。中間層の材料としては、熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が、基板２１と超伝導層２２を構成する超伝導体との中間的な値を示す材料を用いることができる。例示的には、中間層の材料にはＬａＭｎＯ_３を用いることができる。本態様では、基板２１の表面には中間層が形成されており、本明細書における説明では、中間層が表面に形成されている基板２１をまとめて基板２１と呼ぶ。

超伝導層２２は、超伝導線材２Ａにおいて超伝導的に電流を流す。本態様では、交流損失を低減するために、超伝導層２２はマルチフィラメント化されて基板２１の表面に形成されている。超伝導層２２は、基板２１の長手方向に延伸し、複数の超伝導層２２が基板２１の短手方向に並列に配置されている。例示的には、超伝導層２２は、セラミックスであるＲＥＢＣＯ高温超伝導体を用いて形成されている。ＲＥＢＣＯは、化学式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－δ（ＲＥは、ＹやＧｄ，Ｅｕ，Ｓｍなどの希土類元素）で表される組成式を有する銅酸化物超伝導体である。以下の説明では、マルチフィラメント化した超伝導層２２を、超伝導フィラメント２２と呼ぶか、または省略して単にフィラメント２２若しくは単に超伝導層２２とも呼ぶ。

絶縁部２３は、基板２１の長手方向に延伸し、複数の超伝導層２２，２２間に配置され、複数の超伝導層２２，２２を電気的に絶縁する。例示的には、本態様では、絶縁部２３は、例えば公知のフォトリソグラフィープロセスにより超伝導層２２を三次元パターニングすることにより、基板２１の表面を露出させる溝として形成されている。本態様では、超伝導線材２Ａは複数の絶縁部２３を備え、それぞれの絶縁部２３は、並列に配置される複数の超伝導層２２，２２間に配置されている。

接続部２４は、基板２１の長手方向に沿って絶縁部２３に配置され、隣り合う複数の超伝導層２２，２２を超伝導的に電気的に接続する。超伝導線材２Ａには、基板２１の長手方向に沿って、絶縁部２３に複数の接続部２４が備えられている。本態様では、接続部２４は、超伝導層２２と同じ超伝導体を用いて、超伝導層２２と一体化して形成されている。

隣り合う複数の超伝導層２２，２２を接続部２４が超伝導的に電気的に接続することにより、超伝導層２２を流れる電流の超伝導的な分流性は向上し、超伝導線材２Ａのロバスト性は向上する。すなわち、仮に何らかの原因で、或る超伝導層２２において局所的に常伝導状態への転移が生じたとしても、隣り合う複数の超伝導層２２，２２間を接続部２４が超伝導的にブリッジして、常伝導転移した超伝導層２２から隣接する超伝導層２２に電流を分流することにより、超伝導線材２Ａ全体のクエンチは防止される。

例示的には、超伝導線材２Ａの短手方向に沿った長さ（幅）は、約２ｍｍから約４ｍｍであり、好ましくは約１ｍｍから約４ｍｍである。マルチフィラメント化された一本の超伝導層２２の短手方向に沿った長さ（幅）は、好ましくは約０．４ｍｍから約１ｍｍであり、より好ましくは約０．１ｍｍから約１ｍｍである。例示的には、基板２１および超伝導層２２を含む超伝導線材２Ａ全体の厚さは、約１５０μｍから約５０μｍまでの範囲内であり、好ましくは約５０μｍから約３０μｍまでの範囲内である。超伝導線材２Ａは螺旋状に巻かれて使用されることから、より好ましくは、基板２１および超伝導層２２を含む超伝導線材２Ａ全体の厚さは、約３０μｍ未満である。

図４に例示する第２の態様の超伝導線材２Ｂ（２）は、超伝導層２２、絶縁部２３および接続部２４を覆う導電層２５ａ（２５）をさらに備えている点において、図３に例示する第１の態様の超伝導線材２Ａと異なっている。以下において説明する、第２の態様の超伝導線材２Ｂの構成は、特に言及しない限り、第１の態様の超伝導線材２Ａと同様であるので、重複する説明は省略する。

第２の態様では、超伝導線材２Ｂ（２）は、超伝導層２２、絶縁部２３および接続部２４を覆う導電層２５ａ（２５）をさらに備えている。図示する態様では、導電層２５ａは、超伝導層２２だけではなく、超伝導層２２、絶縁部２３および接続部２４を覆って形成されている。導電層２５ａは、超伝導層２２に異常が生じた際に、超伝導層２２を流れる電流を迂回させる分流層として機能する。例示的には、導電層２５ａは銅で形成されている。なお、例示する態様では、絶縁部２３は、底面が基板２１の表面に到達する溝として形成されており、溝には導電層２５ａとして機能する銅が満たされている。

第２の態様の超伝導線材２Ｂは、導電層２５ａを備えることにより、第１の態様の超伝導線材２Ａと比較してロバスト性が向上する。

第２の態様の超伝導線材２Ｂによると、限定された、しかし、実用上十分な運転周波数領域にて、第１の態様の超伝導線材２Ａと同じ交流損失低減効果を得ることができる。

第１の態様と同様に、第２の態様の超伝導線材２Ｂは、芯材である撚り線１の軸に沿って螺旋状に巻かれることにより、超伝導導体１０を構成することができる。

図５に例示する第３の態様の超伝導線材２Ｃ（２）は、超伝導層２２を覆う導電層２５ｂ（２５）をさらに備えている点において、図３に例示する第１の態様の超伝導線材２Ａと異なっている。以下において説明する、第３の態様の超伝導線材２Ｃの構成は、特に言及しない限り、第１の態様の超伝導線材２Ａと同様であるので、重複する説明は省略する。

第３の態様では、超伝導線材２Ｃ（２）は、超伝導層２２を覆う導電層２５ｂ（２５）をさらに備えている。図示する態様では、導電層２５ｂは、絶縁部２３および接続部２４を覆わず、超伝導層２２だけを覆って形成されている。導電層２５ｂは、超伝導層２２に異常が生じた際に、超伝導層２２を流れる電流を迂回させる分流層として機能する。例示的には、導電層２５ｂは銅で形成されている。なお、例示する態様では、絶縁部２３は、基板２１の表面を露出させる溝として形成されているが、導電層２５ｂは超伝導層２２だけを覆って形成されており、溝には導電層２５ｂとして機能する銅は満たされていない。

第３の態様の超伝導線材２Ｃによると、第１の態様の超伝導線材２Ａと同じ交流損失低減効果を得ることができる。

第３の態様の超伝導線材２Ｃは、導電層２５ｂを備えることにより、第１の態様の超伝導線材２Ａと比較してロバスト性が向上する。より具体的には、超伝導層２２から、超伝導層２２の上部に設けられている導電層２５ｂへの電流の分流により、ホットスポット温度の上昇を抑制することができる。

第１の態様と同様に、第３の態様の超伝導線材２Ｃは、芯材である撚り線１の軸に沿って螺旋状に巻かれることにより、超伝導導体１０を構成することができる。

以上、第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａ（１０）によると、損失が低減された超伝導導体を提供することができる。

第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａ（１０）によると、芯材には、互いに撚り合わされた複数の素線１１を有する撚り線１が用いられており、素線１１の直径は約０．３ｍｍ以下であり、撚り線１の直径は約５ｍｍ以下である。これにより、芯材である撚り線１における渦電流損失を低減することができる。撚り線１を構成する素線１１の直径を小さく、約０．３ｍｍ以下とすることにより、超伝導テープ線材２の臨界電流の低下を防止することができる。

素線１１の直径が約０．３ｍｍ以下であることは、後述する実施例での撚り線の素線径である約０．３ｍｍ～約０．１ｍｍを考慮したものである。同様に、撚り線１の直径が約５ｍｍ以下であることは、後述する実施例での芯材の直径である約２．８ｍｍ～約３．５ｍｍを考慮したものである。

また、第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａにおいて、好ましくは、超伝導線材２の長手方向と撚り線１の長手方向とのなす角度θは、約４５度以上約９０度未満である。これにより、超伝導テープ線材２における交流損失を低減することができる。

超伝導線材２の長手方向と撚り線１の長手方向とのなす角度θ、すなわち巻き付け角度θが約４５度以上約９０度未満であることは、後述する実施例での超伝導テープ線材２の巻き付け角度である約５５度を考慮したものである。

また、第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａにおいて、好ましくは、複数の素線１１は同じ向きに撚り合わされている。これにより、撚り線１の外周を平滑化し、超伝導テープ線材２における臨界電流の低下を防止することができる。

また、第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａにおいて、好ましくは、複数の素線１１は同じ撚りピッチで撚り合わされている。これにより、撚り線１の外周を平滑化し、超伝導テープ線材２における臨界電流の低下を防止することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る超伝導導体１０Ｂ（１０）の構成は、特に言及しない限り、第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａ（１０）と同様であるので、重複する説明は省略する。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る超伝導導体１０Ｂの構成を模式的に示す図である。（Ａ）は超伝導導体１０Ｂの側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す５Ｂ－５Ｂ線に沿う超伝導導体の断面図である。

第２の実施形態に係る超伝導導体１０Ｂ（１０）は、撚り線１とテープ形状の超伝導線材２との間に、撚り線１の周囲を長手方向に沿って覆うように配置された、可撓性を有する平滑化層３Ａ（３）をさらに備える点において、第１の実施形態に係る超伝導導体１０Ａと主に異なっている。平滑化層３Ａ（３）は、樹脂または金属を用いて形成されており、撚り線１の周囲を筒状にまたは螺旋状に覆っている。

図示する態様では、素線１１の径は約０．３ｍｍであり、６本の素線１１がＺ撚りで撚り合わされて１つの１次撚り線が形成されて、７つの１次撚り線がＳ撚りで撚り合わされて１つの撚り線１が形成されている。

また、図示する態様では、テープ形状の複数の超伝導線材２_１，２_２が、一部が重ね合わされて、撚り線１の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている。超伝導線材２_１は、撚り線１の周囲にＳ巻きで巻き付けられており、超伝導線材２_２は、撚り線１の周囲にＺ巻きで巻き付けられている。すなわち、図示する態様では、複数の超伝導線材２_１，２_２は異なる向きで、撚り線１の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている。

以上、第２の実施形態に係る超伝導導体１０Ｂ（１０）によると、損失が低減された超伝導導体を提供することができる。

第２の実施形態に係る超伝導導体１０Ｂ（１０）によると、撚り線１とテープ形状の超伝導線材２との間に、可撓性を有する平滑化層３Ａ（３）をさらに備えている。これにより、撚り線１の外周を平滑化し、超伝導テープ線材２における臨界電流の低下を防止することができる。

また、第２の実施形態に係る超伝導導体１０Ｂ（１０）によると、撚り線１の周囲に複数の超伝導線材２_１，２_２が螺旋状に巻き付けられている。これにより、１本の超伝導導体１０Ｂに流す電流の量を増大させることができる。

［その他の形態］
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。

上記した実施形態では、超伝導導体１０において、図３～図５に例示する様々な態様の超伝導テープ線材２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）が、撚り線１の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられているが、撚り線１の周囲に巻き付けられる超伝導テープ線材はこれらの態様に限定されない。超伝導導体１０において、撚り線１の周囲には、例えば図７の（Ａ）～（Ｃ）に例示する様々な態様の超伝導テープ線材２（２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ）が、長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられていてもよい。

（Ａ）に例示する態様の超伝導線材２Ｄ（２）では、超伝導層２２は基板２１の表面に一様に形成されている。（Ａ）に示す態様の超伝導線材２Ｄは、モノフィラメント超伝導線材と呼ばれている。（Ｂ）に例示する態様の超伝導線材２Ｅ（２）では、超伝導層２２ａは、幅の細いフィラメントに分割されてマルチフィラメント化されている。（Ｃ）に例示する態様の超伝導線材２Ｆ（２）では、マルチフィラメント化された超伝導層２２ａの表面に、導電体の分流層として例えば銅分流層２７がさらに形成されている。（Ｂ）および（Ｃ）に示す態様の超伝導線材２Ｅ，２Ｆも、マルチフィラメント超伝導線材である。

他の実施形態では、ケーブル状の超伝導導体１０は、テープ形状の超伝導線材２と、撚り線１が有する少なくとも一つの素線１１とを電気的に接続する常伝導部材をさらに備えることができる。これにより、導電性を有する芯材である撚り線１への電流分流を可能にし、超伝導導体１０のロバスト性を向上させることができる。常伝導部材を配置する位置は、超伝導導体１０の長手方向の端部とすることができるし、超伝導導体１０長手方向の途中とすることもできる。

さらに他の実施形態では、これら複数の常伝導部材は、隣接する常伝導部材の間の超伝導導体の区間において、超伝導導体に対する横方向の磁界の積分値を最小化する、好ましくは零とするように配置される。これにより、常伝導部材が存在することに起因して、撚り線１内の素線１１間を渡って流れる渦電流による渦電流損失や、撚り線１の素線１１と超伝導線材２を渡って流れる結合電流による結合損失を抑制することができる。

上記した実施形態では、超伝導テープ線材２は、超伝導層２２を内側に向けて撚り線１に巻き付けられているが、超伝導テープ線材２は、超伝導層２２を外側に向けて撚り線１に巻き付けられていてもよい。

上記した実施形態において作製した超伝導導体１０を１次導体として、この１次導体を複数本撚り合わせることにより２次導体を作製してもよい。これにより、作製した超伝導導体の電流容量を大きくすることができる。このような２次導体をさらに複数本撚り合わせることにより３次導体を作製してもよい。

上記した第２の実施形態では、テープ形状の複数の超伝導線材２_１，２_２は異なる向きで、撚り線１の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている。この場合、複数の超伝導線材２_１，２は一部が重ね合わされて撚り線１の周囲に巻き付けられているが、複数の超伝導線材２_１，２_２が同じ向きで撚り線１の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられる場合は、複数の超伝導線材２_１，２は重なることなく撚り線１の周囲に巻き付けられることもできる。

上記した第２の実施形態では、超伝導導体１０Ｂ（１０）は、撚り線１とテープ形状の超伝導線材２との間に可撓性を有する平滑化層３Ａ（３）を備えている。第２の実施形態では、この平滑化層３Ａ（３）は、第１の実施形態と同様に、直径が約０．３ｍｍ以下である素線１１が互いに撚り合わされて形成されている、直径が約５ｍｍ以下の撚り線１の周囲を長手方向に沿って覆うように配置されているが、平滑化層３Ａにより撚り線１の外周が平滑化される限り、撚り線１の態様はこれに限定されない。また、超伝導導体１０が、平滑化層３Ａに代えて、以下の実施例において例示する平滑化層３Ｂ，３Ｃを備えている場合であっても、平滑化層３Ｂ，３Ｃにより撚り線１の外周が平滑化される限り、撚り線１の態様は限定されない。

すなわち、超伝導導体１０が平滑化層３を備える場合は、平滑化層３により撚り線１の外周が平滑化される限り、撚り線１の態様に限定されることなく、超伝導テープ線材２の臨界電流の低下を軽減または防止することができる。なお、超伝導導体１０が平滑化層３を備えることにより奏する、臨界電流の低下を軽減または防止することができる効果は、超伝導導体１０における損失の低減に依らず発揮される。

また、以下の実施例において例示するように、撚り線１の外周に沿った超伝導テープ線材２の折れ曲がり角度が所定の角度以下であれば、平滑化層３を備えることなく、撚り線１の態様にも依らず、超伝導テープ線材２の臨界電流の低下を軽減または防止することができる。実施例によると、撚り線１の外周に沿った超伝導テープ線材２の折れ曲がり角度について、所定の角度とは１２度以下である。

［実施例］
以下に本発明の実施例を示し、本発明の特徴をより明確にする。以下に説明する実施例および比較例では、テープ形状の超伝導線材２を巻き付ける対象である芯材を、様々な撚り線１、超伝導線材２および平滑化層３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）を用いて構成し、ケーブル状の超伝導導体１０を作製、もしくは作製を想定した。作製、もしくは作製を想定した超伝導導体の一覧を表１に示す。このうち、比較例１は作製を想定した超伝導導体であり、他は実際に作製した超伝導導体である。なお、表中の線材の直径の欄の括弧内の数字は熱収縮チューブを被せたりHastelloyテープを巻いたりしたあとの直径である。同欄のPEYはテトロン糸を巻き付けたことにより直径が若干増していることを意味する。

実施例１では、テープ形状の超伝導線材２には、図７（Ｃ）に示す態様のマルチフィラメント超伝導線材２Ｆ（フィラメントの本数は５）を使用した。実施例２～６および比較例１～３では、テープ形状の超伝導線材２には、図７（Ａ）に示す態様のモノフィラメント超伝導線材２Ｄを使用した。実施例１～６では、表２に示す型番の、絶縁された素線が撚り合わされた撚り線（リッツ線）を使用した。

損失の低減については、実施例１、比較例１および２に基づいて検証した。臨界電流の低下については、実施例２～６および比較例３に基づいて検証した。

＜損失に関する検証＞
以下に説明する実施例１、比較例１および２では、作製した超伝導導体および準備した平らな状態の超伝導線材２のそれぞれについて損失を測定した。測定により得られた損失から、超伝導導体の構成の違いにより、測定される損失の値がどのように変化するのかを確認した。
［実施例１］

実施例１では、樹脂製のチューブを用いて撚り線１の周囲を覆い、さらにその表面に超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けて超伝導導体１０を作製した。撚り線１には型番ＩＺ０５を使用した。テープ形状の超伝導線材２には、図７（Ｃ）に示す態様のマルチフィラメント超伝導線材２Ｆを使用した。
［比較例１］

比較例１では、直径が３ｍｍの中実な銅製の単線を芯材として、この芯材の周囲に直接的に超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けた状態の超伝導導体を想定した。テープ形状の超伝導線材２には、図７（Ａ）に示す態様のモノフィラメント超伝導線材２Ｄを使用した。
［比較例２］

比較例２として、比較例１において使用したものと同じテープ形状の超伝導線材２（２Ｄ）を準備した。超伝導線材２は、芯材の周囲に螺旋状に巻き付けない平らな状態で損失が測定された。損失を測定する際に超伝導テープ線材２に印加する磁界の方向は、テープ面に垂直とした。

図８は、損失の低減効果について検証した結果を示すグラフである。（ａ）は、実施例１において作製した超伝導導体１０について測定した損失を示している。（ｂ）は、比較例１として想定した超伝導導体について測定した損失を示している。（ｂ）において、棒グラフの下側部分は芯材（ｃｏｒｅ）における損失を示し、上側部分は超伝導テープ線材（ＳＣ）における損失を示している。（ｃ）は、比較例２として準備した平らな状態のテープ形状の超伝導線材２（２Ｄ）について測定した損失を示している。

なお、比較例１では、芯材における損失（渦電流損失）と超伝導テープ線材における損失（交流損失）とは別々に測定した。すなわち、芯材における損失として、直径が３ｍｍの中実な銅製の単線について渦電流損失を測定し、超伝導テープ線材における交流損失として、直径が３ｍｍのＧＦＲＰ製の芯材の周囲に直接的に螺旋状に巻き付けられた状態の超伝導テープ線材２について、交流損失を測定した。

（ａ）に示す実施例１における損失の測定値は、芯材である撚り線１の渦電流損失を含んでいるが、これは極めて小さく無視することができる。よって、実施例１における損失の測定値は、超伝導テープ線材２における交流損失にほぼ等しいと判断された。

（ｂ）に示す比較例１の測定値において、棒グラフの下側部分の芯材による損失が大きい理由は、芯材が撚り線１ではなく中実であるためであると判断された。

超伝導テープ線材２における損失について、（ｂ）の棒グラフの上側部分に示す比較例１の測定値の方が、（ｃ）に示す比較例２の測定値よりも小さくなっている理由は、超伝導テープ線材２を芯材の周囲に螺旋状に巻き付けることによる効果、すなわち、超伝導テープ線材２の単位長さ（１ｍ）の内での、横方向かつテープ面に垂直な方向の交流磁界にさらされる部分が短くなることによる効果であると判断された。

（ａ）に示す実施例１における損失が、（ｂ）の棒グラフの上側部分に示す比較例１の損失よりも小さくなっている理由は、超伝導テープ線材２をマルチフィラメント化したことによる効果であると判断された。

＜臨界電流に関する検証＞
以下に説明する実施例２～６および比較例３では、作製したそれぞれの超伝導導体１０について電界－電流特性を測定した。電界－電流特性は、超伝導テープ線材２を芯材に螺旋状に巻き付ける前と後とで測定した。測定により得られた電界－電流特性から、超伝導テープ線材２の巻き付けの前後で臨界電流の劣化が生じているかを確認した。なお、臨界電流の値は、超伝導状態の破壊が確認されたときの電流の値とした。
［実施例２］

図９は、実施例２において作製した超伝導導体１０Ｃ（１０）の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は超伝導導体１０Ｃの側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す７Ｂ－７Ｂ線に沿う超伝導導体１０Ｃの断面図である。

実施例２では、撚り線１の周囲に直接的に超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けて超伝導導体１０Ｃを作製した。撚り線１には、素線径が０．３ｍｍ、仕上がり径が２．８ｍｍの型番ＩＺ０２を使用した。型番ＩＺ０２では、６本の素線１１がＺ撚りで撚り合わされて１つの１次撚り線が形成されており、７つの１次撚り線がＳ撚りで撚り合わされて１つの撚り線１が形成されていた。

図１０は、実施例２において作製した超伝導導体１０Ｃ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。図１０に示す測定結果によると、実施例２に係る超伝導導体１０Ｃでは、螺旋状に巻き付ける前の超伝導テープ線材２単体と比較して、約半分の電流値において超伝導状態の破壊が確認された。臨界電流で比較すると、実施例２に係る超伝導導体１０Ｃは、超伝導テープ線材２単体と比較して約半分の性能を発揮することができていることが確認された。

発明者らの詳細な観察によると、超伝導導体１０Ｃでは、撚り線１と超伝導テープ線材２との間に空隙８が確認され、幾つかの空隙８の付近において、撚り線１の外周に沿った超伝導テープ線材２の折れ曲がりが確認された。このことから、超伝導テープ線材２の折れ曲がりは、撚り線１の外周に存在する凹凸に起因すると推定され、後述する比較例３において作製した超伝導導体９０との比較から、超伝導テープ線材２が撚り線１の外周に沿って折れ曲がることにより、臨界電流の劣化が生じていると推定された。

なお、本実施例２において用いる型番ＩＺ０２の撚り線では、素線１１の径は０．３ｍｍであり、後述する実施例５および６で使用する型番ＩＺ０５またはＩＺ０６の素線１１の径０．１ｍｍと比べても比較的太かった。また、型番ＩＺ０２の撚り線では、素線１１を撚って１次撚り線を構成するときと、１次撚り線を撚って最終的な撚り線１を構成するときの撚り方向は相違していた。

続いて本実施例２では、撚り線１の外周に沿った超伝導テープ線材２の折れ曲がり角度を計算することにより、臨界電流の劣化度合いに関して、撚り線１の外周に存在する凹凸がどの程度許容されるのかを確認した。

芯材の直径２．８ｍｍから計算した周長８．８ｍｍに素線径０．３ｍｍの素線を並べると約２９本並ぶ。すなわち、芯材は真円ではなく２９角形と想定される。これをさらに正２９角形であると仮定すると、その外角は約１２度であり、正２９角形の芯材に沿って超伝導テープ線材が巻き付けられ折れ曲がると考えると、折れ曲がり角度は１２度と想定される。

図１０に示す測定結果に示されているように、実施例２では、超伝導テープ線材２単体と比較して約半分の性能を発揮することができていることが確認された。この場合の、撚り線１の外周に沿った超伝導テープ線材２の折れ曲がり角度は１２度と想定された。よって、本実施例２によると、超伝導テープ線材２の折れ曲がり角度が１２度以下であれば、臨界電流の劣化度合いに関して、超伝導テープ線材２単体と比較して約半分の性能を発揮することができていることが確認された。
［実施例３］

図１１は、実施例３において作製した超伝導導体１０Ｄ（１０）の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は超伝導導体１０Ｄの側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す９Ｂ－９Ｂ線に沿う超伝導導体１０Ｄの断面図である。

実施例３では、平滑化層３Ｂ（３）としてテープ形状のハステロイ（登録商標）を撚り線１の周囲に螺旋状に巻き付けて、さらにその表面に超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けて超伝導導体１０Ｄを作製した。撚り線１には実施例２と同様に型番ＩＺ０２を使用した。金属製のハステロイテープは、撚り線１の周囲に螺旋状に２本並列に巻いた。超伝導テープ線材２の巻向きはＺ巻きであり、ハステロイテープの巻向きはＳ巻きであった。

図１２は、実施例３において作製した超伝導導体１０Ｄ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。図１２に示す測定結果によると、実施例３に係る超伝導導体１０Ｄでは、螺旋状に巻き付ける前の超伝導テープ線材２単体と比較して、約半分の電流値において超伝導状態の破壊が確認された。臨界電流で比較すると、実施例３に係る超伝導導体１０Ｄは、超伝導テープ線材２単体と比較して約半分の性能を発揮することができていることが確認された。
［実施例４］

図１３は、実施例４において作製した超伝導導体１０Ｅ（１０）の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は超伝導導体１０Ｅの側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す１１Ｂ－１１Ｂ線に沿う超伝導導体１０Ｅの断面図である。

実施例４では、平滑化層３Ａ（３）として樹脂製のチューブを用いて撚り線１の周囲を覆い、さらにその表面に超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けて超伝導導体１０Ｄを作製した。撚り線１には実施例２と同様に型番ＩＺ０２を使用した。

図１４は、実施例４において作製した超伝導導体１０Ｅ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。図１４に示す測定結果によると、実施例４に係る超伝導導体１０Ｅでは、螺旋状に巻き付ける前の超伝導テープ線材２単体と比較して、概ね同程度の電流値において超伝導状態の破壊が確認された。このことから、平滑化層３Ａとして樹脂製のチューブを用いることにより、超伝導テープ線材２の巻き付けの前後で臨界電流の実質的な劣化は生じていないことが確認された。
［実施例５］

図１５は、実施例５において作製した超伝導導体１０Ｆ（１０）の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は超伝導導体１０Ｆの側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す１３Ｂ－１３Ｂ線に沿う超伝導導体１０Ｆの断面図である。

実施例５では、平滑化層３Ｃ（３）としてテトロン（登録商標）製の糸（または繊維）を用いて撚り線１の周囲を覆い、さらにその表面に超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けて超伝導導体１０Ｆを作製した。テトロンはポリエステル樹脂製である。

実施例２～４にて使用した型番ＩＺ０２とは異なり、撚り線１には素線径が０．１ｍｍ、仕上がり径が２．８ｍｍの型番ＩＺ０５を使用した。型番ＩＺ０５の素線１１の径０．１ｍｍは、実施例２～４にて使用した型番ＩＺ０２の素線１１の径０．３ｍｍよりも細かった。型番ＩＺ０５では、撚り方向は、素線１１を撚って１次撚り線を構成するときも、１次撚り線を撚って最終的な撚り線１を構成するときも同じＳ撚りであり、撚りピッチも、素線１１を撚って１次撚り線を構成するときも、１次撚り線を撚って最終的な撚り線１を構成するときも同じ５０ｍｍであった。

図１６は、実施例５において作製した超伝導導体１０Ｆ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。図１６に示す測定結果によると、実施例５に係る超伝導導体１０Ｆでは、螺旋状に巻き付ける前の超伝導テープ線材２単体と比較して、概ね同程度の電流値において超伝導状態の破壊が確認された。このことから、平滑化層３Ｃとしてテトロン製の糸を用いることにより、撚り線１の種類に依らず、超伝導テープ線材２の巻き付けの前後で臨界電流の実質的な劣化は生じていないことが確認された。
［実施例６］

図１７は、実施例６において作製した超伝導導体１０Ｇ（１０）の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は超伝導導体１０Ｇの側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す１５Ｂ－１５Ｂ線に沿う超伝導導体１０Ｇの断面図である。

実施例６では、実施例５において作製した超伝導導体１０Ｆから平滑化層３Ｃを省いた構成として、超伝導導体１０Ｇを作製した。実施例６では、撚り線１の周囲に直接的に超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けて超伝導導体１０Ｇが作製された。実施例５において作製した超伝導導体１０Ｆとは異なり、超伝導導体１０Ｇでは、撚り線１の周囲はテトロン製の糸で覆われていなかった。

実施例６では、撚り線１には素線径が０．１ｍｍ、仕上がり径が３．２ｍｍの型番ＩＺ０６を使用した。型番ＩＺ０６の素線１１の径０．１ｍｍは、実施例５にて使用した型番ＩＺ０５の素線１１の径０．１ｍｍと等しい。型番ＩＺ０６では、型番ＩＺ０５と同様に、撚り方向は、素線１１を撚って１次撚り線を構成するときも、１次撚り線を撚って最終的な撚り線１を構成するときも同じＳ撚りであり、撚りピッチも、素線１１を撚って１次撚り線を構成するときも、１次撚り線を撚って最終的な撚り線１を構成するときも同じ５０ｍｍであった。

芯材の直径３．２ｍｍから計算した周長１０ｍｍに素線径０．１ｍｍの素線を並べると約１００本並ぶ。すなわち、芯材は真円ではなく１００角形と想定される。これをさらに正１００角形であると仮定すると、その外角は約３．６度であり、正１００角形の芯材に沿って超伝導テープ線材が巻き付けられ折れ曲がると考えると、折れ曲がりが生じても、折れ曲がり角度は３．６度と想定される。

図１８は、実施例６において作製した超伝導導体１０Ｇ（１０）の電界－電流特性の測定結果である。図１８に示す測定結果によると、実施例６に係る超伝導導体１０Ｇでは、螺旋状に巻き付ける前の超伝導テープ線材２単体と比較して、概ね同程度の電流値において超伝導状態の破壊が確認された。このことから、素線１１の径が約０．１ｍｍよりも細く、撚り方向および撚りピッチが、素線１１を撚って１次撚り線を構成するときも、１次撚り線を撚って最終的な撚り線１を構成するときも同じである場合には、平滑化層３を備えていなくとも、超伝導テープ線材２の巻き付けの前後で臨界電流の実質的な劣化は生じていないことが確認された。

続いて本実施例６では、撚り線１の外周に沿った超伝導テープ線材２の折れ曲がり角度を計算することにより、臨界電流の劣化度合いに関して、撚り線１の外周に存在する凹凸がどの程度許容されるのかを確認した。

図１８に示す測定結果に示されているように、実施例６では、平滑化層３を備えていなくとも、超伝導テープ線材２の巻き付けの前後で臨界電流の実質的な劣化は生じていないことが確認された。この場合の、撚り線１の外周に沿った超伝導テープ線材２の折れ曲がり角度は３．６度と想定された。よって、本実施例６によると、超伝導テープ線材２の折れ曲がり角度が３．６度以下であれば、平滑化層３を備えていなくとも、臨界電流の実質的な劣化は生じていないことが確認された。
［比較例３］

図１９は、比較例３として作製した超伝導導体９０の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は超伝導導体９０の側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す１７Ｂ－１７Ｂ線に沿う超伝導導体９０の断面図である。

比較例３では、芯材９として、表面が平坦なガラス繊維強化樹脂（glass fiber reinforced plastics; GFRP）を用い、ＧＦＲＰ製の芯材９の周囲に直接的に超伝導テープ線材２を螺旋状に巻き付けて超伝導導体９０を作製した。芯材９が可撓性を有していないことから超伝導導体９０も可撓性を有していなかった。

図２０は、比較例３において作製した超伝導導体９０の電界－電流特性の測定結果である。図２０に示す測定結果によると、比較例３に係る超伝導導体９０では、螺旋状に巻き付ける前の超伝導テープ線材２単体と比較して、概ね同程度の電流値において超伝導状態の破壊が確認された。このことから、芯材９の表面に沿って超伝導テープ線材２を長手方向に沿って螺旋状に巻き付けるにあたり、芯材９の表面が平坦である場合には、超伝導テープ線材２の巻き付けの前後で臨界電流の劣化は生じていないことが確認された。

１ 撚り線
２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ） テープ形状の超伝導線材（超伝導テープ線材）
３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ） 平滑化層
８ 空隙
９ 芯材
１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ） ケーブル状の超伝導導体
１１ 素線
２１ 基板
２２（２２ａ） 超伝導層
２３ 絶縁部
２４ 接続部
２５（２５ａ，２５ｂ） 導電層
２７ 銅分流層
９０ 比較例として作製したケーブル状の超伝導導体
９８ 持続的渦電流
９９ 結合電流

Claims (14)

1. 互いに撚り合わされた複数の金属素線を有する撚り線と、
   可撓性を有する基板の表面に形成された超伝導層を有し、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、テープ形状の超伝導線材と、
   を備え、
   前記金属素線の直径は０．３ｍｍ以下であり、前記撚り線の直径は５ｍｍ以下である、超伝導導体。
2. 前記超伝導線材の長手方向と前記撚り線の長手方向とのなす角度は、４５度以上９０度未満である、請求項１に記載の超伝導導体。
3. 前記複数の金属素線は同じ向きに撚り合わされている、請求項１または２に記載の超伝導導体。
4. 前記複数の金属素線は同じ撚りピッチで撚り合わされている、請求項１から３のいずれか一項に記載の超伝導導体。
5. 前記撚り線と前記超伝導線材との間に、前記撚り線の周囲を長手方向に沿って覆うように配置された、可撓性を有する平滑化層をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の超伝導導体。
6. 前記平滑化層は、樹脂または金属を用いて形成されており、前記撚り線の周囲を筒状にまたは螺旋状に覆っている、請求項５に記載の超伝導導体。
7. 複数の前記超伝導線材を備え、
   複数の前記超伝導線材は、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の超伝導導体。
8. 複数の前記超伝導線材は異なる向きで、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、請求項７に記載の超伝導導体。
9. 前記超伝導線材において、
   複数の前記超伝導層は、前記基板の長手方向に延伸し、前記基板の短手方向に並列に配置されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の超伝導導体。
10. 前記超伝導線材と、前記撚り線が有する少なくとも一つの前記金属素線とを電気的に接続する常伝導部材をさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の超伝導導体。
11. 前記超伝導線材と、前記撚り線が有する少なくとも一つの前記金属素線とを電気的に接続する常伝導部材をさらに備え、
    複数の前記常伝導部材は、隣接する前記常伝導部材間の前記超伝導導体の区間において、前記超伝導導体に対する横方向の磁界の積分値を最小化するように配置されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の超伝導導体。
12. 互いに撚り合わされた複数の金属素線を有する撚り線と、
    可撓性を有する基板の表面に形成された超伝導層を有し、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、テープ形状の超伝導線材と、
    前記撚り線と前記超伝導線材との間に、前記撚り線の周囲を長手方向に沿って覆うように配置された、可撓性を有する平滑化層と、
    を備える、超伝導導体。
13. 互いに撚り合わされた複数の金属素線を有する撚り線と、
    可撓性を有する基板の表面に形成された超伝導層を有し、前記撚り線の周囲に長手方向に沿って螺旋状に巻き付けられている、テープ形状の超伝導線材と、
    を備え、
    前記撚り線の外周に沿った前記超伝導線材の折れ曲がり角度は１２度以下である、超伝導導体。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の超伝導導体が巻回されてなる巻線。

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