WO2018150470A1 - 超電導線材および超電導コイル - Google Patents

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superconducting
wire
superconducting wire
conductor layer
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高史 山口
永石　竜起
昌也 小西
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住友電気工業株式会社
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    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H01B12/06—Films or wires on bases or cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting wire and a superconducting coil.
  • Patent Document 1 a superconducting wire disclosed in JP 2013-218915 A (Patent Document 1) is known.
  • the superconducting wire described in Patent Document 1 is a superconducting wire with a reinforcing material in which a reinforcing material made of two metal tapes is arranged so as to sandwich a tape-shaped superconducting wire part.
  • a superconducting wire includes a wire portion and a conductor layer.
  • the wire portion includes a superconducting layer.
  • the conductor layer covers at least a part of the outer periphery of the wire portion.
  • the material constituting the conductor layer has a tensile strength at room temperature of 300 N / mm 2 or more, and the resistivity of the material at room temperature is 1.5 ⁇ m or less.
  • the thickness of the conductor layer is 50 ⁇ m or less.
  • a superconducting coil according to an aspect of the present disclosure includes the superconducting wire and an insulator.
  • the superconducting wire has a spiral shape wound with a space for each turn.
  • the insulator is filled in the space.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a superconducting wire according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a process diagram for explaining a method of manufacturing the superconducting wire shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the superconducting wire according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view in a cross section perpendicular to the coil axis of the superconducting coil according to the embodiment.
  • the superconducting wire and the superconducting coil according to the present disclosure are in view of the above-described problems of the prior art. More specifically, the present invention provides a superconducting wire and a superconducting coil that are increased in strength while suppressing a decrease in critical current density per unit cross-sectional area.
  • a superconducting wire includes a wire portion and a conductor layer.
  • the wire portion includes a superconducting layer.
  • the conductor layer covers at least a part of the outer periphery of the wire portion.
  • the material constituting the conductor layer has a tensile strength at room temperature of 300 N / mm 2 or more, and the resistivity of the material at room temperature is 1.5 ⁇ m or less.
  • the thickness of the conductor layer is 50 ⁇ m or less.
  • the conductor layer acts as a reinforcing member for the wire portion.
  • the electrical resistance of the conductor layer is sufficiently low, when the superconducting state of the superconducting layer included in the wire portion is locally broken, a current can be bypassed through the conductor layer. That is, the conductor layer can exhibit two functions of a reinforcing member and a conductor that serves as a current path. For this reason, instead of adding a conventional reinforcing member to the superconducting wire, if the conductor serving as a current path constituting the superconducting wire is a conductor layer according to the present disclosure, the number of material layers constituting the superconducting wire is reduced. The strength of the superconducting wire can be increased without increasing it.
  • the conductor layer may be a plating film.
  • the conductor layer can be easily formed even if the cross-sectional shape of the wire portion is an arbitrary shape such as a square shape, a polygonal shape, or a circular shape.
  • the material constituting the conductor layer may be an alloy containing nickel.
  • the nickel-containing alloy may be, for example, a nickel base alloy or a zinc-nickel alloy.
  • the wire portion may include a substrate layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface.
  • the superconducting layer may have a third surface and a fourth surface that is the opposite surface of the third surface, and may be disposed on the substrate layer such that the third surface faces the second surface.
  • the conductor layer may be disposed on the first surface and the fourth surface.
  • the wire portion may have a circular outer peripheral shape in a cross section perpendicular to the extending direction.
  • the conductor layer may be formed so as to cover the outer periphery in the cross section of the wire portion.
  • a superconducting coil according to an aspect of the present disclosure includes the superconducting wire and an insulator.
  • the superconducting wire has a spiral shape wound with a space for each turn.
  • the insulator is filled in the space.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a superconducting wire 100 according to this embodiment.
  • the superconducting wire 100 according to the present embodiment has a substrate layer 1, a superconducting layer 2, and a covering layer 3.
  • the substrate layer 1 preferably has a tape-like shape with a small thickness compared to the length in the longitudinal direction.
  • the substrate layer 1 has a first surface 1a and a second surface 1b.
  • the second surface 1b is the opposite surface of the first surface 1a.
  • the substrate layer 1 may be composed of a plurality of layers. More specifically, the substrate layer 1 may include a substrate 11 and an intermediate layer 12. The substrate 11 is located on the first surface 1a side, and the intermediate layer 12 is located on the second surface 1b side.
  • the substrate 11 may be composed of a plurality of layers.
  • the substrate 11 includes a first layer 11a, a second layer 11b, and a third layer 11c.
  • stainless steel is used for the first layer 11a.
  • copper (Cu) is used for the second layer 11b.
  • nickel (Ni) is used for the third layer 11c.
  • the intermediate layer 12 is a layer serving as a buffer for forming the superconducting layer 2 on the substrate 11.
  • the intermediate layer 12 preferably has a uniform crystal orientation.
  • the intermediate layer 12 is made of a material having a small lattice constant mismatch with the material constituting the superconducting layer 2. More specifically, for example, cerium oxide (CeO 2 ) and yttria-stabilized zirconia (YSZ) are used for the intermediate layer 12.
  • the superconducting layer 2 is a layer containing a superconductor.
  • the material used for the superconducting layer 2 is, for example, a rare earth oxide superconductor.
  • REBCO REBa 2 Cu 3 O y
  • RE is yttrium (Y), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), eurobium (Eu). ), Rare earth such as gadolinium (Gd), holmium (Ho), ytterbium (Yb)).
  • the superconducting layer 2 has a third surface 2a and a fourth surface 2b.
  • the fourth surface 2b is the opposite surface of the third surface 2a.
  • Superconducting layer 2 is disposed on substrate layer 1. More specifically, the superconducting layer 2 is disposed on the substrate layer 1 so that the third surface 2a faces the fourth surface 2b.
  • the covering layer 3 is a layer covering the substrate layer 1 and the superconducting layer 2.
  • the covering layer 3 is disposed on the first surface 1 a of the substrate layer 1 and the fourth surface 2 b of the superconducting layer 2. From another point of view, the covering layer 3 is formed so as to cover the outer periphery of the substrate layer 1 and the superconducting layer 2.
  • a wire portion 10 is constituted by the substrate layer 1 and the superconducting layer 2.
  • the covering layer 3 includes a stabilization layer 31 formed on the first surface 1 a of the superconducting layer 2 and the substrate layer 1, and a protective layer 32 as a conductor layer formed on the stabilization layer 31.
  • the stabilization layer 31 is formed on the fourth surface 2 b of the superconducting layer 2, on the first surface 1 a of the substrate layer 1, and on the side surfaces of the superconducting layer 2 and the substrate layer 1. That is, the stabilization layer 31 is formed so as to cover the outer periphery of the wire portion 10.
  • the stabilization layer 31 protects the superconducting layer 2 and radiates local heat generation in the superconducting layer 2, and also when a quench occurs in the superconducting layer 2 (a phenomenon that shifts from the superconducting state to the normal conducting state). It acts as a conductor that bypasses.
  • the stabilization layer 31 also has a function of protecting the superconducting layer 2 from a plating solution used for the plating method when the protective layer 32 is formed using, for example, a plating method.
  • the material used for the stabilization layer 31 is, for example, silver (Ag).
  • the stabilizing layer 31 may have a single layer structure or a multilayer structure.
  • the stabilization layer 31 may include a layer formed by a sputtering method, or may include a layer formed by a plating method.
  • the protective layer 32 as a conductor layer is formed on the stabilization layer 31.
  • the protective layer 32 protects the stabilizing layer 31 and the wire portion 10 and acts as a reinforcing member for increasing the strength of the superconducting wire 100. Furthermore, the protective layer 32 can also act as a conductor that bypasses the current when quenching occurs in the superconducting layer 2.
  • the protective layer 32 is formed so as to cover at least a part of the outer periphery of the wire portion composed of the substrate layer 1 and the superconducting layer 2 via the stabilization layer 31. In FIG. 1, the protective layer 32 is formed so as to cover the entire outer periphery of the wire portion.
  • the tensile strength at room temperature of the material constituting the protective layer 32 is 300 N / mm 2 or more.
  • the upper limit of the tensile strength at room temperature of the material constituting the protective layer 32 may be 1000 N / mm 2 .
  • the lower limit of the tensile strength of the material at room temperature may be 350 N / mm 2 or 400 N / mm 2 .
  • the upper limit of the tensile strength at room temperature of the material may even 950 N / mm 2, it may be 900 N / mm 2.
  • the reason why the lower limit value of the tensile strength of the material is determined as described above is that the wire can have sufficient tensile strength.
  • the reason why the upper limit value of the tensile strength of the material is determined as described above is that the wire is easily bent.
  • the resistivity at room temperature of the material constituting the protective layer 32 is 1.5 ⁇ m or less.
  • the upper limit of the resistivity of the material at room temperature may be 1.2 ⁇ m or 1.0 ⁇ m.
  • the reason why the upper limit value of the resistivity of the material is determined as described above is that if the resistivity is too high, heat generation at a portion where the protective layer 32 is in contact with the power transmission electrode or the like increases.
  • the lower limit of the resistivity of the material at room temperature may be 0.01 ⁇ m.
  • the thickness T of the protective layer 32 is 50 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the thickness T of the protective layer 32 is 3.0 ⁇ m.
  • the upper limit of the thickness T of the protective layer 32 may be 30 ⁇ m or 20 ⁇ m.
  • the lower limit of the thickness T of the protective layer 32 may be 5 ⁇ m or 10 ⁇ m.
  • the reason why the lower limit value of the thickness T of the protective layer 32 is determined as described above is to make the electrical resistance of the protective layer 32 sufficiently low in order to protect the wire.
  • the reason why the upper limit value of the thickness T of the protective layer 32 is determined as described above is that the current density (A / cm 2 ) of the wire is sufficiently high, and if the thickness T of the protective layer 32 is too thick, the wire is bent. This is because processing becomes difficult.
  • the material constituting the protective layer 32 may be, for example, an alloy containing nickel.
  • the material may be, for example, a nickel base alloy or a zinc-nickel alloy.
  • the protective layer 32 can be formed by any formation method.
  • the protective layer 32 may be a plating film formed using a plating method.
  • the protective layer 32 is formed so as to cover the entire side surface of the wire portion 10, but the protective layer 32 may be formed so as to cover a part of the side surface of the wire portion 10.
  • the protective layer 32 may be formed on at least the fourth surface 2 b of the superconducting layer 2.
  • the protective layer 32 may be formed on at least the first surface 1 a of the substrate layer 1.
  • the protective layer 32 may be formed on at least a part of the end surface of the wire portion 10 that connects the fourth surface 2b and the first surface 1a.
  • the end surface of the wire portion 10 may include a portion where the protective layer 32 is not formed.
  • FIG. 2 is a process diagram of the method for manufacturing the superconducting wire 100 according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the manufacturing method of the superconducting wire 100 includes a wire portion forming step (S10) and a coating layer forming step (S20).
  • Step (S10) includes a step of preparing the substrate layer 1 and a step of forming the superconducting layer 2.
  • the substrate layer 1 is formed using any conventionally known method.
  • the first layer 11a made of a metal tape such as stainless steel is prepared, and the second layer 11b, the third layer 11c, and the intermediate layer 12 are sequentially formed on the first layer 11a.
  • an arbitrary method such as a plating method or a sputtering method can be used.
  • the superconducting layer 2 is formed on the intermediate layer 12 of the substrate layer 1 using any conventionally known method. In this way, the wire portion 10 is obtained.
  • Step (S20) includes a step of forming a stabilization layer and a step of forming a protective layer.
  • the stabilization layer 31 is formed so as to cover the entire side surface of the wire portion 10.
  • any method such as a sputtering method or a plating method can be used.
  • a sputter layer is formed on at least the fourth surface 2 b of the superconducting layer 2 of the wire portion 10.
  • the sputter layer may be formed so as to cover the entire side surface of the wire portion 10. Thereafter, a plating layer is formed on the sputter layer.
  • the protective layer 32 is formed on the stabilization layer 31. Any method can be used to form the protective layer 32.
  • the protective layer 32 is formed on the stabilization layer 31 using a plating method. In this way, the superconducting wire shown in FIG. 1 can be obtained.
  • the protective layer 32 as a conductor layer can exhibit two functions: a reinforcing member and a conductor that can serve as a current path when a quench occurs. For this reason, instead of adding a reinforcing member made of a tape-like metal or the like as a separate member to the superconducting wire 100, a protective layer conventionally made of copper or the like is used as a high-strength material according to the present disclosure. If the protective layer 32 is made of, the strength of the superconducting wire 100 can be increased without increasing the number of material layers constituting the superconducting wire 100. Further, if the protective layer 32 is a plating film, the protective layer 32 can be easily formed on the side surface of the wire portion 10 regardless of the shape of the wire portion 10.
  • the increase in the manufacturing cost of the superconducting wire 100 can be suppressed by making the material which comprises the protective layer 32 into the alloy containing nickel comparatively easily available as mentioned above.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the superconducting wire 200 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view in a cross section perpendicular to the extending direction of the superconducting wire 200 as in FIG.
  • the superconducting wire 200 according to the present embodiment includes a wire portion 10 and a coating layer 3.
  • the outer peripheral shape of the wire portion 10 is circular.
  • the covering layer 3 is formed so as to cover the outer periphery of the wire portion 10.
  • the wire portion 10 includes a plurality of superconducting layers 21 extending in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3 and a base material portion 13 surrounding the superconducting layer 21. If it says from a different viewpoint, the wire part 10 will be in the state by which the several superconducting layer 21 extended along the extension direction of the wire part 10 was embed
  • the material used for the superconducting layer 21 is, for example, a bismuth-based superconductor.
  • the bismuth-based superconductor is an oxide superconductor composed of Bi (bismuth) -Sr (strontium) -Ca (calcium) -Cu (copper) -O (oxygen), for example (Bi, Pb)
  • the material constituting the base material part 13 includes, for example, silver.
  • connects the superconducting layer 21, for example may be comprised with silver or the silver alloy.
  • region which comprises the outer periphery of the base material part 13 may be comprised, for example with silver or a silver alloy, or copper or a copper alloy.
  • the covering layer 3 as a conductor layer is formed on the outer peripheral surface of the wire portion 10.
  • the covering layer 3 acts as a reinforcing member for protecting the wire portion 10 and increasing the strength of the superconducting wire 100.
  • the coating layer 3 can also act as a conductor that bypasses the current when quenching occurs in the superconducting layer 21.
  • the covering layer 3 is formed so as to cover at least a part of the outer periphery of the wire portion 10. In FIG. 3, the covering layer 3 is formed so as to cover the entire outer periphery of the wire portion 10.
  • the tensile strength at room temperature of the material constituting the coating layer 3 is 300 N / mm 2 or more.
  • the upper limit of the tensile strength at room temperature of the material constituting the coating layer 3 may be 1000 N / mm 2 .
  • the lower limit of the tensile strength of the material at room temperature may be 350 N / mm 2 or 400 N / mm 2 .
  • the upper limit of the tensile strength at room temperature of the material may even 950 N / mm 2, it may be 900 N / mm 2.
  • the reason why the lower limit value of the tensile strength of the material is determined as described above is that the wire can have sufficient tensile strength.
  • the reason why the upper limit value of the tensile strength of the material is determined as described above is that the wire is easily bent.
  • the resistivity at room temperature of the material constituting the coating layer 3 is 1.5 ⁇ m or less.
  • the upper limit of the resistivity of the material at room temperature may be 1.2 ⁇ m or 1.0 ⁇ m.
  • the reason why the upper limit value of the resistivity of the material is determined as described above is that if the resistivity is too high, heat generation at a portion where the coating layer 3 is in contact with the power transmission electrode or the like increases.
  • the lower limit of the resistivity of the material at room temperature may be 0.01 ⁇ m.
  • the thickness T of the coating layer 3 is 50 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the thickness T of the coating layer 3 is 3.0 ⁇ m.
  • the upper limit of the thickness T of the coating layer 3 may be 30 ⁇ m or 20 ⁇ m.
  • the lower limit of the thickness T of the coating layer 3 may be 5 ⁇ m or 10 ⁇ m.
  • the reason why the lower limit value of the thickness T of the coating layer 3 is determined as described above is to make the electrical resistance of the coating layer 3 sufficiently low in order to protect the wire.
  • the reason why the upper limit value of the thickness T of the coating layer 3 is determined as described above is that the current density (A / cm 2 ) of the wire is sufficiently high, and if the thickness T of the coating layer 3 is too thick, the wire is bent. This is because processing becomes difficult.
  • the material constituting the coating layer 3 may be, for example, an alloy containing nickel.
  • the material may be, for example, a nickel base alloy or a zinc-nickel alloy.
  • the covering layer 3 can be formed by any forming method.
  • the coating layer 3 may be a plating film formed using a plating method.
  • the covering layer 3 is formed so as to cover the entire side surface of the wire portion 10, but the covering layer 3 may be formed so as to cover a part of the side surface of the wire portion 10.
  • the covering layer 3 may be formed so as to cover half of the side surface of the wire portion 10.
  • the coating layer 3 may have a multilayer structure.
  • another layer such as a conductor layer may be disposed between the covering layer 3 and the wire portion 10.
  • an intermediate layer such as a strike plating layer made of copper may be formed.
  • middle layer which consists of a material excellent in adhesiveness with the coating layer 3 rather than the wire part 10 is arrange
  • the above-described strike plating layer made of copper is disposed as an intermediate layer, particularly when the material of the coating layer 3 is a nickel-base alloy or a zinc-nickel alloy.
  • the superconducting wire manufacturing method according to the present embodiment includes a wire portion forming step (S10) and a covering layer forming step (S20), similarly to the superconducting wire manufacturing method shown in FIG.
  • the wire portion 10 is formed using an arbitrary method.
  • the first tubular member made of silver or a silver alloy is filled with a powder raw material to be the superconducting layer 21, and then the tubular member is drawn to obtain a strand.
  • a plurality of strands are arranged inside a second tubular member made of, for example, silver or a silver alloy, and the second tubular member is drawn to obtain a round wire having a circular cross-sectional outer shape. .
  • the superconducting layer 21 is formed from the powder raw material.
  • step (S20) the coating layer 3 is formed using an arbitrary method. Any method can be used as a method of forming the coating layer 3.
  • the coating layer 3 is formed on the outer peripheral surface of the wire portion 10 using a plating method. In this way, the superconducting wire shown in FIG. 3 can be obtained.
  • the covering layer 3 as a conductor layer can exhibit two functions of a reinforcing member and a conductor that can serve as a current path when a quench occurs. Moreover, the thickness T of the coating layer 3 is sufficiently thin. For this reason, in order to simply increase the strength of the superconducting wire 200, the superconducting wire 200 is suppressed while suppressing an increase in the cross-sectional area of the superconducting wire 200 compared to, for example, joining a reinforcing member having a thickness of about 100 ⁇ m with solder or the like. The strength of can be increased.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view in a cross section perpendicular to the coil axis of the superconducting coil 300 according to the present embodiment.
  • the superconducting coil 300 according to the present embodiment includes a superconducting wire 100 and an insulator 150.
  • the superconducting wire 100 has a spiral shape centered on the coil axis. That is, the superconducting wire 100 is wound around the coil axis. The superconducting wire 100 is wound with a space for each turn.
  • the insulator 150 is filled in the space between the wound superconducting wire 100. Thereby, the wound superconducting wire 100 is insulated from each other and fixed to each other. Speaking from a different point of view, the superconducting wire 100 is sandwiched between insulators 150.
  • thermosetting resin for the insulator 150
  • a thermosetting resin is used for the insulator 150. It is preferable that the thermosetting resin used for the insulator 150 has a viscosity that is low enough to be impregnated in the space between the wound superconducting wires 100 before being cured.
  • the thermosetting resin used for the insulator 150 is, for example, an epoxy resin.
  • the superconducting coil 300 is comprised using the superconducting wire 100 in FIG. 4, you may comprise the superconducting coil 300 using the superconducting wire 200 shown in FIG.
  • any method can be adopted.
  • the superconducting wire 100 is wound around the coil axis, and then the resin to be the insulator 150 is impregnated between the superconducting wires 100. Thereafter, the resin is cured.
  • the curing treatment for example, heat treatment is performed.
  • the superconducting wire 100 may be connected to an electrode terminal (not shown). In this way, the superconducting coil 300 shown in FIG. 4 is obtained.

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Abstract

超電導線材は、線材部と、導体層とを備える。線材部は超電導層を含む。導体層は、線材部の外周の少なくとも一部を覆う。導体層を構成する材料の室温での引張強度は３００Ｎ／ｍｍ２以上であり、当該材料の室温での抵抗率は１．５μΩｍ以下である。導体層の厚みは５０μｍ以下である。

Description

超電導線材および超電導コイル
　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２０１３－２１８９１５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、テープ状の超電導線材部を挟むように２枚の金属テープからなる補強材が配置された補強材付きの超電導線材である。
特開２０１３－２１８９１５号公報
　本開示の一態様に係る超電導線材は、線材部と、導体層とを備える。線材部は超電導層を含む。導体層は、線材部の外周の少なくとも一部を覆う。導体層を構成する材料の室温での引張強度は３００Ｎ／ｍｍ２以上であり、当該材料の室温での抵抗率は１．５μΩｍ以下である。導体層の厚みは５０μｍ以下である。
　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、上記空間に充填されている。
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、図１に示した超電導線材の製造方法を説明するための工程図である。 図３は、実施形態に係る超電導線材の断面模式図である。 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、超電導線材の強度を高めるため、超電導線材部を挟むように２枚の金属テープが配置されている。このような超電導線材の高強度化は、高磁場を発生させる超電導コイルを実現させるために必要なものである。しかし、上述した特許文献１に開示された超電導線材では、超電導線材の強度を向上させることができるものの超電導線材の断面積が金属テープにより大きくなる。この結果、金属テープまで含めた超電導線材全体として単位断面積当たりの臨界電流密度が低下するという課題がある。
　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、単位断面積当たりの臨界電流密度の低下を抑制しながら高強度化された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、単位断面積当たりの臨界電流密度の低下を抑制しながら高強度化された超電導線材および超電導コイルが得られる。
　［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、線材部と、導体層とを備える。線材部は超電導層を含む。導体層は、線材部の外周の少なくとも一部を覆う。導体層を構成する材料の室温での引張強度は３００Ｎ／ｍｍ２以上であり、当該材料の室温での抵抗率は１．５μΩｍ以下である。導体層の厚みは５０μｍ以下である。
　このようにすれば、導体層が線材部に対する補強部材として作用する。また、当該導体層は電気抵抗が十分に低いため、線材部に含まれる超電導層の超電導状態が局所的に崩れるような場合に、当該導体層を介して電流を迂回して流すことができる。つまり、導体層が補強部材と電流経路となる導電体という２つの機能を発揮できる。このため、超電導線材に従来のような補強部材を追加するのではなく、超電導線材を構成する電流経路となる導電体を本開示に係る導体層とすれば、超電導線材を構成する材料層数を増やすことなく超電導線材の強度を高めることができる。
　（２）上記超電導線材において、導体層はめっき膜であってもよい。
　この場合、線材部の断面形状が四角状や多角形状、円形状といった任意の形状であっても、導体層を容易に形成できる。
　（３）　上記超電導線材において、導体層を構成する前記材料は、ニッケルを含む合金であってもよい。ニッケルを含む合金は、たとえばニッケル基合金または亜鉛―ニッケル合金でもよい。
　この場合、導体層を構成する材料として比較的入手しやすい材料を用いるので、本開示に従った超電導線材の製造コストが増大することを抑制できる。
　（４）　上記超電導線材において、線材部は、第１面と、当該第１面の反対面である第２面とを有する基板層を含んでいてもよい。超電導層は、第３面と、当該第３面の反対面である第４面とを有し、第３面が第２面に対向するように基板層上に配置されてもよい。導体層は、第１面および第４面上に配置されてもよい。
　この場合、テープ状の形状を有する線材部を備えた、本開示に従った超電導線材が得られる。
　（５）　上記超電導線材において、線材部は、延在方向に垂直な断面における外周形状が円形状であってもよい。導体層は線材部の断面における外周を覆うように形成されていてもよい。
　この場合、断面形状が円形状である丸線状の線材部を備えた、本開示に従った超電導線材が得られる。
　（６）　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、上記空間に充填されている。
　このようにすれば、高強度化された超電導線材を用いることにより、超電導線材が許容できる磁場から受ける応力を大きくできる。このため、従来より磁束密度の高い磁場（高磁場）を形成することが可能な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、図面に基づいて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の断面図である。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（ＣｅＯ２）、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（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ、ＲＥはイットリウム（Ｙ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジウム（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４面２ｂと対向するように、基板層１上に配置されている。
　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。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、超電導層２および基板層１の第１面１ａ上に形成された安定化層３１と、安定化層３１上に形成された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、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。
　導体層としての保護層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を保護するとともに、超電導線材１００の強度を高めるための補強部材として作用する。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。保護層３２を構成する材料の室温での引張強度は３００Ｎ／ｍｍ２以上である。保護層３２を構成する材料の室温での引張強度の上限は、１０００Ｎ／ｍｍ２でもよい。当該材料の室温での引張強度の下限は、３５０Ｎ／ｍｍ２でもよく、４００Ｎ／ｍｍ２でもよい。当該材料の室温での引張強度の上限は、９５０Ｎ／ｍｍ２でもよく、９００Ｎ／ｍｍ２でもよい。上記のように当該材料の引張強度の下限値を決定した理由は、線材に十分な引張強度を持たせることができるためである。また、上記のように当該材料の引張強度の上限値を決定した理由は、線材の曲げ加工を容易に行うためである。
　また、保護層３２を構成する材料の室温での抵抗率は１．５μΩｍ以下である。当該材料の室温での抵抗率の上限は、１．２μΩｍでもよく、１．０μΩｍでもよい。上記のように当該材料の抵抗率の上限値を決定した理由は、当該抵抗率があまり高いと保護層３２が送電電極等と接する部分での発熱が増大するためである。なお、当該材料の室温での抵抗率の下限は０．０１μΩｍであってもよい。
　保護層３２の厚みＴは５０μｍ以下である。保護層３２の厚みＴの下限は３．０μｍである。保護層３２の厚みＴの上限は、３０μｍでもよく、２０μｍでもよい。保護層３２の厚みＴの下限は、５μｍでもよく、１０μｍでもよい。上記のように保護層３２の厚みＴの下限値を決定した理由は、線材を保護するために保護層３２の電気抵抗を十分に低い値とするためである。また、上記のように保護層３２の厚みＴの上限値を決定した理由は、線材の電流密度（Ａ／ｃｍ２）を十分高くするとともに、保護層３２の厚みＴが厚すぎると線材の曲げ加工が難しくなるためである。
　保護層３２を構成する材料は、たとえばニッケルを含む合金でもよい。当該材料は、たとえばニッケル基合金または亜鉛―ニッケル合金でもよい。保護層３２は任意の形成方法により形成され得る。たとえば、保護層３２はめっき法を用いて形成されためっき膜であってもよい。
　なお、図１においては保護層３２が線材部１０の側面全体を覆うように形成されているが、保護層３２が線材部１０の側面の一部を覆うように形成されていてもよい。たとえば、保護層３２は少なくとも超電導層２の第４面２ｂ上に形成されていてもよい。あるいは、保護層３２は少なくとも基板層１の第１面１ａ上に形成されていてもよい。あるいは、保護層３２は第４面２ｂと第１面１ａとをつなぐ線材部１０の端面の少なくとも一部上に形成されていてもよい。線材部１０の端面は、保護層３２が形成されていない部分を含んでいてもよい。
　（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。図２は、本実施形態に係る超電導線材１００の製造方法の工程図である。図２に示すように、超電導線材１００の製造方法は、線材部形成工程（Ｓ１０）と、被覆層形成工程（Ｓ２０）とを備える。
　工程（Ｓ１０）は、基板層１を準備する工程と、超電導層２を形成する工程とを含む。基板層１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層１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、第３層１１ｃ、中間層１２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。超電導層２を形成する工程では、基板層１の中間層１２上に、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（Ｓ２０）は、安定化層を形成する工程と、保護層を形成する工程とを含む。安定化層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を形成する。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。たとえば、安定化層を形成する工程では、線材部１０の少なくとも超電導層２の第４面２ｂ上にスパッタ層を形成する。スパッタ層は線材部１０の側面全体を覆うように形成されてもよい。その後、スパッタ層上にメッキ層を形成する。
　保護層を形成する工程では、安定化層３１上に保護層３２を形成する。保護層３２の形成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、安定化層３１上にめっき法を用いて保護層３２を形成する。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）
　上述した超電導線材１００では、導体層としての保護層３２が補強部材とクエンチ発生時の電流経路となり得る導電体という２つの機能を発揮できる。このため、超電導線材１００に従来のようなテープ状の金属などからなる補強部材を別体として追加するのではなく、従来銅などから構成されていた保護層を、本開示に係る高強度な材料からなる保護層３２とすれば、超電導線材１００を構成する材料層数を増やすことなく超電導線材１００の強度を高めることができる。また、保護層３２をめっき膜とすれば、線材部１０の形状によらず当該線材部１０の側面上に容易に保護層３２を形成できる。
　また、保護層３２を構成する材料を、上述のように比較的入手しやすいニッケルを含む合金とすることで、超電導線材１００の製造コストの増大を抑制できる。
　（実施の形態２）
　（超電導線材の構成）
　図３は、本実施形態に係る超電導線材２００の断面図である。図３は、図１と同様に超電導線材２００の延在方向に垂直な断面における断面図である。図３に示すように、本実施形態に係る超電導線材２００は、線材部１０と被覆層３とを備える。図３に示された断面において、線材部１０の外周形状は円形状である。被覆層３は、線材部１０の外周を覆うように形成されている。
　線材部１０は、図３の紙面に対して垂直方向に延びる複数の超電導層２１と、当該超電導層２１の周囲を囲む基材部１３とを含む。異なる観点から言えば、線材部１０は丸線状の基材部１３に、線材部１０の延在方向に沿って伸びる複数の超電導層２１が埋設された状態になっている。超電導層２１に用いられる材料は、たとえばビスマス系の超電導体である。ここで、ビスマス系の超電導導体とは、Ｂｉ（ビスマス）－Ｓｒ（ストロンチウム）－Ｃａ（カルシウム）－Ｃｕ（銅）－Ｏ（酸素）で構成される酸化物超電導体であり、たとえば（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８という化学式で表わされる酸化物超電導体をいう。
　基材部１３を構成する材料は、たとえば銀を含む。基材部１３においては、たとえば超電導層２１と接する部分は銀または銀合金により構成されていてもよい。基材部１３の外周を構成する領域は、たとえば銀または銀合金、あるいは銅または銅合金により構成されていてもよい。
　導体層としての被覆層３は、線材部１０の外周面上に形成される。被覆層３は線材部１０を保護するとともに、超電導線材１００の強度を高めるための補強部材として作用する。さらに、被覆層３は、超電導層２１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。被覆層３は、線材部１０の外周の少なくとも一部を覆うように形成される。図３では、被覆層３は線材部１０の外周全体を覆うように形成される。被覆層３を構成する材料の室温での引張強度は３００Ｎ／ｍｍ２以上である。被覆層３を構成する材料の室温での引張強度の上限は、１０００Ｎ／ｍｍ２でもよい。当該材料の室温での引張強度の下限は、３５０Ｎ／ｍｍ２でもよく、４００Ｎ／ｍｍ２でもよい。当該材料の室温での引張強度の上限は、９５０Ｎ／ｍｍ２でもよく、９００Ｎ／ｍｍ２でもよい。上記のように当該材料の引張強度の下限値を決定した理由は、線材に十分な引張強度を持たせることができるためである。また、上記のように当該材料の引張強度の上限値を決定した理由は、線材の曲げ加工を容易に行うためである。
　また、被覆層３を構成する材料の室温での抵抗率は１．５μΩｍ以下である。当該材料の室温での抵抗率の上限は、１．２μΩｍでもよく、１．０μΩｍでもよい。上記のように当該材料の抵抗率の上限値を決定した理由は、当該抵抗率があまり高いと被覆層３が送電電極等と接する部分での発熱が増大するためである。なお、当該材料の室温での抵抗率の下限は０．０１μΩｍであってもよい。
　被覆層３の厚みＴは５０μｍ以下である。被覆層３の厚みＴの下限は３．０μｍである。被覆層３の厚みＴの上限は、３０μｍでもよく、２０μｍでもよい。被覆層３の厚みＴの下限は、５μｍでもよく、１０μｍでもよい。上記のように被覆層３の厚みＴの下限値を決定した理由は、線材を保護するために被覆層３の電気抵抗を十分に低い値とするためである。また、上記のように被覆層３の厚みＴの上限値を決定した理由は、線材の電流密度（Ａ／ｃｍ２）を十分高くするとともに、被覆層３の厚みＴが厚すぎると線材の曲げ加工が難しくなるためである。
　被覆層３を構成する材料は、たとえばニッケルを含む合金でもよい。当該材料は、たとえばニッケル基合金または亜鉛―ニッケル合金でもよい。被覆層３は任意の形成方法により形成され得る。たとえば、被覆層３はめっき法を用いて形成されためっき膜であってもよい。
　なお、図３においては被覆層３が線材部１０の側面全体を覆うように形成されているが、被覆層３が線材部１０の側面の一部を覆うように形成されていてもよい。たとえば被覆層３が線材部１０の側面の半分を覆うように形成されていてもよい。また、図３では被覆層３が単一層として記載されているが、被覆層３を多層構造としてもよい。また、被覆層３と線材部１０との間に導体層など別の層を配置してもよい。たとえば、銅からなるストライクめっき層などの中間層を形成してもよい。このように線材部１０より被覆層３との密着性に優れた材料からなる中間層を配置すれば、被覆層３の線材部１０に対する密着性を向上させることができる。なお、上述した銅からなるストライクめっき層を中間層として配置することは、被覆層３の材料がニッケル基合金または亜鉛－ニッケル合金である場合に特に効果的である。
　（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。本実施形態に係る超電導線材の製造方法は、図２に示した超電導線材の製造方法と同様に、線材部形成工程（Ｓ１０）と、被覆層形成工程（Ｓ２０）とを備える。
　工程（Ｓ１０）では、任意の方法を用いて線材部１０を形成する。たとえば、銀または銀合金からなる第１の管状部材の内部に、超電導層２１となるべき粉末原料を充填し、その後管状部材を伸線加工して素線を得る。複数の素線を、たとえば銀または銀合金からなる第２の管状部材の内部に配置し、当該第２の管状部材を伸線加工して、断面の外周形状が円形状である丸線を得る。この丸線を熱処理することで、粉末原料から超電導層２１を形成する。
　工程（Ｓ２０）では、任意の方法を用いて被覆層３を形成する。被覆層３の形成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、線材部１０の外周面上にめっき法を用いて被覆層３を形成する。このようにして、図３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）
　上述した超電導線材２００では、導体層としての被覆層３が補強部材とクエンチ発生時の電流経路となり得る導電体という２つの機能を発揮できる。また、被覆層３の厚みＴは十分薄くなっている。このため、超電導線材２００に対して単に強度を高めるため、たとえば１００μｍ程度の厚みを有する補強部材をはんだなどにより接合する場合に比べて、超電導線材２００の断面積の増大を抑制しつつ超電導線材２００の強度を高めることができる。
　（実施の形態３）
　（超電導コイルの構成）
　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、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。
　なお、図４では超電導線材１００を用いて超電導コイル３００を構成しているが、図３に示した超電導線材２００を用いて超電導コイル３００を構成してもよい。
　（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、高強度な超電導線材１００または超電導線材２００を用いることにより、磁場に起因する応力に対する耐久性を向上させることができる。このため、高磁場を形成することが可能な超電導コイル３００を実現できる。
　以上のように本発明の実施の形態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、特許請求の範囲によって示され、特許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、２，２１　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、１３　基材部、３１　安定化層、３２　保護層、１００，２００　超電導線材、１５０　絶縁体、３００　超電導コイル。

Claims (6)

  1. 　超電導層を含む線材部と、
    　前記線材部の外周の少なくとも一部を覆う導体層と、を備え、
    　前記導体層を構成する材料の室温での引張強度は３００Ｎ／ｍｍ２以上であり、前記材料の室温での抵抗率は１．５μΩｍ以下であり、
    　前記導体層の厚みは５０μｍ以下である、超電導線材。
  2. 　前記導体層はめっき膜である、請求項１に記載の超電導線材。
  3. 　前記導体層を構成する前記材料は、ニッケルを含む合金である、請求項１または請求項２に記載の超電導線材。
  4. 　前記線材部は、
    　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含み、
    　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、
    　前記導体層は、前記第１面および前記第４面上に配置される、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の超電導線材。
  5. 　前記線材部は、延在方向に垂直な断面における外周形状が円形状であり、
    　前記導体層は前記線材部の前記断面における外周を覆うように形成されている、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の超電導線材。
  6. 　請求項１～請求項５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。
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