JP6721101B2

JP6721101B2 - 超電導線材及び超電導コイル

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Publication number: JP6721101B2
Application number: JP2019500063A
Authority: JP
Inventors: 高史山口; 永石　竜起; 竜起永石; 昌也小西
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2020-07-08
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Description

本発明は、超電導線材及び超電導コイルに関する。

従来から、特開２００８−２４４２４９号公報（特許文献１）に記載された超電導線材が知られている。特許文献１に記載の超電導線材は、基板と、基板上に配置された超電導層と、基板及び超電導層を被覆する安定化層とを有している。特許文献１に記載された超電導線材は、巻き回されるとともにエポキシ樹脂等の含浸材で含浸され、超電導コイルとされている。特許文献１に記載された超電導コイルにおいては、含浸材と超電導線材との間の熱膨張係数差に起因した熱応力により、超電導層の破壊に伴う超電導特性の劣化が生じるおそれがあることが知られている。

上記のような熱膨張係数差に起因した熱応力による超電導層の破壊を防止するための構成として、従来から、特開２０１１−１９８４６９号公報（特許文献２）に記載された絶縁被覆酸化物超電導線材の構成、特開２０１４−２２６９３号公報（特許文献３）に記載された複合テープの構成及び特開２０１６−１３４４１８号公報（特許文献４）に記載された超電導線材の構成が知られている。

特許文献２に記載された絶縁被覆酸化物超電導線材は、酸化物超電導線素材と、酸化物超電導線素材の全表面を被覆する絶縁材層と、絶縁材層上に設けられた離形材層とを有する。特許文献２に記載された絶縁被覆酸化物超電導線材は、巻き回されるとともに、熱硬化性樹脂で含浸され、コイルとされる。特許文献２に記載されたコイルにおいても、冷却時に、熱硬化性樹脂と絶縁被覆酸化物超電導線材との熱膨張係数差に起因した熱応力が生じる。特許文献２に記載されたコイルにおいては、熱硬化性樹脂と離形材層の界面が容易に剥離するため、熱応力が超電導層に作用しにくく、超電導層の破損に伴う超電導特性の劣化が生じにくい。

特許文献３に記載された複合テープは、超電導テープ線と、絶縁テープ線と、離形層とを有する。離形層は、超電導テープ線及び絶縁テープ線のうちの少なくとも一方の上に配置される。特許文献３に記載された複合テープは、巻き回されるとともに、エポキシ樹脂で含浸され、コイルとされる。特許文献３に記載されたコイルにおいても、冷却時に、熱応力が生じる。特許文献３に記載されたコイルにおいては、エポキシ樹脂と離形層との界面が剥離するため、この熱応力に起因して超電導層の破損に伴う超電導特性の劣化が生じにくい。

特許文献４に記載された超電導線材は、金属基板と、超電導層と、カーボン層とを有する。超電導層は、金属基板上に配置される。カーボン層は、超電導層及び金属基板の少なくとも一方の上に配置されている。カーボン層の破壊強度は、超電導層よりも低い。特許文献４に記載された超電導線材は、巻き回されるとともに、エポキシ樹脂組成物で含浸され、コイルとされる。特許文献４に記載されたコイルにおいても、冷却時にエポキシ樹脂組成物と超電導線材との熱膨張係数差に起因した熱応力が生じる。この熱応力により、カーボン層が容易に破断する。そのため、この熱応力に起因して超電導層の破損に伴う超電導特性の劣化が生じにくい。

特開２００８−２４４２４９号公報特開２０１１−１９８４６９号公報特開２０１４−２２６９３号公報特開２０１６−１３４４１８号公報

本開示の一態様に係る超電導線材は、第１面と第２面とを有する基板と、第３面と第４面とを有する超電導層と、安定化層と、保護層とを備える。第２面は、第１面の反対面である。第４面は、第３面の反対面である。超電導層は、第３面が第２面に対向するように基板上に配置される。安定化層は、第１面上及び第４面上に配置される。保護層は、安定化層上に配置される。安定化層と保護層との密着強度は、超電導層の強度よりも低い。

本開示に係る超電導コイルは、上記の本開示に係る超電導線材と、絶縁体とを備える。超電導線材は、周回毎に空間を置いて巻き回された渦巻形状を有する。絶縁体は、その空間に充填されている。絶縁体の熱膨張係数は、超電導層の熱膨張係数より高い。

図１は、実施形態に係る超電導線材１００の長手方向に平行な断面での断面図である。図２は、実施形態に係る超電導コイル２００のコイル軸に垂直な断面における断面図である。図３は、図２の領域ＩＩＩの拡大断面図である。図４は、実施形態に係る超電導線材１００の製造方法の工程図である。図５Ａは、準備工程Ｓ１の終了後であって安定化層形成工程Ｓ２１が行われる前における超電導線材１００の長手方向に平行な断面での断面図である。図５Ｂは、安定化層形成工程Ｓ２１の終了後であって保護層形成工程Ｓ２２が行われる前における超電導線材１００の長手方向に平行な断面での断面図である。図５Ｃは、保護層形成工程Ｓ２２の終了後における超電導線材１００の長手方向に平行な断面での断面図である。図６は、実施形態に係る超電導コイル２００の製造方法の工程図である。図７は、比較例に係る超電導線材１１０の長手方向に平行な断面での断面図である。図８は、比較例に係る超電導コイル２１０の部分断面図である。図９は、実施形態に係る超電導コイル２００の冷却時における部分断面図である。

［本開示が解決しようとする課題］
特許文献２に記載された絶縁被覆超電導線材及びそれを用いたコイルにおいては、離形材層を形成するための新たな工程を追加する必要がある。特許文献３に記載された複合テープ及びそれを用いたコイルにおいても、離形層を形成するための新たな工程を追加する必要がある。特許文献４に記載された超電導線材及びそれを用いたコイルにおいても、カーボン層を形成するための新たな工程を追加する必要がある。そのため、特許文献２ないし特許文献４に記載された超電導線材等及びそれを用いたコイルには、製造工程が複雑化するとの問題点がある。

本開示に係る超電導線材及び超電導コイルは、上記のような従来技術の問題点に鑑みたものである。より具体的には、本開示は、製造工程を複雑化させることなく、絶縁体と超電導線材との熱膨張係数差に起因した熱応力による超電導特性の劣化を抑制することができる超電導線材及び超電導コイルを提供する。

［本開示の効果］
本開示に係る超電導線材及び超電導コイルによると、製造工程を複雑化させずに、絶縁体と超電導線材との熱膨張係数差に起因した熱応力による超電導特性の劣化を抑制することができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）本開示の一態様に係る超電導線材は、第１面と第２面とを有する基板と、第３面と第４面とを有する超電導層と、安定化層と、保護層とを備える。第２面は、第１面の反対面である。第４面は、第３面の反対面である。超電導層は、第３面が第２面に対向するように、基板上に配置される。安定化層は、第１面上及び第４面上に配置される。保護層は、安定化層上に配置される。安定化層と保護層との密着強度は、超電導層の強度よりも低い。

上記（１）の超電導線材の製造においては、カーボン層等を形成するための新たな工程は不要である。そのため、上記（１）の超電導線材によると、製造工程が複雑化しない。また、上記（１）の超電導線材は、超電導コイルとされる際に渦巻状に成形されるとともに超電導線材の間に絶縁体が充填されるが、上記（１）の超電導線材によると、超電導線材と絶縁材との間の熱膨張係数差に起因した熱応力により超電導層が破壊する前に、安定化層と保護層との界面が剥離する。そのため、上記（１）の超電導線材によると、超電導特性の劣化を抑制することができる。

（２）上記（１）の超電導線材において、第１面上に配置される安定化層の厚さは、第４面上に配置される安定化層の厚さよりも小さくてもよい。

上記（２）の超電導線材によると、超電導層から遠い第１面側の安定化層又は保護層が先に剥離しやすくなるため、より確実に超電導層を保護することできる。

（３）上記（２）の超電導線材において、第１面上に配置される安定化層は、単層で構成され、第４面上に配置される安定化層は、複数層で構成されていてもよい。

上記（３）の超電導線材によると、超電導層から遠い第１面側の安定化層又は保護層が先に剥離しやすくなるため、より確実に超電導層を保護することできる。

（４）上記（３）の超電導線材において、第１面上に配置される安定化層は、スパッタ層で構成され、第４面上に配置される安定化層は、第４面上に配置されるスパッタ層と、スパッタ層上に配置されるめっき層とにより構成されていてもよい。

上記（４）の超電導線材によると、超電導層から遠い第１面側の安定化層又は保護層が先に剥離しやすくなるため、より確実に超電導層を保護することできる。

（５）本開示の一態様に係る超電導コイルは、上記（１）〜（４）の超電導線材と、超電導層よりも熱膨張係数が大きい絶縁体とを備える。超電導線材は、周回毎に空間を置いて巻き回された渦巻形状を有する。絶縁体は、その空間に充填される。

上記（５）の超電導コイルによると、製造工程を複雑化させずに、絶縁体と超電導線材との熱膨張係数差に起因した熱応力による超電導特性の劣化を抑制することができる。

[本開示の実施形態の詳細]
次に、実施形態の詳細について説明する。

（実施形態に係る超電導線材の構成）
以下に、実施形態に係る超電導線材の構成について、図を参照して説明する。なお、各図中同一または相当部分には同一符号を付している。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

図１は、実施形態に係る超電導線材１００の長手方向に平行な断面での断面図である。図１に示すように、実施形態に係る超電導線材１００は、基板１と、超電導層２と、安定化層３と、保護層４とを有している。

基板１は、好ましくは、長手方向の長さと比較して厚さが小さいテープ状の形状を有している。基板１は、第１面１ａと、第２面１ｂとを有している。第２面１ｂは、第１面１ａの反対面である。基板１は、複数の層により構成されていてもよい。より具体的には、基板１は、基板層１１と、中間層１２とを含んでいてもよい。基板層１１は、第１面１ａ側に位置しており、中間層１２は、第２面１ｂ側に位置している。

基板層１１は、複数の層により構成されていてもよい。例えば、基板層１１は、第１層１１ａと、第２層１１ｂと、第３層１１ｃとにより構成されている。第１層１１ａ、第２層１１ｂ及び第３層１１ｃは、それぞれ異なる材料により構成されている。第１層１１ａには、例えばステンレス鋼が用いられる。第２層１１ｂには、例えば銅（Ｃｕ）が用いられる。第３層１１ｃには、例えばニッケル（Ｎｉ）が用いられる。

中間層１２は、基板１上に超電導層２を形成させるためのバッファとなる層である。中間層１２は、一様な結晶配向性を有していることが好ましい。また、中間層１２には、超電導層２を構成する材料との格子定数のミスマッチの小さい材料が用いられる。より具体的には、中間層１２には、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が用いられる。

超電導層２は、超電導体を含有する層である。超電導層２に用いられる材料は、例えばレアアース系の酸化物超電導体である。超電導層２に用いられるレアアース系の酸化物超電導体は、例えばＲＥＢＣＯ（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ、ＲＥはイットリウム（Ｙ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロビウム（Ｅｕ）、ガドリウム（Ｇｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等のレアアース）である。

超電導層２は、第３面２ａと、第４面２ｂとを有している。第４面２ｂは、第３面２ａの反対面である。超電導層２は、基板１上に配置されている。より具体的には、超電導層２は、第３面２ａが第２面１ｂと対向するように、基板１上に配置されている。このことを別の観点からいえば、超電導層２は、中間層１２上に配置されている。

安定化層３は、超電導層２を保護し、超電導層２における局所的な発熱を発散させるとともに、超電導層２にクエンチ（超電導状態から通常電導状態に移行する現象）が生じた際に、電流をバイパスさせる層である。安定化層３は、第１面１ａ及び第４面２ｂ上に配置されている。安定化層３に用いられる材料は、例えば銀（Ａｇ）である。

第１面１ａ上に配置されている安定化層３は、好ましくは、単層で構成されている。さらに好ましくは、第１面１ａ上に配置されている安定化層３は、スパッタ層３１である。スパッタ層３１は、スパッタリングにより形成された層である。

第４面２ｂ上に配置されている安定化層３は、単層で構成されていてもよく、複数層で構成されていてもよい。第４面２ｂ上に配置されている安定化層３が単層で構成されている場合、第４面２ｂ上に配置されている安定化層３は、例えばスパッタ層３１により構成されている。

第４面２ｂ上に配置されている安定化層３が複数層で構成されている場合、第４面２ｂ上に配置されている安定化層３は、例えばスパッタ層３１とめっき層３２とにより構成されている。スパッタ層３１は、第４面２ｂ上に配置されている。めっき層３２は、スパッタ層３１上に配置されている。めっき層３２は、めっきにより形成される層である。

上記のことを別の観点からいえば、第１面１ａ及び第４面２ｂ上に配置されている安定化層３の最外層は、保護層４との密着性を確保するための層となっていない。安定化層３と保護層４との密着性を確保するための層は、例えばストライクめっき層である。ストライクめっき層は、ストライクめっきにより形成される層である。

第１面１ａ上に配置されている安定化層３は、第１の厚さＴ１を有している。第４面２ｂ上に配置されている安定化層３は、第２の厚さＴ２を有している。第１の厚さＴ１は、第２の厚さＴ２よりも小さいことが好ましい。第１の厚さＴ１は、例えば１μｍ以上１０μｍ以下であり、第２の厚さは、例えば２μｍ以上４０μｍ以下である。

保護層４は、安定化層３を保護するための層である。保護層４は、安定化層３上に配置されている。保護層４に用いられる材料は、例えばＣｕである。

安定化層３と保護層４との密着強度は、超電導層２の強度よりも低い。安定化層３と保護層４との密着強度が超電導層２の強度よりも低いとは、超電導層２が破壊されるよりも先に安定化層３と保護層４との間で剥離が生じる場合をいう。

なお、図１においては図示されていないが、安定化層３及び保護層４は、実施形態に係る超電導線材１００の長手方向に垂直な方向における端面上を被覆していてもよい。

（実施形態に係る超電導コイルの構成）
以下に、実施形態に係る超電導コイル２００の構成について、図を参照して説明する。図２は、実施形態に係る超電導コイル２００のコイル軸に垂直な断面における断面図である。図２に示すように、実施形態に係る超電導コイル２００は、超電導線材１００と、絶縁体１５０とを有している。

超電導線材１００は、コイル軸を中心とした渦巻形状を有している。すなわち、超電導線材１００は、コイル軸を中心として巻き回されている。超電導線材１００は、周回毎に空間を置いて巻き回されている。

絶縁体１５０は、巻き回された超電導線材１００の間の空間に充填されている。これにより、巻き回された超電導線材１００が相互に絶縁され、相互に固着される。図３は、図２の領域ＩＩＩの拡大断面図である。図３に示すように、超電導線材１００は、絶縁体１５０により挟み込まれている。

絶縁体１５０には、例えば熱硬化性樹脂が用いられる。絶縁体１５０に用いられる熱硬化性樹脂は、硬化前の状態において、巻き回された超電導線材１００の間の空間に含浸されうる程度の低い粘度を有していることが好ましい。絶縁体１５０に用いられる熱硬化性樹脂は、例えばエポキシ樹脂である。

絶縁体１５０の熱膨張係数は、超電導線材１００よりも熱膨張係数が大きい。具体的には、絶縁体１５０は、超電導層２よりも熱膨張係数が大きい。絶縁体１５０の熱膨張係数は、基板１の熱膨張係数より大きくてもよい。例えば、絶縁体１５０にエポキシ樹脂を用いた場合、室温から７７Ｋまで冷却した際に、絶縁体１５０の寸法は、約１パーセント収縮する。他方、基板１を同様に冷却した際には、基板１の寸法は０．３パーセント程度収縮する。超電導層２を同様に冷却した際には、超電導層２の寸法の収縮率は、０．３パーセント未満である。

（実施形態に係る超電導線材の製造方法）
以下に、実施形態に係る超電導線材１００の製造方法について説明する。図４は、実施形態に係る超電導線材１００の製造方法の工程図である。図４に示すように、実施形態に係る超電導線材１００の製造方法は、準備工程Ｓ１と、被覆層形成工程Ｓ２とを有している。被覆層形成工程Ｓ２は、安定化層形成工程Ｓ２１と、保護層形成工程Ｓ２２とを含んでいる。

図５Ａは、準備工程Ｓ１の終了後であって安定化層形成工程Ｓ２１が行われる前における超電導線材１００の長手方向に平行な断面での断面図である。準備工程Ｓ１においては、図５Ａに示すように、基板１上に超電導層２が形成される。より具体的には、基板層１１上に、中間層１２が形成され、中間層１２上に超電導層２が形成される。基板層１１上への中間層１２の形成及び中間層１２上への超電導層２の形成は、従来公知の方法により行われる。

図５Ｂは、安定化層形成工程Ｓ２１の終了後であって保護層形成工程Ｓ２２が行われる前における超電導線材１００の長手方向に平行な断面での断面図である。図５Ｂに示すように、安定化層形成工程Ｓ２１においては、第１面１ａ及び第４面２ｂ上に、安定化層３が形成される。

安定化層形成工程Ｓ２１においては、第１に、スパッタリングが行われる。スパッタリングは、第１面１ａ側及び第４面２ｂ側に対して行われる。これにより、第１面１ａ上に安定化層３としてのスパッタ層３１が形成され、第４面２ｂ上に配置される安定化層３の一部を構成するスパッタ層３１が形成される。

安定化層形成工程Ｓ２１においては、第２に、めっきが行われる。めっきは、第４面２ｂ側に対してのみ行われる。これにより、第４面２ｂ上に配置される安定化層３の一部であるめっき層３２が形成される。

図５Ｃは、保護層形成工程Ｓ２２の終了後における超電導線材１００の長手方向に平行な断面での断面図である。図５Ｃに示すように、保護層４が安定化層３上に形成される。保護層４の形成は、従来公知の方法、例えばめっきにより行われる。

（実施形態に係る超電導コイルの製造方法）
以下に、実施形態に係る超電導コイル２００の製造方法について説明する。図６は、実施形態に係る超電導コイル２００の製造方法の工程図である。図６に示すように、実施形態に係る超電導コイル２００の製造方法は、線材巻き回し工程Ｓ３と、絶縁体充填工程Ｓ４とを有している。

線材巻き回し工程Ｓ３においては、超電導線材１００が、例えば巻枠の周囲に巻き回される。これにより、超電導線材１００が、渦巻形状に成形される。絶縁体充填工程Ｓ４においては、超電導線材１００の間の空間に、エポキシ樹脂等が含浸されるとともに、エポキシ樹脂等を加熱硬化させることで、渦巻形状に成形された超電導線材１００の間の空間に絶縁体１５０が充填される。

（実施形態に係る超電導線材及び超電導コイルの効果）
以下に、実施形態に係る超電導線材１００及び超電導コイル２００の効果について、比較例と対比することにより説明する。図７は、比較例に係る超電導線材１１０の長手方向に平行な断面での断面図である。図７に示すように、比較例に係る超電導線材１１０は、実施形態に係る超電導線材１００と同様に、基板１と、超電導層２と、安定化層３と、保護層４とを有している。

しかし、比較例に係る超電導線材１１０は、第１面１ａ及び第４面２ｂ上に配置されている安定化層３の最外層がストライクめっき層３３となっている点において、実施形態に係る超電導線材１００と異なっている。すなわち、比較例に係る超電導線材１１０においては、第１面１ａ及び第４面２ｂ上に配置される安定化層３が、スパッタ層３１と、めっき層３２と、ストライクめっき層３３とにより構成されている。その結果、比較例に係る超電導線材１１０においては、安定化層３と保護層４との密着強度が、超電導層２の強度よりも低くなっていない。

図８は、比較例に係る超電導コイル２１０の部分断面図である。図８に示すように、比較例に係る超電導コイル２１０は、比較例に係る超電導線材１１０が用いられている点を除いて、実施形態に係る超電導コイル２００と同様の構成を有している。

比較例に係る超電導コイル２１０は、動作時には、液体窒素等により、極低温にまで冷却される。絶縁体１５０の熱膨張係数は、上記のとおり、基板１及び超電導層２の熱膨張係数よりも小さい。すなわち、冷却に伴う絶縁体１５０の収縮は、超電導層２の冷却に伴う収縮よりも小さい。その結果、超電導層２には、冷却に伴う引張応力ＴＳが作用する。この引張応力ＴＳにより、超電導層２内に破壊Ｂが生じ、超電導線材１１０及び超電導コイル２１０の超電導特性が劣化する。

図９は、実施形態に係る超電導コイル２００の冷却時における部分断面図である。図９に示すように、実施形態に係る超電導コイル２００においても、同様に、冷却に伴って引張応力ＴＳが発生する。

しかし、実施形態に係る超電導コイルにおいては、安定化層３の最外層が保護層４との密着性を確保するための層（例えばストライクめっき層３３）となっていないため、安定化層３と保護層４との密着強度が、超電導層２の強度よりも低くなっている。そのため、超電導層２に過大な引張応力ＴＳが作用する前に、安定化層３と保護層４との界面が容易に剥離する。

そのため、実施形態に係る超電導線材１００及び超電導コイル２００によると、超電導層２内に熱膨張係数差に起因した破壊の発生を抑制することができ、ひいては超電導特性の劣化を抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１基板、１ａ第１面、１ｂ第２面、１１基板層、１１ａ第１層、１１ｂ第２層、１１ｃ第３層、１２中間層、２超電導層、２ａ第３面、２ｂ第４面、３安定化層、３１スパッタ層、３２めっき層、３３ストライクめっき層、４保護層、１００，１１０超電導線材、１５０絶縁体、２００，２１０超電導コイル、Ｂ破壊、Ｓ１準備工程、Ｓ２被覆層形成工程、Ｓ３線材巻き回し工程、Ｓ４絶縁体充填工程、Ｓ２１安定化層形成工程、Ｓ２２保護層形成工程、Ｔ１第１の厚さ、Ｔ２第２の厚さ、Ｔ３第３の厚さ、Ｔ４第４の厚さ、ＴＳ引張応力。

Claims

第１面と、前記第１面の反対面である第２面とを有する基板と、
第３面と、前記第３面の反対面である第４面とを有し、前記第３面が前記第２面に対向するように前記基板上に配置される超電導層と、
前記第１面上及び前記第４面上に配置される安定化層と、
前記安定化層上に配置される保護層とを備え、
前記安定化層と前記保護層との密着強度は、前記超電導層の強度よりも低く、
前記第１面上に配置される前記安定化層の厚さは、前記第４面上に配置される前記安定化層の厚さよりも小さい、超電導線材。
前記第１面上に配置される前記安定化層は、単層で構成され、
前記第４面上に配置される前記安定化層は、複数層で構成される、請求項１に記載の超電導線材。
前記第１面上に配置される前記安定化層は、スパッタ層で構成され、
前記第４面上に配置される前記安定化層は、前記第４面上に配置されるスパッタ層と、前記スパッタ層上に配置されるめっき層とにより構成される、請求項２に記載の超電導線材。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の前記超電導線材と、
前記超電導線材よりも熱膨張係数が大きい絶縁体とを備え、
前記超電導線材は、周回毎に空間を置いて巻き回された渦巻形状を有し、
前記絶縁体は、前記空間に充填される、超電導コイル。