JP6058577B2

JP6058577B2 - 高温超電導線材および高温超電導コイル

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Publication number: JP6058577B2
Application number: JP2014058216A
Authority: JP
Inventors: 貞憲岩井; 寛史宮崎; 賢司田崎; 祐介石井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP2015185244A

Description

本発明は、発生磁場の精度を向上させた高温超電導線材および高温超電導コイルに関する。

イットリウム系（ＲＥ系）の高温超電導線材（以下、単に「線材」という）は、従来の低温超電導線材に比べて高い外部磁場中でも高い臨界電流密度特性をもつ。
よって、次世代の超電導線材として様々な分野での応用が期待されている。

例えばこの線材を巻回してコイルにして、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）または磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）などの種々の超電導応用機器に用いることができる。

一般にＲＥ系の線材は、ＲＥ系酸化物超電導層、保護金属層および安定化層を含む多層構造をとる。
数ｍｍ程度の幅をもつテープ形状にして使用されるこのＲＥ系の線材は、その各々の層が非常に剥離しやすい。
よって、超電導特性はこの剥離やその他の応力によるクラックなどで容易に劣化する。

ところで、この線材をコイルにして外部磁場を発生させると、線材は外部磁場の変化を打ち消すように線材の内部に遮蔽電流を生じさせる。
線材が上述のようなテープ形状をしていると、テープ断面のアスペクト比から、遮蔽電流は、テープ面垂直方向の外部磁場に対するものが大部分となる。

線材が超電導導体であるため、この遮蔽電流の減衰は非常に遅い。
さらに、遮蔽電流は、発生磁場とは逆方向のいわゆる遮蔽外部磁場を発生させて、外部磁場の設計値を低減させるとともに、時間的な安定度および均一度を低下させてしまう。

そこで、テープ形状に沿って超電導層を細線化して、遮蔽電流の経路を分断して低減する技術が提案されてきた（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

また、このように細線化された超電導層の各素線および素線間のスリット溝の表面に安定化層を配置した線材も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
このように素線およびスリット溝の表面に安定化層を配置することで、素線を流れる電流の一部が他の素線へ流れる転流が可能となり、素線間の電流量の偏りである偏流を低減することができる。

さらに、形成したスリット溝を含めてハンダ等の接合部材で覆うことで、各素線および安定化層を電気的に接続する技術も提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特許第４６５７９２１号公報特許第４７７７７４９号公報特許第４９９６５１１号公報特許第４８６４７８５号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、素線となって並置される超電導層は互いに絶縁物などで電気的に分離される。
よって、線材はこれらの素線の並列導体となり、素線間のインダクタンスが僅かにでもずれると、容易に偏流が生じてしまっていた。

つまり、容易に素線間の電流分配が不均一となって発生磁場を攪乱させ、設計通りの磁場分布を得ることができないという課題があった。
また、偏流によって線材の電気的負荷が偏在することで、線材全体における臨界電流値も不均一となり、超電導性を不安定にさせていた。

偏流を防止するために、素線を常導電性のハンダ等の接合部材で覆うと、層数が増加することとなり、通常の線材に比べて線材全体に占める電流密度が低下する。
すなわち、素線をハンダなどの接合部材で覆うことで、高電流密度という高温超電導体の優位性が損なわれてしまう。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、超電導層の細線化に起因する電流密度の低下を防止するとともに設計通りの磁場分布を得ることが可能な高温超電導線材および高温超電導コイルを提供することを目的とする。

本実施形態にかかる高温超電導線材は、テープ形状の金属材からなる基板と、テープ長さ方向に沿って細線化されるとともに前記基板のテープ幅方向に複数並置される超電導層と、前記超電導層の少なくとも上面に積層されて前記超電導層の劣化を防止する保護層と、積層された前記基板、前記超電導層および前記保護層の表面を全周にわたって被覆する安定化層と、を備え、細線化されてできる前記超電導層の素線間は、前記保護層で充填されるものである。

本発明により、超電導層の細線化に起因する電流密度の低下を防止するとともに設計通りの磁場分布を得ることが可能な高温超電導線材および高温超電導コイルが提供される。

第１実施形態にかかる高温超電導線材のテープ幅方向の断面図。第２実施形態にかかる高温超電導線材のテープ幅方向の断面図。（Ａ）は第３実施形態にかかる高温超電導コイルの一例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の高温超電導コイルのＩ−Ｉ断面を示す図。第３実施形態にかかる高温超電導コイルの一部に使用される細線化されていない超電導線材の断面図。第３実施形態にかかる高温超電導コイルの変形例の切欠き斜視図。各々のパンケーキコイルにおける外部磁場の垂直成分の分布を示す図。（Ａ）は第３実施形態にかかる高温超電導コイルの変形例の上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面の断面図。第３実施形態にかかる高温超電導コイルの変形例の概略斜視図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる高温超電導線材１０ａ（１０）（以下、単に「線材１０ａ」という）のテープ幅方向の断面図である。

第１実施形態にかかる線材１０ａは、図１に示されるように、テープ形状の金属材からなる基板１１と、テープ長さ方向に沿って細線化されるとともに基板１１のテープ幅方向に複数並置される超電導層１２と、超電導層１２の少なくとも上面に積層されて超電導層１２の劣化を防止する保護層１３と、積層された基板１１、超電導層１２および保護層１３の表面を全周にわたって被覆する安定化層１４と、を備える。
なお、第１実施形態では、細線化されてできる超電導層１２の素線間は、安定化層１４で充填される。

基板１１は、テープ形状のステンレスまたは銅などの高強度の金属材からなる。
この基板１１に蒸着、めっきまたは塗布などで複数の層を積層して線材１０ａを形成する。

基板１１には、超電導層１２の熱収縮に起因する熱歪みを防止する中間層１５が形成される。
この中間層１５を基板１１の表面に配向させるマグネシウムなどからなる配向層（図示せず）を形成してもよい。
そして、中間層１５の上に超電導層１２が積層される。

超電導層１２は、テープ長さ方向に沿って細線化されるとともに基板１１のテープ幅方向に複数並置される。
超電導層１２は、例えばＢＳＣＣＯ（Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀）またはＲＥＢＣＯ（（ＲＥ）Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、ＲＥ：希土類）などの銅酸化物系の高温超電導体から構成される。
なお、超電導層１２は、例えばＭｇＢ₂など、高温超電導体から構成されれば種類は上述のものに限定されない。

保護層１３は、超電導層１２の少なくとも上面に積層されて超電導層１２の劣化を防止する。
第１実施形態では、保護層１３は、超電導層１２とともに細線化されて超電導層１２の上面に配置される。
保護層１３は、銀、金または白金などから組成され、超電導層１２に含まれる酸素の拡散などによる劣化から超電導層１２を保護している。

安定化層１４は、積層された基板１１、超電導層１２および保護層１３の表面を全周にわたって被覆する。
そして、安定化層１４は、超電導層１２および保護層１３が細線化されることでこれらの素線間に形成されるスリット溝１６に充填される。
安定化層１４には、銅またはアルミニウムなどの良伝導性の金属が用いられる。

従来では、超電導層１２を細線化することで発生する偏流の課題に対して、素線１２ａどうしをハンダ付けすることで解消していた。
つまり、素線１２ａどうしをハンダ付けして、素線１２ａに対するハンダの抵抗比に反比例した微小な電流を、電流量の少ない素線１２ａへ転流させていた。

ハンダは有限の電気抵抗を有する常電導金属であるため、転流する遮蔽電流は微小である。
よって、有限の電気抵抗を有する常電導金属で電気的に接続しても、遮蔽電流は、十分に低減される。

しかし、上述したように、ハンダの分だけ層が増加して線材１０ａが厚くなり、線材１０ａの電流密度が低下して、高温超電導体の優位性が損なわれるという課題があった。
そこで、ハンダによる素線１２ａの接続に替えて、安定化層１４でスリット溝１６を充填して、充填された安定化層１４を介した転流を発生させる。
つまり、安定化層１４でスリット溝１６を充填することで、線材１０ａを構成する層を増加させることなく、偏流の発生を軽減させることができる。

しかし、線材１０ａを構成する各々の層は、非常に剥離しやすいことが知られている。
安定化層１４もまた、容易に剥離して素線１２ａどうしを絶縁状態にしてしまう。
そこで、保護層１３の上面および基板１１の下面に積層した安定化層１４どうしを接続して、超電導層１２、保護層１３および基板１１の表面を全周にわたって被覆する。
このように被覆することで、安定化層１４が剥離して素線１２ａどうしを絶縁状態にしてしまうことを防止する。
また、このように表面を全周にわたって被覆することで、剥離方向の全体的な物理強度も向上する。

スリット溝１６の形状に沿って確実で均一に固着することができることから、安定化層１４の形成には、電気めっき法を用いることが望ましい。
ただし、例えば、スリット溝１６の形状に合わせた凹凸部を備えた保護層側半分のピースと、基板１１の形状に合わせた凹部のみを備えた基板側半分のピースと、を嵌め合わせて一つの安定化層１４を形成させてもよい。
なお、基板１１を安定化層１４と同一の組成として、安定化層１４および基板１１を一体化してもよい。

以上のように、第１実施形態にかかる線材１０ａによれば、超電導層１２の細線化に起因する電流密度を低下させることなく、素線間での偏流を低減することができる。

素線間での偏流を低減させることによって、設計通りの磁場分布を得るとともに線材１０ａの電気的負荷の偏在を防止することができる。

さらに、線材１０ａの両側面（図３（Ｂ）のＩ−Ｉ断面の両側面）においても、安定化層１４が形成されるため、この両側面を経由した転流も可能となる。
すなわち、テープ幅方向の両端の素線間で転流させることで、素線間の偏流をより低減することができる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態にかかる線材１０ｂ（１０）のテープ幅方向の断面図である。

第２実施形態にかかる線材１０ｂは、図２に示されるように、細線化されてできる超電導層１２の素線間（スリット溝１６）は、保護層１３で充填される。
銀、金または白金などから組成される保護層１３は、銅またはアルミニウムなどから組成される安定化層１４に比べて、一般的に導電性が高い。

そこで、例えば、偏流の度合いが高い場合に使用される線材１０ｂとして、保護層１３でスリット溝１６を充填する。
スリット溝１６の形状に沿って確実で均一に固着することができることから、保護層１３の形成には、電気めっき法を用いることが望ましい。

なお、安定化層１４に替えて保護層１３でスリット溝１６を充填すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態にかかる線材１０ｂによれば、第１実施形態の効果に加え、隣接する素線間の電気抵抗がより低くなるため、隣接する素線間の転流がより容易となり、素線間の偏流をより低減することができる。

素線間での偏流を低減させることによって、設計通りの磁場分布を得ることができる。
また、偏流を低減させることで、線材１０ｂへの電気的負荷を防止することができる。

（第３実施形態）
図３（Ａ）は、第３実施形態にかかる高温超電導コイル３０（以下、単に「超電導コイル３０」という）の一例を示す図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の超電導コイル３０のＩ−Ｉ断面を示す図である。

図３は、線材を同心円状に巻回した、いわゆるパンケーキコイルＰに、線材１０を適用した一例を示している。
また、図３（Ｂ）に示される外部磁場Ｂは、主に自他のパンケーキコイルＰによる発生磁場の総和からなるものである。

図４は、第３実施形態にかかる超電導コイル３０の一部に使用される細線化されていない非細線化高温超電導線材２０の断面図である。

第３実施形態にかかる線材１０は、図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、巻回されて超電導コイル３０にされる。
線材１０は、スリット溝１６の分だけ、線材１０の断面積における超電導層１２の占める割合が小さくなっている。

よって、線材１０は、図４に示されるスリット溝１６を備えない従来の非細線化高温超電導線材２０に比べて、電流密度が小さくなる。
さらに、線材１０は、スリット加工の分だけ工数が増加して、非細線化高温超電導線材２０に比べて高価なものとなる。

そこで、図３（Ｂ）に示されるように、外部磁場Ｂが侵入しやすく、遮蔽電流が発生しやすい部分にのみ線材１０を配置する。
前述したように、遮蔽電流は、テープ断面のアスペクト比から、テープ面垂直方向の外部磁場Ｂに対するものが大部分となる。
よって、図３（Ｂ）に示されるように、外部磁場Ｂの垂直成分が大きくなる、パンケーキコイルＰの中腹部に線材１０を配置することが望ましい。

線材１０をこの中腹部に配置させるには、非細線化高温超電導線材２０に線材１０をハンダなどで接続して、一つの超電導線材として巻回する方法がある。
さらに、線材１０のパンケーキコイルＰ_ａの内径および外径をそれぞれ外径または内径とする非細線化高温超電導線材２０のパンケーキコイルＰ_ｂ，Ｐ_ｃを嵌め込んでもよい。

また、図５は、第３実施形態にかかる超電導コイル３０の変形例の切欠き斜視図である。
パンケーキコイルＰ_ｎは、図５に示されるように、中心軸Ｃに（巻回中心軸方向に）沿って積層されて用いられることがある。

ここで、図６は、各々のパンケーキコイルＰ_ｎ（ｎ＝１〜４）における外部磁場Ｂの垂直成分の分布を示す図である。
図６から、積層されるパンケーキコイルＰ_ｎは、中心軸Ｃに沿って内側に位置するほど、外部磁場Ｂのテープ面垂直成分が小さく、遮蔽電流の影響が小さいことがわかる。

そこで、線材１０は、パンケーキコイルＰ_１（Ｐ_４）など、中心軸Ｃに沿った端部近傍のものに用いられるのが望ましい。
そして、外部磁場Ｂのテープ面垂直成分が少ない中心軸Ｃに沿った内側のパンケーキコイルＰ_ｎ（ｎ＝２，３）には、スリット溝１６を備えない非細線化高温超電導線材２０を用いる。
このように、超電導コイル３０におけるパンケーキコイルＰの位置によっても、線材１０および非細線化高温超電導線材２０を使い分けることが望ましい。

なお、図３（Ｂ）の外部磁場Ｂの形状は、典型的な形状を例示したもので、超電導コイル３０の形状または他の部材によって、変化する。
よって、線材１０が配置される位置は、外部磁場Ｂの形状によって、適宜決定される。
必要な場合は、超電導コイル３０のすべてを線材１０のみで構成させてもよい。

また、隣接するパンケーキコイルＰの接触面には、冷熱源２３の冷熱をパンケーキコイルＰに伝導させるコイル冷却部２２が差し込まれる。
コイル冷却部２２には、線材１０よりも熱伝導率が高い素材が選択されて、冷熱を接触面へ伝導させて、冷却が容易でない内部のパンケーキコイルＰも確実に冷却する。

このように、第３実施形態にかかる線材１０によれば、第１実施形態の効果を備えた超電導コイル３０を提供することができる。
さらに外部磁場Ｂの垂直成分の大きい部分に限定的に用いることで、超電導コイル３０の全体として安価で高い電流密度に維持することができる。

また、コイル冷却部２２で超電導コイル３０を確実で均等に冷却することで、運転時に発生する温度差を軽減させることができる。
つまり、発熱による局所的な臨界電流密度の低下を軽減することで、発生磁場を安定させることができる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の線材１０および超電導コイル３０によれば、超電導層１２の細線化に起因する電流密度の低下を防止するとともに、設計通りの磁場分布を得ることが可能となる。
さらに、電気的負荷の偏在を防止することで、超電導コイル３０の超電導性を安定化させることも可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、図３（Ａ）では、線材１０が適用される超電導コイル３０として、パンケーキコイルＰを例示した。
しかし、適用できる超電導コイル３０は、パンケーキコイルＰに限定されない。

例えば、線材１０は、図７（Ａ）の上面図および図７（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ断面（図７（Ａ））の断面図で示される歪曲した巻枠２４とともに曲面２５に配置される鞍型の超電導コイル３０にも適用できる。
また、線材１０は、非円形に巻きまわしたレーストラック型、鞍型、楕円または図８で示されるソレノイド型の超電導コイル３０などにも適用できる。

１０（１０ａ，１０ｂ）…高温超電導線材（線材）、１１…基板、１２（１２ａ）…超電導層（素線）、１３…保護層、１４…安定化層、１５…中間層、１６…スリット溝、２０…非細線化高温超電導線材、２２…コイル冷却部、２３…冷熱源、２４…巻枠、２５…曲面、３０…高温超電導コイル（超電導コイル）、Ｂ…外部磁場、Ｃ…中心軸、Ｐ（Ｐ_ｎ（ｎ＝１〜４）；Ｐ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃ）…パンケーキコイル。

Claims

テープ形状の金属材からなる基板と、
テープ長さ方向に沿って細線化されるとともに前記基板のテープ幅方向に複数並置される超電導層と、
前記超電導層の少なくとも上面に積層されて前記超電導層の劣化を防止する保護層と、
積層された前記基板、前記超電導層および前記保護層の表面を全周にわたって被覆する安定化層と、を備え、
細線化されてできる前記超電導層の素線間は、前記保護層で充填されることを特徴とする高温超電導線材。
細線化されてできる前記超電導層の素線間は、前記安定化層で充填されることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導線材。
前記安定化層の形成には、電気めっき法を用いることを特徴とする請求項２に記載の高温超電導線材。
前記保護層の形成には、電気めっき法を用いることを特徴とする請求項３に記載の高温超電導線材。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高温超電導線材を少なくとも一部に用いた高温超電導コイル。
前記高温超電導線材および超電導層が細線化されていない非細線化高温超電導線材が電気的に接続され巻回して形成されることを特徴とする請求項５に記載の高温超電導コイル。
巻回中心軸方向に沿って積層された複数のパンケーキコイルを備え、
前記複数の前記パンケーキコイルの少なくとも１つは前記高温超電導線材からなることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の高温超電導コイル。
前記高温超電導線材は、前記巻回中心軸方向に沿った端部の前記パンケーキコイルに用いられることを特徴とする請求項７に記載の高温超電導コイル。
隣接する前記パンケーキコイルの接触面に差し込まれて冷熱源の冷熱を前記パンケーキコイルに伝導させるコイル冷却部を備えることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の高温超電導コイル。
前記コイル冷却部は、前記高温超電導線材よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項９に記載の高温超電導コイル。