JP5558794B2

JP5558794B2 - 超電導線およびそれを用いた超電導コイル

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Publication number: JP5558794B2
Application number: JP2009272041A
Authority: JP
Inventors: 登前間; 泰造戸坂; 寛史宮崎; 圭小柳; 貞憲岩井; 賢司田崎; 祐介石井; 努来栖; 茂井岡; 昌身浦田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: JP2011113933A

Description

本発明は、多層構造の超電導線およびそれを用いた超電導コイルに関する。

多層構造の超電導線は、基板の上に中間層を介して結晶配向性の揃った酸化物超電導層
が形成され、酸化物超電導層の上に保護層が形成される。多層構造の超電導線は、銀チュ
ーブに超電導体を封入して製作される超電導ケーブルに比べて高い臨界電流密度を有する
特徴がある。しかし、この多層構造の超電導線を用いて超電導コイルを製作、運転を行う
と、コイルの製作や運転時に超電導線に応力が生じ、超電導線を構成する層が剥離、変形
、クラックを起こし、その結果、臨界電流密度の低下を招いてしまう。

この多層構造の超電導線を構成する層に生じる応力には、超電導コイル冷却時における
超電導線を構成する層の膨張率の違いによるもの、超電導コイル運転時における酸化物超
電導層に働く電磁力によるものなどがある。

そこで、上記要因によって生じる応力による剥離、変形、クラックの発生を防止するた
めに、超電導線の保護層にハンダによって金属製の補強板を接着させ、超電導線を構成す
る層の補強を行う技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−２８２５８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術の超電導線を用いて、超電導線を内周に補強板
を外周に配置して巻芯に巻線して超電導コイルを製作すると、超電導線および補強板の曲
率・半径が異なるために補強板の巻線距離は超電導線より長くなり、超電導線と補強板が
接着されているために、補強板が超電導線を巻線方向に引張するような長手方向の応力が
超電導線を構成する層に発生していた。

また、巻線時には補強板に曲げ応力が発生することにより補強板の巻線の内側面に長手
方向の圧縮応力が生じるが、超電導線と補強板が接着されているために、この圧縮応力に
よって超電導線を構成する層に長手方向の応力が発生していた。

したがって、特許文献１に記載の技術は、上述したような補強板によって超電導線を構
成する層に発生する長手方向の応力によって、超電導線を構成する層が剥離、変形、クラ
ックを起こし、その結果、臨界電流密度の低下を招いてしまうという新たな課題が生じて
いた。

そこで本発明は、超電導コイルの製作や運転によって超電導線を構成する層に生じる応
力に対して積層方向の補強を行い、かつ補強手段によって超電導線を構成する層に生じる
長手方向の応力を低減することができる超電導線を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の超電導線は、可撓性を有する基板上に、酸化物超電導層が中間層を介して形成され、酸化物超電導層上に保護層が形成されることによりなる超電導部材と、超電導部材の保護層が形成される側の面に摺接される補強板と、超電導部材と補強板とを長手方向に相互に摺動可能に包囲して拘束する絶縁テープとを備え、前記超電導部材と前記補強板が摺接する面にさらに離型剤を設け、補強板が、中間層と酸化物超電導層と保護層に生じる応力に対して積層方向の補強を行うことを特徴とする。

本発明によれば、超電導コイルの製作や運転によって超電導線を構成する層に生じる応力に対して積層方向の補強を行い、かつ補強手段によって超電導線を構成する層に生じる長手方向の応力を低減することができ、離型剤によって超電導部材と補強板、または超電導部材同士の相互の長手方向の摺動を促すことができる。

本発明の第１の実施形態に係る超電導線の長手方向に垂直な面の断面図。本発明の第１の実施形態に係る絶縁テープの巻き方を示す斜視図。本発明の第１の実施形態に係る超電導線の超電導層部材を複数用いた場合の長手方向に垂直な面の断面図。本発明の第１の実施形態に係る超電導線の２つの超電導層部材を向かい合わせた場合の長手方向に垂直な面の断面図。本発明の第１の実施形態に係る超電導線を用いた超電導コイルを示し、（ａ）は断面斜視図、（ｂ）は拡大断面図。本発明の第２の実施形態に係る超電導線の長手方向に垂直な面の断面図。

以下、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第１の実施形態の超電導線の構成について図１乃至図５を参照して説明
する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導線の長手方向に垂直な面の断面図である
。

超電導部材２は、厚み０．１ｍｍ、幅４．０ｍｍのテープ状の基板５の上に中間層６が
形成され、中間層６の上に結晶配向性の優れた酸化物超電導層７が形成され、酸化物超電
導層７の上に保護層８が形成され、保護層８の上に安定化層９が形成されることにより構
成される。

超電導線１は、超電導部材２の安定化層９が形成される側の面に、補強手段として厚み
０．１ｍｍ、幅４．０ｍｍの補強板３を摺接し、絶縁テープ４によって超電導部材２と補
強板３とを長手方向に相互に摺動可能に包囲して拘束することにより構成される。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る絶縁テープの巻き方を示す斜視図である。絶縁
テープ４は、ラップ巻きといわれる、巻いた一部分が重なるように斜め方向に巻き進める
方法によって、超電導部材２と補強版３を包囲する。

基板５は、ハステロイ（登録商標）、ステンレス鋼やニッケル合金どの高強度の金属材
料を用いる。ガラス、セラミクス等の非金属材料でも適用可能である。

中間層６は、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、
ＳｒＴｉＯ_３、ＭｇＯなどの結晶配向性が優れ、酸化物超電導層７の熱膨張率に近い膨張
率を有する材料を用いることで、基板５と酸化物超電導層７の熱膨張の差異に起因する熱
歪を防止する。

酸化物超電導層７は、Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７-ｘ、Ｙ_２Ｂａ_４Ｃｕ_８Ｏｘ、Ｙ_３Ｂａ_３
Ｃｕ_６Ｏｘなる組成、あるいは（Ｂｉ，Ｐｂ）_２Ｃａ_２Ｓｒ_２Ｃｕ_３Ｏｘ、（Ｂｉ，Ｐｂ
）_２Ｃａ_２Ｓｒ_３Ｃｕ_４Ｏｘなる組成、あるいは、Ｔｌ_２Ｂａ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏｘ、Ｔｌ
_１Ｂａ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏｘ、Ｔｌ_１Ｂａ_２Ｃａ_３Ｃｕ_４Ｏｘなる組成などに代表される臨
界温度の高い酸化物超電導体からなり、中間層６の面上にレーザ蒸着装置等によって形成
する。

保護層８は、材料として銀が用いられ、酸化物超電導層７の面上に真空蒸着法等により
形成される。ここで、保護層８に用いられる銀は、酸化物超電導体に含まれる酸素が酸化
物超電導層７から拡散することを防止し、酸化物超電導体の組成を保つ働きがある。この
効果を持つ物質であれば、銀以外の材料、例えば金、白金でも適用可能である。

安定化層９は、銅あるいはＡｌなどの良電導性の金属を保護層８の面上にメッキ等の方
法により形成される。また、安定化層９の形成をしやすくするために、銀、金、白金など
からなる下地安定化層を予め保護層８の上に形成し、その上に安定化層９を形成する構造
としてもよい。

超電導コイルが臨界電流を上回って使用されると、超電導状態を保つことができず、酸
化物超電導層の一部が、高い電気抵抗をもった常電導体に変化する。このとき、クエンチ
現象といわれる、常電導体に流れる電流によって熱が発生し、この熱によりさらに他の部
分が常電導体への変化が起きることにより、超電導コイルの焼き切れや、冷却材の一瞬の
気化が生じる現象が起きることがある。

安定化層９は、超電導コイルのクエンチ現象を防止するために、酸化物超電導層７に臨
界電流を越えた電流が流れたときに、酸化物超電導層７への過剰電流の迂回経路となる働
きをもつ。

補強板３は、超電導部材２の補強の働きがあり、銅、ステンレス鋼等の金属が用いられ
るが、曲げ歪みや引張に強い材料であれば、合成樹脂、セラミクス等の金属以外の材料で
も適用可能である。

絶縁テープ４は、絶縁材料からなるテープが用いられる。例えば、カプトン（商標登録
）やノーメックス（商標登録）を用いることができる。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る超電導線の超電導部材を複数設けた場合の長手
方向に垂直な面の断面図である。第１の超電導部材２ａの安定化層９ａが形成される側の
面に補強板３を摺接し、この第１の超電導部材２ａの基板５ａの面下に、さらに第２の超
電導部材２ｂを安定化層９ｂが形成される側の面を向けて摺接し、絶縁テープ４によって
２つの超電導部材２ａ、２ｂと補強板３とを相互に摺動可能に包囲して拘束する構成とす
る。また、第２の超電導部材２ｂの基板５の面下にさらに超電導部材２を安定化層９が形
成される側の面を摺接して設ける構成としてもよい。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る超電導線の２つの超電導部材を向かい合わせた
場合の長手方向に垂直な面の断面図である。補強板３を省き、第１、第２の超電導部材２
ａ、２ｂの安定化層９ａ、９ｂが形成される側の面同士を向かい合わせて摺接し、絶縁テ
ープ４によって２つの超電導部材２a、２ｂを相互に摺動可能に包囲して拘束する構成と
する。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る超電導線を用いた超電導コイルを示し、（ａ）
は断面斜視図、（ｂ）は拡大断面図である。巻芯１２は、内径９０ｍｍ、外径１００ｍｍ
であり、ＦＲＰ等の材質からなる。また、樹脂１３はエポキシ樹脂等の硬化性樹脂からな
る。

超電導コイル１１は、超電導線１に樹脂１３を塗布して補強板３を外周に、超電導部材
２を内周に位置するように巻芯１２に２０ターン巻線し、樹脂１３で含浸したものである
。なお、補強板３を内周に、超電導部材２を外周に位置するように巻線して超電導コイル
１１を製作する構成としてもよい。

（作用）
超電導部材２の安定化層９が形成される側の面に補強板３を摺接し、絶縁テープ４によ
って超電導部材２と補強板３とを長手方向に相互に摺動可能に包囲して拘束した場合は、
絶縁テープ４によって超電導部材２と補強板３とが積層方向に拘束がされているため、熱
膨張率の違いや電磁力によって超電導部材２を構成する層に生じる応力に対して、補強板
３が積層方向の補強を行う。

また、超電導部材２と補強板３とが長手方向に摺動可能であるため、補強板３による超
電導部材２への長手方向の応力が生じても、超電導部材２と補強板３が長手方向の応力を
逃がす方向に相互に摺動し、応力が軽減される。

第１の超電導部材２ａの基板５の面下に第２の超電導部材２ｂを安定化層９ｂが形成さ
れる側の面を向けて摺接した場合には、補強板３が第１の超電導部材２ｂを構成する層の
積層方向の補強を行うとともに、第２の超電導部材２ｂを構成する層に対して第１の超電
導部材２ａの基板５ａが補強手段として補強板３と同等に作用し、第１の超電導部材２ａ
の基板５ａが第２の超電導部材２ｂを構成する層の積層方向の補強を行う。また、長手方
向の応力に対しては第１、第２の超電導部材２ａ、２ｂおよび補強板３が相互に摺動し、
応力が軽減される。

第１、第２の超電導部材２ａ、２ｂを安定化層９ａ、９ｂが形成される側の面を向き合
わせて摺接した場合には、基板５ａ、５ｂが補強手段として互いに第１、第２の超電導部
材２ａ、２ｂを構成する層の積層方向の補強を行う。また、長手方向の応力に対しては超
電導部材２同士が相互に摺動し、応力が軽減される。

補強板３を内周に、超電導部材２を外周に位置するように巻線して超電導コイル１１を
製作した場合は、上述した長手方向の応力とは逆向きの応力が超電導部材２に加わるが、
超電導部材２と補強板３が応力を逃がす方向に相互に長手方向に摺動し、応力が軽減され
る。

（効果）
本実施形態によれば、超電導コイル１１の製作や運転によって超電導部材２を構成する
層に生じる応力に対して積層方向の補強を行い、かつ補強手段によって超電導部材２を構
成する層に生じる長手方向の応力を軽減することで、超電導部材２を構成する層の剥離、
変形、クラック等を防止することができ、超電導コイル１１の臨界電流密度の低下を防止
することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る超電導線について図６を参照して説明する。本実
施形態が第１の実施形態と異なる点は、離型剤１０を新たに設けた点ある。第１の実施形
態の各部と同一部分は同一符号で示し、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電導線の長手方向に垂直な面の断面図である
。本実施形態の超電導線１は、超電導部材２の安定化層９が形成される側の面と補強板３
の間に離型剤１０を設け、超電導部材２および補強板３を相互に長手方向に摺動可能に絶
縁テープ４で包囲し拘束することにより構成される。

離型剤１０は、例えばテフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂、パラフィングリース
、シリコンオイルなどが用いられる。フッ素系樹脂を用いる場合は、フッ素系樹脂テープ
を用いることが好ましい。この離型剤１０は超電導部材２と補強板３が摺接する面全体に
設ける必要はなく、効果を奏する部分のみに設ける構成としてもよい。

また、第１の実施形態における２以上の超電導部材２を同じ積層方向に摺接する場合や
、２つの超電導部材２を向き合わせて摺接する場合には、超電導部材２同士が摺接する面
に離型剤１０を設ける構成とする。

（作用）
離型剤１０は、超電導部材２と補強板３の間、または超電導部材２同士が摺接する面に
生じる摩擦を低減する。

（効果）
本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、離型剤１０によって超電導部材
２と補強板３、または超電導部材２同士の相互の長手方向の摺動を促すことができる。

なお、本発明の実施形態は上述した実施形態に限られないことは言うまでもない。例え
ば、上述した超電導線１やコイル巻芯１２の寸法等は適時変更可能であるし、絶縁テープ
４の超電導部材２および補強板３の包囲の方法も上述したラップ巻きに限られず、２枚の
絶縁テープ４によって超電導部材２と補強板３を挟んで包囲して両端を接着剤等で固定す
る方法など、超電導テープ２と補強板３を長手方向の相互の摺動を可能に包囲して拘束す
る方法であれば、他の方法でも適用可能である。

また、安定化層９の働きを保護層８が兼ねることも可能であり、このとき超電導部材２
は安定化層９を形成しない構成としてもよい。また、安定化層９は、少なくとも保護層８
の面上に形成されていればよく、基板５、中間層６、酸化物超電導層７、保護層８からな
る積層物の表面全体に安定化層９を形成する構成としてもよい。

１・・・超電導線
２、２ａ、２ｂ・・・超電導部材
３・・・補強板
４・・・絶縁テープ
５・・・基板
６・・・中間層
７・・・酸化物超電導層
８・・・保護層
９、９ａ、９ｂ・・・安定化層
１０・・・離型剤
１１・・・超電導コイル
１２・・・巻芯
１３・・・樹脂

Claims

可撓性を有する基板上に中間層が形成され、前記中間層上に酸化物超電導層が形成され、前記酸化物超電導層上に保護層が形成された超電導部材と、
前記超電導部材の前記保護層側の面に摺接される補強板と、
前記超電導部材と前記補強板とを長手方向に相互に摺動可能に包囲して拘束する絶縁テープとを備え、
前記超電導部材と前記補強板が摺接する面にさらに離型剤を設けたことを特徴とした超電導線。
可撓性を有する基板上に中間層が形成され、前記中間層上に酸化物超電導層が形成され、前記酸化物超電導層上に保護層が形成された超電導部材を少なくとも２つ同じ積層方向に摺接し重ねた積層物と、
前記積層物のうち前記保護層側の面に摺接される補強板と、
前記超電導部材と前記補強板ならびに前記超電導部材同士を長手方向に相互に摺動可能に前記積層物と前記補強板を包囲して拘束する絶縁テープとを備え、
前記超電導部材と前記補強板が摺接する面にさらに離型剤を設けたことを特徴とした超電導線。
可撓性を有する基板上に中間層が形成され、前記中間層上に酸化物超電導層が形成され、前記酸化物超電導層上に保護層が形成された超電導部材を少なくとも２つ同じ積層方向に摺接し重ねた積層物と、
前記積層物のうち前記保護層側の面に摺接される補強板と、
前記超電導部材と前記補強板ならびに前記超電導部材同士を長手方向に相互に摺動可能に前記積層物と前記補強板を包囲して拘束する絶縁テープとを備え、
前記超電導部材同士が摺接する面にさらに離型剤を設けたことを特徴とした超電導線。
可撓性を有する基板上に中間層が形成され、前記中間層上に酸化物超電導層が形成され、前記酸化物超電導層上に保護層が形成された超電導部材を、前記保護層側の面を向き合わせて摺接される１対の超電導部材と、
前記１対の超電導部材を長手方向に相互に摺動可能に包囲して拘束する絶縁テープとを備え、
前記超電導部材同士が摺接する面にさらに離型剤を設けたことを特徴とする超電導線。
前記離型剤は、フッ素系樹脂、パラフィングリース、シリコンオイルの何れかが用いられることを特徴とした請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の超電導線。
前記超電導部材は、前記超電導部材の表面の少なくとも前記保護層の面上に形成された安定化層をさらに備えることを特徴とした請求項１乃至請求項５の何れか一項記載の超電導線。
前記絶縁テープを、拘束対象を長手方向に対して斜め方向に前記絶縁テープの一部分が重なるように巻き回して包囲することを特徴とした請求項１乃至請求項６の何れか一項記載の超電導線。
請求項１乃至請求項７の何れか一項記載の超電導線を巻き回して構成されたことを特徴とした超電導コイル。