JP7292257B2 - 超電導線材の接続構造体および超電導線材の接続構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導線材の接続構造体および超電導線材の接続構造体の製造方法に関する。
本願は、２０１８年３月９日に日本に出願された特願２０１８－０４３５７３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

超電導線材は、電流損失が低いため、電力供給用ケーブル、磁気コイル等として使用されている。特許文献１には、超電導線材の保護層（特許文献１においては安定化基層）として銀のスパッタ膜を、超電導線材の安定化層として銅の電解めっき膜を形成した超電導線材が記載されている。

日本国特許第５６３４１６６号公報

長尺の超電導線材を得るためには、複数本の超電導線材を接続する必要がある。しかし、安定化層は、超電導層が超電導状態から常電導状態へと遷移しようとした場合に、超電導層の電流を転流させるバイパスとして機能するに十分な断面積を有する。そのため、超電導線材の外周に銅の安定化層が設けられている場合、保護層同士または超電導層同士を接続する場合に比べて接続抵抗が高くなる場合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、接続抵抗を低くした超電導線材の接続構造体および超電導線材の接続構造体の製造方法を提供する。

本発明の第１態様は、超電導線材の接続構造体であって、基板上に超電導層を有する複数の接続線材を備え、前記複数の接続線材が接続され、前記複数の接続線材の接続部が安定化メッキ層により被覆され、前記安定化メッキ層は、前記接続部を連続して被覆しており、前記複数の接続線材がそれぞれ有する前記超電導層の間は、直接接触している、又は、それぞれの前記超電導層の間に保護層および半田層の一方もしくは両方が設けられる。

本発明の第２態様は、上記第１態様の超電導線材の接続構造体において、前記安定化メッキ層が、前記複数の接続線材を連続して被覆してもよい。

本発明の第３態様は、基板上に超電導層を有する複数の接続線材が接続された超電導線材の接続構造体の製造方法であって、前記超電導層が露出されている、又は、前記超電導層の上に存在する層が保護層および半田層の一方もしくは両方を有する前記複数の接続線材を準備し、前記複数の接続線材の前記基板上に前記超電導層を有する面側を、直接または半田を介して重ね合わせ、前記複数の接続線材の接続部を安定化メッキ層により被覆し、前記複数の接続線材の間に連続して前記安定化メッキ層を形成する。

本発明の第４態様は、上記第３態様の超電導線材の接続構造体において、前記安定化メッキ層を、前記複数の接続線材を連続して被覆してもよい。

上記本発明の態様によれば、接続線材の有するそれぞれの超電導層の間に膜厚の大きい安定化メッキ層が介在しないように接続部を構成することができ、接続抵抗を低くして接続することのできる超電導線材の接続構造体および超電導線材の接続構造体の製造方法を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る超電導線材の接続構造体を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る超電導線材の接続構造体を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る超電導線材の接続構造体を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る超電導線材の接続構造体を示す断面図である。

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、本発明の第１実施形態の超電導線材の接続構造体５０の断面図を示す。第１実施形態では、超電導線材の接続構造体５０の接続部４０では、接続線材１０，２０の一部分と接続線材３０が接続されている。接続線材１０，２０，３０は、基板１１，２１，３１上にそれぞれ超電導層１２，２２，３２を有し、超電導層１２，２２，３２の上にそれぞれ保護層１３，２３，３３を有する。接続部４０は、安定化メッキ層４１により被覆され、かつ、超電導層１２，３２の間および超電導層２２，３２の間に、保護層１３，２３，３３が設けられる。

図２に、本発明の第２実施形態の超電導線材の接続構造体５０Ａの断面図を示す。第２実施形態では、超電導線材の接続構造体５０Ａの接続部４０Ａでは、接続線材１０Ａ，２０Ａの一部分と接続線材３０Ａが接続されている。接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａは、基板１１，２１，３１上にそれぞれ超電導層１２，２２，３２を有する。接続部４０Ａは、安定化メッキ層４１により被覆され、かつ、それぞれの接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａが有する超電導層１２，２２，３２は、直接接触している。

図３に、本発明の第３実施形態の超電導線材の接続構造体５０Ｂの断面図を示す。第３実施形態では、超電導線材の接続構造体５０Ｂの接続部４０Ｂでは、接続線材１０，２０の一部分と接続線材３０が接続されている。接続線材１０，２０，３０は、基板１１，２１，３１上にそれぞれ超電導層１２，２２，３２を有し、超電導層１２，２２，３２の上にそれぞれ保護層１３，２３，３３を有する。接続部４０Ｂは、安定化メッキ層４１により被覆され、かつ、超電導層１２，３２の間および超電導層２２，２３の間に、保護層１３，２３，３３と半田層４３が設けられる。

第１～第３実施形態によれば、それぞれの超電導層１２，２２，３２の間には層が介在しない、又は、介在する場合、それぞれ保護層１３，２３，３３および半田層４３の一方もしくは両方が形成される。
このように、それぞれの超電導層１２，３２の間および超電導層２２，３２の間に安定化メッキ層４１が介在しないので、接続部４０，４０Ａ，４０Ｂにおける接続抵抗を低くすることができる。
また、接続部４０，４０Ａ，４０Ｂが安定化メッキ層４１で被覆され、安定化メッキ層４１がそれぞれの接続線材１０，２０，３０またはそれぞれの接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａの間に連続して形成されるので、接続強度を向上させることができる。

第１および第３実施形態では、接続線材１０，２０，３０がそれぞれ保護層１３，２３，３３を有する例を示した。
変形例として、接続されている接続線材の少なくとも一つが保護層を有し、他の接続線材が保護層を有さなくてもよい。

第２実施形態では、接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａが全長にわたり、それぞれ保護層１３，２３，３３を有さない例を示した。
変形例として、接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａが重なり合っていない（接続されていない）領域において、接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａにそれぞれ保護層１３，２３，３３を積層してもよい。接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａが重なり合っていない領域に保護層を設けるため、接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａを接続した後に保護層を積層することも可能である。
接続線材を接続する前に積層する保護層と、接続線材を接続した後に積層する保護層とを併用してもよい。併用する場合は、同一の位置に積層してもよく、長手方向または幅方向における異なる位置に積層してもよい。

第２および第３実施形態の変形例として、保護層を有さない接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａ（第２実施形態を参照）の間に半田層４３（第３実施形態を参照）を設けてもよい。この場合は、接続線材１０Ａ，２０Ａ，３０Ａがそれぞれ有する超電導層１２，２２，３２のうち、超電導層１２，３２および超電導層２２，２３の間に半田層４３のみが形成されてもよい。半田層４３は、安定化メッキ層４１に比べて十分薄く形成されるため、接続抵抗の増加を抑制することができる。

半田層４３を構成する半田としては、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ａｇ等の１種または２種以上からなる金属又は合金が挙げられる。半田は、例えば３５０℃以下あるいは４００℃以下等の低温で溶融可能である。例えばＳｎ単独またはＳｎを主成分とする合金が半田用金属として好ましい。半田層４３の厚さとしては、例えば１～１０μｍが挙げられる。

安定化メッキ層４１は、それぞれの接続線材が重なり合う領域のメッキ層４１ｃと、その近傍において接続線材３０，３０Ａの長手方向の端面３４から離れるにつれて厚さが徐々に減少するメッキ層４１ｄを含むことが好ましい。安定化メッキ層４１は、接続部４０，４０Ａ，４０Ｂの接続線材１０，２０または１０Ａ，２０Ａの外周に設けられるメッキ層４１ａ，４１ｂまで、連続して被覆されてもよい。厚さが徐々に減少するメッキ層４１ｄにおける勾配（傾斜）は適宜設定することができる。

安定化メッキ層４１は、例えば銅（Ｃｕ）の電解メッキで形成してもよい。安定化メッキ層４１を形成する際は、基板１１，２１，３１の裏面、側面、超電導層１２，２２，３２の表面等の上にメッキ層が積層されやすいように、下地としてシード層を設けてもよい。シード層はスパッタ、無電解メッキ等の方法を用いてＣｕ，Ａｇ等により形成してもよい。

なお、安定化メッキ層４１が各接続線材および接続部の特定の範囲に連続しているとは、連続する範囲において、金属組織に不連続な箇所が存在しないことを意味する。例えば、各線材に別々にメッキを施したものを機械的に突き合わせても、連続したメッキ層とはならない。連続する範囲のメッキ層が、同一のメッキ浴を用いて形成されることが好ましい。２回以上のメッキ工程を繰り返しても各工程で生じたメッキ層の間に界面が生じない場合は、全体を連続したメッキ層とすることができる。例えば、間隔を介して分離した複数箇所のメッキ層の間に、同一の組成でメッキ層を形成して間隔を埋めることで、全体を連続したメッキ層としてもよい。

第１～第３実施形態では、３本の接続線材のうち、２本の接続線材１０，２０または１０Ａ，２０Ａの長手方向の端面を突き合わせ、この突き合わせ部４２を跨るように他の接続線材３０または３０Ａを重ね合わせている。突き合わせ部４２の存在は必須ではない。
図４に、本発明の第４実施形態の超電導線材の接続構造体５０Ｃの断面図を示す。第４実施形態では、超電導線材の接続構造体５０Ｃにおいて、長手方向に対向する２本の接続線材１０，２０の間を離すようにしている。なお、接続線材１０，２０の代わりに、２本の接続線材１０Ａ，２０Ａ（図２参照）を用いてもよい。

第４実施形態では、長手方向に対向する２本の接続線材１０，２０の端面１４，２４の間には、各端面１４，２４から離れるにつれて厚さが徐々に減少するメッキ層４１ｄが含まれてもよい。互いに対向する接続線材１０，２０の端面１４，２４の間に含まれる安定化メッキ層は、他の部分より厚膜にすると、凹凸が低減されるので好ましい。

第４実施形態において、第３の接続線材３０の長さは任意にすることが可能である。第１の接続線材１０と第３の接続線材３０との間に形成される第１接続部４４が、第２の接続線材２０と第３の接続線材３０との間に形成される第２接続部４５と離れて形成されていてもよい。すなわち、第１～第３実施形態における第３の接続線材３０，３０Ａは短尺である。
一方、第４実施形態における第３の接続線材３０が長尺である場合、第１接続部４４および第２接続部４５は、それぞれ接続線材１０，２０，３０のうち、長尺の２本の接続線材の一部領域を重ね合わせて接続することができる。この場合、各接続部４４，４５において、接続線材１０，２０，３０は、それぞれ基板１１，２１，３１上に超電導層１２，２２，３２を有する面を対向させて重ね合わせられる。

第４実施形態において、第３の接続線材３０が短尺であり、長手方向に対向する２本の接続線材１０，２０の端面１４，２４間の距離が短い場合、接続部４０Ｃは第１接続部４４および第２接続部４５を含む全体とすることができる。例えば、端面１４，２４間の距離が、第１接続部４４または第２接続部４５の長さより短くてもよい。

図４では、第１実施形態と同様に、超電導層１２，２２，３２上にそれぞれ保護層１３，２３，３３を設けた接続線材１０，２０，３０において、保護層１３，２３と保護層３３を向かい合わせて配置している。第２および第３実施形態、および上述の変形例においても、第４実施形態と同様に、接続部が突き合わせ部４２を有さない構成としてもよい。

各接続線材の間が接続された超電導線材を製造する方法としては、（１）少なくとも一部領域に安定化メッキ層を有さない接続線材を準備する工程と、（２）接続線材を重ね合わせる（接続する）工程と、（３）接続部を安定化メッキ層により被覆する工程と、を有する方法が挙げられる。

（１）の準備工程においては、超電導層が露出されている接続線材、又は超電導層の上に存在する層が保護層もしくは半田層である接続線材が準備される。超電導層の上に保護層と半田層の両方が設けられてもよい。準備工程またはその前工程で超電導層の上に保護層もしくは半田層を設ける場合は、超電導線材の一部領域のみに保護層もしくは半田層を設けてもよい。接続部とならない接続線材の領域において、あらかじめ接続線材の外周に安定化メッキ層が形成されていてもよい。

（２）の重ね合わせ工程においては、基板上に超電導層を有する面側で接続線材が重ね合わせられる。上述した第１実施形態のように、超電導層の上に保護層を有する接続線材同士を、それぞれの保護層が対向するように重ね合わせてもよい。また、上述した第２実施形態のように、超電導層が露出されている接続線材同士を、それぞれの超電導層が対向するように重ね合わせてもよい。そのほか、超電導層が露出されている接続線材と、超電導層の上に保護層を有する接続線材とを重ねて配置してもよい。

第３実施形態のように接続線材の間に半田層を設ける場合は、（１）の準備工程において、少なくとも一方の接続線材に半田層を積層してもよい。（２）の重ね合わせ工程に際して、重ね合わせられる接続線材の間に半田を供給してもよい。半田を加熱することにより、半田が溶融して薄く広がるので、接続線材の間に積層または供給される半田は、点状、帯状などの部分的なパターンであってもよい。

（３）のメッキ工程においては、安定化メッキ層を、接続線材の接続部を連続して被覆してもよい。準備工程に先立って接続線材の外周に安定化メッキ層が形成されている場合は、接続線材の外周に形成されている安定化メッキ層と連続するように、接続部を覆う安定化メッキ層を接続してもよい。

安定化メッキ層の外周には、超電導線材の周囲に対する電気絶縁を確保するため、ポリイミド等の絶縁テープを巻きつけたり、樹脂層を形成したりしてもよい。なお、絶縁テープや樹脂層等の絶縁被覆層は必須ではなく、超電導線材の用途に応じて適宜設けたり、あるいは絶縁被覆層を有さない構成とすることもできる。

次に、各接続線材を構成する超電導線材（例えば、酸化物超電導線材）について、説明する。
基板１１，２１，３１は、テープ状の金属基板である。各基板は、厚さ方向の両側に、それぞれ主面を有する。各基板を構成する金属の具体例として、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合金などが挙げられる。基板の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、例えば１０～１０００μｍの範囲である。

基板１１，２１，３１とそれぞれの超電導層１２，２２，３２との間には中間層（図示せず）が設けられてもよい。中間層は、多層構成でもよく、例えば基板側から超電導層側に向かう順で、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。

超電導層１２，２２，３２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－ｘ（ＲＥ１２３）等で表される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。酸化物超電導層の厚さは、例えば０．５～５μｍ程度である。

超電導層には、人工的な結晶欠陥として、異種材料による人工ピンなどが導入されてもよい。超電導層に人工ピンを導入するために用いられる異種材料としては、例えば、ＢａＳｎＯ_３（ＢＳＯ）、ＢａＺｒＯ_３（ＢＺＯ）、ＢａＨｆＯ_３（ＢＨＯ）、ＢａＴｉＯ_３（ＢＴＯ）、ＳｎＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＬａＭｎＯ_３、ＺｎＯ等の１種または２種以上が挙げられる。

保護層１３，２３，３３は、過電流をバイパスしたり、超電導層と保護層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。保護層を設ける場合は、銀（Ａｇ）を含む保護層が好ましく、銀を含む保護層と同様に、銀を主成分とする銀合金を含む保護層を用いることもできる。銀合金はモル比または重量比にして５０％以上の銀を含むことが好ましい。保護層の厚さは、例えば１～３０μｍ程度であり、保護層を薄くする場合は、１０μｍ以下でもよい。

上記本発明の実施形態および実施例のように、安定化メッキ層が接続部を連続的に被覆するよう形成されている場合および連続的に被覆していない場合について、接続構造体の長手方向引張試験を行い、接続部の接続界面（境界面）にかかる負荷応力の差異をシミュレーションした。その結果、安定化メッキ層が接続部を連続的に被覆している場合、連続的に被覆していない場合に比べて、接続境界面の負荷応力（［Ｐａ］）を最大で約１／３まで低減できることが分かった。従って、本発明の実施形態および実施例の構成によれば、安定化メッキ層が設けられていても接続構造体の接続抵抗を抑えることができる。

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変更が可能である。変更例としては、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。

接続部を介して長手方向に２本以上の超電導線材（例えば、酸化物超電導線材）が接続された線材を得る場合、長手方向に離れて存在する各接続部がそれぞれ同一の構成でもよく、異なる構成が併用されてもよい。

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。

１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０，３０Ａ…接続線材、１１，２１，３１…基板、１２，２２，３２…超電導層、１３，２３，３３…保護層、１４，２４，３４…端面、４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４４，４５…接続部、４１…安定化メッキ層、４２…突き合わせ部、４３…半田層、５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ…超電導線材の接続構造体

Claims (4)

1. 基板上に超電導層を有する複数の接続線材を備え、
   前記複数の接続線材が接続され、
   前記複数の接続線材の接続部が銅の安定化メッキ層により被覆され、
   前記安定化メッキ層は、前記接続部を連続して被覆しており、かつ前記複数の接続線材の長手方向の端面を被覆しており、
   前記複数の接続線材がそれぞれ有する前記超電導層は、直接接触している、超電導線材の接続構造体。
2. 前記安定化メッキ層が、前記複数の接続線材を連続して被覆する、請求項１に記載の超電導線材の接続構造体。
3. 基板上に超電導層を有する複数の接続線材が接続された超電導線材の接続構造体の製造方法であって、
   前記超電導層が露出されている、前記複数の接続線材を準備し、
   前記複数の接続線材を、露出した前記超電導層が互いに接するように重ね合わせ、
   前記複数の接続線材の接続部及び長手方向の端面を銅の安定化メッキ層により被覆し、前記複数の接続線材の間に連続して前記安定化メッキ層を形成する、
   超電導線材の接続構造体の製造方法。
4. 前記安定化メッキ層が、前記複数の接続線材を連続して被覆する、請求項３に記載の超電導線材の接続構造体の製造方法。

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