JP6605942B2 - 超電導線材の接続構造及び超電導線材の接続方法 - Google Patents
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この高温酸化物超電導線材は、長尺でフレキシブルな金属などの基板上に酸化物超電導膜を堆積したり、単結晶基板上に酸化物超電導膜を堆積したりして超電導導体層が形成されたものが知られている。
しかしながら、一本の連続した超電導線材の長さには製造上の限界があるので、超電導線材同士を接続する必要がある。
基材の片面側に中間層、超電導導体層及び金属保護層が順番に重ねて形成された第一と第二の超電導線材が、前記金属保護層側を向かい合わせた状態で互いの接続端部を重合させて接続されている接続構造であって、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の前記超電導導体層との間には、前記第一の超電導線材の超電導導体層と前記第二の超電導線材の超電導導体層とに直接的に接触した状態で接合された、超電導接続を行う接続用超電導導体層と、前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とが接合された接続金属保護層とが介在することを特徴とする。
前記金属保護層は、Ag,Au又はCuの内の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が複数設けられていることを特徴とする。
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の幅方向に沿って形成されていることを特徴とする。
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の長手方向に沿って形成されていることを特徴とする。
前記接続用超電導導体層は、その周囲の一部を除いて前記接続金属保護層に囲まれていることを特徴とする。
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間に、
前記接続用超電導導体層を形成し、
前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とを一体的に接合して前記接続金属保護層を形成することを特徴とする。
前記接続用超電導導体層は、有機金属堆積法により形成することを特徴とする。
以下に、本発明を実施するための好ましい第一の実施の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
図1は、本発明の第1実施形態に係る超電導線材の斜視図である。
図1に示すように、超電導線材10は、超電導成膜用基材1(以下、「基材1」とする)の厚み方向の一方の主面(以下、成膜面11という)に、中間層2及び酸化物超電導導体層3、金属保護層4がこの順に積層されており、さらに、基材1の主面とは逆側の面にも金属保護層4aが形成されている。即ち、超電導線材10は、金属保護層4、基材1、中間層2、酸化物超電導導体層3(以下、「超電導導体層3」とする)、金属保護層4aによる積層構造を有しており、さらに、この積層構造の周囲を被覆する銅安定化層5(安定化層)を有している。
また、これら各種金属材料上に各種セラミックスを配してもよい。また、セラミックス基板の材料としては、例えば、MgO、SrTiO3、又はイットリウム安定化ジルコニア等が用いられる。その他にも、サファイアを基材として用いてもよい。
基材1の厚さは50μm程度である(なお、厚さの数値は一例でありこれに限定されない。超電導線材10の他の各層の厚さについても同様である)。
なお、表面粗さとは、JISB-0601-2001において規定する表面粗さパラメータの「高さ方向の振幅平均パラメータ」における算術平均粗さRaである。
また、中間層2は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。多層構造の場合、その層数や種類は限定されないが、非晶質のGd2Zr2O7−δ(δは酸素不定比量)やAl2O3或いはY2O3等を含むベッド層と、結晶質のMgO等を含みIBAD(Ion Beam Assisted Deposition)法により成形された強制配向層と、LaMnO3+δ(δは酸素不定比量)を含むLMO層と、を順に積層した構成となっていてもよい。また、LMO層の上にCeO2等を含むキャップ層をさらに設けてもよい。
上記各層の厚さは、LMO層を30nm、強制配向層のMgO層を40nm、ベッド層のY2O3層を7nm、Al2O3層を80nmとする。
超電導導体層3の厚さは1μm程度である。
超電導導体層3側の金属保護層4は厚さ2μm程度、基材1側の金属保護層4aは厚さ1.8μm程度であり、基材1側の金属保護層4aの方が薄く形成されている。
この銅安定化層5は、上下左右それぞれの厚さが20μm程度で形成される。
この銅安定化層5は銅に限らず、Agからなる銀安定化層としても良い。また、この安定化層は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。多層構造の場合、その層数や種類は限定されないが、銀からなる銀安定化層と、銅からなる銅安定化層を順に積層した構成となっていてもよい。
本実施形態である超電導線材の接続構造100は、図2に示すように、第一の超電導線材10Aの接続端部と第二の超電導線材10Bの接続端部とを互いに突き合わせた向きとし、第一と第二の超電導線材10A,10Bの接続端部における基材1の主面11同士を向かい合わせで接続することにより形成されたものである。
この接続構造100では、第一と第二の超電導線材10A,10Bの接続端部は、互いの接合面における銅安定化層5が除去された状態で接続されている。また、図2〜図11にあっては、基材1の主面11とは逆側の金属保護層4a及び銅安定化層5の図示を省略している。
上記接続用超電導導体層31は、図3に示すように、第一及び第二の超電導線材10A,10Bの線材本体101の全幅に渡って形成されている。なお、図3では、第一及び第二の超電導線材10A,10Bが若干ずれた状態で図示しているがこれは第一及び第二の超電導線材10A,10Bの外縁部の位置を分かりやすくするために便宜上ずらしているのであって実際にはズレは生じない。
また、各接続金属保護層41,41は、接続用超電導導体層31に対して線材長手方向Lにおける両側に隣接しており、これらの各接続金属保護層41,41も線材本体101の全幅に渡って形成されている。
上記超電導線材の接続構造100を形成する超電導線材の接続方法について図4(A)〜図4(C)に基づいて説明する。
まず、第一と第二の超電導線材10A,10Bの接続端部の銅安定化層5を除去し、露出した金属保護層4の一部を線材本体101の全幅に渡って矩形に除去する。金属保護層4の矩形の除去は、機械的研磨、化学的研磨(例えば、エッチング処理)又はこれらの組み合わせにより行う(除去工程)。
なお、この金属保護層4の矩形の除去は、超電導導体層3が完全に露出する深さまで行われる。
また、露出した超電導導体層3を除去した部分の表面粗さは十分小さくしておくことが望ましい。例えば、その表面粗さ(中心線平均粗さRa)は、50nm以下とすることが望ましく、10nm以下とすることがより望ましい。
このMOD液は、例えば、RE(Y(イットリウム)、Gd(ガドリニウム)、Sm(サマリウム)及びHo(ホルミウム)等の希土類元素)とBaとCuとが約1:2:3の割合で含まれているアセチルアセトナート系MOD溶液が使用される。
これにより、第一と第二の超電導線材10A,10Bの超電導導体層3,3のそれぞれの接続端部側の矩形の除去部分には堆積層31t,31tが形成される。
さらに、第一と第二の超電導線材10A,10Bの接続端部を厚さ方向に加圧しながら加熱してMOD法における本焼成工程が行われる。また、この加圧加熱により、重合範囲J内で互いに密接した金属保護層4,4においてAg−Ag拡散接合が行われる。
本焼成工程については、第一と第二の超電導線材10A,10Bの接続端部をAr+O2ガスの雰囲気内で、760℃以上800℃以下の温度範囲で熱処理することが望ましい。
これにより、第一の超電導線材10Aの堆積層31tと第二の超電導線材10Bの堆積層31tが密着しながらエピタキシャル成長し、一体的な接続用超電導導体層31が形成される。
また、接続用超電導導体層31の線材長手方向Lの両側では、加圧加熱された第一の超電導線材10Aの金属保護層4と第二の超電導線材10Bの金属保護層4とがAg−Ag拡散接合されて重合範囲Jの内側に一体的な接続金属保護層41,41が形成される。
具体的な例示としては、酸素アニールの対象部位を、350℃以上500℃以下の温度範囲の酸素の雰囲気下に置き、この条件下で酸素ドープを行う。
接続用超電導導体層31は、第一及び第二の超電導線材10A,10Bの全幅に渡って形成されているので、第一及び第二の超電導線材10A,10Bの線材本体101,101の幅方向両側の側面から接続用超電導導体層31の端面が露出した状態となっており、この露出した端面から効果的に酸素ドープが行われる。
上記超電導線材の接続構造100では、第一の超電導線材10Aの接続端部と第二の超電導線材10Bの接続端部の重合範囲J内における、第一の超電導線材10Aの超電導導体層3と第二の超電導線材10Bの超電導導体層3との間に、第一の超電導線材10Aの超電導導体層3と第二の超電導線材10Bの超電導導体層3とに直接的に接触した状態で接合された超電導接続を行う接続用超電導導体層31と、第一の超電導線材10Aの金属保護層4と第二の超電導線材10Bの金属保護層4とが互いに一体的に接合された接続金属保護層41,41とが介在する構造となっている。
このため、接続用超電導導体層31により第一の超電導線材10Aと第二の超電導線材10Bの超電導接続を図ると共に、第一の超電導線材10Aの接続端部と第二の超電導線材10Bの接続端部の重合範囲Jにおいて、接続金属保護層41,41が線材の接合強度の強化を図り、従来のように、超電導導体層により接合されている場合に比べて第一の超電導線材10Aと第二の超電導線材10Bの接合強度の飛躍的な向上を図ることが可能である。
また、線材長手方向に沿った引っ張りによるせん断、線材の曲げ、線材の捻れ等の応力に対して、接続金属保護層41,41が高い強度を示し、接続用超電導導体層31の剥離や破損を抑制することが可能となる。
上記超電導線材の接続構造100について、各接続金属保護層41,41の面積が異なる二種類の接続構造(実施例1,2とする)と接続金属保護層41を有していない接続構造とについて、線材幅方向に平行な沿った中心軸回りに円弧状になる様に曲げ試験を行った強度試験の結果を図5に示す。
図5(A)に示すように、実施例1は接続用超電導導体層31の面積が0.6[cm2]、二つの接続金属保護層41,41の面積の合計が0.12[cm2]、実施例2は接続用超電導導体層31の面積が0.6[cm2]、二つの接続金属保護層41,41の面積の合計が0.6[cm2]、接続金属保護層41を有していない接続構造(Ag-Ag接合なし)は接続用超電導導体層31の面積が0.6[cm2]である。
その結果、接続金属保護層41,41の面積の合計が最も大きな実施例2では、曲げ半径が50[mm]となるまで変形を加えても剥離や破損は発生しなかった。
一方、実施例2よりも接続金属保護層41,41の面積の合計が小さい実施例1でも、曲げ半径が100[mm]となるまで変形を加えても剥離や破損は発生しなかった。但し、曲げ半径が50[mm]となるまで変形させた場合には剥離が発生した。
接続金属保護層41を有していない接続構造の場合には、200[mm]、100[mm]、50[mm]全ての変形で剥離が発生した。
これにより、接続金属保護層41の存在が曲げ変形に対して強度向上の効果が得られることが実証され、されに、接続金属保護層41の面積が大きくなるにつれて曲げ変形に対する強度がより向上することが実証された。
図6に第二の実施形態である超電導線材の接続構造100Cを示す。この接続構造100Cについては、前述した接続構造100と同一の構成については同じ符号を付して重複する説明は省略する。
超電導線材の接続構造100Cは、重合範囲J内において線材長手方向Lに沿って接続金属保護層41が三つ並んで形成され、これらの接続金属保護層41の間に二つの接続用超電導導体層31が形成されている点が超電導線材の接続構造100と異なっている。
このように、接続金属保護層41を増やすことにより、第一の超電導線材10Aと第二の超電導線材10Bとの接合強度をより向上させることが可能となる。また、接続金属保護層41を増やすことにより、剥離の発生や進行が各接続金属保護層41ごとに別々に生じるので、耐久性をより向上させることが可能となる。
図7に第三の実施形態である超電導線材の接続構造100Dを示す。この接続構造100については、前述した接続構造100と同一の構成については同じ符号を付して重複する説明は省略する。
超電導線材の接続構造100Dは、いわゆるブリッジ接続を行っている点が超電導線材の接続構造100と異なっている。
即ち、超電導線材の接続構造100Dは、基材1に対する金属保護層4側の面が同じ方向に向けられた二本の超電導線材10A,10Bが接続端部同士を突き合わせた状態で、基材1に対する金属保護層4側の面を逆向きに向けた長さの短い接続用の超電導線材10Dを介して接続されている。また、この接続構造100Dでは、二本の超電導線材10A,10Bの基材1,1の先端部が溶接等により接合されている。
また、同様に、接続用の超電導線材10Dと超電導線材10Bが「第一の超電導線材」と「第二の超電導線材」としての関係となり、これらの線材長手方向Lにおける重合範囲J2の範囲内に接続用超電導導体層31とその両側に隣接する二つの接続金属保護層41,41が形成されている。
接続用超電導導体層31と接続金属保護層41の層平面に対する垂直方向から見たそれぞれの形状及び配置については、図3の例に限定されない。
例えば、図8に示すように、接続金属保護層41は線材長手方向Lに沿って形成しても良い。その場合、接続用超電導導体層31に対して線材幅方向(線材長手方向Lに直交する方向)における両側に接続金属保護層41,41を形成することが望ましい。この形状とした場合には、線材長手方向に沿った引っ張り強度の向上、線材幅方向に沿った曲げに対するさらなる強度の向上並びにこれらによる接続用超電導導体層31の剥離のさらなる抑制を図ることが可能となる。
また、線材長手方向Lに沿って形成された接続金属保護層41を、前述した接続構造100Cのように三以上備える構成としても良い。
なお、接続用超電導導体層31の形成は、MOD法に限らず、化学気相蒸着法(CVD法)、レーザー蒸着法(PLD法)等、Y系の超電導導体層の形成を可能とする公知のいずれの方法を用いても良い。
2 中間層
3 酸化物超電導導体層
4,4a 金属保護層
5 銅安定化層(安定化層)
10 超電導線材
10A 第一の超電導線材
10B 第二の超電導線材
10D 接続用の超電導線材
31 接続用超電導導体層
31m MOD液
31t 堆積層
41 接続金属保護層
100,100C,100D 接続構造超電導線材の接続構造
101 線材本体
J,J1,J2 重合範囲
L 線材長手方向
Claims (8)
- 基材の片面側に中間層、超電導導体層及び金属保護層が順番に重ねて形成された第一と第二の超電導線材が、前記金属保護層側を向かい合わせた状態で互いの接続端部を重合させて接続されている接続構造であって、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の前記超電導導体層との間には、前記第一の超電導線材の超電導導体層と前記第二の超電導線材の超電導導体層とに直接的に接触した状態で接合された、超電導接続を行う接続用超電導導体層と、前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とが接合された接続金属保護層とが介在することを特徴とする超電導線材の接続構造。 - 前記金属保護層は、Ag,Au又はCuの内の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1記載の超電導線材の接続構造。
- 前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が複数設けられていることを特徴とする請求項1又は2記載の超電導線材の接続構造。 - 前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の幅方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。 - 前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の長手方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。 - 前記接続用超電導導体層は、その周囲の一部を除いて前記接続金属保護層に囲まれていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造を形成する超電導線材の接続方法であって、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間に、前記接続用超電導導体層を形成し、
前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とを一体的に接合して前記接続金属保護層を形成することを特徴とする超電導線材の接続方法。 - 前記接続用超電導導体層は、有機金属堆積法により形成することを特徴とする請求項7記載の超電導線材の接続方法。
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