JP6031494B2 - 超電導線材及びこれを使用した超電導コイル - Google Patents

Description

本発明は、超電導線材及びこれを使用した超電導コイルに関する。

近年、一般式Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ（Ｂｉ２２１２）またはＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ（Ｂｉ２２２３）で表されるＢｉ系超電導体、あるいは、一般式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ（ＲＥ１２３）で表される希土類系超電導体を用いた超電導線材の開発が進められている。なお、希土類元素ＲＥがＹの場合に限らず、希土類系は、しばしばＹ系と呼ばれている。

希土類系の超電導線材の構成の一つとして、金属テープ等からなる基材上に中間層を介して酸化物超電導層を積層した後、酸化物超電導層を保護するＡｇ等の保護層を形成し、さらに、Ｃｕ等の安定化層を形成した構造が知られている。安定化層は、酸化物超電導層が何らかの原因で超電導状態から常電導状態に転移した際（クエンチ時）に発生する過電流をバイパスするための電流経路（パス）として設けられている。Ｎｉ合金等の強度が高い材料からなるテープ状の基材を用いた場合、超電導線材は、長手方向に高い引張強度を有する。しかし、テープの面に垂直な方向の応力に対する強度は、一般に長手方向の強度に比べて弱いと言われている。

超電導線材をコイル状に巻き回し、エポキシ樹脂などの樹脂を含浸させた超電導コイルの場合、冷却時に超電導線材と樹脂の熱収縮差により、また、通電時にフープ応力（超電導コイルを外側に拡張する方向に作用する応力）等により、基材面に垂直な方向の剥離応力が作用して、超電導線材が劣化する可能性がある。

この問題に対して、特許文献１には、保護層上に配置された安定化材が上板と下板を備え、上板と下板との間に中空部が形成された酸化物超電導線材が記載されている。この場合、安定化材と酸化物超電導層との間に中空部が介在することから、外部端子の接続等に際して、安定化材と酸化物超電導層との間で接続抵抗が増大しやすい。

特開２０１３−２３２２９７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、超電導線材の基材面に垂直な方向の応力が作用しても、その方向の応力に対する強度を向上することが可能で、安定化材と酸化物超電導層との間の電気抵抗を増大させにくい構造の超電導線材及びこれを使用した超電導コイルを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、テープ状の基材の一方の面上に中間層と酸化物超電導層と保護層がこの順に積層された構成の超電導積層体と、前記超電導積層体の前記保護層側に設けられた第１の安定化層と、前記超電導積層体の前記基材側に設けられた第２の安定化層と、前記第１の安定化層及び前記第２の安定化層を前記超電導積層体と接合する接合材と、を含む超電導線材であって、前記超電導積層体の前記保護層側の表面と前記第１の安定化層との間は、前記保護層側の表面全体が前記接合材を介して前記第１の安定化層に接合され、前記超電導積層体の前記基材の裏面と前記第２の安定化層との間は、前記基材の長手方向にわたって、前記接合材が設けられずに空隙となっている部分を有することを特徴とする超電導線材を提供する。

前記超電導積層体の両側面は、前記接合材により被覆されていることができる。
前記基材の裏面が幅方向の全体にわたって、前記空隙に接していることができる。
前記基材の裏面の両側端縁は、前記接合材により被覆されていることができる。
また、本発明は、前記超電導線材を使用した超電導コイルを提供する。

本発明によれば、基材の裏面側に空隙を設けることで、安定化材と酸化物超電導層との間の電気抵抗を増大させることなく、超電導線材の基材面に交差する方向の応力を空隙の周囲で緩和し、超電導線材の強度を向上することができる。

本発明の超電導線材の一例を示す断面図である。 超電導積層体の一例を示す断面図である。 本発明の超電導線材のさらなる一例を示す断面図である。

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。

図１に、本実施形態の超電導線材の断面図を示す。この断面図は、超電導線材の長手方向に垂直な断面の構造を模式的に示している。超電導線材１０は、超電導積層体１５と、超電導積層体の厚さ方向の両側に設けられた安定化材１６と、超電導積層体１５と安定化材１６とを接合する接合材１７とを含む。安定化材１６は、詳しくは後述するが、第１の安定化層１６ａと第２の安定化層１６ｂとに分かれている。

図２に、超電導積層体１５の断面図を示す。超電導積層体１５は、テープ状の基材１１と、基材１１の一方の面１１ａ上に、中間層１２と酸化物超電導層１３と保護層１４がこの順に積層された構成を有する。基材１１、中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４等の各層が積層される方向が厚さ方向である。幅方向は、長手方向及び厚さ方向に垂直な方向である。

基材１１は、テープ状の金属基材であり、厚さ方向の両側に、それぞれ主面（一方の面１１ａ及びこれに対向する裏面１１ｂ）を有する。基材１１を構成する金属の具体例として、ハステロイ（登録商標）に代表されるニッケル合金、ステンレス鋼、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金などが挙げられる。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、例えば１０〜５００μｍの範囲である。

中間層１２は、基材１１と酸化物超電導層１３との間に設けられる。中間層１２は、多層構成でもよく、例えば基材１１側から酸化物超電導層１３側に向かう順で、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有してもよい。これらの層は必ずしも１層ずつ設けられるとは限らず、一部の層を省略する場合や、同種の層を２以上繰り返し積層する場合もある。

拡散防止層は、基材１１の成分の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層１３側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧＺＯ（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）等から構成される。拡散防止層の厚さは、例えば１０〜４００ｎｍである。

ベッド層は、基材１１と酸化物超電導層１３との界面における反応を低減し、ベッド層の上に形成される層の配向性を向上するために用いられる。ベッド層の材質としては、例えばＹ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等が挙げられる。ベッド層の厚さは、例えば１０〜１００ｎｍである。

配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、例えば、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物を例示することができる。この配向層はＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法で形成することが好ましい。

キャップ層は、上述の配向層の表面に成膜されて、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなる。キャップ層の材質としては、例えば、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＹＳＺ、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、ＬａＭｎＯ_３等が挙げられる。キャップ層の厚さは、５０〜５０００ｎｍの範囲が挙げられる。

酸化物超電導層１３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_７−Ｘ（ＲＥ１２３）で表される希土類系酸化物超電導体が挙げられる。希土類元素ＲＥとしては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、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。中でも、Ｙ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍの１種か、又はこれら元素の２種以上の組み合わせが好ましい。超電導層の厚さは、例えば０．５〜５μｍ程度である。この厚さは、長手方向に均一であることが好ましい。酸素欠損量ｘは、例えば０．０〜０．５程度である。

保護層１４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１３と保護層１４の上に設けられる層との間で起こる化学反応を抑制したりする等の機能を有する。保護層１４の材質としては、例えば銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、金と銀との合金、その他の銀合金又は金合金が挙げられる。

安定化材１６は、超電導積層体１５の保護層１４側に設けられた第１の安定化層１６ａと、超電導積層体１５の基材１１側に設けられた第２の安定化層１６ｂとを含む。安定化材１６の厚さは特に限定されないが、例えば１０〜３００μｍとすることができる。第１の安定化層１６ａ及び第２の安定化層１６ｂは、それぞれ金属テープから構成できる。第１の安定化層１６ａ及び第２の安定化層１６ｂの幅はいずれも、超電導積層体１５の幅（超電導積層体１５を構成する各層の幅が異なる場合、それら各層の最大幅）より大きいことが好ましい。

安定化材１６に用いられる材料は、超電導線材１０の用途により異なってもよい。例えば、超電導ケーブルや超電導モータなどに使用する場合は、常電導状態への転移時に発生する過電流を転流させるバイパスのメイン部として機能する必要があるため、良導電性の金属が好適に用いられる。良導電性の金属として、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属が挙げられる。また、超電導限流器に使用する場合は、常電導状態への転移時に発生する過電流を瞬時に抑制する必要があるため、高抵抗金属が好適に用いられる。高抵抗金属として、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金などが挙げられる。

安定化材１６は、接合材１７により、超電導積層体１５と接合される。図１に示す例では、接合材１７は、保護層１４上に設けられる接合材１７ａと、超電導積層体１５の側面に設けられる接合材１７ｂを含む。接合材１７ａは、第１の安定化層１６ａを超電導積層体１５（特に保護層１４）と接合する。接合材１７ｂは、超電導積層体１５の厚さ全体にわたって形成され、第１の安定化層１６ａと第２の安定化層１６ｂとを接合する。さらに接合材１７ｂは、超電導積層体１５の側面を被覆しており、超電導積層体１５と第２の安定化層１６ｂとを接合している。

接合材１７を構成する材料としては、例えばＳｎ−Ｐｂ系、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系、Ｂｉ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系などの半田、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｉｎ（インジウム）、Ｉｎ合金などの金属が挙げられる。

超電導積層体１５の保護層１４側には、酸化物超電導層１３に近い方の安定化材１６として、第１の安定化層１６ａが設けられている。保護層１４の表面と第１の安定化層１６ａとの間において、保護層１４の表面全体が接合材１７ａを介して第１の安定化層１６ａに接合されている。これにより、安定化材１６と酸化物超電導層１３との間の電気抵抗を抑制することができる。

超電導積層体１５の基材１１側には、酸化物超電導層１３から遠い方の安定化材１６として、第２の安定化層１６ｂが設けられている。第２の安定化層１６ｂは、超電導積層体１５の側面に設けられた接合材１７ｂを介して、超電導積層体１５及び第１の安定化層１６ａに接合される。これにより、基材１１の裏面１１ｂと第２の安定化層１６ｂとの間で、接合材１７が設けられずに空隙１８となっている部分が形成される。

空隙１８は、基材１１の長手方向にわたって延在することが好ましい。これにより、第２の安定化層１６ｂが、空隙１８の周囲で超電導積層体１５（詳しくは基材１１の裏面１１ｂ）に対して近づいたり遠ざかったりするように変形することができる。その結果、超電導線材１０の基材１１の裏面１１ｂに交差する方向の応力が、空隙１８の周囲で緩和されるので、超電導線材１０の剥離強度を向上することができる。

図１に示す例では、基材１１の裏面１１ｂが幅方向の全体にわたって、空隙１８に接している。この例では、基材１１の裏面１１ｂが接合材１７で濡れないように、裏面１１ｂの状態を調整する（あるいは濡れを向上する処理をしない）ことで、空隙１８を拡大することができる。

図３に示す例では、接合材１７が、基材１１の裏面１１ｂの両側端縁を覆う接合材１７ｃを有する。この場合、裏面１１ｂの両側端縁が接合材１７ｃで濡れて、その間の中央部が接合材１７ｃで濡れないように、裏面１１ｂの状態を調整することが好ましい。この場合、裏面１１ｂの両側端縁を接合材１７ｃで補強することができる。

空隙１８は、超電導積層体１５の幅方向の中央部を含む範囲に形成されることが好ましい。裏面１１ｂの両側端縁を覆う接合材１７ｃの幅ｘ（図３参照）は、基材１１の幅をｗ（図示せず）は特に限定されず、０≦ｘ＜ｗ／２でよい。なお、ｘ＝０は、図１の場合に相当する。基材１１が接合材１７ｂ，１７ｃで濡れやすくするためには、基材１１上で接合材１７ｂ，１７ｃを濡らしたい箇所にＡｇ等のメッキ層を設けることが好ましい。

側端縁の接合材１７ｃの幅ｘは、左右の各側端縁で等しくても異なってもよく、許容可能な変動が長手方向に沿って存在してもよい。層間剥離をもたらす応力の局所的集中を抑制するため、なるべく空隙１８が長手方向に沿って均一に形成されること、空隙１８の内部で局所的に第２の安定化層１６ｂを超電導積層体１５と接合する接合材１７が存在しないことが好ましい。

テープ状の超電導線材１０を用いて超電導コイルを作製するには、超電導線材１０を巻き枠の外周面に沿って必要な層数巻き付けてコイル形状（多層巻きコイル）とした後、巻き付けた超電導線材１０を覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて超電導線材１０を固定することができる。超電導線材１０をコイル形状に巻き付ける際、主として超電導線材１０の厚さ方向がコイルの径方向となればよい。超電導積層体１５における基材１１側（裏側）と保護層１４側（表側）のいずれかコイルの巻き中心側になるかは限定されない。

超電導線材１０の両側端縁は、主としてコイルの軸方向に向かう。コイルで隣接するループ間では、主として超電導線材１０の表側と裏側（場合により表側同士又は裏側同士）が向かい合う。そして、向かい合う超電導線材１０の間には、含浸樹脂が充填されて、超電導線材１０を相互に接着する。なお、局所的に超電導線材１０にねじれや折り曲げ、接続部等を設けてコイルにおける超電導線材１０の向きを変更することも可能である。

超電導コイルの使用時には、含浸樹脂により周囲を覆われた状態で冷媒や冷却装置により冷却される。このとき、含浸樹脂は超電導積層体より熱膨張係数が大きいので、常温から低温に冷却される過程で、含浸樹脂の収縮、変形により超電導線材１０に応力が作用する。この応力に対し、第２の安定化層１６ｂと超電導積層体１５との間に空隙１８が設けられ、超電導積層体１５の変形を抑制しつつ、第２の安定化層１６ｂが変形して応力を吸収できるので、超電導積層体１５の層間剥離を防止し、超電導線材１０の劣化を抑制することができる。

また、接合材１７が超電導積層体１５の両側面を覆うことにより、超電導積層体１５を構成する各層が、側面に接する端部から剥離することを抑制することができる。この場合、接合材１７が超電導積層体１５の両側面に密着することが好ましい。

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るものではなく、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。

超電導線材は、外部端子を有することができる。外部端子を有する箇所では、他の箇所と異なる断面構造を有してもよい。

１０…超電導線材、１１…基材、１１ａ…一方の面、１１ｂ…基材の裏面、１２…中間層、１３…酸化物超電導層、１４…保護層、１５…超電導積層体、１６…安定化材、１６ａ…第１の安定化層、１６ｂ…第２の安定化層、１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…接合材、１８…空隙。

Claims (5)

1. テープ状の基材の一方の面上に中間層と酸化物超電導層と保護層がこの順に積層された構成の超電導積層体と、
   前記超電導積層体の前記保護層側に設けられた第１の安定化層と、
   前記超電導積層体の前記基材側に設けられた第２の安定化層と、
   前記第１の安定化層及び前記第２の安定化層を前記超電導積層体と接合する接合材と、
   を含む超電導線材であって、
   前記超電導積層体の前記保護層側の表面と前記第１の安定化層との間は、前記保護層側の表面全体が前記接合材を介して前記第１の安定化層に接合され、
   前記超電導積層体の前記基材の裏面と前記第２の安定化層との間は、前記基材の長手方向にわたって、前記接合材が設けられずに空隙となっている部分を有することを特徴とする超電導線材。
2. 前記超電導積層体の両側面は、前記接合材により被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
3. 前記基材の裏面が幅方向の全体にわたって、前記空隙に接していることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導線材。
4. 前記基材の裏面の両側端縁は、前記接合材により被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導線材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導線材を使用した超電導コイル。

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