JP6594376B2 - 超電導線材の応力印加方法、応力印加装置、検査方法、検査装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導線材の応力印加方法、応力印加装置、検査方法、検査装置及び製造方法に関する。

酸化物超電導線材の中でも、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ等のイットリウム（Ｙ）系超電導線材（ＲＥは希土類元素）は、引張強度や磁場中での臨界電流が高いことから、精力的に開発が進められている。超電導線材の応用の一つに、超電導磁石が知られている。超電導磁石は、コイル状に巻回された超電導線材を樹脂で含浸した超電導コイルから構成されている。超電導磁石の使用環境においては、超電導線材に様々な機械的負荷がかかる。機械的負荷としては、超電導コイルの構成材料の熱膨張係数差に起因した熱応力や、磁場中で通電することによる電磁力などがある。これらの機械的負荷により、超電導線材が破壊されて、超電導コイルが劣化することがある。特に、長尺の超電導線材の一部に低強度部分があると、その部分を起点として超電導コイルの劣化が進行するおそれがある。

そこで、長尺に形成した超電導線材の中から低強度部分を検査によって発見し、除去することができれば、高い信頼性をもつ超電導磁石を作製することができる。例えば、特許文献１には、超電導線材の表面に対して磁場を斜めに印加することにより、超電導材料層に流れる遮蔽電流の反発によって超電導材料層に剥離応力を印加する方法が記載されている。

特開２０１６−４６３９２号公報

しかし、特許文献１に記載されるような電磁的相互作用による剥離応力は非常に弱い。このため、低強度部分の剥離を誘発して確実に検出することができる範囲が狭く限られる。また、剥離応力が印加されるのは超電導線材の幅方向における両端に限られる、また、特許文献１の実施例のように超電導線材を十分に固定する必要があり、固定が不十分であると、超電導線材がずれ動いて、剥離応力がさらに低減される。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、超電導層の幅方向の全域にわたって所望の剥離応力を印加することが可能な超電導線材の応力印加方法、応力印加装置、検査方法、検査装置及び製造方法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、長手方向に連続的に搬送される長尺の超電導線材に剥離応力を印加する、超電導線材の応力印加方法であって、前記超電導線材の長手方向にテープを接着する工程と、前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する工程と、を有することを特徴とする超電導線材の応力印加方法を提供する。

前記超電導線材は、基板の片側に超電導層を有してもよい。
前記超電導線材の厚さ方向の両側にそれぞれ前記テープを接着する工程と、前記超電導線材から前記テープをそれぞれ前記厚さ方向の反対側に剥離する工程と、を有してもよい。
前記超電導線材は、前記厚さ方向の両側に安定化層を有し、それぞれの安定化層の表面に前記テープを接着してもよい。

また、本発明は、長手方向に連続的に搬送される長尺の超電導線材に剥離応力を印加する、超電導線材の応力印加装置であって、前記超電導線材の長手方向にテープを接着する接着部と、前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する剥離部と、を有することを特徴とする超電導線材の応力印加装置を提供する。

また、本発明は、超電導線材の長手方向にテープを接着する工程と、前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する工程と、前記テープが剥離された後の前記超電導線材の超電導特性を測定して、前記超電導線材を検査する工程と、を有することを特徴とする超電導線材の検査方法を提供する。

また、本発明は、超電導線材の長手方向にテープを接着する接着部と、前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する剥離部と、前記テープが剥離された後の前記超電導線材の超電導特性を測定して、前記超電導線材を検査する検査部と、を有することを特徴とする超電導線材の検査装置を提供する。

また、本発明は、超電導線材の長手方向にテープを接着する工程と、前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する工程と、前記テープが剥離された後の前記超電導線材を検査する工程と、検査により発見された不良部分を前記超電導線材から除去する工程と、を有することを特徴とする超電導線材の製造方法を提供する。

本発明によれば、テープの接着及び剥離により超電導層の幅方向の全域にわたって所望の剥離応力を印加することができる。これにより、従来の電磁的相互作用による方法では検出が困難であった低強度部分の検出も可能になる。

第１実施形態の応力印加装置を示す模式図である。 第２実施形態の応力印加装置を示す模式図である。 第３実施形態の応力印加装置を示す模式図である。 超電導線材の一例を示す断面図である。 第４実施形態の応力印加装置を示す模式図である。 超電導線材にテープを接着する工程を行う装置の一例を示す模式図である。 超電導線材からテープを剥離する工程を行う装置の一例を示す模式図である。

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、第１実施形態の応力印加装置を模式的に示す。この応力印加装置は、超電導線材１０の長手方向にテープ２０を接着する接着部２１と、超電導線材１０からテープ２０を剥離する剥離部２２と、を有する。

接着部２１は、接着工程を行うための接着手段である。接着工程は、超電導線材１０の長手方向にテープ２０を接着する工程である。図示例の接着部２１は、超電導線材１０の厚さ方向の両側に対向して設けられた押圧ロールを含む。押圧ロールの間に、テープ２０、超電導線材１０、テープ２０の順序で重ね合わせ、厚さ方向に押圧することにより、超電導線材１０の厚さ方向の両側にそれぞれテープ２０が接着される。

剥離部２２は、剥離工程を行うための剥離手段である。剥離工程は、超電導線材１０からテープ２０を剥離する工程である。図示例の剥離部２２は、超電導線材１０の厚さ方向の両側に対向して設けられた剥離ロールを含む。剥離ロールの回転により、超電導線材１０からテープ２０が剥離される。図示例では、両側のテープ２０がそれぞれ超電導線材１０の厚さ方向の反対側に剥離される。

テープ２０としては、例えば金属、樹脂等の基材テープの片面に接着層を有する粘着テープが挙げられる。超電導線材１０に対し、接着層を介して機械的に剥離力を作用させることにより、所望の剥離応力を超電導層に印加することができる。例えば、電磁的相互作用に比べて数十倍の剥離応力が印加されるようにテープ２０の接着力を調整することができる。従来は、剥離強度が極めて弱い低強度部分に限って剥離を顕在化させることができたのに対し、本実施形態によれば、従来よりも剥離強度が大きい低強度部分においても剥離を顕在化させ、低強度部分を確実に検出することができる。

ここで、低強度部分とは、現状で不良が確認されなくても、超電導線材１０の使用を経て不良が顕在化するおそれのある、潜在的な不良を含む部分であってもよい。接着工程及び剥離工程を含む応力印加工程を経ることにより、潜在的な低強度部分の不良を顕在化することができる。顕在化した不良部分は、目視等の観察や電磁気又は機械的特性の測定等により、発見が可能である。

超電導線材１０の長手方向に沿ってテープ２０を順に接着し、かつ長手方向に沿ってテープ２０を順に剥離することにより、超電導線材１０の長手方向の全域に順次剥離力を作用させることができる。また、超電導線材１０の両側から剥離力を作用させることにより、超電導線材１０がどちらか一方にずれ動くことがなく、超電導層に対して確実に剥離応力を印加することができる。

また、超電導線材１０の幅に対して十分な幅のテープ２０を用いることにより、超電導線材１０の幅方向の全域にわたって剥離力を作用させることができる。テープ２０の幅は、超電導線材１０の幅と同等でもよく、それ以下であってもよい。テープ２０の幅を超電導線材１０の幅より広くすることもできるが、対向するテープ２０同士の接着を抑制するか、テープ２０同士の接着力が、超電導線材１０とテープ２０との接着力よりも弱いことが好ましい。

図２に、第２実施形態の応力印加装置を模式的に示す。本実施形態では、接着部２１に対し、テープ基材２３と両面テープ２４が別々に供給される。テープ基材２３が両面テープ２４を介して超電導線材１０に接着されることにより、第１実施形態のテープ２０と同様の構成が得られる。テープ基材２３としては、金属線、樹脂線等が挙げられる。両面テープ２４は、両面に接着力を有する。テープ基材２３に対する両面テープ２４の接着力は、超電導線材１０に対する両面テープ２４の接着力以上であることが好ましい。これにより、剥離部２２において、両面テープ２４がテープ基材２３に接着されたまま、超電導線材１０から剥離される。

テープ基材２３及び両面テープ２４が超電導線材１０から剥離された後、テープ基材２３から両面テープ２４を除去してもよい。例えば、テープ基材２３から両面テープ２４を剥離することで除去してもよい。両面テープ２４を溶解や熱分解等により除去することもできる。両面テープ２４が除去された後のテープ基材２３を再び接着部２１に供給して、再利用することも可能である。

図３に、第３実施形態の応力印加装置を模式的に示す。本実施形態では、樹脂塗布工程として、接着工程に先立ち、超電導線材１０の表面に樹脂を塗布して樹脂層２５を形成する。樹脂塗布工程を行うため、接着部２１の手前側に塗布部２６が設けられる。樹脂層２５は、硬化部２７において硬化することにより接着層を構成することができる。テープ基材２３が樹脂層２５を介して超電導線材１０に接着されることにより、第１実施形態のテープ２０と同様の構成が得られる。テープ基材２３としては、金属線、樹脂線等が挙げられる。

硬化部２７は、塗布部２６と接着部２１の間に設けられてもよく、接着部２１に設けられてもよく、接着部２１と剥離部２２の間に設けられてもよい。硬化手法は特に限定されないが、熱硬化、光硬化などが挙げられる。光硬化としては、紫外線（ＵＶ）硬化、電子線硬化などが挙げられる。樹脂層２５が光硬化性で、テープ基材２３が不透明の場合は、テープ基材２３が超電導線材１０と重ね合わされる前に樹脂層２５を硬化させることが好ましい。樹脂層２５が熱硬化性の場合は、接着部２１の押圧ロール等に加熱装置を設けることで硬化部２７を構成してもよい。

接着部２１において、表面に樹脂層２５を有する超電導線材１０に対してテープ基材２３が押圧されることにより、超電導線材１０とテープ基材２３とが接着される。テープ基材２３に対する樹脂層２５の接着力は、超電導線材１０に対する樹脂層２５の接着力以上であることが好ましい。これにより、剥離部２２において、樹脂層２５がテープ基材２３上に積層されたまま、超電導線材１０から剥離される。

剥離部２２を通過した超電導線材１０の表面に少なくとも一部の樹脂層２５が残留した場合、樹脂除去工程として、超電導線材１０に残留した樹脂層２５を除去することができる。樹脂除去工程は、図１のテープ２０の有する接着層や、図３の両面テープ２４が超電導線材１０の表面に残留した場合にも、適用することが可能である。樹脂除去工程を行うための除去部２８の構成は特に限定されないが、スクレーパ等を用いて機械的に残留物を除去してもよく、溶解や熱分解等により残留物を除去することもできる。超電導層への水分の影響を抑制するため、樹脂層２５等の溶解には、非水系の有機溶剤を用いることが好ましい。

図４に、超電導線材１０の一例を示す。超電導線材１０は、基板１１の片側に超電導層１３を有してもよい。基板１１を構成する材料の具体例として、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合金などの金属が挙げられる。基板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。

基板１１と超電導層１３との間には、中間層１２が設けられてもよい。中間層１２は、多層構成でもよく、例えば基板１１側から超電導層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。

酸化物超電導線材の超電導層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、例えば一般式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲＥ１２３）で表されるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体が挙げられる。希土類元素ＲＥとしては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、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。超電導層１３の厚さは、例えば０．５〜５μｍ程度である。

超電導層１３の表面には、保護層１４を設けることが好ましい。保護層１４は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、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）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、金と銀との合金、その他の銀合金、銅合金、金合金などが挙げられる。保護層１４は、少なくとも超電導層１３の表面、すなわち厚さ方向で、基板１１側に対する反対側の面を覆っている。保護層１４の厚さは、例えば１〜３０μｍ程度であり、保護層１４を薄くする場合は、１０μｍ以下でもよい。

基板１１の裏面と保護層１４の表面には、安定化層１５が設けられることが好ましい・安定化層１５としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｔｉ、合金等の金属のめっき層又は金属箔が挙げられる。安定化層１５は、２種以上を積層して構成されてもよい。安定化層１５は、保護層１４を介して、又は保護層１４を介することなく直接に、超電導層１３と電気的に接続されることが好ましい。安定化層１５は、事故時に発生する過電流をバイパスする機能を有してもよい。

また、保護層１４又は安定化層１５が、基板１１上の少なくとも超電導層１３の幅方向における側面にも積層されると、超電導線材１０の側面から超電導層１３への水分の浸入が抑制されるので好ましい。さらに、基板１１又は中間層１２の側面にも、保護層１４又は安定化層１５が積層されてもよい。

超電導線材１０が厚さ方向の両側に安定化層１５，１５を有することにより、超電導線材１０に対するテープ２０の剥離力が釣り合い、超電導線材１０のずれを抑制することができる。超電導線材１０の厚さ方向の両側に設けられる安定化層１５，１５は同じ材料から構成されることが好ましい。なお、第２実施形態においては、テープ基材２３と両面テープ２４との積層体がテープ２０を構成し、第３実施形態においては、テープ基材２３と樹脂層２５との積層体がテープ２０を構成する。

接着工程及び剥離工程は、液体窒素温度（約７７Ｋ）等の常温以下の低温で行うことが好ましい。低温では超電導層１３が常温よりも脆化するので、剥離応力の印加により低強度部分が顕在化しやすくなる。

図５に、第４実施形態の応力印加装置を模式的に示す。本実施形態では、超電導線材１０の片側のみにテープ２０が接着される。剥離部２２において超電導線材１０からテープ２０を剥離する際、超電導線材１０のずれを抑制するためには、超電導線材１０を支持する支持部２９を設けてもよい。図５の支持部２９は、超電導線材１０を厚さ方向の両側から挟み込む支持ロールを含む。超電導線材１０の位置を保持できれば支持部２９の構成は特に限定されず、超電導線材１０が通過可能な隙間を有する溝、スロット、バー等から支持部２９を構成することも可能である。

図６及び図７に、第５実施形態の応力印加装置を模式的に示す。本実施形態では、応力印加装置が、図６に示すように接着部２１を有する接着装置と、図７に示すように剥離部２２を有する剥離装置とに分かれて構成されている。これにより、接着工程と剥離工程の間で、テープ２０が接着された超電導線材１０を一時的に放置することができる。粘着剤等の接着力が安定するように、所望の条件でテープ２０が接着された超電導線材１０を保持してもよい。

接着装置は、超電導線材１０にテープ２０が接着された後、巻芯３０等に超電導線材１０及びテープ２０を巻き取るため、巻回部３１を備えている。また、剥離装置では、巻回部３１から超電導線材１０及びテープ２０を巻き戻した後、剥離部２２により超電導線材１０からテープ２０が剥離される。ここで、巻回部３１は、図を簡略化するため、巻芯３０等に巻き取られた超電導線材１０及びテープ２０を１周に満たない範囲のみ図示している。巻芯３０の外周上には、超電導線材１０及びテープ２０が複数回巻回されてもよい。

上述の応力印加方法及び応力印加装置は、超電導線材の検査に用いることができる。超電導線材１０に剥離応力が印加された後、特性が劣化した不良部分の有無や位置が検査される。検査工程は、テープ２０が剥離された後の超電導線材１０を検査する工程である。検査工程の具体例としては、超電導線材の所定の位置に局所的に電流を通電又は磁場を印加して渦電流を誘起させて、臨界電流密度等の超電導特性を測定する工程や、目視等で超電導線材の外観を観察する工程が挙げられる。
本実施形態の検査方法は、接着工程と、剥離工程と、検査工程を備える。本実施形態の検査装置は、接着工程を行う接着部と、剥離工程を行う剥離部と、検査工程を行う検査部を備える。検査部は、検査工程を行うのに必要な装置やスペースを備えることができる。

検査工程で発見された不良部分に目印を設けると、不良部分の除去工程を効率化することができる。目印は、除去装置で用いる装置に認識可能なマークであってもよい。不良部分に直接マークを施す代わりに、線材の端部等の所定位置にバーコードや二次元コード等で、不良部分の位置等を示す情報を付与してもよい。

上述の検査方法及び検査装置は、超電導線材の製造に用いることができる。例えば基板上に超電導層等を積層する等の製造工程を実施した後、接着工程及び剥離工程を実施し、次いで検査工程を実施してもよい。超電導線材の製造工程と応力印加工程との間で、超電導線材を巻き取り保管する工程を有してもよい。

本実施形態の製造方法では、検査工程を実施した後、不良部分を除去する除去工程を実施してもよい。特性が劣化した不良部分の存在及び位置が確認された場合、不良部分を除去することで、特性の優れた信頼性の高い超電導線材を作製することができる。不良部分の除去により超電導線材の長さが不十分になった場合には、複数本の超電導線材を長手方向に順次接続して、より長尺の超電導線材を得ることができる。

超電導線材の製造工程、応力印加工程、検査工程、不良部分の除去工程のうち時間的に連続し得る２以上の工程を、超電導線材の基板が長手方向に連続的に搬送される一貫した工程として実施してもよい。

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ず、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。改変としては、各実施形態における構成要素の追加、置換、省略、その他の変更が挙げられる。また、２以上の実施形態に用いられた構成要素を適宜組み合わせることも可能である。

超電導線材を使用して超電導コイルを作製するには、例えば超電導線材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の多層巻きコイルを構成した後、巻き付けた超電導線材を覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて、超電導線材を固定することができる。

１０…超電導線材、１１…基板、１２…中間層、１３…超電導層、１４…保護層、１５…安定化層、２０…テープ、２１…接着部、２２…剥離部、２３…テープ基材、２４…両面テープ、２５…樹脂層、２６…塗布部、２７…硬化部、２８…除去部、２９…支持部、３０…巻芯、３１…巻回部。

Claims (8)

1. 長手方向に連続的に搬送される長尺の超電導線材に剥離応力を印加する、超電導線材の応力印加方法であって、
   前記超電導線材の長手方向にテープを接着する工程と、
   前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する工程と、
   を有することを特徴とする超電導線材の応力印加方法。
2. 前記超電導線材は、基板の片側に超電導層を有することを特徴とする請求項１に記載の超電導線材の応力印加方法。
3. 前記超電導線材の厚さ方向の両側にそれぞれ前記テープを接着する工程と、
   前記超電導線材から前記テープをそれぞれ前記厚さ方向の反対側に剥離する工程と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導線材の応力印加方法。
4. 前記超電導線材は、前記厚さ方向の両側に安定化層を有し、それぞれの安定化層の表面に前記テープを接着することを特徴とする請求項３に記載の超電導線材の応力印加方法。
5. 長手方向に連続的に搬送される長尺の超電導線材に剥離応力を印加する、超電導線材の応力印加装置であって、
   前記超電導線材の長手方向にテープを接着する接着部と、
   前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する剥離部と、
   を有することを特徴とする超電導線材の応力印加装置。
6. 超電導線材の長手方向にテープを接着する工程と、
   前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する工程と、
   前記テープが剥離された後の前記超電導線材の超電導特性を測定して、前記超電導線材を検査する工程と、
   を有することを特徴とする超電導線材の検査方法。
7. 超電導線材の長手方向にテープを接着する接着部と、
   前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する剥離部と、
   前記テープが剥離された後の前記超電導線材の超電導特性を測定して、前記超電導線材を検査する検査部と、
   を有することを特徴とする超電導線材の検査装置。
8. 超電導線材の長手方向にテープを接着する工程と、
   前記超電導線材から前記テープを剥離して、前記超電導線材に剥離応力を印加する工程と、
   前記テープが剥離された後の前記超電導線材を検査する工程と、
   検査により発見された不良部分を前記超電導線材から除去する工程と、
   を有することを特徴とする超電導線材の製造方法。

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