JP5395870B2 - 高温超電導コイルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、極低温に冷却される超電導機器に用いられる高温超電導コイルおよびその製造方法に関する。

Ｙ（イットリウム）系に代表されるＲＥ１２３系薄膜超電導線材は、臨界電流密度が極めて高く、かつ将来的には生産コストが従来のＢｉ系超電導線材と比較すると、数分の１に低減できる試算がなされており、次世代の高温超電導線材として期待されている。なお、ＲＥは、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ及びＹから選択される１種又は２種以上の元素である。こうした薄膜超電導線材は、従来の超電導線材とはその構造が大きく異なっており、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ハステロイなどの金属基板上に、中間層と呼ばれるＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）やＣｅＯ２に代表される酸化物層、ＲＥ１２３系の超電導層が順次層状に積層されて構成されるものが知られている（特許文献１参照）。

さらに、基板の上に超電導体片を形成してなるテープ線材２つを超電導体片同士が対向するように合わせて電気的に接続し、両超電導体片を空間上で互いに所定角度で交差し擬似的な撚りを形成してなる超電導テープ線材の構成も知られている（特許文献２参照）。
特開２００３−３２３８２２号公報 特開２００５−８５６１２号公報

上述した薄膜超電導線材における中間層や高温超電導層は１μｍ程度あるいはそれ以下の厚みしか有していない。そのため、線材の厚さ方向に力が加わると、薄い中間層や高温超電導層は剥離してしまうことがあり、信頼性の高い超電導コイルを製作するにあたっての課題となりうることが、近時発明者によって観測された。すなわち、この薄膜超電導線材を巻線して高温超電導コイルを作成する際に、金属基板と高温超電導層とを引き剥がす方向に力が加わるため、超電導特性が劣化することがわかってきた。

本発明はこうした新規に知見した課題を解決するためになされたものであり、超電導特性の劣化の原因となる高温超電導層の引き剥がし力の発生の可能性を従来よりさらに低減することが可能な高温超電導コイルとその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、金属基板上に高温超電導材料からなる高温超電導
層を含む複数の層を積層してなる高温超電導線材を巻線して形成される高温超電導コイルにおいて、前記高温超電導線材と接して共巻きされ巻線された前記高温超電導線材間に介在する離形材テープと、前記離形材テープと前記高温超電導線材との間に含浸により形成される樹脂層とを有し、前記離形材テープは前記樹脂層との接着力が相対的に弱い材料であることを特徴とする高温超電導コイルを提供する。

また、本発明は、金属基板上に高温超電導材料からなる高温超電導層を含む複数の層を積層してなる高温超電導線材を巻線して形成される高温超電導コイルの製造方法であって、前記超電導線材を離形材テープと接し巻線された前記高温超電導線材間に前記離形材テープを介在させる工程と、前記高温超電導線材と前記離形材テープとの間に含浸により樹脂層を形成する工程と、を有し、前記離形材テープは前記樹脂層との接着力が相対的に弱い材料であることを特徴とする高温超電導コイルの製造方法を提供する。

本発明によれば、高温超電導層が引き剥がされる可能性を従来よりさらに低減することで、この引き剥がしに起因する超電導特性の劣化の可能性をさらに低減し本来の特性を維持できるように構成された高温超電導コイルおよびその製造方法を実現することができる。

以下、本発明に係る高温超電導コイルおよびその製造方法の実施例について、図面を参照して説明する。

本発明の実施例１について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施例の高温超電導線材の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の一部を抜き出して示した断面図である。

本実施例において高温超電導線材１０を構成するにあたり、まず複数の高温超電導線材部品１Ａ，１Ｂを、一般的にCoated Conductorと呼ばれる線材構造にて複数の層からなる材料として構成する。すなわち、高温超電導線材部品１Ａ，１Ｂは、金属基板４の上に中間層５を介して、Ｒｅ１２３系等の高温超電導材料を含む高温超電導層６が形成される。

金属基板４は、例えばハステロイ（登録商標）等のニッケル合金あるいはステンレスで構成され、その上に形成される中間層５の材料としては、例えば、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウムなどがあり、結晶成長を促進させる機能を有する。さらにその上に形成される高温超電導層６は、Ｒｅ１２３系等の高温超電導材料からなるあるいはこれを主成分とするものである。

さらに、この金属基板４、中間層５、高温超電導層６からなる材料の上下に、それぞれ、例えば銀もしくは金あるいはその合金からなる保護金属層７Ａ，７Ｂが形成される。高温超電導材料は一般に他の金属と反応しやすい活性な材料であり、金、銀以外の材料と直接的に接触させると反応して性能低下を引き起こすことがあるため、本実施例のように高温超電導層６の上に保護金属層７Ａを形成してこうした性能低下を防止する。また、保護金属層７Ａは、高温超電導層６に電流が流れているときに常電導転移した場合のバイパス回路としても機能する。

本実施例における高温超電導線材１０は、上述した高温超電導線材部品１Ａ，１Ｂを２本並列に配置して上下を２枚の安定化金属層３Ａ，３Ｂで挟み込んだ構造となっている。またこの挟み込み構造ははんだ付けにより実現し、高温超電導線材部品１Ａ，１Ｂと安定化金属層３Ａ，３Ｂとの間ははんだ２により満たされている。かかる構成によって、高温超電導線材部品１Ａ，１Ｂの各層のうち２枚の安定化金属層３Ａ，３Ｂとはんだ２を介して直接接している部分は、保護金属層７Ａおよび７Ｂである。

本実施例において、高温超電導線材１０の厚さ方向すなわち積層方向に引っ張り方向の力が加わると、高温超電導層６を基板から引き剥がそうとする力が加わることになるが、本実施例に示すように、高温超電導層６を一体的に線材に含ませるのではなく高温超電導線材部品として２分してこの高温超電導線材部品１Ａ，１Ｂの中央部にはんだ部位２を設けることにより、高温超電導線材の中央部に支柱を設けたものと同様の作用を実現でき、以って高温超電導層６に加わる引き剥がし力を大幅に緩和することができる。

本発明の実施例２について、図２を参照して説明する。図２は、本実施例に係る高温超電導線材の断面図である。なお、以後の説明においては、上述した実施例と同様の構成については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施例の高温超電導線材１１は、金属基板４の上に順次中間層５、高温超電導層６、保護金属層７を積層しているが、１本の高温超電導線材の中央部付近の中間層５、高温超電導層６、保護金属層７にスリットＳを入れ、各層をそれぞれスリットＳの左右で分離して中間層５Ａ，５Ｂ、高温超電導層６Ａ，６Ｂ、保護金属層７Ａ，７Ｂとすることにより構成されるものである。またこのスリットＳでは、各層５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂを形成した段階では金属基板４が剥き出しの状態となっている。この構成は、例えばまず金属基板４上でスリットＳの部分をマスキングして各層を形成し、その後このマスキング部分を取り除くことで実現される。

こうしてスリットＳ部分で金属基板４が剥き出しになった状態で、安定化金属層３をはんだ付けにより形成する。すなわち、はんだ２は安定化金属層３と保護金属層７Ａ，７Ｂとを接続しているが、スリットＳにおいては安定化金属層３と金属基板４とがはんだ接合され、この接合面に中間層５Ａ，５Ｂ、高温超電導層６Ａ，６ＢのスリットＳで分岐された部分もはんだ２の接合部分に接している。

このように、高温超電導線材１１の中央部において安定化金属層３と金属基板４とをはんだ付けすることにより、上述した実施例１と同様に、高温超電導線材１１の厚さ方向に引っ張り力が加わったときに、高温超電導層６Ａ，６Ｂに加わる力を緩和することができる。

なお、金属基板４とはんだ２との間のはんだぬれ性（接続性）が悪い場合は、金属基板４の上に銀などの金属を蒸着するなどにより中間金属層（図示せず）を別途設置し、この中間金属層と安定化金属層３とをはんだ接続することが有効である。

本発明の実施例３について、図３を参照して説明する。図３は、本実施例に係る高温超電導線材の断面図である。なお、以後の説明においては、上述した実施例と同様の構成については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施例では、まず、金属基板４の上に順次中間層５Ａ，５Ｂ、高温超電導層６Ａ，６Ｂ、保護金属層７Ａ，７Ｂを、それぞれ金属基板４の中央部付近に設けられるスリットＳ’を介して左右分離して積層し、高温超電導線材部品８を構成する。この段階では、高温超電導線材部品８のスリットＳ’では金属基板４が剥き出しの状態となっている。上述の実施例２と同様にスリットＳ’は例えばマスキングにより形成される。

次に、この高温超電導線材部品８の上下で安定化金属層３Ａ，３Ｂを挟みこんで、安定化金属層３Ａ，３Ｂ間で高温超電導線材部品８との間をはんだ２で接合することによって、高温超電導線材１２を構成するものである。

本実施例は、図２に示した実施例２とは、安定化金属層３Ｂが金属基板４の下側に設けられている点で相違するが、基本的構成は実施例２と同様であり、その作用効果も以下の点を除いてほぼ同等である。すなわち、本実施例では、高温超電導線材としての電流密度は第２の実施例に比べてやや低下するものの、高温超電導線材１２の両端においても安定化金属層３Ａおよび３Ｂがはんだ接続されているため、実施例２の場合に比べて高温超電導層６Ａ，６Ｂに加わる力をより緩和することができる。

本発明の実施例４について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、本実施例に係る高温超電導コイルの斜視図、図４（ｂ）は（ａ）の矢印ＶＢ方向から見た高温超電導コイル１ターンの断面図である。

上述の実施例１ないし実施例３において説明した高温超電導線材を巻線して高温超電導コイルを形成することで、上述したように線材そのものが高温超電導性能の劣化を抑止した構造となっていることから、超電導コイルとしても十分な劣化抑止性能を有したものになる。一方、ここでは、高温超電導層の引き剥がし力の発生の可能性をさらに低減しもって高温超電導性能の劣化を抑止するという、上述の各実施例により得られる高温超電導線材を巻線して形成される超電導コイルと同一の課題を解決する超電導コイルの具体的構成として、本実施例における高温超電導コイルの構成について以下説明する。

本実施例における高温超電導コイル２０は、高温超電導線材１３と離形材テープ１４とを接して共巻きしてなる巻線をエポキシ樹脂１５Ａ，１５Ｂで含浸されて構成されるものである。

ここでの高温超電導線材１３は、少なくとも、高温超電導材料からなる高温超電導層と、金属基板とを有する線材であればよく、例えば上述した実施例１ないし実施例３における高温超電導層６（６Ａ，６Ｂ）と金属基板４を複数の介在層を介して積層し形成される高温超電導線材１０，１１，１２を用いることが好適であるが、かならずしもこれらには限定されない。

また、ここで用いられる離形材テープ１４の材質としては、特に、テフロン（登録商標）系あるいはポリイミドアミド系の樹脂が好適である。エポキシ樹脂１５Ａ，１５Ｂの接着力が相対的に弱い材料という意味で、離形材テープ１４とその左右に位置するエポキシ樹脂１５，１６層の界面で力が加わると、両者は容易に剥離する。

このような構成によれば、高温超電導コイル２０において高温超電導線材１３の厚さ方向に引っ張り力が印加される際には、高温超電導線材１３と離形材テープ１４との間に剥離が生じ、両者の間に空間ができる。このように高温超電導線材１３の引っ張り力に対して弱い部分を敢えて設けることにより、引っ張り力が加わったときに、高温超電導線材１３の高温超電導層６と金属基板４との間ではなくそれ以外の部分で剥離が生じることから、高温超電導層６が剥離することを防ぐことができ、以って超電導特性劣化の可能性を低減させることができる。

ここで、特に高温超電導線材１３として実施例１ないし実施例３における高温超電導線材１０，１１，１２のいずれかを用いた場合には、本実施例にて述べた効果とともに上述の実施例１ないし実施例３での効果を得ることにより、高温超電導層６の引き剥がし力の発生可能性をより低減することができる。

なお、本実施例においては、離形材テープ２１の表面にグリース（図示せず）を塗布することにより、離形の効果をさらに増大させ、超電導特性劣化の可能性をさらに低減させることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態として複数の実施例を説明してきたが、本発明は上述の各実施例の具体的構成に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形を採ることができる。また、複数の実施例における技術的特徴を任意に組み合わせて高温超電導線材、高温超電導コイルを構成することも考えられる。

また、例えば、各実施例においてははんだ２による各層の接合を説明したが、これは接合の例示でありはんだ以外のものであってもよい。また、実施例２，３におけるスリットＳ，Ｓ’の形成は、マスキング以外の方法によって実現してもよい。

また、実施例１における２本の高温超電導線材部品の並列配置により構成した場合の部品分割数を３本、４本、…とすることや、実施例２，３における中間層、高温超電導層、保護金属層を左右に分割するスリットの数を２つ、３つ、…とすることで、各実施例における部品または層の分割数を増すことも考えられる。このように分割数を増加させれば、それだけ製作上の工程は増大するものの、高温超電導層６に加わる引き剥がし力を緩和するという効果もまた大きくなる。

（ａ）は本発明の実施例１にかかる高温超電導線材の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の一部を抜き出して示した断面図である。 本発明の実施例２にかかる高温超電導線材の断面図である。 本発明の実施例３にかかる高温超電導線材の断面図である。 （ａ）は本発明の実施例４にかかる高温超電導電流コイルの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印ＶＢ方向から見た高温超電導コイル１ターンの断面図である。

１Ａ，１Ｂ，８…高温超電導線材部品、２…はんだ、３，３Ａ，３Ｂ…安定化金属層、４…金属基板、５，５Ａ，５Ｂ…中間層、６，６Ａ，６Ｂ…高温超電導層、７Ａ，７Ｂ…保護金属層、１０，１１，１２，１３…高温超電導線材、１４…離形材テープ、１５Ａ，１５Ｂ…エポキシ樹脂、２０…高温超電導コイル

Claims (2)

1. 金属基板上に高温超電導材料からなる高温超電導層を含む複数の層を積層してなる高温超電導線材を巻線して形成される高温超電導コイルにおいて、
   前記高温超電導線材と接して共巻きされ巻線された前記高温超電導線材間に介在する離形材テープと、
   前記離形材テープと前記高温超電導線材との間に含浸により形成される樹脂層とを有し、
   前記離形材テープは前記樹脂層との接着力が相対的に弱い材料であることを特徴とする高温超電導コイル。
2. 金属基板上に高温超電導材料からなる高温超電導層を含む複数の層を積層してなる高温超電導線材を巻線して形成される高温超電導コイルの製造方法であって、
   前記超電導線材を離形材テープと接して共巻きし巻線された前記高温超電導線材間に前記離形材テープを介在させる工程と、
   前記高温超電導線材と前記離形材テープとの間に含浸により樹脂層を形成する工程と、
   を有し、前記離形材テープは前記樹脂層との接着力が相対的に弱い材料であることを特徴とする高温超電導コイルの製造方法。

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