JPWO2018216064A1

JPWO2018216064A1 - 超電導線材および超電導コイル

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Publication number: JPWO2018216064A1
Application number: JP2019519810A
Authority: JP
Inventors: 元気本田; 永石　竜起; 竜起永石; 昌也小西; 康太郎大木; 高史山口; 貴裕本田; 健彦吉原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2020-03-26
Also published as: CN110678940A; US20200194155A1; DE112017007573T5; WO2018216064A1; KR20200010257A

Abstract

超電導線材は、テープ状であって、超電導層を備える。超電導線材における長さが１ｍ、幅が４ｍｍとした単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量が、２００Ｊ以上５００Ｊ以下である。

Description

本発明は、超電導線材および超電導コイルに関する。

従来、特開２０１５−２８９１２号公報（特許文献１）に開示されている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、基板の主面上に中間層を介して配置された超電導層と、当該超電導層上に形成された保護層と、銅よりなる安定化層と、銅より柔らかい金属で形成された金属層とを備える。

特開２０１５−２８９１２号公報

本開示の一態様に係る超電導線材は、テープ状であって、超電導層を備える。超電導線材における長さが１ｍ、幅が４ｍｍとした単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量が、２００Ｊ以上５００Ｊ以下である。

図１は、実施形態に係る超電導線材の断面模式図である。図２は、超電導線材における単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量を測定する方法を説明するための工程図である。図３は、超電導線材における単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量を測定する方法を説明するための模式図である。図４は、実施形態に係る超電導コイルのコイル軸に垂直な断面における断面模式図である。

［本開示が解決しようとする課題］
特許文献１に開示された超電導線材では、銅より柔らかい金属で形成された金属層を最外周に配置しているので、超電導線材を巻回して超電導コイルを形成したとき、隣り合う超電導線材の金属層間の密着性が良好であり、超電導線材間の接触抵抗を低減できる。そして、特許文献１では、超電導コイルの使用時にクエンチが生じた場合には、隣接する超電導線材の金属層へ電流を流して局部的な発熱を抑え、超電導線材を保護できる。

しかし、上述した超電導線材では、クエンチ発生時の超電導材保護を目的としており、クエンチ自体の発生を抑制することは難しかった。

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、クエンチの発生を抑制可能な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、クエンチの発生を抑制できる。

［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、テープ状であって、超電導層を備える。超電導線材における長さが１ｍ、幅が４ｍｍとした単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量が、２００Ｊ以上５００Ｊ以下である。

このようにすれば、超電導線材の単位領域を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量が相対的に大きな値となっているので、超電導線材にたとえば局所的な傷などがあり当該傷の部分で電気抵抗値が高くなり熱が発生しても、超電導線材の温度上昇をある程度抑制できる。そのため、当該熱の発生による超電導線材の急激な温度上昇を抑制でき、結果的にクエンチの発生を抑制して超電導線材の焼損といった不良の発生を抑制できる。なお、上述した単位領域は、上記熱量を規定するためのものである。本開示の一態様に係る超電導線材は長さが１ｍ未満、あるいは幅が４ｍｍ未満であってもよい。

（２）上記超電導線材は、温度が７７Ｋであるときの平均熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。

この場合、上記のように傷などにより局所的に電気抵抗値が高くなって熱が発生しても、当該熱を超電導線材の他の部分へ速やかに拡散させることができる。このため、超電導線材における局所的な温度上昇を抑制できる。なお、ここで平均熱伝導率とは、たとえば超電導線材が複数の構成要素からなる積層構造を有する場合、それぞれの構成要素の熱伝導率と厚さとの積を超電導線材全体の厚さで割ったものとして規定できる。
（３）上記超電導線材は、基板層と超電導層と被覆層とを備える。基板層は、第１面と、当該第１面の反対面である第２面とを有する。超電導層は、第３面と、第３面の反対面である第４面とを有する。超電導層は、第３面が第２面に対向するように基板層上に配置される。被覆層は、第１面上及び第４面上に配置される。被覆層は導電体層を含む。

この場合、超電導線材の基板層や被覆層の材質や厚みを調整することで、上記熱量や平均熱伝導率を調整することができる。
（４）本開示の一態様に係る超電導コイルは、上記超電導線材と、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、空間に充填されている。

このようにすれば、クエンチの発生が抑制されている超電導線材を用いることにより、信頼性の高い超電導コイルを実現できる。

[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。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。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。

（実施の形態１）
（超電導線材の構成）
図１は、本実施形態に係る超電導線材１００の断面模式図である。図１は、テープ状の超電導線材の長手方向に対して垂直な方向での断面を示している。図１に示すように、本実施形態に係る超電導線材１００は、基板層１と、超電導層２と、被覆導体層としての被覆層３とを有している。

基板層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。基板層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。基板層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、基板層１は、基板１１と、中間層１２とを含んでいてもよい。基板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１１は、複数の層により構成されていてもよい。例えば、基板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１１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、たとえば酸化セリウム（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）、ネオジム（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、基板層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、基板層１上に配置されている。基板層１と超電導層２とから線材部１０が構成される。

被覆層３は、基板層１及び超電導層２を被覆している層である。被覆層３は、基板層１の第１面１ａ及び超電導層２の第４面２ｂ上に配置されている。また、異なる観点から言えば、被覆層３は基板層１および超電導層２の外周を覆うように形成されている。

被覆層３は、超電導層２および基板層１の第１面１ａ上に形成された第１導体層としての安定化層３１と、安定化層３１上に形成された第２導体層としての保護層３２とを含む。安定化層３１は、超電導層２の第４面２ｂ上、基板層１の第１面１ａ上、および超電導層２と基板層１との側面上に形成されている。つまり、安定化層３１は線材部１０の外周を覆うように形成されている。安定化層３１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導電体として作用する。また、安定化層３１は、たとえばめっき法を用いて保護層３２を形成するときに、当該めっき法に用いるめっき液から超電導層２を保護する機能も有する。安定化層３１に用いられる材料は、例えば銀（Ａｇ）である。

安定化層３１は、単層構造であってもよいが、多層構造であってもよい。また、安定化層３１は、超電導層２や基板１１の第１面１ａとの密着性を高めることができれば、任意の構成を採用し得る。安定化層３１は、蒸着法またはスパッタリング法により形成された層を含んでいてもよく、めっき法により形成された層を含んでいてもよい。

たとえば、安定化層３１として銀からなる層を形成した後、熱処理を行うことで安定化層３１と超電導層２の密着性または安定化層３１と基板１１との密着性を高めてもよい。

保護層３２は、安定化層３１上に形成される。保護層３２は安定化層３１および線材部１０を保護する。さらに、保護層３２は、超電導層２にクエンチが生じた際に、電流をバイパスさせる導電体としても作用し得る。安定化層３１を介して、保護層３２は、基板層１と超電導層２とからなる線材部の外周の少なくとも一部を覆うように形成される。図１では、保護層３２は線材部の外周全体を覆うように形成される。

図１に示した超電導線材１００では、長さを１ｍ、幅を４ｍｍとした単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量が、２００Ｊ以上５００Ｊ以下である。当該熱量の測定方法については後述する。

また、上記超電導線材１００は、温度が７７Ｋであるときの平均熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。当該平均熱伝導率は、超電導線材１００を構成する材料層の温度７７Ｋにおける熱伝導率と各材料層の厚みとから算出できる。

上記のような熱量や平均熱伝導率は、たとえば基板１１の構成や被覆層３の構成を調整することにより実現できる。

（熱量の測定方法）
図２は、超電導線材１００における単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量を測定する方法を説明するための工程図である。図３は、超電導線材１００における単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量を測定する方法を説明するための模式図である。図２および図３を用いて、超電導線材における上記熱量の測定方法を説明する。

超電導線材１００の熱量の測定方法では、まず図２に示すように室温での抵抗測定工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、一般的な抵抗測定における４端子法と同様の方法を用いることができる。具体的には、図３に示すように、例えば１５０ｍｍ長に切断した超電導線材の試料２００を用意し、当該試料２００の両端に電流端子５３をはんだ付けする。また、試料の中央部に電圧端子５４を、例えば端子間隔１００ｍｍではんだ付けする。電流端子５３は電流測定部５５に接続される。電圧端子５４は電圧測定部５６に接続される。そして、上記のように端子を接続した試料２００について、室温（３００Ｋ）における抵抗値を測定する。

次に、液体窒素中での測定工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、上記のように電流端子５３および電圧端子５４を接続した試料２００を、図３に示すように容器５１に保持された液体窒素５２に浸漬して冷却する。液体窒素５２の温度である７７Ｋに冷却された試料２００に対して、試料である線材の臨界電流値（Ｉｃ）よりも十分に高い電流を印加した状態で、電圧端子５４間の電圧値を測定することにより、当該電圧端子５４間の抵抗値を測定する。このとき、印加する電流の値はたとえば臨界電流値の３倍程度とすることができる。そして、測定された抵抗値が上記室温における抵抗値と同じになったところで、電流の印加を停止する。なお、電流の印加を停止した時点では、試料の温度は工程（Ｓ１０）で測定した温度条件である室温と同等になっていると考えられる。

この工程（Ｓ２０）では、電流の印加開始から停止までの時間、電流の印加開始から停止までの間における電圧値および電流値の変化を測定する。ここで、抵抗値が室温での値になるまでにかかる時間が５０ミリ秒より長くなる場合、試料２００へ印加する電流値を高くし、より短い時間で抵抗値が室温での抵抗値まで上昇するようにする。たとえば、上記電流値は、抵抗値が室温での抵抗値まで上昇する時間が数ミリ秒から２０ミリ秒程度となるように決定してもよい。このように上記時間を短く設定するのは、上記のように数ミリ秒から２０ミリ秒程度であれば、試料２００から単位時間、単位面積当たりに液体窒素５２により除去される熱量である冷却量が、液体窒素の臨界熱流束ｑ_ｃに等しいと見なせるからである。

次に、熱量の算出工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、具体的には、以下のように熱量を算出する。

上記工程（Ｓ２０）で求めたデータ、つまり電流の印加開始から停止までの間の昇温過程における電流の時間変化をＩ（ｔ）、電圧端子５４間の電圧変化をＶ（ｔ）、電流の印加開始から停止までの時間をｔ_300Kとする。これらのパラメータを用いて、昇温過程において試料２００に供給される熱量Ｑは以下の式（１）で表される。

また、昇温過程において液体窒素により冷却される熱量Ｑ_coolは、試料２００の（電圧端子５４間の）表面積をＳとして、以下の式（２）で表される。

これらより、試料２００の単位領域を７７Ｋから３００Ｋまで温度上昇させるのに必要な熱量Ｑ_77-300は、電圧端子間隔をＬ（単位：ｍ）、線材幅をＷ（単位：ｍｍ）として、以下の式（３）で表される。なお、単位領域とは試料２００における長さ１ｍ、幅４ｍｍの領域である。

（超電導線材の製造方法）
以下に、本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。超電導線材１００の製造方法としては、任意の方法を用いることができる。たとえば、超電導線材１００の製造方法は、基板準備工程（Ｓ１００）、中間層形成工程（Ｓ２００）、超電導層形成工程（Ｓ３００）、および被覆層形成工程（Ｓ４００）を備えている。

工程（Ｓ１００）は、基板１１を準備する工程である。基板１１を準備する工程では、従来周知の任意の方法を用いて基板１１を形成する。たとえば、ステンレスなどの金属製のテープからなる第１層１１ａを準備し、当該第１層１１ａ上に第２層１１ｂおよび第３層１１ｃを順に形成する。これらの層の形成方法としては、めっき法やスパッタ法など任意の方法を用いることができる。

工程（Ｓ２００）は、中間層を形成する工程である。この工程（Ｓ２００）では、基板１１の第３層１１ｃ上に中間層１２を形成する。中間層１２の形成方法としては、めっき法やスパッタ法など任意の方法を用いることができる。このようにして、基板１１と中間層１２とからなる基板層１を得る。

工程（Ｓ３００）では、中間層１２上に超電導層２を形成する。この工程（Ｓ３００）では、従来周知の任意の方法を用いて超電導層２を形成する。このようにして、線材部１０が得られる。

工程（Ｓ４００）は、被覆導体層としての被覆層３を形成する工程であって、安定化層３１を形成する工程と、保護層３２を形成する工程とを含む。安定化層３１を形成する工程は、少なくとも超電導層２の第４面２ｂ上および基板層１の第１面１ａ上に第１導体層としての安定化層３１を形成する。安定化層３１を形成する工程では、線材部１０の側面全体を覆うように安定化層３１を形成してもよい。安定化層３１を形成する方法としては、スパッタ法やめっき法など任意の方法を用いることができる。

保護層３２を形成する工程としては、たとえばめっき法を用いて保護層を安定化層３１上に形成してもよい。保護層３２の形成方法としては上述しためっき法に替えて、任意の方法を用いてもよい。このようにして、図１に示した超電導線材を得ることができる。

（超電導線材の作用効果）
本実施形態に係る超電導線材によれば、超電導線材１００の単位領域を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量Ｑ_77-300が相対的に大きな値となっている。このため、超電導線材１００にたとえば局所的な傷などがあり当該傷の部分で電気抵抗値が高くなっても、当該傷の部分での熱による超電導線材１００の温度上昇をある程度抑制できる。そのため、当該熱の発生による超電導線材１００の急激な温度上昇を抑制でき、結果的に超電導線材１００の焼損といった不良の発生を抑制できる。

また、超電導線材１００は、温度が７７Ｋであるときの平均熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となっている。このため、傷などにより局所的に超電導線材１００の電気抵抗値が高くなって熱が発生しても、当該熱を超電導線材１００の他の部分へ速やかに拡散させることができる。このため、超電導線材１００における局所的な温度上昇を抑制できる。

図１に示すように、超電導線材１００は、基板層１と超電導層２と被覆層３とを備える。基板層１は、第１面１ａと、当該第１面１ａの反対面である第２面１ｂとを有する。超電導層２は、第３面２ａと、第３面２ａの反対面である第４面２ｂとを有する。超電導層２は、第３面２ａが第２面１ｂに対向するように基板層１上に配置される。被覆層３は、第１面１ａ上及び第４面２ｂ上に配置される。この場合、超電導線材１００の基板層１や被覆層３の材質や厚みを調整することで、上記熱量Ｑ_77-300や平均熱伝導率を調整することができる。

（実施の形態２）
以下に、本実施形態に係る超電導コイル３００の構成について、図を参照して説明する。図４は、本実施形態に係る超電導コイル３００のコイル軸に垂直な断面における断面図である。図４に示すように、本実施形態に係る超電導コイル３００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、上述した実施の形態１に示した超電導線材１００であって、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。異なる観点から言えば、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。

（超電導コイルの製造方法）
超電導コイル３００の製造方法としては、任意の方法を採用できる。たとえば、コイル軸を中心として超電導線材１００を巻き回し、その後超電導線材１００の間に絶縁体１５０となるべき樹脂を含浸させる。その後、樹脂の硬化処理を行う。硬化処理としては、たとえば熱処理を行う。なお、超電導線材１００には図示していない電極端子などを接続してもよい。このようにして、図４に示した超電導コイル３００を得る。

（超電導コイルの作用効果）
図４に示した超電導コイル３００では、クエンチの発生が抑制されている超電導線材１００を用いることにより、信頼性の高い超電導コイル３００を実現できる。

（実施例）
本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行った。

＜試料＞
実施例の試料：
実施用の試料として、長さが１ｍ、幅が４ｍｍとした単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量がそれぞれ２００Ｊ、３００Ｊ、４００Ｊ、５００Ｊである超電導線材を用いた。

比較例の試料：
比較例の試料として、長さが１ｍ、幅が４ｍｍとした単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量が１５０Ｊ、５５０Ｊである超電導線材を用いた。

上記実施例および比較例の試料について、長さ１５０ｍｍの試験片を切り出し、当該試験片に対して実施の形態１における熱量の測定時と同様に、４端子法による測定のための電流端子および電圧端子を設置した。実施例および比較例の試料はそれぞれ１０本用意した。

＜実験＞
実験１：
実施例および比較例の試料について、液体窒素温度まで冷却して臨界電流値に相当する電流を流し、クエンチが発生しないことを確認した。

実験２：
上記の実験１でクエンチが発生しないことを確認した実施例および比較例の試料に対して、電圧端子の間の中央部において、超電導線材の表面に模擬傷を形成した。具体的には、超電導線材の長手方向に０．１ｍｍ、幅方向に２ｍｍの平面サイズとなるように、罫書き針により超電導層にまで達する傷を付けた。

その後、当該傷を付けた試験片に対して、再び液体窒素温度まで冷却してから臨界電流値に相当する電流を流し、クエンチの発生の有無を確認した。

＜結果＞
実施例の試料については、すべての試料について実験２においてもクエンチは発生せず、試料の損傷などは発生しなかった。一方、比較例の試料については、すべての試料についてクエンチが発生し、試料が傷の付近で焼損した。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、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を含むことが意図される。

１基板層、１ａ第１面、１ｂ第２面、２超電導層、２ａ第３面、２ｂ第４面、３被覆層、１０線材部、１１基板、１１ａ第１層、１１ｂ第２層、１１ｃ第３層、１２中間層、３１安定化層、３２保護層、５１容器、５２液体窒素、５３電流端子、５４電圧端子、５５電流測定部、５６電圧測定部、１００超電導線材、１５０絶縁体、２００試料、３００超電導コイル。

Claims

超電導層を備えるテープ状の超電導線材であって、
前記超電導線材における長さが１ｍ、幅が４ｍｍとした単位領域について、温度を７７Ｋから３００Ｋまで上昇させるために必要な熱量が、２００Ｊ以上５００Ｊ以下である、超電導線材。
温度が７７Ｋであるときの平均熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、請求項１に記載の超電導線材。
第１面と、前記第１面の反対面である第２面とを有する基板層を備え、
前記超電導層は、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層上に配置され、さらに、
前記第１面上及び前記第４面上に配置される被覆層を備える、請求項１または請求項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、
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ている、超電導コイル。