WO2020067335A1 - 酸化物超電導コイルおよびその製造方法 - Google Patents

酸化物超電導コイルおよびその製造方法 Download PDF

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翔吾 武藤
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株式会社フジクラ
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    • 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 an oxide superconducting coil and a method for manufacturing the same.
  • Priority is claimed on Japanese Patent Application No. 2018-184171 filed on Sep. 28, 2018, the content of which is incorporated herein by reference.
  • an oxide superconducting wire such as a Bi-based superconducting wire such as Bi-Sr-Ca-Cu-O, a Y-based superconducting wire such as RE-Ba-Cu-O (RE is a rare earth element), and an oxide superconducting wire using the same.
  • Coil development is underway.
  • the oxide superconducting coil is excited in a magnetic field, the wire receives tensile stress (tensile load) in the longitudinal direction due to electromagnetic force.
  • Patent Document 1 discloses a superconducting coil provided with a reinforcing wire in order to suppress deterioration due to electromagnetic force.
  • Patent Document 2 discloses a superconducting coil in which the adhesive force at a boundary portion is set low in order to suppress deterioration due to thermal stress.
  • Patent Literature 3 discloses a superconducting wire including an insulating tape that surrounds and restrains a superconducting member and a reinforcing plate so as to be slidable with each other in a longitudinal direction.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and while avoiding local quenching, an oxide superconducting coil that can suppress deterioration of current-carrying characteristics even when thermal stress or electromagnetic force acts on a superconducting wire and It is an object to provide a manufacturing method thereof.
  • the oxide superconducting coil according to the first aspect of the present invention includes at least one or more tape-shaped oxide superconducting wires, and a reinforcing wire having electrical insulation and release properties on the outer periphery, and the oxide superconducting wires are provided. And the reinforcing wire are co-wound, and a resin is filled between the oxide superconducting wire and the reinforcing wire.
  • a laminated structure including an electric insulating layer and a release layer, or a layer having both electric insulation and release properties may be provided on the outer periphery of the reinforcing wire.
  • the reinforcing wire may be made of a conductive metal.
  • the reinforcing wire may be made of a material having electrical insulation and release properties.
  • the oxide superconducting wire and the reinforcing wire may be electrically connected.
  • a tensile stress of 5 MPa or more and 0.2% proof stress or less may be applied in the longitudinal direction of the reinforcing wire.
  • the method for manufacturing an oxide superconducting coil according to the second aspect of the present invention includes a step of co-winding at least one or more tape-shaped oxide superconducting wires and a reinforcing wire having electrical insulation and release properties on the outer periphery. And supplying an impregnated resin between the oxide superconducting wire and the reinforcing wire.
  • the reinforcing wire may be disposed around the oxide superconducting wire and co-wound.
  • the reinforcing wire may be co-wound while applying a tensile stress in the longitudinal direction.
  • a resin is filled between the oxide superconducting wire and the reinforcing wire in a state where the reinforcing wire having electrical insulation and release properties on the outer periphery is co-wound with the oxide superconducting wire. Therefore, it is possible to prevent the local quench by ensuring thermal contact, and to suppress the deterioration of the current-carrying characteristics even if a thermal stress or an electromagnetic force acts on the superconducting wire.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure in which a part of an oxide superconducting wire is electrically connected to a reinforcing wire. It is a voltage detection circuit used for an oxide superconducting coil.
  • FIG. 1 is a sectional view of the oxide superconducting coil of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view of the oxide superconducting coil of the second embodiment.
  • These cross-sectional views show cross sections perpendicular to the longitudinal direction of the oxide superconducting wire. 1 and 2 corresponds to the width direction of the oxide superconducting wires 1, 1A, 1B. 1 and 2 corresponds to the radial direction of the oxide superconducting coil 5. Either left or right may be outside or inside. A similar cross-sectional structure may continue in the left-right direction of FIGS. 1 and 2, but is not shown.
  • the oxide superconducting wires 1, 1A, 1B are in a tape shape and are co-wound with the reinforcing wire 2.
  • the oxide superconducting wires 1, 1A, 1B and the reinforcing wire 2 constitute a winding unit 3.
  • the oxide superconducting wires 1, 1A, 1B and the reinforcing wire 2 included in the winding unit 3 appear in the same order, and the winding unit 3 is repeated.
  • one oxide superconducting wire 1 and one reinforcing wire 2 constitute a winding unit 3.
  • a winding unit 3 is constituted by two oxide superconducting wires 1A, 1B and one reinforcing wire 2.
  • the reinforcing wire 2 is preferably in the form of a tape having the same width as the oxide superconducting wires 1, 1A, 1B.
  • the width of the reinforcing wire 2 and the width of the oxide superconducting wires 1, 1 ⁇ / b> A, and 1 ⁇ / b> B are substantially the same, but are not limited thereto.
  • the number of the oxide superconducting wires 1, 1A, 1B and the reinforcing wires 2 in the winding unit 3 is not particularly limited, and may be at least one or more each. In the following description, the oxide superconducting wire 1 and the reinforcing wire 2 may be referred to without distinguishing the number included in the winding unit 3.
  • the impregnated resin 4 is filled between the oxide superconducting wire 1 and the reinforcing wire 2 in the radial direction of the oxide superconducting coil 5. Further, the impregnated resin 4 is provided so as to cover both ends of the oxide superconducting wire 1 and both ends of the reinforcing wire 2 in the width direction of the oxide superconducting coil 5. Since the reinforcing wire 2 can be bonded between the oxide superconducting wire 1 and the impregnated resin 4 without intervening, the oxide superconducting wire 1 has sufficient heat with the outside of the oxide superconducting coil 5 via the impregnating resin 4. Contact can be obtained. Thereby, even if the temperature of the oxide superconducting wire 1 rises sharply, local burning can be suppressed, and quenching of the oxide superconducting coil 5 can be prevented.
  • the reinforcing wire 2 has an electric insulation property and a releasing property on the outer periphery. Thereby, when the reinforcing wire 2 and the oxide superconducting wire 1 are co-wound, a larger winding tension than that of the oxide superconducting wire 1 is applied, and a tensile stress (preload) is applied in the longitudinal direction of the reinforcing wire 2. ) Can be applied. Thereby, the reinforcing wire 2 has a tensile stress along the longitudinal direction of the reinforcing wire 2 as a residual stress inside the reinforcing wire 2.
  • the reinforcing wire 2 can sufficiently bear the strength without increasing the overall strength to the strength of the oxide superconducting wire 1, and the reinforcing effect on the electromagnetic force can be enhanced.
  • the magnitude of the tensile stress is preferably, for example, 5 MPa or more and 0.2% proof stress or less.
  • the outer periphery of the reinforcing wire 2 has releasability, so that the reinforcing wire 2 and the impregnated resin 4 peel off preferentially. Therefore, thermal stress is not transmitted to the oxide superconducting wire 1, and deterioration of the oxide superconducting wire 1 can be suppressed.
  • the number of wires to be bundled into the winding unit 3 during co-winding does not increase more than necessary. This can contribute to improvement in dimensional accuracy and productivity of the oxide superconducting coil 5.
  • FIG. 3 shows an example of the oxide superconducting wire.
  • This sectional view shows a section perpendicular to the longitudinal direction of the oxide superconducting wire.
  • 3 corresponds to the thickness direction of the oxide superconducting wire 10.
  • 3 corresponds to the width direction of the oxide superconducting wire 10. Any of the thickness directions may be outside or inside the coil radial direction.
  • the oxide superconducting wire 10 has a laminated structure in which a superconducting layer 13 is formed on one main surface in the thickness direction of a substrate 11 via an intermediate layer 12.
  • a protective layer 14 made of metal is formed on the superconducting layer 13.
  • a substrate 11, an intermediate layer 12, a superconducting layer 13, and a protective layer 14 are laminated in this order.
  • the substrate 11 is a tape-shaped metal substrate.
  • the substrate 11 has main surfaces on both sides in the thickness direction.
  • Specific examples of the metal constituting the substrate 11 include a nickel alloy represented by Hastelloy (registered trademark), stainless steel, and an oriented Ni-W alloy in which a texture is introduced into a nickel alloy.
  • the thickness of the substrate 11 may be appropriately adjusted depending on the purpose, and is, for example, in the range of 10 to 500 ⁇ m.
  • Superconducting layer 13 is composed of an oxide superconductor.
  • the oxide superconductor for example, a RE-Ba-Cu-O-based oxide superconductor represented by a general formula REBa 2 Cu 3 O 7- ⁇ (RE123) is given.
  • the rare earth element RE include one or more of Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.
  • the thickness of the oxide superconducting layer 13 is, for example, about 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the intermediate layer 12 may be provided between the substrate 11 and the superconducting layer 13.
  • the intermediate layer 12 may have a multilayer structure, and may have a diffusion prevention layer, a bed layer, an orientation layer, a cap layer, and the like in the order from the substrate 11 side to the superconducting layer 13 side. These layers are not always provided one by one, and some layers may be omitted, or two or more layers of the same type may be repeatedly laminated.
  • the protective layer 14 bypasses an overcurrent generated at the time of an accident, suppresses a chemical reaction occurring between the superconducting layer 13 and a layer provided on the protective layer 14, and prevents moisture from entering the superconducting layer 13. It has functions such as prevention.
  • Examples of the material of the protective layer 14 include silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), an alloy of gold and silver, other silver alloys, copper alloys, and gold alloys.
  • the protective layer 14 may include two or more layers made of the same or different metals.
  • the protective layer 14 covers at least the surface of the superconducting layer 13, that is, the surface on the side opposite to the substrate 11 in the thickness direction.
  • the protective layer 14 may cover another surface of the outer periphery of the oxide superconducting wire 10. That is, the protective layer 14 may cover the end faces in the width direction of the substrate 11, the intermediate layer 12, and the superconducting layer 13, or may cover the main surface of the substrate 11 where the intermediate layer 12 is not formed.
  • the stabilizing layer may cover at least the surface of the protective layer 14, that is, the surface on the side opposite to the substrate 11 in the thickness direction.
  • the stabilizing layer has a function as a bypass part that commutates an overcurrent generated when the oxide superconducting layer changes to a normal conducting state.
  • a metal such as copper (Cu), nickel (Ni), tin (Sn), chromium (Cr), silver (Ag), gold (Au), or an alloy containing at least one of these metals Is mentioned. From the viewpoints of conductivity, economy, and the like, it is preferable that the stabilizing layer be made of copper plating, copper foil, or the like.
  • the reinforcing wire 20 shown in FIG. 4 has a laminated structure including an electric insulating layer 22 and a release layer 23 on the outer periphery of a reinforcing wire main body 21.
  • the reinforcing wire 20A shown in FIG. 5 has an electrically insulating release layer 24 having both electrical insulation and release properties on the outer periphery of the reinforcing wire main body 21.
  • the reinforcing wire main body 25 is made of a material having electrical insulation and release properties.
  • the reinforcing wire main body 21 is preferably made of a metal such as a metal tape.
  • the metal constituting the reinforcing wire main body 21 include an iron (Fe) alloy, a nickel (Ni) alloy, a titanium (Ti) alloy, a copper (Cu) alloy, an aluminum (Al) alloy, and a tungsten (W) alloy.
  • the reinforcing wire main bodies 21 and 25 may be made of a non-metallic conductor such as carbon fiber or an electrical insulator such as glass fiber.
  • the reinforcing wire main body 25 is made of a material having electric insulation and release properties, the electric insulation layer 22, the release layer 23, and the electric insulation release layer 24 may be omitted.
  • a fiber material such as carbon fiber or glass fiber is used for the tape-shaped wire, a plurality of fibers may be formed in a braid or the like.
  • the electric insulating layer 22 can be formed by selecting an electric insulator that can be integrated with the reinforcing wire main body 21 from inorganic substances such as metal oxides and organic substances such as resins.
  • the release layer 23 include an aliphatic compound such as a fluororesin, a silicone resin, and paraffin.
  • FIG. 4 shows a configuration in which the electric insulating layer 22 is inside (the release layer 23 is outside) on the outer periphery of the reinforcing wire main body 21, but the electric insulation layer 22 is outside (the release layer 23 is inside). May be adopted.
  • an electrically insulating release layer 24 having both electrical insulation and release properties.
  • the material forming the electrically insulating release layer 24 include a fluorine resin, a polyethylene (PE) resin, a polypropylene (PP) resin, and a polyimide (PI) resin.
  • the electric insulating layer 22, the release layer 23 or the electric insulating release layer 24 may be formed over the entire circumference of the reinforcing wire main body 21, It may be configured as a part having a sexual effect.
  • As a region where the electric insulating layer 22 is provided so as to exhibit the effect of electric insulation for example, the surface on the side where the reinforcing wire 2 faces the oxide superconducting wire 1 can be mentioned.
  • the electric insulating layer 22 may be provided in a predetermined region in a solid shape, and may have a distribution such as a dot shape, a band shape, a net shape, and a lattice shape.
  • the electric insulating layer 22 may be omitted in the width direction of the reinforcing wire 2.
  • the release layer 23 may be provided in a predetermined region in a solid shape, or may have a distribution such as a dot shape, a band shape, a net shape, and a lattice shape.
  • the release layer 23 may be provided continuously or intermittently in the longitudinal direction of the reinforcing wire 2.
  • the electric insulating release layer 24 may be provided in a region where the effects of the electric insulating layer 22 and the release layer 23 are exhibited.
  • the method for forming the electric insulating layer 22, the release layer 23, or the electric insulating release layer 24 is not particularly limited, and examples thereof include winding a tape material, applying a material, and coating.
  • the electric insulation layer 22, the release layer 23 or the electric insulation release layer 24 may be integrated with the reinforcing wire main body 21 by the impregnating resin 4.
  • the electric insulating layer 22, the release layer 23 or the electric insulating release layer 24 may be fixed to the reinforcing wire main body 21.
  • only one of the electrical insulating layer 22 and the release layer 23 may be provided on the outer periphery of the reinforcing wire main body 21.
  • Two or more or two or more types of electric insulating layers 22, two or more or two or more types of release layers 23, two or more or two or more types of electric insulating release layers 24 are provided on the outer periphery of the reinforcing wire main body 21. It may be provided.
  • the impregnated resin 4 examples include a thermosetting resin such as an epoxy resin, a thermoplastic resin, and an ultraviolet curable resin.
  • the impregnation operation includes vacuum impregnation, coating impregnation, semi-cured resin co-impregnation, and the like. That is, the resin impregnating step may be a method of supplying an impregnated resin between the oxide superconducting wire 1 and the reinforcing wire 2 after the co-winding step, and before or during the co-winding step, A method of supplying an impregnated resin to the wire 2 may be used.
  • the reinforcing wire 2 is disposed around the oxide superconducting wire 1 and co-wound, and It is preferable to produce the superconducting coil 6.
  • the oxide superconducting coil 6 produced by co-winding may be in a stage before supplying the impregnated resin, or an uncured or semi-cured impregnated resin may be supplied to the wire.
  • the oxide superconducting coil having the impregnated resin 4 has a conductive structure in which the oxide superconducting wire 1 and the reinforcing wire 2 are electrically connected to each other in at least a part of the oxide superconducting wire 1.
  • at least a part of the outer periphery of the reinforcing wire 2 is provided with a region not having the electric insulating layer 22, the release layer 23 or the electric insulating release layer 24 shown in FIG. 4 or 5, and is made of a conductive metal such as solder.
  • the oxide superconducting wire 1 and the reinforcing wire 2 may be electrically connected via the conducting portion 26.
  • the conductive portion 26 is electrically connected to the reinforcing wire main body 21 of the reinforcing wire 2 and the protective layer 14 of the oxide superconducting wire 1 or the above-described stabilizing layer.
  • Conduction between the oxide superconducting wire 1 and the reinforcing wire 2 may be performed by using a conductor wire instead of the conduction portion 26, or by using both the conduction portion 26 and the conductor wire.
  • the conduction structure can be a part of a circuit such as a voltage detection circuit and a coil heating circuit.
  • a voltage detection circuit 40 can be used as shown in FIG.
  • the voltage detection circuit 40 is provided in the oxide superconducting coil 30.
  • the oxide superconducting coil 30 can use the oxide superconducting coil 5 of the first embodiment or the second embodiment. For this reason, the same components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Only different points will be described.
  • the voltage detection circuit 40 includes a voltmeter 41, a control unit 42, a diode 43, a resistor 44, a current source 45, and a switch 46, as shown in FIG.
  • the oxide superconducting coil 30 has a configuration in which the oxide superconducting wire 1 and the reinforcing wire 2 are co-wound, and a superconducting wire coil 31 made of the oxide superconducting wire 1 and a reinforcing wire coil 32 made of the reinforcing wire 2 And The superconducting wire coil 31 and the reinforcing wire coil 32 are electrically connected by the conducting portion 26 provided on the first end 30 a side of the oxide superconducting coil 30.
  • a voltmeter 41 is connected to the second end 30 b side of the oxide superconducting coil 30, and a control unit 42 is connected to the voltmeter 41.
  • the voltmeter 41 measures a terminal voltage between the superconducting wire coil 31 and the reinforcing wire coil 32, and detects a resistance voltage generated in the oxide superconducting coil 30.
  • the control unit 42 determines whether or not quench has occurred in the oxide superconducting coil 30 according to the resistance voltage detected by the voltmeter 41.
  • the algorithm for determining whether or not quench has occurred can be set, for example, based on a research paper (Improvement of Sensitivity of HTS Coil Quench Detection Using Co-Wound Coil, Low Temperature Engineering, Vol. 52, No. 1, 2017).
  • the control unit 42 shifts the current supplied from the current source 45 to the attenuation mode.
  • the oxide superconducting coil 30 of the present embodiment is provided with the voltage detection circuit 40, the current is attenuated in accordance with the resistance voltage detected by the voltmeter 41, thereby avoiding local quench. Even if thermal stress or electromagnetic force acts on the superconducting wire, it is possible to suppress the deterioration of the conduction characteristics.
  • Example 1 A semi-finished single pancake, with one rare-earth oxide superconducting wire (4 mm wide, 0.13 mm thick) and an insulated SUS tape (4 mm wide, 0.1 mm thick) co-wound A coil (inner diameter 30 mm, outer diameter 60 mm) was produced. At the time of co-winding, the winding tension of the SUS tape was 300 MPa, and the winding tension of the oxide superconducting wire was 25 MPa. The outer periphery of the SUS tape was insulated by a double wrap winding of a polyimide tape.
  • a fluororesin coat was provided on one side of the outer polyimide tape so that a release layer was formed on the outermost periphery of the SUS tape reinforcing wire.
  • the semi-finished product coil was impregnated with epoxy resin by vacuum impregnation using epoxy resin.
  • the coil after the resin impregnation was subjected to a heat treatment to complete the oxide superconducting coil.
  • the oxide superconducting coil was cooled down to 77 K using liquid nitrogen, and a conduction test of the superconducting coil was performed. The n value as a deterioration criterion showed a high value of 25, which was confirmed to be sound.
  • Example 1 In order to confirm the effects of Example 1, an oxide superconducting coil was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the fluororesin coating of the release layer was not provided. The oxide superconducting coil was cooled to 77 K using liquid nitrogen, and an energization test of the superconducting coil was performed. As a result, the n value was as low as 5, indicating deterioration.
  • Example 2 Two oxide superconducting wires were bundled and co-wound with an insulated Ni alloy tape made of Hastelloy (registered trademark) to produce a double pancake coil. Varnish insulation was applied to the Ni alloy tape, and silicone grease was applied to one side to form a release layer. The winding tension of the Ni alloy tape was 400 MPa, and the winding tension of the oxide superconducting wire was 25 MPa.
  • An oxide superconducting coil was completed by applying and impregnating with an epoxy resin. The oxide superconducting coil was cooled to 77 K using liquid nitrogen, and an energization test of the superconducting coil was performed. As a result, the n value was as high as 20, indicating that the coil was sound. When the oxide superconducting coil was energized at 500 A in a magnetic field of 5 T, the n value at 77 K did not decrease, and it was confirmed that the oxide superconducting coil had strong resistance even in a high electromagnetic force environment.
  • a resin is filled between the oxide superconducting wire and the reinforcing wire in a state where the reinforcing wire having electrical insulation and mold release properties on the outer periphery is co-wound with the oxide superconducting wire. Therefore, it is possible to prevent the local quench by ensuring thermal contact, and to suppress the deterioration of the current-carrying characteristics even if a thermal stress or an electromagnetic force acts on the superconducting wire.

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Abstract

酸化物超電導コイルは、少なくとも１枚以上のテープ状の酸化物超電導線材と、外周に電気絶縁性および離型性を有する補強線材とを備え、前記酸化物超電導線材と前記補強線材とが共巻きされ、前記酸化物超電導線材と前記補強線材との間に樹脂が充填されている。

Description

酸化物超電導コイルおよびその製造方法
　本発明は、酸化物超電導コイルおよびその製造方法に関する。
　本願は、２０１８年９月２８日に日本に出願された特願２０１８-１８４１７１号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　近年、Ｂｉ－Ｓｒ－Ｃａ－Ｃｕ－Ｏ等のＢｉ系超電導線材、ＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ等のＹ系超電導線材（ＲＥは希土類元素）といった酸化物超電導線材及びこれを用いた酸化物超電導コイルの開発が進んでいる。酸化物超電導コイルを磁場中で励磁すると、電磁力によって線材が長手方向に引張応力（引張負荷）を受ける。電磁力に起因する劣化を抑制するため、特許文献１には、補強線材を設けた超電導コイルが開示されている。
　一方で、超電導コイルを含浸樹脂で含浸した含浸コイルでは、コイル冷却の過程で熱応力が発生する。熱応力に起因する劣化を抑制するため、特許文献２には、境界部分の接着力が低く設定された超電導コイルが開示されている。特許文献３には、超電導部材と補強板とを長手方向に相互に摺動可能に包囲して拘束する絶縁テープを備えた超電導線材が開示されている。
日本国特開２００９－１８８１０８号公報 日本国特開２０１０－２６７８３５号公報 日本国特開２０１１－１１３９３３号公報
　しかし、超電導線材と補強線材が一体になった構造では、全体の強度が超電導線材の強度に制限され、補強線材に十分な予備負荷を付与することができない。このため、電磁力等に対する補強効果は低減されると考えられる。また、特許文献３により超電導コイルを作製する場合は、絶縁テープで包囲した構造の周囲に含浸樹脂を設けるため、超電導線材と冷却部材との熱接触が十分に取れず、温度が上昇し、最終的に焼損に至る局所クエンチを誘発する可能性がある。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、局所クエンチを回避しつつ、熱応力や電磁力が超電導線材に作用しても通電特性の劣化を抑制することができる酸化物超電導コイルおよびその製造方法を提供することを課題とする。
　本発明の第一態様に係る酸化物超電導コイルは、少なくとも１枚以上のテープ状の酸化物超電導線材と、外周に電気絶縁性および離型性を有する補強線材とを備え、前記酸化物超電導線材と前記補強線材とが共巻きされ、前記酸化物超電導線材と前記補強線材との間に樹脂が充填されている。
　前記補強線材の外周に、電気絶縁層および離型層を含む積層構造、または電気絶縁性および離型性を兼ね備える層が設けられていてもよい。
　前記補強線材が導電性の金属から構成されていてもよい。
　前記補強線材が電気絶縁性及び離型性を有する材質から構成されていてもよい。
　前記酸化物超電導線材の少なくとも一部において、前記酸化物超電導線材と前記補強線材とが電気的に接続していてもよい。
　前記補強線材の長手方向に、５ＭＰａ以上、０．２％耐力以下の引張応力が印加されていてもよい。
　本発明の第二態様に係る酸化物超電導コイルの製造方法は、少なくとも１枚以上のテープ状の酸化物超電導線材と、外周に電気絶縁性および離型性を有する補強線材とを共巻きする工程と、前記酸化物超電導線材と前記補強線材との間に含浸樹脂を供給する工程と、を有する。
　前記補強線材を、前記酸化物超電導線材の外周側に配して共巻きしてもよい。
　前記補強線材の長手方向に、引張応力を印加しながら共巻きしてもよい。
　本発明の上記態様によれば、外周に電気絶縁性および離型性を有する補強線材が、酸化物超電導線材と共巻きされた状態で、酸化物超電導線材と補強線材との間に樹脂が充填されているため、熱接触を確保して局所クエンチを回避しつつ、熱応力や電磁力が超電導線材に作用しても通電特性の劣化を抑制することができる。
第１実施形態の酸化物超電導コイルの断面図である。 第２実施形態の酸化物超電導コイルの断面図である。 酸化物超電導線材の一例を示す断面図である。 補強線材の第１例を示す断面図である。 補強線材の第２例を示す断面図である。 補強線材の第３例を示す断面図である。 酸化物超電導線材と補強線材とを共巻きする工程を例示する正面図である。 酸化物超電導線材の一部を補強線材と電気的に接続させた構造を例示する断面図である。 酸化物超電導コイルに用いられる電圧検出回路である。
　以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
　図１は、第１実施形態の酸化物超電導コイルの断面図である。図２は、第２実施形態の酸化物超電導コイルの断面図である。これらの断面図は、酸化物超電導線材の長手方向に垂直な断面を示す。図１、２における紙面上下方向は、酸化物超電導線材１，１Ａ，１Ｂの幅方向に相当する。図１、２における紙面左右方向は、酸化物超電導コイル５の径方向に相当する。左右のいずれが外側または内側でもよい。図１、２の左右方向には同様の断面構造が続き得るが、図示を省略している。
　酸化物超電導線材１，１Ａ，１Ｂはテープ状であり、補強線材２と共巻きにされている。酸化物超電導線材１，１Ａ，１Ｂと、補強線材２とは巻回単位３を構成する。酸化物超電導コイル５の径方向に沿って、巻回単位３に含まれる酸化物超電導線材１，１Ａ，１Ｂおよび補強線材２が同じ順序で現れ、巻回単位３が繰り返されている。第１実施形態の場合は、１本の酸化物超電導線材１と１本の補強線材２とにより巻回単位３を構成している。第２実施形態の場合は、２本の酸化物超電導線材１Ａ，１Ｂと１本の補強線材２とにより巻回単位３を構成している。
　補強線材２は、酸化物超電導線材１，１Ａ，１Ｂと同程度の幅を有するテープ状であることが好ましい。図１及び図２では、補強線材２の幅と酸化物超電導線材１，１Ａ，１Ｂの幅とが同程度としているがこれに限らない。
　巻回単位３における酸化物超電導線材１，１Ａ，１Ｂおよび補強線材２の本数は特に限定されず、それぞれ少なくとも１枚以上であればよい。以下の説明では、巻回単位３に含まれる本数を区別せず、酸化物超電導線材１および補強線材２という場合がある。
　酸化物超電導コイル５の径方向における酸化物超電導線材１と補強線材２との間には、含浸樹脂４が充填されている。さらに、酸化物超電導コイル５の幅方向における酸化物超電導線材１の両端部及び補強線材２の両端部を覆うように、含浸樹脂４が設けられている。
　酸化物超電導線材１と含浸樹脂４との間は、補強線材２が介在せずに接着できるので、酸化物超電導線材１は、含浸樹脂４を介して酸化物超電導コイル５の外部と十分な熱接触を得ることができる。これにより、酸化物超電導線材１の急激な温度上昇に対しても、局所的な焼損が抑制され、酸化物超電導コイル５のクエンチを防ぐことができる。
　補強線材２は、外周に電気絶縁性および離型性を有する。これにより、補強線材２と、酸化物超電導線材１とを共巻きする際に、酸化物超電導線材１よりも大きな巻線張力を付加して、補強線材２の長手方向に、引張応力（予備負荷）を印加することができる。これにより、補強線材２は、その内部の残留応力として、補強線材２の長手方向に沿う引張応力を有する。このため、酸化物超電導コイル５では、全体の強度が酸化物超電導線材１の強度に制限されることなく、補強線材２が十分に強度を負担することができ、電磁力に対する補強効果を高めることができる。引張応力の大きさは、例えば５ＭＰａ以上、０．２％耐力以下が好ましい。また、冷却による熱応力が印加された際に、補強線材２の外周に離型性を有するので、補強線材２と含浸樹脂４との間が優先的に剥離する。したがって、酸化物超電導線材１には熱応力が伝わらず、酸化物超電導線材１の劣化を抑制することができる。
　電気絶縁性および離型性を有する材料が、補強線材２に兼ね備えられているので、共巻き時に巻回単位３にまとめる線材の本数が必要以上に増加することがない。これにより、酸化物超電導コイル５の寸法精度および生産性の向上に寄与することができる。
　図３に、酸化物超電導線材の一例を示す。この断面図は、酸化物超電導線材の長手方向に垂直な断面を示す。図３における紙面上下方向は、酸化物超電導線材１０の厚さ方向に相当する。
　図３における紙面左右方向は、酸化物超電導線材１０の幅方向に相当する。厚さ方向のいずれがコイル径方向の外側または内側でもよい。
　この酸化物超電導線材１０は、基板１１の厚さ方向の一方の主面上に、中間層１２を介して超電導層１３が形成された積層構造を有する。本実施形態の場合、超電導層１３の上には金属からなる保護層１４が形成されている。酸化物超電導線材１０の厚さ方向には、基板１１、中間層１２、超電導層１３、保護層１４が、この順に積層されている。
　基板１１は、テープ状の金属基板である。基板１１は、厚さ方向の両面に、それぞれ主面を有する。
　基板１１を構成する金属の具体例として、ハステロイ（登録商標）に代表されるニッケル合金、ステンレス鋼、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ－Ｗ合金などが挙げられる。基板１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、例えば１０～５００μｍの範囲である。
　超電導層１３は、酸化物超電導体から構成される。酸化物超電導体としては、例えば一般式ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７－δ（ＲＥ１２３）で表されるＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ系酸化物超電導体が挙げられる。希土類元素ＲＥとしては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちの１種又は２種以上が挙げられる。酸化物超電導層１３の厚さは、例えば０．５～５μｍ程度である。
　基板１１と超電導層１３との間に中間層１２が設けられていてもよい。中間層１２は、多層構成でもよく、例えば基板１１側から超電導層１３側に向かう順で、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有してもよい。これらの層は必ずしも１層ずつ設けられるとは限らず、一部の層を省略する場合や、同種の層を２以上繰り返し積層する場合もある。
　保護層１４は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、超電導層１３と保護層１４の上に設けられる層との間で起こる化学反応を抑制したり、超電導層１３への水分の浸入を防止したりする等の機能を有する。保護層１４の材質としては、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、金と銀との合金、その他の銀合金、銅合金、金合金などが挙げられる。保護層１４が同種または異種の金属からなる２層以上を含んでもよい。保護層１４は、少なくとも超電導層１３の表面、すなわち厚さ方向において、基板１１側に対する反対側の面を覆っている。保護層１４が、酸化物超電導線材１０の外周の他の面を覆ってもよい。すなわち、保護層１４が基板１１、中間層１２、超電導層１３の幅方向の端面を覆ったり、基板１１の、中間層１２が形成されていない主面を覆ってもよい。
　なお、安定化層（図示略）が、少なくとも保護層１４の表面、すなわち厚さ方向において、基板１１側に対する反対側の面を覆っていてもよい。安定化層は、酸化物超電導層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部としての機能を有する。安定化層の構成材料としては、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の金属又はこれらの１種以上を含む合金が挙げられる。導電性、経済性等の観点からは、安定化層が銅めっき、銅箔等から構成されることが好ましい。
　図４から図６に、補強線材の構成例を示す。図４に示す補強線材２０は、補強線材本体２１の外周に、電気絶縁層２２および離型層２３を含む積層構造を有する。図５に示す補強線材２０Ａは、補強線材本体２１の外周に、電気絶縁性および離型性を兼ね備える電気絶縁性離型層２４を有する。図６に示す補強線材２０Ｂは、補強線材本体２５が、電気絶縁性及び離型性を有する材質から構成されている。
　補強線材本体２１は、金属テープなどの金属から構成されることが好ましい。補強線材本体２１を構成する金属としては、鉄（Ｆｅ）系合金、ニッケル（Ｎｉ）合金、チタン（Ｔｉ）合金、銅（Ｃｕ）合金、アルミニウム（Ａｌ）合金、タングステン（Ｗ）合金などが挙げられる。補強線材本体２１，２５は、カーボンファイバー等の非金属導体、ガラス繊維等の電気絶縁体から構成することもできる。補強線材本体２５が、電気絶縁性及び離型性を有する材質である場合、電気絶縁層２２、離型層２３、電気絶縁性離型層２４を省略してもよい。カーボンファイバー、ガラス繊維などの繊維材料をテープ状の線材に用いる場合、複数の繊維を編組等に構成してもよい。
　電気絶縁層２２としては、金属酸化物等の無機物、樹脂等の有機物の中から、補強線材本体２１に一体化できる電気絶縁体を選択して構成することができる。離型層２３としては、例えばフッ素樹脂、シリコーン樹脂、パラフィン等の脂肪族化合物などが挙げられる。図４では、補強線材本体２１の外周上に、電気絶縁層２２が内側（離型層２３を外側）とした構成を示しているが、電気絶縁層２２が外側（離型層２３を内側）とした構成であってもよい。図５に示すように、電気絶縁性および離型性を兼ね備える電気絶縁性離型層２４を採用することも可能である。電気絶縁性離型層２４を構成する材料としては、フッ素樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂などが挙げられる。
　図４及び図５に示すように、電気絶縁層２２、離型層２３または電気絶縁性離型層２４は、補強線材本体２１の全周にわたり構成されてもよいが、電気絶縁性または離型性の効果を奏する一部分に構成されてもよい。
　電気絶縁性の効果を奏するように電気絶縁層２２を設ける領域としては、例えば、補強線材２が酸化物超電導線材１と対向する側の面が挙げられる。電気絶縁層２２が、所定の領域にベタ状に設けられてもよく、点状、帯状、網状、格子状等の分布を有してもよい。例えば、補強線材２の幅方向において電気絶縁層２２を省略してもよい。
　離型性の効果を奏するように離型層２３を設ける領域は特に限定されず、補強線材２が酸化物超電導線材１または含浸樹脂４に対して長手方向に離型（分離）が可能であればよい。離型層２３が、所定の領域にベタ状に設けられてもよく、点状、帯状、網状、格子状等の分布を有してもよい。補強線材２の長手方向において、離型層２３が連続的に設けられてもよく、間欠的に設けられてもよい。
　電気絶縁性離型層２４は、電気絶縁層２２と離型層２３の効果を奏する領域に設けられればよい。
　電気絶縁層２２、離型層２３または電気絶縁性離型層２４の形成方法は、特に限定されず、テープ材料の巻き付け、材料の塗布、コーティング等が挙げられる。電気絶縁層２２、離型層２３または電気絶縁性離型層２４が含浸樹脂４によって補強線材本体２１と一体化されてもよい。樹脂を含浸させる前の補強線材単体において、電気絶縁層２２、離型層２３または電気絶縁性離型層２４が補強線材本体２１に固着されていてもよい。特に図示しないが、補強線材本体２１の外周に、電気絶縁層２２または離型層２３の一方のみを設けてもよい。補強線材本体２１の外周に、２層以上または２種以上の電気絶縁層２２、２層以上または２種以上の離型層２３、２層以上または２種以上の電気絶縁性離型層２４を設けてもよい。
　含浸樹脂４としては、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、紫外線硬化性樹脂などが挙げられる。含浸施工は、真空含浸、塗巻含浸、半硬化樹脂共巻き含浸などが挙げられる。すなわち、樹脂含浸工程が、共巻き工程の後で酸化物超電導線材１と補強線材２との間に含浸樹脂を供給する方法でもよく、共巻き工程の前または途中で酸化物超電導線材１または補強線材２に含浸樹脂を供給する方法でもよい。
　酸化物超電導線材１と補強線材２とを共巻きにする共巻き工程においては、図７に示すように、補強線材２を、酸化物超電導線材１の外周側に配して共巻きし、酸化物超電導コイル６を作製することが好ましい。共巻きにより作製される酸化物超電導コイル６は、上述したように、含浸樹脂を供給する前段階でもよく、未硬化または半硬化の含浸樹脂が線材に供給されていてもよい。
　含浸樹脂４を有する酸化物超電導コイルは、図８に示すように、酸化物超電導線材１の少なくとも一部において、酸化物超電導線材１と補強線材２とが電気的に接続した導通構造を有してもよい。例えば補強線材２の外周の少なくとも一部に、図４または図５に示す電気絶縁層２２、離型層２３または電気絶縁性離型層２４を有しない領域を設け、半田等の導体金属からなる導通部２６を介して酸化物超電導線材１と補強線材２とを電気的に接続させてもよい。具体的には、導通部２６は、補強線材２の補強線材本体２１と、酸化物超電導線材１の保護層１４、または、上述した安定化層と電気的に接続されている。酸化物超電導線材１と補強線材２との導通は、導通部２６に代えて導体線を用いてもよく、または、導通部２６と導体線の両方を用いてもよい。導通構造は、例えば電圧検出回路、コイル昇温回路などの回路の一部とすることができる。
　電圧検出回路としては、例えば、図９に示すように、電圧検出回路４０を用いることができる。電圧検出回路４０は、酸化物超電導コイル３０に設けられている。なお、酸化物超電導コイル３０は、第１実施形態または第２実施形態の酸化物超電導コイル５を用いることができる。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
　電圧検出回路４０は、図９に示すように、電圧計４１と、制御部４２と、ダイオード４３と、抵抗４４と、電流源４５と、スイッチ４６とを備えている。
　酸化物超電導コイル３０は、酸化物超電導線材１と補強線材２とが共巻きされた構成となっており、酸化物超電導線材１からなる超電導線材コイル３１と、補強線材２からなる補強線材コイル３２とを含んでいる。超電導線材コイル３１と補強線材コイル３２とは、酸化物超電導コイル３０の第一端３０ａ側に設けられた導通部２６によって導通されている。
　酸化物超電導コイル３０の第二端３０ｂ側では、超電導線材コイル３１と補強線材コイル３２とは導通されていない。酸化物超電導コイル３０の第二端３０ｂ側には、電圧計４１が接続され、電圧計４１に制御部４２が接続されている。
　電圧計４１は、超電導線材コイル３１と補強線材コイル３２との間の端子電圧を測定し、酸化物超電導コイル３０に生じる抵抗電圧を検出する。
　制御部４２は、電圧計４１によって検出された抵抗電圧に応じて酸化物超電導コイル３０にクエンチが発生したか否かを判断する。クエンチが発生したか否かを判定するアルゴリズムは、例えば、研究論文（共巻きコイルを用いたＨＴＳコイルクエンチ検出の高感度化　低温工学　５２巻１号　２０１７年）に基づいて設定可能である。
　制御部４２は、クエンチが発生したと判断すると、電流源４５から供給される電流を減衰モードへと移行させる。
　本実施形態の酸化物超電導コイル３０には、電圧検出回路４０が設けられているため、電圧計４１によって検出された抵抗電圧に応じて、電流を減衰させることにより、局所クエンチを回避しつつ、熱応力や電磁力が超電導線材に作用しても通電特性の劣化を抑制することができる。
　以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。改変としては、各実施形態における構成要素の追加、置換、省略、その他の変更が挙げられる。また、２以上の実施形態に用いられた構成要素を適宜組み合わせることも可能である。
　以下、本発明の実施例を示す。
＜実施例１＞
　１枚の希土類系酸化物超電導線材（幅４ｍｍ、厚さ０．１３ｍｍ）と、絶縁処理を施したＳＵＳテープ（幅４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ）とを共巻きし、半製品のシングルパンケーキコイル（内径３０ｍｍ、外径６０ｍｍ）を作製した。共巻きの際、ＳＵＳテープの巻線張力は３００ＭＰａとし、酸化物超電導線材の巻線張力は２５ＭＰａとした。ＳＵＳテープの外周の絶縁は、ポリイミドテープの２重ラップ巻きによって施した。ＳＵＳテープからなる補強線材の最外周に離型層が構成されるように、外側のポリイミドテープの片側にフッ素樹脂コートを設けた。共巻き後にエポキシ樹脂を用いて真空含浸により半製品コイルに含浸樹脂を施した。樹脂が含浸された後のコイルに熱処理を施して、酸化物超電導コイルを完成させた。
　液体窒素を用いて酸化物超電導コイルを７７Ｋまで冷却し、超電導コイルの通電試験を実施した。劣化基準となるｎ値が２５と高い値を示し、健全であることが確認された。
＜参考例１＞
　実施例１の効果を確認するため、離型層のフッ素樹脂コートを設けないこと以外は実施例１と同じ条件で、酸化物超電導コイルを作製した。
　液体窒素を用いて酸化物超電導コイルを７７Ｋまで冷却し、超電導コイルの通電試験を実施したところ、ｎ値が５と低い値を示し、劣化していることが示された。
＜実施例２＞
　２枚の酸化物超電導線材をバンドルして、絶縁処理を施したハステロイ（登録商標）からなるＮｉ合金テープと共巻きし、ダブルパンケーキコイルを作製した。Ｎｉ合金テープにはワニス絶縁を施し、片側にシリコーングリースを塗布して離型層を形成した。Ｎｉ合金テープの巻線張力は４００ＭＰａとし、酸化物超電導線材の巻線張力は２５ＭＰａとした。エポキシ樹脂を用いて塗巻含浸を施し、酸化物超電導コイルを完成させた。
　液体窒素を用いて酸化物超電導コイルを７７Ｋまで冷却し、超電導コイルの通電試験を実施したところ、ｎ値が２０と高い値を示し、健全であることが確認された。また、この酸化物超電導コイルを５Ｔの磁場中で５００Ａ通電したところ、７７Ｋにおけるｎ値が低下せず、高い電磁力環境においても強い耐性を有することが確認された。
　本発明によれば、外周に電気絶縁性および離型性を有する補強線材が、酸化物超電導線材と共巻きされた状態で、酸化物超電導線材と補強線材との間に樹脂が充填されているため、熱接触を確保して局所クエンチを回避しつつ、熱応力や電磁力が超電導線材に作用しても通電特性の劣化を抑制することができる。
１，１Ａ，１Ｂ，１０…酸化物超電導線材、２，２０，２０Ａ，２０Ｂ…補強線材、３…巻回単位、４…含浸樹脂、５，６…酸化物超電導コイル、１１…基板、１２…中間層、１３…酸化物超電導層、１４…保護層、２１，２５…補強線材本体、２２…電気絶縁層、２３…離型層、２４…電気絶縁性離型層、２６…導通部

Claims (9)

  1. 　少なくとも１枚以上のテープ状の酸化物超電導線材と、
    　外周に電気絶縁性および離型性を有する補強線材とを備え、
    　前記酸化物超電導線材と前記補強線材とが共巻きされ、
    　前記酸化物超電導線材と前記補強線材との間に樹脂が充填されている
    酸化物超電導コイル。
  2. 　前記補強線材の外周に、電気絶縁層および離型層を含む積層構造、または電気絶縁性および離型性を兼ね備える層が設けられている
    請求項１に記載の酸化物超電導コイル。
  3. 　前記補強線材が導電性の金属から構成されている
    請求項１または２に記載の酸化物超電導コイル。
  4. 　前記補強線材が電気絶縁性及び離型性を有する材質から構成されている
    請求項１または２に記載の酸化物超電導コイル。
  5. 　前記酸化物超電導線材の少なくとも一部において、前記酸化物超電導線材と前記補強線材とが電気的に接続している
    請求項１～４のいずれか１項に記載の酸化物超電導コイル。
  6. 　前記補強線材の長手方向に、５ＭＰａ以上、０．２％耐力以下の引張応力が印加されている
    請求項１～５のいずれか１項に記載の酸化物超電導コイル。
  7. 　少なくとも１枚以上のテープ状の酸化物超電導線材と、外周に電気絶縁性および離型性を有する補強線材とを共巻きする工程と、
    　前記酸化物超電導線材と前記補強線材との間に含浸樹脂を供給する工程と、を有する
    酸化物超電導コイルの製造方法。
  8. 　前記補強線材を、前記酸化物超電導線材の外周側に配して共巻きする
    請求項７に記載の酸化物超電導コイルの製造方法。
  9. 　前記補強線材の長手方向に、引張応力を印加しながら共巻きする
    請求項７または８に記載の酸化物超電導コイルの製造方法。
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