JPWO2019239574A1 - 超電導線材、積層超電導線材、超電導コイル及び超電導ケーブル - Google Patents

Abstract

本開示の一態様に係る超電導線材は、第１部材と、第２部材とを備える。第１部材は、導電性の材料で構成される第１基板と、第１基板上に配置され、かつ導電性の材料で構成される第１中間層と、第１中間層上に配置され、かつ超電導材料で構成される第１超電導層とを有する。第２部材は、導電性の材料で構成される第２基板と、第２基板上に配置され、かつ導電性の材料で構成される第２中間層と、第２中間層上に配置され、かつ超電導材料で構成される第２超電導層とを有する。第１部材と第２部材とは、第１超電導層と第２超電導層とが対向するように超電導線材の厚さ方向に沿って重ねられる。第１超電導層は、第２超電導層と電気的に接続されている。

Description

本開示は、超電導線材、積層超電導線材、超電導コイル及び超電導ケーブルに関する。

従来から、例えば、特開２０１２−１５６０４８号公報（特許文献１）に記載の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、基材と、基材上に配置される中間層と、中間層上に配置される酸化物超電導体層と、酸化物超電導体層上に配置される安定化層とを有している。中間層は、絶縁性の材料で構成されている。

特開２０１２−１５６０４８号公報

本開示の一態様に係る超電導線材は、第１部材と、第２部材とを備える。第１部材は、導電性の材料で構成される第１基板と、第１基板上に配置され、かつ導電性の材料で構成される第１中間層と、第１中間層上に配置され、かつ超電導材料で構成される第１超電導層とを有する。第２部材は、導電性の材料で構成される第２基板と、第２基板上に配置され、かつ導電性の材料で構成される第２中間層と、第２中間層上に配置され、かつ超電導材料で構成される第２超電導層とを有する。第１部材と第２部材とは、第１超電導層と第２超電導層とが対向するように超電導線材の厚さ方向に沿って重ねられる。第１超電導層は、第２超電導層と電気的に接続されている。

図１は、実施形態に係る超電導線材１０の上面図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。 図４は、実施形態の第１変形例に係る超電導線材１０の第１端部１０ａにおける長手方向に平行な断面図である。 図５は、実施形態の第２変形例に係る超電導線材１０の第１端部１０ａにおける長手方向に平行な断面図である。 図６は、実施形態の第３変形例に係る超電導線材１０の断面図である。 図７は、実施形態の第４変形例に係る超電導線材１０の断面図である。 図８は、実施形態に係る積層超電導線材２０の上面図である。 図９は、図８のＩＸ−ＩＸにおける断面図である。 図１０は、実施形態の第１変形例に係る積層超電導線材２０の断面図である。 図１１は、実施形態の第２変形例に係る積層超電導線材２０の断面図である。 図１２は、実施形態の第３変形例に係る積層超電導線材２０の断面図である。 図１３は、実施形態に係る超電導コイル３０の斜視図である。 図１４は、実施形態に係る超電導コイル３０の中心軸Ａに直交する断面図である。 図１５は、実施形態に係る超電導ケーブル４０の側面図である。 図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩにおける断面図である。

［本開示が解決しようとする課題］
特許文献１に記載の超電導線材においては、酸化物超電導体層に局所的な特性劣化に起因するクエンチ（超電導状態から常電導状態へと移行する現象）が生じた場合に、酸化物超電導体層に流れていた電流が、安定化層にバイパスされる。すなわち、特許文献１に記載の超電導線材においては、クエンチが生じた場合に電流がバイパスされる経路は、１つしかない。そのため、特許文献１に記載の超電導線材において耐クエンチ性を確保するために安定化層を厚く形成する必要があり、コスト増を招いてしまう。このように、特許文献１に記載の超電導線材は、耐クエンチ性に関して、改善の余地がある。

本開示は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本開示は、耐クエンチ性を改善することができる超電導線材を提供する。

［本開示の効果］
本開示に係る超電導線材によると、耐クエンチ性を改善することができる。

［本開示の実施形態の説明］
まず、本開示の実施態様を列記する。

（１）本開示の一態様に係る超電導線材は、第１部材と、第２部材とを備える。第１部材は、導電性の材料で構成される第１基板と、第１基板上に配置され、かつ導電性の材料で構成される第１中間層と、第１中間層上に配置され、かつ超電導材料で構成される第１超電導層とを有する。第２部材は、導電性の材料で構成される第２基板と、第２基板上に配置され、かつ導電性の材料で構成される第２中間層と、第２中間層上に配置され、かつ超電導材料で構成される第２超電導層とを有する。第１部材と第２部材とは、第１超電導層と第２超電導層とが対向するように超電導線材の厚さ方向に沿って重ねられる。第１超電導層は、第２超電導層と電気的に接続されている。

上記（１）の超電導線材においては、第１超電導層（第２超電導層）にクエンチが生じた場合に、第１超電導層（第２超電導層）を流れていた電流は、第２超電導層（第１超電導層）及び第１基板（第２基板）に流れる。すなわち、上記（１）の超電導線材においては、クエンチが生じた場合に電流のバイパスされる経路が、２つとなる。ぞのため、上記（１）の超電導線材によると、耐クエンチ性を改善することができる。なお、上記（１）の超電導線材においては、第１超電導層及び第２超電導層が、超電導線材の中立線近くに配置されることになる。したがって、上記（１）の超電導線材によると、超電導線材に曲げが加わった際に第１超電導層及び第２超電導層に加わる曲げ応力を低減することができる。

（２）上記（１）の超電導線材において、第１超電導層は、第２超電導層と超電導接合されていてもよい。

上記（２）の超電導線材によると、第１超電導層（第２超電導層）にクエンチが生じた場合に、第１超電導層（第２超電導層）に流れていた電流を、常電導体を経由することなく、第２超電導層（第１超電導層）にバイパスさせることができる。また、上記（２）の超電導線材によると、第１超電導層と第２超電導層とが超電導接合されることにより超電導層の厚さが実質的に大きくなるため、超電導層に局所的な特性劣化が生じにくくなる。

（３）上記（１）の超電導線材において、第１部材は、第１超電導層上に配置され、かつ銀又は銀合金で構成される第１保護層をさらに有していてもよい。第２部材は、第２超電導層上に配置され、かつ銀又は銀合金で構成される第２保護層をさらに有していてもよい。第１保護層は、第２保護層と直接接合されていてもよい。

上記（３）の超電導線材によると、第１超電導層（第２超電導層）にクエンチが生じた場合に、第１超電導層（第２超電導層）に流れていた電流を、相対的に抵抗値が高い材料を経由することなく、第２超電導層（第１超電導層）にバイパスさせることができる。

（４）上記（１）の超電導線材は、接合層をさらに備えていてもよい。第１部材は、第１超電導層上に配置され、かつ導電性の材料で構成される第１保護層をさらに有していてもよい。第２部材は、第２超電導層上に配置され、かつ導電性の材料で構成される第２保護層をさらに有していてもよい。第１保護層は、接合層を介して第２保護層に接合されていてもよい。

上記（４）の超電導線材においては、クエンチが生じた場合の電流がバイパスされる経路が２つとなるため、耐クエンチ性を改善することができる。

（５）上記（４）の超電導線材において、第１保護層及び第２保護層は、銀又は銀合金で構成されていてもよい。接合層は、はんだで構成されていてもよい。

上記（５）の超電導線材によると、耐クエンチ性を改善しつつ、接合層による第１部材と第２部材との接合性を改善することができる。

（６）上記（４）又は（５）の超電導線材において、超電導線材の長手方向における端部では、第１部材及び第２部材のいずれか一方が除去されることにより接合層が露出していてもよい。

上記（６）の超電導線材によると、接合層を利用して外部電源との接続を行うことができる。

（７）上記（４）〜（６）の超電導線材において、第１保護層の厚さ及び第２保護層の厚さは、５μｍ以下であってもよい。

第１保護層（第２保護層）は、第１超電導層（第２超電導層）にクエンチが生じた際に電流を第２超電導層（第１超電導層）へとバイパスさせる途中に経由する層に過ぎないため、第１保護層及び第２保護層を相対的に薄く形成したとしても、耐クエンチ性に対する影響は小さい。他方で、第１保護層及び第２保護層が相対的に薄く形成されることで、第１超電導層及び第２超電導層が超電導線材の中立線のより近くに配置されるため、超電導線材に曲げが加わった際に第１超電導層及び第２超電導層に加わる曲げ応力をさらに低減することができる。以上から、上記（７）の超電導線材によると、耐クエンチ性を改善しつつ、第１超電導層及び第２超電導層に加わる曲げ応力をさらに低減することができる。

（８）上記（１）〜（７）の超電導線材において、第１基板は、第１ベース層と、第１ベース層と第１中間層との間に配置され、かつ第１ベース層を構成する材料よりも抵抗率が低い材料で構成される第１導電層とを含んでいてもよい。また、第２基板は、第２ベース層と、第２ベース層と第２中間層との間に配置され、かつ第２ベース層を構成する材料よりも抵抗率が低い材料で構成される第２導電層とを含んでいてもよい。

上記のとおり、第１超電導層（第２超電導層）にクエンチが生じた場合、第１超電導層（第２超電導層）に流れていた電流は、第１基板（第２基板）にもバイパスされる。このバイパスされた電流は、相対的に抵抗値が低い第１導電層（第２導電層）を流れることになるため、上記（８）の超電導線材によると、この電流をバイパスさせる際の抵抗値を低減することができる。

（９）上記（８）の超電導線材において、長手方向における端部では、第１ベース層が除去されることにより第１導電層が露出していてもよい。

上記（９）の超電導線材は、相対的に抵抗率が低い第１導電層を介して、外部電源と電気的に接続される。そのため、上記（９）の超電導線材によると、外部電源との接続抵抗を低減することができる。

（１０）上記（８）又は（９）の超電導線材において、長手方向における端部では、第２ベース層が除去されることにより第２導電層が露出していてもよい。

上記（１０）の超電導線材は、相対的に抵抗率が低い第２導電層を介して、外部電源と電気的に接続される。そのため、上記（１０）の超電導線材によると、外部電源との接続抵抗を低減することができる。

（１１）上記（８）〜（１０）の超電導線材において、第１導電層及び第２導電層は、銅又は銅合金で構成されていてもよい。第１基板及び第２基板は、ステンレス鋼又はハステロイで構成されていてもよい。

上記（１１）の超電導線材によると、この電流をバイパスさせる際の抵抗値を低減することができる。

（１２）上記（１）の超電導線材において、超電導線材の長手方向における端部では、第１部材及び第２部材が互いに離間していてもよい。

上記（１２）の超電導線材によると、第１部材及び第２部材の間にリードを挿入することにより、外部電源との接続を行うことができる。

（１３）本開示の一態様に係る積層超電導線材は、上記（１）〜（１２）の超電導線材を複数備える。超電導線材の各々は、積層超電導線材の厚さ方向に沿って重ねられる。積層超電導線材の厚さを積層超電導線材の長手方向に直交する方向での積層超電導線材の幅で除した値は、０．５以上２．０以下である。

上記（１３）の積層超電導線材によると、長手方向に直交する方向での幅に対する厚さの比率が相対的に大きくなるため、線材の取り扱いが容易になる。

（１４）本開示の一態様に係る超電導コイルは、上記（１）〜（１２）の超電導線材と絶縁材料とを備える。超電導線材は、超電導コイルの中心軸周りに巻き回され、かつ絶縁材料に含浸される。

超電導線材には、絶縁材料との熱膨張係数の違いに起因して、超電導層を引き剥がす方向の引張応力が作用する。この引張応力は、超電導層が超電導線材から剥離する原因となる。しかしながら、上記（１）〜（１２）の超電導線材においては、超電導層が第１基板及び第２基板に挟み込まれた構造となっているため、超電導層には、引張応力が作用しにくい。そのため、上記（１４）の超電導コイルによると、超電導線材と絶縁材料との熱膨張係数差に起因した引張応力により超電導層（第１超電導層及び第２超電導層）が剥離することを抑制できる。

（１５）上記（１４）の超電導コイルにおいて、超電導線材は、超電導コイルの中心軸周りに巻き回された部分から引き出された取り回し部を有していてもよい。取り回し部における超電導線材の曲率半径の最小値は、２０ｍｍ以下であってもよい。

上記のとおり、上記（１）〜（１２）の超電導線材においては、第１超電導層及び第２超電導層が超電導線材の中立線近くに配置されることになり、超電導線材に曲げが加わった際に第１超電導層及び第２超電導層に加わる曲げ応力を低減することができる。そのため、上記（１５）の超電導コイルによると、取り回し部における曲率半径の最小値が２０ｍｍ以下となるような超電導コイルを構成することができる。

（１６）本開示の一態様に係る超電導ケーブルは、上記（１）〜（１２）の超電導線材と、フォーマとを備える。超電導線材は、フォーマの外周面上において、フォーマの中心軸周りのらせん状に巻き回される。超電導線材の曲率半径の最小値は、２０ｍｍ以下である。

上記のとおり、上記（１）〜（１２）の超電導線材においては、第１超電導層及び第２超電導層が超電導線材の中立線近くに配置されることになり、超電導線材に曲げが加わった際に第１超電導層及び第２超電導層に加わる曲げ応力を低減することができる。そのため、上記（１６）の超電導ケーブルによると、曲率半径の最小値が２０ｍｍ以下となるような超電導ケーブルを構成することができる。

［本開示の実施形態の詳細］
次に、本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

（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１０の構成を説明する。

図１は、実施形態に係る超電導線材１０の上面図である。図１に示されるように、超電導線材１０は、第１端部１０ａと、第２端部１０ｂとを有している。第１端部１０ａは、超電導線材１０の長手方向における端部である。第２端部１０ｂは、第１端部１０ａとは反対側の超電導線材１０の端部である。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。図２に示されるように、超電導線材１０は、第１部材１１と、第２部材１２と、接合層１３とを有している。

第１部材１１は、第１基板１１ａと、第１中間層１１ｂと、第１超電導層１１ｃと、第１保護層１１ｄとを有している。

第１基板１１ａは、導電性の材料で構成されている。第１基板１１ａは、第１ベース層１１ａａと、第１導電層１１ａｂとを有している。第１ベース層１１ａａ及び第１導電層１１ａｂは、導電性の材料で構成されている。第１導電層１１ａｂの抵抗率は、第１ベース層１１ａａの抵抗率よりも低い。第１導電層１１ａｂは、第１ベース層１１ａａ上に配置されている。

第１ベース層１１ａａは、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）で構成されている。第１導電層１１ａｂは、例えば、銅（Ｃｕ）、銅合金で構成されている。但し、第１ベース層１１ａａ及び第１導電層１１ａｂを構成する材料は、これらに限られるものではない。

第１中間層１１ｂは、第１基板１１ａ上に配置されている。より具体的には、第１中間層１１ｂは、第１導電層１１ａｂ上に配置されている。第１中間層１１ｂは、導電性の材料で構成されている。第１中間層１１ｂは、例えば、ニオブ（Ｎｂ）がドープされたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）で構成されている。但し、第１中間層１１ｂを構成する材料は、これに限られるものではない。

第１超電導層１１ｃは、超電導体で構成されている。第１超電導層１１ｃは、例えば、酸化物超電導体で構成されている。第１超電導層１１ｃを構成する酸化物超電導体は、例えばＲＥＢａＣｕ_３Ｏ_ｘである（ｘ：６以上８以下、ＲＥ：イットリウム（Ｙ）、ガドリウム（Ｇｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、Ｈｏ（ホルミウム）等の希土類元素）。第１超電導層１１ｃは、第１中間層１１ｂ上に配置されている。但し、第１超電導層１１ｃを構成する材料は、これに限られるものではない。

上記のとおり、第１中間層１１ｂは、導電性の材料で構成されているため、第１超電導層１１ｃと第１基板１１ａ（第１導電層１１ａｂ）とは、電気的に接続されている。

第１保護層１１ｄは、第１部材１１の周囲を取り囲むように配置されている。より具体的には、第１保護層１１ｄは、第１超電導層１１ｃの上面上、第１ベース層１１ａａ、第１導電層１１ａｂ、第１中間層１１ｂ及び第１超電導層１１ｃの側面上、並びに第１ベース層１１ａａの底面上に配置されている。第１保護層１１ｄは、導電性の材料で構成されている。第１保護層１１ｄは、例えば、銀（Ａｇ）又は銀合金で構成されている。但し、第１保護層１１ｄを構成する材料は、これに限られるものではない。第１超電導層１１ｃ上にある第１保護層１１ｄの厚さＴ１は、例えば、１０μｍ以下である。厚さＴ１は、好ましくは、５μｍ以下である。厚さＴ１は、例えば、１μｍ以上である。

第２部材１２は、第２基板１２ａと、第２中間層１２ｂと、第２超電導層１２ｃと、第２保護層１２ｄとを有している。

第２基板１２ａは、導電性の材料で構成されている。第２基板１２ａは、第２ベース層１２ａａと、第２導電層１２ａｂとを有している。第２ベース層１２ａａ及び第２導電層１２ａｂは、導電性の材料で構成されている。第２導電層１２ａｂの抵抗率は、第２ベース層１２ａａの抵抗率よりも低い。第２導電層１２ａｂは、第２ベース層１２ａａ上に配置されている。なお、上記の例では、第１基板１１ａが第１ベース層１１ａａ及び第１導電層１１ａｂを有し、第２基板１２ａが第２ベース層１２ａａ及び第２導電層１２ａｂを有するものとして説明しているが、第１基板１１ａ及び第２基板１２ａの少なくとも一方は、ベース層のみで構成されていてもよい。

第２ベース層１２ａａは、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）で構成されている。第２導電層１２ａｂは、例えば銅、銅合金で構成されている。但し、第２ベース層１２ａａ及び第２導電層１２ａｂを構成する材料は、これらに限られるものではない。

第２中間層１２ｂは、第２基板１２ａ上に配置されている。より具体的には、第２中間層１２ｂは、第２導電層１２ａｂ上に配置されている。第２中間層１２ｂは、導電性の材料で構成されている。第２中間層１２ｂは、例えば、ニオブがドープされたチタン酸ストロンチウムで構成されている。但し、第２中間層１２ｂを構成する材料は、これに限られるものではない。

第２超電導層１２ｃは、超電導体で構成されている。第２超電導層１２ｃは、例えば、酸化物超電導体で構成されている。第２超電導層１２ｃを構成する酸化物超電導体は、例えばＲＥＢａＣｕ_３Ｏ_ｘである。但し、第２超電導層１２ｃを構成する材料は、これに限られるものではない。第２超電導層１２ｃは、第２中間層１２ｂ上に配置されている。

上記のとおり、第２中間層１２ｂは、導電性の材料で構成されているため、第２超電導層１２ｃと第２基板１２ａ（第２導電層１２ａｂ）とは、電気的に接続されている。

第２保護層１２ｄは、第２部材１２の周囲を取り囲むように配置されている。より具体的には、第２保護層１２ｄは、第２超電導層１２ｃの上面上、第２ベース層１２ａａ、第２導電層１２ａｂ、第２中間層１２ｂ及び第２超電導層１２ｃの側面上、並びに第２ベース層１２ａａの底面上に配置されている。第２保護層１２ｄは、導電性の材料で構成されている。第２保護層１２ｄは、例えば、銀又は銀合金で構成されている。但し、第２保護層１２ｄを構成する材料は、これに限られるものではない。第２超電導層１２ｃ上にある第２保護層１２ｄの厚さＴ２は、例えば１０μｍ以下である。厚さＴ２は、好ましくは、５μｍ以下である。厚さＴ２は、例えば１μｍ以上である。

第１部材１１と第２部材１２とは、第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄを介して第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃが互いに対向するように、超電導線材１０の厚さ方向に沿って重ねられている。

接合層１３は、第１部材１１と第２部材１２との間に配置されている。具体的には、接合層１３は、第１超電導層１１ｃ上にある第１保護層１１ｄと第２超電導層１２ｃ上にある第２保護層１２ｄとの間に配置されている。接合層１３は、第１超電導層１１ｃ上にある第１保護層１１ｄと第２超電導層１２ｃ上にある第２保護層１２ｄとを接合している。接合層１３は、第１部材１１の側面上及び第２部材１２の側面上に達するように配置されていてもよい。接合層１３は、導電性の材料で構成されている。接合層１３は、例えば、はんだである。接合層１３の厚さＴ３は、例えば１０μｍ以下である。

上記のとおり、第１保護層１１ｄ、第２保護層１２ｄ及び接合層１３は、導電性の材料で構成されているため、第１超電導層１１ｃと第２超電導層１２ｃとは、電気的に接続されている。

図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。図３に示されるように、第１端部１０ａでは、第１ベース層１１ａａが除去されることにより、第１導電層１１ａｂが露出している。第１端部１０ａでは、第２ベース層１２ａａが除去されることにより、第２導電層１２ａｂが露出している。第１端部１０ａでは、第１ベース層１１ａａ及び第２ベース層１２ａａの少なくとも一方が除去されることにより、第１導電層１１ａｂ及び第２導電層１２ａｂの少なくとも一方が露出していればよい。なお、超電導線材１０は、第１端部１０ａにおいて、露出している第１導電層１１ａｂ及び第２導電層１２ａｂを介して外部電源と接続されている。

図示されていないが、第２端部１０ｂにおいても、第１ベース層１１ａａ及び第２ベース層１２ａａの少なくとも一方が除去されることにより、第１導電層１１ａｂ及び第２導電層１２ａｂの少なくとも一方が露出している。

図４は、実施形態の第１変形例に係る超電導線材１０の第１端部１０ａにおける長手方向に平行な断面図である。図４に示されるように、第１端部１０ａにおいては、第２部材１２が除去されていてもよい。これにより、第１端部１０ａにおいては、接合層１３が露出している。なお、第１端部１０ａにおいては、第１部材１１が除去されることにより、接合層１３が露出していてもよい。第２部材１２（第１部材１１）が除去されることにより露出している接合層１３において、超電導線材１０は、外部電源に接続される。図示されていないが、第２端部１０ｂにおいても、第１部材１１及び第２部材１２のいずれか一方が除去されることにより、接合層１３が露出していてもよい。

図５は、実施形態の第２変形例に係る超電導線材１０の第１端部１０ａにおける長手方向に平行な断面図である。図５に示されるように、第１端部１０ａにおいては、第１部材１１及び第２部材１２が互いに離間していてもよい。第１部材１１及び第２部材１２は、例えば、第１端部１０ａにある接合層１３を溶融させることにより、互いに離間される。第１端部１０ａにある第１部材１１及び第２部材１２の間には、リード１５が挟み込まれていてもよい。リード１５は、例えば、銅で形成されている。超電導線材１０は、リード１５を介して、外部電源に接続される。

図６は、実施形態の第３変形例に係る超電導線材１０の断面図である。図６に示されるように、超電導線材１０は、接合層１３を有していなくてもよい。すなわち、超電導線材１０において、第１超電導層１１ｃ上にある第１保護層１１ｄは、第２超電導層１２ｃ上にある第２保護層１２ｄと直接接合されていてもよい。

この場合、第１部材１１と第２部材とは（第１超電導層１１ｃ上にある第１保護層１１ｄと第２超電導層１２ｃ上にある第２保護層１２ｄとは）、第１部材１１及び第２部材１２を所定の温度に加熱するとともに、両部材を相互に加圧することで接合される。この所定の温度は、例えば５００℃以上６００℃以下である。

図７は、実施形態の第４変形例に係る超電導線材１０の断面図である。図７に示されるように、超電導線材１０は、第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄを有しておらず、接合層１３に代えて、接合層１４を有していてもよい。接合層１４は、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃを構成する超電導体で構成されている。すなわち、第１超電導層１１ｃと第２超電導層１２ｃとが、超電導接合されていてもよい。

この場合、第１超電導層１１ｃと第２超電導層１２ｃとの超電導接合は、以下の方法により達成される。第１に、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃのいずれか一方の上に、有機化合物膜が形成される。有機化合物膜は、接合層１４を構成する超電導体の構成元素を含有している。

第２に、有機化合物膜に対する仮焼成が行われる。仮焼成により、有機化合物膜は、接合層１４を構成する超電導体の前駆体となる（以下においては、仮焼成が行われた有機化合物膜を、仮焼膜という）。仮焼成は、接合層１４を構成する材料の生成温度未満の温度で行われる。第３に、仮焼成の後に、仮焼膜に対する熱処理が行われる。これにより、仮焼膜に含まれる炭化物が分解されて、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃを構成する超電導体の微結晶を含む微結晶膜が形成される。

第４に、第１部材１１と第２部材１２とが、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃが微結晶膜を挟んで対向するように重ね合わされた状態で、加熱・加圧される。これにより、微結晶膜に含まれる第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃを構成する超電導体が、第１超電導層１１ｃ上及び第２超電導層１２ｃ上にエピタキシャル成長する。以上により、第１超電導層１１ｃと第２超電導層１２ｃとの超電導接合が達成される。

（実施形態に係る積層超電導線材の構成）
以下に、実施形態に係る積層超電導線材２０の構成を説明する。

図８は、実施形態に係る積層超電導線材２０の上面図である。図９は、図８のＩＸ−ＩＸにおける断面図である。図８及び図９に示されるように、積層超電導線材２０は、複数の超電導線材１０を有している。積層超電導線材２０は、複数の超電導線材１０を厚さ方向に沿って重ね合わせることで形成されている。図示されていないが、各々の超電導線材１０は、例えばはんだ等で構成される接合層を用いて互いに接合されている。

積層超電導線材２０は、長手方向に直交する断面において、厚さＴ４と、幅Ｗとを有している。なお、厚さＴ４は、積層超電導線材２０の厚さが最大となる部分で測定され、幅Ｗは、積層超電導線材２０の幅が最大となる部分で測定される。厚さＴ４を幅Ｗで除した値は、０．５以上２．０以下である。厚さＴ４を幅Ｗで除した値は、０．７５以上１．２５以下であることが好ましい。

なお、第１ベース層１１ａａ（第２ベース層１２ａａ）の厚さを５０μｍから１００μｍ程度とし、第１導電層１１ａｂ（第２導電層１２ａｂ）の厚さを１０μｍから５０μｍ程度とし、第１中間層１１ｂ（第２中間層１２ｂ）の厚さを０．１μｍから０．５μｍ程度とし、第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）の厚さを２μｍから４μｍとし、第１保護層１１ｄ（第２保護層１２ｄ）の厚さを１μｍから１０μｍ程度とし、接合層１３の厚さを１０μｍ程度とした場合、厚さＴ４は、１５０μｍから３００μｍ程度の値となるため、幅Ｗを１ｍｍ程度である場合、超電導線材１０を数枚程度積層すれば、０．５≦厚さＴ４／幅Ｗ≦２．０の範囲に収まる。

図１０は、実施形態の第１変形例に係る積層超電導線材２０の断面図である。図１０に示されるように、積層超電導線材２０の長手方向に直交する断面形状は、例えば、円形形状を有していてもよい。
。

図１１は、実施形態の第２変形例に係る積層超電導線材２０の断面図である。図１１に示されるように、積層超電導線材２０の長手方向に直交する断面形状は、例えば、菱形であってもよい。

図１２は、実施形態の第３変形例に係る積層超電導線材２０の断面図である。図１２に示されるように、積層超電導線材２０の長手方向に直交する断面形状は、例えば、正六角形形状であってもよい。

なお、積層超電導線材２０の長手方向に直交する断面形状は、図１０〜図１２に示されるものに限定されず、その他の多角形形状や、楕円形状であってもよい。図１０〜図１２に示される構造の積層超電導線材２０は、複数の超電導線材１０を厚さ方向に沿って重ね合わせた後に切削等の機械加工を行うことで形成される。また、図１０〜図１２に示されるいずれの断面形状においても、０．５≦厚さＴ４／幅Ｗ≦２．０との関係は充足されている。

（実施形態に係る超電導コイル）
以下に、実施形態に係る超電導コイル３０の構成を説明する。

図１３は、実施形態に係る超電導コイル３０の斜視図である。図１４は、実施形態に係る超電導コイル３０の中心軸Ａに直交する断面図である。図１３及び図１４に示されるように、超電導コイル３０は、例えば、パンケーキコイルである。但し、超電導コイル３０は、これに限られるものではない。超電導コイル３０は、例えば、ソレノイドコイルであってもよい。

超電導コイル３０は、中心軸Ａを有している。超電導コイル３０は、中心軸Ａ回りに超電導線材１０を巻き回すことにより形成されている。なお、超電導線材１０は、中心軸Ａ周りに巻き回された状態でエポキシ樹脂等の絶縁材料３１に含浸されることにより、形状が固定されている。

超電導コイル３０においては、超電導線材１０が、外部の電源と接続するために中心軸Ａ周りに巻き回されている部分から引き出されている（中心軸Ａ周りに巻き回されている部分から引き出された超電導線材１０の部分を、取り回し部３２という）。超電導コイル３０の取り回し部３２における曲率半径の最小値Ｒ_ｍｉｎは、例えば２０ｍｍ以下である。

（実施形態に係る超電導ケーブル）
以下に、実施形態に係る超電導ケーブル４０の構成を説明する。

図１５は、実施形態に係る超電導ケーブル４０の側面図である。図１５に示されるように、超電導ケーブル４０は、フォーマ４１と、超電導線材１０とを有している。超電導線材１０は、フォーマ４１の外周面上において、フォーマ４１の中心軸周りのらせん状に巻き回されている。

図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩにおける断面図である。図１６に示すように、超電導線材１０の曲率半径の最小値Ｒ_ｍｉｎは、フォーマ４１の外周面上に巻き回された状態において、２０ｍｍ以下である。

（実施形態に係る超電導線材、積層超電導線材、超電導コイル及び超電導ケーブルの効果）
以下に、実施形態に係る超電導線材１０、積層超電導線材２０、超電導コイル３０及び超電導ケーブル４０の効果を説明する。

＜実施形態に係る超電導線材の効果＞
まず、超電導線材１０の基本的な効果を説明する。

超電導線材１０において、第１超電導層１１ｃは、導電性の材料で構成されている第１中間層１１ｂを介して、導電性の材料で構成されている第１基板１１ａに電気的に接続されている。また、第１超電導層１１ｃは、第２超電導層１２ｃにも、電気的に接続されている。そのため、第１超電導層１１ｃにクエンチが発生した場合、第１超電導層１１ｃを流れていた電流は、第１基板１１ａ及び第２超電導層１２ｃにバイパスされる。同様にして、第２超電導層１２ｃにクエンチが発生した場合、第２超電導層１２ｃを流れていた電流は、第２基板１２ａ及び第１超電導層１１ｃにバイパスされる。

このように、超電導線材１０は、第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）にクエンチが発生した場合に、２つの経路によって第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）を流れていた電流がバイパスされる。そのため、超電導線材１０によると、耐クエンチ性が改善される。

超電導線材１０においては、第１部材１１及び第２部材１２が、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃが対向するように厚さ方向に沿って重ね合わされているため、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃが、超電導線材１０の中立線に相対的に近い位置に配置されている。

曲げ応力δ、曲げモーメントＭ、断面二次モーメントＩ及び中立線からの距離ｙの関係は、δ＝（Ｍ／Ｉ）×ｙとなる。すなわち、超電導線材１０の中立線に相対的に近い部分は、上記のｙの値が小さくなるため、作用する曲げ応力が小さくなる。したがって、超電導線材１０においては、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃに作用する曲げ応力を低減することができ、その結果として、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃの破損を抑制することができる。

次に、超電導線材１０の付随的な効果を説明する。
第１超電導層１１ｃと第２超電導層１２ｃとが超電導接合されている場合、第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）にクエンチが生じた場合に、第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）に流れていた電流を、常電導体（第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄ）を経由することなく、第２超電導層１２ｃ（第１超電導層１１ｃ）にバイパスさせることができる。また、この場合には、超電導層の厚さが実質的に大きくなるため、超電導層（第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃ）に特性の局所的な劣化が生じにくくなる。

第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄが銀又は銀合金で構成されている場合、第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄが相対的に変形しやすいため、加熱・加圧を行うことで第１保護層１１ｄと第２保護層１２ｄとが直接接合することができる。銀又は銀合金は、接合層１３を構成する材料（典型的には、スズ（Ｓｎ）合金）よりも抵抗率が低いため、この場合には、第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）を流れていた電流を第２超電導層１２ｃ（第１超電導層１１ｃ）にバイパスさせる際の抵抗を低減することができる。

第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄが銀又は銀合金で構成されている場合、銀又は銀合金は、接合層１３を構成する材料（典型的には、スズ合金）と良好な接合性を示すため、第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄと接合層１３との間で良好な接合が達成される。

上記のとおり、第１保護層１１ｄ（第２保護層１２ｄ）は、第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）にクエンチが生じた場合に電流を第２超電導層１２ｃ（第１超電導層１１ｃ）へとバイパスさせる途中に経由する層に過ぎない。そのため、第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄを相対的に薄く形成したとしても、耐クエンチ性に対する影響は小さい。他方で、第１保護層１１ｄ及び第２保護層１２ｄが相対的に薄く形成されることにより、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃが超電導線材１０の中立線のより近くに配置されるため、超電導線材１０に曲げが加わった際に第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃに加わる曲げ応力をさらに低減することができる。

上記のとおり、第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）にクエンチが生じた場合、第１超電導層１１ｃ（第２超電導層１２ｃ）に流れていた電流は、第１基板１１ａ（第２基板１２ａ）にもバイパスされる。第１基板１１ａが第１導電層１１ａｂを有している場合（第２基板１２ａが第２導電層１２ａｂを有している場合）、このバイパスされた電流は、相対的に抵抗値が低い第１導電層１１ａｂ（第２導電層１２ａｂ）を流れることになるため、電流をバイパスさせる際の抵抗値をさらに低減することができる。

第１端部１０ａ（第２端部１０ｂ）において、第１ベース層１１ａａ及び第２ベース層１２ａａの少なくとも一方が除去されることで第１導電層１１ａｂ及び第２導電層１２ａｂの少なくとも一方が露出している場合、相対的に抵抗率が低い第１導電層１１ａｂ、第２導電層１２ａｂを介して外部電源との接続を行うことができる。

第１端部１０ａ（第２端部１０ｂ）において、第１ベース層１１ａａ及び第２ベース層１２ａａの双方が除去されることで第１導電層１１ａｂ及び第２導電層１２ａｂの双方が露出している場合、相対的に抵抗率が低い第１導電層１１ａｂ及び第２導電層１２ａｂの双方を介して外部電源との接続を行うことができる。すなわち、この場合には、外部電源との接続抵抗をさらに低減することができる。

第１端部１０ａ（第２端部１０ｂ）において、第１ベース層１１ａａ及び第２ベース層１２ａａの一方のみが除去されることで第１導電層１１ａｂ及び第２導電層１２ａｂの一方のみが露出している場合には、相対的に抵抗率が低い第１導電層１１ａｂ（第２導電層１２ａｂ）を介して外部電源との接続を行うことができるとともに、第２ベース層１２ａａ（第１ベース層１１ａａ）により第１端部１０ａ（第２端部１０ｂ）の剛性を維持することができる。その結果、超電導線材１０のハンドリング性を改善できる。

＜実施形態に係る積層超電導線材の効果＞
通常の超電導線材において、幅が厚さの数十倍に及ぶことがある。このような超電導線材は、このような寸法に起因して、ハンドリング性に問題がある場合がある。積層超電導線材２０においては、超電導線材１０を厚さ方向に複数枚積層することにより、０．５≦厚さＴ４／幅Ｗ≦２．０となるため、ハンドリング性を改善することができる。

＜実施形態に係る超電導コイルの効果＞
中心軸Ａ周りに巻き回された状態で超電導線材１０が絶縁材料３１に含浸されると、超電導線材１０と絶縁材料３１との間の熱膨張係数の違いに起因して、超電導層を引き剥がす方向の引張応力が加わる。このような引張応力は、超電導線材から超電導層が剥離する原因となりうる。

超電導線材１０においては、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃが第１基板１１ａ及び第２基板１２ａに挟み込まれた構造となっているため、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃに作用する引張応力が低減される。したがって、超電導コイル３０によると、超電導線材１０と絶縁材料３１との熱膨張係数差に起因した引張応力による第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃの剥離を抑制することができる。

超電導コイル３０においては、取り回し部３２における曲率半径が相対的に小さくなりやすい。超電導線材１０においては、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃが超電導線材１０の中立線近くに配置されることになるため、超電導線材１０に曲げが加わった際に、第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃに作用する曲げ応力を低減することができる。そのため、超電導線材１０を用いることにより、取り回し部３２における曲率半径の最小値Ｒ_ｍｉｎが２０ｍｍ以下となるような超電導コイル３０を構成することが可能になる。

＜実施形態に係る超電導ケーブルの効果＞
上記のとおり、超電導線材１０においては、超電導線材１０に曲げが加わった際に第１超電導層１１ｃ及び第２超電導層１２ｃに作用する曲げ応力を低減することができる。そのため、超電導線材１０を用いることにより、曲率半径の最小値Ｒ_ｍｉｎが２０ｍｍ以下となるような超電導ケーブル４０を構成することが可能となる。

今回開示された実施の形態は全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の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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０ 超電導線材、１０ａ 第１端部、１０ｂ 第２端部、１１ 第１部材、１１ａ 第１基板、１１ａａ 第１ベース層、１１ａｂ 第１導電層、１１ｂ 第１中間層、１１ｃ 第１超電導層、１１ｄ 第１保護層、１２ 第２部材、１２ａ 第２基板、１２ａａ 第２ベース層、１２ａｂ 第２導電層、１２ｂ 第２中間層、１２ｃ 第２超電導層、１２ｄ 第２保護層、１３ 接合層、１４ 接合層、１５ リード、Ｒ_ｍｉｎ 曲率半径の最小値、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 厚さ、Ｗ 幅、２０ 積層超電導線材、３０ 超電導コイル、３１ 絶縁材料、３２ 取り回し部、４０ 超電導ケーブル、４１ フォーマ。

この場合、第１部材１１と第２部材１２とは（第１超電導層１１ｃ上にある第１保護層１１ｄと第２超電導層１２ｃ上にある第２保護層１２ｄとは）、第１部材１１及び第２部材１２を所定の温度に加熱するとともに、両部材を相互に加圧することで接合される。この所定の温度は、例えば５００℃以上６００℃以下である。

図１０は、実施形態の第１変形例に係る積層超電導線材２０の断面図である。図１０に示されるように、積層超電導線材２０の長手方向に直交する断面形状は、例えば、円形形状を有していてもよい。

Claims (16)

1. 第１部材と、第２部材とを備える超電導線材であって、
   前記第１部材は、導電性の材料で構成される第１基板と、前記第１基板上に配置され、かつ、導電性の材料で構成される第１中間層と、前記第１中間層上に配置され、かつ、超電導材料で構成される第１超電導層とを有し、
   前記第２部材は、導電性の材料で構成される第２基板と、前記第２基板上に配置され、かつ、導電性の材料で構成される第２中間層と、前記第２中間層上に配置され、かつ、超電導材料で構成される第２超電導層とを有し、
   前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１超電導層と前記第２超電導層とが対向するように前記超電導線材の厚さ方向に沿って重ねられ、
   前記第１超電導層は、前記第２超電導層と電気的に接続されている、超電導線材。
2. 前記第１超電導層は、前記第２超電導層と超電導接合されている、請求項１に記載の超電導線材。
3. 前記第１部材は、前記第１超電導層上に配置され、かつ、銀又は銀合金で構成される第１保護層をさらに有し、
   前記第２部材は、前記第２超電導層上に配置され、かつ、銀又は銀合金で構成される第２保護層をさらに有し、
   前記第１保護層は、前記第２保護層と直接接合されている、請求項１に記載の超電導線材。
4. 接合層をさらに備え、
   前記第１部材は、前記第１超電導層上に配置され、かつ、導電性の材料で構成される第１保護層をさらに有し、
   前記第２部材は、前記第２超電導層上に配置され、かつ、導電性の材料で構成される第２保護層をさらに有し、
   前記第１保護層は、前記接合層を介して前記第２保護層に接合されている、請求項１に記載の超電導線材。
5. 前記第１保護層及び前記第２保護層は、銀又は銀合金で構成され、
   前記接合層は、はんだで構成される、請求項４に記載の超電導線材。
6. 前記超電導線材の長手方向における端部では、前記第１部材及び前記第２部材のいずれか一方が除去されることにより前記接合層が露出している、請求項４又は請求項５に記載の超電導線材。
7. 前記第１保護層及び前記第２保護層の厚さは、５μｍ以下である、請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の超電導線材。
8. 前記第１基板は、第１ベース層と、前記第１ベース層と前記第１中間層との間に配置され、かつ、前記第１ベース層を構成する材料よりも抵抗率が低い材料で構成される第１導電層とを含み、
   前記第２基板は、第２ベース層と、前記第２ベース層と前記第２中間層との間に配置され、かつ、前記第２ベース層を構成する材料よりも抵抗率が低い材料で構成される第２導電層とを含む、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の超電導線材。
9. 前記超電導線材の長手方向における端部では、前記第１ベース層が除去されることにより前記第１導電層が露出している、請求項８に記載の超電導線材。
10. 前記超電導線材の長手方向における端部では、前記第２ベース層が除去されることにより前記第２導電層が露出している、請求項８又は請求項９に記載の超電導線材。
11. 前記第１導電層及び前記第２導電層は、銅又は銅合金で構成され、
    前記第１基板及び前記第２基板は、ステンレス鋼又はハステロイで構成される、請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載の超電導線材。
12. 前記超電導線材の長手方向における端部では、前記第１部材及び前記第２部材が互いに離間している、請求項１に記載の超電導線材。
13. 複数の請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の前記超電導線材を備える積層超電導線材であって、
    前記超電導線材の各々は、前記積層超電導線材の厚さ方向に沿って重ねられ、
    前記積層超電導線材の厚さを前記積層超電導線材の長手方向に直交する方向での前記積層超電導線材の幅で除した値は、０．５以上２．０以下である、積層超電導線材。
14. 請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の前記超電導線材と、絶縁材料とを備える超電導コイルであって、
    前記超電導線材は、前記超電導コイルの中心軸周りに巻き回され、かつ前記絶縁材料に含浸されている、超電導コイル。
15. 前記超電導線材は、前記超電導コイルの中心軸周りに巻き回された部分から引き出された取り回し部を有しており、
    前記取り回し部における前記超電導線材の曲率半径の最小値は、２０ｍｍ以下である、請求項１４に記載の超電導コイル。
16. 請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の前記超電導線材と、フォーマとを備える超電導ケーブルであって、
    前記超電導線材は、前記フォーマの外周面上において、前記フォーマの中心軸周りのらせん状に巻き回され、
    前記超電導線材の曲率半径の最小値は、２０ｍｍ以下である、超電導ケーブル。

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