JPWO2014109326A1 - 酸化物超電導線材、その接続構造、および超電導機器 - Google Patents
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Abstract
テープ状の基材と、前記基材上に形成された中間層、酸化物超電導層、及び保護層と、を有する超電導積層体と、前記超電導積層体の周囲を覆う金属安定化層と、前記超電導積層体及び前記金属安定化層の間に介在する第１の導電性接合材と、前記超電導積層体の端末部に接続され、前記超電導積層体の長手方向に延出する、金属薄体からなる封止部材と、を備える酸化物超電導線材であって、前記金属安定化層は、前記封止部材の周囲を覆うように形成された延出部を備え、前記第１の導電性接合材は、前記金属安定化層の延出部と前記封止部材との間に介在して前記封止部材の周囲を覆うように形成された延出部を備える。
Description
本発明は、酸化物超電導線材、その酸化物超電導線材の接続構造、及びこの接続構造を備えた超電導機器に関する。
本願は、２０１３年１月９日に、日本に出願された特願２０１３−００１９４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１３年１月９日に、日本に出願された特願２０１３−００１９４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
低損失の導電材料として酸化物超電導体を用いたケーブル、コイル、モーター、マグネットなどの超電導機器が開発されている。これら超電導機器に用いられる超電導体として、例えば、ＲＥ−１２３系（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ：ＲＥはＹやＧｄなどを含む希土類元素）等の酸化物超電導体が知られている。ＲＥ−１２３系の酸化物超電導体は、液体窒素温度付近で超電導特性を示し、強磁界においても優れた臨界電流密度を維持できるため、実用上有望な導電材料として期待されている。
上述の酸化物超電導体を電気機器に使用するために、一般的には線材に加工された酸化物超電導体を、導体あるいはコイルとして利用する。具体的には、金属製の基材上に結晶配向性の良好な配向層を介して酸化物超電導層を形成し、この酸化物超電導層を覆うように保護層や金属安定化層を積層することで酸化物超電導線材を得ることができる。
この種のＲＥ１２３系の酸化物超電導線材の問題の１つとして、希土類系の酸化物超電導体の中に水分との反応性に富む材料が含まれていることが挙げられる。したがって、上述のようなＲＥ１２３系の酸化物超電導線材を用いる場合には、酸化物超電導層の水分による劣化を防止できる構造が重要と考えられる。例えば、酸化物超電導線材の端末部分からの水分の浸入を防止できるような構造が必要とされる。
従来から、酸化物超電導線材の端末どうしの接合部分を封止する構造として、以下の特許文献１に記載の構造が知られている。特許文献１に記載の構造では、積層構造のテープ状の超電導線材の端末どうしが近接するように配置され、これらを橋渡しするように接続する短尺の接続用超電導線材が設けられている。この構造では、隣接する酸化物超電導線材と短尺の接続用超電導線材との接合部分を導電性フィラーで覆って封止している。
従来から、酸化物超電導線材の端末どうしの接合部分を封止する構造として、以下の特許文献１に記載の構造が知られている。特許文献１に記載の構造では、積層構造のテープ状の超電導線材の端末どうしが近接するように配置され、これらを橋渡しするように接続する短尺の接続用超電導線材が設けられている。この構造では、隣接する酸化物超電導線材と短尺の接続用超電導線材との接合部分を導電性フィラーで覆って封止している。
特許文献１に記載の接続構造において、導電性フィラーとしてＳｎなどの低融点金属を用いる場合、接続構造を確立した後に、半田付け等の一般的な手法により端末部分に溶融状態のＳｎを流して端末部分を封止することにより、接合部分を封止することが考えられる。
しかしながら、ＲＥ１２３系の酸化物超電導線材を用いる場合、上述のような封止を行うには難しい問題がある。
ＲＥ１２３系の酸化物超電導線材では、ハステロイ（米国ヘインズ社商品名）などの耐熱ニッケル合金からなるテープ状の基材上に複数の中間層を介して酸化物超電導層が積層され、更に保護層や金属安定化層が被覆されている。基材を構成する耐熱Ｎｉ合金は半田が付き難い材料である。また、基材上に積層される中間層及び酸化物超電導層は、酸化物層あるいはセラミック層であるので、基材と同様に半田密着性を確保し難い材料である。
ＲＥ１２３系の酸化物超電導線材では、ハステロイ（米国ヘインズ社商品名）などの耐熱ニッケル合金からなるテープ状の基材上に複数の中間層を介して酸化物超電導層が積層され、更に保護層や金属安定化層が被覆されている。基材を構成する耐熱Ｎｉ合金は半田が付き難い材料である。また、基材上に積層される中間層及び酸化物超電導層は、酸化物層あるいはセラミック層であるので、基材と同様に半田密着性を確保し難い材料である。
このため、テープ状の酸化物超電導線材の両側面（基材側面と中間層側面と超電導層側面）と裏側に形成された安定化材の表面とを良好な密着性を得つつ半田で覆うことは難しい。従って、ＲＥ１２３系の酸化物超電導線材の端末全体あるいは接合部分の全体を半田などの低融点金属で完全に覆った構造を提供することが望まれている。
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、端末部分からの水分の浸入を防止できる構造を有する酸化物超電導線材とその接続構造、およびその接続構造を備えた超電導機器の提供を目的とする。
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材は、テープ状の基材と、前記基材上に形成された中間層、酸化物超電導層、及び保護層と、を有する超電導積層体と、前記超電導積層体の周囲を覆う金属安定化層と、前記超電導積層体及び前記金属安定化層の間に介在する第１の導電性接合材と、前記超電導積層体の端末部に接続され、前記超電導積層体の長手方向に延出する、金属薄体からなる封止部材と、を備え、前記金属安定化層は、前記封止部材の周囲を覆うように形成された延出部を備え、前記第１の導電性接合材は、前記金属安定化層の延出部と前記封止部材との間に介在して前記封止部材の周囲を覆うように形成された延出部を備える。
テープ状の超電導積層体及びその端末部に接続した封止部材が導電性接合材と金属安定化層とそれらの延出部とで覆われているため、端末部分からの水分浸入を防止できる。封止部材が金属薄体からなるので、導電性接合材は金属安定化層の延出部と封止部材とを良好な密着性を得つつ接合することができる。その結果、水分の浸入を防止できる端末構造を提供できる。
テープ状の超電導積層体及びその端末部に接続した封止部材が導電性接合材と金属安定化層とそれらの延出部とで覆われているため、端末部分からの水分浸入を防止できる。封止部材が金属薄体からなるので、導電性接合材は金属安定化層の延出部と封止部材とを良好な密着性を得つつ接合することができる。その結果、水分の浸入を防止できる端末構造を提供できる。
前記超電導積層体の端末部に前記封止部材が突き合わせ溶接されていてもよい。
封止部材が超電導積層体の端末部に突き合わせ溶接されているため、超電導積層体の端末部に段差などが生じない。また、これら超電導積層体及び封止部材が、導電性接合材を介して金属安定化層により覆われているため、水分の浸入を防止できる端末構造を提供できる。
封止部材が超電導積層体の端末部に突き合わせ溶接されているため、超電導積層体の端末部に段差などが生じない。また、これら超電導積層体及び封止部材が、導電性接合材を介して金属安定化層により覆われているため、水分の浸入を防止できる端末構造を提供できる。
前記超電導積層体の端末部に段差部が形成され、前記段差部に前記封止部材の端部が重ねられて溶接されていてもよい。
超電導積層体の端末部に設けた段差部に封止部材が接続されているため、封止部材の厚さと超電導積層体の厚さとが異なっている場合でも、段差部において厚さの違いを吸収することができ、超電導積層体の端末部において超電導積層体と封止部材との厚さの差に起因する段差を少なくできる。このため、超電導積層体に対し段差の少ない状態で接続した封止部材の周囲を導電性接合材と安定化層の延出部とで高い密閉性を得つつ覆うことができ、その結果、水分浸入を防ぐことができる封止構造を得ることができる。
超電導積層体の端末部に設けた段差部に封止部材が接続されているため、封止部材の厚さと超電導積層体の厚さとが異なっている場合でも、段差部において厚さの違いを吸収することができ、超電導積層体の端末部において超電導積層体と封止部材との厚さの差に起因する段差を少なくできる。このため、超電導積層体に対し段差の少ない状態で接続した封止部材の周囲を導電性接合材と安定化層の延出部とで高い密閉性を得つつ覆うことができ、その結果、水分浸入を防ぐことができる封止構造を得ることができる。
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材の接続構造は、２つの上記酸化物超電導線材と、前記２つの酸化物超電導線材どうしを接合する第２の導電性接合材と、を備え、前記各酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面は、互いに対向するように互いに重ねられて、前記第２の導電性接合材により接合されている。
酸化物超電導線材の端末部分が水分浸入を防止する封止構造を有しているので、２つの酸化物超電導線材どうしが接続された部分においても水分浸入を防止できる接続構造を提供できる。
酸化物超電導線材の端末部分が水分浸入を防止する封止構造を有しているので、２つの酸化物超電導線材どうしが接続された部分においても水分浸入を防止できる接続構造を提供できる。
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材の接続構造は、上記酸化物超電導線材である、第１の酸化物超電導線材、第２の酸化物超電導線材、および第３の酸化物超電導線材と、前記第１の酸化物超電導線材と前記第３の酸化物超電導線材とを接合する第３の導電性接合材と、前記第２の酸化物超電導線材と前記第３の酸化物超電導線材とを接合する第４の導電性接合材と、を備え、前記第１の酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面と前記第３の酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面とは、互いに対向するように互いに重ねられて、前記第３の導電性接合材により接合され、前記第２の酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面と前記第３の酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面とは、互いに対向するように互いに重ねられて、前記第４の導電性接合材により接合されている。
酸化物超電導線材の端末部分が水分浸入を防止する封止構造を有しているので、第１の酸化物超電導線材と第３の酸化物超電導線材との接続部分および第１の酸化物超電導線材と第３の酸化物超電導線材との接続部分においても水分浸入を防止できる接続構造を提供できる。
酸化物超電導線材の端末部分が水分浸入を防止する封止構造を有しているので、第１の酸化物超電導線材と第３の酸化物超電導線材との接続部分および第１の酸化物超電導線材と第３の酸化物超電導線材との接続部分においても水分浸入を防止できる接続構造を提供できる。
本発明の一態様に係る超電導機器は、上記酸化物超電導線材を備えている。
上記超電導機器によれば、酸化物超電導線材の端末部分において水分浸入を防止する構造が設けられているため、水分による超電導特性の劣化が生じない超電導機器を提供できる。
本発明の一態様に係る超電導機器は、上記酸化物超電導線材の接続構造を備えている。
上記超電導機器によれば、酸化物超電導線材間の接続部分においても水分浸入を防止する構造が設けられているため、水分による超電導特性の劣化が生じない超電導機器を提供できる。
上記超電導機器によれば、酸化物超電導線材の端末部分において水分浸入を防止する構造が設けられているため、水分による超電導特性の劣化が生じない超電導機器を提供できる。
本発明の一態様に係る超電導機器は、上記酸化物超電導線材の接続構造を備えている。
上記超電導機器によれば、酸化物超電導線材間の接続部分においても水分浸入を防止する構造が設けられているため、水分による超電導特性の劣化が生じない超電導機器を提供できる。
上記本発明の態様によれば、端末部分において水分浸入による劣化が生じ難い酸化物超電導線材、およびこの酸化物超電導線材を用いた接続構造を提供できる。また、上記本発明の態様によれば、水分浸入による劣化が生じ難い超電導機器を提供できる。
以下、本発明の実施形態に係る酸化物超電導線材および酸化物超電導線材の接続構造とその製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態に限定されない。また、図面において、説明のため、いくつかの部分を拡大して示しているが、図面に表されている各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図１に示すように、本実施形態に係る酸化物超電導線材１は、テープ状の基材２と、基材２の一面（表面）上に積層された中間層５、酸化物超電導層６、及び保護層７と、を有する超電導積層体９と、超電導積層体９の外周を覆う金属安定化層８と、を備えている。図１に示す例において、金属安定化層８は基材２の裏面中央部を除いて超電導積層体９の全周を覆うように横断面において略Ｃ字形に形成されている。
金属安定化層８の内周面のほぼ全面に半田層等からなる導電性接合材３（第１の導電性接合材）が形成されている。金属安定化層８は、導電性接合材３を介して超電導積層体９の周面に密着している。
図１に示すように、本実施形態に係る酸化物超電導線材１は、テープ状の基材２と、基材２の一面（表面）上に積層された中間層５、酸化物超電導層６、及び保護層７と、を有する超電導積層体９と、超電導積層体９の外周を覆う金属安定化層８と、を備えている。図１に示す例において、金属安定化層８は基材２の裏面中央部を除いて超電導積層体９の全周を覆うように横断面において略Ｃ字形に形成されている。
金属安定化層８の内周面のほぼ全面に半田層等からなる導電性接合材３（第１の導電性接合材）が形成されている。金属安定化層８は、導電性接合材３を介して超電導積層体９の周面に密着している。
図１は酸化物超電導線材１の横断面構造を示している。酸化物超電導線材１の長さ方向両端の端末部分を除く部分は図１に示す構造を有しており、酸化物超電導線材１の端末部分は図２Ａ及び２Ｂに示す構造を有している。
酸化物超電導線材１の端末部分において、超電導積層体９の先端部に、超電導積層体９と略同じ幅で略同じ厚さであって長さ５ｍｍ程度の金属テープからなる封止材（封止部材）１０が突き合わせ溶接されている。封止材１０は、超電導積層体９の長さ方向に延出している。超電導積層体９を覆っている金属安定化層８は、超電導積層体９の端部から延出する封止材１０の外周を覆う延出部８ａを有している。金属安定化層８は、延出部８ａの内面に設けられた導電性接合材３の延出部３ａを介して、封止材１０の周面に密着して接合している。
酸化物超電導線材１の端末部分において、超電導積層体９の先端部に、超電導積層体９と略同じ幅で略同じ厚さであって長さ５ｍｍ程度の金属テープからなる封止材（封止部材）１０が突き合わせ溶接されている。封止材１０は、超電導積層体９の長さ方向に延出している。超電導積層体９を覆っている金属安定化層８は、超電導積層体９の端部から延出する封止材１０の外周を覆う延出部８ａを有している。金属安定化層８は、延出部８ａの内面に設けられた導電性接合材３の延出部３ａを介して、封止材１０の周面に密着して接合している。
酸化物超電導線材１の基材２は、可撓性を有する長尺の超電導線材を得るために、テープ状やシート状あるいは薄板状であることが好ましい。また、基材２に用いられる材料は、機械的強度が比較的高く、耐熱性があり、線材に加工することが容易な金属を有しているものが好ましい。そのような材料として、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金等の各種耐熱性金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配した材料などが挙げられる。中でも、市販品であれば、Ｎｉ合金の１種として知られているハステロイ（商品名、米国ヘインズ社製）が好適である。モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等の種類のハステロイがある。基材２にはいずれの種類のハステロイも使用できる。また、基材２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は１０〜５００μｍ、好ましくは２０〜２００μｍである。また、基材２として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材等を採用することもできる。
中間層５には、一例として、拡散防止層またはベッド層からなる下地層と、配向層と、キャップ層がこの順に積層された構造を採用することができる。
拡散防止層は、この層の上に形成される他の層が加熱処理された結果、基材２や他の層が熱履歴を受ける場合、基材２の構成元素の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層６に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層の具体的な構造は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されない。不純物の混入を防止する効果が比較的高いＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、又はＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成される単層構造あるいは複層構造の拡散防止層が望ましい。
拡散防止層は、この層の上に形成される他の層が加熱処理された結果、基材２や他の層が熱履歴を受ける場合、基材２の構成元素の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層６に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層の具体的な構造は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されない。不純物の混入を防止する効果が比較的高いＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、又はＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成される単層構造あるいは複層構造の拡散防止層が望ましい。
ベッド層は、基材２と酸化物超電導層６との界面における構成元素の反応を抑え、この層の上に設けられる層の配向性を向上させるために用いられる。ベッド層の具体的な構造は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されない。耐熱性が高いＹ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３などの希土類酸化物から構成される単層構造あるいは複層構造のベッド層が望ましい。拡散防止層及びベッド層の両方を設けても良く、また、どちらか一方のみを設けても良く、配向層の構成材料によっては拡散防止層及びベッド層を省略しても良い。
配向層は、その上に形成されるキャップ層や酸化物超電導層６の結晶配向性を制御する機能と、基材２の構成元素が酸化物超電導層６へ拡散することを抑制する機能と、熱膨張率や格子定数といった物理的特性における基材２と酸化物超電導層６との差を緩和する機能等を有する。配向層の構成材料は、前記機能を発現し得るものであれば特に限定されない。Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）等の金属酸化物が特に好適である。これらのような金属酸化物を配向層の材料として用いると、後述するイオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と呼ぶことがある。）において、結晶配向性の高い配向層が得られ、その上に形成されるキャップ層及び酸化物超電導層６の結晶配向性をより良好にできる。
キャップ層は、酸化物超電導層６の結晶配向性を配向層と同等ないしそれ以上強く制御し、酸化物超電導層６を構成する元素の中間層５への拡散や、酸化物超電導層６の積層時に使用するガスと中間層５との反応を抑制する機能等を有する。
キャップ層の構成材料は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、ＬＭｎＯ３等の金属酸化物が酸化物超電導層６との格子整合性の観点から好適である。これらのなかでも、酸化物超電導層６とのマッチング性の観点から、ＣｅＯ２あるいはＬＭｎＯ３が特に好適である。
キャップ層にＣｅＯ２を用いる場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
キャップ層の構成材料は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、ＬＭｎＯ３等の金属酸化物が酸化物超電導層６との格子整合性の観点から好適である。これらのなかでも、酸化物超電導層６とのマッチング性の観点から、ＣｅＯ２あるいはＬＭｎＯ３が特に好適である。
キャップ層にＣｅＯ２を用いる場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
酸化物超電導層６は、超電導状態の時に電流を流す機能を有する。酸化物超電導層６に用いられる材料には、通常知られている組成の酸化物超電導体材料を広く採用することができる。例えば、Ｙ系超電導体などの銅酸化物超電導体などが挙げられる。Ｙ系超電導体の組成としては、例えば、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素、ｘは酸素欠損を表す。）が挙げられ、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ）、Ｇｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ）が挙げられる。この酸化物超電導体について、絶縁体である母物質に、酸素アニール処理により酸素を取り込むことで結晶構造の整った超電導特性を示す酸化物超電導体が得られる。優れた結晶配向性を示す酸化物超電導層６を得るためには、良好な結晶配向性を示すキャップ層上に酸化物超電導層６を成膜する必要がある。
優れた結晶配向性を有する酸化物超電導層６を酸化物超電導線材１に用いた場合、臨界温度以下の温度で通電を行うと、優れた臨界電流特性を発揮する。
優れた結晶配向性を有する酸化物超電導層６を酸化物超電導線材１に用いた場合、臨界温度以下の温度で通電を行うと、優れた臨界電流特性を発揮する。
保護層７は、酸化物超電導線材１への通電時に、何らかの異常により発生する過電流をバイパスする電流路として機能する。また保護層７は、酸化物超電導層６に酸素を取り込ませやすくするために、加熱時には酸素を透過しやすくする機能を有する。このため、保護層７は、Ａｇあるいは少なくともＡｇを含む材料から形成されることが好ましい。
また、保護層７を形成する材料は、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属を含む混合物もしくは合金であってもよく、これらを組み合わせたものでもよい。なお、保護層７は、超電導積層体９の全周、即ち、基材２、中間層５、及び酸化物超電導層６の積層物の全周を覆うように形成しても良い。
また、保護層７を形成する材料は、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属を含む混合物もしくは合金であってもよく、これらを組み合わせたものでもよい。なお、保護層７は、超電導積層体９の全周、即ち、基材２、中間層５、及び酸化物超電導層６の積層物の全周を覆うように形成しても良い。
本実施形態では超電導積層体９および封止材１０を覆うように延出部８ａを含む金属安定化層８が設けられている。金属安定化層８に要求される機能は、酸化物超電導線材１の用途により異なる。
例えば、酸化物超電導線材１を超電導ケーブルや超電導モーターなどに使用する場合、金属安定化層８が、何らかの異常により生じたクエンチによって酸化物超電導層６が常電導状態に転移した時に発生する過電流を転流させるバイパスのメイン部として機能することが求められる。この場合、金属安定化層８に用いられる材料は、銅、Ｃｕ−Ｚｎ合金（黄銅）、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、アルミ、アルミ合金、ステンレス等の比較的安価材料であることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価である銅を用いることが好ましい。
一方、酸化物超電導線材１を超電導限流器に使用する場合、金属安定化層８が、クエンチの発生により酸化物超電導層６が常電導状態に転移した時に発生する過電流を瞬時に抑制するように機能することが求められる。この場合、金属安定化層８に用いられる材料として、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金等の高抵抗金属が挙げられる。
金属安定化層８は、所定幅の金属テープから形成され、保護層７の表面から基材２の裏面に亘り超電導積層体９を覆うよう折り曲げられて横断面において略Ｃ字形を有する。
例えば、酸化物超電導線材１を超電導ケーブルや超電導モーターなどに使用する場合、金属安定化層８が、何らかの異常により生じたクエンチによって酸化物超電導層６が常電導状態に転移した時に発生する過電流を転流させるバイパスのメイン部として機能することが求められる。この場合、金属安定化層８に用いられる材料は、銅、Ｃｕ−Ｚｎ合金（黄銅）、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、アルミ、アルミ合金、ステンレス等の比較的安価材料であることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価である銅を用いることが好ましい。
一方、酸化物超電導線材１を超電導限流器に使用する場合、金属安定化層８が、クエンチの発生により酸化物超電導層６が常電導状態に転移した時に発生する過電流を瞬時に抑制するように機能することが求められる。この場合、金属安定化層８に用いられる材料として、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金等の高抵抗金属が挙げられる。
金属安定化層８は、所定幅の金属テープから形成され、保護層７の表面から基材２の裏面に亘り超電導積層体９を覆うよう折り曲げられて横断面において略Ｃ字形を有する。
封止材１０は、基材２を構成する金属材料と同等の金属材料から、あるいは基材２を構成する金属材料に対する溶接による接合性の良好な金属材料からなることが好ましい。また、封止材１０は半田などの導電性接合材３に対し良好な密着性を有する材料からなることが好ましい。よって、封止材１０の構成材料として、ステンレス鋼、Ｎｉ系合金、Ｃｕ系合金などの金属材料を挙げることができる。なお、導電性接合材３の材料として半田を用い、封止材１０の材料として半田との密着性が悪い金属材料を用いる場合は、ＳｎやＡｇなどの半田との密着性が良好な材料でその金属材料を予め被覆しておくことが好ましい。
延出部３ａを含む導電性接合材３を構成する半田等のスズ合金の例として、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金などのＳｎを主成分とする合金よりなる鉛フリー半田、Ｐｂ−Ｓｎ系合金半田、共晶半田、低温半田などが挙げられる。これらの半田のうちの１種、又は２種以上組み合わせたものを導電性接合材３の材料として使用することもできる。
図２Ａ及び２Ｂに示す酸化物超電導線材１では、超電導積層体９の端末部分に封止材１０が設けられ、超電導積層体９の端末部分を封止材１０が閉じている。また、導電性接合材３の延出部３ａと金属安定化層８の延出部８ａとが封止材１０の外周に密着して封止材１０の外周を覆っている。したがって、端末部分からの水分の浸入を阻止できる。このため酸化物超電導線材１において、端末部分からの水分浸入に起因する酸化物超電導層６の劣化を阻止できる。
更に、封止材１０と金属安定化層８の延出部８ａとの間には、これらに対し密着性の良好な半田などの導電性接合材３の延出部３ａを設けているので、封止材１０と金属安定化層８の延出部８ａとの間を隙間なく密着して封止材１０を覆うことが可能となり、その結果、水分の浸入を阻止できる。
また、封止材１０は、導電性接合材３の延出部３ａと金属安定化層８の延出部８ａとが形成されている領域において酸化物超電導線材１の端末部分を閉じるために必要十分な長さを有しているので、酸化物超電導線材１の端末を有効に封止できる。封止材１０の長さは、水分浸入を防止するために必要な導電性接合材３の延出部３ａの面積を確保するために、５ｍｍ以上であることが好ましい。封止材１０の長さが５ｍｍよりも短いと、導電性接合材３の延出部３ａに部分的接合不良が生じてその部分が水分の進入路になる可能性がある。水分進入路を形成させないために必要充分な延出部３ａを得るために封止材１０の長さは５ｍｍ以上必要である。
更に、封止材１０と金属安定化層８の延出部８ａとの間には、これらに対し密着性の良好な半田などの導電性接合材３の延出部３ａを設けているので、封止材１０と金属安定化層８の延出部８ａとの間を隙間なく密着して封止材１０を覆うことが可能となり、その結果、水分の浸入を阻止できる。
また、封止材１０は、導電性接合材３の延出部３ａと金属安定化層８の延出部８ａとが形成されている領域において酸化物超電導線材１の端末部分を閉じるために必要十分な長さを有しているので、酸化物超電導線材１の端末を有効に封止できる。封止材１０の長さは、水分浸入を防止するために必要な導電性接合材３の延出部３ａの面積を確保するために、５ｍｍ以上であることが好ましい。封止材１０の長さが５ｍｍよりも短いと、導電性接合材３の延出部３ａに部分的接合不良が生じてその部分が水分の進入路になる可能性がある。水分進入路を形成させないために必要充分な延出部３ａを得るために封止材１０の長さは５ｍｍ以上必要である。
図３Ａ及び３Ｂは、第２実施形態に係る酸化物超電導線材１１を示す。酸化物超電導線材１１は、基材２と、基板２の上に積層された中間層５、酸化物超電導層６、及び保護層７と、が超電導積層体９を形成して且つ、超電導積層体９の外周が金属安定化層８で覆われている点において、第１実施形態に係る酸化物超電導線材１と構造上同等である。酸化物超電導線材１１が第１実施形態に係る酸化物超電導線材１と構造上異なっているのは、超電導積層体９の端末部分に段部９ａが形成され、段部９ａにスポット溶接により封止材１２の端部１２ａが接続され、封止材１２が導電性接合材３の延出部３ｂを介して金属安定化層８の延出部８ｂにより覆われている点にある。
超電導積層体９の段部９ａは、保護層７と酸化物超電導層６と中間層５と基材２の上部とを研削などにより部分的に除去することで形成されている。段部９ａに第１実施形態に係る酸化物超電導線材１の封止材１０と同等材料からなる封止材１２の端部１２ａが重ねられ、段部９ａと端部１２ａとをスポット溶接などの接合手段により接合することで超電導積層体９と封止材１２とが一体化されている。
段部９ａに封止材１２の端部１２ａを重ねると、封止材１２の端部１２ａと超電導積層体９の端部との間に段差を生む可能性がある。この段差ができるだけ小さくなるように段部９ａの高さを設定することが好ましい。このため、段部９ａの高さと封止材１２の厚さとを略同一とすることが好ましい。あるいは、封止材１２の超電導積層体９の上面９ｕからの突出量を許容値以下に抑えるように封止材１２の厚さを設定することが好ましい。この許容値とは、超電導積層体９の上面９ｕと封止材１２の端部１２ａの上面１２ｕとの間の段差を導電性接合材３の延出部３ｂが水分浸入防止に支障無く埋めるために許容される突出量の最大値である。
段部９ａに封止材１２の端部１２ａを重ねると、封止材１２の端部１２ａと超電導積層体９の端部との間に段差を生む可能性がある。この段差ができるだけ小さくなるように段部９ａの高さを設定することが好ましい。このため、段部９ａの高さと封止材１２の厚さとを略同一とすることが好ましい。あるいは、封止材１２の超電導積層体９の上面９ｕからの突出量を許容値以下に抑えるように封止材１２の厚さを設定することが好ましい。この許容値とは、超電導積層体９の上面９ｕと封止材１２の端部１２ａの上面１２ｕとの間の段差を導電性接合材３の延出部３ｂが水分浸入防止に支障無く埋めるために許容される突出量の最大値である。
以上説明のように、封止材１２は、超電導積層体９の長さ方向に延出するように段部９ａに溶接されて、超電導積層体９の端末部分に接合される。また、この接合部分と封止材１２の周面とが導電性接合材の延出部３ｂを介して金属安定化層８の延出部８ｂにより被覆されている。
図３Ａ及び３Ｂに示す第２実施形態に係る酸化物超電導線材１１においても、上記第１実施形態に係る酸化物超電導線材１と同等の作用効果が得られる。即ち、酸化物超電導線材１と同様に、封止材１２の外周に導電性接合材３の延出部３ｂと金属安定化層８の延出部８ｂとが密着して、封止材１２の外周が覆われているので、端末部分からの水分の浸入を阻止でき、酸化物超電導層６の水分による劣化を阻止できる。
図４は上述した酸化物超電導線材１を接続するための構造の一例を示す。この例の接続構造Ａは、図１に示す酸化物超電導線材１を２本接続する場合に適用できる。
図４に示すように、２本の酸化物超電導線材１は、これらの端面が隙間ｄをあけて対向するように隣接している。また、２本の酸化物超電導線材１は、基材２の厚さ方向において基材２と保護層７との位置関係が２本の酸化物超電導線材１の間で同じになるように直線状に配置されている。図４の例では、それぞれの酸化物超電導線材１について、保護層７が基材２の上方に配置されている。２つの酸化物超電線材１、１を橋渡しするように第３の酸化物超電導線材１３が設けられ、酸化物超電導線材１３は２つの酸化物超電線材１、１に被着されている。説明の便宜上、互いに接続される酸化物超電導線材１、１のうちの一方（図４の下（左）側）を第１の酸化物超電導線材１と呼称し、他方（図４の上（右）側）を第２の酸化物超電線材１と呼称する。
第３の酸化物超電導線材１３は、第１、第２の酸化物超電導線材１と同等構造を有するが、短尺のテープ状の酸化物超電導線材である。即ち、第３の酸化物超電導線材１３は、基材２と、基材２の上に積層された中間層５、酸化物超電導層６、及び保護層７と、を有する超電導積層体９と、超電導積層体９の周面を覆う金属安定化層８と、を備えているが、その長さは、例えば、数ｃｍ〜数１０ｃｍ程度、具体的には接続対象にもよるが１ｃｍ〜２０ｃｍ程度である。
図４に示すように、２本の酸化物超電導線材１は、これらの端面が隙間ｄをあけて対向するように隣接している。また、２本の酸化物超電導線材１は、基材２の厚さ方向において基材２と保護層７との位置関係が２本の酸化物超電導線材１の間で同じになるように直線状に配置されている。図４の例では、それぞれの酸化物超電導線材１について、保護層７が基材２の上方に配置されている。２つの酸化物超電線材１、１を橋渡しするように第３の酸化物超電導線材１３が設けられ、酸化物超電導線材１３は２つの酸化物超電線材１、１に被着されている。説明の便宜上、互いに接続される酸化物超電導線材１、１のうちの一方（図４の下（左）側）を第１の酸化物超電導線材１と呼称し、他方（図４の上（右）側）を第２の酸化物超電線材１と呼称する。
第３の酸化物超電導線材１３は、第１、第２の酸化物超電導線材１と同等構造を有するが、短尺のテープ状の酸化物超電導線材である。即ち、第３の酸化物超電導線材１３は、基材２と、基材２の上に積層された中間層５、酸化物超電導層６、及び保護層７と、を有する超電導積層体９と、超電導積層体９の周面を覆う金属安定化層８と、を備えているが、その長さは、例えば、数ｃｍ〜数１０ｃｍ程度、具体的には接続対象にもよるが１ｃｍ〜２０ｃｍ程度である。
第３の酸化物超電導線材１３は、その内部に設けられている保護層７が前記第１、第２の酸化物超電導線材１、１の保護層７に対向するように且つ、金属安定化層８が第１、第２の酸化物超電導線材１、１の金属安定化層８に沿うように配置され、それら金属安定化層８の間に介在する半田等の導電性接合材（第３及び第４の導電性接合材）１５により、第１、第２の酸化物超電導線材１、１に接続されている。すなわち、第３の酸化物超電導線材１３の金属安定化層８の上面８ｕと、第１、第２の酸化物超電導線材１、１の金属安定化層８の上面８ｕとは、互いに対向するように互いに重ねられて、導電性接合材１５により接合されている。
図４に示す接続構造Ａによれば、接続部に位置する第１、第２の酸化物超電導線材１、１の端末部分と第３の酸化物超電導線材１３の端末部分とが封止材１０を用いた端末封止構造を有する。これにより、図４に示す接続構造の接続部分とその周囲において、酸化物超電導層６の水分による劣化を阻止できる。
図５は上述の酸化物超電導線材１を接続するための構造の他の例を示す。この例の接続構造Ｂは、図１に示す酸化物超電導線材１を２本直接接続する場合に適用できる。
図５では、第１及び第２の酸化物超電導線材１が、これらの端部が互いに所定長さ重なるように配置され、半田などの導電性接合材（第２の導電性接合材）１５により接合されている。第１及び第２の酸化物超電導線材１は、導電性接合材１５を挟んで各保護層７が互いに対向するように配置され、互いに対向する金属安定化層８どうしが導電性接合材１５により接続されている。すなわち、第１の酸化物超電導線材１の金属安定化層８の上面８ｕと、第２の酸化物超電導線材１の金属安定化層８の上面８ｕとは、互いに対向するように互いに重ねられて、導電性接合材１５により接合されている。
本例の接続構造Ｂでは、第１、第２の酸化物超電導線材１が接合部において表裏逆転しているので、この構造は接合部において各酸化物超電導線材の表裏が逆転していても支障がない場合に適用できる。
図５では、第１及び第２の酸化物超電導線材１が、これらの端部が互いに所定長さ重なるように配置され、半田などの導電性接合材（第２の導電性接合材）１５により接合されている。第１及び第２の酸化物超電導線材１は、導電性接合材１５を挟んで各保護層７が互いに対向するように配置され、互いに対向する金属安定化層８どうしが導電性接合材１５により接続されている。すなわち、第１の酸化物超電導線材１の金属安定化層８の上面８ｕと、第２の酸化物超電導線材１の金属安定化層８の上面８ｕとは、互いに対向するように互いに重ねられて、導電性接合材１５により接合されている。
本例の接続構造Ｂでは、第１、第２の酸化物超電導線材１が接合部において表裏逆転しているので、この構造は接合部において各酸化物超電導線材の表裏が逆転していても支障がない場合に適用できる。
「超電導ケーブル」
図２Ａ〜３Ｂに示す酸化物超電導線材１、１１、および図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂは、例えば、図６に例示する高温超電導ケーブル８０に適用することができる。図６に示す高温超電導ケーブル８０では、中心部に設けたフォーマ８１とフォーマ８１の外周に巻線状に複数層配置された酸化物超電導線材１とが超電導層１Ａを形成し、超電導層１Ａと、その外周に形成された絶縁層８２、超電導シールド層１Ｂ、及び保護層８３とがコアケーブル８５を構成している。コアケーブル８５は、断熱管８４の内部に冷媒流通用の間隙を残しながら収容されている。断熱管８４は、例えば内管８４ａと外管８４ｃとからなる２重管構造を有する。内管８４ａと外管８４ｃとの間に真空断熱層８４ｂが形成されている。超電導シールド層１Ｂは複数層巻線状に配置された酸化物超電導線材１から構成されている。
図２Ａ〜３Ｂに示す酸化物超電導線材１、１１、および図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂは、例えば、図６に例示する高温超電導ケーブル８０に適用することができる。図６に示す高温超電導ケーブル８０では、中心部に設けたフォーマ８１とフォーマ８１の外周に巻線状に複数層配置された酸化物超電導線材１とが超電導層１Ａを形成し、超電導層１Ａと、その外周に形成された絶縁層８２、超電導シールド層１Ｂ、及び保護層８３とがコアケーブル８５を構成している。コアケーブル８５は、断熱管８４の内部に冷媒流通用の間隙を残しながら収容されている。断熱管８４は、例えば内管８４ａと外管８４ｃとからなる２重管構造を有する。内管８４ａと外管８４ｃとの間に真空断熱層８４ｂが形成されている。超電導シールド層１Ｂは複数層巻線状に配置された酸化物超電導線材１から構成されている。
高温超電導ケーブル８０を長尺のケーブルとして用いる場合、超電導層１Ａを形成する酸化物超電導線材１、あるいは、超電導シールド層１Ｂを構成する酸化物超電導線材１を他の超電導ケーブルに接続するための構造が必要となり、さらに端末を封止する構造が必要となる。このために、図２Ａ〜３Ｂに示す端末封止構造を有する酸化物超電導線材１、１１、及び図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂを適用できる。
「超電導限流器」
図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１１、および図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂは、例えば、図７に示す超電導限流器９９に適用できる。
図７に示す超電導限流器９９において、図２Ａ〜３Ｂに示す端末封止構造を有する酸化物超電導線材１、１１あるいは図４〜５に示す端末接続構造Ａ、Ｂを有する酸化物超電導線材１、１１は、巻胴に複数層に渡って巻回されて超電導限流器用モジュール９０を構成している。超電導限流器用モジュール９０は、液体窒素９８が充填された液体窒素容器９５に格納されている。液体窒素容器９５は、外部からの熱を遮断する真空容器９６の内部に格納されている。
図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１１、および図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂは、例えば、図７に示す超電導限流器９９に適用できる。
図７に示す超電導限流器９９において、図２Ａ〜３Ｂに示す端末封止構造を有する酸化物超電導線材１、１１あるいは図４〜５に示す端末接続構造Ａ、Ｂを有する酸化物超電導線材１、１１は、巻胴に複数層に渡って巻回されて超電導限流器用モジュール９０を構成している。超電導限流器用モジュール９０は、液体窒素９８が充填された液体窒素容器９５に格納されている。液体窒素容器９５は、外部からの熱を遮断する真空容器９６の内部に格納されている。
液体窒素容器９５の上部には、液体窒素充填部９１と冷凍機９３とが設けられている。冷凍機９３の下方には、熱アンカー９２と熱板９７とが設けられている。
また、超電導限流器９９は、超電導限流器用モジュール９０と外部電源（図示略）とを接続するための電流リード部９４を有する。
以上のような、超電導限流器９９の超電導限流器用モジュール９０に酸化物超電導線材１、１１を使用する場合において、先に説明したように、金属安定化層８としてＮｉ−Ｃｒ等の高抵抗金属を用いる。
また、超電導限流器９９は、超電導限流器用モジュール９０と外部電源（図示略）とを接続するための電流リード部９４を有する。
以上のような、超電導限流器９９の超電導限流器用モジュール９０に酸化物超電導線材１、１１を使用する場合において、先に説明したように、金属安定化層８としてＮｉ−Ｃｒ等の高抵抗金属を用いる。
「超電導モーター」
図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１１、及び、図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂは、図８Ａ及び８Ｂに示す超電導モーター１３０に適用することができる。
超電導モーター１３０は、円筒状の密閉型の容器１３１の内部に、回転自在に軸支された軸型の回転子１３２を備えている。
回転軸１３３の周面に複数の超電導モーター用コイル１３５が取り付けられている。複数の超電導モーター用コイル１３５の周囲には、容器１３１の内壁に支持された銅コイルからなる複数の常電導コイル１３６が配置されている。
超電導モーター用コイル１３５において、図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１１、あるいは、図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂを有する酸化物超電導線材１、１１がレーストラック状のボビンに巻回されている。
回転軸１３３の内部には冷却ガスを流入させるか流出させるための複数の配管が設けられている。これら配管を通して、外部に別途設けられている図示略の冷媒供給装置から容器１３１の内部に冷却ガスが導入され、この冷却ガスにより超電導モーター用コイル１３５を臨界温度以下に冷却できる。なお、超電導モーター１３０の使用時において、超電導モーター用コイル１３５は臨界温度以下に冷却されるが、常電導コイル１３６は常温部として機能する。
図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１１、及び、図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂは、図８Ａ及び８Ｂに示す超電導モーター１３０に適用することができる。
超電導モーター１３０は、円筒状の密閉型の容器１３１の内部に、回転自在に軸支された軸型の回転子１３２を備えている。
回転軸１３３の周面に複数の超電導モーター用コイル１３５が取り付けられている。複数の超電導モーター用コイル１３５の周囲には、容器１３１の内壁に支持された銅コイルからなる複数の常電導コイル１３６が配置されている。
超電導モーター用コイル１３５において、図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１１、あるいは、図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂを有する酸化物超電導線材１、１１がレーストラック状のボビンに巻回されている。
回転軸１３３の内部には冷却ガスを流入させるか流出させるための複数の配管が設けられている。これら配管を通して、外部に別途設けられている図示略の冷媒供給装置から容器１３１の内部に冷却ガスが導入され、この冷却ガスにより超電導モーター用コイル１３５を臨界温度以下に冷却できる。なお、超電導モーター１３０の使用時において、超電導モーター用コイル１３５は臨界温度以下に冷却されるが、常電導コイル１３６は常温部として機能する。
図８Ａ、８Ｂに示す超電導モーター１３０の使用時には、容器１３１の内部に冷却ガスを導入し、この冷却ガスにより超電導モーター用コイル１３５を臨界温度以下に冷却する。常電導コイル１３６には別途図示略の電源から必要な電流を供給し、超電導モーター用コイル１３５にも別途図示略の電源から必要な電流を供給すると、両者のコイルが生成する磁場に起因した回転力により回転軸１３３が回転する。
「超電導コイル」
図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１１、あるいは、図４〜５に示す接続構造Ａ、Ｂを有する酸化物超電導線材１、１１を、図９Ｂに示すパンケーキ状の超電導コイル１０１に用いることができる。また、複数の超電導コイル１０１を積層し、それぞれの超電導コイル１０１同士を接続することにより、図９Ａに示す強力な磁力を発する超電導コイル１００を形成することができる。
以上に説明したように、図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１、あるいは、図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂは、様々な超電導機器に適用可能である。
ここで、超電導機器は、前記酸化物超電導線材１を有するものであれば特に限定されず、例えば、超電導ケーブル、超電導モーター、超電導限流器、超電導コイル、超電導変圧器、超電導電力貯蔵装置などを含む。
図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１１、あるいは、図４〜５に示す接続構造Ａ、Ｂを有する酸化物超電導線材１、１１を、図９Ｂに示すパンケーキ状の超電導コイル１０１に用いることができる。また、複数の超電導コイル１０１を積層し、それぞれの超電導コイル１０１同士を接続することにより、図９Ａに示す強力な磁力を発する超電導コイル１００を形成することができる。
以上に説明したように、図２Ａ〜３Ｂに示す端末処理した酸化物超電導線材１、１、あるいは、図４〜５に示す酸化物超電導線材１、１１の接続構造Ａ、Ｂは、様々な超電導機器に適用可能である。
ここで、超電導機器は、前記酸化物超電導線材１を有するものであれば特に限定されず、例えば、超電導ケーブル、超電導モーター、超電導限流器、超電導コイル、超電導変圧器、超電導電力貯蔵装置などを含む。
「超電導線材の製造方法」
次に、酸化物超電導線材１の製造方法の一例について説明する。
まず、テープ状の基材２の表面上に、拡散防止層とベッド層とを必要に応じて形成し、更に配向層とキャップ層を形成し、その上に酸化物超電導層６と保護層７とを形成し、酸化物超電導積層体９を得る。
拡散防止層とベッド層は、結晶性が特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成できる。配向層は、酸化物超電導層６やキャップ層の結晶配向性をより高く制御できることから、ＩＢＡＤ法を用いて形成することが好ましい。ここで、ＩＢＡＤ法とは、成膜時に、結晶の成膜面に対して所定の入射角度でＡｒなどのイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。
次に、酸化物超電導線材１の製造方法の一例について説明する。
まず、テープ状の基材２の表面上に、拡散防止層とベッド層とを必要に応じて形成し、更に配向層とキャップ層を形成し、その上に酸化物超電導層６と保護層７とを形成し、酸化物超電導積層体９を得る。
拡散防止層とベッド層は、結晶性が特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成できる。配向層は、酸化物超電導層６やキャップ層の結晶配向性をより高く制御できることから、ＩＢＡＤ法を用いて形成することが好ましい。ここで、ＩＢＡＤ法とは、成膜時に、結晶の成膜面に対して所定の入射角度でＡｒなどのイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。
次に、配向層上にパルスレーザー蒸着法などによりキャップ層を形成し、キャップ層上に、酸化物超電導層６を形成する。上述の工程において、配向層とキャップ層とを良好な配向性を示すよう成膜しておけば、キャップ層上に成膜される酸化物超電導体の結晶粒も良好に配向し、良好な超電導特性を発揮する酸化物超電導層６が得られる。続いて、酸化物超電導層６上に保護層７を形成する。保護層７は、スパッタ法で成膜することができる。保護層７の膜厚は、通常は１〜３０μｍにすることができる。基材２と、その上に形成されている拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層、及び酸化物超電導層６と、からなる積層物の全周を覆うように保護層７を形成しても良い。
次に、上述の酸化物超電導積層体９に対し、図示略の加熱炉を用いて、酸素アニール処理を施し、酸化物超電導層６の母物質に酸素を供給する。これにより酸化物超電導層６の結晶構造が整うため、超電導特性の良好な酸化物超電導体の結晶からなる酸化物超電導層６が得られる。酸素アニール処理の条件として、加熱温度３００〜５００℃、加熱時間数時間〜数１０時間を選択することができる。
次に、酸素アニール処理後の超電導積層体９の端末部分に、超電導積層体９と同等幅、同等厚さの金属テープからなる封止材１０を、封止材１０が超電導積層体９からその長さ方向に延出するように、突き合わせ溶接する。この後、金属テープからなる安定化材をロールフォーミングにより成形しつつ超電導積層体９に被着することで超電導積層体９の外周を覆う金属安定化層８を形成する。金属安定化層８を構成する金属テープは、超電導積層体９の倍程度の幅を有し、銅などから形成される。また、片面にＳｎなどの低融点金属からなる厚さ２〜４μｍ程度の導電性接合材を被覆した金属テープを用いることができる。金属安定化層８の膜厚は、特に限定されず、適宜調整可能である。酸化物超電導線材１の可撓性を考慮すると、金属安定化層８の膜厚は１０〜３００μｍとすることが好ましい。
図１０は、前記酸化物超電導線材１をロールフォーミング法により製造する装置の一例を示す。この例の製造装置２０は、折り曲げ機構２２と加熱機構２３と加圧ロール２４とを備えている。
第１の送出リール１５Ａにテープ状の超電導積層体９が巻き付けられ、第２の送出リール１５Ｂに超電導積層体９より幅広の金属テープ８Ａが巻き付けられている。第１の送出リール１５Ａから送り出された超電導積層体９に、導体沿わせ機構２６と搬送ローラ２７により金属テープ８Ａ（片面に導電性接合材のめっき層が被覆されている）が沿わせられる。超電導積層体９に沿わせられた幅広の金属テープ８Ａは、貼り合わせ機構２８と折り曲げ機構２２とにより横断面においてＣ字形をなすように超電導積層体９の外周を取り包むように塑性加工される。
第１の送出リール１５Ａにテープ状の超電導積層体９が巻き付けられ、第２の送出リール１５Ｂに超電導積層体９より幅広の金属テープ８Ａが巻き付けられている。第１の送出リール１５Ａから送り出された超電導積層体９に、導体沿わせ機構２６と搬送ローラ２７により金属テープ８Ａ（片面に導電性接合材のめっき層が被覆されている）が沿わせられる。超電導積層体９に沿わせられた幅広の金属テープ８Ａは、貼り合わせ機構２８と折り曲げ機構２２とにより横断面においてＣ字形をなすように超電導積層体９の外周を取り包むように塑性加工される。
その後、加熱機構２３により金属テープ８Ａをスズまたはスズ合金の溶融温度近傍まで加熱して導電性接合材を溶融させる。導電性接合材が溶融した状態で超電導積層体９の外周を取り包む金属テープ８Ａが加圧ロール２４を通過する際に、金属テープ８Ａの形が安定化層８として整えられつつはんだ付けが行われる。金属安定化層８に周囲を囲まれた超電導積層体９を加圧ロール２４から引き出して巻取ロール１５Ｃに巻き取る。以上により、超電導積層体９の周囲が安定化層８で覆われ、超電導積層体９と安定化層８との間が導電性接合材３で充填された、即ち、図１に示す断面形状を有する酸化物超電導線材１を得ることができる。
なお、先端部と後端部とに予め溶接等の接合手段により封止材１０が接合されたテープ状の超電導積層体９を第１の送出リール１５Ａに巻き付けておき、上述のロールフォーミング法を実施することにより、端末部分を封止した構造を有する酸化物超電導線材１を製造することができる。
なお、先端部と後端部とに予め溶接等の接合手段により封止材１０が接合されたテープ状の超電導積層体９を第１の送出リール１５Ａに巻き付けておき、上述のロールフォーミング法を実施することにより、端末部分を封止した構造を有する酸化物超電導線材１を製造することができる。
以下、本発明の実施形態を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
「実施例１」
ハステロイ（商品名ハステロイＣ−２７６、米国ヘインズ社製）からなる幅５ｍｍ、厚さ１００μｍ、長さ５０ｍのテープ状の基材を複数用意し、各基材の表面を研磨した後、各基材をアルコール及び有機溶剤により洗浄した。
次に、複数の基材の一面上に、拡散防止層、ベッド層、配向層およびキャップ層をこの順に積層した。各層の成膜の際には、成膜装置の内部にテープ状の基材を搬送する送り出しリールと、巻き取りリールを設け、基材を所定の速度で移動させつつ基材上に順次成膜を行った。各層の成膜は、以下の条件により行った。
まず、イオンビームスパッタ法により、テープ状の基材の上にＡｌ２Ｏ３からなる膜厚１００ｎｍの拡散防止層を形成し、次に、イオンビームスパッタ法により、拡散防止層の上にＹ２Ｏ３からなる膜厚２０ｎｍのベッド層を形成した。
次に、ＩＢＡＤ法により、ベッド層の上にＭｇＯからなる膜厚１０ｎｍの配向層を形成した。
「実施例１」
ハステロイ（商品名ハステロイＣ−２７６、米国ヘインズ社製）からなる幅５ｍｍ、厚さ１００μｍ、長さ５０ｍのテープ状の基材を複数用意し、各基材の表面を研磨した後、各基材をアルコール及び有機溶剤により洗浄した。
次に、複数の基材の一面上に、拡散防止層、ベッド層、配向層およびキャップ層をこの順に積層した。各層の成膜の際には、成膜装置の内部にテープ状の基材を搬送する送り出しリールと、巻き取りリールを設け、基材を所定の速度で移動させつつ基材上に順次成膜を行った。各層の成膜は、以下の条件により行った。
まず、イオンビームスパッタ法により、テープ状の基材の上にＡｌ２Ｏ３からなる膜厚１００ｎｍの拡散防止層を形成し、次に、イオンビームスパッタ法により、拡散防止層の上にＹ２Ｏ３からなる膜厚２０ｎｍのベッド層を形成した。
次に、ＩＢＡＤ法により、ベッド層の上にＭｇＯからなる膜厚１０ｎｍの配向層を形成した。
配向層の上にＰＬＤ法によりＣｅＯ２からなる膜厚４００ｎｍのキャップ層を形成し、キャップ層の上にＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘで表される組成を有する酸化物超電導層を形成し、更に酸化物超電導層の上に厚さ２μｍのＡｇの保護層をスパッタ法により成膜して、積層体を得た。この積層体を５００℃の酸素雰囲気中において１０時間酸素アニール処理し、酸化物超電導積層体を得た。
この酸化物超電導積層体の両端部に厚さ１５０μｍ、幅５ｍｍ、長さ５ｍｍのステンレス鋼製の封止材を突き合せ溶接により接合した。なお、封止材の両面には厚さ２μｍのＳｎめっき層を形成した。
次に、片面に厚さ２μｍのＳｎメッキを施した、幅８ｍｍのＣｕからなる金属テープを、図１０に示す装置を用いたロールフォーミング法によりＣ字形に折り曲げつつ積層体の外周に被着した。ロールフォーミング時に、加熱炉を用いてＳｎメッキを約２００℃に加熱し溶融させることにより、酸化物超電導積層体の外周がＳｎ層を介してＣｕの金属安定化層で覆われた構造を有する酸化物超電導線材が得られた。
この酸化物超電導積層体の両端部には、酸化物超電導体の長さ方向に延出するように溶接された封止材が形成され、各封止材をＳｎ層を介しＣｕの金属安定化層で覆った。本実施例の酸化物超電導線材は、超電導積層体と封止材とが突き合わされた「突き合わせ構造」を有する。
この酸化物超電導積層体の両端部に厚さ１５０μｍ、幅５ｍｍ、長さ５ｍｍのステンレス鋼製の封止材を突き合せ溶接により接合した。なお、封止材の両面には厚さ２μｍのＳｎめっき層を形成した。
次に、片面に厚さ２μｍのＳｎメッキを施した、幅８ｍｍのＣｕからなる金属テープを、図１０に示す装置を用いたロールフォーミング法によりＣ字形に折り曲げつつ積層体の外周に被着した。ロールフォーミング時に、加熱炉を用いてＳｎメッキを約２００℃に加熱し溶融させることにより、酸化物超電導積層体の外周がＳｎ層を介してＣｕの金属安定化層で覆われた構造を有する酸化物超電導線材が得られた。
この酸化物超電導積層体の両端部には、酸化物超電導体の長さ方向に延出するように溶接された封止材が形成され、各封止材をＳｎ層を介しＣｕの金属安定化層で覆った。本実施例の酸化物超電導線材は、超電導積層体と封止材とが突き合わされた「突き合わせ構造」を有する。
「実施例２」
超電導積層体と封止材との接続方法を除いては、実施例１と同様の方法で実施例２に係る酸化物超電導線材を得た。本実施例では、超電導積層体の端末部分に段部を形成し、この段部にスポット溶接により封止材の端部を接続した。即ち、超電導積層体と封止材とが重ね合せられた「重ね合せ溶接構造」を有する酸化物超電導線材を作製した。
超電導積層体と封止材との接続方法を除いては、実施例１と同様の方法で実施例２に係る酸化物超電導線材を得た。本実施例では、超電導積層体の端末部分に段部を形成し、この段部にスポット溶接により封止材の端部を接続した。即ち、超電導積層体と封止材とが重ね合せられた「重ね合せ溶接構造」を有する酸化物超電導線材を作製した。
「比較例１」
超電導積層体に封止材を接続しないことを除いては、実施例１と同様の方法で比較例１に係る酸化物超電導線材を得た。本比較例では、超電導積層体の端末封止を特に行わずに、酸化物超電導線材を作製した。
超電導積層体に封止材を接続しないことを除いては、実施例１と同様の方法で比較例１に係る酸化物超電導線材を得た。本比較例では、超電導積層体の端末封止を特に行わずに、酸化物超電導線材を作製した。
得られた酸化物超電導線材に対し、浸透探傷試験によるスクリーニングを行った。浸透探傷試験では、浸透液を測定部位に振り掛けて浸透液を拭き取った後に測定部位に現像液をかけた際に、目視により赤い染色液の有無を確認する。
基材の裏面中央に配置されている金属テープの先端部分において、金属テープと超電導積層体／封止材との間に溶融Ｓｎの埋め込み不良による隙間が生じている場合、その隙間部分に浸透液が染み込み、残留する。この隙間部分に残留した浸透液に後で振りかけられる現像液が反応すると、赤い染色液となって目視により確認できる。
本実施例においては浸透液としてカラーチェック（株式会社タセト製）を用いた。
基材の裏面中央に配置されている金属テープの先端部分において、金属テープと超電導積層体／封止材との間に溶融Ｓｎの埋め込み不良による隙間が生じている場合、その隙間部分に浸透液が染み込み、残留する。この隙間部分に残留した浸透液に後で振りかけられる現像液が反応すると、赤い染色液となって目視により確認できる。
本実施例においては浸透液としてカラーチェック（株式会社タセト製）を用いた。
また、各試料に対して、高温（１２１℃）・高湿（１００％）・高圧力（０．２ＭＰａ）下に１００時間放置するプレッシャークッカー（ＰＣＴ）試験を行い、その試験前後での臨界電流値を測定した。放置前の臨界電流値（Ｉｃ０）に対する放置後の臨界電流値（Ｉｃ）の比をＩｃ／Ｉｃ０として、Ｉｃ／Ｉｃ０が１の試料を合格、０．７以下の試料を不合格と判断した。
以上の試験の結果を以下の表１に示す。
以上の試験の結果を以下の表１に示す。
なお、表１に示されているスクリーニング試験の結果について、「○」は赤い染色液が確認されなかったことを、「△」は一部赤い染色液が確認されたことを、「−」は試験を行わなかったことをそれぞれ表している。また、ＰＣＴ試験の結果について、「○」は合格であったことを、「×」は不合格であったことをそれぞれ表している。
表１に示すように、スクリーニング試験において実施例１の試料では優良な結果が得られた。なお、重ね合わせ溶接構造を有する実施例２の試料では、超電導積層体と封止材との間の段差の影響により実施例１の試料に比較して浸透探傷試験結果が若干劣っているが、ＰＣＴ試験は合格であった。したがって、実施例２の試料においても、端末部分からの水分浸入の防止効果が十分に得られていることがわかった。
実施例１と実施例２との比較から、「重ね合わせ溶接構造」よりも「突き合わせ溶接構造」の方が有利であると思われる。重ね合わせ溶接構造を有する実施例２の試料では、ロールフォーミング法により成形した金属テープの端部において、一部隙間が生じていた。しかしながら、その隙間は基材の裏面にしか存在せず、金属テープからなる金属安定化層の内側には導電性接合層が満たされているので、ＰＣＴ試験に合格したものと思われる。
また、上述の長さ５ｍｍの封止材よりも短い長さ３ｍｍの封止材を用いて同様に端末処理した酸化物超電導線材を作製し、プレッシャークッカー試験を行った。作製した５個の試料のうちの２つでＰＣＴ試験によるＩｃの低下が見られた。
金属安定化層の内側にＳｎフィラーからなる導電性接合材が満たされていることが重要であると思われるので、溶接部分を含む封止材の長さは５ｍｍ以上必要であると想定できる。
表１に示すように、スクリーニング試験において実施例１の試料では優良な結果が得られた。なお、重ね合わせ溶接構造を有する実施例２の試料では、超電導積層体と封止材との間の段差の影響により実施例１の試料に比較して浸透探傷試験結果が若干劣っているが、ＰＣＴ試験は合格であった。したがって、実施例２の試料においても、端末部分からの水分浸入の防止効果が十分に得られていることがわかった。
実施例１と実施例２との比較から、「重ね合わせ溶接構造」よりも「突き合わせ溶接構造」の方が有利であると思われる。重ね合わせ溶接構造を有する実施例２の試料では、ロールフォーミング法により成形した金属テープの端部において、一部隙間が生じていた。しかしながら、その隙間は基材の裏面にしか存在せず、金属テープからなる金属安定化層の内側には導電性接合層が満たされているので、ＰＣＴ試験に合格したものと思われる。
また、上述の長さ５ｍｍの封止材よりも短い長さ３ｍｍの封止材を用いて同様に端末処理した酸化物超電導線材を作製し、プレッシャークッカー試験を行った。作製した５個の試料のうちの２つでＰＣＴ試験によるＩｃの低下が見られた。
金属安定化層の内側にＳｎフィラーからなる導電性接合材が満たされていることが重要であると思われるので、溶接部分を含む封止材の長さは５ｍｍ以上必要であると想定できる。
本発明の実施形態によれば、端末部分において水分浸入による劣化が生じ難い酸化物超電導線材、およびこの酸化物超電導線材を用いた接続構造を提供できる。さらに、水分浸入による劣化が生じ難い超電導機器を提供できる。
１ 酸化物超電導線材
２ 基材
３ 導電性接合材
３ａ 延出部
５ 中間層
６ 酸化物超電導層
７ 保護層
８ 金属安定化層
８ａ 延出部
９ 超電導積層体
１０ 封止材
１２ 封止材
１３ 超電導線材
Ａ、Ｂ 接続構造
２０ 製造装置
８０ 超電導ケーブル（超電導機器）
９９ 超電導限流器（超電導機器）
１３０ 超電導モーター（超電導機器）
１００ 超電導コイル（超電導機器）
２ 基材
３ 導電性接合材
３ａ 延出部
５ 中間層
６ 酸化物超電導層
７ 保護層
８ 金属安定化層
８ａ 延出部
９ 超電導積層体
１０ 封止材
１２ 封止材
１３ 超電導線材
Ａ、Ｂ 接続構造
２０ 製造装置
８０ 超電導ケーブル（超電導機器）
９９ 超電導限流器（超電導機器）
１３０ 超電導モーター（超電導機器）
１００ 超電導コイル（超電導機器）
Claims (8)
- テープ状の基材と、前記基材上に形成された中間層、酸化物超電導層、及び保護層と、を有する超電導積層体と、
前記超電導積層体の周囲を覆う金属安定化層と、
前記超電導積層体及び前記金属安定化層の間に介在する第１の導電性接合材と、
前記超電導積層体の端末部に接続され、前記超電導積層体の長手方向に延出する、金属薄体からなる封止部材と、
を備える酸化物超電導線材であって、
前記金属安定化層は、前記封止部材の周囲を覆うように形成された延出部を備え、
前記第１の導電性接合材は、前記金属安定化層の延出部と前記封止部材との間に介在して前記封止部材の周囲を覆うように形成された延出部を備える酸化物超電導線材。 - 前記超電導積層体の端末部に前記封止部材が突き合わせ溶接されている請求項１に記載の酸化物超電導線材。
- 前記超電導積層体の端末部に段差部が形成され、前記段差部に前記封止部材の端部が重ねられて溶接されている請求項１に記載の酸化物超電導線材。
- ２つの、請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸化物超電導線材と、
前記２つの酸化物超電導線材どうしを接合する第２の導電性接合材と、
を備え、
前記各酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面は、互いに対向するように互いに重ねられて、前記第２の導電性接合材により接合されている酸化物超電導線材の接続構造。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸化物超電導線材である、第１の酸化物超電導線材、第２の酸化物超電導線材、および第３の酸化物超電導線材と、
前記第１の酸化物超電導線材と前記第３の酸化物超電導線材とを接合する第３の導電性接合材と、
前記第２の酸化物超電導線材と前記第３の酸化物超電導線材とを接合する第４の導電性接合材と、
を備え、
前記第１の酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面と前記第３の酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面とは、互いに対向するように互いに重ねられて、前記第３の導電性接合材により接合され、
前記第２の酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面と前記第３の酸化物超電導線材の上方に位置する前記金属安定化層の上面とは、互いに対向するように互いに重ねられて、前記第４の導電性接合材により接合されている酸化物超電導線材の接続構造。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸化物超電導線材を備えた超電導機器。
- 請求項４または５に記載の酸化物超電導線材の接続構造を備えた超電導機器。
- 請求項１に記載の酸化物超電導線材の製造方法であって、
前記超電導積層体の端末部に前記封止部材を接合し、
少なくとも一面に前記第１の導電性接合材が形成された被覆金属テープを用いて、前記封止部材の周囲と前記超電導積層体の周囲とにロールフォーミングにより前記被覆金属テープを被着し、
前記第１の導電性接合材を溶融凝固させることにより、前記超電導積層体の周囲を前記第１の導電性接合材及び前記金属安定化層で覆い、
前記封止部材の周囲を前記導電性接合材の延出部と前記金属安定化層の延出部とで覆う酸化物超電導線材の製造方法。
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