JP6106789B1 - 酸化物超電導線材およびその製造方法、ならびに超電導コイル - Google Patents
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Abstract
Description
被覆部は、めっき層、金属箔などからなる金属安定化層を有する。金属安定化層は、積層体を保護して酸化物超電導線材の機械的強度を確保するとともに、水分等の浸入を防ぎ、超電導特性の劣化を防ぐ。
本発明は、外力が作用しても特性劣化が起きることがない酸化物超電導線材およびその製造方法、ならびに超電導コイルを提供することを目的とする。
この構成によれば、酸化物超電導層が主部より狭く形成されているため、酸化物超電導線材の側部に外部から幅方向の力が加えられても、その影響は酸化物超電導層に及びにくい。例えば、外部からの力によって被覆部の側部が損傷を受けても、酸化物超電導層の剥離が生じることはない。また、被覆部の側部が損傷を受けても損傷は酸化物超電導層に達しないため、損傷個所から水分が浸入しても浸水は酸化物超電導層に及ばない。
酸化物超電導線材を用いた複数の超電導コイルを積層すると、通電によりコイル厚み方向(線材の幅方向)の力が作用する可能性があるが、酸化物超電導線材は幅方向の力が酸化物超電導層に影響しにくいため、被覆部の損傷等を原因として超電導コイルの特性が悪化するのを回避できる。
また、前記接合金属層によって、前記酸化物超電導積層体に対する前記金属安定化層の密着性を高め、前記金属安定化層を前記酸化物超電導積層体に強固に接合させることができる。そのため、酸化物超電導線材の側部の機械的強度を高め、超電導部の幅方向の端部(特に酸化物超電導層の幅方向の端部)を保護し、損傷を防ぐことができる。また、酸化物超電導積層体に対する金属安定化層の密着性を高めることにより、耐水性を向上させることができる。
これによって、酸化物超電導線材の側部の機械的強度を高め、超電導部の幅方向の端部(特に酸化物超電導層の幅方向の端部)を保護し、損傷を防ぐことができる。
この構成によれば、被覆部の側部が外部からの力を受けても、その影響が酸化物超電導層に及びにくくなる。
この構成によれば、超電導部の形成が容易となるため、酸化物超電導線材を容易に作製できる。
この構成によれば、超電導部の形成が容易となるため、酸化物超電導線材を容易に作製できる。
この構成によれば、外部から酸化物超電導線材の幅方向の力を受けたとしても、その影響は酸化物超電導層に及びにくいため、超電導コイルの特性が悪化するのを回避できる。
この方法によれば、超電導部の形成が容易となるため、酸化物超電導線材を容易に作製できる。
この方法によれば、超電導部の形成が容易となるため、酸化物超電導線材を容易に作製できる。
この方法によれば、超電導部の形成が容易となるため、酸化物超電導線材を容易に作製できる。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。以下、酸化物超電導線材を単に「線材」ということがある。本発明は以下の実施形態に限定されない。
図1は、第1実施形態の酸化物超電導線材である酸化物超電導線材Aを模式的に示す断面図である。図2は、酸化物超電導線材Aの酸化物超電導積層体1の一例を模式的に示す斜視図である。なお、平面視とは、基材3の厚さ方向に平行に見ることをいう。図1においては、酸化物超電導層5は基材3に対して上側に位置する。C1は酸化物超電導積層体1の幅方向の中央である。
酸化物超電導積層体1は、主部11と、主部11の一方の面11a(図1では上面)に積層された超電導部12とを有する。
主部11は、例えば、基材3と、基材3の一方の面3a(図1では上面)に積層された中間層4とを有する。主部11の面11aは中間層4の表面4aである。基材3と中間層4とは同幅であり、平面視位置(幅方向の位置)が一致している。
下地層を設ける場合は、拡散防止層とベッド層とで形成される複層構造、あるいは、これらのうちどちらか1層で形成される構造を下地層として採用することができる。下地層として拡散防止層を設ける場合、拡散防止層は、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3)、GZO(Gd2Zr2O7)等から構成される単層構造あるいは複層構造の層が望ましく、その厚さは、例えば10〜400nmである。
保護層6の厚さは1〜30μm程度である。保護層6は、酸化物超電導層5の表面5aを覆うように形成されている。
酸化物超電導層5の幅方向の端部5b,5bは、酸化物超電導層5の全長にわたって主部11の幅方向の端部11b,11bよりも中央寄りにあるのが好ましい。
主部11の面11a(中間層4の表面4a)のうち、超電導部12が形成されていない領域を側部表面領域11c,11cという。
距離L1は、例えば1000μm以下とすることができる。距離L1が1000μm以下であると、酸化物超電導層5に十分な幅を確保し、酸化物超電導線材Aの臨界電流特性を高めることができる。
なお、主部11の幅方向の端部11bと酸化物超電導層5の幅方向の端部5bとの幅方向の距離L1は、例えば側部表面領域11cの幅に相当する。
なお、図1に示す酸化物超電導線材Aでは、平面視において酸化物超電導層5の幅方向の端部5b,5bの両方が主部11の幅方向の端部11b,11bよりも中央C1に近いが、酸化物超電導層5の幅方向の端部5b,5bのうち一方のみが主部11の幅方向の端部11bより中央C1に近くてもよい。例えば、平面視において、酸化物超電導層5の幅方向の端部5b,5bのうち一方のみが主部11の幅方向の端部11bより中央C1に近く、かつ他方の幅方向の端部5bの平面視位置は主部11の幅方向の端部11bの平面視位置(幅方向の位置)に一致していてもよい。
接合金属層7は、酸化物超電導積層体1の長さ方向に延在しており、酸化物超電導積層体1を覆って形成されている。接合金属層7は、酸化物超電導積層体1に対する金属安定化層8の密着性を高め、金属安定化層8を酸化物超電導積層体1に強固に接合させる。よって、被覆部2の機械的強度を高め、被覆部2を破損しにくくすることができる。
接合金属層7を構成する材料は、良導電性を有すればよく、特に限定されないが、銅、銅合金(Cu−Zn合金、Cu−Ni合金等)、Au、Au合金等を用いることが好ましい。なかでも、高い導電性を有し、かつ安価であることから銅が好ましい。
金属安定化層8を構成する材料は、良導電性を有すればよく、特に限定されないが、銅、銅合金(Cu−Zn合金、Cu−Ni合金等)、Al、Al合金(Al−Cu合金等)などの比較的安価な材料を用いることが好ましい。なかでも、高い導電性を有し、かつ安価であることから銅が好ましい。金属安定化層8の厚さは特に限定されないが、例えば15〜300μmとすることが好ましい。
金属安定化層8は、めっき法により形成されためっき層であることが好ましい。
詳しくは、接合金属層7は、基材3の他方の面3bと、主部11の側面11d,11dと、側部表面領域11c,11cと、超電導部12の側面12b,12bと、超電導部12の表面12a(保護層6の表面6a)とを、隙間なく覆って形成されている。そのため、接合金属層7は、酸化物超電導積層体1の外表面(基材3の他方の面3b、主部11の側面11d,11d、側部表面領域11c,11c、超電導部12の側面12b,12b、超電導部12の表面12a(保護層6の表面6a))と、金属安定化層8との間に介在している。
これによって、酸化物超電導線材Aの側部の機械的強度を高め、超電導部12の幅方向の端部12b,12b(特に酸化物超電導層5の幅方向の端部5b,5b)を保護し、損傷を防ぐことができる。
図1に示す酸化物超電導線材Aを製造する場合を例として、第1実施形態の製造方法を説明する。
図3に示す酸化物超電導積層体1Aを、次のようにして作製する。
まず、基材3の一方の面3aに中間層4を形成する。中間層4は、例えば下地層と配向層とキャップ層とを有する。
下地層として拡散防止層を設ける場合、拡散防止層はスパッタ法等の成膜法により形成することができる。下地層としてベッド層を設ける場合、ベッド層はスパッタ法等の成膜法により形成することができる。配向層は、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)等の物理的蒸着法で形成することができる。キャップ層は、PLD法(パルスレーザ蒸着法)、スパッタリング法等で成膜することができる。PLD法によりCeO2層を形成する際には、基材温度約500〜1000℃、約0.6〜100Paの酸素ガス雰囲気中で成膜することができる。
これによって、基材3と中間層4とからなる主部11を得る。
図4に示すように、保護層6Aの表面のうち、側部分13,13を除く領域(中央領域16)にマスク17を形成する。
図5に示すように、エッチング等の化学的加工により側部分13,13を除去する。エッチングには、例えば、酸性またはアルカリ性のエッチング液を用いたウェットエッチング法を採用できる。エッチング液としては、例えば硝酸、硫酸、塩酸、過酸化水素水、アンモニア水などを使用できる。
次いで、マスク17を除去する。これによって、酸化物超電導積層体1を得る。
図6に示すように、例えばスパッタ法、真空蒸着法等の成膜法により接合金属層7を形成する。
めっき法により金属安定化層8(図1参照)を形成する。これによって、接合金属層7と金属安定化層8とからなる被覆部2が形成される。
以上の工程を経て、図1に示す酸化物超電導線材Aを得る。
酸化物超電導線材Aを用いた複数の超電導コイルを積層すると、通電によりコイル厚み方向(線材の幅方向)の力が作用する可能性があるが、酸化物超電導線材Aは幅方向の力が酸化物超電導層5に影響しにくいため、被覆部2の損傷等を原因として超電導コイルの特性が悪化するのを回避できる。
酸化物超電導線材Aは、接合金属層7によって、酸化物超電導積層体1に対する金属安定化層8の密着性を高め、金属安定化層8を酸化物超電導積層体1に強固に接合させることができる。そのため、酸化物超電導線材Aの側部の機械的強度を高め、超電導部12の幅方向の端部12b,12b(特に酸化物超電導層5の幅方向の端部5b,5b)を保護し、損傷を防ぐことができる。また、酸化物超電導積層体1に対する金属安定化層8の密着性を高めることにより、耐水性を向上させることができる。
図7は、第2実施形態の酸化物超電導線材である酸化物超電導線材Bを模式的に示す断面図である。なお、第1実施形態と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略する。
図7に示すように、酸化物超電導線材Bは、酸化物超電導積層体1と、被覆部22とを備えている。酸化物超電導線材Bは、被覆部22以外は第1実施形態の酸化物超電導線材Aと同じ構成である。
第1接合金属層7は、第1実施形態の酸化物超電導線材Aにおける接合金属層7と同じ構成としてよい。
第2接合金属層27を構成する材料としては、例えば、Sn系、Sn−Pb系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Bi系、In系、Sn−In系などの半田が使用できる。第2接合金属層27は、第1接合金属層7を介して、酸化物超電導積層体1を覆って形成されている。第2接合金属層27は、第1接合金属層7と金属安定化層28との間を埋めるように充填されている。
接合金属層7,27は、酸化物超電導積層体1に対する金属安定化層28の密着性を高め、金属安定化層28を酸化物超電導積層体1に強固に接合させる。よって、被覆部22の機械的強度を高め、被覆部22を破損しにくくすることができる。
金属安定化層28は、酸化物超電導層5が超電導状態から常電導状態に転移したときに、保護層6とともに、電流を転流するバイパスとして機能する。金属安定化層28を構成する材料は、良導電性を有すればよく、特に限定されないが、銅、銅合金(Cu−Zn合金、Cu−Ni合金等)、Al、Al合金(Al−Cu合金等)などの比較的安価な材料を用いることが好ましい。なかでも、高い導電性を有し、かつ安価であることから銅が好ましい。
金属安定化層28の厚さは特に限定されないが、例えば15〜300μmとすることが好ましい。
基部28aは、接合金属層7,27を介して、酸化物超電導積層体1の酸化物超電導層5側の面(図7の上面)を覆っている。側部28b,28bは、接合金属層7,27を介して酸化物超電導積層体1の側面を覆っている。対向部28c,28cは、接合金属層7,27を介して酸化物超電導積層体1の基材3側の面の一部または全部を覆っている。金属安定化層28は、例えば金属テープを、横断面が略C字型となるように折り曲げて形成されている。
図7に示す酸化物超電導線材Bを製造する場合を例として、第2実施形態の製造方法を説明する。
第1実施形態の製造方法の工程1と同様にして、図3に示す酸化物超電導積層体1Aを得る。
第1実施形態の製造方法の工程2と同様にして、超電導部12Aの側部分13,13を除去し、酸化物超電導積層体1を得る(図4および図5参照)。
第1実施形態の製造方法の工程3と同様にして、第1接合金属層7を形成する(図6参照)。
図8に示すように、酸化物超電導積層体1より幅が広い被覆テープ2Aを用意する。
被覆テープ2Aは、金属テープ28Aと、金属テープ28Aの表面に形成された接合金属層27Aとを有する。接合金属層27Aは、半田(Sn系等)などの金属からなり、めっき法等により形成することができる。
被覆テープ2Aを酸化物超電導積層体1の長さ方向(Y方向)に沿って配置し、酸化物超電導積層体1を包み込んで横断面C字状に折り曲げる。
酸化物超電導線材Bは、第1実施形態の酸化物超電導線材Aと同様に、第1接合金属層7によって、酸化物超電導積層体1に対する金属安定化層28の密着性を高め、金属安定化層28を酸化物超電導積層体1に強固に接合させることができる。そのため、酸化物超電導線材Bの側部の機械的強度を高め、超電導部12の幅方向の端部12b,12b(特に酸化物超電導層5の幅方向の端部5b,5b)を保護し、損傷を防ぐことができる。また、酸化物超電導積層体1に対する金属安定化層28の密着性を高めることにより、耐水性を向上させることができる。
図9は、第3実施形態の酸化物超電導線材である酸化物超電導線材Cを模式的に示す断面図である。なお、第1実施形態または第2実施形態と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略する。
図9に示すように、酸化物超電導線材Cは、酸化物超電導積層体31と、被覆部32とを備えている。
酸化物超電導積層体31は、主部41と、主部41の一方の面41a(図9では上面)に積層された超電導部42とを有する。
超電導部42は、基材3の表面3aに形成された中間層34と、中間層34の表面34aに形成された酸化物超電導層5と、酸化物超電導層5の表面5aに形成された保護層6とを有する。中間層34と酸化物超電導層5と保護層6とは同幅であり、平面視位置が一致している。
中間層34は、幅以外は、第1実施形態の酸化物超電導線材Aにおける中間層4と同じ構成とすることができる。
主部41の面41a(基材3の面3a)のうち、超電導部42が形成されていない領域を側部表面領域41c,41cという。
接合金属層37は、第1実施形態の酸化物超電導線材Aにおける接合金属層7と同じ構成としてよい。
被覆部32は、基材3の他方の面3bと、主部41の側面41d,41dと、側部表面領域41c,41cと、超電導部42の側面42b,42bと、超電導部42の表面42a(保護層6の表面6a)とを覆って形成されている。
図9に示す酸化物超電導線材Cを製造する場合を例として、第3実施形態の製造方法を説明する。
第1実施形態の製造方法(第1の例)の工程1と同様にして、図3に示す酸化物超電導積層体1Aを得る。本工程では、酸化物超電導積層体1Aの中間層4と酸化物超電導層5Aと保護層6Aとを超電導部42Aという。
図10に示すように、レーザー加工機(レーザー照射装置)14を用いて、超電導部42Aの幅方向の端部42Ab,42Abを含む側部分43,43にレーザー光15を照射し、側部分43,43を除去する。側部分43,43は、酸化物超電導層5Aの幅方向の端部5Ab,5Abと、保護層6Aの幅方向の端部6Ab,6Abと、中間層4の幅方向の端部4b,4bとを含む一定幅の部分である。
これによって、酸化物超電導積層体31を得る。
第1実施形態の製造方法の工程3,4と同様にして、接合金属層37および金属安定化層8を形成する。
以上の工程を経て、図9に示す酸化物超電導線材Cを得る。
酸化物超電導線材Cは、第1実施形態の酸化物超電導線材Aと同様に、接合金属層37によって、酸化物超電導積層体1に対する金属安定化層8の密着性を高め、金属安定化層8を酸化物超電導積層体1に強固に接合させることができる。そのため、酸化物超電導線材Aの側部の機械的強度を高め、超電導部42の幅方向の端部42b,42b(特に酸化物超電導層5の幅方向の端部5b,5b)を保護し、損傷を防ぐことができる。また、酸化物超電導積層体1に対する金属安定化層28の密着性を高めることにより、耐水性を向上させることができる。
超電導コイル100は、複数のコイル体101が積層されて構成されている。
コイル体101は、酸化物超電導線材102が巻回されて構成されている。酸化物超電導線材102としては、図1、図7、および図9に示す酸化物超電導線材A,B,Cのうち少なくとも1つを使用できる。
コイル体101は、パンケーキコイルであって、酸化物超電導線材102が厚さ方向に積層されて巻回されている。パンケーキコイルとは、テープ状の酸化物超電導線材を重ね巻きするように巻回して構成されたコイルである。図12に示す超電導コイル100のコイル体101は円環状である。複数のコイル体101は、互いに電気的に接続されていてよい。
例えば、図1に示す酸化物超電導線材Aでは、保護層6と接合金属層7とは少なくとも一部が一体化されていてもよい。保護層6と接合金属層7とは総括して保護層と呼んでもよい。
図7に示す酸化物超電導線材Bでは、保護層6と第1接合金属層7と第2接合金属層27とは少なくとも一部が一体化されていてもよい。保護層6と第1接合金属層7と第2接合金属層27のうち2以上は総括して保護層と呼んでもよい。
酸化物超電導線材Cでは、金属テープの両面に接合金属層が設けられた構造の被覆テープを採用したが、被覆テープは、金属テープの両面に接合金属層が設けられた構造であってもよい。
図1に示す酸化物超電導線材Aでは、 酸化物超電導層5の幅方向の端部5bは、酸化物超電導層5の全長にわたって主部11の幅方向の端部11bよりも中央寄りにあるのが好ましいが、長さ方向の一部のみが主部11の幅方向の端部11bよりも中央寄りにある場合でも、被覆部2の損傷等に起因する特性劣化を防ぐ効果は得られる。
接合金属層は、少なくとも、超電導部の少なくとも一方の側面と、少なくとも一方の側部表面領域とを覆う構成であってもよい。その場合、接合金属層は、少なくとも、超電導部の少なくとも一方の側面および少なくとも一方の側部表面領域と、金属安定化層との間に介在する。
図1に示す酸化物超電導線材Aを作製するにあたっては、図3〜図6に示すように、エッチングによって超電導部12Aの側部分13を除去する方法を例示したが、第3実施形態の製造方法と同様に、レーザー加工を採用してもよい。
Claims (9)
- 酸化物超電導積層体と、前記酸化物超電導積層体を覆う金属安定化層と、前記金属安定化層を前記酸化物超電導積層体に接合する接合金属層とを備え、
前記酸化物超電導積層体は、テープ状の基材を有する主部と、酸化物超電導層を有する超電導部とを有し、
前記超電導部は前記主部より幅が狭く、前記主部の一方の面に積層され、
前記接合金属層は、少なくとも、前記超電導部の少なくとも一方の側面と前記金属安定化層との間に介在している、酸化物超電導線材。 - 前記超電導部の側面における前記接合金属層および前記金属安定化層の合計厚さは、前記主部の幅方向の端部と前記酸化物超電導層の幅方向の端部との幅方向の距離より大きい、請求項1に記載の酸化物超電導線材。
- 前記酸化物超電導層の幅方向の端部の少なくとも一方は、平面視において前記主部の幅方向の端部より300μm以上、幅方向の中央寄りに位置している、請求項1または2に記載の酸化物超電導線材。
- 前記金属安定化層は、めっき層である、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の酸化物超電導線材。
- 前記金属安定化層は、金属テープからなる、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の酸化物超電導線材。
- 前記請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の酸化物超電導線材を備えた、超電導コイル。
- テープ状の基材を有する主部と、酸化物超電導層を有する超電導部とを備え、前記超電導部が前記主部の一方の面に積層された酸化物超電導積層体を作製する工程と、
前記超電導部の幅方向の一部を除去することにより、前記超電導部を前記主部より幅が狭くなるように形成する工程と、
前記酸化物超電導積層体を覆う金属安定化層と、前記金属安定化層を前記酸化物超電導積層体に接合する接合金属層とを形成する工程と、を有し、
前記金属安定化層および接合金属層を形成する工程において、前記接合金属層は、少なくとも、前記超電導部の少なくとも一方の側面と前記金属安定化層との間に介在させる、酸化物超電導線材の製造方法。 - 前記超電導部を前記主部より幅が狭くなるように形成する工程において、前記超電導部の幅方向の一部を、レーザー加工によって除去する、請求項7に記載の酸化物超電導線材の製造方法。
- 前記超電導部を前記主部より幅が狭くなるように形成する工程において、前記超電導部の幅方向の一部を、エッチングによって除去する、請求項7に記載の酸化物超電導線材の製造方法。
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