JP6522891B2 - 超電導テープ線および超電導コイル - Google Patents

Description

本発明は、超電導テープ線および超電導コイルに関する。

従来の多層構造の超電導テープ線は、基板の上に中間層が形成され、中間層の上に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構造のものが一般的である。この従来の多層構造の超電導テープ線を用いて超電導コイルを作成し、交流運転を行うと、超電導コイルに渦電流が発生し、交流損失が生じる。

このような交流損失を低減する技術として、酸化物超電導層をその幅方向に複数に分断する細線化溝を前記基材に達するように形成した超電導テープ線が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４７７７７４９号公報

しかしながら、特許文献１に記載される超電導テープ線では、基板より上の各層が溝によって分断されていることから、この溝が超電導テープ線の内部に中空部分を形成することになり、超電導テープ線の内部に中空部分が形成されていない多層構造の超電導テープ線よりも強度的には懸念がある。

また、超電導テープ線の内部に中空部分が形成されていない多層構造の超電導テープ線を用いて超電導コイルを作成し、運転を行った場合においても、超電導テープ線を構成する各層に生じる負荷応力により、層が剥離、変形、クラックを起こし得ることから、超電導テープ線の僅かな強度低下も回避することが望ましいといえる。

本発明は、上記課題を考慮してなされたものであり、超電導テープ線を巻回して作成される超電導コイルについて、超電導線の各層に生じる負荷応力に対して強く、交流通電時に発生する渦電流を従来よりも抑制可能な超電導テープ線および超電導コイルを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る超電導テープ線は、上述した課題を解決するため、外周が良導電性の金属層で覆われた超電導線材で形成される超電導部と、前記超電導部を形成する前記超電導線材の超電導層側の外表面に固着される、補強テープ線で形成される補強部とを備え、前記超電導部に、前記超電導部を前記超電導線材の幅方向に対して複数個の区分に区切り、前記超電導部のそれぞれの前記区分間の超電導的な接続を分断し、前記金属層で覆われた前記超電導部のそれぞれの前記区分の表面同士を隙間なく接触させる界面を形成する隔離部を設け、前記超電導線材は、その厚さ方向に対して、テープ基板、中間層、超電導層、保護層の順で積層された積層物を成し、前記超電導部は、複数の超電導線材が前記超電導線材の幅方向に、同じ方向で並列に配置される構成であり、前記補強部は、前記並列に配置される前記超電導線材の前記保護層側の外表面の各々と固着されることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る超電導コイルは、前記超電導テープ線を巻枠に巻き回して形成されることを特徴とする。

本発明によれば、超電導テープ線を巻回して作成される超電導コイルについて、超電導線の各層に生じる負荷応力に対して強く、交流通電時に発生する渦電流を従来よりも抑制することができる。

本発明の実施形態に係る超電導テープ線に適用される薄膜超電導線材（従来の超電導テープ線）の一例を示す構成図。 本発明の実施形態に係る超電導テープ線の横断面図。 本発明の実施形態に係る超電導コイルの構成を示す構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は巻線部の拡大断面図。 本発明の実施形態に係る超電導コイルの実施例および比較例の諸元一覧および評価結果を示す説明図（テーブル）。 本発明の実施形態に係る超電導コイルの実施例および比較例についての補強テープ線厚さに対するｎ値および電流密度の関係を示す説明図。

以下、本発明の実施形態に係る超電導テープ線および当該超電導テープ線を用いた超電導コイルについて、添付の図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る超電導テープ線の一例である超電導テープ線１０に適用される薄膜超電導線材（従来の超電導テープ線）１の横断面を示す斜視図であり、図２は、超電導テープ線１０の横断面図である。なお、図１では薄膜超電導線材１の厚さ方向は上下方向、図２では薄膜超電導線材１の厚さ方向は左右方向である。

超電導テープ線１０は、図２に示されるように、例えば、厚さ０．１３ｍｍ、幅５．０ｍｍ等、所定厚さおよび所定幅をもつ多層の線材で構成され、外周が良導電性の金属（安定化層６）で覆われた薄膜超電導線材１の超電導層４側と補強テープ線１１とが向かい合うように、薄膜超電導線１と補強テープ線１１がハンダ等のろう材１２でろう付けされることによって固着されて構成される。

すなわち、超電導テープ線１０は、一般的な（従来の）超電導テープ線に相当する薄膜超電導線材１で形成され、超電導特性を有する超電導部１４と、補強テープ線１１で形成され、超電導部１４を補強する補強部とを備える構成である。超電導テープ線１０の補強部は、薄膜超電導線材１の超電導層４側の外表面にハンダ等で通電可能に固着される。

また、超電導テープ線１０は、超電導部１４を薄膜超電導線材１の幅方向（図１においては左右方向の長さ、図２においては上下方向の長さ）に、例えば３つ等の複数に区分（分離）するとともに、超電導部１４の各区分間の超電導的な接続を分断する隔離部１３が設けられる。

図２に例示される超電導テープ線１０は、厚さ０．１３ｍｍ、幅１．６ｍｍの薄膜超電導線１を同じ方向で幅方向（図２においては上下方向）に３本並列配置し、薄膜超電導線１間の各隔離部１３を０．１ｍｍの間隙としており、厚さ０．０１〜０．０８ｍｍ（後述する図４参照）、幅５．０ｍｍの補強テープ線１１をろう材１２でろう付けすることによって、薄膜超電導線１と補強テープ線１１とを固着させて形成される厚さ０．１４〜０．２１ｍｍ、幅５．０ｍｍの超電導テープ線１０である。

なお、ろう材１２の厚さは、通常、数〜十数ミクロン[μｍ]程度であり、薄膜超電導線１や補強テープ線１１の厚さに対して１桁程度小さく、無視しても支障のない厚さであることから、本説明において、ろう材１２の厚さは考慮されてない（無視されている）。

薄膜超電導線１は、図１に示されるように、例えば、テープ基板２の上に中間層３が形成され、中間層３の上に超電導層４が形成されており、超電導層４の上に保護層５が形成され、テープ基板２、中間層３、超電導層４、および保護層５の積層物の表面を安定化層６によって被覆されて構成される。

テープ基板２は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）等のニッケル合金、銀合金等の材質で形成される。

中間層３は、拡散防止層であり、例えば、酸化セリウム、ＹＳＺ、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、バリウムジルコニアなどの材質からなり、テープ基板２の上に形成される。

超電導層４は、例えば、ＲＥ１２３系の組成（ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７等）を有する超電導体薄膜からなる。なお、「ＲＥ₁Ｂ₂Ｃ₃Ｏ₇」の「ＲＥ」は希土類元素（例えば、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）等）およびイットリウム元素の少なくともいずれかを、「Ｂ」はバリウム（Ｂａ）を、「Ｃ」は銅（Ｃｕ）を、「Ｏ」は酸素（Ｏ）を意味している。

保護層５は、超電導層４が空気中の水分に触れて劣化するのを防止する等の目的で設けられ、銀等から形成される。なお、保護層５は超電導層４に過剰に電気が流れた場合に超電導層４が燃焼するのを防止する役割も果たす。

安定化層６は、超電導層４に過剰に電気が流れた場合に超電導層４が燃焼するのを防止する目的で設けられ、例えば、銅、銀等の電導性の良好な金属をメッキ等することによって形成される。

補強テープ線１１は、複数本が並列に配置される薄膜超電導線１を端部で固着させる基材としての機能を有する。また、補強テープ線１１は、巻き回して作成される超電導コイル５０（図３）の曲げ応力や冷却、電磁力による超電導線（薄膜超電導線１に相当し、以下、同様である。）の各層に生じる負荷応力に対して超電導線を補強する機能を有する。

補強テープ線１１は、例えば、ステンレス鋼、銅−ベリリウム（Ｃｕ−Ｂｅ）合金、アルミニウム、銅、ニッケル、および銅−ニッケル（Ｃｕ−Ｎｉ）合金の少なくとも１種類から成る材料から選択される。

ろう材１２は、薄膜超電導線１（より具体的には、安定化層６）と補強テープ線１１とを電気的に接続しつつ、物理的に固着する機能を有する。ろう材１２は、薄膜超電導線１と補強テープ線１１とを導電可能に固着するものである。ろう材１２は、導電性が良好で比較的低温度で接合可能なろう材、例えば、はんだ等であることが好ましい。

隔離部１３は、薄膜超電導線１における幅方向の超電導的な接続を断つ機能を有する。隔離部１３は、例えば、間隙や異なる薄膜超電導線１の界面（切離されていれば、隙間なく接触していてもよい）である。

超電導テープ線１０では、薄膜超電導線１で形成される超電導部１４と、薄膜超電導線１の超電導層４側の安定化層６（外表面）にろう材１２で固着される補強テープ線１１で形成される補強部とを備える構成とし、超電導部１４における幅方向の超電導的な接続を断つ隔離部１３を設けている。このような構成としたのは、超電導部１４（薄膜超電導線１）の強度、渦電流、および作業性の３つの課題を解決する観点からである。

より詳細に説明すれば、薄膜超電導線１の幅は広い方が作成の作業性は良いが、渦電流は発生しやすくなる。一方、薄膜超電導線１の幅が狭いと渦電流の発生はしにくくなるものの作業性が損なわれる。そこで、超電導テープ線１０では、幅狭な薄膜超電導線１を薄膜超電導線１の幅方向に、同じ方向で並列に配置し、これらの端部を薄膜超電導線１よりも幅広な補強テープ線１１に接合する構成とすることで、薄膜超電導線１内に溝や間隙等の中空部分を設けることなく、超電導部１４の超電導的な接続が維持される幅（１本の薄膜超電導線１の幅に相当）を狭くし、超電導テープ線１０全体としては従来の幅を維持している。

このように、幅狭な薄膜超電導線１を薄膜超電導線１の幅方向に、同じ方向で並列に配置し、これらの端部を薄膜超電導線１よりも幅広な補強テープ線１１に固着する構成とすることで、超電導部１４自体の幅（各薄膜超電導線１の幅と各隔離部１３の幅との和）を変えずに、薄膜超電導線１の強度を低下させることなく、超電導部１４において超電導的な接続が維持される幅を狭くすることで、超電導部１４（薄膜超電導線１）の強度を低下させることなく、また、作業性を損なうことなく、渦電流の発生抑止効果を高めている。

また、補強テープ線１１に必要な厚さを持たせることで、単に薄膜超電導線１を厚さ方向の一端で固着する基材としてだけではなく、薄膜超電導線１の各層に生じる負荷応力に起因する剥離、変形、クラック等の発生防止の効果を高める補強部材として機能することができる。すなわち、補強テープ線１１に必要な厚さを持たせることで、超電導コイル５０（図３）をコイル劣化に対してより強い構成とすることができる。

さらに、後述するように、補強テープ線１１の厚さを適切（０．０２０ｍｍ超０．０６８ｍｍ以下、より好ましくは０．０３５ｍｍ以上０．０６５ｍｍ以下）に設定することで、電流密度の低下も最小限に止めることができる。すなわち、電流密度減少の最小限化および超電導コイル５０の劣化防止を両立することができる。

続いて、本発明の実施形態に係る超電導コイル、およびその評価結果（電流密度とｎ値）について説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る超電導コイルの一例である超電導コイル５０の構成を示す構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は巻線部の拡大断面図である。

本発明の実施形態に係る超電導コイルの一例である超電導コイル５０は、例えば、巻枠５１に、上述したような多層の超電導テープ線１０を取り付け、さらに絶縁テープ線１５を重ねて巻回すことで巻線部５２が形成され、全体がエポキシ樹脂等の樹脂で含浸された含浸コイルである。

ここで、図３に一例として例示される超電導コイル５０では、巻枠５１の内径が３０ｍｍであり、絶縁テープ線１５の幅が５．０ｍｍ、厚さが０．０８ｍｍである。また、超電導テープ線１０の幅が５．０ｍｍ、厚さは０．１４〜０．２１ｍｍである。

このように構成される超電導コイル５０では、超電導テープ線１０の超電導部１４に超電導的な接続を断つ隔離部１３が設けられているため、巻線部５２の幅方向（図３に示される上下方向）においても、超電導的な接続を断つことができ、巻線部５２の幅方向における長さは従来よりも短くなるため、従来よりも交流通電時における渦電流発生を抑制することができる。

また、超電導コイル５０によれば、超電導テープ線１０が補強部を備えるため、この超電導テープ線１０を巻回してなる超電導コイル５０では、超電導コイル５０の作成時や運転時に薄膜超電導線１の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化にも強い構成とすることができる。

また、超電導コイル５０によれば、後述するように、補強部としての補強テープ線１１の厚さを適切（０．０２０ｍｍ超０．０６８ｍｍ以下、より好ましくは０．０３５ｍｍ以上０．０６５ｍｍ以下）に設定することで、電流密度の減少を最小限に止めつつ、従来よりも薄膜超電導線１の各層に生じる負荷応力に起因する剥離、変形、クラック等の発生を防止し、超電導コイル５０の劣化を防止することができる。

［実施例］
続いて、本発明の実施形態に係る超電導コイルの実施例および比較例について説明する。後述する実施例および比較例は、本発明の実施形態に係る超電導コイルの一例である超電導コイル５０を作成する際に巻回される超電導テープ線１０の補強部の有効性および有効範囲を確認するためのものである。

図４は、本発明の実施形態に係る超電導コイルとしての超電導コイル５０の実施例および比較例の諸元一覧および評価結果（電流密度およびｎ値）を示す説明図（テーブル）である。

ここで、作成した超電導コイル（コイル番号＃１〜＃２１）は、補強テープ線としての銅テープ線（補強部）を薄膜超電導線の超電導層側の外表面（安定化層６）に固着した超電導テープ線を巻枠５１（図３）に取り付け、さらに絶縁テープ線１５（図３）を重ねて巻回することで形成される含浸コイルであり、超電導テープ線の幅は、何れも５．０ｍｍである。

コイル番号＃１〜＃２１のうち、コイル番号＃１〜＃１４の超電導コイルは、厚さ０．１３ｍｍ、幅１．６ｍｍの薄膜超電導線１を同じ方向で幅方向（図２においては上下方向）に３本並列配置し、薄膜超電導線１間の各隔離部１３を０．１ｍｍの間隙として超電導部１４の幅を５．０ｍｍとしたものであり、幅５．０ｍｍの銅テープ線の厚さを０ｍｍ（無）〜０．０８０ｍｍ（有）の範囲で８通りに変化させた超電導テープ線１０（図２）を巻枠５１に取り付け、さらに絶縁テープ線１５を重ねて巻回することで形成される含浸コイルである。

また、コイル番号＃１５〜＃２１は、幅５．０ｍｍの銅テープ線（補強部）を、隔離部１３を備えていない一般的な（従来の）超電導テープ線に相当する幅５．０ｍｍの薄膜超電導線材１に固着し、銅テープ線の厚さを０．０１０ｍｍ〜０．０８０ｍｍの範囲で７通りに変化させた超電導テープ線を作成し、これをコイル番号＃１〜＃１４と同様に巻枠５１に取り付け、さらに絶縁テープ線１５を重ねて巻回することで形成される含浸コイルである。

本説明では、コイル番号＃１〜＃２１のうち、＃６〜＃１３，＃１６〜＃１９は実施例、その他（＃１〜＃５，＃１４，＃１５，＃２０，＃２１）は比較例である。また、実施例および比較例に係る超電導コイルを評価する指標として、性能に関しては電流密度（相対値）、超電導コイルの劣化に関してはｎ値を使用する。

電流密度については、補強部が無い場合、すなわち、銅テープ線の厚さが０ｍｍである場合を１００％とし、補強部が無い場合に対する電流密度（相対値）を求め、性能低下の許容可能な５％減以下の範囲である９５．０％以上であれば、性能は良好と判断する。

ｎ値については、液体窒素中で通電した場合の電流に対する電圧特性を求め、求めた結果から導出される値を用いる。ｎ値が２０．００以上であれば、一般的には超電導コイルに劣化のない良好な状態と判断されることから、ｎ値が２０．００であれば、超電導コイルに劣化のない良好な状態と判断する。

図４によれば、銅テープ線（補強テープ線１１：図２）が存在しない場合を表すコイル番号＃１では、ｎ値は２０．００未満である５．３０となり、超電導コイルの劣化が生じていると判断できる。

続いて、銅テープ線（補強テープ線１１：図２）が存在する場合であって、その厚さが０．０１０ｍｍの場合を表すコイル番号＃２，３では、何れも電流密度は９５％以上であるものの、ｎ値は、それぞれ、９．２５，３．２５と、両方とも２０．００未満となっているため、超電導コイルの劣化が生じていると判断できる。

また、銅テープ線の厚さが０．０２０ｍｍの場合を表すコイル番号＃４，５では、何れも電流密度は９５％以上であるものの、ｎ値は、それぞれ、２６．９０，１４．００である。従って、コイル番号＃４については、電流密度の減少を最小限に抑えつつ（電流密度９５％以上を確保しつつ）、超電導線の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化についても抑えられている（ｎ値２０以上を確保できている）という結果を得ることができたが、他方のコイル番号＃５については、電流密度の減少を最小限に抑えられているものの、超電導線の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化については抑えられていないという結果を得た。

さらに、銅テープ線の厚さが０．０２０ｍｍ超となる０．０３５ｍｍの場合を表すコイル番号＃６，７では、何れも電流密度は９５％以上であり、ｎ値についても、それぞれ、３０．９０，３０．８０という２０．００以上という結果を得ることができた。従って、コイル番号＃６，７については、電流密度の減少を最小限に抑えつつ、超電導線の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化についても抑えられているという結果を得た。

これらコイル番号＃１〜＃７の結果から、薄膜超電導線材１に補強テープ線（銅テープ線）１１を固着したとしても、補強テープ線１１の厚さが０．０２０ｍｍ未満等、厚さが十分でない場合には、超電導線の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化を抑制する効果を十分に得ることはできないということが知見された。

また、銅テープ線の厚さが０．０２０ｍｍの場合に良と否に分かれたものの、それ以上では何れも良となっていることから、補強テープ線１１の厚さ０．０２０ｍｍ付近が、負荷応力に起因するコイル劣化を抑制する効果を得られるか否かの境界になっていると推定される。従って、超電導線の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化を抑制するためには、補強テープ線１１の厚さが０．０２０ｍｍ超であることが好ましく、０．０３５ｍｍ以上であることがより好ましいことが知見された。

続いて、銅テープ線の厚さが０．０２０ｍｍ超の範囲で、０．０３５ｍｍ、０．０５０ｍｍ、０．０６５ｍｍ 、０．０７０ｍｍ、０．０８０ｍｍと増加していくと、ｎ値２０．００以上は何れも満足する一方で、電流密度については徐々に減少していき、やがて９５％を下回る。

具体的に説明すれば、コイル番号＃８〜１１では、ｎ値は、それぞれ、２８．７０，２６．６０，２９．４０，２７．８０と、何れも２０．００以上であり、電流密度についても、それぞれ、９６．３，９６．３，９５．２，９５．２と、何れも９５％以上となっている。従って、銅テープ線の厚さが０．０３５〜０．０６５ｍｍの範囲では、電流密度の減少を最小限に抑える（電流密度９５％以上を確保する）ことができ、かつ超電導線（薄膜超電導線１）の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化を抑制することができるという結果が得られた。

一方、銅テープ線の厚さが０．０７０ｍｍ以上となるコイル番号＃１２〜１４では、ｎ値は、それぞれ、２９．３０，２９．２０，２４．７０と、何れも２０．００以上であるものの、電流密度は、それぞれ、９４．９，９４．９，９４．２％と、何れも９５％未満となっている。従って、銅テープ線の厚さが０．０７０ｍｍ以上（０．０８０ｍｍ以下）となる範囲では、超電導線（薄膜超電導線１）の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化を抑制すること（ｎ値２０以上を確保）できる一方で、電流密度については減少が大きくなってしまい、電流密度の減少を最小限に抑える（電流密度９５％以上を確保する）ことができないという結果が得られた。

これらコイル番号＃８〜＃１４の結果から、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さが０．０２０ｍｍ超の十分な厚さがある場合、負荷応力に起因するコイル劣化を抑制する観点からは有効である一方、厚さが増し過ぎると、電流密度の維持の観点からは好ましくないという結果を得た。具体的には、厚さが０．０７０ｍｍ以上となると、電流密度９５％以上を確保することができず、電流密度の減少を最小限に抑えることができなくなってしまうということが知見された。

なお、電流密度については、超電導コイルのコイル形状に依存するため、電流密度９５％となる銅テープ線の厚さ（理論値）を算出することができる。今回試作した超電導コイルの形状から算出される電流密度９５％となる銅テープ線の厚さ（理論値）は、約０．０６８ｍｍであり、上記実施例および比較例の結果は、この理論値を裏付ける結果となっている。

故に、電流密度の減少を最小限に抑える（電流密度９５％以上を確保する）ためには、補強テープ線１１の厚さが０．０６８ｍｍ以下であることが好ましく、０．０６５ｍｍ以下であることがより好ましいことが知見された。

一方、隔離部１３を設けた超電導テープ線１０を巻回して形成される超電導コイル５０の他、隔離部１３を備えていない一般的な（従来の）超電導テープ線に補強部を追設した超電導テープ線を巻回して形成される超電導コイルであるコイル番号＃１５〜＃２１の超電導コイルについても、隔離部１３を設けた超電導テープ線１０を巻回して形成される超電導コイル５０の結果と同様の結果が得られることが確認された。

具体的に説明すれば、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さが０．０１０ｍｍとなるコイル番号＃１５の超電導コイルでは、電流密度は９９．２％と９５％以上を確保できているものの、ｎ値は６．２５と２０．００未満となっているため、超電導コイルの劣化が生じていると判断できる。

また、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さが０．０２０ｍｍ〜０．０６５ｍｍとなるコイル番号＃１６〜＃１９の超電導コイルでは、ｎ値は、それぞれ、２４．６０，３０．８０，２７．５０，２９．００と、何れも２０．００以上であり、電流密度についても、それぞれ、９８．５，９７．４，９６．３，９５．２と、何れも９５％以上となっている。従って、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さが０．０２０ｍｍ〜０．０６５ｍｍの範囲内では、電流密度の減少を最小限に抑えつつ、超電導線の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化についても抑えられているという結果が得られた。

さらに、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さが０．０７０ｍｍ，０．０８０ｍｍとなるコイル番号＃２０，＃２１の超電導コイルでは、ｎ値は、それぞれ、２８．２０，２５．１０と、何れも２０．００以上であるものの、電流密度は、それぞれ、９４．９，９４．２％と、何れも９５％未満となっている。従って、銅テープ線の厚さが０．０７０ｍｍ以上（０．０８０ｍｍ以下）となる範囲では、超電導線（薄膜超電導線１）の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化を抑制すること（ｎ値２０以上を確保）できる一方で、電流密度については減少が大きくなってしまい、電流密度の減少を最小限に抑える（電流密度９５％以上を確保する）ことができないという結果が得られた。

以上の結果をまとめると、超電導テープ線１０（図２，３）を巻回して形成される超電導コイル５０（図３）について、電流密度の減少を最小限に止めつつ、従来よりも薄膜超電導線１（図１，２）の各層に生じる負荷応力に起因する超電導コイル５０の劣化を防止するためには、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さは０．０２０ｍｍ超０．０６８ｍｍ以下が好ましく、０．０３５ｍｍ以上０．０６５ｍｍ以下がより好ましい。

また、電流密度の減少を最小限に止めつつ、従来よりも薄膜超電導線１（図２）の各層に生じる負荷応力に起因する超電導コイル５０（図３）の劣化防止に有益となる補強テープ線１１（図２）の厚さ範囲に関しては、超電導テープ線１０に隔離部１３が設けられるか否か（隔離部１３の有無）によって、（渦電流に関する効果に差異が生じるとしても）実質的な差異はなく、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さは０．０２０ｍｍ超０．０６８ｍｍ以下が好ましく、０．０３５ｍｍ以上０．０６５ｍｍ以下がより好ましいことが知見された。

図５は、図４に示される評価結果をまとめた説明図であり、より具体的には、本発明の実施形態に係る超電導コイルの実施例および比較例（補強部を備えない超電導テープ線（薄膜超電導線１に相当）を巻回して作成したコイル番号＃１、および超電導テープ線１０を巻回して作成したコイル番号＃２〜＃１４）についての補強テープ線厚さに対するｎ値および電流密度の関係を示す説明図である。

図５において、横軸は補強テープ線厚さ[ｍｍ]、左側の縦軸がｎ値、右側の縦軸が電流密度（補強テープ線の厚さ０ｍｍ（補強テープ線が無い）時を基準（１００％）とした場合の相対値）[％]である。

また、領域Ｒ１、領域Ｒ２、および領域Ｒ３は、それぞれ、超電導コイルの形状から理論的に導出される電流密度９５％を達成している範囲、ｎ値２０以上を達成している範囲、および電流密度９５％、かつｎ値２０以上を達成している範囲（領域Ｒ１，Ｒ２の積集合）である。さらに符号Ｌ１，Ｐは、それぞれ、補強テープ線厚さに対する電流密度の関係を示す関数、および補強テープ線厚さに対するｎ値を示す点（図５において黒菱形）である。

図５において、電流密度の減少を最小限に抑える（電流密度９５％以上を確保する）ことができ（領域Ｒ１）、かつ超電導線（薄膜超電導線１）の各層に生じる負荷応力に起因するコイル劣化を抑制することができる範囲（領域Ｒ２）は、領域Ｒ３の範囲になる。すなわち、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さが０．０２０ｍｍ超０．０６８ｍｍ以下であれば良い。また、上述した実施例および比較例を考慮すれば、補強テープ線（銅テープ線）１１の厚さは、０．０３５ｍｍ以上０．０６５ｍｍ以下がより好ましい。

以上、超電導テープ線１０および当該超電導テープ線１０を用いた超電導コイル５０によれば、電流密度の減少を最小限に止めつつ、超電導部１４（各薄膜超電導線材１の各層）に生じる負荷応力に起因するコイル劣化、および交流通電時に発生する渦電流を、従来よりも低減することができる。

また、薄膜超電導線１の内部において超電導層を分断する間隙を設けることなく、より幅の狭い薄膜超電導線１を複数本用いることで、渦電流の抑制効果を得るために、超電導テープ線１０の強度が損なわれることはない。

さらに、超電導コイルの巻線部において超電導特性を示す幅方向の長さが長くなると交流通電した際に渦電流が生じやすくなるが、超電導テープ線１０を巻回して形成される超電導コイル５０（図３）の巻線部５２では、より幅の狭い薄膜超電導線１（図２）を複数本並列に配置し、超電導層側４の端面を１本の幅広な補強テープ線１１と固着させているため、超電導特性を示す超電導部１４（図２）の幅方向の長さを短くすることができ、交流通電した際に生じる渦電流を低減できる。さらにまた、補強テープ線１１と固着させることから、超電導テープ線１０および超電導コイル５０を薄膜超電導線１の各層に生じる負荷応力に強い構成とすることができる。

さらに、超電導テープ線１０および当該超電導テープ線１０を用いた超電導コイル５０によれば、補強部としての補強テープ線１１の厚さを適切（０．０２０ｍｍ超０．０６８ｍｍ以下、より好ましくは０．０３５ｍｍ以上０．０６５ｍｍ以下）に設定することで、従来よりも効果的に薄膜超電導線１の各層に生じる負荷応力に起因する超電導コイル５０の劣化を低減することができる。すなわち、電流密度の減少を最小限に止めつつ、薄膜超電導線１の各層に生じる負荷応力に起因する剥離、変形、クラック等の発生を抑制することができる。

なお、本明細書において、幾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、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではない。すなわち、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施す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、追加、置き換え、変更を行なうことができる。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ともに、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。

１ 薄膜超電導線材（従来の超電導テープ線）
２ テープ基板
３ 中間層
４ 超電導層
５ 保護層
６ 安定化層
１０ 超電導テープ線
１１ 補強テープ線
１２ ろう材
１３ 隔離部
１５ 絶縁テープ線
５０ 超電導コイル
５１ 巻枠
５２ 巻線部

Claims (6)

1. 外周が良導電性の金属層で覆われた超電導線材で形成される超電導部と、
   前記超電導部を形成する前記超電導線材の超電導層側の外表面に固着される、補強テープ線で形成される補強部とを備え、
   前記超電導部に、前記超電導部を前記超電導線材の幅方向に対して複数個の区分に区切り、前記超電導部のそれぞれの前記区分間の超電導的な接続を分断し、前記金属層で覆われた前記超電導部のそれぞれの前記区分の表面同士を隙間なく接触させる界面を形成する隔離部を設け、
   前記超電導線材は、その厚さ方向に対して、テープ基板、中間層、超電導層、保護層の順で積層された積層物を成し、
   前記超電導部は、複数の前記超電導線材が前記超電導線材の幅方向に、同じ方向で並列に配置される構成であり、
   前記補強部は、前記並列に配置される前記超電導線材の前記保護層側の外表面の各々と固着されることを特徴とする超電導テープ線。
2. 前記超電導線材の超電導層側の外表面と前記補強部との固着は、ろう材を用いたろう付けによる固着であることを特徴とする請求項１に記載の超電導テープ線。
3. 前記補強テープ線は、ステンレス鋼、銅−ベリリウム合金、アルミニウム、銅、ニッケル、および銅−ニッケル合金の少なくとも１種類から成る材料から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導テープ線。
4. 前記補強テープ線の厚さは、０．０２０ｍｍ超０．０６８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超電導テープ線。
5. 前記補強テープ線の厚さは、０．０３５ｍｍ以上０．０６５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の超電導テープ線。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の超電導テープ線を巻き回して形成されることを特徴とする超電導コイル。

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