WO2011129252A1

WO2011129252A1 - 超電導線材の電極部接合構造、超電導線材、及び超電導コイル

Info

Publication number: WO2011129252A1
Application number: PCT/JP2011/058774
Authority: WO
Inventors: 正志原口; 真司藤田; 雅載大保
Original assignee: 株式会社フジクラ
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2011-10-20
Also published as: KR20130057964A; EP2544198A4; CN102834878B; US8498680B2; US20130040819A1; EP2544198A1; CN102834878A; JP2011228065A; JP5568361B2; EP2544198B1

Abstract

　この超電導線材の電極部接合構造は、第１の基材と、この第１の基材上に設けられた第１の超電導層と、この第１の超電導層上に設けられた第１の導電層とを備える超電導線材と；前記超電導線材の端部における前記第１の導電層上に設けられた電極と；第２の基材と、この第２の基材上に設けられた第２の超電導層と、この第２の超電導層上に設けられた第２の導電層とを備え、前記電極の少なくとも一部を覆うように設けられるカバー用超電導テープと；を備え、前記カバー用超電導テープの前記第２の導電層が、前記電極側に配置され、前記電極と前記超電導線材と前記カバー用超電導テープとが、電気的に互いに接続されている。

Description

超電導線材の電極部接合構造、超電導線材、及び超電導コイル

　本発明は、超電導線材の電極部接合構造、超電導線材、及び超電導コイルに関する。
　本願は、２０１０年４月１６日に、日本に出願された特願２０１０－０９５３７７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　近年、超電導体を線材に加工した超電導線材を用いた電力応用機器として、種々の機器装置の開発が進められている。例えば、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（Superconducting Magnetic Energy Storage、以下、ＳＭＥＳと略称する）は、他のエネルギー貯蔵装置と比べて、エネルギー出入速度が速い等の特徴を有しており、精力的に開発が進められている。また、変圧器に代表される交流コイル、電動機や発電機に代表される超電導回転機、常電導時高抵抗線材を使用した限流器等の開発も進められている。このような超電導体としては、金属系超電導体や酸化物系超電導体が知られている。

　ＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎ等の金属系超電導体は、４．２Ｋ程度の極低温まで冷却しなければ超電導状態を得ることができないため、冷却コストが高く、実用化の弊害となっている。また、金属系超電導体は、臨界電流を越える電流が流れると即座に常電導転移を起こし、超電導状態を維持することができないことが知られている。そのため、このような金属系超電導体を線材に加工してコイル体とし、ＳＭＥＳに応用すると、線材に臨界電流を超える電流が流れるとこの線材が即座に常電導転移を起こし、コイルに蓄積されていたエネルギーが放出されてしまうという問題がある。

　一方、Ｂｉ（ビスマス）系やＹ（イットリウム）系の酸化物超電導線材を用いた場合は、超電導線材の超電導転移温度が比較的高く、線材を超電導状態にするための冷却材として７７．３Ｋの液体窒素を用いることができるため、冷却コストを大幅に低減することが可能である。また、Ｂｉ系やＹ系の酸化物超電導線材の場合は、臨界電流を超える電流を流しても磁束流領域と称される温度範囲であれば、常電導転移を生じることなく超電導状態を維持することができる。そこで、このような酸化物超電導線材の利点を活かした応用が期待されている。

　近年、テープ状のＹ系酸化物超電導線材では、テープ幅が５ｍｍで、液体窒素により７７．３Ｋまで冷却し、外部磁場０Ｔとした場合の臨界電流が約１００～３００Ａという超電導特性を有する線材が入手可能である。このような酸化物超電導線材は、例えば、パンケーキ型のコイル（パンケーキコイル）等として利用することができる。このパンケーキコイルは、テープ状の酸化物超電導線材を筒状の巻枠に同心円状に巻回して形成されるコイルであり、超電導線材の始端部および終端部に、それぞれ、外部接続用電極が取り付けられた超電導コイルが開示されている（例えば、下記特許文献１参照）。

日本国特開２００８－１４０９３０号公報

　上記特許文献１に記載の超電導コイルは、一面側が超電導層側であり、他面側が基板側である多層構造の薄膜超電導線材を巻回して形成されたパンケーキコイルにおいて、薄膜超電導線材の最内周ターンの先端内周面に内電極、最外周ターンの先端外周面に外電極が取り付けられている。
　しかしながら、上記特許文献１に記載されるような構造の超電導コイルに、外部励磁用電源から電極を通して通電を行うと、外部からの浸入熱および接続部の発熱による電極付近の温度上昇に起因し、電極付近の超電導体が超電導状態から常電導状態へと遷移する常電導転移を生じ、超電導コイルの焼損を引き起こす可能性があるという問題があった。

　本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、電極付近の温度上昇を抑制できる超電導線材の電極部接合構造、電極付近における常電導転移の発生を抑制でき、焼損が起こらないようにできる超電導線材および超電導コイルの提供を目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用した。
　本発明の一態様に係る超電導線材の電極部接合構造は、第1の基材と、この第1の基材上に設けられた第1の超電導層と、この第1の超電導層上に設けられた第1の導電層とを備える超電導線材と；前記超電導線材の端部における前記第1の導電層上に設けられた電極と；第２の基材と、この第２の基材上に設けられた超電導層と、この第２の超電導層上に設けられた第２の導電層とを備え、前記電極の少なくとも一部を覆うように設けられるカバー用超電導テープと；を備え、前記カバー用超電導テープの前記第２の導電層が、前記電極側に配置され、前記電極と前記超電導線材と前記カバー用超電導テープとが、電気的に互いに接続されている。
　前記超電導線材と、前記カバー用超電導テープと、前記電極との間隙に充填される緩衝部材をさらに備えていてもよい。
　前記緩衝部材が、熱硬化性樹脂より形成されていてもよい。
　前記電極と前記超電導線材と前記カバー用超電導テープとが、半田を介して電気的に互いに接続されていてもよい。
　本発明の別の態様に係る超電導線材は、上記の電極部接合構造を備える。
　本発明のさらに別の態様に係る超電導コイルは、超電導線材により形成されたコイル体を備え、前記超電導線材が、導電層側の表面を外側にして巻回され、上記電極部接合構造を備える。

　上記本発明の一態様に係る超電導線材の電極部接合構造によれば、超電導線材の端部に設けられた電極の上面を覆うように、カバー用超電導テープが設けられ、超電導線材の安定化層（導電層）とカバー用超電導テープの安定化層（導電層）が、それぞれ、電極の上面と下面とに接合され、電極と超電導線材とカバー用超電導テープとが電気的に互いに接続された構造を採用した。この構造により、電極付近の超電導線材およびカバー用超電導テープのそれぞれに流れる電流は小さくなり、電極と超電導線材との接触抵抗により生じるジュール熱を小さくできる。従って、電極の温度上昇を抑えることができるので、電極付近の超電導線材の温度上昇および常電導転移を抑制することが可能であり、超電導線材の焼損が起こらないようにできる。
　また、冷媒等により超電導線材が冷却される際には、その周囲の部材も伝導冷却される。上記本発明の一態様に係る超電導線材の電極部接合構造では、電極の一方の面に超電導線材、電極の他方の面にカバー用超電導テープを、それぞれ電極と電気的に接続するように配する構成を採用した。この構成により、従来の超電導線材の電極部接合構造と比較して、カバー用超電導テープも介して電極を効率的に冷却することが可能であり、外部からの侵入熱による電極の温度上昇を抑制して、超電導線材の常電導転移の発生を抑制し、焼損が起こらないようにできる。

　さらに、上記本発明の一態様に係る超電導線材の電極部接合構造によれば、超電導線材とカバー用超電導テープと電極とで形成される間隙に、緩衝部材が充填される構成を採用した。この構成により、曲げ、歪み等の機械的な力が加わった場合でも、超電導線材の特性が劣化することを防ぐことができる。また、上記のように緩衝部材が充填されていることにより、冷媒等により超電導線材およびカバー用超電導テープが冷却される際に、緩衝部材も伝導冷却されるので、電極をより効果的に冷却することができる。
　上記本発明の別の態様に係る超電導線材およびさらに別の態様に係る超電導コイルは、上記本発明の一態様に係る電極部接合構造を備える。この構成により、伝導冷却の際に、電極を効率的に冷却することが可能である。このため、電極付近の超電導線材の温度上昇および常電導転移を抑制することが可能であり、焼損が起こらないようにできる。

本発明の一実施形態に係る超電導線材の電極部接合構造を示す断面図である。同実施形態に係る超電導線材の電極部接合構造を示す上面図である。図１Ａおよび図１Ｂに示す電極部接合構造が備える超電導線材の一例を示す概略斜視図である。本発明の一実施形態に係る超電導コイルを示す概略斜視図である。カバー用超電導テープの基材表面の曲率半径ｒと臨界電流との関係を示すグラフである。

　以下、本発明の一実施形態に係る超電導線材の電極部接合構造を説明する。
　図１Ａは、本発明の一実施形態に係る超電導線材の電極部接合構造を示す断面図である。図１Ｂは、同実施形態に係る超電導線材の電極部接合構造を示す上面図である。また、図２は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電極部接合構造が備える超電導線材の一例を示す概略斜視図である。なお、図１Ａでは、説明を簡単にするため、各超電導線材の一部の層を省略して示している。

　図１Ａおよび図１Ｂに示す超電導線材の電極部接合構造１０は、超電導線材１と、超電導線材１上に設けられた電極３と、電極３の一部を覆うように超電導線材１上に設けられたカバー用超電導テープ２とを有している。
　超電導線材１及びカバー用超電導テープ２は、それぞれ、テープ状の基材１１と反対側の表面（後述する各安定化層１９の表面）が電極３と接し、電気的に電極３と接続されるように配されている。また、超電導線材１とカバー用超電導テープ２と電極３とで形成される間隙には、緩衝部材４が充填されている。

　図２に示すように、超電導線材１は、テープ状の基材１１の上にベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７とが積層されるとともに、酸化物超電導層（超電導層）１７の上に安定化基層１８と安定化層（導電層）１９が積層され、全体が絶縁性の被覆層２０で覆われて概略構成されている。なお、超電導線材１において、ベッド層１２を略することもできる。また、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、超電導線材１の端部において被覆層２０が除去され、被覆層２０から引き出された電極接続端１ａ上に、電極３とカバー用超電導テープ２と緩衝部材４とが配されている。

　本実施形態の超電導線材１に適用できる基材１１は、通常の超電導線材の基材として使用でき、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなる基材であることが好ましい。例えば、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金等の各種金属材料、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基材等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。
　なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適である。ハステロイとして、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等のいずれの種類も使用できる。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０～５００μｍである。

　ベッド層１２は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するための層であり、その上に配される膜の配向性を得るために用いられる。このようなベッド層１２は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層１２は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成される。このベッド層１２の厚さは、例えば１０～２００ｎｍである。
　また、本発明において、超電導線材１の構造は図２に示す構造のみに限られず、基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層が介在された構造であっても良い。拡散防止層は、基材１１の構成元素拡散を防止する目的で形成された層で、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、あるいは希土類金属酸化物等から構成される。拡散防止層の厚さは、例えば１０～４００ｎｍである。なお、拡散防止層の結晶性は問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すればよい。
　このように基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層を介在させることにより、後述する中間層１５やキャップ層１６および酸化物超電導層１７等の他の層を形成する際に、必然的に加熱されたり、熱処理される結果として熱履歴を受ける場合に、基材１１の構成元素の一部がベッド層１２を介して酸化物超電導層１７側に拡散することを抑制できる。また、拡散防止層とベッド層１２の２層構造を採用することで、基材１１側からの元素拡散を効果的に抑制できる。基材１１とベッド層１２との間に拡散防止層を介在させる場合の例としては、拡散防止層としてＡｌ_２Ｏ_３を用い、ベッド層１２としてＹ_２Ｏ_３を用いる組み合わせを例示することができる。

　中間層１５は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層される酸化物超電導層１７の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から選択される。中間層１５の好ましい材質として、具体的には、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２－Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物を例示できる。
　この中間層１５をイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１５゜以下）で成膜すれば、その上に形成するキャップ層１６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができる。これにより、キャップ層１６の上に成膜する酸化物超電導層１７の結晶配向性を良好にでき優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。

　中間層１５の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．００５～２μｍの範囲とすることができる。
　中間層１５は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；塗布熱分解法（ＭＯＤ法）；溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、酸化物超電導層１７やキャップ層１６の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、下地の蒸着面に対して所定の角度で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。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ又はＺｒＯ_２－Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）からなる中間層１５は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。

　キャップ層１６は、中間層１５の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成された層が好ましい。このようなキャップ層１６は、前記金属酸化物層からなる中間層１５よりも高い面内配向度が得られる。
　キャップ層１６の材質は、上記機能を発現し得る材料であれば特に限定されない。好ましい材料として、具体的には、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ_２である場合、キャップ層１６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。

　このＣｅＯ_２層は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが望ましい。ＰＬＤ法によるＣｅＯ_２層の成膜条件としては、基材温度が約５００～１０００℃であって、圧力が約０．６～１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
　ＣｅＯ_２層の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましく、５００ｎｍ以上であれば更に好ましい。但し、膜厚が厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、膜厚は５００～１０００ｎｍとすることが好ましい。

　酸化物超電導層１７は、公知の層で良く、具体的には、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質の層を例示できる。この酸化物超電導層１７として、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－Ｘ）などを例示できる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_ｎ－１Ｃｕ_ｎＯ_{４＋２ｎ＋δ}なる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなる層を用いても良い。
　酸化物超電導層１７の厚さは、０．５～５μｍ程度であって、均一な厚さであることが好ましい。
　酸化物超電導層１７は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層することができる。なかでも、生産性の観点から、ＴＦＡ－ＭＯＤ法（トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法）、ＰＬＤ法又はＣＶＤ法を用いることが好ましい。
　このＭＯＤ法は、金属有機酸塩を塗布後熱分解させる方法であって、金属成分の有機化合物を均一に溶解した溶液を基材上に塗布した後、これを加熱して熱分解させることにより基材上に薄膜を形成する方法である。このため、真空プロセスを必要とせず、低コストで高速成膜が可能であるため長尺のテープ状酸化物超電導導体の製造に適している。

　ここで、前述のように、良好な配向性を有するキャップ層１６上に酸化物超電導層１７を形成すると、このキャップ層１６上に積層される酸化物超電導層１７もキャップ層１６の配向性に整合するように結晶化する。よって、キャップ層１６上に形成された酸化物超電導層１７は、結晶配向性に乱れが殆どない。また、この酸化物超電導層１７を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、基材１１の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、基材１１の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している。従って、得られた酸化物超電導層１７は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、基材１１の長さ方向に電気を流し易くなる。よって、十分に高い臨界電流密度が得られる。

　酸化物超電導層１７の上に積層されている安定化基層１８は、Ａｇなどの良電導性かつ酸化物超電導層１７と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。
　安定化層１９は、良導電性の金属材料からなり、酸化物超電導層１７が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、安定化基層１８とともに、酸化物超電導層１７の電流が転流するバイパスとして機能する。
　安定化層１９を構成する金属材料としては、良導電性を有する材料であればよく、特に限定されないが、Ｃｕ等の比較的安価な材料を用いることが好ましい。これにより、材料コストを低く抑えながら安定化層１９の膜厚を厚くすることが可能となる。よって、事故電流に耐える超電導線材１を安価に得ることができる。

　図１Ａおよび図１Ｂに示すように、上記のように構成された超電導線材１の端部である電極接続端１ａにおいては、超電導線材１の安定化層１９の表面に電極３が接合部５ｃを介して接合されている。さらに、電極３の一部を覆うように超電導線材１の電極接続端１ａ上にカバー用超電導テープ２が設けられている。

　電極３は、電極材料として従来公知の材料を用いることが可能であり、高い導電性を有する金属、例えば、金、白金、銀、銅、またはこれらの金属を少なくとも１種含む合金が挙げられ、中でも、銅が好ましい。電極３のサイズは、後述するカバー用超電導テープ２への歪（曲がり）が大きくなり過ぎず、その超電導特性を著しく劣化させない範囲で、適宜調整可能である。また、電極３の超電導線材１の短手方向の長さは、図１Ｂに示すように、超電導線材１の幅よりも長く設定されており、後述するカバー用超電導テープ２により電極３の一部が覆われ、カバー用超電導テープ２により覆われずに露出した部分は、電極３と外部励磁用電源（図示略）との間を導通させるリード部３ａとして機能する。このように、電極３とリード部３ａとを１つの板状の金属（例えば、超電導線材１の線幅５ｍｍの場合、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの銅板を使用可能である。）により形成することにより、電極３へリード部を設置する工程を省くことが可能である。なお、電極３の一部または全部が、カバー用超電導テープ２により覆われるように設置し、別の導電性を有する材料により形成されるリード部を電極３と導通するように設けることも可能である。電極３にリード部を別に設ける場合、半田を介しての接合等、通常の接合方法により電極３にリード部を設ければよい。

　電極３と超電導線材１との接合部５ｃを介しての接合は、電気的および機械的に接続されていればよく、例えば、半田付け、超音波溶接、抵抗溶接、導電性接着剤等により接合することができる。電極３と超電導線材１とを接合する接合部５ｃとしては、汎用性、接合性、取り扱いの容易性の点で半田が好ましい。半田としては、特に限定されず、例えば、Ｐｂ－Ｓｎ系合金半田、Ｓｎ－Ａｇ系合金、Ｓｎ－Ｂｉ系合金、Ｓｎ－Ｃｕ系合金、Ｓｎ－Ｚｎ系合金等の鉛フリー半田、共晶半田、低温半田等が挙げられる。これらの半田を１種または２種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、融点が３００℃以下の半田を用いることが好ましい。これにより、３００℃以下の温度で半田付けすることが可能となるので、半田付けの熱によって酸化物超電導層１７の酸素が抜け、その特性が劣化することを抑止できる。

　カバー用超電導テープ２としては、超電導線材１と同様の材料を用いることができる。
　ここで、超電導線材１とカバー用超電導テープ２とは、同じ層構成（設けられる層の種類および構成材料が同じ）であってもよく、異なる層構成であってもよい。同じ層構成とすれば、超電導線材１の一部を切断して、或いは超電導線材１の端部を安定化層１９が内側となるように折り曲げて、カバー用超電導テープ２として用いることができるため、簡便である。本実施形態では、カバー用超電導テープ２として、超電導線材１と同じ層構成を用いる場合を例にして説明する。カバー用超電導テープ２は、基材１１とベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７と安定化基層１８と安定化層（導電層）１９とを備えている。

　カバー用超電導テープ２は、その安定化層１９の表面が、超電導線材１の電極接続端１ａの表面（超電導線材１の安定化層１９の表面）および電極３の上面に対向して配されている。カバー用超電導テープ２の両端部の安定化層１９の表面２ａ、２ｂは、超電導線材１の安定化層１９の表面に接合部５ａ、５ｂを介して接合されており、また、カバー用超電導テープ２の安定化層１９の表面と電極３とは接合部５ｄを介して接合されている。
　カバー用超電導テープ２と電極３との接合部５ｄを介した接合は、電気的および機械的に接続されていればよく、上述の超電導線材１と電極３との接合と同様の手法により行うことができ、接合部５ｄとしては接合部５ｃと同様の接合が挙げられる。また、カバー用超電導テープ２の両端部の安定化層１９の表面２ａ、２ｂと、超電導線材１の安定化層１９の表面との接合部５ａ、５ｂを介した接合も同様の手法により行うことができ、接合５ａ、５ｂとしては接合部５ｃと同様の接合が挙げられる。

　超電導線材１の安定化層１９の表面と電極３の下面との接合（接合部５ｃ）、および、カバー用超電導テープ２の安定化層１９と電極３の上面との接合（接合部５ｄ）は、半田付け等により同時に行うことが好ましい。これらの接合を同時に行うことにより、接続作業に要する時間を短縮することができるので、接続部５ｃ、５ｄが半田付け等により加熱されることにより酸化物超電導層１７まで熱が伝わり、酸化物超電導体の酸素が抜けて超電導特性が劣化することを抑制できる。また、これらの接合を同時に行うことにより、接合部５ｃが溶融して電極３が位置ズレすることを抑制できる。なお、カバー用超電導テープ２を配設する際に、電極３と超電導線材１の安定化層１９とが接合部５ｃを介して接合されているため、カバー用超電導テープ２の両端部の表面２ａ、２ｂと超電導線材１の表面のみを接合部５ａ、５ｂを介して接合させて、カバー用超電導テープ２と電極３との接合である接合部５ｄを省略することも可能である。この場合、カバー用超電導テープ２の安定化層１９と電極３とが接触しており、この接触状態が保持され、カバー用超電導テープ２と電極３とが電気的に接続されるようにカバー用超電導テープ２が配置されていなければならない。

　超電導線材１とカバー用超電導テープ２との接合位置（カバー用超電導テープ２の両端部表面）２ａ、２ｂは、電極３とは十分に離間した距離とすることが好ましい。具体的には、カバー用超電導テープ２の基材１１の表面１１ａの曲率半径ｒが１１ｍｍを超えるように、接合位置２ａ、２ｂを設定することが好ましい。曲率半径ｒが１１ｍｍ以下の場合、カバー用超電導テープ２の曲がりが大きくなり、カバー用超電導テープ２の酸化物超電導層１７に大きな歪を与える。このため、カバー用超電導テープ２の酸化物超電導層１７の超電導特性が劣化して接合性が低下する虞がある。また、電極３と接合位置２ａ、２ｂが近接しすぎるため、接合位置２ａ、２ｂの発熱と電極３の発熱とが重畳して超電導線材１の超電導特性が劣化してしまう可能性がある。

　従来公知の超電導線材の電極部接合構造は、超電導線材の端部に電極が設置されており、電極の接合面以外の面は外気に曝される構成となっていた。このような従来の構成の電極部接合構造を有する超電導線材および超電導コイルに対して伝導冷却を行うと、外部からの侵入熱や、電極と超電導線材との接続抵抗に起因するジュール熱の発生により電極の温度上昇が起こり、電極付近の超電導線材の温度が上昇することがあった。このように超電導線材の温度が上昇すると、電極に近い超電導線材の部分において超電導状態から常電導状態へと常電導転移が生じてしまい、この部分の抵抗が瞬時に大きくなることにより超電導線材の焼損を引き起こすかもしれない虞があった。

　これに対し、本実施形態に係る超電導線材の電極部接合構造１０では、超電導線材１の端部に設けられた電極３の上面を覆うように、カバー用超電導テープ２を設け、超電導線材１の安定化層１９とカバー用超電導テープ２の安定化層１９を、それぞれ、電極３の上面と下面とに接合し、これらが電気的に互いに接合した構造を採用した。これにより、電極３付近の超電導線材１およびカバー用超電導テープ２のそれぞれ１本当りに流れる電流は小さくなり、電極３と超電導線材１との接触抵抗により生じるジュール熱を小さくすることができる。
　従って、電極３の温度上昇を抑えることができるので、電極３付近の超電導線材１の温度上昇および常電導転移を抑制することが可能であり、超電導線材１の焼損が生じないようにできる。
　また、伝導冷却の際には、超電導線材１が冷却されるため、本実施形態のように電極３の一方の面に超電導線材１、電極３の他方の面に超電導線材１と同様の構成のカバー用超電導テープ２を配する構成とすることにより、従来の超電導線材の電極部接合構造と比較して、電極３を効率的に冷却することが可能である。また、外部からの侵入熱による電極３の温度上昇を抑制し、超電導線材１の常電導転移に起因する焼損を抑制できる。

　本実施形態の超電導線材の電極部接合構造１０では、図１Ａに示すように、超電導線材１とカバー用超電導テープ２と電極３とで形成される間隙に、緩衝部材４が充填されていることが好ましい。緩衝部材４を充填することにより、特に、曲げ、歪み等の機械的な力が加わった場合でも、超電導線材１の特性が劣化することを防ぐことができる。さらに、このように緩衝部材４を充填することにより、冷媒等により超電導線材１およびカバー用超電導テープ２が冷却される際に、緩衝部材４も伝導冷却されるので、電極３をより効果的に冷却できる。

　緩衝部材４としては、熱硬化性樹脂等より形成されることが好ましく、例えば、ガラス繊維入りのエポキシ系樹脂等が挙げられるが、超電導線材１と電極３とカバー用超電導テープ２との間隙を埋めて、電極部接合構造１０の機械的強度を高めることができる材料であればよい。緩衝部材４を熱硬化性樹脂より形成する場合、熱硬化性樹脂を加熱、硬化することにより、電極部３およびリード部３ａを超電導線材１およびカバー用超電導テープ２と一体化することができる。これにより、機械的強度をより高めることができる。なお、緩衝部材４を熱硬化性樹脂より形成する場合は、超電導線材１と電極３とカバー用超電導テープ２との接合（電極－線材接合工程）を行った後に、超電導線材１と電極３とカバー用超電導テープ２との間隙に熱硬化性樹脂を充填させて、電極－線材接合工程の加熱温度よりも低い温度で熱硬化性樹脂を加熱して硬化させることが好ましい。具体的には、例えば、電極－線材接合工程において接合部５ａ～５ｄの接合を１８０℃の半田付けにより行った後に、熱硬化性樹脂を前記間隙に充填して１５０℃で３時間加熱することにより緩衝部材４を形成することができる。緩衝部材４の形成工程の温度を、電極－線材接合工程の温度よりも低く設定することにより、電極３の接合が溶融して位置ズレすることを抑制できる。

　次に、本発明の一実施形態に係る超電導線材について説明する。
　本実施形態の超電導線材１０Ａは、前述した超電導線材の電極部接合構造１０をその端部に備える。本実施形態の超電導線材１０Ａの端部は、図１Ａおよび図１Ｂに示す電極部接合構造１０と同じ層構成および構造であり、端部以外の部分では、図２に示す超電導線材１と同様の層構成および構造である。

　本実施形態の超電導線材１０Ａは、本実施形態の電極部接合構造１０を備えることにより、伝導冷却の際に、電極３を効率的に冷却することが可能である。また、電極３付近の超電導線材１の温度上昇および常電導転移を抑制することが可能であるため、焼損が起こらないようにするができる。

　続いて、本発明の一実施形態に係る超電導コイルについて説明する。
　図３は、本発明の一実施形態に係る超電導コイル１００を示す概略斜視図である。
　超電導コイル１００は、第１のコイル体１０１、第２のコイル体１０２、第３のコイル体１０３および第４のコイル体１０４が、順次同軸上に積層されて構成されている。
　第１のコイル体１０１は、超電導線材１０Ａが安定化層１９の表面を外側として、巻枠１０７に同心円状、時計回りに多数巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体である。第２のコイル体１０２は、超電導線材１が安定化層１９側を外側として、巻枠１０７に同心円状、反時計回りに多数巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体であり、第１のコイル体１０１の上方に、絶縁性のプリプレグシートなどより構成される仕切り枠１０６を介して積層されている。第３のコイル体１０３は、超電導線材１が安定化層１９側を外側として、巻枠１０７に同心円状、時計回りに多数巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体であり、第２のコイル体１０２の上方に、仕切り枠１０６を介して積層されている。第４のコイル体１０４は、超電導線材１０Ａが安定化層１９の表面を外側として、巻枠１０７に同心円状、反時計回りに多数巻回されて構成されたパンケーキ型のコイル体であり、第３のコイル体１０３の上方に、仕切り枠１０６を介して積層されている。

　第１のコイル体１０１は、巻回終端である外周端部に電極部接合構造１０を備えている。超電導線材１上に配された電極３は、カバー用超電導テープ２によりその一部が覆われ、超電導線材１と電極３とカバー用超電導テープ２とが電気的に接続された構造となっている。電極３と一体形成されたリード部３ａは、図示略の外部励磁用電源に接続されている。
　第４のコイル体１０１も、第１のコイル体１０１と同様に、その外周端部に電極部接合構造１０を備えており、カバー用超電導テープ２により覆われた電極３および電極３と一体形成されたリード部３ａとを有する。第２のコイル体１０２の外周端部１０２ａおよび第３のコイル体１０３の端部１０３ａは、それぞれ、図２に示す超電導線材１の被覆層２０が除去され、被覆層２０から引き出され安定化層１９が外側に露出した構造となっている。各端部１０２ａ、１０３ａ同士は、隣接するように配置されている。そして、各端部１０２ａ、１０３ａの各安定化層１９上には、銅等の導電性の高い材料よりなる接続板１０５が配置されている。第２のコイル体１０２と第３のコイル体１０３とは、電気的および機械的に互いに接続されている。また、第１のコイル体１０１の内周端部と第２のコイル体１０２の内周端部、および、第３のコイル体１０３の内周端部と第４のコイル体１０４の内周端部においても同様に、接続板１０５により各コイル体の内周端部が電気的および機械的に接続されている。このような構造の超電導コイル１００は、第１のコイル体１０１～第４のコイル体１０４が電気的に接続されている。例えば、第１のコイル体１０１の電極３に励磁電流を入力すると、励磁電流が第１のコイル体１０１、第２のコイル体１０２、第３のコイル体１０３、第４のコイル体１０４へと順次流れ、第４のコイル体１０４の電極３より出力される。

　本実施形態の超電導コイル１００は、本実施形態の電極部接合構造１０を備えることにより、液体窒素への浸漬冷却や冷凍機伝導冷却などにより超電導コイル１００を冷却する際に、電極３を効率的に冷却することが可能である。また、電極３付近の超電導線材１の温度上昇および常電導転移を抑制することが可能であるため、焼損が起こらないようにすることができる。
　なお、本実施形態においては、パンケーキ型のコイル体を４個積層させた超電導コイル１００を例示したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、１～３個のコイル体より形成されていても良いし、５個以上のコイル体より形成されていてもよい。
　また、各コイル体は、超電導線材１または１０Ａをプリプレグテープ等の含浸固定の役割を兼ねた絶縁テープと重ねて巻枠１０７に巻回させてパンケーキ型のコイル体とし、これを加熱処理して一体的に固化することにより形成してもよい。コイル体の含浸固定方法は、プリプレグテープによる含浸の他、真空加圧含浸、超電導線材１または１０Ａの巻回時の含浸樹脂塗布による含浸などでもよい。

　以上、本実施形態の超電導線材の電極部接合構造、超電導線材および超電導コイルについて説明したが、上記実施形態において、超電導線材の電極部接合構造の各部、超電導線材の各部、超電導コイルを構成する各部は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

　以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されない。
（実施例１）
　幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）により１．２μｍ厚のＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７（ＧＺＯ；中間層）を形成した上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により１．０μｍ厚のＣｅＯ_２（キャップ層）を成膜した。次いで、Ｃｅ_２Ｏ層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（超電導層）を形成した。さらに、超電導層上に５～１０μｍの銀層（安定化基層）と０．１ｍｍ厚の銅層（安定化層）からなる積層構造体を張り合わせて超電導線材を作製した。得られた超電導線材の端部の安定化層上に、幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの無酸素銅よりなる電極を、図１Ｂに示すように配置した。この電極上に、上記で作製した超電導線材と同様の構成のカバー用超電導テープ（幅５ｍｍ、長さ１５ｃｍ）を、カバー用超電導線材の基材表面の曲率半径ｒが８５ｍｍとなるように配置して、図１Ａおよび図１Ｂに示す構造の電極部接合構造を有する超電導線材を作製した。なお、超電導線材、電極、カバー用超電導テープの接合は、半田付け（Ｐｂ－Ｓｎ系合金半田；Ｓｎ６０％、Ｐｂ４０％、融点１８０℃）により行った。

　上記と同様に複数の超電導線材および図１Ａおよび図１Ｂに示す電極部接合構造を有する超電導線材を作製した後、これらの超電導線材より図３に示す構造の超電導コイルを作製した。
　得られた超電導コイルを冷凍機により伝導冷却（冷却温度３０Ｋ）し、励磁電流を超電導コイルに流したところ、電極および電極付近の超電導線材が発熱することなく電気的に接続された。

　以上の結果より、本発明に係る超電導線材の電極部接合構造、超電導線材、および超電導コイルによれば、電極付近の超電導線材の温度上昇および常電導転移を抑制することが可能であるため、焼損を抑制するができることが明らかである。

（実施例２）
　カバー用超電導線材の基材表面の曲率半径ｒを６～１９ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして、図１Ａおよび図１Ｂに示す構造の電極部接合構造を有する超電導線材を複数作製した。
　得られた複数の超電導線材について、液体窒素温度（７７Ｋ）における臨界電流（Ｉｃ）を測定し、カバー用超電導テープを接合する前の超電導線材の臨界電流（Ｉｃ０）に対する変化度（Ｉｃ／Ｉｃ０）を算出した。図４に、Ｉｃ／Ｉｃ０とカバー用超電導線材の基材表面の曲率半径ｒ（ｍｍ）との関係を示す。
　図４に示すように、カバー用超電導線材の基材表面の曲率半径ｒが１１ｍｍ以下では、臨界電流が低下していた。これに対し、曲率半径ｒが１１ｍｍを超える場合は、臨界電流が低下しておらず、超電導特性の劣化を抑制できることが確認された。

　１　超電導線材
　１ａ　電極接続端
　２　カバー用超電導テープ
　３　電極
　３ａ　リード部
　４　緩衝部材
　５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ　接合部
　１０　超電導線材の電極部接合構造
　１０Ａ　超電導線材
　１１　基材
　１２　ベッド層
　１５　中間層
　１６　キャップ層
　１７　酸化物超電導層（超電導層）
　１８　安定化基層
　１９　安定化層（導電層）
　１００　超電導コイル
　１０１　第１のコイル体
　１０２　第２のコイル体
　１０３　第３のコイル体
　１０４　第４のコイル体
　１０５　接続板
　１０６　仕切り枠
　１０７　巻枠

Claims

　第1の基材と、この第1の基材上に設けられた第1の超電導層と、この第1の超電導層上に設けられた第1の導電層とを備える超電導線材と；
　前記超電導線材の端部における前記第1の導電層上に設けられた電極と；
　第２の基材と、この第２の基材上に設けられた第２の超電導層と、この第２の超電導層上に設けられた第２の導電層とを備え、前記電極の少なくとも一部を覆うように設けられるカバー用超電導テープと；
を備え、
　前記カバー用超電導テープの前記第２の導電層が、前記電極側に配置され、
　前記電極と前記超電導線材と前記カバー用超電導テープとが、電気的に互いに接続されている
ことを特徴とする超電導線材の電極部接合構造。
　前記超電導線材と、前記カバー用超電導テープと、前記電極との間隙に充填される緩衝部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材の電極部接合構造。
　前記緩衝部材が、熱硬化性樹脂より形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導線材の電極部接合構造。
　前記電極と前記超電導線材と前記カバー用超電導テープとが、半田を介して電気的に互いに接続されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の超電導線材の電極部接合構造。
　請求項１～４のいずれか一項に記載の電極部接合構造を備えた超電導線材。
　超電導線材により形成されたコイル体を備え、
　前記超電導線材が、導電層側の表面を外側にして巻回されており、
　請求項１～４のいずれか一項に記載の電極部接合構造を備えた超電導コイル。